WO2017126287A1 - 風力発電装置またはブレードの製造方法 - Google Patents

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WO2017126287A1
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wind power
skin
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澤田　貴彦
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株式会社日立製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C39/00—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor
    • B29C39/14—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor for making articles of indefinite length
    • B29C39/18—Shaping by casting, i.e. introducing the moulding material into a mould or between confining surfaces without significant moulding pressure; Apparatus therefor for making articles of indefinite length incorporating preformed parts or layers, e.g. casting around inserts or for coating articles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a wind turbine generator or blade.
  • Wind power generation equipment rotates by receiving wind and converts the rotational energy into electricity.
  • wind turbine blades have been increasing in length for the purpose of increasing power generation efficiency. Therefore, it is manufactured using a fiber reinforced resin composite material (FRP) for the purpose of satisfying both requirements of lightness and high strength.
  • FRP fiber reinforced resin composite material
  • a glass fiber reinforced resin composite material (hereinafter referred to as GFRP) and a carbon fiber reinforced resin composite material (CFRP) based on a polyester resin or an epoxy resin are used as a structural material, and a hand lay-up method, a resin impregnation method, a vacuum impregnation method, Molded and manufactured by an autoclave method or the like.
  • GFRP glass fiber reinforced resin composite materials
  • Patent Document 1 discloses a process for producing a main strength material by superimposing a reinforcing fiber sheet having a certain width in the longitudinal direction, and a dorsal surface on a first formwork for forming a dorsal half-cracked wing.
  • a step of placing a main strength material placed on the belly side of the girder on the outer skin material has been.
  • the first composite fiber layer (101) is disposed on the first mold surface of the first mold part (110) corresponding to the first shape portion of the hollow member. 1 and a second composite fiber layer (102) is disposed on the second mold surface of the second mold part (120) corresponding to the second shape portion of the hollow member.
  • the first composite fiber layer (101) is fixed to the first mold surface so that the fixing step and the first mold surface and the second mold surface have the shape of a hollow member to be produced.
  • the manufacture of blades constituting a wind power generator is generally performed using two half-cracked molds corresponding to the half shape of the blade. . And what was manufactured with each type
  • an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a wind turbine generator or blade capable of improving reliability.
  • a wind turbine generator is a wind turbine generator that includes a blade that rotates by receiving wind and generates electric power using rotational energy of the blade, and the blade includes an inner skin layer provided in the blade, An outer skin layer provided on the outer side of the blade, a main girder disposed between the inner skin layer and the outer skin layer, the inner skin layer, the outer skin layer, and the main girder material impregnated in the inner skin layer.
  • the outer skin layer and the resin for fixing the main girder are provided, and the outer skin layer and the inner skin layer are both formed continuously.
  • the inner mold corresponding to the inner shape of the skin material of the blade on the pressure side and the negative pressure side is disposed, the skin material of the blade is disposed outside the inner mold, A resin is impregnated between the inner mold and the thin film material.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the blade connecting portion 20 taken along the line C-C ′ in FIG. 11.
  • D-D 'sectional view in FIG. 9 is a perspective view of a wind turbine integrally formed blade starting from the section D-D ′ in FIG. 9. Wind power generator in this embodiment
  • FIG. 1 shows an external view of a windmill blade 1 having a spar cap that can achieve both lightness and high strength.
  • the tip portion 1a is provided with a metal lightning receiving portion intended for lightning, and is joined to a hub structure portion for transmitting power to the wind turbine main shaft by means of a blade root portion 1b by means such as a bolt. Moreover, it has the front edge part 101 and the rear edge part 102 with respect to the rotation direction.
  • FIG. 2 shows an A-A ′ cross-sectional view of the blade 1 in FIG. 2,
  • the blade 1 includes an outer skin layer 12a made of FRP, a core 12b and a shell 12 made of an inner surface layer 12c made of FRP, a spar cap 11, a front edge side shear web 13a and a rear edge side shear web 13b.
  • the shell 12 forms a front edge portion 101 and a rear edge portion 102 in the wing width (flap) direction with the spar cap 11 as a boundary.
  • a positive pressure side 104 and a downstream negative pressure side 103 for receiving wind are formed in the blade width (edge) direction.
  • the half-cracked shell 12 on the pressure side 104 and the shell 12 on the suction side 103 are bonded and bonded at the front edge portion 101 and the rear edge portion 102 with an adhesive 14 made of a resin material.
  • the joint becomes a discontinuous portion of the FRP.
  • the shear webs 13 a and 13 b are bonded and bonded by the adhesive 14 to the spar cap 11 on the positive pressure side 104 and the spar cap on the negative pressure side 103.
  • a sheathing conductor 15 for conducting a lightning current from a metal material for lightning strike (lightning receptor) is attached to the shear web 13a or 13b by a fiber reinforcing layer 16.
  • the core material 12b is a member arranged for the purpose of increasing rigidity in order to prevent the buckling of the shell 12, and a light weight wood such as a vinyl chloride resin foam material (PVC) or a balsa material is used.
  • the adhesive 14 is made of a resin-based material, and is mainly cured by mixing an epoxy resin and a curing agent.
  • FIG. 3 is a schematic view of a resin impregnation method which is an example of a method for forming the shell 12 constituting the positive pressure side 104 of the blade 1.
  • An outer skin layer 12a, a core material 12b, a spar cap 11, and an inner skin layer 12c for forming the shell 12 are laminated on a mold 17 having an outer shape on the pressure side of the blade so as to have a desired position and thickness.
