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JP5371087B2 - Wind generator blade - Google Patents
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JP5371087B2 - Wind generator blade - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To propose a blade for a wind turbine generator, providing an efficient and inexpensive wind turbine generator. <P>SOLUTION: The blade 4 for a wind turbine generator is rotated around a vertical shaft 2 by wind power, and is disposed to be separated from the vertical shaft 2 with a predetermined space, through a support 3. The blade 4 for a wind turbine generator includes a streamlined aerofoil, is formed to have a blade thickness ratio ranging from 25% or higher to 40% or lower, and is rotated to make the generator 5 installed to the vertical shaft 2 generate power. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、垂直軸型風車による風力発電機の揚力型の風力発電機用ブレードに関する。   The present invention relates to a lift-type wind power generator blade of a wind power generator using a vertical axis wind turbine.

風力発電には、一般的に、水平軸型風車と垂直軸型風車が知られている。このうち、垂直軸型風車には、ブレードに発生する揚力により風車を回転させる揚力型と、ブレードに発生する抗力により風車を回転させる抗力型とが知られている。   In general, a horizontal axis type windmill and a vertical axis type windmill are known for wind power generation. Of these, vertical axis type wind turbines are known as a lift type that rotates the wind turbine by the lift generated on the blade and a drag type that rotates the wind turbine by the drag generated on the blade.

このうち揚力型風車は、風速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上でも、風車を効率よく回転させることを可能としているため、風速に応じて発電効率が上がるという利点を有しているものの、風速比が１以下では、風車を回転させるモーメントが小さく、停止状態からの起動が困難な場合があるという問題点を有していた。   Among these, the lift type windmill has the advantage that the power generation efficiency increases according to the wind speed because the windmill can be efficiently rotated even if the wind speed ratio (blade tip speed / wind speed) is 1 or more. However, when the wind speed ratio is 1 or less, there is a problem that a moment for rotating the windmill is small and it may be difficult to start from a stopped state.

このため、特許文献１には、１枚の金属板を加工することにより、飛行機に使用される流線形の翼型にブレードを形成し、下面後縁部に切欠き部を形成することで、風によって空気抵抗と揚力を発生させて、発電に必要な回転モーメントを発生させる風力発電機用ブレードが開示されている。   For this reason, in Patent Document 1, by processing a single metal plate, a blade is formed on a streamlined airfoil used for an airplane, and a notch is formed on the rear edge of the lower surface. A blade for a wind power generator that generates air resistance and lift by wind to generate a rotational moment necessary for power generation is disclosed.

また、高効率な風車のブレードとして、流線形の翼型を呈し、翼厚比が１５〜２０％程度のものが知られている。
ここで、翼厚比とは、翼弦と垂直に交わる直線の長さ（翼厚）の最大値を翼弦長で割った数値をいう。 As a highly efficient wind turbine blade, a blade having a streamlined wing shape and a blade thickness ratio of about 15 to 20% is known.
Here, the blade thickness ratio is a numerical value obtained by dividing the maximum value of the length of the straight line (blade thickness) perpendicular to the chord by the chord length.

特開２００４−１０８３３０号公報（［００１４］−［００２７］、図１）JP 2004-108330 A ([0014]-[0027], FIG. 1)

ところが、特許文献１に記載のブレードは、低風速で回転し、高風速では失速して過剰回転を防ぐというメリットを有しているものの、パワー係数が低く、効率的ではなかった。   However, the blade described in Patent Document 1 rotates at a low wind speed and stalls at a high wind speed to prevent excessive rotation, but has a low power coefficient and is not efficient.

