DE102015215760A1

DE102015215760A1 - Windkrafterzeugungsvorrichtung und blatt vom axialströmungstyp

Info

Publication number: DE102015215760A1
Application number: DE102015215760.1A
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2016-03-17
Also published as: GB201513243D0; JP6282203B2; JP2016056774A; TWI570322B; GB2530162A; TW201610291A; GB2530162B

Abstract

Es wird ein Blatt (1, 40) vom Axialströmungstyp einer Windkrafterzeugungsvorrichtung vorgesehen, die einen Rotor aufweist, der mit einer Nabe und mehreren Blättern konfiguriert ist und mit dem Rotor Wind in elektrische Energie umwandelt. Jedes der Blätter (1, 40) vom Axialströmungstyp ist mit der Nabe über ein Anstelllager verbunden, und die Querschnittsfläche des Blatts vom Axialströmungstyp nimmt von der Umgebung eines Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) zum Spitzenendabschnitt des Blatts (1, 40) allmählich ab.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blatt vom Axialströmungstyp und eine Windkrafterzeugungsvorrichtung, bei der das Blatt vom Axialströmungstyp verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren liegt das Hauptaugenmerk in Bezug auf die Erhaltung der Umwelt auf der Windkrafterzeugung, bei der die Windenergie als Strom gewonnen wird. Eine Windkrafterzeugungsvorrichtung wandelt die kinetische Windenergie in die Rotationsenergie eines Blatts um und wandelt die Rotationsenergie mit einem oder mehreren Generatoren in elektrische Energie um.
Der Strom, der durch die Windkrafterzeugungsvorrichtung erzeugt wird, wird berechnet, indem die Energie, die der Wind aufweist (Luftdichte × dritte Potenz der Luftgeschwindigkeit/2), mit dem Wirkungsgrad in Bezug auf die Umwandlung der Windenergie in die Rotationsenergie des Blatts (ein Leistungskoeffizient, der im Folgenden als C_P bezeichnet wird), dem Wirkungsgrad in Bezug auf die Umwandlung der Rotationsenergie in elektrische Energie und dem Wirkungsbereich des Blatts multipliziert wird (π × Quadrat von DBlatt/4, wobei DBlatt der Durchmesser der Blattspitze ist).
Demgemäß bestehen mögliche Maßnahmen zum Steigern der Menge des gewonnenen Stroms mit dem Blatt darin, C_P zu erhöhen und DBlatt zu erhöhen.
Der maximale C_P-Wert beträgt gemäß dem Betzschen Gesetz 59,3% und das Gewinnen von Strom mit einem Wirkungsgrad, der über dem maximalen C_P-Wert liegt, ist nicht zu erwarten. Im Allgemeinen beträgt aufgrund von Einflüssen, wie beispielsweise dem Formwiderstand und dem Reibungswiderstand, auf das Blatt und Windschattenwirbeln, die durch die Rotation des Blatts verursacht werden, der tatsächliche Wirkungsgrad ungefähr 50%. Unter Berücksichtigung einer Abweichung vom idealen Zustand als Verlust beträgt der Verlust ungefähr 9% der Windenergie. Selbst wenn der Verlust um 10% gesenkt werden kann, liegt der Betrag für die Zunahme von C_P bei weniger als 1%. Aufgrund dieser Tatsache ist es schwierig, die gewonnene Leistung durch Zunahme von C_P zu erhöhen.
Im Gegensatz zur Zunahme von C_P trägt ein Erhöhen von DBlatt direkt zu einer Steigerung der Leistung bei. Aufgrund dieser Tatsache wird die Spannweite des Blatts der Windkrafterzeugungsvorrichtung, die für die kommerzielle Leistungserzeugung verwendet wird, jedes Jahr erhöht. In einem Fall, in dem das Blatt verlängert wird, ist es insbesondere notwendig, dass das Blatt einen Aufbau hat, der einer Kraft widersteht, die aufgrund der erhöhten Blattoberfläche vom Wind und eines Biegemoments durch einen am rotierenden Blatt auftretenden Auftrieb ausgeübt wird, und ist eine große Menge an Material notwendig, um die Festigkeit des Blatts sicherzustellen. Im Ergebnis kann das Gewicht des Blatts zunehmen und die Kosten zum Herstellen des Blatts können steigen.
Aufgrund der obigen Tatsachen wird eine Technologie benötigt, mit der DBlatt vergrößert werden kann, ohne die Kraft zu erhöhen, die vom Wind resultiert, um die Menge an Leistung effizient zu steigern, die von der Windkrafterzeugungsvorrichtung mit dem Blatt gewonnen wird, und um eine Zunahme der Herstellungskosten zu verhindern.
