(57)【要約】【課題】風力低下に起因する発電電力の変動を抑制する。【解決手段】支柱１と、該支柱１の頂部に設けられた風車３と、該風車３の回転動力によって発電する発電機４とを備えた風力発電装置Ａであって、支柱１において風車３の下方に設けられ、支柱１に向けて吹付ける風を支柱１に沿って流れる風に変換する風向変換器５と、風向変換器５から吹付ける風によって回転する第２の風車６と、を具備し、第２の風車６の回転動力を用いて発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支柱と、該支柱に設けられた風車と、該風車の回転動力によって発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
前記支柱において前記風車の下方に設けられ、前記支柱に向けて吹付ける風を前記支柱に沿って流れる風に変換する風向変換器と、
該風向変換器から吹付ける風によって回転する第２の風車と、を具備し、
前記第２の風車の回転力を用いて発電することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記風向変換器は、前記支柱から一定間隔で放射状に延びる複数の案内羽根を備え、前記支柱に向けて吹付ける風を前記支柱に沿った上昇流に変換することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風向変換器と前記第２の風車との間には前記風向変換器から吹き出した風を整流する整流器が設けられてい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。
【請求項４】
前記第２の風車の回転力によって発電する第２の発電機を備え、当該第２の発電機及び前記発電機の電力を外部に出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、温室効果ガスの排出量の増加や化石燃料の枯渇などの問題から、自然エネルギーである風力を利用して発電する風力発電装置が注目され、世界各地に普及している。風力発電装置は、一般的な構造として、支柱の先端部に取り付けられた風車が風力によって回転して生じる動力を用いて発電機を駆動する（例えば、下記特許文献１）。このような風力発電装置は、動力発生に燃料が不要なので、化石燃料の使用量を削減、すなわち二酸化炭素の排出量を低減することが可能であり、また構造が比較的簡単なので据付が容易である等の特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４９４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術の風力発電装置を設置する場合、その設置場所には平均風速に関する所定の要件が求められる。すなわち、上記設置場所には、風力発電装置によって所望の電力を発電可能な風力を確保できることが必要となる。しかしながら、設置場所を入念に調査して風力発電装置を設置したにもかかわらず、風速の低下によって十分な風力を確保できず、所望の電力を発電できないことがある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、風力低下に起因する発電電力の変動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、支柱と、該支柱の頂部に設けられた風車と、該風車の回転動力によって発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、支柱において風車の下方に設けられ、支柱に向けて吹付ける風を支柱に沿って流れる風に変換する風向変換器と、風向変換器から吹付ける風によって回転する第２の風車と、を具備し、第２の風車の回転動力を用いて発電する、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、風向変換器は、支柱から一定間隔で放射状に延びる複数の案内羽根を備え、支柱に向けて吹付ける風を支柱に沿った上昇流に変換する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、風向変換器と第２の風車との間には風向変換器から吹き出した風を整流する整流機が設けられている、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、第２の風車の回転力によって発電する第２の発電機を備え、当該第２の発電機及び発電機の電力を外部に出力する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、風車の回転動力によって発電する電力に加えて、風向変換器から吹付ける風によって回転する第２の風車の回転動力を用いて発電を行うので、風車の回転動力のみで発電を行う従来技術に比較して風車に作用する風の風力低下に起因する発電電力の変動を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置Ａの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における風向変換器５及び整流器８の詳細構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る風力発電装置Ａは、風力を利用した発電装置であり、図１に示すように、支柱１、ナセル２、水平軸風車３（第１の風車）、第１の発電機４（発電機）、風向変換器５、垂直軸風車６（第２の風車）、第２の発電機７及び整流器８を備える。
