TWI662187B

TWI662187B - 風力發電用葉片或風力發電裝置

Info

Publication number: TWI662187B
Application number: TW107107662A
Authority: TW
Inventors: 澤田貴彦; 佐伯満
Original assignee: 日商日立製作所股份有限公司
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-06-11
Also published as: TW201833436A; US20180258916A1; JP2018145898A

Abstract

[課題]其目的在於提供一種風力發電用葉片或是風力發電裝置，其係可以提高構造可靠性，並以儉樸的構造來可以測定葉片的變形量。　　[解決手段]具備：前緣部(10)及後緣部(11)；翼樑帽(17)，其係構成包含纖維強化層；外殼芯(18c)，其係配置在前緣部(10)與翼樑帽(17)之間或是後緣部(11)與翼樑帽(17)之間的至少任意一個；以及非導體感測器(12)；其中，在外殼芯(18c)表面形成凹部，非導體感測器(12)配置在凹部。

Description

風力發電用葉片或風力發電裝置

[0001] 本發明為有關風力發電用葉片或風力發電裝置者。

[0002] 最近幾年，從地球暖化等的環境問題對策的觀點來看，發電時不排出溫室效應氣體之風力發電設備的需求持續擴大。風力發電設備，係受風而旋轉，把其旋轉能量轉換成電氣者。在最近幾年，以提高發電效率為目的，往風力發電用葉片的高大化進展。風力發電用葉片係受風的話，會引起撓曲變形或扭轉變形。為此，隨葉片的高大化，彎曲撓度或扭轉撓度增大。　　[0003] 風車葉片係與橋梁或工廠等相比，儘管動態作用的大負載的頻度高，但與飛行器等相比的話，維修間隔長。而且，風車葉片要求輕量且高強度的緣故，多有使用纖維強化樹脂複合材料(FRP)所製成之層疊材的情況。這樣的FRP層疊材，是有以層間剝離或樹脂破裂等為起點，損傷在短時間進展的可能性。期望利用維修間隔，可以一直監視不發生這樣的損傷的葉片的構造健全性之技術。　　[0004] 作為用於判定構造物的健全性之代表的物理量，是有變形量。在專利文獻1記載有：為了掌握風車運作時在葉片產生的變形量，在利用玻璃纖維束及環氧樹脂所形成之支撐構造體或在連結到可以取下支撐構造體的載子內，裝入檢測撓曲的導體。 [先前技術文獻] [專利文獻] 　　[0005] 　　[專利文獻1]日本特開2008-303882號專利公報

[發明欲解決之課題] 　　[0006] 根據專利文獻1記載的內容，在利用玻璃纖維束及環氧樹脂所形成的支撐構造體或在連結到可以取下支撐構造體的載子內，裝入檢測撓曲的導體。但是，在埋入到玻璃纖維束或環氧樹脂而配置的情況下，感測器周邊成為損傷的起點。而且，在另外設有某些承載構件的情況下，做出儉樸的構造是有困難。　　[0007] 本發明係有鑑於上述的先前技術的課題，其目的在於提供一種風力發電用葉片或是風力發電裝置，其係可以提高構造可靠性，並以儉樸的構造來可以測定葉片的變形量。 [解決課題之手段] 　　[0008] 為了解決上述的課題，有關本發明的風力發電用葉片，具備：前緣部及後緣部；翼樑帽，其係構成包含纖維強化層；外殼芯，其係配置在前述前緣部與前述翼樑帽之間或是前述後緣部與前述翼樑帽之間的至少任意一個；以及非導體感測器；其中，在前述外殼芯表面形成凹部，前述非導體感測器配置在前述凹部。　　[0009] 而且，有關本發明的風力發電裝置，具備：上述風力發電用葉片；轂，其係支撐前述葉片；機艙，其係支撐前述風力發電用葉片及前述轂成可旋轉；以及塔，其係支撐前述機艙。 [發明效果] 　　[0010] 根據本發明，可以提供一種風力發電用葉片或是風力發電裝置，其係可以提高構造可靠性，並以儉樸的構造來可以測定葉片的變形量。

