JPWO2010016125A1 - 風車翼およびこれを用いる風力発電装置 - Google Patents

Abstract

セレーション板を翼全体の構造とは無関係に構成できるようにし、最適な形状に取り付けられ、後縁部に発生する騒音を効果的に抑制できる風車翼およびこれを用いた風力発電装置を提供することを目的とする。背側外皮（１９）および腹側外皮（２１）が接合されて形成され、後縁（３３）にセレーション板（３５）が取り付けられている風車翼（９）であって、セレーション板（３５）は背側外皮（１９）および腹側外皮（２１）の接合に伴い装着されるよう構成されている風車翼（９）を提供する。

Description

本発明は、風車翼およびこれを用いて発電を行う風力発電装置に関する。

風力発電装置では翼から発生する騒音が問題となっている。近年、風力発電装置は、出力の大きなものが求められ、大型化されて来ている。これに伴い、ロータ径、すなわち、風車翼の翼長が大きくなって来ている。
翼長が大きくなると、翼端部の移動速度が大きくなる。このため発生する騒音が大きくなるので、一層の騒音低減が求められている。

翼から発生する騒音の主な要因は翼端渦による騒音と翼面に発生する乱流境界層による騒音とである。
従来、この騒音レベルを下げるには、ロータの回転数を下げることが有効とされていた。すなわち、ロータの回転数を下げると、空気の翼への流入速度が低下するので、空力音が低減できる。しかし、ロータの回転数を下げると、発電効率が低下することになる。

ロータの回転数を下げずに、低騒音化するものとして、たとえば、特許文献１に示されるセレーションと呼ばれる手法が提案されている。
これは、翼の後縁に歯形部を形成し、縦渦を発生させ、後縁からのカルマン渦を抑制するものである。このカルマン渦抑制により騒音低減をするものである。

特開２００３−３３６５７２号公報

ところで、特許文献１に示されるものは、セレーションが翼全体と一体成型されているか、あるいは、翼にボルトを用いて固定されているので、工作の自由度が低い。
すなわち、特許文献１に示されるものでは、セレーションは翼の一部、すなわち、翼の延長部を形成するようにされている。言い換えると、翼型の後縁を歯形に切り欠くようにセレーションが形成されている。
一般に、翼は風の流れに対して迎角を持つようにされているので、翼の後縁では、翼の腹側（下面）から背側（上面）に向けた流れ（クロスフロー）が発生する。
このため、翼の延長部となるようなセレーションではセレーション自体が流れを乱し、新たな騒音源となる可能性がある。
また、翼にボルトを用いて取付ける場合には、そのボルト取付部が新たな騒音源となる可能性がある。

本発明は、前記の事情に鑑み、セレーション板を翼全体の構造とは無関係に構成できるようにし、最適な形状に取り付けられ、後縁に発生する騒音を効果的に抑制できる風車翼およびこれを用いた風力発電装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第一態様は、背側外皮および腹側外皮が接合されて形成され、後部に歯形部を有するセレーション板が後縁に取り付けられている風車翼であって、前記セレーション板は前記背側外皮および前記腹側外皮の接合に伴い装着されるよう構成されている風車翼を提供する。

本態様にかかる風車翼によれば、風車翼は背側外皮および腹側外皮が接合されて形成され、一方、後部に歯形部を有するセレーション板は背側外皮および腹側外皮の接合に伴い装着されるよう構成されているので、セレーション板は風車翼の全体構造、言い換えると、背側外皮および腹側外皮の接合構造が形成されるときに装着されることになる。
したがって、背側外皮および腹側外皮の接合構造とは無関係に構成することができるので、騒音を防止するのに最適な形状、たとえば、クロスフローの発生を抑制できる形状に取り付けられ、後縁に発生する騒音を効果的に抑制することができる。
なお、騒音の発生が大きいところは、流速の早い風車翼の先端部分であるので、セレーション板は効率的に騒音を低減する意味で、この先端部分に備えられるのが好ましい。このセレーション板を備える先端部分は、たとえば、翼端から翼根に向かい翼長の３０％以内、好ましくは、２０％以内とされる。

前記態様では、前記背側外皮および前記腹側外皮は接着剤によって接合され、前記セレーション板は前記背側外皮および前記腹側外皮の間に挿入され前記接着剤によって固定される構成とされていてもよい。

