風力発電用ブレード及び風力発電装置
【課題】風力発電用ブレードの撓みを抑制して風力発電用ブレードの大型化を図る。
【解決手段】風力発電装置１に用いられるブレード５は、ルート部１１と、風を受けて回転力を得るブレード本体１２と、ブレード本体１２内に設けられる３枚のウェブ１３と、ウェブ１３とブレード本体１２とを接続する桁１４と、を備える。このブレード本体１２は、上流側と下流側とに分割されて対向する前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向前端部に配置されたノーズ部１２ｃと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向後端部に配置されたテール部１２ｄと、を備える。そして、ルート部１１、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３を、ＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成し、ノーズ部１２ｃ、テール部１２ｄ及び桁１４を、ピッチ形炭素繊維複合材料で形成する。
【解決手段】風力発電装置１に用いられるブレード５は、ルート部１１と、風を受けて回転力を得るブレード本体１２と、ブレード本体１２内に設けられる３枚のウェブ１３と、ウェブ１３とブレード本体１２とを接続する桁１４と、を備える。このブレード本体１２は、上流側と下流側とに分割されて対向する前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向前端部に配置されたノーズ部１２ｃと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向後端部に配置されたテール部１２ｄと、を備える。そして、ルート部１１、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３を、ＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成し、ノーズ部１２ｃ、テール部１２ｄ及び桁１４を、ピッチ形炭素繊維複合材料で形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に用いられる風力発電用ブレード及びこの風力発電用ブレードを用いた風力発電装置関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、風力発電装置（Wind turbine）の高出力化を図るため、風力発電用ブレード（以下「ブレード」）の大型化が図られている。大型のブレードを採用する場合は、ブレードの内部に補強材を設けることで、風の抵抗や回転に伴うブレードの破損や撓みを予防している（例えば、特許文献１参照）。なお、米国の国立再生エネルギー研究所（ＮＲＥＬ：National Renewable Energy Laboratory）からは、翼長（Blade Length）が最大６０メートルのブレードを３本用いた風力発電装置により、５ＭＷの出力が得られることが公表されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５７１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、洋上に風力発電装置（Wind turbine）を設置する洋上風力発電（Offshore wind turbine）の構想が検討されている。この構想では、風力発電装置に用いる風力発電用ブレードの大型化を図るために、炭素繊維を適用することが検討されている。
【０００５】
しかしながら、ＮＲＥＬの想定を超える翼長のブレードを用いると、ブレードの前後方向に生じる撓みやブレードの回転方向に生じる撓みが過大となるため、単純に炭素繊維を用いただけでは、対応できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、風力発電用ブレードの撓みを抑制して風力発電用ブレードの大型化を図ることができる風力発電用ブレード及びこの風力発電用ブレードを用いた風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る風力発電用ブレードは、ローターハブに取り付けられる風力発電用ブレードであって、翼型の外皮と、外皮の内部に設けられてブレードの先端に向けて延びる複数のウェブ（Web）と、ウェブの両端縁に接着されて外皮に接着される一対の桁と、外皮の回転方向前端部に設けられるノーズ部と、外皮の回転方向後端部に設けられるテール部と、を有し、桁、ノーズ部及びテール部は、ピッチ系の炭素繊維に樹脂が含浸されたピッチ形炭素繊維複合材料で形成される。
【０００８】
本発明によれば、高弾性率のピッチ系炭素繊維複合材料で桁、ノーズ部及びテール部を形成することで、外皮及びウェブに強い外力が作用しても、外皮及びウェブの接合状態を保持することができる。このため、風力発電用ブレードの撓みを抑制することができる。特に、桁にピッチ系炭素繊維を用いることで、風力発電用ブレードの前後方向に生じる撓みを抑制することができ、ノーズ部及びテール部にピッチ系炭素繊維を用いることで、風力発電用ブレードの回転方向に生じる撓みを抑制することができる。このように、風力発電用ブレードの撓みを抑制することができる結果、風力発電用ブレードを大型化することが可能となるため、風力発電装置の高出力化を図ることができる。
【０００９】
そして、外皮及びウェブは、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成されることが好ましい。このように、高強度のＰＡＮ系炭素繊維で外皮及びウェブを形成することで、風力発電用ブレードの強度を向上させることができる。
【００１０】
また、外皮及びウェブは、ガラス繊維に樹脂が含浸されたガラス繊維複合材料で形成されることが好ましい。このように、高強度のガラス繊維で外皮及びウェブを形成することで、風力発電用ブレードの強度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る風力発電装置は、上記の何れかの風力発電用ブレードを用いる。これにより、風力発電用ブレードを大型化することが可能となるため、風力発電装置の高出力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、風力発電用ブレードの撓みを抑制して風力発電用ブレードの大型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係るブレードを用いた風力発電装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す風力発電装置を上流側から見た一部拡大図である。
