(57)【要約】【課題】軽量で発電効率が高く且つ壊れにくい風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置は、風を受けて回転する回転体１と、回転体１の回転を電気エネルギーに変換する発電機２と、を備え、回転体１が、回転軸部１Ａと、回転軸部１Ａから放射状に伸びる複数のブレード１Ｂと、からなり、定格風速８ｍ／ｓ以上１４ｍ／ｓ以下における定格出力が２０ｋＷ以下である。そして、ブレード１Ｂは、ガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材を含有する繊維強化プラスチックで構成されている。繊維強化プラスチック中の繊維強化材の含有量は、７質量％以上６０質量％以下である。ガラス繊維の平均繊維径は３μｍ以上２５μｍ以下で、平均繊維長は０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。また、炭素繊維の平均繊維径は０．１μｍ以上２０μｍ以下で、平均繊維長は０．３ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて回転する回転体と、前記回転体の回転を電気エネルギーに変換する発電部と、を備え、前記回転体が、回転軸部と、前記回転軸部から放射状に伸びる複数のブレードと、からなる風力発電装置において、下記の５つの条件を満足することを特徴とする風力発電装置。
条件Ａ：前記ブレードは、ガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材を含有する繊維強化プラスチックで構成されている。
条件Ｂ：前記繊維強化プラスチック中の前記繊維強化材の含有量が７質量％以上６０質量％以下である。
条件Ｃ：前記ガラス繊維の平均繊維径が３μｍ以上２５μｍ以下で、平均繊維長が０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
条件Ｄ：前記炭素繊維の平均繊維径が０．１μｍ以上２０μｍ以下で、平均繊維長が０．３ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。
条件Ｅ：定格風速８ｍ／ｓ以上１４ｍ／ｓ以下における定格出力が２０ｋＷ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置においては、回転軸部から放射状に伸びる複数のブレードが風を受けて回転軸部が回転することによって、発電が行われる。また、ブレードを構成する材料としては、一般に、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂と、ガラス繊維，炭素繊維等の繊維強化材とを混合した繊維強化プラスチック（fiber reinforced plastics ）が用いられる。
このような繊維強化プラスチックは軽量であるため、ブレード及び回転軸部の回転性が向上し、発電効率の向上に寄与する。また、繊維強化プラスチックは高強度であるため、風力発電装置が壊れにくく長寿命となる。
【特許文献１】特開２００４−２４５１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の繊維強化プラスチックでは、さらなる発電効率の向上のために、ブレードを薄くすることにより軽量化を図ると、ブレードの強度が不十分となるおそれがあった。
また、市街地，公園，住宅等に設置されることの多い小型の風力発電装置においては、球技中のボールや悪戯による投石がブレードに衝突するおそれがあるので、ブレードにはより高い機械的性質（例えば曲げ応力や衝撃強度）が要求される。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、軽量で発電効率が高く且つ壊れにくい風力発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の風力発電装置は、風を受けて回転する回転体と、前記回転体の回転を電気エネルギーに変換する発電部と、を備え、前記回転体が、回転軸部と、前記回転軸部から放射状に伸びる複数のブレードと、からなる風力発電装置において、下記の５つの条件を満足することを特徴とする。
【０００５】
条件Ａ：前記ブレードは、ガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材を含有する繊維強化プラスチックで構成されている。
条件Ｂ：前記繊維強化プラスチック中の前記繊維強化材の含有量が７質量％以上６０質量％以下である。
条件Ｃ：前記ガラス繊維の平均繊維径が３μｍ以上２５μｍ以下で、平均繊維長が０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
条件Ｄ：前記炭素繊維の平均繊維径が０．１μｍ以上２０μｍ以下で、平均繊維長が０．３ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。
