(57)【要約】【課題】アップウィンド型の水平軸風車において、タワーの風上側を通過するロータの変動荷重を低減する。【解決手段】本発明の水平軸風車１０は、ロータ１と、ロータを軸支するナセル２と、ナセルをヨー回転自在に支持するタワー３とを備え、少なくともタワーの風上に配置されたロータが発電等の仕事のために回転する時に、ロータの回転面とタワーとの間にタワーの径方向外方に向かって尖状の整流部材４が配置される。例えば、整流部材はナセルのロータとタワーとの間の部位に固定され、ロータ及びナセルとともにタワーに対して回転自在に支持される。【選択図】図１
2011127514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、前記ロータを軸支するナセルと、前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを備え、前記タワーの風上に配置された前記ロータの回転により仕事をするアップウィンド型の水平軸風車において、
少なくとも前記タワーの風上に配置された前記ロータが回転する時に、前記ロータの回転面と前記タワーとの間に前記タワーの径方向外方に向かって尖状の整流部材が配置される水平軸風車。
【請求項２】
前記整流部材は前記ナセルの前記ロータと前記タワーとの間の部位に固定され、前記ロータ及び前記ナセルとともに前記タワーに対して回転自在に支持された請求項１に記載の水平軸風車。
【請求項３】
前記整流部材の水平断面における先端に延びる２辺は、前記タワーの接線を成し、当該２辺の間の角が９０度以下である請求項１に記載の水平軸風車。
【請求項４】
前記２辺の前記タワーから離れて延びる先が前記タワーの半径の４分の１以下の曲率半径を有する円弧に連続して前記整流部材の水平断面の外形が形成されてなる請求項３に記載の水平軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平軸風車に係り、特にアップウィンド型の水平軸風車のタワーとブレードの空力干渉に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電等の商業用に広く実用化されている。
水平軸風車は、１枚又は２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。
【０００３】
この水平軸風車の一つであるアップウィンド型の水平軸風車は広く利用されており、発電等の仕事のためにブレードに受ける風力によってロータを回転させるとき、タワーよりも風上側にロータを配置する形態をとる。
【０００４】
特許文献１，２に記載のアップウィンド型の水平軸風車にあっては、タワーに回動自在に部材を設け、この部材をタワーの風下方向すなわちタワー後流方向に突出させるようにして、タワー後流を整流することにより、タワーの振動を低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３‐４９７６１号公報
【特許文献２】特開２００２‐２１９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上の従来のアップウィンド型の水平軸風車にあっても次のような問題があった。
本発明者らの研究によると、アップウィンド型の水平軸風車においては、タワーの風上側は低風速化し高圧化しており、タワーの風上に配置されたブレードがタワー近傍を通過するとき、ロータに変動荷重が生じ、この変動荷重が風車の疲労破壊、使用寿命の短縮、超低周波騒音の要因になることがわかった。
しかし、従来のアップウィンド型の水平軸風車にあっては、タワー後流側を整流する技術はあっても、タワーの風上側を通過するロータの変動荷重を低減する技術がなかった。
【０００７】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、タワーの風上側を通過するロータの変動荷重を低減することができるアップウィンド型の水平軸風車を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ロータと、前記ロータを軸支するナセルと、前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを備え、前記タワーの風上に配置された前記ロータの回転により仕事をするアップウィンド型の水平軸風車において、
