(57)【要約】【課題】本発明は、風力発電に使用されるスパーキャップ構造の風車翼に関するものであり、炭素繊維強化プラスチック製のスパーキャップにおいて、高い座屈強度を有しながらも低コストを可能とする風車翼構造体に関する。【解決手段】  炭素繊維と樹脂組成物の硬化物とからなる炭素繊維強化プラスチックで形成されたスパーキャップを備えた風車翼であって、炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率が４０〜５０％であるスパーキャップを風車翼の背側と腹側に備える風車翼により解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維と樹脂組成物の硬化物とからなる炭素繊維強化プラスチックで形成されたスパーキャップを備えた風車翼であって、炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率が４０〜５０％であるスパーキャップを風車翼の背側と腹側に備える風車翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に使用されるスパーキャップを備えた風車翼に関するものであり、炭素繊維強化プラスチック製のスパーキャップにおいて、高い座屈強度を有しながらも低コストを可能とする風車翼構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車翼の設計では、高強度を有しながら軽量化することが求められる。特に、風車の大型化が進むなかで、風車翼の高強度化が重要視されており、その一方で、軽量化によって風車翼を支持する構造体への負荷低減も求められる。
【０００３】
風車翼に求められる強度の一例として曲げ強度と座屈強度がある。曲げ強度は、定格風速運転時および突風時等の負荷によって生じる曲げ変形に耐えることを要求される。座屈強度は、曲げ変形によって、外皮材やスパーキャップの面内に図４で示されるような座屈変形が生じないことを要求される。
【０００４】
風車翼ではスパーキャップ構造が多用されており、この構造の利点は、スパーキャップによって長手方向の強度と剛性が保持されることで外皮全体を厚くすることなく、軽量効果に優れることである。スパーキャップには従来、ガラス繊維強化プラスチックが多用化されていたが、風車翼の大型化にともない、強度と剛性、軽量効果の高い炭素繊維強化プラスチックの実用例が増えている。炭素繊維強化プラスチックの適用によって、曲げ変形に対する強度と剛性を基準とするとスパーキャップの薄肉化が可能となるが、薄肉化は座屈を招くため、座屈強度を保持するための肉厚が必要である。特許文献１の実施例に示されるような繊維体積含有率が５５％の炭素繊維強化プラスチックでは、肉厚を保持するために炭素繊維の使用量が増え、高コストを招く可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１３７３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
風車翼のスパーキャップに炭素繊維強化プラスチックを適用することにより、曲げ強度と曲げ剛性を基準に設計した場合、スパーキャップの薄肉構造が可能となる。一方で、薄肉化によって座屈強度は低下するため、座屈強度を基準に積層の厚みを増した結果、曲げ強度と曲げ剛性が過剰性能に陥りやすい。また、高価な炭素繊維の使用量が増えるため、高コストを招く。従って、本発明では、炭素繊維強化プラスチックで形成されるスパーキャップにおいて、軽量化と低コストに効果的な構成を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
炭素繊維と樹脂組成物の硬化物とからなる炭素繊維強化プラスチックで形成されたスパーキャップを備えた風車翼であって、炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率が４０〜５０％であるスパーキャップを風車翼の背側と腹側に備える風車翼。
【発明の効果】
【０００８】
以上の発明の通り、スパーキャップを形成する炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率を４０〜５０％と従来技術より低くし、安価かつ低密度の樹脂によって肉厚を保持することにより、軽量効果とコストの損失を抑えて効果的に座屈強度を得ることができる。二次的な効果として、繊維体積含有率が低くなることで含浸性が向上し、ボイドが低下する。また、表面が樹脂リッチになるため、外観が向上し、塗装が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】スパーキャップ構造の風車翼における断面図の一例を示す。
【図２】シェアウェブの構造例を示す。
【図３】繊維強化プラスチックの積層角度を示す。
【図４】スパーキャップの座屈による波打ち変形の例を示す。
【図５】実施例における荷重方向を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（風車翼の構造）
本発明の実施形態であるスパーキャップ構造の風車翼を図１に示す。図１の風車翼１００は、外皮材１１、前縁サンドイッチ材１２、スパーキャップ１３、後縁サンドイッチ材１４、シェアウェブ１５、内皮材１７を備えている。なお、図１の符号１６は、スパーキャップ１３とシェアウェブ１５とを接続する接着剤である。
【００１１】
（スパーキャップ）
