風力発電装置
【課題】気流発生装置における消費電力を抑え、翼面上における流れの剥離を確実に抑制し、効率向上を図ることができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】実施形態の風力発電装置１０は、第１の電極４１と第２の電極４３とを誘電体４２を介して離間して備え、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧を印加可能な放電用電源６１を有する気流発生装置４０を風車翼３２に備える。そして、風車翼３２が、翼弦長方向に少なくとも２分割され、分割された風車翼３２の少なくとも一つの翼は回転軸に固定され、分割された残りの翼は回動調整可能に固定されている。さらに、気流発生装置４０が、分割された風車翼３２の少なくとも一つの翼の翼面に備えられている。
【解決手段】実施形態の風力発電装置１０は、第１の電極４１と第２の電極４３とを誘電体４２を介して離間して備え、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧を印加可能な放電用電源６１を有する気流発生装置４０を風車翼３２に備える。そして、風車翼３２が、翼弦長方向に少なくとも２分割され、分割された風車翼３２の少なくとも一つの翼は回転軸に固定され、分割された残りの翼は回動調整可能に固定されている。さらに、気流発生装置４０が、分割された風車翼３２の少なくとも一つの翼の翼面に備えられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、放電プラズマの作用により気流を発生させる気流発生装置を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギ発電システムの導入が進められている。そのような状況の中、風力発電は、普及が進められている発電方式の一つである。
【０００３】
しかしながら、風力発電は、風速変動や風向変動によって発電量が左右されるため、日本などのように風速および風向がめまぐるしく変わる山岳性気象を有する地域においては、発電出力を安定維持することが困難である。このようなことが、風力発電システムの導入の妨げとなっている。そのため、安定かつ高効率な風力発電システムの開発が要求されている。
【０００４】
実機風車において、風速や風向の変動が激しい自然風の影響を受け、風車の回転数は、時間とともに変化する。風車翼のある位置における翼断面（翼素）に注目すると、翼素は、風車翼に向かって流れる主流と風車翼自身の回転によって生じる相対流との合成流れの影響を受ける。そのため、主流(風車を取り巻く風)の速度や向きが変化したり、それによって風車の回転速度が変わると、風車翼に対する合成流れの流入角、すなわち迎角が変化する。
【０００５】
一般に、翼の揚力は、迎角に依存し、迎角が大きくなるにつれて揚力は増加する。しかしながら、ある閾値以上に迎角が増大すると、翼の背側の流れが剥離して、揚力が低下する(失速状態)。
【０００６】
実機風車では、風速や風向の変動に応じて頻繁に迎角が変わり、迎角が閾値を越えると、流れの剥離が頻繁に生じる。これによって、風車トルクが減少し、発電効率が低下する。これまでの実機風車においては、風の短時間の変動に、ピッチ制御やヨー制御が対応できなかった。そのため、発電が不安定になり、高効率の風力発電システムを実現することができなかった。
【０００７】
そこで、放電プラズマによって気流を発生させる気流発生装置を風車翼面に設置して、翼面上を流れる風の流れを制御する技術が検討されている。ここで、図１３および図１４は、一般的な翼２００の翼面上の流れを可視化した写真である。図１３では、翼面に設けられた気流発生装置２１０を作動させていない状態であり、翼面において流れが剥離している（剥離部２２０）。一方、図１４では、図１３の状態から気流発生装置２１０を作動させて気流を発生させ、翼面における流れの剥離が抑制されている。
【０００８】
このように、翼面上に気流を発生させることで、翼周りの剥離流れが抑制され、風速や風向が変動した場合においても安定して風車トルクを得られる可能性が見出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
実機風車においては、風車翼の翼弦長が１〜４ｍ程度に構成されることがある。このような大型風車翼においても、放電プラズマによって気流を発生させる気流発生装置を風車翼面に設置して、翼面上における流れの剥離を確実に抑制することが要求されている。
【００１１】
大型風車翼の翼面上における流れの剥離を確実に抑制するためには、例えば、流量および流速が大きな気流を発生させる必要がある。気流発生装置において、流量および流速が大きな気流を発生させるためには、投入電力の大幅な増大が必要となる。
【００１２】
そのため、気流発生装置における電力の消費が増大し、風力発電システムとしての効率が低減するという問題があった。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、気流発生装置における消費電力を抑え、翼面上における流れの剥離を確実に抑制し、効率向上を図ることができる風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態の風力発電装置は、第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構を有する気流発生装置を風車翼に備える。そして、前記風車翼が、翼弦長方向に少なくとも２分割され、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼は回転軸に固定され、分割された残りの翼は回動調整可能に固定されている。さらに、前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面に備えられている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態の風力発電装置を模式的に示した斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図３】第１の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図２のＡ−Ａ断面を模式的に示す図である。
【図４】第１の実施の形態の風力発電装置の他の構成の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図５】第２の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図６】第２の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図５のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。
【図７】第３の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図８】第３の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図７のＣ−Ｃ断面を模式的に示す図である。
【図９】第４の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図１０】第４の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図９のＤ−Ｄ断面を模式的に示す図である。
【図１１】第５の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図１２】第５の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図１１のＥ−Ｅ断面を模式的に示す図である。
【図１３】一般的な翼の翼面上の流れを可視化した写真である。
【図１４】一般的な翼の翼面上の流れを可視化した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の風力発電装置１０を模式的に示した斜視図である。図１に示すように、風力発電装置１０において、地面２０に設置されたタワー２１の頂部に発電機（図示しない）などを収容したナセル２２が取付けられている。ナセル２２の上面には、風の風向や速度を計測する風向風速計２３が設けられている。
【００１８】
また、ナセル２２から突出した発電機の回転軸にロータ３０が取り付けられている。このロータ３０は、ハブ３１、およびこのハブ３１に取り付けられた風車翼３２を備えている。風車翼３２は、翼弦長方向に分割された分割翼構造を有し、例えば、ピッチ角が変更可能に備えられている。なお、ここでは、３枚の風車翼３２を備える一例を示しているが、風車翼の数は、限定されるものではない。風車翼３２の前縁部には、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。
