JP2004342518A

JP2004342518A - 誘雷方法、誘雷装置、風力発電装置における避雷方法及び風力発電装置

Info

Publication number: JP2004342518A
Application number: JP2003139391A
Authority: JP
Inventors: Sumio Saito; 純夫斉藤; Koichi Naoi; 光一直井; Hiroshi Ishii; 宏志石居; Kenichi Sato; 健一佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】風力発電設備のタワー近傍に設けるのに好適で、風力発電設備の通常の稼働時においては風況に影響を与えることなく、雷雲発生時に稼働させて誘雷し、風力発電設備等への雷撃を防止するのに好適な誘雷方法及び誘雷装置、風力発電装置における避雷方法及び風力発電装置を提供すること。
【解決手段】接地された誘雷鎖２３に接続した誘雷針２２と、該誘雷針２２を水圧による放水流によって飛翔させる誘雷針飛翔手段を具備し、誘雷針飛翔手段は固定の導水管２１及び伸縮導水管２８を具備し、該導水管に高圧水を導入し、該導水管から放出される放水流により誘雷針２２を飛翔させる。雷が発生する恐れがある雷雲発生時にのみ稼働させて雷を大地に誘導することができ、例えば風力発電設備等で通常の稼働時においては風況に影響を与えることがない。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば風力発電装置等の翼車又はタワーに直撃する雷を他の地点に誘導し、これらを雷撃から防止する誘雷方法及び誘雷装置、風力発電装置における避雷方法及び風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、大地落雷密度Ｎｇ（回／ｋｍ^２／年）と、その地点の年間雷雨日数Ｔｄの間には、次の関係がある。
Ｎｇ＝０．１Ｔｄ
【０００３】
例えば、年間雷雨日数３０日の地点では、１ｋｍ×１ｋｍの面積内に年間平均３回の落雷が予想される。従って、地上高さＨｍの高層建造物の場合、等価受雷面積＝９πＨ^２とされる。
【０００４】
例えば、地上高さＨ＝２００ｍの建造物が年間雷雨日数３０日の地点にあれば、等価受雷面積は１．１３ｋｍ^２となり、この建造物に対する年間落雷数は、約３．４回と想定される。
【０００５】
一般に風力発電設備は、高層建造物に相当するタワーの頂上にナセルと称する筐体を配置し、この筐体内に発電機を設置し、発電機シャフトに直結、又はギア等で連結したシャフトに翼車を配置し、風力により翼車を回転し翼車の回転に比例する回転力を発電機に伝達し発電する設備である。ここで単位面積Ａ（ｍ^２）あたりに通過する風速Ｖ（ｍ／ｓ）の風のエネルギーＰ（ｗ）は空気密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）とすると次式で表せる。
Ｐ＝１／２ｍＶ^２＝１／２（ρＡＶ）Ｖ^２＝１／２ρＡＶ^３
【０００６】
即ち、風力エネルギーＰは受風面積に比例、風速の３乗に比例する。従って、風力エネルギーを有効活用するため、できるだけ風の強い場所を選び、更に受風面積を大きくする必要がある。このことは翼車が大きくなることを意味し、更にはタワー自体が高層になることを意味している。
【０００７】
近年、風力発電機の容量も大きくなりタワー自体も高層化が進んでいる。従って雷撃を受け易く、この雷撃によって発電設備に関わる発電機及びこれらを制御する電気品にも損傷する機会が一段と増えている。
【０００８】
風力発電設備は上記のようにタワーの頂上に発電機を配し、この発電機のシャフトに直結又はギア等のシャフトを介して翼車が連結されている。ここで翼車は発電機のシャフトを中心に回転するため翼端はタワー頂上よりも高い位置に移動する。このため雷撃は翼端に直撃する可能性が高いので翼端に直撃用の金属ボタンを埋め込み、これに導電用金属線を接続し発電機シャフトを介してブラシで受け、更にブラシから導電用金属線を大地に接続することで避雷針としての役目を果たさせ、雷撃を防止する対策が採られている。
