JP2006524772A - 風力発電設備のローターブレード - Google Patents

Abstract

本発明は風力発電設備のローターブレードおよび風力発電設備に関する。本発明はブレード断面を備えたローターブレードあるいは風力発電設備の提供を目的とし、これは効率向上が図られたものである。この目的を達成するため、いくつかの解決法を採用できる。すなわち、風力発電システム用のローターブレードが、概ね１５％と４０％との間に、好ましくは２３％と２８％との間に最大厚み位置を有すること、断面の最大厚みが概ね２０％と４５％との間に、好ましくは３２％と３６％との間にあること、ローターブレードが根部において二部材構成を有すること、ローターブレードの一部がハブライニングの外側に形成されていること、ローターブレードの断面厚さとローター直径の比が概ね０.０４ないし０.１であり、かつローターブレードの断面厚さとスピナー直径の比が０.５と１との間にあること、である。

Description

本発明は風力発電設備用のローターブレードおよび対応する風力発電設備に関する。

従来技術の関連する状況については、たとえば非特許文献１が挙げられる。この文献は、従来技術によるローターブレードを通る断面と共に、風力発電システム、そうしたシステム用のローターブレードのいくつかの例が開示されている。ＮＡＣＡによる空力的断面の幾何学的断面パラメータは１０２ページの図５.３４に示されている。同図によれば、翼弦長に対応する断面厚さ、翼弦上の骨格線の最大高さを規定する最大キャンバー(すなわちキャンバー率)、最大キャンバーの位置すなわち断面厚さに対するローターブレードの横断面内での最大キャンバーの位置、内接円(その中心は骨格線上にある)の最大直径を規定する最大断面厚み、そして最大厚みの位置すなわちローターブレードの横断面が断面厚さ(奥行き)に対してその最大断面厚みを呈する位置によって、ローターブレードは記述される。さらに、下側および上側面の断面座標と同様、前縁半径は、ローターブレードの横断面を記述するのに使用される。とりわけ上記非特許文献１由来の用語は、本発明によるローターブレードの横断面の説明でも使用する。

最新技術による他のローターブレードは、特許文献１ないし４に開示されている。

ローターブレードの最適化は、いくつかの異なる様態で具現化できる。ローターブレードは静かに稼働するだけでなく、比較的低い風速で風力発電システムの運転を開始させ、そして公称速度すなわち風力発電システムが公称出力に可能な限り最低の風力で初めて達する速度に到達させるために最大動的性能を有するべきである。風速がその後増大した場合、ピッチ調整された風力発電システムのローターブレードを風に向ける調整をさらに行うことは目下のところ普通に行われている。これにより、公称出力が維持される一方で、風にさらされるローターブレードの表面積は、風力発電システム全体およびその部品を物理的損傷から保護するために低減される。どのような場合でも、風力発電システムのローターブレードのローターブレード断面の空力的特性は最も重要なものである。
独国特許第103 07 682号明細書 米国特許第5,474,425号明細書 米国特許第6,068,446号明細書 独国特許第694 15 292号明細書 Erich Hau著、「Windkraftanlagen(風力発電システム)」、1996年

本発明は、これまでに知られたローターブレードに比して効率の向上を図ることができるローターブレード断面を有するローターブレードおよび対応する風力発電システムを開示する目的に基づいている。

本発明によれば、この目的は、独立請求項の特徴部に従ったローターブレード断面形状(翼形)を有するローターブレードによって具現化される。有利なさらなる展開は、従属請求項に規定されている。

本発明によるローターブレード断面の具体的座標を表１に挙げる。

以下、図面を参照して本発明について説明する。

本出願で説明するローターブレード断面は、特に、ローターブレードマウント(ハブへの接続部)に隣接して存在するローターブレードの領域に位置させられる。本出願で説明する断面は、好ましくは、その全長に対してローターブレードの初めの三分の一に形成される。風力発電システムの公称出力に依存して、このブレードは、１０ｍと７０ｍの間の全長を有する。たとえば、Enercon E-112型の風力発電システム(直径おおよそ１１２ｍ)は４.５ＭＷの公称出力を有し、一方、Enercon E-30型の風力発電システムは３００ｋＷの公称出力を有する。

本発明によるローターブレードの断面のある特有の特徴は、最大断面厚みがローターブレード翼弦長の概ね２５％〜４０％、好ましくは３２％〜３６％である、ということである。図１８において、最大断面厚みはローターブレード翼弦長の概ね３４.６％である。図１に示す翼弦は、ローターブレード後縁３の中心２からローターブレードチップ５の末端点４に向かって延びている。最大厚みの位置、すなわちブレード長に対する最大断面厚みの位置は、翼弦長の概ね２０％〜３０％、好ましくは２３％〜２８％である。図示した実施形態では、最大厚みの位置は２５.９％である。最大厚みは翼弦に対して垂直に規定され、そして最大位置はローターブレードチップに対するものである。

図１８はまた、いわゆる骨格線７を示している。この骨格線は所定の地点においてローターブレード８の厚みの半分をそれぞれ規定している。したがってこの骨格線は真っ直ぐではなく、むしろローターブレード７の正圧面９とローターブレード７の負圧面１０上の対向点間に正確に配置されている。骨格線は、ローターブレード後縁とローターブレードチップとにおいて翼弦と交わる。

本発明によるローターブレードの断面における最大そり位置は、翼弦長の概ね５５％〜７０％、好ましくは５９％〜６３％である。図示の実施形態における最大そり位置は概ね６１.９％である。この場合の最大そりは翼弦長の概ね４％〜８％、好ましくは翼弦長の５％〜７％である。図示の実施形態では、そりは翼弦長の概ね５.８７％である。

