JP5980350B2

JP5980350B2 - 風車翼及びそれを備えた風力発電装置

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Publication number: JP5980350B2
Application number: JP2014553958A
Authority: JP
Inventors: 博晃竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: US20140186188A1; WO2014102957A1; EP2868920A1; JPWO2014102957A1; EP2868920A4

Description

本開示は、風車翼及びそれを備えた風力発電装置に関する。

近年、環境意識の高まりから、風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、一般に、複数のブレードがハブに取り付けられたロータを有する。ロータは、陸上又は洋上に立設されたタワー上に位置するナセルに搭載される。この種の風力発電装置では、ブレードが風を受けてロータが回転し、ロータの回転がドライブトレインパート（Drive Train Part）によってナセル内に収納された発電機に伝達され、発電機において電力が生成されるようになっている。

特許文献１には、ブレードをエロージョンから保護するための保護コーティングが表面に施された風力発電装置のブレードが開示されている。

米国特許出願公開２０１１／０１４２６７８号明細書

ところで、風力発電装置のエロージョンは衝突速度（ブレードの周速）に大きく依存することが知られている。そのため、風力発電装置の大型化に伴ってブレードが長くなると、ブレードの周速も大きくなり、エロージョンは生じやすくなっている。
しかも、ブレードの長大化により、所定期間内にエロージョンが顕在化するおそれのある翼長方向の範囲が広がる。そのため、当該範囲内においてエロージョンの進行速度に差が生じやすい。よって、ブレードの保守によってエロージョンが顕在化した部位を補修したとしても、暫くすると他の部位においてエロージョンが顕在化するという事態が起こり得る。
このような理由から、長大翼においては、ブレードの保守頻度が高くなる傾向にある。

一方、長大翼においてはエロージョンの顕在化のおそれのある翼長方向の範囲は広いから、当該範囲の全てを耐エロージョン性に優れた高級なコーティングで保護しようとすれば、ブレードの製造コストが嵩んでしまう。

この点、特許文献１には、ブレードの保守頻度を低減しながら、ブレードの製造コストの上昇を抑制するための対策が開示されていない。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、保守頻度および製造コストを低減可能な風車翼及びこれを備えた風力発電装置を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼は、風力発電装置のハブに取り付けられる風車翼であって、ブレード本体と、前記ブレード本体の先端部を含む第１領域のうち少なくとも前縁を覆う第１被覆層と、前記第１被覆層よりも前記ハブ側に位置する前記ブレード本体の第２領域のうち少なくとも前縁を覆う第２被覆層とを備え、前記第１被覆層は前記第２被覆層よりも高い耐エロージョン性を有することを特徴とする。
周速が大きいためにエロージョンを受けやすいブレード本体の先端部を含む第１領域の少なくとも前縁を覆う第１被覆層を、第１被覆層よりもハブ側に位置するブレード本体の第２領域の少なくとも前縁を覆う第２被膜層よりも高い耐エロージョン性とすることで、第１領域と第２領域とのエロージョン進行速度の差を小さくすることができる。よって、ブレードの保守頻度を低減できる。
また、耐エロージョン性が比較的高い第１被覆層を第１領域の少なくとも前縁に対して選択的に設けることで、第２被覆層よりも一般的に高コストである第１被覆層の使用量を減らし、ブレードの製造コストを低減できる。

幾つかの実施形態では、前記第１被覆層及び第２被覆層は、それぞれ、前記ブレードの表面上に塗布された第１塗料と第２塗料によって形成され、前記第１塗料は、前記第２塗料よりも耐エロージョン性が高い。

幾つかの実施形態では、前記第１被覆層及び第２被覆層の少なくとも一方は、樹脂を主成分とするコーティングを含む。
幾つかの実施形態では、前記コーティングは、前記樹脂に担持された金属粒子又はセラミックス粒子を含む。これにより、コーティングの耐エロージョン性が向上する。
幾つかの実施形態では、前記樹脂は、ポリウレタン系樹脂、ビニルエステル系樹脂又はフッ素系樹脂である。ポリウレタン系樹脂、ビニルエステル系樹脂又はフッ素系樹脂を主成分とするコーティングは耐エロージョン性が高いので、被膜層が該コーティングを含むことにより、被膜層が形成されるブレードの前縁の耐エロージョン性が向上する。

