JP2020186697A - 風車用ブレード及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アップウィンド方式に適用される渦形成装置をダウンウィンド方式に適用した場合であっても、渦形成装置の効果が制限されず発電量の増大が可能なこと。【解決手段】本発明の風車用ブレードは、上記課題を解決するために、ブレードの表面に、三角形状の渦形成装置を少なくとも１つ備えた風車用ブレードであって、前記渦形成装置は、前記ブレードの表面で前記ブレードの先端に向う渦を形成する構成であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は風車用ブレード及び風力発電装置に係り、特に、ブレードの表面に空気流れの剥離を抑制する渦形成装置を備えているものに好適な風車用ブレード及び風力発電装置に関する。

近年、温室効果ガス削減の観点から、発電時に二酸化炭素を排出しない風力発電の導入が進んでいる。風力発電装置のブレードに風が当たると、ブレードはロータ軸を軸として回転し、ロータ軸の回転は増速機を介して発電機に伝達されることで発電する。

近年、風力発電装置の発電による二酸化炭素削減の観点から、風力発電装置の年間発電量が最大化するように運用されることが望まれている。これには、設置場所の風況に適した風力発電装置を建設する必要がある。

ところが、新規の風力発電装置の導入には多大な費用や時間が必要となることから、既存の風力発電装置の一部の部品、例えば、ブレードを風況に適したものに交換したり、ブレードの表面に空力性能を向上させる装置を付加することで発電量を向上させるなどのリパワリングが注目されている。

このリパワリングは、既存の風力発電装置を利用することから、風力発電装置の停止期間が短期間で済み、更には発電量を向上することができる。

水平軸の風力発電装置の出力は、風速の３乗および受風面積に比例するため、出力を向上させるためには、ブレードの受風面積、即ち、ブレードの長さを長くすることが効果的である。ブレードの空力性能向上策としては、ブレードの表面近傍の空気の流れが剥離するのを防止することが求められる。ブレードの表面近傍の空気の流れが剥離してしまうと揚力の低下につながることから、風力発電装置の発電量にも影響を及ぼす。

特許文献１には、ブレードの表面にボルテックスジェネレータ（渦形成装置）と呼ばれる突起物を付加し、この突起物で下流へ渦を形成することで、周辺の流れから運動量を供給してブレードの表面近傍の空気の流れの剥離を防止することが記載されている。

国際公開第２０１３／０１４０１５号

水平軸の風力発電装置の型式には、ロータがタワーより風上側に配置されるアップウィンド方式と、ロータがタワーより風下に配置されるダウンウィンド方式がある。

アップウィンド方式の風力発電装置は、回転するブレードがタワーによる風の乱れの影響を受けにくいという利点があるが、高風速時に空力荷重によりブレードが風下側に撓み、ブレードとタワー間のクリアランスが減少するため、ブレードとタワーが接触する危険がある。このため、アップウィンド方式のブレード先端は、風上側に傾斜してハブに取り付けられる。

一方、ダウンウィンド方式の風力発電装置は、ブレードを風向きに合わせるヨー駆動装置が不要となる特徴を持つとともに、ロータがタワーの風下側に位置するため、強風時にはブレードとタワーのクリアランスが拡大する。

しかしながら、ブレードがタワーの後を通過する際に、タワーの後流による荷重変化でブレードがタワーに衝突するのを防止するため、ブレードの先端が風下側に傾斜した状態でハブに取り付けられる。

水平軸の風力発電装置としてダウンウィンド方式を採用する場合には、ブレードがハブに取り付けられる角度であるチルト角やコーン角がアップウィンド方式と異なる。

このため、アップウィンド方式に適用されるボルテックスジェネレータをダウンウィンド方式のブレードに適用してもブレード近傍の空気流れに違いが生じ、ボルテックスジェネレータの効果が制限される可能性がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、アップウィンド方式に適用される渦形成装置をダウンウィンド方式に適用した場合であっても、渦形成装置の効果が制限されず発電量の増大が可能な風車用ブレード及び風力発電装置を提供することにある。

