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JP2018145898A - 風力発電用ブレードまたは風力発電装置 - Google Patents

風力発電用ブレードまたは風力発電装置 Download PDF

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JP2018145898A JP2017042332A JP2017042332A JP2018145898A JP 2018145898 A JP2018145898 A JP 2018145898A JP 2017042332 A JP2017042332 A JP 2017042332A JP 2017042332 A JP2017042332 A JP 2017042332A JP 2018145898 A JP2018145898 A JP 2018145898A
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Takahiko Sawada
貴彦 澤田
満 佐伯
Mitsuru Saeki
満 佐伯
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Abstract

【課題】
構造信頼性を高めつつ、簡素な構造でブレードの変形量を測定可能な風力発電用ブレードまたは風力発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
前縁部10及び後縁部11と、繊維強化層を含んで構成されるスパーキャップ17と、前縁部10とスパーキャップ17の間または後縁部11とスパーキャップ17の間の少なくともいずれかに配置されるシェルコア18cと、非導体センサ12を備え、シェルコア18c表面には凹部が形成され、非導体センサ12は凹部に配置される。
【選択図】 図6

Description

本発明は、風力発電用ブレードまたは風力発電装置に関するものである。
近年、地球温暖化などの環境問題対策の観点から、発電時に温室効果ガスを排出しない風力発電設備の需要が拡大されている。風力発電設備は、風を受けることによって回転し、その回転エネルギーを電気に変換する。近年では、発電効率を高めることを目的として、風力発電用ブレードの長大化が進んでいる。風力発電用ブレードは、風を受けると、曲げ変形やねじり変形を起こす。そのため、ブレードが長大化するにつれて曲げたわみ量や曲げねじり量が増大する。
風車ブレードは、橋梁やプラント等に比べて大荷重が動的に作用する頻度が高いにもかかわらず、航空機等に比べるとメンテナンス間隔が長い。また、風車ブレードは、軽量で高強度が要求されるため、繊維強化樹脂複合材料(FRP)による積層材を用いる場合が多い。このようなFRP積層材は、層間はく離や樹脂割れなどを起点として損傷が短時間で進展する可能性がある。メンテナンス間隔により、そうした損傷に繋がらない様ブレードの構造健全性を常に監視できる技術が望まれる。
構造物の健全性を判定するための代表的な物理量としては、変形量がある。風車が稼働する時にブレードに生じる変形量を把握するため、ガラス繊維束およびエポキシ樹脂から形成されたサポート構造体やサポート構造体に取り外し可能に連結されるキャリア内に撓みを検出する導体を組み込むことが特許文献1に記載されている。
特開2008-303882号公報
特許文献1に記載の内容によれば、ガラス繊維束およびエポキシ樹脂から形成されたサポート構造体やサポート構造体に取り外し可能に連結されるキャリア内に撓みを検出する導体を組み込んでいる。しかし、ガラス繊維束やエポキシ樹脂に埋め込んで配置する場合、センサ周辺が損傷の起点となることが考えられる。また、何らかのキャリア部材を別途設ける場合、簡素な構造とすることが困難である。
本発明は、上記の従来技術の課題を鑑みて、構造信頼性を高めつつ、簡素な構造でブレードの変形量を測定可能な風力発電用ブレードまたは風力発電装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決する為に、本発明に係る風力発電用ブレードは、前縁部及び後縁部と、繊維強化層を含んで構成されるスパーキャップと、前記前縁部と前記スパーキャップの間または前記後縁部と前記スパーキャップの間の少なくともいずれかに配置されるシェルコアと、非導体センサを備え、前記シェルコア表面には凹部が形成され、前記非導体センサは前記凹部に配置されることを特徴とする。