本発明によるローターブレードの断面の他の明らかな特徴は、ローターブレードの正圧面が翼弦と２度「交わる」ことである。ゆえに、断面の正圧面はこの領域では凹面状に具現化され、一方、前部断面領域ではこの正圧面は凸面状に具現化される。正圧面の凹面状領域において、負圧面は、この負圧面上の関連する対向領域では略直線によって画定される。

正圧面を凹面状のそりによって具現化することあるいは負圧面を真っ直ぐな境界線によって具現化することはよく知られているであろう。だが、特に、両手法の組み合わせは、本発明によるローターブレード断面および本発明によるローターブレード断面に関する特性に関して最も重要なものである。

図示する断面のローターブレード後縁はまた著しく厚みが大きなものである。だが、これは、ローターブレード後縁における騒音の発生に関しては問題をはらまない。なぜなら、図示の断面はローターブレードチップによって形成される円の内側三分の一内に配置されており、この位置では経路速度はあまり高くないからである。

図示した断面のｘ−ｙ座標が表１に記載されており、しかもそれは本発明によるローターブレードの断面を正確に説明している。

ローターブレードの空力的形状は、ローターブレードがここでその最大厚みを有し、したがって大体において最適空力的形状に類似する概ね台形状(平面視で)であるようにローターブレード根部の領域を設計することによって改善できる。その根部のこの領域では、ローターブレードは好ましくは、風力発電システムのナセルに面するローターブレード根部の縁部が少なくとも一つの角位置においてナセルの外部輪郭に適合させられるよう、たとえばローターブレードがその基準風位置にあるとき、風力発電システムに面するローターブレード根部の縁部とナセルの外部輪郭との間に概ね５ｍｍ〜１００ｍｍの幅を持った非常に小さな間隙が形成されるように適合させられるよう具現化される。

上記特徴を備えたローターブレードが、著しく、すなわちある場合には１０％まで出力を増大させることを可能にすることが確認された。この予見されなかった出力増大によって、本発明による風力発電システムの電力アウトプットは、基準風速以下の所与の風速において増大する。さらに、本風力発電システムは、以前よりも一層迅速にその公称出力に達する。これは、システムへの機械的ストレスと共に放音を低減するために、より早くローターブレードを旋回(調整)できることを意味する。

本発明は、今日使用されている従来型ローターブレード形状が風洞内で異なる速度で、ただし均一な気流で試験されるという考えに基づくものである。だが、自然風はめったにはそのように均一には吹かず、しかも確率の法則に支配されるので、従来型ローターブレードでは、特にローターハブ近傍の内側ブレード領域(ここではブレードはもはや空力的に滑らかでかつ最適様式では具現化されていない)において、突風が流れの剥離を生じさせることがある。流れの剥離は、外側ローターブレード領域(ローターブレードチップ)の方向に、ある距離にわたって広がる。これは気泡状領域における流れの剥離に、そして出力の必然的な損失につながることになる。ローターブレードを滑らかに設計することにより、本発明はまた、上記タイプの場合に、内側ローターブレード領域において効力を著しく増大させることを可能にする。

従来の標準的断面が、本システムによって提案された実験的に確定された断面の代わりに使用された場合、ローターブレードの空力的滑らかな設計は、下側ローターブレード領域(ハブ近傍領域)において、概ね２倍の断面厚さ(これはローターブレードの翼弦長に一致する)を必要とするであろう。しかしながら、前部領域におけるかなり大きな断面厚みは、安全な荷重伝達および２よりも大きな揚力係数Ｃ_Ａを得るために必要とされる。

最新のローターブレードは現在、ごく普通に、最大の材料節約が内側領域において達成されるよう製造されている。そうした最新のローターブレードの典型的な例は、Erich Hau著(1996年)の上記「Windkraftanlagen(風力発電システム)」の１１４および１１５ページに示されている。この例によれば、最大断面厚さは常に、ローターブレードマウントからある距離をおいて、すなわちローターブレード取付け領域(ここで材料は最新技術によってこのローターブレードにおいて節約される)近傍に存在している。だが、平面視で台形に似た最適形状を使用する場合、ローターブレードの最大幅はローターブレードマウントからある距離だけ離れて配置されるのではなく、正確にローターブレードマウント自体の領域に配置される。したがって、ローターブレードの内側領域では最大限の材料節約を実現できない。

材料節約の理由は、ローターブレードの計算／開発において流れの状況の(上記)静的考察に見出すことができる。さらに、ローターブレード用の好評を得ている計算プログラムは、ローターブレード全体の評価を得るために、ローターブレードを個々のセクションに分割し、そして各ローターブレードセクションを別個に計算する。

だが実際の状況は全く異なる。まず、風はある地表領域内で、均一にしかも全く変化しないようには吹かず、むしろ明らかに確率的な振る舞いをする。第二に、風速は、内側領域(すなわちローターハブ近傍領域)におけるローターブレードの遅い周速度により重要な因子であり、迎え角の変化はこの領域の瞬間風速に大いに依存する。この結果、境界層剥離がまたローターブレードの内側領域で相応の頻度で生じる。

ヒステリシスはそうした場合に有効である。たとえば突風の後、いったん風が以前の風速まで静まると、ローターブレード上の境界層は直ちに回復しないだけでなく、ローターブレード表面上の境界層が回復するまで風速は初めにさらに低下しなければならない(すなわち迎え角がさらに調整される必要がある)。だが、風速がそれ以上低下しない場合、入射風にもかかわらず、長時間にわたってローターブレード上にある力が加えられるであろう。なぜなら、ローターブレード表面の境界層がまだ回復していないからである。

