JP6282203B2

JP6282203B2 - 風力発電装置及び軸流タイプブレード

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Publication number: JP6282203B2
Application number: JP2014185890A
Authority: JP
Inventors: 渡邊　昌俊; 昌俊渡邊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: GB201513243D0; TWI570322B; JP2016056774A; DE102015215760A1; GB2530162A; GB2530162B; TW201610291A

Description

本発明は、軸流タイプブレード及びそれを用いた風力発電装置に関する。

近年、環境維持の観点から、風のエネルギを電力として回収する風力発電が注目を集めている。風力発電装置は風の運動エネルギをブレードの回転エネルギに変換し、回転エネルギを発電機により電気エネルギに変換するものである。

風力発電装置で発生する電力は、風の持つエネルギ（空気の密度×空気の速度の3乗／２）にブレードによる回転エネルギへの変換効率（パワー係数、以後Ｃｐと表記）、回転エネルギの電気エネルギへの変換効率、ブレード回転面積（ブレード先端径をＤｂｌａｄｅとするとπ×Ｄｂｌａｄｅの２乗／４）を掛けたものとなる。

よって電力回収量を大きくするためにブレードで対処可能な対策はＣｐを大きくすること、Ｄｂｌａｄｅを大きくすることである。

Ｃｐに関してはベッツの理論により５９．３％が最大であり、それ以上の回収は望めない。実際の効率は、ブレードに生じる形状抵抗や摩擦抵抗、ブレード回転により生じる後流渦の影響等で５０％程度のものが一般的である。理想状態からのずれを損失と考えた場合、風の持つエネルギの９％程度であり、損失を１０％減らすことが出来ても、Ｃｐとしては１％に満たない向上量である。このことから、Ｃｐを向上することによる回収電力向上は難しくなってきている。

Ｃｐの向上に対して、Ｄｂｌａｄｅの増大は直接電力の増加に寄与する。このことから、商用発電に用いられる風力発電装置のブレードは年々全長が増加している。一方で、ブレードの長大化の際には、特にその面積増加による風から受ける力や、回転するブレードに発生する揚力による曲げ力に構造として耐えうることが必要であり、強度を確保するために、材料を多く必要とし、結果、重量増、製造コストの増加が懸念される。

以上から、ブレードとして風力発電装置の電力回収量を効率よく増加させ、製造コストの増加を防ぐためには、風から受ける力を増加させずにＤｂｌａｄｅを如何に大きくするかという技術が必要となる。

Ｄｂｌａｄｅを大きくする以前に先ず、Ｃｐを高くしたブレードを使いたいという要求は自然なものである。しかし、例えば、非特許文献１にあるように、最大Ｃｐを目指すと、ブレード根元（以後、ルートと表記）に向かい、ブレード断面に用いられる翼型のコード長は長くなる。

コード長が大きくなると面積が増え、荷重も増大する。さらに、重量も増すので、コストがかさむ。また、重量が大きく、特に風の上流から下流に向かう方向への荷重(スラスト方向荷重、以後スラスト荷重と表記)が大きなブレードを安全に回転させるためには、強度の高い支柱（以後、タワーと表記）の作成が必要となり、ブレード以外の構造物においてもコストが増加する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１や特許文献２のような技術がある。特許文献１には、ブレード内の位置によって断面形状が異なる風力発電用のブレードが開示されている。また、特許文献２には、従来と異なる後縁形状を有する風力発電用のブレードが開示されている。

米国特許第７８８３３２４号明細書米国特許出願公開第２００９／０２６３２５２号明細書

Ｔｏｎｙ−Ｂｕｒｔｏｎ／Ｗｉｎｄ−Ｅｎｅｒｇｙ−Ｈａｎｄｂｏｏｋ／ｓｅｃｏｎｄ−ｅｄｉｔｉｏｎ／Ｐ．７１／ＷＩＬＥＹ／２０１１Ａｌｂｅｒｔ−Ｂｅｔｚ／Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｔｈｅｏｒｙ−ｏｆ−Ｆｌｏｗ−Ｍａｃｈｉｎｅｓ．／Ｏｘｆｏｒｄ／１９６６

上記特許文献１や特許文献２では、出来るだけ高いＣｐで設計しながら面積や重量を増やさないために、ブレードルート近くの断面に用いる翼型としてブレード後縁をカットしたような形状としたものを用いている。

