JP2020084812A - 風車用ブレードおよび風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダウンウィンド方式の風力発電装置において、比較的簡単な構造で、軽量、かつ、柔軟性の高い風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置を提供する。【解決手段】中空のブレードと、前記ブレード内部において、前記ブレードの一端から他端にかけて前記ブレードの軸方向に延伸する軸方向補強材と、前記ブレードの軸方向に所定の張力を有して配置される複数のケーブルと、前記複数のケーブルと前記軸方向補強材が結合される結合部と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、風車用ブレードの構造に係り、特に、大型の風力発電装置の風車用ブレードに適用して有効な技術に関する。

近年、温室効果ガス削減の観点から、発電時に二酸化炭素を排出しない風力発電の導入が進んでいる。風力発電では、風車のブレードが風を受けると、ブレードがロータ軸を軸として回転し、ロータ軸の回転が増速機を介して発電機に伝達されることで発電する。

風力発電に用いられる風車は、近年、コストや発電効率の観点から大型化する傾向にある。風力発電の主流である水平軸風力発電装置の出力は、風速の３乗および受風面積に比例する。風力発電装置の出力を向上させるためには、受風面積、即ち、ブレードの長さを長くすること（以下、長翼化という）が効果的である。

しかし、ブレードの長翼化は、ブレードが風から受ける空力荷重の増大及びブレード自体の重量増加に伴う重量荷重の増大につながることから、ロータを支持するナセルの大型化、タワーの高強度化が必要となりコスト増加の要因になる。

このため、ブレードを長翼化するためには、ブレード断面の翼型を工夫して、コード長を短くして空力荷重を低減すると共に、重量荷重の増大を抑制することが考えられる。

また、風力発電装置の型式には、ロータがタワーより風上側に配置されるアップウィンド方式と、ロータがタワーより風下に配置されるダウンウィンド方式がある。

アップウィンド方式の風力発電装置は、回転するブレードがタワーによる風の乱れの影響を受けにくいという利点があるが、高風速時に空力荷重によりブレードが風下側に撓み、ブレードとタワー間のクリアランスが減少するため、ブレードとタワーが接触する可能性がある。

一方、ダウンウィンド方式の風力発電装置は、ロータがタワーの風下側に位置するため、ブレードを風向きに合わせるヨー駆動装置が不要である。また、強風時には、風速が上がるに従いブレードとタワーのクリアランスが拡大する。

上記のアップウィンド方式の風力発電装置は、ブレードがタワーに接触しないように、ブレードには高い剛性が必要とされ、ブレードに作用する荷重に対する剛性を満たすための構造として、広く採用されているのが、特許文献１に示されているスパーキャップ（Spar Cap）を備える構造である。

このスパーキャップは、ブレードの負圧側と正圧側において、ブレードの長手方向に帯状に配置される構造部材である。通常、スパーキャップは、繊維強化樹脂複合材からなるシートを複数積層することで所望の強度及び剛性を確保している。

国際公開第ＷＯ２０１７／１０８６９２号

上述したように、風力発電装置の大型化に伴いブレードを長翼化していくには、増大する荷重を担うことが重要となり、このためには、繊維強化樹脂複合材シートの積層数を多くする必要があるが、従来のスパーキャップ構造を採用して繊維強化樹脂複合材シートの積層数を多くした場合、技術的な難易度が増すことに加え、ブレード重量の増大につながる。

一方、水平軸の風力発電装置としてダウンウィンド方式を採用する場合には、上述のように、ブレードが空力荷重を受けるとブレードとタワーのクリアランスが拡大する方向に変形することから、アップウィンド方式の風力発電装置に必要とされる程の高い剛性は必要なくなるため、ダウンウィンド方式の風力発電装置の適用拡大が望まれている。

