JP5323050B2 - 軽量複合トラス風力タービンブレード - Google Patents

Description

本願は２００７年５月２０日に出願された仮でない米国特許出願第１１／７２５９１６号の優先権を主張する。

本発明は翼芯構造に係り、特に風力タービンブレードに関する。

人口が増大すると共に、かつて無人であった土地に新たな社会が創出される中、電力への要求はエネルギープロバイダの能力をテストしている。燃料や電力の新しい供給源が日々求められており、取り出すには非効率と以前考えられていた動力が、発電が可能かもしれないあらゆるものを抽出するためさらに研究されている。しかし、豊富さと安価さのため以前好まれていた石炭や石油等の化石燃料は、仮定された有害効果のために避けられるようになってきている。それらの消費は、環境とそれらの増加するコストに影響してきた。さらに、米国が外国からの燃料の生産物に依存してきていると感じている者がおり、我々はこれら燃料源の代替物を探すべきである。これに応じ、産業は、以前石油ベースの製品によって動力を得ていた機械類を、より一層、電気ベースの動力源に変更している。さらに、我々の事業を管理し、我々の労働力を輸送し、我々の家庭を営むための電気装置に依存する全人口は益々増加している。そこで、自然の動力源が我が国の増大するエネルギー需要を満たすのに十分なクリーンエネルギーを供給するであろうという希望と共に、代替エネルギー源の模索は、集中し増加する興味である。エネルギー生成のための要求を満たすことを手助けすると期待される一つの動力源が風力である。

風力は、電気等のさらに有用な形態への風力エネルギーの変換である。風力エネルギーは、多くの人によって、化石燃料から得られた電気を置換するよう使用されたならば温室効果を和らげる、豊富で、継続可能で、広く分配され、クリーンな動力源と考えられている。風力は大部分、国の電気網で使用されるべく大規模風力施設に追いやられている。小さい個別のタービンが、地方の居住区や電気網から外れた土地に電気を供給すべく使用されている。その理由は、発電機製造と土地の位置に関連した現在の構造的容量と経済的障害のためである。

発電の大部分の形態は資本集中的である。これは、彼らがプロジェクト発端で実質的な投資を要し、しかしながら（概ね燃料とメンテナンスのための）低い継続コストを有することを意味する。これは風力にとってもある程度真実である。風力は、最小の燃料コストと比較的低いメンテナンスコストを有する。しかしながら、風力は、高い率の初期コストを有する。製品１台当たりの風力「コスト」は概ねユニット当たりの平均コストに基づく。これは、他の要素のうち、（材料部品を含む）建設のコスト、借入資金、投資家への配当、推定年度生産を含む。これらのコストは、設備の計画耐用寿命にわたって平均される。それは、もし発電設備が耐久性と効率的生産を持続するなら２０年を超え得る。結局、所定の場所から最大電力を抽出している最中の早まった故障のリスクを最小にすることは、風力発電源を作製するときの強制的な目標となる。風力電源抽出のための最も普通で広く使われる構造物の１つが風力タービンである。

風力タービンは、風からの運動エネルギーを、ポンプ等の機械によって直接使用される機械エネルギーに変換し、次いで電気に変換する機械である。電気はその後、電源設備に使用される。風力タービンは人気のある動力源である。なぜなら、それは、化石燃料の燃焼に頼らないからである。化石燃料の消費は、既知の環境汚染に寄与する。風力タービンは一般に、水平軸風力タービンあるいは垂直軸風力タービンといった２つのタイプに分かわれている。この適用のため、議論は、水平軸風力タービンへの使用のための風力タービンブレードに向かっている。このような風力タービンは、タワーの上端に、主回転軸と発電機を有し、風の中に向かっている。通常の近代的な風力タービンは、風の中に向かっており、コンピュータ制御のモーターによって制御される。ブレードは、強風によって引き起こされる曲げ、せん断およびねじり力に耐えるよう、堅く、強いものとされるべきである。水平軸風力タービンはエネルギー捕獲者の間で人気が高い。なぜなら、ブレードの設計とそれらの配置は、ブレードが風を受けるときにはいつでも、自己始動と運転に貢献するからである。

