JP6765737B2

JP6765737B2 - 風力発電装置

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Description

本発明は、風力発電装置に関する。

従来、地球温暖化の抑制等の観点からＣＯ_２を削減するために自然エネルギーの活用が注目され、自然エネルギーの１つである風力を利用した風力発電の開発がなされている。例えば、特許文献１には、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、同風胴体の風の流入口近傍に配置した発電用風車とを備えた風力発電装置が開示されている。

特開２００３−２７８６３５号公報

特許文献１の構成によれば、風力を用いた発電を行うことができる。しかしながら、特許文献１の構成では、発電量を高めようとした場合、風車の大きさを大きくする必要があり、これに合わせて筒状の風胴体を大きくする必要が生じてしまい、大規模化に適した構造ではない。

本発明の目的は、発電効率を高めつつ、大規模化にも適した風力発電装置を提供することである。

本発明に係る風力発電装置は、複数の風車が列方向に並んで設けられる風車部と、前記風車部の周囲に設けられ、前記風車部の回転による集風を促進する一対の翼部と、前記風車部の回転により得られたエネルギーを電力に変換する変換部と、を備え、前記複数の風車は、列方向に隣接する風車の回転時にぶつからないように隣接する風車を回転軸に沿った前後方向に交互にずらしてジグザグ状に設けられることを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記一対の翼部は、前記風車部の周囲に設けられ、前記各風車の回転により形成される円の外周に沿った波型の内形を有して前記回転による集風を促進することが好ましい。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記一対の翼部は、前記内形側に前記列方向に沿って設けられた回転軸を軸として、各翼部の外形側の間の距離が変わるように回動可能であることが好ましい。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記風車部に集風されずに前記一対の翼部の外側に沿って流出する風を集風するように前記一対の翼部の外形側において複数の風車が前記列方向に並んで設けられる別の風車部と、前記別の風車部に対し前記一対の翼部とは反対側に設けられ、前記流出する風の集風を促進する別の翼部と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、複数の風車が一列に並んで設けられる風車部により集風を行い、発電することができる。これにより、複数の風車の数を増やすことで発電量を高めることができ、各風車の大きさを大きくする必要がないため、大規模化に適しているという効果がある。

本発明に係る実施形態において、風力発電装置を示す図である。本発明に係る実施形態において、翼部の部分拡大図である。本発明に係る実施形態において、風力発電装置における別の風車部と別の翼部を省略した場合の二次元断面風速シミュレーションを示す図である。本発明に係る実施形態において、風力発電装置における別の風車部と別の翼部を省略した場合の二次元断面風速シミュレーション結果に基づいて生成されたグラフである。本発明に係る実施形態において、二次元断面風速シミュレーションを示す図である。本発明に係る実施形態において、一対の翼部の変形例を示す図である。本発明に係る実施形態の風力発電装置を含む海上風力発電システムを示す斜視図である。本発明に係る実施形態の風力発電装置を含む上空風力発電システムを示す側面図である。本発明に係る実施形態の風力発電装置を含む上空風力発電システムを示す斜視図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、風力発電装置１０を示す図である。図１（ａ）は、風力発電装置１０の正面図であり、図１（ｂ）は、風力発電装置１０の側面図である。図２は、風力発電装置１０における一対の翼部１６の部分拡大図である。図２（ａ）は、一対の翼部１６の部分拡大斜視図であり、図２（ｂ）は、一対の翼部１６の部分拡大側面図である。

風力発電装置１０は、第１風車部１２と、第２風車部１４と、第１風車部１２の周囲に設けられる一対の翼部１６と、第２風車部１４の周囲に設けられる翼部１８と、風力を電力に変換する変換部４０とを備える。風力発電装置１０は、集風を行ってスリップストリームを発生させることにより効率良く発電を行う装置である。

ここで、スリップストリームとは、気流に対して空気抵抗を持つ物体が気流を押しのけた分だけ、物体の下流側の気圧が下がり、空気の渦が発生し周りの空気を気圧が下がった箇所に引き寄せる現象を意味する。