【図３】ブレードの平面図である。
【図４】図３に示すＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】ブレードの寸法を説明するための図であり、（ａ）は、図３に対応するブレードの平面図、（ｂ）は、図４に対応するブレードの断面図である。
【図６】他のブレード本体の断面図である。
【図７】他のブレード本体の断面図である。
【図８】実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【図９】実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【図１０】比較例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る風力発電用ブレード及び風力発電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態は、本発明を、翼長（Blade length）が９０ｍの大型のブレードに適用したものである。そして、本実施形態において、風力発電用ブレードに対して風が流れる方向を前後方向、風力発電用ブレードにおける風の上流側を前側、風力発電用ブレードにおける風の下流側を後側という。また、本実施形態において、風力発電用ブレードが回る方向を回転方向という。なお、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【００１５】
まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係るブレードを用いた風力発電装置の概要について説明する。図１は、実施形態に係るブレードを用いた風力発電装置を示す概略構成図であり、図２は、図１に示す風力発電装置を上流側から見た一部拡大図である。
【００１６】
図１及び図２に示すように、風力発電装置１は、洋上に立設されるタワー（Tower）２と、タワー２の上端に接続されるナセルハウジング（Nacelle housing）３と、ナセルハウジング３の前端に回動自在に接続されるローターハブ（Rotor hub）４と、ローターハブ４に接続される３枚のブレード５とを備える。
【００１７】
ナセルハウジング３は、ローターハブ４の回転軸に接続されたメインシャフト（Main shaft）６を回動自在に保持している。また、ナセルハウジング３は、このメインシャフト６の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（Generator）７を搭載している。このため、各ブレード５に風を受けてローターハブ４が回転すると、メインシャフト６が回転し、発電機７によりメインシャフト６の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されて電力が発生する。そして、この発生した電力は、タワー２の下部に設置された集電設備８に集められ、各所に配電される。
【００１８】
次に、図３〜図５を参照して、ブレード５の構成について詳しく説明する。図３は、ブレードの平面図である。図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、ブレードの寸法を説明するための図であり、図５（ａ）は、図３に対応するブレードの平面図、図５（ｂ）は、図４に対応するブレードの断面図である。なお、図５（ｂ）において、Ｘ軸方向は回転方向を示し、Ｙ軸方向は前後方向を示す。
【００１９】
図３〜図５に示すように、ブレード５は、翼型に形成されており、その翼長Ｌが９０ｍにもなる大型のブレードである。このブレード５は、ローターハブ４に接続されるルート部（Root）１１と、風を受けて回転力を得るブレード本体１２と、ブレード本体１２内に設けられる３枚のウェブ１３と、ウェブ１３とブレード本体１２とを接続する桁（Girder）１４と、を備える。
【００２０】
ルート部１１は、同心円状の円筒構造となっており、ローターハブ４との接続強度を確保するために、ブレード本体１２よりも肉厚となっている。
【００２１】
ブレード本体１２は、空力学的に回転力を得る翼型に形成されており、軽量化を図るためにルート部１１よりも肉薄となっている。ブレード本体１２のルート部１１（基端）側は、円筒構造から翼型の変形楕円構造に変化して、その翼幅（chord）Ｗが徐々に広がっている。ブレード本体１２の先端側は、翼型の変形楕円構造であって、その翼幅Ｗが徐々に狭くなっている。また、ブレード本体１２の回転方向前部は、その厚みＤが徐々に増加して最大厚さに至っており、ブレード本体１２の回転方向後部は、その厚みＤが徐々に減少すると共に翼尾が長く延びている。
【００２２】
このように形成されるブレード本体１２は、上流側と下流側とに分割されて対向する前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向前端部に配置されたノーズ部１２ｃと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向後端部に配置されたテール部１２ｄと、を主構成要素としている。そして、前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの間にノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄが配置され、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの端面にノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄが接着されることで、ブレード本体１２が翼型を形成する。
【００２３】
ウェブ１３は、ブレード本体１２の先端に向けて延びる細長い板状に形成されている。このウェブ１３は、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに対して略垂直に配置されており、その一端縁が、前側外皮１２ａと直接的又は間接的に接続されるとともに、その他端縁が、後側外皮１２ｂと直接的又は間接的に接続されている。このため、ウェブ１３は、対向する前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとを支持して、ブレード本体１２が前後方向に撓むのを抑制する機能を備える。
【００２４】