本発明によるローターブレードの設計は境界層剥離のリスクを著しく低減する。この剥離のリスクはまた相対的に厚みのある断面の助けによっても低減される。効率の実質的向上に関する他の説明は、(従来型のローターブレードが使用された場合)いったん境界層剥離が生じてしまうと、ヒステリシス作用によって、出力の低下が、かなりの期間にわたって持続する、というものである。

効率向上はまた、風が最小抵抗経路を利用することによって、ある程度説明可能である。ハブ近傍の内側領域におけるローターブレードの非常に薄い設計(かなり材料を節約する)は、ローターブレードが通過するローター円取入れ領域の「スリップホール」と等価である。これによって空気は好んでこのスリップホールを通って流れる。これは、ローターブレードが通過する円形領域にわたる均一な分配を常に計算の基礎とする一般的な計算プログラムの欠点を別途示している。

もし、この「スリップホール」がハブ近傍の領域において台形設計のローターブレードを利用することで「閉塞」される場合、空気流の分布が円形領域全体にわたって改善され、しかもモーターブレードの外側領域への作用がある程度増大させられる。この結果、上記「スリップホール」の「閉塞」は、本発明によるローターブレードのパワー係数の改善に寄与する。

これはまた、一般の計算プログラムのさらに他の弱点を示す。なぜなら、それはまた、完全に機能的なローターブレードセクションとして「スリップホール」に直接隣接配置されるローターブレードセクションを考慮に入れるからである。だが、これは特別な流れ状況(頻繁な境界層剥離に続く意図した流れ状況の回復)に起因する事例とはなり得ない。

図１１〜図１７はそれぞれ、本発明による風力発電システムの正面図および側面図を示す。これらの図において、三つのローターブレードはハブ近傍領域においてナセルの外側輪郭へとほとんど継ぎ目なく移り変わっている。だが、これは、基準風ポジションに対応するローターブレードのポジションに適用されるに過ぎない。

いったん風が基準風を超えて増大すると、ローターブレードは、ピッチング(ピッチ調整)によって従来様式で風から徐々に調整される。ここで図１５は、これによって、その内側領域におけるローターブレードの下側縁部とナセルとの間に大きな幅の間隙が形成され得ることを示している。だが、図４はまた、ナセルの外面が、その断面がハブ近傍領域においてローターブレード断面と概ね一致する構造体を含むことを示している。この構造体は、ハブ近傍領域においてこの構造体とローターブレードとの間に狭い間隙のみが形成されるようローターブレードが対応する迎え角へと調整される場合、基準速度においてはローターブレードのすぐ下方に存在する。

この結果、ナセルの外側輪郭はまた、それと一体部分を形成しないローターブレードのセクションを含む。

図１８に示すローターブレード断面において、チップ半径は断面厚さの概ね０.１４６倍である。

図１８によれば、負圧面はほとんど直線状のより長い領域を含む。たとえば、この領域は次のように説明できる。断面厚さの３８％と１００％の間の領域において、その半径は断面厚さ長の１.１９倍である。断面厚さの４０％と８５％の間の領域(図１８参照)において、その半径は概ね断面厚さの２.４４倍である。断面厚さの４２と４５％の間の領域において、その半径は断面厚さの概ね５.５６倍である。

断面厚さの３６％と１００％の間の領域において、理想直線からの最大偏差は断面長さの概ね０.０１２倍である。この値は確定的なものであり、なぜなら曲率半径は変化し、しかも個々の領域における最大曲率半径は既に決まっているからである。

図示の例では、負圧面の長さは断面厚さ長の概ね１.１２４倍であり、正圧面の長さは断面厚さ長の１.１１２倍である。これは、負圧面が正圧面よりも僅かだけ長くなっているに過ぎないことを意味する。したがって、負圧面の長さと正圧面の長さとの間の比が１.２よりも、好ましくは１.１よりも小さいならば、あるいは１と１.０３との間の範囲に存在するならば、非常に有利である。

図は、ローターブレードがその最大断面厚さを、まさにスピナーにおいて、すなわち風力発電システムのナセルの外側で有することを示している。ローター直径が３０ｍの風力発電システムでは、スピナーにおける断面厚さはたとえば概ね１.８ないし１.９、好ましくは１.８４ｍであってもよい。スピナーが概ね３.２ｍの直径を有する場合、スピナーにおけるローターブレードの断面厚さとスピナー直径との間の比は概ね０.５７５である。それゆえ、断面厚さとスピナー直径との間の比が０.４よりも大きいか、あるいは０.５ないし１の間の範囲に存在するならば非常に有利である。この点に関して、上記値の範囲内にあるいかなる値を選定してもよい。上記例では、断面厚さとローター直径との間の比は概ね０.０６１である。断面厚さとローター直径との間の比率が０.０５と０.０１との間の値よりも大きいならば、生じる「スリップホール」が最小限度に抑えられることは全く明白である[sic]。ここで、代表例の値はローターブレードの効率に関して非常に有利であることが分かった。

他の例において、ローターブレードの最初の三分の一は、図１８に示す翼形断面を有し、ここでスピナーにおける断面厚さは概ね４.３５ｍであり、このスピナーは概ね５.４ｍの直径を有し、そしてローターは７１ｍの全直径を有する。この例では、断面厚さとスピナー直径との間の比は０.８０６であり、断面厚さとローター直径との間の比はもう一度繰り返すが０.０６１である。上で引用した値はピッチ調整可能な３枚ブレードローターに関するものである。