本発明の風車用ブレードは、上記目的を達成するために、ブレードの表面に、三角形状の渦形成装置を少なくとも１つ備えた風車用ブレードであって、前記渦形成装置は、前記ブレードの表面で前記ブレードの先端に向う渦を形成する構成であることを特徴とする。

具体的には、前記渦形成装置は、内角が最も小さい頂点が前記ブレードの前縁側に配置され、前記ブレードの圧力面又は負圧面の少なくとも一方の翼面上の圧力分布、翼回りの流速分布から求めた剥離点を複数つなげた剥離線より上流に備えられ、前記渦形成装置が前記ブレードの表面に接続される辺は、前記剥離線に対して鋭角であることを特徴とする。

また、本発明の風力発電装置は、上記目的を達成するために、ハブとブレードから成り、少なくとも風を受けて回転するロータと、前記ハブに接続されたロータ軸を介して前記ロータを軸支すると共に、その内部に前記ロータ軸に接続された発電機を少なくとも収納しているナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備える風力発電装置であって、前記ブレードは、上記構成の風車用ブレードであることを特徴とする。

本発明によれば、アップウィンド方式に適用される渦形成装置をダウンウィンド方式に適用した場合であっても、渦形成装置の効果が制限されず発電量の増大が可能となる。

本発明の風車用ブレードが採用されるダウンウィンド方式の風力発電装置を示す側面図である。 本発明の風車用ブレードの実施例１に係るブレードを示す概念図である。 図２のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 本発明の風車用ブレードの実施例１における渦形成装置のブレード上の配置を示す概念図である 本発明の風車用ブレードの実施例２に係るブレードを示す概念図である。 本発明の実施例２における渦をブレードの前縁側から見た図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の風車ブレード及び風力発電装置を説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１に、本発明の風車用ブレードが採用されるダウンウィンド方式の風力発電装置１０を示す。

図１に示すように、ロータ１がタワー６より風下に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置１０は、複数のブレード２及びブレード２の根元をロータ軸４に接続するためのハブ３から成り、風を受けて回転するロータ１と、このロータ１を軸支すると共に、地表面に設置された基礎の上に配置されるタワー６の上部に配置され、ロータ軸４と増速機及び発電機（図示せず）を収納するナセル５とから概略構成されている。上記タワー６は、ロータ１及びナセル５を所定の高さに支持するための架台である。

そして、ブレード２に風が当たると、ブレード２はロータ軸４を軸として回転し、ロータ軸４の回転は、増速機を介して発電機に伝達されることで発電が行われる。

ナセル５には、図示はしないが駆動装置と制御装置が設置され、ダウンウィンド方式の風力発電装置１０が効率よく発電できるように風の方向に向かうように制御される。

図２に、本発明の風車用ブレードの実施例１を示す。

図２に示す本実施例の風車用ブレードは、ブレード２のハブ３との接続部であるブレード根元１６の断面は円筒形状となっているが、空気力学的に回転力を得るため、ブレード先端１７の方向に向け断面は、図３に示すような翼型になっていく。

また、翼の厚さ（図３のブレード２の上下方向距離（圧力面１４と負圧面１３間の最大距離Ｌ））と翼の弦長（コード長ｃ）の比である翼厚比は、ブレード根元１６からブレード先端１７へ向けて小さくなるよう設定される。翼厚比と外形の異なる複数の翼型を配置し、ブレード根元１６の円筒形状から滑らかに各翼型を結ぶことでブレード２の外形が形成される。

上記したブレード２は、主にガラス繊維やカーボン繊維といった繊維強化樹脂複合材やバルサ材或いはポリ塩化ビニルなどの発泡材で構成された外殻（シェル）１５からなる中空構造となっており、図３に示すように、前縁部１１、後縁部１２、負圧面１３及び圧力面１４から構成され、シェル１５は、ブレード２の内部から主桁により強度を保っている。

