(57)【要約】  本発明は、マルチ型風力発電装置に関する。本発明は、１つのタワーに複数のアームが放射状に結合され、前記複数のアームにブレードを有する単位発電部がそれぞれ備えられ、少なくとも２つの前記単位発電部が前記ブレードを互いに逆方向に回転させるように構成されてもよい。また、前記アームの両端は、前記タワーの高さ方向中心線を基準として両方に配置されて固定されるか、又は前記タワーの一方に配置されて回転可能に結合される。さらに、前記単位発電部のブレードの回転速度及び傾斜角は、個別に制御されてもよく、グループ制御されてもよい。さらに、前記単位発電部は、メインブレードと前記メインブレードより小さいサブブレードとを含んでもよい。【選択図】図３
2014533795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、
前記タワーに放射状に備えられる複数のアームと、
前記アームにそれぞれ設置されて単位発電部を構成するナセルと、
前記ナセルにそれぞれ結合されて前記ナセルと共に単位発電部を構成するブレードとを含み、
少なくとも２つの前記単位発電部は、前記ブレードの回転方向が互いに逆方向である、マルチ型風力発電装置。
【請求項２】
円周方向に隣接する前記単位発電部は、前記ブレードの回転方向が互いに逆方向である、請求項１に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項３】
前記単位発電部は、前記タワーの高さ方向に複数の領域に分類され、当該領域によって前記ブレードの回転速度、傾斜角又は長さが異なる、請求項１に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項４】
前記複数のアームは、前記タワーに固定結合される、請求項１に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項５】
前記アームは、前記タワーに固定される固定点と前記単位発電部が結合される固定点とが前記タワーの高さ方向中心線を基準として両方にそれぞれ位置する、請求項４に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項６】
前記タワーにナセルが設置され、前記ナセルに前記複数のアームが回転可能に結合される、請求項１に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項７】
前記単位発電部は、当該単位発電部のブレードの回転速度又は傾斜角を制御する制御部をさらに備える、請求項１に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記単位発電部の高さを検出する位置センサに電気的に接続され、前記位置センサにより検出された値に基づいて前記ブレードの回転速度又は傾斜角を制御する、請求項７に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記各単位発電部毎に前記ブレードの回転速度又は傾斜角を制御する、請求項７に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記複数の単位発電部を数個ずつまとめてグループ制御する、請求項７に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１１】
前記風速対応制御部は、前記単位発電部の位置に基づいて前記単位発電部を制御する、請求項７に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１２】
前記風速対応制御部は、高さに応じて任意の領域を複数に区分し、前記任意の領域に入る前記単位発電部が所定の回転速度又は傾斜角を有するように制御する、請求項７に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１３】
タワーと、
前記タワーに放射状に固定される複数のアームと、
前記アームにそれぞれ設置されて単位発電部を構成するナセルと、
前記ナセルにそれぞれ結合されて前記ナセルと共に単位発電部を構成するブレードとを含み、
前記アームは、前記タワーに固定される固定点と前記単位発電部が結合される固定点とが前記タワーの高さ方向中心線を基準として両方にそれぞれ位置する、マルチ型風力発電装置。
【請求項１４】
前記複数のアームは、補強部材により互いに結合される、請求項１３に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１５】
前記複数のアームは、前記タワーに結合される補強部材により支持される、請求項１３に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１６】
タワーと、
前記タワーに放射状に備えられる複数のアームと、
前記アームにそれぞれ設置されて単位発電部を構成するナセルと、
前記ナセルにそれぞれ結合されて前記ナセルと共に単位発電部を構成するブレードと、
前記ブレードの回転速度又は傾斜角を風速に対応して制御するように構成される風速対応制御部とを含み、
少なくとも２つの前記単位発電部は、前記ブレードの回転方向が互いに逆方向である、マルチ型風力発電装置。
【請求項１７】
前記風速対応制御部は、前記単位発電部の高さを検出する位置センサに電気的に接続され、前記位置センサにより検出された値に基づいて前記ブレードの回転速度又は傾斜角を制御する、請求項１６に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１８】
前記風速対応制御部は、前記各単位発電部毎に前記ブレードの回転速度又は傾斜角を制御する、請求項１６に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項１９】
前記風速対応制御部は、前記複数の単位発電部を数個ずつまとめてグループ制御する、請求項１６に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２０】
