JP2007046559A - 風力発電機用ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的弱い風力によって回転が可能な風車を提供するための風力発電機用ブレードを提案する。
【解決手段】 垂直軸２を中心として回転し、垂直軸２から所定の間隔を有して複数枚配設される垂直軸型風車用のブレード４であって、下面側の翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置を起点として後縁まで形成された切欠き部５を有し、上面側において前記切欠き部５に対応する位置の範囲内に風車１の回転方向に平行な複数の突条６が所定の間隔を有して形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、垂直軸型風車による風力発電機の揚力型の風力発電機用ブレードに関する。

風力発電には、一般的に、水平軸型風車と垂直軸型風車が知られている。このうち、垂直軸型風車には、ブレードに発生する揚力により風車を回転させる揚力型と、ブレードに発生する抗力により風車を回転させる抗力型とが知られている。

このうち揚力型風車は、風速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上でも、風車を効率よく回転させることを可能としているため、風速に応じて発電効率が上がるという利点を有しているものの、風速比が１以下では、風車を回転させるモーメントが小さく、停止状態からの起動が困難な場合があるという問題点を有していた。

このため、特許文献１には、ブレードを飛行機に使用される流線形の翼型に形成し、下面後縁部に切欠き部を形成することで、風によって空気抵抗と揚力を発生させて、発電に必要な回転モーメントを発生させる風力発電機用ブレードが開示されている。この従来のブレードは、１．０〜１．４の範囲の揚力係数を有する翼型であって、３０，０００〜３，０００，０００の範囲の低いレイノルズ数の風に対しても発電可能である。
ところが、前記風力発電機用ブレードをもってしても、比較的弱い風力では風車を起動させることができず、都心部などの風の弱い地域では採用できないという問題点を有していた。

このような風車について、初動を良くして、都心等、風力が比較的弱い地域においても効果的に発電するためには、さらなる風車の軽量化が必要であった。つまり、ブレードを構成する部材の厚みを薄くすることにより、ブレードの軽量化を図り、風車全体を軽量化することで、風力が比較的弱い地域においても、発電が可能な風力発電が求められていた。
特開２００４−１０８３３０号公報（［００１４］−［００２７］、図１）

ところが、ブレードは、風車の回転に効果的な形状（流線形）を維持する必要があるため、部材の厚みの薄肉化には限界があった。つまり、ブレードの強度等により、風車全体の軽量化には限界があり、風力が比較的弱い地域における風力発電の開発の妨げとなっていたという問題点を有していた。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、風力発電機用ブレードの薄肉化を図ることで比較的弱い風力によって回転が可能な風車を提供するための風力発電機用ブレードを提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、請求項１に係る風力発電機用ブレードは、垂直軸を中心として回転し、前記垂直軸から所定の間隔を有して複数枚配設される翼型の風力発電機用ブレードであって、上面および下面の少なくとも一部が風車の回転方向に平行な波型に形成されていることを特徴としている。

かかる風力発電機用ブレード（以下、単に「ブレード」という場合がある）は、上面および下面（ブレードの周面）の少なくとも一部が風車の回転方向に沿って波型に形成されているため、平面に形成された従来のブレードに比べて優れた剛性を有しており、ブレードの板厚の薄肉化が可能となる。
ここで、本明細書において下面とは、ブレードの回転方向に対して内側（ブレードの回転軸側）の面をいい、上面とは、ブレードの回転方向に対して外側（回転軸と反対側）の面をいう。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風力発電機用ブレードであって、前記下面の後縁部に切欠き部を有していることを特徴としている。

かかるブレードは、下面の後縁部に切欠き部を有しているため、ブレードが軽量化されて、さらに初動の良い風車を提供することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の風力発電用ブレードであって、前記切欠き部が、翼弦長に対して前縁から３５％以上４５％以下の位置を起点として後縁まで形成されており、前記波型が、前記上面において前記切り欠き部に対応する位置の範囲内に形成されていることを特徴としている。

かかる風力発電機用ブレードは、風車の回転に伴い、回転進行方向であるブレードの前縁部に関しては、平面に形成することで、空気抵抗を減らし、より優れた回転力を付与することを可能としている。ブレードに作用する圧力分布は、ブレードの下面の前縁側に外気圧より高い圧力が分布し、後縁側は外気圧とほぼ同じ圧力が作用する。また、上面は、前縁の翼形状によって流速が加速されるため、作用する圧力は小さい。したがって、ブレードの下面において翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置から後縁にわたって切欠き部を形成しても、ブレードに作用する空力特性への影響は小さい。同様に、ブレードの上面において翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％位置から後縁にわたる範囲内に形成された波型によるブレードの空力特性への影響も小さい。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風力発電用ブレードであって、前記波型が、垂直方向に対して所定の間隔を有して形成された突条であることを特徴としている。