ロータ１はロータ軸４を軸として回転することから、ブレード２の長さ方向の位置により回転速度が異なるため、回転速度と風の速度からなる相対速度もブレード２の長さ方向の位置により異なる。

また、ブレード２の長さ方向の各位置において、効率よく揚力が得られるように、ブレード２の根元から先端へかけねじり角が設けられている。即ち、ブレード２の表面は根元から先端に向ってフラットではなく、揚力が効率よく得られるようにねじられた構造となっている。

翼の前縁部１１と後縁部１２を結ぶコード線と相対風の流入方向とのなす角である迎角が大きくなり、ブレード２の表面で空気流れの剥離が生じると、空気流れの剥離した部分の圧力が低くなることからブレード２には抗力が働くが、この対策としては、剥離点をできる限り後縁部１２側にすればよい。

このためには、本実施例で示す渦形成装置１９により、ブレード２の表面に形成される境界層に運動量を供給すればよい。即ち、本実施例で示す渦形成装置１９により、運動量（乱流）をブレード２の表面に形成される境界層に供給することである。つまり、本実施例で示す渦形成装置１９は、ブレード２の表面でブレード先端１７に向う渦を形成するように構成されている。

ところで、ブレード２の表面に渦形成装置１９を取り付けるためには、ブレード２の周りの空気流れがブレード２の表面から剥離する剥離点を把握する必要がある。

この方法としては、渦形成装置１９を取り付けていないブレードに関して、風洞実験や流体解析を実施したり、実際の風力発電装置で運転をしたりして、ブレード上の付着物を観察する方法などがある。

風洞実験では、風洞の中にブレードの縮小模型を設置し、実際の風車の運転条件と同様となるように流れの相似則により条件を決定する。空気流れの剥離の確認には、翼面上の圧力を測定する方法や、レーザードップラー流速計により流速を測定する方法などを利用する。得られた結果から風洞実験同様に翼面上の圧力分布、翼回りの流速分布から剥離点が確認できる。

流体解析においても流れの相似則により、実際のモデルを縮小した規模で解析を実施することで、計算コストを削減できる。

次に、図４を用いて本実施例の風車用ブレードにおける渦形成装置１９のブレード２への取り付け位置について説明する。

図４に示すように、渦形成装置１９は、第一の辺２１、第二の辺２２及び第三の辺２３の三辺が異なる長さからなる三角形状をしたフィンである。

ブレード２の表面において、渦形成装置１９は、先に求めた剥離点を複数つなげた剥離線１８より前縁部１１側に取り付ける。この時、渦形成装置１９の三辺のうち最も大きな内角を構成する辺であり、かつ、最も小さな内角も構成する第一の辺２１がブレード２の表面に接続される。最も小さな内角を持つ頂点を前縁部１１の方向に配置したときに、第一の辺２１と剥離線１８のなす角のうち、ブレード根元１６側の設置角度をθとする。本実施例における設置角度θの範囲は鋭角、即ち、０°＜θ＜９０°とする。

なお、ブレード２に渦形成装置１９を取り付けることは、抗力を増加させることになるから、相対風の流れと垂直な渦形成装置１９の投影面積は、渦の生成を低下させない範囲で小さくすることが望まれる。

渦形成装置１９が形成する渦の生成は、設置角度θが６０〜７０°の範囲で最も効率がよくなり、渦形成装置１９の抗力と合わせると、設置角度θの範囲は４０°＜θ＜９０°とすることが好ましい。

また、渦形成装置１９の高さをｈとすると、取り付け位置における速度境界層厚さδに対してｈ＜２δを満たすようにする。渦形成装置１９は、縦渦を形成して下流の境界層に運動量を供給する役割を担うため、エネルギーの大きな渦を形成する高さｈが好ましい。

一方、大きな渦を形成するためには、渦形成装置１９の高さｈを高くする必要があり、この高さｈが高くなるほど抗力が大きくなり、上述の範囲以上の高さｈにすると剥離抑制の効果を相殺してしまう。

