JP5389012B2 - 風力タービンロータ翼のための最適化されたレイアウト - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンロータ翼、及び風力タービンロータ翼のレイアウトの弦分布を最適化する方法に関する。

風力タービン翼レイアウトを説明するために、以下の定義が適用される。先端（４）は、翼根元部（２）から測定された、翼の最大半径方向位置を意味する。半径（５）は、翼がロータハブに結合されたタービン翼根元部（２）から測定された、翼根元部（２）を先端（４）に接続した中心線に沿った距離を意味する。弦（６）は、中心線（１６）に対して垂直な、タービン翼の最大幅を意味する。肩部（３）は、翼根元部（２）から測定された、半径方向位置を意味し、この肩部において、弦分布は、最大値を有している。最大弦区分（７）は、翼弦（６）が肩部弦の９５％以上である、半径方向区分を意味する。外側翼区分（８）は、肩部と、先端との間に配置された半径方向区分を意味し、この区分に亘って、翼弦（６）は、肩部弦の９５％未満である。根元部区分（１７）は、翼根元部（２）と、肩部との間に配置された半径方向区分を意味し、この区分に亘って、翼弦（６）は、肩部弦の９５％未満である。言及された用語のさらなる説明のために、図１も参照されたい。

風力タービンロータ翼のレイアウトは、多次元及び多機能処理の結果であり、この場合、風力タービンの年間発電量（ＡＥＰ）、運転荷重、製造工程、材料の選択、輸送問題等の二次的な問題等の要因が、全ての最適なレイアウトの最終的な選択に影響するエレメントである。

風力タービン翼レイアウト、特に弦分布のための一般的な慣例は、主に、経験則、又は幾つかの場合に、より複雑な最適化は、年間発電量を最大化することに基づく。

仏国特許第５７５９９０号明細書は、第２頁第４行から第２３行まで及び図２において、改良された風力タービン翼を開示しており、この風力タービン翼は、もともと矩形に成形されたタービン翼に基づく。改良された風力タービン翼は、ほぼ矩形に成形された外側翼区分と、やはりほぼ矩形に成形された最大弦区分とを有している。

M.E.Bechly, P.D.Clausen, "Structural Design of a composite wind turbine blade using finite element analysis", COMPUTER & STRUCTURES, vol.63, no.3, 第６３９頁から第６４６頁までには、２．５ｍの長さの、ガラス繊維複合体風力タービン翼における材料の使用を最適化するための予備的な作業が記載されている。翼弦及びねじれの半径方向での変化は、慣用の翼エレメント理論を使用して決定され、最終形状を形成するためのこれらの翼エレメントの相対的な半径方向積層配列は、同様のプロフィルを備えた従来の翼における応力レベルを最小化するために行われた、広範囲な試行錯誤有限要素法から得られた。

従来の年間発電量が最適化された弦分布が、図２に示されている。図２における弦方向の縮尺は、半径方向の縮尺と比較して拡大されている。弦分布は、肩部（３）における弦（６）の尖ったピークと、肩部（３）から先端（４）への凹面状の弦分布とを特徴とする。翼根元部（２）と肩部（３）との間の部分は、年間発電量に顕著に貢献することはなく、単に、翼の年間発電量部分と、翼根元部との間の構造的な荷重支持部である。

実用的な理由から、年間発電量が最適化された弦分布は、通常は、直接に適用されない。なぜならば、肩部弦が、簡便な製造、輸送及び取扱いのためには大きすぎるからである。その結果、今日の一般的な使用における弦分布は、図３に示されているように、年間発電量が最適化されたレイアウトの修正である傾向がある。一点鎖線で示された外側翼弦分布（１０）は、適度に減じられた出力を備えた、年間発電量が最適化された弦分布の単純な規模縮小（downscaling）である。実線（１１）及び一点鎖線（１２）の外側翼弦分布は、例えば製造又は構造的な考慮によって修正されている。

したがって、本発明の目的は、改良された風力タービンロータ翼を提供することである。別の目的は、風力タービンロータ翼の弦分布を最適化するための改良された方法を提供することである。

