JP3833535B2 - 風力装置用のロータ・ブレード - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、風力装置（風力発電装置）用のロータ・ブレードに関するものである。
【０００２】
（背景技術）
ロータ・ブレードの効率の度合いは、注流角、すなわち、ロータ・ブレードの側面輪郭翼弦（プロフィール・コード）と空気の注流方向との間の角度によって決定される。とくに風力装置において、注流角は、ロータ・ブレードの速度すなわちロータの回転速度と、風の向きとに依存する。注流方向は、図１において、風速V_windとロータ・ブレード先端速度V_Tipとの合成ベクトルにより区別され、この場合における有効注流速度V_effは下記の式（１）で表される。
【０００３】

【０００４】
風速が変化すれば、注流角も変化するが、ロータの回転速度はそのままであり、ロータ・ブレードの迎え角もそのままである。これにより、ロータ・ブレードに作用する揚力が変化し、最終的にはロータの効率のレベルが変化する。注流角が０°の場合、すなわち、風速が比較的小さい場合、揚力は非常に小さい。注流角が小さい範囲にある限り、効率のレベルは初期段階では風速に応じて最大レベルの効率まで緩やかに増加する。風速がさらに上昇すれば、流れが、ロータ・ブレードの吸込み側、すなわち、風から離れるロータ・ブレードの側で砕ける値まで注流角が増加する。この後、風速の上昇に伴って効率のレベルが急激に減少する。これは失速域と言われている。
【０００５】
前述の関係を説明するために、図２は、高速指数(Schnelllaufzahl)λの関数としてのロータ・ブレードのパワー係数Cpを示している。
λ ＝ V_Tip/V_Wind ……… （２）
【０００６】
高速指数は、そのときの風速V_Windに対するブレード先端でのロータ・ブレードの速度V_Tipの比から上記式(２)に従って算出され、それゆえに、最初の近似において、すなわち、注流角が比較的小さい場合において、注流角に逆比例する。パワー係数Cpは、ロータ・ブレードの効率に比例する。
【０００７】
図２は、高速指数の下降に伴って、パワー効率Cpは先ず上昇し、最大値を超えた後、急激に下降することを示している。また、図２には示されていないが、パワー係数は、注流角もロータ・ブレードの迎え角とともに変化するから、この迎え角にも依存している。最適パワーを得るには、ロータ・ブレードの迎え角を、風力装置が、ロータ・ブレードと風速とを一定として、Cp曲線の最大値のところで稼働するように選定する必要がある。
【０００８】
しかしながら、大部分の地域では風速が一定と見ることは不可能である。ロータの回転速度が一定としても、風が変われば高速指数も変わる。しかし、風力装置の稼働時においては、風が変わってもできるだけ大きいパワー効率が達成できるようでなければならず、風力発電装置のロータの回転速度は従来、可変回転速度の原理に基づいて風速に従って線形制御されているので、高速指数はできるだけ一定のままで、ロータ・ブレードが最大パワー効率に近づくように稼働されている。この構想は、乱流が少ない場所では良好に機能する。
【０００９】
突風が吹きまくっている時でのロータの回転速度の追従調節は、それに合わせた速度と精度のいずれか、または両方に関しては不可能である。風速が平均値を中心として急速かつ大きく変動する場合では、ロータの回転速度は、かかる変動に直接かつ迅速についていけない。その結果、とくに風速が急激に上昇している時では、注流角が一時的に大きくなりすぎる。そのとき、ロータ・ブレードの吸込み側での流れが砕け、そのために揚力がなくなるか、または、良くても揚力は著しく減少したものとなってしまう。したがって、ロータに作用するトルクも直ちに降下し、その結果、回転速度もよけいに降下する。この作用は注流角がもっと大きくなるにつれて自動的に増大する。
【００１０】
同様な問題は、乱流が局所的に少ない地域においても発生する。例えばロータの回転半径の右側だけでの風速が変化すると、その時に乱流に遭っているロータ・ブレードでの流れが砕けてしまう。そのような状況にあっては、可変回転速度でも役に立たない。
【００１１】
ドイツ国特許第198 15 519号には、受動的失速ないし能動的失速原理で稼働する風力発電装置のロータ・ブレードが開示されており、ここでのロータ・ブレードはその前縁が特定のプロフィール（側面輪郭）を持っている。
【００１２】
ドイツ国特許第44 28 731号には、風力装置用の可変長ロータ・ブレードが開示されており、少なくともその一部分が、固定本体と可動伸縮体とからなる伸縮機構を構成している。
【００１３】
ドイツ国特許第44 28 730号には、ロータ・ブレードの全長にわたって延在してブレード先端に向かってテーパしているとともに、２つの脚板と２つの湾曲フランジ板とからなる、負荷支承型中空形状の風力装置用金属製ロータ・ブレードが開示されており、前記フランジ板は、中空形状の部分でロータ・ブレードの所望の表面輪郭を同時に画成している。
【００１４】
ドイツ国特許第31 26 677号には、高速ロータ用のロータ・ブレードが開示されている。この場合でのブレード先端部域は、独立したロータ・ブレード部で構成されていて、ロータ・ブレードに対して、ロータ・ブレード部が風力により調節自在となるように枢支軸を介して連結されている。