条件Ｅ：定格風速８ｍ／ｓ以上１４ｍ／ｓ以下における定格出力が２０ｋＷ以下である。
【０００６】
条件Ａ〜Ｄを満足する繊維強化プラスチックは、一般的な繊維強化プラスチックよりも機械的性質が優れている。よって、このような繊維強化プラスチックでブレードを構成すれば、ブレードをより薄くして軽量化することが可能となるため、風力発電装置の発電効率が非常に高い。
また、条件Ｅを満足するような小型の風力発電装置は、前述のように損傷が生じやすい環境に設置されることが多いが、条件Ａ〜Ｄを満足する繊維強化プラスチックは機械的性質が優れているので、風力発電装置は前記環境においても壊れにくく長寿命である。
なお、本発明の風力発電装置においては、前記回転体の直径は、通常は４０ｃｍ以上７ｍ以下である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の風力発電装置は、軽量且つ高強度な繊維強化プラスチックでブレードが構成されているので、軽量で発電効率が高く且つ壊れにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る風力発電装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を説明する要部側面図である。
風を受けて回転する回転体１と、回転体１の回転を電気エネルギーに変換する発電機２と、を支持する略円柱状の支持体３が、垂直に伸びる支柱４の上端に、水平姿勢を保ちながら旋回可能に取り付けられている。
【０００９】
回転体１は、略円柱状の回転軸部１Ａと、回転軸部１Ａから放射状に伸びる複数のブレード１Ｂとからなるプロペラ状物であり、支持体３から水平に伸びる軸５に回転自在に取り付けられている。なお、ブレード１Ｂの形状や数は特に限定されるものではなく、用途や目的に応じて適宜設定される。
発電機２は、回転子２ａと固定子２ｂからなる一般的な発電装置であり、回転体１と一体的に形成されている。そして、回転子２ａが回転軸部１Ａと一体的に回転するようになっており、該回転子２ａの内方に配された固定子２ｂが軸５に連結されて非回転とされている。なお、発電機２の構造は、回転体１の回転を電気エネルギーに変換することが可能であれば、上記のような構造に限定されるものではない。
【００１０】
このような風力発電装置が風を受けると、風向きがどの方向であっても、支持体３に備えられた垂直翼３ａの作用によって支持体３が支柱４を軸として旋回し、回転体１を風に正対させる。風を受けた回転体１は、ブレード１Ｂの作用によって回転し、この回転が発電機２によって電気エネルギーに変換される。得られた電機エネルギーは、図示しない電線、又は、電磁波，光等の非接触媒体を介して、蓄電装置，電気製品等の所望の装置に供給することができる。
【００１１】
このブレード１Ｂは、ガラス繊維及び炭素繊維の少なくとも一方からなる繊維強化材を含有する繊維強化プラスチックで構成されている。この繊維強化プラスチック中の繊維強化材の含有量は、７質量％以上６０質量％以下である。また、ガラス繊維の平均繊維径は３μｍ以上２５μｍ以下で、平均繊維長は０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。炭素繊維の平均繊維径は０．１μｍ以上２０μｍ以下で、平均繊維長は０．３ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。
【００１２】
このような繊維強化プラスチックは、一般的な繊維強化プラスチックよりも機械的性質が優れているので、ブレード１Ｂを薄く成形しても十分な強度を付与することができる。よって、ブレード１Ｂの軽量化が可能であるため、本実施形態の風力発電装置は発電効率が非常に高い。
また、ブレード１Ｂの機械的性質が優れているので、風力発電装置が前述のような損傷が生じやすい環境に設置され、ブレード１Ｂにボールや石が衝突したとしても、損傷が生じにくい。よって、本実施形態の風力発電装置は、定格風速８ｍ／ｓ以上１４ｍ／ｓ以下における定格出力が２０ｋＷ以下である小型の風力発電装置として好適である。
【００１３】
なお、繊維強化プラスチックに使用するプラスチックの種類は特に限定されるものではなく、ポリエチレンテレフタレート，ポリブチレンフタレート等のポリエステル系樹脂や、ポリアミド６，ポリアミド６６等のポリアミド系樹脂があげられる。また、ポリスチレン，ポリカーボネート，ポリエチレン，ポリオキシメチレン，ポリプロピレン，ポリメチルアクリレート，ポリフェニレンスルフィド，ポリテトラフルオロエチレン，ポリトリフルオロエチレン，ポリスルホン，ポリベンゾイミダゾール，フェノール樹脂，メラミン樹脂，ポリウレア，エポキシ樹脂，シリコーン樹脂，ポリイミド，ポリアミドイミド等も使用可能である。
【００１４】
繊維強化材による樹脂の機械的強度の向上には、繊維強化材のマトリックス樹脂中への均一微細分散と、繊維強化材とマトリックス樹脂との界面における密着性が重要である。分散に偏りがあると、繊維強化材の配合量が少ない部位が発生するので、そこを起点に成形品の破壊が発生しやすい。繊維強化材の分散性を良好にするには、繊維強化材の大きさが過大とならないようにすればよい。また、密着性を良好にするには、繊維強化材の比表面積を大きくすればよく、そのためには平均繊維径を小さくすればよい。
