(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼根側に隣接する隣接部に対して先端側が翼背側または翼腹側に曲成されたウィングレットを備えた風車翼であって、
前記隣接部の翼軸線の半径方向外挿線に対して前記ウィングレットの翼軸線が成す角度であるCANT角が１５°以上５５°以下とされ、
前記ウィングレットが前記隣接部に対して曲成される開始位置であるCANT位置が、該ウィングレットのCANT角を０とした際の翼半径をＲとした場合、９７．０％Ｒ以上９８．５％Ｒ以下とされていることを特徴とする風車翼。
【請求項２】
前記ウィングレットは、その先端側に位置して翼軸線が略直線状とされた先端部と、その基端側に位置して前記隣接部に対して曲成された曲成部と、を有し、
該曲成部は、前記CANT角を満たすように漸次曲成されていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項３】
風車タワーの風上側に配置される場合、前記ウィングレットは、翼腹側に曲成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車翼。
【請求項４】
風車タワーの風下側に配置される場合、前記ウィングレットは、翼背側に曲成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車翼。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載された風車翼と、
該風車翼の翼根側に接続され、該風車翼によって回転させられるロータと、
該ロータによって得られた回転力を電気出力に変換する発電機と、
を備えていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
翼根側に隣接する隣接部に対して先端側が翼背側または翼腹側に曲成されたウィングレットを備えた風車翼の設計方法であって、
前記ウィングレットが前記隣接部に対して曲成される開始位置であるCANT位置よりも長い翼半径を有するとともにCANT角を０とした基準翼に対して、風車翼が発生するトルクが増大し、かつ、風車翼の翼根に生じるモーメントが減少するように、前記隣接部の翼軸線の半径方向外挿線に対して前記ウィングレットの翼軸線が成す角度であるCANT角を決定することを特徴とする風車翼の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車翼およびこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電時に温室効果ガスを排出しないクリーンエネルギーとして、風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、風力によって風車翼を軸周りに回転させ、この回転力を電力に変換して発電出力を得る。
風力発電装置の発電出力は、軸端出力（翼が発生する出力）と、変換効率（軸受や発電機などの効率）との積で表される。また、軸端出力は次式で表され、翼効率が高く、翼直径が大きい翼であれば、発電量が向上する。
軸端出力=1/2×空気密度×風速^3×翼効率×π×（翼直径/2）^2
【０００３】
翼効率は、理論上の上限値（ベッツ限界=0.593）が存在する。実際には、（１）翼後流のスワール（回転）による効率損失、（２）翼断面の空気抵抗による効率損失、（３）翼先端渦による効率損失によって、翼効率の上限値は０．５程度となる。このうち、上記（１）は角運動量保存の法則により、回転トルクを小さくすることによって（即ち回転数を速くすることによって）損失を抑制することができる。一方、上記（２）は、回転数を速くすると空気抵抗による損失が大きくなる傾向となる。したがって、上記（１）と上記（２）は相反する関係にあり、両立させることが難しい。
ところが、上記（３）については、翼先端形状の改良によって効率改善することが可能である。
【０００４】
下記特許文献１には、翼先端形状の改良について開示されている。具体的には、翼先端を翼腹側へ７０°〜９０°（CANT角）の角度範囲で折り曲げることによってウィングレットを形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５４０７１６号明細書（第５欄２５行乃至同欄３７行，Ｆｉｇ．６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１は、騒音低減の観点からCANT角を規定しており、上記（３）にて説明したような翼先端渦による効率損失低下すなわち性能向上の観点から検討がなされていない。