第１風車部１２は、複数の風車が一列に並んで設けられる。ここでは、４つの風車２０ａ〜２０ｄが並んで設置されている。風車２０ａ〜２０ｄは、３つの翼が１２０度ずつ間隔を空けて設けられ、回転軸２１ａ〜２１ｄを軸として回転可能になっている。

ここで、風車２０ａ，２０ｃは、前段側に設けられ、風車２０ｂ，２０ｄは、後段側に設けられ、隣り合う風車が回転軸方向に沿ってずらして設けられている。前段と後段の間隔は、隣接する風車の羽根がぶつからない程度に距離が保たれていることが好適である。このように、隣接する風車を回転軸２１ａ〜２１ｄに沿った方向にずらして設けることで、隣接する風車の羽根が正面視で重なる領域まで近づけることができる。

風車２０ａ〜２０ｄは、適度な強度を有する材料で構成されることが好ましく、例えば、鋼、アルミ合金、ステンレス等の金属・合金類が好適である。また、炭素繊維、強化プラスチック等の複合材料等を用いて構成することもできる。

一対の翼部１６は、翼部１６ａと翼部１６ｂとを備える。一対の翼部１６は、第１風車部１２の周囲に設けられ、風車２０ａ〜２０ｄの回転により形成される円の外周に沿った内形を有して、上記回転による集風を促進する。

翼部１６ａは、固定部１７ａと回動部１９ａと連結部２１ａとを備える。翼部１６ａは、図１において、第１風車部１２の上方に配置されている。翼部１６ａは、適度な強度を有する材料で構成されることが好ましく、例えば、鋼、アルミ合金、ステンレス等の金属・合金類が好適である。また、炭素繊維、強化プラスチック等の複合材料等を用いて構成することもできる。

固定部１７ａは、正面視で図１に示されるような下側波型領域２３ａと上側波型領域２５ａが形成されている。固定部１７ａは、空気抵抗が小さくなるように、正面側である内径側に向けて先細り形状を有している。下側波型領域２３ａは、それぞれ風車２０ａ〜２０ｄの回転により形成される円の外周に沿った凹みを有している。また、上側波型領域２５ａは、下側波型領域２３ａに対応して下側波型領域２３ａと反対方向に凹みを有している。

回動部１９ａは、正面視で図１に示されるような上側波型領域２７ａが形成されている。回動部１９ａは、外形側に向けて厚みが薄くなる形状を有している。回動部１９ａは、内径側上側波型領域２７ａは、上側波型領域２５ａと対応する複数の凹みを有している。

図２に示されるように、固定部１７ａの外形側と回動部１９ａの内形側とは蝶番の連結部を構成するように凹凸が形成されており、この凹凸部分に貫通孔が形成されている。連結部２１ａは、上記貫通孔を貫通して固定部１７ａと回動部１９ａを連結する。固定部１７ａは、図示しない固定手段により固定されており、回動部１９ａは回動可能になっている。回動部１９ａの回動は、図示しない制御装置により回動制御がなされている。

なお、図２（ａ）において、固定部１７ａの外形側の凹凸と回動部１９ａの内形側の凹凸は分かりやすくするために、分離して図示し、連結部２１ａもジグザグに図示しているが、固定部１７ａの外形側の凹凸と回動部１９ａの内形側の凹凸とは互いの貫通孔が重なるように嵌合させて、棒状の連結部２１ａを当該貫通孔に通して連結している。

固定部１７ａと回動部１９ａとの角度をθとすると、弱風時は、θは９０度に設定されることが好ましく、強風時には、θが０に近づくように回動させる。ここで、強風時とは、風速２５ｍ以上となる場合である。図示しない風速センサにより、風速を計測し、求められた風速に応じて制御装置が回動部１９ａの回動を制御する。

翼部１６ｂは、固定部１７ｂと回動部１９ｂと連結部２１ｂとを備える。翼部１６ｂは、図１において、翼部１６ａと対となるように、第１風車部１２の下方に配置されている。翼部１６ｂは、翼部１６ａと同様の材料で構成されることが好ましい。

また、固定部１７ｂは、固定部１７ａと同様の形状を有している。回動部１９ｂは、回動部１９ａと同様の形状を有している。連結部２１ｂは、連結部２１ａと同様の形状を有している。固定部１７ｂは、図示しない固定手段により固定されており、回動部１９ｂは回動可能になっている。回動部１９ｂの回動は、図示しない制御装置により回動制御がなされている。

