JP5946812B2 - 風車ロータ及び風力発電装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献3には、主ブレードとは別に空力フィン(aerodynamic fin)を設けた構成が記載されており、この空力フィンによって風車ロータにトルクを与えるようになっている。
具体的には、翼先端側では、高い揚抗比が得られるようにブレードの翼厚比は小さい方が好ましい。これに対し、ブレードのピッチ制御時におけるタワー・ナセルとブレードとの干渉防止や、ブレードの製造時におけるブレードのハンドリング性の向上や、ブレードの輸送性の向上等の観点から、ブレードの最大コード長は小さいことが望ましく、翼根側においても高い揚抗比が得られるように翼厚比が小さな翼型を採用することは難しい。さらに、ブレードがピッチ制御可能に構成される風車ロータの場合、ブレードのハブへの取り付け部、即ちブレードの翼根の外形は、翼旋回輪軸受に合わせて円柱状とする必要がある。このように、一般的な翼型は、翼先端側から最大コード長部分を経て翼根側へ向けて徐々にブレードの断面形状が翼型形状から真円状に近づくように変化し、ブレード断面形状が影響を与えるブレードの空力性能は翼根側で低くなる。その結果、典型的な風車ロータでは、風のエネルギーを風車ロータの回転エネルギーに変換する際の効率が内側セクション(inboard section)において低下することとなる。
ハブと、
前記ハブを覆うスピナーと、
前記ハブに取り付けられる少なくとも2枚の主ブレードとを備える風車ロータであって、
前記風車ロータの回転方向において隣り合う2枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置xに対応する前記風車ロータの半径位置rにおける前記主ブレードの最適コード長をCoptとし、前記半径位置rにおける前記主ブレードのコード長をCmainとしたときに、該主ブレードのコード長Cmainが0.5Copt以上となる範囲(Cmain≧0.5Copt)における前記副ブレードの前記翼長方向位置xにおいて、Copt−Cmain≦Cs≦0.5Coptで表わされるコード長Csを有し、
前記主ブレードの最適コード長Coptは以下の式(1)
(但し、Cl:揚力係数、N:主ブレードの翼枚数、λ;翼先端周速比、R:主ブレード半径、μ;r/Rである。)
で表わされることを特徴とする。
これにより、全ブレード(主ブレード及び副ブレード)のコード長の総和を風車ロータの半径位置毎に性能最適となる値により一層近づけることができ、風車ロータの空力性能の更なる向上が可能となる。また、上記実施形態によれば副ブレードの翼根側のコード長が大きくなる。すなわち、ハブ又はスピナへ取り付けられる副ブレードの翼根側の構造強度を高くすることができる。
このように、空力性能が他の部位よりも低い主ブレードの翼根部側領域に副ブレードが設置され、空力性能が比較的良好に確保される主ブレードの翼先端部側領域まで副ブレードが延在しないように風車ロータを構成することによって、風車ロータの大幅な重量増大を防ぎながらも空力性能の改善が可能となる。
(但し、λdesign:主ブレードの設計翼先端周速比、μ;r/R、r:風車ロータの半径位置、R:主ブレード半径、αdesign:副ブレードの設計迎角である。)
で表され、上記式(2)において、λdesignは7以上12以下であり、αdesignは5°以上10°以下である。
一般に、ブレードの局所周速比(local tip speed ratio, λr=λ×μ)は半径位置によって異なるので、最適な空力性能が得られる条件はブレードの半径位置によって異なる。そのため、各半径位置における副ブレードのツイスト角を規定する上記式(2)において、主設計翼先端周速比及び副ブレードの迎角を上記範囲内に設定することにより、副ブレードの任意の翼長方向位置において高い効率を実現することができる。
これにより、副ブレードが主ブレードの後流の影響を受けることなく風車ロータの内側セクションにおける所期の空力性能改善効果を享受できる。
これにより、主ブレードと副ブレードとの距離を十分に確保することができ、副ブレードが主ブレード周囲の風の流れの影響を受け難くなるため風車ロータの内側セクションにおける所期の空力性能改善効果を享受できる。
