JP4147003B2 - 風力装置用ロータブレード - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力装置用ロータブレードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力装置用ロータブレードは様々な形体の異なるものが知られている。風力装置においては、ロータあるいはそのロータブレードが主な音源となっている。風力装置は、しばしば居住施設の近傍に据え付けられるので、騒音規制法に基づく理由で、発生音のレベルを最小限にする必要がある。風力装置や風力変換装置がこれまで発生していた音のレベルが原因で、風力装置は居住区の抵抗に直面している。こういう理由で、認可の責任を負う当局が現在の環境要求事項に基づいて風力装置の認可を拒むので、このような装置は受け入れ難かったり、全く受け入れられない場合もある。騒音はまた、環境を汚染する要因でもある。
【０００３】
騒音を低減するために、風力装置のロータブレードを構造的に修正する多くの提案が既になされている。例えば、欧州特許第０６５２３６７号公報や独国特許第１９６１４４２０．５号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロータブレードの構造的対応策による騒音低減には限界がある。
【０００５】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、風力装置の騒音発生を改善することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は請求項１の特徴を有するロータブレードにより達成される。好ましい形態は残りの請求項に記載されている。
【０００７】
本発明は、ロータブレードの表面の少なくとも部分的に流体及び／又は氷の反発層が設けられていると、ロータブレードもより粗くなるという知見に基づいている。したがって、ロータブレードの上部を最大限に平滑化する１層のペンキからなるコーティングをロータブレードに設けることなく、まさにその逆のことをするのである。すなわち、表面を微視的に見て粗くしている。このような面はまた、例えば所謂「蓮効果（lotus effect）」の機能を達成するラッカーやコーティングから公知であり、水／氷は表面に弱く付着している。この点で、１層のペンキにより形成されるコーティングは、極小サイズの一種の爪体により構成される。このような極小の爪体はロータブレードの表面を粗くするだけでなく、個々の極小の爪はその長手方向に変形自在であったり、ロータブレードのガラスファイバのコーティングより構造的にかなり柔らかいことから、表面の硬度を低下させる。
【０００８】
したがって、ロータブレード上の「蓮」のコーティングにより、ロータブレード上に形成される渦が表面の柔らかい構造により抑制あるいは防止されたり、空気の渦からエネルギが取り出されて、既に知られているロータブレードの回転により生じる音の全てが低減される。
【０００９】
マイクロシリコーンペンキ"Lotusan"（Dyckerhoffグループの会社であるispo Gmbhの商標）は、運転中におけるロータブレードの音をかなり低減できる自己清浄型コーティングあるいはペンキと言うこともできる。このマイクロシリコーンペンキは、その会社から品番１９５０で商品化されており、汚れ反発性及び撥水性と記載されている。コーティングを、撥水層が表面構造に形成されたシートあるいは薄膜で形成することも可能である。自己清浄面（及びその製造法）は欧州特許第０７７２５１４号公報からも公知である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１はEnercon社の型式Ｅ−４０の風力装置を示しており、三つのロータブレード１０を有するロータを備えている。
【００１１】
図２に示されるように、ロータブレードの表面には、「極小爪（nano-nail）」３を有する爪体２を形成するコーティングあるいはカバー１が設けられている。極小爪間の隙間Ａは約２〜２５０μｍの範囲で、極小爪の高さＨは約２〜２５０μｍの範囲である。極小爪は、例えば疎水性ポリマあるいは永続的に疎水化された材料からなる。極小爪の高さが５〜６０μｍで、隙間が約５〜１１０μｍの範囲であれば、ロータブレードからの発生音を特に低減することができる。
【００１２】
マイクロシリコーンペンキ（例えば、"Lotusan"）でロータブレードをコーティングすると、水（Ｈ２Ｏ）や他の流体はロータブレードの表面にくっついたまま離れないといった結果は生じない。したがって、こうすることで、ブレード上に着氷する原因が最初から取り除かれる。
【００１３】
好ましくは、コーティングはロータブレードの全面ではなく、ロータブレードの最後の３分の１（ロータから見て）のみに施され、ロータブレード先端の領域あるいはロータブレードの前縁及び後縁に施されるのがよい。
【００１４】
