(57)【要約】  ロータヘッドと、ロータヘッドに設けられた軸受と、軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計方法が提供される。当該風車ロータ設計方法は、風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと風車翼の設計データを与えることと、運転環境データと設計データから、該運転環境における風車翼の長さ方向の各位置における風車翼の翼質量中心の位置を算出することと、算出された翼質量中心の位置と風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出することとを備えている。
2012029134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータヘッドと、前記ロータヘッドに設けられた軸受と、前記軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計方法であって、
前記風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと前記風車翼の設計データを与えることと、
前記運転環境データと前記設計データから、前記運転環境における前記風車翼の長さ方向の各位置における前記風車翼の翼質量中心の位置を算出することと、
算出された前記翼質量中心の位置と前記風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を前記風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出すること
とを備える
風車ロータ設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記運転環境データが、前記風力発電装置の定格風速を示す第１データと、前記風力発電装置の運転が許容される最低気温又は前記最低気温に対応する空気密度を示す第２データとを含む
風車ロータ設計方法。
【請求項３】
請求項２に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記評価値が、下記式（１）： 
2012029134.tif 000008
を用いて算出される
風車ロータ設計方法。
ただし、式（１）において、ｚ軸は、前記軸受の中心軸に沿った方向に定義され、ｘ軸は、前記ｚ軸に垂直に、且つ、前記ｘ軸と前記ｚ軸とを含む平面が前記風車ロータの回転面に垂直になるように定められ、
Ｆは前記評価値であり、
ｘ（ｚ）は、前記ｚ軸上の位置ｚにおける、前記運転環境における前記風車翼の翼質量中心の前記ｘ軸の方向の位置であり、
ｍ（ｚ）は、ｚ軸上の位置ｚにおける前記風車翼の単位長さ当たりの質量であり、
ｚ０は、前記翼根の前記ｚ軸上の位置であり、
ｚ１は、前記翼先端の前記ｚ軸上の位置である。
【請求項４】
請求項３に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記ｘ（ｚ）が、下記式（２）： 
ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）−ΔｘＰＲＥ（ｚ）−ｚｓｉｎθ，  …（２）
を用いて算出される
風車ロータ設計方法。
ここで、Δｘ（ｚ）は、前記運転環境における、風荷重による前記ｘ軸の方向の前記翼質量中心の変位であり、
前記風車翼のプリベンド量ΔｘＰＲＥ（ｚ）は、位置ｚにおける、無負荷時における前記風車翼の前記翼質量中心の前記ｘ軸の方向の位置であり、
前記ルートカット傾斜角θは、前記風車翼の翼根部における前記風車翼の延伸方向と前記軸受の中心軸との間の角である。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の風車ロータ設計方法であって、
更に、前記積分値を減少させるように前記設計データを修正することを具備する
風車ロータ設計方法。
【請求項６】
請求項１に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記風車翼の前記翼根部は円筒形であり、
前記翼根部における前記風車翼の延伸方向が、前記円筒形の中心線として定義される
風車ロータ設計方法。
【請求項７】
ロータヘッドと前記ロータヘッドに設けられた軸受と、前記軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計支援装置であって、
前記風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと前記風車翼の設計データとを記憶するための記憶装置と、
演算装置
とを具備し、
前記演算装置が、前記運転環境データと前記設計データから、前記運転環境における前記風車翼の長さ方向の各位置における前記風車翼の翼質量中心の位置を算出すると共に、算出された前記翼質量中心の位置と前記風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を前記風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出するようにプログラムされた
風車ロータ設計支援装置。
【請求項８】
ロータヘッドと前記ロータヘッドに設けられた軸受と、前記軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計支援プログラムであって、
コンピュータに、下記手順：
記憶装置に用意された、前記風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと前記風車翼の設計データとに基づいて、前記運転環境における前記風車翼の長さ方向の各位置における前記風車翼の翼質量中心の位置を算出する手順、及び、