また、本発明に係る風力発電装置は、上記風力発電用ブレードと、前記ブレードを支持するハブと、前記風力発電用ブレード及び前記ハブを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーを備えることを特徴とする。
本発明によれば、構造信頼性を高めつつ、簡素な構造でブレードの変形量を測定可能な風力発電用ブレードまたは風力発電装置を提供することが可能となる。
アップウインド風車の全体構成を示す概略図である。 ダウンウインド風車の全体構成を示す概略図である。 比較例にかかる風力発電用ブレードの斜視図。 図2中に図示したA−A’断面図。 図3中に図示したB部の断面拡大図。 本発明の第1の実施形態を表す風力発電用ブレードの斜視図。 図5中に図示したC−C’断面図。 図6中に図示したD部の断面拡大図。 本発明の第2の実施形態を表す風力発電用ブレードの斜視図。 図8中に図示したE−E’断面図。 図9中に図示したF部の断面拡大図。 本発明の第3の実施形態を表す風力発電用ブレードの斜視図。 図11中に図示したG−G’断面図。 図12中に図示したH部の断面拡大図。
以下、本発明の複数の実施例を図面を用いて説明する。但し、本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などはそれに限定する趣旨ではなく、あくまでも例としての説明に過ぎない。
初めに、風力発電装置ならびに風力発電ブレードの構造を説明する。図1(A)(B)は、水平軸風車を示す。風力発電装置2は、タワー3と、水平面内で回転駆動できるようにタワー3の上部に設置されたナセル4と、ナセル4に接続し、3体のブレード7および各ブレード7の中心に配置されるハブ6で構成されるローターと、により主として構成される。ローターの回転エネルギーを用いて、主軸や例えば増速器を介して接続される発電機を駆動させて発電運転する。このような水平軸風車は、図1(A)に示すローターがタワーやナセルよりも風上側に配置されるアップウィンド方式と、図1(B)に示される該ローターがタワーやナセルよりも風下側に配置されるダウンウィンド方式とに分類され、風1を受けたブレード7は、ねじりを伴いながら風下方向へ曲げ変形する。
図2は比較例として示す風力発電ブレード7の斜視図を示しており、ハブ6と接続される根元7’の近傍にひずみを測定するための光ファイバ式センサ12と光ファイバケーブル13とを周上に少なくとも1枚以上配置した例を示している。図示しない風車本体部には光源部14と、受光部15と、データ収集装置16が設けられている。風1を受けたブレードに作用する荷重やモーメントなどの力学的物理量をセンサ12で測定し、風車制御にフィードバックする構成を取る。
風力発電用ブレードは、軽量性と高強度特性が求められるため、スパーキャップと呼ばれる主構造部材を翼断面の最大厚さ部(正圧側と負圧側の厚さ)近傍の外皮に限定的に配置するスパーキャップ構造の風力発電用ブレードが利用される。
図3は、そのスパーキャップ構造を有する風力発電用ブレードの断面図を示す。図3において、ブレード7は風を受け止める正圧側22と下流側の負圧側23にそれぞれ配置されたスパーキャップ17と、正圧側と負圧側の各スパーキャップ17を接着剤20で接続する前縁側シアウェブ19aと後縁側シアウェブ19bがそれぞれ配置されている。図3においては、シアウェブの配置される数として2本の場合を例に示しているが、勿論、シアウェブの配置される数は、2本に限定されるものではない。また、ブレード7が被雷した際に落雷電流を通電させる被雷導線21をブレード7の内部(図3において、より具体的には後縁側シアウェブ19b)に設ける場合がある。図中には、該被雷導線21が後縁側シアウェブ19bに固定された例を示すが、被雷導線21の固定部位あるいは固定方法はここで記載した以外のやり方とすることも可能である。ブレード7の翼型を構成する半割形状の正圧側と負圧側の各シェル18は、スパーキャップ17の前縁部10と後縁部11において、接着剤20で接合される。
図4は、ブレード7におけるシェル18のB部の拡大断面図を示す。ブレード7の負圧側22と正圧側23の全体を覆うFRPから成る外面側表皮材18bと内面側表皮材18aと、外面側表皮層18aと内面側表皮層18bとの間に設けられたシェルコア材18cを含浸樹脂18dによって成形固定されている。該シェル18の座屈を防止するために軽量性を保持しながら剛性を高めることを目的として配置される部材であり、塩化ビニル樹脂の発泡材(PVC)や、バルサ材等の軽量木材が使われる。
