JP2018521263A - 風力発電装置用ロータブレードの製造方法、並びに風力発電装置用ロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率がよく且つより迅速に行うことのできる風力発電装置用ロータブレードの製造方法、並びにそれに対応するロータブレードを提供する。
【解決手段】風力発電装置用ロータブレード（２００）の製造方法が提供される。当該方法においては、ロータブレード（２００）の製造に使用される母材（６００）内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）の混合が行われる。その後、風力発電装置用ロータブレード（２００）の少なくとも一部分において母材（６００）を硬化するために、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）を備えた母材（６００）の誘導加熱が行われる。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電装置用ロータブレードの製造方法、並びに風力発電装置用ロータブレードに関する。

風力発電装置用ロータブレードは、ロータブレード付根部とロータブレード先端部を有する。ロータブレード付根部は、典型的には比較的太く構成されており、それは、固定手段を用いてロータブレードをロータハブ又はロータアダプタに固定可能とするために、ロータブレード付根部は、例えばねじ付きロッドなどのような固定手段を受容しなければならないためである。ロータブレード付根部領域において固定手段の十分な強度を設けるために、ロータブレード付根部の領域は、ロータブレードのその他の領域よりも遥かに太く或いはより多くの材料をもって構成されなくてはならない。ロータブレードの材料は、典型的にはエポキシ樹脂を備えたガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）又は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）である。ロータブレードの製造ないし生産、特にロータブレード付根部の製造ないし生産の際には、接着面ないしエポキシ樹脂を温度調節ないし加熱するために多くのエネルギーと時間が必要とされる。

ドイツ特許商標庁は、本出願の優先権の基礎となるドイツ特許出願について、下記特許文献１、下記特許文献２、並びに下記特許文献３を調査した。

DE 10 2008 055 478 A1 DE 10 2009 028 613 A1 US 2010/0065552 A

従って本発明の課題は、エネルギー効率がよく且つより迅速に行うことのできる風力発電装置用ロータブレードの製造方法、並びにそれに対応するロータブレードを提供することである。

前記課題は、請求項１に記載の風力発電装置用ロータブレードの製造方法、並びに請求項５に記載の風力発電装置用ロータブレードにより解決される。

以下、発明を実施するための形態について説明する。

本発明により風力発電装置用ロータブレードの製造方法が提供される。当該方法においては、ロータブレードの製造に使用される母材（マトリックス）内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（金属削り屑 Metallspane）の混合が行われる。その後、風力発電装置用ロータブレードの少なくとも一部分において母材を硬化させるために、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた母材の誘導加熱が行われる。

風力発電装置のロータブレードは、母材（樹脂、エポキシ樹脂）内へ取り込まれているガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）及び／又は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）を有する。ロータブレードの生産の際に、樹脂は、硬化されなくてはならない。本発明によりこのことは、ロータブレードの母材内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを付加すること、並びに金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた母材を誘導加熱することにより行われる。このことは、それにより母材を硬化させるために母材の（内部からの）均等な加熱が達成されるため、有利である。

本発明の一視点により、母材（マトリックス）は、エポキシ樹脂を有する。任意選択的に、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップの割合は、母材の５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつことができる。

本発明によるロータブレードは、プラスチック繊維（ガラス繊維又は炭素繊維）と母材を有し、該母材は、典型的には、例えばエポキシ樹脂のような樹脂である。従って母材は、ロータブレードの構成要素である。

本発明により、母材を硬化させるためのロータブレードの均等な加熱を提供可能とするために、母材内にある金属粒子、金属粉末、ないし金属チップの誘導加熱が提案される。このことは、熱がロータブレードの内部でも発生するため、それにより生産時間を短縮することができるので、有利である。

本発明の更なる一視点により、母材（又は接着剤）は、ロータブレード付根部の領域において、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを有するように設けられており、母材（又は接着剤）は、ロータブレード付根部の領域において、誘導コイルにより発生された誘導磁界にさらされ、それにより金属粒子、金属粉末、ないし金属チップは、誘導加熱され、周りの母材（又は周りの接着剤）へ熱を放出する。

