JP4020783B2 - 風力発電のための回転翼 - Google Patents

Description

本発明は風力発電設備のための回転翼および本発明による回転翼を少なくとも１つ備えた風力発電設備に関するものである。

風力発電設備のための回転翼は、一般的に知られていて、どの風力発電設備でもかなりの割合で見られる。上記回転翼は、関係する特別な空気力学的要求を考慮に入れる外形を備える。物質や重量に関して抑えるために、回転翼は一般的に第１の内部キャリア構造（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃａｒｒｉｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と、第１のキャリア構造を囲み空気力学的に好ましい構造の表面とを備えている。

大きな風力発電設備の場合には、回転翼は空気力学的理由により多くの容量を備えている。上記回転翼は、一方では製造および輸送に関して、他方では風力発電設備が作動中には負荷が作用することに関して、影響がある。上記負荷は、大きさが増すにつれて増加する表面積、または回転翼によって掃引される広がったエリアから、特に発生する。

風力発電設備は、上記負荷状態のための所定のガイドラインに従って設計されていなければならない。上記負荷状態とは、一方では作動中に発生する負荷（作動負荷（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｌｏａｄｓ）と呼ばれる）に関して、他方では最大負荷状態と呼ばれることに関してである。そのような最大負荷状態とは上記の状態、または例えば電力網の障害、翼の調整障害、または極端に強い突風（５０年に１度の突風）のような障害によって発生する。

上記の点によれば、回転翼によって発電施設に伝えられる負荷は、当然のことながら、実質上、風にさらされる回転翼の表面積による。最大負荷を計算するために、全回転翼表面積は最大の風にさらされると仮定される。動力伝達手段（ｄｒｉｖｅ ｔｒａｉｎ）、マシンキャリア（ｍａｃｈｉｎｅ ｃａｒｒｉｅｒ）、塔、土台などのすべての上記コンポーネントは適切に設計されていなければならない。

上記が意味するのは、風が作用する表面積、すなわち特に回転翼の表面積、がより小さくなると、これに対して発電施設が設計上織り込まなければならない負荷のレベルはより下がる。上記事実は材料の出費レベルの低下と故にコスト低下を示す。

しかしながら、当然のことながら、上記の実施例と相いれないが、必要な力を、風力発電設備の運転のために、つまり発電機を駆動するために、加えることができるように、最低限の表面積の大きさが空気力学的理由のために必要となる。上記の点で、既知の回転翼は、特に翼の根元に近い部分で、要求される上記回転翼の奥行きが回転翼の大きさの増大を伴い増大する不利点に苦しむ。上記回転翼の奥行きは上記の場合あまりにも大きくなりすぎてそのような回転翼の道路上の運搬がもう既に不可能になっているかまたは比較にならないほど高いコストでのみ可能となっている。

それ故本発明の目的は上記不利点が克服され、および空気力学的に必要な表面積を備えた回転翼を提供する事にある。

本発明に従って、上記目的は請求項１に記載の特性を備えた回転翼によって達成される。有利な（ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ）発展形は請求項１以外の請求項で説明されている。

本発明は上記回転翼の面積（通常（ｎｏｍｉｎａｌ）の面積）が風力発電設備の通常運転に必要とされることと、一方では上記通常の面積が強烈な風がふいている状況または例えば運搬状態などのある環境下では大きすぎるということとの認識に基づいている。

それ故、本発明に従って、本明細書の最初の部分に記載のような種類の回転翼は、表面部分がアクティブに変形可能または移動可能であるというような点で、発展しているということが提案されている。

本発明の望まれる実施例では、表面の一部は、閉じられた容器からなる変形可能な材料によって形成される。上記閉じられた容器は、例えばガスの媒質で満たされていて、ここでガスの媒質は所定の圧力で作用する。上記ガスの媒質は、回転翼に部分的に膨らませることができる表面を与えて、輸送の最中、または強烈な風が発生した時はガスを抜くことができて、さらに、それ故、強烈な風圧の下では少ない容量（ｓｐａｃｅ）と少ない発電率（ｙｉｅｌｄ）を占める。上記のように効率的な回転翼の表面積と、上記のような風が作用する面積とは減らされる。同時に塔を含むその他のコンポーネントにかかる負荷も減らされる。

