風車翼およびこれを用いる風力発電装置

本発明は、風車翼およびこれを用いて発電を行う風力発電装置に関する。

風力発電装置に用いられる風車翼としては、軽量、高強度、製作容易性を求められており、たとえば、特許文献１に示されるように複合構造でこれらのニーズに対応している。
これは、ガラス繊維強化プラスチック製であって翼形状を画成する外皮と、外皮の内側に配設されるガラス繊維強化プラスチック製の主桁との２つの部材から構成され、両者を接着組立して所定の全体構造が得られる。
この外皮あるいは主桁には、座屈強度を考慮して、図２、図３に示されるように繊維強化プラスチックに固形発泡体（コア材）を挟み込んだサンドイッチ構造体部分が用いられている。

従来、コア材として用いられる固形発泡体としては、機械的強度の強い塩ビ発泡体（たとえば、鐘淵化学工業（株）製の商品名クレゲセル（登録商標））が用いられている。
また、コア材として、固形発泡体の替わりにバルサが用いられることもある。

特許３８２５３４６号公報（図５）

ところで、塩ビ発泡体は、その強度を十分とするためには、比較的高密度とする必要があり、重くなるし、コストが高く、風車の性能および製造価格に大きな影響を及ぼす。
また、バルサは、木材であり、供給量に制約があり、安定した大量生産に向かないし、そのため、価格が高騰することもある。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強度を保持しつつ軽量でかつ安価なコア材を用いた風車翼およびこれを用いた風力発電装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第一の態様は、繊維強化プラスチック製の外皮で形成される風車翼であって、平面でみると交差するように配置され、それぞれ厚さ方向に貫通し樹脂の流路となる繊維層と該繊維層の間の空間を満たす発泡プラスチックとが一体的に形成されたコア材を、前記繊維層に樹脂が充填された形で前記外皮のサンドイッチ構造体部分に用いる風車翼を提供する。

本態様にかかる風車翼によれば、コア材は、繊維層に樹脂が充填された形で外皮のサンドイッチ構造体部分に用いられるので、繊維層は繊維強化樹脂層を形成する。
この繊維層は平面でみると交差するように、かつ、それぞれ厚さ方向に貫通するように配置されているので、コア材の強度を十分に確保することができる。
したがって、繊維層の間の空間を満たす発泡プラスチックには高い強度を求める必要がなくなるので、軽量（低密度）で安価な発泡プラスチックを用いることができ、風車翼のコストを低減することができる。
なお、このような発泡プラスチックとしては、たとえば、低密度のポリウレタンおよびポリイソシアヌレートによる発泡体が用いられる。
また、繊維層に充填される樹脂がサンドイッチ構造体の表面、裏面の繊維層との接着機能を有するので、サンドイッチ構造体がより強固に一体となり、耐久性を向上させることができる。

前記態様では、前記サンドイッチ構造体部分は、対向して配置される前記外皮間に掛け渡されている主桁に設けられていることが好ましい。
このようにすると、コストの増加を少なくして主桁の座屈を抑制することができる。

前記態様では、前記サンドイッチ構造体部分は、前記外皮に設けられていることが好ましい。
このようにすると、コストの増加を少なくして外皮の座屈を抑制することができる。

前記態様では、前記コア材は、用いられる場所の形状に形成されることが好ましい。
このようにすると、コア材は所定の設置位置にきっちり収めることができる。

前記態様では、前記コア材は、複数のユニットとされ、このユニットで用いられる場所の形状に組み立てられる構成とすることが好ましい。
このようにすると、ユニットを組み立てることによって、コア材の大型化に容易に対応することができる。

前記構成では、前記ユニットは、直方体形状とされ、用いられる場所の形状に形成するために形状補正用の補正ユニットを用いることが好ましい。
このようにすると、ユニットは直方体形状のみとなるので、その製造を容易に、かつ、安価に行うことができる。
なお、補正ユニットは、部分的に用いられるので、ユニットと同じ構成でもよいし、従来の固形発泡体あるいはバルサで形成されてもよい。

本発明の第二態様によれば、強度を十分に確保でき、軽量（低密度）で安価なコア材を使用した風車翼を用いている風力発電装置を提供する。
このようにすると、風力発電装置はコスト増加を最小限に留めつつ、十分な強度を備えることができる。

本発明によれば、コア材の厚さ方向に貫通する繊維層は繊維強化樹脂層を形成してコア材の強度を十分に確保することができる。
このため、発泡プラスチックには高い強度を求める必要がなくなるので、軽量（低密度）で安価な発泡プラスチックを用いることができ、風車翼のコストを低減することができる。
また、繊維層に充填される樹脂がサンドイッチ構造体の表面、裏面の繊維層との接着機能を有するので、サンドイッチ構造体がより強固に一体となり、耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。