【００１９】
次に、風車翼３２の構造について説明する。
【００２０】
図２は、第１の実施の形態の風力発電装置１０の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図３は、第１の実施の形態の風力発電装置１０の風車翼３２が示された図２のＡ−Ａ断面を模式的に示す図である。
【００２１】
なお、図３には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。また、ここでは、一つの風車翼３２の構成について説明するが、他の風車翼３２の構成も同じである。
【００２２】
図２に示すように、風車翼３２は、翼根から翼端に向かって翼弦長が徐々に短くなる形状を有している。また、風車翼３２は、翼弦長方向に２分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１とを備える。すなわち、風車翼３２は、翼根から翼端に向かう翼幅方向に分割部を有して、翼幅方向に延びる、前部分割翼５０および母翼５１を備える。母翼５１は、ハブ３１を介して回転軸に取り付けられている。また、前部分割翼５０および母翼５１は、図３に示すように、翼形状を有している。
【００２３】
前部分割翼５０は、母翼５１との間に隙間を形成するように固定され、いわゆるスラットとしての機能も兼ね備えている。ここで、前部分割翼５０は、例えば、風力発電装置１０の作動時を想定した流れの数値解析の結果などに基づいて、迎角などが最適な角度に調整されて固定されている。なお、前部分割翼５０は、風力発電装置１０が設置される環境下において、迎角などを最適な角度に調整可能なように固定されている。
【００２４】
前部分割翼５０の翼弦長Ｌ１は、長い部分でも１ｍ以下に構成されることが好ましい。翼弦長Ｌ１をこの範囲とすることで、前部分割翼５０に沿う流れのレイノルズ数（Ｒｅ、翼弦長基準）を１０５のオーダにすることができる。気流発生装置４０から気流を発生することにより風車翼３２の翼面における剥離流れを抑制して揚力を向上することができる。この効果は、Ｒｅが１０６オーダになると急激に低下することが発明者らの研究から明らかになった。一方、Ｒｅを１０５オーダにすることで、風車翼３２の揚力を１割から３割またはそれ以上に増大することができる。さらに、翼弦長Ｌ１をこの範囲とすることで、前部分割翼５０に沿う流れの剥離を抑制するために、気流発生装置４０によって気流を発生させる際の消費電力を抑えることができる。
【００２５】
ここで、図３に示すように、前部分割翼５０の前縁部に設けられた気流発生装置４０は、第１の電極４１と、この第１の電極４１と誘電体４２を介して離間して配設された第２の電極４３とを備える。
【００２６】
第１の電極４１は、例えば、板状の導電部材で構成される。第１の電極４１の形状は、板状に限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。
【００２７】
第２の電極４３は、第１の電極４１と同様に、例えば、板状の導電部材で構成される。第２の電極４３の形状は、板状の限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。なお、第２の電極４３は、第１の電極４１と同じ形状であってもよい。
【００２８】
また、第２の電極４３は、図３に示すように、第１の電極４１よりも誘電体４２の表面から深い位置で、かつ第１の電極４１よりも気流の流れる方向にずらした位置に、第１の電極４１と離間して配置されている。このように気流発生装置４０を配置することで、気流発生装置４０によって発生された気流が第１の電極４１側から第２の電極４３側に向かって流れる。
【００２９】
誘電体４２を構成する誘電材料として、例えば、電気的絶縁材料である、アルミナやガラス、マイカなどの無機絶縁物、ポリイミド、ガラスエポキシ、ゴム、テフロン（登録商標）等の有機絶縁物などが挙げられるが、特に限定されるものではない。誘電体４２を構成する誘電材料は、使用される用途や環境に応じて、公知な固体からなる誘電材料から適宜選択することができる。
【００３０】
ここでは、第１の電極４１の一方の表面が誘電体４２の表面と同一面となるように第１の電極４１を設け、第２の電極４３が誘電体４２内に埋設した構成を有する気流発生装置４０を示している。なお、第１の電極４１を誘電体４２内に埋設させた構成、すなわち、第１の電極４１の一方の表面が外部に露出されない構成としてもよい。
【００３１】
また、前部分割翼５０の前縁部に気流発生装置４０を設ける場合、図３に示すように、例えば、第１の電極４１の第２の電極４３側の端縁が、前部分割翼５０の前縁上となるように第１の電極４１を配置し、第１の電極４１よりも前部分割翼５０の背側５０ａとなる位置に第２の電極４３を配置することが好ましい。この場合、気流は、前部分割翼５０の前縁から翼面の背側５０ａに向かって流れる。
【００３２】
なお、気流発生装置４０の構成は、これに限られるものではない。例えば、前部分割翼５０の前縁部に溝部を構成し、この溝部に、第１の電極４１と、誘電体４２と、第１の電極４１と誘電体４２を介して離間して配設された第２の電極４３からなる気流発生装置４０を嵌め込むように設置してもよい。この際、流れを乱さないように、気流発生装置４０を、前縁部の表面から突出しないように配置することが好ましい。この場合において、前部分割翼５０が、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などの誘電材料で構成されているときには、誘電体４２として前部分割翼５０自体を機能させてもよい。すなわち、前部分割翼５０の表面に直接第１の電極４１を配設し、この第１の電極４１と離間して前部分割翼５０に第２の電極４３を直接埋設してもよい。
【００３３】
気流発生装置４０は、図２に示すように、例えば、前部分割翼５０の翼根から翼端に向かう翼幅方向に、複数個独立して配置されている。この場合、各気流発生装置４０は、それぞれ単独で制御されてもよいし、複数の気流発生装置４０に対して同じ制御を行ってもよい。なお、翼幅が小さい場合には、例えば、１つの気流発生装置４０を、前部分割翼５０の前縁部に翼幅方向に配置することもできる。
【００３４】
第１の電極４１および第２の電極４３は、図３に示すように、それぞれケーブル配線６０ａ、６０ｂを介して、電圧印加機構として機能する放電用電源６１に電気的に接続されている。この放電用電源６１を起動することで、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧が印加される。
【００３５】
放電用電源６１は、例えば、ナセル２２内に設けられ、風車翼３２の内部、ハブ３１を介して配線されたケーブル配線６０ａ、６０ｂを介して、気流発生装置４０への電圧の印加を行う。なお、回転部と静止部は、例えば、ブラシや放電ギャップによって電気的に接続される。
【００３６】
放電用電源６１は、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））や交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧を出力する。放電用電源６１は、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などを変化させて、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧を印加することができる。
【００３７】
次に、風車翼３２の翼面上の流れについて説明する。
【００３８】
風車翼３２の周りに流れが付着しているとき、翼上面の流速と翼下面の流速の差から風車翼３２には揚力が発生する。風車翼３２の迎角を大きくすると揚力は増大するが、ある迎角以上では、例えば、前部分割翼５０の翼上面から流れが剥離して揚力が低下する。
【００３９】
その際、放電用電源６１から第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧を印加し、翼上面に沿って気流を発生させることで、翼境界層における流速分布が変化し、流れの剥離の発生が抑えられる。また、その他の空力現象に起因する騒音や振動などを低減することができる。
【００４０】
また、図３に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００４１】