前述の様に、光ファイバ式センサでひずみを測定する技術は知られている。ここで、光ファイバ式センサは、ブレードの内表面あるいは外表面、または根元部表面に接着する方法が例えば考えられる。図3において、ブレード7の前縁側シアウェブ19aと後縁側シアウェブ19bの間にはブレード長手方向へのひずみ量を測定するセンサ12が設けられている。センサ12の貼付け位置は、該シアウェブの間に制限されるものではなく、ひずみを測定したい任意の位置に貼り付けられる。
ブレードの製造方法は、前もって成形された複数の部材同士を、接着剤で接合し翼型を形成するのが通常である。前もって成形された部材は、加工寸法誤差があるため、該誤差の影響を小さくするべく、接着剤が(実際に必要な厚さと比較してさらに)厚く盛られてから組み立てられる。そして接着領域から余剰な接着剤が押し出されたままの状態で接着剤が硬化する。この余剰な接着剤の塊が、風車稼働時に遠心力などで脱落することがある。脱落した接着剤の塊は、ブレード回転時にブレードの内部を跳ね回るため、ブレード内表面の構造部材光ファイバセンサに損傷を与える可能性がある。
さらに、ブレード7が完成した後にブレード7の内表面にセンサを貼り付ける方法もある。この場合、ブレード7の翼厚寸法(正圧側と負圧側の長さ)は、先端に向かうほど小さくなる。故に、翼型の形成後に、ブレード7の先端側の内表面に、センサを貼り付けることは作業スペースの制約上、困難である。従って、ひずみ測定部位が制限されることになり、ブレード先端の変形量は、別の手段で実測する、あるいは理論的に推測するなどの他の手段に頼らなければならないため、精度良くブレード全体の変形量を把握するための十分なデータを取得することができない。
また、FRP積層材の層間に光ファイバセンサを配置して層間はく離などの損傷を検知する場合、一般的に、FRPの強化繊維の断面直径は5〜15μmである一方、光ファイバセンサは、光が伝播するコアが数μm〜数十μmであり、その周辺を覆う同心円状のクラッドが例えば125μm程である。従ってFRP積層材の層間あるいは層内に光ファイバセンサを埋め込んだ場合、光ファイバセンサの周辺が損傷の起点となりうるため、FRP積層材の信頼性を低下させる可能性がある。
図5は本発明における第1の実施形態を示した風力発電ブレードの斜視図である。図5は、ブレード7を負圧側22から見た図である。
少なくとも1つ以上の光ファイバセンサ12が離散的に接続された光ファイバケーブル13が、前縁部10側のスパーキャップ7とシェルコア18cとの接続境界部をブレード7の先端側に向かってスパーキャップ17に沿わせながら、スパーキャップ17の先端側の端部を回り込むように配置し、後縁部11側のスパーキャップ7とシェルコア18cとの接続境界部をブレード7の根元部7’に向かってスパーキャップ17に沿うように配置する。尚、スパーキャップは、ブレードの長手方向先端側では最先端よりも根元側まで配置されており、故に光ファイバケーブル13をスパーキャップ17の先端側の端部を回り込むように配置することが可能になっている。前縁部10側に配置される光ファイバケーブル13の端部は光源部14に接続され、後縁部11側に配置される該ケーブル13の端部は受光部15に接続される。光ファイバケーブルが接続される位置について、前縁と後縁、光源部と受光部との組み合わせは、この図に限定されるものではない。
図5で説明した光ファイバケーブルの配置位置を、図6および図7を用いて詳細に説明する。図6は、図5におけるC−C’断面矢視図を示す。図6に示したスパーキャップ17とシェル18との接続境界部は、正圧側22と負圧側23、ならびに前縁部10側と後縁部11側に各々存在し、境界部においてスパーキャップ17側でなく、シェル18側に光ファイバセンサ12が設けられている。
光ファイバセンサ12をスパーキャップ17とシェル18の境界部かつ、スパーキャップ17側でなく、シェル18側とする理由は次のようなものである。スパーキャップ17はブレード全体の強度を高めるための主要構造部材であり、内部は勿論、表面についても光ファイバセンサ12を設ける溝(凹部)を形成することは、強度上好ましくない。一方で、ブレードのひずみ挙動が良く反映されるのは、主要構造部材であるスパーキャップ17であるため、スパーキャップ17に近づけて配置することが望ましい。その様な両立が困難な状況下、シェルコア側にセンサ配置様の凹部を形成している。シェルコアは、ブレードの座屈防止に寄与するが、スパーキャップの様に主要構造部材として働くものではない。但し、シェルコア側に配置するに際しても、シェルコア内に埋め込むことはせず、その表面に凹部を形成するようにし、シェルコアの亀裂等が生じにくい様にしている。
