JP5829583B2 - Wind turbine blade, wind turbine and wind power generator - Google Patents
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Description
本発明は、風車用翼体、風車及び風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind turbine blade body, a wind turbine, and a wind power generator.
風力発電用の風車には、回転軸が地面と水平に配置されている水平軸型風車と、回転軸が地面に対して垂直に配置されている垂直軸型風車とがある。また、垂直軸型風車は、翼体に作用する揚力により風車を回転させる揚力型と、翼体に作用する抗力により風車を回転させる抗力型と、に大別される。従来の抗力型の風車として、例えば、特許文献1に記載されたものが知られている。 Wind turbines for wind power generation include a horizontal axis type wind turbine in which a rotation axis is arranged horizontally with the ground and a vertical axis type wind turbine in which a rotation axis is arranged perpendicular to the ground. The vertical axis type windmill is roughly classified into a lift type that rotates the windmill by lift acting on the wing body and a drag type that rotates the windmill by drag acting on the wing body. As a conventional drag type windmill, for example, the one described in Patent Document 1 is known.
従来の抗力型の風車は、風速に比例するように回転速度が定まるので、台風などの強風速域では、回転速度が過大になり、変形するおそれがあった。また、そのような事態を回避するために、全風速域において風車の回転数を抑制した場合には、弱風速域における起動性や中風速域における効率が損なわれてしまうという問題があった。 Since the conventional drag type windmill has a rotational speed that is proportional to the wind speed, the rotational speed is excessive in a strong wind speed region such as a typhoon, which may cause deformation. Further, in order to avoid such a situation, when the rotational speed of the windmill is suppressed in the entire wind speed region, there is a problem that startability in the weak wind speed region and efficiency in the medium wind speed region are impaired.
本発明は、以上のような課題を鑑みてなされたものであり、低風速域における良好な起動性と、中風速域における高いエネルギ変換効率とを得ることができるとともに、高風速域における速度の過大化を防止することができる風車用翼体、風車及び風力発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems as described above, and can obtain good startability in a low wind speed region and high energy conversion efficiency in a medium wind speed region, and can improve the speed in a high wind speed region. blade body for wind capable of preventing an excessive reduction, and to provide a wind turbine and a wind turbine generator.
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る風車用翼体は、
風から抗力を受けて進行方向に進行する、一方の翼端から他方の翼端まで真っ直ぐ延びる風車用翼体であって、
第1の翼面部と、
前記第1の翼面部の裏面を形成する第2の翼面部と、
前記第1の翼面部の前端から前記第2の翼面部とは離れる方向に突出し、後端面が前記進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、
前記段差部の前端と前記第2の翼面部の前端とに連続し、前記進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部と、
前記第1の翼面部の後端と前記第2の翼面部の後端とに連続し、前記進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、前記第2の翼面部側に湾曲した後縁部と、
前記第1の翼面部に形成され、前記第2の翼面部とは離れる方向に突出した複数の山部とを備え、
前記山部は、鋸刃状に形成されており、前記後縁部側に傾いている、
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a wind turbine blade according to the first aspect of the present invention includes:
A windmill wing body that travels in the direction of travel in response to drag from the wind and extends straight from one wing tip to the other wing tip,
A first wing surface;
A second blade surface portion forming a back surface of the first blade surface portion;
A stepped portion that protrudes in a direction away from the second blade surface portion from the front end of the first blade surface portion, and has a rear end surface that is formed in a curved shape that is concave with respect to the front side in the traveling direction;
A front edge portion formed in a curved shape that is continuous with the front end of the stepped portion and the front end of the second blade surface portion and is convex toward the traveling direction;
After the rear end of the first wing surface portion and the rear end of the second wing surface portion are formed in an acute angle toward the rear side in the traveling direction and curved toward the second wing surface portion side The edge,
Wherein formed in the first wing surfaces, with a plurality of peaks and projecting in a direction away from said second wing surfaces,
The mountain portion is formed in a saw blade shape and is inclined toward the trailing edge portion side.
