JP4199020B2 - Wind turbine blade - Google Patents

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JP4199020B2 JP2003038041A JP2003038041A JP4199020B2 JP 4199020 B2 JP4199020 B2 JP 4199020B2 JP 2003038041 A JP2003038041 A JP 2003038041A JP 2003038041 A JP2003038041 A JP 2003038041A JP 4199020 B2 JP4199020 B2 JP 4199020B2
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    • F03D—WIND MOTORS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の、繊維強化プラスチックスからなるブレードが、落雷による被害を受けるのを防止するための技術、に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大型風力発電装置は、日本においても、近年急速に普及してきている。２００２年末では、３０万キロワットの発電能力を有する風力発電装置が設置されている。
【０００３】
風力発電装置では、羽根であるブレードが風を受けて回転することによって、発電が行われる。ブレードの構成材料としては、一般に、繊維強化プラスチックス（Fiber Reinforced Plastics、略してＦＲＰ）が用いられている。ＦＲＰは、その軽量性の故に、ブレードの回転性の向上、ひいては発電効率の向上、に貢献している。
【０００４】
ところで、風力発電装置は、屋外に設置されるため、常に、落雷を受ける危険に晒されている。特に、ブレードは、先端が高さ１００ｍ以上に達するものもあり、落雷を受けやすい。ＦＲＰからなるブレード（以下、ＦＲＰブレードと称する）が落雷による雷電磁波を受けて破損すると、補修や取替えのために多額の費用を必要とし、また、装置が休止してしまうために莫大なアブセンスフィーが発生する。ところが、風力発電装置における落雷の被害は、設置台数の増大とともに増大している。そこで、風力発電装置においては、落雷による被害の発生を防止するために、種々の対策が採られている。
【０００５】
装置全体における対策として、避雷針が設けられている。しかし、避雷針だけでは不充分である。
【０００６】
ブレードにおいては、次のような対策が採られている。
（１）図７に示すように、ブレード１０の先端に導電性材料からなるレセプター１０１を設けるとともに、ブレード１０の内部に導電性ワイヤ１０２を設け、レセプター１０１で落雷を受けてワイヤ１０２を通してアースに導く。
【０００７】
（２）図８に示すように、ブレード１０の先端にレセプター１０１を設けるとともに、ブレード１０の稜線に導電線１０３を設け、レセプター１０１で落雷を受けて導電線１０３を通してアースに導く。
【０００８】
（３）図９に示すように、ブレード１０の先端にレセプター１０１を設けるとともに、ブレード１０に導電性材料からなるメッシュ帯１０４を埋設し、レセプター１０１で落雷を受けてメッシュ帯１０４を通してアースに導く。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１２３９３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２７７５７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１）〜（３）の対策では、いずれも、レセプター１０１で落雷を受けるので、落雷の衝撃がレセプター１０１近傍に集中し、ブレード１０の先端部の破損が多々生じていた。特に、日本は、山岳が急峻であることなどから、雷のエネルギーが欧米に比して高いと言われており、上記のような先端部の破損は顕著であった。
【００１１】
また、ＦＲＰブレードは、バルサなどの木材からなるコアを内部に有しているので、雨などに晒されると、水分が浸透してコアに到達し、コアが水分を吸収して導電性を備えることとなる。このようなブレードが落雷を受けると、雷がコアに導かれやすくなっているために、雷が短絡して、ブレードの破損が生じていた。しかしながら、このような原因による破損を防止するための対策は、何ら採られていなかった。
【００１２】
本発明は、落雷を受けても、破壊したり損傷したりすることのない、風力発電装置用のＦＲＰブレードを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、繊維強化プラスチックスからなり、風力発電装置において風を受けて回転する、ブレードにおいて、ブレードの表面全面に、導電性材料からなる被膜が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である。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記被膜が、導電性材料をブレード表面に溶射して形成されたものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記被膜が、導電性材料からなる箔をブレード表面に貼り付けて形成されたものである。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記被膜が、導電性材料からなるメッシュ状膜をブレード表面に接合して形成されたものである。
【００１７】
ブレードに用いられるＦＲＰは、一般に、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂を主材として、それに、ガラス繊維、カーボン繊維などが補強材として混合されたものである。そして、ＦＲＰブレードは、バルサなどの木材からなるコアを有している。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明のＦＲＰブレード２を用いた風力発電装置の一般的外観を示している。３は内部に発電機を備えたナセル、４はポール、５は基台である。この風力発電装置１においては、３枚のＦＲＰブレード２が風を受けて回転すると、その回転力によって発電機が駆動されて発電が行われるようになっている。
