CN114222854A - 风力发电用的叶轮以及风力发电系统 - Google Patents

风力发电用的叶轮以及风力发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于，提供一种叶轮以及风力发电系统，其在有限的区域设置多个风力发电装置，能够从整个区域高效地发电，并且可以将风力发电时由叶轮的旋转产生的噪音抑制得较小。本发明涉及一种风力发电用的叶轮，其具备：多片叶片；以及轮毂，其在中心设置有旋转轴，将所述多片叶片在周向上大致等间隔地配置，所述叶片形成为朝向叶轮的外周一边扩大宽度一边延伸，连接叶片的前缘和后缘的线段相对于与叶轮的旋转轴垂直的面倾斜成大致10度以上且大致20度以下，从叶轮的正面观察，所述多片叶片在叶轮的旋转方向前方的叶片的后缘和旋转方向后方的叶片的前缘的一部分重叠。

Description

风力发电用的叶轮以及风力发电系统
技术领域
本发明涉及能够提高发电效率且静音性优异的风力发电用的叶轮以及具备风力发电用的叶轮的风力发电系统。
背景技术
近年来，出于对地球环境的考虑，人们对利用清洁能源的发电装置的关注度越来越高。作为这样的发电装置之一，可以列举出风力发电装置。风力发电装置是通过风力使叶轮旋转，并将由叶轮的旋转得到的旋转能量转换为电能的装置。
此外，由于电力需求增大等原因，希望增加风力发电装置的发电量。例如，在专利文献1中，提出了为了增加发电量而在叶轮上设置用于收集风的风洞的风力发电装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-182405号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
一般而言，存在承受风的叶轮的叶片的面积越大，或者叶轮的旋转速度越快，则风力发电装置的发电量越大的倾向。另外，已知在将具有相同直径且叶片的片数不同的叶轮彼此进行比较的情况下，叶片的片数越少，则叶轮的旋转速度越快。因此，目前主流的具备三片叶片的叶轮的风力发电装置，大多设计为叶片的直径较长，以增大叶片的面积。但是，如果要在有限的区域设置多个风力发电装置，则叶片的直径越长，则风力发电装置的设置台数越少，结果从整个区域得到的发电量变少。此外，由叶片和空气的摩擦产生的噪音问题也是风力发电装置的可设置场所受到限制的原因之一。基于这样的原因，需要一种叶轮以及风力发电系统，其能够在有限的区域设置多个风力发电装置，从整个区域高效地发电，并且静音性优异。
本发明是鉴于上述问题而完成的。即，本发明的目的在于提供一种即使设置在有限的狭窄区域，也能够从整个区域高效地发电的叶轮以及风力发电系统。另外，本发明的目的在于提供一种可以将风力发电时因叶轮的旋转而产生的噪音抑制得较小的叶轮以及风力发电系统。
用于解决技术问题的方案
本发明通过以下的[1]～[4]中的任一项来解决上述课题。[1]一种风力发电用的叶轮，其具备：多片叶片；以及轮毂，其在中心设置有旋转轴，在周向上大致等间隔地配置所述多片叶片，所述叶片形成为朝向叶轮的外周一边扩大宽度一边延伸，连接叶片的前缘和后缘的线段相对于与叶轮的旋转轴垂直的面倾斜成大致10度以上且大致20度以下，从叶轮的正面观察，所述多片叶片在叶轮的旋转方向前方的叶片的后缘和旋转方向后方的叶片的前缘的一部分重叠；
[2]根据[1]所述的风力发电用的叶轮，所述多片叶片为5片，从叶轮的正面观察，叶轮的旋转方向前方的叶片和旋转方向后方的叶片在叶轮的外周部分不重叠；
[3]根据[1]或[2]所述的风力发电用的叶轮，所述叶片由形成为大致等同的厚度的板状材料形成，并且受风侧的面为平面；
[4]一种风力发电系统，其具备风力发电装置，该风力发电装置至少具有：风洞，其形成为沿着中心轴切开的纵剖面呈大致流线形；[1]至[3]中任一项所述的叶轮，其配置在风洞内；以及发电机，其通过叶轮的旋转而进行发电。
发明效果