少なくとも前記タワーの風上に配置された前記ロータが回転する時に、前記ロータの回転面と前記タワーとの間に前記タワーの径方向外方に向かって尖状の整流部材が配置される水平軸風車である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記整流部材は前記ナセルの前記ロータと前記タワーとの間の部位に固定され、前記ロータ及び前記ナセルとともに前記タワーに対して回転自在に支持された請求項１に記載の水平軸風車である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記整流部材の水平断面における先端に延びる２辺は、前記タワーの接線を成し、当該２辺の間の角が９０度以下である請求項１に記載の水平軸風車である。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記２辺の前記タワーから離れて延びる先が前記タワーの半径の４分の１以下の曲率半径を有する前縁円弧に連続して前記整流部材の水平断面の外形が形成されてなる請求項３に記載の水平軸風車である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、少なくともタワーの風上に配置されたロータが回転する時に、ロータの回転面とタワーとの間にタワーの径方向外方に向かって尖状の整流部材が配置されるので、この整流部材がタワーの風上側の低風速化・高圧化を緩和し、タワーの風上側を通過するロータの変動荷重を低減することができ、これにより、風車の疲労寿命の長期化、超低周波騒音の低減を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】(a1)は従来例に係る水平軸風車の側面模式図で、(b1)本発明の一実施形態に係る水平軸風車の側面模式図である。(a2)は同従来例に係る水平軸風車の平面模式図でナセルを透過させて描いている。(b2)本発明の同実施形態に係る水平軸風車の平面模式図でナセルを透過させて描いている。
【図２】(a)は図１(a1)に示したＡ−Ａ線についての断面図であり、(b)は図１(b1)に示したＢ−Ｂ線についての断面図である。
【図３】タワー前方の風速変化の解析対象に係る柱状体（仮想タワー）の水平断面形状を示す断面図(a)(b)(c)である。
【図４】解析結果に係る柱状体風上側の横軸（Ｙ軸）方向の風速比分布グラフである。
【図５】円柱の風上側の縦軸（Ｘ軸）上の風速比分布グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００１５】
まず、本発明の一実施形態に係る水平軸風車につき図１を参照して説明する。
図１に示すように本水平軸風車１０は、従来例の水平軸風車２０と同様に、風車のロータ１と、ナセル２と、タワー３とを備える。ロータ１は１又は２以上のブレードとブレードを保持するハブとを有する。ナセル２はタワー３の上端にベアリング３ａを介してヨー回転自在に支持される。
本水平軸風車１０及び従来例の水平軸風車２０は、風速計、風向計のほか、ナセル２のヨー角を変角させるヨー駆動装置、ロータ１のブレードを変角させるピッチ駆動装置、ロータ１の回転により駆動される発電機を備え、これら各部を司る制御装置を備える。
本水平軸風車１０及び従来例の水平軸風車２０は、アップウィンド型である。
上記制御装置は、風速計によって計測された風速が発電に適正な風速範囲にある時、ナセル２のヨー角を制御してタワー３の風上側にロータ１を配置するとともにブレードのピッチ角を制御して、風力によりロータ１を回転させて発電機を回転駆動する。これにより風車１０，２０は風力発電を行う。図１〜図３において矢印Ｗは風向きを示す。
【００１６】
本水平軸風車１０は、従来例の水平軸風車２０とは異なり、整流部材４を備える。
図１(b1)に示すように整流部材４は上下に長尺な部材で、タワー３に沿って設けられ、ロータ１よりもタワー３に近接するように設けられる。整流部材４の上下方向の設置範囲は、ロータ１の回転面の存する範囲である。図１(b1)に示すようにナセル２より下方のロータ１の回転面の存する範囲の全域に配置されるように整流部材４を長く設けることが好ましい。
