CN115875216A - 风车叶片用落雷抑制装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够尽可能地防止从风车叶片脱离的风车叶片用落雷抑制装置。提供一种落雷抑制装置7，该落雷抑制装置7是风车叶片用落雷抑制装置，其设置于风车叶片6的末端，抑制向风车叶片6发生落雷，具备：电绝缘体11，其安装于风车叶片6的末端，由非导电材料形成；内部电极9，其安装于电绝缘体11的与风车叶片6相反的一侧；以及外部电极10，其以隔着规定的间隔包围内部电极9的方式安装于电绝缘体11，电绝缘体11通过固定部件13、连结杆14以及固定螺母15固定于风车叶片6的末端，内部电极9连结有接地线8。

Description

风车叶片用落雷抑制装置

技术领域

本发明涉及一种风车叶片，尤其涉及一种风车叶片用落雷抑制装置，该风车叶片用落雷抑制装置通过抑制向构成风力发电机的风车的风车叶片发生落雷来抑制风力发电机的损伤。

背景技术

作为可再生能源之一，已知有风能。

使用该风能进行产生的风力发电机具备风车。

该风车的结构中包括较高的支柱、装配于该支柱的上端并内置有发电机的机舱、以及装配于该机舱并驱动发电机旋转的多个风车叶片。

这样的风力发电机利用自然产生的风使风车叶片旋转，与之连动地驱动发电机旋转，由此进行发电。

在此，为了风车叶片高效地承接风，支柱形成得较高，风车叶片设置在较高的位置。另外，为了使发电量变多，将风车叶片形成得较长。

风车叶片的长度例如形成为几十米至一百米左右。

在此，为了避免发生冲击波，风车叶片以风车叶片的末端的速度不超过音速的方式设计。

例如，在旋转速度是每分钟20次的情况下，在实际运用时，预计风车叶片的长度的上限值为大约110米。此外，在该风车叶片的长度中，风车叶片的末端的速度是每秒大约230米。

然而，在这样的风力发电机中，通过使风车叶片旋转，风车叶片的末端到达风力发电机整体的最高位置，即最靠近雷云的位置。

因此，成为容易朝向风车叶片发生落雷的状态。

作为应对这样的不良情况的对策，例如，已知有专利文献1中记载的风力发电用叶片。

专利文献1中记载的风力发电用叶片(与风车叶片对应)在其末端设置有金属制的受雷部，该受雷部电连接有接地线，该接地线经由风车叶片以及支柱的内部埋设于大地。

专利文献1中记载的风力发电用叶片在向风力发电用叶片发生落雷的情况下，能够通过上述结构将该落雷引导到受雷部，使该雷击经由接地线流向大地。

由此，专利文献1中记载的风力发电用叶片能够抑制因落雷导致的雷击对风车叶片、机舱以及内置于机舱的各设备造成损伤。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-246812号公报

专利文献2：日本特开第5839331号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，在这样的以往的风车叶片中，还存在如下应该改良的问题。

以往的风车叶片即使在朝向风车叶片发生落雷的情况下也不一定能够将该落雷引导到受雷部。实际上，已经确认发生过朝向风车叶片发生的落雷直击到风车叶片的外表面等事故。

另外，由于受雷部引导落雷，因此落雷直击向风车叶片的次数增加。

因此，不能说以往的风车叶片一定能够有效抑制对风车叶片、机舱、内置于机舱的各设备以及支柱造成的损伤。

该问题是由将落雷引导到没有被保护体的场所的技术思想造成的。

另一方面，例如，专利文献2中记载的落雷抑制装置作为着眼于落雷的发生机理的新的应对技术而为人所知。认为这样的落雷抑制装置在装配于风车叶片的末端的情况下，能够大幅度减少落雷朝向风车叶片直击的次数。

在雷云的内部发生电荷分离，其下部带负电荷。

例如，在雷云的底部带负电荷的情况下，由于静电感应，位于雷云的下方的大地的表面带正电荷。此时，接地的较高的位置，例如，避雷针、树木等与雷云之间的距离较短，因此正电荷的密度变大。