渦形成装置１９は、剥離線１８に沿ってブレード２の上に複数配置することができ、その配置としては、上述の設置角度θ及び高さｈの範囲で変化させることができる。例えば、渦形成装置１９を設置する範囲において、相対風速及びコード長ｃ（図３参照）をパラメータとして求められるレイノルズ数が最も大きくなる場所で規定される渦形成装置１９の高さｈの三角形状フィンを１種類とし、ブレード根元１６に最も近い渦形成装置１９の設置角度θは最も小さく、ブレード先端１７に近づくにつれ設置角度θが大きくなる構成とする。

このような構成とすることで、１種類の三角形状フィンにより、何れの位置においてもｈ＜２δを満たすことができるとともに、根元からの位置により設置角度θを変えることにより、相対風速の速い先端側で渦形成装置１９の抗力の増加を小さくすることができる。

渦形成装置１９は、樹脂や金属からなりブレード２の製作時に取り付けてもよいし、稼働中の風力発電装置のブレード２に後付で取り付けてもよい。

風車用ブレードの流体解析をした結果、負圧面１３で剥離が生じる場所のブレード２の長さ方向の流れは、ブレード根元１６からブレード先端１７の向きになっている。

本実施例のような構成としたブレード２を風力発電装置１０で使用すると、渦形成装置１９により、ブレード２の前縁部１１の方向から見て時計回りの渦が渦形成装置１９の下流に形成される。即ち、ブレード２の表面近傍では、ブレード根元１６からブレード先端１７の向きの渦が形成される。

本実施例によれば、渦形成装置１９により、ブレード２の表面からの空気流れの剥離を防止し、揚力が低下することを防止する風車用ブレードを提供することができる。

また、本実施例は、アップウィンド方式の風力発電装置にも適用できるが、特に効果が期待できるのはダウンウィンド方式の風力発電装置に適用することである。

現在、製造されるほとんどの風車用ブレードは、アップウィンド方式への適用を想定して設計されており、ダウンウィンド方式の風力発電装置を建設する場合、ダウンウィンド方式に適した風車用ブレードを設計する必要があるが、時間的、金銭的なコストが多大となる。

そこで、アップウィンド方式を想定した風車用ブレードを利用することが考えられるが、ブレード２の表面近傍の空気流れがアップウィンド方式で利用する場合とダウンウィンド方式で利用する場合は異なることから、ブレード２の性能が十分発揮できないことが考えられる。

しかし、アップウィンド方式向けの風車用ブレードに、本実施例で説明した渦形成装置１９を取り付けることで、ダウンウィンド方式の風力発電装置で発電を行っても揚力低下を防止でき、所望の発電量（年間発電量の増大）を得ることができる。

従って、本実施例によれば、アップウィンド方式に適用される渦形成装置１９をダウンウィンド方式に適用した場合であっても、渦形成装置１９の効果が制限されず発電量の増大が可能となる。

実施例２では、ブレード２に取り付ける渦形成装置１９が複数で１つのグループを形成し、その１つグループが複数からなる構成を示す。なお、実施例１と共通する部分の説明は省略する。

図５は、実施例２に係るブレード２を示す概念図である。ブレード２に取り付けられる渦形成装置１９は、ブレード２の２つが１つのグループとなり、そのグループが３つのグループ２４ａ、２４ｂ及び２４ｃとなっている例を示す。

このような本実施例の構成とすることにより、図６に示すように、第一の渦形成装置が形成する渦３１と第二の渦形成装置が形成する渦３２は、同じ回転方向に渦を形成することから、渦形成装置１９の３つのグループ２４ａ、２４ｂ及び２４ｃが形成する渦の一部は、図６に示すように合体し、合成渦３３として成長するのでエネルギーが大きくなる。

なお、第一の渦形成装置が形成する渦３１と第二の渦形成装置が形成する渦３２は同じ径である必要はなく、渦形成装置１９の高さｈや設置角度θを制約条件の範囲で任意に変えることで、合成渦３３の形状も変化する。合成渦３３の幅を広くしたい場合には、グループ内の渦形成装置１９の数を増やせばよい。