【００１９】
図２は本発明のＦＲＰブレード２の全体斜視図及び部分Ａの断面部分図である。２１は先端部、２２はナセル３の回転軸部３１に固定される基部である。本発明のＦＲＰブレード２の表面全面には、図２の断面部分図に示すように、アルミニウムからなる被膜２０１が形成されている。
【００２０】
被膜２０１は、次のようにして形成する。
即ち、ＦＲＰブレード２の表面全面に、まず、粒子２０２が混合されているエポキシ樹脂塗料を、スプレー法などにより塗布して、塗膜２０３を形成する。塗膜２０３の厚さは、図２に示すように粒子２０２の一部が表出する程度に設定する。例えば、１５０〜２００μｍである。粒子材料としては、例えばべんがらを用いる。そして、塗膜２０３上に、アルミニウムを溶射して、被膜２０１を形成する。被膜２０１の厚さは、例えば０．１ｍｍである。
【００２１】
粒子２０２の一部が表出することによって塗膜２０３表面が粗面となっていること、及び、アルミニウムとエポキシ樹脂塗料とがなじみやすいことから、被膜２０１は支障無く形成される。
【００２２】
（試験）
次のａ〜ｄに示すＦＲＰブレードを用意し、該ブレードから所定の大きさの試験片を切り出し、所定の条件の下で衝撃試験を行った。
［ＦＲＰブレード］
ａ：補強材としてガラス繊維を用いたもの。
ｂ：ａのＦＲＰブレード表面全面に、上述のようにして、アルミニウムを溶射して被膜を形成したもの。被膜厚さは０．１ｍｍ。
ｃ：補強材としてカーボン繊維を用いたもの。
ｄ：ｃのＦＲＰブレード表面全面に、上述のようにして、アルミニウムを溶射して被膜を形成したもの。被膜厚さは０．１ｍｍ。
［試験片の大きさ］
長さ３０ｃｍ、幅７．５ｃｍ、厚さ１ｃｍ。
【００２３】
［衝撃試験の条件］
試験片を、図３に示すように、衝撃電圧発生装置にセットする。図３において、３０は試験片、３１は電極棒、３２は鉄板である。また、Ｄ１は３３ｃｍ、Ｄ２は５３ｃｍ、Ｄ３は４２ｃｍである。試験は、約８０万ボルトの高電圧に上げた後に放電させるという方法で行った。試験片に付与される電圧は約６０万ボルト、電流は１万アンペアであった。
［結果］
試験片ａ，ｃには損傷が見られた。しかし、試験片ｂ，ｄには、角部に若干５ｍｍ以下の黒い焼け跡が見られただけで、損傷は見られなかった。
【００２４】
以上から明らかなように、アルミニウムの溶射被膜２０１を表面全面に備えた実施例１のＦＲＰブレード２は、落雷を受けても破損しない、と言える。その理由は、落雷のエネルギーが、ＦＲＰブレード２の一部に集中するのではなく、ＦＲＰブレード２表面全面に分散されるからである、と考えられる。
【００２５】
しかも、実施例１のＦＲＰブレード２は、雨に晒されても、表面全面に被膜２０１があるため、雨の水分が内部のコアまで浸透せず、コアが導電性を備えることはない。従って、雷がコアとの間で短絡することはなく、該短絡によるブレードの破損は生じない。即ち、この点からも、実施例１のＦＲＰブレード２は、落雷を受けても破損しない、と言える。
【００２６】
更に、実施例１ではアルミニウムを溶射しているが、アルミニウムは、他の金属に比して低温で溶射できるので、ＦＲＰブレード２に対する溶射材料としては最も好ましい。また、アルミニウムは、比重が軽く、しかも、錆びにくいので、この点でも、風力発電装置のブレードに使用するのに適している。
【００２７】
（別の実施例）
実施例１においては、次のような変形構成を採用してもよい。
（１）溶射する導電性材料はアルミニウムに限るものではなく、溶射可能な他の金属、例えば銅などでもよい。
【００２８】
（２）エポキシ樹脂塗料に混合する粒子の材料は、べんがらに限るものではなく、他の無機材料でもよい。
【００２９】
（３）塗膜２０３を形成しないで、図２の断面部分図に相当する図４に示すように、ＦＲＰブレード２表面全面をサンドブラスト処理して粗面化し、その上に直接、溶射による被膜２０１を形成してもよい。
【００３０】
（４）被膜２０１を溶射によって形成する代わりに、ＦＲＰブレード２表面全面に、直接、図５に示すように、多数枚の、導電性材料からなる箔６１を、隣り同士で接触させながら、接着剤によってブレード２表面に貼り付けて、被膜２０１を形成してもよい。
【００３１】
（５）被膜２０１を溶射によって形成する代わりに、ＦＲＰブレード２表面全面に、直接、図６に示すように、導電性材料からなるメッシュ状膜６２を接合して、被膜２０１を形成してもよい。
【００３２】
（６）導電性材料からなる被膜２０１が形成されたＦＲＰブレードは、図１のようなプロペラ型風車に代表される水平軸風車を採用した風力発電装置に限らず、例えばダリウス型風車に代表される垂直軸風車を採用した風力発電装置に、用いてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ブレードが落雷を受けた場合、雷のエネルギーを、ブレードの一部に集中させることなく、被膜によってブレード全面に分散できるので、ブレードが受ける衝撃を緩和できる。従って、ブレードが落雷を受けて破損するのを防止できる。
【００３４】
しかも、ブレード表面全面に被膜があるため、雨の水分が内部に浸透するのを防止でき、コアが水分を吸収して導電性を備えるのを防止できる。従って、雷がコアとの間で短絡するのを防止でき、該短絡によるブレードの破損を防止できる。即ち、この点からも、ブレードが落雷を受けて破損するのを防止できる。
【００３５】
請求項２ないし４に記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果を確実に発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＦＲＰブレードを用いた風力発電装置の一般的外観を示す斜視図である。
【図２】 本発明のＦＲＰブレードの全体斜視図及び一部分の断面部分図である。
【図３】 衝撃試験の状況を示す側面図である。