かかる風力発電機用ブレードは、波型を所定の間隔をあけて形成することで、突条の存在による空気抵抗を削減することを可能とする。つまり、ブレードの軽量化と必要な強度とのバランスにより設定された間隔により突条を形成することで、優れた発電能力を備えた風車を提供することが可能となる。

本発明の風力発電機用ブレードにより、風車の軽量化が可能となり、比較的弱い風力によって回転（起動）が可能な風車を提供することが可能となる。

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
ここで、図１は、本実施形態に係るブレードを備えた風車を示す斜視図である。また、図２は、本実施形態に係るブレードを示す図であって、（ａ）は部分拡大斜視図、（ｂ）は断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る風車１は、垂直軸２と、この垂直軸２から所定の間隔を有して複数枚（本実施形態では４枚）配設された翼型のブレード（風力発電機用ブレード）４とからなり、風力により発生する揚力によりブレード４が垂直軸２を中心として水平に回転して、発電するものである。

垂直軸２は、垂直に立設された円筒状の管材から構成されており、上下２箇所において、ブレードを固定するための、支持具３が固定されている。
なお、垂直軸２は、風車１を支持するために必要な強度を有し、ブレードの配置が可能なものであれば、円筒状の管材に限定されるものではなく、適宜公知の部材を使用可能なことはいうまでもない。

また、垂直軸２には、図示しない発電機が接続されており、ブレード４が回転することにより発生する回転エネルギーを発電機に伝達して、発電することを可能としている。

支持具３は、棒状部材３ａと環状部材３ｂを組み合わせてなる部材であって、垂直軸２を挿通して、垂直軸２の所定の位置に固定された環状部材３ｂから十字状に４本の棒状部材３ａを延設することにより、構成されている。
なお、支持具３は、複数のブレード４を垂直軸２から所定の間隔を有した位置に配置することが可能であれば、その構成は限定されるものではなく、ブレード４の枚数や材料の強度および重量等を考慮した上で、適宜設定すればよい。

ブレード４は、１．０〜１．４の範囲の揚力係数を有する翼型に形成されており、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、その下面Ｂ（回転方向内側）の後縁Ｒ側（回転方向後側）には、切欠き部５が形成されている。また、上面Ｔ（回転方向外側）の切欠き部５に対向する位置には、風車１の回転方向に平行に複数の突条６，６，…が垂直方向に対して所定の間隔（本実施形態では１０ｃｍ）を有して形成されて、波型を呈している。
なお、ブレード４を構成する材料は、例えばアルミ合金製の板材やチタン合金製の板材を使用する等、限定されるものではないが、本実施形態では厚みが０．４ｍｍのアルミ合金製の板材を使用するものとする。

突条６は、新たな部材を増加することなく、ブレード４の裏面側から、押圧加工により形成されている。つまり、ブレード４の裏面側には、突条６に対応する位置に凹溝（図示省略）が形成されている。なお、突条６の形成方法は限定されるものではなく、適宜公知の手段により形成すればよい。
突条６は、形成可能なブレード４の板厚と、突条６による空気抵抗とを考慮したうえで、最適な間隔により形成されている。なお、突条６の形状は限定されるものではないが、本実施形態では、幅１６ｍｍ、高さ３ｍｍにより形成する。

ブレード４に形成された切欠き部５は、翼弦長に対して前縁Ｆから３５％〜４５％の位置から後縁Ｒにわたって下面Ｂに形成されている。

なお、ブレード４の上面Ｔの裏面（垂直軸２側）には、所定の間隔によりリブ７が固定されている。また、ブレード４の前縁Ｆ側には、下面Ｂと上面Ｔとの裏面を跨いで固定する補強材８が垂直方向に配置されている。これらのリブ７および補強材８のブレード４への固定は、リベット加工により行うものとする。
ここで、リブ７を構成する材料や厚みは限定されるものではないが、本実施形態では、ブレード４を構成するアルミ合金板と同様に、アルミ合金製の板材からなり、その厚みは０．４ｍｍとする。また、補強材８を構成する部材も限定されるものではないが、本実施形態では、アルミ合金製のチャンネル材により構成するものとする。また、リブ７および補強材８の固定方法もリベット加工に限定されるものではなく、例えば、摩擦接合等、適宜公知の方法から選定して行えばよい。

本実施形態に係るブレード４は、上面Ｔに複数の突条６，６，…が所定の間隔を有して形成されているため、ブレード４の強度を高めることを可能としており、リブ７を追加する必要がない。そのため、ブレード４の厚みを薄くした分だけブレード４を軽量化することができる。

また、ブレード４に形成された突条６，６，…は、ブレード４の重量と、突条６，６，…による空気抵抗のバランスを考慮した間隔により形成されているため、風車１の回転を妨げることなく、風車１が比較的弱い風力による回転が可能で初動が良く、かつ、風速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上でも、風車を効率よく回転させることを可能としている。