実際、風力発電機は通常、平均風速が１０ｍｐｈ（１６ｍｐｈ）かそれ以上の所に位置される。「理想的な」場所は、年間を通じてほぼ一定の乱れのない風の流れを有し、過度に突然の、強力な突風を受けない。現在の好ましい場所は、丘陵性の隆起線、海岸線、および浅水に位置され開発された沖合のプラットホームなどの、風が強いエリアを含む。しかし、タービン位置における重要な考察は、土地の需要や伝達容量に対するアクセスであり、或いはそれらへの近さである。このような典型的な場所は土地の需要から離れている。特にこれらの増大した需要は、平らな低風速エリアで急成長している共同体によって作られる。低風速エリアが風力の可能性を有するが、現在の技術は、幾人かの者によって、それらの場所の近くでの使用には非効率で、および／またはコスト的に禁止されるものと考えられている。

風力タービンの通常作動の間、翼の上部キャンバーの上を通過する風は、下部キャンバーの下を通過する風より速くなければならない。ゆえに、差圧が形成され、上部キャンバーの上を通過する風は、下部キャンバーの下を通過する風より低圧となる。これは、ブレードの揚力に帰結し、これは回転軸回りのトルクを含み、タービンを回転させる。こうして、風力タービンブレードのこのトルクからエネルギーが抽出される。

いくつかの因子が風力タービンシステムの効率に寄与する。１つの重要な因子はブレードの長さである。抽出可能な全出力は、ロータブレードが回転するときロータブレードによって掃かれる円盤面積に比例するからである。円盤面積はブレード長さの２乗に比例する。他の因子は、最適な先端速度比を維持するための制御システムの能力を含む。低いブレード重量およびロータの低い回転慣性のような因子は、制御システムが、風速が変動するのにつれてロータ速度を増減させ、風速とブレード回転速度の間の比率を維持することを容易にする。

円盤面積と動力産出を増やすのに必要なより長い風力タービンブレードの開発に対する１つの障害が、ブレード長の増加に伴うブレード重量の急速な増加である。ブレード長が増加するにつれ、ブレードへの負荷は急速に増加する。長いブレードはまた、短いブレードより柔軟である。増加した負荷に抵抗し、必要とされる強度を提供するため、著しい量の追加材料が、構造的一体性を維持するために長いブレードに加えられなければならない。材料の追加は、ブレード材料コストを増加する。なぜなら追加の材料が購入され、処理されなければならないからである。風力タービンブレードの追加重量は有害である。なぜなら、回転ディスクの増加した回転慣性と、ブレードへの増加した重力負荷のため、ハブと発電システムへの特定の負荷を増やすからである。さらに、追加重量は有害であり得る。なぜなら、それがブレードの固有振動周波数を低減させ、気流および／または、タワーおよび支持構造物の力学と望ましくない相互作用を潜在的に引き起こすからである。

そのために、より効率的なブレード構造を作るあらゆる方法も、材料コストを減らし、より大きいブレードを作ることを可能にする可能性を有する。ある場合において、これらのより大きいブレードは、既存の発電機と組み合わされ、特に低風速エリアで追加の動力が発生されることを可能にする。これは重要である。なぜなら米国の大きい区画は比較的低い風速を有するからである。さらに、所定の場所の風速が時間と共に変化するので、より大きいブレードの使用は、タービンが有効に作動し得る最小風速を低下し、所定の場所のタービンがより長い抽出時間、電力を発生することを可能にする。これは、風力タービンからのエネルギーの全コストの著しい低減に帰結し得る。

例えば、最初の風力タービンの幾つかが、手頃な価格と容易な作成のため、木とキャンバス帆から作られた。しかしながら、木とキャンバス材料は、それらのサービス寿命にわたって多くのメンテナンスを必要とする。また、それらの形状は、低い空力効率に関連し、それらが捕獲できるのに比較的高い力を創成する。これらの理由のため、風力タービンブレードは、剛性翼構造に置換された。

