JP6746552B2

JP6746552B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP6746552B2
Application number: JP2017201092A
Authority: JP
Inventors: 湯下　篤; 篤湯下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2037-10-17
Also published as: JP2019074035A; CN109667705B; EP3473851B1; CN109667705A; EP3473851A1

Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。

風力発電装置は、一つのタワー部に対して一つのみの風車部が設置された構成が一般的であるが、一つのタワー部に対して複数の風車部が設置された、いわゆるマルチロータ式風力発電装置も知られている。マルチロータ式風力発電装置では、風車部の合計受風面積が大きくなり、一つのタワー部から得られる発電電力量（出力）が大きくなる。

下記の特許文献１及び２には、マルチロータ式風力発電装置に関する技術が開示されている。

国際公開第２０１７／１０８０５７号独国特許発明第１０２０１２０２００５２号明細書

風力発電装置は、ある土地において１台のみ設置されるだけでなく、多数台が格子状又は千鳥状に並んで配置される場合がある（ウインドファーム）。この場合、風向きによっては、一の風力発電装置の風下側に他の風力発電装置が配置される。その結果、図４に示すように、一の風力発電装置の風車部を通過し、風速が遅くなった風の流れ（いわゆるウェイク）が、風下側に配置された他の風力発電装置に供給されることで、他の風力発電装置での発電量が低下（いわゆるウェイクロス）する可能性があった。
また、ウインドファームでは、ウェイクロスを抑制するために、一の風力発電装置と、他の風力発電装置との距離を大きく設定する必要があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、下流側に配置された風力発電装置の発電量の低下を抑制することができる風力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る風力発電装置は、タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記風車部を支持する支持部材と、を備える風力発電装置であって、前記複数の風車部は、第１風車部と第２風車部を有し、前記タワー部が受ける風の流れ方向に対し、前記第１風車部と前記第２風車部は、ヨー角度が斜めになるように設定される。

この構成によれば、複数の風車部は、ロータと、ロータに設けられた翼と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部は、タワー部と接続された支持部材によって支持される。これにより、タワー部には、支持部材を介して複数の風車部が設置される。そのため、各風車部は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。

風車部を通過した風の流れ（以下、「ウェイク」という）は、風車部を回転させたことで保有エネルギが減少し、風速が遅くなる。上記構成では、第１風車部と第２風車部が、タワー部が受ける風の流れ方向に対しヨー角度が斜めになるように設定されているので、第１風車部及び第２風車部のウェイクを、タワー部が受ける風の流れ方向に対し、傾斜した方向にすることができる。

例えば、ウインドファームのように、多数台の風力発電装置が、風の流れ方向に規則的に並んで配置される場合には、風上側に配置された風力発電装置のウェイクが風下側に配置された風力発電装置に供給されることで、風下側に配置された風力発電装置の発電量が低下するいわゆるウェイクロスが発生する可能性がある。上記構成では、ウェイクを傾斜した方向に流すことができるので、第１風車部及び第２風車部によって発生するウェイクが、風下側に配置された風力発電装置の第１風車部及び第２風車部の中心からずれた位置を流通することとなり、風下側の第１風車部及び第２風車部に供給され難くなる。これにより、風下側に配置された風力発電装置に対するウェイクによる影響を低減することができる。したがって、下流側に配置された風力発電装置のウェイクロスを抑制し、発電量の低下を抑制することができる。

また、上流側に配置された風力発電装置からのウェイクが、風下側に配置された風力発電装置の第１風車部及び第２風車部の中心からずれた位置を流通することとなるので、上流側に配置された風力発電装置と、下流側に配置された風力発電装置との距離を短くすることができる。したがって、ウインドファームにおいて、単位面積当たりの風力発電装置の個数を増加させることができる。また、ウインドファームにおいて、隣接する風力発電装置の距離が短くなるので、設置時の移動距離を短くすることができ、設置コストを低減することができる。また、メンテナンス時等の移動距離も短くなるので、メンテナンス性を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係る風力発電装置は、前記第１風車部と前記第２風車部は、略同一の高さ位置に並んで配置され、前記第１風車部は、前記第１風車部の前記第２風車部側の端部である内端部が、前記第１風車部の前記内端部の反対側の端部である外端部よりも、前記風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定され、前記第２風車部は、前記第２風車部の前記第１風車部側の端部である内端部が、前記第２風車部の前記内端部の反対側の端部である外端部よりも、前記風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定されていてもよい。

