CN102057159A - 风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电装置，其包括：呈板状的多个叶片；风车，其安装有相对于旋转轴弯曲的多个叶片；发电机，其与风车的旋转轴连接且利用传递来的风车的动力进行发电。风车具有为了将叶片固定在旋转轴上，而在旋转轴上隔开规定的间隔被固定的一对固定用具。一对固定用具中的一个固定用具固定叶片的一端部，且另一个固定用具固定叶片的另一端部。叶片上形成有位于中央的宽度较窄部和隔着该宽度较窄部设于该宽度较窄部两侧的宽度较宽部。

Description

风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置，特别是涉及一种具有采用了扭曲的叶片(blade)的风车的风力发电装置。
背景技术
在风力发电装置所使用的一般的风车中，被称为叶片的多个翼被设置为能够产生所需要的电力的尺寸。就一般的风车而言，由于与风向相对的叶片的尺寸较大，因此设置场所受到限制。在此，若使用扭曲的叶片，则能够使风力作为旋转力有效地发挥作用，因此开发了一种与一般的风车相比与风向相对的叶片的尺寸为小型，但能够期望与一般的风车同等程度的转速的风车。(例如参照非专利文献1、2，专利文献1)。
非专利文献1：小岛，“扭曲圆弧翼型水平轴风车的开发”，太阳能，日本太阳能学会，1996年5月，第22卷，第3号，p.25-31
非专利文献2：小岛、岸村，“关于扭曲圆弧翼型水平轴风车的研究”，太用能，日本太阳能学会，1997年9月，第23卷，第5号，p.70-76
专利文献1：日本特开2005-226475号公报
风车随着风速的增大其转速也增加，在台风等强风时会高速旋转。在强风时带给叶片的负载急剧增加，使叶片破损的可能性也增大，因此为了防止上述问题而开发出了一种安装有制动机构的风力发电装置，当风车达到规定的转速以上时，该制动机构使风车停止旋转。
但是，若设置制动机构，则不仅风力发电装置自身的制造成本提高，而且由于在风车停止旋转时发电也随之停止，从而导致发电效率也降低。
发明内容
本发明的课题在于，抑制强风时的风车的转速，确保叶片的耐久性，并且在强风时也能够发电。
技术方案1的风力发电装置的特征在于，包括：
呈板状的多个叶片；
风车，其安装有相对于旋转轴弯曲的上述多个叶片；
发电机，其与上述风车的旋转轴连接且利用传递来的上述风车的动力进行发电，
上述风车具有为了将上述叶片固定在上述旋转轴上，而在上述旋转轴上隔开规定的间隔被固定的一对固定用具，
上述一对固定用具中的一个固定用具固定上述叶片的一端部，且另一个固定用具固定上述叶片的另一端部，
上述叶片上形成有位于中央的宽度较窄部和隔着该宽度较窄部设于该宽度较窄部两侧的宽度较宽部。
在技术方案1所述的风力发电装置的基础上，技术方案2的特征在于，
上述叶片上形成有从上述宽度较宽部朝向中央而宽度变窄的一对锥形部和与上述一对锥形部相连续、比上述宽度较宽部的宽度窄且宽度均匀的上述宽度较窄部，上述锥形部和上述宽度较窄部的交界部分的侧边为凹曲线。
在技术方案1所述的风力发电装置的基础上，技术方案3的特征在于，
上述宽度较窄部的两侧边为凹曲线。
根据本发明，叶片的宽度较窄部的宽度被形成为比宽度较宽部的宽度窄，因此远离旋转轴的部位(宽度较窄部)被轻量化，旋转的惯性也被降低。由此，能够抑制由于风速的增加而引起的旋转的增加率。另外，通过使宽度较窄部轻量化，能够使固定用具和叶片的连接部分的离心力也降低，而防止固定用具和叶片破损。通过该轻量化，叶片本身的自重也得到降低，因此即使是低风速也能够使风车开始旋转。
通过这样，能够抑制强风时的风车的转速，确保叶片的耐久性，且在强风时也能够发电。