このように形成されるウェブ１３は、ブレード本体１２の回転方向に沿って３枚並設されている。この３枚のウェブ１３の内、ブレード本体１２の回転方向前側に配置される２枚のウェブ１３ａ，１３ｂは、ブレード本体１２の回転方向中心付近であって、前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの離間距離が広くなった位置に配置される。一方、この３枚のウェブ１３の内、ブレード本体１２の回転方向後側に配置される１枚のウェブ１３ｃは、ブレード本体１２の回転方向後方（翼尾付近）であって、前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの離間距離が狭くなった位置に配置される。
【００２５】
そして、ウェブ１３ａ，１３ｂの両端縁は、桁１４を介して前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに接着されており、ウェブ１３ｃの両端縁は、直接前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに接着されている。なお、ウェブ１３ａ〜１３ｃは、図示しない受け部材を介して、桁１４又は前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに接着されても良い。
【００２６】
桁１４は、２枚一組で構成され、ウェブ１３ａ及びウェブ１３ｂの一端縁と前側外皮１２ａの内壁とに接着固定される桁１４ａと、ウェブ１３ａ及びウェブ１３ｂの他端縁と後側外皮１２ｂの内壁とに接着固定される桁１４ｂと、を備える。桁１４ａは、少なくともウェブ１３ａの一端縁からウェブ１３ｂの一端縁に至る細長い板状に形成される。また、桁１４ｂは、少なくともウェブ１３ａの他端縁からウェブ１３ｂの他端縁に至る細長い板状に形成される。このため、桁１４ａ，１４ｂがウェブ１３ａ，１３ｂの両端縁に接着されることで、ウェブ１３ａ，１３ｂ及び桁１４ａ，１４ｂが閉断面を形成する。
【００２７】
次に、ブレード５の素材について説明する。
【００２８】
ルート部１１は、長繊維のＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で構成される。同様に、ブレード本体１２の、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３は、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成される。ＰＡＮ系炭素繊維とは、ＰＡＮプリカーサー（ポリアクリロニトリル繊維）を炭素化して得られるもので、剪断強度（Sheer strength）に優れた高強度の性質を有する。
【００２９】
一方、ブレード本体１２のノーズ部１２ｃ、テール部１２ｄ及び桁１４は、長繊維のピッチ系炭素繊維に樹脂が含浸されたピッチ形炭素繊維複合材料で形成される。ピッチ系炭素繊維とは、ピッチプリカーサー（コールタールや石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を焼成して得られるもので、高弾性率（High modules）を有する。
【００３０】
そして、ブレード本体１２のノーズ部１２ｃ、テール部１２ｄ及び桁１４を形成するピッチ系炭素繊維の引張弾性率は、ブレード先端の撓み抑制の観点から、４００〜９００ＧＰａが好ましく、５５０〜７５０ＧＰａが更に好ましい。また、このピッチ系炭素繊維の熱伝導率は、落雷時に熱エネルギーを拡散する観点から、８０〜７００Ｗ／ｍ・Ｋが好ましい。また、このピッチ系炭素繊維の体積抵抗率は、落雷時に電気エネルギーを拡散する観点から、１．５〜７．５μΩｍが好ましい。
【００３１】
このように、本実施形態に係るブレードによれば、高強度のＰＡＮ系炭素繊維複合材料で前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３を形成することで、ブレード５の強度を向上させることができる。一方、高弾性率のピッチ系炭素繊維複合材料で桁１４、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄを形成することで、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３に強い外力が作用しても、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３の接合状態を保持することができる。このため、ブレード５の撓みを抑制することができる。特に、桁１４にピッチ系炭素繊維複合材料を用いることで、ブレード５の前後方向に生じる撓みを抑制することができ、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄにピッチ系炭素繊維複合材料を用いることで、ブレード５の回転方向に生じる撓みを抑制することができる。このように、ブレード５の撓みを抑制することができる結果、ブレード５を大型化することが可能となるため、風力発電装置１の高出力化を図ることができる。
【００３２】
また、ウェブ１３及び桁１４により閉断面を形成することで、ウェブ１３及び桁１４の剛性を高めることができ、ブレード５の撓みを更に抑制することができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄを前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの間に配置することでブレード本体１２を形成するものとして説明したが、例えば、図６に示すように、ブレード本体を形成するものとしても良い。図６に示すブレード本体２２は、前側外皮２２ａと後側外皮２２ｂとが直接接着され、この接着された前側外皮２２ａ及び後側外皮２２ｂに、所定厚さのノーズ部２２ｃ及びテール部２２ｄが積層される。なお、ノーズ部２２ｃ及びテール部２２ｄの積層は、接着された前側外皮２２ａ及び後側外皮２２ｂの表面側及び裏面側の何れに行ってもよく、両面側に行ってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄでブレード本体１２を形成するものとして説明したが、例えば、図７に示すようにブレード本体を形成するものとしても良い。図７に示すブレード本体３１は、前側外皮３２が、回転方向前部の第一前側外皮３２ａと回転方向後部の第二前側外皮３２ｂとに分割されており、後側外皮３３が、回転方向前部の第一後側外皮３３ａと回転方向後部の第二後側外皮３３ｂとに分割されている。そして、第一前側外皮３２ａと第二前側外皮３２ｂとの間に桁３４ａが配置されて、第一前側外皮３２ａ及び第二前側外皮３２ｂの端面に桁３４ａが接着される。また、第一後側外皮３３ａと第二後側外皮３３ｂとの間に桁３４ｂが配置されて、第一後側外皮３３ａ及び第二後側外皮３３ｂの端面に桁３４ｂが接着される。これにより、ブレード本体３１は、第一前側外皮３２ａと第二前側外皮３２ｂとに分割された前側外皮３２と、第一後側外皮３３ａと第二後側外皮３３ｂとに分割された後側外皮３３と、前側外皮３２及び後側外皮３３の回転方向前端部に配置されたノーズ部１２ｃと、前側外皮３２及び後側外皮３３の回転方向後端部に配置されたテール部１２ｄと、第一前側外皮３２ａと第二前側外皮３２ｂとの間に配置された桁３４ａと、第一後側外皮３３ａと第二後側外皮３３ｂとの間に配置された桁３４ｂと、により構成される。