なお、気流発生装置４０においては、上記したように、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極４１と第２の電極４３との間に放電が誘起される。この放電は、バリア放電とよばれ、低温プラズマが生成される。
【００４２】
この放電においては、気体中の電子のみにエネルギを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子およびイオンを生成することができる。生成された電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。すなわち、放電を印加することで、電極付近から誘電体４２の表面に沿う気流が発生する。この気流の大きさや向きは、電極間に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。
【００４３】
上記したように、第１の実施の形態の風力発電装置１０によれば、前部分割翼５０の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、前部分割翼５０の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００４４】
また、風車翼３２を前部分割翼５０および母翼５１を備える分割翼構造とすることで、前部分割翼５０に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。さらに、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側に向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００４５】
このように、第１の実施の形態の風力発電装置１０によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００４６】
ここで、第１の実施の形態の風力発電装置１０は、上記した構成に限られるものではない。図４は、第１の実施の形態の風力発電装置１０の他の構成の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。
【００４７】
図４に示すように、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の気流発生装置４０を設けてもよい。ここでは、最も翼根側に設けられた気流発生装置４０において、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に２つの気流発生装置４０を設けている。なお、他の位置においても、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に、複数の気流発生装置４０を設けてもよい。
【００４８】
このように、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に複数の気流発生装置４０を備えることで、流量および流速が大きな気流を発生させることができる。また、このような構成を備えることで、例えば、翼弦長が長くなる翼根側において、より確実に流れの剥離などを抑制することができる。
【００４９】
なお、分割された分割翼の前縁から後縁に沿う方向に複数の気流発生装置４０を備える構成は、以下に示す他の実施の形態においても適用することができ、同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態の風力発電装置１１の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図６は、第２の実施の形態の風力発電装置１１の風車翼３２が示された図５のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。なお、図６には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。また、第１の実施の形態の風力発電装置１０と同じ構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する（以下の実施の形態において、同様である）。
【００５１】
第２の実施の形態の風力発電装置１１の風車翼３２は、図５に示すように、翼弦長方向に２分割され、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。すなわち、風車翼３２は、翼根から翼端に向かう翼幅方向に分割部を有して、翼幅方向に延びる、母翼５１および後部分割翼５２を備える。母翼５１は、ハブ３１を介して回転軸に取り付けられている。また、母翼５１および後部分割翼５２は、図６に示すように、翼形状を有している。
【００５２】
後部分割翼５２は、母翼５１との間に隙間を形成するように固定され、いわゆるフラップとしての機能も兼ね備えている。ここで、後部分割翼５２は、例えば、風力発電装置１１の作動時を想定した流れの数値解析の結果などに基づいて、迎角などが最適な角度に調整されて固定されている。なお、後部分割翼５２は、風力発電装置１０が設置される環境下において、迎角などを最適な角度に調整可能なように固定されている。
【００５３】
後部分割翼５２の翼弦長Ｌ２は、第１の実施の形態における前部分割翼５０の翼弦長Ｌ１の範囲とする理由と同じ理由から、長い部分でも１ｍ以下に構成されることが好ましい。
【００５４】
後部分割翼５２の前縁部には、図５に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。気流発生装置４０の構成および設置方法などは、第１の実施の形態におけるそれらと同じである。
【００５５】
このように、後部分割翼５２の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、後部分割翼５２の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００５６】
また、風車翼３２を母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、後部分割翼５２に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。
【００５７】
さらに、図６に示すように、母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００５８】
このように、第２の実施の形態の風力発電装置１１によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００５９】
なお、母翼５１の前縁部に、風車翼３２の翼根から翼端の方向に複数の気流発生装置４０を設けてもよい。これにより、母翼５１の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態の風力発電装置１２の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図８は、第３の実施の形態の風力発電装置１２の風車翼３２が示された図７のＣ−Ｃ断面を模式的に示す図である。なお、図８には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。
【００６１】
第３の実施の形態の風力発電装置１２の風車翼３２は、図７に示すように、翼弦長方向に３分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。すなわち、風車翼３２は、翼根から翼端に向かう翼幅方向に分割部を有して、翼幅方向に延びる、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える。母翼５１は、ハブ３１を介して回転軸に取り付けられている。また、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２は、図８に示すように、翼形状を有している。
【００６２】
ここで、前部分割翼５０は、第１の実施の形態で説明したとおりの構成であり、後部分割翼５２は、第２の実施の形態で説明したとおりの構成である。
【００６３】
前部分割翼５０および後部分割翼５２の前縁部には、図７に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。気流発生装置４０の構成および設置方法などは、第１の実施の形態におけるそれらと同じである。
【００６４】