上述したように、ローターの最も広いポイント(最大断面厚さを持つローターのポイント)は、ブレードマウントの領域に直接具現化できる。ブレードマウントという用語は、ローターブレードが風力発電システムのハブに対して連結(接合、ねじ込み、その他)される領域を指している。さらに、ローターブレードの下側縁部、すなわち風力発電システムのナセルに面する縁部は、長手方向にナセルの外部輪郭に適合させられるか、あるいは概ねそれをたどる。したがって、フェザリングピッチポジションにあるローターブレード(実質的に、どの面ももはや風に向けて揃えられていない)はナセルに面する下側縁部と平行に存在し、しかも下側縁部とナセルの外部輪郭との間の距離は最小限度のもの、好ましくは５０ｃｍ以下、特に２０ｃｍ以下である。

いま上記ローターブレードが風に向けて調整される場合、それはまたローターブレードの最内領域において最大サイズの表面を有する(スリップホールは非常に小さい)。Erich Hauによる上記用例は、最新のローターブレードがハブ近傍領域で連続的に縮小する(ローターブレードがその最大幅ポイントにおいてよりも、この位置においてより狭くなっている)ことを示している。本発明によるローターブレードの最大幅ポイントは、対照的に、この位置で風の潜在能力を十分に利用できるよう特にハブ近傍領域に存在する。

非常に大きなローターブレードは特に、ハブ近傍領域において非常に大きなローターブレード幅を有することが知られている。ローターブレードは、その輸送を実現するため、二つの部材から構成されてもよい(大型ローターブレード、すなわち３０ｍを超える長さを持つローターブレードの幅は、ハブ近傍領域において５ｍと８ｍの間に極めて完全に収まっていてもよい)。二つの部材は輸送中は分離され、そしてローターブレードが構築現場に到着した後、組み立てることができる。この二つの部材は、ローターブレードが風力発電システムに取り付けられる際、たとえばネジ接続あるいは非分離接合(接着)によって相互連結される。これは特に大型ローターブレードの場合に問題を提起しない。なぜなら、そうしたローターブレードの内部はまた組立て作業中に手が届くからである。ローターブレードの外側は一様な外観を呈し、しかも組み立てられた部材間の分割線は、かろうじて認識できるかあるいは全く認識できない。

本発明によるローターブレード設計によって、これまでに知られた従来型ローターブレードに比べて著しく効率を向上させることが可能になることを最初の測定が実証した。

図１〜図１７によれば、本発明による風力発電システム１のローターブレードは次のように具現化される。それはハブ近傍領域でその最大断面厚さを有し、かつローターブレードは、ハブ近傍領域でその断面全体に沿って、風力発電システムの電力ハウスのナセルフェアリング(スピナー)の直近位置まで延在している。これによって、少なくともローターブレードが基準風範囲までの風速に対応する角度へと調整されるポジションに関しては、ローターブレードとナセルフェアリングとの間の間隙が非常に狭いものとなる。たとえば、図１、図２および図３においては、ローターブレードはまた、後部断面厚さ領域によって外部ナセルフェアリングの直近位置まで延在している。たとえば図１１〜図１７に示す代替変形例では、外側ナセルフェアリング自体はローターブレードセクション３０を備えるが、このセクション３０はローターブレード全体の一体部分を形成していない。特に、図１５および図１７には、ナセルの外部で具現化されたローターブレード部分が上記位置で固定され、かつ基準風速までローターブレードの角位置に対応する角度で配置されることが示されている。これは、ローターブレードの下側縁部とナセルとの間に後部断面厚さ領域において、少なくとも基準風までの風速で、最小限の間隙のみがまた形成されることを意味する。

図１９はまた、本発明によるローターブレード設計がローター中心に風のための非常に小さな「スリップホール」を生じていることを極めて明確に示している。

図１８は、図１７の線Ａ−Ａ沿った本発明によるローターブレードを通る断面、すなわちハブ近傍領域におけるローターブレードの断面を示している。

図１７はまたスピナーの直径Ｄを指し示す表示を含む。

ローター直径は、その回転中にローターが通り過ぎる円形領域の直径によって示される。

図１５および他の図によれば、ローターブレードの部分３０は、回転可能なローターブレードの一体部分を形成せず、むしろ外部ナセルフェアリングの一体部分を形成している。対応する部分はナセルに螺着されてもよく、あるいはそれに一体的に連結または接着されてもよい。

本出願によるローターブレードが、かなり大きな長さおよび対応するローターブレード厚さ、すなわちブレード翼弦を、ハブ近傍領域において有する場合、ローターブレードの輸送を簡単にするため、この領域でブレードを二つ(あるいはそれ以上)の部分に分割するのが現実的であろう。この場合、ローターブレードは、それが取付け現場に到着するまで再組立てされることはなく、この取付け現場において完全なローターブレードがハブに取り付けられる。その場合、ローターブレードの一部は、たとえば図２０に示すように具現化できる。同図によれば、後方ブレード縁部領域において一部分が欠如している。図１８に示す断面は、この欠如部分を取り付けることにより、この領域において復元することができる。

二つの部材は、ネジ、接着あるいは他の固定方法によって相互連結可能である。

ローターブレードのこの領域でローターブレード表面のサイズを変更するための手段を設けることもまた考えられるであろう。対応する変形例が図２１〜図３３に示されているが、ここで、これらの図に示すローターブレード断面はただ象徴的なものとして理解されるべきである、ということに留意されたい(ローターブレードの断面は本質的に図１８に示す断面と一致する)。

図２１〜図３３に示す変形例によれば、もし必要なら、ローターブレード表面全体を削減できるという利点がある。これは、ローターブレードの輸送時と同様、猛烈な風が吹いている状況では実用的である。なぜなら、それによってローターブレードの輸送が可能となるか、あるいは少なくともそれが簡単になり、しかも猛烈な風が吹いている間は風力発電システムが過負荷から保護されるからである。

