CN101878367A - 风车翼及使用该风车翼的风力发电装置 - Google Patents

风车翼及使用该风车翼的风力发电装置 Download PDF

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Abstract

提供一种风力发电装置，其使用能够保持强度且轻质、便宜的芯材的风车翼、及使用该风车翼。一种由纤维强化塑料制外皮(13)形成的风车翼(9)，其将芯材(39)以在纤维层(55)中填充树脂的形式用于外皮(13)或主梁(15)，其中，所述芯材由配置为平面视交叉且各自在厚度方向贯通并成为树脂流路的纤维层(55)与充满该纤维层(55)之间的空间的发泡塑料体(57)一体化形成。

Description

风车翼及使用该风车翼的风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种风车翼及使用该风车翼的风力发电装置。
背景技术
作为用于风力发电装置的风车翼，一般追求轻质、高强度、易制造性，例如，如专利文献1所示，以复合结构来满足这些要求。
其由玻璃纤维强化塑料制且划分成翼形状的外皮与配设于外皮内侧的玻璃纤维强化塑料制主梁的两个部件构成，通过粘接组装两者来获得规定的整体结构。
考虑到压屈强度，如图2、图3所示，在该外皮或主梁中，使用在纤维强化塑料中夹入固体发泡体(芯材)的夹层结构体部分。
以往，作为用作芯材的固体发泡体，一般使用机械强度大的聚氯乙烯发泡体(例如，钟渊化学工业(株)制造的产品“クレゲセル”)。
另外，作为芯材，一般也使用巴尔沙木(バルサ)(一种轻质木材)来代替固体发泡体。
专利文献：日本专利3825346
但是，为了使其具有充分的强度，聚氯乙烯发泡体需要较高密度，则其会变重，从而使成本增加，并会极大地影响风车的性能及制造价格。
另外，由于巴尔沙木是木材，供给量受到制约，不能发展成为稳定量产的方向，因而也会存在价格昂贵的问题。
本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种使用能够保持强度且轻质、便宜的芯材的风车翼、及使用该风车翼的风力发电装置。
本发明为解决所述课题，采用下述手段。
本发明的第一实施例提供一种由纤维强化塑料制外皮形成的风车翼，其将芯材以在纤维层填充树脂的方式用于所述外皮的夹层结构体部分，其中，所述芯材由配置为平面视交叉且各自在各自厚度方向互相贯通、并成为树脂流路的所述纤维层与充满该纤维层之间的空间的发泡塑料一体形成。
根据本实施例的风车翼，因为芯材以在纤维层填充树脂的形式用于所述外皮的夹层结构体部分，所以纤维层形成纤维强化树脂层。
因为该纤维层配置为平面视交叉且各自在厚度方向贯通，所以能够充分确保芯材的强度。
因此，因为充满纤维层之间的空间的发泡塑料不需要追求高强度，所以可以使用轻质(低密度)且便宜的发泡塑料，从而能够降低风车翼的成本。
此外，作为这样的发泡塑料，例如，可以使用由低密度的聚氨酯及聚异氰酸酯(ポリイソシアヌレ一ト)形成的发泡体。
另外，因为填充在纤维层的树脂具有与夹层结构体表面、内面的纤维层粘接的功能，所以夹层结构体能够更加坚固地成为一个整体，并提高耐久性。
在所述实施例中，所述夹层结构体部分优选设置在主梁上，所述主梁架设在相对配置的所述外皮间。
这样，可以减少成本的增加，并抑制主梁的压屈。
在所述实施例中，所述夹层结构体部分优选设置在所述外皮上。
这样，会减少成本的增加，并抑制外皮的压屈。
在所述实施例中，所述芯材优选按照使用场所的形状形成。
这样，芯材可以恰好收纳到规定的设置位置。
在所述实施例中，所述芯材优选形成为多个单元并且利用该单元按照使用场所的形状组装。
这样，通过组装单元，可以容易地处理大型芯材。
在所述结构中，所述单元优选设置为长方体形状，为了形成所使用的场所的形状，而使用形状补正用补正单元。
这样，因为单元仅成为长方体形状，所以能够容易且便宜地进行制造。