本発明の更なる一視点により、風力発電装置用ロータブレードは、第１部分と第２部分を有し、この際、第２部分は、第１部分の周りに配設されている。金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた母材は、第１部分と第２部分の間に設けられている。第１部分と第２部分は、特にロータブレード付根部の領域に設けられている。

本発明は、同様に、ロータブレード付根部と、ロータブレード先端部と、ロータブレード付根部の領域における母材とを備えた風力発電装置用ロータブレードに関する。母材は、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを有する。金属粒子、金属粉末、ないし金属チップの割合は、母材の５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつ。

本発明の一視点により、金属粉末ないし金属チップは、ロータブレード付根部の領域において接着のために使用される接着剤内へ入れられ又は混合される。誘導コイルの使用により、接着剤内の金属粉末ないし金属チップ、従ってロータブレード付根部における金属粉末ないし金属チップが加熱され、それにより接着面の所望の硬度の達成（テンパリング Temperung）を可能とするために接着剤とロータブレード付根部が加熱される。従ってロータブレード付根部の能動的（アクティブ）な加熱が可能とされる。更にそれにより接着剤だけを加熱ないし硬化させることが可能である。

従って本発明により、風力発電装置用ロータブレードの生産ないし製造の際に使用される母材の誘導加熱又はインダクションヒーティングが提案される。特に、ロータブレード付根部の領域における母材を（従って周りのガラス繊維及び／又は炭素繊維も）誘導加熱することが提案される。母材は、例えばエポキシ樹脂とすることができる。母材には、金属粉末及び／又は金属チップが混合される。誘導加熱により金属は暖かくなり、熱を母材へ放出し、それにより母材も加熱される。このことは、熱の発生元、従って熱源が母材内にあり、熱をもっぱら外部から提供する必要はないという利点を有し、それにより均等な加熱が行われる。

本発明の一視点により、母材内の金属粉末ないし金属チップの割合は、５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をとることができる。

本発明の更なる構成は、下位請求項の対象である。

以下、本発明の利点と実施例を、図面に関連して詳細に説明する。

本発明による一風力発電装置の概要図を示す図である。 一風力発電装置用ロータブレードの概要図を示す図である。 ロータブレードの製造中における一風力発電装置用ロータブレードのロータブレード付根部の概要図を示す図である。 本発明による一ロータブレードのロータブレード付根部の一横断面を示す図である。

図１は、本発明による一風力発電装置の概要図を示している。風力発電装置１００は、タワー１０２と、タワー１０２上にナセル１０４を備えている。ナセル１０４には、３つのロータブレード２００と１つのスピナ１１０とを備えた空気力学的ロータ１０６が設けられている。空気力学的ロータ１０６は、風力発電装置１００の運転時には風力により回転運動を行い、それにより空気力学的ロータ１０６と直接的に又は間接的に連結されている発電機のロータ又は回転子も回転させる。前記発電機は、ナセル１０４内に配設されており、電気エネルギーを発生させる。ロータブレード２００のピッチ角は、各々のロータブレード２００のロータブレード付根部におけるピッチモータにより変更可能である。

図２は、一風力発電装置用ロータブレードの概要図を示している。ロータブレード２００は、ロータブレード付根部２１０とロータブレード先端部２２０を有し、縦方向（長手方向）Ｌに沿って延在する。ロータブレード２００は、母材（例えばエポキシ樹脂）を伴うガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）及び／又は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）から製造される。ロータブレード付根部２１０の領域には、固定ユニット３００が設けられており、これらの固定ユニット３００は、それらの第１端部を用いてロータブレード付根部領域内へ突出し、それらの第２端部を用いて風力発電装置のロータハブに固定可能である。