他の古典的な風力タービンは、それらのブレードに比較的重い鉄製部品を採用した（例えば鉄の桁、クロスバーおよびリブ）。それらはより高い回転慣性を創出した。空力効率、構造的耐久性およびメンテナンスの改良の間、重いスチールブレードの速度回転は、回転速度の変化を和らげ、電力出力をより安定化させるため、電源の交流電流周波数による管理を必要とした。さらに、鉄の重量は、低風速エリアで大きく円弧回転できるより長いブレードの設計において、経済的に禁止されるようになった。

風力ブレード翼を形成するその後の方法は、航空機製造技術を使うことを伴った。これらの技術は、ブレードの長さに及ぶ、ブレードの金属製または木製のメインバーに沿った、重いバルサ木を使うことを含む。これらのタイプのブレードの多くは、翼弦サポートを提供し翼形状を維持するリブの組を用いた。板金のスキンが、流線形の面を与えるため、剛体リブにリベットで結合された。これらの設計は、基本的にスチールブレードより軽いけれども、部品のブレード単位長さ当たりの重量の経済性に関連した欠点に依然苦しむ。

現在、風力タービンブレードの製作が、ボート製作およびサーフボード製作で用いられているのと同じ技術をまねている。ある現在の一般的な風力タービンブレードは、約１００〜１５０フィート（３０〜４１メートル）の長さで生産されている。選択された材料は、通常、エポキシ樹脂を有するガラス繊維であり、ウェットレイアップ技術を使って翼を形成する。ブレードは大きく高価な「クラムシェル」型で製造され、スキンと、重いグラスバルサパネルコアとが手作業で重ねられる。このような固体ガラス繊維構造は、３１メートルのブレード（約１２０００ポンド（５４４８キログラム））にとって比較的重く、実物大の加熱型のための高価な機械を必要とする。

他のより洗練された技術は、変化するトルク力に応じて捩れることができるブレードを備えたタービンを含む。このタイプの装置は、Ｌｕｔｚに対する特許文献１に見られる。

米国特許第５２８４４１９号明細書

それ故、当該分野において、突然の風力負荷に耐えられる頑丈な構造から作られ、軽量で、経済的で、低風速エリアで電力を発生できるより長い製品のための実質的に効率的な、風力タービンブレードの要請が存在することが理解される。さらに、標準的な輸送コンテナでの出荷のため容易に分解され、現場で容易に組み立てられることができる、この種のブレードの要請が存在する。

簡単には、また一般的用語において、本発明の風力タービンブレードは内部トラス支持構造を含む。内部トラス支持構造は一組のリブを備え、リブは周縁部を含み、周縁部はフランジと取付固定点を含む。リブは、平行に配置されると共に、互いに横に離間され、脊椎を形成する。リブは、複合翼桁および交差部材によって互いに接続される。翼桁部材は、脊椎に沿って、また取付固定点に沿って、それぞれのリブの周縁部に取り付けられる。同様に、交差部材は、隣接するリブの間に接続され、少なくとも一つの交差部材は、隣接するリブの間の隙間を通過し、それぞれの取付固定点で翼桁部材に取り付けられ、一連のトラス継手を形成する。そしてトラス支持構造が、リブのフランジ上に取り付けられた翼スキンによって覆われる。本発明の他の特徴と利点は、添付図面に関連した後述の詳細な説明から明らかになるであろう。図面は、例を通じて本発明の特徴を描く。

風力タービンブレードの第１実施形態の部分分解斜視図であり、内部のトラス支持構造を示す。 図１に示されたトラス支持構造の斜視図である。 図２に示された円３の拡大斜視図である。 図２に示されたトラス支持構造の上面図である。 図２に示されたトラス支持構造の正面図である。 図２に示されたトラス支持構造の第２実施形態の一部の拡大図である。 図６に示された接合継手の拡大部分斜視図である。 図７は、図６に示されたトラス支持構造に示された継手の拡大部分斜視図である。 図６に示されたトラス支持構造に示された継手の拡大部分正面図である。 本発明を含む風力タービンを示す部分斜視図である。 図９に示された本発明の拡大部分正面図である。 図１に示された本発明を作製する方法を説明するブロック図である。 図１１の図で説明された例示的なアセンブリ取付具の斜視図である。

