WO2011058664A1 - 複合型風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
プロペラ風車とマグナス風車とを併設してマグナス風車の大形化を図ることができ、発電量の増大を図ることができる複合型風力発電装置を提供する。水平回転軸13に複数のプロペラ羽根2aを配設したプロペラ風車2と、外面に螺旋状の凸部を形成して垂直中心軸3a1回りに回転する複数のマグナスブレード3a、これらマグナスブレードを回転可能にそれぞれ支持する垂直中心軸3a1、マグナスブレード3aの垂直中心軸回りの回転力を水平回転軸14に伝動するベベルギア機構12を有するマグナス風車3と、このマグナス風車3の水平回転軸およびプロペラ風車の水平回転軸によりそれぞれ駆動される発電機16,17と、各マグナス風車の垂直中心軸の外端部を隣り合うプロペラ羽根に固定する連結軸11と、を具備し、プロペラ風車の水平回転軸とマグナス風車の水平回転軸は、その一方が円筒体により形成され、その他方がこの円筒体内を遊びを持って軸方向に挿通する2重軸に構成されている。
Description
本発明は、水平回転軸を有するプロペラ風車と、垂直回転軸を有するマグナス風車とを具備した複合型風力発電装置に関する。
従来から風力発電装置としては、種々のものが提案されている。その中でも、最も普及しているのは、水平回転軸を有するプロペラ風車(例えば、特許文献1参照)を用いたプロペラ型の風力発電装置が知られている。
一般に、この種のプロペラ型風力発電装置では、その発電量がプロペラ風車の半径の2乗と風速の3乗とに比例するので、プロペラ風車の半径の大形化が図られ、発電効率と採算性の向上が図られている。
また、地上付近では、地形や障害物等による摩擦があり、風速も遅いが、高所の方が風が強く、風を効率よく捕捉できるので、プロペラ風車を支持する支柱の高さも高くなっている。
したがって、一般に、年間を通して風が強い風況の良い場所が望ましいが、国土が狭く複雑な地形の多い日本国内では設置場所が限られるという課題がある。また、バードストライク等鳥類等の生態系に影響を与えるという課題もある。
一方、近年では、マグナス風車を用いたマグナス型風力発電装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。これは、風を受けて垂直中心軸回りに回転する複数の回転円筒体を水平回転軸に対して放射状に配設し、これら回転円筒体の垂直中心軸回りの回転を伝動機構により水平回転に変換して水平回転軸に伝動し、この水平回転軸により発電機を駆動するものである。
また、このマグナス風車は、一般に小形であり、比較的弱い風によっても回転円筒体自体を回転させることができる。
発明の開示
しかしながら、特許文献2に記載されているマグナス型風力発電装置では、水平回転軸に放射状に配設した複数の回転円筒体の内端部を片持ち支持し、外端部を支持せずに、単なる自由端に形成しているので、これら回転円筒体の垂直軸方向長さを長尺化して大形化を図ることが困難であるという課題がある。
しかしながら、特許文献2に記載されているマグナス型風力発電装置では、水平回転軸に放射状に配設した複数の回転円筒体の内端部を片持ち支持し、外端部を支持せずに、単なる自由端に形成しているので、これら回転円筒体の垂直軸方向長さを長尺化して大形化を図ることが困難であるという課題がある。
すなわち、複数の回転円筒体は片持ちであるので、撓みが発生し、この撓みが回転円筒体の揚力により増幅されるという課題がある。このために、回転円筒体自体の撓曲による破損や、回転円筒体の垂直回転力を水平回転力に変換して水平回転軸に伝動する、例えばベベルギア同士等の伝動機構の噛み合いに外れやロックが発生し、破損する虞がある。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、プロペラ風車とマグナス風車とを併設してマグナス風車の大形化を図ることができ、発電量の増大を図ることができる複合型風力発電装置を提供することにある。