Ｃｐが大きいまま、Ｄｂｌａｄｅを大きくすることで発電量を確保しようとする方法も取られているが、そのようなブレードは、基本的に風の速度の低い地域で大きな発電量を得ようとするものであり、風力発電の盛んな欧州地域の観測値を基に規格化された国際規格であるＩＥＣ６１４００−１において、例えば、クラスＩ（１０分間平均風速の再現期間５０年の極値が５０ｍ／ｓ）向けの風車と同等、或いはそれ以上の発電量をクラスＩＩ（１０分間平均風速の再現期間５０年の極値が４２．５ｍ／ｓ）向けの風車で得ようとする場合に多く用いられる手法である。

以上の方法は比較的平均風速の低い、安定した風が年間通じて吹く欧州で開発される風車にみられる手法である。これに対して、日本を含むアジアや赤道に近い地域では、台風等の特殊な風の状態が多く生じる。このような地域では、先に記したＩＥＣ規格外のクラスＳという１０分間平均風速の再現期間５０年の極値である基準風速が７０ｍ／ｓ程度の設計が必要となる。そのために、欧州観測値を基準としたクラスＩの規格を満たすブレードに対して、より強度の高いブレードが要求され、重量が重く、コストの高いものになってしまう。

また、風力発電装置が導入されてある程度の発電量データが取れ始めたものでは、建設当初想定していた発電量に対して、予想を下回るものや、さらに大きな発電量への変更を要望するものもある。これらは、火力発電等を対象に行われているリノベーションやリパワーリングといった改修工事を行うことで対応することが考えられる。その場合、タワー等の構造物の余寿命が十分あり、余寿命診断範囲内の荷重で発電量の大きなブレードを提供できれば、大きな投資を必要とせずに発電量を増加することが出来る。

本発明は、上記のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｃｐ最大設計と異なり、ブレード先端直径ＤｂｌａｄｅとＣｐのトレードオフを行い、ブレードから生じるタワー等の構造物へのスラスト荷重を抑えつつ、回収電力の増大を可能とするブレードを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ハブおよび複数のブレードからなるロータを有し、前記ロータに風を受けて電気エネルギへ変換する風力発電装置であって、前記ハブは、前記ハブに対する前記ブレードの各々の取り付け角度を制御するピッチベアリングおよびピッチベアリング駆動装置を備え、前記ブレードの各々は、前記ピッチベアリングを介して、前記ハブに連結され、前記ブレードの断面積は、前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部に向かって、徐々に減少し、前記ピッチベアリングとの連結部近傍における前記ブレードの断面において、前記ブレードの外周に四辺が接し、前記ブレードの断面を内包する正方形を想定した場合、前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部までの任意の位置における断面が前記正方形に内包されることを特徴とする。

また、本発明は、ハブおよび複数のブレードからなるロータを有し、前記ロータに風を受けて電気エネルギへ変換する風力発電装置の軸流タイプブレードであって、前記軸流タイプブレードの各々は、ピッチベアリングを介して、前記ハブに連結され、前記軸流タイプブレードの断面積は、前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部に向かって、徐々に減少し、前記ピッチベアリングとの連結部近傍における前記ブレードの断面において、前記ブレードの外周に四辺が接し、前記ブレードの断面を内包する正方形を想定した場合、前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部までの任意の位置における断面が前記正方形に内包されることを特徴とする。

本発明によれば、ブレード先端直径Ｄｂｌａｄｅとパワー係数Ｃｐのトレードオフを行い、ブレードから生じるタワー等の構造物へのスラスト荷重を抑えつつ、回収電力の増大を可能とするブレードを提供することが出来る。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係るブレードを示す図である。本発明の一実施形態に係るブレードの断面形状を示す図である。本発明の一実施形態に係るブレードを示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置のハブ及びブレードルート部を示す図である。アクチュエータディスク理論を説明する図である。誘導速度係数とパワー係数及びスラスト係数の関係を示すグラフである。パワー係数とスラスト係数の関係を示すグラフである。基準ブレードを示す図である。基準ブレードの断面形状を示す図である。本発明の一実施形態に係るブレードの断面形状を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本実施例におけるブレード１の斜視図である。本実施例において、対象とする風車は、図４に示すようにブレード４０はピッチベアリング４１と締結されており、ピッチベアリング４１をピッチベアリング駆動モータ４２で回転させることでブレードのピッチ角度を制御するものである。

