JP6001036B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水平軸風車を備え、風力により発電する風力発電装置に関する。

風力発電装置に用いられる風車において、発電効率を向上すべく翼を大型化する傾向があるが、これに伴い低周波領域の振動及び騒音、鳥類の衝突（バードストライク）の問題が顕著になってきている。これらに対して、問題を解決すべく種々の提案がなされている。

例えば、風車がタワーの風下に位置するダウンウィンド式の水平軸風車において、低周波騒音を低減すべく、縦渦を発生させタワー後流とその外部との風速差を低減させる渦生成部材をタワーに備える水平軸風車が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また風洞式プロペラ形風車において、騒音を防止すべく風車の回転により風洞内に生じる音波を干渉させて打ち消す波板を備えるとともに、風車が設置されている風洞内への小鳥や昆虫の侵入を防止する補助プロペラを備える風力発電装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００６−２７２６号公報 特開２００７−２９１９０３号公報

特許文献１に記載の水平軸風車によれば、ダウンウィンド式の水平軸風車における低周波騒音を低減させることができるが、風車がタワーの風上に位置するアップウィンド式の風車に適用することができない。またタワーに渦生成部材を設置するコストがかかってしまう。

特許文献２に記載の風力発電装置によれば、風洞内における騒音の発生、小鳥や昆虫の侵入を防止することが可能であるが、風洞を有していない風力発電装置に適用することができない。

このように風力発電装置において、振動、騒音、鳥類の衝突（バードストライク）の問題に対し、さらなる改良が求められている。

本発明の目的は、風車の回転による振動及び騒音の発生を防止可能な風力発電装置を提供することである。

本発明は、同一回転軸上に前後に並べて配置された水平軸風車である第１風車及び第２風車と、前記第１風車及び前記第２風車を支持するナセルと、前記ナセルを地上から支持するタワーとを備える風力発電装置であって、前記第１風車及び前記第２風車は、回転軸周りに並べて配置された複数の翼を備え、前記第１風車の前記翼と前記第２風車の前記翼とは、回転軸に対する前記翼の傾斜角度である傾斜角が９０度未満であり、風を受けたときに前記第１風車と前記第２風車とが互いに逆方向に回転するように配置され、さらに前記第１風車及び前記第２風車の前記傾斜角を制御する傾斜角制御手段を備えることを特徴とする風力発電装置である。

また本発明の風力発電装置は、さらに前記第１風車及び前記第２風車の回転軸周りの円軌道に対する前記翼のねじれ角度であるピッチ角を制御するピッチ制御手段を備えることを特徴とする。

また本発明において、前記ナセルは、前記タワーの長軸周りに回転自在に前記タワーに連結され、前記第１風車及び前記第２風車の回転軸が風向と平行になるように前記ナセルの回転角度を制御するヨー制御手段を備えることを特徴とする。

また本発明の風力発電装置は、鳥類が視認可能に少なくとも第１風車及び第２風車が緑色の外観を有することを特徴とする。

本発明の風力発電装置によれば、第１風車の翼と第２風車の翼とは、回転軸に対し９０度未満の角度で傾斜しているので、回転軸に対し直交した翼を有する風車に比べて小径化が可能であり、低周波領域の振動及び騒音の発生を低減することができる。また風を受けたときに第１風車と第２風車とが互いに逆方向に回転するので、それぞれの風車で発生する振動及び騒音が互いに打ち消し合い、振動及び騒音の発生を防止することができる。

本発明の第１実施形態の風力発電装置１の側面図である。 図１の風力発電装置１の正面図である。 図１の第１風車３１の傾斜角５１を示す側面図である。 図１の第１風車３１及び第２風車４１のピッチ角５２、５３を示す背面図である。

図１は、本発明の第１実施形態の風力発電装置１の側面図である。図２は、図１の風力発電装置１の正面図である。図３は、図１の第１風車３１の傾斜角５１を示す側面図である。図４（ａ）は、図１の第１風車３１のピッチ角５２を示す背面図である。図４（ｂ）は、図１の第２風車４１のピッチ角５３を示す背面図である。なお図２において、第２風車４１は省略している。

本発明の第１実施形態の風力発電装置１は、同一回転軸上に前後に並べて配置された水平軸風車である第１風車３１及び第２風車４１と、第１風車３１及び第２風車４１を支持するナセル１２と、ナセル１２を地上から支持するタワー１１とを備え、風力により第１風車３１と第２風車４１とが互いに逆方向に回転し発電を行う。また風力発電装置１は、後述する、図示しないヨー制御手段、傾斜角制御手段、及びピッチ制御手段を備える。

タワー１１は、円筒体の支持構造物であり、タワー１１の荷重を地盤に伝える基盤（図示省略）に据え付けられている。タワー１１は、特定のものに限定されるものではなく、ナセル１２を長軸周りに回転自在に支持することが可能な公知のタワーを用いることができる。またタワー１１の高さも、特定の高さに限定されるものではない。なお基盤は、特定のものに限定されるものではなく、公知の基盤を用いることができる。

