(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平軸揚力型の風車に用いられる風車翼であって、
翼根から翼端にかけて翼弦長が漸次小さくなる断面流線形状の翼本体と、該翼本体の翼端に一体に設けられる小翼とを備え、
前記小翼は、先端が尖った形状に形成され、先端と後端の前縁及び後縁とを結ぶ前側線及び後側線がそれぞれ所定の曲率の曲線に形成されるとともに、先端が前記翼本体の翼端の後縁よりも回転方向の後方、かつ、前記翼本体の翼長方向の外方に位置するように、形状が設定されていることを特徴とする風車翼。
【請求項２】
前記小翼は、上下面が前記翼本体の上下面に対して所定の角度立上るように、前記翼本体の翼端に一体に設けら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】
前記小翼の立上角度は、３０°〜９０°であることを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
【請求項４】
前記小翼は、先端が尖った平面視略鎌形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の風車翼。
【請求項５】
前記小翼の後端は、前記翼本体の翼端と同一大きさ、形状の断面流線形状をなし、該小翼の後端が前記翼本体の翼端に一体に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の風車翼。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の風車翼を複数備えてなる風車と、該風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変化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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車翼及びそれを備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電は、クリーンな自然エネルギーを利用する、供給先を海外に頼る必要のない国産エネルギーで、かつ、温暖化ガスを放出しないカーボンクレジットコスト不要なエネルギーであり、現在、欧州等において研究開発された大型で高効率な風車が商用ベースで利用されている。【０００３】
例えば、水平軸揚力型の風車においては、翼外縁（特に先端部付近）が高Ｒｅ数領域であるため、ＮＡＣＡ系列に代表される航空機翼型を翼として使用できる。このような翼では、上面側（背面側）に負圧が、下面側（腹面側）に正圧が生じることにより、翼端部では上下面の圧力差によって下面から上面に向かって流れる渦（翼端渦）が生じる。この渦は、翼周りに進行方向（回転方向）とは異なった気流を誘起し、翼に当たる気流を下げる方向、すなわち、翼の迎え角を減少させる方向に作用する。その結果、翼に作用する空気力の方向は、迎え角の減少分に相当する角度（誘導迎え角）だけ後方に傾くことになるが、このうち、進行方向（回転方向）に平行な成分は、実際上は抗力として働くことになる。この抗力が誘導抗力（誘導抵抗）であり、風車の動力損失となる。また、翼端渦により騒音も発生する。【０００４】
誘導抗力は、翼が揚力を発生している限り、その発生を避けることができない抗力であり、翼端があるために生じる抗力であるから、翼弦長に対して翼幅を大きくする等、翼端の渦による影響をできる限り小さくしてやることにより、誘導抗力も小さくすることができる。誘導抗力を小さくすれば全体として抗力も減少し、その結果、揚抗比が増加するので、必要推力又は必要馬力を軽減できる。風車翼においても、アスペクト比の大きな翼を採用し、翼端部の翼弦長を斬減させ、翼端の渦による影響をできる限り小さくして誘導抗力を低減させているが、それでも十分ではない。【０００５】
また、ローター直径に対する風車の音響パワーレベルは、大型風車では、ローター直径の長大化に伴い音響パワーレベルが増加している傾向がある。このことから、騒音は、回転数の影響に比べ長大化による翼先端での周速の影響の方が大きいと考えられる。【０００６】
