JP2011521169A

JP2011521169A - 風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根

Info

Publication number: JP2011521169A
Application number: JP2011510831A
Authority: JP
Inventors: ラルセン，ヘルギ; アランミューラー，ヤン; ラルセン，ラルス
Original assignee: ビンドテックトルシャウンアンパーツゼルスカブ
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2011-07-21
Also published as: EA201001791A1; EP2307703A1; AU2009253542A1; WO2009143846A1; DK200800723A; BRPI0912147A2; EP2307703A4; US20110116923A1; CA2726006A1; CN102105679A; ZA201008653B; MX2010012938A

Abstract

本発明は、風力タービンのロータ用の羽根に関し、該ロータはハブを具備し、少なくとも１つの羽根がハブから径方向に概ね延在しており、該羽根は、ハブに最も近接する基部領域、ハブから離間して位置する移行領域、および少なくとも翼型部を有してなる。少なくとも１つの長尺の溝が羽根の圧力側部と低圧側部との間に形成され、該溝には翼型部の前方に流入開口が形成されるとともに翼型部の後方側に流出開口が形成されていて、溝の開口面積は流入開口から流出開口に向かって減少している。ここで、この溝において、溝を通って流れる空気の速度が増大し、これによって羽根周りの風から発生される電力量が増大するようになっている。

Description

本発明は、風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根に関する。該ロータはハブを具備し、少なくとも１つの羽根が該ハブから径方向に概ね延在しており、該羽根は、ハブに最も近接する基部領域、ハブから離間して位置する移行領域並びに圧力側部および低圧側部を有してなる。

さらに本発明は、少なくとも１つの羽根を用いて、媒体、例えば空気または水の流れを回転エネルギにエネルギ変換するエネルギ変換方法に関する。ここで、羽根は軸線回りに回転し、回転軸線に対して径方向に形成されるとともに圧力面を有していて、該圧力面において媒体流がその圧力面に対する押圧力を発生させ、前記羽根が低圧面を有していて、該低圧面において前記媒体が引張力を発生させる。

特許文献１は、概ね水平のロータシャフトを具備する風力タービンのロータ用の羽根に関するものであり、該ロータはハブを具備し、羽根は、取り付けられたときにロータのハブから径方向に概ね延在している。羽根は、羽根の前縁と後縁との間に延在するコード面（chord plane）を有している。羽根は、ハブに最も近接する基部領域と、ハブから最も離間して位置する翼型領域と、基部領域と翼型領域との間に位置する移行領域とを有するとともに、前記翼型領域全体に概ね沿って単一の翼形状をなしている。羽根は、基部領域全体に概ね沿って第１の基部部分と第２の基部部分とを少なくとも有しており、これらの基部部分は、コード面の横断視で分かるように補完的な距離に配列されている。これらの基部部分のうちの少なくとも１つは翼型の外形をなしている。

特許文献２は、シャフトに取り付けられた少なくとも１つの羽根を伴う第１の組と、同じシャフトに取り付けられた少なくとも１つの羽根を伴う少なくとも１つの第２の組とを備えた風力発電プラントに関し、これら第１および第２の組の羽根は、同じ回転方向および同じ回転数を有するように取り付けられている。第２の組の羽根は第１の組の羽根よりも短く形成されていて、第１の組の羽根とは異なる最適先端速度比を有しており、これによって２つの組の羽根は、同じ回転数における電力出力に関して最適化されている。２つの組の羽根の長さの比は、２つの組の羽根の最適先端速度比の比によって定められる。或いは、２つの組の羽根の長さの比と、一方の組の羽根における最適な先端速度比とに基づいて定まる最適先端速度比を有するように、第２の組の羽根を形成してもよい。２以上の組の羽根が互いに直接前後して配置されてもよいし、同じロータ面に配置されてもよい。また、この従来技術にしたがって、２組の羽根を小型のウィンドロウズ（wind rose）と大型のファストランナ（fast-runner）とにより構成されてもよい。さらに当該従来技術は、かかる風力発電プラントの使用に関する。

特許文献３は、大型の水平軸風力タービン用の回転羽根に関し、容易な輸送、操作および格納が可能であると同時に、風力エネルギの効率的な利用を保証する。当該従来技術により、併んで配列され、好ましくはこれらの間に固定された２つ以上の要素からなり、これら要素間において空力学的な干渉を生じるように形成された羽根が提供されている。