また、風車翼の設計においては、風車翼の性能だけでなく、風車全体の信頼性の観点から、風車翼の翼根に生じるモーメントについても配慮する必要がある。しかし、特許文献１では、風車翼の翼根に生じるモーメントについての検討がなされていない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、翼先端の形成したウィングレットによって性能向上を実現する風車翼およびこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、風車翼の翼根に生じるモーメント（荷重）を低減することができる風車翼およびこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の風車翼およびこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる風車翼は、翼根側に隣接する隣接部に対して先端側が翼背側または翼腹側に曲成されたウィングレットを備えた風車翼であって、前記隣接部の翼軸線の半径方向外挿線に対して前記ウィングレットの翼軸線が成す角度であるCANT角が１５°以上５５°以下とされていることを特徴とする。
【０００９】
ウィングレットのCANT角を１５°以上５５°以下とすることによって、翼先端の渦が低減され、性能（風車翼が発生するトルク）の向上および／または翼根におけるモーメントの低減を図ることができる。
本発明者のシミュレーションによれば、性能は最大で約０．３％向上し、又は、翼根モーメントは最大で０．４５％低減する。
なお、翼軸線としては、例えば、各半径位置における翼断面の中心線（翼背側面と翼腹側面から等しい距離にある点を前縁から後縁までつないだ線）の翼厚最大位置を翼軸線方向に接続した線として定義される。また、中心線に代えて翼弦を用いても良い。
さらに、CANT角は、２５°以上３５°以下とされていることが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明の風車翼では、前記ウィングレットは、その先端側に位置して翼軸線が略直線状とされた先端部と、その基端側に位置して前記隣接部に対して曲成された曲成部と、を有し、該曲成部は、前記CANT角を満たすように漸次曲成されていることを特徴とする。
【００１１】
所望のCANT角を満たすように曲成部を漸次曲成させることとした。すなわち、隣接部に対してウィングレットを急激に折り曲げて形成することなく、滑らかで連続的に曲成するようにした。これにより、曲成部において大きな曲げ応力が発生することを抑制することができる。
【００１２】
さらに、本発明の風車翼では、前記ウィングレットが前記隣接部に対して曲成される開始位置であるCANT位置が、該ウィングレットのCANT角を０とした際の翼半径をＲとした場合、９７．０％Ｒ以上９８．５％Ｒ以下とされていることを特徴とする。
【００１３】
CANT位置を９７．０％Ｒ以上９８．５％Ｒ以下とすることにより、風車翼の性能向上および／または翼根モーメントの低減を図ることができる。
【００１４】
さらに、本発明の風車翼では、風車タワーの風上側に配置される場合、前記ウィングレットは、翼腹側に曲成されていることを特徴とする。
【００１５】
風車翼が風車タワーの風上側に配置される風上風車（up-wind wind turbine）の場合、ウィングレットを翼腹側に曲成させることとした。これにより、ウィングレットの先端が風車タワーから遠ざかることになるので、風車タワーに対してウィングレットが接触することを回避でき安全性を向上させることができる。また、風車タワーとの空力的干渉によって生じる騒音や、風車翼や風車タワーに生じる変動荷重を低減することができ、騒音低減および荷重低減を実現することができる。
【００１６】
さらに、本発明の風車翼では、風車タワーの風下側に配置される場合、前記ウィングレットは、翼背側に曲成されていることを特徴とする。
【００１７】
風車翼が風車タワーの風上側に配置される風下風車（down-wind wind turbine）の場合、ウィングレットを翼背側に曲成させることとした。これにより、ウィングレットの先端が風車タワーから遠ざかることになるので、風車タワーに対してウィングレットが接触することを回避でき安全性を向上させることができる。また、風下風車とすることによって、風見効果（風向に対する追従性）が向上して風車翼や風車タワーに生じる荷重を低減することができる。
【００１８】
また、本発明の風力発電装置は、上記のいずれかの風車翼と、該風車翼の翼根側に接続され、該風車翼によって回転させられるロータと、該ロータによって得られた回転力を電気出力に変換する発電機とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