【００１３】
支柱１は、例えば地面に立設されており、地表からの高さが数十メートル程度の円柱状の固定構造物である。このような支柱１は、中空構造を有しており、その内部に第２の発電機７、また第１の発電機４及び該第２の発電機７の各発電電力を伝送する電力ケーブル等が収容されている。なお、支柱１は、地面に限定されず、水上に立設される場合もある。この場合、支柱１は、水底から水上にかけて固定状態に立設されたり、あるいは浮体構造物上に立設される。支柱１を上記浮体構造物上に立設する場合には、船舶によって曳航して移動させることが可能である。
【００１４】
ナセル２は、第１の発電機４や該第１の発電機４の発電電力を伝送する電力ケーブル等を収容するケーシングであり、支柱１の頂部にヨー軸（垂直軸）を中心に回転可能に取り付けられている。このようなナセル２は、水平軸風車３の回転面が風向に正対するように、図示しないモータ等によって回転角度が調節される。
【００１５】
水平軸風車３は、水平軸を回転軸とするプロペラ型風車であり、例えば３枚のブレードを備え、各ブレードが風力を受けることにより鉛直面を回転面として回転する。この水平軸風車３は、回転軸がギヤボックス等の変速機を介して第１の発電機４の駆動軸に連結されており、第１の発電機４を駆動する。なお、本実施形態では、プロペラ型の水平軸風車３を採用したが、風力発電用の風車には、プロペラ型以外に、垂直軸のダリウス型、ジャイロミル型あるいはサボニウス型等、各種形態の風車が知られており、これら各種風車を用いてもよい。また、水平軸風車３におけるブレード枚数は上述した３枚に限定されるものではない。
【００１６】
第１の発電機４は、ナセル２の内部に収容され、水平軸風車３によって回転駆動される。この第１の発電機４は、出力端が電力ケーブルを介して外部の電力系統に接続されており、発電電力を電力系統に出力する。第１の発電機４の回転数は発電効率が最大となるように設定され、一般に水平軸風車３の回転数に比較して高い。したがって、上記変速機は、水平軸風車３の回転を増速させて第１の発電機４に伝達する増速機として機能する。
【００１７】
風向変換器５は、図１に示すように、上記支柱１の下部（地面上）に当該支柱１を中心として固定的に設置されている。この風向変換器５は、支柱１から一定間隔で放射状に延びる複数の案内羽根５ａを備え、支柱１に向けて吹付ける風を支柱１に沿った上昇流に変換する。上記各案内羽根５ａは、図２に示すように、支柱１の周面から渦巻状に延びる形状、つまり支柱１の中心から湾曲しつつ放射するように形成されており、外周方向から流入する風を中心方向に案内しつつ徐々に上向きに方向変換するように形状設定されている。
【００１８】
例えば、過給機等に用いられるタービンインペラは外周方向から流入する排気ガスを回転しつつ軸方向に変換する機能を有するが、本実施形態における風向変換器５は、このタービンインペラに類似した形状である。このような風向変換器５から吹き出される上昇流は、渦巻状の案内羽根５ａの作用によって旋回流となる。
【００１９】
垂直軸風車６は、垂直軸を回転軸とする風車であり、支柱１において風向変換器５の上方に設けられている。この垂直軸風車６は、整流器８を介して風向変換器５から吹付けられる風（上昇流）を受けることにより水平面を回転面として回転し、第２の発電機７を回転駆動する。すなわち、垂直軸風車６の回転軸は、所定の変速機によってと第２の発電機７の駆動軸に連結されており、上記回転軸の回転力が上記駆動軸に伝達される。なお、垂直軸風車６は、プロペラ型あるいはプロペラ型以外の各種形態の風車であってもよい。
【００２０】
第２の発電機７は、支柱１の内部に収容され、上記垂直軸風車６によって回転駆動されることにより発電する。このような第２の発電機７の出力端は電力ケーブルを介して外部の電力系統に接続されており、第２の発電機７は、この電力系統に発電電力を供給する。
【００２１】
整流器８は、支柱１において上記風向変換器５と垂直軸風車６との間に設けられている。この整流器８は、上記風向変換器５が吹き出す上昇流（旋回流）を整流して平行流とするものであり、支柱１の周方向に所定間隔で設けられると共に中心軸方向に延在する複数の整流翼８ａを備える。このような整流器８は、風向変換器５から入流する上昇流（旋回流）を平行流に変換して垂直軸風車６に送り出す。
【００２２】
次に、このように構成された本風力発電装置Ａの動作について説明する。