本発明の参考例として、回転翼は回転翼の上や中を移動可能な第２のキャリア構造を備えている。

上記の場合、変形可能な材料は上記第２のキャリア構造の所定の位置に固定されていてもよい。加えて変形可能な材料は片側が回転可能な巻き芯に取り付けられていてもよい。

また、本発明の別の先行例として、風力発電設備の通常運転状態では第２のキャリア構造は拡大されてもよい、すなわち折りたたみ式のアームが完全に伸ばされてもよい、または伸縮自在のアームがいっぱいに伸ばされてもよい。変形可能な材料は片側が回転可能な巻き芯に取り付けられていてもよい。回転翼の表面積が減らされる場合には、天幕やブラインドと同様に、変形可能な材料を巻いて先へ進めるといったような方法で、巻き芯が回転する。同時に、回転翼の表面積が同様に減らされるように、折りたたみ式のアームは折りたためられ、表面積が減少可能な部分で、第２のキャリア構造の大きさを減らす。

本発明の他の参考例では回転翼の表面の一部分は、自身の縦軸のまわりを回転可能なキャリアレール（ｃａｒｒｉｅｒ ｒａｉｌ）の上に各々配置されたバーのようなまたは薄板状の細長い一片を備える。上記配置では回転翼はあまりにも通常運転に順応しているために、回転翼は空気力学的に作動している回転翼の表面積を拡大する。輸送のためおよび／または最大負荷がかかった時は、回転翼が例えば回転翼の残りのうち風の影にあたる部分の中へ移動して、それによれば回転翼の表面積が減らされるといった方法で、キャリアレールが回転してもよい

本発明の特に望まれる発展形では、回転翼の、空気力学的に作動している表面の移動可能な部分は、回転翼の奥行きの方向に移動可能な１つの表面要素（ｓｕｒｆａｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）を備えている。通常運転では、上記表面要素は、大きくて空気力学的に作動する表面を備えるために、できれば吸引側に回転翼の表面を拡大する。

表面積を減らすため、上記表面要素は、回転翼に押し込まれて、それ故回転翼の残り部分の表面で覆われるか、または回転翼の表面に押し出されて、上記表面要素の回転が回転翼の表面を覆うかのいずれかのように、航空機の翼のフラップシステムと同等に移動することができてもよい。どのような場合でも回転翼の表面積の減少を提供する。

本発明のその他の参考例では、上記表面要素は、第１のキャリア構造の片側、または回転翼の後縁へ回転するよう取り付けられていてもよい。回転翼の表面積の大きさを変える目的のために、表面要素は上記回転軸のまわりを回転翼の吸引側に向かってまたは圧力側に向かって回転してもよい。

上記配置では、表面要素の角度９０度までの回転運動は、上記要素が回転翼における空気の流れる方向に対して実質上垂直にさらされていて、また、回転翼の表面に沿って流れる空気を妨げる障害物を形成するように、対応するブレーキをかける効果を配置するということを提供する。

図１は本発明による完全な回転翼の平面図を簡略化した形で示している。回転翼１０は２つの部分に分けられる。上記の場合、回転翼１０は本来の部分では旧来の構造から成る。しかし、回転翼の根元１２に隣接する部分では、すなわち翼の奥行きが最大の部分では、回転翼が分かれているということが見てとれる。上記分割は、もし必要であれば表面積を減らすことができて、それ故その上への風の作用から開放されることが可能な回転翼の部分１４を明らかにする。

表面積が変わらないままの回転翼１０の固定部分は図２に示される。図２から明らかなように、空気力学的に作動している回転翼１０の表面は著しく減り、その結果特に強烈な風がふく状況下では負荷も、旧来の方法で建設された回転翼よりも、著しく少ない。