幾つかの風力タービンブレードが周囲の空気を捕獲するのにあまりに低い風速となっている土地が幾つかある。多くの場合、ブレードは空気を捕獲することができず、それらのタービン軸の回りを回転することができない。なぜならブレードは、比較的低速の風を効率的に捕獲するにはあまりにも重た過ぎ、また短か過ぎるからである。幾つかの過重かつ過小の風力タービンブレードの中心部には、低風速域でエネルギを捕獲するのに適した重量および低回転慣性を提供するには非効率に設計された芯部支持構造がある。以下に説明されるように、本出願人は、タービンブレードの構造的な必要または要求を満たす軽量化されたブレードを提供する、芯部支持構造物を利用した新しい風力タービンブレードを発明した。

図１に示されるように、本発明の風力タービンブレード１００は、比較的軽量の翼を含み、翼は、実質的に軽量な複合支持トラス構造２０の効率を活用する。複合支持トラス構造２０は、根部取付部６０から先端部７０まで軸方向に長く延びる。支持トラス構造２０は、ブレード１００の基本翼形状を形成するスキン（外板；skin）９０のアセンブリによって覆われる。スキン９０は、ブレード１００の翼弦方向に、前縁（リーディングエッジ）７４と後縁（トレーリングエッジ）７６を含む。ブレード１００の上部キャンバーが７５で示され、下部キャンバーが７７で示される。例示的モデルにおいて、組み立てられたブレード１００は、根部取付部６０から先端部７０まで約３１メートルである。しかしながら、ブレードが、風力発電所の要請に従って延長され得ることが理解される。

図２に見られるように、風力タービンブレードの芯部は支持トラス構造２０から構成されている。支持トラス構造２０は、横方向に離間された一連のリブ３０によって形成され、リブ３０は、互いの広幅面３４にほぼ平行に向けられ、風力タービンブレード１００の長手縦軸に沿っており、脊椎２５を形成すると共に全体的な翼形状を画成する。リブ３０は、接続された複合の複数の翼桁部材（スパーメンバ；spar member）４０と交差部材（クロスメンバ；cross member）５０によって、互いに支持され接続される。翼桁部材４０と交差部材５０は、取付および支持を、根部取付部３０の最初のリブ３０から開始し、先端部７０に位置された最終リブ３０で終了する。図３に詳しく見られるように、好ましい第１実施形態は、一連のリブ３０をそれらの外周縁部３６で互いに接続する四つの翼桁部材４０を含む。これら翼桁部材４０は、リブ接続具３５の所でリブに接続され、隣接するリブに長手方向の支持を提供する。これらの間を支持において接続するのは複数の交差部材５０である。図３〜５を参照して、交差部材５０は本質的に、隣接するリブ３０の間を渡る四つの部材を備える。二つの交差部材は、隣接するリブに翼弦方向に接続される。残りの二つの部材は、隣接するリブへの取付を、脊椎２５のキャンバー方向において支持する。

当業者は、リブ３０がブレード１００の基本的な翼形状を与えることを認識するであろう。リブ３０は、好ましくは軽量な材料で軽量に作製される。リブ３０は、例えば、ガラス繊維等の他の軽量な材料で両側から挟まれたバルサコアによって作製され、約１インチ（２．５センチメートル）の厚さの平板として形成される。リブ３０は、その周縁部の周りに含まれたフランジ３７を有する。例示的ブレードモデルにおいて、リブ３０は、約１メートル間隔で平行に離間され、スキンパネル９０のための主たる支持を提供する。スキンパネル９０は、フランジ３７へのスキン９０の取り付けのため、フランジ３７におけるリブ周縁部３６に結合される。ブレード面の異なる部分が曲率を変更するにつれ、個々のリブ３０が、それぞれの部分に必要な形状と支持に成形されることが理解されるであろう。

翼桁部材４０と交差部材５０は、組立時に予め硬化される円筒状に引き抜かれた複合材料から作製される。トラス継手５５が形成され、これにおいて、それぞれの翼桁部材４０と交差部材５０は、個々のリブ３０の周端縁に沿ったそれぞれの接続固定点３５で交差する。図２〜５に見られるように、翼桁部材４０は、根部取付部６０から先端部７０まで、脊椎２５の周正接（perimeter tangent）に沿って、連続的且つ本質的に長手方向に直線状に延びる。同様に、交差部材５０は、連続的に延びる４つの部材を備える。４つの部材は、根部取付部６０から先端部７０まで、それぞれのトラス継手５５に接続されて、脊椎２５の翼弦方向およびキャンバー方向に、隣接するリブ３０の間を、脊椎の長手軸を横切って、斜めに織られる（ジグザグにされる；weaved）。約３１メートルのブレードにおいて、約１２０の継手が、そのような構成を用いて形成される。

