JP2007040146A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転動力あるいは／及び風力の渦励振力に起因する支持部の振動を抑止する。
【解決手段】 風力によって得られる回転動力を電力に変換する風車部２と、該風車部２を支持する支持部３とを備える風力発電装置であって、上記回転動力あるいは／及び上記風力の渦励振力に起因する上記支持部３の振動を抑止する制振手段Ｓを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。

近年の環境意識に対する関心の高まりから、クリーンな自然エネルギーによって発電が可能な風力発電が注目されている。
このような風力発電においては、一般的に、風力を受け易いように上部に配置されかつ風力によって得られる回転動力を電力に変換する風車部と、この風車部を下方から支持する支持部とを備える風力発電装置が用いられる。
このような風力発電装置は、洋上に配置される大型のものから、街灯と一体化されるような小型のものまでがある。
特開２００１−０５９５４３号公報

しかしながら、このような風力発電装置においては、一般的に、重量物でありかつ回転部を有する風車部を細い支持ポール（支持部）で支えているため、風車部の起振力及び／あるいは風の渦励振力に起因する振動が発生し、支持ポールが振動するという問題が生じる。
このような問題に対して支持ポールを太くすることも考えられる。しかしながら、街灯と一体化されるような小型の風力発電装置は、街中に配置されることとなるため、ごみ（袋等）が風車部の回転部に付着することが想定され、このような場合には、風車部の重量バランスが崩れ、風車部の起振力が増大し、より支持ポールが振動することとなってしまう。このため、支持ポールを太くすることのみでは、十分に支持ポールの振動を抑止することができない恐れがある。なお、ごみに限らず、風車部に対して何らかの異物（例えば氷や雪等）が付着することによって風車部の重量バランスが崩れた場合には、同様に風車部の起振力が増大し、支持ポールがより振動することとなってしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、風車部の起振力及び風の渦励振力に起因して発生する振動によって支持部（支持ポール）が振動することを抑止する目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、風力によって得られる回転動力を電力に変換する風車部と、該風車部を支持する支持部とを備える風力発電装置であって、上記回転動力あるいは／及び上記風力の渦励振力に起因する上記支持部の振動を抑止する制振手段を備えるという構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記制振手段が、上記支持部の上部に配置される重量物体と、該重量物体を上記支持部に対して弾性結合する弾性部とを備えて構成され、上記制振手段の固有振動数が上記支持部の固有振動数よりも低く設定されているという構成を採用する。

第３の手段として、上記第２の手段において、上記重量物体が上記風車部であるという構成を採用する。

第４の手段として、上記第２または第３の手段において、上記弾性部が、ばね要素と減衰要素とを備えているという構成を採用する。

本発明の風力発電装置によれば、制振手段を備えているため、回転動力あるいは／及び風力の渦励振力に起因する支持部の振動を抑止することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る風力発電装置の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の風力発電装置１の模式図である。また、図２は、本実施形態の風力発電装置１の等価力学モデル図である。
まず、図１に示すように、本実施形態の風力発電装置１は、風車部２と、支持ポール３と弾性部４とを備えて構成されている。

風車部２は、風力によって得られる回転動力を電力に変換するものであり、風力を受け易いように、地面Ｇ（設置箇所）から離間した位置に配置されている。この風車部２は、風力によって回転する回転部２１と、この回転部の回転動力を電力変換する発電機２２とを備えて構成されている。なお、本実施形態においては、図１に示すように、回転部２１として、回転部２１の回転軸が縦方向に配置されたいわゆるサボニウス風車を用いているが、本発明は、このサボニウス風車に限定されるものではなく、回転部２１として、回転軸が水平方向に配置されたプロペラ式風車等の風車を用いることもできる。

支持ポール３は、風車部２を下方から支持する棒状部材であり、下部が地面Ｇに固定されるとともに、上部が弾性部４を介して風車部２に接続されている。
弾性部４は、風車部２と支持ポール３との間に配置されており、図２に示すように、ばね要素４１と減衰要素４２とを備えて構成されている。なお、具体的には、ばね要素としては防振ゴムやコイルばね等を用いることができ、減衰要素４２としては、オイル等の粘性体を用いることができる。

そして、本実施形態の風力発電装置１においては、風車部２と弾性部４とによって制振部Ｓが構成されている。そして、制振部Ｓの固有振動数が支持ポール３の固有振動数よりも低く設定されている。
このような制振部Ｓは、風車部２が備える回転部２１の回転動力及び風力の渦励振力に起因する支持ポール３の振動を抑止するものであり、支持ポール３の上部に配置される重量物と、この重量物を支持ポール３に対して弾性結合する弾性部とを備えて構成される。そして、本実施形態においては、この重量物として風車部２が用いられ、弾性部として弾性部４が用いられている。つまり、本実施形態においては、風車部２は、風力によって得られる回転動力を電力に変換する機能と、制振部Ｓの重量物としての機能との両方を有している。

