JP2013194645A

JP2013194645A - 風力発電装置用ブレード

Info

Publication number: JP2013194645A
Application number: JP2012063860A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakakoshi; 明中越
Original assignee: Mitsubishi Plastics Inc
Current assignee: Mitsubishi Plastics Inc
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】風力発電装置用ブレードの落雷損傷を低減させ、かつ、捻り変形を抑制して風力発電装置用ブレードの大型化を図る。
【解決手段】主桁４がＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体からなり、外皮部３がピッチ系炭素繊維をダブルバイアスに配置した炭素繊維複合樹脂成形体で形成されている風力発電装置用ブレード１。主桁は、ウェブ部と、前記外皮部に重なる桁とを有しており、前記外皮部のピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体の厚み（ｔ１）と、該桁のＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体の厚み（ｔ２）との比ｔ１／ｔ２が０．０１〜０．１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電に用いられる風力発電装置用ブレードと、このブレードを用いた風力発電装置に関する。

洋上風力発電装置などの風力発電装置（Ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ）の高出力化を図るため、風力発電装置用ブレードの大型化が図られている。風力発電装置用ブレード（以下、単にブレードということがある。）の大型化を図るために軽量化の要求が有ることから、その素材として炭素繊維の適用が検討されている（例えば特許文献３）。

炭素繊維複合樹脂成形体は、導電性が高いため、炭素繊維複合樹脂成形体をブレード材料に用いた場合、落雷による損傷を受けるリスクが高くなる傾向がある。特に、ブレードが大型化すると、落雷による損傷可能性が高くなる。

特許文献１〜４には、各種の落雷対策技術が提案されている。

特開２００７−１３８７５５号公報特開２００８−１０１５８７号公報特開２００９−３０５９７号公報特開２００７−７７８８９号公報

しかしながら、特許文献１〜３の技術では、落雷によるブレード自体の破損抑制効果は十分ではない。特許文献４のように、金属製メッシュ等をブレード表面に設置するなどの避雷装置による破損低減対策を採った場合、ブレード重量が増加するという問題がある。

本発明は、軽量であると共に、ブレードの落雷損傷を低減させることができ、かつ、捻り変形が抑制される風力発電装置用ブレードと、このブレードを用いた風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の風力発電装置用ブレードは、主桁と、該主桁に支承された外皮部とを有する風力発電装置用ブレードにおいて、該主桁がＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体からなり、該外皮部がピッチ系炭素繊維をダブルバイアスに配置した炭素繊維複合樹脂成形体で形成されていることを特徴とするものである。

本発明の風力発電装置は、かかる本発明のブレードを備えたものである。

ブレード外皮部として、ピッチ系炭素繊維を交差させてダブルバイアスに配置した炭素繊維複合樹脂成形体を用いることによって、落雷によるブレード内部の亀裂破損が抑制される。また、ピッチ系炭素繊維をダブルバイアスに配置した炭素繊維複合樹脂成形体は、ねじれ剛性に優れることから、ブレード回転時に生ずるブレードの捻れを抑制し、風を確実にブレードが受けることが出来、発電効率が向上する。

外皮部を構成する炭素繊維複合樹脂成形体のピッチ系炭素繊維は、熱伝導性が高いため、着氷の原因となる氷結晶核発生が抑制され、着雪氷抑制効果も奏される。

ブレードの主桁を、ＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体で構成することにより、ブレードが軽量化される。従って、本発明のブレードは、例えば９０ｍ級の大型風力発電装置用ブレードとして優れた性能を有する。

ブレードの正面図である。図１のII−II線断面図である。実験結果を示す写真である。実験結果を示す写真である。実験結果を示す写真である。実験結果を示す写真である。実験結果を示す写真である。

図１、図２を参照して、実施の形態に係る風力発電装置用ブレード１の構成について詳しく説明する。

この風力発電装置用ブレード１は翼型に形成されている。ブレード１の翼長は例えば３０〜９０ｍ又はそれ以上とされるが、これに限定されない。このブレード１は風を受けて回転力を得るものであり、風力発電装置のローターハブ（図示せず）に接続されるルート部（Ｒｏｏｔ）２と、翼型の外皮部３と、当該外皮部３の内部にブレード長手方向に延設された複数の主桁４とからなる。

ルート部２は、円筒構造となっており、ローターハブとの接続強度を確保するために、外皮部３よりも肉厚となっている。

外皮部３は、空力学的に回転力を得る翼型に形成されており、軽量化を図るためにルート部２よりも肉薄となっている。ブレード１のルート部２近傍は、ルート部２から離隔するにつれてルート部２の円筒構造から翼型の変形楕円構造に変化し、その翼幅（ｃｈｏｒｄ）Ｗが徐々に広がっている。

