JP6067130B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置のロータブレードに関する。

風力発電装置のロータブレードは、ロータブレード翼根領域と、ロータブレード翼端と、ロータブレード前縁と、ロータブレード後縁と、吸引側と、与圧側とを有する。典型的には、ロータブレードは、そのロータブレード翼根領域において風力発電装置のハブに結合する。かくして、ロータブレード（複数）が風力発電装置のロータに結合し、十分な風が存在すれば、ロータを回転させる。この回転は、発電機によって電気的出力（電力）に変換されることができる。

ロータブレードは空気力学的揚力の原理によって動かされる。風がロータブレードに当たると、空気はブレードの上側においても下側においてもブレードに沿って案内される。ブレードは、典型的には、空気が下側に沿って案内される場合と比べて、空気がブレードの上側において翼型の周に関してより長い経路をとり、従ってより迅速に流れなければならないように、湾曲される。かくして、ブレードの上側に低圧ないし減圧（吸引側）が、下側に高圧ないし過圧（与圧側）が生成する。

ＥＰ １ ９４４ ５０５ Ａ１ ＥＰ ２ ４８４ ８９８ Ａ１ ＷＯ ２０１３／０１４０８０ Ａ２ ＷＯ ２００７／１４０７７１ Ａ１ ＷＯ ２００８／１１３３５０ Ａ２ ＷＯ ２００６／１２２５４７ Ａ１ ＷＯ ２０１２／０８２３２４ Ａ１

ＥＰ １ ９４４ ５０５ Ａ１は、ロータブレードの吸引側に複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載している。

ＥＰ ２ ４８４ ８９８ Ａ１は、複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載している。渦発生装置は、ロータブレード翼根に近接する領域（翼根近接領域）に設けられている。

ＷＯ ２０１３／０１４０８０ Ａ２は、複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載している。更に、この文献には、ロータブレードに渦発生装置を追加設置可能である様子が記載されている。この場合、渦発生装置は、ロータブレードの吸引側でかつロータブレード翼根近接領域に設けられる。

ＷＯ ２００７／１４０７７１ Ａ１は、ロータブレードの吸引側に複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載している。

ＷＯ ２００８／１１３３５０ Ａ２は、同様に、複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載している。渦発生装置は、ロータブレードの吸引側に設けられる。

ＷＯ ２００６／１２２５４７ Ａ１は、ロータブレードの吸引側に複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載している。

ＷＯ ２０１２／０８２３２４ Ａ１は、複数の渦発生装置を有する風力発電装置のロータブレードを記載しており、渦発生装置は、ロータブレード翼根近接領域に設けられている。

風力発電装置の運転時には騒音が発生するが、これは、住宅地における風力発電装置の受容性を改善するために、可及的に減少されるべきである。

この課題は、請求項１に記載の風力発電装置のロータブレードによって解決される。即ち、上記の課題を解決するために、本発明の一視点により、水平軸型風力発電装置のロータブレードであって、ロータブレード前縁と、ロータブレード後縁と、風力発電装置に結合するためのロータブレード翼根と、ロータブレード翼端と、吸引側と、与圧側と、ロータブレードの予め設定される迎角の場合において、ロータブレードの長手方向に沿って該ロータブレード翼根から該ロータブレード翼端に向かうよどみ点ラインと、該よどみ点ラインの領域における複数の渦発生装置とを含み、該よどみ点ラインは該与圧側の領域に存在し、前記予め設定される迎角は、定格領域（Nennbereich）における実効迎角を表す、ロータブレードが提供される（形態１）。

風力発電装置のロータブレードは、吸引側と、与圧側と、翼根近接領域と、ロータブレード翼端と、ロータブレード前縁と、ロータブレード後縁とを有する。ロータブレードは、更に、ロータブレードの長さに沿って複数のよどみ点を有し、これらのよどみ点は一緒によどみ点ラインを形成することができる。複数の渦発生装置はよどみ点ラインの領域に設けられる。よどみ点ラインは、ロータブレードの下側（一般的に、与圧側（Druckseite）と称される）に存在する。

よどみ点（stagnation point）は、流れ（流体）の速度が消失し、その結果、運動エネルギが完全に圧力エネルギに変換され得るロータブレードの表面の点である。ピッチ角を変化することにより、よどみ点の位置は変化し得る。よどみ点は、そこで流れが分割される点であり、（分割された）流れの一部はロータブレードの吸引側を介して流れ、（分割された）流れの他の部分はロータブレードの与圧側を介して流れる。

本発明の一視点に応じ、渦発生装置（複数）は、長手方向においてロータブレードの長さの５０％を超える部分、とりわけ６０％を超える部分に設けられる（即ち、よどみ点ラインの領域の、ロータブレード翼端の方向にみてロータブレードの残り５０％〜４０％の部分に渦発生装置（複数）が設けられる）。