ピッチベアリング４１は増速器あるいは発電機等といった回転軸に接続するハブ４３に据え付けられている。ブレードルート部４４（図１におけるブレードルート部１０）はピッチベアリング４１に接続するために略円筒形状となっており、ブレードティップ部１１に向かい断面積が縮小している。

図１におけるブレードルート部１０およびブレード断面位置１２、１３、１４の各々の断面を図２にブレードルート部断面形状２０およびブレード断面形状２１、２２、２３として示す。

図１に示すブレード１は、ルート部の略円筒形状断面を内包する正方形内部に、ルート部よりブレード先端（以後、ティップと表記）に位置する断面がすべて内包される形状となっている。

これらの形状となる技術的背景を以下に示す。ブレード性能は、運動量理論では、風車周りの流れを単純化し、軸方向速度の減速によりエネルギが回収されるモデルの基礎式を用いる。

この理論は、１９１９年に独のＡｌｂｅｒｔ−Ｂｅｔｚｓが示した風車の基礎理論となったもの（非特許文献２）で、風車のブレード回転面の前後に関する、軸方向の運動量理論から得られたものである。前提条件として、ブレード回転面は流れに垂直に配置されている、流体は非圧縮性である、摩擦抗力は存在しない、翼枚数は無限大、流れは一様であり、翼回転による回転流れは生じない、翼無限遠方では静圧は一定であり、一定面積を通過する一方向流れがどこまで減速できるかといったモデルに相当し、損失が無いことから、限界値を示すものと成る。

図５にアクチュエータディスク理論（Ａｃｔｕａｔｏｒ−Ｄｉｓｋ−Ｍｏｄｅｌ）の概念図を示す。このアクチュエータディスク理論の式を図５に示す記号を用いて示す。アクチュエータディスク前後における流管（Ｓｔｒｅａｍ−ｔｕｂｅ）の半径ｒ位置における微小半径ｄｒでの運動量変化ｄＴは、式（１）である。

ここで、ρは密度、Ｕは流管の軸方向速度、添字は１から４は各々上流、アクチュエータディスク直前、直後、下流を示す。微小流管を通過する質量は質量保存より、式（１）は、式（２）となる。

無限遠での圧力が等しい、アクチュエータディスクの通過速度は等しく、単純化することで、無限上流、下流速度の平均値で示す等の仮定から、式（２）は、軸方向の誘導速度係数αを用いて、式（３）となる。

出力は軸方向の運動量変化と速度の積となるため、微小流管における出力ｄＰは、式（４）となる。

また、風車の出力特性を表わす指標として、流入する気流のパワーで無次元化したパワー係数Ｃｐ（回収できるパワーの割合）が用いられるが、微小流管では式（５）となる。

また、軸方向の力（運動量変化）については、流入する気流の運動エネルギで無次元化したスラスト係数Ｃｔが用いられるが、微小流管では式（６）となる。

式（５）から明らかなように、パワー係数は軸方向誘導速度係数の三次式であり、図６に示すようにα＝１／３で最大値１６／２７をとり、その時のスラスト係数は８／９となる。これがＢｅｔｚの理論として知られている気流からのパワー回収の上限である。

式（５）および（６）は微小半径で考えているが、α＝１／３の条件がブレードスパン方向すべてで成り立つときにその値が最大となる。また、式の形からわかるように誘導速度係数のみで構成されており、ブレード断面に使われる翼型の性能等の影響が排除されていることから、実際のブレード性能はＢｅｔｚの理論よりＣｐは小さくなる。

ブレード設計に用いられる翼素運動量理論（Ｂｌａｄｅ−Ｅｌｅｍｅｎｔ＆ｍｏｍｅｎｔｕｍ−Ｍｅｔｈｏｄ：以後、ＢＥＭと記載）（非特許文献１）を用いて、性能が公開されているＮＡＣＡ翼型を使用したブレード設計をＣｐ最大、Ｃｔ最小となる条件を満たすよう多数実施し整理したところ、図７のようになった。

白丸の集合７１が設計解の集合であり、実線７２がＢｅｔｚの式をＣｐ、Ｃｔに関してプロットしたもの、すなわち、Ｂｅｔｚの理論を示す線である。実際の翼性能を用いてブレードを設計した場合では、同じＣｔであってもＢｅｔｚの理論ほど高いＣｐを得ることは困難であるが、設計解の集合の変化傾向はＢｅｔｚの理論のようにＣｐが大きくなるほど、Ｃｔの変化率が大きくなっていることが分かる。