以上のような構成とすることで、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、渦形成装置１９の下流において運動量の供給が効果的に行われ、剥離を防止することができ、風力発電装置の発電量を向上することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ロータ、２…ブレード、３…ハブ、４…ロータ軸、５…ナセル、６…タワー、１０…風力発電装置、１１…前縁部、１２…後縁部、１３…負圧面、１４…圧力面、１５…外皮（シェル）、１６…ブレード根元、１７…ブレード先端、１８…剥離線、１９…渦形成装置、２１…第一の辺、２２…第二の辺、２３…第三の辺、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…渦形成装置のグループ、３１…第一の渦形成装置が形成する渦、３２…第二の渦形成装置が形成する渦、３３…第一及び第二の渦形成装置が形成する渦の合成渦。

Claims (14)

1. ブレードの表面に、三角形状の渦形成装置を少なくとも１つ備えた風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置は、前記ブレードの表面で前記ブレードの先端に向う渦を形成する構成であることを特徴とする風車用ブレード。
2. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置は、内角が最も小さい頂点が前記ブレードの前縁側に配置され、前記ブレードの圧力面又は負圧面の少なくとも一方の翼面上の圧力分布、翼回りの流速分布から求めた剥離点を複数つなげた剥離線より上流に備えられ、前記渦形成装置が前記ブレードの表面に接続される辺は、前記剥離線に対して鋭角であることを特徴とする風車用ブレード。
3. 請求項２に記載の風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置は、第一の辺、第二の辺及び第三の辺の三辺が異なる長さからなる三角形状をしたフィンであり、
   前記渦形成装置の三辺のうち最も大きな内角を構成する辺であり、かつ、最も小さな内角も構成する前記第一の辺が前記ブレードの表面に接続され、かつ、最も小さな内角を持つ頂点を前縁部の方向に配置したときに、前記第一の辺と前記剥離線のなす角のうち、ブレード根元側の設置角度θは鋭角であることを特徴とする風車用ブレード。
4. 請求項２又は３に記載の風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置は、前記ブレードの表面に接続される辺と前記剥離線とのなす角θが、４０°＜θ＜９０°であることを特徴とする風車用ブレード。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置は、その高さが設置場所における境界層厚さの２倍以下であることを特徴とする風車用ブレード。
6. 請求項５に記載の風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置は、前記剥離線に複数配置されていることを特徴とする風車用ブレード。
7. 請求項６に記載の風車用ブレードであって、
   前記ブレードの根元側に最も近い前記渦形成装置の前記θは最も小さく、前記ブレードの先端に近づくにつれ前記θが大きいことを特徴とする風車用ブレード。
8. 請求項２乃至７のいずれか１項に記載の風車用ブレードであって、
   複数の前記渦形成装置が１つのユニットとして前記剥離線に沿って取り付けられていることを特徴とする風車用ブレード。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風車用ブレードであって、
   前記渦形成装置が複数で１つのグループを形成し、その１つグループが複数から成ることを特徴とする風車用ブレード。
10. 請求項９に記載の風車用ブレードであって、
    複数の前記グループで形成する渦の一部は、合体して合成渦として成長することを特徴とする風車用ブレード。
11. 請求項１０に記載の風車用ブレードであって、
    前記渦形成装置の高さ及び／又は設置角度が、制約条件の範囲で任意に変えることができることを特徴とする風車用ブレード。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風車用ブレードであって、
    前記渦形成装置は、樹脂或いは金属から成ることを特徴とする風車用ブレード。
13. ハブとブレードから成り、少なくとも風を受けて回転するロータと、前記ハブに接続されたロータ軸を介して前記ロータを軸支すると共に、その内部に前記ロータ軸に接続された発電機を少なくとも収納しているナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備える風力発電装置であって、
    前記ブレードは、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風車用ブレードであることを特徴とする風力発電装置。
14. 請求項１３に記載の風力発電装置であって、
    前記風力発電装置は、ダウンウィンド方式の風力発電装置であることを特徴とする風力発電装置。

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