セレーション板は、背側外皮および腹側外皮とは別個に作成され、背側外皮および腹側外皮を接着剤によって接合する場合、セレーション板の翼側部分を背側外皮および腹側外皮の間に挿入し、かつ、両者間に存在する接着剤の層に差し込む。接着剤の乾燥に伴い背側外皮および腹側外皮が固定されるとともにセレーション板も固定される。
このように、背側外皮および腹側外皮を接合することによりセレーション板が固定されるので、セレーション板を取り付けるために特別な取付が不要となり、取付作業を容易とすることができる。
また、セレーション板は、騒音を防止するのに最適な形状、たとえば、クロスフローの発生を抑制できる形状とされえるので、後縁に発生する騒音を効果的に抑制することができる。

前記構成では、前記セレーション板の挿入部には、前記背側外皮側および／または前記腹側外皮側に突出した少なくとも１個の突起部が備えられてもよい。
このようにすると、突起部が大きな抵抗となるので、セレーション板が抜け落ちるのを効果的に防止することができる。

前記態様では、前記セレーション板は、前記背側外皮および前記腹側外皮のいずれか一方に一体として構成され、他方の端部は一方に嵌合されるようにされていてもよい。

セレーション板は、背側外皮あるいは腹側外皮の後端部分として一体に形成される。背側外皮あるいは腹側外皮は、それぞれ別個に形成されるので、セレーション板は背側外皮および腹側外皮の接合構造とは無関係に形成することができる。したがって、セレーション板は、騒音を防止するのに最適な形状、たとえば、クロスフローの発生を抑制できる形状とされえるので、後縁に発生する騒音を効果的に抑制することができる。

前記態様では、前記セレーション板は、前記後縁における流線に沿う形状とされていることが好ましい。
このようにすると、風の流れがセレーション板に沿って流れるので、翼の腹側（下面）から背側（上面）に向けた流れであるクロスフローの発生を抑制し、新たな騒音源の発生を抑制することができる。

本発明の第二態様によれば、翼の後縁に発生する騒音を効果的に抑制できる風車翼を用いて発電を行う風力発電装置を提供する。

このようにすると、風力発電装置は運転中の騒音の発生を低減することができる。これにより、騒音による制約が緩和されるので、たとえば、居住地に近接して設置できる等、設置場所の自由度を確保することができる。

本発明によれば、風車翼は背側外皮および腹側外皮が接合されて形成され、一方、後部に歯形部を有するセレーション板は背側外皮および腹側外皮の接合に伴い装着されるよう構成されているので、騒音を防止するのに最適な形状、たとえば、クロスフローの発生を抑制できる形状に取り付けられ、後縁に発生する騒音を効果的に抑制することができる。

本発明の第一実施形態にかかる風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。 本発明の第一実施形態にかかる風車翼の正面図である。 図２のＸ−Ｘ断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる風車翼の後縁部分を示す部分拡大図である。 本発明の第一実施形態にかかる風車翼の後縁部分の別の実施態様を示す部分拡大図である。 本発明の第一実施形態にかかるセレーション板の装着構造を示す部分斜視図である。 本発明の第一実施形態にかかるセレーション板の別の実施態様の装着構造を示す部分斜視図である。 本発明の第二実施形態にかかるセレーション板の装着構造を示す部分斜視図である。 本発明の第二実施形態にかかる背側外皮および腹側外皮の接合構造を示す部分斜視図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
９ 風車翼
１９ 背側外皮
２１ 腹側外皮
２９ 流れ
３３ 後縁
３５ セレーション板
３７ 歯形部
３９ 接着剤層
４１ 挿入部
４３ 突起部

（第一実施形態）
以下、本発明の一実施形態にかかる風力発電装置１を図面に基づいて説明する。
図１は、風力発電装置１の全体概略構成を示す側面図である。
風力発電装置１には、図１に示すように、基礎１１上に立設される支柱３と、支柱３の上端に支柱３を支点として略水平に回転可能に設置されるナセル５と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル５に設けられるロータヘッド７と、ロータヘッド７の回転軸線周りに放射状に翼長方向を中心に回転可能に取り付けられた複数枚の風車翼９とが備えられている。
ロータヘッド７の回転軸線方向から風車翼９に当たった風の力が、ロータヘッド７を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ナセル５の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計１３と、風向を測定する風向計１５と、図示しない避雷針とが備えられている。
ナセル５の内部には、いずれも図示を省略しているが、ロータヘッド７と同軸の増速機を介して連結された発電機が設置されている。すなわち、ロータヘッド７の回転を増速機で増速して発電機を駆動することによって発電機出力が得られるようになっている。

図２は、風車翼９の正面図である。図３は、図２のＸ−Ｘ断面図である。
風車翼９は、横断面形状が翼形状とされた中空体である。風車翼９は、たとえば、ガラス繊維強化プラスチックで形成された外皮１７によって翼形状が画成されている。外皮１７は、相互に接合される背側外皮１９と腹側外皮２１との２つの半割体からなり、内部から図示しない主桁等によって強度が補強されている。