幾つかの実施形態では、前記金属粒子は、銅、ステンレス鋼、チタン合金及びニッケル合金からなる群より選択される１または２以上の金属を含む金属粒子である。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電装置は、少なくとも一本の風車翼を備え、前記少なくとも一本の風車翼は、ブレード本体と、前記ブレード本体の先端部を含む第１領域のうち少なくとも前縁を覆う第１被覆層と、前記第１被覆層よりも前記ハブ側に位置する前記ブレード本体の第２領域のうち少なくとも前縁を覆う第２被覆層とを備え、前記第１被覆層は前記第２被覆層よりも高い耐エロージョン性を有する。
周速が大きいためにエロージョンを受けやすいブレード本体の先端部を含む第１領域の少なくとも前縁を覆う第１被覆層を、第１被覆層よりもハブ側に位置するブレード本体の第２領域の少なくとも前縁を覆う第２被膜層よりも高い耐エロージョン性とすることで、第１領域と第２領域とのエロージョン進行速度の差を小さくすることができる。よって、ブレードの保守頻度を低減できる。
また、耐エロージョン性が比較的高い第１被覆層を第１領域の少なくとも前縁に対して選択的に設けることで、第２被覆層よりも一般的に高コストである第１被覆層の使用量を減らし、ブレードの製造コストを低減できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、ブレードの保守頻度および製造コストを低減できる。

一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す概略図である。一実施形態に係る風車翼の斜視図である。図３（ａ）は、図２の線ＡＡ’に沿った断面図であり、図３（ｂ）は、図２の線ＢＢ’に沿った断面図である。風力発電装置の運転時間と液滴エロージョンによるブレード本体の重量損失の関係を示す図である。図５（ａ）は、一実施形態に係るブレード本体の第１領域を覆う第１被覆層の組成を示す断面図であり、図５（ｂ）は、一実施形態に係るブレード本体の第２領域を覆う第２被覆層の組成を示す断面図である。図６（ａ）は、一実施形態に係るブレード本体の第１領域を覆う第１被覆層の組成を示す断面図であり、図６（ｂ）は、一実施形態に係るブレード本体の第２領域を覆う第２被覆層の組成を示す断面図である。被覆層の耐エロージョン性を評価する試験方法を示す概略図である。液滴が試験用ブレードを覆っている被覆層に衝突する状況を示す概略図である。翼周速とエロージョン潜伏時間の関係を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態に係る風力発電装置１の全体構成を示す概略図である。同図に示すように、一実施形態に係る風力発電装置１は、少なくとも一本の風車翼２と、少なくとも一本の風車翼２が取り付けられるハブ４と、ハブ４とともに回転するように構成された回転シャフト６とを含む。さらに、風力発電装置１は、回転シャフト６によって駆動されるように構成された被駆動ユニット７と、被駆動ユニット７を収納するナセル５と、ナセル５を支持するタワー１１を含む。
なお、一実施形態では、被駆動ユニット７は、回転シャフト６に直結された同期発電機である。他の実施形態では、被駆動ユニット７は、被駆動ユニット７とは別途設けられる発電機（同期発電機又は誘導発電機）に回転シャフト６の回転エネルギーを伝達するためのドライブトレインの一部を構成する。ドライブトレインが油圧ポンプ及び油圧モータからなる油圧トランスミッションの場合、被駆動ユニット７は油圧ポンプである。ドライブトレインが歯車式増速機を含む場合、被駆動ユニット７は歯車式増速機である。

図２は、一実施形態に係る風車翼２の斜視図である。同図に示すように、一実施形態では、風車翼２は、ブレード本体１２、第１被覆層１４Ａ及び第２被覆層１５Ａを備える。第１被覆層１４Ａは、ブレード本体１２の先端部１２Ｅを含む第１領域１２Ａに設けられ、第１領域１２Ａのうち前縁３Ａ側を選択的に覆っている。第２被覆層１５Ａは、第１被覆層１４Ａよりもハブ側に位置するブレード本体１２の第２領域１２Ｂに設けられ、第２領域１２Ｂのうち前縁３Ａ側を選択的に覆っている。

図３（ａ）は、図２のＡＡ’線に沿った断面図であり、図３（ｂ）は、図２のＢＢ’線に沿った断面図である。図３（ａ）に示すように、ブレード本体１２の第１領域１２Ａの前縁３Ａ側が選択的に第１被覆層１４Ａによって覆われている。図３（ｂ）に示すように、ブレード本体１２の第２領域１２Ｂの前縁３Ａ側が選択的に第２被覆層１５Ａによって覆われている。

