[发明专利]风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法。

背景技术

近年来，作为干净能源，基于风车的发电不断发展。风车利用风力使叶片绕着轴旋转，将该旋转力转换成电力而得到发电输出。

风车的发电输出由轴端输出（叶片产生的输出）与转换效率（轴承、发电机等的效率）之积来表示。而且，轴端输出由下式表示，若是叶片效率高且叶片直径大的叶片，则发电量提高。

轴端输出=1/2×空气密度×风速³×叶片效率×π×（叶片直径/2）²

叶片效率存在理论上的上限值（贝茨极限=0.593），实际上由于风车尾流的影响和叶片的空气阻力的存在而上限值成为0.5左右。因此，难以将叶片效率再进一步地大幅改善。

另一方面，叶片直径以其平方对输出具有影响，因此为了发电量提高而扩大叶片直径是有效的。然而，叶片直径的扩大会导致空气动力载荷（沿着流入方向作用的推力及向叶根传递的力矩）的增大，因此存在导致转子头、机舱、塔架等设备的大型化或重量增大、以及成本增加的担心/倾向。因此，必需一种抑制叶片的空气动力载荷的增大并同时实现长叶片化的技术。为了避免载荷增大的问题，作为考虑空气动力性（叶片形状性）的方法，考虑了使弦长（叶片弦长）进一步缩短（即，进一步增大纵横尺寸比，或进一步减小坚实度），减少叶片投影面积而降低空气动力载荷的方法。

在此，纵横尺寸比及坚实度由下式表示。

纵横尺寸比=叶片长度²/叶片投影面积···（1）

坚实度=整个叶片投影面积/叶片扫过面积

=（叶片片数×平均弦长）/（π×（叶片直径/2）²）···(2）

通常，风车叶片相对于规定的圆周速度比而具有规定的最适弦长，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为最适弦长，R（叶片半径）为叶片直径的2分之1，λ为设计圆周速度比，CLdesign为设计升力系数，r为叶片截面的半径位置，n为叶片片数。

设计圆周速度比是叶片端圆周速度/无限上游风速。设计升力系数是叶型（叶片截面）的升阻比（升力/阻力）成为最大的迎角的升力系数，由叶型（叶片截面）的（空气动力）形状和流入条件（雷诺数）决定。

图8示出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叶片的规定截面A-A的相对风速度的参数，由下式表示。

雷诺数=空气密度×向叶片截面的相对风速度×叶片截面的弦长/空气的粘性系数

在下述专利文献1中公开了一种风车输出提高用的叶型。具体而言，公开了一种叶片厚度比为14%至45%的范围且设计升力系数为1.10～1.25的范围的叶型（参照权利要求1）。

【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

发明内容

然而，如专利文献1那样即使确定所希望的设计升力系数而实现风车输出的提高，若与此同时未考虑风车叶片的空气动力噪音，则会对设置风车的周围环境造成坏影响。

本发明鉴于这种情况而作出，其目的在于提供一种能够降低风车叶片的空气动力噪音的风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法。

为了解决上述课题，本发明的风车叶片及具备该风车叶片的风力发电装置以及风车叶片的设计方法采用以下的手段。

即，本发明的第一形态的风车叶片中，在设沿着叶片弦线的距前缘的距离为X、从叶片弦线到叶片背侧的距离为Y时，以具有下述第一区域、第二区域、第三区域的方式从最大叶片厚度位置到后缘而规定叶片背侧形状，所述第一区域从叶片背侧的所述最大叶片厚度位置向后缘侧延伸，且所述Y的关于所述X的1次微分量即dY/dX具有第一变化量而减少，所述第二区域位于该第一区域的后缘侧，且所述dY/dX具有比所述第一变化量小的第二变化量而向后缘侧延伸，所述第三区域位于该第二区域的后缘侧，且所述dY/dX具有比所述第二变化量大的第三变化量而减少，并连接至后缘。