【００１５】
最後に、ヨーロッパ特許第0 675 285号には、風力装置用であって、ロータ・ブレードに可及的最大粗面を設けるために可変数の薄片を設けたロータ・ブレードの羽板が開示されている。
【００１６】
突風や強風時に風力装置の稼働ができるだけ失速域に入らないようにするためには、パワー係数の最大値に対応する高速指数よりもいくらか大きい高速指数で(図２を参照のこと)、平均風速に基づいて風力装置が稼働するように、ロータ回転速度を制御しているのが通常である。その結果、突然ではあるが、あまり強くはなく勢いづく風の場合、パワー係数は先ず上昇する。風速が突然大きく上昇した場合、効率の最大値が依然と超過され、流れが砕け始める。このことは、前述の問題点が依然と十分解消されていないことを意味する。もう１つの問題点として、発電量が、選ばれた回転速度がために最大値になっていないところにある。
【００１７】
（発明の開示）
従って、本発明は、荒い風の流れに対するロータ・ブレードの感度を減少するのを目的としている。
この目的は、請求項１に記載の特徴を有するロータ・ブレードにより達成できる。この有利な展開例については、従属請求項に記載している。
【００１８】
流れが砕けるプロセスを緻密に検討すると、従来のロータ・ブレードの場合では、ロータ・ブレードの根元近傍の中心に近い区域で始まって、ロータ・ブレードの先端へと外方に広がっていくことが判明している。したがって、とくに中心に近いロータ・ブレードの区域で流れが砕けるのを阻止するのが望ましい。本発明によれば、これを、ロータ・ブレードをその長手方向に、互いに一体化されている２つの部分に区画し、それそれに異なった高速指数を持たせる、すなわち、ロータ・ブレードの根元から離間したロータ・ブレード部分の、最大パワー係数に相当する高速指数を、ロータ・ブレードの根元に近接するロータ・ブレード部分の、最大パワー係数に相当する高速指数よりも大きくすることにより達成している。
【００１９】
ロータ・ブレードの外端は、そこに作用している力と、安定性に対する配慮とにより、大きなトルクが作用しているのでエネルギ生成の上で重大なものである。従って、流れが砕けるのを完全に阻止できなければ、それをロータ・ブレードの根元に近接する内側区域に限定するのが望ましい。このことは、互いに隣接する部分の間の変遷部が、それぞれの部分の長さに比べて比較的短くすれば達成できることであり、よって、内側部分から開始する流れの砕けが前記変遷部で止んでしまい、そのために、ロータ・ブレード全長にわたって伝播することもなく、とくにロータ・ブレード先端まで広がってしまうことはない。
【００２０】
好ましくは、そのためにも、変遷部は、それぞれの部分の長さの１〜１０％の範囲に設定するのが望ましい。２つの部分の中間角度は、好ましい実施の形態にあっては５〜２０°の範囲内であっても良い。そのようにすることで、風の条件によっては、ロータ・ブレードの内側部分と外側部分との両方において好ましい注流角を達成することができる。他方では、変遷部は、それにもかかわらす開始する流れの砕けの伝播を防ぐために十分急になっているのが望ましい。
【００２１】
また、流れの砕きを阻止するとともに、それと同時に、ロータ・ブレードの効率の不必要な減少を阻止するためにも、ロータ・ブレードを長い内側部分と短い外側部分とに区画するのが望ましい。
【００２２】
（発明を実施するための最良の形態）
以後、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態を詳述する。図１に示したロータ・ブレード外側部分の区域におけるロータ・ブレードのプロフィール断面は、ロータ・ブレード先端でのロータ・ブレード速度V_Tipと風速V_Windと注流角αとの関係を明確に示している。上記式(１)により、有効注流速度Veffは、風速の成分とそれに直交するロータ・ブレード速度との合成からなる。風速が増加すると、その成分も増加し、注流角αが大きくなる。
【００２３】
それに比して、高速指数λは風速の増加に伴って減少する。図２に示したように、パワー係数の曲線上を右から左へとある位置のパワー係数の最大値を超し、高速指数をさらに減少させると、パワー係数が著しく降下する失速域に達する。
【００２４】
図３に示した実施の形態でのロータ・ブレードは、ロータ・ブレード根元１と２つのロータ・ブレード部分２、４とからなり、区画線で概略的に示したその変遷部３は、ロータ・ブレード部分２、４の長さに比して短い。より大きい部分２は、ロータ・ブレードの翼弦と風向きとの間の迎え角が小さいので、その部分のパワー係数の最大値は高速指数λ(＝６)が小さいときに起こる。従って、その部分は低高速指数にあわせて設計されている。従って、１回転中に内側域がカバーしなければならない短い軌道距離を考慮しているのである。それに対して、ロータ・ブレード部分の翼弦と風向きとの迎え角がより大きいより小さいロータ・ブレード部分４は、より大きい高速指数λ(＝７)においてパワー係数が最大値になる。
【００２５】
