TW201610291A - 風力發電裝置及軸流式葉片 - Google Patents

Abstract

提供：進行葉片末端直徑Dblade與功率係數Cp的折衷，一方面抑制從葉片產生之對塔等的構造物的推力負載，可以增大回收電力之葉片。 一種軸流式葉片，具有利用轂及複數個葉片所成之轉子，於前述轉子接受風轉換成電能；其特徵為：各個前述軸流式葉片係介隔著俯仰軸承連接到前述轂；前述軸流式葉片的剖面積，係從與前述俯仰軸承之連結部近旁朝向前述葉片的末端部，徐徐地減少。

Description

風力發電裝置及軸流式葉片

本發明有關軸流式葉片及使用其之風力發電裝置。

近年來，從環境維持的觀點，把風的能量作為電力進行回收的風力發電受到注目。風力發電裝置把風的動能轉換成葉片的旋轉能，經由發電機把旋轉能轉換成電能。

用風力發電裝置所產生的電力，係與以下有關：風所持有的能量(空氣的密度×空氣的速度的三次方/2)至因葉片所致的旋轉能之轉換效率(功率係數，以後書寫成Cp)、旋轉能至電能之轉換效率、葉片旋轉面積(把葉片末端徑作為Dblade的話，π×Dblade的二次方/4)。

因此為了增加電力回收量，在葉片可以應對的對策乃是加大Cp、加大Dblade。

有關Cp，根據貝茲理論(Betz’s theory)最大為59.3%，超越以上的回收是無法期望的。實際的效 率，係因為在葉片所產生的形狀阻抗或摩擦阻抗、因葉片旋轉所產生的尾流渦漩的影響等，一般為50%左右。在考慮到把來自理想狀態的偏差當作損失的情況下，風所持有的能量為9%左右，即便可以減少10%的損失，作為Cp是未達1%的提升量。由此，提升Cp所致之回收電力提升是困難的。

對於Cp的提升，Dblade的增大直接對電力的增加有貢獻。由此，用在商用發電的風力發電裝置的葉片係年年增加全長。另一方面，葉片長大化之際，對於特別是從因該面積增加所致的風的受力、或因於旋轉的葉片所產生的升力所致的彎曲應力，作為構造得有必要耐得住，為了確保強度，有必要增加材料，結果，擔心會增加重量、製造成本。

從以上，對葉片來說，為了使風力發電裝置的電力回收量有效率增加並防止增加製造成本，不使來自風的受力增加而如何增大Dblade之技術遂為必要。

在增大Dblade之前，首先，要求使用已提高Cp的葉片這一點是很自然的事情。但是，例如，如非專利文獻1，以最大Cp為目標的話，朝向葉片根部(以後，書寫成根部)、並用在葉片剖面之翼型的弦長變長。

弦長變大的話面積增加，負載也增大。更進一步，重量也增加的緣故，成本增加。而且，為了在重量變大，特別是從風的上游朝向下游的方向的負載(推力方向負載，以後書寫成推力負載)下使大的葉片安全地旋 轉，是有必要作成強度高的支柱(以後，書寫成塔)，葉片以外的構造物也增加成本。

作為本技術領域的先前技術，有專利文獻1或專利文獻2般的技術。在專利文獻1，揭示有因葉片內的位置而剖面形狀相異的風力發電用的葉片。而且，在專利文獻2。揭示有與以往相異的後緣形狀之風力發電用的葉片。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

[專利文獻1]美國專利第7883324號公報

[專利文獻2]美國專利申請公開案第2009/0263252號說明書

〔非專利文獻〕

[非專利文獻1]Tony-Burton/Wind-Energy-Handbook/second-edition/P.71/WILEY/2011

[非專利文獻2]Albert-Betz/Introduction-to-the-Theory-of-Flow-Machines./Oxford/1966

在上述專利文獻1或專利文獻2，為了盡可能以高的Cp做設計且不使面積或重量增加，作為用在靠近 葉片根部的剖面的翼型，使用裁減了葉片後緣的形狀。

也採取以Cp大的情況下增大Dblade的方式來確保發電量的方法，但這樣的葉片，基本上在風的速度低的地區可以得到大的發電量，在根據風力發電興盛的歐洲地區的觀測值而規格化的國際規格之IEC61400-1中，例如，乃是多用在與等級I(10分間平均風速的重現週期50年的極值為50m/s)向的風車同等，或者是用等級II(10分間平均風速的重現週期50年的極值為42.5m/s)向的風車來得到其以上的發電量的情況下的手法。

