(57)【要約】【課題】風力装置の騒音発生を改善すること。【解決手段】風力装置用ロータブレードにロータブレードが発生する音を低減する手段を設け、この手段を少なくともロータブレードの表面部に設けられた流体反発層及び／又は面により形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータブレードが発生する音を低減する手段を備え、該手段は少なくともロータブレードの表面部に設けられた流体反発層及び／又は面により形成されている風力装置用ロータブレード。
【請求項２】
上記流体反発層は、ロータブレードの回転により音が基本的に発生する部分に少なくとも設けられたことを特徴とする請求項１に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項３】
ロータブレードの微小構造に凹凸を付与する少なくとも部分コーティングを備え、水滴及び／又は着氷（氷の結晶）がロータブレード表面に保持されることがなく、風力装置の運転中におけるロータブレードの発生音を低減するようにした請求項１あるいは２に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項４】
ロータブレードの表面には少なくとも部分的にコーティングが設けられており、ロータブレードの表面は、コーティングされた領域がコーティングされていない領域より柔らかい請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項５】
凸部と凹部を有する表面構造を層が備え、凸部の間隔は２〜２５０μｍの範囲で、凸部の高さＨは約２〜２５０μｍの範囲で、凸部は、自然雨により分離しない疎水性ポリマあるいは永続的に疎水化された材料製である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項６】
疎水性層が、シャークスキンと同様に形成された面を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項７】
ロータブレードが主流れ方向を有する乱流が流れる壁面を有し、主流れ方向に配向されるとともに主流れ方向に対し横方向に離間したリブの高さはリブの間隔の約３０〜７０％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項８】
リブは楔状の形状を有し、テーパ角は約１０〜６０°であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項９】
標準化された横リブの間隔
ｓ＋＝（ｓ／ｎｙ）＊√（tau0/rho）
は１２〜２２であり、ｓは横リブの間隔で、tau0は同じ流れに露出した平滑な基準面の壁体スラスト応力で、rhoは流体の密度で、ｎｙは流体の動粘度であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１０】
標準化されたリブ間隔ｓ＋は、ロータブレードの周速度に適合され、（通常運転中の）ロータブレードの先端領域の周速度に適合されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１１】
横リブ間隔ｓは、０．００１〜０．１５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１２】
リブの横の凸部は、横リブ間隔ｓの最大５〜３５％の曲率半径を持つことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１３】
リブ間の表面は横リブ間隔の少なくとも１００％、好ましくは２００〜４００％の曲率半径を持つことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１４】
ロータブレードの一部、好ましくはロータブレードの前縁には、テフロン状の表面性状を有する耐蝕性ラッカーが設けられていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１５】
耐蝕性ラッカーが耐溶媒性２成分ＰＵＲラッカーであることを特徴とする請求項１４に記載の風力装置用ロータブレード。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のロータブレードを備えた風力装置。
【請求項１７】