[0012] 以下，使用圖面說明本發明之複數個實施例。但是，本實施例所記載的構成零件的尺寸、材質、形狀、其相對配置等並非是限定於此之主旨，終歸到底不過是作為例子的說明罷了。　　[0013] 一開始，說明風力發電裝置以及風力發電葉片的構造。圖1(A)(B)表示水平軸風車。風力發電裝置2係主要利用以下來構成：塔3、可以在水平面內旋轉驅動之設置在塔3的上部之機艙4、以及連接到機艙4並以3片葉片7及配置在各葉片7的中心之轂6所構成之轉子。使用轉子的旋轉能量，驅動透過主軸或例如增速器而連接之發電機，進行發電運轉。這樣的水平軸風車被分類成：圖1(A)表示的轉子比起塔或機艙更配置在上風側之逆風方式、以及圖1(B)所示之該轉子比起塔或機艙更配置在下風側之順風方式；受了風1的葉片7，係一邊隨著扭轉，一邊往下風方向撓曲變形。　　[0014] 圖2係表示作為比較例所表示的風力發電葉片7的立體圖，表示在與轂6連接的根部7’的附近，至少配置1片以上之用於測定變形的光纖式感測器12和光纖纜線13在其圓周上之例。於未圖示風車主體部，設有光源部14、受光部15、以及資料收集裝置16。用感測器12測定作用在受了風1的葉片之負載或動差等的力學的物理量，抽出回饋到風車控制之構成。　　[0015] 風力發電用葉片，係被要求輕量性與高強度特性的緣故，利用有把稱為翼樑帽之主構造構件限定配置在翼剖面的最大厚度部(正壓側與負壓側的厚度)附近的外皮之翼樑帽構造的風力發電用葉片。　　[0016] 圖3係表示具有其翼樑帽構造之風力發電用葉片的剖視圖。圖3中，葉片7具有：分別被配置在接住風的正壓側22與下游側的負壓側23之翼樑帽17、以及分別配置有用接著劑20連接正壓側與負壓側的各翼樑帽17之前緣側抗剪腹板19a與後緣側抗剪腹板19b。圖3中，表示出作為抗剪腹板的配置數量為2片的情況之例，當然、抗剪腹板的配置數量，不限定在2片。而且，是有把在雷擊葉片7之際使落雷電流通電之雷擊導線21設在葉片7的內部(圖3中，更具體方面是在後緣側抗剪腹板19b)的情況。圖中，表示該雷擊導線21被固定在後緣側抗剪腹板19b之例，但是雷擊導線21的固定部位或者是固定方法也可以是除了在此記載以外的方法。構成葉片7的翼型之剖半形狀的正壓側與負壓側的各外殼18，係用接著劑20接合在翼樑帽17的前緣部10與後緣部11中。　　[0017] 圖4係表示葉片7中的外殼18的B部的放大剖視圖。藉由含浸樹脂18d，來成形固定出利用覆蓋葉片7的負壓側22與正壓側23的整體之FRP所製成的外部面側表皮材18b和內部面側表皮材18a、以及設在外部面側表皮層18a與內部面側表皮層18b之間的外殼芯材18c。此乃是，為了防止該外殼18的挫曲，以一方面維持輕量性一方面提高剛性為目的所配置的構件，使用氯乙烯樹脂的發泡材(PVC)、或波薩輕木等的輕量木材。　　[0018] 如前述那樣，用光纖式感測器測定變形的技術為習知。在此，有關光纖式感測器，例如考慮到接著於葉片的內表面或者是外表面、或是根部表面之方法。圖3中，在葉片7的前緣側抗剪腹板19a與後緣側抗剪腹板19b之間，設有測定朝葉片縱長方向的變形量之感測器12。感測器12的貼附位置，並不限制於該抗剪腹板之間，可以貼附在欲測定變形之任意的位置。　　[0019] 葉片的製造方法，係通常是把事先已成形之複數個構件彼此，用接著劑接合而形成翼型。事先成形的構件是有加工尺寸誤差的緣故，所以應減少該誤差的影響，塗上厚厚的接著劑(實際上更與必要的厚度做比較)來組裝。