Es liegt nahe, zuerst das Verwenden eines Blatts mit hohem C_P abzufragen, bevor DBlatt vergrößert wird. Wenn allerdings beispielsweise versucht wird, den maximalen C_P-Wert zu erzielen, wie in Tony Burton, Wind Energy Handbook [Handbuch der Windenergie], 2. Auflage, Seite 71, Wiley, 2011, offenbart, nimmt die Sehnenlänge eines verwendeten Blattprofils im Querschnitt des Blatts zur Blattbasis (die im Folgenden als Wurzel bezeichnet wird) hin zu.
Die Fläche des Blatts nimmt zu, wenn die Sehnenlänge zunimmt, und die Belastung auf das Blatt wird auch höher. Weiterhin erhöht sich das Gewicht des Blatts, und dies lässt die Kosten für das Blatt steigen. Darüber hinaus ist es notwendig, einen hochfesten Stützpfosten (der im Folgenden als Turm bezeichnet wird) zu errichten, um das schwergewichtige Blatt sicher zu drehen, auf das die Belastung in Windrichtung von der Luvseite zur Leeseite (eine Schubrichtungsbelastung, die im Folgenden als Schubbelastung bezeichnet wird) besonders hoch ist. Dies erhöht zusätzlich zum Blatt die Kosten von anderen Aufbauten.
Auf dem Gebiet der vorliegenden Technik gibt es bekannte Technologien, wie beispielsweise solche, die im US-Patent Nr. 7883324 und US2009/0263252A offenbart sind. Der im US-Patent Nr. 7883324 offenbarte Gegenstand betrifft ein Blatt zur Windkrafterzeugung, und dieses Blatt hat je nach Position im Blatt einen unterschiedlichen Querschnitt. Darüber hinaus bezieht sich der im US 2009/0263252A offenbarte Gegenstand auf ein Blatt für eine Windkrafterzeugung, und dieses Blatt hat eine hintere Kante, deren Form sich von der einer hinteren Kante des Standes der Technik unterscheidet.
In der Offenbarung des US-Patents Nr. 7883324 und US2009/0263252A wird ein Blattprofil, das so geformt ist, als ob die hintere Kante des Blatts abgeschnitten ist, als eines verwendet, das im Querschnitt des Blatts in der Nähe der Blattwurzel verwendet wird, damit die Fläche oder das Gewicht des Blatts nicht zunimmt, während C_P so hoch wie möglich gewählt wird.
Es wird auch ein Verfahren zum Sichern der erzeugten Strommenge durch Erhöhen von DBlatt verwendet, während C_P hoch ist, aber mit einem solchen Blatt soll im Wesentlichen eine hohe erzeugte Strommenge in einem Gebiet erzielt werden, in dem die Windgeschwindigkeit niedrig ist. Dieses Verfahren wird häufig in einem Fall verwendet, in dem mit Windmühlen der Klasse II (extremer Wert einer 10-minütigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit mit einer Wiederholungsperiode von 50 Jahre ist 42,5 m/s) zum Beispiel dieselbe oder eine größere erzeugte Strommenge als die Strommenge erhalten wird, die mit Windmühlen der Klasse I (extremer Wert einer 10-minütigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit mit einer Wiederholungsperiode von 50 Jahren ist 50 m/s) gemäß IEC 61400-1 erzeugt werden, bei dem es sich um eine internationale Norm handelt, die auf der Grundlage von Werten standardisiert ist, die in Europa eingehalten werden, wo die Windkrafterzeugung breite Anwendung findet.
Das obige Verfahren findet sich bei Windmühlen, die in Europa entwickelt werden, wo die durchschnittliche Windgeschwindigkeit relativ niedrig ist und das ganze Jahr über ein konstanter Wind bläst. Umgekehrt tritt ein spezieller Windzustand, wie beispielsweise ein Taifun, häufig in Asien, einschließlich Japan, oder in Gebieten in der Nähe des Äquators auf. Solche Gebiete erfordern eine Windmühlenkonstruktion, die anders als die zuvor beschriebenen IEC-Normen als Klasse S bezeichnet wird. In der Klasse S ist die Bezugswindgeschwindigkeit, die den extremen Wert einer 10-minütigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit mit einer Wiederholungsperiode von 50 Jahren hat, ungefähr 70 m/s. Daher wird für solche Gebiete ein Blatt benötigt, das eine höhere Festigkeit als ein Blatt hat, das der Norm der Klasse I genügt, die auf den in Europa eingehaltenen Werten basiert, und ein solches Blatt ist schwer und bedingt hohe Herstellungskosten.
