風力発電機の設計

取り付け中の風車ハブ

単純設計では、風車ハブと呼ばれます。 ブレードはハブに直接ボルトで固定されているため、ピッチングができず、一定の風速以上では空力的に失速してしまう。 一方、より高度な設計では、ブレードはピッチベアリングにボルト止めされ、風速に応じてピッチシステムの助けを借りて迎え角を調整し、回転速度を制御します。 ピッチ制御は、油圧式または電気式（鉛蓄電池またはウルトラキャパシタ）で行われる。 ピッチベアリングは、それ自体がハブにボルトで固定されています。 The hub is fixed to the rotor shaft which drives the generator directly or through a gearbox.

Blade countEdit

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The 98 meter diameter, two-bladed NASA/DOE Mod-5B wind turbine was the largest operating wind turbine in the world in the early 1990s

The NASA test of a one-bladed wind turbine rotor configuration at Plum Brook Station near Sandusky, Ohio

The number of blades is selected for aerodynamic efficiency, component costs, and system reliability. 騒音放射は、タワーの風上または風下のブレードの位置と、ローターの速度に影響されます。 ブレードの後縁と先端からの騒音放射がブレード速度の 5 乗によって変化することを考えると、先端速度のわずかな増加が大きな違いを生むことがあります。

過去 50 年間に開発された風力タービンは、ほぼ例外なく 2 枚または 3 枚のブレードを使用しています。

過去50年間に開発された風力発電機は、ほぼ例外なく2枚か3枚のブレードを使用していますが、Chan Shin氏のマルチユニットローターブレードシステム統合風力発電機など、ブレードを追加したデザインを提示する特許があります。 ブレードの枚数を1枚から2枚に増やすと空気力学的効率は6％向上するが、2枚から3枚に増やすとさらに3％しか効率が上がらない。

理論的には、幅がゼロの無限のブレードが最も効率的で、チップ速度比の高い値で動作します。

ブレード数によって影響を受ける部品コストは、主にタービンローターとドライブトレインの材料と製造にかかるものです。 一般に、ブレードの数が少なければ少ないほど、材料費と製造費は低くなります。 また、ブレードの枚数が少ないほど、回転速度を上げることができる。 これは、タワーとの干渉を避けるためのブレードの剛性要件により、ブレードを薄く製造することが制限されるためであるが、これは風上の機械に限られる。風下の機械ではブレードのたわみによりタワーのクリアランスが大きくなる。

システムの信頼性は、主にドライブ トレインおよびタワー システムへのローターの動的負荷によって、ブレード数によって影響を受けます。 風力タービンを風向きの変化に合わせて調整する間 (ヨーイング)、各ブレードは、ブレードの位置に応じて、その根元端で周期的な負荷を経験します。 これは、1枚、2枚、3枚、あるいはそれ以上のブレードに当てはまります。 しかし、これらの周期荷重をドライブトレイン軸で合成すると、3枚のブレードでは対称的にバランスし、タービンのヨーイング時にスムーズな運転が可能になります。 ブレードが1枚または2枚のタービンは、回転するティーターハブを使用することで、ヨーイング時にドライブシャフトとシステムにかかる周期荷重をほぼゼロにすることができます。 デンマークでは、3.6MWの中国製2枚羽根タービンが試験運転中である。 Mingyang won a bid for 87 MW (29 * 3 MW) two-bladed offshore wind turbines near Zhuhai in 2013.

Finally, aesthetics can be considered a factor in that some people find that the three-bladed rotor is more pleasing to look at than a one- or two-bladed rotor.

Blade materialsEdit

Several modern wind turbines use rotor blades with carbon-fibre girders to reduce weight.

In general, ideal materials should meet the following criteria:

• wide availability and easy processing to reduce cost and maintenance
• low weight or density to reduce gravitational forces
• high strength to withstand strong loading of wind and gravitational force of the blade itself
• high fatigue 周期的な負荷に耐えるための耐性
• ブレードの最適な形状と向き、タワーとのクリアランスの安定性を確保するための高い剛性
• 高い破壊靭性
• 落雷などの環境影響に耐えられる能力。

こうしてみると、使える材料が絞られてきますね。 金属は疲労に弱いので好ましくありません。 セラミックは破壊靭性が低く、ブレードの早期破損につながる可能性があります。 従来のポリマーは有用と言えるほどの剛性はなく、木材は、特にブレードの長さを考慮すると、再現性に問題があります。

