JP2008169846A - ボーテックス・ジェネレータを備えた風力タービン用ロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】十分な空力性能と同時に高耐荷重性を実現できるように配置されたボーテックス・ジェネレータを備える改良型風力タービン用ロータブレードを提供する。
【解決手段】背側（１３）と腹側（１５）のある翼形を有しており、前記翼形に内側翼形部分（７）と外側翼形部分が含まれていて、前記内側翼形部分（７）が前記外側翼形部分より比較的厚めであり、前記内側翼形部分（７）の厚さが内側翼形部分（７）の翼弦長の３０％〜８０％の間であり、内側翼形部分（７）にボーテックス・ジェネレータ（２１″）が設けられている風力タービン用ロータブレード（１）であって、前記ボーテックス・ジェネレータ（２１″）が前記翼形部分（７）の前縁（９）から測定して翼弦長の８％〜１２％の位置で前記内側翼形部分（７）の背側（１３）に配置されているものとする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ボーテックス・ジェネレータを備えた風力タービン用ロータブレード、及び、こうしたロータブレードの少なくとも１つを備えた風力タービンに関するものである。

先行技術文献には風力タービン用の最新式ロータブレードについての記載がある（例えば、特許文献１参照）。こうしたブレードには、ロータブレードが固定される円筒形状の断面を備えた翼付根と、ロータのハブと、空力形状の断面を備えた翼形部分が含まれている。

翼形部分は、概念上、比較的厚い内側翼形部分と比較的薄い外側翼形部分に細分され、内側翼形部分は翼付根と外側翼形部分の間に配置されるのが通常である。

特許文献１に記載の風力タービン用ロータブレードには、内側翼形部分の背側に配置されたボーテックス・ジェネレータが設けられている。

先行技術文献によって、風力タービン用ロータブレードにハブ部分に近接して配置されたボーテックス・ジェネレータも知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、先行技術文献には、ボーテックス・ジェネレータの利用に関する記載もある（例えば、特許文献３及び４参照）。

先行技術文献には、翼弦長と比較して厚さが２５％〜４０．１％のさまざまな風力タービン用ロータブレードについて記載がある（例えば、非特許文献１及び２参照）。ロータブレードには、翼形の前縁から測定して翼弦長の２０％または３０％の位置で翼形の背側に配置されたボーテックス・ジェネレータが装備されている。

上記先行技術文献においては、風力タービン用ロータブレードの空力特性の改善にボーテックス・ジェネレータを用いることが述べられている。しかしながら、ボーテックス・ジェネレータの最適位置は多くのパラメータによって左右される。従って、ロータブレードの外側翼形部分におけるボーテックス・ジェネレータの良好な位置が、必ずしもロータブレードの内側翼形部分におけるボーテックス・ジェネレータの良好な位置でもあると考えることはできない。しかしながら、とりわけ、ロータブレードの内側翼形部分は、外側翼形部分に比べて空力性能が劣る。その理由は、風力タービン用ロータブレードの内側部分はブレード全体による荷重を支持する必要があるためである。これは、ロータブレードの十分な剛性を実現するためのいくつかの設計制約条件を表わしている。外側翼形部分と比べた内側翼形部分の空力性能の劣化によって、風力タービン全体の効率が低下する。従って、内側翼形部分の空力性能を改善することが望ましい。

欧州特許出願公開第１３１４８８５Ａｌ号明細書 国際公開第０２／０８６００Ａ１号パンフレット 国際公開第００／１５９６１号パンフレット 欧州特許出願公開第０９４７６９３Ａ２号明細書 Ｖａｎ Ｒｏｏｉｊ，Ｒ．Ｐ．Ｊ．Ｏ．Ｍ．、Ｔｉｍｍｅｒ，Ｗ．Ａ．、「Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｉｃｋ ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅ ａｉｒｆｏｉｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＸＰ００８０７９７０ 米国ニューヨーク州ニューヨーク市、２００３年１１月（２００３−１１）、第１２５巻、第４号、ｐ．４６８−４７８ Ｐｅｔｅｒ Ｆｕｇｌｓａｎｇ、Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｂａｋ、「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｉｓｏ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ａｉｒｆｏｉｌｓ」、Ａ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ２００３ ＥＷＥＣ ｉｎ Ｍａｄｒｉｄ、ＸＰ００２４３６９１５ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ．、２００４年５月２４日（２００４−０５−２４）、第７巻、第２号、ｐ．１４５−１６２