接著在保持著接著範圍擠出了餘剩的接著劑的狀態下讓接著劑硬化。該餘剩的接著劑的塊體，是有在風車運作時因離心力等而脫落的情況。已脫落的接著劑的塊體，係在葉片旋轉時在葉片的內部跳來跳去的緣故，是有損傷到葉片內表面的構造構件光纖感測器的可能性。　　[0020] 更進一步，也有在完成了葉片7後在葉片7的內表面貼附感測器的方法。該情況下，葉片7的翼厚尺寸(正壓側與負壓側的長度)，係越朝末端越小。故而，在翼型的形成後，在葉片7的末端側的內表面，貼附感測器因作業空間的限制下，是困難的。從而，變形測定部位遂被限制，葉片末端的變形量是一定要依賴用別的手段進行實測或者是理論地推測等之其他的手段的緣故，是無法高精度地取得用於掌握葉片整體的變形量之充分的資料。　　[0021] 而且，在於FRP層疊材的層間配置光纖感測器來檢知層間剝離等的損傷的情況下，一般，FRP的強化纖維的剖面直徑為5～15μm，另一一方面，光纖感測器，係傳遞光的芯為數μm～數十μm，覆蓋其周邊之同心圓狀的被覆物(clad)例如為125μm左右。從而在把光纖感測器埋入到FRP層疊材的層間或者是層內的情況下，光纖感測器的周邊成為損傷的起點的緣故，是有使FRP層疊材的可靠性下降的可能性。　　[0022] 圖5為表示本發明中的第1實施方式之風力發電葉片的立體圖。圖5為從負壓側22看葉片7之圖。　　[0023] 把至少1個以上的光纖感測器12予以分散地連接之光纖纜線13，係配置成在前緣部10側的翼樑帽7與外殼芯18c的連接邊界部內朝向葉片7的末端側一邊沿翼樑帽17並繞過翼樑帽17的末端側的端部，並在後緣部11側的翼樑帽7與外殼芯18c的連接邊界部內朝向葉片7的根部7’並沿翼樑帽17做配置。尚且，翼樑帽係在葉片的縱長方向末端側比起最末端更靠根部側配置，故而可以配置光纖纜線13繞過翼樑帽17的末端側的端部。配置在前緣部10側的光纖纜線13的端部連接到光源部14，配置在後緣部11側的該纜線13的端部連接到受光部15。有關連接光纖纜線的位置，前緣與後緣、光源部與受光部的組合是不被限定在該圖的。　　[0024] 使用圖6及圖7詳細說明在圖5說明的光纖纜線的配置位置。圖6係表示圖5中的C-C’剖面箭頭方向視圖。圖6所示的翼樑帽17與外殼18的連接邊界部，係個別存在於正壓側22與負壓側23、以及前緣部10側與後緣部11側，在邊界部中不是在翼樑帽17側，而是在外殼18側設有光纖感測器12。　　[0025] 把光纖感測器12做在翼樑帽17與外殼18的邊界部且不是在翼樑帽17側而是在外殼18側的理由係如接下來所述。翼樑帽17為用於提高葉片整體的強度之主要構造構件，不用說是內部，就連表面也形成設置光纖感測器12的溝(凹部)的話，強度上是不佳的。另一方面，可以良好地反映葉片的變形舉動的是，主要構造構件也就是翼樑帽17的緣故，是最好可以配置靠近到翼樑帽17。在這樣的兼顧有困難的狀況下，在外殼芯側形成感測器配置樣的凹部。外殼芯是對葉片的挫曲防止有貢獻，但是並非對翼樑帽這樣作為主要構造構件發揮作用者。但是，在配置到外殼芯側時，即便不埋入到外殼芯內，而在其表面形成凹部，也難以產生外殼芯的龜裂等。　　[0026] 圖7係表示圖6中用虛線圍成的範圍D的放大圖。外殼芯18c係在與翼樑帽17連接的側的面設有凹部，配置光纖感測器12、以及未圖示在圖7的光纖纜線13。光纖感測器12或光纖纜線13係比起凹部上表面更配置在內側，以配置成不從凹部上表面突出的方式，難以產生與鄰接構件的接觸或與碎屑的接觸。