Wenn darüber hinaus Windkrafterzeugungsvorrichtungen eingeführt werden und Daten hinsichtlich der erzeugten Strommenge bis zu einem bestimmten Umfang gesammelt werden, kann eine Windkrafterzeugungsvorrichtung, deren erzeugte Strommenge geringer als die erwartete erzeugte Strommenge ist, von der anfänglich während des Baus ausgegangen wird, oder eine Windkrafterzeugungsvorrichtung resultieren, die in wünschenswerter Weise geändert werden soll, um eine weitere große erzeugte Strommenge zu produzieren. Es wird darauf dadurch reagiert, dass eine Reparatur durchgeführt wird, wie beispielsweise eine Renovierung und Umrüstung, die zur Wärmekrafterzeugung und dergleichen durchgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, die erzeugte Energiemenge zu erhöhen, ohne dass große Investitionen erforderlich sind, vorausgesetzt, dass die verbleibende Lebensdauer von Aufbauten, wie beispielsweise eines Turms, ausreichend ist und ein Blatt vorgesehen werden kann, das eine große erzeugte Energiemenge bei einer Belastung im Rahmen der Festsetzung der verbleibenden Lebensdauer produziert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Blatt vorzusehen, bei dem ein Kompromiss zwischen dem Durchmesser der Blattspitze DBlatt und C_P erfolgt, der sich von einem unterscheidet, der so konstruiert wird, dass er einen maximalen C_P-Wert besitzt und die gewonnene Strommenge erhöht werden kann, während die Schubbelastung unterdrückt wird, die vom Blatt zu den Aufbauten, wie beispielsweise dem Turm, hin auftritt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine Windkrafterzeugungsvorrichtung vorgesehen, die einen Rotor aufweist, der durch eine Nabe und mehrere Blätter konfiguriert wird, und Wind mit dem Rotor in elektrische Energie umwandelt, wobei die Nabe eine Anstelllager-Antriebseinrichtung und ein Anstelllager aufweist, das den Winkel zum Feststellen jedes Blatts in Bezug auf die Nabe steuert, jedes Blatt mit der Nabe über das Anstelllager verbunden ist und die Querschnittsfläche des Blatts von der Umgebung eines Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts allmählich abnimmt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Blatt vom Axialströmungstyp einer Windkrafterzeugungsvorrichtung vorgesehen, die einen Rotor aufweist, der durch eine Nabe und mehrere Blätter konfiguriert ist, und mit dem Rotor Wind in elektrische Energie umwandelt, wobei jedes der Blätter vom Axialströmungstyp mit der Nabe über ein Anstelllager verbunden ist und die Querschnittsfläche des Blatts vom Axialströmungstyp von der Umgebung eines Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts hin allmählich abnimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Blatt vorgesehen sein, bei dem ein Kompromiss zwischen dem Durchmesser der Blattspitze DBlatt und dem Leistungskoeffizient C_P erfolgt, und die gewonnene Leistungsmenge erhöht werden kann, während eine durch das Blatt hervorgerufene Schubbelastung auf Aufbauten, wie beispielsweise einen Turm, unterdrückt wird.
Andere Probleme, Konfigurationen und Wirkungen, die nicht die oben beschriebenen sind, werden aus der Beschreibung einer nachfolgenden Ausführungsform ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Blatt veranschaulicht, das mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung ist.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Querschnitt des Blatts veranschaulicht, das mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung ist.
3 ist eine schematische Darstellung, die das Blatt veranschaulicht, das mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung ist.
4 ist eine schematische Darstellung, die eine Nabe und einen Blattwurzelabschnitt einer Windkrafterzeugungsvorrichtung veranschaulicht, die mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung ist.
5 ist eine schematische Darstellung, die die Antriebsscheibentheorie [actuator disk theory] beschreibt.
6 ist eine graphische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen einem induzierten Geschwindigkeitskoeffizienten, einem Leistungskoeffizienten und einem Schubkoeffizienten veranschaulicht.
7 ist eine graphische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen dem Leistungskoeffizienten und dem Schubkoeffizienten veranschaulicht.
8 ist eine schematische Darstellung, die ein Referenzblatt veranschaulicht.
9 ist eine schematische Darstellung, die den Querschnitt des Referenzblatts veranschaulicht.
10 ist eine graphische Darstellung, die den Querschnitt des Blatts veranschaulicht, der mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels der Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Blatts 1 in der vorliegenden Ausführungsform. Bei einer Windmühle, die ein Ziel der vorliegenden Ausführungsform darstellt, wird ein Blatt 40 an einem Anstelllager 41 angebracht, wie in 4 veranschaulicht, und der Anstellwinkel des Blatts wird durch Drehen des Anstelllagers 41 mit einem Anstelllager-Antriebsmotor 42 gesteuert.