算出された前記翼質量中心の位置と前記風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を前記風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出する手順
を実行させる
風車ロータ設計支援プログラム。
【請求項９】
ロータヘッドと、
前記ロータヘッドに設けられた軸受と、
前記軸受に取り付けられた風車翼
とを備えた風車ロータであって、
第１方向を前記軸受の中心軸に沿った方向と定め、第２方向を前記第１方向に垂直に、且つ、前記第１方向と前記第２方向で規定される平面が前記風車ロータの回転面に垂直になるように定めたとき、
前記風車翼が、気温が前記風車ロータを備えた風力発電装置の運転が許容される最低気温である場合の、且つ、定格風速の風が吹いている場合における前記風車翼の翼質量中心の前記第２方向の位置の、前記風車翼の翼根からの前記第１方向の距離に対する変化のカーブに対して前記翼根以外で前記翼質量中心が前記軸受の中心軸に一致する位置における接線を引いたときに、前記カーブのうち前記一致する位置より離れている部分が前記接線と前記軸受の中心軸の間に位置するような形状に形成されている
風車ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車ロータ設計方法、風車ロータ設計支援装置及び風車ロータに関し、特に、風力発電装置において使用される風車翼（blade）がタワーに接触することを防ぎ、更にピッチモーメントを低減するための設計技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
アップウインド型風力発電装置の風車ロータ径の拡大、即ち、風車翼の長大化に伴う一つの問題は、風荷重による風車翼の撓み量の増大である。風車翼の撓み量が増大すると、風車翼がタワーに接触するおそれがあるので、風力発電装置は、風車翼の撓み量を考慮して風車翼のタワーへの接触を防ぐように設計される必要がある。【０００３】
風車翼のタワーへの接触を防ぐための手法が、３つ知られている。第１の手法は、風車翼のピッチ軸（風車翼が旋回する軸）を風上側に傾けておく（コーン角を設ける）ことである。第２の手法は、風車翼を風上側に曲げておくこと（プリベンド）である。第３の手法は、翼根部元取付面をピッチ軸に対して傾斜角を持たせ、風車翼をピッチ軸に対して斜めに取り付けること（ルートカット）である。これらの手法は、いずれも、風車翼の先端をタワーから遠ざけ、風車翼のタワーへの接触を有効に防ぐ。このような技術は、例えば、米国特許出願公開第２００９／０３０４５１３  Ａ１、米国特許第６，５８２，１９６  Ｂ１、米国特許出願公報第２０１０／０１０４４４４  Ａ１及び独国特許出願第１０  ２００６  ０４１  ３８３  Ａ１に開示されている。【０００４】
しかし、単にこれらの手法を採用しても、風車翼が長大化して、翼旋回軸受に作用する荷重の不均衡が増大すると、風車翼をピッチ軸周りに旋回させるために必要なピッチモーメントが増大するという問題は解消されない。むしろ、場合によっては、却って翼旋回軸受に作用する荷重の不均衡が増大する恐れすらある。ピッチモーメントが増大すると、ロータヘッドに搭載させるピッチ制御機構の駆動能力の増大が必要になり、これは、風力発電装置の設計上好ましくない。しかしながら、風車翼の設計によって風車翼をピッチ軸周りに旋回させるために必要なピッチモーメントを低減させることができれば、このような問題は回避できる。【０００５】
そして、発明者の検討によると、最適な設計手法を採用することにより、風車翼をピッチ軸周りに旋回させるために必要なピッチモーメントを低減できる。上述の公知技術では、ピッチモーメントの低減について何ら言及がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３０４５１３  Ａ１
【特許文献２】米国特許第６，５８２，１９６  Ｂ１
【特許文献３】米国特許出願公報第２０１０／０１０４４４４  Ａ１
【特許文献４】独国特許出願第１０  ２００６  ０４１  ３８３  Ａ１
【発明の概要】
【０００７】
従って、本発明の目的は、風車翼をピッチ軸周りに旋回させるために必要なピッチモーメントを低減するための設計技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の一の観点においては、ロータヘッドと、ロータヘッドに設けられた軸受と、軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計方法が提供される。当該風車ロータ設計方法は、風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと風車翼の設計データを与えることと、運転環境データと設計データから、該運転環境における風車翼の長さ方向の各位置における風車翼の翼質量中心の位置を算出することと、算出された翼質量中心の位置と風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を、風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出することとを備えている。
【０００９】
一実施形態では、運転環境データが、風力発電装置の定格風速を示す第１データと、風力発電装置の運転が許容される最低気温又は該最低気温に対応する空気密度を示す第２データとを含んでいる事が好ましい。
【００１０】
また、評価値Ｆは、下記式（１）： 
2012029134.tif 000003
