JP5688250B2 - 風力発電装置および風力発電装置の運転方法 - Google Patents
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Description
本発明の風力発電装置は、風向に対して略垂直方向に延びる中心軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および風を受けて回転軸まわりに回転する回転駆動力を発生する複数の羽根からなる風車を備え、さらに、回転軸の回転速度を繰り返し変動させる回転速度変動部を備えている。この回転速度変動部を用いて回転負荷を加え、回転軸の回転速度を繰り返し変動させることにより、回転軸に取り付けられた複数の羽根の回転速度も繰り返し変動する。つまり、回転速度変動部を用いて風車を振動させることができる。風車が振動すると、風車、特に羽根に付着した氷や雪に対して加振力が働き、付着した氷や雪を振り落とすことができる。
上記発明において、支持部は複数の前記風車を支持している場合には、複数の風車のそれぞれには、回転軸の回転速度を変動させる回転速度変動部を配置し、制御部によって回転軸の回転速度を変動させる制御を行う回転速度変動部の数を制御することが望ましい。このように回転速度の変動制御を行う回転速度変動部の数を制御することで、複数の風車を支持する支持部における振動の振幅を制御でき、支持部における振動モードを制御できる。つまり、回転速度の変動制御を行う回転速度変動部の数を増やすと、支持部を振動させる加振点の数が増え、支持部における振動の振幅が大きくなる。また、回転速度の変動制御を行う回転速度変動部を選択することにより、支持部を振動させる加振点の位置が選択され、支持部における振動モードを制御できる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る風力発電装置について、図1から図5を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る風力発電装置の全体構成を説明する模式図である。
垂直軸型風車10は、風を受けて回転駆動力を発生させるものであり、発電部20に回転駆動力を供給するものである。垂直軸型風車10には、図1および図2に示すように、シャフト(回転軸)11と、ブレード(羽根)12と、アーム13と、が主に設けられている。
さらに主支柱31の上端には、図3および図4に示すように、取り付け部38が設けられている。取り付け部38は取り付けフランジ状に形成されたものであり、例えば、垂直軸型風車10よりも小型な垂直軸型風車と小型な垂直軸型風車に駆動される発電部が取り付けられるものである。
下方支持部33は、主支柱31および副支柱32とともに垂直軸型風車10および発電部20の質量を支えるものである。下方支持部33は、地面から所望の距離だけ上方に離れた位置(本実施形態では約2m)において、4本の主支柱31の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台30を上方から見て、4本の主支柱31を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。より具体的には、下方支持部33は、図5に示すように、対角線が交差する中心部である発電部20が配置される位置において、四角い枠を形成するように配置されている。このようにすることで、下方支持部33の上に発電部20を安定して設置することができる。さらに、四角い枠の内部に副支柱32を通して、発電部20を副支柱32によって直接支持させることができる。本実施形態では、下方支持部33として、断面がI字状やH字状に形成された部材が用いられた例に適用して説明する。
梁部36は、上方支持部34および中央支持部35が配置された高さにおいて、4本の主支柱31の間を水平方向に延びて配置されるとともに、4本の主支柱31を頂点とした四角形の辺を形成するように配置された棒状の部材である。
まず、風力発電装置1における発電について説明する。図1に示すように、風力発電装置1の垂直軸型風車10は、風を受けるとシャフト11を中心として回転する。具体的には、垂直軸型風車10のブレード12は、風を受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト11を中心として回転する。垂直軸型風車10が回転し始めると、ブレード12は風に加えて自らの回転による相対的な空気の流れを受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト11を中心として回転する。
まず、制御部60による垂直軸型風車10や架台30などに氷や雪が付着しているか否かの判定方法について説明する。氷や雪の付着の有無の判定は、風力発電装置1において発電されているときに行われ、風速計50により測定された風速と、出力測定部40により測定された電力に基づいて判断される。
つまり、風速計50により測定された風速の値に対する、出力測定部40により測定された電力の値が、記憶部70に記憶された電力の値よりも低い場合には、垂直軸型風車10や架台30などに氷や雪が付着している可能性があると制御部60に判断される。例えば、垂直軸型風車10や架台30に氷や雪が付着すると、ブレード12の周囲における空気の流れが乱れるため、ブレード12は氷や雪が付着していない状態の(設計時に設定された)空力特性を発揮することができない。そのため、同じ風速の風が垂直軸型風車10に当たっても、垂直軸型風車10や架台30に氷や雪が付着していると、垂直軸型風車10は、氷や雪が付着していない状態と比較して、小さな回転駆動力しか発生させることができない。すると、垂直軸型風車10により駆動される発電部20において発電される電力も、氷や雪が付着していない状態と比較して小さくなる。
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について図6から図9を参照して説明する。
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態について図10を参照して説明する。