And wherein a call.
前記山部は、前記後縁部側にあるものほど小さくてもよい。 The peak portion may be smaller as it is on the rear edge side.
前記前縁部の先端から前記第1の翼面部を経て前記後縁部の後端に達するまでの風の道程は、前記前縁部の前端から前記第2の翼面部を経て前記後縁部の後端に達するまでの風の道程よりも長くてもよい。 The path of the wind from the leading edge of the leading edge to the trailing edge of the trailing edge via the first blade surface portion is from the leading edge of the leading edge to the trailing edge portion via the second blade surface portion. It may be longer than the path of the wind to reach the rear end.
本発明の第2の観点に係る風車は、
風から抗力を受けて進行方向に進行する、一方の翼端から他方の翼端まで真っ直ぐ延びる翼体であって、
第1の翼面部と、
前記第1の翼面部の裏面を形成する第2の翼面部と、
前記第1の翼面部の前端から前記第2の翼面部とは離れる方向に突出し、後端面が前記進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、
前記段差部の前端と前記第2の翼面部の前端とに連続し、前記進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部と、
前記第1の翼面部の後端と前記第2の翼面部の後端とに連続し、前記進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、前記第2の翼面部側に湾曲した後縁部と、
前記第1の翼面部に形成され、前記第2の翼面部とは離れる方向に突出した複数の山部とを備える翼体を、前記第1の翼面部が外側を向くようにして備えることを特徴とする。
The windmill according to the second aspect of the present invention is
A wing body that travels in the direction of travel in response to drag from the wind and extends straight from one wing tip to the other wing tip,
A first wing surface;
A second blade surface portion forming a back surface of the first blade surface portion;
A stepped portion that protrudes in a direction away from the second blade surface portion from the front end of the first blade surface portion, and has a rear end surface that is formed in a curved shape that is concave with respect to the front side in the traveling direction;
A front edge portion formed in a curved shape that is continuous with the front end of the stepped portion and the front end of the second blade surface portion and is convex toward the traveling direction;
After the rear end of the first blade surface portion and the rear end of the second blade surface portion are formed with an acute angle toward the rear side in the traveling direction and curved toward the second blade surface portion side The edge,
A wing body including a plurality of ridges formed on the first wing surface portion and protruding in a direction away from the second wing surface portion, the first wing surface portion facing outward. Features.
本発明の第3の観点に係る風力発電装置は、上記第2の観点に係る風車を備えることを特徴とする。 A wind turbine generator according to a third aspect of the present invention includes the wind turbine according to the second aspect.
本発明によれば、低風速域における良好な起動性と、中風速域における高いエネルギ変換効率とを得ることができるとともに、高風速域における速度の過大化を防止することができる。 According to the present invention, good startability in a low wind speed region and high energy conversion efficiency in a medium wind speed region can be obtained, and excessive speed in a high wind speed region can be prevented.