図7は、図6において点線で囲まれた領域Dの拡大図を示している。シェルコア18cがスパーキャップ17と接続する側の面に凹部が設けられ、光ファイバセンサ12と、図7には図示されない光ファイバケーブル13とが配置されている。光ファイバセンサ12や光ファイバケーブル13は凹部上面よりも内側に配置し、凹部上面から突出しない様に配置することで、隣接部材との接触やデブリとの接触が生じにくくなる。シェルコア18cと光ファイバセンサ12と光ファイバケーブル13とは、図5に示すように互いに固定されており、例えば含浸樹脂18dにより固定されるものである。
含浸樹脂18dによる固定までのプロセスは、次の様にして行うことが出来る。まず、翼型の上に外面表皮材を配置し、その後、スパーキャップと非導体センサ(本実施例においては、光ファイバセンサ12)を備えたシェルコア材と共に配置し、更に内面表皮層を配置した後、真空引きしながら樹脂を含浸して翼型を形成する。そして、この翼型は、正圧側ならびに負圧側のそれぞれについて成形される。次に、成形したシアウェブ材を介して、前縁部ならびに後縁部で接着剤を用いて接着接合することによって、風力発電用ブレードを構成する。
本実施例によると、ブレード7の一次構造材であるスパーキャップ17の強度信頼性を低下させることなく、ブレード7が風荷重によって曲げ変形した際に、スパーキャップ17に生じるひずみ量を光ファイバセンサ12で測定することができる。ブレード7の長手方向へ離散的に配置した光ファイバセンサ12の測定値から得られたひずみ分布に基づいてブレードの曲げ変形量を算出することができる。
また、ブレード7は落雷による破損を避けるため、故意に雷を受けやすくした受雷部(レセプター)を離散的に備える。ブレード7に落雷した際、センサ12やケーブル13が導体の場合,雷の影響を受けやすく電気的ノイズの原因となったり破損することがある。そのため、ノイズや電気信号への耐性を有する非導体の光ファイバセンサを用いるのが好ましい。
図8は本発明における第2の実施形態を示した風力発電ブレードの斜視図である。図8は、ブレード7を負圧側22から見た図である。図5に示す実施形態では、後縁部11側のシェルコア18cは、スパーキャップ17と隣接する部位の表面に凹部を形成していたが、本実施形態では、シェル18の外面側表皮材18aと向かい合ったシェルコア18cの面側に凹部を形成している点で相違する。
図8に示すように、少なくとも1つ以上の光ファイバセンサ12が離散的に接続された光ファイバケーブル13を、前縁部10側のシェルコア18c部についてブレード7の先端側へ向かって配置し、スパーキャップ17の端部を回り込むように配置した後、後縁部11側のシェルコア18cに、ブレード7の根元部7’に向かって配置する。
このとき、光ファイバセンサ12と光ファイバケーブル13は、ブレード長手方向と同一方向でなくとも良く、ブレード長手方向に沿って、ブレード幅方向における光ファイバセンサ12と光ファイバケーブル13の位置が変化する様に形成しても良い。ブレード幅方向における位置が変化することは、言い換えると例えばスパーキャップ17からの距離が変化することにも繋がる。ここでいう幅方向とは前縁と後縁を繋ぐ方向を指し、ブレード長手方向とは実質垂直な方向となる。本実施例では、ブレード長手方向に対して45度あるいは135度傾けるように配置することで、ブレード7がねじり変形したときのひずみを測定することが可能となる。ブレード7へ離散的に配置することによって、ブレード7全体のねじり変形量を算出することができる。前縁部10側に配置される光ファイバケーブル13の端部は光源部14に接続され、後縁部11側に配置される該ケーブル13の端部は受光部15に接続される。また、光ファイバケーブルが接続される位置について、前縁と後縁、光源部と受光部との組み合わせは、この図に限定されるものではない。
図8で説明した前記センサおよび前記ケーブルの配置位置を、図9および図10を用いて詳細に説明する。図9は、図8におけるE−E’断面矢視図を示す。図9に示した実施例は、正圧側22と負圧側23、ならびに前縁部10側と後縁部11側のシェルコア18cに一箇所ずつ配置した例を示しているが、配置する前記センサの数は任意に定められる。
