JP5296634B2

JP5296634B2 - 風力発電用風車

Info

Publication number: JP5296634B2
Application number: JP2009187561A
Authority: JP
Inventors: 徳山栄基
Original assignee: 那須電機鉄工株式会社
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-08-12
Also published as: JP2011038482A

Description

この発明は、風力発電用風車に関するものであって、発電機に連結される垂直回転軸を中心として複数設けられる主翼部を具備するものである。

通常、直線翼垂直軸風力発電用風車は、図１に示すように、支持部材４と主翼部３で構成されており、回転軸２が風向に対して垂直に位置するものである。一般的に市場で良く見られる水平軸プロペラ型とは異なり、風向に対して無指向性であることから、風向の変化が激しい市街地等に有効な風車であるといわれている。現在、このタイプの風力発電用風車は、いくつかのメーカーにより製造され、市場に出回っている。

このタイプの風力発電用風車の構造上の問題点として、支持部材と主翼部との取付方法がある。このような風力発電用風車の場合、高速に回転すると、遠心力が主翼部に等分布荷重として作用する。この遠心力は、半径と翼質量と回転速度の2乗に比例するため、風車運転時大きな荷重が加わることとなる。この遠心力は主翼部に対しては曲げ力として作用し、支持部材には主に引張り力として作用することとなる。図９は、遠心力が加わった場合の風力発電用風車に生じる曲げモーメントを示したものである。図９に示すように、曲げモーメントは、主翼部と支持部材との固定点で最大になることが分かる。また、このモーメントは、回転数に依存するものであり、風車自体の回転数は常時変動するため、繰り返し荷重として常に作用することになる。従って、主翼部と支持部材との固定箇所の疲労強度特性は、当該風力発電用風車の耐久性について重要な要素となる。現在、市場にある当該風力発電用風車の材質は、主にFRP製(＝繊維強化プラスティック)とアルミ製のものとがあり、その材質によって、主翼部と支持部材との固定方法は異なっている。

アルミ製の場合、図１０に示すように支持部材と主翼部は曲がりプレート(＝アングル材)によるねじ固定が一般的である。また、特許文献１に示す風力発電用風車のように、主翼部(＝ブレード)を、貫通したねじ部材により支持部材に固定する構成も示されている。

一方、FRP製の場合、金属とは異なり、形状に自由度が増すため、支持部材自体も任意の形状に成型することができる。この主翼部と支持部材との取付けは図１１に示すように、支持部材の一端部に孔をくり抜いて、その孔に主翼部を嵌め込んで、FRPの積層材であるガラス繊維チップを含有したポリエステル樹脂を用いて主翼部と支持部材との接合点を接着するのが一般的である。
特開２００５−３０７８５０

しかしながら、風力発電用風車の材質をアルミ製にした場合、曲がりプレートに曲げモーメントによる応力が集中することとなり、疲労破壊の要因となる可能性がある。よって対策として、図１２に示すように、支持部材の上下にサポート材を装着する場合も見られる。この場合は、サポート材を設けたせいで抵抗が増え、風力発電用の風車としての発電効率が低下する恐れが生じる。

また、特許文献１に示す構成では、１本のねじ部材で主翼部を支持部材に固定している。そのため、支持部材を中空構造にすることができず、ムク材を使用するしかない。従って軽量なアルミ材など、比較的疲労強度の低い材料を使用せざるを得ない。また、特許文献１に示す構成では主翼部に、遠心力の他に、空気力による捩り荷重と、振動による回転接線方向の荷重が繰り返し作用する。この２つの荷重を１本のねじ部材で受けると、ねじ部材の締結箇所に、曲げ力が作用しやすくなる。また、ねじ部材と主翼部との当接箇所はねじ切り部となっているため、ねじが切られている切削箇所への応力集中と、ねじ切り部の切り欠き効果による破断の起点となる可能性によって、疲労強度が大きく低下する恐れがある。

また、風力発電用風車の材質をFRP製にした場合には、アルミ製の場合にすでに述べたように、この主翼部と支持部材との固定点は、遠心力によって発生する曲げモーメントが局所的に最大となる箇所であるため、接着材のみの固定では強度的に問題となる。特に、接着部が外部にさらされているため、紫外線や大気汚染により接着強度が低下する恐れもある。この対策として、支持部材と主翼部のコア材を既に固定した状態で、そのコア材をガラス繊維シートで覆い、真空にひくことで、主翼部と支持部材との固定点を連続した繊維で繋げる方法も提案されているが、コストが高くなることや、一体にしても応力の集中を防げないことから、疲労強度の大幅な改善とはならない。