以下、本発明の実施形態に係る翼体10、風車20及び風力発電装置30について図面を参照して詳細に説明する。
Hereinafter, the
図1は、風力発電装置30の全体斜視図であり、図2は、風力発電装置30を上方から見た平面図である。風力発電装置30は、風力により回転する風車20の回転力を利用して、発電を行うものであり、風車20と、駆体31と、発電機32と、回転軸受33とを備えている。
FIG. 1 is an overall perspective view of the
風車20は、いわゆる垂直軸型の風車であり、風力発電装置30の駆体31に、駆体31の底面及び天井面に対して回転軸21が垂直になるように配置されている。
The
風車20は、回転軸21と、2つのリング22と、スポーク23と、3つの翼体10と、を備えている。リング22は、回転軸21から放射状に延びる細長い丸棒である3本のスポーク23を介して、回転軸21と連結されている。スポーク23は、翼体10に形成され翼体10の厚さ方向に貫通する孔(図示せず)を挿通している。各翼体10は、後述する第1の翼面部11(図4参照)が外側を向いた状態で、リング22の内面に固定されている。風車20の半径Rは、例えば980mmである。
The
図2に示すように、回転軸21の上端側から風車20を見ると、3つの翼体10はいずれも、回転軸21の軸線を中心として、後述する前縁部13(図4参照)が反時計方向を向いている。なお、詳しくは後述するが、風車20は、図2の白抜き矢印に示すとおり、反時計方向に回転するように構成されている。
As shown in FIG. 2, when the
駆体31は、角パイプやアングル材などの鋼材からなる、直方形に形成されたフレームである。駆体31の高さは、例えば2800mmであり、駆体31の幅及び奥行きは、例えば2300mmである。
The
駆体31の底部には、角パイプが十字形に交差して配置され、その交差部の上面に発電機32が固定されている。駆体31の天井部には、角パイプが、対向する天井面の角部同士を結ぶようにX字形に交差して配置され、その交差部の下面に回転軸受33が取り付けられている。回転軸受33は、風車20の回転軸21の上端部を、回転自在に支持している。駆体31の底面の四隅には、脚板が溶接されている。脚板に形成された孔は、駆体31を地面や構造物に固定するためのものであり、この孔にアンカーボルトを打ち込む。
Square pipes are arranged in a cross shape at the bottom of the
発電機32は、ステータ(図示せず)と、ステータに対して回転自在に支持された磁極を有するロータ(図示せず)と、を備えている。ステータは、駆体31の底面に固定されており、ロータは、風車20の回転軸21の下端部に連結されている。
The
次に、翼体10の構成について、図3及び図4を参照しながら説明する。
Next, the configuration of the
翼体10は、矩形の翼平面形を有し、翼端板10a、第1の翼面部11、第2の翼面部12、前縁部13、後縁部14、第1の受風部15及び第2の受風部16を備えている。翼体10の翼端間距離W(図4における奥行き方向の長さ)は、例えば2500mmであり、翼体10の前後方向の長さL(図4における左右方向の長さ)は、例えば723mmであり、翼体10の厚さT(図4における上下方向の長さ)は、例えば120mmである。翼体10は、例えばアルミニウムから構成されており、内部が空洞で、その中に補強材(図示せず)が設けられている。翼体10の重量は、例えば14kgである。
The
翼体板10aは、平板であり、翼体10の両端面を塞ぐように設けられている。翼端板10aの輪郭形状は、翼体10の本体の断面形状を外側に拡げた輪郭形状に形成されている。
The
前縁部13は、翼体10の外側に向かって凸の曲面により、断面形状が流線形に形成されており、前端部の曲率が最も大きくなっている。また、前縁部13の前後方向の長さMは、前縁部13の厚さTの約2倍で形成され、翼体10の前後方向の長さLの約4分の1で形成されている。
The
後縁部14は、鋭角状に形成されており、第1の翼面部11側が凸となるように、第2の翼面部12側に一定の曲率で反っている。
The trailing