本発明の一実施形態にかかる風車翼の横断面の一例を示す横断面図である。

本発明の一実施形態にかかる主桁の断面の一例を示す断面図である。

本発明の一実施形態にかかるコア材の幅方向の断面図である。

本発明の一実施形態にかかるコア材の長さ方向の断面図である。

本発明の一実施形態にかかるコアユニットを一部破断して示す斜視図である。

本発明の一実施形態にかかるコアユニットの別の実施形態を示す一部を破断した平面図である。

本発明の一実施形態にかかる主桁を成形する状態の成形装置を示す断面図である。

本発明の一実施形態にかかる腹側外皮を成形する状態の成形装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 風力発電装置 ９ 風車翼 １３ 外皮 １５ 主桁 １７ 主桁 １９ 中央サンドイッチ構造体部分 ２５ 前縁側サンドイッチ構造体部分 ２７ 後縁側サンドイッチ構造体部分 ２９ コア材 ３１ コア材 ３３ コア材 ３５ コアユニット ３７ 補正コアユニット ３９ コア材 ４９ コア材 ５５ 繊維層 ５７ 発泡プラスチック体

以下、本発明の一実施形態にかかる風力発電装置１を図面に基づいて説明する。
図１は、風力発電装置１の全体概略構成を示す側面図である。
風力発電装置１には、図１に示すように、基礎１１上に立設される支柱３と、支柱３の上端に設置されるナセル５と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル５に設けられるロータヘッド７と、ロータヘッド７の回転軸線周りに放射状に取り付けられた複数枚の風車翼９とが備えられている。
ロータヘッド７の回転軸線方向から風車翼９に当たった風の力が、ロータヘッド７を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ナセル５の外周面適所（たとえば上部等）には、いずれも図示を省略しているが、周辺の風速値を測定する風速計と、風向を測定する風向計と、避雷針とが備えられている。
ナセル５の内部には、いずれも図示を省略しているが、ロータヘッド７と同軸の増速機を介して連結された発電機が設置されている。 すなわち、ロータヘッド７の回転を増速機で増速して発電機を駆動することにより、発電機より発電機出力が得られるようになっている。

図２は、風車翼９の横断面図である。 風車翼９には、翼形状を画成する外皮１３と、外皮１３の強度を補強する主桁（サンドイッチ構造体部分）１５、１７とが備えられている。
外皮１３は、腹側外皮１３ａと背側外皮１３ｂとの２つの半割体からなっている。 外皮１３は、ガラス繊維強化プラスチック（繊維強化プラスチック）で形成されている。

腹側外皮１３ａおよび背側外皮１３ｂの内面には、それぞれ風車翼９の長手方向に延在する中央サンドイッチ構造体部分（サンドイッチ構造体部分）１９ａ，１９ｂと、中央サンドイッチ構造体部分１９ａ，１９ｂの前縁側に位置する前縁側ガーダ（繊維肉厚部）２１ａ，２１ｂと、中央サンドイッチ構造体部分１９ａ，１９ｂの後縁側に位置する後縁側ガーダ（繊維肉厚部）２３ａ，２３ｂと、前縁側ガーダ２１ａ，２１ｂの前縁側に位置する前縁側サンドイッチ構造体部分（サンドイッチ構造体部分）２５ａ，２５ｂと、後縁側ガーダ２３ａ，２３ｂの後縁側に位置する後縁側サンドイッチ構造体部分（サンドイッチ構造体部分）２７ａ，２７ｂとが備えられている。

中央サンドイッチ構造体部分１９ａ，１９ｂの内部には、コア材２９ａ，２９ｂが挟みこまれている。 前縁側サンドイッチ構造体部分２５ａ，２５ｂの内部には、コア材３１ａ，３１ｂが挟みこまれている。 後縁側サンドイッチ構造体部分２７ａ，２７ｂの内部には、コア材３３ａ，３３ｂが挟みこまれている。
たとえば、中央サンドイッチ構造体部分１９ａは、風車翼９の幅方向の両端部における高さが端部に向かって漸減するように形成されているので、コア材２９ａも図４に示されるように幅方向の両端部における高さが端部に向かって漸減するように形成されている。

この場合、高さが変化しない部分は、直方体形状のコアユニット（ユニット）３５で形成し、漸減部分は、三角柱形状の補正コアユニット（補正ユニット）３７で形成するようにしてもよい。 補正コアユニット３７は部分的に用いられるので、従来の固形発泡体あるいはバルサで形成されてもよい。 これは、後述するようにコアユニット３５は厚さ方向（高さ方向）に繊維層が存在しており、これをきれいに切断する等が難しく、また、繊維層が少なくなってその効果が十分発揮されない可能性があるからである。