一般的に、主ブレードはハブの回転軸を中心とした外周に沿って取り付けられる。そのため、ハブの風上側の面に副ブレードを取り付けると主ブレードは副ブレードより風下側に位置することとなる。これにより、副ブレードが主ブレードの後流の影響を受けることなく、風車ロータの内側セクションの所期の空力性能改善効果を享受できる。また、ハブの風上側の面には主ブレードが取り付けられることが少ないため、副ブレードを取り付けるための設計自由度が高くなる。
このように、副ブレードはハブの風上側の面から延出した構成であるため、副ブレードが主ブレードの後流の影響を受けることなく、風車ロータの内側セクションの所期の空力性能改善効果を享受できる。また、副ブレードがハブに一体的に設けられているので、副ブレードの構造強度を高くできるとともに副ブレードの回転エネルギーをハブへ効率よく伝達可能となる。
これにより、副ブレードの耐雷性能の向上が図れる。
このように、副ブレードが、翼先端部から翼根部にわたる全領域において断面翼型形状を有するように構成することで、副ブレードの空力性能を高く維持し、風車ブレードの内側セクションにおける効率をより一層向上させることができる。
風車ロータと、
前記風車ロータの回転エネルギーを電力に変換するための発電機とを備え、
前記風車ロータは、
ハブと、
前記ハブを覆うスピナーと、
前記ハブに取り付けられる少なくとも2枚の主ブレードと、
前記風車ロータの回転方向において隣り合う2枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置xに対応する前記風車ロータの半径位置rにおける前記主ブレードの最適コード長をCoptとし、前記半径位置rにおける前記主ブレードのコード長をCmainとしたときに、該主ブレードのコード長Cmainが0.5Copt以上となる範囲(Cmain≧0.5Copt)における前記副ブレードの前記翼長方向位置xにおいて、Copt−Cmain≦Cs≦0.5Coptで表わされるコード長Csを有し、
前記主ブレードの最適コード長Coptは以下の式(1)
(但し、Cl:揚力係数、N:主ブレードの翼枚数、λ;翼先端周速比、R:主ブレード半径、μ;r/Rである。)
で表わされることを特徴とする。
幾つかの実施形態において、図1に示す風力発電装置1は、風力エネルギーを回転エネルギーに変換するための風車ロータ2と、風車ロータ2で変換された回転エネルギーを用いて発電するための発電機8とを有する。
本明細書において、風車ロータ2の回転中心Oから主ブレード10の翼先端部12までの距離を回転半径R、回転中心Oからの距離がrとなる点Pの位置を半径位置rと称する。さらに、副ブレード20の翼長方向に沿った位置を翼長方向位置xと称する。
また、主ブレード10の翼型部11において、前縁14と後縁15とを結ぶコード(翼弦線)16の長さをコード長と称し、半径位置rにおける主ブレード10のコード長をCmainと称する。
さらに、風車ロータ2の半径位置rにおける主ブレード10の最適コード長をCoptと称する。この最適コード長Coptは空力性能の観点から後述の式(1)により求められる。
さらにまた、副ブレード20の翼型部21において、前縁24と後縁25とを結ぶコード26の長さを副ブレード20のコード長Csと称する。
すなわち、副ブレード20は、風車ロータ2の回転方向において隣り合う2枚の主ブレード10,10の翼根部13,13間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられる。図示の例では、風車ロータ2の回転面内において、120°の間隔を有して3枚の主ブレード10がハブ30に取り付けられるとともに、隣り合う2枚の主ブレード10,10の間に1枚ずつ、すなわち合計3枚の副ブレード20がハブ30に取り付けられる。また、副ブレード20は、主ブレード10よりも翼長が短く、ハブ30から風車ロータ2の径方向外方に延出するように構成される。
ここで、主ブレード10の最適コード長Coptは以下の式(1)で表わされる。
このように、空力性能が他の部位よりも低い主ブレード10の翼根部13側領域に副ブレード20が設置され、空力性能が比較的良好に確保される主ブレード10の翼先端部12側領域まで副ブレード20が延在しないように風車ロータ2を構成することによって、風車ロータ2の大幅な重量増大を防ぎながらも空力性能の改善が可能となる。
さらに、上記式(2)において、λ’designは7以上12以下であり、αdesignは5°以上10°以下である。
図6A及び図6Bに示すハブ30は、風車ロータ2の回転中心Oの外周側に、主ブレード取付部32が設けられている。主ブレード取付部32は、主ブレード10のピッチ方向への回転を可能とするためにベアリング(翼旋回輪軸受)を有している。また、ハブ30は風上側に平坦面34を有している。