従来、風車の騒音は翼空力音、ナセル、タワー等からの機械音に分類されているが、現在、ウインドファームに建設されている１〜３ＭＷクラスの大型風車では、翼空力音が支配的である。そのため、風車の騒音低減のためには、翼から発生する空力騒音を低減する必要がある。翼端渦による騒音は限定的とはいえ、翼端部の流れを乱し動力損失の原因にもなるため、低減が望まれる。【０００７】
特許文献１には、翼端部に背側又は腹側に所定の角度（１５°〜５５°）で折り曲げて形成したウイングレットを備えた風車翼が記載されている。このような構成の風車翼によれば、風車翼の翼端部に発生する渦を低減させることができるので、翼端渦による動力損失を低減させることができる。また、風車翼の翼端部に発生する渦による騒音の発生も低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１８０７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の風車翼は、ウイングレットのないものに比べて、動力損失及び騒音の発生を低減させることができるが、ローター直径が長大化された１〜３ＭＷクラスかそれ以上の大型風車の風車翼に適用した場合には、動力損失及び騒音の発生を十分に低減させることができない。【００１０】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、ローター直径が長大化された１〜３ＭＷクラスかそれ以上の大型風車の風車翼に適用した場合であっても、動力損失及び騒音の発生を十分に低減させることができる風車翼及びそれを備えた風力発電装置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】
【００１１】
上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、本発明は、水平軸揚力型の風車に用いられる風車翼であって、翼根から翼端にかけて翼弦長が漸次小さくなる断面流線形状の翼本体と、該翼本体の翼端に一体に設けられる小翼とを備え、前記小翼は、先端が尖った形状に形成され、先端と後端の前縁及び後縁とを結ぶ前側線及び後側線がそれぞれ所定の曲率の曲線に形成されるとともに、先端が前記翼本体の翼端の後縁よりも回転方向の後方、かつ、前記翼本体の翼長方向の外方に位置するように、形状が設定されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の風車翼によれば、小翼を先端が尖った形状に形成するとともに、小翼の先端と後端の前縁及び後縁とを結ぶ前側線及び後側線をそれぞれ所定の曲率の曲線に形成したことにより、風車翼の翼端部での上下面の圧力差を小さくすることができるので、翼端部に発生する翼端渦を弱くすることができ、翼端渦により発生する騒音を低減させることができる。
また、小翼の先端を翼本体の翼端の後縁よりも回転方向の後方、かつ、翼本体の翼長方向の外方に位置させたことにより、翼端渦の発生位置を翼本体の翼端の後縁よりも後方、かつ、外方に離すことができ、風車翼への翼端渦による影響を低減させることができるため、誘導抗力を低減させて動力損失を低減させることができる。
【００１３】
また、本発明において、前記小翼は、上下面が前記翼本体の上下面に対して所定の角度立上るように、前記翼本体の翼端に一体に設けられていることとしてもよい。【００１４】
本発明の風車翼によれば、風車翼の翼端部に発生する翼端渦の位置を、翼本体の翼端の上面よりも上方、かつ、翼本体の翼端の後縁よりも後方、かつ、翼本体の翼端よりも外方に離すことができる。従って、風車翼の動力損失を低減させることができるとともに、誘導抗力によって風車翼の翼根に生じるモーメントも低減させることができる。【００１５】
また、本発明において、前記小翼の立上角度は、３０°〜９０°であることとしてもよい。【００１６】
本発明の風車翼によれば、小翼の立上角度を３０°〜９０°の範囲内で適宜に設定することにより、断面形状の異なる各種の風車翼に適用した場合であっても、動力損失及び空力騒音の発生を確実に低減させることができる。【００１７】
また、本発明において、前記小翼は、先端が尖った平面視略鎌形状に形成されていることとしてもよい。【００１８】
本発明の風車翼によれば、先端が尖った平面視略鎌形状の小翼により、風車翼の翼端部に発生する翼端渦を弱くすることができ、動力の損失、及び空力騒音の発生を低減させることができる。【００２１】