図10は、図9において点線で囲まれた領域Fの拡大図を示しており、シェル18の外面側表皮材18bと向かい合ったシェルコア18cの面側に凹部が設けられ、光ファイバセンサ12と、図10には図示されない光ファイバケーブル13とが配置されている。シェルコア18cと光ファイバセンサ12と光ファイバケーブル13とは、含浸樹脂18dによって固定されている。測定したい部位は任意に決めることが可能であり、凹部を設ける面は、内面側表皮材18aと向かい合う側のシェルコア18cの面でも良い。
本実施例によると、ブレード7のシェル18を構成するFRP積層材から成る内面表皮材18aと外面表皮材18bの強度信頼性を低下させることなく、ブレード7が風荷重によって変形した際に、シェル18に生じるひずみ量を光ファイバセンサ12で測定することができる。さらに、該センサ12の信号の有無によってシェル18の構造健全性を監視することができる。
図11は本発明における第3の実施形態を示した風力発電ブレードの斜視図である。図11は、ブレード7を負圧側22から見た図である。本実施形態では、シェルコア18cの前縁部10側端部と、シェルコア18cの後縁部10側端部に凹部を形成している点で相違する。
少なくとも1つ以上の光ファイバセンサ12が離散的に接続された光ファイバケーブル13を、シェルコア18cの前縁部10側端部近傍についてブレード7の先端側へ向かって配置し、スパーキャップ17の端部を回り込むように配置した後、シェルコア18cの後縁部11側端部近傍についてブレード7の根元部7’に向かって配置する。前縁部10側に配置される光ファイバケーブル13の端部は、光源部14に接続され、後縁部11側に配置される該ケーブル13の端部は受光部15に接続される。また、光ファイバケーブルが接続される位置について、前縁と後縁、光源部と受光部との組み合わせは、この図に限定されるものではない。
図11で説明した前記センサおよび前記ケーブルの配置位置を、図12および図13を用いて詳細に説明する。図12は、図11におけるG−G’断面矢視図を示す。図12に示した実施例は、正圧側22と負圧側23について、シェルコア18cの前縁部10側端部近傍と後縁部11側端部近傍に一箇所ずつ配置した例を示しているが、配置する前記センサの数は任意に定められる。
図13は、図12において点線で囲まれた領域Hの拡大図を示しており、後縁部11側のシェルコア18cの端部近傍において、シェル18の内面側表皮18aと向かい合った面側に凹部が設けられ、光ファイバセンサ12と、図13には図示されない光ファイバケーブル13とが配置されている。シェルコア18cと光ファイバセンサ12と光ファイバケーブル13とは、含浸樹脂18dによって固定されている。測定したい部位は任意に決めることが可能であり、凹部を設ける面は、外面側表皮材18bと向かい合う側のシェルコア18cの面でも良い。
ブレード7のシェル18を前縁部10または後縁部11を構成するFRP積層材は、形状が不連続あるいは急変する部位であるので、接着部20などにクラックが生じ、シェル18側に損傷が拡大したり、ブレード7の内部に雨水などが侵入する可能性がある。よって本実施例により測定したひずみ量もしくは測定信号を検知することにより、ブレードだけではなく風車本体の構造健全性を監視することが可能となる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば下記のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、シェル18に光ファイバセンサ12を配置したが、シェルコア材が設けられる部材にも適用が可能であり、例えば、シェルコア材と同等の塩化ビニル樹脂の発泡材(PVC)や、バルサ材等の軽量木材から成るシアウェブ19に設けることができる。
(2)以上の複数の実施例は、目的に応じて単独で構成しても良いが、前記実施例を組み合わせて使用することにより、ブレード7の稼働状態を詳細に検知することが可能となる。
(3)光ファイバセンサの種類は、特に限定されるものではなく、電磁ノイズの影響を受けにくく、絶縁低下に伴い電気的故障が少ないFBG(Fiber Bragg Grating)式のセンサを離散的に配置する方式でも良く、光相関ブリルアン散乱計測法(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, BOCDA)のように光ファイバセンサ全長にわたる分布ひずみ計測あるいは光ファイバセンサの任意の位置での動的ひずみ計測を行える方式を適用できる。
