JP2022042027A - Wind turbine facility and wind turbine blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風車用ブレード及びこれを備えた風車に関する。 The present invention relates to a blade for a wind turbine and a wind turbine including the blade.
風を受けて動力を得る風車としては、例えばプロペラ型風車に代表される水平軸風車と、ダリウス型風車やジャイロミル風車などがある垂直軸風車が挙げられる。それぞれ回転軸と、回転軸の周囲に具備された1枚または複数のブレードを有している。 Examples of the wind turbine that receives power from the wind include a horizontal axis wind turbine represented by a propeller type wind turbine and a vertical axis wind turbine such as a Darius type wind turbine and a gyromill wind turbine. Each has a rotating shaft and one or more blades provided around the rotating shaft.
風車のブレードの種類については、風によりブレードに発生する揚力を利用して回転する揚力型と、ブレードを風が押す力を利用して回転する抗力型とに分類される。 The types of blades of a wind turbine are classified into a lift type that rotates by using the lift generated by the blade by the wind and a drag type that rotates by using the force that the wind pushes the blade.
ブレードに発生する揚力を利用する垂直軸風車は、回転トルクが得にくく起動性に乏しい。一方、ブレードへの抗力を利用する垂直軸風車は、弱い風でも起動するものの、ブレードの回転が風速と同程度までしか上がらないためエネルギー効率が悪い。そのため揚力型風車を抗力型風車と組み合わせて利用することが多い。起動性は向上するものの、風車が回転し始めると抗力型風車部が回転の抵抗となり、回転効率を低下させてしまう。 Vertical-axis wind turbines that utilize the lift generated by the blades are difficult to obtain rotational torque and have poor startability. On the other hand, a vertical-axis wind turbine that utilizes drag on the blades can be activated even in a weak wind, but the rotation of the blades can only increase to the same level as the wind speed, resulting in poor energy efficiency. Therefore, the lift type wind turbine is often used in combination with the drag type wind turbine. Although the startability is improved, when the wind turbine starts to rotate, the drag type wind turbine portion becomes a resistance to rotation, and the rotation efficiency is lowered.
風車の性能を特徴づける重要な特性係数のひとつにソリディティ(solidity)がある。ソリディティは「風車の掃過面積に対するロータ・ブレードの全投影面積の比」として定義される。ただし、ここでの投影面積は風向に垂直な面への投影を意味している。 Solidity is one of the important characteristic coefficients that characterize the performance of a wind turbine. Solidity is defined as "the ratio of the total projected area of the rotor blades to the swept area of the wind turbine". However, the projected area here means projection on a plane perpendicular to the wind direction.
一般に抗力型風車は揚力型風車よりソリディティが大きいためブレードに発生するトルクが揚力型風車よりも大きい。静止状態から弱風の起動性も抗力型風車の方が良い。しかし風車に作用する風速以上の周速度で回転することができない。 Generally, the drag type wind turbine has a larger solidity than the lift type wind turbine, so the torque generated in the blade is larger than that of the lift type wind turbine. The drag-type wind turbine is better for starting from a stationary state to a weak wind. However, it cannot rotate at a peripheral speed higher than the wind speed acting on the wind turbine.
一方で揚力型風車はソリディティは小さいものの、ブレードに生じる揚力を利用するため、風速の数倍以上の高い周速比で回転することが可能である。したがって得られるエネルギー効率は揚力型風車の方が抗力型風車よりも高い。ところが、例えば揚力型風車に属する垂直型のダリウス形風車は起動性に乏しいというデメリットがある。抗力型風車のサボニウス形と組み合わせるなどの工夫をされることが多い(特許文献1)。 On the other hand, although the lift type wind turbine has a small solidity, it can rotate at a high peripheral speed ratio that is several times higher than the wind speed because the lift generated by the blade is used. Therefore, the energy efficiency obtained is higher in the lift type wind turbine than in the drag type wind turbine. However, for example, the vertical type Darius type wind turbine belonging to the lift type wind turbine has a demerit that the startability is poor. It is often devised by combining it with the Savonius type of drag-type wind turbine (Patent Document 1).