外殼芯18c與光纖感測器12與光纖纜線13，係如圖5表示相互地固定，例如利用含浸樹脂18d來固定。　　[0027] 一直到含浸樹脂18d所致之固定為止的製程，係可以進行如下。首先，在翼型之上配置外部面表皮材，之後，與具備翼樑帽和非導體感測器(本實施例中，為光纖感測器12)之外殼芯材一塊配置，更進一步配置了內部面表皮層後，一邊抽真空一邊含浸樹脂而形成翼型。接著，該翼型係分別形成正壓側以及負壓側。接著，透過已形成的抗剪腹板材，在前緣部以及後緣部用接著劑接著接合，藉此，構成風力發電用葉片。　　[0028] 根據本實施例，不會使葉片7的一次構造材也就是翼樑帽17的強度可靠性下降，在葉片7因風負載而撓曲變形之際，可以用光纖感測器12測定產生在翼樑帽17的變形量。根據從往葉片7的縱長方向分散地配置光纖感測器12的測定值所得到的變形分布，可以算出葉片的撓曲變形量。　　[0029] 而且，葉片7係為了避免落雷所致之破損，故意分散地具備容易被雷擊的受雷部(接受器)。在落雷到葉片7之際，在感測器12或纜線13為導體的情況下，是有容易受到雷的影響而成為電性的干擾的原因或是破損的情況。為此，理想上是使用對干擾或電訊號有耐受性的非導體光纖感測器。　　[0030] 圖8為表示本發明中的第2實施方式之風力發電葉片的立體圖。圖8為從負壓側22看葉片7之圖。在圖5表示的實施方式中，後緣部11側的外殼芯18c係在與翼樑帽17鄰接的部位的表面形成了凹部，但在本實施方式中，在與外殼18的外部面側表皮材18a面對面的外殼芯18c的面側形成了凹部這一點是相異的。　　[0031] 如圖8表示，把分散地連接至少1個以上的光纖感測器12的光纖纜線13，在前緣部10側的外殼芯18c部中朝向葉片7的末端側做配置，並繞過翼樑帽17的端部做配置後，於後緣部11側的外殼芯18c，朝向葉片7的根部7’做配置。　　[0032] 此時，光纖感測器12與光纖纜線13，係也可以不與葉片縱長方向為同一方向，也可以沿葉片縱長方向，形成葉片寬度方向中的光纖感測器12與光纖纜線13的位置有變化的樣子。葉片寬度方向中的位置有變化這點，換言之例如也與離翼樑帽17的距離有變化有關。在此所謂寬度方向是指聯繫前緣與後緣的方向，成為與葉片縱長方向為實質垂直的方向。在本實施例，以相對於葉片縱長方向傾斜45度或者是135度做配置，可以測定葉片7扭轉變形時的變形。藉由往葉片7做分散地配置，可以算出葉片7整體的扭轉變形量。配置在前緣部10側的光纖纜線13的端部連接到光源部14，配置在後緣部11側的該纜線13的端部連接到受光部15。而且，有關連接光纖纜線的位置，前緣與後緣、光源部與受光部的組合是不被限定在該圖的。　　[0033] 使用圖9及圖10詳細說明在圖8說明的前述感測器及前述纜線的配置位置。圖9係表示圖8中的E-E’剖面箭頭方向視圖。圖9所示的實施例，係表示在正壓側22與負壓側23、以及前緣部10側與後緣部11側的外殼芯18c各配置一處之例，但要配置的前述感測器的數目可以是任意。　　[0034] 圖10係表示圖9中用虛線圍出的範圍F的放大圖，在與外殼18的外部面側表皮材18b面對面之外殼芯18c的面側設有凹部，配置光纖感測器12、以及未圖示在圖10的光纖纜線13。外殼芯18c與光纖感測器12與光纖纜線13，係藉由含浸樹脂18d而被固定。欲測定的部位可以任意決定，設有凹部的面也可以是與內部面側表皮材18a面對面的側的外殼芯18c的面。　　