このような傾向から、ブレード設計において最大Ｃｐとなる設計解でなくＣｐの小さい設計解を選択することにより、Ｃｔの変化量はＣｐの変化量に比べ大きくとることが可能となる。

図７に示す設計結果に対して、基準を最大Ｃｐとし、ブレード長さを基準の１０％、２０％増しとし、スラスト荷重が同等となるようＣｔを設計した例を示す。

まず、図８に、基準ブレード形状を示す。このブレードは図７における設計結果７３に対応しており、スラスト係数は０．８、パワー係数は０．４９となっている。なお、設計結果７３は図７において最大Ｃｐ設計点である。

図９にブレードティップ方向から見た任意スパン方向断面におけるブレード断面形状の重ね書きを占めす。図９には図８におけるブレードルート部８０のブレードルート部断面形状９０、最大コード（翼型における前縁から後縁までの長さ）位置すなわちブレード最大コード断面位置８１のブレード最大コード断面形状９１、ブレードティップ部８２のブレードティップ部断面形状９２、ブレードルート部８０を内包する正方形（ブレードルート部断面内包正方形９３）が記載されている。

このブレードは、図９にあるように、ルート部を内包する正方形に内包出来ないブレード断面がスパン方向に存在するために、本発明の対象とはならない、従来からのＣｐ優先設計ブレードである。

次に、図３に、基準ブレード形状からブレード長さを約１０％長くした設計形状を示す。このブレードは図７における設計結果７４に対応しており、スラスト係数は０．６７、パワー係数は０．４７となっている。低スラスト係数設計のために、ブレード断面の翼のコード長さを小さく設計している。なお、設計結果７４は本実施例において説明する実施例設計点である。

図１０にブレードティップ方向から見た任意スパン方向断面におけるブレード断面形状の重ね書きを占めす。図１０には図３におけるブレードルート部３０のブレードルート部断面形状１００、最大コード（翼型における前縁から後縁までの長さ）位置すなわちブレード断面位置３１のブレード最大コード断面形状１０１、ブレードティップ部３２のブレードティップ部断面形状１０２、ブレードルート部３０を内包する正方形（ブレードルート部断面内包正方形１０３）が記載されている。

このブレードは、図１０にあるように、ルート部を内包する正方形に任意スパン位置ブレード断面が内包されるために、本発明の対象となる。このブレードでは、ブレード回転面積は１９％増加する。Ｃｔは面積増加に応じた分下げているが、Ｃｐは３％程度の減少であるために、発電量としては１２％の増加が見込める。

最後に、図１に、基準ブレード形状からブレード長さを約２０％長くした設計形状を示す。このブレードは図７における設計結果７５に対応しており、スラスト係数は０．５５、パワー係数は０．４２となっている。低スラスト係数設計のために、ブレード断面の翼のコード長さを小さく設計している。なお、設計結果７５は本実施例において説明する実施例設計点である。

このブレードも、図２で説明したように、ルート部の断面内に任意スパン位置ブレード断面が内包されるために、本発明の対象となる。このブレードでは、ブレード回転面積は４４％増加する。Ｃｔは面積増加に応じた分下げているが、Ｃｐは１３％程度の減少であるために、発電量としては２０％の増加が見込める。

このように、発電量の増加をＣｐに求めず、ブレード長さに求め、荷重の増大を抑制したブレードとすることで、タワー等の構造物への荷重増加を防ぎながら出力の大きな風力発電装置を提供することが可能となる。

上記実施例の見方を変えた場合、ブレードにかかる荷重を小さくするために、ブレードルート部におけるピッチベアリング締結部を内包する正方形内部にティップ方向任意位置断面が内包される程度に各断面による翼型のコード長さを設定したブレードと表現可能である。

なお、ブレードの変形などを考慮してブレード製造時にあらかじめブレードを曲げて製造するプリベンディングを有するブレード等の場合、任意スパン位置における断面の絶対位置の変更後に、ルート部を内包する正方形に任意スパン位置ブレード断面が内包されるか、ルート部の断面内に任意スパン位置ブレード断面が内包されるかの確認を行うことも可能である。