スパーキャップ１３は、シェアウェブ１５の背側（図１において上側）の端面および腹側（図２において下側）の端面に接するようにして、風車翼１００の背側および腹側にそれぞれ一つずつ設けられる。この構造では、曲げ中心Ｘから遠い位置に配置されるスパーキャップ１３が、風車翼の長手方向の強度と剛性を担う。本発明では、発電力が２ＭＷを超えるような大型風車に使用される風車翼を対象としており、高強度化、高剛性化のため、スパーキャップ１３を炭素繊維強化プラスチックの０°一方向強化積層で形成する。
【００１２】
（外皮材および内皮材）
外皮材１１および内皮材１７はそれぞれ繊維強化プラスチックの複数方向積層で形成する。
【００１３】
（サンドイッチ材）
前縁サンドイッチ材１２、後縁サンドイッチ材１４はそれぞれ、外皮材１１と内皮材１７をスキン材とし、ポリ塩化ビニル等の樹脂の発砲体やバルサ等の木材をコアとするサンドイッチ構造を有している。このようなスパーキャップ構造では、スパーキャップ１３によって風車回転翼１００のフラップ方向（背腹方向、図１の上下方向）の曲げ強度が保たれ、前縁サンドイッチ材１２および後縁サンドイッチ材１４は、風車翼１００の座屈強度を保つために補助的に使用されている。
【００１４】
（シェアウェブ）
シェアウェブ１５は、図２のように桁材表皮１５ａと桁材コア１５ｂのサンドイッチ構造で形成される。桁材表皮１５ａは強化プラスチックの複数方向積層であり、バイアス方向（±４５°）積層が好ましい。桁材コア１５ｂは、ポリ塩化ビニル等の樹脂の発砲体やバルサ等の木材で形成される。
【００１５】
（炭素繊維強化プラスチックの樹脂組成物）
スパーキャップ１３を形成する炭素繊維強化プラスチックの樹脂組成物について、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物が挙げられる。エポキシ樹脂は伸度が高く、耐疲労特性上好ましい。また、ポリエステル樹脂は耐候性、耐環境性に優れている。
【００１６】
（炭素繊維強化プラスチックの成形方法）
スパーキャップ１３を形成する炭素繊維強化プラスチックの成形法は、プリプレグ法、ＲＴＭ法、ＶａＲＴＭ法、引抜き法、フィラメントワインド法、ハンドレイアップ法等の公知の成形技術を用いることができる。本発明のような樹脂含有量が高い条件では、ＶａＲＴＭ法が好ましい。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
図１に示す断面構造の風車翼において、発電力が５ＭＷの発電風車を参考に、風車ロータ直径が１２６ｍ、翼長が６１．５ｍ、スパーキャップ１３の幅（平行に並ぶ２本のシェアウェブ１５間の距離）が７５０ｍｍの風車翼を作る。
【００１８】
スパーキャップ１３は炭素繊維強化プラスチックの０°一方向強化積層とし、プリプレグ（三菱レイヨン社製、製品名：パイロフィル＃３９１、炭素繊維として、三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ５０Ｓを使用、目付け量６００ｇ／ｍ２、樹脂含有量４５質量％）を使用する。積層数４２ｐｌｙで成形し、繊維体積含有率４５％、積層厚み３１．０３ｍｍ（１ｐｌｙ当り０．７４ｍｍ）の炭素繊維強化プラスチックを得る。
【００１９】
外皮材１１と内皮材１７は、ガラス繊維強化プラスチック（繊維体積含有率４５％）の３軸方向積層４ｐｌｙ（０°／±６０°／０°）で形成され、積層厚み２．８２ｍｍである。前縁サンドイッチ材１２および後縁サンドイッチ材１７は、前縁と後縁（スパーキャップ１３を除く部分）の座屈強度を保つために必要な厚みとして４０ｍｍとする。
【００２０】
シェアウェブ１５について、桁材表皮１５ａは、ガラス繊維強化プラスチック（繊維体積含有率４５％）のバイアス方向（±４５°）積層２ｐｌｙで形成され、積層厚み１．４１ｍｍを得る。また、桁材コア１５ｂの厚みは５０ｍｍとする。
【００２１】
負荷条件は図５で示すように、風車翼の根元を完全拘束し、翼尾にフラップ方向（背腹方向、図１の上下方向）の荷重を与える、片持ちの曲げ負荷とする。全長６１．５ｍの風車翼に対して、翼尾における最大撓みが４．５ｍ程度となる荷重である。
【００２２】
上記によって、後述の比較例１（実用化されている炭素繊維強化プラスチックの体積含有率）に対し、スパーキャップ１３において、炭素繊維強化プラスチックを構成する炭素繊維の使用量を１６％減少して同等の座屈強度と曲げ強度を得ることができ、低コストにつながる。上記以外の効果として、繊維体積含有率を従来技術よりも低くすることで含浸性が向上し、ボイドが低下する。また、表面が樹脂リッチになるため、外観が向上し、塗装が容易になる。
【００２３】
（比較例）
実施例１において、スパーキャップ１３を形成する炭素繊維強化プラスチックの原料としてのエポキシ樹脂組成物含有量を３５質量％、最大積総数を５０ｐｌｙとして、繊維体積含有率５５％、積層厚み２９．９５ｍｍ（１ｐｌｙ当り０．６０ｍｍ）の炭素繊維強化プラスチックを得る。炭素繊維および樹脂組成は実施例と同じである。実用化されている風車翼のスパーキャップを形成する炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率は５５〜６０％（樹脂含有量３０〜３５質量％相当）であり、本発明の効果を確認するため、樹脂含有量３５質量％を比較例とする。この構成において、要求される座屈強度と曲げ強度を得る。
【符号の説明】
【００２４】
１１    外皮材
１２    前縁サンドイッチ材
１３    スパーキャップ（主強度材）
１４    後縁サンドイッチ材
１５    シェアウェブ（桁材）
１５ａ  桁材表皮
１５ｂ  桁材コア材  
１６    接着剤
１７    内皮材
１００  風車翼
Ｘ      曲げ中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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