図３は、ロータブレードの製造中における一風力発電装置用ロータブレードのロータブレード付根部の概要図を示している。特にロータブレード付根部２１０の領域においてロータブレード付根部２１０の材料ないし母材（マトリックス）６００内には、金属粉末又は金属チップ（金属削り屑 Metallspaene）ないし金属粒子（ないしこれらの１以上）４００を設けることができる。更にロータブレード付根部２１０の領域には、複数の固定ユニット３００が設けられており、これらの固定ユニット３００は、それらの第１端部３１０を用いてロータブレード付根部２１０の領域内へ突出し、それらの第２端部３２０を用いてロータブレード付根部２１０から外方へ突出している。ロータブレード付根部２１０は、誘導コイル５００の領域に配置され、誘導コイル５００には、誘導磁界を構成するために、エネルギー供給部５１０を用いて電流／電圧が供給される。この誘導磁界は、ロータブレード付根部２１０の母材６００内の金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ４００が誘導加熱されることをもたらす。金属粒子４００は、周りの母材６００へ熱を放出し、それにより母材６００は、ロータブレード付根部２１０の領域において加熱され、使用されている接着剤を十分に硬化させ、所望の硬度を達成（tempern）することが可能である。

本発明の一実施例により、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ４００は、ロータブレード２００内に設けられる。任意選択的に母材内の金属粒子の割合は、５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつことができる。

金属粒子４００は、誘導コイル５００により発生された誘導磁界内で加熱可能である。従って特にロータブレード付根部２１０の能動的（アクティブ）な加熱を達成することができる。

ロータブレード２００の母材６００内の金属粒子４００の存在により、この領域における材料が導電性となる可能性がある。この場合には、十分な避雷防護を保証する必要があり、それは、そうでなければロータブレードが落雷の場合に損傷してしまうためである。

本発明の一視点により、金属粉末４００は、ロータブレード付根部２１０の領域にのみ設けられ、この領域は、典型的には、ロータブレードの組み立てられた状態においてナセル内に位置する。この際、風力発電装置のナセルは、ファラデーケージとして作用することができるので、ロータブレード付根部２１０の母材６００内の金属粒子の使用は、風力発電装置の避雷防護能力に対して欠点となることはない。

特に極めて太い部分において、ロータブレードの母材内の金属粒子の使用は有利であり、それは、より速く且つより均等な加熱が可能とされるためである。

図４は、本発明による一ロータブレードのロータブレード付根部の一横断面を示している。ロータブレード付根部２１０は、中央部分２１２と、中央部分２１２の周りの更なる周囲部分２１１を有することができる。周囲部分２１１は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）肉太部として構成することができる。任意選択的に中央部分２１２と周囲部分２１１の間に接着すべき部分を設けることができる。これらの領域において、母材ないし接着剤６００には、金属粒子、金属粉末４００などが設けられている。中央部分２１２と周囲部分２１１を互いに接着するために、ロータブレード付根部２１０は、図３に示されているように、誘導磁界内に配置され、それにより金属粒子４００を加熱し、接着部を十分に硬化させることができる。

図４には、ロータブレードの外方の領域２００ａと、ロータブレードの内方の領域２００ｂが示されている。ロータブレード付根部は、好ましくは回転対称に構成されている。

風力発電装置のロータブレードは、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＫ）及び／又は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）を有し、これらは、母材（樹脂、エポキシ樹脂）内へ取り込まれている。ロータブレードの生産の際に、樹脂は、硬化されなくてはならない。本発明によりこのことは、ロータブレードの母材内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを付加すること、並びに金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた母材を誘導加熱することにより行われる。このことは、それにより母材を硬化させるために母材の（内部からの）均等な加熱が達成されるため、有利である。

１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ 空気力学的ロータ
１１０ スピナ
２００ ロータブレード
２００ａ ロータブレードの外方の領域
２００ｂ ロータブレードの内方の領域
２１０ ロータブレード付根部
２１１ 周囲部分
２１２ 中央部分
２２０ ロータブレード先端部
３００ 固定ユニット
３１０ 固定ユニットの第１端部
３２０ 固定ユニットの第２端部
３３０ 固定手段
４００ 金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ
５００ 誘導コイル
５１０ エネルギー供給部
６００ 母材（マトリックス）
Ｌ ロータブレードの縦方向