本発明に係る複合型風力発電装置は、水平回転軸に複数のプロペラ羽根を配設したプロペラ風車と、外面に螺旋状の凸部を形成して垂直中心軸回りに回転する複数の回転円筒体、これら回転円筒体を回転可能にそれぞれ支持する垂直中心軸、この垂直中心軸回りの回転円筒体の回転力を水平回転軸に伝動する伝動機構を有するマグナス風車と、このマグナス風車の水平回転軸および前記プロペラ風車の水平回転軸によりそれぞれ駆動される発電機と、前記各マグナス風車の垂直中心軸の外端部を隣り合う前記プロペラ羽根に固定する固定手段と、を具備し、前記プロペラ風車の水平回転軸と前記マグナス風車の水平回転軸は、その一方が円筒体により形成され、その他方がこの円筒体内を遊びを持って軸方向に挿通する2重軸に構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、プロペラ風車の発電機と、マグナス風車の発電機の両者により発電するので、複合型風力発電装置としての発電効率を向上させることができる。
また、マグナス風車の複数の回転円筒体を回転可能にそれぞれ支持する各垂直中心軸の外端部を、隣り合うプロペラ羽根に固定手段により固定しているので、マグナス風車の各回転円筒体に発生する揚力を固定手段を介して各プロペラ羽根に回転力として与えることができる。このために、プロペラ風車の水平回転軸を、プロペラ羽根の回転力と、マグナス風車の各回転円筒体の揚力との合成力により回転させることができる。これにより、プロペラ風車による発電効率を向上させることができる。
さらに、マグナス風車の各回転円筒体の各垂直中心軸の外端部を、固定手段により隣り合うプロペラ羽根に固定するので、各回転円筒体の軸方向長さの強度を増強することができる。このために、回転円筒体の軸方向長さの長尺化等の大形化を図ることができるので、さらに発電効率の向上を図ることができる。
また、上記発明において、前記マグナス風車の回転円筒体は、前記プロペラ羽根の風受け方向前方に所要の間隔を置いて配設されることが望ましい。
さらに上記発明において、前記マグナス風車の回転円筒体は、前記プロペラ羽根に対してその風受け方向で重なるように配設されることが望ましい。
また、上記発明において、前記マグナス風車の回転円筒体は、前記プロペラ羽根の回転方向にずれて配設されることが望ましい。
さらに、上記発明において、前記回転円筒体の外端側を同心状に囲み、これら回転円筒体の垂直中心軸を固定させる一方、前記プロペラ羽根の外端部に固定され、前記プロペラ風車にその回転方向と同一の回転力を与えるように傾斜された複数の羽根を有する車輪型風車を具備していることが望ましい。
また、上記発明において、前記プロペラ羽根を固着するボスおよびこのボスに結合された水平回転軸、前記マグナス風車の伝動機構および水平回転軸、前記発電機および前記プロペラ風車とマグナス風車の各水平回転軸をそれぞれ回転可能に支持する軸受を収容する本体ケーシングと、この本体ケーシングを回転可能に支持する支柱と、を具備していることが望ましい。
さらに、上記発明において、前記本体ケーシングを前記支柱回りに回動させる方位制御用モータと、前記プロペラ風車が受ける風の方向を検出する風向検出器と、この風向検出器により検出された風向に前記プロペラ風車が正対するように前記本体ケーシングを回動させる方位制御信号を前記方位制御用モータに与える方位制御装置と、を具備していることが望ましい。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、これら複数の図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。
図2に示すように本発明の第1の実施形態に係る複合型風力発電装置1は、プロペラ風車2、その前方、すなわち、風上側に並設されるマグナス風車3、これら風車2,3を支持する本体ケーシングの一例であるナセル4およびナセル4を回動可能に支持する支柱のポール5を具備している。
ポール5は、その図2中、下端部に、地面6より下の地中に埋設される基礎部5aを一体に連成し、この基礎部5aを、地中に埋設された基台7上に立設している。地面6上には、変圧器8、系統連係保護装置9、方位制御装置10を配設している。系統連係保護装置9は、複合型風力発電装置1により発電され、変圧器8により所要の電圧に変圧された電力を図示しない電力系統に連係させる。