国際公開第２００７／０４５２４４号国際公開第２００７／０５７０２１号国際公開第２００７／１０５１７４号

本発明の目的は、風力タービンまたは水力タービンによる発電量を増大することである。本発明のさらに別の目的は、低速回転する羽根の内方部分による発電量を増大することである。

請求項１の前段に記載された羽根において、少なくとも１つの長尺の溝が羽根の圧力側部と低圧側部との間に形成され、該溝には羽根の圧力側部において流入部が形成されるとともに羽根の低圧側部において流出部が形成されていて、溝の開口面積が流入部から流出部に向かって減少している場合に、本発明の範囲は充足される。

ここで、溝において、溝を通って流れる空気または水の速度が増大することにより、羽根周りの風または水から発生される電力量を増大させる。特に回転中心に近い羽根のハブ近傍の領域においては、回転速度が比較的低速であるために比較的発電量が少ないか、または発電されない。羽根の低速回転部分に長尺の溝が形成された場合、羽根の当該部分による発電量が急激に増大する。これにより、風力タービンの羽根による発電量は、羽根外方の３分の１から主としてもたらされるものまで減少するのではなく、羽根の内方部分からももたらされるようになる。羽根に形成された溝を利用することによって、羽根から生成されるエネルギ量を２０％増大できる。発電量の増大は、羽根に対して多大な重量を付加することなく、かつ羽根を長尺化することなく達成される。したがって、本発明は、単に羽根を交換するだけで、略すべての既存の風力タービンにおいて利用可能な高効率の羽根を提供する。

溝は、補助羽根と主羽根との間に形成可能であり、補助羽根は、主羽根の前方であって主羽根の低圧側部に配置されている。補助羽根を主羽根の前方に、かつ主羽根の低圧側部に対して平行に配置することによって、主羽根と補助羽根との間に流路溝が形成されている。この流路溝は、主羽根と補助羽根との間の距離が僅かに減少するように形成可能である。これにより、この溝を通って流れる媒体の速度が増大する。速度が増大することにより、主羽根の前方に作用する作用力も増大する。媒体が補助羽根の周りを通る必要があるために移動経路長が幾分長くなっており、補助羽根に沿って流れる媒体もその速度が増大している。これにより補助羽根に作用する力も増大する。結局、媒体の速度増大が媒体によるエネルギ消費の増大をもたらす。

羽根には、羽根の圧力側部と低圧側部との間に少なくとも１つの長尺の溝が形成されており、溝には羽根の圧力側部に流入開口が形成されるとともに、低圧側部に流出開口が形成されていて、溝の開口面積は、流入開口から流出開口に向かって減少している。或いは、主羽根内部に溝を形成してもよい。この実施形態は、羽根に対して溝が形成される場合には新しい製造設備が必要になるので将来的に好適なものになりうる。溝を羽根内部に形成することによる効果は、前述したものと略同じである。溝の壁部間の距離が溝に沿って減少しているので、溝を通って流れる媒体はその速度が増大する。これにより媒体の速度が増大する。したがって、溝の壁部において作用力が生じる。媒体が比較的高速で溝から出るとき、この媒体は、溝を通過せずに羽根周りを通る媒体を逸らす。この媒体は、羽根の正味の寸法を増大させるようにして逸らされる。したがって、これらが組み合わされた力が生じて、媒体からの電力消費量が増大する。

溝は、羽根の基部近傍を始点にして羽根の端部まで連続していてもよい。また、羽根の端部近傍における幅狭の溝によって羽根のエネルギ消費を増大させられる。
溝が羽根の基部近傍を始点にして羽根の長さの少なくとも２／３まで連続しているのがさらに好ましい。溝の長さを羽根の内方の２／３までの長さにすることによって、エネルギ生成をさらに改善できる。およそ低速回転の風力タービン用の羽根を採用することにより、羽根の長さをさらに増大させることが可能である。本発明の採りうる幾つかの実施形態において、溝が羽根の前方に到るまで延びていてもよい。
溝は、羽根の基部近傍を始点にして少なくとも羽根の長さの中間点まで連続しているのが好ましい。溝は、このような羽根において標準的な条件では効率が低下してしまう羽根の内方部分において最も効率的である。溝を羽根の内方部分に配置することによって、羽根内方の半分の部分からの発電量が増大する。