Das Anstelllager 41 wird an einer Nabe 43 befestigt, die mit einer Rotorwelle, wie beispielsweise dem Geschwindigkeitsbeschleuniger, und einem Generator verbunden ist. Ein Blattwurzelabschnitt 44 (ein Blattwurzelabschnitt 10 in 1) wird in eine weitgehend zylindrische Form gebracht, um mit dem Anstelllager 41 verbunden zu werden, und der Querschnittsbereich des Blattwurzelabschnitts 44 nimmt zu einem Blattspitzenabschnitt 11 hin ab.
Der Querschnitt des Blattwurzelabschnitts 10 und jeder Querschnitt des Blatts 1 in den Blattquerschnittspositionen 12, 13 und 14 in 1 sind in 2 als Blattwurzelabschnittsquerschnitt 20 und Blattquerschnitte 21, 22 und 23 veranschaulicht.
Das in 1 veranschaulichte Blatt 1 ist in einer Weise geformt, in der alle Querschnitte des Blatts 1, die weiter zum Blattspitzenende (das im Folgenden als Spitze bezeichnet wird) als zum Wurzelabschnitt positioniert sind, in einem Viereck enthalten sind, das den weitgehend zylindrischen Querschnitt des Wurzelabschnitts aufweist.
Der technische Hintergrund dieser Formen wird wie folgt beschrieben. In der Impulstheorie wird die Leistung eines Blatts dadurch dargestellt, dass die fundamentale Gleichung eines Modells verwendet wird, bei dem die Luftströmung um eine Windmühle herum vereinfacht ist und Energie gewonnen wird, wenn die Luftgeschwindigkeit in axialer Richtung in Bezug auf die Windmühle verringert wird.
Dieses Modell ist eine fundamentale, von Albert Betz in Deutschland (Albert Betz, Introduction to the Theory of Flow Machines [Einführung in die Theorie von Strömungsmaschinen], Oxford, 1966) im Jahr 1919 offenbarte Theorie einer Windmühle und wird aus der Axialimpulstheorie erhalten, die sich auf Orte vor und hinter der Rotationsebene eines Blatts einer Windmühle bezieht. Es gibt Annahmen in Bezug auf das Modell dahingehend, dass die Rotationsebene des Blatts senkrecht zur Luftströmung angeordnet ist, das Fluid nicht komprimierbar ist, kein Reibungswiderstand existiert, die Anzahl der Blätter unbegrenzt ist, die Luftströmung konstant ist, keine durch die Rotation des Blatts verursachte Rotationsluftströmung auftritt und der statische Druck in Bezug auf das Blatt ad infinitum konstant ist. Dieses Modell entspricht einem Modell, bei dem festgestellt wird, wie weit eine unidirektionale Strömung, die durch ein bestimmtes Gebiet hindurchgeht, in Bezug auf die Geschwindigkeit verlangsamt werden kann. Unter der Voraussetzung, dass es keinen Energieverlust gibt, zeigt dieses Modell einen Grenzwert an.
Die konzeptionelle Darstellung der Antriebsscheibentheorie (Antriebsscheibenmodell) ist in 5 veranschaulicht. Die Gleichung der Antriebsscheibentheorie wird durch die Verwendung der in 5 veranschaulichten Zeichen dargestellt. Eine Differenz in Bezug auf den Impuls dT bei einem differentiellen Radius dr in einer Position einer Stromröhre eines Radius r vor und hinter einer Antriebsscheibe wird durch die Gleichung 1 dargestellt. dT = U₁(ρ2πrdrU)₁ – U₄(ρ2πrdrU)₄ (1)
Hier ist ρ die Luftdichte, U ist die Strömungsgeschwindigkeit in axialer Richtung der Stromröhre und die tiefgestellten Zeichen 1 bis 4 von U bezeichnen einen Ort auf der stromaufwärtigen Strömungsseite, einen Ort direkt vor der Antriebsscheibe, einen Ort direkt hinter der Antriebsscheibe bzw. einen Ort auf der stromabwärtigen Strömungsseite. Da die Luftmasse, die durch die differenzielle Stromröhre hindurchgeht, durch den Massenerhaltungssatz konserviert wird, wird die Gleichung 1 zur Gleichung 2. dm = (ρ2πrdrU)₁ = (ρ2πrdrU)₄ dT = dm(U₁ – U₄) (2)
Auf der Grundlage der Annahmen, dass der Druck ad infinitum gleich ist und die Geschwindigkeit der Luft, die durch die Antriebsscheibe hindurchgeht, vom Durchschnittswert der unendlichen stromaufwärtigen Geschwindigkeit und der unendlichen stromabwärtigen Geschwindigkeit der Luft repräsentiert wird, da die Geschwindigkeit der Luft, die durch die Antriebsscheibe hindurchgeht, der Einfachheit halber gleich sein soll, wird die Gleichung 2 mit einem axialen eingeführten Geschwindigkeitskoeffizienten a zur Gleichung 3. dT = 4πrρU 2 / 1a(1 – a)dr U₂ = (1 – a)U₁ (3)