以上的方法乃是常見於在整年吹著比較上平均風速低、安定的風的歐洲所開發的風車的手法。相對於此，在包含日本的亞洲或靠近赤道的地區，多發生有颱風等之特殊的風的狀態。在這樣的地區，先前記載的IEC規格外的等級S之所謂10分鐘內平均風速的重現週期50年的極值之基準風速為70m/s左右的設計遂為必要。為此，相對於滿足把歐洲觀測值作為基準之等級I的規格之葉片，被要求有強度更高的葉片，可惜重量重、成本高。

而且，在導入風力發電裝置開始取得某種程度的發電量資料之下，也有希望相對於建設當初假想的發電量，變更成低於預想、或更大的發電量的情況。這些是考慮對應到所謂以火力發電等為對象進行的更新或發電廠翻新之改修工事。該情況下，充分有塔等的構造物的剩餘壽命，在剩餘壽命診斷範圍內的負載下可以提供發電量大的葉片的話，就可以不必要大投資就增加發電量。

本發明係有鑑於上述的情事而為之者，其目的在於提供：與Cp最大設計相異而進行葉片末端直徑Dblade與Cp的折衷，一方面抑制從葉片產生之對塔等的構造物的推力負載，可以增大回收電力之葉片。

為了解決上述課題，本發明為一種風力發電裝置，具有利用轂及複數個葉片所成之轉子，於前述轉子接受風轉換成電能；其特徵為：前述轂，具備：控制相對於前述轂之前述葉片的各個安裝角度之俯仰軸承及俯仰軸承驅動裝置；各個前述葉片係介隔著前述俯仰軸承連結到前述轂；前述葉片的剖面積，係從與前述俯仰軸承之連結部近旁朝向前述葉片的末端部，徐徐地減少。

而且，本發明為一種軸流式葉片，具有利用轂及複數個葉片所成之轉子，於前述轉子接受風轉換成電能；其特徵為：各個前述軸流式葉片係介隔著俯仰軸承連接到前述轂；前述軸流式葉片的剖面積，係從與前述俯仰軸承之連結部近旁朝向前述葉片的末端部，徐徐地減少。

根據本發明，可以提供：進行葉片末端直徑Dblade與功率係數Cp的折衷，一方面抑制從葉片產生之對塔等的構造物的推力負載，可以增大回收電力之葉片。

上述以外的課題、構成及效果，係經由以下 的實施方式的說明釋明之。

1‧‧‧葉片

10‧‧‧葉片根部

11‧‧‧葉片末梢部

12‧‧‧葉片剖面位置

13‧‧‧葉片剖面位置

14‧‧‧葉片剖面位置

20‧‧‧葉片根部剖面形狀

21‧‧‧葉片剖面形狀

22‧‧‧葉片剖面形狀

23‧‧‧葉片剖面形狀

30‧‧‧葉片根部

31‧‧‧葉片剖面位置

32‧‧‧葉片末梢部

40‧‧‧葉片

41‧‧‧俯仰軸承

42‧‧‧俯仰軸承驅動馬達

43‧‧‧轂

44‧‧‧葉片根部

71‧‧‧設計解的集合

72‧‧‧貝茲理論

73‧‧‧最大Cp設計點

74‧‧‧實施例設計點

75‧‧‧實施例設計點

80‧‧‧葉片根部

81‧‧‧葉片最大弦剖面位置

82‧‧‧葉片末梢部

90‧‧‧葉片根部剖面形狀

91‧‧‧葉片最大弦剖面形狀

92‧‧‧葉片末梢部剖面形狀

93‧‧‧葉片根部剖面內包正方形

100‧‧‧葉片根部剖面形狀

101‧‧‧葉片最大弦剖面形狀

102‧‧‧葉片末梢部剖面形狀

103‧‧‧葉片根部剖面內包正方形

[圖1]為表示有關本發明之一實施方式的葉片之圖。

[圖2]為表示有關本發明之一實施方式的葉片的剖面形狀之圖。

[圖3]為表示有關本發明之一實施方式的葉片之圖。

[圖4]為表示有關本發明之一實施方式的風力發電裝置的轂及葉片根部之圖。

[圖5]為說明致動盤理論之圖。

[圖6]為表示感應速度係數與功率係數及推力因數的關係之圖表。

[圖7]為表示功率係數與推力因數的關係之圖表。

[圖8]為表示基準葉片之圖。

[圖9]為表示基準葉片的剖面形狀之圖。

[圖10]為表示有關本發明之一實施方式的葉片的剖面形狀之圖。

以下，使用圖面說明本發明的實施例。

〔實施例1〕

圖1為本實施例中的葉片1之立體圖。本實 施例中，作為對象的風車係如圖4所示，葉片40與俯仰軸承(pitch bearing)41締結，以用俯仰軸承驅動馬達42使俯仰軸承41旋轉的方式，控制葉片的傾斜角度。