[0035] 根據本實施例，不會使利用構成葉片7的外殼18之FRP層疊材所製成的內部面表皮材18a與外部面表皮材18b的強度可靠性下降，在葉片7因風負載而變形之際，可以用光纖感測器12測定產生在外殼18的變形量。更進一步，藉由該感測器12的訊號的有無，可以監視外殼18的構造健全性。　　[0036] 圖11為表示本發明中的第3實施方式之風力發電葉片的立體圖。圖11為從負壓側22看葉片7之圖。在本實施方式，在外殼芯18c的前緣部10側端部、以及外殼芯18c的後緣部10側端部形成凹部這一點為相異。　　[0037] 把分散地連接至少1個以上的光纖感測器12的光纖纜線13，在外殼芯18c的前緣部10側端部附近中朝向葉片7的末端側做配置，並繞過翼樑帽17的端部做配置後，在外殼芯18c的後緣部11側端部附近中朝向葉片7的根部7’做配置。配置在前緣部10側的光纖纜線13的端部連接到光源部14，配置在後緣部11側的該纜線13的端部連接到受光部15。而且，有關連接光纖纜線的位置，前緣與後緣、光源部與受光部的組合是不被限定在該圖的。　　[0038] 使用圖12及圖13詳細說明在圖11說明的前述感測器及前述纜線的配置位置。圖12表示圖11中的G-G’剖面箭頭方向視圖。圖12所示之實施例，係表示在正壓側22與負壓側23中，在外殼芯18c的前緣部10側端部附近與後緣部11側端部附近各配置一處之例，但要配置的前述感測器的數目可以是任意。　　[0039] 圖13係表示圖12中用虛線圍出的範圍H的放大圖，在後緣部11側的外殼芯18c的端部附近，在與外殼18的內部面側表皮18a面對面的面側設有凹部，配置光纖感測器12、以及未圖示在圖13的光纖纜線13。外殼芯18c與光纖感測器12與光纖纜線13，係藉由含浸樹脂18d而被固定。欲測定的部位可以任意決定，設有凹部的面也可以是與外部面側表皮材18b面對面的側的外殼芯18c的面。　　[0040] 葉片7的外殼18中構成前緣部10或是後緣部11的FRP層疊材，係形狀為不連續或者是急遽變動的部位的緣故，於接著部20等產生破裂，是有在外殼18側損傷擴大，或在葉片7的內部侵入有雨水等的可能性。因此，經由本實施例測定出的變形量或者是檢知測定訊號，經此，不僅是葉片也可以監視風車本體構造健全性。　　[0041] 本發明並非被上述實施方式限定者，例如也思及有下述般的變形例。　　(1)在上述實施方式，在外殼18配置了光纖感測器12，但也可以適用在設有外殼芯材的構件，例如，可以設在利用與外殼芯材同等的氯乙烯樹脂的發泡材(PVC)、或波薩輕木等的輕量木材所製成的抗剪腹板19。　　(2)以上之複數個實施例，可以配合目的單獨構成，但經由組合使用前述實施例，可以詳細檢知葉片7的運作狀態。　　(3)光纖感測器的種類並沒有特別限定，可以是分散地配置難以受到電磁雜訊的影響、隨絕緣下降之電性的故障為較少的FBG(Fiber Bragg Grating)式的感測器，可以適用進行為了光相關布里淵相關域分析法(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis、BOCDA)而涵蓋光纖感測器全長的分布變形計測或者是在光纖感測器的任意的位置的動態變形計測的方式。　　(4)本發明中為了形成前述葉片而含浸的樹脂，係可以使用不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、環氧樹脂等，理想上是包含一邊抽真空一邊含浸樹脂的製程之手段。而且，作為強化纖維，使用玻璃纖維、碳纖維，但理想上是確保輕量性與強度可靠性。

