JP2013181499A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源から電力を受電できない場合であっても、補助発電機を通じて電力を継続的に供給し、停電時等における安全性および信頼性を確保する。
【解決手段】風力発電装置は、ハブ１１２と、ハブから放射方向に延伸する複数のブレード１１４とを有するロータ１０２と、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する主発電機１２４を有するナセル１０４と、ナセルに回転自在に支持された羽根車１４２、他から励磁電力の供給を受けることなく羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する補助発電機１４６、および、電気エネルギーを蓄積し、停電時に少なくともロータの自然回転を抑制するための電力を供給する予備電源１４８を有する補助発電ユニット１４０と、ナセルを支持するタワー１０６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置に関する。

自然界において無限に得ることができる風の力を利用し、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する所謂風力発電装置の開発が進められている。風力発電装置は、比較的大きな立体物であり設置場所が制限されるので、少数で所望の発電量を賄えるよう１台あたりの発電量の増大が望まれている。このような大量の発電を担う発電機は、他の電源、例えば商用電源から励磁電流の供給を要す。

しかし、停電等により商用電源からの電力の供給が断たれると、発電機に励磁電流が供給されなくなり、発電不能となってしまう。そこで、停電時において発電機に別途励磁電力を供給する技術が公開されている（例えば、特許文献１）。

特開平９−６０５７５号公報

ただし、停電時には、商用電源が停止しているので、同時同量制により、その商用電源に追加する意味での発電は必要ない。しかし、商用電源が供給されなくなった場合、風力発電装置は、発電を停止するのみならず、風力発電装置自体の安全性を確保しなければならない。

そのため、風力発電装置には、ＵＰＳ（無停電電源装置）等のエネルギー蓄積装置が設けられることが多い。しかし、蓄積されたエネルギー量が有限のエネルギー蓄積装置では、ロータやナセルを自然回転させることなく、長時間その姿勢を維持するのに必要な電力を十分に供給できない可能性がある。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、商用電源から電力を受電できない場合であっても、補助発電機を通じて電力を継続的に供給し、停電時等における安全性および信頼性を確保することが可能な風力発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、ハブと、ハブから放射方向に延伸する複数のブレードとを有するロータと、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する主発電機を有するナセルと、ナセルに回転自在に支持された羽根車、他から励磁電力の供給を受けることなく羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する補助発電機、および、電気エネルギーを蓄積し、停電時に少なくともロータの自然回転を抑制するための電力を供給する予備電源を有する補助発電ユニットと、ナセルを支持するタワーと、を備えることを特徴とする。

羽根車は、抗力型であってもよい。

羽根車は、回転軸の両端が、ナセルの架台を含むナセルフレームに回転自在に支持されてもよい。

羽根車は、ナセルの鉛直下部に設けられ、鉛直上部がナセルカバーに覆われるとしてもよい。

風力発電装置は、タワーが、ロータが風下に位置するようナセルを鉛直軸中心に回転自在に支持するダウンウィンドロータ型であってもよい。

本発明によれば、商用電源から電力を受電できない場合であっても、補助発電機を通じて電力を継続的に供給し、停電時等における安全性および信頼性を確保することが可能となる。

ダウンウィンドロータ型風力発電装置の外観を示す外観図である。 ダウンウィンドロータ型風力発電装置の概略的な機能を説明するための機能ブロック図である。 ナセルを鉛直下方から見た斜視図である。 羽根車の配置を説明するための説明図である。 補助発電機の発電効率を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００）
図１は、ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００の外観を示す外観図であり、図２は、ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００の概略的な機能を説明するための機能ブロック図である。図１に示すように、ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００は、ロータ１０２と、ナセル１０４と、タワー１０６とを含んで構成される。

図２に示すように、ロータ１０２は、ハブ１１２と、ハブ１１２から放射方向に延伸する複数のブレード１１４と、ハブ１１２に連結され、複数のブレード１１４で構成される面に垂直に延伸するロータ軸１１６とを有する。かかる複数のブレード１１４に風が当たると、その揚力によりロータ軸１１６を中心にしてロータ１０２が回転する。