を用いて算出されてもよい。ただし、式（１）において、ｚ軸は、軸受の中心軸に沿った方向に定義され、ｘ軸は、ｚ軸に垂直に、且つ、ｘ軸とｚ軸とを含む平面が風車ロータの回転面に垂直になるように定められる。ｘ（ｚ）は、ｚ軸上の位置ｚにおける、運転環境における風車翼の翼質量中心のｘ軸の方向の位置であり、ｍ（ｚ）は、ｚ軸上の位置ｚにおける風車翼の単位長さ当たりの質量である。ｚ０は、風車翼の翼根のｚ軸上の位置であり、ｚ１は、翼先端のｚ軸上の位置である。
【００１１】
一実施形態では、ｘ（ｚ）が、下記式：
ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）−ΔｘＰＲＥ（ｚ）−ｚｓｉｎθ，
を用いて算出される。ここで、Δｘ（ｚ）は、該運転環境における、風荷重による前記ｘ軸の方向の前記翼質量中心の変位であり、風車翼のプリベンド量ΔｘＰＲＥ（ｚ）は、座標ｚにおける、無負荷時における前記風車翼の前記翼質量中心の前記ｘ軸の方向の位置であり、ルートカット傾斜角θは、前記風車翼の翼根部における前記風車翼の延伸方向と前記軸受の中心軸と間の角である。
【００１２】
当該風車ロータ設計方法においては、更に、上記の積分値を減少させるように前記設計データが修正されることが好ましい。
【００１３】
風車翼の翼根部が円筒形である場合、翼根部における風車翼の延伸方向が、円筒形の中心線として定義されてもよい。
【００１４】
本発明の他の観点では、ロータヘッドとロータヘッドに設けられた軸受と、軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計支援装置が提供される。当該設計支援装置は、風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと風車翼の設計データとを記憶するための記憶装置と、演算装置とを具備する。演算装置は、運転環境データと設計データから、運転環境における風車翼の長さ方向の各位置における風車翼の翼質量中心の位置を算出すると共に、算出された翼質量中心の位置と風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出するようにプログラムされている。
【００１５】
本発明の更に他の観点では、ロータヘッドとロータヘッドに設けられた軸受と、軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計支援プログラムが提供される。当該設計支援プログラムは、コンピュータに、下記手順：記憶装置に用意された、風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと風車翼の設計データとに基づいて、運転環境における風車翼の長さ方向の各位置における風車翼の翼質量中心の位置を算出する手順、及び、算出された翼質量中心の位置と風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出する手順を実行させる。
【００１６】
本発明の更に他の観点では、風車ロータが、ロータヘッドと、ロータヘッドに設けられた軸受と、軸受に取り付けられた風車翼とを備えている。第１方向を軸受の中心軸に沿った方向と定め、第２方向を第１方向に垂直に、且つ、第１方向と第２方向で規定される平面が風車ロータの回転面に垂直になるように定めたとき、風車翼が、気温が風車ロータを備えた風力発電装置の運転が許容される最低気温であり、且つ、定格風速の風が吹いている場合における風荷重による風車翼の翼質量中心の第２方向の変位の、風車翼の翼根からの第１方向の距離に対する変化のカーブに対して翼根以外で翼質量中心が軸受の中心軸に一致する一致位置における接線を引いたときに、カーブのうち一致位置より離れている部分が接線と軸受の中心軸の間に位置するような形状に形成されている。
【００１７】
本発明によれば、風車翼をピッチ軸周りに旋回させるために必要なピッチモーメントを低減するための設計技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態における風力発電装置の構成を示す側面図である。
【図２】一実施形態におけるロータヘッドと風車翼の接続構造の例を示す斜視図である。
【図３Ａ】風車翼の翼面の形状の例を示す平面図である。
【図３Ｂ】翼弦方向からみた風車翼の構造を示す正面図である。
【図４】風車ロータの軸受の中心軸と、風車翼の翼根部の中心線との関係を図示する側面図である。
【図５】「ルートカット」を採用しない場合における、風車翼の翼根部とＡ−Ａ断面における翼断面の位置関係を図示している。
【図６】「プリベンド」を採用し「ルートカット」を採用しない場合における、翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の位置の、翼根からのピッチ軸方向（ｚ軸方向）の位置に対する変化を示すグラフである。
【図７】「ルートカット」を採用する場合における、風車翼の翼根部と、Ａ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面における翼断面との位置関係を図示している。
【図８】「プリベンド」と「ルートカット」とを採用する場合における、翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の位置の、翼根からのピッチ軸方向（ｚ軸方向）の位置に対する変化を示すグラフである。
【図９】好適な風車翼における、翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の位置の、翼根からのピッチ軸方向（ｚ軸方向）の位置に対する変化を示すグラフである。