図２に示すように、風力発電装置１の運転時、風車翼２は、前縁３Ａが翼回転方向（図中の矢印方向）の上流側に位置し、後縁３Ｂが翼回転方向の下流側に位置するように配向された状態で、ハブ４を中心として回転している。風車翼２の周速は液滴Ｗの落下速度に比べて相当大きいため、風車翼２に対する液滴Ｗの相対的な衝突速度ベクトルは風車翼２の周速ベクトルが支配的である。よって、風車翼２が滴液Ｗと衝突する際、基本的には、風車翼２の前縁３Ａ側が液滴Ｗと衝突することになる。
したがって、少なくともブレード本体１２の前縁３Ａを被覆層１４Ａ、１５Ａで覆えば、液滴Ｗとの衝突に起因したブレード本体１２のエロージョンを抑制可能である。

第１領域１２Ａに設けられる第１被膜層１４Ａは、第２領域１２Ｂに設けられる第２被覆層１５Ａよりも耐エロージョン性が高い。
ここで、「耐エロージョン性」とは、液滴エロージョンによる損傷がブレード本体１２の表面に顕在化するまでの時間であるエロージョン潜伏時間ｔ_ｉｃの長さで表される。すなわち、第１被膜層１４Ａは、第２被膜層１５Ａに比べて、エロージョン潜伏時間ｔ_ｉｃが大きい。

図２及び３に示す例示的な実施形態では、第１被覆層１４Ａ及び第２被覆層１５Ａはそれぞれ第１領域１２Ａと第２領域１２Ｂの前縁３Ａ側を選択的に覆っているが、他の実施形態では、第１被覆層１４Ａ及び第２被覆層１５Ａの少なくとも一方は前縁３Ａから後縁３Ｂに亘って設けられる。
例えば、第１被覆層１４Ａが、ブレード本体１２の第１領域１２Ａの前縁３Ａから後縁３Ｂまで覆っており、第２被覆層１５Ａが、ブレード本体１２の第２領域１２Ｂの前縁３Ａから後縁３Ｂまで覆っていてもよい。

図４は、風力発電装置１の運転時間と液滴エロージョンによるブレード本体１２の重量損失の関係を示す図である。同図に示すように、ブレード本体１２の重量損失の変化は潜伏期から始まり、定常損傷期を経て最終損傷期に至る。潜伏期とは、ブレード本体１２の表面に液滴エロージョンによる損傷が顕在化していない（ブレード本体１２の重量が減少しない）期間をいう。定常損傷期とは、液滴エロージョンによる損傷速度（ブレード本体１２の重量減少の速さ）が一定となり、ピット状の損傷がブレード本体１２の表面に現れる期間をいう。最終損傷期とは、液滴エロージョンによる損傷が酷く、ブレード本体１２の有用性が失われている期間をいう。エロージョン潜伏時間ｔ_ｉｃとは、潜伏期から定常損傷期への移行時までの時間（潜伏期が終了するまでの時間）である。
このように、潜伏期においてはブレードのエロージョンは外観上の変化を伴わないため、エロージョンが顕在化した部位を風車翼２の保守によって補修したとしても、他の部位においてもエロージョンが潜伏期において進行していることがある。
したがって、エロージョンが顕在化するおそれのある翼長方向範囲が広くて当該範囲内でエロージョンの進行速度に差が生じやすい場合には、風車翼２の保守頻度が高くなってしまう。

この点、上述のように、周速が大きいためにエロージョンを受けやすいブレード本体１２の先端部１２Ｅを含む第１領域１２Ａのうち前縁３Ａ側を、第１被覆層１４Ａよりもハブ側に位置するブレード本体１２の第２領域１２Ｂのうち前縁３Ａ側を覆う第２被膜層１５Ａよりも耐エロージョン性の高い第１被覆層１４Ａで覆うことにより、第１領域１２Ａと第２領域１２Ｂとのエロージョン進行速度の差を小さくすることができる。よって、ブレードの保守頻度を低減できる。
また、耐エロージョン性が比較的高い第１被覆層１４Ａを第１領域１２Ａの少なくとも前縁３Ａに対して選択的に設けることで、第２被覆層１５Ａよりも一般的に高コストである第１被覆層１４Ａの使用量を減らし、ブレードの製造コストを低減できる。

一実施形態では、第１被覆層１４Ａはブレード本体１２の第１領域１２Ａの表面上に塗布された第１塗料によって形成されている。第２被覆層１５Ａは、ブレード本体１２の第２領域１２Ｂの表面上に塗布された第２塗料によって形成されている。第１塗料（第１被覆層１４Ａ）は、第２塗料（第2被覆層１５Ａ）よりも耐エロージョン性が高い。

