(57)【要約】【課題】  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において、その疲労強度を向上させたコストパフォーマンスに優れる風車翼を提供する。【解決手段】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、該繊維強化プラスチックに使用する強化繊維が弾性率の異なる２種類以上の繊維である風車翼である。  弾性率の異なる２種類以上の繊維が、ピッチ系炭素繊維および／またはポリアクリロニトリル系炭素繊維を含むことが好ましい。  弾性率の異なる２種類以上の繊維が、曲げ変形による引張応力が発生する側から圧縮応力が発生する側に向かって弾性率が低くなるように配置されていることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該繊維強化プラスチックに使用する強化繊維が弾性率の異なる２種類以上の繊維である風車翼。
【請求項２】
弾性率の異なる２種類以上の繊維が、ピッチ系炭素繊維および／またはポリアクリロニトリル系炭素繊維を含む請求項１記載の風車翼。
【請求項３】
弾性率の異なる２種類以上の繊維が、曲げ変形による引張応力が発生する側から圧縮応力が発生する側に向かって弾性率が低くなるように配置されている請求項１記載の風車翼。
【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、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曲げ剛性を有し、風車翼全体の曲げ剛性も向上させることによって変形量を低減した、疲労特性に優れた風車翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギーの中でもコストパフォーマンスに優れる風力発電が注目されている。特に大型風車は１機当りの発電量も大きく、コストパフォーマンスに優れるので、風車の大型化が進んでいる。
【０００３】
大型風車はコストパフォーマンスに優れるものの、その風車翼は絶えず変動する風を数十年も受けて変形するため、非常に厳しい疲労環境下におかれるので、疲労強度を向上させることが重要となる。疲労強度が向上すれば風車翼の寿命は長くなるので、更にコストパフォーマンスの向上が期待できる。
【０００４】
このような要求に対して例えば特開２０１３−１５１９２７にはスパーキャップの補強繊維として炭素繊維を用いる技術について開示されている。炭素繊維は軽量かつ高弾性の繊維であり、ガラス繊維を用いたスパーキャップより格段に性能が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１５１９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、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において、その疲労強度を向上させたコストパフォーマンスに優れる風車翼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するために次の手段を採用するものである。すなわち、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、該繊維強化プラスチックに使用する強化繊維が弾性率の異なる２種類以上の繊維である風車翼である。
弾性率の異なる２種類以上の繊維が、ピッチ系炭素繊維および／またはポリアクリロニトリル系炭素繊維を含む風車翼であることが好ましい。
弾性率の異なる２種類以上の繊維が、曲げ変形による引張応力が発生する側から圧縮応力が発生する側に向かって弾性率が低くなるように配置されている風車翼であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の風車翼は、軽量、高剛性で、かつ疲労強度にも優れた構造を備えるため、この風車翼を使用した風車は寿命が長くなり、コストパフォーマンスに優れ、発電コストの低減につながることが期待できる。また同じ風による曲げ荷重を受けた時の変形量が小さいので、受風面積の低下を防ぎ、高いエネルギー変換効率が期待できる。
【０００９】
また本発明の技術は、例えば潮流発電の羽根のように、常に同じ方向から荷重を受けて、曲げ変形を受けるような材料にも応用することができる。すなわち常に引張応力が発生する側に、より弾性率の高い強化繊維からなる繊維強化プラスチックを配置することにより、同じ曲げ荷重でも変形量が抑えられるので、製品の寿命向上の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】スパーキャップ構造を有する風車翼における断面の一例を示す模式図である。
【図２】シェアウェブの構造例を示す模式図である。
【図３】繊維強化プラスチックの積層角度の表示を示す図である。
【図４】実施例、比較例における荷重を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明を、図面を参照しながらさらに詳細に説明する。図１は代表的な、スパーキャップを有する風車翼の断面図である。図に示す通り、スパーキャップは風車の風によって生じる曲げ荷重を受ける主たる部位であり、この部分の剛性が風車翼全体の曲げ変形量の抑制を担う。
【００１２】
風車翼は風を受けて曲げ変形するが、曲げられる方向はおおよそ常に一定である。図１のケースでは常に上方面から風を受けるので図中の上側が凸に曲げ変形する。（以下、風車翼に生じる曲げ変形に基づき、風上側を凸側、風下側を凹側呼ぶことがある。）
【００１３】
すなわち、それぞれのスパーキャップとしては、凸側のスパーキャップは常に引張変形を受け、凹側のスパーキャップは圧縮変形を受ける。
【００１４】
そこで本発明においては、引張変形を受ける凸側に弾性率の高い強化繊維で補強された繊維強化プラスチック製のスパーキャップを配置し、凹側には低い弾性率の強化繊維で補強された繊維強化プラスチック製のスパーキャップを配置する。