方位制御装置10は、風向を検出する風向検出器(図示省略)からの風向検出信号を受けて、ナセル4、すなわちプロペラ風車2とマグナス風車3とを風の吹き出し方向に正対させる方角に制御するための方位制御信号を方位制御用モータ10a(図1参照)に与える。方位制御用モータ10aは、例えばステップモータ等により構成されており、ポール5内を挿通する図示しない配線により方位制御装置10に電気的に接続されている。
ナセル4は、その図2中、前部にロータ部4aを配設し、その後部に本体部4bを一体に形成している。ロータ部4aは、円筒状のロータ部本体4a1の前端部に、ドーム状流線形状のフロントフェアリング4cを配設し、その背後に、円筒状のマグナスロータ部4d、円筒状のプロペラロータ部4eを、この順に、各ロータ部4d,4eの中心軸回りに回転可能に並設している。これら両ロータ部4d,4eは、ロータ部本体4a1内に配設された図示省略のベアリングにより回転可能に支持されている。
プロペラロータ部4eは、その円筒状外周面に、周方向に例えば120°等所要のピッチを置いて、プロペラ風車4の複数、例えば3枚のプロペラ羽根2a,2a,2aを固着している。また、マグナスロータ部4dは、その外周面に、各プロペラ羽根2aの固着位置と同じ間隔、つまり、周方向に120°等所要のピッチを置いて、マグナス風車3の複数、例えば3枚のマグナスブレード3a,3a,3aをその垂直中心軸3a1回りに回転可能に配設している。
図3に示すように、各マグナスブレード3aは、その垂直中心軸3a1に、これよりも大径の長尺の回転円筒体3a2を同心状に回転可能に設けている。回転円筒体3a2は、その軸方向長さがプロペラ羽根2aよりも短く、その外周面には、小幅帯状のフィン3a3を、例えば図3中白矢印に示す方向に回転するように軸方向ほぼ全長に亘って螺旋状に巻回して固着し、螺旋状の凸部を形成している。
回転円筒体3a2は、その外端部(図3では上端部)に、端板3a4を固着し、この端板3a4を垂直中心軸3a1が回転可能に貫通して図3中,上方へ突出している。一方、回転円筒体3a2の内端部(図3では下端部)には、円筒状の口金3a5を同心状に固着している。この口金3a5はマグナスロータ部4dに、垂直中心軸3a1回りに回転可能に貫通した状態で配設されている。
このために、マグナスブレード3aは、例えば図3中正面から風を受けると、回転円筒体3a2が垂直中心軸3a1回りに図3中白矢印方向(反時計方向)に回転する。このために、マグナスブレード3a回りに圧力差が発生し、その圧力差により、図中、大矢線方向に揚力が発生する。このために、マグナスロータ部4dは図中小矢線方向に回転する。
図4は各プロペラ羽根2aと各マグナスブレード3aとの位置関係を主に示す要部正面図である。この図4に示すように各マグナスブレード3aは、各プロペラ羽根2aの風受け方向前方において、ほぼ同心状に並設される。但し、図1,図2に示すように、各プロペラ羽根2aと各マグナスブレード3aとは、その風受け方向前後(図1では左右方向)に所要の間隔が形成されている。各マグナスブレード3aの垂直中心軸3a1の外端部には、固定手段の一例である連結軸11をほぼ直角に固定している。
図1,図2にも示すように、各連結軸11は、その先端部を、図2に示すように図中左右方向で隣り合う各プロペラ羽根2aの外端部正面に固着している。なお、各固定軸11は各垂直中心軸3a1を長く形成してほぼ直角に折曲することにより一体に構成してもよい。
図1,図5に示すように、ロータ部本体4a1は、マグナスロータ部4dの内側において、各マグナスブレード3aの垂直回転を水平回転に変換する伝動機構の一例としてベベルギア機構12を同心状に配設している。ベベルギア機構12は、従動側の大ベベルギア12aと、これに例えば周方向120°ずれた位置において、直交する方向で噛み合う主動側の小ベベルギア12bを有し、各小ベベルギア12bには、各マグナスブレード3aの口金3a5の内端部が同心状に固着されている。
図1に示すように大ベベルギア12aには水平回転軸であるマグナス軸13を同心状に固着している。このマグナス軸13は、これよりも大径で中空の水平回転軸であるプロペラ軸14の軸心部を遊びを持って軸方向に挿通する2重軸の内軸に構成されている。
