長さ123mの超大型洋上風力発電機ブレード、その製造方法は？

2023年07月07日

　中国福建省平潭沖で6月28日、洋上風力発電機設置プラットフォーム「白鶴灘号」などにより、長さ123メートルの16メガワット（MW）洋上風力発電機ブレード3基の設置が完了し、世界最大規模の洋上風力発電機が稼働した。123メートルは40階建てビルの高さに相当し、長いブレードには成人300人が肩を並べて立つことができる。発電機インペラの直径は252メートルで、中国の国産旅客機「C919」6機をつないだ長さに相当し、受風面積はサッカーコート7面分に相当する。

　ブレード内部の主桁構造は初めて炭素繊維材料を採用し、20％の軽量化を達成。ブレードの96％以上の材料が国産化されており、独自の知的財産権を持つ。超大型ブレードのこれらの優れたところは、中国の風力発電技術の国際市場進出に向けた基礎をしっかり固めた。

　世界には完全に同じ2枚の葉がなく、完全に同じ2基の風力発電機ブレードもない。海域や風の状況がそれぞれ異なるため、ブレードの形にも独自性がある。

　新疆金風科技股份有限公司（金風科技）研究開発センターブレード構造エンジニアの袁淵氏は「風力発電機のブレードは風力エネルギーを捕捉し、これを回転子軸に伝える。ブレードの形の設計と構造形式は発電機の性能と出力を左右する。そのため異なる地域の風力資源の特徴に対して、ブレードのカスタマイズを行う必要がある」と述べた。

　福建省福州市平潭県では、16MWブレード面の風速差は1秒当たり最大5～10メートルにのぼり、運転時の極値突風（EOG）は国際電気標準会議（IEC）の基準を50％上回る。風力資源評価をより正確にするため、金風科技の研究開発チームは海外のマルチソース観測資料融合技術と中国初のバーチャル風力測定技術を結びつけ、2つの技術システムの観測結果を相互に参照し、風力資源データの正確な評価を実現した。

　金風科技が独自開発したシミュレーションプラットフォーム「風匠」を利用し、現場の物理現象が高忠実度かつ高精度で再現され、ブレードと発電機ペイロードも高精度のシミュレーションが可能になった。エンジニアはブレードの形をリアルタイムで調整し、安全運転を前提とした最適なエアギャップ余剰量の限界を模索し、最適化設計を実現した。

　長さ123メートルのブレードは、江蘇省塩城市で5つの大工程と数百の小工程を経て誕生した。

　国際風力発電機大手ベスタスによる炭素繊維主桁構造ブレード引き抜き成形の特許権が2022年7月19日に終了した。特許の壁が取り払われ、中国の炭素繊維ブレードが大規模製造のブームを迎えた。製造チームは新たな発展の流れに乗り、炭素繊維を主桁構造材料に選定し、後退翼設計を採用した。超大型フレキシブルブレードの曲げ・ねじりカップリング効果を合理的に利用し、ブレードベースの限界負荷を約3％下げると同時に、ブレードの重量を従来製品より20％以上減らし、ブレードの据え付けと輸送の難易度を大幅に軽減した。

　ブレードの研究開発と製造段階では、ベスタスの特許権が終了したにもかかわらず、中核をなすグラウト技術の特許権が引き続き保護期間内だった。グラウトはブレードメインウェブプレート製造の鍵となる段取りで、樹脂液をブレードの隅々に徐々に均等に分布させるためには、精巧なルート設計と精密なグラウト技術が必要だ。特許侵害を回避するため、風力発電機開発チームは技術ロードマップを変更し、独自のグラウト技術特許を形成した。ブレードの技術・工法において独自の知的財産権を確保した。