これらの目的は、請求項１に記載された、風量タービンロータ翼と、請求項４に記載の方法とによって解決される。従属請求項は、発明の一層の発展を定義する。

本発明の風力タービンロータ翼は、風力タービンロータ翼の弦分布を最適化するための本発明の方法の結果として得られる。通常、翼の最適化は、年間発電量を最大化することを目的とする。この場合、年間発電量の制約と、最大許容弦とが、課せられる。したがって、本発明の方法においては、荷重に対する年間発電量の比が最大化される。風力タービンロータ翼の弦分布を最適化するための方法は、弦分布が、年間発電量のみに関してではなく、翼に作用する荷重に対する年間発電量の比に関して最適化される。これは、例えば、外側翼区分において年間発電量に関して最適化する一方で、最大弦区分においては荷重に対する年間発電量の比に関して弦分布を最適化することによって達成されてよい。荷重に対する年間発電量の比に関して最適化が行われた最大弦区分は、翼の全長の少なくとも１５％に亘って延びており、年間発電量のみに関して最適化が行われた外側翼区分は、翼の全長の少なくとも５０％〜最大で８０％に亘って延びていることができる。

結果は、２つの別個の弦分布特徴、すなわち、翼全長の少なくとも１５％に亘って延びた、かなり幅広の最大弦区分と、年間発電量が最適化された曲線を有する、肩部から先端までの凹面状の双曲線弦分布を有することができる外側翼区分と、を有する風力タービンロータ翼である。さらに、外側翼区分は、翼の全長の少なくとも５０％から最大で８０％までに亘って延びていることができる。典型的な弦分布は、翼の全長の２０％に亘って延びた最大弦区分と、翼の全長の７０％に亘って延びた外側翼区分とを有することができる。この場合、根元部区分が、翼の全長の１０％を占めている。

本発明の風力タービン翼とは対照的に、今日、風力タービンロータ翼において使用されている、現在の技術水準の弦分布の概略的な特徴は、肩部の付近における弦分布のかなり尖った形状、すなわち、かなり狭い最大弦区分である。しかしながら、一般的に使用されている弦区分は、最適な年間発電量を達成していない。

本発明によって、慣用の風力タービンレイアウトに関して、１０％までの、翼の構造的な荷重ごとの年間発電量の比の増大が、可能になる。

これは、特に、単に年間発電量が最適化された、弦分布の部分と、年間発電量性能と荷重との最適化を有する弦分布の部分、すなわち最大弦区分とを組み合わせることによって達成される。ここで、レイアウトは、弦が、極めて制限された半径範囲のみにおいて最大弦長の９５％以上の弦である、輪郭のはっきりした肩部の従来の考え方に束縛されない。

本発明のタービン弦分布は、タービン翼が、肩部の付近において弦分布の尖った形状を有するべきであるという先入観を排除する。

本発明の別の特徴、特性及び利点は、添付の図面に関連した実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。

風力タービンロータ翼を概略的に示す図である。 年間発電量が最適化された弦分布を示す図である。 一般的な弦分布を示す図である。 本発明による弦分布を示す図である。 本発明による弦分布の別の例を示す図である。 本発明による風力タービンロータ翼を概略的に示す図である。

図１から図６における弦方向の縮尺は、弦分布を図においてより分かり易くするために、半径方向の縮尺と比較して拡大されている。

図１は、風力タービンロータ翼（１）を概略的に示している。このようなタービン翼の幾何学的特徴は、根元部（２）と、肩部（３）と、先端（４）とである。概略的なレイアウトは、半径（５）と、中心線（１６）に沿ったそれぞれの半径方向位置における弦（６）とによって説明されることができる。さらに、典型的な特徴は、最大弦区分（７）と、外側翼区分（８）と、根元部区分（１７）とである。

図２は、比較のために、現在の技術水準の年間発電量が最適化された弦分布を、半径に関して示している。弦分布は、肩部から先端に向かって凹面状である。根元部区分（１７）は、年間発電量に顕著に貢献することはなく、単に、翼の年間発電量部分と、翼根元部との間の荷重の構造的支持部である。

言及された実用的な理由から、年間発電量が最適化された弦分布は、通常、従来の水準の弦分布が最適な年間発電量を達成しないように、直接に適用されない。一般的な従来の弦分布の３つの例が、図３に示されている。一点鎖線で示された外側弦分布（１０）は、適度に減じられた出力を備えた、年間発電量が最適化されたレイアウトの単純な縮小である。実線（１１）及び一点鎖線（１２）の外側弦分布は、例えば製造又は構造的な考慮によって修正されている。

本発明は、一方では年間発電量を、他方では、運転荷重、翼製造工程、材料の選択、運搬問題等の二次問題を考慮して、風力タービン翼のための改良された弦分布を提供する。

図４に示された本発明による弦分布（１３）は、幅広の最大弦区分（７）を特徴とし、この幅広の最大弦区分は、従来の肩部の尖った形状と比較して、肩部に、何らかの形で切断された形状を提供する。外側翼区分（８）の形状は、従来のこの区分の形状と同様である。