プロペラ軸14は、その図1中右端部において、その外周に円環状のボス部14aを同心状に固着している。ボス部14aは複数の帯板状のアーム14b,14b,…を介してプロペラロータ部4eの内面に固着されている。プロペラ軸14とマグナス軸13は、ロータ本体部4b内において、その軸方向適宜箇所において、そのラジアル方向とスラスト方向で複数のベアリング15,15,…により、回転可能に支承される。
プロペラ軸14は、その後端部(図1では左端部)外周に環状の主動ギア14aを同心状に固着し、この主動ギア14aに噛み合う従動ギア14bにプロペラ側発電機16の入力軸16aを同心状に固着している。
マグナス軸13は、プロペラ軸14の後端よりも後方(図1では左側方)へ若干突出し、その突出端部外周に主動ギア13aを同心状に固着し、この主動ギア13aに噛み合う従動ギア13bを、マグナス側発電機17の入力軸17aに同心状に固着している。これら発電機16,17の電気出力側はポール5内を配線された図示しない電力線により変圧器8(図2参照)に電気的に接続されている。なお、これら発電機16,17の入力軸16a,17a側には図示しない増速機または減速機を適宜設けてもよい。
そして、方位制御用モータ10aは、プロペラ側,マグナス側発電機16,17の少なくとも一方、または図示しない別途電源から受電する一方、その回転出力軸(図示省略)を、ナセル4の重心部にて、その本体部4b内に突出する固定軸5aの突出端部に固着した状態で本体部4b内に固定され、固定軸5a回りにナセル4を回動させるようになっている。
次に、このように構成された複合型風力発電装置1の作用を説明する。
まず、方位制御装置10は、図示しない風向検出器からの風向検出信号を受けて、その風向にマグナス風車3とプロペラ風車2が正対する方位にナセル4を回動させる方位制御信号を図示しない信号線を介して方位制御用モータ10aに与える。
方位制御用モータ10aは、入力された方位制御信号に応じて、その出力軸を回動させる。方位制御用モータ10aはナセル4内に固定されているので、方位制御用モータ10aの出力軸に固着されたポール5の固定軸5a回りに、ナセル4を回動させ、プロペラ風車2とマグナス風車3を常に風向方向に正対させることができる。
そして、図5に示すように各マグナスブレード3aは風を受けて、その各回転円筒体3aが図5中白矢印に示す方向に垂直回転軸3a1回りに回転すると共に、大白矢線方向に揚力が発生するので、この揚力によりマグナスロータ部4dがその中心(マグナス軸13)回りに回転する。
各マグナスブレード3aの回転円筒体3a2の垂直回転軸3a1回りの垂直回転は、ベベルギア機構12により水平回転に変換されて、水平回転軸13に伝動される。したがって、この水平回転軸13には各マグナスブレード3aの回転力とその揚力による回転力が合成されて伝動される。
一方、プロペラ風車2の回転力は水平回転軸のプロペラ軸14に伝動される。このプロペラ軸14によりプロペラ側発電機16が駆動されて発電し、マグナス側発電機17はマグナス軸13により駆動されて発電する。これらで発電された電力は、ポール5内の図示省略の配線を介して変圧器8に送電され、ここで所要の電圧に変圧されてから、系統連係保護装置9により所要の電気的処理を経て電力系統に送電される。
したがって、この複合型風力発電装置1によれば、プロペラ風車2とマグナス風車3の両者によりそれぞれ発電するので、これら両風車2,3の一方により発電する揚合に比して発電量の増大を図ることができる。その結果、発電効率を向上できる。
また、プロペラ軸14とマグナス軸13を2重軸に構成したので、これらを収容するナセル本体部4bの大形化と重量化を抑制できる。
そして、複合型風力発電装置1は、各マグナスブレード3aの垂直中心軸3a1を連結軸11により各プロペラ羽根2aに連結しているので、各マグナスブレード3aの揚力を各プロペラ羽根2aに与えることができる。このために、プロペラ風車2の回転力を増強し、単位時間当りの回転速度を速くできるので、さらに発電量を増大させることができる。
さらにまた、各マグナスブレード3aの外端部(先端部)を連結軸11により各プロペラ羽根2aに連結することにより支持しているので、各マグナスブレード3aの外端部を支持せずに自由端に形成している場合に比して、各マグナスブレード3aの支持強度が増強されるので、その撓曲や変形を抑制できる。