此外，因为局部使用补正单元，所以也可以以与单元相同的结构形成，也可以通过现有的固体发泡体或巴尔沙木来形成。
根据本发明的第二实施例，提供一种使用风车翼的风力发电装置，其中，该风车翼使用能够保持强度且轻质、便宜的芯材。
这样，风车发电装置可以将成本的增加限制到最小限度，且具备足够的强度。
根据本发明，沿芯材的厚度方向贯通的纤维层形成纤维强化树脂层，从而能够充分确保芯材的强度。
因此，由于发泡塑料不需要追求高强度，所以可以使用轻质(低密度)且便宜的发泡塑料，从而能够降低风车翼的成本。
另外，因为填充在纤维层的树脂具有与夹层结构体表面、内面的纤维层粘接的功能，所以夹层结构体能够更加坚固地成为一个整体，并提高耐久性。
附图说明
图1是表示涉及本发明一个实施例的风车发电装置的整体大致结构的侧面图；
图2是表示涉及本发明一个实施例的风车翼的横截面的一个例子的横截面图；
图3是表示涉及本发明一个实施例的主梁的剖面的一个例子的剖面图；
图4是表示涉及本发明一个实施例的芯材的宽度方向的剖面图；
图5是表示涉及本发明一个实施例的芯材的长度方向的剖面图；
图6是表示局部剖断涉及本发明一个实施例的芯单元的立体图。
图7是局部剖断表示涉及本发明一个实施例的芯材的其他实施例的平面图；
图8是成形涉及本发明一个实施例的主梁的状态的成形装置的剖面图；
图9是成形涉及本发明一个实施例的腹侧外皮的状态的成形装置的剖面图。
符号说明：
1风力发电装置
9风车翼
13外皮
15主梁
17主梁
19中央夹层结构体部分
25前缘侧夹层结构体部分
27后缘侧夹层结构体部分
29芯材
31芯材
33芯材
35芯单元
37补正芯单元
39芯材
49芯材
55纤维层
57发泡塑料体
具体实施方式
以下，参照附图来说明涉及本发明一个实施例的风力发电装置1。
图1是表示风车发电装置1的整体大致结构的侧面图。
如图1所示，风力发电装置1包括：垂直设置在基础11上的支柱3、设置在支柱3上端的机舱5、在大致水平的轴线周围能够旋转且设置在机舱5的转动体头7、在转动体头7的旋转轴周围呈放射状安装的多枚风车翼9。
从转动体头7的旋转轴线方向到达风车翼9的风力变换为使转动体头7在旋转轴线周围旋转的动力。
在机舱5的外周面的适当部位(例如，上部等)，设置有被省略图示的部件：测定周边的风速值的风速计、测定风向的风向计、避雷针。
在机舱5的内部设置有省略其图示的经由同轴的增速机而与转动体头7连结的发电机。即，通过增速机使转动体头7的旋转增速驱动发电机，由此得到来自发电机的发电机输出。
图2为风车翼9的横截面图。风车翼9包括：划分成翼状的外皮13与用于补强外皮13的强度的主梁(夹层结构体部分)15、17。
外皮13由腹侧外皮13a与背侧外皮13b两个对开体构成。外皮13由玻璃纤维强化塑料(纤维强化塑料)形成。
在腹侧外皮13a及背侧外皮13b的内面设置有：分别在风车翼9的长度方向延伸的中央夹层结构体部分(夹层结构体部分)19a、19b；位于中央夹层结构体部分19a、19b的前缘侧的前缘梁(纤维厚部)21a、21b；位于中央夹层结构体部分19a、19b的后缘侧梁(纤维厚部)23a、23b；位于前缘梁21a、21b的前缘侧夹层结构体部分(夹层结构体部分)25a、25b；位于后缘侧梁23a、23b的后缘侧夹层结构体部分(夹层结构体部分)27a、27b。
在中央夹层结构体部分19a、19b的内部夹入有芯材29a、29b。在前缘侧夹层结构体部分25a、25b的内部夹入有芯材31a、31b。在后缘侧夹层结构体部分27a、27b的内部夹入有芯材33a、33b。
例如，中央夹层结构体部分19a形成为风车翼9的宽度方向的两端部的高度朝向端部逐渐递减，因此，如图4所示，芯材29a也形成为宽度方向的两端部的高度向端部逐渐递减。
在这种情况下，高度不变化的部分也可以由长方体形状的芯单元(单元)35形成，逐渐递减部分也可以由三角柱形状的补正芯单元(补正单元)37形成。因为局部使用补正芯单元37，所以其也可以由现有的固体发泡体或巴尔沙木来形成。这是因为存在以下可能性，即，如后述所示芯单元35在厚度方向(高度方向)存在纤维层，难以将其完全切断，另外纤维层变少其效果不能充分发挥。