(4)本発明において前記ブレードを成形するために含浸される樹脂は、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂などを用いるのが好ましく、真空引きしながら樹脂を含浸する工程が含まれた手段であることが好ましい。また、強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維を用いることが、軽量性と強度信頼性を確保する上で好ましい。
1・・・風、2・・・風力発電装置、3・・・タワー、4・・・ナセル、5・・・主軸、6・・・ハブ、7・・・ブレード、7’・・・ブレード根元接続部、8・・・変形後のブレード、9・・・ブレードの変形方向、10・・・前縁部、11・・・後縁部、12・・・光ファイバセンサセンサ、13・・・光ファイバケーブル、14・・・光源部、15・・・受光部、16・・・データロガー、17・・・スパーキャップ、18・・・シェル、18a・・・シェルの外面側表皮材、18b・・・シェルの内面側表皮材、18c・・・シェルコア、18d・・・含浸樹脂、19a・・・前縁側シアウェブ、19b・・・後縁側シアウェブ、20・・・接着剤、21・・・被雷導線、22・・・正圧側、23・・・負圧側

Claims (9)

  1. 前縁部及び後縁部と、
    繊維強化層を含んで構成されるスパーキャップと、
    前記前縁部と前記スパーキャップの間または前記後縁部と前記スパーキャップの間の少なくともいずれかに配置されるシェルコアと、
    非導体センサを備え、
    前記シェルコア表面には凹部が形成され、前記非導体センサは前記凹部に配置されることを特徴とする風力発電用ブレード
  2. 請求項1に記載の風力発電用ブレードであって、前記凹部は、前記スパーキャップに対向する前記シェルコア表面に形成されることを特徴とする風力発電用ブレード
  3. 請求項2に記載の風力発電用ブレードであって、
    前記シェルコアは、前記前縁部と前記スパーキャップの間及び前記後縁部と前記スパーキャップの間に配置され、
    前記前縁部と前記スパーキャップの間に配置される第1の前記シェルコア及び前記後縁部と前記スパーキャップの間に配置される第2の前記シェルコアにおける前記スパーキャップに対向する前記シェルコア表面に、前記凹部は形成されることを特徴とする風力発電用ブレード
  4. 請求項3に記載の風力発電用ブレードであって、
    前記第1のシェルコア及び前記第2のシェルコアは、正圧側及び負圧側の各々に配置されることを特徴とする風力発電用ブレード
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の風力発電用ブレードであって、
    前記凹部は、前記前縁部または前記後縁部の少なくともいずれかに対向する前記シェルコア表面に形成されることを特徴とする風力発電用ブレード
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の風力発電用ブレードであって、外面を覆う外面表皮層及び内面を覆う内面表皮層を備え、
    前記シェルコア表面は、前記外面表皮層または前記内面表皮層に面する側の表面であることを特徴とする風力発電用ブレード
  7. 請求項6に記載の風力発電用ブレードであって、
    前記凹部は、前記風力発電用ブレードの長手方向に沿って、前記風力発電用ブレードの幅方向における位置が異なる様に形成されることを特徴とする風力発電用ブレード
  8. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の風力発電用ブレードであって、
    正圧側と負圧側を前記風力発電用ブレード内で連結するシアウェブを備え、
    前記非導体センサが、前記シアウェブを構成するシェルコアに配置されることを特徴とする風力発電用ブレード
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の風力発電用ブレードと、
    前記ブレードを支持するハブと、
    前記風力発電用ブレード及び前記ハブを回転可能に支持するナセルと、
    前記ナセルを支持するタワーを備えることを特徴とする風力発電装置
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