[実施例１]
図３は本発明による実施例を簡略化した断面図である。この場合回転翼１０は前部分１１と後部の箱１４とに分けられる。後部の箱１４は、前部分１１の後部にある壁とともに閉じられた容器１６を形成する、変形可能な材料１８からなる２つの空気かきを備える。上記の閉じられた容器１６がガスの媒質の圧力で充填されたとき、変形可能な材料１８は、本発明による回転翼１０の表面の一部分（図１における番号１４の参照で特定される）を形成して、上記回転翼は通常運転時、空気力学的に作動する。

充填圧力の適切な選択は、通常の風の状態では、回転翼１０の上記一部分については安定している余裕があるので、回転翼が通常作動する状態に設定する。しかしながら、外部圧力が内部圧力よりも高くなるように、強烈な風がふく状況下では回転翼１０の上記一部分への風圧が高くなり、それ故後部の箱１４の部分で回転翼の変形を伴い、また回転翼が外部の風圧に負ける。結果として、強烈な風を受ける表面積は減らされて、それ故その他の構造上のコンポーネントにかかる負荷は減らされる。さらに記載しておくべきなのは後部の箱のこの部分（充填された媒質が処理される部分）は、回転翼の表面積を減らすために、例えば所定の風速を超過したときはアクティブに空にされる。上記のアクティブに空にされるということは、外部圧力の結果として後部の箱が負けるとき、無限の状況が起こりうるが、回転翼の形がどのようなときでも定義される。

特に容器１６への被害を避けるために、容器１６内で増加した圧力を逃がすように、例えば圧力逃がしバルブ（図示されていない）を備えることが可能である

通常運転のために必要とされる圧力はコンプレッサ１７の使用によって元に戻されてもよい。もし、さらに制御可能なバルブおよび／または圧力センサ（これも図示されていない）が備わっていれば、容器１６内の充填圧力は、上記のように最適な作動状態をいつも維持するために、風圧による変動の場合には必然的に調整されてもよい。

［参考例１］
図４は本発明の第１の参考例を示していて、完全な後部の箱１４を伴う代わりに、回転翼１０の吸引側の表面が拡大されている。上記拡大は、部分１１の前部の表面に隣接する表面要素２４である。

空気力学的に作動する表面積を減らす目的のため表面要素２４は矢印の方向へ移動可能である。上記移動は例えば液圧で達成されてもよい、すなわち適切な液圧シリンダーで達成されてもよいし、空気圧で達成されてもよい、すなわち空気圧シリンダーで達成されていてもよいし、電気的駆動で達成されていてもよいし、または他の適切な方法によって達成されていてもよい。適切なポンプ、コンプレッサ、または駆動部（ｄｒｉｖｅ）（アクチュエーター）は上記目的のために、当然のことながら、備えられていなければならないが、しかしそれらは簡略化のため図には示されていない。

上記の配置において、上記のような移動は、前部分１１の表面が表面要素２４を覆うように、前部の中で発生してもよい。代わりに上記移動は、次に表面要素２４が前部１１のうち相当する表面部分を覆うように、前部１１の表面上で発生してもよい。どちらの場合も上記のことは空気力学的に作動する回転翼１０の表面の減少を伴う。

[参考例２]
本発明の第２の参考例は図５ａと５ｂで表される。図５ａは変形可能な材料の巻き上げ部（ｗｉｎｄｉｎｇ）２０を示していて、参照番号３０は折りたたまれた状態の折りたたみ式アームを示している。ここでの仕組みは天幕の仕組みと似ている。

図５ｂは通常運転に伴う状態の上記参考例を示している。折りたたみ式のアーム３０は伸ばされていて変形可能な材料１８が上記アームに固定されているので、巻き芯２１が、もはや材料の巻上げ部全体を巻いていないように、コイル２０から折りたたみ式アーム３０に伸びてしまって巻きが解けている。