このために、マグナスブレード3a自体の破損や大ベベルギア12aと小ベベルギア12bの噛み合いの外れやロックを抑制または防止できる。
さらに、各マグナスブレード3aの外端部を連結軸11を介して各プロペラ羽根2aにより支持し、その支持強度を向上させるので、その分、各マグナスブレード3aの長尺化を図り、マグナス風車3の大形化とそれに伴う発電効率の向上を図ることができる。また、各マグナスブレード3aの外端部を連結軸11により各プロペラ羽根2aに連結しているので、各マグナスブレード3aで発生した揚力を各プロペラ羽根2aに伝動させることができる。このために、プロペラ風車2の回転数を増すことができる。
図6は本発明の第2の実施形態に係る複合型風力発電装置1Aの要部正面図である。この図6に示すようにこの複合型風力発電装置1Aは、上記第1の実施形態に係る複合型風力発電装置1におけるプロペラ羽根2aとマグナスブレード3aとを、3枚から6枚に増設した点に特徴があり、これ以外の構成は上記複合型風力発電装置1と同様である。
したがって、この複合型風力発電装置1Aによれば、各プロペラ羽根2aと各マグナスブレード3aとにより、受ける風量がこれらプロペラ羽根2aとマグナスブレード3aの増設分増加するので、発電量と発電効率の向上を図ることができる。なお、これらプロペラ羽根2aとマグナスブレード3aは4枚や5枚でもよく、7枚以上でもよい。
図7は本発明の第3の実施形態に係る複合型風力発電装置1Bの要部正面図である。この図7に示すようにこの複合型風力発電装置1Bは、上記第1の実施形態に係る複合型風力発電装置1におけるマグナス風車3の各マグナスブレード3aを、正面視で、各プロペラ羽根2aに同心状に設けずに、各マグナスブレード3aの外端部が各プロペラ羽根2aの回転方向へ所要角ずれるように配置し、そのずれた位置で各マグナスブレード3aの垂直中心軸3a1の外端部を各連結軸11により、隣り合うプロペラ羽根2aの外端部に固定した点に特徴がある。これ以外の構成は上記複合型風力発電装置1と同様である。
したがって、各連結軸11Aは、上記複合型風力発電装置1の連結軸11よりもマグナスブレード3aをプロペラ羽根2aの回転方向へ所要角ずらした分だけ、その回転方向に平行をなす部分の長さが長くなる。
この第3実施形態に係る複合型風力発電装置11Bによれば、風を受ける正面において、各マグナスブレード3aが各プロペラ羽根2aの回転方向にずれた分、各プロペラ羽根2aが各マグナスブレード3aの影響を受けずに、直接風を受ける面積が増大するので、その分、プロペラ風車2の単位時間当りの回転速度を高めることができる。このために、プロペラ風車側発電機16の発電量と発電効率を向上させることができる。
図8は本発明の第4の実施形態に係る複合型風力発電装置1Cの要部正面図である。この図8に示すようにこの複合型風力発電装置1Cは、上記第1の実施形態に係る複合型風力発電装置1,1A,1Bの前記連結軸11,11aに代えて車輪型風車8を設けた点に特徴がある。この複合型風力発電装置1Cは、各マグナスブレード3aを、これらと周方向で隣り合うプロペラ羽根2a,2a同士の中間部、例えば一方のプロペラ羽根2aから中心角で約60°ずれた位置にそれぞれ配置し、そのずれた位置で各マグナスブレード3aと各プロペラ羽根2aとに、車輪型風車18を同心状に固着している。
図9に示すように車輪型風車18は、正面形状が円形環状の前部環状部18aと、これと同形同大の後部環状部18bと、これら前,後部環状部18a,18bの外周面上を前後方向(図8では図面の表裏方向。図9では左右方向)に横架されて固着される複数枚の羽根18c,18c,…と、を具備している。
前部環状部18aは、マグナス風車3の直径、すなわち、図9中上下方向に位置するマグナスブレード3a,3aの長さと、これらの垂直中心軸3a1,3a1の長さの和である直径よりも所要径大きく形成されている。前部環状部18aは、その内周面に、各マグナスブレード3aの垂直中心軸3a1の外端部をそれぞれ固着して支持している。
図9に示すように後部環状部18bは、前部環状部18aと同心状に配置されて、その背面を各プロペラ羽根2aの先端部(外端部)正面に固着している。