  • the shell 12 is covered with the vacuum bag thin film sheet 6 while being placed on the mold 17, and the base material resin is injected from the resin injection port 18 while reducing the pressure from the resin suction port 19 by means of a compressor or the like. Impregnate.
  • the resin injection is stopped while the pressure is reduced. Thereafter, the base material resin is heated by heating the outer skin layer side of the shell 11 by a heating device provided in the mold 17 (not shown) and the inner skin layer side of the shell 11 by a heating method such as a hot water bag (not shown). Harden.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a process in the middle of forming the blade 1.
  • a leading edge side shear web 13a and a trailing edge side shear web 13b formed in a separate process are arranged on a mold part with an adhesive 14 interposed therebetween.
  • the front edge portion 101 and the rear edge portion 102 and the front edge side shear web 13a and the rear edge side shear web 13b of the shell 12 on the positive pressure side 104 are adhesively bonded to the shell 12 on the negative pressure side 103 formed in another process.
  • An adhesive 14 is disposed on the surface.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the adhesive curing treatment process of the blade 1.
  • the shell 12 on the positive pressure side 104 and the shell 12 on the negative pressure side 103 are joined together via an adhesive 14 and disposed so as to have a desired airfoil shape, and then the adhesive 14 is cured.
  • the curing process is performed by a heating device (not shown) provided in the mold 17 in a state where the laminated member of the blade 1 is stored in the mold 17 on the positive pressure side 104 and the mold 17 on the negative pressure side 103.
  • the adhesive 14 is cured by heating from the outer skin layer side of the shell 12.
  • the joint portion between the shell 12 on the positive pressure side 104 and the shell 12 on the negative pressure side 103 that has been half-broken becomes a discontinuous portion of the FRP.
  • the discontinuous portion is generated, specific stress or strain is applied when an external load is applied to the blade during power generation, which easily leads to resin cracking or separation of the fiber layer.
  • FRP molded parts called reinforcing fiber materials retain thermal strain after being taken out of the mold, molding errors occur due to deformations such as springback.
  • the molding process error becomes large, an event occurs in which the joint surface with another member manufactured in another process is offset, or the surfaces are lifted and do not adhere to each other. The members are joined to each other while adjusting.
  • Thickening the adhesive tends to lead to the following problems. That is, heat is not easily transmitted to the inside of the adhesive during the adhesive curing process, causing poor curing and lowering the strength.
  • the adhesive joint breaks, a foreign substance intrusion path into the blade is created. For example, if rainwater enters inside through a foreign substance intrusion path, the risk of mechanical / electrical component failure increases due to water absorption deterioration of the blade material and leakage into the hub.
  • the wind turbine generator includes a windmill blade 1 that rotates by receiving wind, a hub 22 that is fastened and supported by the windmill blade 1, a nacelle 23 that rotatably supports the hub 22, and a nacelle. And a tower 24 that supports 23 loads.
  • the nacelle 23 is rotatably supported in a horizontal plane with respect to the tower 24 and is driven to rotate according to the wind direction. With this configuration, the direction of the nacelle 23 can be changed according to the wind direction, and the windmill blade 1 can receive wind efficiently.
  • the wind power generator includes a generator, and generates power using the rotational energy of the windmill blade 1.
  • FIG. 6 shows a blade core structure 3 of an integrally formed blade according to an embodiment of the present invention. It is divided into a blade tip portion 1a, a blade root portion 1b, and a blade body portion structure 1c.
  • the blade tip portion 1a is mainly formed of a core member having a lower melting point than the constituent members of the shell 12, and may include a lightning receptor (not shown) for lightning strike.
  • the blade body portion 1c includes an FRP front edge side shear web 13a, a rear edge side shear web 13b, a front edge side core member 2a made of a material having a lower melting point than the constituent members of the shell 12, an intermediate core member 2b, and a rear edge side center. It consists of the child member 2c.
  • the blade root portion 1 c is mainly composed of a core member having a low melting point material than the constituent members of the shell 12.
  • the covered conductor 15 is integrally formed in advance on the shear web (shear beam member) 13a or 13b.
  • the present invention is not limited to this, and it is possible to wind the lightning conductor integrally and form it integrally by the resin impregnation method.
  • FIG. 7 shows a perspective view starting from the BB ′ cross section in FIG.
  • the blade core structure 3 is constituted by a core material formed of at least one or more shear web members 13 and at least two or more low-melting-point materials that have a hollow internal structure of a wind turbine blade. That is, it is formed from a core member 2 made of a low melting point material shaped like a blade hollow internal structure and a front edge side shear web 13a, a rear edge side shear web 13b, and a blade hollow internal structure.
  • the core member 2 is formed by assembling the heel front edge side core member 21a, the intermediate middle rear member 2b, and the rear edge side core member 2c.
  • This is an inner mold, and has a shape corresponding to the inner shape of the blade skin material on the positive pressure side and the negative pressure side. In the case of a half-cracked shape, it corresponds only to the shape on the positive pressure side or the negative pressure side, and does not correspond to the inner shape of the skin material of the blade on both the positive pressure side and the negative pressure side.
  • the low melting point material forming the core for example, Paraffin wax (melting point: 50 ° C.), Field's metal (melting point) in which bismuth, tin, and indium are alloyed at a ratio of 46.5: 13.5: 40 (wt%). It is preferable to use a low melting point alloy such as 62 ° C., and it is more preferable to select from a material that does not use lead in consideration of safety to the human body.
  • a processing means of the core member 2 itself having a complicated shape like a blade hollow structure it is formed by a processing means for forming a hollow structure by pouring a low melting point material into a mold in advance and curing it, or by a 3D printer. There is a processing method.