そこで、この発明は、上記従来技術を考慮したものであって、風力発電用風車にかかる遠心力荷重に対し、疲労強度の高い風力発電用風車を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、発電機に連結される垂直回転軸を中心として円周方向に一定角度ごとに複数設けられる主翼部と、当該主翼部と前記垂直回転軸とを連結する複数の支持部材を備える風力発電用風車において、
前記各支持部材の一端面に、複数のねじ部材の一端が突出するように複数のねじ部材を埋め込んで固定されたねじ部材固定部を設け、
前記各主翼部と前記各支持部材とは、前記ねじ部材固定部から突出した各ねじ部材を前記主翼部に穿った貫通孔に通して、前記主翼部の外面から突出した各ねじ部材にナットを螺着させ、これを締め付けて固定させた、風力発電用風車とした。

請求項２の発明では、前記支持部材は中空に形成され、中空の当該支持部材の内周に前記ねじ部材固定部が固定された、請求項１に記載の風力発電用風車とした。

請求項３の発明では、前記ねじ部材の中央部の外周が平坦であり、主翼部に穿った前記貫通孔に通した当該ねじ部材の中央部が、主翼部と支持部材の当接部に位置される、請求項１又は２に記載の風力発電用風車とした。

請求項４の発明では、前記ナットが締め付け固定された状態の前記ねじ部材の一端と略嵌合するように、被覆部材が当該ねじ部材の上に被せられる、請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電用風車とした。

請求項１〜４の発明によれば、各主翼部と各支持部材とを、各支持部材の一端面に複数の各ねじ部材の一部を突出させたねじ部材固定部を設け、当該ねじ部材を各主翼部に穿った貫通孔に通して固定させる構成とした。つまり、主翼部と支持部材を一体化した部材とせずに、夫々独立した部材とし、ねじ部材を用いて主翼部を支持部材に固定する構成とした。そのため、風車を回転させた場合に発生する遠心力による曲げ力は、主翼部にのみに作用し、支持部材には作用しない。支持部材には遠心力による引っ張り力のみが作用する。よって、主翼部と支持部材との固定部に遠心力による曲げ力と引っ張り力が同時に作用せず、応力集中が起こらない。厳密には、振動等や、遠心力により生じる曲げ力は、主翼部を通じて支持部材のねじ部材に生じるが、ねじ部材は鉄鋼材料のものを使用するため、アルミやFRPよりもずっと疲労強度は強い。またこのような構成とすると１０,０００(N)を超える遠心力の荷重のほとんどは引っ張り力となり、この引っ張り力をねじ部材固定部とねじ部材固定部に埋め込まれた複数のねじ部材で受けることになるため、静的荷重強度はもとより、支持部材の疲労強度も格段に増加する。さらに、主翼部と支持部材とを分けた状態で搬送し、現場で支持部材に主翼部をねじ部材で固定して組み立てることができるため、風力発電用風車設置時の作業負担も軽減される。

また特に請求項３の発明によれば、主翼部に穿った前記貫通孔を通した、外周が平坦なねじ部材の中央部が、主翼部と支持部材の当接部に位置される構成となっているため、振動や主翼部を通じて作用する遠心力による曲げ力に対し、疲労の影響で破断の起点となることはなく、遠心力等による曲げ力を疲労の影響が少ない平坦な形状で受けることとなる。

また特に請求項４の発明によれば、ナットが締め付け固定された状態のねじ部材の一端に、被覆部材が被せられる構成としたため、主翼部と支持部材との固定部の周辺の空気の流れを整え、発電用風車としての効率を高めることができる。

この発明は、発電機に連結される垂直回転軸を中心として円周方向に一定角度ごとに複数設けられる主翼部と、当該主翼部と前記垂直回転軸と連結する複数の支持部材を備える風力発電用風車において、前記各支持部材の一端面に、複数のねじ部材の一端が突出するように複数のねじ部材を埋め込んで固定されたねじ部材固定部を設け、前記各主翼部と前記各支持部材とは、前記ねじ部材固定部から突出した各ねじ部材を前記主翼部に穿った貫通孔に通して、前記主翼部の外面から突出した各ねじ部材にナットを螺着させ、これを締め付けて固定させた構成としたため、遠心力荷重に対して支持部材の強度が格段に向上する。