なお、図6A及び図6Bに示した風車ロータ2は、副ブレード20がハブ30又はスピナー40に固定された構成となっているが、副ブレード20はハブ30又はスピナー40に対してピッチ回転可能に取り付けられてもよい。
図7に示す風車ロータ2’は、2枚の主ブレード10’及び2枚の副ブレード20’がハブ30に取り付けられた構成を有する。主ブレード10’は、風車ロータ2’の回転面内において、180°の間隔を有して2枚設けられている。すなわち、2枚の主ブレード10’の翼軸線がハブ30を間に挟んで直線状となるように、各主ブレード10’が配置されている。さらに、副ブレード20’は、風車ロータ2’の回転方向において隣り合う2枚の主ブレード10’,10’の翼根部13’,13’間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられる。また、副ブレード20’は、隣り合う2枚の主ブレード10’,10’の間に1枚ずつ、すなわち合計2枚の副ブレード20’がハブ30に取り付けられている。この副ブレード20’は、主ブレード10’よりも翼長が短く、ハブ30から風車ロータ2’の径方向外方に延出するように構成される。2枚の副ブレード20’も、風車ロータ2’の回転面内において、180°の間隔を有して2枚設けられていてもよい。すなわち、2枚の副ブレード20’の翼軸線がハブ30を間に挟んで直線状となるように、各副ブレード20’が配置されていてもよい。なお、風車ロータ2‘の内側の領域を風車ロータ2’の内側セクション60’といい、内側セクション60より外側の領域を外側セクション62’という。
なお、主ブレード10の最適コード長Coptは上述した式(1)で表される。
一実施形態では、図8に示す風力発電装置1’において、副ブレード20’の先端部22’側に、導電性金属で構成された耐雷レセプタ50が取り付けられている。耐雷レセプタ50にはダウンコンダクタ52が電気的に接続されている。ダウンコンダクタ52は、副ブレード20’の翼長方向に沿って耐雷レセプタ50からハブ30まで延在している。耐雷レセプタ50及びダウンコンダクタ52は、風車ロータ7が有する全ての副ブレード20(図8では2枚)に設けられてもよい。勿論、一実施形態において主ブレード10’にも耐雷機能を付加してもよい。その場合、副ブレード20’と同様に、主ブレード10’の先端部12’側に、導電性金属で構成された耐雷レセプタ54が取り付けられている。耐雷レセプタ54にはダウンコンダクタ56が電気的に接続されており、該ダウンコンダクタ56は耐雷レセプタ54からハブ30まで延在している。耐雷レセプタ54及びダウンコンダクタ56は、風車ロータ2’が有する全ての主ブレード10(図8では2枚)に設けられてもよい。
特に、図8に示す2枚翼(2枚の主ブレード10’,10’を含む)の風車ロータ2’においては、副ブレード20’に耐雷レセプタ50を設けることにより風力発電装置1’の耐雷機能を大幅に向上させることができる。例えば暴風時等において風力発電装置1’を停止する場合、2枚の主ブレード10’,10’をフェザー状態にするとともに2枚の主ブレード10’,10’が水平となるような位置で停止させることがある。このとき、副ブレード20’を有していない一般的な2枚翼の風力発電装置の場合、主ブレード10’の先端12’から翼根13’まで略同一の高さとなる。そのため、主ブレード10’の先端12’側に設けた耐雷レセプタ54には落雷せずに、主ブレード10’の中央部や翼根部13’、あるいはナセル3等の意図しない部位に被雷する可能性がある。
そこで、本実施形態では、2枚の主ブレード10’,10’の翼長方向の二等分線に沿って設けられた2枚の副ブレード20’,20’を有する風力発電装置1’において、副ブレード20’に耐雷レセプタ50を設けている。このような構成とした場合、主ブレード10’,10’を水平位置で停止させた時、何れかの副ブレード20’が鉛直方向上方に延びるように配置される。これにより、副ブレード10’の耐雷レセプタ50が被雷しやすくなり、意図しない部位への落雷を抑制できる。
また、上述の実施形態では、風車ロータ2,2’の回転方向に対して主ブレード10,10’と副ブレード20,20’が交互に配置された構成(図2,図7参照)を例示したが、主ブレードと副ブレードの相対的な配置構成はこれに限定されるものではない。例えば、隣り合う2枚の主ブレードの翼根部間の一領域に、2枚以上の副ブレードが配置された構成であってもよいし、隣り合う2枚の主ブレードの翼根部間の領域の全てに副ブレードを配置するのではなく、選択された領域にのみ副ブレードが配置された構成であってもよい。