  • the front edge side core member 2a, the intermediate core member 2b, and the rear edge side core member 2c constituting the core member 2 do not have to be integrated with each other, and may be formed by assembling divided pieces. .
  • the core member 2 is preferably hollow, but can be solid.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the process of bonding the blade skin member to the outer surface of the core structure 3.
  • an endothelial layer 12c made of a fiber layer, a core material 12b, and a spar cap 11 are arranged in a desired order and position.
  • the endothelial layer 12c is continuously formed outside the inner mold.
  • FIG. 9 shows a method of winding the fiber layer that forms the endothelial layer 12c in this embodiment.
  • the endothelium layer 12c is composed of two narrow fiber tapes 4.
  • the fiber tapes 4 are provided with an angle and intersect with each other, and the surface of the blade core structure 3 from the blade tip side 1a toward the blade root 1b. Wrap around to cover. It is preferable that the width direction edge part of the one fiber tape 4 and the width direction edge part of the other adjacent fiber tape 4 are arrange
  • the fiber layer 4 is wound around the blade core structure 3 to form the endothelial layer 12c, so that the front edge portion 101 and the rear edge portion 102 are securely connected to the positive pressure side 104 and the negative pressure side 103. It can be set as the structure which straddles continuously. That is, the discontinuous portion is not provided as in the comparative example, and the endothelial layer 12 c is substantially seamlessly formed except for the end portion of the fiber tape 4. In this embodiment, the endothelial layer 12c has a seamless integrated structure in this way.
  • the number of fiber tapes 4 is not particularly limited.
  • the core member 12b in the rear edge portion 102 is divided on the positive pressure side and the negative pressure side, but it can also be arranged in a continuous shape like the front edge portion 101.
  • the strength against stress can be increased.
  • the fiber tape 4 starts to be wound from the blade tip side 1a, but may be wound from the blade root side 1b. Further, the winding angle can be changed according to the shape of the blade core structure 3.
  • the fiber tape 4 after disposing a lightning derivative (lightning receptor) (not shown) on the blade tip 1a. Furthermore, after winding the fiber tape 4, the lightning receptor may be disposed at a desired position and fixed through a resin impregnation process.
  • a lightning derivative lightning receptor
  • FIG. 10 shows a schematic view of the resin impregnation step in this example.
  • the outer skin layer 12a is formed by the winding method shown in FIG. 9, and then a vacuum bag provided with the base material resin inlet 7 and the base material resin outlet 8
  • the member bonded to the core structure 3 is covered with the thin film sheet 6 for use.
  • the outer skin layer 12a has a substantially seamless integrated structure except for the end portions, similarly to the inner skin layer 12c.
  • the means for covering the outer skin layer 12 a of the blade 1 is not limited to the vacuum bag thin film sheet 6, and a mold imitating the outer shape of the blade 30 may be used.
  • the mold material may be wood, plastic, metal, ceramics, or the like.
  • the base material resin is injected from the base material resin injection port 7 while reducing the pressure from the base material resin outlet 8 by means of a compressor or the like, and the fiber layer, the core material, and the inner material disposed on the surface of the core member 3 are injected.
  • a connecting surface between the skin layer 12c and the shear webs 13a and 13b is impregnated with resin. After the resin is sufficiently impregnated, resin injection and extraction are stopped, and the outer surface of the blade is heated by a heating means (not shown) in a reduced pressure state to cure the impregnated resin.
  • FIG. 11 shows the integrally formed blade 30.
  • the blade can be formed integrally without using a half-shaped mold.
  • members disposed on the surface of the core member 2 are omitted.
  • a means for taking out the core member 2 will be described with reference to FIG.
  • a heat source 9 for melting the core is disposed inside the integrally formed blade 30.
  • the core is formed with a melting point lower than that of the constituent members of the shear web and the shell 12, and even if the core is melted, the main body of the integrally formed blade 30 is not melted.
  • the heat source 9 in this embodiment is a means for directly energizing the conductive object to be heated and directly heating the object to be heated by Joule heat generated by the internal resistance of the object.
  • the heat source is not limited to this.
  • the heat source can be heated by a heater from the outside instead of being energized to generate heat from the inside.
  • the core is melted by inserting the heat source 9 through the hollow structure of the core structure 3 to the blade tip 1a and moving the heat source 9 to the blade root 1b while being energized and heated. At this time, the core material melted from the blade root 1b can be poured out and taken out by lifting and tilting the blade tip 1a to the top. The removed core material can be collected and recycled.
  • FIG. 12 is a cross-sectional arrow view of the blade connecting portion 20 in FIG.
  • the blade connecting portion 20 has a cylindrical cross-sectional shape and is configured by FRP.
  • the FRP of the blade connecting portion 20 is formed by continuously winding the blade connecting portion 20 to the blade connecting portion 1b through the blade tip portion 1a and the blade body portion 1c with the narrow fiber tape 4.
  • Components for mechanically connecting the wind turbine main body hub 22 and the integrally formed blade 30 are separately attached to the connecting portion 20 by post-processing.
  • the connecting component may be attached by integral molding. For example, there is a means for winding the connecting component and the FRP fiber layer together, and then impregnating with resin and curing.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ in FIG.
  • the core member 2 constituting the blade core structure 3 has a hollow structure so that the heat source 9 for melting the core member is passed through.
  • the root core member 21 in the connecting portion 20 is a hollow that penetrates through a hollow portion provided in the core member 2 constituting the blade body portion 1c so that the heat source 9 can move in the same axis in the longitudinal direction of the blade 30. It is preferable to provide a part.