上記に鑑みて、本発明の目的は、十分な空力性能と同時に高耐荷重性を実現できるように配置されたボーテックス・ジェネレータを備える改良型風力タービン用ロータブレードを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、改善された風力タービンを提供することにある。

第１の目的は、請求項１に記載の風力タービン用ロータブレードによって解決され、第２の目的は、請求項５に記載の風力タービンによって解決される。従属請求項によって、本発明のさらなる展開が規定される。

本発明の風力タービン用ロータブレードには、背側と腹側を備えた翼形が含まれている。翼形には、さらに、内側翼形部分と外側翼形部分が含まれており、内側翼形部分は外側翼形部分より比較的厚めである。さらに、内側翼形部分には、ボーテックス・ジェネレータが設けられている。本発明の風力タービン用ロータブレードの場合、内側翼形部分の厚さは、内側翼形部分の翼弦長の３０％〜８０％である。ボーテックス・ジェネレータは、翼形部分の前縁から測定して翼弦長の８％〜１２％の位置で内側翼形部分の背側に配置されている。

本発明の風力タービン用ロータブレードによれば、内側翼形部分の空力性能が同等である最新式のロータブレードと比べて剛性が向上する。高剛性は、翼弦長の４０％〜８０％である極めて厚い内側翼形部分によって実現される。しかしながら、通常、ブレードが厚くなると空力性能の低下に結びつく。本発明の場合、極めて厚い翼形部分での空力性能の低下は、厚い内側翼形部分の背側にボーテックス・ジェネレータを配置することによって克服される。従って、この極めて厚い内側翼形部分と適切に配置されたボーテックス・ジェネレータの組み合わせによって、内側翼形部分の剛性が高く、同時に、満足のいく空力性能を発揮する風力タービン用ロータブレードが可能になる。これまで極めて厚いブレードへのボーテックス・ジェネレータの利用は知られていなかった。ボーテックス・ジェネレータが翼付根の近くに配置される特許文献２においてさえ、ボーテックス・ジェネレータを支持する翼形部分は、厚い翼形部分ではない。

風力タービン用ロータブレードの内側翼形部分の十分な強度も、翼弦長の４０％〜６５％の厚さで実現することが可能である。

ボーテックス・ジェネレータの最大効果を達成するには、ボーテックス・ジェネレータが内側翼形部分の全翼幅に沿って存在する場合が有利である。全てのボーテックス・ジェネレータは同じ翼弦長の位置に配置することが可能である。留意すべきは、外側の薄い翼形部分におけるボーテックス・ジェネレータの使用が本発明によって排除されるものではないという点である。

本発明の風力タービン用ロータには、少なくとも１つの本発明によるロータブレードが含まれている。すなわち、例えば、３枚のブレードが付いた風力タービン用ロータの３枚のロータブレードといったように、風力タービンの全てのロータブレードが本発明によるロータブレードである。

本発明のさらなる特徴、特性、及び、利点については、添付の図面に関連した本発明の実施形態に関する下記説明から明らかになるであろう。

図１には、通常３枚ブレード型ロータに用いられる、風力タービン用ブレードが示されている。しかしながら、本発明は３枚ブレード型ロータ用のブレードに制限されるものではない。実際、本発明は、１枚ブレード型ロータまたは２枚ブレード型ロータといった他のロータにおいて、あるいは、ブレードが４枚以上の場合でも実施することが可能である。

図１に示すロータブレード１には、円筒形状を備えた翼付根部分３と、ブレードの最も外側の部分を形成する先端２が含まれている。翼付根部分３の円筒形状は、ロータハブの軸受にブレード１を固定するのに役立つ。ロータブレード１には、さらに、ブレード形状の最も厚い、すなわち、その翼弦長が最大の位置として定義されるいわゆる肩４も含まれている。

翼形５は、翼付根部分３と先端２の間のいわゆる翼幅（図１の一点鎖線）に沿って延びている。翼形は、概念上、外側の薄い翼形部分６と内側の厚い翼形部分７に細分される。薄い翼形部分と厚い翼形部分との境界は一般に規定されていないので、本発明では、翼形部分の厚さ対翼弦長の比が３０％を超えるとその翼形部分は厚いとみなされる。