本発明の第２の実施形態において、２つの平行する長尺の溝が羽根に形成されうる。２つの平行な溝を羽根に形成した場合、羽根からの発電をさらに改善できる。少なくともハブ近傍の内方部に第２の溝が形成されるとともに、第１の溝が、羽根の外端部に幾分接近する方向に幾分長く形成された場合に、発電量はおよそさらに増大する。
溝は、溝が間に形成される主羽根と補助羽根とにおける翼型を分断することによって主として形成される。

主羽根と補助羽根との間の距離は、流入部から流出開口に向かって減少しているのが好ましい。溝の開口を小さくすることによって、溝を通って流れる空気がその速度を増すようになる。この速度の増大が発電量を増大させる要因である。溝を通って流れる空気は、周囲の空気よりも高い速度で溝を離れるので、空気の速度が通常よりも大きくなり、主羽根の領域によってさらにエネルギが生成される。羽根の下方を通る空気と羽根の上方を通る空気との間の速度差は、羽根により生成されるエネルギをもたらす要因となる。したがって、空気の速度の増大は大きいエネルギ生成をもたらす。

羽根に対して少なくとも１つの溝を形成可能であり、この溝には、羽根の圧力側部において流入部が形成されるとともに低圧側部において流出部が形成される。ハブに最も近接する領域に位置する羽根の低速回転部分に溝を配置することによって、羽根の内方領域はその効率を増す。溝を羽根の長さの３分の１の内方のみに配置すると、およそ最も効率的であろう。典型的な羽根は、高速回転する羽根の外方部分において高効率になるように設計される。すなわち、羽根の内方部分は、適切な空気力学的設計よりも高効率の外方部分を支持する材料の強度に重点をおいて形成されている。したがって、羽根の内方部分は空気力学的に最適ではない。羽根の内方部分に溝を配置することによって、羽根の内方部分の効率を向上させ、不良の空気力学的構造を補償している。実際に、何らかの採りうる手法を用いて１つまたは２つの溝を羽根の内方部分に配置すると、発電量を２０％まで増大できる。溝および羽根の設計をコンピュータシミュレーションにより行って、このコンピュータシミュレーションに従って新しい羽根を設計した場合には、発電量をさらに増大することさえ可能である。

本発明の第１の実施形態を示す図である。図１と同じ実施形態を反対側から見た図である。本発明の実施形態の断面図である。端部を断面状にした拡大側面図である。ハブに連結された３つの羽根を示す図である。羽根のＡ−Ａに沿って見た断面図である。図６に示されたものと同じ要素を示す図である。低圧側部から見た羽根１０２を示す図である。本発明の代替的な実施形態を示す図である。羽根の代替的な実施形態の断面図である。低圧側部から見た代替的な実施形態による羽根を示す図である。

図１は、風力タービンまたは水力タービン用の羽根２を示している。この羽根は羽根２の低圧側部８から見たものである。羽根２は、基部連結部４および移行領域６を有している。移行領域６は羽根の低圧側部８まで連続している。羽根２は端部１０まで連続している。羽根２の圧力側部１６には、長尺の溝１８への流入部１４が形成されている。

図２は図１と同じ実施形態を圧力側部１６から見た図である。基部連結部４は移行領域６によって羽根２に連結されており、羽根２は端部１０を有している。羽根２の圧力側部１６には溝１８からの流出開口２０が形成されており、図１において溝１８には流入部１４が形成されている。

図３は羽根２の断面図を示す。羽根２は低圧側部８および高圧側部１６を有している。溝１８への流入部１４は流出部２０まで連続している。羽根２は、図示した断面において補助羽根部２２および主羽根部２４が形成されていて、溝１８はこれらの補助羽根部２２，２４の間に形成されている。

図４は、ハブ連結部４および移行領域６を備えた羽根２を示している。図４は、さらに羽根２の低圧側部８および圧力側部１６を示している。溝１８には流入部１４および流出部２０が形成されている。溝１８は、補助羽根部２２と主羽根部２４との間に形成されている。