一実施形態では、ブレード本体１２の第１領域１２Ａの表面を覆う第１被覆層１４Ａ及び第２領域１２Ｂの表面を覆う第２被覆層１５Ａの少なくとも一方は、樹脂を主成分とするコーティングを含む。幾つかの実施形態では、該樹脂は、ポリウレタン系樹脂、ビニルエステル系樹脂又はフッ素系樹脂である。ポリウレタン系樹脂、ビニルエステル系樹脂又はフッ素系樹脂を主成分とするコーティングは耐エロージョン性が高いので、被膜層が該樹脂を主成分とするコーティングを含むことにより、該被膜層が形成されたブレードの耐エロージョン性が向上する。

一実施形態では、第１被覆層１４Ａ及び第２被覆層１５Ａの少なくとも一方は、樹脂と、該樹脂に担持された金属粒子又はセラミックス粒子を含む。

図５（ａ）は、一実施形態に係るブレード本体１２の第１領域１２Ａを覆う第１被覆層１４Ａの組成を示す断面図であり、図５（ｂ）は、一実施形態に係るブレード本体１２の第２領域１２Ｂを覆う第２被覆層１５Ａの組成を示す断面図である。
両図に示すように、一実施形態では、ブレード本体１２の第１領域１２Ａの表面を覆う第１被覆層１４Ａ（樹脂を主成分とするコーティング）は、樹脂に担持された金属粒子１６を含む。一実施形態では、ブレード本体１２の第２領域１２Ｂの表面を覆う第２被覆層１５Ａ（樹脂を主成分とするコーティング）は、樹脂に担持された金属粒子１６を含む。これにより、コーティングの耐エロージョン性が向上する。幾つかの実施形態では、金属粒子１６は、銅、ステンレス鋼、チタン合金及びニッケル合金からなる群より選択される１または２以上の金属を含む金属粒子１６である。

図６（ａ）は、一実施形態に係るブレード本体１２の第１領域１２Ａを覆う第１被覆層１４Ａの組成を示す断面図であり、図６（ｂ）は、一実施形態に係るブレード本体１２の第２領域１２Ｂを覆う第２被覆層１５Ａの組成を示す断面図である。
両図に示すように、一実施形態では、ブレード本体１２の第１領域１２Ａの表面を覆う第１被覆層１４Ａ（樹脂を主成分とするコーティング）は、樹脂に担持されたセラミックス粒子１８を含む。一実施形態では、ブレード本体１２の第２領域１２Ｂの表面を覆う第２被覆層１５Ａ（樹脂を主成分とするコーティング）は、樹脂に担持されたセラミックス粒子１８を含む。これにより、コーティングの耐エロージョン性が向上する。

次に、図７〜９を用いて、各被覆層１４Ａ，１５Ａの耐エロージョン性（エロージョン潜伏時間ｔ_ｉｃ）の評価手法について説明する。図７は、被覆層の耐エロージョン性を評価する試験方法を示す概略図である。同図に示すように、第１被覆層１４Ａを形成する材料と同一の材料で形成される被覆層１０４を試験用ブレード１０１の表面に設ける（サンプル１）。

その後、被覆層１０４が形成された試験用ブレード１０１をハブ４に取り付け、ハブ４を回転シャフト１０６を介してモータＭにより回転させる。ハブ４が回転することにより、ハブ４に取り付けられた試験用ブレード１０１も回転し、試験用ブレード１０１のうち被覆層１０４が形成された領域は翼周速Ｖでハブ４を中心に回転するようになる。

次に、試験用ブレード１０１の上面から大量の液滴Ｗ（雨粒）を落下させる。液滴Ｗの降水強度はＩであり、液滴Ｗの終端速度はＶｔであり、液滴Ｗの粒径はｄである。

図８は、液滴Ｗが試験用ブレード１０１を覆っている被覆層１０４に衝突する状況を示す概略図である。同図に示すように、落下する滴液Ｗは、試験用ブレード１０１の表面に設けられた被覆層１０４の垂直方向に対して液滴衝突角度Ａを成す方向から翼周速Ｖで被覆層１０４に衝突する。

降水強度Ｉ、終端速度Ｖｔ、翼周速Ｖ、液滴衝突角度Ａ及び粒径ｄを一定にして、試験用ブレード１０１の重量損失の変化を調べる。被覆層１０４が設けられた試験用ブレード１０１の重量損失の変化から被覆層１０４のエロージョン潜伏時間ｔ_ｉｃを求める（図４参照）。

