JP2006177370A

JP2006177370A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2006177370A
Application number: JP2006076551A
Authority: JP
Inventors: Aloys Wobben; アロイス・ヴォベン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2006-07-06
Also published as: EP1255931B1; AU758742B2; KR20050116909A; JP2003526757A; CA2395612A1; BR0017014A; DE10003385A1; AU1279701A; WO2001055590A1; ES2242647T3; EP1255931A1; BR0017014B1; US7074011B1; CA2395612C; DE50010649D1; KR20020067935A; ATE298840T1; DK1255931T3; PT1255931E

Abstract

【課題】本発明は、従来の問題点を解消すると共に、風力発電装置の製造とその操作を簡単にするのを目的としている。
【解決手段】少なくとも２つのロータが互いに前後に配置されており、そのうちの第１ロータが第２ロータの前部にあって、第２ロータよりも直径が小さいことよりなる風力発電装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に、電力出力が２MW以上、好ましくは約５MWないしそれ以上の大型風力発電装置に関する。

本発明によれば、前記した種の大型風力発電装置においては、風力発電装置の信頼性のある稼働を保証するロータの設計と対応するロータ・ブレードの形状とが提案されている。

その点について、ブレードの奥行きが非常に大きい内側区域において最大効率が得られるように最適化したロータ・ブレードは従来公知である（非特許文献１参照）。このようなロータ・ブレードは、例えばE-40型風力発電装置におけるEnercon(エネルコン)(５００〜６００KW出力)に使われている。ロータ・ブレードの内側区域は、その点でハブ(ロータ・ブレード基端)に近接した部分であって、半径が小さくなっている。
エリッヒ・ハウ（Erich Hau）著「風力発電装置（Windkraftanlagen）」第２版、１９９６年、第１１３頁

最大効率のために最適化した斯かるロータ・ブレードは、比較的小さい設備のために生産するのに適していて、問題なく運送できるのではあるが、斯かるロータ・ブレードの構成には二つの問題点がある。第１に、ロータ・ブレード基端における非常に大きいロータ・ブレード面積がために、風速が大きい場合に高負荷がかかる。その時、風力発電装置がシャットダウンするのが通常である。しかしながら、風力発電装置全体を斯かる高負荷に合わせて設計する(寸法を定める)必要がある。もう一つの問題点は、ブレード奥行きが非常に大きいロータ・ブレードの製造にある。半径が比較的小さいロータ・ブレードについては前述の問題はあまり重要なことではないが、ブレード奥行きの大きき(例えば５０メートル以上)ロータ・ブレードの製造とその後の運送とが非常に煩雑になったり、部分的には不可能になり、ブレード奥行きが大きいことが、材料費と人件費を非常に高騰させている。

以上のことから、ブレード奥行きの大きさを回避させる提案がなされている。図２は、以前にデンマーク国でつくられた設計形状を示している。

このロータ・ブレードの実施形態では、内側域が完全に省かれている。刈取り域は掃引されるロータ部に対応しているから、エリアの流れを補償するために、全面積の約５％に対応するだけの非常に小さな面積(内側域)を無視するか、または、ロータ径を僅かだけ大きくすることが可能と考えられていた。

ところが、それに関しては、図２のロータ・ブレードを備えた風力発電装置の近所に空気力学的穴が形成されることが見過ごされていたか、注目されていなかった。近所においては、風は妨げられることなく、また、抵抗を受けることなくその穴を貫流できる。その結果、ロータ・ブレードにおける開始プロフィールの内側域（風力発電装置のロータの第１区域）に層流が形成されない。このことは、(能動的)ロータ・プロフィールのロータ・ブレードの第１区域がエネルギー生成に関与できないことを意味している。

非常に早い段階(1990年頃)に開発されたEnerconは、前述の諸問題点を回避するために厚みのあるカットオフ・プロフィールをしている。

図３は、ロータ・ブレードの内側域で利用されている斯かるプロフィールを示している。大型風力発電装置(ロータ径が７０メートル以上)の場合では、カットオフ・プロフィールを利用するとブレード深さが６メートルまでとなり、よってそのようなロータ・ブレードの運送が非常に困難になると共に、その製造も異常といえるほど複雑かつ高価になる。

従って、本発明は、前記した諸問題点を解消すると共に、風力発電装置の製造とその操作を簡単にするのを目的としている。

この目的は、請求項１に記載した特徴を風力発電装置に持たせることで達成できる。この好適な展開例については、従属請求項に記載されている。

本発明による風力発電装置の構想は、風力発電装置に二つのロータを設け、その内の第１ロータ、即ち、小型ロータを第２ロータ、即ち、大型ロータの前部に設けている。従って、本発明によれば、風力発電装置の内側域が外側域から完全に隔離されていることが求められている。

そのような風力発電装置については、添付図面を参照しながらその一例を詳述する。この点、説明のために利用しているモデルは、１１３メートル径で、約５MW出力の発電機が備わっている大型風力発電装置である。内側域のロータはこの場合、約４０メートル径である。

従って、第２ロータ、即ち、大型ロータの場合、能動ロータの翼長は約３６.５メートルとなる。第１の小型ロータは約３８rpmの公称速度で回転する。第２の大型ロータは約１１rpmの公称速度で回転する。このことは、二つのロータのロータ・ブレード先端でのそれぞれの周速度はほぼ同一になることを意味する。