ブレード１のルート部２以外の部分の断面形状は、翼型の変形楕円構造であって、先端側に向ってその翼幅Ｗが徐々に小さくなっている。ブレード１の幅方向断面形状は、図２の通り、前縁から後方に向ってその厚みが徐々に増加して最大厚さに至り、その後、ブレード１の回転方向後縁に向って、その厚みが徐々に減少し、翼尾が長く延びるものとなっている。

外皮部３は、上側外皮部３ａ及び下側外皮部３ｂと、ブレード１の前縁を構成するノーズ部３ｃと、ブレード１の後縁を構成するテール部３ｄとを有している。

主桁４は、ブレード１の長尺方向に延設されている長尺状形成体である。

主桁４は一体成形された構造でも、複数の部材から構成されていてもよい。図２において主桁４は、ブレードの長尺方向に延設されるウェブ（Ｗｅｂ）４ａと、ウェブ４ａと、その両端縁に設けられて上側及び下側外皮部３ａ，３ｂに接合される桁４ｂ、４ｃとからなっている。このウェブ４ａは、上側外皮部３ａ及び下側外皮部３ｂに対して略垂直に配置されており、その一端縁が、上側外皮部３ａと直接的又は間接的に接続されているとともに、その他端縁が、下側外皮部３ｂと直接的又は間接的に接続されている。ウェブ４ａは、図示しない受け部材を介して、桁４ｂ，４ｃ又は上下の外皮部３ａ、３ｂに接続されてもよい。

主桁４は、上側外皮部３ａと下側外皮部３ｂとを支持しており、ブレード１が前後方向等に撓むのを抑制する機能を備える。

図２の様に複数枚のウェブ４ａを設けると、閉断面が形成されるのでブレード１の剛性を高め、ブレード１の撓みを更に抑制することができる。

この実施の形態では、上側外皮部３ａと下側外皮部３ｂとの離間距離が最も広くなった位置以外に、ブレード１の回転方向後方側にもウェブ４ａが配置されている。これにより、更に撓み抑制効果が向上したものとなっている。

外皮部３はピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体よりなる。外皮部３の少なくとも一部は、高熱伝導率を有するピッチ系の炭素繊維をダブルバイアスに配置した炭素繊維複合樹脂成形体で構成されている。これにより、落雷時に発生するジュール熱を分散、及び放散させてブレードの損傷を低減させるとともに、ブレードの捻り変形を抑制した細長い（スレンダー）形状の大型軽量ブレードが構成される。

本発明では、少なくとも上側外皮部３ａ及び下側外皮部３ｂを、ピッチ系炭素繊維をダブルバイアスに配置したピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体にて構成することが好ましく、特に、外皮部３の全てを、ピッチ系炭素繊維をダブルバイアスに配置したピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体にて構成することが好ましい。

ノーズ部３ｃ及びテール部３ｄにも、ピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体を用いることにより、風力発電装置用ブレードの回転方向に生じる撓みを抑制しつつ、落雷時の電流をルート部２へ導くことができる。

ピッチ系炭素繊維の交差配置（ダブルバイアス配置）角度は任意であり、ダブルバイアス配置であればその角度を部位や羽形状等から適宜選択して決定すればよいが、その角度は通常±１０°〜８０°であり、中でも±３０°〜６０°、特に±４０°〜６０°であることが好ましい。

ピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体の原料であるピッチ系炭素繊維としては、ブレード先端のねじり変形抑制のために、引張弾性率４００〜９００ＧＰａのものが好ましく、特に５５０〜７５０ＧＰａのものが好ましい。

また、このピッチ系炭素繊維の熱伝導率は、落雷時に熱エネルギーを拡散させ易くするために、８０〜８００Ｗ／ｍ・Ｋであるものが好ましく、中でも１１０〜７００Ｗ／ｍ・Ｋ、特に１３０〜７００Ｗ／ｍ・Ｋのものが好ましい。このピッチ系炭素繊維の体積抵抗率は、落雷時に電気エネルギーを拡散させ易くするために７．５μΩｍ以下であることが好ましく、中でも１．５〜７．５μΩｍであることが好ましい。

上下の外皮部３ａ，３ｂのピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体の厚みは、通常０．１ｍｍ以上あればよく、中でも本発明の効果が顕著となることから０．５ｍｍ以上、中でも１ｍｍ以上であることが好ましく、その上限は１０ｍｍ以下、中でも５ｍｍ以下であることが好ましい。この範囲とすることによって、ブレードの軽量化と落雷による破損抑制効果の双方を奏することができる。