図１は、風力発電用風車Ｃの全体を示す正面図である。図２は、風力発電用風車Ｃを平面から見た概念図である。発電機１に連結され、風向きに対して垂直に直立する垂直回転軸２を中心として、円周方向の一定角度ごとに主翼部３が複数設けられている。各主翼部３と垂直回転軸２とは支持部材４で夫々連結されている。そして、各主翼部３と垂直回転軸２とを連結するために、上下に2本の支持部材４が設けられている。

図２及び図３に示すように、主翼部３は夫々、風車の回転方向に対して、空気の抵抗を最小限にするために断面が流線型に成型されている。

支持部材４は、図４に示すように中空構造になっており、図５に示すように、この中空構造の支持部材４の一端の略中央に、ねじ部材固定部５が挟持されている。ねじ部材固定部５には、図６に示すように、長手方向の一端部から２本のねじ部材６が、その一部が突出するように埋め込まれている。この場合、ねじ部材固定部５のねじ部材６の突出面と支持部材４の先端面とが同一面上に形成されている。また、ねじ部材固定部５は、当接する支持部材４の内面に、接着剤で接着され、繊維シートを掛けて強固に固定される。このように支持部材４とねじ部材固定部５とを、支持部材４の内部で固定する構成となっているため、前記接着剤は紫外線等の環境影響を受けず、固定箇所に経年劣化が生じない。さらに、ねじ部材固定部５の大きさを大きくし、支持部材４との接着面積を増やすことによって、遠心力による引っ張り力の増加に対応することができる。

ねじ部材固定部５に埋め込まれているねじ部材６は、先端にねじ切り部１１が設けられており、このねじ切り部１１に後述するナット９を締結させる。ねじ部材６の中央部１２は、ねじが切られておらず、外周が平坦になっている。後述するように支持部材４に主翼部３を固定するために、ねじ部材６を主翼部３に穿った貫通孔(図示省略)に通した場合には、ねじ部材６の中央部１２が主翼部３と支持部材4の当接部に位置する。ねじ部材６には、振動や、遠心力による曲げ力が、少なからず主翼部３を通じて作用するが、主翼部３と支持部材4との当接部に位置する中央部１２は外周が平坦で、ねじが切られておらず、切り欠きがないため、疲労の影響で破断の起点となることはない。疲労の影響が少ない平坦な形状で受けることとなる。なお、本実施例では、支持部材４を中空構造にして、その内部にねじ部材固定部５を挟持させる構成としたが、FRP等で支持部材４とねじ部材固定部５が一体に成形されている構成としても良い。

次に、主翼部３と支持部材４との固定方法について図３を用いて説明する。支持部材４の一端から突出している２つのねじ部材６を主翼部３に穿った貫通孔に通し、当て座７を被せ、さらにその上からワッシャー８を被せて、その状態でナット９を締め付け、支持部材４の一端に主翼部３が接合するように固定する。

更に、ナット９が締め付け固定された状態のねじ部材６の一端と略嵌合するように、一側面に２つの孔を穿った(図示省略)カバー等の被覆部材１０を、ナット９が締結された状態のねじ部材６の上に被せ、ボルト(図示省略)等で支持部材４に固定する。

主翼部３及び支持部材４、ねじ部材固定部５、被覆部材１０はアルミ合金製等の金属で成型しても良いが、ねじ部材固定部５はねじ部材６の一部を埋め込む構成であるため、ムク材を使用する必要があり、その場合にはねじ部材固定部５を支持部材４の内周に溶接等して固定する必要がある。そのため主翼部３及び支持部材４、被覆部材１０は軽量かつ成型しやすいFRP製で成型し、ねじ部材固定部５も、軽量化を図るために、樹脂材やFRPを用いる方が望ましい。

このような構成にすることによって、風力発電用風車Ｃを回転させた場合に発生する遠心力による曲げ力は、ほとんど主翼部３にのみに作用し、主翼部３の部材の強度そのもので受けることとなる。支持部材４には遠心力による引っ張り力のみが作用するが、この引っ張り力はねじ部材固定部５及びねじ部材６で受ける。そのため遠心力が分散され、主翼部３と支持部材４との固定箇所に応力集中が起こらない。またこのような構成とすると、１０,０００(N)を超える遠心力の荷重のほとんどは引っ張り力となり、この引っ張り力をねじ部材固定部５とねじ部材固定部５に埋め込まれたねじ部材６で受けることになるため、静的荷重強度はもとより、支持部材４の疲労強度も格段に増加する。また、主翼部３から突出するナット９が締め付け固定されたねじ部材６の一端を被覆部材１０で被覆する構成にすることによって、主翼部３と支持部材４との固定部の周辺の空気の流れを整え、発電用風車としての効率を高めることができる。