上記構成では、第１風車部及び第２風車部が、内端部が外端部よりも、風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定されている。すなわち、第１風車部及び第２風車部がハの字となるように配置されている。
風の流れ方向に対してヨー角の偏差をつけた場合（すなわち、風の流れ方向に対してヨー角を傾斜させた場合）、ウェイクは風車部によって偏流し、後流側に位置する端部側方向に傾斜して流れる。上記構成では、第１風車部及び第２風車部の内端部が後流側に位置しているので、第１風車部及び第２風車部のウェイクは、互いに近づくように傾斜して流れる。

ウェイクは、通常、風車部を通過した直後には渦の状態を維持しているが、風車部から遠ざかるに従い、渦状態が段々と解消され乱気流のように乱れた状態となる。上記構成のように、１つのタワー部に対して複数の風車部を備える構成では、複数の風車部間の距離が比較的短くなる。これにより、互いに近づくように傾斜して流れる第１風車部及び第２風車部のウェイクは、渦状態を維持したまま衝突し、各ウェイクの渦が混合する。これによって、風下方向でのウェイク領域の減少が期待できる。したがって、風下側に配置された風力発電装置に対するウェイクによる影響をより好適に低減することができる。よって、下流側に配置された風力発電装置のウェイクロスをより好適に抑制し、発電量の低下をより好適に抑制することができる。

本発明によれば、下流側に配置された風力発電装置の発電量の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る風力発電装置の正面図である。図１の風力発電装置の風車部と、その風車部の下流側に配置される風車部を模式的に示した平面図である。図２のIII部におけるウェイクの流れを模式的に示した図であって、２つのウェイクが混合している状態を示す。従来におけるウェイクの流れを模式的に示した平面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る風力発電装置１について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る風力発電装置１は、翼８がタワー部２やナセル６の風上側に配置されるいわゆるアップウィンド式の風力発電装置である。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る風力発電装置１は、１つのタワー部２と、タワー部２に接続された複数の支持部材３と、各支持部材３に設置された風車部４などを備える。風力発電装置１は、発生した電力を電力系統へ送電するために系統連系されており、陸上又は洋上に設置される。また、本実施形態に係る風力発電装置１は、多数台が格子状又は千鳥状に並んで配置されるウインドファームに設置されている。

タワー部２は、一方向に長い構造を有し、軸方向が設置面に対して垂直方向となるようにタワー部２の基礎部５が設置面に設けられる。タワー部２は、例えば１本の円柱状部材でもよいし、複数の長尺状部材が組み合わされて構成されてもよい。

支持部材３は、例えば一方向に長い部材であり、一端側である基部がタワー部２と接続され、他端側である先端側において風車部４を支持する。１本の支持部材３に、１台の風車部４が設置される場合、風車部４と同数の支持部材３がタワー部２に接続される。支持部材３は、円柱状等の長尺状部材でもよいし、複数の部材が組み合わされたトラス構造を有する部材でもよい。また、支持部材３は、圧縮力を主に負担する長尺状部材と、引張力を負担するワイヤ部材などから構成されてもよい。

各支持部材３に設置された風車部４は、ナセル６と、ナセル６に収容されるロータ及び発電機と、ロータの先端に設置されたロータヘッド７と、ロータヘッド７に設けられた複数枚（例えば３枚）の翼８などを有する。

ナセル６は、支持部材３の上部又は下部に設置され、内部にロータや、増速機、発電機などを備える。ナセル６の一端側には、ロータヘッド７が設けられる。ロータは、ほぼ水平な軸線周りに回転可能である。ロータの一端側は、ロータヘッド７に接続され、ロータの他端側は、例えば直接的に発電機に接続され、又は、増速機若しくは油圧ポンプ・油圧モータを介して発電機に接続される。発電機は、ロータが軸周りに回転することによって生じる回転力によって駆動し発電する。

翼８は、ロータヘッド７において、放射状に複数枚取り付けられる。複数枚の翼８は、風を受けることによって、ロータを中心にして回転する。翼８は、ピッチ制御用の旋回輪軸受を介してロータヘッド７に接続され、翼長方向に延在する翼軸周りに回動可能である。これにより、翼８のピッチ角が調整される。