前記風速対応制御部は、前記単位発電部の位置に基づいて前記単位発電部を制御する、請求項１６に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２１】
前記風速対応制御部は、高さに応じて任意の領域を複数に区分し、前記任意の領域に入る前記単位発電部が所定の回転速度又は傾斜角を有するように制御する、請求項１６に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２２】
前記アームは、メンテナンスのための移送部をさらに含む、請求項１〜２１のいずれか一つの請求項に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２３】
前記複数のアームは、前記タワーに対して回転可能に結合され、前記タワーと前記アームとの間には、前記アームの制動状態を維持するための制動部がさらに備えられる、請求項２２に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２４】
前記ブレードは、風向きに対してアップウィンド方式で結合される、請求項１〜２１のいずれか一つの請求項に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２５】
前記ブレードは、それぞれのブレードエッジを囲むようにダクトを備える、請求項２４に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２６】
前記単位発電部のブレードは、回転半径の大きいメインブレードと、回転半径の小さいサブブレードとを含む、請求項１〜２１のいずれか一つの請求項に記載のマルチ型風力発電装置。
【請求項２７】
前記メインブレードのブレードルートに断面が円形又は円形に近い柱状の固定部が形成され、前記固定部の端部から前記ブレードのブレードエッジまで曲線を有する板状の空力部が形成され、
前記サブブレードは、その空力部の少なくとも一部が前記メインブレードの固定部の範囲内に位置する、請求項２６に記載のマルチ型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つのタワーに複数の単位発電部を有するマルチ型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電とは、風車を用いて風が持つエネルギーをスピンドルによる機械的エネルギー（回転力）に変換し、その機械的エネルギーが発電機を駆動するようにすることで電気的エネルギーに変換して電力を得る発電方式をいう。
【０００３】
風力発電は、これまで開発された再生可能エネルギー源のうち最も経済性が高いだけでなく、無制限、無コストのクリーンエネルギー源である風を利用して発電するという利点があり、ヨーロッパはもとよりアメリカやアジアなどでも積極的な投資が行われている。
【０００４】
このような風力発電のための風力発電装置は、回転軸の方向によって垂直軸風力発電装置と水平軸風力発電装置に分けられる。これまでは水平軸風力発電装置のほうが垂直軸風力発電装置より効率が高く安定しているので、商業用風力発電団地にはほとんど水平軸風力発電装置が適用されている。
【０００５】
通常の水平型風力発電機において、多くの動力を得るためには、ブレードの大きさを大きくしたりブレードの大きさに応じた容量を有する発電機を取り付けなければならない。しかし、ブレードが大きくなったり発電機の容量が大きくなると、ブレード及び発電機の重量が増加し、重いブレード及び発電機を支持するタワー及び構造物の規模をどちらも大きくしなければならず、ブレード及び発電機を含む発電施設の重量が増加すると、その重量を支持するベアリングなどの部品を大きくしなければならず、風向きに応じて回転ブレードの向きを変えるヨー動作のために別途の特殊装置を設置しなければならない。
【０００６】
従って、設置及び維持コストが等比級数的に増加し、その技術的難易度及びコストの増加により風力発電装置の幅広い普及に大変な障害をもたらすという問題があった。
【０００７】
これに鑑み、図１に示すように１つのタワーの周囲に複数の発電部を円周方向に配置するマルチ型風力発電装置が近年知られている。前記マルチ型風力発電装置においては、１つのタワー１に１つのメインナセル２を設置し、メインナセル２に複数のサポートアーム３を回転可能に放射状に結合し、各サポートアーム３に単位発電部Ｇをそれぞれ設置している。単位発電部Ｇは、発電機（図示せず）を含むサブナセル４と、サブナセル４に回転可能に結合されるロータ（図示せず）と、前記ロータに結合されて共に回転する小型ブレード５とを含む。
【０００８】
このようなマルチ型風力発電装置においては、ブレード５の大きさを大きくするのではなく、単位発電部Ｇの数を増加させることにより、多くの動力が得られるようにしているので、ブレード５の重量を過度に増加させないことから、タワー１及び構造物の規模を過度に大きくする必要がなく、各単位発電部Ｇを支持するベアリングなどの部品も大きくする必要がなくなり、設置及び維持コストを低減することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、このような従来のマルチ型風力発電装置においては、前述した利点を有するにもかかわらず、サポートアーム３がメインナセル２に対して回転運動を行うことから、風速の変動が激しく、騒音が大きくなり、システムの疲労荷重が増加するだけでなく、サポートアーム３の構造強度が弱くなるので、大容量の単位発電部Ｇの適用が困難であるという問題があった。
【００１０】
また、従来のマルチ型風力発電装置においては、各単位発電部Ｇがタワー１の前面でダウンウィンド方式で配置されることから、各ブレード５のブレードエッジとタワー１間の間隔ｔ１を保持することが困難であり、ブレード５がタワー１に衝突して破損することがあった。
【００１１】
さらに、従来のマルチ型風力発電装置においては、１つのブレードの重量がかなり重いことから、風速条件に応じて各ブレードの角度を調整するためには多くのエネルギーを必要とするだけでなく反応速度が遅く、ブレードのブレードルート付近が円筒状に形成されていることから、空力性能が低下してエネルギー生産量が減少し、低風速条件でのエネルギー生産量を増加させるためにブレードエッジでの速度を増加させなければならないので、騒音が増加するという問題もあった。