垂直軸風車において、揚力型風車部と抗力型風車部を回転軸の上下に配置し、機械的に連結したり解除する方法が提案されている(特許文献2)。 In a vertical-axis wind turbine, a method has been proposed in which a lift-type wind turbine unit and a drag-type wind turbine unit are arranged above and below the rotation axis to be mechanically connected or disconnected (Patent Document 2).
垂直軸風車であるサボニウス形風車の改良として、受風面を縦長の複数の羽に分割し、各々の羽がその縦辺の一方に回転軸を有し、受風面の回転進行方向うしろ側において自由に開閉でき、受風面が追い風の場合は各々の羽が閉まり風を受け、向かい風の場合は各々の羽が開くことで風の抵抗を減じる方法が提案されている(特許文献3)。抗力型風車は、受風面は風速より速くは動けないため、大きなエネルギー効率を得ることはできない。 As an improvement of the Savonius type wind turbine, which is a vertical axis wind turbine, the wind receiving surface is divided into a plurality of vertically long blades, each of which has a rotation axis on one of its vertical sides, and the direction of rotation of the wind receiving surface is behind. It can be opened and closed freely on the side, and when the wind receiving surface is a tail wind, each wing closes and receives the wind, and when the wind is headwind, each wing opens to reduce the wind resistance (Patent Document 3). ). Drag-type wind turbines cannot obtain large energy efficiency because the receiving surface cannot move faster than the wind speed.
特許文献3の提案に揚力型風車翼を組み合わせた提案がされている(特許文献4)。高速回転風域では、前記縦型翼は風向によらず開放状態となる。しかし、前記縦型翼はわずかながらでも回転の抵抗となりエネルギー効率を低減させてしまう。 A proposal is made in which a lift type wind turbine blade is combined with the proposal of Patent Document 3 (Patent Document 4). In the high-speed rotating wind region, the vertical blade is in an open state regardless of the wind direction. However, the vertical blade becomes a resistance to rotation, even if it is a little, and reduces energy efficiency.
拡縮可能な受風体を、同受風体を両側から支持する向き合う梁が各々の回転軸との接合部において鋭角であって、回転軸に対して鉛直下側では支持梁が平行となり、上側では受風面を最大に広がることができる風力回転装置の技術が記載されている(特許文献5)。水上浮体構造物上に設置する例示がされているが、浮体構造物が外乱により動揺、または傾斜すると鉛直上部受風面が受風面積最大とはならない。 The beam that supports the expandable and contractible wind element from both sides has a sharp angle at the joint with each rotation axis, and the support beam is parallel to the rotation axis on the lower side and receives on the upper side. A technique for a wind turbine rotating device capable of maximizing the wind surface is described (Patent Document 5). Although it is illustrated to be installed on a floating structure on the water, if the floating structure is shaken or tilted due to disturbance, the vertical upper wind receiving surface does not reach the maximum receiving area.
本発明は、起動性に優れ、かつエネルギー効率が高い風車を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a wind turbine having excellent startability and high energy efficiency.
風車は回転軸を水平、かつ風向と交差する構成とし、例えば直線翼垂直軸風車を横に倒した形とする。 The wind turbine has a structure in which the axis of rotation is horizontal and intersects the wind direction, for example, a straight-wing vertical-axis wind turbine is tilted sideways.
風車の回転方向は、回転軸の上側ではブレードは風上から風下へ、下側ではブレードは風下から風上へ向かう形で用いる。 The direction of rotation of the wind turbine is such that the blade is from windward to leeward on the upper side of the rotation axis, and the blade is from leeward to leeward on the lower side.
風車ブレードには、ブレードの回転内側、つまり回転軸側の面に、回転軸の方に自由開閉可能なフタを設ける。例えばフタを支軸を利用して開閉する形体においてはフタ開閉の支軸が回転進行側、自由側が回転後方側とする。フタの開き角度は所望の範囲で制約する。 The wind turbine blade is provided with a lid that can be freely opened and closed toward the rotating shaft on the inside of the blade rotation, that is, on the surface on the rotating shaft side. For example, in a form in which the lid is opened and closed using a support shaft, the support shaft for opening and closing the lid is the rotation progress side, and the free side is the rotation rear side. The opening angle of the lid is restricted within a desired range.