ナセル６は、支持部材３に対して略水平面上で旋回して、ロータヘッド７の方向を風向きに合わせ、翼８の回転面を風向きに正対させる。ナセル６が略水平面上で旋回することをヨー（yaw）旋回という。ナセル６は、ナセル６と支持部材３に接続されたヨー旋回輪軸受を介して旋回する（第１ヨー旋回）。

支持部材３には、タワー部２と接続される接続部１１が設けられる。接続部１１は、タワー部２の周囲に設けられ、例えばリング形状を有する。支持部材３は、支持部材３の接続部１１を介してタワー部２と接続される。タワー部２は、接続部１１を介してのみ支持部材３から伝達される荷重を受け、他の部分では、支持部材３から伝達される荷重を受けない。また、接続部１１は、軸受構造などを備えて、略水平面内においてタワー部２の周囲にて回動可能な構成を有している。

これにより、接続部１１は、略水平面内においてタワー部２の周囲にて回動可能であるため、接続部１１と接続された支持部材３に支持された各風車部４も、水平面内においてタワー部２の周囲にて回動し、風車部４はヨー（yaw）旋回が可能である（第２ヨー旋回）。

本実施形態に係る風力発電装置１は、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌの２つの風車部４を有している。第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌは、略同一の高さ位置にタワー部２を挟んで並んで配置されている。第１風車部４Ｒと第２風車部４Ｌとは所定距離Ｌだけ離間して配置されている。

図２に示すように、第１風車部４Ｒは、発電時において、ナセル６を旋回させることで、第１風車部４Ｒの第２風車部４Ｌ側の端部である内端部が、第１風車部４Ｒの内端部の反対側の端部である外端部よりも、風の流れ方向（図２の矢印参照）の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定可能となっている。すなわち、第１ヨー旋回によって、第１風車部４Ｒ単独でヨー角度を斜めに設定可能となっている。
また、第２風車部４Ｌは、発電時において、ナセル６の旋回または接続部１１の回動によって、第２風車部４Ｌの第１風車部４Ｒ側の端部である内端部が、第２風車部４Ｌの内端部の反対側の端部である外端部よりも、風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定可能となっている。すなわち、第１ヨー旋回によって、第２風車部４Ｌ単独でヨー角度を斜めに設定可能となっている。
すなわち、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌがハの字となるように配置可能とされている。なお、図２中に破線で図示されている風車部は、風の流れ方向に対して傾斜させていない状態の風車部を示している。
また、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌは、同方向に回転している。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、複数の風車部４（第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌ）は、ロータと、ロータに設けられた翼８と、ロータの回転力によって発電する発電機をそれぞれ有し、各風車部４は、タワー部２と接続された支持部材３によって支持される。これにより、タワー部２には、支持部材３を介して複数の風車部４が設置される。そのため、各風車部４は、比較的風の状況が近い環境（風況）下に配置され、同一方向の風を受けて回転し発電する。

第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌを通過した風の流れＷ（以下、「ウェイク」という）は、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌを回転させたことで保有エネルギが減少し、風速が遅くなる。本実施形態では、第１風車部４Ｒと第２風車部４Ｌが、タワー部２が受ける風の流れ方向に対しヨー角度が斜めになるように設定可能とされているので、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４ＬのウェイクＷを、風の流れ方向に対し、傾斜した方向にすることができる（図２参照）。

本実施形態の風力発電装置１は、多数台の風力発電装置１が、風の流れ方向に規則的に並んで配置されるウインドファームに設けられている。したがって、風車部を傾斜させない構成においては、図４に示すように、風上側に配置された風力発電装置の風車部を通過し、風速が低減したウェイクＷが風下側に配置された風力発電装置の第１風車部及び第２風車部に供給されることで、風下側に配置された風力発電装置の発電量が低下するいわゆるウェイクロスが発生する可能性がある。本実施形態では、図２に示すように、ウェイクＷを傾斜した方向に流すことができるので、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌによって発生するウェイクＷが、風下側に配置された風力発電装置の第１風車部１０Ｒ及び第２風車部１０Ｌの中心からずれた位置を流通することとなり、風下側の風力発電装置の第１風車部１０Ｒ及び第２風車部１０Ｌに供給され難くなる。これにより、風下側に配置された風力発電装置に対するウェイクＷによる影響を低減することができる。したがって、下流側に配置された風力発電装置のウェイクロスを抑制し、発電量の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌが、内端部が外端部よりも、風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定可能とされている。すなわち、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌがハの字となるように配置可能とされている。
風の流れ方向に対してヨー角の偏差をつけた場合（すなわち、風の流れ方向に対してヨー角を傾斜させた場合）、ウェイクは風車部によって偏流し、後流側に位置する端部側方向に傾斜して流れる。本実施形態では、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌの内端部が後流側に位置しているので、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４ＬのウェイクＷは、図２に示すように、互いに近づくように傾斜して流れる。