極小爪３が形成されていることで、ロータブレードの表面の凹凸あるいは粗さは非常に大きく、水の分子がロータブレードの表面にくっついて保持されるほど、水滴４（分子）のロータブレード面への付着力は十分ではない。したがって、極小爪はロータブレードの表面６に対しある距離をもって水の分子を保持し、水分子と表面間の引き付け力は極端に減少する。
【００１５】
同時に、極小爪３は所謂「ショックアブソーバ（吸音器）」の機能を持つ。これは、ロータブレード表面に自然に形成され、騒音発生の原因となる渦（図示せず）が極小爪に衝突し、ロータブレードの剛性の高いグラスファイバ構造に比べ、極小爪はその比較的大きい可動性により、渦のエネルギを吸収することができるので、空気の渦からエネルギを取り去り、音を低減する。
【００１６】
コーティングは、ペンキで被覆したり接着剤で接着した薄膜あるいはシートにより形成することができる。
【００１７】
上記コーティングはロータブレードやその一部のみならず、風力装置の他の部分、例えば風力装置のタワー７及び／又はケーシング８にも施すことができる。ケーシング８は通常ポッドとも呼ばれて、タワーの上端に設けられており、環境の影響を直接受けてはならない風力装置の発電機あるいは他の部分を規則正しく囲繞している。この点で、コーティングはタワーあるいはロータブレード及び／又はケーシングの外面ばかりでなく、内部に施してもよい。この目的で、水滴の溝（図示せず）を内側及び／又は外側に設けるのが好ましく、こうすることで、例えばタワー及び／又はケーシングを流れ出る水を制御しながら収集して運搬することができる。そのような溝は、タワー壁上でタワーの長手軸に対し略垂直に（あるいはそれに対し僅かに傾斜して）延在するのが好ましく、収集された液体は、それに接続された立下り管により運搬される。
【００１８】
別の対応策として、あるいは、上記構造に追加して、騒音発生の減少は、「シャークスキン」の形体の特殊な表面を有するロータブレードにより達成することができる。このような表面は、シートあるいは薄膜のコーティングにより得ることができる。そのような薄膜やシートは、例えば３Ｍ社により、型番３Ｍ ８６９１"Drag Reduction Tape (Riblet Tape)"で販売されている。薄膜やシートは、航空機産業からの注文を受けて、特殊な「シャークスキン」面により航空機の燃料を節約する目的で開発された。
【００１９】
そのような「シャークスキン薄膜」の構造は、例えばDittrich W. Bechert (Abteilung Turbolenzforschung des Deutschen Zentrums fur Luft- und Raumfahrt (DLR) − Turbulence Research Division of the German Aerospace Centre)の刊行物により公知である。「シャークスキン薄膜」（コーティング）の構造は、欧州特許第０８４６６１７号公報、独国特許第３６０９５４１号公報あるいは独国特許第３４１４５５４号公報にとりわけ詳しく記載されている。繰り返しを避けるため、全ての上記刊行物の内容は、本願の内容に含まれているものとする。
【００２０】
航空機の場合の音はエンジンにより基本的に決定されるので、航空機から発生する音は、航空機（翼）の動力学的現象により発生する音が可聴閾値以下の感知できないレベルまでには低減できない。
【００２１】
シャークスキン（対応する面の下）の原理に基づく薄膜は、Abteilung Turbolenzforschung des Deutschen Zentrums fur Luft- und Raumfahrt (DLR)（ Turbulence Research Division of the German Aerospace Centre)のDietrich W. Bechertが指導するエンジニアチームによりベルリン技術大学で開発された。そのような「シャークスキン」薄膜の場合、薄膜の表面は、流れの方向に延びる細かいチャネル１１が設けられている。このチャネルは連続的ではなく、図３に示されるように互いにずれた関係にあるパネル（うろこ状の薄片）１２に形成されている。図示した例では、「薄片」１２は、長手方向が風力装置のロータブレードの半径ｒに対し垂直（あるいは平行）に配向した長さの異なる五つのチャネル１１を持つ。この場合、チャネル１１（あるいはリブ）の高さＨはチャネルの間隔ｓの約３０〜７０％であり、チャネル（リブ）は楔状の形状が好ましく、テーパ角は約５〜６０°である。
【００２２】
式ｓ＋＝（ｓ／ｎｙ）＊√（tau0/rho）に基づくこの場合のシャークスキン薄膜面の横方向に延びるリブの標準間隔は１２〜２２である。ここで、ｓは横リブの間隔で、tau0は同じ流れに露出した平滑な基準面の壁体引張応力で、rhoは流体（空気）の密度で、ｎｙは流体（空気）の動粘度である。この場合、標準化されたリブ間隔ｓ＋は、定格運転時の風力装置のロータブレードの周速度（あるいは角速度）に応じて調節するのが好ましい。この点で、ロータブレードの先端あるいはロータブレードの先端領域（ロータブレード長さの約５〜２５％）の周速度に応じて調節するのが好ましい。