在此，在雷云的内部，由于电荷分离导致电位差非常大，因此大气的电绝缘被局部破坏，发生较弱的放电。

在落雷中，首先，从雷云向下方行进的负电荷的较弱的放电(阶梯先导(Steppedleader))直接朝向大地断续地行进。

另一方面，由于雷云的底部与大地的表面附近之间的电位差非常大，因此大气的电绝缘被局部破坏，从大地的表面附近尤其是避雷针、树木等朝向其上方发生正电荷的弱放电(流光)。

而且，在阶梯先导与流光结合的情况下，通过其放电路径雷云的底部与大地的表面电连接，与电位差对应地流过非常强的电流(反馈电流)。该反馈电流一般被称作落雷。

专利文献2中记载的落雷抑制装置具备形成电容器的下部电极和上部电极，下部电极接地。

在专利文献2中记载的落雷抑制装置中，通过上述结构，下部电极带有与大地的表面所带电荷种类相同的电荷，由此上部电极带有与雷云的底部所带电荷种类相同的电荷，能够缓和与雷云的底部之间的电位差。

由此，专利文献2中记载的落雷抑制装置能够抑制流光的发生，能够抑制作为反馈电流的落雷的直击。

在此，专利文献2中记载的落雷抑制装置的外形形状形成为大致球状，由此能够抑制在上部电极局部形成电荷密度较大的部位。

据此，专利文献2中记载的落雷抑制装置也能够抑制流光的发生，抑制作为反馈电流的落雷的直击。

然而，为了将这样的落雷抑制装置装配于风车叶片的末端，必须解决以下问题。

在风车叶片旋转的情况下，向装配于风车叶片的末端的落雷抑制装置作用远离风车叶片的末端的方向的较强的离心力。

例如，在旋转速度是每分钟20次，风车叶片的长度是110米的情况下，计算出的作用于落雷抑制装置的离心力的大小是作用于落雷抑制装置的重力的大小的大约49倍。

另外，在风车叶片旋转的情况下，向装配于风车叶片的末端的落雷抑制装置作用较强的风压。

例如，在旋转速度是每分钟20次，风车叶片的长度是110米的情况下，计算出的作用于落雷抑制装置的风压是1平方米大约33千牛顿。

此时，在落雷抑制装置的外形形状呈球状，直径是20厘米的情况下，预计作用于落雷抑制装置的风压阻力的大小是大约530牛顿，即，与作用于大约54千克的质量的重力的大小相同程度。

装配于风车叶片的末端的落雷抑制装置因上述的离心力以及风压阻力容易从风车叶片的末端脱离，存在落雷抑制效果受损的风险。

鉴于以上实际情况，本发明应解决的技术问题是提供一种能够尽可能地防止从风车叶片脱离的风车叶片用落雷抑制装置。

此外，本发明的另一个应解决的技术问题是在提供上述风车叶片用落雷抑制装置时，尽可能地减小对风车叶片的空气动力特性造成的影响。

用于解决技术问题的方案

本发明为了解决上述技术问题，提供一种风车叶片用落雷抑制装置，其设置于风车叶片的末端，抑制向风车叶片发生落雷，具备：电绝缘体，其安装于风车叶片的末端，由非导电材料形成；内部电极，其安装于电绝缘体的与风车叶片相反的一侧；以及外部电极，其以隔着规定的间隔包围内部电极的方式安装于电绝缘体，电绝缘体通过固定单元固定于风车叶片的末端，内部电极连结有接地单元。

能够通过与专利文献2中记载的落雷抑制装置类似的机构起到落雷抑制效果。

例如，在雷云的底部带负电荷的情况下，通过静电感应，位于雷云的下方的大地的表面带正电荷。

此时，内部电极与大地的表面电连接因此带正电荷，所以通过静电感应，外部电极带负电荷。

外部电极带有与雷云的底部所带电荷种类相同的负电荷，因此在风车叶片旋转，风车叶片的末端与雷云对峙的情况下，带负电荷的雷云的底部与同样带负电荷的外部电极的电位差得到缓和。