このように、風速に応じ、制御装置の制御によって、連結部２１ａ及び連結部２１ｂを回転軸として、回動部１９ａ及び回動部１９ｂの外形側の間の距離が変わるように回動する。

第２風車部１４は、複数の風車が一列に並んで設けられる。ここでは、４つの風車３０ａ〜３０ｄが並んで設置されている。風車３０ａ〜３０ｄは、風車２０ａ〜２０ｄと同様に、３つの翼が１２０度ずつ間隔を空けて設けられ、回転軸３１ａ〜３１ｄを軸として回転可能になっている。

風車３０ａ〜３０ｄは、風車２０ａ〜２０ｄに集風されずに翼部１６ｂの外側に沿って流出する風を集風するように翼部１６ｂの回動部１９ｂの外形側において、一列に並んで設けられる。通常時は、回動部１９ｂのθが６０度となるように開いた状態であり、回動部１９ｂの外形側に形成された下側波型領域２２ｂの凹みは、風車３０ａ〜３０ｄの回転により形成される円の外形に沿うように位置している。

ここで、風車３０ａ，３０ｃは、前段側に設けられ、風車３０ｂ，３０ｄは、後段側に設けられ、風車２０ａ〜２０ｄと同様に、隣り合う風車が回転軸方向に沿ってずらして設けられている。このように、隣接する風車を回転軸に沿った方向にずらして設けることで、隣接する風車の羽根が正面視で重なる領域まで近づけることができる。

風車３０ａ〜３０ｄは、適度な強度を有する材料で構成されることが好ましく、風車２０ａ〜２０ｄの材料と同じ材料で構成することが好適である。

翼部１８は、固定部２３と回動部２５と連結部２７とを備える。翼部１８は、図１において、第２風車部１２の下方に配置されている。翼部１８は、翼部１６ｂと同様の材料で構成されることが好ましい。

また、固定部２３は、固定部１７ｂと同様の形状を有している。回動部２５は、回動部１９ｂと同様の形状を有している。連結部２７は、連結部２１ｂと同様の形状を有している。固定部２３は、図示しない固定手段により固定されており、回動部２５は回動可能になっている。回動部２５の回動は、図示しない制御装置により回動制御がなされている。

変換部４０は、第１風車部１２及び第２風車部１４の回転により得られたエネルギーを電力に変換する機能を有する。変換部４０は、複数の回転電機で構成される。各回転電機は、風車２０ａ〜２０ｄ及び風車３０ａ〜３０ｄの回転軸に夫々取り付けられる。風車２０ａ〜２０ｄ及び風車３０ａ〜３０ｄが回転することで回転電機が発電機として機能し、図示しないケーブルを介して電力を取り出すことができる。また、このケーブルを通じて回転電機に電力を供給することで回転電機を電動機として活用することも可能である。

続いて、上記構成の風力発電装置１０の作用について説明する。ここでは、図１の矢印Ａ方向に風が吹いているものとして説明する。風力発電装置１０に向かう風により、風車２０ａ〜２０ｄが回転し、回転電機が回転して電力が生じる。この電力は図示しないケーブルを介して取り出すことができる。

また、風車２０ａ〜２０ｄの周囲には、固定部１７ａの下側波型領域２３ａと、固定部１７ｂの上側波型領域２９ｂによって覆われている。これにより、集風が促進されるとともに、スリップストリーム現象が生じる。スリップストリーム現象により、一対の翼部１６の周囲の風速を増加させることができる。

ここで、風力発電装置１０において、第２風車部１４と翼部１８とを設けない場合において、コンピュータを用いて二次元断面風速シミュレーションの結果を図３に示している。図３では、風速の早い箇所ほど白色で表示され、風速の遅い箇所ほど黒色で表示される。図３で示されるように、一対の翼部１６で挟まれた風の流入口の風速が周囲よりも白く表示されており、一対の翼部１６による増速効果が確認できる。