少なくとも一つのロータブレードを有するロータと、タワーと、風力装置の少なくとも一つの発電機を囲繞するケーシング（ポッド）とを備え、上記ロータブレード、タワー（内側あるいは外側）及び／又はケーシング（ポッド）の少なくとも一つは上記請求項のいずれか一つに記載の疎水性層を有し、該疎水性層はロータブレード、タワー及び／又はケーシングの少なくとも表面部に形成されている風力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力装置用ロータブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力装置用ロータブレードは様々な形体の異なるものが知られている。風力装置においては、ロータあるいはそのロータブレードが主な音源となっている。風力装置は、しばしば居住施設の近傍に据え付けられるので、騒音規制法に基づく理由で、発生音のレベルを最小限にする必要がある。風力装置や風力変換装置がこれまで発生していた音のレベルが原因で、風力装置は居住区の抵抗に直面している。こういう理由で、認可の責任を負う当局が現在の環境要求事項に基づいて風力装置の認可を拒むので、このような装置は受け入れ難かったり、全く受け入れられない場合もある。騒音はまた、環境を汚染する要因でもある。
【０００３】
騒音を低減するために、風力装置のロータブレードを構造的に修正する多くの提案が既になされている。例えば、欧州特許第０６５２３６７号公報や独国特許第１９６１４４２０．５号公報に開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ロータブレードの構造的対応策による騒音低減には限界がある。
【０００５】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、風力装置の騒音発生を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この目的は請求項１の特徴を有するロータブレードにより達成される。好ましい形態は残りの請求項に記載されている。
【０００７】
本発明は、ロータブレードの表面の少なくとも部分的に流体及び／又は氷の反発層が設けられていると、ロータブレードもより粗くなるという知見に基づいている。したがって、ロータブレードの上部を最大限に平滑化する１層のペンキからなるコーティングをロータブレードに設けることなく、まさにその逆のことをするのである。すなわち、表面を微視的に見て粗くしている。このような面はまた、例えば所謂「蓮効果（lotus effect）」の機能を達成するラッカーやコーティングから公知であり、水／氷は表面に弱く付着している。この点で、１層のペンキにより形成されるコーティングは、極小サイズの一種の爪体により構成される。このような極小の爪体はロータブレードの表面を粗くするだけでなく、個々の極小の爪はその長手方向に変形自在であったり、ロータブレードのガラスファイバのコーティングより構造的にかなり柔らかいことから、表面の硬度を低下させる。
【０００８】
したがって、ロータブレード上の「蓮」のコーティングにより、ロータブレード上に形成される渦が表面の柔らかい構造により抑制あるいは防止されたり、空気の渦からエネルギが取り出されて、既に知られているロータブレードの回転により生じる音の全てが低減される。
【０００９】
マイクロシリコーンペンキ"Lotusan"（Dyckerhoffグループの会社であるispo Gmbhの商標）は、運転中におけるロータブレードの音をかなり低減できる自己清浄型コーティングあるいはペンキと言うこともできる。このマイクロシリコーンペンキは、その会社から品番１９５０で商品化されており、汚れ反発性及び撥水性と記載されている。コーティングを、撥水層が表面構造に形成されたシートあるいは薄膜で形成することも可能である。自己清浄面（及びその製造法）は欧州特許第０７７２５１４号公報からも公知である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１はEnercon社の型式Ｅ−４０の風力装置を示しており、三つのロータブレード１０を有するロータを備えている。
【００１１】
図２に示されるように、ロータブレードの表面には、「極小爪（nano-nail）」３を有する爪体２を形成するコーティングあるいはカバー１が設けられている。極小爪間の隙間Ａは約２〜２５０μｍの範囲で、極小爪の高さＨは約２〜２５０μｍの範囲である。極小爪は、例えば疎水性ポリマあるいは永続的に疎水化された材料からなる。極小爪の高さが５〜６０μｍで、隙間が約５〜１１０μｍの範囲であれば、ロータブレードからの発生音を特に低減することができる。
【００１２】
マイクロシリコーンペンキ（例えば、"Lotusan"）でロータブレードをコーティングすると、水（Ｈ２Ｏ）や他の流体はロータブレードの表面にくっついたまま離れないといった結果は生じない。したがって、こうすることで、ブレード上に着氷する原因が最初から取り除かれる。