上記のような巻きが解けている状態では、変形可能な材料１８は、図では右方向を向いていて、一方では巻き芯２１に固定されていて、他方では折りたたみ式アーム３０の先に固定されている。上記の折りたたみ式アーム３０は、次に、一方では回転翼の構造のより高いレベルの強さを達成するために、他方では変形可能な材料をアームの先へ固定するために、バー（図示されていない）で接続されている。

巻き芯２１と折りたたみ式アーム３０の外側の端との間で変形可能な材料１８が破壊されてしまうのを防ぐために、折りたたみ式アーム３０に同調して作動させられて、拡大された状態の変形可能な材料を支えるために、変形可能な材料の下に格子状の伸び縮みする装置（ｓｃｉｓｓｏｒ ｔｒｅｌｌｉｓ−ｌｉｋｅ ｄｅｖｉｃｅ）を備えることも可能である。

作動する表面積の減少は上記とは反対の方法で発生する：折りたたみ式のアーム３０と格子状の伸び縮みする装置の配置（図示されていない）は奥寄り（折り曲がっている）になっていて、同時に、変形可能な材料１８は、最終的に巻き芯２０が再び図５ａで示される状態であるように、さらに作動する回転翼１０の表面積が減少するように巻き芯２１へ巻き上げられる。

[参考例３]
本発明の第３の参考例では、図６で示されているように、表面要素２４が前部１１の後側に回転するように取り付けられ前部１１の吸引側が拡大されている。上記の場合表面要素２４は表面要素２４と前部１１のキャリア構造との間に配置された圧縮バネ２８によって支えられている。

通常運転中には上記圧縮バネ２８は望んだ位置を保つ方法で表面要素２４を支える。次にもし回転翼１０の先の側に風圧がかかるとすると、通常運転の状態を超えて、表面要素２４は図６では下方向に圧力がかけられて、それ故風圧に負けて、空気力学的に作動する表面積は相応して減少するように、表面要素２４の表面へかかる圧力が上昇して、バネ２８の力に勝つ。

バネ２８の代わりとして、当然のことながら、表面要素のアクティブな移動のための、液圧の、空気圧の、または機械的な装置などのような、対応する伸び縮みする要素を提供する事も可能である。例えば、表面要素２４を第１の所定の位置で支えるために、または第２の所定の位置に移動させるために、ねじ状の棒、ウォーム駆動、またはそれに似たようなものを使用してもよい。当然のことながら、上記制御部分の作動は、図の明瞭さのためにまた図には示されていないが、適切なポンプ、コンプレッサ、または駆動部などの設備を要求する。

同様に表面要素２４に作用する風による負荷を検出することは可能であって、表面要素は、瞬間的に作動する状況にとって最適な設定を提供するために、上記検出された風による負荷に応じて回転軸の周りを回転してもよい。

[参考例４]
図７は本発明の第４の参考例を示している。この第４の参考例では、表面要素２４が前部１１の後側に回転するように取り付けられる代わりに、表面要素２４は、自身の縦軸のまわりを回転する回転スピンドル２２の上に配置される。図７で示される位置には、表面要素２４は再び回転翼１０の空気力学的に作動する表面を拡大する。

次に、上記作動する表面を減らすために、表面要素２４が固定されている回転スピンドル２２は、表面要素２４の外側の端が両側に向いた矢印で示される２方向のうち１つの方向に移動するような方法で、自身の縦軸のまわりを回転する。次に上記の行為は回転翼１０の空気力学的に作動する表面積と、付随的に、回転翼１０またはその他の風力発電設備の部分にかかる風による負荷の変化との減少という結果になる。

[参考例５]
図７で示されている参考例の変化形は図８ａと８ｂで示されている。この場合図７の２４の参照で示される表面要素は、図８ａでは３つの翼のようなまたは薄板状の要素２６に分割される。要素２６は、図８ａでは、分割されていることがはっきりとわかるように意図的にスペースが設けられている。実際の参考例では、当然のことながら、上記の３つの要素が、できるだけ近くの、さらに回転翼１０の前部１１にできるだけ滑らかに隣接した表面を形成するといった方法で配置される。