外皮部３は、大型ブレードの外表面を複数個に分割したものを組み合わせて一体化してもよい。具体的には例えばブレード外皮部３のうち、上側及び下側外皮部３ａ、３ｂと、ブレードの回転方向前端部に設けられるノーズ部３ｃと、回転方向後端部に設けられるテール部３ｄとを個別パーツとして成形し、これらを一体化してもよい。これら個別パーツは、同じ炭素繊維複合樹脂成形体で構成しても、また本発明の効果を損なわない範囲であれば、別組成の成形体としてもよい。

上側外皮部３ａ、下側外皮部３ｂ、ノーズ部３ｃ及びテール部３ｄはすべて同一のピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体で構成されてもよく、一部を別の材料で構成してもよい。例えば、外皮部の一部をＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体やガラス繊維複合樹脂成形体で形成してもよい。高強度のＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体を外皮部の一部に用いることによって、ブレードの強度を向上させることができる。ノーズ部３ｃ及びテール部３ｄは、風力発電装置用ブレードの回転方向に生じる撓みを抑制しつつ、落雷時の電流をルート部２へ導く為に、高弾性かつ低電気抵抗のピッチ系炭素繊維がブレードの長さ方向に配列した一方向炭素繊維複合樹脂成形体で構成されることが好ましい。

主桁４においては、ウェブ部４ａは例えばＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体、または、ガラス繊維複合樹脂成形体で構成されている。桁４ｂ，４ｃはともにＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体よりなる。上下の外皮部３ａ，３ｂの厚みｔ１と桁４ｂ，４ｃの厚みｔ２との比ｔ１／ｔ２を０．０１〜０．１特に０．０２〜０．０５とすることによって、ブレードの軽量化、落雷破損抑制効果が顕著となるので好ましい。

主桁４をＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体で構成することにより、ブレードを軽量化し、且つ風力発電装置用ブレードの前後方向に生じる撓みを抑制することができる。特に風車後方への撓みを抑制し、その回転時における風車後方の風車支柱への接触を回避し、破損等の大事故を防ぐことができる。

このように、風力発電装置用ブレード１の落雷損傷を低減しつつ、重量増加を抑制して風力発電装置用ブレード１を大型化し、風力発電装置の高出力化を図ることができる。

本発明では、外皮部３や主桁４（ウェブ部４ａ及び桁４ｂ、４ｃを含む。）の一部に高強度のガラス繊維を用いてもよい。この様に高強度のガラス繊維を外皮部や主桁に用いることによって、風力発電装置用ブレード１の強度を向上させることができる。

ルート部２は、ＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体で構成することによって、強度が向上するので好ましいが、これに限定されない。

本発明においては、外皮部３の最外層に被覆層を設けて表面の凹凸を修正し、風の流れを円滑にするようにしてもよい。被覆材としては、樹脂フィルムや塗料などから適宜選択して決定すればよいが、中でも高導電性、高熱放散性を有する黒鉛粉等を配合したものが好ましい。また本発明の効果を損ねない範囲であれば、落雷時の電流を外皮部３から風車支柱を経てアースへ導く金属ワイヤー等を併用してもよい。

以下に実施例、比較例を示し、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない範囲に於いて、以下の実施例に制限されるものではない。以下の実施例１〜３、比較例１，２は、炭素繊維複合樹脂成形体への落雷損傷を実験的に模擬試験したものである。

［実施例１］
三菱樹脂社製ピッチ系炭素繊維ダイアリード（登録商標）Ｋ６３７１２をエポキシ樹脂に含浸させたプリプレグＡ（繊維配向：±４５°）と、三菱レイヨン社製ＰＡＮ系炭素繊維パイロフィル（登録商標）ＴＲ５０Ｓをエポキシ樹脂に含浸させたプリプレグＢ（繊維配向：０°）を用いた。

プリプレグＡの炭素繊維使用量は５６０ｇｓｍであり、２８０ｇｓｍの炭素繊維を配向角４５°で均等量配置したプリプレグである。尚、ｇｓｍは、１ｍ^２当たりの炭素繊維重量（グラム）を示す。

ダイアリード（登録商標）Ｋ６３７１２は、高弾性を有するものであり、引張弾性率が約６４０ＧＰａ、引張強度が約２６００ＭＰａ、破断伸びが約０．４％、密度が約２．１２ｇ／ｃｍ^３、熱伝導率が約１４０Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率が約６．６μΩｍの特性を有する。

パイロフィル（登録商標）ＴＲ５０Ｓは、高強度を有するものであり、引張弾性率が約２４０ＧＰａ、引張強度が約４９００ＭＰａ、破断伸びが約２．０％、密度が約１．８２ｇ／ｃｍ^３、熱伝導率が約３０Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率が約１５μΩｍの特性を有するものである。

