風力タービンは、風から運動エネルギーを取り出して機械エネルギーに変換し、それをさらに電気エネルギーという利用しやすい形に変換する装置です。
風から得られるエネルギーは、現在世界のエネルギー供給の約10％を占めており、その潜在力がさらに実現すれば、再生可能エネルギー部門における存在感はますます高まっていくと予測されています。 既存の技術との競争力を維持するためには、風力タービンの効率を最適化することが重要であり、材料の賢明な選択によって補完されるエンジニアリング設計によって決定されます。 さらに、風力エネルギーの環境へのプラスの影響と経済的な利点を相殺しないように、材料は耐久性があり、理想的にはリサイクル可能で、製造コストが低いことが必要です。
風力タービンは、タワー、ナセル、ローターブレードという3つの主要コンポーネントから構成されています。 デンマークは風力発電の推進国であり、フェロー諸島にも風力タービンがある。
タワー
タワーはナセルとローターブレードを支える構造物で、管状のスチール、コンクリート、スチールラティスで作られている。 当然、厳しい環境条件や強風に耐えられるよう、強靭な素材が求められる。
- AS 1302グレード230S圧延（コンクリート鉄筋）バー
Nacelle
ナセルには発電機を含む内部の機械が格納されており、機械エネルギーを電力エネルギーに変換している。 ナセルには風力発電機の運転に必要な機械部品がほとんど入っているので、材料は特に多くの偏差やばらつきの影響を受けません。
図2． 風力発電機のナセル内部の機械部品
Rotor blade
ローターはブレードが回転することでその回転運動で風から空力的なトルクを発生させる。 ブレードの形状と材質を最適化することで、ブレードをより速く回転させ、低速で風をとらえ、タービンの効率を高めることができるはずである。 回転翼の形状は、飛行機の翼のような空気力学的な形状でなければならない。 ブレードの材料は、空力特性を阻害するのではなく、むしろその特性を高める必要があり、最適な空力特性を得るための高い剛性、重力を軽減するための低い密度、材料の劣化を抑えるための長い疲労寿命という基準を満たす必要がある。
利用可能な材料の広範なカテゴリを評価すると、発泡体、ポリマー、およびゴムは、回転翼のモデルとなる片持ち梁には不十分な剛性と密度であるため除外されます。 セラミックスは長時間の疲労荷重に耐えられず、簡単に破損してしまう。 そこで、これらの要求を満たす材料として、木材と複合材料が残されています。 木材は密度が低く、環境にやさしいという利点があります。 しかし、剛性が低いため、風による曲げやたわみの影響を受けやすく、タービン全体の効率を大きく損ねてしまう。 複合材料は、依然として最も実用的で一般的な選択肢である。 1480>
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Fibers
Fibrous materials are characterized by fact they significantly longer than them are wide.これは、繊維状材料が、幅よりもかなり長いという事実です。 繊維の並外れた強度と剛性は、長い繊維がブレードの長さに沿って平行に並べられたときに長手方向の剛性を提供する、タービンブレード材料として優れた候補となります。 繊維は脆く、折れやすいので、単独で材料として使用されることはなく、むしろ添加補強として使用されます。
炭素繊維は、高いコストとともに、高い剛性、高い強度、低い密度で優れた機械特性を持っています。 純粋な炭素原子を六角形の繰り返し単位として、結晶格子を面状に重ねて配置し、面内の強い力と面間の弱い力で構成されています。 このため、高い剛性と熱膨張特性を持つ高い異方性が生まれる。 炭素繊維ブレードは密度が低いため、重量増の負担なく長尺化が可能で、タービン効率を高めることができます。 さらに、ブレードが軽くなることで、ナセルが抱える全体的な重量と負担が軽減されます。
ガラス繊維は炭素繊維と比較して低コストで入手できるため、産業界でより広く普及しています。 主にSiO2とAl2O3から成り、その他の酸化物は少量である。 結晶学的な秩序がないため、アモルファス構造で、等方的な性質を持つ。 つまり、剛性や熱膨張などの特性が、繊維に沿って、また繊維全体にわたって一定である。 ガラス繊維は直径10～20μmで、適度な剛性、高強度、適度な密度を持つ。 アルミノシリケートガラスについて詳しくはこちらをご覧ください。
- Eガラス（アルミノホウケイ酸塩からなる電気ガラス）は、電気抵抗が高いことが特徴です。
- Sガラス（アルミノケイ酸マグネシウムからなる高強度ガラス）は、コストが高くなります。
アラミド繊維は合成繊維で高い熱抵抗を持っており、過酷な温度の中で作動する風車に向いています。
ポリマーマトリックス
ポリマーマトリックスは、繊維を結合することによって構造的なサポートを提供し、熱硬化性と熱可塑性の2つの主要クラスで構成されています。 両者の主な物理的な違いは、異なる温度での挙動です。 その違いについては、こちらで詳しく説明しています。
熱硬化性樹脂は、不可逆的な化学結合で強く架橋されたポリマーを含んでいます。 このため、高温に強く、一度冷えると永久に固体状態を保ちます。 このため、複合材料の構造に内部応力を生じさせる可能性がある。 熱硬化性ポリマーの例は次のとおりです。
- 不飽和ポリエステル。 一般的なポリエチレンテレフタレート、非晶質
- ビニルエステル。 一般的なビニルエステル（VE）
- エポキシ類。 一般的なエポキシ; エポキシ (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplastics は相互作用が可逆的であるようにこれらの強い化学結合がないポリマーを含んでいます。 再加熱すると柔らかくなるので、必要なときに再成形や修理が可能です。
- General Acrylnitrile-butadiene-styrene + Polycarbonate (ASA+PC)
一緒に組み合わせると、繊維とポリマー マトリックスは、個々の成分とは異なる化学および物理特性を持つ複合材料を構成することになります。 出来上がった材料は、もう一方の欠点を補う形で補強されます。 タービンブレードに使用される一般的な繊維含有複合材料は、ガラスとカーボンである。 長繊維は剛性と強度を提供し、ポリマーマトリックスは面外強度、柔軟性、破壊靭性、剛性の向上により繊維をサポートします。 最適化された組成と組み合わせでは、得られるブレードは優れた機械的特性を持ちながら軽量です。
- 一般的なポリアミド4T（PA4T+GF30）、30％のガラス繊維で強化された複合材料
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