JP2007002773A - 水平軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】ダウンウィンド型水平軸風車のタワーシャドウ効果を簡便な構造で効果的に低減する。
【解決手段】ナセル２内の発電機等の発熱源７を冷却する排気ファン８が設けられ、ロータ５の最下点近傍の高さＨ１からこれより上方の所定の高さＨ２までタワー１の表面に周方向に沿って点在する吸気孔１０が設けられる。吸気孔１０と排気ファン８とがタワー１及びナセル２の内空間を介して連通し、排気ファン８が吸気孔１０からの吸気力を発生させる。
【効果】排気ファン８の稼動により、吸気孔１０からタワー周囲の空気が吸い込まれ、これにより、タワー周囲の空気流のタワー表面からの乖離を抑えてタワー後面まで滑らかに回り込ませ、タワー後方における空気速度や圧力の低下が抑制されて、タワー後流とブレードの空力干渉による変動荷重や超低周波騒音などのタワーシャドウ効果が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダウンウィンド型水平軸風車のタワーシャドウ効果の低減に関する。

一般に、タワー風下にロータを配するダウンウィンド型水平軸風車では、タワー後流とブレードの空力干渉による変動荷重ならびに超低周波騒音は技術課題になっており、タワーシャドウ効果として知られている。

従来、このタワーシャドウ効果を抑制するための一つの方法として、ロータとタワーとの間のクリアランスを確保することが行われている。タワー直径を小さくすることにより、相対的にクリアランスを拡大する方法もこれに含まれる。

特許文献１には、タワーに翼板を取り付け、上下をベアリングにて回転自在に支持する構造のダウンウィンド型水平軸風車が記載されている。同文献には、タワーに取り付けられた翼板の尖端が常に風下を向き、タワーに吹き付ける風が翼板に沿って滑らかに流れ、渦を発生せず、タワー後方の流速もあまり低下しない、したがって、ブレードに無理な曲げ力がほとんど加わらなくなり耐久性を大幅に向上させ、ねじり方向の振動による騒音の発生も大幅に抑制されるとある（特許文献１第２頁右下欄参照）。
特開昭５９−１４７８７９号公報

しかし、ロータとタワーとの間のクリアランスを確保する方法は、タワーの強度・剛性の観点から実現性に乏しい。
特許文献１記載の発明では、装備が大掛かりになり、コストアップの要因となる。風速によっては同装置の自励振動とタワー固有振動数との共振の恐れがある。固渋の際に、最大揚力ならびに最大抗力付近で大きな荷重を発生する。メンテナンスが困難になるなどの課題がある。

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、タワーシャドウ効果を簡便な構造で効果的に低減することができるダウンウィンド型水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブとブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して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筒状のタワーと、
前記ナセルに設けられ、前記ナセル内の空気を排出する排気ファンとを備え、
前記タワーの風下に前記ロータを配して回転させるダウンウィンド型であり、
前記ロータに流入する風が通過する前記タワーの表面部分に周方向に沿って点在し該タワーの内空間に通じる吸気孔が設けられ、
前記吸気孔と前記排気ファンとが前記タワー及び前記ナセルの内空間を介して連通し、前記排気ファンが前記吸気孔からの吸気力を発生させる水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記吸気口は、前記ロータの回転半径先端の最下点から５０％の回転半径の最下点の間に対応する部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記排気ファンは、ナセル内の発熱源を冷却することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、排気ファンの稼動により、タワー表面に設けられた吸気孔からタワー周囲の空気が吸い込まれる。これにより、タワー周囲の空気流のタワー表面からの乖離を抑えてタワー後面まで滑らかに回り込ませ、タワー後方における空気速度や圧力の低下が抑制され、タワー後流とブレードの空力干渉による変動荷重や超低周波騒音などのタワーシャドウ効果が低減されるという効果を有する。

吸気孔はタワーの周方向に沿って点在するから、複雑な機械構造を採用することなく、ロータの向きが変化しても同様にタワー後方における空気速度や圧力の低下が抑制され、タワーシャドウ効果が低減されるという効果を有する。

また、吸気孔が設けられる高さ範囲は、ロータの最下点の高さからこれより上方ロータの回転半径の略５０％の位置の最下点の間に対応する部分が望ましく、この場合、タワーシャドウ効果の影響度が高いブレード先端部に対する空気速度や圧力の低下が抑制され、効果的にタワーシャドウ効果が低減されるとともにタワーの製作工数を抑制できるという効果を有する。