根据本发明，能够提供一种叶轮以及风力发电系统，即使设置在有限的狭窄区域，也能够从整个区域高效地发电。另外，根据本发明，能够提供一种叶轮以及风力发电系统，其可以将风力发电时由叶轮的旋转产生的噪音抑制得较小。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的叶轮的主视图的一例。
图2是本发明的实施方式所涉及的叶轮的侧视图的一例。
图3是本发明的实施方式所涉及的叶片的主视图以及外周侧侧视图的一例。
图4是本发明的实施方式所涉及的风力发电装置的俯视局部剖视图的一例。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的风力发电系统的结构的一例的局部剖视图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式，但本发明并不限定于附图以及实施方式。另外，本发明并不限定于以下记载的优选数值或结构。
图1是本发明的实施方式所涉及的叶轮的主视图的一例。另外，图2是本发明的实施方式所涉及的叶轮的侧视图的一例。图1以及图2所示的叶轮11至少具备轮毂12和多片叶片13。
如图1所示，叶轮11形成为，各叶片13a～13e从轮毂12的侧面朝向叶轮11的外周方向，一边扩大叶片的宽度一边延伸。另外，各叶片13a～13e在轮毂12的周向上大致等间隔地排列，从而以包围轮毂12的方式配置。另外，轮毂12构成为，其中心是叶轮11的旋转中心P0，在旋转中心P0可以连接用于向发电机传递叶轮11的旋转力的旋转轴。
图2是本发明的实施方式所涉及的叶轮的侧视图的一例。如图1以及图2所示，从叶片13的旋转方向观察，叶片13以后方的端缘(后缘)位于前方的端缘(前缘)的下风侧的方式倾斜地安装在轮毂12上。另外，叶片13的宽度形成为叶轮11的外周方向的端缘的宽度比叶片13与轮毂12连接的部位附近的宽度宽大的大致扇形形状。
叶轮11的叶片13的片数没有特别限制，例如优选为3～5片。如果叶片13的片数小于3片，则叶片13整体上承受的风的量变小，发电效率降低。另外，由于用于将风的能量传递给轮毂的叶片的片数过少，因此无法充分地得到驱动发电机所需的转矩，发电效率降低。另一方面，如果叶片13的片数为6片以上，则因叶片13与空气的摩擦而产生的风的漩涡变多，噪音增大。另外，与3～5片的情况相比，虽然能够得到更大的转矩，但叶轮的旋转速度存在急速降低的倾向。因此，将风力转换为叶轮11的旋转力的效率也变差，因此发电效率降低。此外，由于叶轮整体的质量也变重，因此对轮毂12以及旋转轴2的结构负荷也变大，对叶轮11的耐久性造成不良影响。
作为叶片13的片数，特别优选为5片。在叶片13的片数为5片的情况下，与4片的情况相比，能够得到足以驱动发电机的更大的转矩。另外，虽然各叶片的承受风的面积变小，但叶轮整体上能够增大受风面积。因此，能够以高效率将风力转换为旋转力。在叶片的片数为4片以下的结构中，在要确保与叶片的片数为5片的情况相同的受风面积的情况下，需要设计成扩大叶片宽度而使叶片的质量变重，或者使叶片的直径变长。如果扩大叶片宽度而加重叶片的质量，则对轮毂12的结构负荷也变大，对叶轮11的耐久性造成不良影响。如果设计成叶片的直径变长，则风力发电装置的设置台数变少，结果从整个区域得到的发电量变少。
在叶片13的片数为5片的情况下，与叶片为6片以上时相比，也能够得到较高的发电效率。在叶片为5片的情况下，与叶片为6片以上的情况相比，能够增大各叶片的承受风的面积。另外，相反地，在为了使风从叶轮的正面向后方通过而在叶片与叶片之间确保空间时，与6片以上的情况相比，也能够确保足够的空间。在相邻的两片叶片之间的空间狭窄的情况下，叶轮本身有可能会遮挡空气的流动，或者使由叶轮与空气的摩擦产生的风的漩涡长时间滞留在原位，因此有可能使从叶轮前方流入的风的流动失速，叶轮的旋转效率降低。其结果为，发电效率降低。
通过采用叶轮11的叶片13的片数为5片的结构，在得到发电所需的足够的转矩的同时，不会使通过叶片的风的流动失速，能够在较高地维持旋转效率的状态下进行发电。另外，由于不会妨碍空气的流动，还可以抑制风的漩涡的产生，因此能够将噪音抑制得较小。另外，由于叶片的片数被限定为5片，因此能够减轻叶轮11整体的质量对旋转轴2施加的负荷，具有叶轮11不易破损的优点。此外，与叶片13为6片以上的情况相比，能够抑制制造成本。