図３では、風の流入口のほかに、一対の翼部１６の外形側にも白く表示されていることが分かる。この領域は、第１風車部１２により集風できずに一対の翼部１６の外側を介して流れた風が増速されていることが分かる。この風を漏らさずに集風するために第２風車部１４と翼部１８が設けられているのである。

なお、図３において、図３（ａ）はθ＝０度、図３（ｂ）は、θ＝１５度、図３（ｃ）は、θ＝３０度、図３（ｄ）は、θ＝４５度、図３（ｅ）は、θ＝６０度、図３（ｆ）は、θ＝７５度、図３（ｇ）は、θ＝９０度に回動部１９ａ，１９ｂの開度を変更してシミュレーションをした様子が示されている。

図４は、回動部１９ａ，１９ｂの開度を変えてシミュレーションした場合の結果をグラフにまとめている。θ＝０度の場合は風速が最も小さく１．２１５ｍ／ｓであり、θが大きくなるほど風速が大きくなり、θ＝９０度の場合は２．１９２ｍ／ｓと最大になり、θ＝０度の場合に比べて２倍近くになることが分かる。

図３は異なり、第２風車部１４と翼部１８も含めた風力発電装置１０において、コンピュータを用いて二次元断面風速シミュレーションの結果を図４に示している。図５でも、風速の早い箇所ほど白色で表示され、風速の遅い箇所ほど黒色で表示される。これにより、翼部１６ｂと翼部１８の流入口においても周囲より白く表示されており、翼部１６ｂと翼部１８による増速効果が確認できる。

なお、図５において、図３と同様に、θを０度〜９０度の間で、回動部１９ａ，１９ｂの開度を変更してシミュレーションをした様子が示されている。

このように、風力発電装置１０によれば、第１風車部１２と一対の翼部１６により集風した風を増速させることができるため、発電効率を高めることができる利点がある。また、風力発電装置１０によれば、第１風車部１２に集風されずに翼部１６ｂの外側に沿って流出する風を第２風車部１４、翼部１６ｂ及び翼部１８により集風して増速させることで、さらに発電効率を高めることができる効果がある。

また、風力発電装置１０は、上記のように、効率よく発電できるだけでなく、設置する施設などの規模に応じて、容易に大規模化することができる。上記の例では、４つの風車を用いて発電するものとして説明したが、この風車の数を増やして一対の翼部１６の長さを風車の増加数に応じて長くすることにより対応することができる。これにより、従来の特許文献１のように風車自体の大きさを大きくする必要はなく、大規模化を簡単に実現することができる。また、一定の大きさの風車を生産するだけでよいため量産化に適しているという利点がある。

上記のように風力発電装置１０では、第１風車部１２により集風できなかった風を翼部１６ｂ側に第２風車部１４を配置して集風するものとして説明したが、翼部１６ａ側に流出する風を集めるように上方にも複数の風車を含む風車部と翼部を設置することも好ましい。

なお、一対の翼部１６は、図１，２に示されるように、固定部１７ａ，１７ｂは内形側に向けて先細り形状であり、回動部１９ａ，１９ｂは外形側に向けて先細り形状であるものとして説明したが、その他の形状であってもよい。例えば、図６に示されるように、固定部と回動部とを平板状の部材で構成してもよい。

翼部２５ａは、平板状の固定部を有する翼部２５ｃに加えて下部側にテーパ部材が設けられている。翼部２５ｂは、平板状の固定部を有する翼部２５ｃに加えて下部側に波型の凹みを形成する部材が設けられている。

また、固定部と回動部と平板状の部材を別部材でなく一体で構成してもよい。翼部２５ｄは、翼部２５ｃのように固定部と回動部が別部材で連結されておらず一体物で構成されている。また、翼部２５ｅは、翼部２５ｃに加えて固定部に相当する部位が波型の凹みを有する部材で構成されている。

次に、風力発電装置１０を含み、海上に設置された海上風力発電システム５０について説明する。図７は、風力発電装置１０を含む海上風力発電システム５０を示す斜視図である。海上風力発電システム５０は、風力発電装置１０を含む発電部５２と、浮体構造部６８とを備えている。