【００１２】
本発明の目的は、風速の変動及び騒音が小さく、システムの疲労荷重が低く、大容量の単位発電部の適用が容易なマルチ型風力発電装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、ブレードとタワー間の間隔を十分に保持することができ、安定性及び信頼性を向上させることができるマルチ型風力発電装置を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、風速条件に応じてブレードの角度を調整する際に必要なエネルギーを減らしながらも角度を迅速に調整することができ、ブレードのブレードルート付近での空力性能を向上させてエネルギー生産量を増加させることができ、低風速条件でもブレードの回転による騒音を減少させることができるマルチ型風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、タワーと、前記タワーに放射状に備えられる複数のアームと、前記アームにそれぞれ設置されて単位発電部を構成するナセルと、前記ナセルにそれぞれ結合されて前記ナセルと共に単位発電部を構成するブレードとを含み、少なくとも２つの前記単位発電部は、前記ブレードの回転方向が互いに逆方向である、マルチ型風力発電装置を提供する。
【００１６】
ここで、円周方向に隣接する前記単位発電部は、前記ブレードの回転方向が互いに逆方向であるか、又は前記単位発電部は、前記タワーの高さ方向に複数の領域に分類され、当該領域によって前記ブレードの回転速度、傾斜角又は長さが異なる。
【００１７】
また、前記複数のアームは、前記タワーに固定結合されてもよい。
【００１８】
さらに、前記タワーにナセルが設置され、前記ナセルに前記複数のアームが回転可能に結合されてもよい。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本発明は、タワーと、前記タワーに放射状に固定される複数のアームと、前記アームにそれぞれ設置されて単位発電部を構成するナセルと、前記ナセルにそれぞれ結合されて前記ナセルと共に単位発電部を構成するブレードとを含み、前記アームは、前記タワーに固定される固定点と前記単位発電部が結合される固定点とが前記タワーの高さ方向中心線を基準として両方にそれぞれ位置する、マルチ型風力発電装置を提供する。
【００２０】
また、前記複数のアームは、補強部材により互いに結合されるか、又は前記タワーに結合される補強部材により支持されてもよい。
【００２１】
さらに、上記目的を達成するために、本発明は、タワーと、前記タワーに放射状に備えられる複数のアームと、前記アームにそれぞれ設置されて単位発電部を構成するナセルと、前記ナセルにそれぞれ結合されて前記ナセルと共に単位発電部を構成するブレードと、前記ブレードの回転速度又は傾斜角を風速に対応して制御するための風速対応制御部とを含み、少なくとも２つの前記単位発電部は、前記ブレードの回転方向が互いに逆方向である、マルチ型風力発電装置を提供する。
【００２２】
また、前記風速対応制御部は、前記単位発電部の高さを検出する位置センサに電気的に接続され、前記位置センサにより検出された値に基づいて前記ブレードの回転速度又は傾斜角を制御してもよい。
【００２３】
さらに、前記風速対応制御部は、前記各単位発電部毎に前記ブレードの回転速度又は傾斜角を制御するか、前記複数の単位発電部を数個ずつまとめてグループ制御するか、又は前記単位発電部の位置に基づいて前記単位発電部を制御してもよい。
【００２４】
さらに、前記風速対応制御部は、高さに応じて任意の領域を複数に区分し、前記任意の領域に入る単位発電部が所定の回転速度又は傾斜角を有するように制御してもよい。
【００２５】
さらに、前記アームは、メンテナンスのための移送部を含んでもよい。
【００２６】
さらに、前記複数のアームは、前記タワーに対して回転可能に結合され、前記タワーと前記アームとの間には、前記アームの制動状態を維持するための制動部がさらに備えられてもよい。
【００２７】
さらに、前記ブレードは、風向きに対してアップウィンド方式で結合される。
【００２８】
さらに、前記ブレードは、それぞれのブレードエッジを囲むようにダクトを備えてもよい。
【００２９】
さらに、前記ブレードは、回転半径の大きいメインブレードと回転半径の小さいサブブレードとを含み、前記メインブレードのブレードルートに断面が円形又は円形に近い柱状の固定部が形成され、前記固定部の端部から前記ブレードのブレードエッジまで曲線を有する板状の空力部が形成され、前記サブブレードは、前記空力部の少なくとも一部が前記メインブレードの固定部の範囲内に位置するようにしてもよい。
【００３０】
本発明によるマルチ型風力発電装置は、サポートアームによる風速の変動及び騒音を小さくすることができ、システムの疲労荷重を低減することができ、サポートアームの構造強度が強化されて大容量の単位発電部を適用することができ、それにより風力発電装置の大容量化を達成することができる。
【００３１】
また、ブレードとタワー間の間隔を十分に保持し、ブレードがタワーに衝突して破損することを未然に防止することにより、風力発電装置の安定性及び信頼性を向上させることができる。
【００３２】
さらに、アームに移送部が備えられており、単位発電部のメンテナンスが容易であり、複数のブレードの外郭にダクトが備えられており、風力効果を向上させることができる。
【００３３】
さらに、単位発電部のブレードがメインブレードとサブブレードとからなり、風速条件に応じてブレードの角度を調整する際に必要なエネルギーを減らしながらも角度を迅速に調整することができ、エネルギー効率を向上させることができる。
【００３４】
さらに、ブレードの空力性能を向上させることにより、低風速条件でも、エネルギー生産量を増加させることができるだけでなく、ブレードの回転トルクの増加により遅くなった回転速度でも同じエネルギーを生産することができ、ブレードの回転による騒音を減少させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によるマルチ型風力発電装置は、サポートアームによる風速の変動及び騒音を小さくすることができ、システムの疲労荷重を低減することができ、サポートアームの構造強度が強化されて大容量の単位発電部を適用することができ、それにより風力発電装置の大容量化を達成することができる。