因此，抑制了来自外部电极的流光的发生，由此，抑制了作为反馈电流的落雷向外部电极直击。

这样的落雷抑制效果被期待，通过外部电极中的负电荷的分布区域起到保护其下方免受落雷直击的势垒的作用，进而也保护风车整体以及并列设置于风车的供配电设施以及输电线免受落雷直击。

而且，本发明的使用者通过上述结构能够在不使内部电极以及外部电极成为障碍的情况下，将电绝缘体固定于风车叶片的末端。

即，内部电极以及外部电极安装于电绝缘体的与风车叶片相反的一侧，因此电绝缘体能够在大范围内具有设置固定单元的部分，该固定单元用于将电绝缘体固定于风车叶片的末端。

因此，本发明的使用者能够比较自由地选择固定单元的设置位置以及固定方式，能够牢固地固定电绝缘体与风车叶片的末端。

由此，本发明能够充分抵抗离心力以及风压阻力，能够防止从风车叶片的末端脱离，能够确保风车的可靠性。

另外，在本发明的一实施方式中，内部电极形成为板状。

本发明的使用者通过上述结构能够根据内部电极的形状将外部电极的外形形状形成为扁平形状。

由此，本发明能够更加充分地抵抗风车叶片旋转时的风压阻力，能够防止从风车叶片的末端脱离，能够进一步确保风车的可靠性。

另外，在本发明的一实施方式中，内部电极形成为半圆状。

在本发明中，通过上述结构，即使不将风车叶片的末端形成为复杂的结构，例如通过预先将风车叶片的末端形成为平面状也能够进行安装。另外，能够尽可能地保持风车叶片原本的空气动力特性。

另外，在本发明的一实施方式中，内部电极形成为中空状。

本发明的使用者通过上述结构能够增大形成有内部电极和外部电极的电容器的极板面积，从而能够增大其静电电容。

由此，本发明通过使外部电极感应更多的电荷，另外，通过扩大外部电极中的电荷的分布区域，能够进一步提高落雷抑制效果。

另外，在本发明的一实施方式中，内部电极的截面形成为大致半球壳状。

在本发明中，通过上述的结构，即使不将风车叶片的末端形成为复杂的结构，例如通过预先将风车叶片的末端形成为平面状也能够进行安装。另外，能够在一定程度上保持风车叶片的空气动力特性。

另外，在本发明的一实施方式中，电绝缘体以在安装于风车叶片的末端的状态下，与风车叶片的末端的接触面的大致整个面为平坦的方式形成。

在本发明中，通过上述结构，实现了安装有落雷抑制装置的风车叶片的制造的简便化以及低成本化。

另外，在本发明的一实施方式中，电绝缘体以在安装于风车叶片的末端的状态下，通过凹凸结构嵌合的方式形成。

在本发明中，通过上述结构，将落雷抑制装置安装于风车叶片的末端时的定位变得容易，并且能够进一步提高固定力。

另外，本发明优选在风车叶片的末端一体设置有加强部件，加强部件与电绝缘体通过固定单元固定。

在本发明中，通过上述结构，进一步强化了电绝缘体与风车叶片之间的固定，能够防止电绝缘体从风车叶片的末端脱离，能够进一步确保风车的可靠性。

另外，在本发明中，优选外部电极以其外表面大致沿着风车叶片的外表面的延长面的方式形成。

在本发明中，通过上述的结构，能够通过保持风车叶片的末端的外形形状，尽可能地减小对风车叶片的空气动力特性造成的影响，同时能够起到落雷抑制效果。

另外，在本发明中，优选固定单元兼作接地单元。

在本发明中，通过上述的结构，能够减少结构数量，简化组装工序。

另外，在本发明中，进一步优选固定单元设置有多个。

在本发明中，通过上述的结构，利用多个固定单元支承内部电极，通过将内部电极更稳定地固定于电绝缘体，能够确保落雷抑制装置自身的可靠性。

发明效果

本发明的风车叶片用落雷抑制装置与风车叶片的末端之间的固定很牢固，能够确保风车叶片的可靠性。

另外，本发明的风车叶片用落雷抑制装置通过外部电极的外表面以大致沿着风车叶片的外表面的延长面的方式形成，能够尽可能地减小对风车叶片的空气动力特性造成的影响，同时能够起到落雷抑制效果。