このように、前部分割翼５０および後部分割翼５２の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、前部分割翼５０および後部分割翼５２の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００６５】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、前部分割翼５０および後部分割翼５２に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。
【００６６】
さらに、図８に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れ、および母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００６７】
このように、第３の実施の形態の風力発電装置１２によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００６８】
（第４の実施の形態）
図９は、第４の実施の形態の風力発電装置１３の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図１０は、第４の実施の形態の風力発電装置１３の風車翼３２が示された図９のＤ−Ｄ断面を模式的に示す図である。なお、図１０には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。
【００６９】
第４の実施の形態の風力発電装置１３の風車翼３２は、図９に示すように、翼弦長方向に３分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。なお、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の構成は、第３の実施の形態のそれらと同じである。
【００７０】
前部分割翼５０および母翼５１の後縁部には、図９に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。気流発生装置４０の構成は、第１の実施の形態における構成と同じである。
【００７１】
ここでは、図１０に示すように、第１の電極４１の一方の表面が、前部分割翼５０や母翼５１の翼面と同一面となるように第１の電極４１を設け、第２の電極４３が誘電体４２内に埋設した構成を有する気流発生装置４０を示している。なお、第１の電極４１を誘電体４２内に埋設させた構成、すなわち、第１の電極４１の一方の表面が外部に露出されない構成としてもよい。
【００７２】
また、第１の電極４１、誘電体４２および第２の電極４３から構成される気流発生装置４０の厚さが薄く、翼面上に設置しても流れに影響を与えない場合には、気流発生装置４０を翼面上に設置してもよい。
【００７３】
このように設置された気流発生装置４０から発生する気流は、前部分割翼５０や母翼５１の背側５０ａ、５１ａの翼面上を後縁に向かって流れる。
【００７４】
このように、前部分割翼５０および母翼５１の後縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、剥離流れが生じやすい後縁部の流れを翼面側に引き寄せ、大規模な剥離流れの発生を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００７５】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、図１０に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れ、および母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００７６】
このように、第４の実施の形態の風力発電装置１３によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００７７】
（第５の実施の形態）
図１１は、第５の実施の形態の風力発電装置１４の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図１２は、第５の実施の形態の風力発電装置１４の風車翼３２が示された図１１のＥ−Ｅ断面を模式的に示す図である。なお、図１２には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。
【００７８】
第５の実施の形態の風力発電装置１４の風車翼３２は、図１１に示すように、翼弦長方向に３分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。なお、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の構成は、第３の実施の形態のそれらと同じである。
【００７９】
前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の前縁部には、図１１に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。また、母翼５１の後縁部には、図１１に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。
【００８０】
なお、気流発生装置４０の構成は、第１の実施の形態における構成と同じである。また、気流発生装置４０の設置方法は、前縁部に気流発生装置４０を備える場合は、第１の実施の形態の設置方法と同じであり、後縁部に気流発生装置４０を備える場合は、第４の実施の形態の設置方法と同じである。
【００８１】
このように、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００８２】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。
【００８３】
さらに、母翼５１の後縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、剥離流れが生じやすい後縁部の流れを翼面側に引き寄せ、大規模な剥離流れの発生を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００８４】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、図１２に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れ、および母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００８５】
このように、第５の実施の形態の風力発電装置１４によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００８６】
なお、上記した実施の形態では、分割された風車翼３２の前縁部や後縁部に気流発生装置４０を備える一例を示したが、例えば、流れの剥離が生じる他の翼面部分に気流発生装置４０を備えてもよい。
【００８７】
以上説明した実施形態によれば、気流発生装置における消費電力を抑え、翼面上における流れの剥離を確実に抑制し、効率向上を図ることが可能となる。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８９】
１０，１１，１２，１３，１４…風力発電装置、２０…地面、２１…タワー、２２…ナセル、２３…風向風速計、３０…ロータ、３１…ハブ、３２…風車翼、４０…気流発生装置、４１…第１の電極、４２…誘電体、４３…第２の電極、５０…前部分割翼、５０ａ，５１ａ，５２ａ…背側、５１…母翼、５２…後部分割翼、６０ａ…ケーブル配線、６１…放電用電源。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、放電プラズマの作用により気流を発生させる気流発生装置を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギ発電システムの導入が進められている。そのような状況の中、風力発電は、普及が進められている発電方式の一つである。
【０００３】
しかしながら、風力発電は、風速変動や風向変動によって発電量が左右されるため、日本などのように風速および風向がめまぐるしく変わる山岳性気象を有する地域においては、発電出力を安定維持することが困難である。このようなことが、風力発電システムの導入の妨げとなっている。そのため、安定かつ高効率な風力発電システムの開発が要求されている。
【０００４】
実機風車において、風速や風向の変動が激しい自然風の影響を受け、風車の回転数は、時間とともに変化する。風車翼のある位置における翼断面（翼素）に注目すると、翼素は、風車翼に向かって流れる主流と風車翼自身の回転によって生じる相対流との合成流れの影響を受ける。そのため、主流(風車を取り巻く風)の速度や向きが変化したり、それによって風車の回転速度が変わると、風車翼に対する合成流れの流入角、すなわち迎角が変化する。