各羽根18cは、所要大の例えば矩形平板により形成され、図8に示すように前,後部環状部18a,18bの周方向に所要のピッチを置いて固着される。各羽根18cは、前部環状部18aと後部環状部18bの対向方向、すなわち、車輪型風車18の軸方向に平行な方向に対して所要角度傾斜して配設されている。この傾斜角は図8の矢印線で示すプロペラ風車2の回転方向に車輪型風車18が回動する力を発生させる方向と角度に調整されている。
したがって、この複合型風力発電装置1Cによれば、複数枚のプロペラ羽根2a,2a,2aに同心状に固着された円形環状の車輪型風車18により、複数のマグナスブレード3a,3a,3aの各垂直中心軸3a1を固着させるので、各垂直中心軸3a1の固着強度(支持強度)を増強させることができる。
このために、マグナスブレード3aの長尺化や大形化を図って発電容量の増大と発電効率の向上を図ることができる。
また、車輪型風車18とマグナス風車3にそれぞれ発生した回動力をプロペラ風車2にそれぞれ与えることができるので、プロペラ風車2の単位時間当りの回転速度を向上させることができる。このために、発電量と発電効率を一層向上できる。
そして、車輪型風車18は、前,後部環状部18a,18bを円形環状のフレームにより形成し、さらに、これら前,後部環状部18a,18bを前後方向で連結する複数の羽根18c,18c,…を、矩形平板により形成しているので、車輪型風車18の軽量化を図ることができる。
Claims (7)
- 水平回転軸に複数のプロペラ羽根を配設したプロペラ風車と、
外面に螺旋状の凸部を形成して垂直中心軸回りに回転する複数の回転円筒体、これら回転円筒体を回転可能にそれぞれ支持する垂直中心軸、この垂直中心軸回りの回転円筒体の回転力を水平回転軸に伝動する伝動機構を有するマグナス風車と、
このマグナス風車の水平回転軸および前記プロペラ風車の水平回転軸によりそれぞれ駆動される発電機と、
前記各マグナス風車の垂直中心軸の外端部を隣り合う前記プロペラ羽根に固定する固定手段と、
を具備し、
前記プロペラ風車の水平回転軸と前記マグナス風車の水平回転軸は、その一方が円筒体により形成され、その他方がこの円筒体内を遊びを持って軸方向に挿通する2重軸に構成されていることを特徴とする複合型風力発電装置。 - 前記マグナス風車の回転円筒体を、前記プロペラ羽根の風受け方向前方に所要の間隔を置いて配設していることを特徴とする請求項1記載の複合型風力発電装置。
- 前記マグナス風車の回転円筒体を、前記プロペラ羽根に対してその風受け方向で重なるように配設していることを特徴とする請求項1または2記載の複合型風力発電装置。
- 前記マグナス風車の回転円筒体を、前記プロペラ羽根の回転方向にずれて配設していることを特徴とする請求項1または2記載の複合型風力発電装置。
- 前記回転円筒体の外端側を同心状に囲み、これら回転円筒体の垂直中心軸を固定させる一方、前記プロペラ羽根の外端部に固定され、前記プロペラ風車にその回転方向と同一の回転力を与えるように傾斜された複数の羽根を有する車輪型風車を具備していることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の複合型風力発電装置。
- 前記プロペラ羽根を固着するボスおよびこのボスに結合された水平回転軸、前記マグナス風車の伝動機構および水平回転軸、前記発電機および前記プロペラ風車とマグナス風車の各水平回転軸をそれぞれ回転可能に支持する軸受を収容する本体ケーシングと、
この本体ケーシングを回転可能に支持する支柱と、
を具備していることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の複合型風力発電装置。 - 前記本体ケーシングを前記支柱回りに回動させる方位制御用モータと、
前記プロペラ風車が受ける風の方向を検出する風向検出器と、
この風向検出器により検出された風向に前記プロペラ風車が正対するように前記本体ケーシングを回動させる方位制御信号を前記方位制御用モータに与える方位制御装置と、
を具備していることを特徴とする請求項6記載の複合型風力発電装置。
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