【００３６】
また、ブレードとタワー間の間隔を十分に保持し、ブレードがタワーに衝突して破損することを未然に防止することにより、風力発電装置の安定性及び信頼性を向上させることができる。
【００３７】
さらに、アームに移送部が備えられており、単位発電部のメンテナンスが容易であり、複数のブレードの外郭にダクトが備えられており、風力効果を向上させることができる。
【００３８】
さらに、単位発電部のブレードがメインブレードとサブブレードとからなり、風速条件に応じてブレードの角度を調整する際に必要なエネルギーを減らしながらも角度を迅速に調整することができ、エネルギー効率を向上させることができる。
【００３９】
さらに、ブレードの空力性能を向上させることにより、低風速条件でも、エネルギー生産量を増加させることができるだけでなく、ブレードの回転トルクの増加により遅くなった回転速度でも同じエネルギーを生産することができ、ブレードの回転による騒音を減少させることができる。
【００４０】
本発明の理解を助けるために提供され、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、明細書と共に本発明の原理を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来のマルチ型風力発電装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図１による風力発電装置を示す側面図である。
【図３】本発明によるマルチ型風力発電装置の一例を示す斜視図である。
【図４】図３による風力発電装置を示す側面図である。
【図５】図３による風力発電装置を示す正面図である。
【図６】図４及び図５による風力発電装置におけるサポートアームの内部を示す概略図である。
【図７】図３によるマルチ型風力発電装置における各単位発電部を構成するブレードの回転方向の制御を説明するための概略図である。
【図８】図７による各単位発電部のブレードを制御するための風速対応制御部を示すブロック図である。
【図９】図３によるマルチ型風力発電装置における各単位発電部の他の例を示す正面図である。
【図１０】図４による風力発電装置におけるメインナセルの設置構造の他の実施形態を示す側面図である。
【図１１】図３による風力発電装置におけるサポートアームの構造強度を補強するための一実施形態を示す斜視図である。
【図１２】図３による風力発電装置におけるメインナセルを支持する補強構造の一実施形態を示す側面図である。
【図１３】図３による風力発電装置におけるメインナセルを支持する補強構造の他の実施形態を示す側面図である。
【図１４】図４による風力発電装置におけるダクトを有するブレードの一実施形態を示す側面図である。
【図１５】図１４のＩ−Ｉ線断面図である。
【図１６】本発明によるマルチ型風力発電装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図１７】図１６による風力発電装置を示す側面図である。
【図１８】図１６及び図１７による各単位発電部のブレードを制御するための風速対応制御部を示すブロック図である。
【図１９】本発明によるマルチ型風力発電装置のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図２０】本実施形態によるマルチ型風力発電装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図２１】本実施形態によるマルチ型風力発電装置の他の実施形態を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明によるマルチ型風力発電装置を添付図面に示す一実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
図３は本発明によるマルチ型風力発電装置の一例を示す斜視図であり、図４及び図５は図３による風力発電装置を示す側面図及び正面図である。
【００４４】
同図に示すように、本発明によるマルチ型風力発電装置は、地面から所定の高さとなるように立設されるタワー１０と、タワー１０の上端周辺に放射状に配列され、風速に応じて異なる方向又は異なる回転速度で回転して個別に発電する複数の単位発電部Ｇとを含む。単位発電部Ｇは、後述するサブナセル４０と、サブナセル４０に結合される複数のブレード５０とを含む。
【００４５】
タワー１０は、上端から下端へ行くほど外径が大きくなり、中空截頭円錐状に形成されるようにしてもよい。また、タワー１０の内部には、前記単位発電部のメンテナンスのために作業者や作業器具を移動させることができるように、階段、コンベア又はエレベータが設置されてもよい。
【００４６】
単位発電部Ｇは、後述するサポートアーム３０を用いてタワー１０に固定結合されてもよく、後述するブレードアーム１３０と共にタワー１０に対して回転可能に結合されてもよい。単位発電部Ｇがタワー１０に固定結合される方式を固定式発電装置といい、単位発電部Ｇが回転可能に結合される方式を回転式発電装置という。
【００４７】
前記固定式発電装置においては、タワー１０の上端にメインナセル２０が水平方向に固定結合され、メインナセル２０に複数のサポートアーム３０が放射状に延びるように固定結合され、サポートアーム３０の端部に単位発電部Ｇが結合されるようにしてもよい。
【００４８】
ここで、メインナセル２０は、サポートアーム３０がブレードの役割を果たさないことから、外形が通常のナセルの形状に形成されるだけであり、内部にはギヤボックスや発電機などが備えられない。当然ながら、前記メインナセルは、ナセルの形状に形成されるのではなく、単なる棒状のフレームで形成されてもよい。
【００４９】
サポートアーム３０は、メインナセル２０から遠ざかるほど外径が小さくなるように形成され、メインナセル２０の外周面に放射状に固定結合されてもよい。また、サポートアーム３０は、中実棒状に形成されてもよく、単位発電部Ｇのメンテナンスのために、内部に図６に示すように階段やコンベア、超大型の場合はエレベータなどの移送装置が設置されてもよい。