また、翼厚比が１５〜２０％程度のブレードは、パワー係数が０．３以上となり効率的であるものの、回転数が前記特許文献１のブレードの３倍程度で大きいため、ブレードに回転数の２乗に比例する１０倍近い遠心力が生じる。そのため、風車の支持構造は、この遠心力に対して十分な耐力を有したものとする必要があった。
故に、支持構造の強度を高めることにより、費用が嵩み、風力発電機の費用低減化の妨げとなっていた。 Further, a blade with a blade thickness ratio of about 15 to 20% is efficient with a power coefficient of 0.3 or more. However, since the rotation speed is about three times that of the blade of Patent Document 1, the blade has a rotation speed. A centrifugal force close to 10 times proportional to the square of is generated. For this reason, the wind turbine support structure needs to have sufficient strength against this centrifugal force.
Therefore, by increasing the strength of the support structure, the cost is increased, which hinders cost reduction of the wind power generator.

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、効率的、かつ、安価な風力発電機を提供することを可能とした風力発電機用ブレードを提案することを課題とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to propose a blade for a wind power generator capable of providing an efficient and inexpensive wind power generator. .

このような課題を解決するために、請求項１に係る風力発電機用ブレードは、垂直軸を中心として回転し、支持具を介して前記垂直軸から所定の間隔を有して複数枚配設されるものであって、流線形の翼型を呈し、翼厚比が３０％以上４０％以下の範囲内であり、最大キャンバー量が４％かつ最大キャンバー位置が翼弦長（風力発電機用ブレードの長さ）に対して前縁から４０％の位置になるように形成されていることを特徴としている。 In order to solve such a problem, the blade for wind power generator according to claim 1 rotates around a vertical axis, and a plurality of blades are disposed at a predetermined interval from the vertical axis via a support. be one that is, exhibits the airfoil aerodynamic, der range blade thickness ratio less than 40% to 30% is, the maximum camber amount is 4% and the maximum camber position chord length (wind generator is formed such that the leading edge 40% position with respect to the use length of the blade) is characterized in Rukoto.

かかる風力発電機用ブレード（以下、単に「ブレード」という場合がある）によれば、風車の回転速度を低下させることが可能となる。そのため、風車の回転数を抑え、支持構造への負担を軽減することが可能となる。故に、従来の風力発電機と比較して、簡易な支持構造により構成することが可能となり、安価な風力発電機を提供することが可能となる。   According to such a blade for a wind power generator (hereinafter sometimes simply referred to as “blade”), the rotational speed of the windmill can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the rotation speed of the windmill and reduce the burden on the support structure. Therefore, compared with the conventional wind power generator, it becomes possible to comprise by a simple support structure, and it becomes possible to provide an inexpensive wind power generator.

また、ブレードは、飛行機等に使用される流線形の翼型に形成されているため、高い揚力を得ることができ、大きなパワー係数が得られる。   Further, since the blade is formed in a streamlined airfoil used for an airplane or the like, high lift can be obtained and a large power coefficient can be obtained.

本発明の風力発電機用ブレードによれば、効率的、かつ、安価な風力発電機を提供することが可能となる。   According to the blade for wind power generator of the present invention, it is possible to provide an efficient and inexpensive wind power generator.

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
ここで、図１は、本実施形態に係る風力発電機用ブレードを備えた風車を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す風車を示す側面図である。さらに、図３は、図１に示す風力発電機用ブレードを示す断面図である。本実施形態では、３枚翼の場合について説明するが、翼（ブレード）の数は２〜５枚であれば限定されるものではない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are used for the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
Here, FIG. 1 is a perspective view showing a windmill provided with a blade for a wind power generator according to the present embodiment. FIG. 2 is a side view showing the windmill shown in FIG. 3 is a cross-sectional view showing the wind power generator blade shown in FIG. In the present embodiment, the case of three blades will be described, but the number of blades is not limited as long as it is 2 to 5 blades.