【０００５】
一般に、翼の揚力は、迎角に依存し、迎角が大きくなるにつれて揚力は増加する。しかしながら、ある閾値以上に迎角が増大すると、翼の背側の流れが剥離して、揚力が低下する(失速状態)。
【０００６】
実機風車では、風速や風向の変動に応じて頻繁に迎角が変わり、迎角が閾値を越えると、流れの剥離が頻繁に生じる。これによって、風車トルクが減少し、発電効率が低下する。これまでの実機風車においては、風の短時間の変動に、ピッチ制御やヨー制御が対応できなかった。そのため、発電が不安定になり、高効率の風力発電システムを実現することができなかった。
【０００７】
そこで、放電プラズマによって気流を発生させる気流発生装置を風車翼面に設置して、翼面上を流れる風の流れを制御する技術が検討されている。ここで、図１３および図１４は、一般的な翼２００の翼面上の流れを可視化した写真である。図１３では、翼面に設けられた気流発生装置２１０を作動させていない状態であり、翼面において流れが剥離している（剥離部２２０）。一方、図１４では、図１３の状態から気流発生装置２１０を作動させて気流を発生させ、翼面における流れの剥離が抑制されている。
【０００８】
このように、翼面上に気流を発生させることで、翼周りの剥離流れが抑制され、風速や風向が変動した場合においても安定して風車トルクを得られる可能性が見出されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
実機風車においては、風車翼の翼弦長が１〜４ｍ程度に構成されることがある。このような大型風車翼においても、放電プラズマによって気流を発生させる気流発生装置を風車翼面に設置して、翼面上における流れの剥離を確実に抑制することが要求されている。
【００１１】
大型風車翼の翼面上における流れの剥離を確実に抑制するためには、例えば、流量および流速が大きな気流を発生させる必要がある。気流発生装置において、流量および流速が大きな気流を発生させるためには、投入電力の大幅な増大が必要となる。
【００１２】
そのため、気流発生装置における電力の消費が増大し、風力発電システムとしての効率が低減するという問題があった。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、気流発生装置における消費電力を抑え、翼面上における流れの剥離を確実に抑制し、効率向上を図ることができる風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態の風力発電装置は、第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構を有する気流発生装置を風車翼に備える。そして、前記風車翼が、翼弦長方向に少なくとも２分割され、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼は回転軸に固定され、分割された残りの翼は回動調整可能に固定されている。さらに、前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面に備えられている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態の風力発電装置を模式的に示した斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図３】第１の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図２のＡ−Ａ断面を模式的に示す図である。
【図４】第１の実施の形態の風力発電装置の他の構成の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図５】第２の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図６】第２の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図５のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。
【図７】第３の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図８】第３の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図７のＣ−Ｃ断面を模式的に示す図である。
【図９】第４の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図１０】第４の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図９のＤ−Ｄ断面を模式的に示す図である。
【図１１】第５の実施の形態の風力発電装置の風車翼の一つを模式的に示した斜視図である。
【図１２】第５の実施の形態の風力発電装置の風車翼が示された図１１のＥ−Ｅ断面を模式的に示す図である。
【図１３】一般的な翼の翼面上の流れを可視化した写真である。
【図１４】一般的な翼の翼面上の流れを可視化した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の風力発電装置１０を模式的に示した斜視図である。図１に示すように、風力発電装置１０において、地面２０に設置されたタワー２１の頂部に発電機（図示しない）などを収容したナセル２２が取付けられている。ナセル２２の上面には、風の風向や速度を計測する風向風速計２３が設けられている。
【００１８】
また、ナセル２２から突出した発電機の回転軸にロータ３０が取り付けられている。このロータ３０は、ハブ３１、およびこのハブ３１に取り付けられた風車翼３２を備えている。風車翼３２は、翼弦長方向に分割された分割翼構造を有し、例えば、ピッチ角が変更可能に備えられている。なお、ここでは、３枚の風車翼３２を備える一例を示しているが、風車翼の数は、限定されるものではない。風車翼３２の前縁部には、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。
【００１９】
次に、風車翼３２の構造について説明する。
【００２０】
図２は、第１の実施の形態の風力発電装置１０の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図３は、第１の実施の形態の風力発電装置１０の風車翼３２が示された図２のＡ−Ａ断面を模式的に示す図である。
【００２１】
なお、図３には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。また、ここでは、一つの風車翼３２の構成について説明するが、他の風車翼３２の構成も同じである。
【００２２】
図２に示すように、風車翼３２は、翼根から翼端に向かって翼弦長が徐々に短くなる形状を有している。また、風車翼３２は、翼弦長方向に２分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１とを備える。すなわち、風車翼３２は、翼根から翼端に向かう翼幅方向に分割部を有して、翼幅方向に延びる、前部分割翼５０および母翼５１を備える。母翼５１は、ハブ３１を介して回転軸に取り付けられている。また、前部分割翼５０および母翼５１は、図３に示すように、翼形状を有している。
【００２３】
前部分割翼５０は、母翼５１との間に隙間を形成するように固定され、いわゆるスラットとしての機能も兼ね備えている。ここで、前部分割翼５０は、例えば、風力発電装置１０の作動時を想定した流れの数値解析の結果などに基づいて、迎角などが最適な角度に調整されて固定されている。なお、前部分割翼５０は、風力発電装置１０が設置される環境下において、迎角などを最適な角度に調整可能なように固定されている。
【００２４】
前部分割翼５０の翼弦長Ｌ１は、長い部分でも１ｍ以下に構成されることが好ましい。翼弦長Ｌ１をこの範囲とすることで、前部分割翼５０に沿う流れのレイノルズ数（Ｒｅ、翼弦長基準）を１０５のオーダにすることができる。気流発生装置４０から気流を発生することにより風車翼３２の翼面における剥離流れを抑制して揚力を向上することができる。この効果は、Ｒｅが１０６オーダになると急激に低下することが発明者らの研究から明らかになった。一方、Ｒｅを１０５オーダにすることで、風車翼３２の揚力を１割から３割またはそれ以上に増大することができる。さらに、翼弦長Ｌ１をこの範囲とすることで、前部分割翼５０に沿う流れの剥離を抑制するために、気流発生装置４０によって気流を発生させる際の消費電力を抑えることができる。