Der Leistungsausgang ist das Produkt aus der Differenz des Axialimpulses und der Geschwindigkeit. Daher wird ein Leistungsausgang dP in der differentiellen Stromröhre durch die Gleichung 4 repräsentiert. dP = 4πrρU 3 / 1a(1 – a)²dr (4)
Ein Leistungskoeffizient C_P (ein Anteil der Leistung, die gewonnen werden kann), der erhalten wird, indem die Leistung des einströmenden Luftstroms dimensionslos wird, wird als Kennzahl verwendet, die die Leistungsausgangskenndaten der Windmühle repräsentiert. Die Gleichung 5 repräsentiert den Leistungskoeffizienten C_P in der differentiellen Stromröhre. dC_P = 4a(1 – a)² (5)
Ein Schubkoeffizient C_T, der erhalten wird, indem die kinetische Energie des einströmenden Luftstroms dimensionslos gemacht wird, wird für die Axialkraft (Differenz des Impulses) verwendet. Die Gleichung 6 stellt den Schubkraftkoeffizienten C_T in der differentiellen Stromröhre dar. dC_T = 4a(1 – a) (6)
Wie aus der Gleichung 5 ersichtlich ist, ist der Leistungskoeffizient eine Gleichung dritten Grades im axialen induzierten Geschwindigkeitskoeffizienten und wird ein Maximum von 16/27 bei a = 1/3, wie in 6 veranschaulicht. Der Schubkoeffizient beträgt dabei 8/9. Hierbei handelt es sich um die obere Grenze der Leistung, die aus der Luftströmung gewonnen wird, und die obere Grenze ist als Betzsches Gesetz bekannt.
Obwohl die Gleichungen 5 und 6 mit dem differentiellen Radius berücksichtigt werden, werden die Werte der Gleichungen 5 und 6 zum Maximum, wenn die Bedingung von a = 1/3 über die Blattspannweitenrichtung etabliert wird. Darüber hinaus wird die tatsächliche Leistung des Blatts C_P durch das Betzsche Gesetz verringert, da die Gleichungen 5 und 6 nur aus dem induzierten Geschwindigkeitskoeffizienten bestehen, wie aus der Form der Gleichungen ersichtlich ist, und Einflüsse, wie beispielsweise die Leistung des Blattprofils, das im Querschnitt des Blatts verwendet wird, ausgeklammert werden.
Die Gestaltung des Blatts mit den NACA-Blattprofilen, deren Leistung offenbart ist, wird mehrfach in einer Weise ausgeführt, in der Bedingungen des maximalen C_P-Werts und des minimalen C_T-Wert erfüllt sind, indem die Blattelement-Impuls-Methode (im Folgenden als BEM bezeichnet) (Tony Burton, Wind Energy Handbook, 2. Ausgabe, Seite 71, Wiley, 2011) verwendet wird, die für die Blattgestaltung verwendet wird, und die Ergebnisse sind in 7 angegeben.
Bei einer Reihe 71 von weißen Kreisen handelt es sich um eine Reihe von Gestaltungslösungen. Eine durchgezogene Linie 72 stellt die Betzsche Gleichung im Hinblick auf C_P und C_T dar. Das bedeutet, dass die durchgezogene Linie 72 das Betzsche Gesetz veranschaulicht. Obwohl es schwierig ist, ein hohes C_P, wie beispielsweise das des Betzschen Gesetzes, selbst bei gleichem C_T zu erhalten, wenn das Blatt so konstruiert wird, dass die tatsächliche Blattprofilleistung verwendet wird, wird davon ausgegangen, dass es die Tendenz gibt, dass sich die Reihe von Gestaltungslösungen wie im Betzschen Gesetz in einer solchen Weise ändert, in der die Änderungsrate von C_T mit zunehmendem C_P zunimmt.
Aus einer solchen Tendenz kann der Änderungsbetrag von C_T größer als der C_P-Änderungsbetrag sein, indem eine Gestaltungslösung mit kleinem C_P bei der Blattgestaltung ausgewählt wird und nicht eine Gestaltungslösung mit dem maximalen C_P-Wert.
Die in 7 veranschaulichten Gestaltungsergebnisse zeigen ein Beispiel, bei dem das Blatt mit dem maximalen C_P-Wert als Referenz genommen wird, die Länge des Blatts um 10% und 20% hinsichtlich der der Referenz erhöht wird, und C_T in einer Weise ausgeführt wird, in der die Schubbelastungen gleich sind.