【図４】 本発明の別の実施例に係るＦＲＰブレードの一部分の断面部分図であり、図２に相当する図である。
【図５】 本発明の更に別の実施例に係るＦＲＰブレードの斜視図である。
【図６】 本発明の更に別の実施例に係るＦＲＰブレードの斜視図である。
【図７】 落雷による被害の防止対策が施された従来のＦＲＰブレードの斜視図である。
【図８】 落雷による被害の防止対策が施された従来のＦＲＰブレードの斜視図である。
【図９】 落雷による被害の防止対策が施された従来のＦＲＰブレードの斜視図である。
【符号の説明】
１ 風力発電装置
２ ＦＲＰブレード
２０１ 被膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for preventing a blade made of fiber reinforced plastic from being damaged by a lightning strike in a wind power generator.
[0002]
[Prior art]
Large wind power generators have been rapidly spreading in Japan in recent years. At the end of 2002, wind power generators with a capacity of 300,000 kilowatts were installed.
[0003]
In a wind power generator, blades that are blades receive wind to rotate and generate power. Generally, fiber reinforced plastics (FRP for short) are used as the constituent material of the blade. FRP contributes to the improvement of blade rotation and hence to the improvement of power generation efficiency because of its light weight.
[0004]
By the way, since a wind power generator is installed outdoors, it is always exposed to the risk of receiving lightning strikes. In particular, there are blades whose tips reach a height of 100 m or more, and are easily subjected to lightning strikes. When a blade made of FRP (hereinafter referred to as an FRP blade) is damaged by lightning electromagnetic waves due to lightning strikes, a large amount of money is required for repair and replacement, and the device is suspended, resulting in a huge amount of absence A fee is generated. However, lightning strike damage in wind power generators is increasing as the number of installations increases. Therefore, in the wind power generation apparatus, various measures are taken in order to prevent the occurrence of damage due to lightning strikes.
[0005]
Lightning rods are provided as countermeasures for the entire device. However, a lightning rod alone is not enough.
[0006]
In the blade, the following measures are taken.
(1) As shown in FIG. 7, a receptor 101 made of a conductive material is provided at the tip of the blade 10, and a conductive wire 102 is provided inside the blade 10. Lead.
[0007]
(2) As shown in FIG. 8, the receptor 101 is provided at the tip of the blade 10, and the conductive wire 103 is provided at the ridgeline of the blade 10, and a lightning strike is received at the receptor 101 and led to the ground through the conductive wire 103.
[0008]
(3) As shown in FIG. 9, a receptor 101 is provided at the tip of the blade 10, and a mesh band 104 made of a conductive material is embedded in the blade 10, and a lightning strike is received at the receptor 101 and led to the ground through the mesh band 104. .