初期の風車には、低価格、入手しやすさ、製造のしやすさから、木と帆布の帆が使用されていました。

初期の風車には、低価格、入手しやすさ、製造のしやすさから、木や帆布の帆が使われていました。 しかし、これらの材料は頻繁なメンテナンスを必要とする。 木や帆布の場合、翼の形状が平板に限られるため、固体翼に比べ、捕捉力に対する抗力の割合が相対的に高く（空力効率が低い）なる。 固体翼の設計には、金属や複合材などの柔軟性のない材料が必要である。

新しい風力タービンの設計では、より大きなブレードを使用して、1 メガワットの範囲から 10 メガワット以上まで発電量を増やしました。

2015年現在、陸上風力タービンのブレードの直径は130メートル、洋上風力タービンの直径は170メートルに達しています。

より大きなブレードシステムの重要な目標は、ブレードの重量を制御することです。 ブレードの質量はタービン半径の 3 乗としてスケールするので、重力による負荷は、より大きなブレードを持つシステムを制約します。 重力負荷には、軸方向および引張／圧縮負荷（回転の上部／下部）、さらに曲げ（横位置）が含まれます。 これらの荷重の大きさは周期的に変動し、エッジワイズモーメント（下記参照）は180°回転するごとに反転する。一般的なローターの回転数と設計寿命はそれぞれ～10年と20年で、寿命回転数は10^8のオーダーである。 風を考慮すると、タービンブレードは 10^9 回の負荷サイクルを経ることが予想される。 風もローターブレードの負荷の1つです。揚力は平面方向（ローター平面から外れた方向）に曲げ、ブレードの周りの気流は端面方向（ローター平面内）に曲げを起こします。 フラップ曲げは、圧力側（風上側）に張力がかかり、吸引側（風下側）に圧縮がかかる。

風速の自然変動と風のシアー（回転の頂点でより高い速度）のため、風荷重は周期的です。

風と重力荷重にさらされる風力タービンローターブレードの最終荷重における故障は、ローターブレードの設計時に考慮しなければならない故障モードです。 回転翼に曲げを生じさせる風速は自然変動を示し、回転翼の応力応答も同様である。

これらの故障モードとブレードシステムの大型化を考慮し、より高い質量比の強度を持つ、費用対効果の高い材料を開発する努力が続けられています。

現在商品化されている風力タービンブレードの大部分は、ポリマー基材と繊維からなる複合材料である繊維強化ポリマー (FRP) から作られています。 長繊維は長手方向の剛性と強度を提供し、マトリックスは破壊靭性、剥離強度、面外強度、および剛性を提供します。

タービンブレードでは、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などのマトリックスが使用されますが、前者がより一般的です。

タービンブレードには、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などのマトリックスが使用されますが、前者がより一般的です。これらは繊維を結合させ、ブレードに強靭さを与えます。 熱硬化性樹脂は、低温硬化が可能で粘度が低く、加工が容易なため、市場の8割を占めている。 熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂にはないリサイクル性がありますが、加工温度と粘度がはるかに高く、大型ブレードに重要なサイズと一貫性が制限されます。 破壊靭性は熱可塑性樹脂の方が高いのですが、疲労挙動は悪くなります。

Siemens SWT-2.3-101 風力タービンのファイバーグラス強化エポキシブレードです。 49 メートルのブレード サイズは、Wolfe Island Wind Farm で背後にある変電所と比較しています。

40～50メートルの範囲のブレードを製造するには、実績あるグラスファイバー複合材の製作技術が必要です。 Nordex SE や GE Wind などのメーカーは、注入プロセスを使用しています。 他のメーカーはこの技術のバリエーションを使用しており、エポキシ樹脂のマトリックスにファイバーグラスを入れたカーボンや木材を使用しているものもあります。 その他の選択肢としては、ガラス繊維をあらかじめ含浸させた（「プリプレグ」）ものや、真空支援樹脂トランスファー成形があります。 これらのオプションは、それぞれ異なる複雑さで構成されたガラス繊維強化ポリマー複合材を使用しています。 単純化されたオープンモールドの湿式システムにおける最大の問題は、おそらく放出される揮発性有機物に関連する排出物である。 プリプレグ材料と樹脂注入技術は、すべてのVOCを含むことによって揮発性物質の放出を避けることができます。 しかし、これらの含有プロセスには課題があり、構造部品に必要な厚い積層板の製造が難しくなる。 プリフォームの樹脂透過性が積層板の最大厚みを決めるため、空隙をなくし、樹脂を適切に分散させるためにブリードが必要となる。樹脂分散に対する一つの解決策は、部分的に含浸させたグラスファイバーである。