【００３５】
また、上記実施形態では、ブレード本体１２を構成する前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄの被覆には特に言及しなかったが、これらの表面にコート剤を被覆しても良い。なお、コート剤は、樹脂や炭素繊維プリプレグなど、様々な材料が用いられる。このように、ブレード本体１２にコート剤を被覆することで、ブレード本体１２の凹凸を無くすことができ、風の流れを円滑にすることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、ルート部１１、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３をＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成するものとして説明したが、剪断強度に優れた高強度の素材であれば、如何なる素材で形成しても良い。例えば、これらを、ガラス繊維に樹脂が含浸されたガラス繊維複合材料で形成しても良い。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例について説明する。ここでは、２つの実施例と１つの比較例を用いて、風力発電用ブレードの撓み（変位）についてシミュレーションした。
【００３８】
［実施例１］
実施例１には、上記の実施形態に係るブレード５と同一構成で、翼長が９０ｍの風力発電用ブレードを用いた。ルート部、前側外皮、後側外皮及び３枚のウェブを形成するＰＡＮ系炭素繊維複合材料として、配向角度が４５度のフェノール炭素繊維を樹脂に含浸させたプリプレグを用いた。また、ノーズ部、テール部及び２枚の桁を形成するピッチ系炭素繊維複合材料として、三菱樹脂株式会社製のＤＩＡＬＥＡＤ（三菱樹脂株式会社の登録商標） Ｋ６３７１２を樹脂に含浸させたプリプレグを用いた。このＤＩＡＬＥＡＤは、高弾性率を有するものであり、引張弾性率が約６４０ＧＰａ、引張強度が約２６００ＭＰａ、破断伸びが約０．４％、密度が約２．１２ｇ／ｃｍ３、繊度が約２０００ｇ／１０００ｍ、熱伝導率が約１４０Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率が約６〜７μΩｍとなっている。また、実施例１では安全率を２とした。
【００３９】
そして、実施例１について、風速が３０ｍである場合のＸ軸方向（回転方向）の変位及びＹ軸方向（前後方向）の変位をシミュレーションした。図８は、実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、図８（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、図８（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【００４０】
［実施例２］
実施例２には、実施例１と同一構成及び同一素材で、翼長が９０ｍの風力発電用ブレードを用いた。また、実施例２では安全率を３とした。
【００４１】
そして、実施例２について、風速が３０ｍである場合のＸ軸方向（回転方向）の変位及びＹ軸方向（前後方向）の変位をシミュレーションした。図９は、実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、図９（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、図９（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【００４２】
［比較例１］
比較例１には、実施例１と同一構成で、翼長が９０ｍの風力発電用ブレードを用い、全体の素材にガラス繊維複合材料を用いた。
【００４３】
そして、比較例１について、風速が３０ｍである場合のＸ軸方向（回転方向）の変位及びＹ軸方向（前後方向）の変位をシミュレーションした。図１０は、比較例２のシミュレーション結果を示す図であり、図１０（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、図１０（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【００４４】
図８〜図１０に示すように、実施例１，２は、比較例１と比較して回転方向及び前後方向の双方とも撓みが低減していることが分かる。これらのシミュレーション結果から、ノーズ部、テール部及び桁をピッチ系炭素繊維複合材料で形成することで、回転方向及び前後方向の撓みを大幅に低減することが明らかとなった。
【符号の説明】
【００４５】
１…風力発電装置、２…タワー、３…ナセルハウジング、４…ローターハブ、５…ブレード、６…メインシャフト、７…発電機、８…集電設備、１１…ルート部、１２…ブレード本体、１２ａ…前側外皮、１２ｂ…後側外皮、１２ｃ…ノーズ部、１２ｄ…テール部、１３…ウェブ、１３ａ…ウェブ、１３ｂ…ウェブ、１３ｃ…ウェブ、１４…桁、１４ａ…桁、１４ｂ…桁、２２…ブレード本体、２２ａ…前側外皮、２２ｂ…後側外皮、２２ｃ…ノーズ部、２２ｄ…テール部、３１…ブレード本体、３２…前側外皮、３２ａ…第一前側外皮、３２ｂ…第二前側外皮、３３…後側外皮、３３ａ…第一後側外皮、３３ｂ…第二後側外皮、３４ａ…桁、３４ｂ…桁、Ｌ…翼長、Ｗ…翼幅、Ｄ…厚み。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に用いられる風力発電用ブレード及びこの風力発電用ブレードを用いた風力発電装置関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、風力発電装置（Wind turbine）の高出力化を図るため、風力発電用ブレード（以下「ブレード」）の大型化が図られている。大型のブレードを採用する場合は、ブレードの内部に補強材を設けることで、風の抵抗や回転に伴うブレードの破損や撓みを予防している（例えば、特許文献１参照）。なお、米国の国立再生エネルギー研究所（ＮＲＥＬ：National Renewable Energy Laboratory）からは、翼長（Blade Length）が最大６０メートルのブレードを３本用いた風力発電装置により、５ＭＷの出力が得られることが公表されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５７１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、洋上に風力発電装置（Wind turbine）を設置する洋上風力発電（Offshore wind turbine）の構想が検討されている。この構想では、風力発電装置に用いる風力発電用ブレードの大型化を図るために、炭素繊維を適用することが検討されている。