前縁部13と第1の翼面部11との間には、後縁部14側を向き前縁部13側に向かって放物線状に湾曲する湾曲面を有する段差部が設けられている。段差部の湾曲面は、風からの抗力を受ける第1の受風部15として機能する。この第1の受風部15は、翼体10の長手方向全体、すなわち一方の翼端から他方の翼端まで設けられている。第1の受風部15の高さ(図4における上下方向の長さ)は、第1の翼面部11と第2の翼面部12との距離よりも若干小さくなっている。
Between the
第1の翼面部11は、翼弦(前縁部13の前端と後縁部14の後端とを結ぶ線)CLに沿って延びており、第1の翼面部11上には、翼体10の前後方向に並ぶ鋸刃状の6つの山部16aが形成されている。6つの山部16aは後縁部14側に傾いており、山部16aの高さ及び前後方向の長さは、後縁部14側にあるものほど小さくなっている。6つの山部16aは、風からの抗力を受ける第2の受風部16として機能する。
The first
6つの山部16aは、前縁部13と第1の受風部15との接続部Bを通り、後縁部14に接する直線(図4の2点鎖線)よりも低くなるように形成されている。これにより、第2の受風部16は、後縁部14側から吹く風のみを受け、前縁部13側から吹く風を受けない。
The six
第1の受風部15の受風面積と第2の受風部16の受風面積の合計は、例えば4.9m2である。
The total of the wind receiving area of the first
第2の翼面部12は、翼弦CLに沿って延びており、翼体10の外側に向かって凸の曲面からなる。
The second
次に、翼体10の周辺における風の流れ及び翼体10に作用する揚力について説明する。以下の説明において、前縁部13から後縁部14に向かう方向を「順流れ方向」といい、後縁部14から前縁部13に向かう方向を「逆流れ方向」という。なお、上述したとおり、風力発電装置30は、3つの翼体10を備えているが、説明を簡単にするため、1つの翼体10の周辺における風の流れ及び翼体10に作用する揚力について説明する。
Next, the wind flow around the
図5は、風の流れ方向に沿うように配置された翼体10の第1の受風部15及び第2の受風部16の拡大図である。図5に示すように、逆流れ方向の風(実線で図示)が吹くと、翼体10は、第1の受風部15及び第2の受風部16に風が当たり、風から抗力を受ける。翼体10に対して逆流れ方向の抗力が作用すると、翼体10は、前縁部13で空気を切り裂きながら、逆流れ方向に進行する。切り裂かれた空気は、翼体10の表面を順流れ方向に流れる。
FIG. 5 is an enlarged view of the first
図6に示すように、第1の翼面部11に沿って流れる空気の道程は、第2の翼面部12に沿って流れる空気の道程よりも若干長い。その道程差により、翼体10に、第2の翼面部12から第1の翼面部11に向かう方向(図6における上方向)への揚力FLが作用する。揚力FLの水平成分Vaは、逆流れ方向に作用し、その大きさは、順流れ方向に作用する空気抵抗Uaよりも大きい。それにより、翼体10の速度に応じた推進力(=Va−Ua)が発生する。なお、道程差が小さいので、翼体10に作用する揚力FLの大きさは、抗力の大きさと比較して小さい。
As shown in FIG. 6, the path of air flowing along the first
上述の構成の風力発電装置30では、第1の受風部15及び第2の受風部16に風が当たると、翼体10に抗力が作用し、風車20が回転軸21を中心として図2の反時計方向に回転し始める。風車20の回転速度が高まると、翼体10の速度に応じた揚力が翼体10に作用する。風車20は、翼体10に作用する反力を回転エネルギに変換して、回転する。
In the
また、風車20が回転すると、風車20と一体の発電機32のロータも回転するので、ステータとロータとの間の磁場が変化し、電磁誘導の原理により電力が発生する。発生した電力は、バッテリ(図示せず)に送られる。
Further, when the
以上のように、本実施形態の風力発電装置30によれば、翼体10が第1の受風部15及び第2に受風部16を備えているので、逆流れ方向の風を受けて、抗力を受けることができる。それにより、弱風速域における良好な起動性を得ることができる。
As described above, according to the