Zunächst wird die Form des Referenzblatts in 8 veranschaulicht. Dieses Blatt entspricht einem Gestaltungsergebnis 73 in 7. Der Schubkoeffizient beträgt 0,8, und der Leistungskoeffizient ist 0,49. Das Gestaltungsergebnis 73 ist ein Gestaltungspunkt mit dem maximalen C_P-Wert in 7.
9 veranschaulicht das Überlappen der Querschnitte des Blatts in einem beliebigen spannweitenmäßigen Querschnitt, der aus der Richtung der Blattspitze gesehen wird. 9 veranschaulicht einen Blattwurzelabschnittsquerschnitt 90 eines Blattwurzelabschnitts 80 in 8, einen Blattmaximalsehnenquerschnitt 91 in der Position der maximalen Sehne (eine Länge von der vorderen Kante zur hinteren Kante des Blattprofils), d. h. eine Blattmaximalsehnenquerschnittsposition 81, einen Blattspitzenabschnittsquerschnitt 92 eines Blattspitzenabschnitts 82 und ein Viereck, das den Blattwurzelabschnitt 80 aufweist (das Viereck 93, das den Blattwurzelabschnittsquerschnitt enthält).
Bei diesem Blatt handelt es sich um eines, bei dem C_P in Bezug auf die Gestaltung in der verwandten Technik priorisiert wird, und ist kein Ziel der vorliegenden Erfindung, weil es einen Blattquerschnitt gibt, der sich in der Spannweitenrichtung des Blatts erstreckt und nicht in das Viereck integriert werden kann, das den Blattwurzelabschnitt aufweist, wie in 9 veranschaulicht ist.
Als Nächstes veranschaulicht 3 eine Gestaltung, bei der die Länge des Blatt um ungefähr 10% gegenüber der des Referenzblatts verlängert ist. Dieses Blatt entspricht einem Gestaltungsergebnis 74 in 7. Der Schubkoeffizient ist 0,67, und der Leistungskoeffizient beträgt 0,47. Um das Blatt mit einem niedrigen Schubkoeffizienten auszuführen, wird die Sehnenlänge des Blattprofils des Blattquerschnitts klein gestaltet. Das Gestaltungsergebnis 74 ist ein Gestaltungspunkt für das in der vorliegenden Ausführungsform beschriebene Beispiel.
10 veranschaulicht das Überlappen der Querschnitte des Blatts in einem beliebigen spannweitenmäßigen Querschnitt, der aus der Richtung der Blattspitze gesehen wird. 10 veranschaulicht einen Blattwurzelabschnittsquerschnitt 100 eines Blattwurzelabschnitts 30 in 3, einen Blattmaximalsehnenquerschnitt 101 in der Position der maximalen Sehne (eine Länge von der vorderen Kante zur hinteren Kante der Tragfläche), d. h. eine Blattquerschnittsposition 31, einen Blattspitzenabschnittsquerschnitt 102 eines Blattspitzenabschnitts 32 und ein Viereck, das den Blattwurzelabschnitt 30 aufweist (das Viereck 103, das Blattwurzelabschnittsquerschnitt enthält).
Dieses Blatt ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, weil der Querschnitt des Blatts in einer beliebigen Position auf der Spannweite des Blatts im Viereck enthalten ist, das den Blattwurzelabschnitt aufweist, wie in 10 veranschaulicht ist. Für dieses Blatt wird der Wirkungsbereich des Blatts um 19% erhöht. Obwohl C_T um einen Betrag verringert ist, der dem Anstieg im Wirkungsbereich entspricht, wird C_P um ungefähr 3% gesenkt. Daher wird erwartet, dass der Betrag der erzeugten Leistung um 12% zunimmt.
Schließlich veranschaulicht 1 eine Ausführung, bei der die Länge des Blatts um ungefähr 20% länger diejenige des Referenzblatts ist. Dieses Blatt entspricht einem Ausführungsergebnis 75 in 7. Der Schubkoeffizient beträgt 0,55, und der Leistungskoeffizient ist 0,42. Um das Blatt mit einem niedrigen Schubkoeffizienten auszuführen, wird die Sehnenlänge des Blattprofils des Blattquerschnitts gering gehalten. Das Gestaltungsergebnis 75 ist ein Gestaltungspunkt für das in der vorliegenden Ausführungsform beschriebene Beispiel.
Dieses Blatt ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, weil der Querschnitt des Blatts in einer beliebigen Position auf der Spannweite des Blatts im Querschnitt des Blattwurzelabschnitts enthalten ist, wie in 2 beschrieben. Für dieses Blatt ist der Wirkungsbereich des Blatts um 44% erhöht. Obwohl C_T um einen Betrag verringert ist, der dem Anstieg im Wirkungsbereich entspricht, wird C_P um ungefähr 13% gesenkt. Daher wird erwartet, dass der Betrag der erzeugten Leistung um 20% zunimmt.