図１に示すように、風車１は、垂直軸２と、支持具３を介して垂直軸２から所定の間隔を有して複数枚（本実施形態では２枚）配設された翼型のブレード（風力発電機用ブレード）４とからなり、風力により揚力が発生し、この揚力によってブレード４が垂直軸２を中心として水平に回転して、発電するいわゆる垂直軸型風車である。   As shown in FIG. 1, a wind turbine 1 is an airfoil having a vertical shaft 2 and a plurality of (two in the present embodiment) disposed at a predetermined interval from the vertical shaft 2 via a support 3. This is a so-called vertical axis type wind turbine that is composed of blades (blades for wind power generators) 4 and generates lift by wind force, and the blades 4 rotate horizontally around the vertical axis 2 by this lift to generate electric power.

垂直軸２は、図１および図２に示すように、垂直に立設された円筒状の管材から構成されており、上下２箇所において、ブレード４，４を固定するための、支持具３が固定されている。
なお、垂直軸２は、風車１を支持するために必要な強度を有し、ブレード４，４の配置が可能なものであれば、円筒状の管材に限定されるものではなく、適宜公知の部材を使用可能なことはいうまでもない。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vertical shaft 2 is composed of a cylindrical pipe member that is vertically arranged, and a support 3 for fixing the blades 4 and 4 at two upper and lower portions. It is fixed.
The vertical shaft 2 is not limited to a cylindrical tube as long as it has a strength necessary to support the windmill 1 and the blades 4 and 4 can be arranged. Needless to say, the member can be used.

また、垂直軸２には、発電機５が設置されており、ブレード４，４に回転に伴い垂直軸２が回転することにより発生する回転エネルギーを発電機５に伝達して、発電することを可能としている。   Further, a generator 5 is installed on the vertical shaft 2, and the rotational energy generated by the rotation of the vertical shaft 2 as the blades 4 and 4 rotate is transmitted to the generator 5 to generate power. It is possible.

支持具３は、図２に示すように、固定部材３ａと棒状部材３ｂを組み合わせてなる部材である。固定部材３ａは垂直軸２の所定の位置に固定されており、棒状部材３ｂはこの固定部材３ａを挟んで対向する方向に延設されている。   As shown in FIG. 2, the support 3 is a member formed by combining a fixing member 3a and a rod-shaped member 3b. The fixing member 3a is fixed at a predetermined position on the vertical shaft 2, and the rod-like member 3b is extended in a direction facing the fixing member 3a.

棒状部材３ｂの先端部（ブレード４側端部）は、図３に示すように、ブレード４に固定するための取付治具３ｃが一体に固定されている。
棒状部材３ｂの先端にはネジ加工が施されている。この棒状部材３ｂの先端をブレード４に貫通させた状態でナット３ｄを螺着することで、棒状部材３ｂとブレード４とを固定している。また、取付治具３ｃは、ブレード４から突設された取付板４ａにボルトｂ，ｂ，ｂを介して固定されている。 As shown in FIG. 3, a mounting jig 3 c for fixing to the blade 4 is integrally fixed to the tip portion (blade 4 side end portion) of the rod-shaped member 3 b.
The tip of the rod-shaped member 3b is threaded. The rod-shaped member 3b and the blade 4 are fixed by screwing the nut 3d with the tip of the rod-shaped member 3b passing through the blade 4. The mounting jig 3c is fixed to a mounting plate 4a projecting from the blade 4 via bolts b, b, b.

なお、支持具３は、複数のブレード４を垂直軸２から所定の間隔を有した位置に配置することが可能であれば、その構成は限定されるものではなく、ブレード４の枚数や材料の強度および重量等を考慮した上で、適宜設定すればよい。また、支持具３とブレード４との固定方法も限定されるものではなく、適宜公知の手段により行えばよい。   The support 3 is not limited in its configuration as long as a plurality of blades 4 can be arranged at positions having a predetermined distance from the vertical axis 2. What is necessary is just to set suitably, considering intensity | strength, a weight, etc. Moreover, the fixing method of the support tool 3 and the blade 4 is not limited, and may be performed by known means as appropriate.