風車は静止状態か低い回転速度の状態では、回転軸より上側のブレードのフタは自重により制限された範囲内で下側に開き、開いたフタは受風面となり風車の起動トルクを発生させる。 When the wind turbine is stationary or at a low rotation speed, the lid of the blade above the rotation shaft opens downward within the range limited by its own weight, and the opened lid becomes the wind receiving surface and generates the starting torque of the wind turbine.
風車は静止状態か回転速度が小さいときにブレードが回転軸より下側にある状態では、フタは自重および風に押されて閉じる。 When the wind turbine is stationary or the blade is below the axis of rotation when the rotation speed is low, the lid is pushed by its own weight and the wind to close.
風車の回転速度が十分に大きくなると、ブレードのフタは開くことがなくなる。フタに働く遠心力およびブレードが回転する進行風圧によりブレードに押し付けられるためである。 When the rotation speed of the wind turbine is high enough, the blade lid will not open. This is because the centrifugal force acting on the lid and the traveling wind pressure that the blade rotates presses against the blade.
本発明によると、風車の静止状態、あるいは回転数が低い状態では、ブレードが回転軸より上側に位置する場合、ブレードの回転軸側にあるフタは自重により垂れ下がり開く。フタの開き角度はストッパーで制限され、フタが受風面となりソリディティが大きくなり風車の機動性が向上する。一方で、ブレードが回転軸よりも下側に位置する場合、フタは自重または風を受けてブレード側に閉じる。ブレードが向かい風側に運動する際は受風面が小さくなる。 According to the present invention, when the blade is located above the rotation axis when the wind turbine is stationary or the rotation speed is low, the lid on the rotation axis side of the blade hangs down and opens due to its own weight. The opening angle of the lid is limited by the stopper, and the lid becomes the wind receiving surface, increasing the solidity and improving the maneuverability of the wind turbine. On the other hand, when the blade is located below the axis of rotation, the lid receives its own weight or wind and closes to the blade side. When the blade moves to the headwind side, the wind receiving surface becomes smaller.
風車の回転数が十分に大きくなると、受ける遠心力と回転の進行風とにより、回転軸との位置関係によらずブレードのフタは常にブレード側に閉じた状態となる。ソリディティが小さくブレードは揚力を発生させ続けるため高速回転できエネルギー効率が良くなる。 When the number of rotations of the wind turbine becomes sufficiently large, the lid of the blade is always closed to the blade side regardless of the positional relationship with the rotation shaft due to the centrifugal force received and the traveling wind of rotation. Since the solidity is small and the blade continues to generate lift, it can rotate at high speed and improve energy efficiency.
浮体構造物上に設置した風車は風や水面の波による外乱の影響で動揺する。例えば図7は風車が風上側あるいは風下側に傾斜している状態を示している。ブレードに具備されたフタの開閉は自重と進行風圧により発生するため、風車の傾斜状態に影響されず鉛直方向上下の位置関係によって機能する。 The wind turbine installed on the floating structure is shaken by the influence of the disturbance caused by the wind and the waves on the water surface. For example, FIG. 7 shows a state in which the wind turbine is inclined to the windward side or the leeward side. Since the opening and closing of the lid provided on the blade is generated by its own weight and the traveling wind pressure, it functions according to the vertical vertical positional relationship without being affected by the tilted state of the wind turbine.
(第1の実施の形態)
図1、2は本発明のブレードとフタの開閉状態について示す。
(First embodiment)
FIGS. 1 and 2 show the open / closed state of the blade and the lid of the present invention.