本発明の特に好ましい一実施形態では、表面の一部は、クローズドレセプタクル(これは後部断面ボックスを形成する)の一部を形成する変形可能な材料からなる。このクローズドレセプタクルには、たとえば、所定圧力下にあるガス状媒体が充填されてもよい。これによって、ローターブレード輸送中あるいは猛烈な風が吹いている間は空にすることが可能であり、したがって小さなスペースしか必要とせず、しかも風圧に屈するような、ローターブレードの部分的に膨らませることが可能な表面が得られる。これによって、ローターブレードの有効表面積が減少し、したがって風を受ける表面が減少する。タワーを含む下流側構成材への荷重が同時に低減される。

本発明の他の変形例では、ローターブレードは後部ボックスの領域に第２の翼構造体を備える(これは図２０には示していない)。この翼構造体はその上および／またはその中に移動できる。変形可能な材料はこの第２の翼構造体の所定の位置に固定でき、しかも変形可能な材料の一方側は回転可能な巻取り要素に固定可能である。

第２の翼構造体は風力発電システムの通常運転モードにおいて展張できる。すなわち展開アームを完全に開くことができ、あるいは伸縮アームを完全に伸長させることができる。変形可能な材料は回転可能な巻取り要素に一方側が固定されてもよい。ローターブレードの表面積を減少させなければならない場合、巻取り要素が回転させられ(天幕と同様に)、変形可能な材料は巻き取られる。折り畳みアームは同時に折り畳まれ、そして縮小可能な表面領域において第２の翼構造体のサイズを縮小させる。こうしてローターブレードの表面積は減少させられる。

本発明の代替変形例では、ローターブレード表面の一部は薄板片からなり、これは、それ自身の長手方向軸線を中心に回動できるサポートレールにそれぞれ配置される。通常運転モードでは、これら薄板は、それらがローターブレードの空力的に有効な表面積を増大させるよう整列させられる。ローターブレードの輸送中および／または極度の負荷のもとでは、サポートレールは、対応する薄板がたとえば残りのローターブレードの風陰へと移動しそしてローターブレードの表面積がそれに応じて減少させられるよう回動可能である。

本発明の特に好ましいさらなる展開では、空力的に有効なローターブレード表面の可動部分は、ローターブレード厚さ方向に変位可能な別個の平面要素からなる。通常運転モードでは、大きな空力的に有効な表面積を作り出すために、この平面要素は(好ましくは負圧面で)ローターブレードの表面積を増大させる。

表面積を減少させるため、この平面要素は、航空機の翼のフラップシステムと同様に変位させることができる。この結果、それは、ローターブレード内に変位しかつローターブレードの残りの面によって覆われるか、またはローターブレード上に変位しかつその表面を覆う。いずれの場合でも、これによってローターブレードの表面積を減少させることができる。

本発明の代替変形例では、この平面要素の一方側は、ローターブレードの第１の翼構造体または後縁に回動方式で連結される。ローターブレードの表面積は、この要素を、その軸線を中心として、ローターブレードの負圧面に向かってあるいは正圧面に向かって回動させることによって変えることができる。

この平面要素が概ね９０°だけ回動させられた場合、それはローターブレード上の気流の方向に対して実質的に垂直に起立し、そして相応の減速作用を生み出す。なぜなら、それは、ローターブレードの表面に沿って気流に対する障害物を形成するからである。

以下、図２０ないし図３３を参照して、本発明のいくつかの変形例について、さらに詳しく説明する。

図２０は本発明による完全なローターブレードの概略平面図である。このローターブレード１００は二つの部分に分割されている。その主要コンポーネントに関して、ローターブレード１００は慣例的に設計されている。だが、ローターブレード根部１２０に隣接配置された領域、すなわち最大ブレード厚さを備えた領域には分割線を認識できる。この分割線はローターブレードの領域１４０を区画しており、もし望むのなら、それがもはや風の影響を受けないよう、その表面積を減少させることができる。

図２１はローターブレード１００の固定部分を示し、その表面積は変化しないまま残る。この図は、明らかに、ローターブレード１００の空力的に有効な表面積が、特に風が激しく吹いている状況で、負荷が慣例的に設計されたローターブレードのそれよりも非常に低いものとなるよう、著しく減少させられることを示している。

図２２は本発明の第１の変形例を通る概略断面を示す。この例では、ローターブレード１００は前部領域１１０および後部ボックス１４０に分割されている。この後部ボック１４０は、前部領域１１０の後壁と共にクローズドレセプタクル１６０を形成する、２枚の変形可能な材料からなる部片１８０から構成される。ここで、このクローズドレセプタクル１６０に加圧されたガス状媒体が充填される場合、変形可能な材料１８０は、本発明によるローターブレード１００の表面領域の一部を形成し、これは通常の運転モードにおいて空力的に有効である(しかも図２０において参照符号１４０によって識別される)。

ローターブレード１００のこのセクションは、その通常の作用が通常の風条件のもとで明白なものとなるような安定性と共に具現化できる。だが、ローターブレード１００のこの部分に加わる風圧は風が激しく吹いている状況では、外圧が内圧を上回るように高くなり、これによってそうした場合にローターブレードは後部ボックス１４０の領域で変形し、そしてローターブレードは外部の風圧に、ついには屈する。これは、この激しい風を受ける面を減少させるだけでなく、下流側構造体への負荷を低減する。

後部ボックスのこの部分(その中には充填媒体が収容されている)は、たとえば所定の風速を超過した場合に、ローターブレードの表面積を減少させるために能動的に排気できる、ということにも留意すべきである。この能動排気によって、ローターブレードの形状が常に確定されるという利点がもたらされるが、後部ボックスが外圧に屈した場合には不確定な状況が起こり得る。