次に、このように構成された本実施形態の風力発電装置における制振動作について説明する。

支持ポール３の振動は、支持ポール３に、風車部２が備える回転部２１の回転動力による起振力ｆ_ｂと、渦励振力による風外力ｆ_ｗとが作用することに起因する。ここで、風外力ｆ_ｗは下式（１）の支持ポール３の運動方程式の外力として作用し、起振力ｆ_ｂは下式（２）の風車部２の運動方程式の外力として作用する。なお、下式においては、ｍ_ｂが風車部２の質量、ｍ_ｍが支持ポール３の質量、ｃ_ｂが弾性部４の減衰係数、ｃ_ｍが支持ポール３の減衰係数、ｋ_ｂが弾性部４のばね定数、ｋ_ｍが支持ポールのばね定数、ｘ_ｂが風車部２の絶対変位、ｘ_ｍが支持ポール３の絶対変位を表している。

そして、支持ポール３に対する起振力ｆ_ｂのみの影響を考慮する場合（ｆ_ｗ＝０）と支持ポール３に対する風外力ｆ_ｗのみの影響を考慮する場合（ｆ_ｂ＝０）との各々について考察する。

まず最初に、支持ポール３に対する起振力ｆ_ｂの影響を考えると、本実施形態のように弾性部４を介して支持ポール３が風車部２を下方から支持しかつ制振部Ｓの固有振動数が支持ポール３の固有振動数よりも低い場合には、弾性部４によって風車部２の起振力ｆ_ｂの支持ポール３への伝達力を低減させることができ、これによって、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動を抑止することが可能となる。また、本実施形態のように、弾性部４に対してばね要素のみならず減衰要素を持たせることによって、共振ピークを小さくすることが可能となる。
図３及び図４は、弾性部４によって風車部２の起振力ｆ_ｂの支持ポール３への伝達力が低減されることを説明するためのシミュレーション結果である。なお、本シミュレーション及び下記のシミュレーションにおいては、特に説明がない限り、支持ポール３の質量を７７ｋｇ、固有振動数を４．７２Ｈｚ、減衰比を０．０１とし、風車部２の質量を４５ｋｇとし、制振部Ｓ（風車部２及び弾性部４）の固有振動数を２．３６Ｈｚ、減衰比を０．３としている。なお、ここで言う減衰比とは、下式（３）及び下式（４）で定義される値である。また、下式（３）においては、ζ_ｂが制振部Ｓの減衰比、ω_ｂが制振部Ｓの固有角振動数を表しており、下式（４）においては、ζ_ｍが支持ポール３の減衰比、ω_ｍが支持ポール３の固有角振動数を表している。

図３は、風車部２の起振力ｆ_ｂに対する支持ポール３の変位振幅倍率（下式（５）参照）を表したグラフであり、横軸が強制振動数比を示し、縦軸が振動振幅比を示している。
また、図４は、風車部２の起振力ｆ_ｂの支持ポール３への伝達特性を表したグラフであり、横軸が強制振動数比を示し、縦軸が振動伝達率を示している。なお、風車部２の起振力ｆ_ｂの支持ポール３への伝達力は、下式（６）によって与えられる。

また、図３及び図４には、本実施形態の風力発電装置１（風車部２を弾性支持した場合）におけるシミュレーション結果が実線によって示されており、風車部２を剛に支持した場合におけるシミュレーション結果が破線によって示されている。
そして、これらの図３及び図４における実線と破線とを比較することから明確なように、本実施形態の風力発電装置１のように、風車部２を弾性部４を介して支持した場合には、支持ポール３の応答及び支持ポール３への伝達率が１／１０以下に低減される。よって、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動を抑止することが可能となる。

ここまでの説明から分かるように、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動のみを抑止する場合には、弾性部４を設置するのみで支持ポール３の風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する振動を抑止できる。このため、このような場合には、制振部Ｓが重量物を有する必要はなく、制振部Ｓが弾性部４のみを有すれば良い。すなわち、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動のみを抑止する場合には、制振部Ｓを弾性部４のみによって構成することができる。