風車翼９は、使用される際、翼弦２５が風向２７に対してある角度を持つようにされている。この角度を仰角αという。
風車翼９における風の流れ（流線）２９は、図３に示されるように前縁３１に対し風向２７に沿って導入され、背側外皮１９および腹側外皮２１に沿うように流れ、後縁３３で風向２７に沿う方向に流れる。後縁３３における流れ２９は、一般に腹側外皮２１側から背側外皮１９側に向けた流れとなる。

風車翼９の後縁３３には、翼端２３側部分（先端部分）に、セレーション板３５が設けられている。セレーション３５の翼長方向長さは、たとえば、翼端２３から翼根２４に向かい翼長の略２０％とされている。
これは、騒音の発生が大きくなる流速の早い部分に設置し、効率的に騒音を低減しようとするものであり、この意味では、風車翼９の翼長にもよるが、セレーション板３５の翼長方向長さは、翼端２３から翼根２４に向かい翼長の３０％以内とされ、より好ましくは２０％以内とされる。
なお、騒音低減の効率をあまり考慮せず、騒音低減を大きくしたいい場合には、セレーション板３５は、たとえば、翼長全体に亘り設けられるようにしてもよい。

セレーション板３５は板状であり、図３および図４に示されるように流れ２９に沿った平面状とされ、その後部には、図２に示されるように歯形部３７が設けられている。
セレーション板３５は、図５に示されるように流れ２９に沿って湾曲された形状とされてもよい。このようにすると、流れ２９はより滑らかにセレーション板３５に沿って流れることができる。

図６は、セレーション板３５の装着構造を示している。
セレーション板３５は、背側外皮１９および腹側外皮２１の後縁３３に挟持され、その前部は背側外皮１９および腹側外皮２１で囲まれる空間に延設されている。すなわち、セレーション板３５の前部には、背側外皮１９および腹側外皮２１の後縁３３を接合する接着剤層（接着剤）３９に挿入されている折曲された挿入部４１が設けられている。
言い換えると、セレーション板３５は、挿入部４１が背側外皮１９および腹側外皮２１の後縁３３で挟持されて保持されるとともに接着剤層３９によって固定され保持されている。

この風車翼９は次のように製造される。
まず、背側外皮１９および腹側外皮２１、主桁等の補強部材およびセレーション板３５をそれぞれ所定形状に成形する。
たとえば、腹側外皮２１を内側が上を向くように載置する。この腹側外皮２１の上に、主桁等の補強部材の一端側を接着する。次いで、主桁等の補強部材の他端側に接着剤を塗布するとともに前縁３１および後縁３３を含む周辺部分に接着剤層３９を盛り上げる。

同様に接着剤が塗布された背側外皮１９を、腹側外皮２１の上に位置を決めながら設置する。同時に、セレーション板３５の挿入部４１を接着剤層３９に挿入し、背側外皮１９および腹側外皮２１で挟持され、保持されるようにする。
この状態で、接着剤層３９等を乾燥させると、背側外皮１９および腹側外皮２１が固定されるとともにセレーション板３５も固定される。
このように、背側外皮１９および腹側外皮２１を接合することによりセレーション板３５が固定されるので、セレーション板３５を取り付けるために特別な取付が不要となり、取付作業を容易とすることができる。

なお、本実施形態では、挿入部４１は、板状をしているが、これは図７に示されるように背側外皮１９側および腹側外皮２１側に突出し、翼長方向に延設された突起部４３を備えるようにしてもよい。
このようにすると、突起部４３は挿入部４１が抜ける方向に対して大きな抵抗となるので、セレーション板３５が抜け落ちるのを効果的に防止することができる。

次に、このように構成された風力発電装置１の運転動作について説明する。
風力発電装置１は、運転中、風向計１５によって風向きを測定している。その測定結果によって、ナセル５が回転し、風がロータヘッド７の回転軸線方向から吹くようにされる。すなわち、風車翼９に対して風は一定の方向で吹き付けられている。
風車翼９に風が当たると、翼面に交差する方向に揚力が発生する。この揚力によって風車翼９が移動するので、ロータヘッド７が回転軸線周りに回転する。
このロータヘッド７の回転を増速機で増速して発電機を駆動することにより、発電される。

風車翼９は、風速計１３によって測定している風速によって翼長方向の回りに回転しピッチ角を調整している。風速が低い場合にはピッチ角を大きくし、風を受ける面積が大きくなるようにする。定格出力が得られる回転数、すなわち、定格回転数を越える風速となると、ピッチ角を小さくし、風を受ける面積を小さくする。