尖った形状は構造的に弱いので、肩部の尖った形状を放棄することによって、翼、特に最大弦区分に作用する荷重を低減することが可能になる。さらに、従来技術と比較して最大弦区分を広くすることによって、外側翼区分における最適な弦分布の規模縮小（downscaling）が回避されることができ、翼のこの部分が、最適な年間発電量に達することができる。規模縮小を回避することは、最大弦区分が、荷重に対する年間発電量の比に関して最適化された、この区分における弦長を規定する線が、年間発電量に関して最適化された、外側翼区分における弦長を規定する線に交差するような、翼のこのような半径方向延長に拡大されることができることによって達成されることができる。次いで、交差箇所が、最大弦区分の半径方向外側限界を与える。したがって、変化させられることができる２つのパラメータ、すなわち、特に翼に作用する荷重に影響する最大弦区分における最大弦と、特に翼の年間発電量に影響する最大弦区分の半径方向外側限界とが存在する。

図５は、３つの異なる、本発明による弦分布を示している。実線（１８）は、比較的小さな最大弦区分と、丸み付けされた肩部とを備える弦分布を表している。対照的に、一点鎖線（２０）は、比較的尖った縁部によって区切られた幅広の最大弦区分を備える弦分布を示している。破線（１９）は、上記弦分布（１８）と（２９）との中間の変化態様である。

図６は、対応する本発明による風力タービンロータ翼（１５）を示している。図６には、翼弦が肩部弦の９５％以上である、幅広の最大弦区分（７）（図４における参照符号（１４）を参照）が示されており、この最大弦区分は、翼全長の例えば２０％の寸法を備えている。さらに、外側翼区分（８）が示されており、この外側翼区分は、肩部から先端までの、年間発電量を最適化する凹面状の双曲線弦区分を有しており、翼全長の例えば７０％に亘って延びている。

慣用の風力タービン翼の最大弦区分（図３における例を参照）と比較して、本発明によるタービンロータ翼は、平坦な肩部（３）と、増大した最大弦区分（７）とを有している（図４から図６までの例を参照）。このレイアウトは、翼に作用する荷重に対する翼の年間発電量の比を最適化する。荷重は、主なコスト増大要因であり、年間発電量は主な所望のパラメータであるので、本発明による弦分布は、効率的なレイアウトを提供する。

１ 風力タービンロータ翼、 ２ 根元部、 ３ 肩部、 ４ 先端、 ５ 半径、 ６ 弦、 ７ 最大弦区分、 ８ 外側翼区分、 １５ 風力タービンロータ翼、 １６ 中心線、 １７ 根元部区分

Claims (7)

1. 先端（４）と、肩部と、翼弦（６）が肩部弦の９５％以上である半径方向区分として規定された最大弦区分（７）と、最大弦区分（７）から先端（４）まで延びた外側翼区分（８）とによって形成された風力タービンロータ翼（１）であって、前記外側翼区分（８）が、最大弦区分（７）から先端（４）に向かって凹面状双曲線弦分布を有している形式のものにおいて、
   最大弦区分（７）が、弦が一定である区分を含むことを特徴とする、風力タービンロータ翼（１）。
2. 外側翼区分（８）が、翼全長の少なくとも５０％に亘って延びている、請求項１記載の風力タービンロータ翼（１）。
3. 外側翼区分（８）が、翼全長の８０％以下に亘って延びている、請求項２記載の風力タービンロータ翼（１）。
4. 最大弦区分（７）が、翼全長の２０％に亘って延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載の風力タービンロータ翼（１）。
5. 先端（４）と、肩部と、翼弦（６）が肩部弦の９５％以上である半径方向区分として規定された最大弦区分（７）と、最大弦区分（７）から先端（４）まで延びた外側翼区分（８）とによって規定される風力タービンロータ翼（１）の弦分布を決定するための方法において、
   弦分布が、
   外側翼区分（８）における弦分布と異なるように、最大弦区分（７）における弦分布を弦が一定である区分を含むように最適化し、
   翼に作用する荷重に対する年間発電量の比を最大化することによって、最大弦区分（７）における弦分布を最適化し、
   年間発電量のみに関して外側翼区分（８）における弦分布を最適化することによって決定されることを特徴とする、風力タービンロータ翼（１）の弦分布を決定するための方法。
6. 最大弦区分（７）における弦分布の最適化が、年間発電量制約及び最大許容弦長を課すことによって、行われる、請求項５記載の方法。
7. 荷重に対する年間発電量の比に関して最適化された、最大弦区分における弦長を規定する線が、年間発電量に関して最適化された、外側翼区分における弦長を規定する線と交差するような、翼の半径方向延長まで、最大弦区分が拡大される、請求項５又は６記載の方法。

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