另外，由于仅宽度较窄部被形成为宽度比宽度较宽部的宽度窄，因此与宽度均匀的叶片相比较，从旋转轴的轴向看到的投影面积并没有大幅度地减小。即，能够一定程度地确保受风的面积，并且降低对叶片的负载，因此能够尽量确保发电效率，并且提高耐久性。
附图说明
图1是表示本实施方式的风力发电装置的主视图。
图2是图1的风力发电装置的侧视图。
图3A是表示设在图1的风力发电装置上的风车的概略结构的主视图。
图3B是表示设在图1的风力发电装置上的风车的概略结构的侧视图。
图4A是表示设在图3A、图3B的风车上的固定用具的概略结构的主视图。
图4B是表示设在图3A、图3B的风车上的固定用具的概略结构的侧视图。
图5是表示设在图3A、图3B的风车上的叶片的主视图。
图6是图5中的圆S内的放大图。
图7是表示设在图1的风力发电装置上的发电机的内部结构的侧视图。
图8是表示设在以往的风车上的叶片的主视图。
图9A是用于比较以往的风车和本实施方式的风车的侧视图。
图9B是用于比较以往的风车和本实施方式的风车的主视图。
图10是表示以往的风车和本实施方式的风车的风速及转速的关系的风速—转速曲线图。
图11是表示图5的叶片的变形例的主视图。
具体实施方式
接下来对本实施方式的风力发电装置进行说明。图1是表示风力发电装置1的主视图，图2是图1的风力发电装置1的侧视图。
如图1和图2所示，风力发电装置1具有圆柱形状的基台21。在基台21的上端部，以能够沿水平方向转动的方式设有沿水平方向开口的圆筒状的外罩6。在外罩6的内部配设有：风车5；第1支承部71，其将风车5的旋转轴51的前端部支承为能够旋转的状态；第2支承部72，其将上述旋转轴51的后端部支承为能够旋转的状态。在第2支承部72的后方设有发电机22，该发电机22的驱动轴221与风车5的旋转轴51连接。
另外，在外罩6的上端部设有用于使外罩6、风车5转动为沿着风向的状态的引导板61。
图3A、图3B是表示风车5的概略结构的说明图，图3A是主视图，图3B是侧视图。如图3A、图3B所示，风车5设有：旋转轴51，其与发电机22的驱动轴221连接；一对固定用具52a、52b，其以隔开规定间隔的方式固定在旋转轴51上；多个板状的叶片53，其被安装为一端部被一对固定用具52a、52b中的一个固定用具52a固定，另一端部被一对固定用具52a、52b中的另一个固定用具52b固定，并且该多个叶片53相对于旋转轴51弯曲。其中，图3B的白色部分表示叶片53的表面侧，斜线部分表示叶片53的背面侧。
图4A、图4B是表示固定用具52a、52b的概略结构的说明图，图4A是主视图，图4B是侧视图。如图4A、图4B所示，在固定用具52a、52b的中央形成有被旋转轴51贯通而固定该旋转轴51的通孔521。并且，在固定用具52a、52b的通孔521的周围，与叶片53的片数相应地形成有多个相对于通孔521的轴向倾斜了规定角度α的扭曲面522。若使叶片53的端部与上述扭曲面522接触，则如图3A、图3B所示的那样，以最合适的扭转角使叶片53扭转。另外，在扭曲面522上形成有用于固定叶片53的螺纹孔523。
其中，优选叶片53的扭转角根据一对固定用具52a、52b的间隔、叶片53的片数、形状、尺寸等来适当地选择，有必要预先在设计时进行各种模拟(simulation)、实验等来求出最合适的扭转角度。并且，扭曲面522的角度α也必须以与得出的最合适的扭转角度对应的方式进行设定。另外，为了防止叶片53疲劳断裂，优选预先对扭曲面522的圆弧端部进行倒角加工。
图5是表示在安装到旋转轴51上之前的叶片53的主视图。如图5所示，叶片53的一端部531和另一端部532被形成为与固定用具52a、52b的扭曲面522大致相同的形状。另外，在叶片53的一端部531和另一端部532上重叠有与这些一端部531和另一端部532大致为相同形状的加强板533，且通过焊接等来固定上述加强板533。在一端部531、另一端部532和加强板533上形成有与扭曲面522上的螺纹孔523重合的通孔534，若使这些通孔534和螺纹孔523对准并进行螺丝固定，则能够在固定用具52a、52b上以最合适的扭转角固定叶片53。