エポキシベースのコンポジットには、他の樹脂システムよりも環境、生産、およびコスト面での利点があります。

エポキシベースの複合材料は、他の樹脂システムと比較して、環境、生産、コストの面で優れています。 プリプレグ作業は、ウェットレイアップシステムよりも処理時間をさらに短縮します。 タービンブレードが60mを超えると、注入技術がより一般的になります。従来の樹脂トランスファーモールドの注入時間は、樹脂のセットアップ時間に比べて長すぎるため、積層板の厚さが制限されます。 射出成形では、より厚い積層板を通して樹脂を押し出すため、ゲル化が起こる前に積層構造の中に樹脂を沈着させることができます。

カーボン繊維で強化された耐荷重性スパーは、重量を減らし、剛性を向上させることができます。 60メートルのタービンブレードに炭素繊維を使用すると、100％ファイバーグラスと比較して、ブレードの総質量を38％削減し、コストを14％削減できると推定されます。 炭素繊維は、ガラス繊維の積層部分の厚みを減らすことができるという利点もあり、厚い積層部分の樹脂の濡れに関連する問題にさらに対処することができます。

ガラス繊維と炭素繊維はタービンブレードの性能に最適な多くの品質を持っていますが、これらの現在のフィラーには、高いフィラー率 (10-70 wt%) によって密度の増加や、しばしば早期破損につながる微細な欠陥や空隙が生じるなど、マイナス面もいくつかあります。 CNT は、繊維上に成長または堆積させるか、FRP 構造のマトリックスとしてポリマー樹脂に添加することができます。 従来のマイクロスケールの充填材（ガラス繊維や炭素繊維など）の代わりにナノスケールのCNTを充填材として使用すると、非常に低い充填材含有量（通常< 5 wt%）で特性が大きく変化するCNT/ポリマーナノコンポジットが得られます。 これらは密度が非常に低く、ポリマーマトリックスの弾性率、強度、破壊靭性を向上させる。

オークリッジ国立研究所の低コスト炭素繊維 (LCCF) に関する現在の研究も、落雷による構造劣化を軽減することができるとして、注目されるようになりました。 ガラス繊維製の風力タービンでは、通常、落雷防止装置 (LSP) が上部に取り付けられていますが、これは構造的な貢献という点では事実上デッドウェイトです。

最近の研究のもうひとつの進展は、ブレード材料に自己修復特性を持つポリマー複合材を使用することです。 自己修復ポリマーはこの用途には魅力的です。タービンのブレードは、上記のように繰り返される繰り返し応力による疲労から亀裂を形成するため、信頼性を向上させ、さまざまな欠陥や剥離に対する緩衝材として機能することができます。 このように、本用途では、形成されたクラックをポリマーで治癒させる。 具体的には、パラフィンワックスでコーティングした銅線を繊維強化ポリマーに埋め込み、チューブのネットワークを形成することに着目した研究がある。 このチューブを使い、ジシクロペンタジエン（DCPD）と触媒を反応させて熱硬化性ポリマーを形成し、材料にできた亀裂を修復するのです。 これはまだ R&D プロセスの初期段階ですが、特に製造上の欠陥が発生しやすいポリマー ネットワークや、強風のために非常に高い疲労度を受ける海洋環境のタービンに対して、有望な発展をもたらします。

ブレード コーティングにカーボン ナノファイバー (CNF) を使用すれば、さらに改善することが可能です。 砂漠環境における大きな問題は、風を運ぶ砂によるブレードの前縁の侵食で、これにより粗さが増し、空気力学的な性能が低下します。 繊維強化ポリマーの耐粒子侵食性は、金属材料やエラストマーと比較すると劣るため、改善が必要である。 複合材料表面のガラス繊維をCNFに置き換えることで、耐侵食性が大幅に向上することが示されています。 また、CNFは、良好な導電性（落雷に重要）、高い減衰率、良好な耐衝撃摩擦性をもたらすことが示されている。

風力タービン、特に沖合や湿った環境では、水基盤の表面浸食も発生します。 たとえば、寒冷地では、ブレードに氷が付着して粗さが増し、タービンブレードの出力と寿命が低下することがあります。 さらに、ブレードが高速で回転している場合、これと同じ浸食の影響が雨水から発生することがあります。 したがって、施工コストが低く、耐用年数中にエネルギーを消費しないコーティングが良い解決策となる。 コーティングには、ブレードとの密着性、耐温度性（季節の変化による）、耐候性（塩分、雨、砂などによる浸食に強い）、機械的強度、耐紫外線性、防氷・難燃性などの特性が必要である。