また、本発明において、前記小翼の後端は、前記翼本体の翼端と同一大きさ、形状の断面流線形状をなし、該小翼の後端が前記翼本体の翼端に一体に取り付けられていることとしてもよい。【００２２】
本発明の風車翼によれば、小翼と翼本体との連結部を滑らかにすることができるので、両者の連結部に乱流が発生するのを防止できる。【００２３】
また、本発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の風車翼を複数備えてなる風車と、該風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変化する発電機とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上、説明したように、本発明の風車翼及びそれを備えた風力発電装置によれば、風車翼の翼端部での上下面の圧力差を小さくすることができるので、翼端部に発生する翼端渦を弱くでき、動力損失を低減させることができる。
また、翼端渦の発生する位置を、風車翼の翼端よりも回転方向の後方、かつ、風車翼の翼長方向の外方、かつ、上方に離すことができるので、翼端渦による空気騒音の発生を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による風力発電装置の一実施の形態を示した正面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】本発明による風車翼の一実施の形態を示した平面図であって、図１のＡ−Ａ線の図中右側の部分を図１の手前側から見た平面図である。
【図４】図３の正面図であって、図１のＡ−Ａ線の図中右側の部分を図１のＢ方向から見た正面図である。
【図５】小翼の平面図であって、図１のＡ−Ａ線の右側の部分の先端の小翼を図１の手前側から見た平面図である。
【図６】図１のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。
【図７】本発明による風車翼の他の実施の形態を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図６には、本発明による風力発電装置の一実施の形態が示されている。本実施の形態の風力発電装置１は、図１及び図２に示すように、水平軸揚力型の風車２と、風車２の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機５と、発電機５の付帯設備６と備えている。
【００２７】
風車２は、図１及び図２に示すように、地上等に立設された塔３と、塔３の上端部に略水平方向を向くように設置されたナセル４と、ナセル４の先端に回転可能に取り付けられた複数の風車翼１１とを備えている。
【００２８】
ナセル４は、内部に空所を有する箱状をなすものであって、ナセル４の空所内に発電機５及びその付帯設備６が収容されている。ナセル４の先端から発電機５側の回転軸７が所定の長さ突出し、この突出している回転軸７の部分にローターハブ８が取り付けられている。
【００２９】
ローターハブ８は、例えば、円筒状をなすものであって、回転軸７の先端に嵌合等の手段によって一体に取り付けられている。ローターハブ８の周面には、複数の支持軸９が回転軸７に対して放射状に一体に取り付けられ、各支持軸９にそれぞれ風車翼１１が取り付けられている。ローターハブ８及び支持軸９は、先端が球面状に形成されたカバー１０によって閉塞され、風車翼１１のみがカバー１０から外方に放射状に突出するように構成されている。
【００３０】
風車翼１１は、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック等の繊維強化プラスチックから形成されるものであって、図３〜図６に示すように、長さ方向の一端１５側がローターハブ８側の支持軸９に取り付けられる中空板状の翼本体１２と、翼本体１２の翼長方向の他端１６に一体に設けられる小翼２５とから構成されている。
なお、図３〜図６では、翼本体１２のローターハブ８との取付部は図示を省略している。
また、以下において、翼本体１２の一端１５を翼根１５といい、他端１６を翼端１６という。
【００３１】
翼本体１２は、図６に示すように、断面流線形状をなすものであって、図３に示すように、翼長方向の翼根１５から翼端１６にかけて翼弦長ａが漸次小さくなるように、かつ、翼長方向の翼根１５から翼端１６にかけて翼厚ｂが漸次薄くなるように、翼弦長ａ及び翼厚ｂがそれぞれ設定され、翼弦長ａ及び翼厚ｂが最小となる翼本体１２の翼端１６に小翼２５が一体に設けられている。