【００５０】
サポートアーム３０は、円周方向に等間隔で配列されることが、後述するブレード５０の回転半径を最大限大きくすることができるだけでなく、タワー１０の両側に配列される部品の左右均衡をとることができるので好ましい。例えば、サポートアームの数が４つの場合は、図５に示すように、サポートアーム３０同士が直角をなすように配列し、かつタワー１０の高さ方向中心線を基準として両側にそれぞれ２つずつ対称となるように配列することが好ましい。当然ながら、前記単位発電部を含むサポートアームの数は、２つ以上であれば特に制限されない。
【００５１】
図４に示すように、サポートアーム３０は、メインナセル２０に結合される第１端部３１と、第１端部３１から放射状に延びて後述するサブナセル４０が結合される第２端部３２とからなる。サポートアーム３０は、第１端部３１及び第２端部３２のどちらもタワー１０の前方（以下、風の流れ方向を基準として上流側を前方という。）に位置するように設置されてもよい。しかし、サポートアーム３０は、図４に示すように、第１端部３１がタワー１０の後方に位置して第２端部３２がタワー１０の前方に位置するように、傾斜して配置されてもよい。これにより、サポートアーム３０は、傾斜してタワー１０と交差して両端部の固定点Ａ、Ｂがタワー１０の両方にそれぞれ位置し、後述するサブナセル４０は、タワー１０の前方に配置される。従って、サポートアーム３０がメインナセル２０に加える垂直荷重が分散し、タワー１０とメインナセル２０とが結合される固定点Ｃでの荷重の集中による破損を防止することができる。
【００５２】
サブナセル４０は、ギヤボックスや発電機を有する通常のナセルの形状に形成され、各サポートアーム３０の第２端部３２にそれぞれ固定結合される。
【００５３】
サブナセル４０の前方には、複数のブレード５０がそれぞれ回転可能に結合され、サブナセル４０の後方には、サブナセル４０が風向きに応じて回転するヨー動作をサポートするウィンドベーン（図示せず）が設置される。
【００５４】
複数のブレード５０は、いわゆるアップウィンド方式でそれぞれ設置されてもよい。これにより、図４に示すように、ブレード５０のブレードエッジ５０ａとタワー１０間の間隔ｔ２を、ブレード５０がタワー１０に衝突しない程度の所定間隔以上となるように保持することができる。
【００５５】
このようにして、本発明によるマルチ型風力発電装置は、前記サポートアームが前記タワーに固定されたメインナセルに固定結合されることにより、前記サポートアームの回転時に発生し得る風速の変動及び騒音を小さくすることができ、システムの疲労荷重を低減することができる。また、前記サポートアームが前記メインナセルに加えて前記タワーに固定されると共に、前記サポートアームが前記タワーの高さ方向中心線を基準として後方から前方に配置されることにより、前記サポートアームの構造強度が強化されるだけでなく、前記サポートアームの両固定端での偏心荷重が相殺され、前記サブナセルと前記ブレードとからなる各発電部の容量を大きく増加させることができる。これにより、風力発電装置の大容量化を達成することができる。
【００５６】
さらに、サポートアーム３０の端部に設置されるサブナセルにそれぞれのブレードがダウンウィンド方式で結合されることにより、前記サポートアームの両端部の固定点間の距離を最小限にすると共に、前記ブレードのブレードエッジと前記タワー間の間隔を十分に保持することができる。これにより、前記ブレードが前記タワーに衝突して破損することを未然に防止することができる。
【００５７】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置においては、タワーの周囲に複数の単位発電部が円周方向に配列されることにより、各単位発電部がタワーの高さ方向中心線からサポートアームの長さだけ遠い位置に配置されるだけでなく、各単位発電部のブレードが回転して各単位発電部がタワーを中心とする回転モーメントを発生する。従って、前記マルチ型風力発電装置は、各単位発電部から発生する回転モーメントにより左右方向（前後方向に対して水平に直交する方向）に激しい偏心荷重を受けることになり、前記風力発電装置を安定して支持するためには高い剛性を有する補強構造が要求されるだけでなく、各単位発電部の容量を増加させて風力発電装置を大型化することが制限される。
【００５８】
本実施形態においては、各単位発電部Ｇのブレード５０が設置位置に応じて異なる方向に回転するように構成することにより、ブレード５０の回転時に各単位発電部Ｇから発生する回転モーメントを相殺し、左右方向の偏心荷重を低減することができる。
【００５９】
例えば、図７に示すように４つの単位発電部を有する風力発電装置の場合、タワーの高さ方向中心線ＣＬを基準として、右上に位置する発電部Ｇ１のブレードは時計方向（ＣＷ）に回転し、左上に位置する発電部Ｇ２のブレードは反時計方向（ＣＣＷ）に回転し、左下に位置する発電部Ｇ３のブレードは反時計方向（ＣＣＷ）に回転し、右下に位置する発電部Ｇ４のブレードは時計方向（ＣＷ）に回転するように制御してもよい。しかし、場合によっては、右に位置する発電部Ｇ１、Ｇ４のブレードと左に位置する発電部Ｇ２、Ｇ３のブレードとが互いに逆方向に回転するように制御するか、上方に位置する発電部Ｇ１、Ｇ２のブレードと下方に位置する発電部Ｇ３、Ｇ４のブレードとが互いに逆方向に回転するように制御するなど、多様に実現することができる。
【００６０】
このような本実施形態によるマルチ型風力発電装置においては、通常の水平型風力発電装置のように、風が吹けば、各単位発電部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４のブレード５０が回転し、その回転力を電気的エネルギーに変換して発電する。
【００６１】
ここで、単位発電部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４は、設置位置に応じて、ブレード５０が水平軸又は垂直軸を中心に逆方向に回転するか、又は対角線方向に対称となるように回転することにより、ブレード５０の回転時に各単位発電部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４から発生する回転モーメントを相殺し、左右方向の偏心荷重を低減する。これにより、タワーをはじめとする風力発電装置の規模を大型化することができる。