図３に示したロータ・ブレード部分２とロータ・ブレード部分４についての、高速指数λに依存する２つのパワー係数Cpの変化を実線５と点線６とで、図５にそれぞれ示す。
【００２６】
よって、正常稼働時(λ＝７となっている)では、ロータ・ブレードの外側域(先端部)は、風力装置の全生産からしてそうあって然るべきであるから、最適値で稼働する。内側域(λ＝６)は最適値の左側にあるので、突風でブレード全体が失速域に入ってしまうことにならない。今、強力な突風(正の突風)が発生したとすると、外側域(λ＝７)は恐らく失速域に入り始める一方、その時の内側域(λ＝６)は最適値で稼働する。この結果、失速が起こるとすれば、その失速はロータ・ブレード全体の内の小さい区域で発生するに過ぎないので、その結果はいわば「広げられた」特性(図４)となる。このことは、下記のように説明できる。
【００２７】
風速が増加し、従って高速指数が減少すると、ロータ・ブレードの内側部分の場合がそうであるように迎え角が小さい場合、ブレードは比較的後になってのみ、即ち、外側域λ＝７での迎え角に比して比較的小さい高速指数λ＝６にで失速域に入る。まとめれば、このことは、ロータ回転速度はそれほど急速に減速しないが、安定稼働点に達することを意味する。したがって、区画することにより、高速指数に応じて明らかに広がったパワー係数特性曲線が得られるのである。
【００２８】
図５は別の実施の形態を示すもので、同図に示したロータ・ブレードは、矢印で示した２つのロータ・ブレード部分２、４の間の変遷部３が比較的大きい、すなわち、図３の実施の形態におけるそれらよりもより均等な形状をしていて、そのために目立った形状になっていない。円形プロフィール１の前部はロータ・ブレード根元である。
【００２９】
図６における重ね合わせたプロフィール断面は、種々の部分におけるロータ・ブレードのプロフィール形状を再現している。ロータ・ブレード根元１から始めて、プロフィールは円形であるが、ロータ・ブレード内側部分２の先端に行くに従って順次涙滴状になり、僅かだけ上向きになって側部が狭くなる。ロータ・ブレード先端の方向にさらに進むと、プロフィールは下側に傾き、狭い側部が変遷部３に臨み、かくて翼弦が水平になるので、迎え角が増加する。ロータ・ブレード外側部分４が始まるのはその部位であって、水平プロフィル翼弦形状と断面積の減少とで先端に向かって順次特徴付けられている。同図は、図５におけるが如くの実施の形態のより均等な、ロータ・ブレードの比較的大きい部分にわたって延在している変遷部を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ロータ・ブレードのプロフィール断面を示す図である。
【図２】 高速指数λに依存するロータ・ブレードのパワー係数Cpを示す図である。
【図３】 一例として２つの部分からなり、これらの部分が互いに異なった高速指数を有するロータ・ブレードの１つの実施の形態を示す図である。
【図４】 高速指数λに依存する、ロータ・ブレードの２つの部分のパワー係数Cpを示す図である。
【図５】 二部品からなるロータ・ブレードの３次元図を示す図である。
【図６】 ロータ・ブレード根元からロータ・ブレード先端へかけてのロータ・ブレードの種々のプロフィール断面を重ねたストリンガ図を示す図である。
【符号の説明】
１ ロータ・ブレード根元、２ ロータ・ブレード部分、３ 変遷部、４ ロータ・ブレード部分。

Claims (7)

1. 風力装置用のロータ・ブレードであって、
   該ロータ・ブレードが、その長手方向について一体的に結合された少なくとも２つの部分に区画されていて、
   該ロータ・ブレードが、該ロータ・ブレードの根元に近い上記部分中の第１部分と、該ロータ・ブレードから遠い上記部分中の第２部分とを含み、
   第１部分が第１の迎え角を有し、これにより第１部分のパワー係数が、第１の風速について第１の高速係数で最大化され、
   ロータの第２部分が、第１の迎え角とは異なる第２の迎え角を有し、これにより第２部分のパワー係数が、第２の風速について第２の高速係数で最大化され、
   第２の高速係数が第１の高速係数よりも大きくなっているとともに、第１の風速が第２の風速よりも大きくなっているロータ・ブレード。
2. 第１部分と第２部分との間に形成された変遷部をさらに含んでいて、該変遷部が上記両部分の長さのそれぞれと比べて短くなっている請求項１に記載のロータ・ブレード。
3. 前記変遷部の長さが、第１部分又は第２部分のいずれか一方の長さの約１％〜３０％である請求項２に記載のロータ・ブレード。
4. 変遷部に形成された中間角をさらに含んでいて、該中間角が約５°〜２０°の範囲内である請求項１に記載のロータ・ブレード。
5. より長い内側部分と、より短い外側部分とに区画されている請求項１に記載のロータ・ブレード。
6. 該ロータ・ブレードがその長手方向の軸のまわりに、全体として回転自在に取り付けられている請求項１に記載のロータ・ブレード。
7. 該ロータ・ブレードのピッチ角が、該ロータ・ブレードが回転しているときに活動的に制御することができるようになっている請求項１に記載のロータ・ブレード。

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