ナセル１０４は、ナセルフレーム１２０と、増速機１２２と、主発電機１２４と、制御盤１２６とを有する。ナセルフレーム１２０は、ナセル１０４に生じる荷重負荷に耐えるための架台や構造物を含む。増速機１２２は、ロータ軸１１６を軸支し、ロータ軸１１６の回転速度を増速して他の回転軸１２２ａを回転させる。こうして、増速機１２２とナセルフレーム１２０とでロータ１０２を回転自在に支持する。主発電機１２４は、増速機１２２によって増速された回転軸１２２ａに接続され、ロータ１０２の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。制御盤１２６は、ロータ１０２のピッチ制御や主発電機１２４の電力制御を行う。

このようにダウンウィンドロータ型風力発電装置１００では、風力エネルギーを電気エネルギーに変換するが、その過程で、主発電機１２４や増速機１２２のエネルギー損失が熱となる。特に、近年では、発電量の増大が望まれ、その発熱量も増大している。したがって、発熱により発電効率が低下しないように、冷却ユニット１３０が必要となる。

冷却ユニット１３０では、冷却媒体（気体または液体）が、循環ポンプ１３２で昇圧されて主発電機１２４および増速機１２２に導かれ、主発電機１２４および増速機１２２で生じる熱を回収した後、ラジエータ等の熱交換器１３４に送られる。熱交換器１３４では、高温の冷却媒体と外気との熱交換が行われ、熱交換後の低温の冷却媒体が循環ポンプ１３２に帰還する。このような冷却媒体の循環により、主発電機１２４および増速機１２２の発熱が抑えられる。

また、ナセル１０４には、停電時において、ロータ１０２やナセル１０４の自然回転を回避するブレーキ等の制御系統を動作させるため、制御系統に最低限の電力を供給する補助発電ユニット１４０が設けられている。補助発電ユニット１４０は、羽根車１４２と、増速機１４４と、補助発電機（ＰＭＧ）１４６と、予備電源１４８とを有する。

羽根車１４２は、ナセル１０４に回転自在に支持される。増速機１４４は、羽根車１４２の回転速度を増速して他の回転軸を回転させる。補助発電機１４６は、増速機１４４によって増速された回転軸に接続され、羽根車１４２の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。予備電源１４８は、変換された電気エネルギーを蓄積し、停電等の非常時においてロータ１０２やナセル１０４のブレーキ等に制御電力を供給する。

ここで、補助発電機１４６は、主発電機１２４と比較して発電量が小さいので（例えば主発電機１２４が１０００ｋＷであった場合に補助発電機は１０ｋＷ程度）、他から励磁電力の供給を受けることなく、自己完結的に発電が可能である。かかる補助発電ユニット１４０については後ほど詳述する。

さらに、ナセル１０４の外装に相当するナセルカバー１５０には風の向きおよびその速度を計測する風向風速計１５２が設けられている。

タワー１０６は、ロータ１０２とナセル１０４のほぼ重心位置に連結され、鉛直軸１６０中心にナセル１０４を回転自在に支持する。ナセル１０４にはロータ１０２が連結され、ロータ１０２のブレード１１４が風を受けると、ロータ１０２がタワー１０６よりも風下に位置するようナセル１０４が回転する。このように、ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００では、風自体のエネルギーを利用し、風向きに合わせて、ロータ１０２のブレード１１４で形成される仮想面が風の流れる方向と垂直となるため、風力エネルギーを効率よく取得することができる。

（補助発電ユニット１４０）
一般に、風力発電装置は、停電時には、同時同量制により発電する必要がなくなる。ただし、風力発電装置は、無人運転が為されていることが多いので、主系統が停電したり、何らかの事故が生じ商用電源が供給されなくなった場合には、発電を停止するのみならず、風力発電装置自体の安全性を確保しなければならない。