次に、支持ポール３に対する風外力ｆ_ｗの影響を考えると、本実施形態のように風車部２が制振部Ｓの重量物として機能している場合には、風車部２が可動マスとして働き、制振部Ｓの慣性力を用いて風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動を抑止することが可能となる。
図５は、制振部Ｓ（風車部２及び弾性部４）によって、風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動が低減されることを説明するためのシミュレーション結果であり、風外力ｆ_ｗに対する支持ポール３の変位振幅倍率を表したグラフである。そして、横軸が強制振動数比を示し、縦軸が振動振幅比を示している。なお、本シミュレーションにおいては、縦軸の振動振幅比の分母には、便宜的に、風外力ｆ_ｗの代わりに静的変位（ｆ_ｗ／ｋ_ｍ）を用いている。また、図５には、本実施形態の風力発電装置１におけるシミュレーション結果が実線によって示されており、風車部２を剛に支持した場合におけるシミュレーション結果が破線によって示されている。
そして、この図５における実線と破線とを比較することから明確なように、本実施形態の風力発電装置１のように、風車部２を制振部Ｓの重量物として用いた場合には、支持ポール３の振動が低減される。よって、風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動を抑止することが可能となる。

なお、上述のように、弾性部４を介して支持ポール３が風車部２を下方から支持しかつ制振部Ｓの固有振動数が支持ポール３の固有振動数よりも低い場合には、弾性部４によって風車部２の起振力ｆ_ｂの支持ポール３への伝達力を低減させることができ、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動を抑止することが可能となる。さらには、弾性部４の固有振動数を低減させる程、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動をより抑止することが可能となる。
しかしながら、風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動を抑止するためには、弾性部４の固有振動数の下限に限界がある。

図６〜図８には、制振部Ｓの固有振動数を支持ポール３の固有振動数の１／５とし、制振部Ｓの減衰比を現実的に可能な値である０．６としてシミュレーションした結果を示している。なお、図６が風車部２の起振力ｆ_ｂに対する支持ポール３の変位振幅倍率を表したグラフであり、図７が風車部２の起振力ｆ_ｂの支持ポール３への伝達特性を表したグラフであり、図８が風外力ｆ_ｗに対する支持ポール３の変位振幅倍率を表したグラフである。また、図６〜図８においても、図３〜図５と同様に、本実施形態の風力発電装置１におけるシミュレーション結果が実線によって示されており、風車部２を剛に支持した場合におけるシミュレーション結果が破線によって示されている。

そして、図６〜図８と図３〜図５とを比較することから明確なように、弾性部４の固有振動数を変化させることによる、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動を抑止する効果と風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動を抑止する効果との間には、トレードオフが存在する。
したがって、本実施形態の風力発電装置１においては、弾性部４の固有振動数を下げすぎないことに留意する必要がある。なお、弾性部４の固有振動数を決める際には、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動を抑止する効果と風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動を抑止する効果とが同程度となるように、弾性部４の固有振動数を決めることも一方法である。そして、本実施形態において、風車部２の起振力ｆ_ｂに起因する支持ポール３の振動を抑止する効果と風外力ｆ_ｗに起因する支持ポール３の振動を抑止する効果とが同程度となるようにするためには、制振部Ｓの固有振動数と支持ポール３の固有振動数比が０．５となるように弾性部４の固有振動数を決めれば良い。

また、本実施形態の風力発電装置１においては、制振部Ｓの減衰比を０．７以下にすることが好ましい。減衰比が１．０以上の場合には、過減衰のため、自由振動による減衰同定ができず、大掛りな加振試験を必要とするからである。

このような本実施形態の風力発電装置１によれば、制振部Ｓを備えているため、回転動力あるいは／及び風力の渦励振力に起因する支持ポール３の振動を抑止することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る風力発電装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の一実施形態である風力発電装置の模式図である。 本発明の一実施形態である風力発電装置の等価回路図である。 本発明の一実施形態である風力発電装置のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態である風力発電装置のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態である風力発電装置のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態である風力発電装置のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態である風力発電装置のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態である風力発電装置のシミュレーション結果である。

符号の説明

１……風力発電装置
２……風車部
２１……回転部
２２……発電機
３……支持ポール（支持部）
４……弾性部
Ｓ……制振部（制振手段）

Claims (4)

1. 風力によって得られる回転動力を電力に変換する風車部と、該風車部を支持する支持部とを備える風力発電装置であって、
   前記回転動力あるいは／及び前記風力の渦励振力に起因する前記支持部の振動を抑止する制振手段を備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記制振手段が、前記支持部の上部に配置される重量物体と、該重量物体を前記支持部に対して弾性結合する弾性部とを備えて構成され、前記制振手段の固有振動数が前記支持部の固有振動数よりも低く設定されていることを特徴とする風力発電装置。
3. 前記重量物体が前記風車部であることを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
4. 前記弾性部が、ばね要素と減衰要素とを備えていることを特徴とする請求項２または３記載の風力発電装置。
   
   
   
   

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