俯仰軸承41被安置固定在連接到所謂增速器或者是發電機等的旋轉軸的轂43。葉片根部44(圖1中的葉片根部10)為了連接到俯仰軸承41，成為略圓桶形狀，朝向葉片末梢部11剖面積縮小。

把圖1中的葉片根部10及葉片剖面位置12、13、14之各個剖面作為葉片根部剖面形狀20及葉片剖面形狀21、22、23表示於圖2。

圖1表示的葉片1，係在內包有根部之略圓桶形狀剖面之正方形內部，比根部更位置在葉片末端(以後，書寫成末梢)的剖面成為全部被內包的形狀。

成為這些形狀的技術背景於以下表示。葉片性能係在動量理論下，使用單純化風車周圍的流動，利用軸方向速度的減速而回收能量的模型的基本方程式。

該理論係於1919年在獨自由Albert-Betzs所展示之成為風車的基礎理論(非專利文獻2)中，從有關風車的葉片旋轉面的前後之軸方向的動量理論所得。作為前提條件，從葉片旋轉面被配置成與流動成垂直、流體為非壓縮性、摩擦阻力不存在、翼片數為無限大、流動為均一、不產生因翼旋轉所致之旋轉流動、在翼無限遠處静壓為一定、相當於通過一定面積之其中一方向流動可以減速到某種程度之模型、以及沒有損失，成為表示極限值者。

於圖5表示致動盤理論(Actuator-Disk-Model)之概念圖。把該致動盤理論的式子使用於圖5表示的記號來表示。在致動盤前後中的流管(Stream-tube)的半徑r位置中的微小半徑dr之運動量變化dT為式(1)。

〔數學式1〕dT=U ₁(ρ 2πr dr U)₁-U ₄(ρ 2πr dr U)₄…(1)

在此，ρ為密度、U為流管的軸方向速度、下標係從1到4表示各個上游、致動盤稍前、稍後、下游。通過微小流管的質量係由質量守恆，式(1)成為式(2)。

〔數學式2〕dm=(ρ 2πr dr U)₁=(ρ 2πr dr U)₄ dT=dm(U ₁-U ₄)…(2)

從假定在無限遠的壓力為相等、以致動盤的通過速度為相等且單純化的方式表示在無限上游、下游速度的平均值等，式(2)係使用軸方向的感應速度係數α，成為式(3)。

輸出係成為軸方向的運動量變化與速度之積的緣故，微小流管中的輸出dP係成為式(4)。

而且，作為表現風車的輸出特性之指標，是使用以所流入的氣流的功率而無因次化的功率係數Cp(可回收的功率的比例)，在微小流管成為式(5)。

〔數學式5〕dC _P =4a(1-a) ²…(5)

而且，有關軸方向的力(運動量變化)，係使用以所流入的氣流的動能而無因次化的推力因數Ct，在微小流管成為式(6)。

〔數學式6〕dC _T =4a(1-a)…(6)

從式(5)清楚得知，功率係數為軸方向感應速度係數的三次式，如圖6所示，以α=1/3取得最大值16/27，此時的推力因數為8/9。此乃是來自作為貝茲理論而廣為人知的氣流之功率回收的上限。

式(5)及(6)係以微小半徑來考慮，α=1/3的條件為在全部葉片翼展方向下成立時，其值成為 最大。而且，從式子的樣子瞭解到僅以感應速度係數來構成，因為排除使用在葉片剖面的翼型的性能等的影響，實際的葉片性能比起貝茲理論，Cp變小。

使用於葉片設計所用的葉片元素動量理論(Blade-Element & momentum-Method：以後，記載成BEM)(非專利文獻1)，把使用了性能被公開的NACA翼型之葉片設計予以多次實施整理以滿足Cp最大、Ct最小的條件後，成為如圖7般。