上述の風車翼を備えているので、風車翼の性能向上および／または翼根モーメントの低減によって、発電出力の向上および／または信頼性の向上を図ることができる。
【００２０】
また、本発明の風車翼の設計方法は、翼根側に隣接する隣接部に対して先端側が翼背側または翼腹側に曲成されたウィングレットを備えた風車翼の設計方法であって、前記ウィングレットが前記隣接部に対して曲成される開始位置であるCANT位置よりも長い翼半径を有するとともにCANT角を０とした基準翼に対して、風車翼が発生するトルクが増大し、かつ、風車翼の翼根に生じるモーメントが減少するように、前記隣接部の翼軸線の半径方向外挿線に対して前記ウィングレットの翼軸線が成す角度であるCANT角を決定することを特徴とする。
【００２１】
CANT位置と同じ翼半径とされた基準翼に対して性能を評価すると、この基準翼に対してウィングレットを付加した構成となり翼半径が増大するので、性能向上が得られることは明らかである。これでは、ウィングレットによる効果を正確に評価することができない。そこで、本発明では、CANT位置と同じ翼半径とされた基準翼ではなく、CANT位置よりも長い翼半径を有する基準翼に対して、トルク（すなわち性能）が増大するとともに翼根モーメントが減少するCANT角を設定することとした。これにより、ウィングレットによる効果を正確に評価することができ、適正なCANT角を決定することができる。
なお、CANT位置よりも長い翼半径を有する基準翼の翼半径としては、例えば、ウィングレットのCANT角を０とした際の翼半径Ｒ、及び／又は、この翼半径ＲとCANT位置との中間位置の翼半径を用いても良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ウィングレットのCANT角を１５°以上５５°以下とすることによって、翼先端の渦が低減され、性能（風車翼が発生するトルク）の向上および／または翼根におけるモーメント（荷重）の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる風車翼のウィングレットを示し、翼前縁から見た正面図である。
【図２】実施形態において検討した各種の風車翼先端を示した図である。
【図３】図２に示した各風車翼に対して行ったシミュレーション結果を示したグラフである。
【図４】図２の結果をトルク（性能）に関して整理したグラフである。
【図５】図２の結果を荷重（翼根モーメント）に関して整理したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態にかかる風車翼は、風力発電装置の翼として好適に用いられる。風車翼は、三次元翼とされ、例えば３枚設けられ、それぞれが約１２０°の間隔を有してロータに接続されている。好ましくは、風車翼の回転直径（翼直径）は６０ｍ以上とされ、ソリディティが０．２以上０．６以下の細長翼とされる。風車翼は、可変ピッチとされていても良いし、固定ピッチとされていても良い。
【００２５】
図１には、ウィングレット３を備えた風車翼１の先端部分が示されている。同図では、前縁から見た風車翼の正面図が示されており、同図において上方が翼背側（負圧面）５であり、下方が翼腹側（静圧面）７である。
同図に示されているように、ウィングレット３は、翼根側に隣接する隣接部９に対して翼腹側に曲成されている。なお、本実施形態では、風車タワーの風上側に風車翼１が位置する風上風車（up-wind wind turbine）を想定しているためウィングレット３が翼腹側に曲成されているが、翼背側に曲成されていても良い。また、風下風車（down-wind wind turbine）の場合には、翼背側に曲成されていることが好ましい。
CANT角は、隣接部９の翼軸線１１の半径方向外挿線１１ａに対してウィングレット３の翼軸線１３が成す角度とされている。なお、翼軸線１１，１３としては、例えば、各半径位置における翼断面の中心線（翼背側面と翼腹側面から等しい距離にある点を前縁から後縁までつないだ線）の翼厚最大位置を翼軸線方向に接続した線として定義される。また、中心線に代えて翼弦を用いても良い。
本実施形態では、後述するように、CANT角は、１５°以上５５°以下、好ましくは２５°以上３５°以下とされる。
【００２６】
ウィングレット３は、その先端側に位置して翼軸線１３が略直線状とされた先端部３ａと、その基端側に位置して前記隣接部に対して曲成された曲成部３ｂとを有している。曲成部３ｂは、所望のCANT角を満たすように漸次曲成された形状とされている。具体的には、直線状の翼軸線１３とされた先端部３ａに円滑に接続するように所定値以上の曲率半径を有する連続的な曲面を有している。
【００２７】