翼体10は、前縁部13の後方に第2の受風部16を備えているので、投影面積を増加させることなく、逆流れ方向の風に対しての受風面積を大きくすることができる。それにより、翼体10に作用する空気抵抗を抑制することができる。
Since the
第2の受風部16は、後縁部14側に傾く鋸刃状に形成されているので、逆流れ方向の風を確実に捉えて、より大きな抗力を受けることができる。
Since the second
第2の受風部16の山部16aの高さ及び幅は、後縁部14側にあるものほど小さいので、全ての山部16aに風を当てることができる。
Since the height and width of the
前縁部13の断面形状は、流線形に形成されているので、前縁部13周辺における乱流の発生を抑制でき、翼体10に作用する空気抵抗を抑制することができる。
Since the cross-sectional shape of the
翼体10が前方に移動すると、翼体10に揚力FLが作用するので、中風速域におけるエネルギ変換率を高めることができ、翼体10に作用する推進力を大きくすることができる。それにより、中風速域において、風車20の回転速度を高めることができる。ただし、揚力FLの大きさは、抗力の大きさと比較して小さいので、風車20の回転速度が大きくなりすぎることはない。具体的には、周速比(=翼体10の速度/風速)は1程度に収束する。
When the
後縁部14が第2の翼面部12側に反っているので、順流れ方向に空気が流れると、後縁部14における第2の翼面部12側の面に、乱流が発生する。発生した乱流は、翼体10に対して、順流れ方向に作用する抵抗となる。また、乱流の大きさは、翼体10の移動速度が速いほど、より大きくなる。発生した乱流は、順流れ方向の抵抗力を発生し、逆流れ方向の抗力の一部を打ち消す。それにより、強風速域における風車20の回転速度の過大化を防止することができる。
Since the trailing
次に、図8〜図11のグラフを参照しながら、風車20の特性を、図7に示すサボニウス型風車の特性と比較する。図8及び図10は、停止状態にあった風車20及びサボニウス型風車のそれぞれに、所定の中風速域の風を当てて起動させた場合における、角速度ω(rad/sec)の時間t(sec)の経過に伴う変化を示すグラフであり、図9及び図11は、その際に回転軸21に作用するトルクT(N.m)の変化を示すグラフである。
Next, the characteristics of the
図8〜図11において、横軸は時間tを表し、図8及び図10において、縦軸は角速度ωを表し、図9及び図11において、縦軸はトルクTを表す。各グラフには、相互の比較を行うための目盛りを付している。なお、図8〜図11のグラフは、風車20を発電機32に接続しない状態(無負荷状態)での計測結果を表す。
8 to 11, the horizontal axis represents time t, the vertical axis represents angular velocity ω in FIGS. 8 and 10, and the vertical axis represents torque T in FIGS. Each graph has a scale for comparison. The graphs of FIGS. 8 to 11 represent measurement results in a state where the
図8及び図9の風車20のグラフに示すように、角速度ωの曲線が下側凸の範囲では、トルクTが増加し、角速度ωの曲線が上側凸の範囲では、トルクTが減少する。そして、角速度ωが一定になると、トルクTが0になる。
As shown in the graph of the
図10及び図11のサボニウス型風車のグラフに示すように、トルクTの曲線が上側凸の範囲では、トルクTが減少する。そして、角速度ωが一定になると、トルクTが0になる。 As shown in the graphs of the Savonius type wind turbine in FIGS. 10 and 11, the torque T decreases in a range where the curve of the torque T is convex upward. When the angular velocity ω becomes constant, the torque T becomes zero.