例如，中央夹层结构体部分19a形成为其高度在风车翼9的长度方向上变化，因此，如图5所示，芯材29a也形成为其高度在长度方向上变化。
在这种情况下，高度变化的部分也可以由三角棱柱形状的补正芯单元37形成。其他部分由长方体形状的芯单元35形成。
这样，因为通过将芯单元35组装为规定的形状来形成芯材29a，所以能够容易对应大型的芯材29a。
主梁15设置为，面部在前缘侧梁21a与前缘侧梁21b之间，在风车翼9的长度方向上从根部延伸到尖端附近。
主梁15包括：形成大致矩形剖面的芯材39、覆盖芯材39的前缘侧的前缘侧结构部件41、覆盖芯材39的后缘侧的后缘侧结构部件43。
前缘侧结构部件41及后缘侧结构部件43构成为，前缘侧梁21a侧及前缘侧梁21b侧端部向后缘侧弯曲并相互接合。
前缘侧结构部件41的弯曲部47位于外侧，通过粘接剂结实地与前缘侧梁21a、21b粘接。
前缘侧结构部件41及后缘侧结构部件43由玻璃纤维强化塑料形成。
主梁17设置为，面部在后缘侧梁23a与后缘侧梁23b之间，在风车翼9的长度方向上从根部延伸到尖端附近。
主梁17包括：形成大致矩形剖面的芯材49、覆盖芯材49的前缘侧的前缘侧结构部件51、覆盖芯材49的后缘侧的后缘侧结构部件53。
前缘侧结构部件51及后缘侧结构部件53构成为，后缘侧梁23a侧及后缘侧梁23b侧端部向前缘侧弯曲并相互接合。
后缘侧结构部件53的弯曲部位于外侧，通过粘接剂牢固地与后缘侧梁23a及后缘侧梁23b粘接。
前缘侧结构部件51及后缘侧结构部件53由玻璃纤维强化塑料形成。
与芯材29a同样，芯材39、49也是通过组装芯单元35来形成。
另外，根据需要也可以使用各种形状的补正芯单元37。
其次，根据附图6来说明芯单元35的结构。
芯单元35呈大致长方体形状。芯单元35中设置有纤维层55与发泡塑料体(发泡塑料)57。
纤维层55为类似玻璃纤维布的纺织物，沿其面内，树脂例如环氧树脂能够通过。
另外，纤维层55也可以不是纺织品而是垫子形状(マツト状)，还可以是粗纱或者利用粗纱的纺织品。
另外，也可以使用用于碳素纤维、芳族聚酰胺纤维等强化的适宜纤维，而非玻璃纤维。
多个纤维层55配置为在纵方向(例如，风车翼9的长度方向)与横方向(例如，风车翼的宽度方向)交叉的格子状。
各纤维层55设置为在芯单元35的厚度方向贯通。
发泡塑料体57，例如，使用聚异氰酸酯并使其发泡作为低密度发泡体。其也可以使用聚氨酯并使其发泡作为低密度发泡体。
发泡塑料体57呈长方体形状，并形成为可以容纳到由纤维层55形成的空间内的尺寸。
发泡塑料体57与纤维层55通过粘接剂的进行粘接等而被一体化。
纤维层55的配置并非限定于格子状，例如，如图7所示，也可以使一方向上相邻排列的纤维层55相互交错。
另外，纤维层55没有必要形成为跨越贯通整幅，例如，也可以设置为覆盖发泡塑料体57的侧面的大小，使其相互粘接。总之，发泡塑料体57之间可以构成为经由纤维层55来接合。
用来成形主梁15、17及外皮13的成形装置59包括：下模61、上罩63、安装以使其贯通上罩63并连接于未图示的真空泵的吸引配管67、供给树脂的树脂供给配管65。下模61与上罩63之间在闭合时密封。
其次，参照附图2、附图4、附图5、附图6、附图8及附图9来说明风车翼9的制造方法。
首先，制作必要数量的发泡塑料体57，其呈规定大小的长方体形状。其使用规定大小的模，并使聚异氰酸酯发泡。
其次，准备规定大小的纤维层55，进行粘接等以使其位于相邻的发泡塑料体57之间，与发泡塑料体57一体化从而形成芯单元35。由此，芯单元35形成为纤维层55纵横交叉并在厚度方向上贯通。
此时，可以在芯单元35的周围也设置纤维层55。
另外，根据需要制造补正芯单元37。
组合这些芯单元35及补正芯单元37来形成芯材29、31、33、39、49。