各翼２６は各々回転スピンドルの上に配置される。上記各回転スピンドル２８は自身の縦軸のまわりを回転し、それ故、縦軸のまわりの回転スピンドルの回転によって、翼２６の回転運動を可能にする。

図８ｂは、空気力学的に作動する回転翼１０の表面が減少するといった方法で翼が回転するという状態の器具を示している。上記の場合、翼２６は前部１１の空気流（ｆｌｏｗ）の影の中へ回転する。結果として、一方では翼２６は回転翼の表面積としてはもう機能せず、他方では翼２６は風の作用から開放されて、それ故翼２６への負荷レベルの上昇にさらされてはいない。

上記のような配置は、縦軸のまわりの回転スピンドル２８の回転は別にして、図では左にある回転スピンドル２８の間の間隔あけが、または一方では回転翼１０の前部１１と、他方では回転スピンドル２８の間とが減らされる限りにおいて、達成される。

図が、表面の吸引側の拡大のみを示している限りにおいて、代わりにまたは加えて、当然のことながら、圧力側の表面がこれに対して変形してもよい。

風力発電設備が上記回転翼を備えているとすると、強烈な風がふく状況が発生したとき、風速計ユニットによってもたらされた強風の強さが測定されるだけではなく、回転翼の表面積の大きさも適切な制御によって著しく減少する。図１、２に示されているように、例えば，図１で示される回転翼の面積は、図２で示される回転翼の面積よりも１０％を超えて広い。例えば風速２〜２０[ｍ／ｓ]間の範囲の風速では、回転翼の通常の大きさは風力発電設備の名目上の作動に設定されているが、２０[ｍ／ｓ]を超える風速では、図２で示されているように、表面積の大きさが著しく減少するように、表面積の大きさは減少する。

制御システムは、コンピュータ支援であることと、もし必要であれば、各々最適に設定された回転翼の表面積を備えていることとが望ましい。

[参考例６]
図１４は本発明の参考例である回転翼のさらなる構造的変化形を示している。この場合、構造は、再び変形可能なフィルムに覆われていて、取り付け地点３４に回転するように取り付けられた回転可能なループ（ｌｏｏｐ）３２によって構築されている。回転翼の先（矢印で示されている）の方向への移動によって、上記回転ループは、例えば取り付け地点３４のまわりを回転して、それ故後部の箱の形を変える。

[参考例７]
さらに図９ａから図１４ｂは上記図４から図８ｂに対応する、代わりのまたは追加の参考例を示す。

図１１ｂ（図１１ａは実質上図６に対応する）は、図６に関係する追加の参考例として、圧力側の要素２５を示している。バネ２８がかかわるという点では図６または図１１ａを各々見て比較しても変更されていないが、要素２４と要素２５は軸の取り付け地点２６のまわりを回転するように翼の後縁にぶら下がっていなければならない。ある環境下では、回転翼の長さに沿って要素２５の上に回転翼の箱１１が重なることを提供する事は上記構造にとって適切である。

図１２ｂ（各々図７と図１２ａで示されていることの拡張）は、図示されているケースでは、吸引側の要素２４の共通軸１２へのような機械的接続によって固定される圧力側の要素２５も示す。

図１３ａと図１３ｂは、図８ａまたは図８ｂで既に示されている参考例の発展形を示す。この場合ある程度、特定の軸２８が圧力側の対応する要素で示される。図８ａと同様に図１３ａは通常運転時の回転翼を示す。図１３ｂは対応する回転によってまたは軸２８の移動によって、後部の箱がもう作動していない状態を示している。