作動時に空気または水が羽根２の周りを流れて、これにより風力タービンまたは水力タービンの駆動力を生じる。風力タービンまたは水力タービンは、風力エネルギまたは水力エネルギを使用可能、蓄電可能、或いは送電可能な電力に変換する。図示されたこの羽根２の中央部分において、溝１８が形成されている。溝１８は、羽根２の内方部分でもある移行領域６の略端部を始点にしている。羽根２の内方部分においては回転が非常に低速なので、通常は小さい効果しか得られない。流入部１４および流出部２０が形成された溝１８を利用して、この低速回転の補償が行われる。単純に流入部１４が流出部２０よりも大きな開口面積を有しているため、溝１８の内部において、気流または水流はその速度が増大する。こうして増大した空気または水の速度は大きな電力消費をもたらす。空気または水の速度が増大することにより、羽根に作用する力を増大させる。羽根２の内方部分に形成されたこの溝１８を利用することで、羽根２の発電量を２０％まで増大できる。

図５は、ハブ１０３に連結された３つの羽根１０２を示している。羽根１０２は、羽根それ自体とハブ１０３との間に移行領域１０６を有している。羽根１０２は圧力側部１１６から見たものである。補助羽根１２２は羽根１０２に固定され、移行領域から羽根に沿って外方に位置している。補助羽根１２２は、主羽根１０２に沿って略半分の位置に末端が位置している。

さらに、図６は、図５に示された羽根２のＡ−Ａに沿って見た断面図である。図６において、羽根１０２は低圧側部１０８および加圧側部１１６を有している。溝流入部１１４は溝１１８を向いて示されていて、溝流出部１２０も同様である。補助羽根１２２が主羽根１０２から離間して配置されているために、溝１１８が形成されている。

図７は、図６について前述したものと同じ要素を示している。２つの図面の差異点のみを説明する。図７は、補助羽根１２２の端部近傍のＢ−Ｂに沿って見た断面図である。図６と比較すると、主羽根１０２の断面積が小さくなっているのが明確に分かる。補助羽根１２２は寸法が大幅に小さくなっており、主羽根１０２との距離は増大している。溝１１８は、このように非常に短く、かつ非常に大きな開口断面を有している。このことは、羽根の回転速度が大きく増大するのに従って、すなわちハブ１０３から距離が大きくなるのに従って、媒体の速度が非常に大きくなるためである。

図８は、低圧側部１０８から見た羽根１０２を示す図である。羽根１０２は、移行領域１０６によって基部連結部１０４に連結されている。低圧側部１０８には補助羽根１２２が見られ、流入部１１４および流出部１２０が形成されている。ここで、補助羽根１２２は羽根の方向において寸法が減少しているのが分かる。

図９は本発明の代替的な実施形態を示しており、羽根２０２に２つの溝２１８および溝２２６が形成されている。第１の溝２１８は流入部２１４および流出部２２０を有している。さらに、溝２２６は流入部２２８および流出部２３０を有している。溝２１８および溝２２６は、いずれも壁面間の距離が流入部２１４，２２８から流出部２２０，２３０に向かって減少するように形成されている。こうすることによって溝内の媒体速度が増大し、媒体からのエネルギ消費が大幅に大きくなる。実際に、高速の媒体流は３つの異なる面に作用すると同時に、２つの流出部２２０，２３０が羽根周りの媒体流を逸らすようになる。このように逸らすことによって、羽根が実際よりも大幅に大きくなったかのように作用するので、電力消費を増大させるように作用する。

さらに、図１０は、羽根３００の代替的な実施形態の断面図である。図１０において、羽根３００は、低圧側部３０８および加圧側部３１６を有している。溝流入部３１４が溝３１８を向いて図示されていて、溝流出部３２０も同様である。補助羽根３０４が主羽根３０２から離間して配置されているため、溝３１８が形成されている。

図１１は、低圧側部３０８から見た羽根３００を示している。羽根３００は、移行領域３０６によって基部連結部３０５に連結されている。低圧側部１０８には補助羽根３０４が見られ、流入部３１４および流出部３２０が形成されている。ここで、補助羽根３０４は、基部連結部３０５から離間する羽根の長手方向において、寸法が減少しているのが分かる。