【０００５】
しかしながら、ＮＲＥＬの想定を超える翼長のブレードを用いると、ブレードの前後方向に生じる撓みやブレードの回転方向に生じる撓みが過大となるため、単純に炭素繊維を用いただけでは、対応できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、風力発電用ブレードの撓みを抑制して風力発電用ブレードの大型化を図ることができる風力発電用ブレード及びこの風力発電用ブレードを用いた風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る風力発電用ブレードは、ローターハブに取り付けられる風力発電用ブレードであって、翼型の外皮と、外皮の内部に設けられてブレードの先端に向けて延びる複数のウェブ（Web）と、ウェブの両端縁に接着されて外皮に接着される一対の桁と、外皮の回転方向前端部に設けられるノーズ部と、外皮の回転方向後端部に設けられるテール部と、を有し、桁、ノーズ部及びテール部は、ピッチ系の炭素繊維に樹脂が含浸されたピッチ形炭素繊維複合材料で形成される。
【０００８】
本発明によれば、高弾性率のピッチ系炭素繊維複合材料で桁、ノーズ部及びテール部を形成することで、外皮及びウェブに強い外力が作用しても、外皮及びウェブの接合状態を保持することができる。このため、風力発電用ブレードの撓みを抑制することができる。特に、桁にピッチ系炭素繊維を用いることで、風力発電用ブレードの前後方向に生じる撓みを抑制することができ、ノーズ部及びテール部にピッチ系炭素繊維を用いることで、風力発電用ブレードの回転方向に生じる撓みを抑制することができる。このように、風力発電用ブレードの撓みを抑制することができる結果、風力発電用ブレードを大型化することが可能となるため、風力発電装置の高出力化を図ることができる。
【０００９】
そして、外皮及びウェブは、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成されることが好ましい。このように、高強度のＰＡＮ系炭素繊維で外皮及びウェブを形成することで、風力発電用ブレードの強度を向上させることができる。
【００１０】
また、外皮及びウェブは、ガラス繊維に樹脂が含浸されたガラス繊維複合材料で形成されることが好ましい。このように、高強度のガラス繊維で外皮及びウェブを形成することで、風力発電用ブレードの強度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る風力発電装置は、上記の何れかの風力発電用ブレードを用いる。これにより、風力発電用ブレードを大型化することが可能となるため、風力発電装置の高出力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、風力発電用ブレードの撓みを抑制して風力発電用ブレードの大型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係るブレードを用いた風力発電装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す風力発電装置を上流側から見た一部拡大図である。
【図３】ブレードの平面図である。
【図４】図３に示すＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】ブレードの寸法を説明するための図であり、（ａ）は、図３に対応するブレードの平面図、（ｂ）は、図４に対応するブレードの断面図である。
【図６】他のブレード本体の断面図である。
【図７】他のブレード本体の断面図である。
【図８】実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【図９】実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【図１０】比較例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る風力発電用ブレード及び風力発電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態は、本発明を、翼長（Blade length）が９０ｍの大型のブレードに適用したものである。そして、本実施形態において、風力発電用ブレードに対して風が流れる方向を前後方向、風力発電用ブレードにおける風の上流側を前側、風力発電用ブレードにおける風の下流側を後側という。また、本実施形態において、風力発電用ブレードが回る方向を回転方向という。なお、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【００１５】
まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係るブレードを用いた風力発電装置の概要について説明する。図１は、実施形態に係るブレードを用いた風力発電装置を示す概略構成図であり、図２は、図１に示す風力発電装置を上流側から見た一部拡大図である。
【００１６】
図１及び図２に示すように、風力発電装置１は、洋上に立設されるタワー（Tower）２と、タワー２の上端に接続されるナセルハウジング（Nacelle housing）３と、ナセルハウジング３の前端に回動自在に接続されるローターハブ（Rotor hub）４と、ローターハブ４に接続される３枚のブレード５とを備える。
【００１７】