附图说明

图1是应用了本发明的第一实施方式的风力发电设备的整体图。

图2是应用了本发明的第一实施方式的风车叶片的剖视图。

图3是应用了本发明的第一实施方式的风车叶片的末端的剖视图。

图4是图3的IV-IV线剖视图。

图5是图3的V-V线剖视图。

图6是应用了本发明的第二实施方式的风车叶片的末端的剖视图。

图7是图6的VII-VII线剖视图。

图8是图6的VIII-VIII线剖视图。

图9是应用了本发明的第三实施方式的风车叶片的末端的剖视图。

图10是图9的X-X线剖视图。

图11是图9的XI-XI线剖视图。

图12是用于说明从本发明的落雷抑制装置的连结杆延伸的接地线的路径的示意侧视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。

图1中，符号1表示应用了本实施方式的风力发电设备，符号A表示立设有风力发电设备1的大地。

风力发电设备1的结构中包括风力发电用的风车2、用于对在风车2中产生的电能进行供配电的供配电设施3以及输电线4。

另外，风车2的结构中包括支柱5、设置于支柱5的上端的机舱51、与内置于机舱51的发电机的驱动轴(省略图示)连接的轮毂52、以及装配于轮毂52的多个风车叶片6。

通过上述结构，风车2通过多个风车叶片6受风而旋转，经由轮毂52使发电机的驱动轴旋转，从而进行发电。

而且，如图2所示，风车叶片6在其末端设置有落雷抑制装置7，另外，内置有接地线8。

如图3～图5所示，落雷抑制装置7具备形成为半圆的板状的内部电极9(剖视图中未示出)、形成为截面为大致半球壳状的大致扁平形状，并以隔着规定的间隔L包围内部电极9的方式配置的外部电极10、固定于风车叶片6的末端，并在与风车叶片6相反的一侧安装有内部电极9以及外部电极10的电绝缘体11。

在此，风车叶片6的末端为封闭的结构，但是优选风车叶片6从末端至周壁埋设有加强板12。

另外，在此，优选外部电极10的大致半球壳状的截面以大致沿着风车叶片6的外表面的延长面的方式形成。

内部电极9以及外部电极10的各自的下端分别以规定的深度嵌合于电绝缘体11，通过粘接剂等粘接固定。

内部电极9以及外部电极10以导电材料例如不锈钢为坯料。

另外，电绝缘体11以非导电材料例如纤维强化塑料(FRP)为坯料。

电绝缘体11在与风车叶片6的末端面面接触的状态下配置，通过固定部件13(剖视图中未示出)牢固地压接固定。

落雷抑制装置7经由接触面23以及24安装于风车叶片6的末端。

在此，接触面23为平坦的面。另一方面，接触面24是形成有凹凸结构的面，使落雷抑制装置7与车叶片6的末端嵌合在一起。

在此，在本实施方式中，将螺栓用作固定部件13，从风车叶片6的内部贯通风车叶片6的末端面和加强板12并螺纹连接于电绝缘体11。由此，电绝缘体11牢固地压接固定于风车叶片6的末端。