接着，使用图1以及图2对各叶片13的倾斜角度进行说明。如图2所示，从叶片13a的旋转方向观察，本实施方式中的包括叶片13a在内的各叶片13以后方的端缘(后缘15b)位于前方的端缘(前缘15a)的下风侧的方式倾斜地安装在轮毂12上。在此，在与旋转轴2a垂直的面上，将从叶轮11的旋转中心P0到位于叶轮11的最外周的外周端缘的半径定义为R，将半径1/4R的圆的圆周与叶片13a的前缘15a以及后缘15b的交点分别设为P2、P3。另外，如果将连接P2和P3的线段P2P3相对于与旋转轴2a垂直的面的倾斜角度定义为θ，则倾斜角度θ优选为10度以上，更优选为12度以上。另外，倾斜角度θ优选为20度以下，更优选为18度以下。在倾斜角度θ处于14.5度以上且15.5度以下的范围的情况下，当叶片承受风时，能够最高效地将风力转换为旋转力。另一方面，如果倾斜角度θ大于20度，则承受风时的叶片的振动变大，噪音增大，同时也会导致产生紊流。另外，如果倾斜角度θ小于10度，则叶片本身成为妨碍风的流动的阻力，风速大幅降低，因此叶片的旋转速度急剧变慢，并且发电效率也降低。
本实施方式中的包括叶片13a的各叶片13构成为，以后方的端缘(后缘15b)位于前方的端缘(前缘15a)的下风侧的方式定义了线段P2P3的倾斜角度θ，但也可以以倾斜角度θ反转180度的方式定位线段P2P3。在该情况下，叶轮的旋转方向与本实施方式中的叶轮11的旋转方向相反。另外，本实施方式中的点P2、P3的位置定义为，以旋转中心P0为中心的半径1/4R的圆的圆周与叶片13a的前缘15a以及后缘15b的交点，但点P2、P3只要分别是叶片13a的前缘15a上、后缘15b上的点，则可以选择任意的点。
接着，使用图1以及图3对叶轮11的各叶片13的形状进行说明。本实施方式中的叶轮11的各叶片13通过采用叶片宽度随着朝向叶轮11的外周而逐渐扩大的结构来确保产生规定电力所需的叶片的面积。在图1中，各叶片13的宽度形成为，与叶片13和轮毂12连接的部位附近的宽度相比，叶轮11的外周方向的端缘的宽度更宽，呈大致扇形的形状。另外，叶片13的形状没有特别限制，但如图1所示，从正面观察叶片13a时，优选形成为分别延长了叶片13a的前缘15a以及后缘15b的直线的交点P1位于隔着旋转中心P0与叶片的外周缘15d相反侧的区域。通过采用这样的结构，即使在叶片13a与轮毂12连接的部位的附近，也能够确保叶片13承受风的面积较大。另外，能够增大叶轮11整体承受风的面积，能够进一步提高发电效率。
图3是本发明的实施方式所涉及的叶片的主视图以及外周侧侧视图的一例。如图3所示，叶片13a优选为将薄板状部件加工成平面状且厚度大致等同的一张板的形状。即，从叶片13a的外周缘15d侧观察叶片13a时，如外周缘15d的外周侧侧视图15e所示，优选形成为整体上厚度等同。另外，叶片13a的承受风的部分(由前缘15a、后缘15b以及外周缘15d包围的区域)的形状优选为平面。叶片13a的材料只要是薄板状部件就没有特别限定，但从加工容易、轻量、具有强度等方面考虑，优选FRP。
本实施方式中的叶片13a的材料为薄板状部件，因此旋转时的空气阻力小，风通过叶片13a时也不易产生风的紊乱，因此能够提高叶轮11的旋转效率。另外，由于叶片13a～13e的形状是叶片整体厚度大致等同的板形状，因此与以往那样的流线型、向外周方向弯曲的形状的叶片相比，制造时的加工容易，并且能够抑制各叶片的制造成本。