ナセルに備えられる発電機や増速機等の発熱源を冷却する排気ファンを有する風車に対しては、その吸気孔をタワー表面に移し、周方向に点在配置するという簡便な変更によって構成することができるという効果を有する。

以下に本発明の一実施の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。

図１に示すように、本実施形態の水平軸風車は、タワー１と、ナセル２と、ロータ５とを備える。ロータ５は、ハブ３とブレード４とからなる。
タワー１は、内部を囲む周壁を有した円筒状のものであり、矢倉状のものではない。タワー１は、ナセル２をヨー回転自在に支持する。ナセル２はハブ３に接続された主軸（図示略）を介してロータ５を軸支する。主軸は、その先端がナセル２の外部に突出しており、主軸の先端にはロータ５が、主軸とともに回転するように取り付けられている。ナセル２の内側には、図示しない増速機、発電機、および主軸などの動力伝達装置が収納されており、主軸にロータが連結されている。

本実施形態の水平軸風車は、いわゆるダウンウィンド型である。ナセル２は、ロータ５に対して斜め風或いは横風を受けたとき、ロータ５をタワー１より風下に配置するようにヨー軸回りに回動する。タワー１より風下に配置されたロータ５が風を受けて回転する。このロータの回転が主軸を介して発電機に伝達されることで発電がなされる。

ナセル２内には、発熱源７を冷却する排気ファン８が設けられている。発熱源７としては、上述の発電機や増速機が該当する。排気ファン８は、ナセル外面に開口する排気口９からナセル２内の空気を排気するように設けられた送風ファンである。

図１に、高さＨ１から高さＨ２までの範囲Ａを示す。図２(a)に範囲ＡのＢ部拡大図、同図(b)に同図(a)の断面図を示す。

高さＨ１は、ブレード４の先端が通過する最も低い高さに略等しい高さであり、ロータ５に流入する風が通過する部分の最下点に対応させて設定する。所定の高さＨ２は、高さＨ１より高い。所定の高さＨ２は、高さＨ１からタワー１の上端までの範囲内で、タワーシャドウ効果の低減や他の設計要因を考慮して適当に定められる。所定の高さＨ２をナセル２の下端高さとしてもよいが、ロータ５中心付近はタワーシャドウ効果の影響は少ないので、ナセル２の下端高さより低い位置である。例えば、図１に示すように、所定の高さＨ２をロータ５の回転中心から半径の約５０％に相当する位置の最下点の高さとすることが適当である。

高さＨ１から高さＨ２までの範囲Ａにおいて、タワー表面に吸気孔１０を設ける。吸気孔１０は、タワー１の周方向に沿って点在する孔である。周方向については吸気孔１０をほぼ均等に分散配置することが好ましい。ロータ５がどの方向を向いても同様のタワーシャドウ効果の低減効果を得るためである。その目的の限りにおいて、微視的に疎密が生じていても良い。鉛直方向については、吸気孔１０を均等に分散する必要なない。また、周方向についての吸気孔１０の配置や数は、高さにより異なってもよい。
いずれの場合でも、吸気孔１０を極度に偏在させず、分散させる。但し、高さＨ１からタワー１の上端までの範囲内では、低い位置ほどタワーシャドウ効果が高いから、低い位置ほど吸気孔１０の密度を高くするなどのタワーシャドウ効果の低減効果を得るための工夫を妨げるものではない。
また、高さＨ１から高さＨ２までの範囲Ａにおいて、タワー表面に吸気孔１０を設けるが、高さＨ１より低い位置にも吸気孔１０を設けても良い。