氷や水による侵食を防ぐためのコーティングに関する現在の研究分野のひとつに、超疎水性表面 (SHS) があり、水滴がビーズ状になり、ブレードが回転するときに転がり落ちるようになっています。 SHSは、氷の形成プロセスを変化させるため、-25℃までの氷の形成を防ぐことができることが分かっています。 さらに、疎水性表面によって表面積が減少したため、ブレードにかかる空気力学的な力によって、これらの島がブレードから滑り落ち、それ以上の形成が防がれました。

タービンブレードのもう 1 つの重要な劣化原因は、雷による損傷です。通常の 25 年の耐用年数の間に、使用中に多数の落雷を経験することが予想されます。 落雷による損傷の範囲は、ラミネート材料の表面レベルの焼け焦げやひび割れから、ブレードの破断やブレードを固定している接着剤の完全な剥離に及びます。 特に雨天時には、ブレード内の銅配線が雷を引き寄せるため、ブレードの先端に落雷が発生することがよくあります。 この対策として、特にGFRPやCFRPのような非導電性のブレード素材では、ブレードやギアボックスの破損リスクを排除するために、地面まで途切れない経路を提供する単なる金属配線である「避雷器」を追加することが最も一般的な方法となります。

Blade recyclingEdit

The Global Wind Energy Council (GWEC) は、2020 年までに世界の総エネルギー需要の 15.7% を、2030 年までに 28.5% を風力エネルギーが供給すると予想しています。 このように世界の風力発電が劇的に増加するためには、より効率的な新型の風力タービンを大量に設置し、その結果、老朽化したタービンを廃棄する必要があります。 欧州風力エネルギー協会の調査によると、2010年だけでも、風力タービン業界ではブレード製造のために110〜140キロトンの複合材料が消費されています。 ブレード材料の大半は最終的に廃棄物となり、このレベルのコンポジット廃棄物を収容するためには、唯一の選択肢はリサイクルです。 2020年現在、使用済みのブレードのほとんどはリサイクルされずに一時保管されたり、埋め立て地に送られたりしています。 一般的に、ガラス繊維強化ポリマー（GFRP）は、ブレードの積層材料の約70％を構成しています。 GFRPは焼却の妨げになり、また可燃性でもない。 そのため、従来のリサイクル方法を変更する必要があります。 現在、個々の繊維を回収できるかどうかに応じて、風力タービンブレードの GFRP のリサイクルには、いくつかの一般的な方法が存在します：

• Mechanical Recycling（機械的リサイクル）。 この方法では、個々の繊維を回収することはできません。 最初の工程では、破砕、粉砕、または粉砕が行われます。 粉砕された破片は、繊維を多く含む部分と樹脂を多く含む部分に分けられます。 これらの破片は最終的にフィラーや補強材として新しいコンポジットに組み込まれる。
• 化学的処理/熱分解。 複合材料の熱分解は、個々の繊維を回収するために使用されます。 熱分解の場合、材料は酸素のない環境で500℃まで加熱され、低重量の有機物質とガス状生成物に分解される。 ガラス繊維は通常、初期の強度の50％を失い、塗料やコンクリートなどの繊維補強用途にダウンサイクルされるようになる。 調査によると、この最終処分方法では、最大で約19 MJ/kgを回収できることが分かっています。 しかし、この方法は比較的コストが高く、同様の機械的前処理を必要とします。 さらに、大規模な風力タービンブレードのリサイクルという将来のニーズを満たすような改良はまだ行われていません。
• 複合材料の直接構造的リサイクル。 化学的、熱的、機械的リサイクル処理に伴う非効率とコストに対抗するために開発されたもので、性能特性が低下するか、他の複合材料の充填材としてのみ機能する。 この方法の一般的な考え方は、複合材をそのまま再利用することであり、特に大きな複合材では、複合材成分の化学的特性を変えることなく、そのまま他の用途に使用できるよう、いくつかのパーツに分割することが可能であるため、実現可能である。

新興企業の 1 つである Global Fiberglass Solutions は、ブレードを分解して、床材や壁に使用するペレットやファイバーボードにプレスする方法があると述べています。 同社は、大陸で最も風力発電所が集中しているテキサス州スウィートウォーターの工場で、サンプルの生産を開始しました。

そして、アイオワ州でも操業する予定です。