渦発生装置の形状は、例えば、半円、楕円形又は平面図において（上から見て）矢形（pfeilfoermig）であり得る。渦発生装置の直径は、１００ｍｍ未満である。隣り合う渦発生装置間の距離は、少なくとも渦発生装置の直径の１倍であり、最大で渦発生装置の直径の１０倍である。

渦発生装置の高さは、最大で直径の１／４である。渦発生装置の立体形状は、一定の厚みを有するディスク又は丸い（丸みを帯びた）基本形状を有するドーム（ないし半球状：Kugelkalotte）とすることができる。

本発明の更なる実施形態は従属請求項の対象である。以下に、本発明の好ましい実施の形態を示す。
（形態１）上掲。
（形態２）上記のロータブレードにおいて、前記渦発生装置は、前記長手方向に沿ったロータブレードの長さの５０％を超える領域にあることが好ましい。
（形態３）上記のロータブレードにおいて、前記渦発生装置は、平面図で円形、楕円形又は矢形に形成されることが好ましい。
（形態４）上記のロータブレードにおいて、前記渦発生装置の直径は、１００ｍｍ未満であることが好ましい。
（形態５）上記のロータブレードにおいて、前記渦発生装置の高さは、最大で当該渦発生装置の直径の１／４に相当することが好ましい。
（形態６）上記のロータブレードにおいて、前記渦発生装置の形状は、実質的に一定の厚みを有するディスク、又は丸い基本形状を有するドームに相当することが好ましい。
（形態７）上記のロータブレードにおいて、隣り合う渦発生装置間の距離は、当該渦発生装置の直径の１〜１０倍に相当することが好ましい。
（形態８）上記形態１〜７の何れかの風力発電装置のロータブレードを少なくとも１つ含む水平軸型風力発電装置も有利に提供される。

以下に、本発明の有利な実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、特許請求の範囲に付した図面参照符号は専ら発明の理解を助けるためのものであり、本発明を図示の態様に限定することは意図しない。

本発明に応じた風力発電装置の一例の模式図。 第１実施例に応じたロータブレードの模式図。 第１実施例に応じたロータブレードの一断面の模式図。 第２実施例に応じた風力発電装置のロータブレードの一部分の斜視図。 風力発電装置のロータブレードの一例についての実効仰角に対する揚力係数の推移（変化）を示す極線図（Polardiagramm）。

図１は、本発明に応じた風力発電装置の一例の模式図である。風力発電装置１００は、タワー１０２とナセル（ゴンドラ）１０４とを有する。ナセル１０４には、３つのロータブレード２００とスピナ１１０とを有するロータ１０６が設けられている。ロータ１０６は、運転時、風によって回転運動し、それによってナセル内の発電機の回転を引き起こし、発電機はその回転から電気的出力（電力）を生成する。ロータブレードのピッチないしロータブレード２００の仰角は、各ロータブレード２００のロータブレード翼根領域のピッチ駆動装置によって変化することができる。

図２は、第１実施例に応じた風力発電装置のロータブレードの模式図である。ロータブレード２００は、ロータブレード前縁２１１と、ロータブレード後縁２１２と、ロータブレード翼端２１３と、ロータブレード翼根領域２１４とを有する。更に、ロータブレードは、ロータブレード翼根領域２１４からロータブレード翼端２１３に向かって延伸する長手方向Ｌを有する。ロータブレードは、更に、ロータブレードの与圧側に延在するよどみ点ライン２１５（stagnation point line）を有する。ロータブレードの断面は長手方向Ｌにおいて変化するため、よどみ点（stagnation point）もロータブレードの部分毎に変化する。かくして、複数のよどみ点から、１つのよどみ点ライン２１５を形成することができる。よどみ点ライン２１５の領域には、複数の渦発生装置３００が設けられる。ロータブレード２００は、ロータブレード翼根領域２１４を介して、風力発電装置のロータ１０６に分離可能に結合される。ロータ１０６に例えばロータハブに結合されるロータブレード翼根領域２１４の端部は丸型に形成され、複数の螺着装置によってロータ１０６のハブに分離可能に結合することができる。

渦発生装置３００は、予め設定される仰角、例えば定格仰角（Nenn-Anstellwinkel）の場合におけるよどみ点ライン２１５の領域に設けられる。

選択的に、渦発生装置３００は、ロータブレード翼根領域２１４から見てロータブレードの長さの５０％から１００％までのところに形成することができる。とりわけ、渦発生装置３００は、ロータブレード翼根領域２１４から見てロータブレードの長さの６０％〜１００％のところに設けることができる。

ロータブレードのよどみ点の領域に渦発生装置を設けることにより、ロータブレード後縁における流れの剥離に対しポジティブな影響を与えることができる。

渦発生装置３００は、平面図において（上から見て）円形、楕円形又は矢形に形成することができる。渦発生装置の直径は１００ｍｍ未満（例えば２０ｍｍ）である。隣り合う渦発生装置３００間の距離（間隔）は、少なくとも渦発生装置の直径の１倍であり、最大で渦発生装置の直径の１０倍である。渦発生装置の高さは、最大で渦発生装置の直径の１／４である。（渦発生装置の）立体形状は、厚みが一定のディスク又は丸い基本形状のドームに相当することができる。矢形の場合の平面図（底面輪郭：Grundriss）は角錐面の形状（Pyramidenform）とすることができる。丸い基本構造の場合、流れの方向に対する配向は重要ではないのに対し、角錐体の場合は、その頂部が流れの方向に配向される（向けられる）。

