[发明专利]风车翼及具备该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及风车翼及具备该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法。

背景技术

近年来，作为在发电时不排出温室效应气体的清洁能源，风力发电装置引起注目。风力发电装置借助风力而使风车翼绕轴旋转，将其旋转力转换成电力而得到发电输出。

风力发电装置的发电输出由轴端输出（翼产生的输出）与转换效率（轴承或发电机等的效率）之积来表示。而且，轴端输出由下式表示，若是翼效率高、翼直径大的翼，则发电量提高。

轴端输出=1/2×空气密度×风速³×翼效率×π×（翼直径/2）²

翼效率存在理论上的上限值（贝茨极限=0.593），实际上由于风车后流的影响和翼的空气阻力的存在而上限值成为0.5左右。因此，难以实现翼效率的更进一步的大幅的改善。

另一方面，翼直径以其平方对输出具有影响，因此为了提高发电量而扩大翼直径是有效的。然而，翼直径的扩大会导致空气动力载荷（作用于流入方向的推力及传递到翼根的力矩）的增大，因此存在导致旋翼头、机舱、塔架等设备的大型化或重量增大、甚至成本增加的担心·倾向。因此，必需一种抑制翼的空气动力载荷的增大并实现长翼化的技术。为了避免载荷增大的问题，作为空气动力学上（翼形状上）考虑的方法，可以考虑进一步缩短弦长（翼弦长）（即，进一步增大展弦比或进一步减小弦节比）而减小翼投影面积来降低空气动力载荷的方法。

在此，展弦比及弦节比由下式表示。

展弦比=翼长²/翼投影面积  （1）

弦节比=全翼投影面积/翼扫过面积

=（翼张数×平均弦长）/（π×（翼直径/2）²）  （2）

通常，风车翼相对于规定的周速比而具有规定的最佳弦长，存在下式的关系（Wind Energy Handbook、John Wiley&Sons、p378）。

Copt/R×λ²×CLdesign×r/R≒16/9×π/n  （3）

在此，Copt为最佳弦长、R（翼半径）为翼直径的二分之一、λ为设计周速比、CLdesign为设计升力系数、r为翼截面的半径位置、n为翼张数。

设计周速比为翼端周速/无限上游风速。设计升力系数是翼型（翼截面）的升阻比（升力/阻力）成为最大的迎角下的升力系数，由翼型（翼截面）的（空气动力）形状和流入条件（雷诺数）来决定。

在图26中表示在本说明书中使用的雷诺数的定义。如该图所示，风车中的雷诺数是考虑了以规定的转速旋转的翼的规定截面A-A处的相对风速度而得到的值，由下式表示。

雷诺数=空气密度×向翼截面的相对风速度×翼截面的弦长/空气的粘性系数

为了维持翼的空气动力效率，翼型（翼截面）优选具有以下的特性。

1.设计升力系数高

2.设计升力系数的“组合”最佳化

在此，设计升力系数的“组合”是指由适用于一个风车翼的不同的翼厚比（翼厚的最大值除以弦长所得值的百分率）构成的一连串的翼型组（Airfoil series/family/set）分别具有的设计升力系数的组合。例如，作为适用于风车的翼型的翼厚比，列举出12、15、18、21、24、30、36、42%的组合。

在下述专利文献1中公开了一种风车输出提高用的翼型。具体而言，公开了一种翼厚比为14%至45%的范围而设计升力系数为1.10～1.25的范围的翼型（参照权利要求1）。

另外，在下述专利文献2中，为了抑制翼前缘的粗糙（向翼前缘的废料附着或伤痕、制造误差等）引起的性能下降，而对翼前缘的形状进行规定。具体而言，将翼前缘的弦长位置设为0%及翼后缘的弦长位置设为100%时的2%位置处的距翼背侧的弦的距离除以弦长所得到的值的百分率规定为7%以上且9%以下。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】欧洲专利申请公开第1152148号说明书

【专利文献2】国际公开第2007/010329号

发明内容

【发明要解决的课题】

然而，即便如专利文献1那样确定所希望的设计升力系数，关于如何规定将其实现的翼型，到目前为止还未统一地整理。