ウェイクＷは、通常、風車部４を通過した直後には渦の状態を維持しているが、風車部４から遠ざかるに従い、渦状態が段々と解消され乱気流のように乱れた状態となる。本実施形態のように、１つのタワー部２に対して複数の風車部（第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌ）を備える構成では、隣接する風車部４間の距離Ｌ（図１参照）が比較的短くなる。これにより、互いに近づくように傾斜して流れる第１風車部４Ｒ及び第２風車部４ＬのウェイクＷは、渦状態を維持したまま衝突し、各ウェイクＷの渦が混合する（図３参照）。渦が混合すると、渦の崩壊が加速するため、風下方向での運動エネルギの回復が早くなる。したがって、風下側に配置された風力発電装置の第１風車部１０Ｒ及び第２風車部１０Ｌに対するウェイクＷによる影響をより好適に低減することができる。よって、下流側に配置された風力発電装置のウェイクロスをより好適に抑制し、発電量の低下をより好適に抑制することができる。

また、本実施形態では第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌは、同方向に回転している。したがって、第１風車部４ＲのウェイクＷと第２風車部４ＬのウェイクＷとが、混合することにより、渦の崩壊が加速するため、混合しない場合に比べて主流方向運動エネルギの回復が早くなるので、より好適に風下側に配置された風力発電装置の第１風車部１０Ｒ及び第２風車部１０Ｌに対するウェイクＷによる影響を低減することができる。

また、本実施形態では、風下側に配置された風力発電装置の第１風車部１０Ｒ及び第２風車部１０Ｌに対するウェイクＷによる影響を低減することができるので、上流側に配置された風力発電装置１と、下流側に配置された風力発電装置との距離を短くすることができる。したがって、ウインドファームにおいて、単位面積当たりの風力発電装置の個数を増加させることができる。また、ウインドファームにおいて、隣接する風力発電装置の距離が短くなるので、設置時の移動距離を短くすることができ、設置コストを低減することができる。また、メンテナンス時等の移動距離も短くなるので、メンテナンス性を向上させることができる。

なお、本開示は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、ナセル６を旋回させることで、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌを風の流れ方向に対して傾斜させているが、本発明はこれに限定されない。ナセル６が旋回しない構成であって、第１風車部４Ｒ及び第２風車部４Ｌが、内端部が外端部よりも、風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように固定されていてもよい。
また、本実施形態では、ウインドファームに風力発電装置を設ける例について説明したが、本発明は、ウインドファームのように大規模な施設に適用される場合に限定されない。２基の風力発電装置が並んで設置される状況であれば、本発明の効果を奏し得る。

１風力発電装置
２タワー部
３支持部材
４風車部
４Ｒ第１風車部
４Ｌ第２風車部
５基礎部
６ナセル
７ロータヘッド
８翼
１１接続部

Claims

タワー部と、
ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、
前記タワー部と接続され、前記風車部を支持する複数の支持部材と、
を備える風力発電装置であって、
前記複数の風車部は、第１風車部と該第１風車部と略同一の高さ位置に前記タワー部を挟んで並んで配置される第２風車部とを有し、
前記複数の支持部材は、前記タワー部から一方側に延び、先端側で前記第１風車部を支持する第１支持部材と、前記タワー部から他方側に延び、先端側で前記第２風車部を支持する第２支持部材と、を有し、
前記タワー部が受ける風の流れ方向に対し、前記第１風車部と前記第２風車部は、ヨー角度が斜めになるように設定され、
前記第１風車部は、前記第１風車部の前記第２風車部側の端部である内端部が、前記第１風車部の前記内端部の反対側の端部である外端部よりも、前記風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定され、
前記第２風車部は、前記第２風車部の前記第１風車部側の端部である内端部が、前記第２風車部の前記内端部の反対側の端部である外端部よりも、前記風の流れ方向の後流側に位置するようにヨー角度が斜めになるように設定される風力発電装置。