【００３２】
なお、ここで、断面流線形状とは、図６に示すように、回転方向の前縁１８が丸く、回転方向の後縁１９が尖った断面形状を意味する。
また、翼弦長ａとは、翼本体１２の前縁１８と後縁１９とを結ぶ直線（翼弦線ともいう。）の長さを意味し、翼厚ｂとは、翼弦長ａと直交する方向の翼本体１２の上面１３と下面１４との間の距離を意味する。
【００３３】
小翼２５は、図３に示すように、翼本体１２の基準線２０（翼弦長ａの１／４に相当する位置を結ぶ線）と基準線３４（翼弦長ａの１／４に相当する位置を結ぶ線）が、関連性を得るように、翼本体１２の翼端１６に接着剤等の接合手段によって一体に取り付けられている。また、基準線３４は、平面視略鎌形状のカーブを描きながら回転方向へ方向を変える。
【００３４】
小翼２５は、図３及び図５に示すように、例えば、先端２８が尖った形状に形成され、後端２９が直線状に形成され、先端２８と後端２９の前縁３０及び後縁３１とを結ぶ前側線３２及び後側線３３がそれぞれ所定の曲率の曲線に形成される平面視略鎌形状をなすものであって、後端２９の直線状の部分が翼本体１２の翼端１６に一体に取り付けられている。
【００３５】
小翼２５は、後端２９の断面形状が翼本体１２の翼端１６の断面形状と同一大きさの断面流線形状に形成され、翼本体１２の翼端１６に後端２９を取り付けた際に、小翼２５の後端２９の前縁３０及び後縁３１が翼本体１２の翼端１６の前縁１８及び後縁１９に連続し、小翼２５の後端２９の上面２６及び下面２７が翼本体１２の上面１３及び下面１４に連続するように、翼本体１２の翼端１６に一体に取り付けられている。
【００３６】
小翼２５は、図３に示すように、先端２８が翼本体１２の翼端１６の後縁１９よりも後方に位置し、かつ、先端２８が翼本体１２の翼端１６よりも外方（翼本体１２の長さ方向の外方）に位置するように、先端２８と後端２９の前縁３０及び後縁３１とを結ぶ前側線３２及び後側線３３の長さ、前側線３２と後側線３３とのなす角度等が設定されている。
【００３７】
また、小翼２５は、図４に示すように、翼本体１２の上下面１３、１４に対して上下面２６、２７が所定の角度で立上るように、翼本体１２の翼端１６への取付角度（以下、立上角度という）θが設定されている。
なお、本実施の形態においては、立上角度θが３０°となるように、翼本体１２の翼端１６に小翼２５を取り付けている。但し、これに限定することなく、上記の立上角度θは、３０°〜９０°の範囲内で適宜に設定することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態においては、小翼２５を翼本体１２の翼端１６に接着剤等の接合手段によって一体に取り付けたが、小翼２５を翼本体１２と一体に形成してもよい。
また、本実施の形態においては、小翼２５を平面視略鎌形状に形成しているが、簡便に製作するために、小翼２５を平面視略三角形状に形成してもよい。
【００３９】
上記のように構成した本実施の形態の風力発電装置１にあっては、風車翼１１の翼本体１２の翼端１６に先端が尖った略鎌形形状の小翼２５を設けて、小翼２５を風車翼１１の翼端としたことにより、風車翼１１の翼本体１２の翼端１６での上下面１３、１４での大きな圧力差を先細の小翼２５によって小さい圧力差に変換することができる。つまり、小翼２５は、先端に行くほど断面積が小さくなる形状に形成されているので、小翼２５の上下面２６、２７での圧力差は小翼２５の先端に行くほど小さくなり、小翼２５のないものに比べて、風車翼１１の翼端部での圧力差を小さくすることができる。
【００４０】
従って、１〜３ＭＷの大型風車２のアスペクト比の大きい細長い風車翼１１に適用した場合であっても、風車翼１１の翼端部に発生する翼端渦を弱くすることができるので、風車翼１１の翼端部に発生する誘導抗力を低減させることができ、風車２全体としての動力損失を低減させることができ、風車２の出力を高めることができる。
【００４１】