【００６２】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置においては、複数の単位発電部が備えられることにより、風力発電装置全体の重量が増加するだけでなく、各単位発電部の設置高さによる風速差に起因する上下方向の偏心荷重が増加することがある。このような上下方向の偏心荷重も左右方向の偏心荷重と同様に風力発電装置の大型化を制限する。
【００６３】
すなわち、前述した実施形態は、各単位発電部の設置位置に応じてブレードを異なる方向に回転させることにより、各単位発電部から発生する回転モーメントを相殺し、左右方向の偏心荷重を低減するものであるが、本実施形態は、各単位発電部の設置高さに応じてブレード５０の回転速度（ＲＰＭ）及び傾斜角（ピッチ）を制御する風速対応制御部を備えることにより、各単位発電部の設置高さによる風速差を相殺するものである。
【００６４】
例えば、上方に位置する単位発電部のブレードの回転速度よりも下方に位置する単位発電部のブレードの回転速度を増加させるか、又は上方に位置する単位発電部のブレードの傾斜角よりも下方に位置する単位発電部のブレードの傾斜角を大きくすることにより、上方の単位発電部と下方の単位発電部の荷重差を相殺することができる。
【００６５】
このために、図８に示すように、サブナセル４０（風力発電装置の前方）には、風速を検出する風速センサ８１が設けられ、また、サブナセル４０には、風速センサ８１により検出された値の入力を受け、風速の変化に応じて該当単位発電部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４のブレード５０の回転速度を制御するか又はブレード５０の傾斜角を制御する制御ユニット（以下、マイコン）８３が備えられるようにしてもよい。
【００６６】
ここで、ブレード５０の回転速度及び傾斜角の制御は、各単位発電部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４毎に独立して行うことが好ましいが、場合によっては、タワー１０の任意の高さ（例えば、メインナセル）を基準として下方に位置する単位発電部Ｇ３、Ｇ４と上方に位置する単位発電部Ｇ１、Ｇ２とに区分し、各グループの単位発電部をグループ制御してもよい。図示していないが、単位発電部の領域は、前述したように上方及び下方に区分することに加え、上方、中間及び下方に区分するなど、多様に区分することができる。
【００６７】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置における上下方向の偏心荷重を低減する他の実施形態を説明する。
【００６８】
すなわち、前述した実施形態は、位置に応じて単位発電部のブレードの回転速度又は傾斜角を制御するものであるが、本実施形態は、位置に応じてブレードの大きさが異なるようにすることで上下方向の偏心荷重を低減するものである。
【００６９】
図９に示すように、相対的に風速の速い上方に位置する単位発電部Ｇ１、Ｇ２のブレードの長さＬ２よりも相対的に風速の遅い下方に位置する単位発電部Ｇ３、Ｇ４のブレードの長さＬ１を長くすることにより、下方に位置する単位発電部のブレードの大きさを大きくし、それにより風速差に起因する単位発電部の上下方向の偏心荷重を相殺することができる。
【００７０】
このように、前記単位発電部は、隣接する単位発電部のブレードを互いに逆方向に回転させて隣接する発電部間の回転モーメントを相殺することにより、単位発電部の左右方向の偏心荷重を低減したり、上方に位置する単位発電部よりも、下方に位置する単位発電部のブレードの回転速度及び傾斜角を大きくするか又は下方に位置する単位発電部のブレードの大きさを大きくすることにより、単位発電部の上下方向の偏心荷重を低減することができる。これにより、各発電部の容量をさらに大きく増加させ、風力発電装置の大容量化及びと安定化を達成することができる。
【００７１】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置においては、タワーの前方に複数の単位発電部が配置されることにより、前記単位発電部を支持する固定点に応力が集中し、前記固定点での応力集中により互いに結合される部材が破損することがある。よって、本実施形態においては、前後方向の偏心荷重を低減することにより、結合部位での応力集中を緩和する。
【００７２】
すなわち、前述した実施形態は、メインナセル２０がタワー１０の上端に対して垂直方向に結合されるものであるが、この場合、サポータアーム２０の両固定点Ａ、Ｂをタワー１０の両方にそれぞれ配置するとしても、単位発電部Ｇがサポータアーム３０に結合される固定点Ｂがメインナセル２０がタワー１０に固定される固定点Ｃを基準として偏心して配置されるので、固定点Ｃに応力が集中して破損することがある。
【００７３】
本実施形態は、図１０に示すように、メインナセル２０がタワー１０に対して所定の角度だけ傾斜して結合されるようにすることにより、上下方向の荷重を低減するものである。この場合、メインナセル２０がタワー１０に結合される第３固定点Ｃの高さよりもサポートアーム３０がメインナセル２０に結合される第２固定点Ｂの高さが所定の高さ差ｈだけ高くなる。これにより、第３固定点Ｃに加わる荷重をある程度相殺することができ、第３固定点Ｃでの応力集中を低減することができる。
【００７４】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置においては、タワーの周囲に複数の単位発電部が放射状に配列されることにより、これらの単位発電部を支持するサポートアームが撓んだりねじれたりする恐れがある。よって、本実施形態においては、各単位発電部を支持するサポートアームが変形することを防止する。
【００７５】
すなわち、前述した実施形態は、前記サポートアームの第２端部に単位発電部がそれぞれ結合され、前記サポートアームが前記メインナセルに独立して結合されるものである。しかし、この場合、前記サポートアームは、当該サポートアーム自体の重量や前記単位発電部の重量などにより前記サポートアームが撓み、風力発電装置の信頼性を低下させるだけでなく、大容量化の実現にも障害となり得る。