そして、この発明に係る発明品について試作し、従来品と対比して強度試験を行った結果、遠心力荷重に対する支持部材の強度は、従来の構成の３倍以上になることを確認した。

以下、強度試験の詳細を説明する。この発明に係る発明品として、主翼部及び支持部材をFRP製で作成し、支持部材に、ねじ部材の一部が突出したねじ部材固定部を設け、当該ねじ部材を主翼部に貫通させて、ナットを締めて、主翼部を支持部材に固定した。一方、従来品は、FRP製で主翼部と支持部材とを接着剤で固定した構成である。図７及び８に示すように、この発明に係る発明品と従来品とを順番に固定して、主翼部側から等分布の引っ張り荷重を印加し、破断するか否かを目視で評価する。詳しくは、規格荷重まで印加し、1分間保持した後、荷重を戻し、各部の状況を目視にて確認する。続いて終極荷重(規格の3倍)まで印加し状況を目視にて確認する。終極荷重に達しても破壊しない場合は、破壊に至るまで続けて荷重を印加し、破壊性状について目視にて確認する。

その結果、従来品については、引っ張り荷重は7,100Nで支持部材に亀裂が生じ、8,000Nで支持部材が破断した。一方、この発明に係る発明品については、12,000Nの引っ張り荷重を印加しても異常はなく、31,700Nで主翼部がせん断破壊したが、主翼部と支持部材との固定箇所では異常は生じなかった。このように遠心力荷重に対する支持部材の強度は、従来の構成の３倍以上になることを確認した。

この発明に係る実施例１の風力発電用風車Ｃの全体的な構成を示す正面図である。この発明に係る実施例１の風力発電用風車Ｃの全体的な構成を示す平面図である。この発明に係る実施例１の風力発電用風車Ｃの主翼部と支持部材との固定方法を示す平面図である。この発明に係る実施例１の風力発電用風車Ｃの図３に示す支持部材のＡ−Ａ断面図である。この発明に係る実施例１の風力発電用風車Ｃの図３に示す支持部材のＢ−Ｂ断面図である。この発明に係る実施例１の風力発電用風車Ｃのねじ部材固定部を示す(a)平面図及び(b)左側面図である。この発明に係る発明品と従来品の強度試験の様子を示す正面図である。この発明に係る発明品と従来品の強度試験の様子を示す一部平面図である。従来の直線翼垂直軸風力発電用風車の(a)概念的な平面図及び(b)モーメント図である。従来のアルミ製風力発電用風車の(a)正面図及び(b)一部拡大図である。従来のFRP製風力発電用風車の(a)正面図及び(b)一部拡大図である。別の態様の従来のアルミ製風力発電用風車の正面図である。

Ｃ：風力発電用風車、
１：発電機、２：垂直回転軸、３：主翼部、４：支持部材、５：ねじ部材固定部、６：ねじ部材、７：当て座、８：ワッシャー、９：ナット、１０：被覆部材、１１：ねじ切り部、１２：中央部

Claims

発電機に連結される垂直回転軸を中心として円周方向に一定角度ごとに複数設けられる主翼部と、当該主翼部と前記垂直回転軸とを連結する複数の支持部材を備える風力発電用風車において、
前記各支持部材の一端面に、複数のねじ部材の一端が突出するように複数のねじ部材を埋め込んで固定されたねじ部材固定部を設け、
前記各主翼部と前記各支持部材とは、前記ねじ部材固定部から突出した各ねじ部材を前記主翼部に穿った貫通孔に通して、前記主翼部の外面から突出した各ねじ部材にナットを螺着させ、これを締め付けて固定させたことを特徴とする、風力発電用風車。
前記支持部材は中空に形成され、中空の当該支持部材の内周に前記ねじ部材固定部が固定されたことを特徴とする、請求項１に記載の風力発電用風車。
前記ねじ部材の中央部の外周が平坦であり、主翼部に穿った前記貫通孔に通した当該ねじ部材の中央部が、主翼部と支持部材の当接部に位置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力発電用風車。
前記ナットが締め付け固定された状態の前記ねじ部材の一端と略嵌合するように、被覆部材が当該ねじ部材の上に被せられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電用風車。