【００２５】
ここで、図３に示すように、前部分割翼５０の前縁部に設けられた気流発生装置４０は、第１の電極４１と、この第１の電極４１と誘電体４２を介して離間して配設された第２の電極４３とを備える。
【００２６】
第１の電極４１は、例えば、板状の導電部材で構成される。第１の電極４１の形状は、板状に限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。
【００２７】
第２の電極４３は、第１の電極４１と同様に、例えば、板状の導電部材で構成される。第２の電極４３の形状は、板状の限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。なお、第２の電極４３は、第１の電極４１と同じ形状であってもよい。
【００２８】
また、第２の電極４３は、図３に示すように、第１の電極４１よりも誘電体４２の表面から深い位置で、かつ第１の電極４１よりも気流の流れる方向にずらした位置に、第１の電極４１と離間して配置されている。このように気流発生装置４０を配置することで、気流発生装置４０によって発生された気流が第１の電極４１側から第２の電極４３側に向かって流れる。
【００２９】
誘電体４２を構成する誘電材料として、例えば、電気的絶縁材料である、アルミナやガラス、マイカなどの無機絶縁物、ポリイミド、ガラスエポキシ、ゴム、テフロン（登録商標）等の有機絶縁物などが挙げられるが、特に限定されるものではない。誘電体４２を構成する誘電材料は、使用される用途や環境に応じて、公知な固体からなる誘電材料から適宜選択することができる。
【００３０】
ここでは、第１の電極４１の一方の表面が誘電体４２の表面と同一面となるように第１の電極４１を設け、第２の電極４３が誘電体４２内に埋設した構成を有する気流発生装置４０を示している。なお、第１の電極４１を誘電体４２内に埋設させた構成、すなわち、第１の電極４１の一方の表面が外部に露出されない構成としてもよい。
【００３１】
また、前部分割翼５０の前縁部に気流発生装置４０を設ける場合、図３に示すように、例えば、第１の電極４１の第２の電極４３側の端縁が、前部分割翼５０の前縁上となるように第１の電極４１を配置し、第１の電極４１よりも前部分割翼５０の背側５０ａとなる位置に第２の電極４３を配置することが好ましい。この場合、気流は、前部分割翼５０の前縁から翼面の背側５０ａに向かって流れる。
【００３２】
なお、気流発生装置４０の構成は、これに限られるものではない。例えば、前部分割翼５０の前縁部に溝部を構成し、この溝部に、第１の電極４１と、誘電体４２と、第１の電極４１と誘電体４２を介して離間して配設された第２の電極４３からなる気流発生装置４０を嵌め込むように設置してもよい。この際、流れを乱さないように、気流発生装置４０を、前縁部の表面から突出しないように配置することが好ましい。この場合において、前部分割翼５０が、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などの誘電材料で構成されているときには、誘電体４２として前部分割翼５０自体を機能させてもよい。すなわち、前部分割翼５０の表面に直接第１の電極４１を配設し、この第１の電極４１と離間して前部分割翼５０に第２の電極４３を直接埋設してもよい。
【００３３】
気流発生装置４０は、図２に示すように、例えば、前部分割翼５０の翼根から翼端に向かう翼幅方向に、複数個独立して配置されている。この場合、各気流発生装置４０は、それぞれ単独で制御されてもよいし、複数の気流発生装置４０に対して同じ制御を行ってもよい。なお、翼幅が小さい場合には、例えば、１つの気流発生装置４０を、前部分割翼５０の前縁部に翼幅方向に配置することもできる。
【００３４】
第１の電極４１および第２の電極４３は、図３に示すように、それぞれケーブル配線６０ａ、６０ｂを介して、電圧印加機構として機能する放電用電源６１に電気的に接続されている。この放電用電源６１を起動することで、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧が印加される。
【００３５】
放電用電源６１は、例えば、ナセル２２内に設けられ、風車翼３２の内部、ハブ３１を介して配線されたケーブル配線６０ａ、６０ｂを介して、気流発生装置４０への電圧の印加を行う。なお、回転部と静止部は、例えば、ブラシや放電ギャップによって電気的に接続される。
【００３６】
放電用電源６１は、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））や交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧を出力する。放電用電源６１は、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などを変化させて、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧を印加することができる。
【００３７】
次に、風車翼３２の翼面上の流れについて説明する。
【００３８】
風車翼３２の周りに流れが付着しているとき、翼上面の流速と翼下面の流速の差から風車翼３２には揚力が発生する。風車翼３２の迎角を大きくすると揚力は増大するが、ある迎角以上では、例えば、前部分割翼５０の翼上面から流れが剥離して揚力が低下する。
【００３９】
その際、放電用電源６１から第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧を印加し、翼上面に沿って気流を発生させることで、翼境界層における流速分布が変化し、流れの剥離の発生が抑えられる。また、その他の空力現象に起因する騒音や振動などを低減することができる。
【００４０】
また、図３に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００４１】
なお、気流発生装置４０においては、上記したように、第１の電極４１と第２の電極４３との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極４１と第２の電極４３との間に放電が誘起される。この放電は、バリア放電とよばれ、低温プラズマが生成される。
【００４２】
この放電においては、気体中の電子のみにエネルギを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子およびイオンを生成することができる。生成された電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。すなわち、放電を印加することで、電極付近から誘電体４２の表面に沿う気流が発生する。この気流の大きさや向きは、電極間に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。
【００４３】
上記したように、第１の実施の形態の風力発電装置１０によれば、前部分割翼５０の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、前部分割翼５０の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００４４】
また、風車翼３２を前部分割翼５０および母翼５１を備える分割翼構造とすることで、前部分割翼５０に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。さらに、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側に向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００４５】
このように、第１の実施の形態の風力発電装置１０によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００４６】
ここで、第１の実施の形態の風力発電装置１０は、上記した構成に限られるものではない。図４は、第１の実施の形態の風力発電装置１０の他の構成の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。
【００４７】
図４に示すように、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の気流発生装置４０を設けてもよい。ここでは、最も翼根側に設けられた気流発生装置４０において、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に２つの気流発生装置４０を設けている。なお、他の位置においても、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に、複数の気流発生装置４０を設けてもよい。