【図１０】一実施形態における風車ロータ設計支援装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、一実施形態におけるアップウインド型の風力発電装置の構成を示す側面図である。風力発電装置１は、基礎７に立設されるタワー２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、風車ロータ４とを備えている。風車ロータ４は、ナセル３に対して回転可能に取り付けられたロータヘッド５と、ロータヘッド５に取り付けられる３枚の風車翼６とを備えている。風車ロータ４の回転軸（風車回転軸４ａ）は、水平に、又は、風上に向かって水平よりもやや上方に向けられている。風力によって風車ロータ４が回転すると風力発電装置１は電力を発生し、風力発電装置１に接続された電力系統に電力を供給する。
【００２０】
図２は、ロータヘッド５と風車翼６の接続構造の例を示す斜視図である。ロータヘッド５には、３つの軸受８（一つのみ図示）が取り付けられている。軸受８は、風車翼６を旋回可能に支持しており、軸受８の中心軸が、風車翼６の回転中心軸、即ち、ピッチ軸である。軸受８により、風車翼６のピッチ角が可変になっている。
【００２１】
図３Ａ、図３Ｂは、風車翼６の構造の例を示す図である。図３Ａは、風車翼６の翼面の形状を示しており、図３Ｂは、風車翼６を翼弦方向からみた構造を示している。本実施形態では、風車翼６の翼根部６ａが円筒形に形成されている一方で、風車翼６の中央部及び先端部では翼型が形成されている。翼型が形成されている部分と翼根部６ａとは、滑らかに接合されている。加えて、本実施形態では、風車翼６の翼面のうち、風上側の翼面６ｃが凹面になるように形成されると共に風下側の翼面６ｄが凸面になるように形成され、これにより、風車翼６の先端部分が、風上方向に向けて曲げられている。これは、後述のように、風車翼６とタワー２の間の接触を防ぐためである。図３Ａ、図３Ｂにおいては、翼根部６ａにおける風車翼６の中心線（及びその延長線）が、符号１０として図示されている。図３Ｂに示されているように、風車翼６の翼先端６ｂは、中心線１０に対して風上方向にずれて位置している。また、図３Ａ、図３Ｂにおいては、風車翼６の翼根が符号６ｅとして図示されている。
【００２２】
図４は、軸受８の中心軸（即ち、ピッチ軸）と、翼根部６ａの中心線１０との関係を図示する側面図である。ピッチ軸は、図４では符号９で参照されている。以下の説明で使用される用語を、図４を参照しながら次のように定義する：
（１）風車回転面
風車回転面１２は、風車回転軸４ａに垂直な平面である。
（２）コーン角
コーン角αとは、ピッチ軸９と風車回転面１２とがなす角である。より厳密には、ピッチ軸９を含み風車回転面１２に垂直な面と風車回転面１２とで形成される直線とピッチ軸９とがなす角である。
（３）ルートカット傾斜角
ルートカット傾斜角θとは、翼根部６ａにおける風車翼６の延伸方向とピッチ軸９とがなす角である。ここで、本実施形態では翼根部６ａが円筒形に形成されているので、ルートカット傾斜角θは、当該翼根部６ａの円筒形の中心線とピッチ軸９とがなす角として定義される。本実施形態では、円筒形の翼根部６ａが斜めに切り取られることにより、非零のルートカット傾斜角θが与えられている。
【００２３】
ここで、ｚ軸方向をピッチ軸９に沿った方向に定義する。ただし、風車翼６の翼根６ｅにおいてｚ＝０である。加えて、ｚ軸方向に垂直で、且つ風上側に向かった方向をｘ軸方向と定義する。ここで、ｘ軸方向は、ｘ軸方向とｚ軸方向で定義される平面が風車回転面１２と垂直になるように決定される。
【００２４】
上述されているように、風車翼６のタワー２への接触を防ぐための技術は３つ知られている：
第１の手法は、風車翼６のピッチ軸（風車翼６の回転中心軸）を風上側に傾けておくことである。これは、上述のコーン角αを非零に設定することを意味している。この手法を、以下では「非零コーン角」と呼ぶことにする。
【００２５】
第２の手法は、製作時に風車翼６の先端部分を風上側に曲げておくことである。この手法を、以下では「プリベンド」と呼ぶことにする。
【００２６】
第３の手法は、風車翼６の翼根部６ａを斜めに切断し、風車翼６をピッチ軸９に対して斜めに取り付けることである。これは、上述のルートカット傾斜角θを非零に設定することを意味している。この手法を以下では「ルートカット」と呼ぶことにする。
【００２７】
これらの手法は、いずれも、風車翼６のタワー２への接触を防ぐために有効である。最も簡便で広く用いられる手法は「非零コーン角」であるが、風車翼６が長大な場合には「非零コーン角」のみでは、風車翼６のタワー２への接触を防ぐことはできない。したがって、発明者の検討によれば、「非零コーン角」に他の手法を組み合わせることが好適である。
【００２８】
ここで、発明者の一つの知見は、「非零コーン角」、「プリベンド」、及び「ルートカット」は、それぞれ、ピッチモーメントＭｚｂ（風車翼６をピッチ軸９の周りに旋回させるために必要なモーメント）に対する影響が異なっており、これらの手法を適切に組み合わせることにより、ピッチモーメントＭｚｂを低減させることができるということである。以下では、「非零コーン角」、「プリベンド」、及び「ルートカット」がピッチモーメントＭｚｂに及ぼす影響について議論する。
【００２９】
「非零コーン角」のみを採用する場合、無荷重時に風車翼６がピッチ軸９の上にある。したがって、「非零コーン角」のみを採用すると、風荷重によって風車翼６が撓んだ場合に風車翼６の先端部分がピッチ軸９から離れ、ピッチモーメントＭｚｂが増大することになる。
【００３０】
一方、「プリベンド」を採用すると、風荷重によって風車翼６が撓んだ場合に風車翼６の先端部分がピッチ軸９により近づけることができるため、ピッチモーメントＭｚｂを低減することができる。
【００３１】
ここで、発明者の検討によれば、ピッチモーメントＭｚｂの低減に最も有効なのは、「ルートカット」である。以下では、図５〜図９を参照しながら「ルートカット」によるピッチモーメントＭｚｂの低減の効果を説明する。
【００３２】