つまり、従来０．８ｍｍで形成されていたアルミ合金製のブレード４が、突条６を形成することによりその剛性が増加して、０．４ｍｍの板厚により形成することが可能となり、ブレードのみの重量で比較すると、半減することが可能となった。したがって、ブレード４，４，…の軽量化により、風車１全体の軽量化されるため、風車１の初動が良くなり、風力の小さい地域における風力発電が可能となり、効率的な風力発電機を提供することが可能となる。故に、従来のブレードが３０，０００〜３，０００，０００のレイノルズ数の風に対して発電可能であったのに対して、さらに低いレイノルズ数の風に対して発電が可能となった。

また、従来、チタン合金等の剛性の強い材料を使用することで、ブレード４の軽量化を図っていたのに対し、突条６を設けることにより、チタン合金からなるブレードと同等の板厚のブレード４をアルミ合金により形成することが可能となり、経済的に優れた風車を提供することが可能となった。

また、ブレードの軽量化により、風力発電機全体の軽量化が可能となり、風力発電機の設置場所の自由度が広がる。

以下、突条を形成することによるブレードの薄肉化を検証するため、突条が形成された板材（板材１）と突条を有していない板材（板材２〜４）の強度の比較を行った。
表１に検証結果を示す。

表１に示すように、本実証実験では、幅１６ｍｍ、高さ３ｍｍの突条が１０ｃｍピッチで形成された板厚０．４ｍｍのアルミ合金からなる板材１と、突条を有していないアルミ合金製の平板について、板厚２．０ｍｍ、１．７９ｍｍ、１．５ｍｍの板材２，３，４とのたわみに対する剛性の比較を行った。

表１に示すように、突条を有した板材１は、たわみに対する剛性（ＩＸ）が０．００４８であって、突条を有していない場合の板厚１．７９ｍｍ（板材３）に相当する剛性を有している。つまり、突条を形成することにより、ブレードは、約４．５倍程度の剛性の増強が見込まれる結果となった。

上記の検証結果により、ブレードに突条を設けることにより、板厚の薄肉化が可能であることが実証された。なお、前記検証結果では、突条を形成することにより、１／４．５程度の薄肉化が可能となる結果となったが、ブレードとして最適な流線形形状の形成や、設置した状態での形状の維持の面で、ブレードの板厚は０．４ｍｍ以上が好適である。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、切欠き部を有した翼型のブレードを使用する場合について説明したが、切欠き部を有していない閉鎖断面の翼型のブレードに、突条を形成することにより、ブレードの薄肉化（ブレードの軽量化）を図ってもよい。なお、このようにブレードが切欠き部を有していない場合は、突条をブレードの上面と下面との両面に形成してもよいことはいうまでもない。

また、板材からなるブレードの表面に突条を形成するものとしたが、波板を流線形に形成することでブレードを形成してもよく、これによりブレードの強度が増し、さらに薄肉化を図ることが可能となる。

また、前記実施形態では、ブレードの表面に突条を形成することでその強度増加を図るものとしたが、凹溝を形成しても、同様の効果を得ることが可能である。
また、前記実施形態では、リブや補強材を配置する構成としたが、リブおよび補強材は必要に応じて配置すればよいことはいうまでもない。

また、前記実施形態では、下面に形成された切欠き部に対向する位置の範囲内に突条を形成するものとしたが、突条を形成する範囲は上記の範囲に限定されるものではなく、ブレードと揚力との関係、ブレードの板厚と耐力との関係、突条による空気抵抗等を考慮したうえで適宜設定すればよい。

本実施形態に係るブレードを備えた風車を示す斜視図である。 本実施形態に係るブレードを示す図であって、（ａ）は部分拡大斜視図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１ 風車
２ 垂直軸
３ 支持具
４ ブレード
５ 切欠き部
６ 突条
Ｆ 前縁
Ｒ 後縁
Ｂ 下面
Ｔ 上面

Claims (4)

1. 垂直軸を中心として回転し、前記垂直軸から所定の間隔を有して複数枚配設される翼型の風力発電機用ブレードであって、
   上面および下面の少なくとも一部が風車の回転方向に平行な波型に形成されていることを特徴とする、風力発電機用ブレード。
2. 前記下面の後縁部に切欠き部を有していることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電機用ブレード。
3. 前記切欠き部が、翼弦長に対して前縁から３５％以上４５％以下の位置を起点として後縁まで形成されており、
   前記波型が、前記上面において前記切欠き部に対応する位置の範囲内に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電機用ブレード。
4. 前記波型が、垂直方向に対して所定の間隔を有して形成された突条であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風力発電機用ブレード。

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