発電部５２は、風力発電装置１０と、第３風車部５４と、第３風車部５４による集風を促進する翼部５６と、第４風車部５８と、第４風車部５８による集風を促進する翼部６０と、第５風車部６２と、第５風車部６２による集風を促進する翼部６４とを備える。風力発電装置１０は、上述した構成と同じであるため、詳細な説明は省略する。

第３風車部５４は、複数の風車が一列に並んで設けられる。ここでは、４つの風車７０ａ〜７０ｄが並んで設置されている。風車７０ａ〜７０ｄは、上記風車３０ａ〜３０ｄと同様に、３つの翼が１２０度ずつ間隔を空けて設けられ、回転軸７１ａ〜７１ｄを軸として回転可能になっている。

風車７０ａ〜７０ｄは、風車３０ａ〜３０ｄに集風されずに翼部１８の外側に沿って流出する風を集風するように翼部１８の回動部の外形側において、一列に並んで設けられる。通常時は、翼部１８の回動部がθ＝６０度になるように開いた状態であり、翼部１８の回動部の外形側に形成された下側波型領域の凹みは、風車７０ａ〜７０ｄの回転により形成される円の外形に沿うように位置している。

ここで、風車７０ａ，７０ｃは、前段側に設けられ、風車７０ｂ，７０ｄは、後段側に設けられ、風車３０ａ〜３０ｄと同様に、隣り合う風車が回転軸方向に沿ってずらして設けられている。このように、隣接する風車を回転軸に沿った方向にずらして設けることで、隣接する風車の羽根が正面視で重なる領域まで近づけることができる。

風車７０ａ〜７０ｄは、適度な強度を有する材料で構成されることが好ましく、風車３０ａ〜３０ｄの材料と同じ材料で構成することが好適である。

翼部５６は、翼部１８と同様に、固定部、回動部及び連結部を備える。翼部５６は、図７において、第３風車部５４の右後ろ後方に配置されている。翼部５６は、翼部１８と同様の材料で構成されることが好ましい。

第３風車部５４と翼部５６に対応して、第４風車部５８と翼部６０及び第５風車部６２と翼部６４が左後ろ後方に配置されている。第４風車部５８及び第５風車部６２は、第３風車部５４と同様の構成である。翼部６０及び翼部６４は、翼部５６と同様の構成である。

このように、風力発電装置１０と、第３風車部５４と、翼部５６と、第４風車部５８と、翼部６０と、第５風車部６２と、翼部６４とを配置された状態を上面視した場合に略Ｖ字が形成されている。

浮体構造部６８は、風力発電装置１０、第３風車部５４、翼部５６、第４風車部５８、翼部６０、第５風車部６２及び翼部６４を載置することが可能な平面領域を有し略Ｖ字形状を有している。浮体構造部６８は、水上に浮かせるために適した構造、例えば、中心部が空洞又は発泡スチロールなどの軽量素材で構成されていることが好適である。また、浮体構造部６８の中央先端部には、海上風力発電システム５０を海上に浮遊させるためのアンカーが取り付けられている。これにより、海上風力発電システム５０が漂流することなく、所定の場所で集風することができる。

海上風力発電システム５０は、各風車の発電により得られた電力を各回転電機に接続された複数のケーブルを介して取り出す構成である。この複数のケーブルは、海底を通って地上に取り出し、電力会社等の設備に接続する構成にすることが好ましい。

上記のように、海上風力発電システム５０は、海上に浮かべられた状態で設置されている。地上に比べて海上は風が強く、もともと集風しやすい環境にある。さらに、海上風力発電システム５０では、集風された風が第１風車部１２、第２風車部１４、第３風車部５４、第４風車部５８、第５風車部６２の各風車を回転させて発電され、発電された電力を活用することができる利点がある。

また、海上風力発電システム５０により、アンカーにより接続された状態で海上に浮かんでいるため、風向きが変わった場合に、第１風車部１２、第２風車部１４、第３風車部５４、第４風車部５８、第５風車部６２が風を獲られることができる方向に、浮体構造部６８が移動する。これにより、風向きが分かった場合にも、発電効率を高めることができるという利点がある。