ブレード４は、図３に示すように、流線形の翼型を呈し、翼厚比が２５％以上４０％以下の範囲内となるように形成されている。また、ブレード４は、最大キャンバー量が４％程度、最大キャンバー位置がブレード４の長さに対して前縁Ｆ（ブレード４回転方向先端）から４０％程度の位置となるように、形成されている。なお最大キャンバー量および最大キャンバー位置はこれに限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。   As shown in FIG. 3, the blade 4 has a streamlined airfoil shape, and is formed so that the blade thickness ratio is in the range of 25% to 40%. The blade 4 is formed so that the maximum camber amount is about 4%, and the maximum camber position is about 40% from the front edge F (the blade 4 rotation direction tip) with respect to the length of the blade 4. Yes. The maximum camber amount and the maximum camber position are not limited to this, and can be set as appropriate.

本実施形態では、ブレード４を、金属板を加工することにより形成されており、必要に応じて、内部の中空部に中詰材を充填するものとする。なお、ブレード４を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して採用すればよい。   In the present embodiment, the blade 4 is formed by processing a metal plate, and the inside hollow portion is filled with the filling material as necessary. In addition, the material which comprises the braid | blade 4 is not limited, What is necessary is just to select from a well-known material suitably and employ | adopt.

ブレード４は、図３に示すように、閉鎖断面の筒状に構成されている。本実施形態では、上面（回転軸と反対側の面）Ｔが、回転方向外側に突出する流線形を呈している。   As shown in FIG. 3, the blade 4 has a cylindrical shape with a closed cross section. In the present embodiment, the upper surface (surface opposite to the rotation axis) T has a streamline shape protruding outward in the rotation direction.

ブレード４には、支持具３の棒状部材３ｂを挿通するための貫通孔が、ブレード４の先端（前縁Ｆ）から中央に近い位置に形成されている。なお、支持具３の固定位置（貫通孔の位置）は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。   In the blade 4, a through hole for inserting the rod-shaped member 3 b of the support 3 is formed at a position near the center from the tip (front edge F) of the blade 4. In addition, the fixing position (position of the through hole) of the support tool 3 is not limited, and can be set as appropriate.

また、ブレード４の下面Ｂの後縁Ｒ側には、支持具３の取付治具３ｃを固定するための取付板４ａが突設されている。取付板４ａには、複数のボルト孔が形成されており、ボルトｂによる取付治具３ｃの固定が可能に形成されている。
なお、取付板４ａは支持具３の固定方式に応じて形成するものであって、省略してもよい。 A mounting plate 4 a for fixing the mounting jig 3 c of the support 3 is projected from the rear edge R side of the lower surface B of the blade 4. A plurality of bolt holes are formed in the mounting plate 4a, and the mounting jig 3c can be fixed by the bolts b.
The attachment plate 4a is formed according to the fixing method of the support 3, and may be omitted.

本実施形態に係るブレード４は、翼厚比が２５％以上４０％以下の範囲内であって、従来の風力発電機用ブレードと比較して厚みが厚く形成されているため、風車１の回転数が少なくなる。そのため、風車１の支持構造（垂直軸２や支持具３）への負担が従来の風車に比べて少なく、簡易な支持構造による支持が可能となる。故に、経済的に優れている。また、支持構造の簡素化により、風車１全体の軽量化が可能となるため、設置箇所の自由度が増す。   The blade 4 according to the present embodiment has a blade thickness ratio in the range of 25% to 40% and is formed thicker than a conventional wind power generator blade. The number decreases. Therefore, the burden on the support structure (the vertical shaft 2 and the support 3) of the windmill 1 is less than that of the conventional windmill, and support with a simple support structure is possible. Therefore, it is economically superior. Further, since the support structure is simplified, the entire windmill 1 can be reduced in weight, so that the degree of freedom of the installation location is increased.