【００１５】
ただし、繊維強化材が小さすぎると、凝集性が増すため分散が困難となり、また、マトリックス樹脂を強化する性能も低下してしまう。また、比表面積が大きすぎても（すなわち平均繊維径が小さすぎても）同様に凝集性が増す。
以上の理由により、平均繊維径，平均繊維長には最適範囲が存在し、前述した本発明の範囲は上記の分散性や密着性を満足するものである。
【００１６】
マトリックス樹脂が分子内架橋構造を有するタイプのものである場合は、重合時に炭素繊維表面の炭素原子とも化学反応を起こして架橋構造を形成するが、ガラス繊維ではこのような反応は生じない。したがって、ガラス繊維を使用した場合よりも炭素繊維を使用した方が、密着性に優れ、より高強度の繊維強化プラスチックが得られる。最も好ましい繊維強化プラスチックの構成は、繊維強化材が炭素繊維で、樹脂がフェノール樹脂，ポリエステル樹脂，エポキシ樹脂，ユリア樹脂，メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂である。
【００１７】
〔実施例〕
平均繊維径及び平均繊維長が種々異なるガラス繊維又は炭素繊維を含有する繊維強化プラスチックのアイゾット衝撃強度及び曲げ強度を測定した。樹脂の種類は不飽和ポリエステル樹脂であり、繊維強化プラスチック中の繊維強化材の含有量は１５質量％である。また、繊維強化プラスチックの試験片は、ＢＭＣ（Bulk Molding Compound ）をプレス法で成形して得た。結果を図２〜４のグラフに示す。
【００１８】
図２のグラフから分かるように、繊維強化材がガラス繊維である場合は、平均繊維径は３μｍ以上２５μｍ以下、平均繊維長は０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下が好ましい。平均繊維径や平均繊維長がこの範囲から外れると、繊維強化プラスチックのアイゾット衝撃強度が低下する。なお、このグラフにおけるアイゾット衝撃強度は、平均繊維径が０．７μｍ、平均繊維長が０．２ｍｍのガラス繊維を用いた繊維強化プラスチック（ガラス繊維の含有量は１５質量％）のアイゾット衝撃強度を１とした場合の相対値で示してある。
【００１９】
また、図３のグラフから分かるように、繊維強化材が炭素繊維である場合は、平均繊維径は０．１μｍ以上２０μｍ以下、平均繊維長は０．３ｍｍ以上１５０ｍｍ以下が好ましい。平均繊維径や平均繊維長がこの範囲から外れると、繊維強化プラスチックのアイゾット衝撃強度が低下する。なお、このグラフにおけるアイゾット衝撃強度は、平均繊維径が０．０５μｍで平均繊維長が０．１ｍｍの炭素繊維を用いた繊維強化プラスチック（炭素繊維の含有量は１５質量％）のアイゾット衝撃強度を１とした場合の相対値で示してある。
【００２０】
さらに、図４のグラフから、ガラス繊維，炭素繊維いずれの場合も、繊維強化プラスチック中の繊維強化材の含有量が７質量％以上であると曲げ強度が優れており、１０質量％以上であると曲げ強度がより優れていることが分かる。ただし、繊維強化材の含有量が多いと、繊維強化プラスチックの成形時にＢＭＣの流動性が低下して成形性が悪化するので、繊維強化材の含有量は６０質量％以下とすることが好ましく、５０質量％以下とすることがより好ましい。
【００２１】
なお、このグラフにおける曲げ強度は、繊維強化材を含んでいない不飽和ポリエステル樹脂のみの曲げ強度を１とした場合の相対値で示してある。また、曲げ強度の評価において使用したガラス繊維の平均繊維径は１０μｍで、平均繊維長は０．３ｍｍであり、炭素繊維の平均繊維径は１０μｍで、平均繊維長は０．３ｍｍである。
以上のような繊維強化プラスチックを用いれば、衝撃強度及び曲げ強度に優れたブレードを製造することができ、市街地，公園，住宅等に好適な小型の風力発電装置の性能向上に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る風力発電装置の一実施形態を説明する要部側面図である。
【図２】繊維強化プラスチックのガラス繊維の平均繊維径，平均繊維長とアイゾット衝撃強度との関係を示すグラフである。
【図３】繊維強化プラスチックの炭素繊維の平均繊維径，平均繊維長とアイゾット衝撃強度との関係を示すグラフである。
【図４】繊維強化プラスチック中の繊維強化材の含有量と曲げ強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１      回転体
１Ａ    回転軸部
１Ｂ    ブレード
２      発電機
３      支持体
４      支柱
【図１】
2007205241.tif 000003
【図２】
2007205241.tif 000004
【図３】
2007205241.tif 000005
【図４】
2007205241.tif 000006