另外，在风车叶片6的末端面、电绝缘体11以及加强板12的中央部形成有连续的贯通孔，连结杆14(剖视图中未示出)从风车叶片6的内部插通到这些贯通孔中。

此时，在内部电极9的下端部嵌合有能够旋入连结杆14的连结部，通过焊接等固定。

连结杆14将导电材料例如不锈钢作为坯料。

连结杆14的末端与设置于内部电极9的下端部的连结部螺纹连接。

由此，连结杆14支承内部电极9。

另外，连结杆14在中间部螺纹连接有固定螺母15(剖视图中未示出)。

固定螺母15压接于风车叶片6的末端面的内表面，与内部电极9配合夹持固定风车叶片6的末端、电绝缘体11以及加强板12。

接地线8的一端与风车叶片6的内部的连结杆14电连接。

在此，作为本实施方式，接地线8与压接端子连接，并与连结杆14螺纹连接，通过与固定螺母15分体的两个固定螺母压接并夹持。

另外，接地线8的另一端经由支柱5的内部埋设于大地A。

此外，作为图12示出的例子，在支柱5的内表面5b为导电金属制的情况下，接地线8也可以不埋设于大地A，代替地，与内表面5b电连接。

另外，如图12所示，接地线8在机舱51的内部设置有滑移刷81，由此，即使在风车叶片6旋转的状态下，也通过接地线8保持电连接。

在以上述方式构成的本实施方式的落雷抑制装置7中，使用者首先将安装有内部电极9以及外部电极10的电绝缘体11在与风车叶片6的末端面面接触的状态下配置。

接下来，使用者通过固定部件13将该电绝缘体11压接并固定于风车叶片6的末端面。

接下来，使用者将连结杆14螺纹连接于设置在内部电极9的下端部的连结部。

然后，使用者通过使固定螺母15压接于风车叶片6的末端面的内表面，使固定螺母15与内部电极9配合夹持并固定风车叶片6的末端以及电绝缘体11。

通过上述流程，使用者能够组装落雷抑制装置7，并将其固定于风车叶片6的末端。

在此，落雷抑制装置7的使用者能够在不使内部电极9以及外部电极10成为障碍的情况下将电绝缘体11固定于风车叶片6的末端。

即，内部电极9以及外部电极10安装于电绝缘体11的与风车叶片6相反的一侧，因此，电绝缘体11能够在大范围内具有设置固定部件13即螺栓的部分，该固定部件13用于将电绝缘体11固定于风车叶片6的末端。

因此，落雷抑制装置7的使用者能够比较自由地选择作为固定部件13的螺栓的设置位置以及根数等，能够牢固地固定电绝缘体11与风车叶片6的末端。

由此，落雷抑制装置7能够充分抵抗离心力以及风压阻力，能够防止落雷抑制装置7从风车叶片6的末端脱离，能够确保风车2的可靠性。

另外，在雷云靠近，雷云的底部带负电荷的情况下，通过静电感应，位于雷云的下方的大地A的表面带正电荷。

此时，内部电极9与大地A的表面电连接，因此带正电荷，所以通过静电感应，外部电极10带负电荷。

外部电极10带有与雷云的底部所带电荷种类相同的负电荷，因此在风车叶片6旋转，风车叶片6的末端与雷云对峙的情况下，带负电荷的雷云的底部与同样带负电荷的外部电极10的电位差得到缓和。

因此，抑制了来自外部电极10的流光的发生，由此，抑制了作为反馈电流的落雷向外部电极10直击。

这样的落雷抑制效果被期待，通过外部电极10中的负电荷的分布区域起到保护其下方免受落雷直击的势垒的作用，进而也保护风车2整体以及并列设置于风车的供配电设施3以及输电线4免受落雷直接。

作为本发明的第二实施方式，如图6～图8所示，内部电极16与内部电极9不同，形成为中空状，相应地，外部电极17的形状与外部电极10不同，与内部电极16之间的间隔保持为一定。

此外，电绝缘体11的固定结构等与第一实施方式大致相同，因此标记相同符号并简化说明。

内部电极16的外形形状形成为截面为大致半球壳状的大致扁平形状且中空状，在其内部中央设置有供连结杆14的末端螺纹连接的连结部。

另外，与连结杆14螺纹连接的固定螺母15具有压接于风车叶片6的末端面的内表面的部分和在内部电极16的内部压接于电绝缘体11的部分，二者相互配合夹持并固定风车叶片6的末端以及电绝缘体11。