ナセル１２は、タワー１１に回転自在に連結された回転基台２１と、回転基台２１の上部に取付けられている支持部材２２とを備え、支持部材２２に第１風車３１及び第２風車４１の回転軸となるシャフト２３が取付けられ、シャフト２３を介して第１風車３１及び第２風車４１を支持している。ナセル１２は、図示しないヨー制御手段により、第１風車３１及び第２風車４１の回転軸（シャフト２３）が風向と平行になるように回転角度が制御される。

ヨー制御手段としては、例えば、風車に発生する空気力を利用して自律的に回転角度を制御するフリーヨーや、風車の回転軸の向きと風向との差を検知し動力を用いて強制的に回転角度を制御する制御ヨー等の公知の手段を用いることができる。また風向に追従可能であれば、単に尾翼（図示省略）を設けたものでもよい。

回転基台２１は、正面視において逆蒲鉾形であり、タワー１１の長軸周りに回転自在にタワー１１の上端部に連結されている。また回転基台２１は、ヨー制御手段や後述する傾斜角制御手段、ピッチ制御手段の構成機器（図示省略）、発電機３４、４４と電気設備との中継機器（図示省略）等を収納することもできる。

支持部材２２は、正面視において逆Ｖ字状の板材であり、回転基台２１の上面の長手方向の両端に立設されており、上部にシャフト２３が固定されている。なお支持部材２２の形状は、特定の形状に限定されるものではなく、第１風車３１及び第２風車４１が回転自在なように、シャフト２３を支持可能な形状であればよい。

シャフト２３は、円柱体であり、支持部材２２に固定されている。なおシャフト２３は、円柱体に限定されるものではなく、例えば、円筒体でもよい。シャフト２３は、第１風車３１及び第２風車４１の回転軸となる。

第１風車３１は、風を受ける翼３２と、翼３２が取付けられ風力により回転するハブ３３と、ハブ３３の回転力により電力を発生させる発電機３４とを備え、ハブ３３が回転自在なようにシャフト２３に取付けられている。

翼３２は、断面が六角形の扁平な板材であり、ハブ３３の周方向に等間隔に１０枚、取付けられている。また１０枚の各翼３２は、図３に示すように回転軸（シャフト２３）に対し、９０度未満の角度で傾斜しており、第１風車３１の輪郭が円錐台形状となるようにハブ３３に取付けられている。以下、回転軸に対する翼３２の傾斜角度を傾斜角５１と呼ぶ。

さらに１０枚の各翼３２は、回転軸（シャフト２３）周りの円軌道に対し、ねじれるように取付けられている。以下、回転軸周りの円軌道に対する翼３２のねじれ角度をピッチ角５２と呼ぶ。傾斜角５１及びピッチ角５２の決め方については後述する。

ハブ３３は、上面に凸部３５を有する円板体であり、図示しない軸受を備え、軸受を介してシャフト２３に回転自在に取付けられているとともに、回転力を伝達可能に発電機３４に連結されている。ハブ３３の底面には、前述した要領で翼３２が取付けられている。なおハブ３３の形状は、特定の形状に限定されるものではない。

発電機３４は、シャフト２３に固定されており、ハブ３３の回転力により電力を発生させる。発電機３４は、回転力により電力を発生させる公知の誘導発電機、同期発電機、多極同期発電機等を用いることができる。また発電機３４は、電力系統に連系するための電気設備（図示省略）に接続されている。なお電気設備は、地上等に設置される公知の風力発電装置に用いられるものと同様のものを用いることができる。

第２風車４１は、基本的構成は第１風車３１と同じであるが翼４２のピッチ角５３が異なる。第２風車４１は、風を受ける翼４２と、翼４２が固定され風力により回転するハブ４３と、ハブ４３の回転力により電力を発生させる発電機４４とを備え、第１風車３１の発電機３４の後端にハブ４３の凸部４５が近接するようにシャフト２３に固定されている。

第２風車４１の翼４２は、ピッチ角５３が第１風車３１の翼３２のピッチ角５２と１８０度異なるようにハブ４３に取付けられている。これにより第１風車３１と第２風車４１とは、風力により互いに逆方向に回転する。本実施形態において傾斜角５１は、第１風車３１の傾斜角５１と同じであるが、異なっていてもよい。第２風車４１のハブ４３、発電機４４は、第１風車３１のものと同じなので説明を省略する。

第１風車３１及び第２風車４１の翼３２、４２の形状、数、間隔、傾斜角５１及びピッチ角５２、５３は、特定のものに限定されるものではなく、少なくとも第１風車３１と第２風車４１とが互いに逆方向に回転し、互いの振動及び騒音を打ち消し合うように決められていればよく、発電効率の向上や低周波領域の振動及び騒音の低減等を考慮し適宜最適に決めることができる。ただし第１風車３１及び第２風車４１が小径になるように翼３２、４２の傾斜角５１等が決められていると、低周波領域の振動及び騒音が発生し難くなり、より好ましい。