図５は、「ルートカット」を採用しない場合における、風車翼６の翼根部６ａと翼断面１１Ａの位置関係を図示している。ここで、図５の左図は、風車翼６がアジマス角２７０°に位置する場合の風車翼６の翼根部６ａと翼断面１１Ａの位置関係を図示し、右図は、風車翼６がアジマス角９０°に位置する場合の風車翼６の翼根部６ａと翼断面１１Ａの位置関係を図示している。ここで、本明細書において、「アジマス角」とは、風車回転軸４ａの周方向における風車翼６の位置を意味しており、風車翼６が鉛直上方向又はそれに最も近い方向に位置している場合にアジマス角を０°と定義する。翼断面１１Ａは、図３Ａ、図３ＢのＡ−Ａ断面内、即ち、風車翼６の中間からやや翼先端６ｂよりの位置における風車翼６の翼断面である。
【００３３】
図５に図示されているように、風荷重がかかると風車翼６が撓むため、翼断面１１Ａはピッチ軸９から離れる。風車翼６の撓み量に比例して、風車翼６の自重と空力により、風車翼６を旋回させる軸受８には非対称な荷重が作用してピッチモーメントＭｚｂは増加する。図６は、「プリベンド」を採用し「ルートカット」を採用しない場合における、翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の位置ｘ（ｚ）の、翼根６ｅからのピッチ軸方向（ｚ軸方向）の位置ｚに対する変化を示すグラフである。ここで、ピッチ軸方向の位置ｚにおける翼重量中心の位置ｘ（ｚ）とは、位置ｚを通過しピッチ軸９に垂直な翼断面について計算した翼重量中心の位置を意味している。無負荷時には、風車翼６の曲げられた先端部分がピッチ軸９から風上方向に多少離れて位置しているが、全体としては翼質量中心がピッチ軸９の近傍に位置している。定格風速に対応する風荷重がかかると、風車翼６が風下側に撓み、翼質量中心は風車翼６の翼先端６ｂに近づくほどピッチ軸９から離れる。これにより、風車翼６を旋回させる軸受８に作用する荷重の非対称性が増し、風車翼６をピッチ軸９の周りに旋回させるのに必要なピッチモーメントＭｚｂが増大する。
【００３４】
一方、図７は、「ルートカット」を採用する場合における、風車翼６の翼根部６ａと翼断面１１Ａ、１１Ｂの位置関係を図示している。図７の左図は、風車翼６がアジマス角２７０°に位置する場合の風車翼６の翼根部６ａと翼断面１１Ａ、１１Ｂの位置関係を図示し、右図は、風車翼６がアジマス角９０°に位置する場合の風車翼６の翼根部６ａと翼断面１１Ａ、１１Ｂの位置関係を図示している。ここで、翼断面１１Ｂは、図３Ａ、図３ＢのＢ−Ｂ断面内、即ち、風車翼６の中間からやや翼根６ｅよりの位置における風車翼６の翼断面である。即ち、翼断面１１Ａは、相対的に、風車翼６の翼先端６ｂの近くに位置しており、翼断面１１Ｂは、相対的に、風車翼６の翼根部６ａの近くに位置している。
【００３５】
「ルートカット」を採用した風車翼６の一つの特徴は、風荷重により風車翼６が撓んだ場合に、風車翼６の翼根部６ａに近い部分がピッチ軸９に対して風上側に位置するのに対し、翼先端６ｂに近い部分がピッチ軸９に対して風下側に位置することである。このことは、図７では、アジマス角２７０°、９０°のいずれの場合も翼断面１１Ａ、１１Ｂが、ピッチ軸９を挟んで反対側に位置していることによって図示されている。また、図８に示されているように、領域Ｂでは翼質量中心がピッチ軸９に対して風上側に位置しており、領域Ａでは翼質量中心がピッチ軸９に対して風上側に位置している。これにより、風車翼６の翼根部６ａに近い部分と翼先端６ｂに近い部分の自重によるピッチモーメントＭｚｂが互いに打ち消しあい、風車翼６をピッチ軸９の周りに旋回させるために必要なピッチモーメントＭｚｂが低減される。
【００３６】
ここで、ピッチモーメントＭｚｂが小さくなるように風車ロータ４を設計する際には、ピッチモーメントＭｚｂが風力発電装置１の運転環境に依存することに留意する必要がある。最もピッチモーメントＭｚｂを最大にするのは、気温が風力発電装置１の運転が許容される最低気温であり、且つ、定格風速の風が吹いているような運転環境で風力発電装置１が運転されている場合である。即ち、気温は空気密度に関係しており、気温が最低気温である場合に最も大きくなる。また、風力発電装置１は、一般に、実風速が定格風速より小さい場合には、風車翼６はピッチ角が最小の状態であるファイン状態（受け取る風力エネルギーが最大の状態）又はその近傍のピッチ角に制御され、実風速が定格風速を超えると、風速の増大と共にピッチ角が増大されてフェザー状態（受け取る風力エネルギーが最小の状態）に近づけられる。このような運転がなされる場合には、実風速が定格風速である場合にピッチモーメントＭｚｂが最大になる。結果として、気温が風力発電装置１の運転が許容される最低気温であり、且つ、定格風速の風が吹いている場合にピッチモーメントＭｚｂが最大になるから、この場合についてピッチモーメントＭｚｂが低減されるように風車ロータ４を設計することが好適である。
【００３７】
好適な風車ロータ４の設計の例としては、ピッチモーメントＭｚｂが最大になる条件（即ち、気温が風力発電装置１の運転が許容される最低気温であり、且つ、定格風速の風が吹いている場合）に、風車翼６の翼質量中心の風上方向の位置ｘ（ｚ）の、翼根６ｅからのピッチ軸方向（ｚ軸方向）の位置ｚに対する変化のカーブが、次の条件を満たすことが挙げられる（図９参照）。
条件：
翼根６ｅ以外で翼質量中心の位置ｘ（ｚ）がピッチ軸９に一致する位置Ｑにおける接線Ｌを引いたときに、当該カーブのうち位置Ｑより離れている部分が接線Ｌとピッチ軸９（ｚ軸）の間に位置している。
【００３８】
このような条件を満たすように風車翼６を設計すれば、風車翼６が撓んだ時にピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のバランスを向上し、ピッチモーメントＭｚｂを低減させることができる。
【００３９】