まず、風力発電装置Ａでは、水平軸風車３に略水平方向から吹付ける比較的上空の風によって当該水平軸風車３が回転して第１の発電機４が駆動される。この結果、第１の発電機４の発電電力が外部の電力系統に供給される。ここで、周知のように風の風力は不規則に変動し得るものである。したがって、水平軸風車３によって回転駆動される第１の発電機４の発電電力は、水平軸風車３に作用する風、つまり比較的上空の略水平方向に吹く風の風力変動に起因して不規則に変動し得る。
【００２３】
一方、本風力発電装置Ａでは、風向変換器５が地面近傍を吹いている略水平方向の風を上昇流（旋回流）に変換して整流器８に吹き出す。そして、この上昇流（旋回流）は、整流器８によって平行流（上昇流）に変換されて垂直軸風車６に吹付けられる。この結果、垂直軸風車６によって第２の発電機７が回転駆動されるので、当該第２の発電機７の発電電力が電力系統に供給される。
【００２４】
ここで、地面近傍において風向変換器５に向かって吹付ける略水平方向の風は、上空において水平軸風車３に吹付ける略水平方向の風の風力変動とは異なる変動をするものである。すなわち、例えば上空の風が弱くなって第１の発電機４の発電電力が低下しても、第２の発電機７の発電電力はこれと同時に低下するものではない。したがって、第２の発電機７の発電電力は、第１の発電機４の発電電力の変動を補完するように機能する。
【００２５】
さらに、風向変換器５は、地面近傍においてすべての方向から支柱１に向かって吹付ける略水平方向の風を上昇流に変換するものである。したがって、地面近傍の風の風向が変化しても、第２の発電機７の発電電力は比較的安定であり、よって第２の発電機７の第１の発電機４に対する補完能力は、風向変動に対して安定的である。
【００２６】
また、本風力発電装置Ａでは、整流器８が旋回流を平行流に変換して垂直軸風車６に吹付けるので、風向変換器５から吹き出される旋回流を垂直軸風車６に直接吹付ける場合よりも大きな風力を垂直軸風車６に作用させることが可能である。したがって、第２の発電機７の発電能力を大きくすることが可能であり、よって第２の発電機７の第１の発電機４に対する補完能力を大きくすることができる。
【００２７】
すなわち、このような本実施形態によれば、主風車である水平軸風車３に作用する風の風力低下に起因する第１の発電機４の発電電力の変動を第２の発電機７の発電電力によって効果的に抑制することが可能である。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、風向変換器５と垂直軸風車６との間に整流器８を設置しているが、整流器８については必要に応じて削除してもよい。また、整流器８は旋回流を平行流に変換する機能を有するが、これに加えて上昇流を増速する機能をも備えるようにしてもよい。例えば、互いに隣り合う整流翼８ａ間の幅を下方から上方に向けて徐々に狭くすることにより、つまり上昇流の流路面積を下方から上方に向けて徐々に狭めることにより上昇流の流速を増速させる。
【００２９】
（２）上記実施形態では、風向変換器５を地面近傍に設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、風向変換器５を支柱１の途中部位（中間位置辺り）に設け、地面近傍よりもやや上空の略水平方向の風を利用して第２の発電機７を駆動してもよい。
【００３０】
（３）上記実施形態では、垂直軸風車６を１つ設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、垂直軸風車６を支柱１に沿って多段に設けてもよい。また、風向変換器５、垂直軸風車６及び整流器８を１つの構成ユニットとし、当該構成ユニットを支柱１に沿って複数設けてもよい。
【００３１】
（４）上記実施形態では、垂直軸風車６用に第２の発電機７を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、水平軸風車３の回転軸と垂直軸風車６の回転軸とを所定の連結機で軸結合させて第１の発電機４を回転駆動してもよい。
【００３２】
（５）上記実施形態では、支柱１の周方向に一定間隔で設けられ、かつ、支柱１の周面から放射状に延びる複数の案内羽根５ａを備えるものとして風向変換器５を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、水平姿勢から垂直姿勢に湾曲する風導管を支柱１の周面に一定間隔で放射状に複数設けたものを風向変換器としてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ…風力発電装置、１…支柱、２…ナセル、３…水平軸風車（第１の風車）、４…第１の発電機（発電機）、５…風向変換器、５ａ…案内羽根、６…垂直軸風車（第２の風車）、７…第２の発電機、８…整流器、８ａ…整流翼
【図１】
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【図２】
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