図６〜８を参照すると第２のトラス構成が示される。この好ましい第２実施形態において、トラス支持構造２０は、翼桁部材４０と協働して一連の三角形状トラス継手５７を形成するよう、交差部材５０を再形成することにより、変更される。この実施形態において、交差部材５０は、説明の単純化のため、対角部材（斜行部材；diagonal member）５０ｄおよび鉛直部材（縦部材、垂直部材；vertical member）５０ｖとして個々に再設計されているが、全ての意図および目的のため、図１〜５に示された交差部材５０と実質的に等価である。部材５Ｏｖが、鉛直方向（縦方向、垂直方向）に隣接した翼桁部材４０の間に鉛直方向に接続される交差部材を意味し、５Ｏｄで示される交差部材が、隣接する二つの交差部材５０ｖに交わり且つ斜めに（対角状に）接続する交差部材を意味することが理解されるであろう。

特に図６を参照すると、図は脊椎２５の一部を示し、連続する三つのトラス継手５７の平行な組を示す。これにおいて、リブがリブ平面ＲＰによって表される。この実施形態に示される脊椎２５の部分は、トラス構造２０が、根部取付部６０から先端部７０まで、二つの平行な一連の鉛直継手を形成するよう構成されていることを除いて、図１〜５に示された実施形態と類似している。この図から、リブが、それらのフランジ５６において、平行に延びる鉛直部材５０ｖに取り付けられることが理解されるであろう。この実施形態において、代替の継手の実施形態が、個々の部材５０ｖ、５０ｄ、４０の代替のトラス継手５７を含むことによって形成される。必要なら、前部トラス部を後部トラス部に取り付ける追加の対角部材が加えられてもよい。

第１実施形態と異なり、交差部材５０ｖ、５０ｄは、個別のものとして形成され、トラス構造２０の長手方向に沿って同様の部品から取り外される潜在的に交換可能な部品である。この実施形態において、対角部材５０ｄが鉛直部材５０ｖの上端部と、隣接する鉛直部材５０ｖの下端部に交わるとき、２つの継手５７が１対のリブの間に形成される。鉛直部材５０ｖは、同じ組の上部および下部翼桁部材４０に沿って接続される。図７および８を参照して、翼桁部材４０はＵ字状溝４６を含む。溝４６は、一端から他端まで延び、鉛直部材５０ｖの端部を受け入れるのに十分大きい幅を有する。それぞれの鉛直部材５０ｖの一端は、交差する対角部材５０ｄの端部の厚さを受け入れるスロット５４を含む。個々の複合支持部材はさらに、ボルトまたはピン４２の挿入のため、継手５７に中心的に整列された穴４４を含む。鉛直部材５０ｖの両側部上で溝４６の中に金属板４８を挿入することによって、継手５７はさらに強化されることができる。鉛直部材５０ｖは、部材両側部にフランジ５６をさらに含み、それぞれのリブのフランジへの接合を受ける。