レセプタクル１６０の損傷を抑止するために、たとえば(図示していない)、レセプタクル１６０内に生じた過大な圧力を逃がすことを可能にする圧力逃がし弁を設けることもできるであろう。

通常運転モードに必要な圧力は圧縮機１７０を用いて回復できる。もし、(図示していない)制御バルブおよび／または圧力センサーを備える場合、もし風圧が絶えず変化しても最適運転条件が常に維持されるようレセプタクル１６０内の圧力を調整することもできる。

図２３は本発明の第２の変形例を示し、ここではローターブレード１００の負圧面の表面は、完全な後部ボックス１４０を用いた場合よりも延在している。この延在部は、前部領域１１０の表面に隣接して存在する平面要素２４０からなる。

この平面要素２４０は、空力的に有効な表面積を減少させるために矢印によって示す方向に変位させることができる。この変位は、たとえば、対応する液圧シリンダーによって液圧方式で、気圧シリンダーによって気圧方式で、電気駆動システムなどによって実現できる。当然、対応するポンプ、圧縮機あるいは駆動装置(アクチュエータ)を、この目的のために装備しなければならない(ただし概要を分かりやすくするために図示はしていない)。

平面要素は前部領域へと変位可能であり、これによって前部領域１１０の表面が平面要素２４０を覆うようになる。これに代えて、平面要素を前部領域１１０の表面上に変位させることもでき、これによって表面要素２４０は前部領域１１０の対応する表面積を覆うようになる。ローターブレード１１０の空力的に有効な表面積は、いずれの場合でも減少させられる。

図２４ａおよび図２４ｂに本発明の第３の変形例を示す。図２４ａは変形可能な材料のリール２００を示し、参照符号３００は折り畳まれた状態で図示された折り畳みアームを指し示す。この機構は、天幕のそれと同様にして実現可能である。

図２４ｂは通常運転モードでのこの変形例を示す。折り畳みアーム３００は伸長し、それに固定された変形可能な材料１８０は折り畳みアーム３００の伸長中にリール２００から巻き戻される。この結果、リール２１０は、もはや、巻き取られた材料の全てを支持してはいない。

この巻き戻された状態では、変形可能な材料１８０は一方側がリール２１０に固定され、かつ他方側が図中右側を向いている折り畳みアーム３００の端部に固定される。折り畳みアーム３００の端部は、構造体の剛性を向上させかつ変形可能な材料を適所に固定するために、図示していないウェブに連結できる。

変形可能な材料１８０がリール２１０と折り畳みアーム３００の外側端部との間でたるむのを抑止するため、(図示していない)調整可能な格子に類似する装置を変形可能な材料１８０の下方に備えることができる。この格子は折り畳みアーム３０と同期的に作動させられ、そして変形可能な材料１８０を展張状態で支持する。

有効表面積はこのシーケンスを逆転させることによって、すなわち折り畳みアーム３００および(図示していない)調整可能な格子を引っ込め(折り畳み)、そして変形可能な材料１８０を同時にリールコア２１０に巻くことで削減される。これによって最終的に図２４ａに示すリール２００が得られ、ローターブレード１００の有効表面積の削減がもたらされる。

図２５に示す本発明の第４の変形例において、平面要素２４０は前部領域(前方部位)１１０の後部側に旋回方式で連結されており、それは前部領域１１０の負圧面の延在部を形成する。

この場合、平面要素２４０は、この平面要素２４０と前部領域１１０の支持構造体との間に配置された圧縮スプリング２８０によって支持される。

通常運転モードでは、この圧縮スプリング２８０は、平面要素２４０を、それが所望の姿勢を維持するよう支持する。異常な風圧がローターブレード１００の上面に作用した場合、平面要素２４０の表面に加わる圧力が増大し、スプリング２８０の力に打ち勝つ。これによって、図２５に示す平面要素２４０は下方に押しやられ、風圧に屈する。これによって、空力的に有効な表面積の相応の減少が生じる。

スプリング２８０を使う代わりに、平面要素を能動的に調整するための相応の伸縮要素、たとえば液圧式または気圧式装置または機械式装置を設けることも可能であろう。平面要素２４０を第１の所定の姿勢で保持しあるいは第２の所定の姿勢へと平面要素を変位させるために、たとえば、ネジロッドおよびウォーム装置などを使用することもまた可能であろう。当然ながら、概要を分かりやすくするために図示していない対応するポンプ、圧縮機あるいは駆動装置が、上記アクチュエータを作動させるために設けられなければならない。

この例では、平面要素２４０上に作用する風荷重を特定することもでき、ここで、平面要素２４０は、瞬間運転条件に従って平面要素を最適調整するために、測定された風荷重の関数として旋回軸を中心として旋回させられる。

図２６は本発明の第５の変形例を示す。この第５の変形例では、平面要素２４０は前部領域１１０の後部側に旋回方式で連結されているのではなく、それ自身の長手方向軸線を中心として回動できるヒンジピン２２０に配設されている。図２６に示すポジションでは、平面要素２４はローターブレード１１０の空力的に有効な表面領域の延長部を形成している。

この表面領域を削減するため、それに固定された平面要素２４０を備えたヒンジピン２２０が、平面要素２４０の外側端部が双頭矢印によって示される二つの方向のうちの一方に動くよう、その長手方向軸線を中心として回動させられる。これはまた、ローターブレード１００の空力的に有効な表面積の低減に、したがってローターブレード１００および風力発電システムの全ての下流側構成材に作用する風荷重の変化につながる。