前記課題は、請求項１に記載の風力発電装置用ロータブレードの製造方法、並びに請求項６に記載の風力発電装置用ロータブレードにより解決される。
即ち本発明の第１の視点により、母材内へ取り込まれたガラス繊維強化プラスチック及び／又は炭素繊維強化プラスチックを有する風力発電装置用ロータブレードの製造方法であって、以下のステップ、即ち、前記母材内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを混合するステップ、及び、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた前記母材を誘導加熱することにより、前記風力発電装置用ロータブレードの少なくとも一部分において前記母材を硬化させるステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
更に本発明の第２の視点により、ロータブレード付根部と、ロータブレード先端部と、少なくとも前記ロータブレード付根部の領域において母材内へ取り込まれたガラス繊維強化プラスチック及び／又は炭素繊維強化プラスチックを備えた風力発電装置用ロータブレードであって、前記母材は、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを有することを特徴とする風力発電装置用ロータブレードが提供される。
尚、本願の特許請求の範囲において付記された図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）ガラス繊維強化プラスチック及び／又は炭素繊維強化プラスチックと母材を有する風力発電装置用ロータブレードの製造方法であって、以下のステップ、即ち、前記母材内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを混合するステップ、及び、前記風力発電装置用ロータブレードの少なくとも一部分において前記母材を硬化させるために、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた前記母材を誘導加熱するステップを含むこと。
（形態２）前記方法において、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップの割合は、前記母材の５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつことが好ましい。
（形態３）前記方法において、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた前記母材は、ロータブレード付根部の領域に設けられており、前記母材は、前記ブレード付根部の領域において、誘導コイルにより発生された誘導磁界にさらされ、それにより金属粒子、金属粉末、ないし金属チップは、誘導加熱され、周りの前記母材へ熱を放出することが好ましい。
（形態４）前記方法において、前記風力発電装置用ロータブレードは、第１部分と第２部分を有し、前記第２部分は、前記第１部分の周りに配設されており、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを備えた前記母材は、前記第１部分と前記第２部分の間に設けられていることが好ましい。
（形態５）前記方法において、前記母材は、樹脂、又はエポキシ樹脂を有することが好ましい。
（形態６）ロータブレード付根部と、ロータブレード先端部と、ガラス繊維強化プラスチック及び／又は炭素繊維強化プラスチックと、少なくとも前記ロータブレード付根部の領域における母材とを備えた風力発電装置用ロータブレードであって、前記母材は、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップを有すること。
（形態７）前記風力発電装置用ロータブレードにおいて、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップの割合は、前記母材の５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつことが好ましい。

Claims (7)

1. ガラス繊維強化プラスチック及び／又は炭素繊維強化プラスチックと母材（６００）を有する風力発電装置用ロータブレード（２００）の製造方法であって、
   以下のステップ、即ち、
   前記母材（６００）内へ、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）を混合するステップ、及び、
   前記風力発電装置用ロータブレード（２００）の少なくとも一部分において前記母材（６００）を硬化させるために、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）を備えた前記母材（６００）を誘導加熱するステップ
   を含むこと
   を特徴とする方法。
2. 金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）の割合は、前記母材（６００）の５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつこと
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）を備えた前記母材（６００）は、ロータブレード付根部（２１０）の領域に設けられており、前記母材（６００）は、前記ブレード付根部（２１０）の領域において、誘導コイル（５００）により発生された誘導磁界にさらされ、それにより金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）は、誘導加熱され、周りの前記母材へ熱を放出すること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記風力発電装置用ロータブレード（２００）は、第１部分（２１２）と第２部分（２１１）を有し、前記第２部分（２１１）は、前記第１部分（２１２）の周りに配設されており、
   金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）を備えた前記母材（６００）は、前記第１部分（２１２）と前記第２部分（２１１）の間に設けられていること
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記母材（６００）は、樹脂、又はエポキシ樹脂を有すること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ロータブレード付根部（２１０）と、ロータブレード先端部（２２０）と、ガラス繊維強化プラスチック及び／又は炭素繊維強化プラスチックと、少なくとも前記ロータブレード付根部（２１０）の領域における母材（６００）とを備えた風力発電装置用ロータブレード（２００）であって、
   前記母材（６００）は、金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）を有すること
   を特徴とする風力発電装置用ロータブレード。
7. 金属粒子、金属粉末、ないし金属チップ（４００）の割合は、前記母材（６００）の５重量パーセントから２０重量パーセントまでの値をもつこと
   を特徴とする、請求項６に記載の風力発電装置用ロータブレード。

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