そこで、本発明の目的は、ダウンウィンド方式の風力発電装置において、比較的簡単な構造で、軽量、かつ、柔軟性の高い風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、中空のブレードと、前記ブレード内部において、前記ブレードの一端から他端にかけて前記ブレードの軸方向に延伸する軸方向補強材と、前記ブレードの軸方向に所定の張力を有して配置される複数のケーブルと、前記複数のケーブルと前記軸方向補強材が結合される結合部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、ハブおよび複数のブレードからなり、風を受けて回転するロータと、前記ロータを軸支すると共に、その内部に発電機を収納するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、を備え、前記ロータが前記タワーより風下側に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置であって、前記ブレードは、上記の風車用ブレードであることを特徴とする。

本発明によれば、ダウンウィンド方式の風力発電装置において、比較的簡単な構造で、軽量、かつ、柔軟性の高い風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置を実現することができる。

これにより、風車用ブレードの長翼化が可能となり、発電量の向上が図れる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の風車用ブレードが採用されるダウンウィンド方式の風力発電装置を示す側面図である。 本発明の実施例１の風車用ブレードを示す概念図である。 本発明の実施例１の風車用ブレードのリブ構造を示す概念図である。 本発明の実施例１の風車用ブレードを示す概念図である。 図２及び図４のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 本発明の実施例２の風車用ブレードを示す概念図である。 図６の変形例を示す図である。 図６及び図７のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図５を参照して、本発明の実施例１の風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置について説明する。

図１に、本発明の風車用ブレード（以下、単に「ブレード」ともいう）が採用されるダウンウィンド方式の風力発電装置１０を示す。

図１に示すように、ロータ１がタワー６より風下に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置１０は、複数のブレード２及びブレード２の根元をロータ軸４に接続するためのハブ３から成り、風を受けて回転するロータ１と、このロータ１を回転可能に軸支すると共に、地表面に設置された基礎の上に配置されるタワー６の上部に回転可能に配置され、ロータ軸４、増速機及び発電機（図示せず）を収納するナセル５とを備えている。上記のタワー６は、ロータ１及びナセル５を所定の高さに保持（支持）するための架台である。

そして、ブレード２が風を受けると、ブレード２はロータ軸４を軸として回転し、ロータ軸４の回転は、増速機を介して発電機に伝達されることで発電が行われる。

ナセル５には、図示はしないが駆動装置と制御装置が設置され、ダウンウィンド方式の風力発電装置１０が効率よく発電できるように制御される。

図２から図５に、本実施例の風車用ブレード２を示す。図２はブレード全体を示すとともに、本発明のケーブル構造と軸方向補強材を示す概念図である。図３はブレード長さ方向に配置されるリブ構成の概念図であり、構造を分かり易く示すために、図２で示したケーブル構造や補強材は省略したものである。図４は図２のケーブル構造及び補強材と、図３のリブ構成の両方を示したものである。図５は図２及び図４のＡ−Ａ’部における断面図を示す。

ブレード２のハブ３との接続部の断面は、図２から図４に示すように円筒形状となっているが、先端方向に向け空気力学的に回転力を得るため、それ以外の断面は、図５に示すように翼型に形成されている。また、ブレード２の先端に近くなるに従い、翼の厚さ（Ｔ）と翼弦長（Ｌ）の比である翼厚比は小さくなるように設定（設計）される。

本実施例のブレード２は、図５に示すように、主に繊維強化樹脂複合材の外殻で構成された中空構造となっており、前縁部であるリーディングエッジ（ＬＥ）１１、後縁部であるトレイリングエッジ（ＴＥ）１２、サクションサイド（ＳＳ：負圧面側）１３、プレッシャーサイド（ＰＳ：正圧面側）１４から構成される。また、サクションサイド１３、プレッシャーサイド１４によって外皮（シェル）１５が構成される。

風力発電装置１０の発電運転時には、ブレード２を面外（図５の上下方向）に曲げ変形を起こそうとする荷重が作用するため、ブレード２の内部が中空の状態では、座屈破壊に至る可能性がある。