なお風力発電装置１は、図示しない傾斜角制御手段及びピッチ制御手段を備え、風向や風速により翼３２、４２の傾斜角５１及びピッチ角５２、５３を制御することが可能である。なお傾斜角制御手段及びピッチ制御手段としては、モータや油圧装置等を用いた公知の傾斜角制御装置及びピッチ制御装置等を用いることができる。

本実施形態の風力発電装置１は、外観が緑色になるように、タワー１１、ナセル１２、シャフト２３、支持部材２２、第１風車３１及び第２風車４１が彩色されている。これにより鳥類が風力発電装置１を視認し易くなり、衝突を回避することが可能となる。なお少なくとも第１風車３１及び第２風車４１を外観が緑色になるように彩色することで、第１風車３１及び第２風車４１への鳥類の衝突を回避することができる。

また本実施形態の風力発電装置１において、構成要素の材質は、特定の材質に限定されるものではなく、公知の風力発電装置と同様の材質で形成することができる。

次に本実施形態の風力発電装置１の作用について説明する。風力発電装置１は、ヨー制御手段により、第１風車３１及び第２風車４１の回転軸（シャフト２３）が風向と平行になるようにナセル１２がタワー１１の長軸周りに回転し、第１風車３１と第２風車４１とが風を受けて互いに逆方向に回転する。第１風車３１と第２風車４１とが互いに逆方向に回転することで、それぞれの風車で発生する振動及び騒音が互いに打ち消し合い、振動及び騒音の発生が防止される。

また傾斜角制御手段及びピッチ角制御手段により、風速に合わせて発電効率が高まるように第１風車３１及び第２風車４１の傾斜角５１及びピッチ角５２、５３が制御される。ただし、少なくとも第１風車３１と第２風車４１との回転方向が互いに逆方向になるように制御される。

本実施形態の風力発電装置１によれば、第１風車３１及び第２風車４１の翼３２、４２が回転軸（シャフト２３）に対し９０度未満の角度で傾斜しているので、風を受け易く、回転軸に直交した翼を有する風車に比べて第１風車３１及び第２風車４１の小径化が可能であり、低周波領域の振動及び騒音の発生を低減することができる。さらに第１風車３１と第２風車４１とが互いに逆方向に回転することで、それぞれの風車で発生する振動及び騒音が互いに打ち消し合い、振動及び騒音の発生を防止することが可能となる。

またヨー制御手段、傾斜角制御手段、ピッチ角制御手段を備え、風向や風速に合わせてナセル１２の回転角度、翼３２、４２の傾斜角５１及びピッチ角５２、５３を制御することができるので、発電効率を向上可能であるとともに、強風発生時の第１風車３１及び第２風車４１の故障を防止することができる。

さらに風力発電装置１は、鳥類が認識し易い緑色の外観を有しているので、鳥類の衝突を回避可能であるとともに、丘陵地等に設置する場合に景観を保つことができる。

以上、第１実施形態の風力発電装置１を用いて、本発明の風力発電装置を説明したが、本発明の風力発電装置は、上記実施形態に限定されるものではなく要旨を変更しない範囲で変形することができる。例えば、本発明の風力発電装置は、必ずしも、ヨー制御手段、傾斜角制御手段、ピッチ角制御手段を有していなくてもよい。

また第１実施形態の風力発電装置１は、第１風車３１及び第２風車４１がそれぞれ発電機３４、４４を有しているが、第１風車３１と第２風車４１とが互いに反対方向に回転することで発電する一つの発電機を共有するように構成することもできる。

また風力発電装置１の外観は、緑色に限定されるものではなく、例えば、鳥類が視認し易いように光を反射する鏡面であってもよい。ただし景観を保つ上では、緑色が好ましい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更及び修正を容易に想定するであろう。従って、そのような変更及び修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１ 風力発電装置
１１ タワー
１２ ナセル
２３ シャフト
３１ 第１風車
３２、４２ 翼
４１ 第２風車
５１ 傾斜角
５２、５３ ピッチ角

Claims (4)

1. 同一回転軸上に前後に並べて配置された水平軸風車である第１風車及び第２風車と、前記第１風車及び前記第２風車を支持するナセルと、前記ナセルを地上から支持するタワーとを備える風力発電装置であって、
   前記第１風車及び前記第２風車は、回転軸周りに並べて配置された複数の翼を備え、
   前記第１風車の前記翼と前記第２風車の前記翼とは、回転軸に対する前記翼の傾斜角度である傾斜角が９０度未満であり、風を受けたときに前記第１風車と前記第２風車とが互いに逆方向に回転するように配置され、
   さらに前記第１風車及び前記第２風車の前記傾斜角を制御する傾斜角制御手段を備えることを特徴とする風力発電装置。
2. さらに前記第１風車及び前記第２風車の回転軸周りの円軌道に対する前記翼のねじれ角度であるピッチ角を制御するピッチ制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記ナセルは、前記タワーの長軸周りに回転自在に前記タワーに連結され、
   前記第１風車及び前記第２風車の回転軸が風向と平行になるように前記ナセルの回転角度を制御するヨー制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 鳥類が視認可能に少なくとも前記第１風車及び前記第２風車が緑色の外観を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。

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