ナセルハウジング３は、ローターハブ４の回転軸に接続されたメインシャフト（Main shaft）６を回動自在に保持している。また、ナセルハウジング３は、このメインシャフト６の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（Generator）７を搭載している。このため、各ブレード５に風を受けてローターハブ４が回転すると、メインシャフト６が回転し、発電機７によりメインシャフト６の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されて電力が発生する。そして、この発生した電力は、タワー２の下部に設置された集電設備８に集められ、各所に配電される。
【００１８】
次に、図３〜図５を参照して、ブレード５の構成について詳しく説明する。図３は、ブレードの平面図である。図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、ブレードの寸法を説明するための図であり、図５（ａ）は、図３に対応するブレードの平面図、図５（ｂ）は、図４に対応するブレードの断面図である。なお、図５（ｂ）において、Ｘ軸方向は回転方向を示し、Ｙ軸方向は前後方向を示す。
【００１９】
図３〜図５に示すように、ブレード５は、翼型に形成されており、その翼長Ｌが９０ｍにもなる大型のブレードである。このブレード５は、ローターハブ４に接続されるルート部（Root）１１と、風を受けて回転力を得るブレード本体１２と、ブレード本体１２内に設けられる３枚のウェブ１３と、ウェブ１３とブレード本体１２とを接続する桁（Girder）１４と、を備える。
【００２０】
ルート部１１は、同心円状の円筒構造となっており、ローターハブ４との接続強度を確保するために、ブレード本体１２よりも肉厚となっている。
【００２１】
ブレード本体１２は、空力学的に回転力を得る翼型に形成されており、軽量化を図るためにルート部１１よりも肉薄となっている。ブレード本体１２のルート部１１（基端）側は、円筒構造から翼型の変形楕円構造に変化して、その翼幅（chord）Ｗが徐々に広がっている。ブレード本体１２の先端側は、翼型の変形楕円構造であって、その翼幅Ｗが徐々に狭くなっている。また、ブレード本体１２の回転方向前部は、その厚みＤが徐々に増加して最大厚さに至っており、ブレード本体１２の回転方向後部は、その厚みＤが徐々に減少すると共に翼尾が長く延びている。
【００２２】
このように形成されるブレード本体１２は、上流側と下流側とに分割されて対向する前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向前端部に配置されたノーズ部１２ｃと、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの回転方向後端部に配置されたテール部１２ｄと、を主構成要素としている。そして、前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの間にノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄが配置され、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂの端面にノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄが接着されることで、ブレード本体１２が翼型を形成する。
【００２３】
ウェブ１３は、ブレード本体１２の先端に向けて延びる細長い板状に形成されている。このウェブ１３は、前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに対して略垂直に配置されており、その一端縁が、前側外皮１２ａと直接的又は間接的に接続されるとともに、その他端縁が、後側外皮１２ｂと直接的又は間接的に接続されている。このため、ウェブ１３は、対向する前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとを支持して、ブレード本体１２が前後方向に撓むのを抑制する機能を備える。
【００２４】
このように形成されるウェブ１３は、ブレード本体１２の回転方向に沿って３枚並設されている。この３枚のウェブ１３の内、ブレード本体１２の回転方向前側に配置される２枚のウェブ１３ａ，１３ｂは、ブレード本体１２の回転方向中心付近であって、前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの離間距離が広くなった位置に配置される。一方、この３枚のウェブ１３の内、ブレード本体１２の回転方向後側に配置される１枚のウェブ１３ｃは、ブレード本体１２の回転方向後方（翼尾付近）であって、前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの離間距離が狭くなった位置に配置される。
【００２５】
そして、ウェブ１３ａ，１３ｂの両端縁は、桁１４を介して前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに接着されており、ウェブ１３ｃの両端縁は、直接前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに接着されている。なお、ウェブ１３ａ〜１３ｃは、図示しない受け部材を介して、桁１４又は前側外皮１２ａ及び後側外皮１２ｂに接着されても良い。
【００２６】
桁１４は、２枚一組で構成され、ウェブ１３ａ及びウェブ１３ｂの一端縁と前側外皮１２ａの内壁とに接着固定される桁１４ａと、ウェブ１３ａ及びウェブ１３ｂの他端縁と後側外皮１２ｂの内壁とに接着固定される桁１４ｂと、を備える。桁１４ａは、少なくともウェブ１３ａの一端縁からウェブ１３ｂの一端縁に至る細長い板状に形成される。また、桁１４ｂは、少なくともウェブ１３ａの他端縁からウェブ１３ｂの他端縁に至る細長い板状に形成される。このため、桁１４ａ，１４ｂがウェブ１３ａ，１３ｂの両端縁に接着されることで、ウェブ１３ａ，１３ｂ及び桁１４ａ，１４ｂが閉断面を形成する。
【００２７】
次に、ブレード５の素材について説明する。
【００２８】
ルート部１１は、長繊維のＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で構成される。同様に、ブレード本体１２の、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３は、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成される。ＰＡＮ系炭素繊維とは、ＰＡＮプリカーサー（ポリアクリロニトリル繊維）を炭素化して得られるもので、剪断強度（Sheer strength）に優れた高強度の性質を有する。