そこで、本実施例のブレード２では、外皮１５のフラップ（幅広）面の中央付近（外皮１５の厚さ方向の中央付近）に、一方向繊維強化樹脂複合材からなる線材を複数束ねた複数のケーブル２１を配置すると共に、ブレード軸方向の強度を補強するための軸方向補強材２２を備えており、ケーブル２１を軸方向補強材２２と結合部２３（繊維強化樹脂複合材ケーブル２１と軸方向補強材２２の結合部）で結合するとともに、サクションサイド１３の外皮１５とプレッシャーサイド１４の外皮１５を翼型断面を有した複数のリブ２４により支持することで耐座屈性を向上させている。

なお、ケーブル２１を構成する材料として用いられる繊維強化樹脂複合材の強化繊維としては、比弾性率や比強度が高い炭素繊維やガラス繊維が用いられる。大型風車向けの長翼には軽量なブレードとするために炭素繊維を用いることが望ましい。また、シェル１５を構成するサクションサイド１３の外皮とプレッシャーサイド１４の外皮は、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）等の樹脂製発泡体やバルサ等の木材をコア材として、表面を繊維強化樹脂複合材で補強した構造となっている。

ケーブル２１は複数からなり、プレッシャーサイド１４およびサクションサイド１３のブレード２の根元（ハブ３との接続部）から延伸し、ケーブル２１のうち最も短いものから順に軸方向補強材２２のブレード２の根元側（ハブ３との接続部側）から結合部２３によって固定され、最も長いケーブル２１は最もブレード先端に近い部分で軸方向補強材２２の結合部２３に固定される。つまり、複数のケーブル２１は、ブレード２の軸方向において異なる長さで複数配置されており、ブレード２の軸方向に結合部２３を複数備えている。

ケーブル２１はブレード２の外皮１５内または外皮１５の内側に配置される。図５では、外皮１５に軸方向に貫通する貫通孔を設けて、ケーブル２１がその貫通孔内を貫通して設けられている例を示している。ケーブル２１はブレード２の根元においてハブ３との結合部内部においてケーブル２１に所定の張力を付与するよう固定される。

ブレード２をハブ３へ取り付ける際に、ケーブル２１に付与する張力を加減（調整）できるように、外皮１５に固定されないようチューブなどのケースで保護し、チューブを外皮１５に固定するように構成することもできる。また、ケーブル２１を、ブレード２１のハブ３との連結部側にボルト締結により固定することで、ケーブル２１に付与した張力を確実に維持（保持）することができる。

なお、ケーブル２１の太さや本数は強度や剛性の設計に従い増減することができる。ブレード２の強度に関しては、風車荷重解析をすることにより決定することができる。特に、本実施例のようなダウンウィンド方式の風力発電装置１０の場合には、ブレード２が風下側に変形してもタワー６と接触（衝突）することはないため、解析において大きな変形を許容することができ、サクションサイド１３とプレッシャーサイド１４とでケーブル２１の太さや本数を変化させることも可能である。

また、ケーブル２１の張力に抗するようにブレード２の軸方向の強度を補強するため、軸方向補強材２２を複数設けてもよい。また、本実施例では、図５に示すように、軸方向補強材２２をサクションサイド１３及びプレッシャーサイド１４に各１本ずつ、計２本配置する例を示しているが、リーディングエッジ１１側及びトレイリングエッジ１２側にそれぞれ１本ずつ配置してもよい。もちろん、サクションサイド１３、プレッシャーサイド１４、リーディングエッジ１１側、トレイリングエッジ１２側にそれぞれ１本ずつ、計４本配置するようにしてもよいのは言うまでもない。

以上説明したように、本実施例の風車用ブレードは、中空のブレード２と、ブレード２の内部において、ブレード２の一端から他端にかけてブレード２の軸方向に延伸する軸方向補強材２２と、ブレード２の軸方向に所定の張力を有して配置される複数のケーブル２１と、複数のケーブル２１と軸方向補強材２２が結合される結合部２３を備えている。