たとえば、中央サンドイッチ構造体部分１９ａは、その高さが風車翼９の長手方向に変化するように形成されているので、コア材２９ａも図５に示されるようにその高さが長手方向に変化するように形成されている。
この場合も、高さが変化する部分では、三角柱形状の補正コアユニット３７で形成するようにしてもよい。 その他の部分は、直方体形状のコアユニット３５で形成する。
このように、コアユニット３５を所定形状に組み立てることによってコア材２９ａを形成するようにしているので、コア材２９ａの大型化に容易に対応することができる。

主桁１５は、面部が前縁側ガーダ２１ａと前縁側ガーダ２１ｂとの間に、風車翼９の長手方向に根元から先端近傍まで延在するように設置されている。
主桁１５には、略矩形断面をしたコア材３９と、コア材３９の前縁側を覆う前縁側構造材４１と、コア材３９の後縁側を覆う後縁側構造材４３とが備えられている。
前縁側構造材４１および後縁側構造材４３は、前縁側ガーダ２１ａ側および前縁側ガーダ２１ｂ側端部が後縁側に折れ曲がり、相互に接合されるように構成されている。
前縁側構造材４１の折れ曲がり部４７が外側に位置し、前縁側ガーダ２１ａ，２１ｂに接着剤で強固に接着される。
前縁側構造材４１および後縁側構造材４３は、ガラス繊維強化プラスチックで形成されている。

主桁１７は、面部が後縁側ガーダ２３ａと後縁側ガーダ２３ｂとの間に、風車翼９の長手方向に根元から先端近傍まで延在するように設置されている。
主桁１７には、略矩形断面をしたコア材４９と、コア材４９の前縁側を覆う前縁側構造材５１と、コア材４９の後縁側を覆う後縁側構造材５３とが備えられている。
前縁側構造材５１および後縁側構造材５３は、後縁側ガーダ２３ａ側および後縁側ガーダ２３ｂ側端部が前縁側に折れ曲がり、相互に接合されるように構成されている。
後縁側構造材５３の折れ曲がり部が外側に位置し、後縁側ガーダ２３ａおよび後縁側ガーダ２３ｂに接着剤で強固に接着される。
前縁側構造材５１および後縁側構造材５３は、ガラス繊維強化プラスチックで形成されている。

コア材３９，４９は、コア材２９ａと同様に、コアユニット３５を組み立てて形成されている。
なお、必要に応じて種々な形状の補正コアユニット３７を用いるようにしてもよい。

次に、コアユニット３５の構成について図６に基づいて説明する。
コアユニット３５は略直方体形状をしている。 コアユニット３５には、繊維層５５と、発泡プラスチック体（発泡プラスチック）５７とが備えられている。
繊維層５５は、ガラス繊維の布のような織物であり、その面内に沿って樹脂、たとえば、エポキシ樹脂が通ることができる。
なお、繊維層５５は、織物ではなくマット状でもよいし、ロービングあるいはこれを用いた織物であってもよい。
また、ガラス繊維ではなく、炭素繊維、アラミド繊維等強化に用いられる適宜な繊維を用いてもよい。

複数の繊維層５５は、縦方向（たとえば、風車翼９の長手方向）と横方向（たとえば、風車翼９の幅方向）とに交差するように格子状に配置されている。
各繊維層５５は、コアユニット３５の厚さ方向に貫通するようにされている。
発泡プラスチック体５７は、たとえば、ポリイソシアヌートを用いて発泡させ低密度の発泡体としたものである。 これは、ポリウレタンを用いて発泡させ低密度の発泡体としてもよい。
発泡プラスチック体５７は、直方体形状をし、繊維層５５で形成された空間に納まる大きさに形成されている。
発泡プラスチック体５７と繊維層５５とは、接着剤で接着されるなどして、一体化されている。

繊維層５５の配置は、格子状に限定されるものではなく、たとえば、図７に示されるように、一方向の繊維層５５を隣り合う列で互い違いになるようにしてもよい。
また、繊維層５５は、全幅に亘り貫通するように形成する必要は無く、たとえば、発泡プラスチック体５７の側面を覆う大きさとし、それらを相互に接着するようにしてもよい。 いずれにしても発泡プラスチック体５７同士が繊維層５５を介して接合されるように構成されていればよい。

主桁１５，１７および外皮１３を成型する成型装置５９には、下型６１と、上カバー６３と、上カバー６３に貫通するように取り付けられた図示しない真空ポンプに接続された吸引配管６７と、樹脂を供給する樹脂供給配管６５とが備えられている。 下型６１と上カバー６３との間は、閉鎖時シールされる。