本発明による風力発電装置は、ロータの内側域がために、風速がどんなに速くても設置面積を非常に小さいものとすることができる利点がある。従って、風力発電装置全体にかかる極端な負荷を非常に小さいものとすることができる。

また、外側域(第２ロータ)のロータ・ブレードを、約３６.５メートルの長さの単位として製造することができる。斯かるロータ・ブレードは、風力学的には最早ロータの駆動に何ら関与しないロータ・ブレード基幹に取り付けることができる。このことは、ロータ・ブレードの運搬が容易に行えることを意味する。

さらに、第２ロータのロータ・ブレード調節装置はロータ・ブレード基幹に装着でき、従って、ハブから約２０メートル(小型ロータの半径)も隔離できるので、第２ロータのロータ・ブレード調節装置を大型に設計する必要もない利点も得られる。

風力発電装置の動作について言えば、各ロータはそれぞれの専用発電機を駆動する。第１ロータの発電機は第１及び第２ロータの間に配置されていて、それにより直接駆動されるのが望ましい。本発明による風力発電装置の設計構造に関しては、このことは、例えばEnerconからのE-40型の比較的小さいロータと発電機の構造体を第２ロータの前部に設けることができるのを意味する。その場合、両方のロータとそれぞれの発電機とは、単一のトラニオンに支持させると共に、回転自在に装着することができる。

好ましくは、両方のロータは同一方向(時計方向)に回転するのが望ましいが、ロータ・ブレードをそれとは反対方向に回転するように設計、構成することも可能である。

本発明の風力発電装置のパイロンは高さ１００メートルか、それ以上であり、例えばハブ高は１２０〜１６０メートルの範囲にある。

風力発電装置が稼働している間、小型ロータ(第１ロータ)は、第２ロータの内側域に風力学的穴を形成するようなことはない。

ロータ・ブレードの概略図。デンマークで使われているロータ・ブレードの概略図。ロータ・ブレードの端面図。風力発電装置のロータ・ブレードの全景図。

Claims

少なくとも２つのロータが互いに前後に配置されており、そのうちの第１ロータが第２ロータの前部にあって、第２ロータよりも直径が小さいことよりなる風力発電装置において、
第１ロータの公称回転速度が第２ロータの公称回転速度よりも著しく速く、また、両方ロータの先端の周速度が定格稼働中ではおおよそ等しいことを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載のものであって、第１ロータが第２ロータよりも高速回転することを特徴とする風力発電装置。
請求項１又は２に記載のものであって、第１ロータの公称回転速度が約２５〜４５rpmの範囲内であることを特徴とする風力発電装置。
請求項１又は２に記載のものであって、第２ロータの公称回転速度が約５〜１９rpmの範囲内であることを特徴とする風力発電装置。
請求項１から４までの何れか１項に記載のものであって、両方のロータのロータ・ブレード先端の周速が、定格稼働においておおよそ等しいことを特徴とする風力発電装置
請求項１から５までの何れか１項に記載のものであって、各ロータごとに発電機を設けたことを特徴とする風力発電装置。
請求項１から６までの何れか１項に記載のものであって、第１ロータの径が約３５〜５５メートルの範囲内であり、また、第２ロータの径が約１００〜１５０メートル、好ましくは約１１３メートルの範囲内であることを特徴とする風力発電装置。
第１及び第２ロータからなり、第２ロータは第１ロータよりも径が著しく大きく、また、第１ロータの背後に配置されており、第２ロータのロータ・ブレードは、その能動翼面積が第１ロータのロータ・ブレード先端の部分において開始することよりなる風力発電装置。
請求項１から８までの何れか１項に記載のものであって、第２ロータは複数のロータ・ブレードからなり、各ロータ・ブレードは、第１部分と第２外側部分とからなり、第２外側部分が能動ロータ・ブレードを構成していると共に、第１部分は、ロータの駆動に何ら関与しないように風力学的に存在していることを特徴とする風力発電装置。
請求項９に記載のものであって、第２ロータのロータ・ブレードのためにロータ・ブレード調整装置を設けており、該ロータ・ブレード調節装置は第１及び第２回転翼部分の間に臨むことを特徴とする風力発電装置。
請求項９又は１０に記載のものであって、第２ロータの第２回転翼部分が、第２ロータのハブに固定されていることを特徴とする風力発電装置。
ロータ内部域とロータ外部域とを備え、ロータの内部域がロータの外部域から隔離していることを特徴とする風力発電装置。
請求項１から１２までの何れか１項に記載のものであって、第１ロータと第２ロータとの間に第１発電機を設け、この第１発電機のロータを第１ロータに連結すると共に、それにより駆動されることを特徴とする風力発電装置。
請求項１から１３までの何れか１項に記載のものであって、第１ロータは、第２ロータの区域に風力学的穴が形成されないように第２ロータの前部に近接して設けたことを特徴とする風力発電装置。
請求項１から１４までの何れか１項に記載のものであって、両方のロータが同一方向(時計方向)に回転することを特徴とする風力発電装置。