本発明による完全な回転翼の平面図である。 本発明による回転翼の前部分の平面図である。 本発明による回転翼の実施例を簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の簡略化した断面図である。 本発明の参考例である回転翼の構造的変化部分の平面図である。 本発明の参考例である回転翼の構造的変化部分の平面図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。 本発明の参考例の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 回転翼
１１ 回転翼の前部分
１２ 回転翼の根元
１４ 回転翼の表面、または風の作用から開放されることが可能な回転翼
１６ 変形可能な閉じられた容器
１７ コンプレッサ
１８ 変形可能な材料
２０ 巻上げ部、または巻き芯
２１ 巻き芯
２２ キャリアレールまたは回転スピンドル
２４ 表面のような要素、または吸引側の表面要素
２５ 圧力側の表面要素
２６ 表面のような要素(薄版状）、翼、または取り付け地点
２８ キャリアレール、回転スピンドル、または軸
３０ 折りたたみ式アーム
３２ 回転可能なループ
３４ 取り付け地点

Claims (10)

1. キャリア構造、および、前記キャリア構造で支持され且つ風力発電設備の作動において空気力学的に作用する表面を有する風力発電設備の回転翼であって、
   前記回転翼は、該回転翼の作動中に風にさらされる所定の表面積を有し、
   前記回転翼は、該回転翼の特定部分において前記風力発電設備の作動中に空気力学的に作用する前記表面積の大きさを変化させる手段をさらに備え、
   前記表面積の大きさを変化させる手段は、前記表面の変形可能な部分（１４）によって形成され、前記部分は内部圧力を調節可能な閉じられた容器（１６）からなっており、
   前記回転翼の表面積の大きさを変化させる手段は、前記風力発電設備の作動中に空気力学的に作用する前記表面積の大きさを、２０〔ｍ／ｓ〕を超える風力の強烈な風がふく状況、または、前記回転翼の輸送の際に、前記回転翼の通常作動時に比べて前記回転翼の特定部分において著しく小さくなるように前記回転翼の幅を可変としたものであることを特徴とする風力発電設備の回転翼。
2. 前記キャリア構造は、作動中の前記回転翼（１０）の前部にあり、前記閉じられた容器（１６）は、前記前部（１１）の後壁と共に、変形可能な材料（１８）からなる２つの薄板で構成される後部箱（１４）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転翼。
3. 前記閉じられた容器（１６）は、前記変形可能な材料（１８）が前記風力発電設備の作動中に空気力学的に作用する前記表面の一部を形成するように、ガスの媒質によって所定の充填圧力で充填されていることを特徴とする請求項２に記載の回転翼。
4. 前記充填圧力は、通常風力条件下で前記容器（１６）が通常機能を発揮するように前記充填された前記閉じられた容器（１６）が前記回転翼（１０）の前記部分に関して安定性を有する一方、２０〔ｍ／ｓ〕を超える風力の外部の風状況においては前記風圧力が前記充填圧力よりも高くなるようにして前記後部箱の（１４）の前記部分において前記回転翼（１０）の変形を生じさせて前記風圧力を受ける前記表面積を減少させるように、予め決定されることを特徴とする請求項３に記載の回転翼。
5. 前記閉じられた容器は、該閉じられた容器（１６）への被害を避けるためにその内部の増加した圧力を逃がすための圧力逃がしバルブをさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載の回転翼。
6. 前記回転翼（１０）は、前記閉じられた容器（１６）内の所定の充填圧力を回復できるようにコンプレッサ（１７）をさらに備えていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の回転翼。
7. 前記回転翼の前記表面の一部が、前記回転翼の根元の部分において、前記風力発電設備の作動中に空気力学的に作用する前記表面積の大きさを変化させる手段によって変更可能であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の回転翼。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の回転翼を少なくとも１つ備えた風力発電設備。
9. 前記表面積の大きさを変化させる手段を調整する制御手段を設けたことを特徴とする請求項８に記載の風力発電設備。
10. 外部の風状況を検出できる手段をさらに備え、該手段は前記風力発電設備の作動中に空気力学的に作用する前記表面積の大きさを変化させる手段の制御手段に接続されており、外部の風状況が２０ [ ｍ／ｓ ] を超える風力であるとき前記回転翼の表面積の大きさが風速２０ [ ｍ／ｓ ] 以下の風のときよりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の風力発電設備。

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