本発明の風車設備に適用されるブレード2は、翼型形状をしている。開いたフタ4aは支軸7でブレードと連結されており、自由開閉ができる。支軸7のブレード上の位置は自由であり、ブレードの前縁部に近くてもよく、後縁部に近くてもよい。支軸7のブレード上の位置は、回転軸の反対側である回転外側にあることも含まれる。フタの自由端の位置も自由であり、ブレード後縁部でもよく、後縁部と支軸の間の任意の位置でよい。支軸とフタの自由端までの長さが長いほど受風部として用される面積が大きくなる。
The
フタのブレード長さ方向に対する長さは、全長に渡って一枚でもよく、複数枚に分割しても、断続的に配置してもよい。 The length of the lid with respect to the blade length direction may be one piece over the entire length, may be divided into a plurality of pieces, or may be arranged intermittently.
フタが閉じた状態では、空気抵抗を生じさせないように凹凸が極力ないこととする。 When the lid is closed, there should be as little unevenness as possible so as not to cause air resistance.
フタが閉じた状態では、フタの表面はブレード全体の翼型プロファイルの一部となる形状となることが望ましい。 When the lid is closed, it is desirable that the surface of the lid be shaped to be part of the airfoil profile of the entire blade.
図3、4は本発明の第1の実施形態の構成を表す。 3 and 4 show the configuration of the first embodiment of the present invention.
本発明の風車設備に適用されるブレード2は、風車の回転軸1の周囲にアーム3を介してひとつ、または複数のブレードが等間隔に敷設される。回転軸は水平に、かつ風31の風向と交差する位置関係にある。ブレードの前縁部は、ブレードが回転の上部にあるとき風下を向くようにする。ブレードの回転軸寄りの面には、回転軸と平行な向きの軸を支軸とし、回転軸寄りに自由開閉するフタ4(開いた状態のフタは4a)が取り付けられている。フタは閉じた状態ではブレードと一体化し、開いた状態では最大開き角度はストッパー5までとなる。風車が回転すると回転軸に接続された発電機15で電気を発生する。
In the
ストッパーは例えばアーム3に取り付けてよい。フタとブレードをワイヤでつなぎ、フタの最大開き角度を制限する方法でもよい。ストッパーなどでフタの最大開き角度を制限することで、適切な受風面を得られる。
The stopper may be attached to the
図3は本実施例1の風が弱く風車が停止している、または回転速度が小さい場合の側面図を示している。回転軸より上にあるブレードのフタは自重で開く。最大開き角度はストッパーの位置で制限する。フタが開いていない状態と比較して、フタが開く分受風面積が増えるためソリディティが大きくなり、風車回転の起動トルクが増大する。 FIG. 3 shows a side view of the first embodiment in the case where the wind is weak and the wind turbine is stopped or the rotation speed is low. The lid of the blade above the axis of rotation opens by its own weight. The maximum opening angle is limited by the position of the stopper. Compared to the state where the lid is not opened, the solidity is increased because the wind receiving area is increased by the amount that the lid is opened, and the starting torque of the wind turbine rotation is increased.
回転軸より下に位置するブレードのフタは自重によりブレード側に閉じる。フタが開いている状態より受風面積が小さくなるため、ブレードが風上側に戻る際の風の抵抗を小さくすることができる。 The lid of the blade located below the axis of rotation closes to the blade side due to its own weight. Since the wind receiving area is smaller than when the lid is open, the wind resistance when the blade returns to the windward side can be reduced.
図4は風速が十分に大きい場合の状態を示す。風車の遠心力と回転の進行風によりブレードのフタはブレードに押し付けられ、位置にかかわらず常に閉じた状態となる。すなわちソリディティが小さくなる。垂直軸抗力型風車にみられるような受風部の風の抵抗による回転速度の制約を排除することができる。 FIG. 4 shows a state when the wind speed is sufficiently high. The lid of the blade is pressed against the blade by the centrifugal force of the wind turbine and the traveling wind of rotation, and it is always closed regardless of the position. That is, the solidity becomes smaller. It is possible to eliminate the restriction of the rotation speed due to the wind resistance of the wind receiving portion as seen in the vertical axis drag type wind turbine.
図5は本発明の第1の実施形態を浮体構造物に設置した状態を表す。 FIG. 5 shows a state in which the first embodiment of the present invention is installed in a floating structure.