【００２９】
一方、ブレード本体１２のノーズ部１２ｃ、テール部１２ｄ及び桁１４は、長繊維のピッチ系炭素繊維に樹脂が含浸されたピッチ形炭素繊維複合材料で形成される。ピッチ系炭素繊維とは、ピッチプリカーサー（コールタールや石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を焼成して得られるもので、高弾性率（High modules）を有する。
【００３０】
そして、ブレード本体１２のノーズ部１２ｃ、テール部１２ｄ及び桁１４を形成するピッチ系炭素繊維の引張弾性率は、ブレード先端の撓み抑制の観点から、４００〜９００ＧＰａが好ましく、５５０〜７５０ＧＰａが更に好ましい。また、このピッチ系炭素繊維の熱伝導率は、落雷時に熱エネルギーを拡散する観点から、８０〜７００Ｗ／ｍ・Ｋが好ましい。また、このピッチ系炭素繊維の体積抵抗率は、落雷時に電気エネルギーを拡散する観点から、１．５〜７．５μΩｍが好ましい。
【００３１】
このように、本実施形態に係るブレードによれば、高強度のＰＡＮ系炭素繊維複合材料で前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３を形成することで、ブレード５の強度を向上させることができる。一方、高弾性率のピッチ系炭素繊維複合材料で桁１４、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄを形成することで、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３に強い外力が作用しても、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３の接合状態を保持することができる。このため、ブレード５の撓みを抑制することができる。特に、桁１４にピッチ系炭素繊維複合材料を用いることで、ブレード５の前後方向に生じる撓みを抑制することができ、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄにピッチ系炭素繊維複合材料を用いることで、ブレード５の回転方向に生じる撓みを抑制することができる。このように、ブレード５の撓みを抑制することができる結果、ブレード５を大型化することが可能となるため、風力発電装置１の高出力化を図ることができる。
【００３２】
また、ウェブ１３及び桁１４により閉断面を形成することで、ウェブ１３及び桁１４の剛性を高めることができ、ブレード５の撓みを更に抑制することができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄを前側外皮１２ａと後側外皮１２ｂとの間に配置することでブレード本体１２を形成するものとして説明したが、例えば、図６に示すように、ブレード本体を形成するものとしても良い。図６に示すブレード本体２２は、前側外皮２２ａと後側外皮２２ｂとが直接接着され、この接着された前側外皮２２ａ及び後側外皮２２ｂに、所定厚さのノーズ部２２ｃ及びテール部２２ｄが積層される。なお、ノーズ部２２ｃ及びテール部２２ｄの積層は、接着された前側外皮２２ａ及び後側外皮２２ｂの表面側及び裏面側の何れに行ってもよく、両面側に行ってもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄでブレード本体１２を形成するものとして説明したが、例えば、図７に示すようにブレード本体を形成するものとしても良い。図７に示すブレード本体３１は、前側外皮３２が、回転方向前部の第一前側外皮３２ａと回転方向後部の第二前側外皮３２ｂとに分割されており、後側外皮３３が、回転方向前部の第一後側外皮３３ａと回転方向後部の第二後側外皮３３ｂとに分割されている。そして、第一前側外皮３２ａと第二前側外皮３２ｂとの間に桁３４ａが配置されて、第一前側外皮３２ａ及び第二前側外皮３２ｂの端面に桁３４ａが接着される。また、第一後側外皮３３ａと第二後側外皮３３ｂとの間に桁３４ｂが配置されて、第一後側外皮３３ａ及び第二後側外皮３３ｂの端面に桁３４ｂが接着される。これにより、ブレード本体３１は、第一前側外皮３２ａと第二前側外皮３２ｂとに分割された前側外皮３２と、第一後側外皮３３ａと第二後側外皮３３ｂとに分割された後側外皮３３と、前側外皮３２及び後側外皮３３の回転方向前端部に配置されたノーズ部１２ｃと、前側外皮３２及び後側外皮３３の回転方向後端部に配置されたテール部１２ｄと、第一前側外皮３２ａと第二前側外皮３２ｂとの間に配置された桁３４ａと、第一後側外皮３３ａと第二後側外皮３３ｂとの間に配置された桁３４ｂと、により構成される。
【００３５】
また、上記実施形態では、ブレード本体１２を構成する前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ、ノーズ部１２ｃ及びテール部１２ｄの被覆には特に言及しなかったが、これらの表面にコート剤を被覆しても良い。なお、コート剤は、樹脂や炭素繊維プリプレグなど、様々な材料が用いられる。このように、ブレード本体１２にコート剤を被覆することで、ブレード本体１２の凹凸を無くすことができ、風の流れを円滑にすることができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、ルート部１１、前側外皮１２ａ、後側外皮１２ｂ及びウェブ１３をＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成するものとして説明したが、剪断強度に優れた高強度の素材であれば、如何なる素材で形成しても良い。例えば、これらを、ガラス繊維に樹脂が含浸されたガラス繊維複合材料で形成しても良い。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例について説明する。ここでは、２つの実施例と１つの比較例を用いて、風力発電用ブレードの撓み（変位）についてシミュレーションした。
【００３８】
［実施例１］
実施例１には、上記の実施形態に係るブレード５と同一構成で、翼長が９０ｍの風力発電用ブレードを用いた。ルート部、前側外皮、後側外皮及び３枚のウェブを形成するＰＡＮ系炭素繊維複合材料として、配向角度が４５度のフェノール炭素繊維を樹脂に含浸させたプリプレグを用いた。また、ノーズ部、テール部及び２枚の桁を形成するピッチ系炭素繊維複合材料として、三菱樹脂株式会社製のＤＩＡＬＥＡＤ（三菱樹脂株式会社の登録商標） Ｋ６３７１２を樹脂に含浸させたプリプレグを用いた。このＤＩＡＬＥＡＤは、高弾性率を有するものであり、引張弾性率が約６４０ＧＰａ、引張強度が約２６００ＭＰａ、破断伸びが約０．４％、密度が約２．１２ｇ／ｃｍ３、繊度が約２０００ｇ／１０００ｍ、熱伝導率が約１４０Ｗ／ｍ・Ｋ、体積抵抗率が約６〜７μΩｍとなっている。また、実施例１では安全率を２とした。