【００１５】
ここでいう弾性率とは強化繊維の引張弾性率（ヤング率）のことであり、「高い、低い」は相対的なものである。高い弾性率と低い弾性率の比率は特に限定はないが、高い弾性率が低い弾性率の２倍以上であれば風車翼全体としての曲げ変形がより抑えられ、好ましい。
【００１６】
このような弾性率の異なる強化繊維の組み合わせとしては、例えば弾性率の高い強化繊維として弾性率が６００−１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維と、弾性率の低い強化繊維として弾性率が２００−５００ＧＰａのポリアクリロニトリル系炭素繊維の組み合わせが最も好適であるが、弾性率が６００−１０００ＧＰａのピッチ系炭素繊維とガラス繊維、あるいは弾性率が２００−５００ＧＰａのポリアクリロニトリル系の炭素繊維とガラス繊維、あるいはこれら３つを同時に用いることも本発明の好適な形態である。
【００１７】
また曲げ変形を受ける風車翼の凸側のスパーキャップに用いる強化繊維の全てに高い弾性率の強化繊維を用いてもよいし、一つのスパーキャップの中での曲げ変形を考え、その凸側に高い弾性率の強化繊維を用い、凹側に低弾性の強化繊維を用いてもよい。その場合は一本のスパーキャップ内で凸側から凹側に向かって弾性率が低くなるように、弾性率の異なる２種類以上の強化繊維からなる繊維強化プラスチックを配置すればよい。
【００１８】
（風車翼の構造）
本発明の実施形態であるスパーキャップを備えた風車翼の構造を図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１３ａ、１３ｂ、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１３ａ、１３ｂとシェアウェブ１５とを接続する接着剤である。
【００１９】
（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は繊維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泡体やバルサ等の軽量木材で形成される。
【００２０】
（繊維強化プラスチックの樹脂）
スパーキャップ１３ａ、１３ｂを形成する繊維強化プラスチックに用いる樹脂としては、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（硬化物）や、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロンなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂は伸度が高く、耐疲労特性上好ましい。また、不飽和ポリエステル樹脂は低コストであり、ビニルエステル樹脂は耐候性と耐環境性に優れているのでそれぞれ好適である。
【００２１】
（繊維強化プラスチックの成形方法）
スパーキャップ１３ａ、１３ｂを形成する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、引抜き成形法、フィラメントワインド法、ハンドレイアップ法、パウダー散布法、コミングル法、等の公知の成形技術を用いることができる。
【実施例】
【００２２】
（実施例）
図１に示す断面構造の風車翼において、翼長が５０．０ｍ、スパーキャップ１３ａ及び１３ｂの幅（平行に並ぶ２本のシェアウェブ１５間の距離）が３００ｍｍの風車翼を作る。
【００２３】
スパーキャップ１３ａは、三菱レイヨン社製エポキシ樹脂製品名＃３９１と三菱樹脂社製ピッチ系炭素繊維製品名Ｋ１３９１６（弾性率：７６０ＧＰａ）からなる、強化繊維目付け６００ｇ／ｍ２、樹脂含有量３５質量％の一方向（ＵＤ）プリプレグを、スパーキャップの長手方向に強化繊維の方向を揃えて積層数５０ｐｌｙで成形し、１１０℃、４時間で真空バグ成形し、高い弾性率を有する繊維強化プラスチックを得る。
【００２４】
スパーキャップ１３ｂも同様に、三菱レイヨン社製エポキシ樹脂製品名＃３９１と三菱レイヨン社製ポリアクリロニトリル系炭素繊維製品名ＴＲＷ４０（弾性率：２４０ＧＰａ）からなる、強化繊維目付け６００ｇ／ｍ２、樹脂含有量３５質量％の一方向（ＵＤ）プリプレグを、スパーキャップの長手方向に強化繊維の方向を揃えて積層数５０ｐｌｙで成形し、１１０℃、４時間で真空バグ成形し、低い弾性率を有する繊維強化プラスチックを得る。
【００２５】
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％、不飽和ポリエステル樹脂）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１３ａ、１３ｂを除く部分）の座屈強度を保つために必要な厚みとして３０ｍｍとする。
【００２６】
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％、不飽和ポリエステル樹脂）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。
【００２７】
負荷条件は図４で示すように、風車翼の根元を完全拘束し、１０ｍ／秒の風を受けた想定で、４箇所に加える荷重条件を設定し、荷重時の風車翼の先端の変形量（変位）を算出して風車翼全体の剛性を表現する。先端での変形量は７．４ｍであった。
【００２８】
（比較例）
実施例１において、スパーキャップ１３ａを形成する（炭素）繊維強化プラスチックにスパーキャップ１３ｂと同じものを使用し、その他はすべて実施例１と同じとする。風車翼先端での変形量は１０．７ｍと４０％以上大きな変形量であった。
【符号の説明】
【００２９】
１１ 外皮材
１２ 前縁サンドイッチ材
１３ａ 凸側（引張側）のスパーキャップ
１３ｂ 凹側（圧縮側）のスパーキャップ
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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