【００７６】
これに鑑み、本実施形態においては、図１１に示すように、各サポートアーム３０を少なくとも１つの補強フレーム７０で連結し、各サポートアーム３０が互いを支持するようにしてもよい。これにより、各サポートアーム３０の構造強度が強化されるので、偏心荷重を低減することができるだけでなく、サポートアーム３０の長さ及びブレード５０の風量を増加させて風力発電装置全体の発電容量を増加させることができる。
【００７７】
ここで、補強フレーム７０は、図１１に示すように各サポートアーム３０間に連結設置されてもよいが、タワー１０とメインナセル２０との間に設置されてもよい。例えば、補強フレーム７０は、図１２に示すように、タワー１０に結合されてメインナセル２０の底面を支えて支持するように設置されてもよく、図１３に示すように、メインナセル２０の上面にタワー１０と同じ方向に主塔７１が延設されてその主塔７１からフレーム又はケーブル７２などが懸架されてメインナセル２０を支持するように設置されてもよい。
【００７８】
また、図示していないが、前記補強フレームは、前記サポートアームに結合されて前記サブナセルの底面を支えて支持するようにしてもよい。
【００７９】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置は、前記ブレードの外周面にダクトを備えることにより、空力効率を向上させて発電量を増加させるようにしてもよい。例えば、図１４及び図１５に示すように、ブレード５０のブレードエッジ５０ａの周辺には、ブレード５０を囲んで風を当該ブレードの方向に誘導するように、ダクト６０が設けられてもよい。ダクト６０は、ブレード５０のブレードエッジ５０ａと所定の間隔ｔ３を保持した状態で設けられ、ブレード５０が独立して回転できるようにしてもよい。このために、ダクト６０は、環状に形成され、複数のリブ６１によりサブナセル４０に固定結合されるようにしてもよい。
【００８０】
また、図示していないが、前記ダクトは、各ブレードのブレードエッジに結合されて当該ブレードと共に形成されるようにしてもよい。この場合、前記ダクトを固定するためのリブを別途備えなくてもよい。
【００８１】
このように、ブレード５０のブレードエッジ５０ａの周辺にダクト６０を設けることにより、広い風速範囲で運用できるようになり、同一の風速に対して大きな出力を発生することができ、騒音の低減により高い回転数で運用できるようになり、同一の容量の風力発電装置の小型化及び軽量化が可能になる。
【００８２】
一方、前述した実施形態においては、前記サポートアームが前記メインナセルに固定設置される場合を説明したが、本実施形態においては、前記サポートアームが前記メインナセルに回転可能に結合され、空力効率をさらに向上させることができる。図１６は本発明によるマルチ型風力発電装置の他の実施形態を示す斜視図であり、図１７は図１６による風力発電装置を示す側面図であり、図１８は図１６及び図１７による各単位発電部のブレードを制御するための風速対応制御部を示すブロック図である。
【００８３】
図１６及び図１７に示すように、前述した実施形態におけるサポートアームがメインナセル１２０（正確には前記メインナセルに結合されるロータ組立体に結合されるが、便宜上前記メインナセルに結合されると説明する。）に回転可能に結合されて一種のブレード（以下、ブレードアーム１３０という。）の役割を果たす場合も、前述した実施形態を同様に適用することができる。
【００８４】
ただし、本実施形態においては、メインナセル１２０に結合されるブレードアーム１３０が、従来のサポートアームとは異なり、メインナセル１２０に対して回転しなければならないので、ブレードアーム１３０の両端は、タワー１１０の高さ方向中心線を基準として前方に配置されてメインナセル１２０に結合されなければならない。この場合も、サブナセル１４０に回転可能に結合されるブレード（以下、サブブレードという。）１５０は、サブブレード１５０のブレードエッジがタワー１０から所定間隔離隔してアップウィンド方式で結合されることが好ましい。
【００８５】
また、本実施形態のように、ブレードアーム１３０が回転する場合は、各単位発電部Ｇが円周方向に移動するので、前述した固定式発電装置とは偏心荷重を相殺するための構成や制御方法が異なる。すなわち、本実施形態においては、単位発電部Ｇの位置をリアルタイム（又は周期的）に監視できるように、サブナセル１４０には、サブナセル１４０の位置を検出してマイコン１８３に伝達する位置センサ１８１がそれぞれ設けられ、また、サブナセル１４０（又は風力発電装置の前方）には、風速を検出してマイコン１８３に伝達する風速センサ１８２が設けられ、さらに、サブナセル１４０には、位置センサ１８１及び風速センサ１８２により検出された値の入力を受け、風速の変化に応じて該当単位発電部Ｇのブレード１５０の回転速度を制御するか又はブレード１５０の傾斜角を制御する制御ユニット（マイコン）が備えられるようにしてもよい。
【００８６】
ここで、メインナセル１２０及びブレードアーム１３０も一種の単位発電部Ｇを構成することができるので、マイコン１８３によりブレードアーム１３０の回転速度及び傾斜角を制御することができる。
【００８７】
また、マイコン１８３は、単位発電部Ｇが円周方向に回転するので、単位発電部Ｇの回転速度及び傾斜角の制御を個別に行うことが好ましい。しかし、場合によっては、図７に示すように、四象限の領域に分けて該当領域に入る単位発電部をグループ制御するようにしてもよい。
【００８８】
また、本実施形態のように、ブレードアーム１３０がメインナセル１２０に回転可能に結合される場合は、各単位発電部Ｇが円周方向に移動するので、単位発電部Ｇが所定の領域に入ると、該当ブレード１５０の回転速度及び傾斜角に加えて回転方向が変更されるように制御してもよい。このために、各単位発電部Ｇに備えられるロータとしては、双方向回転が可能なロータを適用することができる。この場合は、ブレードアーム１３０の数が多いか又は奇数で設置されたとき、必要に応じてブレード１５０の回転方向を変更することができ、偏心荷重を効果的に相殺することができる。