図２７ａおよび図２７ｂには、図２６に示す実施形態の変形例を示す。図２６で参照符号２４０によって識別される平面要素は、図２７ａでは３枚の薄板状要素２６０へと分割されている。これら薄板状要素は、この分割を分かりやすくするため図２７ａにおいては意図的に離間させている。当然ながら、これら３枚の要素は、実際には、可能な限り滑らかにローターブレード１００の前部領域１１０へと移行する概ね閉じた面を形成するように配置される。

各薄板２６０はそれ自身のヒンジピンに配置される。各ヒンジピン２８０はそれ自身の長手方向軸線を中心として回動でき、これによって個々の薄板２６０は長手方向軸線を中心としてヒンジピン２８０を回動させることによって旋回させられる。

図２７ｂには本発明による装置を、上記薄板がローターブレード１００の空力的に有効な表面領域を削減するような姿勢へと、この薄板が旋回させられた状況において示している。薄板２６０は、この例では、前部領域１１０の風陰に向かって旋回させられている。ゆえに、薄板はもはやローターブレード表面領域の一部を形成しておらず、したがってそれらはもはや風にさらされることがなく、それゆえ増大した荷重を受けることはない。

そうした様態は、その長手方向軸線を中心とするヒンジピン２８０の回動に加えて、図の左側ヒンジピン２８０とローターブレード１００の前部領域１１０との間の距離と、ヒンジピン２８０同士の相互距離とを減少させることによって実現される。

負圧面の表面領域の延在部のみを図示しているが、これに代えてあるいはこれに加えて正圧面の表面領域のサイズを変更することも当然可能であろう。

風力発電システムが上記ローターブレードを備えかつ激しい風が吹く状況が生じた場合、風速指示計器の助けのもと大きな風力を特定することだけでなく、対応する制御装置の助けによってローターブレード表面領域の寸法を著しく低減させることができる。図２０および図２１によれば、図２０に示すローターブレードの表面領域は、図２１に示すローターブレードの表面領域よりも１０％以上大きなものである。ローターブレードは、風力発電システムが通常モードで、たとえば２〜２０ｍ／ｓの間の風速で稼働する際には、その通常サイズへと調整される。いったん風速が２０ｍ／ｓ超の値まで増大すると、表面領域を減少させることができ、そのサイズは図２１に示すように著しく小さなものとなる。

制御装置はコンピューター支援様式で実現されるのが好ましく、それは、もし望むのであれば、ローターブレード表面領域のそれぞれ最適なサイズが正しく調整されることを保証する。

図３３は本発明によるローターブレードの他の変形例を示す。この例では、構造体は、変形可能なフィルムで覆われかつ支持ポイント３４０において回動可能に支持された回動式フープ３２０からなる。ローターブレードチップの方向(矢印)への移動の間、これらフープはたとえば、後部ボックス断面が変化するように支持ポイント３４０を中心として回動させられる。

図２８〜図３３は、図２２〜図２７ｂの代替的および追加的な他の変形例を示す。

図３０ｂ(図３０ａは実質的に図２５に対応する)は図２５の変形例を示し、このものは正圧面に追加要素２５０を備える。スプリング２８０の接点は、図２５および図３０ａに関してそれぞれ変更がないので、要素２４０および２５０は、それらが連結ポイント２６０を中心として回動できるようブレード後縁に連結されなければならない。ある状況下では、それがこの変形例ではローターブレードの長さに沿って要素２５０と重なり合うようローターブレードボックス１１０を具現化することが可能であろう。

図３１(図２６および図３１ａそれぞれの拡張された変形例)はまた正圧面上の要素２５０を示しており、これは機械的連結部を介して負圧面上の要素２４０と同じシャフト１２０に連結されている。

図３２ａおよび図３２ｂは図２７ａおよび図２７ｂによる変形例のさらなる発展を示す。この例では、別体シャフト２８０が正圧面上の対応する要素のために設けられる。図２７ａと同様に、図３２ａはローターブレードを通常運転モードで示している。図３２ｂは、シャフト２８０を適当に回転または変位させることによって後部ボックスが無効にさせられた状況を示している。

本発明による風力発電システムの正面斜視図である。 本発明による風力発電システムの後方斜視図である。 本発明による風力発電システムの側面図である。 本発明によるローターブレードをある方向から見た図である。 本発明によるローターブレードをある方向から見た図である。 本発明によるローターブレードをある方向から見た図である。 本発明によるローターブレードをある方向から見た図である。 本発明によるローターブレードをある方向から見た図である。 本発明による風力発電システムの拡大図である。 本発明によるローターブレードの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明によるローターブレードを通る(ハブ近傍領域における)断面図である。 本発明による風力発電システムの図である。 本発明によるローターブレードの平面図である。 本発明によるローターブレードの前部セクションの平面図である。 本発明によるローターブレードの第１の変形例を通る概略断面図である。 本発明によるローターブレードの第２の変形例を通る概略断面図である。 本発明によるローターブレードの第３の変形例を通る概略断面図である。 本発明によるローターブレードの第３の変形例を通る概略断面図である。 本発明によるローターブレードの第４の変形例を通る概略断面図である。 本発明によるローターブレードの第５の変形例を通る概略断面図である。 本発明によるローターブレードの第６の変形例を通る簡略断面図である。 本発明によるローターブレードの第６の変形例を通る簡略断面図である。 本発明によるローターブレードの一つの発展的変形例の平面図である。 本発明の他の有利な実施例を示す図である。 本発明の他の有利な実施例を示す図である。 本発明の他の有利な実施例を示す図である。 本発明の他の有利な実施例を示す図である。 本発明の他の有利な実施例を示す図である。