  • FIG. 14 is a perspective view of the wind turbine integrated molding blade 30 according to the embodiment of the present invention, starting from the D-D ′ cross section in FIG. 9.
  • an adhesive layer made of a lump of resin is provided between the front edge portion 101 and the rear edge portion 102, the spar cap 11 on the positive pressure side 104, the spar cap 11 on the negative pressure side 103, and the shear webs 13a and 13b. Without being formed, it is possible to form a blade structure that is integrally molded only with the impregnating resin. Therefore, it is possible to reduce concerns such as a decrease in strength due to poor curing and damage due to a lump of adhesive that has fallen off.
  • both the outer skin layer 12a and the inner skin layer 12c are continuously formed and have no discontinuous portions.
  • the outer skin layer 12a and the inner skin layer 12c are formed substantially seamlessly. Therefore, the stress singularity or distortion does not occur, and the reliability can be improved.
  • Coated conductor 16 Fiber reinforcing layer 17 ... Mold 18 ... Resin inlet 19 ... Resin outlet 20 ; Blade root connection part 21 ... Root core member 22 ... Hub 23 ... Nacell 24 ... Tower 30 ... Integrally molded blade 101 ... Blade leading edge 102 ... Blade trailing edge 103 ... Blade negative pressure side 104 ... Blade positive pressure side

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Abstract

信頼性を向上させることが可能な風力発電装置またはブレードの製造方法を提供することを目的とする。　上記課題を解決すべく、風を受けて回転するブレード３０を備え、ブレード３０の回転エネルギーを用いて発電する風力発電装置であって、ブレード３０は、ブレード３０における内側に設けられる内皮層１２ｃと、ブレード３０における外側に設けられる外皮層１２ａと、内皮層１２ｃ及び外皮層１２ａの間に配置される主桁材１１と、内皮層１２ｃ、外皮層１２ａ、及び主桁材１１に含浸されて内皮層１２ｃ、外皮層１２ａ、及び主桁材１１を固定する樹脂を備え、外皮層１２ａ及び内皮層１２ｃはいずれも連続的に形成されることを特徴とする。

Description

風力発電装置またはブレードの製造方法
　本発明は、風力発電装置またはブレードの製造方法に関する。
　風力発電設備は、風を受けることによって回転し、その回転エネルギーを電気に変換する。近年では、発電効率を高めることを目的として、風車ブレードは長大化が進んでいる。そのため、軽量性と高強度の要求を両立することを目的として繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）を用いて製造される。ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂を母材としたガラス繊維強化樹脂複合材（以下、ＧＦＲＰ）、および炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）を構造材とし、ハンドレイアップ法、樹脂含浸法、真空含浸法、オートクレーブ法等によって成形、製造される。とりわけガラス繊維強化樹脂複合材料（ＧＦＲＰ）から製造されるものが多い。
　風車ブレードおよび風車ブレードの製法に関しては、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されたものが知られている。
　特許文献１には、長手方向に一定幅の強化繊維シートを重ね合わせて主強度材を作製する工程と、背側の半割れ翼を成形する第１の型枠の上に、背側の表面を形成する外皮材を載置し、この外皮材の上に、桁材の背側に配置される主強度材を載置する工程と、腹側の半割れ翼を成形する第２の型枠の上に、腹側の表面を形成する外皮材を載置し、この外皮材の上に、桁材の腹側に配置される主強度材を載置する工程とを備えているものが記載されている。