ウィングレット３が隣接部９に対して曲成される開始位置であるCANT位置１５は、ウィングレット３のCANT角を０とした際の翼半径を１．０Ｒとした場合、１．５％Ｒ以上３．０％Ｒ以下とされている。
【００２８】
図２には、本実施形態の風車翼の検討に用いた種々の風車翼の先端部分が示されている。具体的には、風車翼のウィングレットが形成されていない場合（すなわちCANT角が０の場合）を１．０Ｒとした場合、０．８Ｒ〜１．０Ｒの範囲の風車翼先端が示されている。
同図において、上方から順に、以下の風車翼先端が示されている。
baseline_0.99R；比較対象となる基準翼とされ、ウィングレットを有しない０．９９Ｒの翼半径を有する風車翼先端
cant90；CANT位置0.98Ｒで曲成され、CANT角が９０°とされた風車翼先端
cant75；CANT位置0.98Ｒで曲成され、CANT角が７５°とされた風車翼先端
cant60；CANT位置0.98Ｒで曲成され、CANT角が６０°とされた風車翼先端
cant45；CANT位置0.98Ｒで曲成され、CANT角が４５°とされた風車翼先端
cant30；CANT位置0.98Ｒで曲成され、CANT角が３０°とされた風車翼先端
cant15；CANT位置0.98Ｒで曲成され、CANT角が１５°とされた風車翼先端
baseline；比較対象となる基準翼とされウィングレットを有しない１．０Ｒの翼半径を有する風車翼先端
【００２９】
上述のように、基準翼となるbaseline_0.99R及びbaselineは、CANT位置である0.98Ｒよりも大きい半径位置とされている。また、一方の基準翼となるbaseline_0.99は、CANT位置である0.98Ｒとbaselineの１．０Ｒとの中間値となる翼半径とされている。
【００３０】
次に、図２に示した各風車翼について、風車翼が発生するトルク（出力に相当）および荷重（翼根に生じるモーメント；翼根モーメント）をシミュレーションによって計算し、その結果を図３に示す。
本実施形態の検討に用いたシミュレーションでは、設計周速比が８．０以上８．５以下、レイノルズ数が３００万以上１０００万以下とされている。なお、設計周速比は、翼端周速／無限上流風速である。風車におけるレイノルズ数は、所定の回転数で回転する翼の所定断面における相対風速度を考慮したものであり、下式にて表される。
レイノルズ数＝
空気密度×翼断面への相対風速度×翼断面のコード長／空気の粘性係数
【００３１】
図３において縦軸はトルク（出力に相当）を示し、その数値が大きいほど風車翼の性能が良いことを意味する。また、横軸は荷重を示し、その数値が小さいほど翼根モーメントが小さく風車寿命が向上することを意味する。
同図において、左下の原点（１．０，１．０）としてbaseline_0.99の値を用いた。そして、この原点とbaselineの値とを通る直線（Extension）を引いた。この直線（Extension）よりも上側であればトルクが増大し荷重が減少することを意味し、下側であればトルクが減少し荷重が増大することを意味する。すなわち、直線（Extension）よりも上側がウィングレットによる効果が得られる領域といえる。同図から分かるように、CANT角７５°及び９０°は直線（Extension）よりも下側の領域であり、ウィングレットによる効果が発揮されないものとなっている。また、CANT角６０°は直線（Extension）上にあり、ウィングレットによる効果が殆ど見られないものとなっている。
これに対して、CANT角４５°，３０°及び１５°では、直線（Extension）の上側の領域であり、トルクが向上するとともに荷重が低減することになり、ウィングレットによる効果が発揮されている。このようにウィングレットのCANT角を適性に決定すれば、直線（Winglet）上に位置させることができる。この直線（Winglet）上で考えた場合、荷重一定でトルク（性能）が上がるようにCANT角を設定すれば０．３％性能が向上することになり、性能一定で荷重が減少するようにCANT角を設定すれば０．４５％荷重が低減することになる。
【００３２】
図３に示した結果を風車翼が発生するトルク（性能）について整理したグラフが図４に示す。同図から分かるように、CANT角は、１５°以上でトルクが大きくなり、６０°未満となる５５°以下であればトルクが増大することが分かる。一方、特許文献１に示されたCANT角である７０°〜９０°ではむしろトルクが減少することが分かる。
【００３３】
図３に示した結果を荷重（翼根モーメント）について整理したグラフが図５に示す。同図から分かるように、CANT角は、１５°以上で荷重が小さくなり、６０°未満となる５５°以下であれば荷重が小さくなることが分かる。一方、特許文献１に示されたCANT角である７０°〜９０°ではむしろ荷重が増大することが分かる。