次に、風力発電装置１０を含み、上空に設置された上空風力発電システム８０について説明する。図８は、風力発電装置１０を含む上空風力発電システム８０を示す側面図である。図９は、風力発電装置１０を含む上空風力発電システム８０を示す斜視図である。海上風力発電システム８０は、風力発電装置１０と、風力発電装置１０を飛行させるための飛行構造部８２とを備えている。なお、ここでは、図９に示されるように２つの風力発電装置１０を一列の方向に一体化させて、各列ごとに８個の風車が設けられるようにしている。

飛行構造部８２は、胴体部８３と、最後尾に設けられ垂直方向に延伸する垂直尾翼８４と、水平方向に互いに反対方向に延伸する一対の水平尾翼８６とを備えている。

飛行構造部８２は、適度な強度を有する材料で構成されることが好ましく、例えば、鋼、アルミ合金、ステンレス等の金属・合金類が好適である。また、上空に飛行させるために軽量化に適した材料として、炭素繊維、強化プラスチック等の複合材料等を用いて構成することも好ましい。

胴体部８３は、上空に飛行させるために軽量化することが好ましく、図８に示されるように適度な強度を確保しつつ、最大限軽量化した骨組構造を有している。

ここで、風力発電装置１０は、風力を発電する機能を有しつつ、プロペラ機能と主翼機能も備える。具体的には、風車２０ａ〜２０ｄ、３０ａ〜３０ｄがプロペラとして機能し、一対の翼部１６と翼部２５とが主翼として機能する。

また、上空風力発電システム８０は、地上から１００００ｍ以上の上空に流れているジェット気流に飛行させる。また、風力発電装置１０の変換部４０からの電力を取り出すための電力ケーブルが設けられており、この電力ケーブルが地上まで延伸されている。これにより、電力ケーブルが電力を伝送する役割を果たすとともに、上空風力発電システム８０がジェット気流によって流されてしまわないように、凧あげの凧糸のような役割を果たしている。

上記のように、上空風力発電システム８０は、地上から１００００ｍ以上の上空に流れているジェット気流に飛行させられている。ここで、ジェット気流は風が強く、もともと集風しやすい環境にあるため、上空風力発電システム８０は、効率よく発電することができる利点がある。

１０風力発電装置、１２第１風車部、１４第２風車部、１６一対の翼部、１６ａ，１６ｂ，１８翼部、１６ｂ翼部、１７ａ，１７ｂ，２３固定部、１９ａ，１９ｂ，２５回動部、２０ａ〜２０ｄ風車、２１ａ，２１ｂ連結部、２３ａ，２９ｂ下側波型領域、２５ａ，２７ａ上側波型領域，２７連結部、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ風車、４０変換部、５０海上風力発電システム、５２発電部、５４第３風車部、５６翼部、５８第４風車部、６０翼部、６２第５風車部、６４翼部、６８浮体構造部、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ風車、７２固定部、７４回動部、７６連結部、８０上空風力発電システム、８２飛行構造部、８３胴体部、８４垂直尾翼、８６水平尾翼。

Claims

複数の風車が列方向に並んで設けられる風車部と、
前記風車部の周囲に設けられ、前記風車部の回転による集風を促進する一対の翼部と、
前記風車部の回転により得られたエネルギーを電力に変換する変換部と、
を備え、
前記複数の風車は、列方向に隣接する風車の回転時にぶつからないように隣接する風車を回転軸に沿った前後方向に交互にずらしてジグザグ状に設けられることを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記一対の翼部は、
前記風車部の周囲に設けられ、前記各風車の回転により形成される円の外周に沿った波型の内形を有して前記回転による集風を促進することを特徴とする風力発電装置。
請求項２に記載の風力発電装置において、
前記一対の翼部は、
前記内形側に前記列方向に沿って設けられた回転軸を軸として、各翼部の外形側の間の距離が変わるように回動可能であることを特徴とする風力発電装置。
請求項２または請求項３に記載の風力発電装置において、
前記風車部に集風されずに前記一対の翼部の外側に沿って流出する風を集風するように前記一対の翼部の外形側において複数の風車が前記列方向に並んで設けられる別の風車部と、
前記別の風車部に対し前記一対の翼部とは反対側に設けられ、前記流出する風の集風を促進する別の翼部と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。