　特許文献２には、中空部材の第１の形状部分に相当する、第１の金型部品（１１０）の第１の金型表面に、第１の複合繊維層（１０１）を配置する、第１の複合繊維層配置ステップと、中空部材の第２の形状部分に相当する、第２の金型部品（１２０）の第２の金型表面に、第２の複合繊維層（１０２）を配置する、第２の複合繊維層配置ステップと、第１の複合繊維層（１０１）上に、収縮された状態の袋体（２０１）を配置する袋体配置ステップと、袋体（２０１）と第１の複合繊維層（１０１）とを第１の金型表面に固定する、固定ステップと、第１の金型表面と第２の金型表面とが作製すべき中空部材の形状になるように、第１の金型部品（１１０）を第２の金型部品（１２０）に結合させる、結合ステップと、第１の複合繊維層（１０１）が第１の金型表面に押し付けられ、かつ第２の複合繊維層（１０２）が第２の金型表面に押し付けられ、第１の複合繊維層（１０１）と第２の複合繊維層（１０２）とが結合されて作製すべき中空部材の形状を成すように袋体（２０１）を膨張させる、膨張ステップとを有することが記載されている。
特開２０１１－１３７３８６号公報 特開２０１２－８２８３２号公報
　風力発電装置を構成するブレードの製造は、特許文献１や特許文献２に記載される様に、ブレードの半分の形状に対応する半割れの２つの型を用いて行われるのが一般的である。そして、ブレードの前縁部と後縁部において各型で製作されたもの同士を接合してブレードを形成する。
　しかし、こうした手法で製造された場合、前縁部と後縁部或いはその周辺にＦＲＰの不連続部が形成されることになる。発電時にブレードに外荷重が作用した時に不連続部には特異的な応力やひずみが作用するため、樹脂割れや繊維層の剥離に繋がる可能性もある。また、特許文献２の場合、袋体の膨らみ方によっては余剰繊維層が接合部を跨がない可能性もあることから、確実に所望の構造を得ることは難しい。
　そこで本発明では信頼性を向上させることが可能な風力発電装置またはブレードの製造方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る風力発電装置は、風を受けて回転するブレードを備え、前記ブレードの回転エネルギーを用いて発電する風力発電装置であって、前記ブレードは、前記ブレードにおける内側に設けられる内皮層と、前記ブレードにおける外側に設けられる外皮層と、前記内皮層及び前記外皮層の間に配置される主桁材と、前記内皮層、前記外皮層、及び前記主桁材に含浸されて前記内皮層、前記外皮層、及び前記主桁材を固定する樹脂を備え、前記外皮層及び内皮層はいずれも連続的に形成されることを特徴とする。
　また、本発明に係るブレードの製造方法は、正圧側及び負圧側におけるブレードの表皮材の内側形状に対応する内側型を配置し、前記内側型の外側に前記ブレードの表皮材を配置し、前記内側型と前記薄膜材の間に樹脂を含浸させることを特徴とする。
　本発明によれば、信頼性を向上させることが可能な風力発電装置またはブレードの製造方法を提供することが可能になる。
比較例における風車用ブレードの概略外観図 図１におけるＡ－Ａ’断面図 樹脂含浸法によるシェル部成形の概略図 ブレード成形の途中工程の概略図 ブレードの接着硬化処理工程の概略図 本実施例における一体成形ブレードのブレード中子構造 図６におけるＢ-Ｂ'断面を起点とした斜視図 ブレード中子構造の外表面にブレード表皮部材を貼り合わせる工程の概略図 本実施例において内皮層を形成する繊維層の巻き回し方法 本実施例における樹脂含浸工程の概略図 一体成形ブレード 図１１におけるブレード接続部２０のＣ－Ｃ’断面矢視図 図１１におけるＤ－Ｄ’断面矢視図 風車用一体成形ブレードの図９におけるＤ－Ｄ’断面を起点とする斜視図 本実施例における風力発電装置
[比較例]
　初めに、本発明の実施例に対する比較例を説明する。
　図１は、軽量性と高強度を両立できるスパーキャップを有する風車ブレード１の外観図を示す。先端部１ａには被雷を目的とした金属製受雷部が設けられ、ブレード根元部１ｂで風車主軸に動力伝達するハブ構造部にボルトなどの手段で接合される。また、回転方向に対して前縁部１０１と後縁部１０２とを有する。
　以下、図２から図５を用いて比較例における風車ブレードの製造方法について述べる。
　図２は、図１におけるブレード１のＡ－Ａ’断面図を示す。図２において、ブレード１はＦＲＰから成る外皮層１２aと芯材１２ｂとＦＲＰから成る内表層１２ｃからなるシェル１２、スパーキャップ１１と、前縁側シアウェブ１３ａと後縁側シアウェブ１３ｂとを備えている。シェル１２はスパーキャップ１１を境として、翼幅広（フラップ）方向に前縁部１０１と後縁部１０２とを構成する。また翼幅狭（エッジ）方向に、風を受け止める正圧側１０４と下流側の負圧側１０３とを構成する。半割れされた正圧側１０４のシェル１２と負圧側１０３のシェル１２とは、前縁部１０１および後縁部１０２において、樹脂系材料からなる接着剤１４によって接着接合される。これによって、接合部はＦＲＰの不連続部になる。さらにシアウェブ１３ａ、１３ｂは、正圧側１０４のスパーキャップ１１と負圧側１０３のスパーキャップと接着剤１４によって接着接合される。シアウェブ１３ａあるいは１３ｂには、誘雷のための金属材料（ライトニングレセプタ）からの雷電流を通電するための被覆導線１５が繊維補強層１６によって取り付けられる。芯材１２ｂは、シェル１２の座屈を防止するために剛性を高めることを目的として配置される部材であり、塩化ビニル樹脂の発泡材（ＰＶＣ）や、バルサ材等の軽量木材が使われる。接着剤１４は樹脂系材料から構成され、主にエポキシ樹脂と硬化剤を混合することによって硬化したものが用いられる。