上記で説明したブレード２の構造（図４）の効果を、例えば、長さ４０ｍのブレードに適用する例で説明する。強度２１００Ｎ／ｍｍ^２のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）ケーブルを用いる構成で、安全率３、ファイバー含有率４０％、サクションサイド１３とプレッシャーサイド１４で同一の構成とし、ケーブル２１の軸方向補強材２２への結合部２３を３ヶ所とした場合、従来一般的に採用されているサクションサイド１３およびプレッシャーサイド１４にスパーキャップを備える構造と比較して、ブレード重量は約３０％軽量化することが可能である。

このように、本実施例のブレード２は、軽量で、かつ、柔らかい構造を備えるため、低コストのブレード２を提供することが可能である。また、従来と同じ重さが許容される場合には、従来よりも長翼化したブレード２を提供することができ、これにより受風面積が拡大することから発電量を向上させることができる。

図６から図８を参照して、本発明の実施例２の風車用ブレードについて説明する。図６はブレード２内のケーブル２１の配置を示す概念図であり、実施例１（図２）の変形例に相当する。図７は図６の更なる変形例であり、ブレード２内に幅方向の補強材となる支柱２５を複数設けた例である。図８は図６及び図７のＢ−Ｂ’部における断面図を示す。

本実施例では、図６及び図８に示すように、外皮１５のフラップ（幅広）面の中央付近（外皮１５の厚さ方向の中央付近）に、一方向繊維強化樹脂複合材からなる線材を複数束ねたケーブル２１を複数配置すると共に、リーディングエッジ１１およびトレイリングエッジ１２側にはブレード２の軸方向の強度を補強するための軸方向補強材２２を備えている。

なお、図６には図示していないが、実施例１（図３及び図４）と同様に、サクションサイド１３の外皮１５とプレッシャーサイド１４の外皮１５を翼型断面形状のリブ２４により支持する構成としてもよい。

また、ケーブル２１は、サクションサイド１３に配置されるケーブル２１とプレッシャーサイド１４に配置されるケーブル２１が連続した（１本の）繊維強化樹脂複合材としたり、サクションサイド１３に配置されるケーブル２１とプレッシャーサイド１４に配置されるケーブル２１とを分けた構成としたりすることができる。

サクションサイド１３のケーブル２１とプレッシャーサイド１４のケーブル２１を分けた構成とする場合には、ブレード２の先端側においてサクションサイド１３のケーブル２１とプレッシャーサイド１４のケーブル２１が結合する構成とする。

ケーブル２１は、サクションサイド１３のブレード根元側（ハブ３側）から先端方向に所定の張力で配置され、先端付近で折り返し、プレッシャーサイド１４のブレード根元側（ハブ３側）まで所定の張力で配置される構造である。つまり、複数のケーブル２１は、ブレード２の先端近傍において複数の軸方向補強材２２同士を接続する接続部材（支柱）を介して、軸方向補強材２２に結合されている。そして、ケーブル２１はブレード２の根元においてハブ３との結合部内部においてケーブル２１に所定の張力を付与するようボルト締結により固定される。

リーディングエッジ１１側及びトレイリングエッジ１２側には、ブレード２の軸方向の強度を補強するための軸方向補強材２２が複数備えられ、ブレード２の先端付近においてそれぞれの軸方向補強材２２が結合されている。ケーブル２１は、軸方向補強材２２の接合部において軸方向補強材２２同士の接合部を支点とするように折り返されるよう配置される。

なお、図６ではケーブル２１が２本からなる構成を示しているが、ケーブル２１の本数はブレード２の強度や剛性の設定（設計）に従い増減することができる。

また、図７の変形例に示すように、上述したリブ２４に替えて、ブレード２の軸方向において、ブレード２内の幅方向（リーディングエッジ１１及びトレイリングエッジ１２間）に跨って設けられる支柱２５を複数設けてもよい。