個別の、潜在的に交換可能な部品として、リブ３０、鉛直部材５０ｖおよび対角部材５０ｄ、並びにスキン９０が、収納のため分離され、標準的な４０フィート（１２．２メートル）のコンテナで輸送されることができること、およびブレード１００の部品が現場での効率的な分解および組み立てのため提供されることが認識されるであろう。図６および６Ａを参照して、望まれるとき、トラス支持構造は変更された翼桁部材４０を含むことができる。これは、分解されたブレード１００の輸送を受け入れるよう、４０フィート（１２．２メートル）より短い長さに分割して構成されている。翼桁部材４０をリブ３０に組み付けるとき、構造的な単一性および一体性は、任意のトラス継手５７の中間でそれぞれの翼桁部材４０の端部に接合継手４５を形成することによって、保たれる。このような例において、それぞれの翼桁部材の端部は、Ｕ字状の溝４６を横切って翼桁部材の両側壁に互いに整列された複数の穴４３を含む。鉄または他の同様の強度材料から作られた架橋部材４８が、Ｕ字状溝４６内に圧入され、軸方向に隣接する二つの翼桁部材２０のそれぞれの端部を通過し、互いに継ぐ。架橋部材４８は、翼桁部材４０のそれぞれの穴に整列された穴４３も含む。接合継手４５を形成する翼桁部材４０および架橋部材４８のそれぞれの整列された穴を通じて、ピン４４を挿入することによって、それぞれの翼桁部材の端部は固定され、互いに結合される。架橋部材４８の寸法は、トラス構造２０の軽量特性を保ち且つ翼桁部材２０の断面における負荷容量を維持するよう、最小に維持される。さらに、翼桁部材４０は、それらの互いの接合が、任意の二つのトラス継手５７から中間の所定間隔でなされ、それぞれの継手剛性を保つよう、長手方向において終端する。

組み立てられたとき、タービンブレード１００は、図９，１０に示されるように、市販の風力タービン９９に容易に取付可能で、頑丈でしかも軽量な翼構造を与える。スキンパネル９０は、平板ガラス繊維から造られ、平板ガラス繊維は大量に生産され、それから形状づけることができる。或いは代替的に、トラス構造２０は、曲率が変化する領域の上に被せられた織物で覆われることができる。この織物は、その後樹脂で硬化され、翼形状をなすことができる。ブレードの建造において、スキン９０は、トラス構造２０の周りを覆い、それぞれのリブ周端縁３６上でリブ３０のフランジ３７に固定される（図１〜３）。当業者は、接着剤による接着や機械的接続具の使用などの任意の伝統的な接続技術が、スキン９０をリブ３０に取り付けるのに適していることを理解するであろう。さらに、リブ３０が高い曲率の領域を区画する場合、スキンパネル９０が単一の対のリブに亘って広がり得ることが認識されるであろう。しかしながら、低い曲率の領域では、いくつかのリブが、より大きいスキンパネル９０によって覆われることができる。スキン９０がトラス構造２０に取り付けられ接続されると、スキン９０は、単一の連続するスキンとして作用し、それ故、根部取付部６０から取り付けられて風力荷重をハブ７２（図９，１０）に移送する一体構造物として、ブレード１００の内部部品を支持し得る。根部取付部６０は、鉄製取付リング８０を含むことにより、現在の風力タービンハブとの互換性を維持する。取付リング８０は、四つの強化点（hard point）８７を有するカラー８５を含み、強化点８７は、カラーから外側に突出する。四つの翼桁部材４０が強化点の内側に取り付けられる。スキン９０は、翼桁部材４０、強化点８７およびカラー８５を覆う。組立端部６０が、ボルトを使って取付けリング８０をハブ７２にボルト止めすることにより、風力タービン９９に固定される。取り付けられると、翼桁部材４０が主な負荷支持体となり、根部取付部６０の連続するスキン９０が、ハブ７２への移送のため負荷を支持する。

作動において、風がブレード１００の表面を通過すると、風力がブレードに作用し、ハブ回りのトルクを生じさせ、ブレードを回転させる。ブレード１００が回転すると、それがその円周経路で連続しているので、剪断と曲げの力がブレードに作用する。当業者は、力がブレードに作用するとき、翼桁部材４０がひとまとまりの曲げ力負荷に抵抗し、交差部材５０が剪断および捩りの支持を提供することを認識するであろう。結局、説明されたトラス構造２０は、標準長さ（例えば約１００フィート（３０．５メートル））のより軽量なブレードを製造するのに利用されたり、現在の設計に匹敵した重量を有しつつもより大きな回転円弧領域から風を捕獲できるより長いブレードを製造するのに使用されたりすることができる。