　図３は、ブレード１の正圧側１０４を構成するシェル１２の成形法の一例である樹脂含浸法の概略図を示す。ブレードの正圧側の外形をかたどった金型１７上に、シェル１２を形成するための外皮層１２ａと芯材１２ｂとスパーキャップ１１と内皮層１２ｃとを所望の位置および厚みとなるように積層する。シェル１２を金型１７に配置したまま、真空バッグ用薄膜シート６で覆い、樹脂吸引口１９からコンプレッサ等の手段で減圧しながら樹脂注入口１８から母材樹脂を注入し、繊維層に樹脂を含浸する。樹脂含浸が全体に行き渡った時点で減圧したまま樹脂注入を停止する。その後、図示しない金型１７内に備えられた加温装置によってシェル１１の外皮層側を、図示しない温水バッグなどの加温方法によってシェル１１の内皮層側を加温することによって母材樹脂を硬化させる。
　図４は、ブレード１の成形の途中工程の概略図を示す。正圧側１０４を構成するシェル１２のスパーキャップ１１上に、別の工程で成形した前縁側シアウェブ１３ａと後縁側シアウェブ１３ｂを金型部品に接着剤１４を介して配置している。このとき、正圧側１０４のシェル１２における前縁部１０１と後縁部１０２、および前縁側シアウェブ１３ａと後縁側シアウェブ１３ｂには、別の工程で成形した負圧側１０３のシェル１２と接着接合するために接着剤１４が配置されている。
　図５は、ブレード１の接着硬化処理工程の概略図を示す。図４において正圧側１０４のシェル１２と負圧側１０３のシェル１２とが接着剤１４を介して接合し、所望の翼型形状となるように配置した後に、接着剤１４を硬化処理する。硬化処理は、正圧側１０４の金型１７と負圧側１０３の金型１７とを併せた内部にブレード１の積層部材を格納した状態で、金型１７内に備えられた図示しない加温装置によってシェル１２の外皮層側から加温することによって接着剤１４を硬化させる。
　この様な工程に沿ってブレード１を製造すると、半割れされた正圧側１０４のシェル１２と負圧側１０３のシェル１２との接合部がＦＲＰの不連続部になる。不連続部が生じると、発電時にブレードに外荷重が作用した時に特異的な応力やひずみが作用することになるため、樹脂割れや繊維層の剥離に繋がり易くなる。
　また、強化繊維材と言ったＦＲＰ成形部品は、金型から取り出した後に熱ひずみが残留するため、スプリングバックなどの変形によって成形加工誤差が生じる。成形加工誤差が大きくなると、別の工程で作製した別の部材との接合面がオフセットする、あるいは面同士が浮き上がり密着しないといった事象が起こるため、接着剤１４を厚盛りにするなどして厚さを調整しながら部材同士を接合することとなる。
　接着剤を厚肉化すると、次のような問題に繋がり易い。すなわち、接着硬化処理時に接着剤内部に熱が伝わりにくく硬化不良を起こし強度が低下する。接着接合部が破断すると、ブレード内部への異物侵入経路が出来る。例えば異物侵入経路を通じて内部に雨水が浸入すると、ブレード材料の吸水劣化やハブ内部への漏水により、機械・電気部品故障リスクが高まる。また、組立時の押し圧によって余分な接着剤が押し出された状態で硬化するため、稼働中に余剰接着剤が脱落する。脱落した接着剤の塊があると、風を受けて回転する際に接着剤の塊がブレード内部に損傷を与えることになる。
　[実施例]
　以下、本発明を実施するための形態について、図６から図１５を用いて説明する。
　図１５に示す様に、風力発電装置は、風を受けて回転する風車ブレード１と、風車ブレード１が締結して支持されるハブ２２と、ハブ２２を回転可能に支持するナセル２３と、ナセル２３の荷重を支持するタワー２４とから概略構成される。ナセル２３は、タワー２４に対して水平面内で回転可能に支持されており、風向きに応じて回転駆動させる。この構成によって、風向きに応じてナセル２３の向きを変えることができ、風車ブレード１は風を効率良く受け取ることが出来る。風力発電装置は、図示を省略するが発電機を備えており、風車ブレード１の回転エネルギーを用いて発電する。
　図６は、本発明の実施形態に係る一体成形ブレードのブレード中子構造３を示す。ブレード先端部１ａ、ブレード根元部１ｂ、およびブレード胴体部構造１ｃに分けられる。ブレード先端部１ａは、シェル１２の構成部材よりも低融点の中子部材によって主に形成されており、図示しない誘雷用の金属部材（ライトニングレセプタ）が含まれていても良い。ブレード胴体部１ｃは、ＦＲＰ製の前縁側シアウェブ１３ａと、後縁側シアウェブ１３ｂと、シェル１２の構成部材よりも低融点材料による前縁側中子部材２ａと、中間中子部材２ｂと、後縁側中子部材２ｃから成っている。ブレード根元部１ｃは、主にシェル１２の構成部材よりも低融点材料の中子部材から成る。
　シアウェブ（せん断はり部材）１３ａあるいは１３ｂには、被覆導線１５を予め一体成形しておくことが好ましい。これに限らず、被雷導線を一体に巻き回し、樹脂含浸法によって一体に成形することは何ら問題ない。
　図７は、図６におけるＢ-Ｂ'断面を起点とした斜視図を示す。ブレード中子構造３は、風車ブレードの中空内部構造をかたどった、少なくとも１つ以上のシアウェブ部材１３と少なくとも２つ以上の低融点材料によって形成された中子材料によって構成される。すなわち、予め成形した前縁側シアウェブ１３ａと、後縁側シアウェブ１３ｂと、ブレード中空内部構造をかたどった低融点材料から成る中子部材２から形成される。中子部材２は、 前縁側中子部材２１ａと、中間中後部材２ｂと、後縁側中子部材２ｃを組み立てることによって形成される。これが内側型となり、正圧側及び負圧側におけるブレードの表皮材の内側形状に対応した形状となっている。半割れ形状の場合には、正圧側または負圧側などの形状にのみ対応し、正圧側及び負圧側の双方におけるブレードの表皮材の内側形状に対応していない。
　中子を形成する低融点材料としては、例えば、パラフィンワックス(融点５０℃）、ビスマスと錫とインジウムを４６．５：１３．５:４０（重量％）の比率で合金化したField's metal（融点６２℃）などの低融点合金を用いるのが好ましく、人体への安全面を配慮すると鉛を使用しない材料から選択することがより好ましい。