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2001-123934 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-227757
[Problems to be solved by the invention]
However, in any of the countermeasures (1) to (3), lightning strikes are received at the receptor 101, so that the impact of the lightning strike is concentrated in the vicinity of the receptor 101, and the tip of the blade 10 is often damaged. In particular, in Japan, it is said that the energy of lightning is higher than that in Europe and the United States due to the steep mountains, etc., and the above-mentioned breakage of the tip was remarkable.
[0011]
In addition, since the FRP blade has a core made of wood such as balsa, when it is exposed to rain, moisture penetrates and reaches the core, and the core absorbs moisture and has conductivity. It will be. When such a blade is subjected to a lightning strike, the lightning is easily guided to the core, so that the lightning is short-circuited and the blade is damaged. However, no measures have been taken to prevent breakage due to such a cause.
[0012]
An object of this invention is to provide the FRP blade for wind power generators which does not destroy or damage even if it receives a lightning strike.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is made of fiber reinforced plastics, and rotates in response to wind in a wind power generator, wherein a coating made of a conductive material is formed on the entire surface of the blade. This is a blade for a wind power generator.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the coating is formed by spraying a conductive material on the blade surface.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the coating is formed by attaching a foil made of a conductive material to the blade surface.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the coating is formed by joining a mesh-like film made of a conductive material to the blade surface.
[0017]
The FRP used for the blade is generally made by mixing an epoxy resin or a polyester resin as a main material and glass fiber, carbon fiber, or the like as a reinforcing material. The FRP blade has a core made of wood such as balsa.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 1 shows a general appearance of a wind turbine generator using the FRP blade 2 of the present invention. 3 is a nacelle with a generator inside, 4 is a pole, and 5 is a base. In this wind power generator 1, when the three FRP blades 2 receive wind and rotate, the generator is driven by the rotational force to generate power.
[0019]
FIG. 2 is an overall perspective view of the FRP blade 2 of the present invention and a sectional partial view of a portion A. Reference numeral 21 denotes a tip portion, and reference numeral 22 denotes a base portion fixed to the rotating shaft portion 31 of the nacelle 3. A film 201 made of aluminum is formed on the entire surface of the FRP blade 2 of the present invention, as shown in the partial sectional view of FIG.
[0020]
The coating 201 is formed as follows.
That is, an epoxy resin paint mixed with particles 202 is first applied to the entire surface of the FRP blade 2 by a spray method or the like to form the coating film 203. The thickness of the coating film 203 is set such that a part of the particles 202 is exposed as shown in FIG. For example, it is 150-200 micrometers. As the particulate material, for example, bengara is used. Then, aluminum is sprayed on the coating film 203 to form the coating film 201. The thickness of the coating 201 is, for example, 0.1 mm.
[0021]
Since the surface of the coating film 203 is rough because a part of the particles 202 is exposed, and the aluminum and the epoxy resin paint are easily compatible with each other, the coating film 201 is formed without any trouble.
[0022]
(test)
FRP blades shown in the following a to d were prepared, test pieces having a predetermined size were cut out from the blades, and an impact test was performed under predetermined conditions.
[FRP blade]
a: A glass fiber as a reinforcing material.
b: A film formed by spraying aluminum on the entire surface of the FRP blade of a as described above. The film thickness is 0.1 mm.
c: A carbon fiber as a reinforcing material.
d: A film formed by spraying aluminum on the entire surface of the FRP blade of c as described above. The film thickness is 0.1 mm.
[Size of specimen]
Length 30cm, width 7.5cm, thickness 1cm.
[0023]
[Conditions for impact test]
As shown in FIG. 3, the test piece is set in an impact voltage generator. In FIG. 3, 30 is a test piece, 31 is an electrode rod, and 32 is an iron plate. D1 is 33 cm, D2 is 53 cm, and D3 is 42 cm. The test was carried out by discharging after raising the voltage to about 800,000 volts. The voltage applied to the test piece was about 600,000 volts, and the current was 10,000 amperes.
[result]
The specimens a and c were damaged. However, in the test pieces b and d, only a black burn mark of slightly less than 5 mm was seen at the corners, and no damage was seen.
[0024]
As is clear from the above, it can be said that the FRP blade 2 of Example 1 provided with the aluminum sprayed coating 201 on the entire surface does not break even under lightning strikes. The reason is considered that lightning energy is not concentrated on a part of the FRP blade 2 but distributed over the entire surface of the FRP blade 2.