また、ブレード４は、その形状により、揚力が大きくかつ風車の回転数は少ないため、発電効率に優れている。風車の回転数が少ないことで、トルクが大きくなるため、高価なコアレス構造の発電機を使用する必要がなく、永久磁石使用同期発電機等を使用することが可能なため、安価である。   Further, the blade 4 is excellent in power generation efficiency because of its shape, because it has a large lift and a small number of rotations of the windmill. Since the rotational speed of the windmill is small, the torque is increased, so that it is not necessary to use an expensive coreless structure generator and a synchronous generator using permanent magnets or the like can be used, which is inexpensive.

ブレード４は、流線形の翼型に形成されているため、比較的弱い風力で風車１が初動良く回転し、かつ、風速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上でも、風車１を効率よく回転させることを可能としている。   Since the blade 4 is formed in a streamlined airfoil, the windmill 1 rotates with a relatively weak wind force with good initial motion, and even if the wind speed ratio (blade tip speed / wind speed) is 1 or higher, It is possible to rotate efficiently.

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、本発明に係る風力発電機用ブレードを採用した風車の設置箇所は限定されるものではなく、例えば、建物の屋上や建物の近傍等に配置することが可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment was described about this invention, this invention is not limited to the said embodiment, A design change is possible suitably in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the installation location of the wind turbine that employs the blades for wind power generators according to the present invention is not limited. For example, the wind turbine can be disposed on the roof of a building, in the vicinity of the building, or the like.

以下、本発明に係る風力発電機用ブレードの実証実験結果について記載する。
ここで、図４は、本発明に係る風力発電機用ブレードを採用した風車による風速と回転数との関係を示したグラフである。また、図５は、従来の風力発電機用ブレードを採用した風車による風速と回転数との関係を示したグラフであって、（ａ）は翼厚比が１５％であって下面の後縁が切り欠かれた風力発電機用ブレード、（ｂ）は翼厚比が２１％の風力発電機用ブレードを採用した風車である。 Hereinafter, the verification test results of the blade for wind power generator according to the present invention will be described.
Here, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the wind speed and the rotational speed of the wind turbine employing the wind power generator blade according to the present invention. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wind speed and the rotational speed of a wind turbine employing a conventional wind power generator blade, where (a) is a blade thickness ratio of 15% and the trailing edge of the lower surface. (B) is a wind turbine employing a blade for wind power generator with a blade thickness ratio of 21%.

本実証実験では、本発明の風力発電機用ブレードとして、翼厚比が３０％のものを使用する。
図４に示すように、本発明の翼厚比が３０％の風力発電機用ブレードによれば、風速２ｍ／ｓに対して回転数が２０ｒｐｍ程度である。また、風速が風速３ｍ／ｓであっても、回転数は３０ｒｐｍ程度である。 In this demonstration experiment, a blade with a blade thickness ratio of 30% is used as the blade for a wind power generator of the present invention.
As shown in FIG. 4, according to the blade for wind power generators having a blade thickness ratio of 30% according to the present invention, the rotational speed is about 20 rpm with respect to the wind speed of 2 m / s. Moreover, even if the wind speed is 3 m / s, the rotation speed is about 30 rpm.

一方、従来の切欠を有した風力発電機用ブレードは、図５（ａ）に示すように、風速２ｍ／ｓで回転数は３０ｒｐｍ程度、風速３ｍ／ｓでは回転数は４５ｒｐｍ程度である。   On the other hand, as shown in FIG. 5A, the conventional wind power generator blade having a notch has a rotational speed of about 30 rpm at a wind speed of 2 m / s, and a rotational speed of about 45 rpm at a wind speed of 3 m / s.

また、翼厚比が２１％の風力発電機用ブレードによれば、図５（ｂ）に示すように、風速１ｍ／ｓで回転数が４０ｒｐｍ近く、風速２ｍ／ｓでは回転数が７０ｒｐｍ程度である。   Further, according to the blade for wind power generator having a blade thickness ratio of 21%, as shown in FIG. 5B, the rotational speed is about 40 rpm at a wind speed of 1 m / s, and the rotational speed is about 70 rpm at a wind speed of 2 m / s. is there.