　ブレード中空構造のような複雑形状を模った中子部材２自体の加工手段としては、予め中空構造をかたどった型に低融点材料を流し込み硬化させて形成する加工手段や、３Ｄプリンタによって形成する加工方法がある。
　中子部材２を構成する前縁側中子部材２ａ、中間中子部材２ｂ、後縁側中子部材２ｃは、各々の部品が一体である必要はなく、分割した片を組み立てて形成しても良い。また、中子部材２は中空であることが好ましいが、中実とすることも可能である。
　図８は、中子構造３の外表面にブレード表皮部材を貼り合わせる工程の概略図を示す。中子構造３の表面には、繊維層からなる内皮層１２ｃ、芯材１２ｂ、スパーキャップ１１、を所望の順序・位置に配置していく。内皮層１２ｃは内型の外側に連続的に形成されている。
　図９は、本実施例において内皮層１２ｃを形成する繊維層の巻き回し方法を示す。内皮層１２ｃは、２本の細幅繊維テープ４から成り、繊維テープ４は角度を付与して互いに交差しながら、ブレード先端側１ａからブレード根元部１ｂに向かって、ブレード中子構造３の表面を覆うように巻き回していく。一方の繊維テープ４の幅方向端部と、隣り合う他方の繊維テープ４の幅方向端部とが、部分的に重なり合うように配置されることが好ましい。より好ましくは、消耗する部材の効率を高めるため、隣接する繊維テープ４同士について、一方の幅方向端部と他方の幅方向端部との隙間が無くなるように配置するのが良い。
　本実施例によると、繊維テープ４をブレード中子構造３に巻き回して内皮層１２ｃを構成することによって、前縁部１０１と後縁部１０２が、正圧側１０４と負圧側１０３とを確実に、連続的に跨ぐ構成とすることができる。即ち、比較例の様に不連続な部分は設けられず、繊維テープ４の端部を除いて実質的に内皮層１２ｃが継ぎ目なく形成されている。本実施例では、この様にして内皮層１２ｃが継ぎ目のない一体構造となっている。繊維テープ４の本数は特に限定はされない。また、前縁部１０１における芯材１２ｂは、前縁部１０１を連続的な形状で跨いで配置する。本実施例においては、後縁部１０２における芯材１２ｂは正圧側と負圧側で分断されているが、前縁部１０１と同様に連続的な形状で跨いで配置することも可能である。連続的に形成することで、芯材についても応力に対しての強度を高めることができる。なお、図９において繊維テープ４は、ブレード先端側１ａから巻き回し始めているが、ブレード根元側１ｂから巻き回しても良い。また、ブレード中子構造３の形状に応じて巻き回し角度は変更することができる。
　図示しない雷誘導体（ライトニングレセプタ）をブレード先端部１ａに配置した後に、繊維テープ４を巻き回すこともできる。さらに、繊維テープ４を巻き回した後に、ライトニングレセプタを所望の位置に配置し樹脂含浸プロセスを経て固定しても良い。
　図１０は、本実施例における樹脂含浸工程の概略図を示す。内皮層１２ｃ、芯材１２ｂ、スパーキャップ１１を配置した後、図９に示す巻き回し方法によって外皮層１２ａを形成したのち、母材樹脂注入口７と母材樹脂取出口８を備えた真空バッグ用薄膜シート６によって中子構造３と貼り合わされた部材を覆う。外皮層１２ａについても内皮層１２ｃと同様に端部を除いて実質的に継ぎ目のない一体構造となっている。
　ブレード１の外皮層１２ａを覆う手段としては、真空バッグ用薄膜シート６に限定されるものではなく、ブレード３０の外形を模った型を用いても良い。型材質は、木材、プラスチック、金属、およびセラミックスなどを使用しても良い。
　そして、母材樹脂取出口８からコンプレッサなどの手段で減圧しながら、母材樹脂注入口７より母材樹脂を注入し、中子部材３の表面に配置された繊維層、芯材、および内皮層１２ｃとシアウェブ１３ａ、１３ｂとの接続面に樹脂を含浸する。樹脂が十分に含浸した後、樹脂注入ならびに取出を停止し、減圧状態のままブレード外表面を図示しない加温手段によって加温し、含浸した樹脂を硬化する。
　図１１は、一体成形ブレード３０を示す。本実施例によれば、半割形状の型を利用せず、ブレードが継ぎ目なく一体に成形できる。該図では、中子部材２の表面に配置した部材は省略している。図１１を用いて中子部材２を取り出す手段を示す。一体成形ブレード３０の内部には中子を溶融するための熱源９が配置されている。前述の様に、中子はシアウェブやシェル１２の構成部材よりも低融点に形成されており、中子を溶融させても一体成形ブレード３０の本体は溶融しない。
　本実施例における熱源９は、導電性被加熱物に直接通電し、物体の内部抵抗により発生するジュール熱によって被加熱物を直接加熱する手段によるものである。無論、熱源はこれに限定されず、例えば通電させて内部から発熱させるのではなく、外部からヒータで加温することも可能である。
　熱源９を中子構造３の中空構造の内部を通じてブレード先端部１ａまで差し入れ、通電加熱しながら熱源９をブレード根元部１ｂまで引き出すように移動させることによって、中子を溶融する。このとき、ブレード先端部１ａを天側に持ちあげて傾けることにより、ブレード根元部１ｂから溶融した中子材料を流し出して取り出すことが出来る。取出した中子材料は、回収してリサイクルすることが出来る。
　図１２は、図１１におけるブレード接続部２０のＣ－Ｃ’断面矢視図を示す。ブレード接続部２０は円筒形断面形状であり、ＦＲＰにより構成される。ブレード接続部２０のＦＲＰは、細幅繊維テープ４によって、ブレード先端部１ａとブレード胴体部１ｃを経て、ブレード接続部１ｂまで連続的に巻き回すことにより形成する。接続部２０には、別途風車本体ハブ２２と一体成形ブレード３０とを機械的に接続するための部品が後加工により取り付けられる。接続部品は一体成形によって取り付けられても良く、例えば接続用部品とＦＲＰ繊維層を一体に巻き回した後に樹脂含浸して硬化処理する手段がある。