図３は、第１実施例に応じた風力発電装置のロータブレードの一断面の模式図である。ロータブレード２００は、ロータブレード前縁２１１と、ロータブレード後縁２１２と、吸引側２１６と、与圧側２１７とを有する。渦発生装置３００は、与圧側２１７の領域かつよどみ点ないしよどみ点ライン２１５の領域に設けられる。

図４は、第２実施例に応じたロータブレードの一部分の斜視図である。ロータブレード２００は、この部分に、よどみ点ライン２１５の領域に設けられた２つの渦発生装置３００を有する。或いは、渦発生装置３００は、定格運転時によどみ点ラインの領域に存在するよう、よどみ点ライン２１５の領域に設けることもできる。（例えば突風によって又は剪断風における運転時において）変化する風条件によって実効仰角がグローバルに（ロータブレード全長について同じ態様で）又はローカルに（ロータブレード全長について少なくとも部分的に異なる態様で）増加すると、よどみ点は渦発生装置の後方に移動し、渦発生装置に渦糸が発生するが、これにより、吸引側においてより大きな剥離領域が安定化され、かくして、不都合な流れ条件下においてもなお、流れの接触と揚力の維持が確保される。図４には、吸引側と与圧側の間の中心線２１５ｂと、定格速度（定格領域）の場合の実効仰角α_ｅｆｆの場合のよどみ点ライン２１５ａと、失速（ストール）領域の場合の実効仰角α_ｅｆｆの場合のよどみ点ライン２１５ｃが示されている。

図５は、レイノルズ数が６百万（６ Ｍｉｏ）の場合における実効仰角ないしピッチ角に対する揚力係数の推移（変化）を表す曲線図である。これに関し、渦発生装置を有しないロータブレードについての実効流れ角α_ｅｆｆに対する揚力係数Ｃ_Ｌの推移（変化）６００と渦発生装置を有するロータブレードについての実効流れ角α_ｅｆｆに対する揚力係数Ｃ_Ｌの推移（変化）５００が図示されている。かくして、本発明の渦発生装置を使用することにより空気流の剥離開始が遅延されることが図５から認識できる。揚力係数Ｃ_Ｌは増加される。即ち、本発明の渦発生装置を有するロータブレードは、より大きな揚力係数を達成することができ、より大きな実効仰角α_ｅｆｆを達成することができる。従って、最大揚力係数Ｃ_Ｌは、ロータブレードの仰角のより大きい値にシフトされる。このことは、運転中の風力発電装置にとっては、翼型の定常的な（定常状態における）剥離挙動（特性）が改善されると同時に、不都合な抵抗増大が最小化されることを意味する。このため、定常的な（定常状態における）流れ条件下にあるロータブレードについて騒音が低減され、かくして、本発明の風力発電装置では音響（騒音）発生が低減される。

Claims (8)

1. 水平軸型風力発電装置のロータブレードであって、
   ロータブレード前縁（２１１）と、ロータブレード後縁（２１２）と、風力発電装置に結合するためのロータブレード翼根（２１４）と、ロータブレード翼端（２１３）と、
   吸引側（２１６）と、与圧側（２１７）と、
   ロータブレードの予め設定される迎角の場合において、ロータブレードの長手方向（Ｌ）に沿って該ロータブレード翼根（２１４）から該ロータブレード翼端（２１３）に向かうよどみ点ライン（２１５）と、
   該よどみ点ライン（２１５）の領域における複数の渦発生装置（３００）と
   を含み、
   該よどみ点ライン（２１５）は該与圧側（２１７）の領域に存在し、
   前記予め設定される迎角は、定格領域における実効迎角を表す、
   ロータブレード。
2. 前記渦発生装置（３００）は、前記長手方向（Ｌ）に沿ったロータブレードの長さの５０％を超える領域にあること
   を特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
3. 前記渦発生装置（３００）は、平面図で円形、楕円形又は矢形に形成されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のロータブレード。
4. 前記渦発生装置（３００）の直径は、１００ｍｍ未満であること
   を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のロータブレード。
5. 前記渦発生装置（３００）の高さは、最大で当該渦発生装置（３００）の直径の１／４に相当すること
   を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のロータブレード。
6. 前記渦発生装置（３００）の形状は、実質的に一定の厚みを有するディスク、又は丸い基本形状を有するドームに相当すること
   を特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のロータブレード。
7. 隣り合う渦発生装置（３００）間の距離は、当該渦発生装置（３００）の直径の１〜１０倍に相当すること
   を特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のロータブレード。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の風力発電装置のロータブレードを少なくとも１つ含む水平軸型風力発電装置。

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