【０００９】
ここで雷放電には多くのタイプがあり、夫々のタイプで落雷点決定様式が異なる。平地の夏季雷で最も多い雲−大地雷では、先ず雷雲底部の負の電荷中心から、雷雲電荷によって満たされた円柱形の管と、その中心部にあるイオン化されたプラズマ核が間欠的に地上に向かって進展する。
【００１０】
リーダと呼ばれるこの放電の先端が地上に近づくと、その先端付近にある樹木や建物の先端（金属か非金属かは問題にならない）でも電界強度が強くなり、リーダ雷先端に最も近い突起物先端で、空気の絶縁耐圧（約２３００ｋＶ／ｍ）を越えると、ここからリーダ雷に似た捕捉放電が伸長し、最終的にリーダ雷先端と会合する。これによって雷道が完成し、リーダ雷の電荷管に蓄積された電荷が地上電荷と中和する。この時に流れる電流が主放電電流である。上記避雷方法によれば雷撃があった場合、その電流を大地まで導き発電設備には雷撃による電流を流さないということではその効果が期待できる。
【００１１】
しかし、雷が翼車に直撃すると、上記主放電電流は翼先端から導電用金属線、ブラシ、導電用金属線を経由して大地に流れる。ここで導電用金属線にも電気抵抗があり、この抵抗値が僅かであっても雷撃電流が大電流である場合、電流と電気抵抗の積に相当する高電位が生じる。発電機を含めた電気品が高電位に晒された場合、雷撃電流の時間的変化も含めて発電機を含んだ電気品の全てが均一の高電位になることは期待できず、多くの場合電位差が生じ絶縁損傷を含めた電気事故に至ることが考えられる。そのため発電機を含む電気事故を引き起こすこともあるためこのような接地回路を形成することは必ずしも好ましくない。
【００１２】
この対策として、風力発電設備よりもさらに高層の避雷針を建設することも考慮されるが、風力発電設備の風況に影響を与えない高層の避雷針を建設することは技術的にも困難であり実施されている例は少ない。
【００１３】
この他にレーザービームによる誘雷装置も検討されているが装置自体が高価であること、更に確実性に難点があり必ずしも商用的に応用されていない。
【００１４】
【特許文献１】
特開平４−３４７５１８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２７７５７号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので風力発電設備のタワー近傍に設けるのに好適で、風力発電設備の通常の稼働時においては風況に影響を与えることなく、雷雲発生時に稼働させて誘雷し、風力発電設備等への雷撃を防止するのに好適な誘雷方法及び誘雷装置、風力発電装置における避雷方法及び風力発電装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、接地された鎖に接続した誘雷針を水圧による放水流によって飛翔させ、雷を該誘雷針を経て接地に誘導することを特徴とする誘雷方法にある。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、接地された鎖に接続した誘雷針と、該誘雷針を水圧による放水によって飛翔させる誘雷針飛翔手段を具備することを特徴とする誘雷装置にある。
【００１８】
上記のように接地された鎖に接続した誘雷針を水圧による放水流によって飛翔させて該誘雷針を介して雷を大地に誘導するので、雷が発生する恐れがある雷雲発生時にのみ稼働させて雷を大地に誘導することができ、例えば風力発電設備等で通常の稼働時においては風況に影響を与えることがない。また、誘雷針は接地された鎖に接続され、放水により安定した位置を保つことができるから、雷を効果的に誘導できる位置に誘雷針を保持することにより、効果的に雷を大地に誘導でき、避雷対象物の雷撃を防止できる。また、誘雷により発生する大電流が鎖に流れるが、鎖の周囲には放水流が併行して存在するため、この放水流による冷却効果が期待でき誘雷針に接続される鎖の電流容量をそれほど大きくする必要がないか、又は考慮する必要がない。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の誘雷装置において、誘雷針飛翔手段は、固定及び／又は伸縮自在の導水管を具備し、該導水管に高圧水を導入し、該導水管から放出される放水流により誘雷針を飛翔させることを特徴とする。