吸気孔１０の形状は問わない。円形や、スリット状としてもよいが、これらに限られない。
図２（ｂ）に示すように、吸気孔１０は、部材１１の表裏を貫通する。吸気孔１０の貫通方向や経路は垂直や最短経路に限られないが、通常、部材１１に対して垂直に形成すれば足りる。部材１１は、タワー１の壁材であってもよい。この場合、部材１１の外側の空気が吸気孔１０を通って部材１１の内側に入ることにより、タワー１の外側の空気がタワー１の内側に入る。
部材１１を、タワー１を覆う筒状の部材としてもよい。この場合、タワー１の壁に１つ又は複数の通気孔を設け、この通気孔を覆うように当該筒状の部材をタワー１に取り付ける。当該筒状の部材の上端、下端をタワー１の壁面に気密に（吸気孔１０を除く）接続する。部材１１の外側の空気が吸気孔１０を通って部材１１の内側に入り、部材１１の内側でタワー１の壁に設けられた通気孔に至ってタワー１内に入るように構成する。部材１１の内側からタワー１の壁に設けられた通気孔までの空気路は、単純に、部材１１とタワー１の壁面との間に空間を設けることによって構成することができる。
後者の場合、タワー１に対する加工が容易で、吸気孔１０を有する部材をユニット化して、取付、交換をすることができる。したがって、タワー１に変更を来たすことなく、吸気孔１０を有するユニットを交換、追加、一部撤去することにより、吸気孔１０の形状、分布密度、分布高さ範囲等を変更することができる。また、吸気孔１０の総面積に左右されることなく、タワー１の強度を維持できる。

吸気孔１０と排気ファン８とはタワー１及びナセル２の内空間を介して連通している。排気ファン８を稼動することにより、タワー１外の空気（特に範囲Ａにある空気）は、吸気孔１０に吸い込まれ、タワー１内に入り、上昇してナセル２内に入り、発熱源７周囲を通って排気ファン８により排気口９からナセル２外へ排出される。

以上の構成により、いわゆるタワーシャドウ効果が低減される。これを図３、図４を参照して説明する。

図３及び図４は、タワーの水平断面とその周囲の空気流を模式的に示した図である。また同各図にタワー後流のロータに対する風速分布又は風圧分布の典型的なプロファイルを示す。図３には、吸気孔を有さないタワー１２を示す。図４には本実施形態のタワー１を示す。タワー１２及びタワー１にそれぞれ速度一様の風が吹いたとする。

図３に示すように、吸気孔を有さないタワー１２の周囲を通過する風は、タワー１２後流で渦流を発生させて通過し、タワー１２後流はタワー１２から乖離してタワー１２の背後にはあまり回り込まない。そのため、タワー後流のロータに対する風速・風圧は、タワー１２の背後で大きく低下し、タワー１２の背後を通過するブレードに変動荷重を負荷し、またその振動により超低周波騒音を発生させる。

これに比し、図４に示すように吸気孔１０を有する本実施形態のタワー１の周囲を通過する風は、タワー１の表面に近接して流れる層が吸気孔１０から一部吸い込まれながら、タワー１の形状に沿ってタワー１からあまり乖離することなく滑らかに通過し、タワー１の背後にも比較的多く回り込む。そのため、タワー後流のロータに対する風速・風圧のタワー１背後での低下は抑えられ、タワー１の背後を通過するブレードへの変動荷重や、超低周波騒音が抑制される。すなわち、ダウンウィンド型水平軸風車におけるタワーシャドウ効果が低減される。

本発明実施形態の水平軸風車の全体構成を示す概略図である。 図１におけるＢ部拡大図(a)及び断面図(b)である。 従来技術に係るタワーの水平断面とその周囲の空気流を模式的に示した図及びタワー後流のロータに対する風速分布又は風圧分布の典型的なプロファイルである。 本発明実施形態に係るタワーの水平断面とその周囲の空気流を模式的に示した図及びタワー後流のロータに対する風速分布又は風圧分布の典型的なプロファイルである。

符号の説明

１ タワー
２ ナセル
３ ハブ
４ ブレード
５ ロータ
７ 発熱源
８ 排気ファン
９ 排気口
１０ 吸気孔

Claims (3)

1. ハブとブレードとを有するロータと、
   前記ハブに接続された主軸を介して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筒状のタワーと、
   前記ナセルに設けられ、前記ナセル内の空気を排出する排気ファンとを備え、
   前記タワーの風下に前記ロータを配して回転させるダウンウィンド型であり、
   前記ロータに流入する風が通過する前記タワーの表面部分に周方向に沿って点在し該タワーの内空間に通じる吸気孔が設けられ、
   前記吸気孔と前記排気ファンとが前記タワー及び前記ナセルの内空間を介して連通し、前記排気ファンが前記吸気孔からの吸気力を発生させる水平軸風車。
2. 前記吸気口は、前記ロータの回転半径先端の最下点から５０％の回転半径の最下点の間に対応する部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
3. 前記排気ファンは、ナセル内の発熱源を冷却することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水平軸風車。

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