図２には、ロータブレードの薄い翼形部分６のラインＩ−Ｉに沿った翼弦方向の断面が示されている。図２に示す翼形部分の空力形状には、凸状の背側１３とそれより穏やかな凸状の腹側１５が含まれている。ブレードの前縁９からその後縁１１まで延びる一点鎖線は翼形の翼弦を示している。腹側１５には、図２の凸状セクション１７と凹状セクション１９が含まれているが、背側１３のほうが腹側１５よりきつい凸状である限りにおいて、凹状セクションがなくても実施可能である。

本発明の第１の実施形態に関わる図３には、図１のロータブレードの厚い翼形部分７のラインＩＩ−ＩＩに沿った翼弦方向の断面が示されている。厚い翼形部分の断面の全体形状は、薄い翼形部分の断面の全体形状に類似しており、従って再度の詳述は控えることにする。さらに、図２の断面に示す要素に対応する図３に示す断面の要素は、同じ参照番号で表示されている。

図３に示す厚い翼形部分の断面と図２に示す薄い翼形部分の断面との主たる相違は、翼弦に対して垂直な背側１３から腹側１５までの最長直線と定義される翼形の最大厚さと翼形の翼弦長との比率が３０％を超えるが、図２に示す翼形のそれぞれの比率は３０％未満という点である。

第１の実施形態による厚い翼形部分の断面には、前縁９から測定して翼弦長の２５〜３０％の位置で背側１３に配置されたボーテックス・ジェネレータ２１も示されている。

図４及び５には、厚い翼形部分の背側１３におけるボーテックス・ジェネレータ２１′、２１″の代替位置が示されている。ボーテックス・ジェネレータの位置を除くと、図３〜５に示す断面形状は同じである。図４に示す断面において、ボーテックス・ジェネレータ２１′は、翼弦長の約１８％〜２２％の位置に配置されているが、図５に示す断面において、ボーテックス・ジェネレータ２１″翼弦長の約８％〜１２％の位置に配置されている。

留意すべきは、ボーテックス・ジェネレータの最適位置が、翼形の厚さ対翼弦長比並びに断面の全体形状によって異なる可能性があるという点である。しかしながら、ボーテックス・ジェネレータは、厚い翼形部分に関する翼弦長の５％〜３０％の範囲内の位置にあり、厚さ対翼弦長比が３０％〜８０％の範囲、とりわけ、４０％〜６５％の範囲内にある場合が有利である。

図６には、風力タービン用ブレード１の揚力に対する図３〜５に示す位置にあるボーテックス・ジェネレータ２１、２１′、２１″の影響が示されている。この図には、タービン用ブレード１の揚力係数ｃ₁が、風の迎え角（ＡＯＡ）、すなわち、ロータブレード１の前縁９から見た翼弦と相対風との角度の関数として示されている。一般に、揚力係数が高くなると、タービン用ブレードの効率が向上する。

Ａで表示された線は、ボーテックス・ジェネレータのない風力タービン用ブレードに関する揚力係数の測定結果である。Ｂ、Ｃ、及び、Ｄで表示された線は、厚い翼形部分の背側の図３（Ｂ）、図４（Ｃ）、及び、図５（Ｄ）に示す位置にボーテックス・ジェネレータを備えるタービン用ブレードの結果を示している。それぞれ、ボーテックス・ジェネレータの有無及び位置を除くと、４つのタービン用ブレードは全て同じである。

図６から分かるように、厚い翼形部分のボーテックス・ジェネレータが存在すると、風の迎え角が約３度を超えるや否や揚力係数が高くなる。迎え角が大きくなると、異なる風力タービン用ロータブレードの揚力係数が再び１つにまとまる。図３に示すようにボーテックス・ジェネレータを備えたロータブレードＢに関する揚力係数ｃ₁は、迎え角が約１５度を超えるとボーテックス・ジェネレータのないロータブレードＡとほぼ同じになる。図４に示す位置にボーテックス・ジェネレータを備えた風力タービン用ロータブレードＣに関する揚力係数ｃ₁は、迎え角が約１８度を超えるとボーテックス・ジェネレータのないロータブレードＡとほぼ同じになる。図５に示す位置にボーテックス・ジェネレータを備える場合、風力タービン用ロータブレードの揚力係数ｃ₁は、広い迎え角範囲で、すなわち、約３度〜２３度の範囲でボーテックス・ジェネレータのないロータブレードＡの揚力係数を大幅に超えることになる。従って、ブレードＤは本発明の特に有利な実施形態に相当する。