Claims

風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根であって、該ロータはハブを具備し、少なくとも１つの羽根（２，１０２，３００）が前記ハブから径方向に概ね延在しており、該羽根（２，１０２，３００）は、前記ハブに最も近接する基部領域（４，１０４，３０５）、前記ハブから離間して位置する移行領域（６，１０６，３０６）並びに圧力側部（１６，１１６，３１６）および低圧側部（８，１０８，３０８）を有してなる羽根において、
少なくとも１つの長尺の溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）が前記羽根（２，１０２，３００）の圧力側部（１６，１１６，３１６）と低圧側部（８，１０８，３０８）との間に形成されていて、該溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）には、前記羽根（２，１０２，３００）の圧力側部（１６，１１６，３１６）において少なくとも１つの流入開口（１４，１１４，２１４，２２８，３１４）が形成されるとともに、前記羽根（２，１０２，３００）の低圧側部（１６）において少なくとも１つの流出開口（２０，１２０，２２０，２３０，３２０）が形成されており、前記溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）の開口面積は、前記流入開口（１４，１１４，２１４，２２８，３１４）から前記流出開口（２０，１２０，２２０，２３０，３２０）に向かって減少していることを特徴とする、風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
前記溝（１８，１１８，３１８）が補助羽根（２２，１２２，３０４）と主羽根（２，１０２，３０２）との間に形成されており、前記補助羽根（２２，１２２，３０４）が、前記主羽根（２，１０２，３０２）の前方であって前記主羽根（２，１０２，３０２）の低圧側部（８，１０８，３０８）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または水力タービンのロータ用の羽根。
羽根（２，１０２，３００）が、前記羽根（２，１０２，３００）の圧力側部（１６，１１６，３１６）と低圧側部（８，１０８，３０８）との間に少なくとも１つの長尺の溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）が形成され、該溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）には、前記羽根（２，１０２，２０２，３００）の圧力側部（１６，１１６，３１６）において１つの流入開口（１４，１１４，２１４，２２８，３１４）が形成されるとともに、前記羽根の低圧側部（１６，１１６，３１６）において１つの流出開口（２０，１２０，２２０，２３０，３２０）が形成されており、前記溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）の開口面積は、前記流入開口（１４，１１４，２１４，２２８，３１４）から前記流出開口（２０，１２０，２２０，２３０，３２０）に向かって減少し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または水力タービンのロータ用の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
前記溝（１８，１１８，２１８，２２８）が前記羽根（２，１０２，３００）の基部領域（４，１０４，３０５）の近傍を始点として前記羽根（２，１０２，３００）の端部（１０）まで連続していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
前記溝（１８，１１８，２１８，２２６，３１８）が前記羽根（２）の基部領域（４，１０４，３０５）の近傍を始点として前記羽根（２）の長さの少なくとも２／３まで連続していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
前記溝（１８，１１８，２１８，２２８）が前記羽根（２，１０２，３００）の基部領域（４，１０４，３０５）の近傍を始点として前記羽根（２，１０２，３００）の長さの少なくとも中間点まで連続していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
平行する第１の長尺の溝（１８，２１８）および第２の長尺の溝（２６，２２６）が前記羽根（２）に少なくとも形成されることを特徴とする、請求項３〜６のいずれかに記載の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
前記溝（１１８，３１８）が主羽根（１２４，３０２）および少なくとも１つの補助羽根（１２２，３０４）によって形成され、これら前記主羽根（１２４，３０２）と前記補助羽根（１２２，３０４）との間に前記溝（１１８，３１８）が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
前記主羽根（１２４，３０２）と補助羽根（１２２，３０４）との間の距離が、前記流入開口（１１４，３１４）から流出開口（１２０，３２０）に向かって減少していることを特徴とする、請求項７に記載の風力タービンまたは水力タービンのロータ用の羽根。
少なくとも１つの羽根（２，１０２，３００）を用いて媒体の流れから回転エネルギにエネルギ変換するエネルギ変換方法であって、該羽根（２，１０２，３００）は軸線回りに回転し、前記回転軸線に対して径方向に形成されるとともに圧力面（１６，１１６，３１６）を有していて、該圧力面（１６，１１６，３１６）において媒体流が該圧力面（１６，１１６，３１６）に対して押圧力を発生させ、前記羽根（２，１０２，３００）が低圧面（８，１０８，３０８）を有していて、該低圧面（８，１０８，３０８）において前記媒体が引張力を発生させるエネルギ変換方法において、
少なくとも１つの溝（１８，１１８，２１８，２２６）が前記羽根（２，１０２，３００）に形成されるとともに、該溝（１８，１１８，２１８，２２６）には、前記羽根（２，１０２，３００）の圧力側部（１６，１１６，３１６）において流入部（１４，１１４，２１４，２２８，３１４）が形成されるとともに、前記低圧側部（８，１０８，３０８）において流出部が形成されることを特徴とする、エネルギ変換方法。