(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が翼形状をした風車翼であって、
翼端から翼根側に所定の範囲に亘り、少なくとも所定回転数で回転する際の迎角を低減する迎角低減部が設けられ、
前記所定の範囲は、前記風車翼の長さの２０％以内であり、
前記迎角低減部は、前記所定の範囲にねじり角を加えて形成され、かつ、前記所定回転数で回転する際に前記翼根側の翼面の略延長部となるように形成されている風車翼。
【請求項２】
前記迎角低減部は、迎角が翼根側の迎角から翼端に向かって徐々に低減するように形成されている請求項１に記載された風車翼。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載された風車翼を用いて発電を行う風力発電装置。
【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用いて発電を行う風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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という問題があった。
【０００３】
また、特に、騒音が大きい翼端部での騒音の低減については、たとえば、特許文献１に示されるものが提案されている。
これは、翼端部分を翼の翼面で後縁側に湾曲あるいは屈曲（いわゆる、後退翼）させ、および／または、翼端部に交差するように正圧面側に折り曲げられた小翼（いわゆる、ウイングレット）を設け、翼端部の渦を減少させて騒音を抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５２１４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、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。
また、翼長の長大化によって翼端近傍における翼面に発生する乱流境界層による騒音の影響が大きくなるので、たとえば、特許文献１のように翼端部のみの騒音を抑制するものでは、十分な騒音抑制が期待できない。
【０００６】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、翼の先端部分の翼面に発生する乱流境界層を薄くし、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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
本発明の第一の態様は、断面が翼形状をした風車翼であって、翼端から翼根側に所定の範囲に亘り、少なくとも所定回転数で回転する際の迎角を低減する迎角低減部が設けられ、前記所定の範囲は、前記風車翼の長さの２０％以内であり、前記迎角低減部は、前記所定の範囲にねじり角を加えて形成され、かつ、前記所定回転数で回転する際に前記翼根側の翼面の略延長部となるように形成されている風車翼を提供する。
【０００８】
本態様にかかる風車翼によれば、迎角低減部が翼端から翼根側に所定の範囲に亘り、少なくとも所定回転数で回転する際の迎角を低減するので、運転中に翼端から翼根側に所定の範囲における翼面の境界層の厚さを薄くすることができる。
このように、境界層が薄くなると、翼の後縁における渦の発生を抑制できるので、騒音を低減させることができる。
迎角低減部は騒音の発生が大きな風車翼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、発電効率等の性能低下を抑制できる。
なお、翼の断面形状が同じであれば、迎角が小さくなると発生する揚力が小さくなるので、迎角低減部が設けられる範囲は翼の性能に対する影響と騒音の低減効果とを勘案して設定するのが好ましい。この範囲は、たとえば、翼長の２０％以内、好ましくは、１０％以内とされる。
また、所定回転数は、たとえば、風力発電装置が定格出力となる回転数、すなわち、定格回転数とされる。
また、迎角低減部は、前記所定回転数で回転する際に前記翼根側の翼面の略延長部となるように形成されている。言い換えると、所定回転数で回転する際に、迎角低減部の面は、翼根側の翼面と略面一となるように形成されている。
【０００９】
翼が回転すると、翼は風によって変形する。この変形は翼の先端部で大きくなる。この変形によって風車翼の先端部で迎角が設計値よりも大きくなり、騒音が大きくなっていた。
本構成では、迎角低減部は、翼が所定回転数で回転し、風によって変形した際に、翼根側の翼面の略延長部、すなわち、翼根側の翼面と迎角低減部の翼面とが面一、となるように形成されているので、迎角低減部の迎角は設計値よりも大きくなることはない、言い換えれば、迎角低減部を持たない翼に比べて所定回転時の迎角を低減することができる。
これにより、所定回転数時の騒音を低減でき、かつ、性能低下を抑制できる。
【００１０】
前記態様では、前記迎角低減部は、迎角が翼根側の迎角から翼端に向かって徐々に低減するように形成されていてもよい。
言い換えると、迎角低減部は、翼端に向かって風の流入方向に対する翼の角度を徐々に低減するようにねじられて、すなわち、翼端部にねじり角を加えて形成される。
このようにすると、回転数によらず常に迎角低減部は翼根側に比べて迎角が異なることになるので、広い回転数範囲で騒音の低減を行うことができる。
【００１１】
前記構成では、前記迎角低減部は、翼根側の翼面から正圧面側に徐々に曲がりが大きくなるように滑らかに曲げられているのが好適である。
【００１２】
本発明の第二態様によれば、少なくとも所定回転数で回転する際の翼の後縁における渦の発生を抑制できる上記の風車翼を用いて発電を行う風力発電装置を提供する。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、迎角低減部が翼端から翼根側に所定の範囲に亘り、少なくとも所定回転数で回転する際の迎角を低減するので、運転中に翼の後縁における渦の発生を抑制でき、騒音を低減させることができる。
また、迎角低減部は騒音の発生が大きな風車翼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、発電効率等の性能低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の参考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。
【図２】本発明の参考実施形態にかかる風車翼の正面図である。
【図３】本発明の参考実施形態にかかる風車翼の迎角の変化を示すグラフである。
【図４】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５】本発明の第一実施形態にかかる風車翼の定格回転数時の状態を示す側面図である。
【図６】本発明の第一実施形態にかかる風車翼の停止時の状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（参考実施形態）