ピッチモーメントＭｚｂの低減のみを考えれば、「ルートカット」を採用することが重要であり、「非零コーン角」、「プリベンド」を採用することは必ずしも必要ではないことに留意されたい。その一方で、風車翼６とタワー２との接触を防ぐという観点からは、「非零コーン角」及び／又は「プリベンド」を採用することは有用である。したがって、実際の風車ロータ４の全体としては、「非零コーン角」及び／又は「プリベンド」に加えて「ルートカット」を採用することが好適である。
【００４０】
ここで、「ルートカット」を採用する場合には、ルートカット傾斜角θの最適化が重要になる。ルートカット傾斜角θが大きくなりすぎると、風荷重によって風車翼６が撓んだ時にピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のバランスが崩れ、かえってピッチモーメントＭｚｂが増大してしまう。また、「プリベンド」が採用されている場合には、風車翼６が撓んだ時にピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のバランスは、「プリベンド」の程度にも依存する。したがって、ルートカット傾斜角θを最適に決定するためには、風車翼６の各位置におけるプリベンド量（即ち、無負荷時における、風車翼６のピッチ軸方向の各位置における翼重量中心のｘ軸方向の位置）を考慮しなければならない。以下では、ルートカット傾斜角θを最適に設計するための手法を議論する。
【００４１】
上述のように、風車翼６をピッチ軸９の周りに旋回させるために必要なピッチモーメントＭｚｂを低減するためには、風車翼６の、ピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のピッチモーメントＭｚｂの間のバランスが重要である。このようなバランスを評価する一つの手法は、風荷重がかかった状態での風車翼６の翼質量中心の位置ｘ（ｚ）と、風車翼６のｚ軸方向の各位置における単位長さ当たりの質量ｍ（ｚ）との積を風車翼６の翼根６ｅから翼先端６ｂまで積分して得られる積分値ｆに基づいて評価値を算出することである。積分値ｆを式で表わせば、次式（１）のようになる：
2012029134.tif 000004
ここで、ｚは、ｚ軸方向（ピッチ軸９の方向）における位置であり、ｚ０は、風車翼６の翼根６ｅのｚ軸上の位置であり、ｚ１は、風車翼６の翼先端６ｂの前記ｚ軸上の位置である。
【００４２】
一実施形態では、積分値ｆをそのまま評価値として使用することができる。この場合、評価値Ｆは、次式（２）で表わされる：
2012029134.tif 000005
評価値Ｆは、積分値ｆそのものではなくてもよく、積分値ｆに何らかの演算を施して得られる値でもよく、また、積分値ｆ以外のパラメータを考慮して算出した値でもよい。
【００４３】
一実施形態では、風荷重がかかった状態での風車翼６の翼質量中心の位置ｘ（ｚ）を下記式（３）で算出してもよい：
ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）−ΔｘＰＲＥ（ｚ）−ｚｓｉｎθ，      …（３）
ここで、Δｘ（ｚ）は、風荷重によるｘ軸の方向の翼質量中心の変位（displacement）であり、ΔｘＰＲＥ（ｚ）は、位置ｚにおける風車翼６のプリベンド量、即ち、無負荷時における、位置ｚにおける風車翼６の翼質量中心のｘ軸の方向の位置であり、θは、ルートカット傾斜角、即ち、風車翼６の翼根部６ａにおける風車翼６の延伸方向と軸受８の中心軸との間の角である。
【００４４】
この場合、式（２）、（３）から次式（４）：
2012029134.tif 000006
が得られ、一実施形態では、式（４）を用いて評価値Ｆを得てもよい。また、風車翼６の翼根６ｅの位置においてｚ＝０であり、翼先端６ｂの位置においてｚ＝Ｒである場合（即ち、風車翼６の翼長がＲである場合）、次式（５）が得られる：
2012029134.tif 000007
一実施形態では、式（５）を用いて評価値Ｆを得てもよい。
【００４５】
ここで、風荷重を受けた場合における翼質量中心の位置ｘ（ｚ）（又は、風荷重による翼質量中心の変位Δｘ（ｚ））は、風力発電装置１が運転される運転環境に依存する値である。運転環境としては、空気密度、気温、風速が挙げられる。ここで、空気密度は気温に依存しているから、空気密度と気温とは基本的に等価なパラメータであることに留意されたい。一実施形態では、評価値Ｆは、気温Ｔと風速ｖに依存する関数として算出される。所望の気温Ｔと風速ｖについて位置ｘ（ｚ）（又は変位Δｘ（ｚ））を算出し、更に、算出した位置ｘ（ｚ）（又は変位Δｘ（ｚ））から評価値Ｆを算出することにより、風車翼６のピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のピッチモーメントＭｚｂの間のバランスを当該気温Ｔと風速ｖについて評価することができる。その代わりに、評価値Ｆが空気密度ρと風速ｖに依存する関数として算出されてもよい。この場合、風車翼６のピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のピッチモーメントＭｚｂの間のバランスを当該空気密度ρと風速ｖについて評価することができる。
【００４６】
ここで、風車翼６をピッチ軸９の周りに旋回させるために必要なピッチモーメントＭｚｂが最大になるのは、上述の通り、気温Ｔが風力発電装置１の運転が許容される最低気温ＴＬＯＷであり（又は、空気密度ρが最大空気密度ρＭＡＸであり）、風速ｖが定格風速ｖＲＡＴＥＤである場合である。したがって、最低気温ＴＬＯＷ（又は最大空気密度ρＭＡＸ）及び定格風速ｖＲＡＴＥＤについての翼質量中心の位置ｘ（ｚ）（又は変位Δｘ（ｚ））を算出し、算出された位置ｘ（ｚ）（又は変位Δｘ（ｚ））を用いて算出された評価値Ｆは、風車翼６のＡ領域の部分とＢ領域の部分の自重によるピッチモーメントＭｚｂの間のバランスを評価するために最も適した値である。最低気温ＴＬＯＷ（又は最大空気密度ρＭＡＸ）、定格風速ｖＲＡＴＥＤについて算出された評価値Ｆを最小にするようにルートカット傾斜角θと風車翼６の形状（特にプリベンド量ΔｘＰＲＥ（ｚ））を定めれば、風車翼６をピッチ軸９の周りに旋回させるために必要なピッチモーメントＭｚｂをより低減することができる。