在本发明的第二实施方式中，使用者能够扩大形成有内部电极16和外部电极17的电容器的极板面积，从而能够增大静电电容。

由此，本发明的第二实施方式所涉及的落雷抑制装置7通过使外部电极17感应更多的电荷，另外，通过扩大外部电极17中的电荷的分布区域，能够进一步提高落雷抑制效果。

作为本发明的第三实施方式，如图9～图11所示，内部电极18的固定结构与内部电极9不同。

此外，外部电极10以及电绝缘体11的固定结构等与第一实施方式大致相同，因此标记相同符号并简化说明。

多个连结杆19(剖视图中未示出)嵌合于内部电极18的下端部，与支承板20(剖视图中未示出)一起通过焊接等固定。

相应地，形成于风车叶片6的末端面以及电绝缘体11的连续的贯通孔设置有多个，从风车叶片6的内部插通有连结杆19。

此时，支承板20采取埋设于电绝缘体11的方式。

另外，连结杆19螺纹连接有固定螺母21(剖视图中未示出)以及固定螺母22(剖视图中未示出)。

固定螺母21压接于风车叶片6的末端面的内表面，与内部电极18配合夹持并固定风车叶片6的末端以及电绝缘体11。

而且，固定螺母21与固定螺母22配合压接并夹持接地线8。

本发明的第三实施方式通过利用多个连结杆19以及支承板20支承内部电极18，将内部电极18更牢固地固定于电绝缘体11，由此能够确保落雷抑制装置7自身的可靠性。

然而，风力发电设备1的使用者有义务每年检查一次接地线8是否被切断，因此为了确认连结杆14(以下，在第三实施方式中为连结杆19)与大地A之间的导通，需要访问连结杆14。

在该情况下，作为图12中示出的例子，优选风车叶片6在其末端附近设置有带盖的开口61。

在此，开口61的盖(省略图示)是因风车叶片6的旋转产生的风压阻力作用于开口61关闭的方向的结构。

通过上述结构，风力发电设备1的使用者为了进行检修能够从风车叶片6的外部经由开口61访问其内部的连结杆14，能够将导通试验用的探针与连结杆14连接。

在以上各实施方式中，使用者也可以在落雷抑制装置7追加非导电材料的大致流线形的结构以成为风车的小翼结构，提高风车叶片的空气动力特性。

此外，在以上各实施方式中示出的各构成部件的各种形状等只是一例，能够根据设计要求等进行各种变更。

符号说明

1风力发电设备；2风车；3供配电设施；4输电线；5支柱；51机舱；52轮毂；6风车叶片；61开口；7落雷抑制装置；8接地线；81滑移刷；9内部电极；10外部电极；11电绝缘体；12加强板；13固定部件；14连结杆；15固定螺母；16内部电极；17外部电极；18内部电极；19连结杆；20支承板；21固定螺母；22固定螺母；A大地；L间隔。

Claims (11)

1.一种风车叶片用落雷抑制装置，其设置于风车叶片的末端，抑制向所述风车叶片发生落雷，具备：

电绝缘体，其安装于所述风车叶片的末端，由非导电材料形成；

内部电极，其安装于所述电绝缘体的与所述风车叶片相反的一侧；以及

外部电极，其以隔着规定的间隔包围所述内部电极的方式安装于所述电绝缘体，

所述电绝缘体通过固定单元固定于所述风车叶片的末端，

所述内部电极连结有接地单元。

2.根据权利要求1所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述内部电极形成为板状。

3.根据权利要求2所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述内部电极形成为半圆状。

4.根据权利要求1所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述内部电极形成为中空状。

5.根据权利要求4所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述内部电极的截面形成为大致半球壳状。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述电绝缘体以在安装于所述风车叶片的末端的状态下，与所述风车叶片的末端的接触面的大致整个面为平坦的方式形成。

7.根据权利要求6所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述电绝缘体以在安装于所述风车叶片的末端的状态下，通过凹凸结构嵌合的方式形成。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

在所述风车叶片的末端一体设置有加强部件，所述加强部件与所述电绝缘体通过所述固定单元固定。

9.根据权利要求1～5中任一项所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述外部电极以其外表面大致沿着所述风车叶片的外表面的延长面的方式形成。

10.根据权利要求1～5中任一项所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述固定单元兼作所述接地单元。

11.根据权利要求10所述的风车叶片用落雷抑制装置，其中，

所述固定单元设置有多个。

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