トラス構造２０の複合部品を使うことによって、十分な強度性能と疲労耐性が達成されると同時に、比較的低密度の構造でブレードの剛性支持を与えることが認識されるであろう。複合の翼桁部材４０および／または交差部材５０を用いることにより、そのような軽量部品は、横方向に離間されたリブ３０と協働して、トラス継手５５における主負荷経路を構成する。また、支持部材を作製するための高い一方向性に帰する作製を使うことにより、繊維は、作製の軸方向に沿って直線的に整列され、部材に強化と均一強度をもたらす。このように、ブレード１００内の空間スペースの比較的十分な部分を提供し、単位長さ当たりの材料重量を少なくする、支持され且つ強化された構造が説明される。総じて、提案されたトラス構造２０を使用する１００フィート（３０．５メートル）ブレードの重量は、（１２０００ポンド（５４４８キログラム）の現在の一般的なガラス繊維ブレードと比較して）わずか６０００ポンド（２７２４キログラム）の重量にしかならず、あるガラス繊維ブレードに対して５０％に及ぶ軽量化に帰結する。ブレードの強化が望まれる場合、ブレード１００の総重量に顕著に寄与することのない負荷経路余剰のため、追加の交差部材５０と翼桁部材４０が加えられてもよいことが理解されるであろう。

また、現在の一般的なガラス繊維ブレードは、１００フィート（３０．５メートル）を超える長さで作製されたとき、動力を発生するにはあまりにも重く、非効率的であると、ある者によって考えられている。対照的に、ブレード１００の単位長さ当たりの重量は、比較的軽く、風車９９は、より大きな風の掃引円弧領域をカバーし且つより少ない重量負荷を維持するより長く作られたブレード１００から、利益を得ることもできる。低風力の領域で、より大きい円弧で回転するより長いブレードは、より多い風を捕獲し、よってより大きい出力を発生する。ブレード１００の軽量が、ハブ７２への重量負荷を低減し、それ故ハブ、タービン、ベアリングおよびタワーへの負荷が軽減されることも認識されるであろう。ブレード１００を含む風車９９が、５メガワットに達する電力を発生し、３０％〜４０％のオーダーでエネルギー低減された正味コストで作動することが期待されるであろう。

提案された発明は、風力タービンブレードを製造するための経済的プロセスにも寄与する。図１１，１２を参照すると、ブレードの形状を画成するよう整列されたリブ３０の集合を選択することを含むプロセスが説明される。複合部分が作製され、組立前に予め硬化される。１組のポスト８８が、地上で離間されるか、あるいは所定距離離れた取付具上で離間され、リブ３０がポストに取り付けられる。そして複合翼桁部材４０が、根部から先端部まで、リブ周縁部に沿って、取付具８６，８７に取り付けられる。次いで、根部から始まり先端部に向かって、複合交差部材５０が、上部と下部に延びる翼桁部材４０の間に取り付けられ、トラス継手５５を形成する。その後スキンがトラス構造２０に付加され、ブレードを完成する。スキンは、ある形状に切り取られた薄い２軸のプリプレグガラス繊維（約２層）から作製されることができる。或いは、スキンは、構造の上に繊維を被せ、繊維を空力的適合へと熱収縮させ、樹脂でコートすることによって作製されることができる。

ここで説明されたように、本発明のブレード１００は、エネルギー効率のよい発電を生じさせることに役立つ軽量で頑丈な構造を提供する、新しい有用な構造を明示する。

Claims (19)