[0025]
Moreover, even if the FRP blade 2 of Example 1 is exposed to rain, the coating 201 is present on the entire surface, so that rain moisture does not penetrate into the inner core, and the core does not have conductivity. Therefore, the lightning is not short-circuited with the core, and the blade is not damaged by the short-circuit. That is, also from this point, it can be said that the FRP blade 2 of the first embodiment does not break even if a lightning strike occurs.
[0026]
Furthermore, although aluminum is sprayed in Example 1, aluminum can be sprayed at a low temperature as compared with other metals, so that it is most preferable as a spraying material for the FRP blade 2. In addition, aluminum has a low specific gravity and is not easily rusted. Therefore, aluminum is suitable for use in blades of wind power generators.
[0027]
(Another example)
In the first embodiment, the following modified configuration may be employed.
(1) The conductive material to be sprayed is not limited to aluminum, and may be another metal that can be sprayed, such as copper.
[0028]
(2) The material of the particles to be mixed with the epoxy resin paint is not limited to the paper rod, and may be other inorganic materials.
[0029]
(3) Without forming the coating film 203, the entire surface of the FRP blade 2 is roughened by sandblasting as shown in FIG. 4 corresponding to the partial sectional view of FIG. May be formed.
[0030]
(4) Instead of forming the coating 201 by thermal spraying, as shown in FIG. 5, a large number of foils 61 made of a conductive material are directly bonded to the entire surface of the FRP blade 2 while contacting each other. The coating 201 may be formed by being attached to the surface of the blade 2 with an agent.
[0031]
(5) Instead of forming the coating 201 by thermal spraying, a mesh film 62 made of a conductive material may be directly bonded to the entire surface of the FRP blade 2 as shown in FIG. Good.
[0032]
(6) The FRP blade on which the coating 201 made of a conductive material is formed is not limited to a wind power generator employing a horizontal axis wind turbine represented by a propeller type wind turbine as shown in FIG. You may use for the wind power generator which employ | adopted the vertical axis windmill.
[0033]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, when the blade receives a lightning strike, the lightning energy can be distributed over the entire surface of the blade by the coating without concentrating the lightning energy on a part of the blade. Therefore, it is possible to prevent the blade from being damaged by lightning.
[0034]
In addition, since there is a coating on the entire blade surface, it is possible to prevent rain moisture from penetrating into the inside, and to prevent the core from having conductivity by absorbing moisture. Therefore, it is possible to prevent lightning from being short-circuited with the core and to prevent damage to the blade due to the short-circuit. That is, also from this point, it is possible to prevent the blade from being damaged by a lightning strike.
[0035]
According to invention of Claim 2 thru | or 4, the effect of invention of Claim 1 can be exhibited reliably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a general appearance of a wind turbine generator using an FRP blade of the present invention.
FIG. 2 is an overall perspective view and a partial cross-sectional view of a part of the FRP blade of the present invention.
FIG. 3 is a side view showing the situation of an impact test.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of a part of an FRP blade according to another embodiment of the present invention, corresponding to FIG.
FIG. 5 is a perspective view of an FRP blade according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of an FRP blade according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of a conventional FRP blade in which measures for preventing damage caused by lightning strikes are taken.
FIG. 8 is a perspective view of a conventional FRP blade in which measures for preventing damage caused by lightning strikes are taken.
FIG. 9 is a perspective view of a conventional FRP blade in which measures for preventing damage caused by lightning strikes are taken.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wind power generator 2 FRP blade 201 Coating

Claims (4)

繊維強化プラスチックスからなり、風力発電装置において風を受けて回転する、ブレードにおいて、
ブレードの表面全面に、導電性材料からなる被膜が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。In a blade that is made of fiber reinforced plastics and rotates by receiving wind in a wind power generator,
A blade for a wind turbine generator, wherein a coating made of a conductive material is formed on the entire surface of the blade. 上記被膜が、導電性材料をブレード表面に溶射して形成されたものである、請求項１記載の風力発電装置用ブレード。The blade for wind power generators according to claim 1, wherein the coating is formed by spraying a conductive material on the blade surface. 上記被膜が、導電性材料からなる箔をブレード表面に貼り付けて形成されたものである、請求項１記載の風力発電装置用ブレード。The blade for wind power generators according to claim 1, wherein the coating is formed by attaching a foil made of a conductive material to the blade surface. 上記被膜が、導電性材料からなるメッシュ状膜をブレード表面に接合して形成されたものである、請求項１記載の風力発電装置用ブレード。The blade for wind power generators according to claim 1, wherein the coating is formed by bonding a mesh-like film made of a conductive material to the blade surface.
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