JP2023004899A - 風車翼 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量かつ剛性の高い風力発電などに使用される風車翼を提供すること。【解決手段】風車翼長手方向に直交する断面における中空構造の内部両面に接しつつ長手方向に延びるシェアウェブ１７を少なくとも１つ有する風車翼１０であって、その内の少なくとも１つのシェアウェブ１７は少なくとも２種類の強化繊維を含む繊維強化樹脂からなり、風車翼長手方向根元側のシェアウェブ１７の弾性率がその他の箇所の弾性率よりも高い、風車翼１０。【選択図】図４

Description

本発明は、風力発電などに使用される風車翼に関する。

風力発電用の風車翼は、より大きな発電量を得るために、風を受ける面積を大きくすることと回転に伴う遠心力や風力に負けない剛性を確保する必要があることから、材料としてコストが比較的安いガラス繊維強化樹脂が使われることが多い。一方で、風車が大型化すると風車翼そのものの重量が重くなり、ガラス繊維強化樹脂の剛性では翼の曲げ変形が大きくなり、風車翼を支える支柱（タワー）と風車翼が接触し、風車翼が破損するという課題がある。

このような問題に対し、特許文献１ではダウンウィンド方式とし、風下側に風車翼を設置することで、支柱と風車翼の接触を防止している。

また、特許文献２には、円形の横断切片または一つ以上のウェブを有しており、その横断切片・ウェブには±３５°～５５°の２軸角度で配向される繊維が含まれており、これにより横断切片・ウェブのせん断変形および風車翼の曲げ変形を抑えることが提案されている。また使用される繊維はガラス繊維・炭素繊維・アラミド繊維など様々なものが挙げられており、一つの繊維がもう一つの繊維を補強することが開示されている。

また、特許文献３には、内側ウェブが好ましくはガラスおよび炭素繊維を含む複合材料から形成されていて、二つ以上の異なる種類の炭素繊維を組み込むことができ、少なくとも一つの成分の炭素繊維の異なるタイプの比率は翼の長手方向において変化して、繊維強化複合材料の弾性率は翼の端部に向かうにつれて増加することが開示されている。

特開２０１９－２１８８８６号公報 国際公開ＷＯ２００４／０７８４６５号 国際公開ＷＯ２０１０／００６８０７号

しかし、特許文献１の構造においては、タワーによって風が遮られるため発電効率が下がり、十分な発電量が得られないという問題がある。また、特許文献２には、風車全体におけるそれぞれの繊維の使用箇所に関しては記載されておらず、各種繊維の特徴を十分に活かせているとは言えない。さらに、特許文献３の開示は片持ちの翼に要求される特性を鑑みると材料の特性を効果的に活用しておらずコスト増など別の課題が生じていると推察される。

そこで、本発明の目的は、軽量かつ剛性の高い風力発電用風車などに使用される風車翼を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の風車翼は、風車翼長手方向に直交する断面における中空構造の内部両面に接しつつ長手方向に延びるシェアウェブを少なくとも１つ有する風車翼であって、その内の少なくとも１つのシェアウェブは少なくとも２種類の強化繊維を含む繊維強化樹脂からなり、風車翼長手方向根元側のシェアウェブの弾性率がその他の箇所の弾性率よりも高いことを特徴とする。

また、本発明の風車翼の好ましい形態によれば、強化繊維の１種類が長さ１０ｍｍ以上の炭素繊維であることを特徴とする。

また、本発明の風車翼の別の好ましい形態によれば、風車翼長手方向の長さが最も長いシェアウェブにおいて、風車翼長手方向根元側１～２５％の弾性率がその他の箇所の弾性率よりも高いことを特徴とする。

また、本発明の風車翼のさらに別の好ましい形態によれば、風車翼長手方向の長さが１００ｍ以上であることを特徴とする。

本発明においてシェアウェブとは、風車翼のせん断変形を抑制する機能を有しており、ウェブ・スパー・桁材等と呼ばれることもある。このシェアウェブにはコア材としてバルサなどの木材や発泡体が使用され、その表面が繊維強化樹脂で覆われることもある。シェアウェブは複数用いられることもあり、各々に使用される材料が異なるものであっても良く、例えば１つのシェアウェブは炭素繊維とガラス繊維を含む繊維強化樹脂からなり、もう１つのシェアウェブは炭素繊維とアラミド繊維を含む繊維強化樹脂から構成されていても良い。また、同じ強化繊維であっても弾性率が異なれば２種類の強化繊維と見なされ、これら２種類の強化繊維を含む繊維強化樹脂であっても良い。