[0042]

1‧‧‧風

2‧‧‧風力發電裝置

3‧‧‧塔

4‧‧‧機艙

5‧‧‧主軸

6‧‧‧轂

7‧‧‧葉片

7’‧‧‧葉片根部連接部

8‧‧‧變形後的葉片

9‧‧‧葉片的變形方向

10‧‧‧前緣部

11‧‧‧後緣部

12‧‧‧光纖感測器感測器

13‧‧‧光纖纜線

14‧‧‧光源部

15‧‧‧受光部

16‧‧‧資料記錄器

17‧‧‧翼樑帽

18‧‧‧外殼

18a‧‧‧外殼的外部面側表皮材

18b‧‧‧外殼的內部面側表皮材

18c‧‧‧外殼芯

18d‧‧‧含浸樹脂

19a‧‧‧前緣側抗剪腹板

19b‧‧‧後緣側抗剪腹板

20‧‧‧接著劑

21‧‧‧雷擊導線

22‧‧‧正壓側

23‧‧‧負壓側

[0011] 　　[圖1(A)]表示上風風車的整體構成之概略圖。　　[圖1(B)]表示順風風車的整體構成之概略圖。　　[圖2]有關比較例之風力發電用葉片的立體圖。　　[圖3]圖示在圖2中的A-A’剖視圖。　　[圖4]圖示在圖3中的B部的剖面放大圖。　　[圖5]表示本發明的第1實施方式之風力發電用葉片的立體圖。　　[圖6]圖示在圖5中的C-C’剖視圖。　　[圖7]圖示在圖6中的D部的剖面放大圖。　　[圖8]表示本發明的第2實施方式之風力發電用葉片的立體圖。　　[圖9]圖示在圖8中的E-E’剖視圖。　　[圖10]圖示在圖9中的F部的剖面放大圖。　　[圖11]表示本發明的第3實施方式之風力發電用葉片的立體圖。　　[圖12]圖示在圖11中的G-G’剖視圖。　　[圖13]圖示在圖12中的H部的剖面放大圖。

Claims

一種風力發電用葉片，具備：前緣部及後緣部；翼樑帽，其係構成包含纖維強化層；外殼芯，其係配置在前述前緣部與前述翼樑帽之間或是前述後緣部與前述翼樑帽之間的至少任意一個；以及非導體感測器；其中，在前述外殼芯表面形成凹部，前述非導體感測器配置在前述凹部。
如請求項1的風力發電用葉片，其中，前述凹部，係形成在與前述翼樑帽對向之前述外殼芯表面。
如請求項2的風力發電用葉片，其中，前述外殼芯，係配置在前述前緣部與前述翼樑帽之間及前述後緣部與前述翼樑帽之間；在配置在前述前緣部與前述翼樑帽之間的第1前述外殼芯及配置在前述後緣部與前述翼樑帽之間的第2前述外殼芯中與前述翼樑帽對向之前述外殼芯表面，形成前述凹部。
如請求項3的風力發電用葉片，其中，前述第1外殼芯及前述第2外殼芯，係各配置在正壓側及負壓側。
如請求項1至4中任1項的風力發電用葉片，其中，前述凹部，係形成在與前述前緣部或是前述後緣部的至少任意一個對向之前述外殼芯表面。
如請求項1至4中任1項的風力發電用葉片，其中，具備覆蓋外部面的外部面表皮層及覆蓋內部面的內部面表皮層；前述外殼芯表面，乃是與前述外部面表皮層或是前述內部面表皮層相面對的側的表面。
如請求項6的風力發電用葉片，其中，前述凹部，係形成沿前述風力發電用葉片的縱長方向，前述風力發電用葉片的寬度方向中的位置為相異的樣子。
一種風力發電裝置，具備：如請求項1至7中任1項的風力發電用葉片；轂，其係支撐前述葉片；機艙，其係支撐前述風力發電用葉片及前述轂成可旋轉；以及塔，其係支撐前述機艙。