したがって、本発明に係る風力発電機用ブレードが、従来の切欠を有した風力発電機用ブレードと比較して回転数を２／３程度に低下させることが可能であり、翼厚比が２１％の風力発電機用ブレードと比較した場合は、回転数を２／７程度に低下させることが可能であることが実験にて確認された。
したがって、本発明に係る風力発電機用ブレードが、従来の風力発電機用ブレードよりも、支持構造に与える負担が小さく、簡易な支持構造により風車を構成することが可能であることが証明された。 Therefore, the wind power generator blade according to the present invention can reduce the rotational speed to about 2/3 as compared with the conventional wind power generator blade having a notch, and the blade thickness ratio is 21%. It was confirmed by experiments that the number of rotations can be reduced to about 2/7 when compared with the blades for wind power generators.
Therefore, it has been proved that the wind power generator blade according to the present invention has a smaller burden on the support structure than the conventional wind power generator blade, and that it is possible to configure the wind turbine with a simple support structure. .

また、図４に示すように、本発明の風力発電機用ブレードによれば、風速が１ｍ／ｓに満たない弱風であっても、風車は回転し、発電することが可能である。   Moreover, as shown in FIG. 4, according to the blade for wind power generators of the present invention, the windmill can rotate and generate electric power even with a weak wind whose wind speed is less than 1 m / s.

本発明の好適な実施の形態に係る風力発電機用ブレードを備えた風車を示す斜視図である。It is a perspective view showing a windmill provided with a blade for wind power generators according to a preferred embodiment of the present invention. 図１に示す風車を示す側面図である。It is a side view which shows the windmill shown in FIG. 図１に示す風力発電機用ブレードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the braid | blade for wind power generators shown in FIG. 本発明に係る風量躯発電機用ブレードの実証実験結果を示すグラフであって、風車の風速と回転数との関係を示している。It is a graph which shows the verification test result of the blade | wing for air volume generators which concerns on this invention, Comprising: The relationship between the wind speed and rotation speed of a windmill is shown. 従来の風力発電機用ブレードの実証実験結果を示すグラフであって、（ａ）は翼厚比が１５％であって下面の後縁が切り欠かれた風力発電機用ブレード、（ｂ）は翼厚比が２１％の風力発電機用ブレード、を採用した風車による風速と回転数との関係を示している。It is a graph which shows the proof experiment result of the conventional blade for wind power generators, (a) is a blade for wind power generators where the blade thickness ratio is 15% and the rear edge of the lower surface is notched, (b) The figure shows the relationship between the wind speed and the rotational speed of a wind turbine employing a blade for a wind power generator with a blade thickness ratio of 21%.

符号の説明Explanation of symbols

１ 風車
２ 垂直軸
３ 支持具
４ ブレード
Ｆ 前縁
Ｒ 後縁
Ｂ 下面
Ｔ 上面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Windmill 2 Vertical axis 3 Support tool 4 Blade F Front edge R Rear edge B Lower surface T Upper surface

Claims (1)

垂直軸を中心として回転し、支持具を介して前記垂直軸から所定の間隔を有して複数枚配設される風力発電機用ブレードであって、
流線形の翼型を呈し、翼厚比が３０％以上４０％以下の範囲内であり、最大キャンバー量が４％かつ最大キャンバー位置が翼弦長に対して前縁から４０％の位置になるように形成されていることを特徴とする、風力発電機用ブレード。 A blade for a wind power generator that rotates around a vertical axis and is disposed at a predetermined interval from the vertical axis via a support,
Exhibited airfoil aerodynamic, blade thickness ratio Ri der within the following 40% 30%, the maximum camber amount is 4% and the maximum camber position 40% position from the leading edge relative to the wing chord length characterized that you have been formed so that the blade for wind power generator.
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