【００２３】
この場合のチャネル間隔ｓは、０．００１〜０．１５ｍｍである。
【００２４】
チャネル間隔及び／又は薄片間隔が異なる表面構造をロータブレードの全面に設けることも可能であり、標準化されたチャネル間隔は通常運転のロータの周速度に応じていつも調節される。
【００２５】
リブの横の凸部は、横リブ間隔ｓの最大５０％、好ましくは最大２０％の曲率半径を持つのがよい。
【００２６】
リブ間のシャークスキンの表面は横リブ間隔の少なくとも２００％の曲率半径を持つのが好ましい。これは、図４の拡大断面図に示されている。
【００２７】
初期のテストによれば、上記シャークスキン薄膜（したがって、上述のような対応する面も）を有するロータブレードを備えたロータの発生音は約０．２〜３ｄＢ（周速度と風の状態による）だけ減少できることが分かっている。
【００２８】
別の対応策として、あるいは、上記発生音低減対策に追加した対応策として、ロータブレードの一部、特にロータブレードの前縁に耐蝕性ラッカーやペンキを塗布することもできる。例えば、テフロン状の表面性状を有する耐溶媒性２成分ＰＵＲラッカーをそのような耐蝕性ラッカーとして提供することができる。これまで、汚れた粒子／雨／あられ等によるロータブレードの前縁の腐食を防止するために耐蝕性薄膜やシートをロータブレードの前縁に接着したことがあった。そのような薄膜の接着は非常に複雑で難しく、運転中早期に剥離することがないように、十分な注意を払って行う必要がある。最大限の注意を払っても、貼り付けられた薄膜が剥離することもしばしばあり、ある状況下では、運転中の発生音レベルが増大することもある。いずれにしても、剥離したり突出した薄膜片（薄膜の角部）はロータブレードに再び固着したり、新しい薄膜を取り付ける必要があるので、多大の費用がかかる。
【００２９】
Coelan社が型番VP 1970Mで提供している滑りシーラントは耐蝕性ラッカーとして好適で、公知の耐蝕性薄膜の問題を解消することができる。これは、テフロンのような表面性状を有する耐溶媒性２成分ＰＵＲラッカーを含み、次のような特性を持つ。
Figure 0004147003
【００３０】
このラッカーはボート製造のために開発されたが、騒音発生を低減するためにロータブレードにそれを使用することはこれまで提案されたことがなく、公知の耐蝕性薄膜と置換でき、その問題を解消することができる点で極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 三つのロータブレードを有するロータを備えた風力装置の正面図である。
【図２】 ロータブレートの一部の断面図である。
【図３】 流れの方向に延びる細かいチャネルが形成されたシャークスキン薄膜の部分拡大正面図である。
【図４】 リブ間のシャークスキン表面を示す拡大断面図である。

Claims (7)

  1. 表面にガラスファイバコーティングが施されたロータブレードと、運転中に該ロータブレードが発生する音を低減する音低減手段を備え、該音低減手段はロータブレードの表面部の少なくとも部分的に設けられた流体反発コーティングにより形成され、該流体反発コーティングは変形自在の複数の極小爪を有する爪体を形成し、上記極小爪によりコーティング面に凹凸が形成され、上記ロータブレードの表面は、流体反発コーティングが施された領域が流体反発コーティングが施されていない領域より柔らかく、上記極小爪の間隔は５〜１１０μｍの範囲で、上記極小爪の高さは５〜６０μｍの範囲で、上記極小爪は疎水性材料製であり、水滴あるいは氷の結晶が流体反発コーティングが施された領域のロータブレード表面に保持されることがなく、風力装置の運転中におけるロータブレードの発生音を低減するようにした風力装置用ロータブレード。
  2. ロータブレードの上記表面部はロータブレードの前縁であることを特徴とする請求項１に記載の風力装置用ロータブレード。
  3. ロータブレードの一部には、耐蝕性ラッカーが設けられていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の風力装置用ロータブレード。
  4. ロータブレードの上記一部はロータブレードの前縁であることを特徴とする請求項３に記載の風力装置用ロータブレード。
  5. 耐蝕性ラッカーが耐溶媒性２成分ＰＵＲラッカーであることを特徴とする請求項３あるいは４に記載の風力装置用ロータブレード。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロータブレードを少なくとも一つ有するロータを備えた風力装置。
  7. タワーと、風力装置の少なくとも一つの発電機を囲繞するケーシングとを備え、上記ロータブレード、タワー及びケーシングの少なくとも一つは流体反発コーティングを有し、該流体反発コーティングはロータブレード、タワーあるいはケーシングの少なくとも表面部に形成されている請求項６に記載の風力装置。
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