また、小翼２５の先端２８を尖った形状にして、小翼２５の先端２８を翼本体１２の翼端１６の後縁１９よりも後方、かつ、翼本体１２の翼端１６よりも翼長方向の外方に位置させたことにより、風車翼１１の翼本体１２の翼端１６での上下面１３、１４での大きな圧力差を先細の小翼２５で小さい圧力差に変換することができ、風車翼１１の翼端部（小翼２５に相当する部分）に発生する翼端渦を弱くできるとともに、この弱い翼端渦の発生位置を小翼２５の先端２８、つまり、翼本体１２の翼端１６の後縁１９よりも後方、かつ、翼本体１２の翼長方向の外方に離すことができる。
【００４２】
従って、１〜３ＭＷの大型風車のアスペクト比の大きい細長い風車翼１１に適用した場合であっても、風車翼１１の翼端部の翼端渦による影響を低減させることができるので、小翼２５のないものに比べて、翼端渦により発生する騒音を大幅に低減させることができ、風車２全体としての空力騒音を大幅に低減させることができる。
【００４３】
また、小翼２５の上下面２６、２７を翼本体１２の上下面１３、１４に対して約３０°立ち上げたことにより、風車翼１１の翼端部に発生する翼端渦の位置を、翼本体１２の翼端１６の上面１３よりも上方、かつ、翼本体１２の翼端１６の後縁１９よりも後方、かつ、翼本体１２の翼端１６よりも翼長方向の外方に離すことができる。
【００４４】
従って、風車翼１１の翼端部に発生する誘導抵抗に翼長を乗じることによって求められる動力損失、及び風車翼１１の翼根に生じるモーメントを、小翼２５の上下面２６、２７を翼本体１２の上下面１３、１４と面一に形成したものよりも低減させることができるので、風車翼１１の構造を強化することなく、風車２全体としての効率を高めることができる。
【００４５】
図７には、本発明による風力発電装置１の他の実施の形態が示されている。本実施の形態の風力発電装置１は、風車翼１１の翼本体１２の翼端１６に、一端２２の断面形状が翼本体１２の翼端１６と同一大きさ、形状の断面流線形状の前進翼部２１を、翼本体１２の基準線２０に対して基準線２４が回転方向前方に所定の角度傾く前進翼部２１を一体に形成し、この前進翼部２１の他端２３（翼端２３）に前記実施の形態と同様の構成の小翼２５を一体に取り付けたものであって、その他の構成は前記実施の形態に示すものと同様である。
【００４６】
そして、本実施の形態の風力発電装置１にあっても、前記実施の形態に示すものと同様の効果を奏する他、前進翼部２１の翼端２３（小翼２５との連結部）から翼根（翼本体１２との連結部）方向への空気の流れ（インフロー現象）を発生させることができるので、前進翼部２１のない翼本体１２の翼端部１７よりも翼端部１７に発生する翼端渦を弱くすることができ、翼端渦による動力損失及び空力騒音を大幅に低減させることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  風力発電装置
２  風車
３  塔
４  ナセル
５  発電機
６  付帯設備
７  回転軸
８  ローターハブ
９  支持軸
１０  カバー
１１  風車翼
１２  翼本体
１３  上面（背面）
１４  下面（腹面）
１５  一端（翼根）
１６  他端（翼端）
１７  翼端部
１８  前縁
１９  後縁
２０  基準線
２１  前進翼部
２２  一端
２３  他端（翼端）
２４  基準線
２５  小翼
２６  上面（背面）
２７  下面（腹面）
２８  先端
２９  後端
３０  前縁
３１  後縁
３２  前側線
３３  後側線
３４  基準線
ａ  翼弦長（翼弦線）
ｂ  翼厚
θ  立上角度
【要約】
【課題】  風車翼の翼端部に生じる翼端渦を弱く、かつ風車翼の翼端から離した位置に発生させることにより、風車翼の動力損失を低減させるとともに、風車翼による空力騒音を低減させる。
【解決手段】  水平軸揚力型の風車に用いられる風車翼１１であって、翼根１５から翼端１６にかけて翼弦長が漸次小さくなる断面流線形状の翼本体１２と、該翼本体１２の翼端１６に一体に設けられる先端２８が尖った形状の小翼２５とを備え、前記小翼２５は、先端２８が前記翼本体１２の翼端１６の後縁１９よりも回転方向の後方、かつ、前記翼本体１２の翼長方向の外方に位置するように、形状が設定されている。風車翼１１の翼端部の上下面の圧力差を小さくすることができるので、風車翼１１の翼端部に発生する翼端渦を弱く、かつ翼端から離れた位置に発生させることができ、動力損失及び空気騒音の発生を低減させることができる。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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