2,2’ 風車ロータ
3 ナセル
4 タワー
6 メインシャフト
7 ドライブトレイン
8 発電機
10,10’ 主ブレード
11,11’ 翼型部
12,12’ 翼先端部
13,13’ 翼根部
14 前縁
15 後縁
20,20’ 補助ブレード
21,21’ 翼型部
22,22’ 翼先端部
23,23’ 翼根部
30 ハブ
32 主ブレード取付部
34 平坦面
40 スピナー
50,54 耐雷レセプタ
52,56 ダウンコンダクタ
Claims (11)
- ハブと、
前記ハブを覆うスピナーと、
前記ハブに取り付けられる少なくとも2枚の主ブレードとを備える風車ロータであって、
前記風車ロータの回転方向において隣り合う2枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置xに対応する前記風車ロータの半径位置rにおける前記主ブレードの最適コード長をCoptとし、前記半径位置rにおける前記主ブレードのコード長をCmainとしたときに、該主ブレードのコード長Cmainが0.5Copt以上となる範囲(Cmain≧0.5Copt)における前記副ブレードの前記翼長方向位置xにおいて、Copt−Cmain≦Cs≦0.5Coptで表わされるコード長Csを有し、
前記主ブレードの最適コード長Coptは以下の式(1)
(但し、Cl:主ブレードの揚力係数、N:主ブレードの翼枚数、λ;主ブレードの翼先端周速比、R:主ブレード半径、μ;r/Rである。)
で表わされることを特徴とする風車ロータ。 - 各々の前記副ブレードのコード長は、翼根側から翼先端側へ向けて単調減少するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードの翼長は、前記主ブレードの翼根部から該主ブレードの最大コード長の半径位置までの距離よりも短いことを特徴とする請求項1又は2に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードは、前記主ブレードより風上側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードは、前記隣り合う2枚の主ブレードの翼長方向の二等分線に沿って設けられていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードは、前記ハブの風上側の面に取り付けられていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードは、前記ハブの風上側の面から前記風車ロータの半径方向に延出するように前記ハブに一体的に設けられたことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードに耐雷レセプタが取り付けられていることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の風車ロータ。
- 各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼先端部から翼根部にわたる全領域において断面翼型形状を有することを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の風車ロータ。
- ハブと、
前記ハブを覆うスピナーと、
前記ハブに取り付けられる少なくとも2枚の主ブレードとを備える風車ロータであって、
前記風車ロータの回転方向において隣り合う2枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置xに対応する前記風車ロータの半径位置rにおける前記主ブレードの最適コード長をCoptとし、前記半径位置rにおける前記主ブレードのコード長をCmainとしたときに、該主ブレードのコード長Cmainが0.5Copt以上となる範囲(Cmain≧0.5Copt)における前記副ブレードの前記翼長方向位置xにおいて、Copt−Cmain≦Cs≦0.5Coptで表わされるコード長Csを有し、
前記主ブレードの最適コード長Coptは以下の式(1)
(但し、Cl:揚力係数、N:主ブレードの翼枚数、λ;翼先端周速比、R:主ブレード半径、μ;r/Rである。)
で表わされることを特徴とする風力発電装置。
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