接着，使用图1对叶轮11的各叶片13a～13e中相邻的两片叶片13a以及叶片13b进行说明。叶轮11优选构成为，从叶轮11的正面观察，叶轮11的旋转方向前方的叶片13a和旋转方向后方的叶片13b在叶轮11的外周部分不重叠。即，在相邻的两片叶片的关系中，优选在叶片13a的后缘15b与叶片13b的前缘15c之间确保规定的空间。在叶轮11承受风而旋转时，在各叶片13之间，由于叶片与空气的摩擦而产生风的漩涡，由旋转方向前方的叶片13a产生的风的漩涡会干扰之后来到的叶片13b的旋转运动，导致叶轮11自身的旋转效率降低。因此，通过在相邻的各叶片之间设置规定的空间，容易使在叶片和叶片彼此之间产生的风的漩涡和紊流向下风方向逃逸，能够抑制在叶轮的旋转方向上相邻的叶片彼此的相互干扰。另外，通过在叶轮11的各叶片13之间相互确保规定的空间，能够防止通过叶轮11的风的流动紊乱而使空气滞留在后方，并且也能够防止流入叶轮11的风量减少而使风失速，因此能够提高叶轮11整体上的旋转效率。
但是，另一方面，如果仅扩大相邻的叶片13a和叶片13b之间的空间，则叶轮11整体上承受风的面积变窄，将风力转换为叶轮的旋转能量的效率降低。因此，优选构成为，从叶轮的正面观察，相邻的叶片13a以及13b在位于叶轮11的旋转方向前方的叶片13a的后缘15b和位于旋转方向后方的叶片13b的前缘15c的一部分重叠。通过采用这样的结构，叶轮11整体上能够增大叶片承受风的面积，因此即使不增大叶片13的直径，也能够将风力高效地转换为叶轮的旋转能量。
叶轮11的叶片13a的后缘15b与叶片13b的前缘15c重叠的区域14优选为接近轮毂12的部分。两片叶片重叠的区域14在与旋转轴垂直的面上，在将从叶轮11的旋转中心P0到位于叶轮11的最外周的外周端缘的半径定义为R的情况下，优选包含在由半径1/2R的圆包围的区域中，更优选包含在由半径1/3R的圆包围的区域中。通过采用这样的结构，能够抑制相邻的叶片彼此的相互干扰，防止流入叶轮11的风失速，同时，叶轮11整体上能够增大受风面积，因此能够高效地将风力转换为叶轮的旋转能量。另外，通过这样的结构，能够抑制风的漩涡的产生并抑制噪音，同时能够进行有效的发电。
图4是本发明的实施方式所涉及的使用了叶轮11的风力发电装置的俯视局部剖视图的一例。如图4所示，使用了叶轮11的风力发电装置5具备叶轮11、旋转轴2、直行齿轮3、行星齿轮4以及发电机8。本发明的叶轮11以其旋转中心与旋转轴2的旋转中心重叠的方式与旋转轴2的一端连接。在此，旋转轴2在其另一端侧与用于将旋转力传递给发电机8的直行齿轮3连接。另外，当叶轮11承受风时，旋转轴2与叶轮11一起旋转，旋转能量被传递给发电机8。另外，在发电机8中，旋转能量被转换成电能，并通过与发电机8连接的集电电缆等被集电到集电装置。
行星齿轮4设置在旋转轴2上，起到即使是小直径的叶轮的高速旋转，也可以产生发电所需的足够大的转矩的作用。通过这样的结构，能够将风力高效地转换为叶轮的旋转能量，进行更高效的发电。
在发电机8上连接有转矩限制器，具有当施加在风力发电装置5上的载荷达到规定值以上时使旋转速度减速的功能。即，具有用于防止旋转轴2以及与其连接的叶轮11的过旋转的功能。当风力较强，旋转轴2超过规定的旋转速度时，对与直行齿轮3连接的发电机8也施加过剩的负荷，存在设置在发电机8的内部的电机破损的可能性变高的倾向，但通过具备转矩限制器，能够减少发电机8破损的可能性。另外，通过防止过度旋转，能够减少空气与叶片13的摩擦，抑制噪音。需要说明的是，在本实施方式中，将本发明的叶轮11用于具备转矩限制器的风力发电装置5，但也可以用于不具备转矩限制器的发电装置。
本发明的实施方式所涉及的使用了叶轮11的风力发电装置5优选设置在规定的风洞中。
图5是本发明的实施方式所涉及的使用了叶轮11的风力发电装置5的局部剖视图的一例。在本说明书中，“大致流线型”是指将风洞的壁体的纵剖面中的内周侧缘部的形状在可以达到目的的范围内变形的形状，所述目的是指：使从风洞的吸气口侧流入内部的风增速而不在风洞的内部产生紊乱。另外，“大致流线型”还包括将风洞的壁体的纵剖面中的外周侧缘部的形状在可以达到目的的范围内变形的形状，所述目的是指：防止在外周面上产生漩涡。作为这样的变形的例子，可以列举出风洞的壁体的纵剖面中的外周侧缘部的形状在从风洞的前端部到后端部的一部分中呈流线型的情况。另外，“大致流线型”还包括将风洞的壁体的纵剖面中的外周侧缘部的形状形成为直线状的形状。