そのため、風力発電装置には、ＵＰＳ（無停電電源装置）、バッテリー、アキュムレータ、コンデンサ等のエネルギー蓄積装置が設けられることが多い。しかし、上述した有限のエネルギー蓄積装置では、ロータ１０２やナセル１０４を自然回転させることなく、長時間その姿勢を維持するのに必要な電力を十分に供給できない可能性がある。

一方、近年、洋上風力発電装置等、人が簡単にアクセスすることができない場所に風力発電装置が設置されることもあり、その位置によっては人が介入しようとしても風力発電装置に長時間アクセスできない事態も生じうる。

本実施形態では、風さえあれば電力を無限に供給可能な補助発電ユニット１４０をナセル１０４に設けることで、商用電源から電力を受電できない場合であっても、他から励磁電力の供給を受けることなく補助発電機１４６が電力を生成および供給できる。したがって、ロータ１０２やナセル１０４の自然回転を抑制するブレーキ等の制御系統に継続して電力を供給することができ、停電時等における安全性および信頼性を確保することが可能となる。

図２を用いて説明したように、補助発電ユニット１４０は、羽根車１４２と、増速機１４４と、補助発電機１４６と、予備電源１４８とを含んで構成される。

（羽根車１４２）
図３は、ナセル１０４を鉛直下方から見た斜視図である。本実施形態の羽根車１４２は、図３に示すように、ナセル１０４の先端部分の鉛直下部、かつ、熱交換器１３４より風下に設けられる。例えば、アップウィンドロータ型の風力発電装置では、羽根車を設置したとしても、ロータの下流に位置することとなるので、羽根車は、ロータの干渉により、ロータが受けた風力エネルギーの例えば５０％程度に減衰した風を受けることとなり、十分な発電効率を得ることができなかった。これに対し、ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００では、羽根車１４２が、ナセル１０４の風上側において風力エネルギーを受けることができるので、風力エネルギーが減衰することもなく、発電効率の向上を図ることが可能となる。

図４は、羽根車１４２の配置を説明するための説明図である。ナセル１０４の鉛直下側には、図４で示したように、ナセルフレーム１２０が配されているため、別途の固定部材を要することなく、羽根車１４２を回転自在に支持することができる。したがって、ナセル１０４自体を低コストかつ軽量に構成することが可能となる。ここで、羽根車１４２をナセル１０４の鉛直下部ではなく、側部に設けることも考えられるが、その場合、ナセル１０４の方向（回転角度）によって、ナセル１０４の側部が障壁となり、羽根車１４２が受けることができる風量（風力）が変わってしまう。また、羽根車１４２をナセル１０４の鉛直上部に設けるとすると、ナセル１０４の鉛直上方に生じる風の流れを乱してしまい風向風速計１５２の計測精度が低下するおそれがある。また、風向風速計１５２より風下に設置すると、風向風速計１５２の干渉により風力エネルギーが減衰し、十分な発電効率を得られない可能性がある。したがって、羽根車１４２はナセル１０４の鉛直下部に配置するのが望ましい。

図５は、補助発電機１４６の発電効率を説明するための説明図である。本実施形態では、抗力型の羽根車１４２が用いられている。抗力型の羽根車１４２を用いた場合の回転速度に対する発電効率２１０は、揚力型の羽根車の発電効率２１２に比べ、低速回転時からある程度の発電効率を得られることが知られている。したがって、弱風であっても所望の発電効率を得ることができる。

また、抗力型の羽根車１４２は、その原理から風速以上の高速回転を得ることができず、所定の風力エネルギーを越えると、回転速度の増加が抑制される。ここでは、風力エネルギーが高い場合においても回転速度が高くならない抗力型の特性を敢えて利用し、回転速度を抑制するための別途の機構を要することなく、台風等の強風時においても、羽根車１４２に過大な負荷を与えることなく安全性を確保しつつ、安定した発電を行うことができる。

本実施形態では、上述した抗力型の羽根車１４２を用いるべく、回転軸が風向きに対して垂直となる垂直軸風車（サボニウス型やクロスフロー型等）が採用される。ここでは、羽根車１４２の回転軸がナセル１０４の水平面幅方向に位置するように配されている。したがって、羽根車１４２の回転軸はロータ軸１１６と直交する。