【００３９】
そして、実施例１について、風速が３０ｍである場合のＸ軸方向（回転方向）の変位及びＹ軸方向（前後方向）の変位をシミュレーションした。図８は、実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、図８（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、図８（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【００４０】
［実施例２］
実施例２には、実施例１と同一構成及び同一素材で、翼長が９０ｍの風力発電用ブレードを用いた。また、実施例２では安全率を３とした。
【００４１】
そして、実施例２について、風速が３０ｍである場合のＸ軸方向（回転方向）の変位及びＹ軸方向（前後方向）の変位をシミュレーションした。図９は、実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、図９（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、図９（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【００４２】
［比較例１］
比較例１には、実施例１と同一構成で、翼長が９０ｍの風力発電用ブレードを用い、全体の素材にガラス繊維複合材料を用いた。
【００４３】
そして、比較例１について、風速が３０ｍである場合のＸ軸方向（回転方向）の変位及びＹ軸方向（前後方向）の変位をシミュレーションした。図１０は、比較例２のシミュレーション結果を示す図であり、図１０（ａ）はＸ軸方向（回転方向）の変位、図１０（ｂ）はＹ軸方向（前後方向）の変位を示している。
【００４４】
図８〜図１０に示すように、実施例１，２は、比較例１と比較して回転方向及び前後方向の双方とも撓みが低減していることが分かる。これらのシミュレーション結果から、ノーズ部、テール部及び桁をピッチ系炭素繊維複合材料で形成することで、回転方向及び前後方向の撓みを大幅に低減することが明らかとなった。
【符号の説明】
【００４５】
１…風力発電装置、２…タワー、３…ナセルハウジング、４…ローターハブ、５…ブレード、６…メインシャフト、７…発電機、８…集電設備、１１…ルート部、１２…ブレード本体、１２ａ…前側外皮、１２ｂ…後側外皮、１２ｃ…ノーズ部、１２ｄ…テール部、１３…ウェブ、１３ａ…ウェブ、１３ｂ…ウェブ、１３ｃ…ウェブ、１４…桁、１４ａ…桁、１４ｂ…桁、２２…ブレード本体、２２ａ…前側外皮、２２ｂ…後側外皮、２２ｃ…ノーズ部、２２ｄ…テール部、３１…ブレード本体、３２…前側外皮、３２ａ…第一前側外皮、３２ｂ…第二前側外皮、３３…後側外皮、３３ａ…第一後側外皮、３３ｂ…第二後側外皮、３４ａ…桁、３４ｂ…桁、Ｌ…翼長、Ｗ…翼幅、Ｄ…厚み。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターハブに取り付けられる風力発電用ブレードであって、
翼型の外皮と、
前記外皮の内部に設けられて前記ブレードの先端に向けて延びるウェブと、
前記ウェブの両端縁に接着されて前記外皮に接着される一対の桁と、
前記外皮の回転方向前端部に設けられるノーズ部と、
前記外皮の回転方向後端部に設けられるテール部と、
を有し、
前記桁、前記ノーズ部及び前記テール部は、ピッチ系の炭素繊維に樹脂が含浸されたピッチ形炭素繊維複合材料で形成される、
風力発電用ブレード。
【請求項２】
前記外皮及び前記ウェブは、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成される、請求項１に記載の風力発電用ブレード。
【請求項３】
前記外皮及び前記ウェブは、ガラス繊維に樹脂が含浸されたガラス繊維複合材料で形成される、請求項１に記載の風力発電用ブレード。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の風力発電用ブレードを用いた風力発電装置。
【請求項１】
ローターハブに取り付けられる風力発電用ブレードであって、
翼型の外皮と、
前記外皮の内部に設けられて前記ブレードの先端に向けて延びるウェブと、
前記ウェブの両端縁に接着されて前記外皮に接着される一対の桁と、
前記外皮の回転方向前端部に設けられるノーズ部と、
前記外皮の回転方向後端部に設けられるテール部と、
を有し、
前記桁、前記ノーズ部及び前記テール部は、ピッチ系の炭素繊維に樹脂が含浸されたピッチ形炭素繊維複合材料で形成される、
風力発電用ブレード。
【請求項２】
前記外皮及び前記ウェブは、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂が含浸されたＰＡＮ系炭素繊維複合材料で形成される、請求項１に記載の風力発電用ブレード。
【請求項３】
前記外皮及び前記ウェブは、ガラス繊維に樹脂が含浸されたガラス繊維複合材料で形成される、請求項１に記載の風力発電用ブレード。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の風力発電用ブレードを用いた風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１１２２６４（Ｐ２０１２−１１２２６４Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６０１９６（Ｐ２０１０−２６０１９６）
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（０００００６１７２）三菱樹脂株式会社 (1,977)
【出願人】（０００００２１２９）住友商事株式会社 (42)
【出願人】（５１０３０８８８３）フラウンホーファー インスティトゥート ヴィントエネルギー ウント エネルギーズュステームテヒニック (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（０００００６１７２）三菱樹脂株式会社 (1,977)
【出願人】（０００００２１２９）住友商事株式会社 (42)
【出願人】（５１０３０８８８３）フラウンホーファー インスティトゥート ヴィントエネルギー ウント エネルギーズュステームテヒニック (1)
【Ｆターム（参考）】
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