【００４７】
このような設計手法は、図１０に図示されている風車ロータ設計支援装置２０を用いて実施することができる。風車ロータ設計支援装置２０は、入力装置２１と、出力装置２２と、ＣＰＵ２３と、メモリ２４と、外部記憶装置２５とを備えるコンピュータとして構成されている。入力装置２１と出力装置２２とは、風車ロータ設計支援装置２０のマン−マシンインターフェースを構成している。入力装置２１は、例えば、キーボートやマウスを備えている。出力装置２２は、例えば、モニタやプリンタを備えている。外部記憶装置２５には風車ロータ設計支援プログラム２６がインストールされている。風車ロータ設計支援プログラム２６は、上記の設計手法を支援するためのコンピュータプログラムである。ＣＰＵ２３は、メモリ２４を用いて風車ロータ設計支援プログラム２６を実行する。風車ロータ設計支援プログラム２６は、所望の運転環境（例えば、気温Ｔ、空気密度ρ、風速ｖ）について風荷重を受けた場合の風車翼６の翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の位置ｘ（ｚ）又は風荷重による変位Δｘ（ｚ）を算出するシミュレータと、上記の評価値Ｆを算出するコードモジュールと、風車翼６の構造を設計する構造設計ツールとを含んでいる。
【００４８】
以下では、図１０の風車ロータ設計支援装置２０を用いて風車翼６を設計する手順の好適な実施例を説明する。以下では、最低気温ＴＬＯＷと定格風速ｖＲＡＴＥＤとから式（５）を用いて評価値Ｆを算出する場合について説明する。ただし、式（２）、（４）を用いても同様の手順で評価値を算出できること、及び、最低気温ＴＬＯＷの代わりに最大空気密度ρＭＡＸを用いてもよいことは、当業者には自明的であろう。
【００４９】
外部記憶装置２５には、予め、風車翼６の設計データが用意される。この設計データは、風車翼６の構造を示すデータ（風車翼６の位置ｘにおけるプリベンド量ΔｘＰＲＥ（ｚ）、風車翼６の翼長Ｒ、及び位置ｚにおける風車翼６の単位長さ当たりの質量ｍ（ｚ）等）と、その他の機械的特性を示すデータとを含んでいる。設計データは、風車ロータ設計支援プログラム２６の構造設計ツールを用いて作成されてもよく、また、入力装置２１を用いて外部から与えられてもよい。
【００５０】
更に、風力発電装置１の運転が許容される最低気温ＴＬＯＷと定格風速ｖＲＡＴＥＤとが入力装置２２を介して入力され、外部記憶装置２５に記憶される。
【００５１】
風車ロータ設計支援プログラム２６は、与えられた最低気温ＴＬＯＷと定格風速ｖＲＡＴＥＤについて、風荷重による翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の変位Δｘ（ｚ）を、シミュレータを用いて算出する。変位Δｘ（ｚ）の算出においては、風車翼６の設計データが使用される。算出された風荷重による翼質量中心の風上方向（ｘ軸方向）の変位Δｘ（ｚ）は、外部記憶装置２５に記憶される。
【００５２】
更に風車ロータ設計支援プログラム２６は、上記の式（５）を用いて評価値Ｆを算出する。この評価値Ｆは、風車翼６のピッチ軸９よりも風上側にある部分と風下側にある部分のピッチモーメントＭｚｂの間のバランスの程度を示している。評価値Ｆが小さい程、風車翼６のピッチ軸９の周りの旋回に必要なピッチモーメントＭｚｂが小さくなる。
【００５３】
評価値Ｆを見たユーザは、必要であれば、風車ロータ設計支援プログラム２６の構造設計ツールを用いて風車翼６の設計データを修正してもよい。必要に応じてプリベンド量ΔｘＰＲＥ（ｚ）及び／又は、ルートカット傾斜角θを修正することにより、評価値Ｆを小さくする、即ち、風車翼６のピッチ軸９の周りの旋回に必要なピッチモーメントＭｚｂを小さくすることができる。ここで、式（５）を用いて評価値Ｆを算出する場合には、評価値Ｆを小さくことは、式（１）の積分値ｆを小さくすることと等価であることに留意されたい。設計データの修正には、風車ロータ設計支援プログラム２６の構造設計ツールを用いてもよい。
【００５４】
以上の設計手順によれば、ピッチ軸９の周りの旋回に必要なピッチモーメントＭｚｂが小さい風車翼６を設計することができる。
【図１】
2012029134.tif 000009
【図２】
2012029134.tif 000010
【図３Ａ】
2012029134.tif 000011
【図３Ｂ】
2012029134.tif 000012
【図４】
2012029134.tif 000013
【図５】
2012029134.tif 000014
【図６】
2012029134.tif 000015
【図７】
2012029134.tif 000016
【図８】
2012029134.tif 000017
【図９】
2012029134.tif 000018
【図１０】
2012029134.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月14日(2012.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータヘッドと、前記ロータヘッドに設けられた軸受と、前記軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計方法であって、
前記風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと前記風車翼の設計データを与えることと、
前記運転環境データと前記設計データから、前記運転環境における前記風車翼の長さ方向の各位置における前記風車翼の翼質量中心の位置を算出することと、