次に、第２被覆層１５Ａを形成する材料と同一の材料で形成される被覆層１０５を試験用ブレード１０１の表面に設ける（サンプル２）。サンプル１の試験と同一条件（降水強度Ｉ、終端速度Ｖｔ、翼周速Ｖ、液滴衝突角度Ａ及び粒径ｄがそれぞれサンプル１で用いたパラメータと同一の大きさ）下で同様の試験を行い、被覆層１０５が設けられた試験用ブレード１０１の重量損失の変化から被覆層１０５のエロージョン潜伏時間ｔ_ｉｃを求める。

図９は、翼周速とエロージョン潜伏時間の関係を示す図である。なお、横軸は翼周速（ｍ／ｓ）であり、縦軸はエロージョン潜伏時間（年）である。同図に示すように、サンプル１（第１被覆層１４Ａを形成する材料と同一の材料で形成される被覆層１０４を設けた試験用ブレード１０１）がサンプル２（第２被覆層１５Ａを形成する材料と同一の材料で形成される被覆層１０５を設けた試験用ブレード１０１）よりもエロージョン潜伏時間が長い。つまり、サンプル１（第１被覆層１４Ａと同一材料）の方が、サンプル２（第２被覆層１５Ａと同一材料）よりも耐エロージョン性が高い。

以上説明したように、本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼２によれば、周速が大きいためにエロージョンを受けやすいブレード本体１２の先端部１２Ｅを含む第１領域１２Ａの少なくとも前縁３Ａを覆う第１被覆層１４Ａを、第１被覆層１４Ａよりもハブ側に位置するブレード本体１２の第２領域１２Ｂの少なくとも前縁３Ａを覆う第２被膜層１５Ａよりも高い耐エロージョン性とすることで、第１領域１２Ａと第２領域１２Ｂとのエロージョン進行速度の差を小さくすることができる。よって、ブレードの保守頻度を低減できる。
また、耐エロージョン性が比較的高い第１被覆層１４Ａを第１領域１２Ａの少なくとも前縁３Ａに対して選択的に設けることで、第２被覆層１５Ａよりも一般的に高コストである第１被覆層１４Ａの使用量を減らし、ブレードの製造コストを低減できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。例えば、上述した実施形態のうち複数を適宜組み合わせてもよい。

１風力発電装置
２風車翼
３Ａ前縁
３Ｂ後縁
４ハブ
５ナセル
６、１０６回転シャフト
７被駆動ユニット
１１タワー
１２ブレード本体
１２Ｅ先端部
１２Ａ第１領域
１２Ｂ第２領域
１４Ａ第１被覆層
１４Ｂ第１塗料
１５Ａ第２被覆層
１５Ｂ第２塗料
１６金属粒子
１８セラミックス粒子
１０１試験用ブレード
１０４、１０５被膜層
ｔ_ｉｃエロージョン潜伏時間
Ｉ降水強度
Ｖ翼周速
Ｖｔ終端速度
Ａ液滴衝突角度
Ｗ液滴
ｄ粒径
Ｍモータ

Claims

風力発電装置のハブに取り付けられる風車翼であって、
ブレード本体と、
前記ブレード本体の先端部を含む第１領域のうち少なくとも前縁を覆う第１被覆層と、
前記第１被覆層よりも前記ハブ側に位置する前記ブレード本体の第２領域のうち少なくとも前縁を覆う第２被覆層とを備え、
前記第１被覆層は前記第２被覆層よりも高い耐エロージョン性を有することを特徴とする風車翼。
前記第１被覆層及び第２被覆層の少なくとも一方は、樹脂を主成分とするコーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
前記コーティングは、前記樹脂に担持された金属粒子又はセラミックス粒子を含むことを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
前記樹脂は、ポリウレタン系樹脂、ビニルエステル系樹脂又はフッ素系樹脂であることを特徴とする請求項２又は３に記載の風車翼。
前記金属粒子は、銅、ステンレス鋼、チタン合金及びニッケル合金からなる群より選択される１または２以上の金属を含む金属粒子であることを特徴とする請求項３に記載の風車翼。
少なくとも一本の風車翼と、該風車翼が取り付けられるハブと、を備える風力発電装置であって、
前記少なくとも一本の風車翼は、
ブレード本体と、
前記ブレード本体の先端部を含む第１領域のうち少なくとも前縁を覆う第１被覆層と、
前記第１被覆層よりも前記ハブ側に位置する前記ブレード本体の第２領域のうち少なくとも前縁を覆う第２被覆層とを備え、
前記第１被覆層は前記第２被覆層よりも高い耐エロージョン性を有することを特徴とする風力発電装置。