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。
【００１７】
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り、発電機より発電機出力が得られるようになっている。
【００１８】
図２は、風車翼９の正面図である。また、図２には、風車翼９のその位置における横断面図を記載している。
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、内部から主桁等によって強度が補強されている。
【００１９】
風車翼９の翼端２０側部分には、迎角低減部１９が設けられている。迎角低減部１９は、翼弦２３と風向２５とのなす角度である迎角が、翼根２１側の迎角αから翼端２０に向かって徐々に小さくなるように構成されている。言い換えると、迎角低減部１９は、翼端２０に向かって風の流入方向に対する翼の角度を徐々に低減するようにねじられて、すなわち、翼端部にねじり角を加えて形成される。
【００２０】
図３は、風車翼９の翼長方向における迎角の変化を示している。
迎角低減部１９の翼長方向における長さは、翼の性能に対する影響と騒音の低減効果とを勘案して設定され、ここでは翼長Ｌの略１０％とされている。なお、性能低下を勘案すれば、２０％以内に収めるのが好ましい。
迎角低減部１９の翼端２０における迎角は、定格出力となる回転数（定格回転数）において、たとえば、０°となるようにされている。
なお、翼端２０における迎角は、０°に限定されるものではなく、騒音以外の他の条件を勘案して０°以外の値とされることもある。
また、翼型（たとえば、キャンバー等が付いているもの等）によっては、最も境界層が薄くなる値が０°以外となることもある。
【００２１】
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。
【００２２】
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（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。
【００２３】
このとき、たとえば、定格回転数の時、迎角低減部１９では、迎角が翼根２１側の迎角よりも小さいので、移動速度が一緒であれば、風が翼面から受ける抵抗は翼根２１側と同じ迎角を有するものに比べて小さくなる。これにより、風が翼面に沿ってより滑らかに流れるので、翼面に形成される境界層の厚さは翼端部分が翼根２１側と同じ迎角を有するものに比べて薄くなる。
このように、境界層が薄くなると、風車翼９の後縁における渦の発生を抑制できるので、騒音を低減させることができる。
迎角低減部１９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、発電効率等の性能低下を抑制できる。
【００２４】
また、迎角低減部１９の迎角は固定されているので、回転数が変化しても常に相互の関係は変化しない。
このため、回転数によらず常に迎角低減部１９は翼根２１側に比べて迎角が異なることになるので、広い回転数範囲で騒音の低減を行うことができる。
【００２５】
このように、風力発電装置１は運転中の騒音の発生を低減できる。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できる。
【００２６】
（第一実施形態）
次に、本発明の第一実施形態について、図４〜図６を用いて説明する。
本実施形態では、参考実施形態と基本的構成は同様であり、風車翼９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、参考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４は、風車翼９の正面図である。図５は、風車翼９の定格回転数時の状態を示す側面図である。図６は、風車翼９の停止時の状態を示す側面図である。
【００２７】
風車翼９の先端側部分には、迎角低減部１９が設けられている。迎角低減部１９は、図６に示されるように、翼根２１側の翼面から翼端２０に向かい正圧面２７側に徐々に曲がりが大きくなるように滑らかに曲げられて形成されている。
この曲げは、風車翼９が所定回転数で回転し、風によって変形した際に、図５に示されるように迎角低減部１９が翼根２１側の翼面の略延長部、すなわち、翼根２１側の翼面と迎角低減部１９の翼面とが略面一、となる大きさとされている。このときの迎角低減部１９を符号１９Ｂで表すこともある。また、停止時（すなわち、製造時）の迎角低減部１９を符号１９Ａで表すこともある。
【００２８】
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参考実施形態と略同じなので、重複した説明は省略し、異なるところについて説明する。
風車翼９が回転すると、風車翼９は風の作用による力（揚力、抗力）によって変形する。この変形は風車翼９の翼端部、すなわち、迎角低減部１９で大きくなる。
風車翼９の回転数が定格回転数になると、迎角低減部１９が停止時の図６に示される迎角低減部１９Ａから図５に示す迎角低減部１９Ｂの状態に変化する。すなわち、迎角低減部１９Ｂは翼根２１側の翼面の略延長部となるので、迎角低減部１９Ｂの迎角は設計値よりも大きくなることはない。
【００２９】
すなわち、迎角低減部１９を持たない風車翼９では、この変形によって先端部で迎角が設計値よりも大きくなり、騒音が大きくなっていたが、本実施形態の風車翼９では、これに比べて定格回転時の迎角を低減することができる。
したがって、本実施形態では、迎角低減部１９を持たない風車翼９に比べて定格回転数時の騒音を低減でき、かつ、性能低下を抑制できる。
【００３０】
本実施形態では、迎角低減部１９は定格回転数になると、翼根２１側の翼面の略延長部となるようにしているが、これに限定されるものではなく、たとえば、迎角低減部１９にねじれが生じ、その迎角が翼根２１側の迎角よりも小さくなるような形状としてもよい。
【００３１】
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。
たとえば、参考実施形態の迎角を風車翼９の翼端２０に向かい順次小さくしていく構成と、第一実施形態の回転時の変形を活用する構成を併せ持つ構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１    風力発電装置
９    風車翼
１９    迎角低減部
２０    翼端
２１    翼根
２７    正圧面
【図１】
0005463386.tif 000002
【図２】
0005463386.tif 000003
【図３】
0005463386.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005463386.tif 000006
【図６】
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