【００４８】
このように、前部分割翼５０の前縁から後縁に沿う方向に複数の気流発生装置４０を備えることで、流量および流速が大きな気流を発生させることができる。また、このような構成を備えることで、例えば、翼弦長が長くなる翼根側において、より確実に流れの剥離などを抑制することができる。
【００４９】
なお、分割された分割翼の前縁から後縁に沿う方向に複数の気流発生装置４０を備える構成は、以下に示す他の実施の形態においても適用することができ、同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態の風力発電装置１１の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図６は、第２の実施の形態の風力発電装置１１の風車翼３２が示された図５のＢ−Ｂ断面を模式的に示す図である。なお、図６には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。また、第１の実施の形態の風力発電装置１０と同じ構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する（以下の実施の形態において、同様である）。
【００５１】
第２の実施の形態の風力発電装置１１の風車翼３２は、図５に示すように、翼弦長方向に２分割され、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。すなわち、風車翼３２は、翼根から翼端に向かう翼幅方向に分割部を有して、翼幅方向に延びる、母翼５１および後部分割翼５２を備える。母翼５１は、ハブ３１を介して回転軸に取り付けられている。また、母翼５１および後部分割翼５２は、図６に示すように、翼形状を有している。
【００５２】
後部分割翼５２は、母翼５１との間に隙間を形成するように固定され、いわゆるフラップとしての機能も兼ね備えている。ここで、後部分割翼５２は、例えば、風力発電装置１１の作動時を想定した流れの数値解析の結果などに基づいて、迎角などが最適な角度に調整されて固定されている。なお、後部分割翼５２は、風力発電装置１０が設置される環境下において、迎角などを最適な角度に調整可能なように固定されている。
【００５３】
後部分割翼５２の翼弦長Ｌ２は、第１の実施の形態における前部分割翼５０の翼弦長Ｌ１の範囲とする理由と同じ理由から、長い部分でも１ｍ以下に構成されることが好ましい。
【００５４】
後部分割翼５２の前縁部には、図５に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。気流発生装置４０の構成および設置方法などは、第１の実施の形態におけるそれらと同じである。
【００５５】
このように、後部分割翼５２の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、後部分割翼５２の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００５６】
また、風車翼３２を母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、後部分割翼５２に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。
【００５７】
さらに、図６に示すように、母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００５８】
このように、第２の実施の形態の風力発電装置１１によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００５９】
なお、母翼５１の前縁部に、風車翼３２の翼根から翼端の方向に複数の気流発生装置４０を設けてもよい。これにより、母翼５１の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態の風力発電装置１２の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図８は、第３の実施の形態の風力発電装置１２の風車翼３２が示された図７のＣ−Ｃ断面を模式的に示す図である。なお、図８には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。
【００６１】
第３の実施の形態の風力発電装置１２の風車翼３２は、図７に示すように、翼弦長方向に３分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。すなわち、風車翼３２は、翼根から翼端に向かう翼幅方向に分割部を有して、翼幅方向に延びる、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える。母翼５１は、ハブ３１を介して回転軸に取り付けられている。また、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２は、図８に示すように、翼形状を有している。
【００６２】
ここで、前部分割翼５０は、第１の実施の形態で説明したとおりの構成であり、後部分割翼５２は、第２の実施の形態で説明したとおりの構成である。
【００６３】
前部分割翼５０および後部分割翼５２の前縁部には、図７に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。気流発生装置４０の構成および設置方法などは、第１の実施の形態におけるそれらと同じである。
【００６４】
このように、前部分割翼５０および後部分割翼５２の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、前部分割翼５０および後部分割翼５２の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００６５】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、前部分割翼５０および後部分割翼５２に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。
【００６６】
さらに、図８に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れ、および母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００６７】
このように、第３の実施の形態の風力発電装置１２によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００６８】
（第４の実施の形態）
図９は、第４の実施の形態の風力発電装置１３の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図１０は、第４の実施の形態の風力発電装置１３の風車翼３２が示された図９のＤ−Ｄ断面を模式的に示す図である。なお、図１０には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。
【００６９】
第４の実施の形態の風力発電装置１３の風車翼３２は、図９に示すように、翼弦長方向に３分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。なお、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の構成は、第３の実施の形態のそれらと同じである。
【００７０】
前部分割翼５０および母翼５１の後縁部には、図９に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。気流発生装置４０の構成は、第１の実施の形態における構成と同じである。
【００７１】
ここでは、図１０に示すように、第１の電極４１の一方の表面が、前部分割翼５０や母翼５１の翼面と同一面となるように第１の電極４１を設け、第２の電極４３が誘電体４２内に埋設した構成を有する気流発生装置４０を示している。なお、第１の電極４１を誘電体４２内に埋設させた構成、すなわち、第１の電極４１の一方の表面が外部に露出されない構成としてもよい。
【００７２】
また、第１の電極４１、誘電体４２および第２の電極４３から構成される気流発生装置４０の厚さが薄く、翼面上に設置しても流れに影響を与えない場合には、気流発生装置４０を翼面上に設置してもよい。
【００７３】
このように設置された気流発生装置４０から発生する気流は、前部分割翼５０や母翼５１の背側５０ａ、５１ａの翼面上を後縁に向かって流れる。
【００７４】