【００８９】
また、ブレードアーム１３０がメインナセル１２０を中心に回転するので、単位発電部Ｇなどをメンテナンスするためには、ブレードアーム１３０が固定された状態を維持しなければならない。これに鑑み、本実施形態においては、タワー１１０又はメインナセル１２０に、ブレードアーム１３０が結合されたロータの回転を拘束するための制動部（図示せず）がさらに備えられるようにしてもよい。
【００９０】
一方、このようなマルチ型風力発電装置は、図１９に示すように、前記サポートアームに別途の単位発電部（以下、サブ単位発電部Ｇｓという。）をさらに備えてもよい。この場合も、前述した実施形態を同様に適用することができる。
【００９１】
ただし、本実施形態においては、サブ単位発電部Ｇｓのサブナセル２９１及びブレード２９５のほうがサポートアーム（又はブレードアーム）２３０の端部に設置される単位発電部（以下、メイン単位発電部Ｇｍという。）のブレード２５０より小さく形成されることが、前記ブレードの回転半径を大きくすることができるので好ましい。
【００９２】
また、この場合は、メイン単位発電部Ｇｍのブレード回転方向とサブ単位発電部Ｇｓのブレード回転方向とが逆となるように制御してもよい。これにより、左右方向の偏心荷重をより効果的に相殺することができる。
【００９３】
一方、本発明によるマルチ型風力発電装置のさらに他の実施形態を説明すると次の通りである。
【００９４】
すなわち、前述した実施形態は、単位発電部のブレードが同一の大きさ及び形状を有するものであるが、本実施形態は、単位発電部のブレードが異なる大きさ及び形状を有するようにし、様々な風速条件に対応できるようにする。
【００９５】
図２０及び図２１は本実施形態によるマルチ型風力発電装置の他の実施形態を示す斜視図及び正面図である。
【００９６】
同図に示すように、本実施形態による風力発電装置の単位発電部Ｇは、ナセル４０の一側にタービン軸を回転させるハブ４５が備えられ、ハブ４５には、メインブレード５１とサブブレード５２とが一体に形成されるか又は別体のベーン取付部（図示せず）により分離可能に結合されていてもよい。メインブレード５１及びサブブレード５２が分離型である場合は、それぞれのベーン取付部が別途の動力制御ユニット（図示せず）の角度制御部に電気的に接続され、メインブレード又はサブブレードの空力面の角度を変化させることができるように制御してもよい。
【００９７】
図２０に示すように、メインブレード５１とサブブレード５２とは、同一円周上に交互に配列されてもよい。また、メインブレード５１のブレードルート付近には断面が円形又は円形に近い柱状の固定部５１ａが形成され、固定部５１ａの端部からメインブレード５１のブレードエッジまでは風の影響を受けるように曲面を有する板状の空力面５１ｂが形成されてもよい。空力面５１ｂは、ブレードエッジへ行くほど次第に断面積が小さくなるように形成されてもよい。
【００９８】
サブブレード５２は、メインブレード５１と略同一に形成されてもよい。ただし、サブブレード５２は、メインブレード５１よりベーンの長さ及び幅がそれぞれ小さく形成され、好ましくは、メインブレード５１のブレードルート部位にサブブレード５２の空力面（符号なし）が存在する程度の大きさに形成される。
【００９９】
また、サブブレード５２は、メインブレード５１のように、風速条件に応じてブレードの角度が変化する可変ピッチ型ブレードを実現するようにハブ４５に回転可能に結合されてもよいが、サブブレード５２のほうがメインブレード５１に比べて著しく小さく形成された場合は、ブレードの角度が固定される固定ピッチ型ブレードを実現するようにハブ４５に固定結合されてもよい。
【０１００】
また、図示していないが、サブブレード５２は、メインブレード５１間に複数備えられてもよく、前記メインブレードとは異なる形状、例えばブレードエッジへ行くほど次第に表面積が大きくなる扇形に形成されてもよい。
【０１０１】
また、前記メインブレードと前記サブブレードとは、前記角度制御部に接続されたモータにそれぞれ独立して結合されて個別制御されるようにしてもよく、ベルトやチェーンなどを用いて複数のブレードが１つのモータによりグループ制御されるようにしてもよい。
【０１０２】
前述したように、メインブレードとサブブレードとを有するマルチ型風力発電装置は、風量の少ない低風速条件でもサブブレードにより単位発電部が迅速に発電を開始することができるだけでなく、前記メインブレードのブレードルート部位を通過する風が前記サブブレードに影響を与え、低風速での空力性能が増大し、追加のエネルギー生産量を発生することができる。
【０１０３】
また、始動風速と定格風速が減少して年間発電量（Annual Energy Production; AEP）が増加する。この場合、前記サブブレードの回転半径が前記メインブレードの回転半径の５０％以上となるようにすることが、ＡＥＰを増加させることができるので好ましい。しかし、前記サブブレードの回転半径が大きすぎる場合、荷重が増加して始動風速と定格風速が増加することがあるので、前記サブブレードの回転半径は、前記メインブレードの回転半径の約７５％以下にすることが好ましい。
【０１０４】
また、前記サブブレードによりトルクが増加するので、定格回転数を減少させるだけでなく回転速度を遅くすることができ、それにより、前記ブレードの高速回転時に発生し得る騒音を低減することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2014533795.tif 000017
【図１６】
2014533795.tif 000018
【図１７】
2014533795.tif 000019
【図１８】
2014533795.tif 000020
【図１９】
2014533795.tif 000021
【図２０】
2014533795.tif 000022
【図２１】
2014533795.tif 000023
【国際調査報告】
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2014533795.tif 000025
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