厚み５ｍｍを有するプリプレグＢの上下に、０．５ｍｍ厚のプリプレグＡを設けて一体積層し、加熱成形（硬化）し、炭素繊維複合樹脂成形体試験片を作成した。

試験片のサイズは、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×６ｍｍｔで、プリプレグＢに相当する厚みが５ｍｍｔ、プリプレグＡに相当する厚みが０．５ｍｍｔ×２（上下）であった。

この試験片１の中央部に、インパルス電流発生装置（ＩｍｐｕｌｓｅＣｕｒｒｅｎｔＧｅｎｅｒａｔｏｒ。ＨＡＥＦＥＬＹ社製。）を用い、試験体に対して約２ｍｍの空間（ギャップ）をとった状況でインパルス電流を通電した。通電条件は、表１に記載の４条件であった。

試験後に測定した損傷深さ、及び損傷面積は、各々以下の通りであった。
条件１：損傷深さ０．２５ｍｍ、損傷面積１５ｃｍ^２
条件２：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積２８ｃｍ^２
条件３：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積５０ｃｍ^２
条件４：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積５０ｃｍ^２

［実施例２］
プリプレグＡに相当する厚みが１．０ｍｍｔ×２（上下）で試験片サイズが１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×７ｍｍｔとした以外は、実施例１と同様に実施した。

試験後に測定した損傷深さ、及び損傷面積は、各々以下の通りであった。
条件１：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積１０ｃｍ^２
条件２：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積２１ｃｍ^２
条件３：損傷深さ０．７５ｍｍ、損傷面積３２ｃｍ^２
条件４：損傷深さ０．７５ｍｍ、損傷面積４５ｃｍ^２

［比較例１］
プリプレグＡの代わりに、プリプレグＢ（厚み１ｍｍ）を繊維配向：±４５°で積層した以外は、実施例２と同様に実施した。

試験後に測定した損傷深さ、及び損傷面積は、各々以下の通りであった。
条件１：損傷深さ０．２５ｍｍ、損傷面積２０ｃｍ^２
条件２：損傷深さ１．０ｍｍ、損傷面積３９ｃｍ^２
条件３：損傷深さ０．７５ｍｍ、損傷面積６０ｃｍ^２
条件４：損傷深さ１．０ｍｍ、損傷面積６４ｃｍ^２

［比較例２］
プリプレグＢの厚みを０．５ｍｍとした以外は、比較例１と同様に実施した。

試験後に測定した損傷深さ、及び損傷面積は、各々以下の通りであった。
条件１：損傷深さ０．２５ｍｍ、損傷面積１８ｃｍ^２
条件２：損傷深さ０．７５ｍｍ、損傷面積４６ｃｍ^２
条件３：損傷深さ５．５ｍｍ、損傷面積８０ｃｍ^２
条件４：損傷深さ６．０ｍｍ、損傷面積８０ｃｍ^２

［実施例３］
実施例２に用いたプリプレグＡの代わりに、三菱樹脂社製炭素繊維ダイアリード（登録商標）Ｋ１３Ｃ２Ｕをエポキシ樹脂に含浸させたプリプレグＤを用いて繊維配向：±４５°で厚み１．１ｍｍにて積層した以外は、実施例２と同様に実施した。

ダイアリード（登録商標）Ｋ１３Ｃ２Ｕは、高熱伝導を有するものであり、引張弾性率が約９００ＧＰａ、引張強度が約３８００ＭＰａ、破断伸びが約０．４％、密度が約２．２ｇ／ｃｍ^３、熱伝導率が約６２０Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率が約１．９μΩｍの特性を有するものである。

試験後に測定した損傷深さ、及び損傷面積は、各々以下の通りであった。
条件１：損傷深さ０．１ｍｍ、損傷面積５ｃｍ^２
条件２：損傷深さ０．３ｍｍ、損傷面積１３ｃｍ^２
条件３：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積１５ｃｍ^２
条件４：損傷深さ０．５ｍｍ、損傷面積１８ｃｍ^２

なお、実施例１〜３、比較例１，２の通電条件４による損傷状況を図３〜７に示す。各図において、左側の写真は試験片の斜め上方から撮影したものであり、中央の写真は断面を示し、右側の写真は断面の拡大写真である。

Claims

主桁と、該主桁に支承された外皮部とを有する風力発電装置用ブレードにおいて、
該主桁がＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体からなり、
該外皮部がピッチ系炭素繊維をダブルバイアスに配置した炭素繊維複合樹脂成形体で形成されていることを特徴とする風力発電装置用ブレード。
請求項１において、前記主桁は、ウェブ部と、前記外皮部に重なる桁とを有しており、
前記外皮部のピッチ系炭素繊維複合樹脂成形体の厚み（ｔ１）と、該桁のＰＡＮ系炭素繊維複合樹脂成形体の厚み（ｔ２）との比ｔ１／ｔ２が０．０１〜０．１であることを特徴とする風力発電装置用ブレード。