一般的な傾向として、ボーテックス・ジェネレータの位置が翼形の前縁に向かうにつれて、ブレードの最大揚力係数がより大きい迎え角に向かうという点を指摘することができる。さらに、揚力係数ｃ₁の最大値がそれに応じて増大する。

図７には、図６に示す４つのブレードの抗力係数ｃ_dが示されている。４つのタービン用ブレードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ間における抗力係数ｃ_dの差は、揚力係数ｃ_l間の差ほど顕著ではない。揚力係数ｃ_lは３度のＡＯＡ〜２３度のＡＯＡの範囲内にある異なるブレード間で大きく異なるが、ブレードの抗力係数間における大きい差は、約３度のＡＯＡ〜約１２度のＡＯＡでしか確認できない。ボーテックス・ジェネレータを備えるロータブレードに関するこの範囲内における抗力の低下は、ボーテックス・ジェネレータによって生じる失速の遅延から生じる。

図３〜５に示す異なるボーテックス・ジェネレータ構造に関する揚力係数ｃ_lと抗力係数ｃ_dの差に基づいて、年間発電量（ＡＥＰ）を計算することが可能である。ボーテックス・ジェネレータのないタービン用ブレード（ブレードＡ）に比べて、年間発電量は、図３に示すボーテックス・ジェネレータ構造の場合、ほぼ１％増大させることが可能であり、図４に示すボーテックス・ジェネレータ構造の場合、ほぼ１．５％増大させることが可能であり、図５に示すボーテックス・ジェネレータ構造の場合、ほぼ１．７％を超える増大が可能である。

ボーテックス・ジェネレータの主たる利点は、発電量の改善であるが、他の利点を実現することも可能である。図６に揚力係数ｃ₁の降下によって表わされた揚力の降下は、タワーの荷重にとって重要である。他の迎え角にその降下を移行させることによって、タワーの動荷重に影響を及ぼすことが可能である。さらに、図７に関連して既述の失速の遅延によって、ロータによって生じるノイズを低下させることが可能である。

ブレードの翼幅とブレードの翼弦によって画定される平面における風力タービン用ロータブレードの平面図である。 図１に示すブレードの外側翼形部分の翼弦方向断面図である。 本発明の第１の実施形態による図１に示すブレードの内側翼形部分の翼弦方向断面図である。 本発明の第２の実施形態による図１に示すブレードの内側翼形部分の翼弦方向断面図である。 本発明の第３の実施形態による図１に示すブレードの翼形部分の翼弦方向断面図である。 風の迎え角の関数として本発明のロータブレードによって実現される揚力係数を示す図である。 風の迎え角の関数として本発明のロータブレードの抗力係数を示す図である。

符号の説明

１ ロータブレード
２ 先端
３ 翼付根
４ 肩
５ 翼形
６ 外側翼形部分
７ 内側翼形部分
９ ブレード前縁
１１ ブレード後縁
１３ 背側
１５ 腹側
１７ 凸状セクション
１９ 凹状セクション
２１ ボーテックス・ジェネレータ
２１′ ボーテックス・ジェネレータ
２１″ ボーテックス・ジェネレータ

Claims (5)

1. 背側（１３）と腹側（１５）のある翼形（５）を有しており、前記翼形（５）に内側翼形部分（７）と外側翼形部分（６）が含まれていて、前記内側翼形部分（７）が前記外側翼形部分（６）より比較的厚めであり、前記内側翼形部分（７）の厚さが前記内側翼形部分（７）の翼弦長の３０％〜８０％の間であり、前記内側翼形部分（７）にボーテックス・ジェネレータ（２１、２１′、２１″）が設けられている風力タービン用ロータブレード（１）であって、
   前記ボーテックス・ジェネレータ（２１、２１′、２１″）が前記翼形部分（７）の前縁（９）から測定して前記翼弦長の８％〜１２％の位置で前記内側翼形部分（７）の前記背側（１３）に配置されていることを特徴とする風力タービン用ロータブレード（１）。
2. 前記内側翼形部分（７）の厚さが前記翼弦長の４０％〜６５％であることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン用ロータブレード（１）。
3. 全てのボーテックス・ジェネレータが同じ翼弦長の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン用ロータブレード（１）。
4. ボーテックス・ジェネレータが前記内側翼形部分（７）の全翼幅に沿って存在することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力タービン用ロータブレード（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の少なくとも１つのロータブレード（１）を備えることを特徴とする風力タービン。

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