このように、前部分割翼５０および母翼５１の後縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、剥離流れが生じやすい後縁部の流れを翼面側に引き寄せ、大規模な剥離流れの発生を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００７５】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、図１０に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れ、および母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００７６】
このように、第４の実施の形態の風力発電装置１３によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００７７】
（第５の実施の形態）
図１１は、第５の実施の形態の風力発電装置１４の風車翼３２の一つを模式的に示した斜視図である。図１２は、第５の実施の形態の風力発電装置１４の風車翼３２が示された図１１のＥ−Ｅ断面を模式的に示す図である。なお、図１２には、風車翼３２の表面における流れを矢印で示している。
【００７８】
第５の実施の形態の風力発電装置１４の風車翼３２は、図１１に示すように、翼弦長方向に３分割され、前縁側の分割翼である前部分割翼５０と、母翼５１と、後縁側の分割翼である後部分割翼５２とを備える。なお、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の構成は、第３の実施の形態のそれらと同じである。
【００７９】
前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の前縁部には、図１１に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。また、母翼５１の後縁部には、図１１に示すように、風車翼３２の翼根から翼端の方向に、所定の間隔をあけて、複数の気流発生装置４０が設けられている。
【００８０】
なお、気流発生装置４０の構成は、第１の実施の形態における構成と同じである。また、気流発生装置４０の設置方法は、前縁部に気流発生装置４０を備える場合は、第１の実施の形態の設置方法と同じであり、後縁部に気流発生装置４０を備える場合は、第４の実施の形態の設置方法と同じである。
【００８１】
このように、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の前縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２の翼上面における流れの剥離を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００８２】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２に沿う流れの剥離を抑制するために機能させる気流発生装置４０の消費電力を抑えることができる。
【００８３】
さらに、母翼５１の後縁部に気流発生装置４０を設け、気流を発生させることで、剥離流れが生じやすい後縁部の流れを翼面側に引き寄せ、大規模な剥離流れの発生を抑制することができる。これによって、効率を向上させることができる。
【００８４】
また、風車翼３２を、前部分割翼５０、母翼５１および後部分割翼５２を備える分割翼構造とすることで、図１２に示すように、前部分割翼５０と母翼５１との隙間から母翼５１の背側５１ａに向かう流れ、および母翼５１と後部分割翼５２との隙間から後部分割翼５２の背側５２ａに向かう流れによって、風車翼３２全体の揚力が向上される。
【００８５】
このように、第５の実施の形態の風力発電装置１４によれば、高効率で安定した風力発電を行うことができる。
【００８６】
なお、上記した実施の形態では、分割された風車翼３２の前縁部や後縁部に気流発生装置４０を備える一例を示したが、例えば、流れの剥離が生じる他の翼面部分に気流発生装置４０を備えてもよい。
【００８７】
以上説明した実施形態によれば、気流発生装置における消費電力を抑え、翼面上における流れの剥離を確実に抑制し、効率向上を図ることが可能となる。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８９】
１０，１１，１２，１３，１４…風力発電装置、２０…地面、２１…タワー、２２…ナセル、２３…風向風速計、３０…ロータ、３１…ハブ、３２…風車翼、４０…気流発生装置、４１…第１の電極、４２…誘電体、４３…第２の電極、５０…前部分割翼、５０ａ，５１ａ，５２ａ…背側、５１…母翼、５２…後部分割翼、６０ａ…ケーブル配線、６１…放電用電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構を有する気流発生装置を風車翼に備える風力発電装置であって、
前記風車翼が、翼弦長方向に少なくとも２分割され、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼は回転軸に固定され、分割された残りの翼は回動調整可能に固定され、
前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面に備えられていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面の前縁部に配設されていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面の後縁部に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記翼面の翼根から翼端に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の前記気流発生装置が配設されていることを特徴とする請求項２または３記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記翼面の前縁から後縁に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の前記気流発生装置が配設されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構を有する気流発生装置を風車翼に備える風力発電装置であって、
前記風車翼が、翼弦長方向に少なくとも２分割され、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼は回転軸に固定され、分割された残りの翼は回動調整可能に固定され、
前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面に備えられていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面の前縁部に配設されていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記気流発生装置が、分割された前記風車翼の少なくとも一つの翼の翼面の後縁部に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記翼面の翼根から翼端に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の前記気流発生装置が配設されていることを特徴とする請求項２または３記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記翼面の前縁から後縁に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の前記気流発生装置が配設されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−６０９３０（Ｐ２０１３−６０９３０Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０１５６０（Ｐ２０１１−２０１５６０）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発」業務委託、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発」業務委託、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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