符号の説明

１ 風力発電システム
２ ローターブレード後縁中心
３ ローターブレード後縁
４ 末端点
５ ローターブレードチップ
７ 骨格線
８ ローターブレード
９ 正圧面
１０ 負圧面
３０ ローターブレードセクション
１００ ローターブレード
１１０ 前部領域
１２０ ローターブレード根部
１４０ 後部ボックス
１６０ クローズドレセプタクル
１７０ 圧縮機
１８０ 変形可能な材料
２００ リール
２１０ リールコア
２２０ ヒンジピン
２４０ 平面要素
２５０ 追加要素
２６０ 薄板状要素
２８０ 圧縮スプリング
３００ 折り畳みアーム
３２０ 回動式フープ
３４０ 支持ポイント

Claims (19)

1. 風力発電システム用のローターブレードであって、
   前記ローターブレードの最大厚みの位置は概ね１５％と４０％との間に、好ましくは２３％と２８％との間に存在し、最大断面厚みは概ね２０％と４５％との間に、好ましくは３２％と３６％との間に存在し、前記ローターブレードは好ましくは二つの部材からなることを特徴とするローターブレード。
2. ローターブレード横断面は骨格線によって表され、その最大そりは５０°と７０°との間に、好ましくは６０°と６５°との間に存在することを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
3. 前記最大そりは概ね３％〜１０％、好ましくは４％〜７％であることを特徴とする請求項２に記載のローターブレード。
4. 前記横断面は好ましくは、ローターブレードマウントに隣接配置されたローターブレードの下側三分の一において具現化されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のローターブレード。
5. 正圧面および負圧面を有し、前記正圧面は凹状そりを備えた部分を含み、かつ略直線状部分が前記負圧面に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のローターブレード。
6. ハブフェアリングと共にローターハブに取り付けられた少なくとも一つのローターブレードを備えた風力発電システムであって、
   ローターブレードのセクションは前記ハブフェアリングの外面上で具現化されると共にそれに堅固に連結されており、前記ローターブレードの前記セクションは風力発電システムの前記ローターブレードの一体部分を形成しないことを特徴とする風力発電システム。
7. 前記ハブフェアリング上で具現化された前記ローターブレードの前記断面は本質的に前記ハブ近傍の領域における前記ローターブレードの断面に対応することを特徴とする請求項６に記載の風力発電システム。
8. 前記ハブフェアリング上で具現化された前記ローターブレードの前記セクションは適所に固定され、かつ風速が基準風速以下でありかつローターブレードが基準風速のためのポジションに調整される場合に前記ハブ近傍の前記ローターブレードの領域の下方に直接位置するよう本質的に整列させられることを特徴とする請求項７に記載の風力発電システム。
9. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の少なくとも一つのローターブレードを備えた風力発電システム。
10. 少なくとも一つのローターブレードを備えたローターを具備してなり、その最大断面厚さは前記ローターブレードハブの領域に存在し、前記断面厚さと前記ローター直径との間の比は、概ね０.０４と０.１との間に、好ましくは０.０５５と０.７との間に存在する値、たとえば０.０６１という値を呈することを特徴とする特に請求項９に記載の風力発電システム。
11. 発電機を収容する電力ハウスと前記発電機に接続されたローターとを備えた、特に請求項９または請求項１０に記載の風力発電システムであって、
    前記ローターは少なくとも二つのローターブレードを具備し、前記ローターはフェアリング(スピナー)を備えたハブを含み、前記ローターブレードの断面厚さと前記スピナーの直径との間の比は０.４以上、好ましくは０.５と１との間であることを特徴とする風力発電システム。
12. 好ましくは一つ以上のローターブレードを具備してなるローターを備えた、特に請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    前記ローターブレードは、最適空力形状に大体において類似する台形状を有し、前記ローターブレードはローターブレード根部の領域においてその最大幅を有し、風力発電システムのナセルに面する前記ローターブレード根部のエッジは、それが本質的に前記ナセルの外部輪郭を(長手方向に)たどるよう具現化されていることを特徴とする風力発電システム。
13. 前記ナセルに面する前記ローターブレードの下側エッジは、前記ローターブレードがフェザリングピッチポジションとなるよう回転させられた際、前記根部領域において前記ナセルの外部輪郭と略平行に存在することを特徴とする請求項１２に記載の風力発電システム。
14. 前記ナセルに面する前記ローターブレードの下側エッジと前記ナセルの外部輪郭との間の距離は、フェザリングピッチポジションにおいては５０ｃｍ以下であり、好ましくは２０ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の風力発電システム。
15. 前記ローターブレードは、前記根部領域において前記ローターブレードの主面から傾斜していることを特徴とする請求項６ないし請求項１４のいずれか１項に記載の風力発電システム。
16. 前記ローターブレードは前記根部領域において二つの部材で具現化されており、その分割線は前記ローターブレードの長手方向に向けられていることを特徴とする請求項６ないし請求項１５のいずれか１項に記載の風力発電システム。
17. 前記ローターブレードの前記二つの部材は、前記ローターブレードの、風力発電システムへの取り付けまで組み立てられないことを特徴とする請求項１６に記載の風力発電システム。
18. 前記ローターブレードの前記部材は、輸送中、分離された状態のままであることを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の風力発電システム。
19. 風力発電システムは、負圧面および正圧面によって特徴付けられる少なくとも一つのローターブレードを含み、前記負圧面の長さと前記正圧面の長さとの間の比は１.２よりも小さく、好ましくは１.１よりも小さく、特に１と１.０３との間にあることを特徴とする特に請求項６ないし請求項１８のいずれか１項に記載の風力発電システム。

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