算出された前記翼質量中心の位置と前記風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を前記風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出すること
とを備え、
前記運転環境データが、前記風力発電装置の定格風速を示す第１データと、前記風力発電装置の運転が許容される最低気温又は前記最低気温に対応する空気密度を示す第２データとを含む
風車ロータ設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記評価値が、下記式（１）：
【数１】
2012029134.tif 000020
を用いて算出される
風車ロータ設計方法。
ただし、式（１）において、ｚ軸は、前記軸受の中心軸に沿った方向に定義され、ｘ軸は、前記ｚ軸に垂直に、且つ、前記ｘ軸と前記ｚ軸とを含む平面が前記風車ロータの回転面に垂直になるように定められ、
Ｆは前記評価値であり、
ｘ（ｚ）は、前記ｚ軸上の位置ｚにおける、前記運転環境における前記風車翼の翼質量中心の前記ｘ軸の方向の位置であり、
ｍ（ｚ）は、ｚ軸上の位置ｚにおける前記風車翼の単位長さ当たりの質量であり、
ｚ０は、前記翼根の前記ｚ軸上の位置であり、
ｚ１は、前記翼先端の前記ｚ軸上の位置である。
【請求項３】
請求項２に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記ｘ（ｚ）が、下記式（２）： 
ｘ（ｚ）＝Δｘ（ｚ）−ΔｘＰＲＥ（ｚ）−ｚｓｉｎθ，  …（２）
を用いて算出される
風車ロータ設計方法。
ここで、Δｘ（ｚ）は、前記運転環境における、風荷重による前記ｘ軸の方向の前記翼質量中心の変位であり、
前記風車翼のプリベンド量ΔｘＰＲＥ（ｚ）は、位置ｚにおける、無負荷時における前記風車翼の前記翼質量中心の前記ｘ軸の方向の位置であり、
前記ルートカット傾斜角θは、前記風車翼の翼根部における前記風車翼の延伸方向と前記軸受の中心軸との間の角である。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の風車ロータ設計方法であって、
更に、前記積分値を減少させるように前記設計データを修正することを具備する
風車ロータ設計方法。
【請求項５】
請求項１に記載の風車ロータ設計方法であって、
前記風車翼の前記翼根部は円筒形であり、
前記翼根部における前記風車翼の延伸方向が、前記円筒形の中心線として定義される
風車ロータ設計方法。
【請求項６】
ロータヘッドと前記ロータヘッドに設けられた軸受と、前記軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計支援装置であって、
前記風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと前記風車翼の設計データとを記憶するための記憶装置と、
演算装置
とを具備し、
前記演算装置が、前記運転環境データと前記設計データから、前記運転環境における前記風車翼の長さ方向の各位置における前記風車翼の翼質量中心の位置を算出すると共に、算出された前記翼質量中心の位置と前記風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を前記風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出するようにプログラムされ、
前記運転環境データが、前記風力発電装置の定格風速を示す第１データと、前記風力発電装置の運転が許容される最低気温又は前記最低気温に対応する空気密度を示す第２データとを含む
風車ロータ設計支援装置。
【請求項７】
ロータヘッドと前記ロータヘッドに設けられた軸受と、前記軸受に取り付けられた風車翼とを備える風車ロータの設計支援プログラムであって、
コンピュータに、下記手順：
記憶装置に用意された、前記風車ロータを備える風力発電装置の運転環境を示す運転環境データと前記風車翼の設計データとに基づいて、前記運転環境における前記風車翼の長さ方向の各位置における前記風車翼の翼質量中心の位置を算出する手順、及び、
算出された前記翼質量中心の位置と前記風車翼の長さ方向の各位置における単位長さ当たりの質量との積を前記風車翼の翼根から翼先端まで積分して得られる積分値に依存する値である評価値を算出する手順
を実行させ、
前記運転環境データが、前記風力発電装置の定格風速を示す第１データと、前記風力発電装置の運転が許容される最低気温又は前記最低気温に対応する空気密度を示す第２データとを含む
風車ロータ設計支援プログラム。
【請求項８】
ロータヘッドと、
前記ロータヘッドに設けられた軸受と、
前記軸受に取り付けられた風車翼
とを備えた風車ロータであって、
第１方向を前記軸受の中心軸に沿った方向と定め、第２方向を前記第１方向に垂直に、且つ、前記第１方向と前記第２方向で規定される平面が前記風車ロータの回転面に垂直になるように定めたとき、
前記風車翼が、気温が前記風車ロータを備えた風力発電装置の運転が許容される最低気温である場合の、且つ、定格風速の風が吹いている場合における前記風車翼の翼質量中心の前記第２方向の位置の、前記風車翼の翼根からの前記第１方向の距離に対する変化のカーブに対して前記翼根以外で前記翼質量中心が前記軸受の中心軸に一致する位置における接線を引いたときに、前記カーブのうち前記一致する位置より離れている部分が前記接線と前記軸受の中心軸の間に位置するような形状に形成されている
風車ロータ。
【国際調査報告】
2012029134.tif 000021
2012029134.tif 000022
2012029134.tif 000023
2012029134.tif 000024