【００１３】
好ましくは、コーティングはロータブレードの全面ではなく、ロータブレードの最後の３分の１（ロータから見て）のみに施され、ロータブレード先端の領域あるいはロータブレードの前縁及び後縁に施されるのがよい。
【００１４】
極小爪３が形成されていることで、ロータブレードの表面の凹凸あるいは粗さは非常に大きく、水の分子がロータブレードの表面にくっついて保持されるほど、水滴４（分子）のロータブレード面への付着力は十分ではない。したがって、極小爪はロータブレードの表面６に対しある距離をもって水の分子を保持し、水分子と表面間の引き付け力は極端に減少する。
【００１５】
同時に、極小爪３は所謂「ショックアブソーバ（吸音器）」の機能を持つ。これは、ロータブレード表面に自然に形成され、騒音発生の原因となる渦（図示せず）が極小爪に衝突し、ロータブレードの剛性の高いグラスファイバ構造に比べ、極小爪はその比較的大きい可動性により、渦のエネルギを吸収することができるので、空気の渦からエネルギを取り去り、音を低減する。
【００１６】
コーティングは、ペンキで被覆したり接着剤で接着した薄膜あるいはシートにより形成することができる。
【００１７】
上記コーティングはロータブレードやその一部のみならず、風力装置の他の部分、例えば風力装置のタワー７及び／又はケーシング８にも施すことができる。ケーシング８は通常ポッドとも呼ばれて、タワーの上端に設けられており、環境の影響を直接受けてはならない風力装置の発電機あるいは他の部分を規則正しく囲繞している。この点で、コーティングはタワーあるいはロータブレード及び／又はケーシングの外面ばかりでなく、内部に施してもよい。この目的で、水滴の溝（図示せず）を内側及び／又は外側に設けるのが好ましく、こうすることで、例えばタワー及び／又はケーシングを流れ出る水を制御しながら収集して運搬することができる。そのような溝は、タワー壁上でタワーの長手軸に対し略垂直に（あるいはそれに対し僅かに傾斜して）延在するのが好ましく、収集された液体は、それに接続された立下り管により運搬される。
【００１８】
別の対応策として、あるいは、上記構造に追加して、騒音発生の減少は、「シャークスキン」の形体の特殊な表面を有するロータブレードにより達成することができる。このような表面は、シートあるいは薄膜のコーティングにより得ることができる。そのような薄膜やシートは、例えば３Ｍ社により、型番３Ｍ ８６９１"Drag Reduction Tape (Riblet Tape)"で販売されている。薄膜やシートは、航空機産業からの注文を受けて、特殊な「シャークスキン」面により航空機の燃料を節約する目的で開発された。
【００１９】
そのような「シャークスキン薄膜」の構造は、例えばDittrich W. Bechert (Abteilung Turbolenzforschung des Deutschen Zentrums fur Luft- und Raumfahrt (DLR) − Turbulence Research Division of the German Aerospace Centre)の刊行物により公知である。「シャークスキン薄膜」（コーティング）の構造は、欧州特許第０８４６６１７号公報、独国特許第３６０９５４１号公報あるいは独国特許第３４１４５５４号公報にとりわけ詳しく記載されている。繰り返しを避けるため、全ての上記刊行物の内容は、本願の内容に含まれているものとする。
【００２０】
航空機の場合の音はエンジンにより基本的に決定されるので、航空機から発生する音は、航空機（翼）の動力学的現象により発生する音が可聴閾値以下の感知できないレベルまでには低減できない。
【００２１】
シャークスキン（対応する面の下）の原理に基づく薄膜は、Abteilung Turbolenzforschung des Deutschen Zentrums fur Luft- und Raumfahrt (DLR)（ Turbulence Research Division of the German Aerospace Centre)のDietrich W. Bechertが指導するエンジニアチームによりベルリン技術大学で開発された。そのような「シャークスキン」薄膜の場合、薄膜の表面は、流れの方向に延びる細かいチャネル１１が設けられている。このチャネルは連続的ではなく、図３に示されるように互いにずれた関係にあるパネル（うろこ状の薄片）１２に形成されている。図示した例では、「薄片」１２は、長手方向が風力装置のロータブレードの半径ｒに対し垂直（あるいは平行）に配向した長さの異なる五つのチャネル１１を持つ。この場合、チャネル１１（あるいはリブ）の高さＨはチャネルの間隔ｓの約３０〜７０％であり、チャネル（リブ）は楔状の形状が好ましく、テーパ角は約５〜６０°である。