其对应成形装置59的准备情况来进行。另外，也可以在向成形装置59设置芯单元的时候进行。
附图8为表示成形装置59成形主梁15的状态的剖面图。在下模61上沿其形状重叠设置玻璃纤维。其重叠量为直到前缘侧结构部件41获得所需的厚度。
在其上，将芯材39置于规定的位置。在其上，重叠设置玻璃纤维，直到后缘侧结构部件43获得所需的厚度。
其结束后，将上罩63向下模61移动并闭合。
在该状态下运转真空泵并吸取模内的空气。在该状态下，通过树脂供给配管67供给，例如液状的环氧树脂。环氧树脂填充于前缘侧结构部件41及后缘侧结构部件43的玻璃纤维、以及芯材39的纤维层55。
通过未图示的加热机构进行加热来使环氧树脂固化。
由此，通过环氧树脂使前缘侧结构部件41及后缘侧结构部件43、以及芯材39结实地成为一个整体。以同样的方式形成主梁17。
附图9表示成形装置59成形腹侧外皮13a的状态的剖面图。在下模61上沿其形状重叠设置玻璃纤维，直到腹侧外皮13a的外侧部分获得所需的厚度。
在其上，将芯材29a、31a、33a分别置于规定的位置。在其上，重叠设置玻璃纤维，直到腹侧外皮13a的内侧部分获得所需的厚度。
并且，与所述主梁15同样，将其形成为一个整体。
另外，以同样的方式形成背侧外皮13b。
以成为内侧的一方为上方来设置背侧外皮13b，将主梁15的一端粘接到前缘侧梁21b的规定位置，将主梁17的一端粘接到后缘侧梁23b的规定位置。
其后，将成为内侧的一方为下方来设置腹侧外皮13a，将主梁15的另一端粘接到前缘侧梁21a的规定位置，将主梁17的另一端粘接到后缘侧梁23a的规定位置。
并且，使腹侧外皮13a及背侧外皮13b的前缘部及后缘部接合。
这样，因为芯材29、31、33、39、49中，树脂例如环氧树脂被填充到纤维层55中，所以纤维层55成为纤维强化树脂层。
因为该纤维层55配置为平面视纵横交叉且各自在厚度方向贯通，所以能够充分确保芯材29、31、33、39、49的强度。
因此，因为充满纤维层55之间的空间的发泡塑料体57不需要追求高强度，所以能够形成轻质且便宜的低密度发泡体，例如，可以使用聚异氰酸酯，从而能够降低风车翼9的成本。
填充于纤维层55中的环氧树脂具有粘接芯材29、31、33、39、49与覆盖芯材的夹层结构体的表面、背面的纤维层的功能，所以这些与芯材29、31、33、39、49成为一个整体，从而能够提高耐久性。
而且，因为填充于这些的树脂是相同的环氧树脂，所以能够更加结实地结合，从而可以进一步提高耐久性。
此外，在本实施例中，虽然在主梁15、17、中央夹层结构体部分19、前缘侧夹层结构体部分25及后缘侧夹层结构体部分27中，使用芯材29、31、33、39、49，但是如果获得必要的强度或为了使成本平衡，也可以仅在任何一处使用。
此外，本发明并非限定于上述实施例，其可以在不脱离其要旨的范围内做出适当变更。

Claims (7)

1.一种风车翼，其由纤维强化塑料制的外皮形成，
其将芯材以在纤维层中填充树脂的方式用于所述外皮的夹层结构体部分，其中，所述芯材由配置为平面视交叉且各自在厚度方向贯通并成为树脂流路的所述纤维层与充满该纤维层之间的空间的发泡塑料一体形成。
2.如权利要求1所述的风车翼，其特征在于，所述夹层结构体部分设置在主梁上，所述主梁架设在相对配置的所述外皮间。
3.如权利要求1或2所述的风车翼，其特征在于，所述夹层结构体部分设置在所述外皮的内面。
4.如权利要求1～3中任一项所述的风车翼，其特征在于，所述芯材按照使用场所的形状形成。
5.如权利要求1～4中任一项所述的风车翼，其特征在于，所述芯材形成为多个单元，并且利用该单元按照使用场所的形状组装。
6.如权利要求5所述的风车翼，其特征在于，所述芯材设置为长方体形状，并使用形状补正用补正单元用于形成所使用的场所的形状。
7.一种风力发电装置，其使用如权利要求1～6中任一项所述的风车翼来进行发电。
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