このとき、後縁３３に翼長方向に沿ってセレーション板３５が設けられているので、その歯形部３７が風車翼９の後縁の後方におけるカルマン渦列の発生を抑制することができる。これにより、カルマン渦列に起因する騒音を確実に抑制できる。
さらに、本実施形態では、後縁３３から突出したセレーション板３５の部分は、後縁３３における流れ２９に沿う形状とされているので、流れ２９がセレーション板３５に沿って流れることになる。このため、セレーション板３５の歯形部３７の後端において腹側外皮２１側から背側外皮１９側に向けた流れであるクロスフローの発生が抑制されるので、新たな騒音源の発生を抑制することができる。
これにより、後縁３３に発生する騒音を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、セレーション板３５は、移動速度が大きいため騒音の発生が大きな風車翼９の先端部分に設けられているので、効率的に騒音を低減できる。
これにより、騒音低減のために回転数を抑制する必要がなくなるので、風力発電装置１は発電効率等の性能低下を抑制できる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について、図８および図９を用いて説明する。
本実施形態では、第一実施形態と基本的構成は同様であり、風車翼９の後縁３３の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、この相違点について説明し、その他の部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図８は、セレーション板３５の装着構造を示す部分斜視図である。図９は、背側外皮１９および腹側外皮２１の接合構造を示す部分斜視図である。

セレーション板３５は、背側外皮１９の後縁部分の延長部分として背側外皮１９と一体に形成されている。
セレーション板３５は、風車翼９の組立時に流れ２９に沿うように、背側外皮１９に対して角度を持つようにされている。
背側外皮１９とセレーション板３５との境目の内側、腹側外皮２１側には、翼長方向に延在する嵌合溝４５が形成されている。
一方、腹側外皮２１の外縁３３端には、嵌合溝４５に嵌合する嵌合部４７が形成されている。

この風車翼９は、セレーション板３５が一体とされた背側外皮１９、腹側外皮２１、および主桁等の補強部材をそれぞれ所定形状に成形する。
このように、背側外皮１９あるいは腹側外皮２１は、それぞれ別個に形成されるので、セレーション板３５は背側外皮１９および腹側外皮２１の接合構造（風車翼９）とは無関係に形成することができる。したがって、セレーション板３５は、騒音を防止するのに最適な形状、すなわち、流れ２９に沿った形状とすることができる。

次いで、たとえば、背側外皮１９を内側が上を向くように載置する。この背側外皮１９の上に、主桁等の補強部材の一端側を接着する。次いで、主桁等の補強部材の他端側に接着剤を塗布するとともに前縁３１および後縁３３を含む周辺部分に接着剤を塗布する。
同様に接着剤が塗布された腹側外皮２１を、背側外皮１９の上に位置を決めながら設置する。このとき、後援３３側では、腹側外皮２１の嵌合部４７を背側外皮１９の嵌合溝４５に嵌合するように位置を調節し、背側外皮１９および腹側外皮２１を接合する。

このように、背側外皮１９および腹側外皮２１を接合することによりセレーション板３５が固定されるので、セレーション板３５を取り付けるために特別な取付が不要となり、取付作業を容易とすることができる。
また、嵌合溝４５と嵌合部４７とが嵌合することにより、背側外皮１９および腹側外皮２１の固定を確実、かつ、正確に行うことができる。これにより、セレーション板３５の位置設定も確実に行うことができる。

なお、嵌合溝４５は適宜形状の穴とし、嵌合部４７はその穴に嵌合する突起形状としてもよい。
また、セレーション板３５は、背側外皮１９側ではなく、腹側外皮２１側に一体に取付けるようにしてもよい。

以上のように構成された風力発電装置１の運転動作については第一実施形態と略同じなので、ここでは重複した説明は省略する。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Claims (6)

1. 背側外皮および腹側外皮が接合されて形成され、後部に歯形部を有するセレーション板が後縁に取り付けられている風車翼であって、
   前記セレーション板は前記背側外皮および前記腹側外皮の接合に伴い装着されるよう構成されている風車翼。
2. 前記背側外皮および前記腹側外皮は接着剤によって接合され、前記セレーション板は前記背側外皮および前記腹側外皮の間に挿入され前記接着剤によって固定される請求項１に記載された風車翼。
3. 前記セレーション板の挿入部には、前記背側外皮側および／または前記腹側外皮側に突出した少なくとも１個の突起部が備えられている請求項２に記載された風車翼。
4. 前記セレーション板は、前記背側外皮および前記腹側外皮のいずれか一方に一体として構成され、他方の端部は一方に嵌合されるようにされている請求項１に記載された風車翼。
5. 前記セレーション板は、前記後縁における流線に沿う形状とされている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風車翼。
6. 前記請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された風車翼を用いて発電を行う風力発電装置。

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