风洞6至少具备形成吸气口的前端部61、风洞6的内径最小的最小内径部62以及形成排气口的后端部63。风洞6的内径构成为，从前端部61到最小内径部62逐渐变小，从最小内径部62到后端部63逐渐变大。即，风洞6的内壁的一部分朝向风洞的中心轴64鼓出，在吸气口与排气口之间形成有风洞的内径最小的最小内径部62。这样，风洞6构成为沿着中心轴64的纵剖面呈大致流线形，由此能够对从风洞6的吸气口流入风洞内部的风进行增速，能够提高发电量以及发电效率。另外，通过使风洞内部的风增速，不需要由叶轮的叶片自身得到升力，因此即使不是以往那样的流线形形状或朝向外周方向弯曲的形状的叶片，也能够得到足够的发电性能。
风力发电装置5固定在支柱7的上部，支柱7固定在支承板(未图示)上。支承板是用于支承风洞6以及支柱7的板，以与风洞6成为一体的方式埋入风洞6的底部附近。另外，支承板具备以从支承板穿过风洞的底部而朝向下方的方式设置的脚部(未图示)，通过将脚部固定于规定的设置面，从而固定风洞6以及风力发电装置5。
叶轮11以位于比支柱7更靠吸气口侧的方式设置。通过这样的结构，能够使由支柱7引起的风的流动的紊乱在充分远离叶轮11的位置产生，因此能够抑制叶轮11附近的增速效果的降低。
如果由于在叶片13或支柱7的后方产生的尾流，或者风从支柱表面剥离而产生的卡门涡流(カルマン渦)等原因，通过叶轮后的风的流动发生紊乱，则在风中产生行进方向以外的速度成分，在风洞内部的叶轮的后方，风的流动变慢。在产生了这样的风的紊乱的情况下，即使风洞的截面形状为大致流线形，也无法充分地对从吸气口流入风洞6的内部的风进行增速，有可能无法得到所期待的较高的发电效率。因此，优选尽可能地减少这样的风的紊乱对发电效率的影响。
另外，叶轮11优选设置为，叶片13的承受风的面朝向作为吸气口侧的前端部61的方向。通过这样的结构，能够由叶轮11高效地承受从吸气口流入风洞内部而增速的风，能够提高发电量以及发电效率。
另外，叶轮11优选设置为，以叶轮11的旋转轴2沿着风洞6的中心轴64的方式设置在风洞6的内部。通过这样的结构，能够由叶轮11高效地承受从吸气口流入风洞内部而增速的风，能够提高发电量以及发电效率。
此外，在将叶轮11的叶片13的旋转半径设为R时，风洞6的最小内径部62的内径在不成为2R以下的范围内优选为3R以下，更优选为2.6R以下，进一步优选为2.2R以下。通过这样的结构，能够使从吸气口流入风洞内部的风在叶轮11附近最高效地倍增/增速，能够提高发电量以及发电效率。
附图标记说明
11…叶轮，12…轮毂，13…叶片，2…旋转轴，3…直行齿轮，31…轴，4…行星齿轮，5…风力发电装置，6…风洞，61…前端缘，62…最小内径部，63…后端部，64…风洞中心轴，65…集电电缆，7…支柱，8…发电机，9…转矩限制器。

Claims (4)

1.一种风力发电用的叶轮，具备：
多片叶片；以及
轮毂，在中心设置有旋转轴，在周向上大致等间隔地配置所述多片叶片，
所述叶片形成为朝向叶轮的外周一边扩大宽度一边延伸，
连接叶片的前缘和后缘的线段相对于与叶轮的旋转轴垂直的面倾斜成大致10度以上且大致20度以下，
从叶轮的正面观察，所述多片叶片在叶轮的旋转方向前方的叶片的后缘与旋转方向后方的叶片的前缘的一部分重叠。
2.根据权利要求1所述的风力发电用的叶轮，其中，
所述多片叶片为5片，
从叶轮的正面观察，叶轮的旋转方向前方的叶片与旋转方向后方的叶片在叶轮的外周部分不重叠。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电用的叶轮，其中，
所述叶片由形成为大致等同的厚度的板状材料形成，并且受风侧的面为平面。
4.一种风力发电系统，具备风力发电装置，
所述风力发电装置至少具有：风洞，形成为沿着中心轴切开的纵剖面呈大致流线形；权利要求1至3中任一项所述的叶轮，配置在风洞内；以及发电机，通过叶轮的旋转而进行发电。
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