本発明において風車翼長手方向根元側とは、翼が固定されている側のことを指し、風車翼長手方向先端側とは、固定部分から最も離れている側のことを指す。尚、この長手方向とは、翼根元側の断面における重心と固定部分から最も離れている部分を繋ぐ方向のことを指す。シェアウェブは長手方向に沿って設けられていることを想定しているが、曲げ変形やねじれ変形を見越して、シェアウェブ自体が長手方向に対して角度をもって設置されていることや、湾曲していること、ねじれていることも許容される。

なお、本発明における繊維強化樹脂に使用される強化繊維は特に限定されないが、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等が挙げられる。また、樹脂としても、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ビニルエステル系樹脂等の熱硬化性樹脂に加えて、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ＡＢＳ系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

本発明における繊維強化樹脂の弾性率は強化繊維・樹脂の種類によって上下する。例えば、弾性率の高い炭素繊維を使った繊維強化樹脂と、相対的に弾性率の低いガラス繊維を使った繊維強化樹脂を組み合わせる、あるいは弾性率の高いエポキシ樹脂を使った繊維強化樹脂と、相対的に弾性率の低い不飽和ポリエステル樹脂を使った繊維強化樹脂を組み合わせることなどが考えられる。

本発明によれば、風車翼長手方向根元側のシェアウェブの弾性率をその他の箇所の弾性率よりも高くすることで、風車が大型化した際にも風車翼を支える支柱と風車翼の接触により風車翼が破損することのない、軽量かつ剛性の高い風力発電などに使用される風車翼を提供できる。

本発明の一実施態様に係る風車の正面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。 図１の風車翼およびその断面を示す斜視図である。 図１の風車翼のシェアウェブ全体像が見えるように翼内部を可視化した図である。 図１の風車翼におけるシェアウェブの風車翼長手方向根元側２５％以下の範囲を示す図である。 図１の風車翼の内部における、シェアウェブとスパーキャップの関係性を示す図である。 図１の風車翼の内部における、シェアウェブの詳細を示す図である。 風車翼に風を想定した圧力を与えた際に変位量を評価する模式図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施態様に係る風力発電用の風車１０を示しており、タワー１１・ナセル１２・ハブ１３・風車翼１４からなる構成を示している。風車翼１４はハブ１３に取り付けられており、風力によって風車翼１４が回転し、その回転がハブ１３を介してナセル１２内の動力伝達軸に伝わり、ナセル１２内の発電機で電気に変換することで発電が行われる。本発明はこの風車翼１４に関するものであり、翼が固定されている側を風車翼長手方向根元側１５と呼び、固定部分から最も離れている側を風車翼長手方向先端側１６と呼ぶ。

尚、風車翼１４はタワー１１に衝突しにくいように、タワー１１から離れる方向に先端側をあらかじめ曲げた構成（プリベンド）となっていても良い。プリベンドの場合の長手方向とは、翼根元側の断面における重心とプリベンドする前までの範囲で固定部分から最も離れている部分の断面の重心を繋ぐ方向のことを指す。また、図１では３枚の風車翼を有する風車が描かれているが、翼の枚数は１枚、２枚、４枚などでも良く、スペースとして設置可能なのであれば数に限りは無い。

風車翼に使用される繊維強化樹脂の強化繊維は特に限定されないが、軽量性が必要な場合は炭素繊維、コストを抑えることが必要な場合はガラス繊維が良く使われる。そのため、本発明の好ましい形態としては、風車翼長手方向根元側１５に弾性率が高い炭素繊維、風車翼の長手方向先端側１６に炭素繊維よりも弾性率が低いガラス繊維を使うことが考えられる。また、成形はインフュージョン成形（上型にフィルムを使用し、下型とフィルムの気密性を保ち、真空圧によって樹脂充填・含浸させる成形法）が好ましく使われる。

弾性率の測定は、ＪＩＳ Ｋ ７１６１、ＪＩＳ Ｋ ７１１３、ＩＳＯ ５２７、ＡＳＴＭ Ｄ６３８等いずれの引張試験方法でも良いが、シェアウェブの根元側とその他の箇所は同一の試験方法で測定する必要がある。試験数は好ましくはＮ＝５であるが、ばらつきが大きい場合はさらに多くても良い。

図２は本実施態様における風車翼およびその断面を示す斜視図であり、図３はシェアウェブ１７の全体像が見えるように翼内部を可視化した図である。本実施態様では、シェアウェブ１７を構成する強化繊維の配向方向１８は、翼長手方向を０°方向とした時に、シェアウェブ１７の面内方向において、０°、＋４５°、－４５°の３軸の角度に強化繊維が配向されるか、あるいは＋４５°、－４５°の２軸の角度に強化繊維が配向されることが好ましいが、各々の角度が１０°程度増減しても同等の効果が得られる。また、これらは３軸あるいは２軸の織物が積層されて構成されても、１軸に配向された基材が各角度に積層されても良く、成形方法に制限は無い。