次に、風車翼９の製造方法について図２、図４、図５、図６、図８および図９を参照して説明する。
まず、所定の大きさの直方体形状をした発泡プラスチック体５７を必要な数製造する。 これは所定の大きさの型を用いて、ポリイソシアヌートを発泡させる。
次に、所定の大きさの繊維層５５を準備し、隣り合う発泡プラスチック体５７の間に位置するように接着するなどし、発泡プラスチック体５７と一体化してコアユニット３５を形成する。 これにより、コアユニット３５は、繊維層５５が縦横に交差し、厚さ方向に貫通するように形成される。
このとき、コアユニット３５の周囲にも繊維層５５が設置されるようにするとよい。
また、補正コアユニット３７を必要に応じて製造する。

これらのコアユニット３５および補正コアユニット３７を組み合わせ、コア材２９、３１、３３、３９、４９を形成する。
これは成型装置５９での準備状況に対応して行われる。 また、成型装置５９へコアユニットを設置する際に行うようにしてもよい。

図８は、成型装置５９が主桁１５を成型する状態を示す断面図である。 下型６１の上にその形状に沿ってガラス繊維を重ねて置く。 この重ね量は、前縁側構造材４１が所要の厚さが得られるまでである。
その上に、コア材３９を所定の位置に置く。 その上に、後縁側構造材４３が所要の厚さが得られるまでガラス繊維を重ねて置く。
これが終了すると、上カバー６３を下型６１の方へ移動し、閉鎖する。

この状態で真空ポンプを作動し、型内の空気を吸引する。 この状態で、樹脂供給配管６７によって、たとえば、液状のエポキシ樹脂を供給する。 エポキシ樹脂は、前縁側構造材４１および後縁側構造材４３のガラス繊維、ならびに、コア材３９の繊維層５５に充填される。
図示しない加熱手段で加熱してエポキシ樹脂を硬化させる。
これにより、前縁側構造材４１、後縁側構造材４３およびコア材３９はエポキシ樹脂によって強固に一体化させられる。 主桁１７を同様にして形成する。

図９は、成型装置５９が腹側外皮１３ａを成型する状態を示す断面図である。 下型６１の上にその形状に沿って腹側外皮１３ａの外側部分が所要の厚さが得られるまでガラス繊維を重ねて置く。
その上に、コア材２９ａ，３１ａ，３３ａをそれぞれ所定の位置に置く。 その上に、腹側外皮１３ａの内側部分が所要の厚さが得られるまでガラス繊維を重ねて置く。
そして、前記した主桁１５と同様にしてこれらを一体的に形成する。
また、背側外皮１３ｂを同様にして形成する。

背側外皮１３ｂを内側になる方を上にして設置し、前縁側ガーダ２１ｂの所定位置に主桁１５の一端を、後縁側ガーダ２３ｂの所定位置に主桁１７の一端を接着する。
その後、腹側外皮１３ａを内側になる方を下にし、前縁側ガーダ２１ａの所定位置に主桁１５の他端を、後縁側ガーダ２３ａの所定位置に主桁１７の他端を接着する。
そして、腹側外皮１３ａおよび背側外皮１３ｂの前縁部および後縁部を接合させる。

このように、コア材２９、３１、３３、３９、４９は、繊維層５５に樹脂、たとえばエポキシ樹脂が充填されるので、繊維層５５は繊維強化樹脂層となる。
この繊維層５５は平面でみると縦横に交差するように、かつ、それぞれ厚さ方向に貫通するように配置されているので、コア材２９、３１、３３、３９、４９の強度を十分に確保することができる。
したがって、繊維層５５の間の空間を満たす発泡プラスチック５７には高い強度を求める必要がなくなるので、軽量で安価な低密度の発泡体を形成する、たとえば、ポリイソシアヌートを用いることができ、風車翼９のコストを低減することができる。

繊維層５５に充填されるエポキシ樹脂がコア材２９、３１、３３、３９、４９と、コア材を覆うサンドイッチ構造体の表面、裏面の繊維層との接着機能を有するので、これらとコア材２９、３１、３３、３９、４９とが一体となり、耐久性を向上させることができる。
さらに、これらに充填される樹脂は同じエポキシ樹脂であるので、一層強固に結合され、一層耐久性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、主桁１５，１７、中央サンドイッチ構造体部分１９、前縁側サンドイッチ構造体部分２５および後縁側サンドイッチ構造体部分２７にコア材２９、３１、３３、３９、４９を用いているが、必要な強度が得られるのであれば、あるいはコストが見合うようであれば、いずれか１箇所のみに用いるようにしてもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。