叶片53上形成有中央部的宽度较窄部538和隔着该宽度较窄部538设于该宽度较窄部538两侧的宽度较宽部536。即，叶片53的宽度较窄部538被形成为宽度比从叶片53的一端部531到宽度较窄部538和从另一端部532到宽度较窄部538的连续的一对宽度较宽部536的宽度窄。具体来说明，宽度较宽部536被形成为从一端部531到宽度较窄部538和从另一端部532到宽度较窄部538为均等的宽度H1。另一方面，宽度较窄部538与从宽度较宽部536朝向中央而宽度变窄的一对锥形部537相连续，且被形成为宽度为比宽度较宽部536的宽度窄的均等的宽度H2。
图6是图5中的圆S内的放大图，表示锥形部537和宽度较窄部538的交界部分539。如该图6所示，锥形部537和宽度较窄部538的交界部分539的侧边相对于锥形部537和宽度较窄部538的侧边为平滑地连续的凹曲线。
图7是表示发电机22的内部结构的侧视图。如图7所示，在发电机22内设有：与风车5的旋转轴51连接的驱动轴221、安装在该驱动轴221的基端部上的磁性体的芯222、相对于该芯222隔开规定的间隔地覆盖该芯222周围的线圈223、与该线圈223和蓄电池(省略图示)连接的电缆224。当驱动轴221随着风车5的旋转而旋转时，芯222在线圈223内旋转，而在线圈223内产生电力。该电力经由电缆224储存到蓄电池中。
接下来，对本实施方式的作用进行说明。
参照图1和图2对风力发电装置1的作用进行说明，当风吹到引导板61、外罩6时，与该风力相应地外罩6和风车5以基台21为中心转动，并被配置在对应风向的位置上。当穿过外罩6内的风吹到叶片53时，旋转轴51随着风车5的旋转而旋转。而且当驱动轴221随着旋转轴51的旋转而旋转时发电机22工作并开始发电。由该发电得到的电力被供给并储存到蓄电池中。
接下来，对本实施方式的风车5和以往的风车10的与风速对应的转速进行比较。
首先，对以往的风车10进行说明，对与上述风车5相同的部分标注同一附图标记并省略该部分的说明。图8是表示例如专利文献1所公开的以往的风车10所使用的叶片11的主视图。图8所示的叶片11与上述实施方式的叶片53不同，被形成为从一端部111到另一端部112之间为均等宽度。以下，称该均等宽度的部分为宽度均等部113。将以该宽度均等部113的宽度H3作为与叶片53的宽度较宽部536的宽度H1相同的数值的以往的叶片11固定于固定用具52a、52b上，构成风车10(参照图9A、图9B)。其中，在图9A、图9B中，单点划线部T是上述实施方式的叶片53。
然后，分别对以往的风车10和本实施方式的风车5沿旋转轴51供风，并使该风速变化，来检查转速的变动。图10是表示以往的风车10和本实施方式的风车5的风速和转速的关系的风速—转速曲线图。风速为5m/s～15m/s时，两风车5、10为大致同等的转速，当风速超过15m/s时，与以往的风车1O相比本实施方式的风车5的旋转的增加率小，即使在风速为30m/s时转速也低于3000rpm。在本实施方式的风车5中，叶片53的宽度较窄部538的宽度被形成为比宽度较宽部536的宽度窄，因此使最远离旋转轴51的部位的重量减轻。由此在高速旋转时的离心力降低，旋转方向上的惯性也减弱。
另一方面，就能够使风车开始旋转的风速而言，以往的风车10为2.6m/s，本实施方式的风车5为1.9m/s。这是因为本实施方式的风车5的叶片53被谋求了轻量化，而能够在低速的风速时即可开始旋转。
如上所述，采用本实施方式的风力发电装置1，叶片53的宽度较窄部538的宽度被形成为比宽度较宽部536的宽度窄，因此能够减少承受来自风的空气阻力，抑制强风时的转速。而且，由于使远离旋转轴51的部位(宽度较窄部538)轻量化，因此减弱了旋转的惯性，并且也抑制了由于风速的增加而引起的旋转的增加率。另外，通过使宽度较窄部538轻量化，能够使固定用具52a、52b和叶片53的连接部分的离心力也降低，而防止固定用具52a、52b和叶片53破损。