さらに、機械加工精度以上の製造誤差を持つ樹脂等による製造に伴う形状誤差を考慮して、ルート部を内包する正方形の辺の長さは、１０％程度大きなものを想定することも可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明に係るブレード形状は、構造物への荷重低減と風から得るエネルギ量最大を両立するものであり、風力発電装置以外でも運動する流体からエネルギを回収し、なおかつ運動する流体から受ける荷重を低減するものであり、適用先は風力発電装置に限定されるものではない。例えば、液体（水や海水等）の流れからエネルギを回収する装置への適用も可能である。

１…ブレード
１０…ブレードルート部
１１…ブレードティップ部
１２…ブレード断面位置
１３…ブレード断面位置
１４…ブレード断面位置
２０…ブレードルート部断面形状
２１…ブレード断面形状
２２…ブレード断面形状
２３…ブレード断面形状
３０…ブレードルート部
３１…ブレード断面位置
３２…ブレードティップ部
４０…ブレード
４１…ピッチベアリング
４２…ピッチベアリング駆動モータ
４３…ハブ
４４…ブレードルート部
７１…設計解の集合
７２…Ｂｅｔｚの理論
７３…最大Ｃｐ設計点
７４…実施例設計点
７５…実施例設計点
８０…ブレードルート部
８１…ブレード最大コード断面位置
８２…ブレードティップ部
９０…ブレードルート部断面形状
９１…ブレード最大コード断面形状
９２…ブレードティップ部断面形状
９３…ブレードルート部断面内包正方形
１００…ブレードルート部断面形状
１０１…ブレード最大コード断面形状
１０２…ブレードティップ部断面形状
１０３…ブレードルート部断面内包正方形

Claims

ハブおよび複数のブレードからなるロータを有し、前記ロータに風を受けて電気エネルギへ変換する風力発電装置であって、
前記ハブは、前記ハブに対する前記ブレードの各々の取り付け角度を制御するピッチベアリングおよびピッチベアリング駆動装置を備え、
前記ブレードの各々は、前記ピッチベアリングを介して、前記ハブに連結され、
前記ブレードの断面積は、前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部に向かって、徐々に減少し、
前記ピッチベアリングとの連結部近傍における前記ブレードの断面において、
前記ブレードの外周に四辺が接し、前記ブレードの断面を内包する正方形を想定した場合、前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部までの任意の位置における断面が前記正方形に内包されることを特徴とする風力発電装置。
前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍の断面形状は、略円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記ブレードは、前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部までの任意の位置における断面が前記正方形に内包されるよう、翼型のコード長さを有することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
前記ブレードは、前記ブレードの任意の位置における断面において、前記断面を内包する最小辺長さの正方形の辺の長さ、或いは、前記断面内の前記ブレードの最長寸法が、前記断面より前記ハブ側の他の位置における断面を内包する最小辺長さの正方形の辺の長さ、或いは、前記他の断面内の前記ブレードの最長寸法と同等以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
ハブおよび複数のブレードからなるロータを有し、前記ロータに風を受けて電気エネルギへ変換する風力発電装置の軸流タイプブレードであって、
前記軸流タイプブレードの各々は、ピッチベアリングを介して、前記ハブに連結され、
前記軸流タイプブレードの断面積は、前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部に向かって、徐々に減少し、
前記ピッチベアリングとの連結部近傍における前記ブレードの断面において、
前記ブレードの外周に四辺が接し、前記ブレードの断面を内包する正方形を想定した場合、前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部までの任意の位置における断面が前記正方形に内包されることを特徴とする軸流タイプブレード。
前記軸流タイプブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍の断面形状は、略円筒形状であることを特徴とする請求項５に記載の軸流タイプブレード。
前記ブレードは、前記ブレードの前記ピッチベアリングとの連結部近傍から前記ブレードの先端部までの任意の位置における断面が前記正方形に内包されるよう、翼型のコード長さを有することを特徴とする請求項５または６に記載の軸流タイプブレード。
前記ブレードは、前記ブレードの任意の位置における断面において、前記断面を内包する最小辺長さの正方形の辺の長さ、或いは、前記断面内の前記ブレードの最長寸法が、前記断面より前記ハブ側の他の位置における断面を内包する最小辺長さの正方形の辺の長さ、或いは、前記他の断面内の前記ブレードの最長寸法と同等以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の軸流タイプブレード。