整流部材４はタワー３の径方向外方に向かって尖状に形成される。本実施形態においては図１(b2)及び図２(b)に示すように整流部材４の水平断面は三角形状であり、整流部材４は上下方向について一様断面で形成されている。
【００１７】
整流部材４の上端はナセル２に固定されている。図１(b2)に示すように整流部材４はナセル２のロータ１とタワー３との間の部位に固定されている。
したがって、整流部材４は、ロータ１及びナセル２とともにタワー３に対して回転自在に支持されていることとなり、常にロータ１の回転面とタワー３との間に位置する。発電のためにロータ１がタワー３の風上に配置されて回転する時、ヨー駆動装置によるナセル２のヨー角制御に伴って当然に整流部材４はロータ１の回転面とタワー３との間であってタワー３の風上側に配置される。
なお、整流部材４の下端を安定させるため、整流部材４の下端部は、タワー３の外周を覆うベアリング３ｂによってタワー３回りに回動自在に支持される。
【００１８】
以上の構成を有する従来例の水平軸風車２０にあっては、図２(a)に示すように、タワー３の風上側の領域Ａ１が周囲に対して低風速化し高圧化する。
一方、本水平軸風車１０にあっては、タワー３の風上側の領域Ｂ１の低風速化・高圧化は整流部材４による風の整流によって緩和される。したがって、本水平軸風車１０によれば、タワーの風上側を通過するロータの変動荷重を低減することができる。この緩和効果を裏付ける解析内容を以下に記載する。
【００１９】
本解析の対象は、図３(a)(b)(c)に示す３つのタイプの断面形状を有す柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３である。
図３(a)に示すように柱状体Ｔ１の水平断面は円である。この円の半径をＲとする。また、図３(a)中にＸ−Ｙ座標を示す。以下の解析におけるＸ，Ｙはすべて、このＸ−Ｙ座標に従う。図３(b)(c)においては座標の記載を省略したが、柱状体Ｔ２，Ｔ３に対する解析においても同じ座標系、すなわち、中心Ｐから風上方向にＲの距離にある点Ｏを原点とし風向きの軸をＸ軸、点Ｏを同じく原点とし風向きに垂直な軸をＹとする。
柱状体Ｔ１において、中心Ｐから前縁Ｏまでの距離はＲとなる。
【００２０】
図３(b)に示すように柱状体Ｔ２の水平断面は楕円である。この楕円は、Ｙ軸方向に短軸を、Ｘ軸方向に長軸を有する楕円である。短軸の長さは２Ｒで、長軸の長さは１辺２Ｒの正方形の対角線の長さに等しい。
柱状体Ｔ２において、中心Ｐから前縁Ｑ１までの距離はＲに対し２の平方根倍であるから約１．４Ｒとなる。
【００２１】
図３(c)に示すように柱状体Ｔ３の水平断面は半径Ｒの円と中心角９０度の２つの接線とから成る形状である。この中心角９０度の２つの接線でつくられる部分を本発明の整流部材として想定する。
柱状体Ｔ３において、中心Ｐから前縁Ｑ２までの距離はＲに対し２の平方根倍であるから約１．４Ｒとなる。
【００２２】
以上の柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の一様流の風況下において、風上側のＹ軸方向の風速分布を解析した。その解析結果は図４のグラフに示すとおりである。但し、グラフの横軸は〔Ｙ／Ｒ〕で、縦軸は柱状体の影響の無い十分風上における一様流の元の風速に対する風速比で示す。また、図４のグラフに示すのは、Ｘ/Ｒ＝−２の位置における風速比分布グラフである。すなわち、図４のグラフは原点Ｏより２Ｒだけ風上の位置におけるＹ軸方向の風速比分布を示している。本解析では、Ｘ/Ｒ＝−２の位置をロータの回転面の位置とし中心Ｐをタワー３の軸中心として想定している。またＲをタワー３の半径として想定している。
【００２３】
図４のグラフからわかるように、柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれにおいてもＹ＝０の位置を極小値として風速は低下する。したがって、Ｙ＝０の位置を通過するロータは、Ｙ＝０の位置をピークとした変動荷重を受ける。
楕円断面を有する柱状体Ｔ２にあっては、円断面を有する柱状体Ｔ１に比較して、前縁Ｑ１がロータの回転面に近づくため、Ｙ＝０の位置における極小値はより低くなり、より変動の大きい荷重をロータに生じさせる結果となる。
【００２４】