通过这样，能够抑制强风时风车的转速，确保叶片的耐久性，且在强风时也能够发电。
另外，由于仅宽度较窄部538被形成为宽度比宽度较宽部536的宽度窄，因此从旋转轴51的轴向看到的投影面积即使与宽度均一的叶片11相比较，也没有大幅度地减小(参照图9B)。即，能够一定程度地确保受风的面积，并且降低叶片53所承受的负载，因此能够确保发电效率，并且提高耐久性。
另外，叶片53的锥形部537和宽度较窄部538的交界部分539的侧边为凹曲线，因此能够抑制由于叶片53的旋转引起的变形而使应力集中在交界部分539。由此，能够进一步提高叶片53的耐久性。
在此，优选图5所示的宽度较窄部538的宽度H2为宽度较宽部536的宽度H1的0.10～0.90倍。若考虑离心力的降低和叶片53的强度的平衡，则更加优选O.40～O.5O倍。
另外，优选宽度较窄部538和锥形部537的长度L1为叶片53的全长L2的0.29～0.67倍。若考虑离心力的降低和投影面积的大小的平衡，则更加优选0.30～0.4倍。或者，优选上述长度L1被设定为在从旋转轴51的轴向看到的投影图(参照图3A)中的从旋转轴51到叶片53的最外端的距离L3的0.10～0.50倍的范围内。
另外，不言而喻，本发明不限于上述实施方式，也能够进行适当的变更。
例如，在本实施方式中，对叶片53的宽度较窄部538的侧边由锥形部537的直线状的侧边和宽度较窄部538的直线状的侧边组合而形成的情况进行了例示说明，但也可以如图11所示的那样叶片53a的宽度较窄部535a的侧边为凹曲线。在该情况下，也能够使由于叶片53a的旋转引起的变形所导致的应力集中在一个部位的情况得到抑制，从而能够进一步提高叶片53a的耐久性。
附图标记说明
1    风力发电装置
5    风车
6    外罩
10   风车
11   叶片
21   基台
22   发电机
51   旋转轴
52a、52b  固定用具
53   叶片
61   引导板
111  一端部
112  另一端部
113    宽度均等部
221    驱动轴
222    芯
223    线圈
224    电缆
531    一端部
532    另一端部
533    加强板
534    通孔
536    宽度较宽部
537    锥形部
538    宽度较窄部
539    交界部分

Claims (3)

1.一种风力发电装置，其特征在于，包括：
呈板状的多个叶片；
风车，其安装有相对于旋转轴弯曲的上述多个叶片；
发电机，其与上述风车的旋转轴连接且利用传递来的上述风车的动力进行发电，
上述风车具有为了将上述叶片固定在上述旋转轴上，而在上述旋转轴上隔开规定的间隔被固定的一对固定用具，
上述一对固定用具中的一个固定用具固定上述叶片的一端部，且另一个固定用具固定上述叶片的另一端部，
上述叶片上形成有位于中央的宽度较窄部和隔着该宽度较窄部位于该宽度较窄部两侧的宽度较宽部。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，
上述叶片上形成有从上述宽度较宽部朝向中央而宽度变窄的一对锥形部和与上述一对锥形部相连续、比上述宽度较宽部的宽度窄且宽度均匀的上述宽度较窄部，上述锥形部和上述宽度较窄部之间的交界部分的侧边为凹曲线。
3.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，
上述宽度较窄部的两侧边为凹曲线。
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