【００２０】
上記のように、固定及び／又は伸縮自在の導水管に高圧水を導入し、該導水管から放出される放水流により誘雷針を飛翔させるので、放水流は安定した状態となり、誘雷針もこの放水流により安定した位置を保持でき、雷をより効果的に大地に誘導でき、避雷対象物の雷撃を防止できる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、タワー頂部に取付けた翼車と、発電機を具備し、該翼車の風力による回転力で発電機を回転駆動して発電するように構成された風力発電装置における避雷方法であって、タワーや翼車が設置されている所定範囲の上方に、一端が接地された誘雷針の他端を上昇させ、雷を該誘雷針を経て接地に誘導することにより、タワー及び翼車への落雷を避けることを特徴とする。
【００２２】
上記のようにタワーや翼車が設置されている所定範囲の上方に、一端が接地された誘雷針の他端を上昇させ、雷を該誘雷針を経て接地に誘導することにより、タワーや翼車を直撃しようとする雷を該誘雷針に誘導できるので、タワーや翼車等の落雷による被害を防止できる。しかも雷雲が発生する等、雷の発生が予測される時間にのみ、誘雷針を上昇させればよいから、設備費が安価で且つランニングコストも安価となる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、タワー頂部に取付けた翼車と、発電機を具備し、該翼車の風力による回転力で発電機を回転駆動して発電するように構成された風力発電装置において、タワーや翼車が設置されている所定範囲に、一端が接地された誘雷針と、該誘雷針の他端を所定範囲の上方に上昇させる誘雷針上昇手段を設けたことを特徴とする。
【００２４】
上記のように風力発電装置のタワーや翼車が設置されている所定範囲に、一端が接地された誘雷針と、該誘雷針の他端を所定範囲の上方に上昇させる誘雷針上昇手段を設けたことにより、雷雲が発生する等、雷の発生が予測される時間に誘雷針を誘雷針上昇手段で上昇させることにより、タワーや翼車を直撃しようとする雷を該誘雷針に誘導できるので、タワーや翼車等の落雷による被害を防止できる。しかも雷雲が発生する等、雷の発生が予測される時間にのみ、誘雷針を上昇させればよいから、設備費が安価で且つランニングコストも安価となると同時に、誘雷針上昇手段の設置により翼車に当る風に影響を与えることがないから、風力発電装置の発電機能に悪影響を与えることもない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る誘雷装置を設けた風力発電設備の概念図である。風力発電設備１０は翼車１１とシャフトで連結した発電機１２、発電機１２を収容するナセル１３、これを支えるタワー１４を具備する構成である。発電機１２の出力は電力ケーブル１５、電力変換機１６等を経て送電線（図示せず）に送られる。
【００２６】
ここで翼車１１の中心軸は発電機１２のシャフトに連結しており、翼車１１は風力で回転し発電機１２の回転子を回転させて電気を発生する。ここで発電機１２は翼車１１の回転に支障の無いよう翼車１１の回転半径より高いタワー１４の頂上に配したナセル１３内に収容されている。
【００２７】
誘雷装置２０は導水管２１、誘雷針２２、誘雷鎖２３、水槽２４、水圧ポンプ２５、水圧ポンプ２６、放水ノズル２７及び伸縮導水管２８を具備する構成である。誘雷鎖２３の一端は誘雷針２２に接続され、他端は接地されている。導水管２１は風力発電設備１０の翼車１１の回転に影響の無い位置に、また翼車１１の風況に影響のない高さに設置する。これは翼車１１が自由回転した場合の最下点よりも低い位置でかつ、翼車１１がタワー１４を中心に回転したときの翼端の描く半径の外側で風況に影響を与えない高さ位置が望ましい。