　図１３は、図１１におけるＤ－Ｄ’断面矢視図を示す。ブレード中子構造３を成す中子部材２には、中子部材を溶融するための熱源９を通すために中空構造としている。
　接続部２０における根元部中子部材２１は、熱源９が、ブレード３０の長手方向へ同一軸に移動できるように、ブレード胴体部１ｃを構成する中子部材２に設けた中空部に貫通した中空部を設けることが好ましい。
　図１４は、本発明の実施形態に係る風車用一体成形ブレード３０に関して、図９におけるＤ－Ｄ’断面を起点とする斜視図である。本実施形態によると、前縁部１０１および後縁部１０２、正圧側１０４のスパーキャップ１１および負圧側１０３のスパーキャップ１１とシアウェブ１３ａおよび１３ｂとの間には樹脂の塊から成る接着剤層を形成せずに、含浸樹脂のみで一体成形されるブレード構造を形成することができる。よって、硬化不良による強度低下や脱落した接着剤の塊による損傷などの懸念を低減することも可能である。
　本実施例における構造によれば、外皮層１２ａ及び内皮層１２ｃはいずれも連続的に形成されており、不連続部を有しない。言い換えると、外皮層１２ａ及び内皮層１２ｃは実質的に継ぎ目なく形成されている。よって、応力の特異点やひずみなどが生じず、信頼性を高めることが出来る。
１・・・風車ブレード 
１ａ・・・ブレード先端部 
１ｂ・・・ブレード根元部 
１ｃ・・・ブレード胴体部 
２・・・中子部材 
２ａ・・・前縁側中子部材 
２ｂ・・・中間中後部材 
２ｃ・・・後縁側中子部材 
３・・・ブレード中子構造 
４・・・細幅繊維テープ 
５・・・母材樹脂 
６・・・真空バッグ用薄膜シート 
７・・・母材樹脂注入口 
８・・・母材樹脂取出口 
９・・・熱源 
１０・・大気圧 
１１・・・主桁材（スパーキャップ） 
１２・・・表皮材（シェル）
１２ａ・・・外皮層 
１２ｂ・・・芯材 
１２ｃ・・・内皮層 
１３ａ・・・前縁側せん断はり部材（シアウェブ） 
１３ｂ・・・後縁側せん断はり部材（シアウェブ） 
１４・・・接着剤 
１５・・・被覆導線 
１６・・・繊維補強層 
１７・・・金型 
１８・・・樹脂注入口 
１９・・・樹脂引出口 
２０・・・ブレード根元接続部 
２１・・・根元部中子部材 
２２・・・ハブ
２３・・・ナセル
２４・・・タワー
３０・・・一体成形ブレード 
１０１・・・ブレード前縁 
１０２・・・ブレード後縁 
１０３・・・ブレード負圧側 
１０４・・・ブレード正圧側 

Claims (12)

  1. 　風を受けて回転するブレードを備え、前記ブレードの回転エネルギーを用いて発電する風力発電装置であって、
    　前記ブレードは、前記ブレードにおける内側に設けられる内皮層と、前記ブレードにおける外側に設けられる外皮層と、前記内皮層及び前記外皮層の間に配置される主桁材と、前記内皮層、前記外皮層、及び前記主桁材に含浸されて前記内皮層、前記外皮層、及び前記主桁材を固定する樹脂を備え、
    　前記外皮層及び内皮層はいずれも連続的に形成されることを特徴とする風力発電装置。
  2. 　請求項１に記載の風力発電装置であって、
    　前記外皮層及び内皮層は実質的に継ぎ目なく形成されることを特徴とする風力発電装置。
  3. 　請求項１または２に記載の風力発電装置であって、
    　前記内皮層及び前記外皮層の間に配置され、正圧側と負圧側に跨って配置される芯材を備えることを特徴とする風力発電装置。
  4. 　請求項３に記載の風力発電装置であって、
    　前記芯材は、前縁部に配置されることを特徴とする風力発電装置。
  5. 　請求項３または４に記載の風力発電装置であって、
    　前記芯材は、後縁部に配置されることを特徴とする風力発電装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
    　前記ブレード内部で正圧側と負圧側の間に配置されるせん断はり部材を備え、
    　前記樹脂は、更に前記せん断はり部材を固定することを特徴とする風力発電装置
  7. 　正圧側及び負圧側におけるブレードの表皮材の内側形状に対応する内側型を配置し、
    　前記内側型の外側に前記ブレードの表皮材を配置し、
    　前記内側型と前記薄膜材の間に樹脂を含浸させることを特徴とするブレードの製造方法。
  8. 　請求項７に記載のブレードの製造方法であって、
    　前記内側型の外側に前記ブレードの表皮材を配置する際は、前記内側型の表面に前記表皮材を巻き回して行うことを特徴とするブレードの製造方法。
  9. 　請求項８に記載のブレードの製造方法であって、
    　前記内側型の外側に前記ブレードの表皮材を配置する際は、前記内側型の表面に前記表皮材が交差する様に巻き回して行うことを特徴とするブレードの製造方法。
  10. 　請求項８または９に記載のブレードの製造方法であって、
    　前記内側型の表面に前記表皮材を巻き回す際は、隣接する前記表皮材同士を部分的に重ね合わせることを特徴とするブレードの製造方法。
  11. 　請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のブレードの製造方法であって、
    　前記内側型の表面に前記表皮材を巻き回す際は、隣接する前記表皮材との間で隙間が生じない様に重ね合わせることを特徴とするブレードの製造方法。
  12. 　請求項７ないし１１のいずれか１項に記載のブレードの製造方法であって、
    　前記樹脂の含浸後に前記内側型を溶融させて前記ブレード外に取り出すことを特徴とするブレードの製造方法。
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