通常、垂直軸風車のような回転軸が風向きに対して垂直になる羽根車１４２を、回転軸が水平方向となるように配置すると、垂直軸風車のメリットである風向に依存しない特性が失われる。しかし、ダウンウィンドロータ型風力発電装置１００は、ロータ１０２のブレード１１４が風を受けると、ロータ１０２がタワー１０６よりも風下に位置するよう回転するので、ナセル１０４が風向変化に対応し、羽根車１４２に十分な風力を供給することが可能となる。

また、本実施形態では、羽根車１４２の回転軸がナセル１０４の幅方向に水平に取り付けられているので、図４に示すように、回転軸の両端をナセルフレーム１２０に回転自在に支持させることができる。したがって、羽根車１４２を強固に固定することができ、信頼性および安定性の高い補助発電ユニット１４０を構築することができる。

上記のように羽根車１４２の回転軸を両端支持すると、羽根車１４２の鉛直上部の半分は、ナセルカバー１５０に覆われることとなる。このように構成することで、羽根車１４２が回転する際に、風上方向に戻る羽根車１４２の鉛直上部の半分に風が当たらなくなる。即ち、回転方向が風の順方向と一致する部分にのみ風が当たり、回転方向が風の逆方向となる部分には風が当たらない。こうすることで、高効率な発電が実現可能となる。

さらに、本実施形態では、図３に示すように、熱交換器１３４が傾斜を有して配されているので、風を羽根車１４２に誘導し易く、さらに発電効率が良好となる。

以上、説明したダウンウィンドロータ型風力発電装置１００によれば、商用電源から電力を受電できない場合であっても、ブレーキ等の制御系統に対して長時間継続的に電力を供給することができ、停電時等におけるダウンウィンドロータ型風力発電装置１００自体の安全性および信頼性を確保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の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、補助発電ユニット１４０をダウンウィンドロータ型風力発電装置１００に適用する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、アップウィンドロータ型の風力発電装置に適用することもできる。

また、補助発電ユニット１４０の羽根車１４２は、抗力型に限らず揚力型を適用してもよいし、垂直型風車に限らず、回転軸が風向きと平行な平行型風車を用いてもよい。

また、羽根車１４２には増速機１４４を配置している例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、増速機１４４を配置しなくてもよい。

さらに、上述した実施形態では、増速機１２２を配置している例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、増速機１２２を配置しない形態や、増速機１２２を配置しないで油圧変速機を設ける形態、増速機１２２と油圧変速機を共に設ける形態を用いてもよい。

本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置に利用することができる。

１００ …ダウンウィンドロータ型風力発電装置
１０２ …ロータ
１０４ …ナセル
１０６ …タワー
１１２ …ハブ
１１４ …ブレード
１１６ …ロータ軸
１２０ …ナセルフレーム
１２２ …増速機
１２４ …主発電機
１３４ …熱交換器
１４０ …補助発電ユニット
１４２ …羽根車
１４６ …補助発電機
１５０ …ナセルカバー

Claims (5)

1. ハブと、該ハブから放射方向に延伸する複数のブレードとを有するロータと、
   前記ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する主発電機を有するナセルと、
   前記ナセルに回転自在に支持された羽根車、他から励磁電力の供給を受けることなく該羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する補助発電機、および、電気エネルギーを蓄積し、停電時に少なくとも前記ロータの自然回転を抑制するための電力を供給する予備電源を有する補助発電ユニットと、
   前記ナセルを支持するタワーと、
   を備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記羽根車は、抗力型であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記羽根車は、回転軸の両端が、前記ナセルの架台を含むナセルフレームに回転自在に支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記羽根車は、前記ナセルの鉛直下部に設けられ、鉛直上部がナセルカバーに覆われ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。
5. 前記タワーが、前記ロータが風下に位置するよう前記ナセルを鉛直軸中心に回転自在に支持するダウンウィンドロータ型であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電装置。

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