白色圓點的集合71為設計解的集合，實線72為把貝茲的式子相關到Cp、Ct而作圖者，亦即，維表示貝茲理論的線。在使用實際的翼性能設計葉片的情況下，即便是相同的Ct要得到比貝茲理論高的Cp也是困難，設計解的集合的變化傾向係如貝茲理論般，瞭解到Cp越大的話，Ct的變化率也越大。

從這樣的傾向，經由葉片設計中不選擇成為最大Cp的設計解而選擇Cp小的設計解的方式，Ct的變化量與Cp的變化量相比，可以變大。

相對於於圖7所示的設計結果，把基準作為最大Cp，把葉片長度增加基準的10%、20%，表示設計Ct之例使得推力負載為同等。

首先，於圖8，表示基準葉片形狀。該葉片對應到圖7中的設計結果73，推力因數為0.8，功率係數為0.49。尚且，設計結果73為圖7中最大Cp設計點。

於圖9表示從葉片末梢方向所見之任意翼展 方向剖面中的葉片剖面形狀的複寫。於圖9記載著圖8中的葉片根部80之葉片根部剖面形狀90、最大弦(從翼型中的前緣到後緣為止的長度)位置亦即葉片最大弦剖面位置81的葉片最大弦剖面形狀91、葉片末梢部82的葉片末梢部剖面形狀92、內包葉片根部80之正方形(葉片根部剖面內包正方形93)。

該葉片係如圖9所存在般，於內包根部的正方形無法內包之葉片剖面存在於翼展方向的緣故，不為本發明的對象，乃是來自以往之Cp優先設計葉片。

接著，於圖3，表示從基準葉片形狀把葉片長度伸長約10%之設計形狀。該葉片對應到圖7中的設計結果74，推力因數為0.67，功率係數為0.47。為了低推力因數設計，設計成縮小葉片剖面的翼的弦長度。尚且、設計結果74乃是本實施例中所說明的實施例設計點。

於圖10表示從葉片末梢方向所見之任意翼展方向剖面中的葉片剖面形狀的複寫。於圖10記載著圖3中的葉片根部30之葉片根部剖面形狀100、最大弦(從翼型中的前緣到後緣為止的長度)位置亦即葉片剖面位置31的葉片最大弦剖面形狀101、葉片末梢部32的葉片末梢部剖面形狀102、內包葉片根部30之正方形(葉片根部剖面內包正方形103)。

該葉片係如圖10所存在般，於內包根部的正方形內包任意翼展位置葉片剖面的緣故，成為本發明的對象。在該葉片，葉片旋轉面積增加19%。Ct係因應面積 增加份下降，但Cp減少3%左右的緣故，作為發電量預估增加12%。

最後，於圖1，表示從基準葉片形狀把葉片長度伸長約20%之設計形狀。該葉片對應到圖7中的設計結果75，推力因數為0.55，功率係數為0.42。為了低推力因數設計，設計成縮小葉片剖面的翼的弦長度。尚且、設計結果75乃是本實施例中所說明的實施例設計點。

該葉片也如在圖2所說明般，於根部的剖面內內包任意翼展位置葉片剖面的緣故，成為本發明的對象。在該葉片，葉片旋轉面積增加44%。Ct係因應面積增加份下降，但Cp減少13%左右的緣故，作為發電量預估增加20%。

如此，以對於發電量的增加，不要求Cp，要求葉片長度，作成抑制了負載的增大之葉片的方式，可以一方面防止對塔等的構造物之負載增加，一方面提供輸出大的風力發電裝置。

在改變了上述實施例的看法的情況下，可以表現有為了減少有關葉片的負載，於內包葉片根部中的俯仰軸承締結部之正方形內部，在內包末梢方向任意位置剖面的程度下，設定了因各剖面所致之翼型的弦長度之葉片。

尚且，考慮葉片的變形等，在具有於葉片製造時預先彎曲葉片而製造之預彎的葉片等的情況下，於變更任意翼展位置中的剖面的絶對位置之後，也可以進行確 認於內包根部的正方形是否內包任意翼展位置葉片剖面、或於根部的剖面內是否內包任意翼展位置葉片剖面。

更進一步，考慮到因具有機械加工精度以上的製造誤差的樹脂等所致之製造所伴隨的形狀誤差，內包根部的正方形的邊的長度，也可以假想大上10%左右者。

尚且，本發明並不限定於上述的實施例，包含有各式各樣的變形例。例如，上述的實施例係為了容易理解地說明本發明而詳細說明，未必會限定在具備已說明之全部的構成。又，可以把某一實施例的構成的一部分置換到另一實施例的構成，還有，亦可在某一實施例的構成加上另一實施例的構成。又，有關各實施例的構成的一部分，是可以追加、刪除、置換其他的構成。