【００３４】
このように、図３に示したように、一軸をトルク（性能）とし他軸を荷重（翼根モーメント）としたグラフに従ってウィングレットのCANT角度を決定する風車翼の設計方法は、以下のような利点がある。
CANT位置と同じ翼半径とされた基準翼（即ち0.98Ｒとされた翼半径の風車翼）に対して性能を評価すると、この0.98Ｒの基準翼に対してウィングレットを付加した構成となり翼半径が増大するので、性能向上が得られることは明らかである。これでは、ウィングレットによる効果を正確に評価することができない。
そこで、本実施形態では、CANT位置と同じ翼半径とされた0.98Ｒの基準翼ではなく、CANT位置よりも長い翼半径となる0.99Ｒを有する基準翼baseline_0.99と1.0Ｒを有する基準翼baselineを用いてトルクおよび荷重に対して効果が認められる範囲を規定し、トルク（性能）が増大するとともに翼根モーメントが減少するCANT角を設定することとした。これにより、ウィングレットによる効果を正確に評価することができ、適正なCANT角を決定することができる。
なお、本実施形態では、２つの基準翼（baseline_0.99とbaseline）を用いて評価することとしているが、他の設計基準を用いて図３に示した直線（Extension）を規定できる場合には、CANT位置よりも長い翼半径となる１つの基準翼を用いて評価しても良い。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ウィングレット３のCANT角を１５°以上５５°以下（好ましくは２５°以上３５°以下）とすることによって、翼先端の渦が低減され、性能（風車翼が発生するトルク）の向上および／または荷重（翼根モーメント）の低減を図ることができる。
本発明者のシミュレーションによれば、性能は最大で約０．３％向上し、又は、翼根モーメントは最大で０．４５％低減する。
【００３６】
また、所望のCANT角を満たすように曲成部３ｂを漸次曲成させることとした。すなわち、隣接部９に対してウィングレット３を急激に折り曲げて形成することなく、滑らかで連続的に曲成するようにした。これにより、曲成部３ｂにおいて大きな曲げ応力が発生することを抑制することができる。
【００３７】
風車翼１が風車タワーの風上側に配置される風上風車（up-wind wind turbine）とされた場合、ウィングレット３を翼腹側に曲成させることとしたので、ウィングレット３の先端が風車タワーから遠ざかることになるので、風車タワーに対してウィングレット３が接触することを回避でき安全性を向上させることができる。また、風車タワーとの空力的干渉によって生じる騒音や、風車翼や風車タワーに生じる変動荷重を低減することができ、騒音低減および荷重低減を実現することができる。もちろん、風車タワーとの干渉の恐れがない場合等には、ウィングレット３を翼背側に曲成しても良い。
【００３８】
一方、風車翼が風車タワーの風上側に配置される風下風車（down-wind wind turbine）とされた場合には、ウィングレットを翼背側に曲成させることが好ましい。これにより、ウィングレットの先端が風車タワーから遠ざかることになるので、風車タワーに対してウィングレットが接触することを回避でき安全性を向上させることができる。また、風下風車とすることによって、風見効果（風向に対する追従性）が向上して風車翼や風車タワーに生じる荷重を低減することができる。もちろん、風車タワーとの干渉の恐れがない場合等には、ウィングレットを翼背側に曲成しても良い。
【００３９】
また、本実施形態の風食発電装置では、本実施形態にかかる風車翼１を備えているので、風車翼の性能向上および／または翼根モーメントの低減によって、発電出力の向上および／または信頼性の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、本実施形態ではCANT位置を0.98Ｒ（９８％Ｒ）とした場合のシミュレーション結果に基づいて検討したが、CANT位置は９７．０％Ｒ以上９８．５％Ｒ以下であれば同様の作用効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  風車翼
３  ウィングレット
３ａ  先端部
３ｂ  曲成部
５  翼背側
７  翼腹側
９  隣接部
１１  隣接部の翼軸線
１１ａ  隣接部の翼軸線の半径方向外挿線
１３  ウィングレットの翼軸線
【図１】
0005602060.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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