【００２８】
誘雷針２２は笠状の先端に誘雷しやすいよう針状パイプを溶接したもので、上記のように誘雷鎖２３を介して接地されている。雷雲発生時には水槽２４に貯水された水を導水管２１に水圧ポンプ２５で加圧送水し、導水管２１の上部では更に水圧ポンプ２６で加圧して放水ノズル２７から噴出させ誘雷針２２を飛翔させ、雷を該誘雷針２２及び誘雷鎖２３を介して大地に誘導させるようになっており、瞬時に稼働可能である。
【００２９】
ここで用いた誘雷針２２は笠の頭部に孔を設け、該孔に針状のパイプを接続したもので、パイプの孔を塞いで放水の終端を笠部としたもの、パイプの孔を通して該パイプに水が通るようにしたもので実施した。誘雷針２２の飛翔距離が低い場合はパイプの孔に水が通るようにしたほうが誘雷針２２の移動は少なかった。しかし、誘雷針２２の飛翔距離を高くすると明らかな優位差は得られなかった。
【００３０】
誘雷針２２をできるだけ垂直に飛翔させるため、導水管２１の上部にグラスファイバ製の伸縮導水管２８（大型の釣竿相当品）を配置して、誘雷針２２を飛翔させる時に該伸縮導水管２８を伸ばすことにより放水流の方向の安定性を図った。
【００３１】
図２は上記伸縮導水管２８の一構成例を示す図である。伸縮導入管２８の最内部の筒内には整流板３０を取り付け、誘雷鎖２３はこの整流板３０を通して誘雷針２２に接続され、該誘雷鎖２３の中間部にボール２９を固定している。これにより、誘雷針２２が上方に飛翔すると、ボール２９が整流板３０を持ち上げ、更に整流板３０が伸縮導水管２８を持ち上げる構成となっている。また、放水の終了時点では誘雷針２２は落下するがこのときの重量で伸縮導水管２８は縮み原状に復帰する構成となっている。
【００３２】
更に、誘雷鎖２３を巻き戻すため、図示は省略するが、導水管２１内に二本のローラを配置し、この二本のローラで該誘雷鎖２３を挟み、該ローラを回して誘雷鎖２３をとぐろ状に巻き戻す装置を設けた。
【００３３】
誘雷装置２０の誘雷針２２と風力発電設備１０のタワー１４の位置関係は少なくともタワー１４を中心に回転する翼車１１、この翼車１１の翼先端が描くタワー１４を中心とした円の外側で翼車１１の回転に支障の無い位置とした。また、誘雷針２２の数は飛翔した誘雷針２２の先端から地表面を見て図３に示すように、角度６０°の円錐の中に風力発電設備１０の翼車が隠れれば１個で複数の風力発電設備１０をカバーさせることができるが、これをカバーできないときにはタワー１４を中心とした円の外側に１２０°の間隔をおいて３箇所に配置した。
【００３４】
また、日本の海岸線近傍では雷雲の発生する個所があらかた定まっており、雷雲の移動もあらかた予想される場合には、雷雲のタワー１４に対する進入路に誘雷装置２０を設置した。この場合はタワー１４の中心、又は６０°（３０°＋３０°）の円錐形に関わり無く配置することにする。
【００３５】
ここで誘雷針２２の構造は必ずしも笠型でなくともよく、要は放水流の圧力で飛翔する形状であればよい。例えば半円型でもその効果は失われない。また、材質においても金属が望ましいもののプラスチックでも誘雷する効果は認められる。
【００３６】
また、伸縮導水管に関しては例えば図４に示すように、消防梯子車のようにワイヤー３１の張力、又は液圧で伸縮する骨材３２に蛇腹管３３を伸縮管として並行に這わせこれを導水管として使用しても効果は認められる。
【００３７】
更に、誘雷鎖２３は金属鎖で実施したが軽量化を考慮すれば、カーボングラスファイバー製のロープ、又は鎖形状のものでもよい。ここでこれらは金属鎖に比較して電気抵抗が高いが、放水される水の電気抵抗は低く、これに接触する誘雷鎖２３の電気抵抗は殆ど無視できる。
【００３８】