図４は本実施態様における、風車翼長手方向の長さが最も長いシェアウェブ１７（Ｌ）において、風車翼長手方向根元側２５％以下の範囲を示すものである。シェアウェブ１７は翼長手方向において全ての範囲に設置されている場合も、設置されていない場合もある。いずれの場合においても、最も長いシェアウェブ１７（Ｌ）の風車翼長手方向距離Ｃに対して、風車翼長手方向根元側２５％以下の距離Ｄの範囲において、繊維強化樹脂の弾性率がその他の箇所の弾性率よりも高いことが好ましく、翼先端の変位量を大幅に低減することができ、タワーへの衝突回避あるいは翼のさらなる大型化が可能となる。

図５は本実施形態における、シェアウェブ１７とスパーキャップ１９と呼ばれる部分の関係性を示すものである。スパーキャップ１９は風車の曲げ変形を抑制するため、炭素繊維などの剛性が高い素材が使われることが多い。シェアウェブ１７が１～３本、スパーキャップ１９が２、４、６本の組み合わせで構成され、図５のようにシェアウェブ１７とスパーキャップ１９が組み合わせて使用される場合には、シェアウェブ１７の両端部分にスパーキャップ１９が存在すればその使用方法は限定されない。

図６は本実施形態における、シェアウェブ１７の詳細を示すものである。シェアウェブ１７の内側にはコア２０としてバルサなどの木材や発泡体が使用され、その表面が繊維強化樹脂で覆われてシェアウェブ１７を構成することが好ましいが、コア２０がなく、繊維強化樹脂のみでシェアウェブ１７が構成されても良い。

以下に実施例・比較例を示すが、本発明は、これに限定されるものではない。

実施例・比較例において、翼先端の変位量を図７に示すように評価した。すなわち図７は風車翼の表面に風２１を想定した荷重１３００ｋＮを与える模式図であり、風車翼根元端部２２を一周完全に拘束した時に、翼先端２３のＸ方向変位量を評価するものである。

本実施例・比較例はコンピュータシミュレーションによって計算し、ＳＩＥＭＥＮＳ社製の構造解析ソフトウェア「ＮＸ Ｎａｓｔｒａｎ」を使用した。また、風車のモデルはＮａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＮＲＥＬ）が公開している風車モデル「ＷｉｎｄＰＡＣＴ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ」の定格出力１．５ＭＷ（翼の長さ約３３ｍ）、および、「Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＡ Ｗｉｎｄ １５ＭＷ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ」（翼の長さ約１１７ｍ）と、Ｄｅｎｍａｒｋ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＤＴＵ）が公開している「Ｔｈｅ ＤＴＵ １０ＭＷ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ」（翼の長さ約８６ｍ）を使用した。なお、本発明において「翼の長さ」とは、風車翼長手方向の長さのことを指す。

（実施例１）
表１に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、シェアウェブの長さの根元側２５％をＣＦＲＰ、その他をＧＦＲＰとして、上記に従ってシミュレーションを行った。

解析の結果、表１に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は２．７９ｍであった。

（比較例１）
表１に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、全てＧＦＲＰとして、上記に従ってシミュレーションを行った。

解析の結果、表１に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は２．９３ｍとなり、実施例１に比べて変位量が大きい結果となった。

（比較例２）
表１に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、シェアウェブの長さの先端側２５％をＣＦＲＰ、その他をＧＦＲＰとして、上記に従ってシミュレーションを行った。尚、本条件は特許文献３のアイデアを反映したものである。

解析の結果、表１に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は２．８７ｍとなり、実施例１に比べて変位量が大きく、比較例１に比べると変位量が小さい結果となった。

表１のとおり、定格出力１．５ＭＷ（翼の長さ約３３ｍ）の風車翼において、翼の根元側２５％を弾性率の高いＣＦＲＰとした実施例１では、全てＧＦＲＰとした比較例１、翼の先端側２５％をＣＦＲＰとした比較例２と比べ、翼先端のＸ方向変位量を低減できることが判った。

（実施例２）
表２に示すとおり、翼の長さが８６ｍの解析モデルを用いたこと以外は全て実施例１と同じ条件で実施した。

解析の結果、表２に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は１３．６ｍであった。

（比較例３）
表２に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、全てＧＦＲＰとして図７に示す条件とした以外は全て実施例２と同じ条件でシミュレーションを行った。

解析の結果、表２に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は１４．０ｍとなり、実施例２に比べて変位量が大きい結果となった。

（比較例４）
表２に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、シェアウェブの長さの先端側２５％をＣＦＲＰ、その他をＧＦＲＰとして図７に示す条件とした以外は全て実施例２と同じ条件でシミュレーションを行った。尚、本条件は特許文献３のアイデアを反映したものである。