一方、本発明例に相当する断面を有する柱状体Ｔ３にあっては、円断面を有する柱状体Ｔ１に比較して、前縁Ｑ２が楕円断面の柱状体Ｔ２と同じだけロータの回転面に近づくが、Ｙ＝０の位置における極小値は円断面の柱状体Ｔ１と同程度である。そして、注目すべきは、極小値の両側において、本発明例に係る柱状体Ｔ３についてのグラフは、円断面の柱状体Ｔ１についてのグラフに比較して高風速となっており、すなわち、風速の低下が緩和されている。したがって、ロータに与える総圧力は、円断面の柱状体Ｔ１より本発明例に係る柱状体Ｔ３の方が小さくなり、円断面の柱状体Ｔ１より本発明例に係る柱状体Ｔ３の方がロータに与える変動荷重は小さい。
以上のことから、本発明の整流部材を適用することによるタワーの風上側を通過するロータの変動荷重を低減する効果は確認できる。
【００２５】
以上の解析においては、本発明例に係る柱状体Ｔ３の前縁Ｑ２は、２平面が９０度の角度で辺同士を合わせてなる理想形状であった。
しかし、発明の実施においては前縁Ｑ２に丸みが生じる。すなわち、水平断面においては前縁部分が円弧状となる。
そこで、柱状体Ｔ３の前縁円弧の曲率半径をどの程度大きくしても、本発明の整流部材を適用する効果があるかを以下のように計算した。結論は、タワーの半径Ｒの４分の１以下の曲率半径であれば、本発明の整流部材を適用する効果があるというものである。
【００２６】
この結論を導き出すための計算は、まず、次の点に着目する。図４に示す柱状体Ｔ３についてのグラフにあっては極小風速比が0.74であるが、変動荷重を計算すると、この極小風速比が0.74から0.70に低下しても、依然、円断面の柱状体Ｔ１に比較して変動荷重の緩和があると判断できた。0.74から0.70への低下は0.95倍の低下に相当する。
ここで、図５のグラフを用いる。図５は、円柱の風上側の縦軸（Ｘ軸）上の風速比分布グラフである。但し、グラフの横軸は〔−Ｘ／ｒ〕である。本グラフではその円柱の半径をｒとし、Ｙ＝０の位置におけるＸ軸上の風速比分布を示す。Ｘ−Ｙ座標は図３(a)中のものに従う。図５のグラフに示すように、円柱の影響の無い十分風上位置における風速が0.95倍に低下するのは、−Ｘ／ｒ＝4.0・・・（式１）の位置である。
一方、ロータ回転面と円柱タワーとの距離、すなわち、原点Ｏからロータ回転面までの距離を２Ｒとすると、ロータ回転面と本発明例に係る整流部材の前縁Ｑ２との距離Ｘは、概算でＸ＝２Ｒ−0.4Ｒ＝1.6Ｒ・・・（式２）となる。
式１，式２を満たすとき、Ｘ／ｒ＝1.6Ｒ／ｒ＝4.0が成立し、この式の第２辺と第３辺との関係から、ｒ／Ｒ＝0.4・・・（式３）となる。
したがって、式３より、0.4Ｒの曲率半径に整流部材の前縁を円弧状にしても、ロータ回転面位置において0.95倍の風速低下に止まると計算できる。すなわち、円柱タワーの半径Ｒの４分の１以下の曲率半径であれば、整流部材の前縁を円弧状にしても、本発明の整流部材を適用する効果がある。
【００２７】
以上説明した実施形態にあっては、整流部材をナセルに固定したが、ナセルとは独立に整流部材をタワー周りに回動自在に支持しておき、整流部材のヨー角を制御して、少なくともタワーの風上に配置されたロータが回転する時にロータの回転面とタワーとの間に整流部材を配置する構成としても、同様の効果が得られる。
また、整流部材の水平断面形状は、図３(c)に示したようにタワー水平断面の外形円の接線となる２辺を有した三角形状であり、当該２辺の間の角が９０度であったが、この角を９０度より小さい角度とすることは勿論のこと、この角を挟む上記２辺を上記接線とせず、上記接線より内側に配置して、整流部材の先尖度を上げてもよい。また、上記２辺を直線状とはせず、内側に凹な反りを有した曲線状に形成しても整流部材の先尖度を上げることができ、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００２８】
１     ロータ
２     ナセル
３     タワー
３ａ   ベアリング
３ｂ   ベアリング
４     整流部材
１０   本発明例の水平軸風車
２０   従来例の水平軸風車
【図１】
2011127514.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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