1. 前縁と、前記前縁の後方の後縁とを有する風力タービンブレードスキンと、
   前記スキン内に位置された複数の風力タービンブレードリブパネルと、
   隣接する前記リブパネルの間を翼長方向に延びる複数の翼桁であって、第１の翼桁が前記前縁に向かって位置され、第２の翼桁が前記第１の翼桁の後方に前記後縁に向かって位置される複数の翼桁と、
   前記第１および第２の翼桁の間を対角状に延びる複数の交差部材と、
   を備え、
   前記リブパネル、翼桁および交差部材がトラス構造を形成し、
   環状の取付リングと、前記トラス構造および前記取付リングの間に接続された遷移構造とをさらに備え、
   前記翼桁が前記遷移構造に取り付けられ、
   前記遷移構造の少なくとも一部が、前記取付リングから離れてかつ前記翼桁に向かって延びるにつれ先細になり、前記遷移構造の前記先細部分が扇形状部分を含み、前記扇形状部分が、前記翼桁から離れてかつ前記取付リングに向かって延びるにつれ増大する外周量を有する、風力タービンブレード。
2. 前記風力タービンブレードスキンが、第１の方向に向く低圧面と、前記第１の方向とは反対の第２の方向に向く高圧面とを有し、前記交差部材の少なくとも幾つかが、前記高圧面よりも前記低圧面に接近して位置される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
3. 前記風力タービンブレードスキンが、第１の方向に向く低圧面と、前記第１の方向とは反対の第２の方向に向く高圧面とを有し、前記交差部材の少なくとも幾つかが、前記低圧面よりも前記高圧面に接近して位置される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
4. 前記交差部材の少なくとも一つが、第１のリブパネルと、該第１のリブパネルと隣接する第２のリブパネルとの間に延びる、請求項１に記載の風力タービンブレード。
5. 少なくとも一つの前記交差部材が、前記第１の翼桁および前記第１のリブパネルの間の第１の交差部と、前記第２の翼桁および前記第２のリブパネルの間の第２の交差部との間に延びる、請求項４に記載の風力タービンブレード。
6. 少なくとも一つの前記翼桁が、複合材料から形成される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
7. 少なくとも一つの前記交差部材が、複合材料から形成される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
8. 個々の前記リブパネルが、前記翼長方向に向く翼形状面を有する、請求項１に記載の風力タービンブレード。
9. 個々の前記リブパネルが、外周縁部を有し、前記外周縁部において前記翼桁に接続される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
10. 少なくとも一つの前記翼桁が、前記翼長方向を横切る二つの方向に湾曲される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
11. 少なくとも一つの前記翼桁が、翼弦方向およびキャンバー方向に湾曲される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
12. 少なくとも一つの前記翼桁が、翼桁接続部における第２の部分に接続される第１の部分を有する、請求項１に記載の風力タービンブレード。
13. 風力タービンブレードアセンブリの作製方法であって、
    複数のリブパネルを選択することと、
    複数の複合支持部材を形成することと、
    前記支持部材を硬化させることと、
    所定数の取付具を、所定距離ずつ互いに離間させて配置することと、
    少なくとも幾つかの前記リブパネルをそれぞれの取付具に取り付けることと、
    所定数の支持部材を、それぞれのリブパネルの周縁部に取り付け、前記アセンブリの根端領域から前記アセンブリの先端領域まで翼桁部材を形成し、それに接続交差部を画成することと、
    それぞれの隣接するリブの間に、他の所定数の支持部材を取り付けて交差部材を形成し、前記交差部材が、前記翼桁部材にさらに取り付けられると共に、それぞれの隣接する接続交差部において隣接する翼桁部材を接続することと、
    スキンアセンブリを前記リブパネルの周縁部に取り付けることと、
    を含む風力タービンブレードアセンブリの作製方法。
14. 前記翼桁部材にＵ字状溝が形成され、前記交差部材の端部が、鉛直方向に配置されると共に、鉛直方向に隣接する翼桁部材の前記Ｕ字状溝内に取り付けられる、請求項１３に記載の風力タービンブレードアセンブリの作製方法。
15. 少なくとも１つの交差部材が、隣接する接続交差部の間に対角状に取り付けられる、請求項１３に記載の風力タービンブレードアセンブリの作製方法。
16. 鉛直に配置された交差部材の幾つかの一端にスロットが形成され、少なくとも１つの交差部材が、鉛直に配置されたそれぞれの交差部材のスロットの中で、隣接する接続交差部の間に対角状に取り付けられる、請求項１４に記載の風力タービンブレードアセンブリの作製方法。
17. 前記リブパネルが、前記ブレードアセンブリに沿って変化する曲率の領域を画成する形状とされる、請求項１３に記載の風力タービンブレードアセンブリの作製方法。
18. 前記リブパネルと前記支持部材を織物で覆うことによりスキンアセンブリを形成することと、前記織物を熱収縮させることと、前記織物を樹脂でコーティングすることと、前記樹脂を硬化させることとをさらに備える、請求項１３に記載の風力タービンブレードアセンブリの作製方法。
19. 前記支持部材を形成することが、引き抜き技術を使用して実行される、請求項１３に記載の風力タービンブレードアセンブリの作製方法。

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