図8及び図10に示すように、角速度ωが収束した値(最大値)は、風車20の方がサボニウス型風車よりも大きい。このように、風車20は、サボニウス型風車よりも回転速度が速い。すなわち、風車20は、サボニウス型風車と比較して、中風速域において風から受けるエネルギを風車20の回転エネルギに変換する効率が高い。
As shown in FIGS. 8 and 10, the value (maximum value) at which the angular velocity ω converges is larger for the
なお、本発明の風力発電装置30は、説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、翼体10を構成する素材はアルミニウムであるが、軽量かつ高強度な素材であればよく、他の適当な素材、例えば、炭素繊維や樹脂でもよく、単一の素材でなくてもよい。また、実施形態では、翼体10の内部は空洞であるが、空洞でなくてもよい。
In addition, the
実施形態では、風車20に取り付けられた翼体10の数量は3であるが、数量は3に限られるものではなく、2や4でもよい。その場合には、翼体10の枚数に応じて、風車20の特性が変化する。
In the embodiment, the number of the
10 翼体
10a 翼端板
11 第1の翼面部
12 第2の翼面部
13 前縁部
14 後縁部
15 第1の受風部
16 第2の受風部
16a 山部
20 風車
21 回転軸
22 リング
23 スポーク
30 風力発電装置
31 駆体
32 発電機
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第1の翼面部と、
前記第1の翼面部の裏面を形成する第2の翼面部と、
前記第1の翼面部の前端から前記第2の翼面部とは離れる方向に突出し、後端面が前記進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、
前記段差部の前端と前記第2の翼面部の前端とに連続し、前記進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部と、
前記第1の翼面部の後端と前記第2の翼面部の後端とに連続し、前記進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、前記第2の翼面部側に湾曲した後縁部と、
前記第1の翼面部に形成され、前記第2の翼面部とは離れる方向に突出した複数の山部とを備え、
前記山部は、鋸刃状に形成されており、前記後縁部側に傾いている、
ことを特徴とする風車用翼体。 A windmill wing body that travels in the direction of travel in response to drag from the wind and extends straight from one wing tip to the other wing tip,
A first wing surface;
A second blade surface portion forming a back surface of the first blade surface portion;
A stepped portion that protrudes in a direction away from the second blade surface portion from the front end of the first blade surface portion, and has a rear end surface that is formed in a curved shape that is concave with respect to the front side in the traveling direction;
A front edge portion formed in a curved shape that is continuous with the front end of the stepped portion and the front end of the second blade surface portion and is convex toward the traveling direction;
After the rear end of the first blade surface portion and the rear end of the second blade surface portion are formed with an acute angle toward the rear side in the traveling direction and curved toward the second blade surface portion side The edge,
A plurality of crests formed on the first wing surface portion and projecting away from the second wing surface portion;
The mountain portion is formed in a saw blade shape and is inclined toward the trailing edge portion side.
A wind turbine wing body characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載の風車用翼体。 The peak portion is smaller as it is on the rear edge side,
The wing body for wind turbines according to claim 1 characterized by things.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の風車用翼体。 The path of the wind from the leading edge of the leading edge to the trailing edge of the trailing edge via the first blade surface portion is from the leading edge of the leading edge to the trailing edge portion via the second blade surface portion. Longer than the wind path to reach the rear edge,
The wing body for wind turbines according to claim 1 or 2 .
第1の翼面部と、
前記第1の翼面部の裏面を形成する第2の翼面部と、
前記第1の翼面部の前端から前記第2の翼面部とは離れる方向に突出し、後端面が前記進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、
前記段差部の前端と前記第2の翼面部の前端とに連続し、前記進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部と、
前記第1の翼面部の後端と前記第2の翼面部の後端とに連続し、前記進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、前記第2の翼面部側に湾曲した後縁部と、
前記第1の翼面部に形成され、前記第2の翼面部とは離れる方向に突出した複数の山部とを備える翼体を、前記第1の翼面部が外側を向くようにして備える、
ことを特徴とする風車。 A wing body that travels in the direction of travel in response to drag from the wind and extends straight from one wing tip to the other wing tip,
A first wing surface;
A second blade surface portion forming a back surface of the first blade surface portion;
A stepped portion that protrudes in a direction away from the second blade surface portion from the front end of the first blade surface portion, and has a rear end surface that is formed in a curved shape that is concave with respect to the front side in the traveling direction;
A front edge portion formed in a curved shape that is continuous with the front end of the stepped portion and the front end of the second blade surface portion and is convex toward the traveling direction;
After the rear end of the first blade surface portion and the rear end of the second blade surface portion are formed with an acute angle toward the rear side in the traveling direction and curved toward the second blade surface portion side The edge,
A wing body including a plurality of ridges formed on the first wing surface portion and projecting in a direction away from the second wing surface portion, the first wing surface portion facing outward.
A windmill characterized by that.
ことを特徴とする風力発電装置。 The windmill according to claim 4 is provided.
Wind power generator characterized by that.
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