有關本發明的葉片形狀，為兼顧減低對構造物的負載與從風得到最大能量者，從即便在風力發電裝置以外運動的流體回收能量，尚且為減低從運動的流體所承受的負載者，適用端並不被限定在風力發電裝置。例如，也可以適用到從液體(水或海水等)的流動回收能量之裝置。

1‧‧‧葉片

10‧‧‧葉片根部

11‧‧‧葉片末梢部

12‧‧‧葉片剖面位置

13‧‧‧葉片剖面位置

14‧‧‧葉片剖面位置

Claims (10)

1. 一種風力發電裝置，具有利用轂及複數個葉片所成之轉子，於前述轉子接受風轉換成電能；其特徵為：前述轂，具備：控制相對於前述轂之前述葉片的各個安裝角度之俯仰軸承及俯仰軸承驅動裝置；各個前述葉片係介隔著前述俯仰軸承連結到前述轂；前述葉片的剖面積，係從與前述俯仰軸承之連結部近旁朝向前述葉片的末端部，徐徐地減少。
2. 如請求項1之風力發電裝置，其中，前述葉片之與前述俯仰軸承之連結部近旁的剖面形狀，為略圓桶形狀。
3. 如請求項1或2之風力發電裝置，其中，與前述俯仰軸承之連結部近旁中的前述葉片的剖面中，在假想有四邊接到前述葉片的外周圍，並內包前述葉片的剖面之正方形的情況下，前述葉片之從與前述俯仰軸承之連結部近旁直至前述葉片的末端部為止之任意的位置中的剖面被內包於前述正方形。
4. 如請求項1或2之風力發電裝置，其中，與前述俯仰軸承之連結部近旁中的前述葉片的剖面中，在假想有四邊接到前述葉片的外周圍，並內包前述葉片的剖面之正方形的情況下，前述葉片具有翼型的弦長 度，使得前述葉片之從與前述俯仰軸承之連結部近旁直至前述葉片的末端部為止之任意的位置中的剖面被內包於前述正方形。
5. 如請求項1或2之風力發電裝置，其中，前述葉片，係於前述葉片之任意的位置中的剖面中，內包前述剖面之最小邊長度的正方形的邊的長度、或者是前述剖面內之前述葉片之最長尺寸，為比起前述剖面乃是把前述轂側之其他位置中的剖面予以內包之最小邊長度的正方形的邊的長度、或者是與前述其他剖面內的前述葉片的最長尺寸為同等以下者。
6. 一種軸流式葉片，具有利用轂及複數個葉片所成之轉子，於前述轉子接受風轉換成電能；其特徵為：各個前述軸流式葉片係介隔著俯仰軸承連接到前述轂；前述軸流式葉片的剖面積，係從與前述俯仰軸承之連結部近旁朝向前述葉片的末端部，徐徐地減少。
7. 如請求項6之軸流式葉片，其中，前述軸流式葉片之與前述俯仰軸承之連結部近旁的剖面形狀，為略圓桶形狀。
8. 如請求項6或7之軸流式葉片，其中，與前述俯仰軸承之連結部近旁中的前述葉片的剖面中，在假想有四邊接到前述葉片的外周圍，並內包前述葉 片的剖面之正方形的情況下，前述葉片之從與前述俯仰軸承之連結部近旁直至前述葉片的末端部為止之任意的位置中的剖面被內包於前述正方形。
9. 如請求項6或7之軸流式葉片，其中，與前述俯仰軸承之連結部近旁中的前述葉片的剖面中，在假想有四邊接到前述葉片的外周圍，並內包前述葉片的全部剖面之正方形的情況下，前述葉片具有翼型的弦長度，使得前述葉片之從與前述俯仰軸承之連結部近旁直至前述葉片的末端部為止之任意的位置中的剖面被內包於前述正方形。
10. 如請求項6或7之軸流式葉片，其中，前述葉片，係於前述葉片之任意的位置中的剖面中，內包前述剖面之最小邊長度的正方形的邊的長度、或者是前述剖面內之前述葉片之最長尺寸，為比起前述剖面乃是把前述轂側之其他位置中的剖面予以內包之最小邊長度的正方形的邊的長度、或者是與前述其他剖面內的前述葉片的最長尺寸為同等以下者。