本実施形態におけるブレード(羽根)212は、第1の実施形態のブレード12と同様に、風を受けてシャフト11を中心として回転する回転駆動力を発生させるものである(図1参照。)。ブレード212は、図10に示すように、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード212における回転方向前方(図10の紙面奥方向)には前縁LE(図示せず。)が設けられ、回転方向後方(図10の紙面手前方向)には後縁TEが設けられている。さらにブレード212におけるシャフト11側(図10の左方)には正圧面PSが設けられ、シャフト11と反対側(図10の右方)には負圧面SSが設けられている。
上記の構成によれば、ブレード212における正圧面PSに付着した氷や雪が、補強部214の上端面214aに落下しても、氷や雪は上端面214aに乗ることなくブレード212から落下し、再度、ブレード212に付着することを防止できる。本実施形態のように、上端面214aが、上方から下方に向かってシャフト11に近づく傾斜面である場合、上端面214aに落下した氷や雪は、上端面214aをシャフト11に向かって滑り落ちる。
〔第4の実施形態〕
次に、本発明の第4の実施形態について図11を参照して説明する。
本実施形態におけるブレード(羽根)312は、第1の実施形態のブレード12と同様に、風を受けてシャフト11を中心として回転する回転駆動力を発生させるものである(図1参照。)。ブレード312は、図11に示すように、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード312における回転方向前方(図11の左方)には前縁LEが設けられ、回転方向後方(図11の右方)には後縁TEが設けられている。さらにブレード312におけるシャフト11側(図11の紙面手前側)には正圧面PSが設けられ、シャフト11と反対側(図11の紙面奥側)には負圧面SS(図示せず。)が設けられている。
Claims (9)
- 風向に対して略垂直方向に延びる中心軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および、該回転軸に取り付けられ、風を受けて前記回転軸まわりに回転する回転駆動力を発生する複数の羽根を少なくとも有する風車と、
前記回転軸および前記複数の羽根を、前記中心軸線まわりに回転可能に支持する支持部と、
回転負荷を加えることにより前記回転軸の回転速度を繰り返し変動させる回転速度変動部と、
が設けられている風力発電装置。 - 前記回転速度変動部による前記回転軸の回転速度を変動させるタイミング、および、変動した回転速度を維持する期間の少なくとも一方を変更する制御部が、さらに設けられている請求項1記載の風力発電装置。
- 前記複数の羽根を回転させる風の風速を測定する風速測定部と、
前記回転軸の回転速度を測定する回転速度測定部と、
予め測定された前記風車における前記風速および前記回転速度の関係を記憶する記憶部と、
がさらに設けられ、
前記制御部は、前記風力測定部により測定された前記風速および前記回転速度測定部により測定された前記回転軸の回転速度との関係と、前記記憶部に記憶された前記風速および前記回転速度の関係と、を対比して、
前記測定された風速に対する前記測定された回転速度が、前記測定された風速と同じ前記記憶された風速に対する前記記憶された回転速度よりも低い場合には、前記回転速度変動部による前記回転軸における回転速度の変動を行う制御を開始する請求項2記載の風力発電装置。 - 前記回転速度変動部は、前記回転軸によって伝達された回転駆動力を用いて電力を発電する発電部であり、
前記回転速度測定部は、前記発電部から出力された電力を測定する出力測定部である請求項3記載の風力発電装置。 - 前記支持部は、複数の前記風車を支持し、
複数の前記風車には、それぞれの前記回転軸の回転速度を変動させる前記回転速度変動部が配置され、
前記制御部は、前記回転軸の回転速度を変動させる制御を行う前記回転速度変動部の数を制御する請求項1から4のいずれか一項に記載の風力発電装置。 - 前記回転軸は、鉛直方向に延びて配置され、
前記複数の羽根は、前記回転軸の前記軸線を中心とした、上方から下方に向かって広がる円錐面上に等間隔に、かつ、前記回転軸とともに回転可能に配置されている請求項1から4のいずれか一項に記載の風力発電装置。 - 前記回転軸は、鉛直方向に延びて配置され、
前記複数の羽根は、断面が翼型に形成されるとともに、前記回転軸の前記軸線を中心とした円周上に等間隔に、かつ、前記回転軸とともに回転可能に配置され、
前記羽根における前記回転軸側の面には、前縁と後縁との間から前記後縁まで、前記羽根の翼厚を薄くするように切り欠かいた凹部と、該凹部の面から前記回転軸に向かって突出するとともに前記前縁から前記後縁に向かって延びる補強部と、が設けられ、
該補強部にける上端面は、上方から下方に向かって、前記回転軸側に近づく傾斜面、または、前記前縁から前記後縁に向かう傾斜面である請求項1から4のいずれか一項に記載の風力発電装置。 - 前記羽根における前記回転軸側の面には、太陽光を熱に変換する変換層が設けられている請求項6または7に記載の風力発電装置。
- 風を受けて風向に対して略垂直方向に延びる回転軸を回転させる回転駆動力を発生する風車と、前記回転軸によって伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電部と、が設けられている風力発電装置の運転方法であって、
前記回転軸まわりに前記風車を回転駆動させる風の風速を測定するとともに、前記発電部から出力される電力を測定する測定ステップと、
予め測定され記憶部に記憶された前記風車に関する前記風速および前記電力の関係と、前記測定ステップにおいて測定された前記風車に関する前記風速および前記電力の関係と、を対比する対比ステップと、
前記測定された風速に対する前記測定された電力が、前記記憶された電力よりも低い場合には、回転負荷を加えることにより前記回転速度の回転速度を抑制する回転速度抑制部を用いて前記回転速度の抑制を行い、前記風車を振動させる制御ステップと、
を有する風力発電装置の運転方法。
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