Daher kann durch das Erzielen einer Zunahme des Betrags der erzeugten Leistung mit der Länge eines Blatts, ohne C_P, und durch das Verwenden eines Blatts, bei dem eine Zunahme der Belastung auf das Blatt unterdrückt wird, eine Windkrafterzeugungsvorrichtung vorgesehen werden, die eine hohe Ausbeute erbringt, während verhindert wird, dass die Belastung auf Aufbauten, wie beispielsweise einen Turm, erhöht wird.
Aus einer anderen Perspektive kann die Ausführungsform als Blatt dargestellt sein, bei dem die Sehnenlänge des Blattprofils in jedem Querschnitt des Blatts so eingestellt ist, dass die Belastung auf das Blatt in einer solchen Weise reduziert wird, dass der Querschnitt des Blatts in einer beliebigen Position in der Spitzenrichtung im Viereck enthalten ist, das einen Anstelllagerbefestigungsabschnitt im Blattwurzelabschnitt aufweist.
Im Fall eines Blatts und dergleichen, die durch ein Vorbiegen hergestellt werden, wobei ein Blatt vorher bei der Herstellung des Blatts unter Berücksichtigung der Deformation und dergleichen des Blatts gebogen wird, ist es auch möglich, die Identifikation dahingehend durchzuführen, ob der Querschnitt des Blatts in einer beliebige Position auf der Spannweite des Blatts im Viereck enthalten ist, das den Blattwurzelabschnitt aufweist, oder der Querschnitt des Blatts in einer beliebigen Position auf der Spannweite des Blatts im Querschnitt des Blattwurzelabschnitts enthalten ist, nachdem die absolute Position des Querschnitts des Blatts in einer beliebigen Position auf der Spannweite des Blatts geändert wird.
Weiterhin kann davon ausgegangen werden, dass die Länge der Kante des Vierecks, das den Blattwurzelabschnitt aufweist, um ungefähr 10% unter Berücksichtigung von Fehlern hinsichtlich der Form des Blatts erhöht wird, die bei der Herstellung aufgrund von Harzen und dergleichen auftreten, die Herstellungsfehler aufweisen, die größer als oder gleich der Bearbeitungsgenauigkeit sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt und umfasst verschiedene Modifizierungsbeispiele. Zum Beispiel wird die obige Ausführungsform ausführlich beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, und nicht alle der beschriebenen Konfigurationen sind notwendigerweise in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten. Darüber hinaus ist es möglich, einen Teil der Konfigurationen einer Ausführungsform durch Konfigurationen einer anderen Ausführungsform zu ersetzen, und es ist auch möglich, Konfigurationen einer anderen Ausführungsform den Konfigurationen einer Ausführungsform hinzuzufügen. Weiterhin kann ein Teil der Konfigurationen jeder Ausführungsform entfernt oder durch eine andere Konfiguration ersetzt werden, oder es kann eine andere Konfiguration hinzugefügt werden.
Die Form des Blatts, die mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt, reduziert eine Belastung auf die Aufbauten und den maximalen Betrag an Energie, die vom Wind resultiert, die miteinander kompatibel sind. Diese Form des Blatts gewinnt Energie aus einem sich bewegenden Fluid und reduziert eine Belastung, die von einem sich bewegenden Fluid aufgenommen wird, bei allen Vorrichtungen zusätzlich zu einer Windkrafterzeugungsvorrichtung. Daher ist die Anwendung der Form des Blatts nicht auf eine Windkrafterzeugungsvorrichtung beschränkt. Zum Beispiel kann die Form des Blatts auf eine Vorrichtung angewendet werden, die die Energie aus einem Flüssigkeitsstrom (Wasser, Seewasser und dergleichen) gewinnt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7883324 [0010, 0010, 0011]
US 2009/0263252 A [0010, 0010, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Tony Burton, Wind Energy Handbook [Handbuch der Windenergie], 2. Auflage, Seite 71, Wiley, 2011 [0008]
IEC 61400-1 [0012]
Tony Burton, Wind Energy Handbook, 2. Ausgabe, Seite 71, Wiley, 2011 [0045]

Claims

Windkrafterzeugungsvorrichtung, die einen Rotor aufweist, der mit einer Nabe und mehreren Blättern konfiguriert ist, und mit dem Rotor Wind in elektrische Energie umwandelt, wobei die Nabe (43) eine Anstelllager-Antriebseinrichtung und ein Anstelllager (41) aufweist, welches den Winkel zum Festlegen jedes der Blätter in Bezug auf die Nabe steuert, jedes der Blätter mit der Nabe über das Anstelllager (41) verbunden ist, und die Querschnittsfläche des Blatts (1, 40) von der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts allmählich abnimmt.
Windkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt des Blatts in der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) weitgehend zylindrisch ist.
Windkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Hinblick auf einen Querschnitt des Blatts (1, 40) in der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) in einem Fall, in dem von einem Viereck ausgegangen wird, das vier Kanten hat, die mit dem Umfang des Blatts (1, 40) in Kontakt sind, und den Querschnitt des Blatts (1, 40) umfasst, der Querschnitt in einer beliebigen Position im Blatt (1, 40) von der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts (1, 40) im Viereck enthalten ist.
Windkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Hinblick auf einen Querschnitt des Blatts (1, 40) in der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) in einem Fall, in dem von einem Viereck ausgegangen wird, das vier Kanten hat, die mit dem Umfang des Blatts (1, 40) in Kontakt sind, und den Querschnitt des Blatts (1, 40) umfasst, das Blatt eine Sehnenlänge eines Blattprofils in einer solchen Weise aufweist, dass der Querschnitt in einer beliebigen Position im Blatt von der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) zum Spitzenendabschnitt des Blatts im Viereck enthalten ist.
Windkrafterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Hinblick auf den Querschnitt des Blatts (1, 40) in einer beliebigen Position im Blatt die Länge einer Kante eines Vierecks, das die minimale Kantenlänge zum Umfassen des Querschnitts hat, oder die maximale Abmessung hinsichtlich der Länge des Blatts (1, 40) im Querschnitt kürzer oder gleich der Länge einer Kante eines Vierecks ist, das die minimale Kantenlänge zum Umfassen eines Querschnitts des Blatts (1, 40) in einer anderen Position weiter auf der Nabenseite des Blatts im Vergleich zum Querschnitt oder die maximale Längenabmessung des Blatts (1, 40) im Querschnitt in einer anderen Position hat.
Blatt vom Axialströmungstyp einer Windkrafterzeugungsvorrichtung, die einen Rotor aufweist, der durch eine Nabe und mehrere Blätter konfiguriert ist, und mit dem Rotor Wind in elektrische Energie umwandelt, wobei jedes der Blätter vom Axialströmungstyp mit der Nabe über ein Anstelllager (41) verbunden ist, und die Querschnittsfläche des Blatts (1, 40) vom Axialströmungstyp von der Umgebung eines Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts (1, 40) allmählich abnimmt.
Blatt vom Axialströmungstyp nach Anspruch 6, wobei der Querschnitt des Blatts (1, 40) vom Axialströmungstyp in der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) weitgehend zylindrisch ist.
Blatt vom Axialströmungstyp nach Anspruch 6 oder 7, wobei im Hinblick auf einen Querschnitt des Blatts (1, 40) in der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) in einem Fall, in dem von einem Viereck ausgegangen wird, das vier Kanten hat, die mit dem Umfang des Blatts (1, 40) in Kontakt sind, und den Querschnitt des Blatts umfasst, der Querschnitt in einer beliebigen Position in dem Blatt von der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts (1) in dem Viereck enthalten ist.
Blatt vom Axialströmungstyp nach Anspruch 6 oder 7, wobei im Hinblick auf einen Querschnitt des Blatts (1, 40) in der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager (41) in einem Fall, in dem von einem Viereck ausgegangen wird, das vier Kanten hat, die mit dem Umfang des Blatts (1, 40) in Kontakt sind, und den Querschnitt des Blatts umfasst, das Blatt eine Sehnenlänge eines Blattprofils in einer Weise hat, in der der Querschnitt in einer beliebigen Position im Blatt von der Umgebung des Verbindungsabschnitts mit dem Anstelllager zum Spitzenendabschnitt des Blatts im Viereck enthalten ist.
Blatt vom Axialströmungstyp nach Anspruch 6 oder 7, wobei im Hinblick auf einen Querschnitt des Blatts (1, 40) in einer beliebigen Position im Blatt die Länge einer Kante eines Vierecks, das die minimale Länge von Kanten zum Umfassen des Querschnitts hat, oder die maximale Abmessung in der Länge des Blatts (1) im Querschnitt kleiner oder gleich der Länge einer Kante eines Vierecks ist, das die minimale Länge von Kanten zum Umfassen eines Querschnitts des Blatts (1, 40) in einer anderen Position weiter auf der Nabenseite des Blatts im Vergleich zum Querschnitt oder die maximale Abmessung hinsichtlich der Länge des Blatts (1, 40) im Querschnitt in einer anderen Position hat.