以上説明したように、本実施例においても、実施例１と同様に、軽量で、かつ、柔らかい構造を備える、低コストでブレード２を提供することが可能である。また、従来と同じ重さが許容される場合には、従来よりも長翼化したブレード２を提供することができ、これにより受風面積が拡大することから発電量を向上させることができる。

なお、上記の各実施例では、ダウンウィンド方式の水平軸風力発電装置への適用を前提として説明したが、ブレードが空力荷重を受けた際のブレードとタワーのクリアランスを十分に確保するように設計することで、アップウィンド方式の水平軸風力発電装置にも適用することができ、各実施例と同様の効果を得ることができる。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ロータ
２…（風車用）ブレード
３…ハブ
４…ロータ軸
５…ナセル
６…タワー
１０…風力発電装置
１１…リーディングエッジ（ＬＥ）
１２…トレイリングエッジ（ＴＥ）
１３…サクションサイド（ＳＳ：負圧面側）
１４…プレッシャーサイド（ＰＳ：正圧面側）
１５…外皮（シェル）
２１…（繊維強化樹脂複合材）ケーブル
２２…軸方向補強材
２３…（繊維強化樹脂複合材ケーブル−軸方向補強材）結合部
２４…リブ
２５…支柱

Claims (12)

1. 中空のブレードと、
   前記ブレード内部において、前記ブレードの一端から他端にかけて前記ブレードの軸方向に延伸する軸方向補強材と、
   前記ブレードの軸方向に所定の張力を有して配置される複数のケーブルと、
   前記複数のケーブルと前記軸方向補強材が結合される結合部と、
   を備えることを特徴とする風車用ブレード。
2. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記複数のケーブルは、前記ブレードの軸方向において異なる長さで複数配置され、
   前記ブレードの軸方向に前記結合部を複数備えることを特徴とする風車用ブレード。
3. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記軸方向補強材は、前記ブレードの負圧面側および正圧面側に、各々１本ずつ配置されることを特徴とする風車用ブレード。
4. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記複数のケーブルは、前記ブレードの外皮に設けられた貫通孔を貫通して配置されることを特徴とする風車用ブレード。
5. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記ブレード内部に、前記ブレードの外皮を支持する複数のリブが配置されることを特徴とする風車用ブレード。
6. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記軸方向補強材を複数備え、
   前記複数のケーブルは、前記ブレードの先端近傍において前記複数の軸方向補強材同士を接続する支柱を介して、前記軸方向補強材に結合されることを特徴とする風車用ブレード。
7. 請求項６に記載の風車用ブレードであって、
   前記軸方向補強材は、前記ブレードのリーディングエッジ側およびトレイリングエッジ側に、各々１本ずつ配置されることを特徴とする風車用ブレード。
8. 請求項６に記載の風車用ブレードであって、
   前記支柱は、前記ブレードの軸方向に複数配置されることを特徴とする風車用ブレード。
9. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
   前記ケーブルは、炭素繊維またはガラス繊維を強化繊維として含む繊維強化樹脂複合材により形成されることを特徴とする風車用ブレード。
10. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
    前記複数のケーブルは、前記風車用ブレードのハブとの連結部側にボルト締結により固定されることを特徴とする風車用ブレード。
11. 請求項１に記載の風車用ブレードであって、
    ダウンウィンド方式の風力発電装置に用いられることを特徴とする風車用ブレード。
12. ハブおよび複数のブレードからなり、風を受けて回転するロータと、
    前記ロータを軸支すると共に、その内部に発電機を収納するナセルと、
    前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、を備え、
    前記ロータが前記タワーより風下側に配置されるダウンウィンド方式の風力発電装置であって、
    前記ブレードは、請求項１から１１のいずれか１項に記載の風車用ブレードであることを特徴とする風力発電装置。

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