風車は回転軸の両端を支柱13で支持され、浮体11に接続される。浮体は本実施形態では2体から構成される双胴船としており、2体の浮体は連結架台12で連結されて風車設備を構成している。風車設備は係留索14で海底や周囲構造物、船舶等に係留され、風で吹き流されることで、常に風車回転軸と風向が交差する位置関係となる。
Both ends of the rotating shaft of the wind turbine are supported by
風車が回転すると、回転軸1と連結した発電機15を回して電気を発生する。また風車の回転は直接動力として利用してもよい。
When the wind turbine rotates, the
前記発電機で発電された電気は、浮体内に積載された蓄電池に貯められ浮体に積載した機器の駆動に使用されたり、周囲の水を電気分解して水素を発生させタンクに貯留したり、電線を通じて外部に供給することができる。 The electricity generated by the generator is stored in a storage battery loaded in the floating body and used to drive the equipment loaded in the floating body, or the surrounding water is electrolyzed to generate hydrogen and stored in a tank. It can be supplied to the outside through electric wires.
図7は本発明の実施例1を浮体構造物に載せた状態で、浮体構造物が風向に前後に動揺している状態を表す。浮体構造物が動揺すると支柱13が傾斜する。しかし風車とその回転軸の姿勢は風向に対して変化することがない。また風車設備の掃過面積も変化することがない。
FIG. 7 shows a state in which the floating structure is swaying back and forth in the wind direction with the first embodiment of the present invention placed on the floating structure. When the floating structure is shaken, the
(第2の実施形態)
図6は本発明の第2の実施形態の全体構成を表す。
(Second embodiment)
FIG. 6 shows the overall configuration of the second embodiment of the present invention.
本実施形態の風車設備に適用されるブレード2は、風車の回転軸1の周囲に風車ホイール6を介して複数のブレードが等間隔に敷設される。回転軸は水平に、かつ風31の風向と交差する位置関係にある。ブレードの前縁部は、ブレードが回転の上部にあるとき風下を向くようにする。ブレードの回転軸寄りの面には、回転軸と平行な向きの開閉軸を支点とし、回転軸寄りに自由開閉するフタ4(開いた状態のフタは4a)が取り付けられている。フタは閉じた状態ではブレードと一体化し、開いた状態では最大開き角度は風車ホイール上に取り付けられたストッパー5までとなる。風車が回転すると風車ホイールが発電機ホイールを回し、発電機ホイールに接続された発電機15で電気を発生する。
In the
風車は回転軸の両端を軸受け21を介して支柱13で支持され、風車架台22に固定されて風車設備を構成している。風車設備は尾羽24が敷設されることで、常に風車回転軸と風向が交差する位置関係となる。風車ホイールは発電機ホイールの回転中心とずれた位置にあり、風車架台の回転中心は発電機ホイールの回転中心と同軸上にあるため、風向が変化し、風車設備の向きが変わっても発電機は位置固定のまま発電できる。
Both ends of the rotary shaft are supported by the
前記発電機で発生した電気は、蓄電池に貯留して独立電源として利用したり、配線系統に接続して広域に利用することができる。 The electricity generated by the generator can be stored in a storage battery and used as an independent power source, or can be connected to a wiring system and used over a wide area.
本発明の風車設備および風車ブレードは、浮体式洋上風力発電設備において、浮体が動揺しても風車の回転軸と風向との交差関係が変わらない水平横軸風車に利用されていく可能性がある。 The wind turbine equipment and the wind turbine blade of the present invention may be used in a floating offshore wind turbine for a horizontal and horizontal axis wind turbine in which the crossing relationship between the rotation axis of the wind turbine and the wind direction does not change even if the floating body is shaken. ..
1 回転軸
2 ブレード
3 アーム
4 フタ
4a 開いたフタ
4b 閉じたフタ
5 ストッパー
6 風車ホイール
7 フタ支軸
11 浮体
12 連結架台
13 支柱
14 係留索
15 発電機
21 軸受け
22 風車架台回転テーブル
23 発電機ホイール
24 尾羽
31 風
41 風向に対し前傾した本発明設備の風車部
42 風向に対し基準位置の本発明設備の風車部
43 風向に対し後傾した本発明設備の風車部
1 Rotating
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