解析の結果、表２に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は１３．９ｍとなり、実施例２に比べて変位量が大きく、比較例３に比べると変位量が小さい結果となった。

表２のとおり、定格出力１０ＭＷ（翼の長さ約８６ｍ）の風車翼において、翼の根元側２５％を弾性率の高いＣＦＲＰとした実施例２では、全てＧＦＲＰとした比較例３、翼の先端側２５％をＣＦＲＰとした比較例４と比べ、翼先端のＸ方向変位量を低減できることが判った。

（実施例３）
表３に示すとおり、翼の長さが１１７ｍの解析モデルを用いたこと以外は全て実施例１と同じ条件で実施した。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は２２．８ｍであった。

（比較例５）
表３に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、全てＧＦＲＰとして図７に示す条件とした以外は全て実施例３と同じ条件でシミュレーションを行った。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量が１８．６ｍでウェブが破断し、風車ブレードとして成立しない結果となった。

（比較例６）
表３に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、シェアウェブの長さの先端側２５％をＣＦＲＰ、その他をＧＦＲＰとして図７に示す条件とした以外は全て実施例３と同じ条件でシミュレーションを行った。尚、本条件は特許文献３のアイデアを反映したものである。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量が１８．２ｍでウェブが破断し、風車ブレードとして成立しない結果となった。

（実施例４）
表３に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、シェアウェブの長さの根元側１０％をＣＦＲＰ、その他をＧＦＲＰとして図７に示す条件とした以外は全て実施例３と同じ条件でシミュレーションを行った。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量が２９．１ｍであった。

（実施例５）
表３に示すとおり、シェアウェブの繊維強化樹脂部分に関して、シェアウェブの長さの根元側５０％をＣＦＲＰ、その他をＧＦＲＰとして図７に示す条件とした以外は全て実施例３と同じ条件でシミュレーションを行った。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は２２．４ｍであった。実施例３と比べると高価なＣＦＲＰを多く用いたためコストが高くなった。

（実施例６）
表３に示すとおり、ＣＦＲＰにＣＦＲＰ（繊維長１２．７ｍｍ）を用いたこと以外は全て実施例３と同じ条件で実施した。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量は２２．９ｍであった。

（実施例７）
表３に示すとおり、ＣＦＲＰにＣＦＲＰ（繊維長５ｍｍ）を用いたこと以外は全て実施例５と同じ条件で実施した。

解析の結果、表３に示すとおり翼先端のＸ方向変位量が２６．１ｍであった。

表３のとおり、翼の根元側２５％を弾性率の高いＣＦＲＰとした実施例３では、全てＧＦＲＰとした比較例５、翼の先端側２５％をＣＦＲＰとした比較例６ではウェブが破断してしまう定格出力１５ＭＷ（翼の長さ約１１７ｍ）の風車翼においても風車を運転できることが判った。この有利な効果は、翼の長さが１００ｍ以上の大型の風車翼において発現するものと考えられる。

本発明は、風力発電用風車の風車翼に限らず、空飛ぶ車用の翼などにも応用することができ、その応用範囲がこれらに限定されるものではない。

１０ 風力発電用の風車
１１ タワー
１２ ナセル
１３ ハブ
１４ 風車翼
１５ 風車翼長手方向根元側
１６ 風車翼の長手方向先端側
１７ シェアウェブ
１７（Ｌ） 風車翼長手方向の長さが最も長いシェアウェブ
１８ 強化繊維の配向方向
１９ スパーキャップ
２０ コア
２１ 風
２２ 風車翼根元端部
２３ 風車翼先端部
Ａ 正面図
Ｂ 側面図
Ｃ シェアウェブの風車翼長手方向距離
Ｄ シェアウェブの風車翼長手方向根元側２５％以下の距離
ｂ シェアウェブの幅
Ｈ シェアウェブの高さ

Claims (5)

1. 風車翼長手方向に直交する断面における中空構造の内部両面に接しつつ長手方向に延びるシェアウェブを少なくとも１つ有する風車翼であって、その内の少なくとも１つのシェアウェブは少なくとも２種類の強化繊維を含む繊維強化樹脂からなり、風車翼長手方向根元側のシェアウェブの弾性率がその他の箇所の弾性率よりも高い、風車翼。
2. 強化繊維の１種類が長さ１０ｍｍ以上の炭素繊維である、請求項１に記載の風車翼。
3. 風車翼長手方向根元側１～２５％の弾性率がその他の箇所の弾性率よりも高い、請求項１または２に記載の風車翼。
4. 風車翼長手方向の長さが１００ｍ以上である、請求項１または２に記載の風車翼。
5. 請求項１または２に記載の風車翼を備えてなる風力発電用風車。
   

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