【００２２】
式ｓ＋＝（ｓ／ｎｙ）＊√（tau0/rho）に基づくこの場合のシャークスキン薄膜面の横方向に延びるリブの標準間隔は１２〜２２である。ここで、ｓは横リブの間隔で、tau0は同じ流れに露出した平滑な基準面の壁体引張応力で、rhoは流体（空気）の密度で、ｎｙは流体（空気）の動粘度である。この場合、標準化されたリブ間隔ｓ＋は、定格運転時の風力装置のロータブレードの周速度（あるいは角速度）に応じて調節するのが好ましい。この点で、ロータブレードの先端あるいはロータブレードの先端領域（ロータブレード長さの約５〜２５％）の周速度に応じて調節するのが好ましい。
【００２３】
この場合のチャネル間隔ｓは、０．００１〜０．１５ｍｍである。
【００２４】
チャネル間隔及び／又は薄片間隔が異なる表面構造をロータブレードの全面に設けることも可能であり、標準化されたチャネル間隔は通常運転のロータの周速度に応じていつも調節される。
【００２５】
リブの横の凸部は、横リブ間隔ｓの最大５０％、好ましくは最大２０％の曲率半径を持つのがよい。
【００２６】
リブ間のシャークスキンの表面は横リブ間隔の少なくとも２００％の曲率半径を持つのが好ましい。これは、図４の拡大断面図に示されている。
【００２７】
初期のテストによれば、上記シャークスキン薄膜（したがって、上述のような対応する面も）を有するロータブレードを備えたロータの発生音は約０．２〜３ｄＢ（周速度と風の状態による）だけ減少できることが分かっている。
【００２８】
別の対応策として、あるいは、上記発生音低減対策に追加した対応策として、ロータブレードの一部、特にロータブレードの前縁に耐蝕性ラッカーやペンキを塗布することもできる。例えば、テフロン状の表面性状を有する耐溶媒性２成分ＰＵＲラッカーをそのような耐蝕性ラッカーとして提供することができる。これまで、汚れた粒子／雨／あられ等によるロータブレードの前縁の腐食を防止するために耐蝕性薄膜やシートをロータブレードの前縁に接着したことがあった。そのような薄膜の接着は非常に複雑で難しく、運転中早期に剥離することがないように、十分な注意を払って行う必要がある。最大限の注意を払っても、貼り付けられた薄膜が剥離することもしばしばあり、ある状況下では、運転中の発生音レベルが増大することもある。いずれにしても、剥離したり突出した薄膜片（薄膜の角部）はロータブレードに再び固着したり、新しい薄膜を取り付ける必要があるので、多大の費用がかかる。
【００２９】
Coelan社が型番VP 1970Mで提供している滑りシーラントは耐蝕性ラッカーとして好適で、公知の耐蝕性薄膜の問題を解消することができる。これは、テフロンのような表面性状を有する耐溶媒性２成分ＰＵＲラッカーを含み、次のような特性を持つ。
固形分：  成分Ａ  ：約６０％
成分Ｂ  ：約  ５％
混合物  ：約３２％
引火点：  −２２℃
密度：    成分Ａ  ：１．１１ｇ／ｃｍ３（２０℃）
成分Ｂ  ：０．８３ｇ／ｃｍ３（２０℃）
粘度：    成分Ａ  ：約８０ｓＤＩＮ４（２３℃）
成分Ｂ  ：＜１０ｓＤＩＮ４（２３℃）
加工時間：  密閉容器内で約１６時間
スキンニング：約３０分（２０℃；相対湿度５０％）
不粘着性：  約２時間後（２０℃；相対湿度５０％）
完全乾燥：  約９６時間（２０℃；相対湿度５０％）
振り子かたさ（Pendulum hardness）：  １４７秒（Konig；ＤＩＮ５３１５７
に基づく）
早期耐候性：  Ｑ−パネル装置で２３５０時間のＵＶ−Ａに耐える
(ＱＵＶ−テスト)：  Ｑ−パネル装置で２４３０時間のＵＶ−Ｂに耐える
混合比：  成分Ａ  ：１００重量部
成分Ｂ  ：１００重量部
【００３０】
このラッカーはボート製造のために開発されたが、騒音発生を低減するためにロータブレードにそれを使用することはこれまで提案されたことがなく、公知の耐蝕性薄膜と置換でき、その問題を解消することができる点で極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】三つのロータブレードを有するロータを備えた風力装置の正面図である。
【図２】ロータブレートの一部の断面図である。
【図３】流れの方向に延びる細かいチャネルが形成されたシャークスキン薄膜の部分拡大正面図である。
【図４】リブ間のシャークスキン表面を示す拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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