また、放水する水は超純水以外であれば、どのような液体でもよく、例えば海水は当然のこと、上水、河川を流れる水、地下水、湧水、湖沼水、いずれでもその効果は期待できる。要は水槽２４に容易に貯水できる水源が確保できればよい。当然のことながら放水時間は水槽２４の容量で決まるので少なくとも３０分以上放水できる容量の水槽を確保することが望ましい。
【００３９】
更に、翼車１１の高さにもよるが、誘雷針２２を飛翔させることなく、伸縮導水管２８の伸張時の高さだけで誘雷をカバーできれば誘雷針２２を飛翔させることなく伸縮導水管２８に直接誘雷させることも可能である。この場合、伸縮導水管２８の先端まで、即ち誘雷針２２の下部までポンプで水を吹き上げておけば雷撃電流を水に導くことで伸縮導水管２８の雷撃による損傷を最小限に抑えることができる。
【００４０】
この場合、雷雲発生の警報と同時に誘雷針２２を飛翔させ、誘雷を導くものの、更に雷雲が遅々として移動しないときには伸縮導水管２８を伸張させることで長時間に亘る誘雷に対応させることも可能である。即ち、誘雷針２２の稼働は瞬時に可能であるが、伸縮導水管２８のみの稼働に多少の時間的遅れがあるので、双方を組み合わせることでより効果的な誘雷を行うことができる。
【００４１】
上記実施形態例では、避雷対象物として風力発電設備の翼車を例に説明したが、本発明に係る誘雷方法及び誘雷装置が避雷対象物とするものは、風力発電設備に限定されるものではなく、雷雲発生時に雷撃を回避することを望む設備に広く適用できる。
【００４２】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば誘雷針の接地方法としてを誘雷針の一端に鎖を接続し、該鎖の他端を接地しているが、他の接地手段でもよい。また、誘雷針を飛翔（上昇）させる手段として水圧による放水流を用いたが、他の上昇手段でもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上、説明したように請求項１及び２に記載の発明によれば、接地された鎖に接続した誘雷針を水圧による放水流によって飛翔させて該誘雷針を介して雷を大地に誘導するので、下記のような優れた効果が得られる。
【００４４】
▲１▼雷が発生する恐れがある雷雲発生時にのみ稼働させて雷を大地に誘導することができ、例えば風力発電設備等で通常の稼働時においては風況に影響を与えることがない。
【００４５】
▲２▼また、誘雷針は接地された鎖に接続され、放水により安定した位置を保つことができるから、雷を効果的に誘導できる位置に誘雷針を保持することにより、効果的に雷を大地に誘導でき、避雷対象物の雷撃を防止できる。
【００４６】
▲３▼また、誘雷により発生する大電流が鎖に流れるが、鎖の周囲には放水流が併行して存在するため、この放水流による冷却効果が期待でき誘雷針に接続される鎖の電流容量をそれほど大きくする必要がないか、又は考慮する必要がない。
【００４７】
請求項３に記載の発明によれば、固定及び／又は伸縮自在の導水管に高圧水を導入し、該導水管から放出される放水流により誘雷針を飛翔させるので、放水流は安定した状態となり、誘雷針もこの放水流により安定した位置を保持でき、雷をより効果的に大地に誘導でき、避雷対象物の雷撃を防止できる。
【００４８】
請求項４に記載の発明によれば、タワーや翼車が設置されている所定範囲の上方に、一端が接地された誘雷針の他端を上昇させることにより、タワーや翼車を直撃しようとする雷を該誘雷針に誘導できるので、タワーや翼車等の落雷による被害を防止できる。しかも雷雲が発生する等、雷の発生が予測される時間にのみ、誘雷針を飛翔させればよいから、設備費が安価で且つランニングコストも安価となる。
【００４９】
請求項５に記載の発明によれば、風力発電装置のタワーや翼車が設置されている所定範囲に誘雷針上昇手段を設けたことにより、雷雲が発生する等、雷の発生が予測される時間に誘雷針を誘雷針上昇手段で上昇させることにより、タワーや翼車を直撃しようとする雷を該誘雷針に誘導できるので、タワーや翼車等の落雷による被害を防止できる。しかも雷雲が発生する等、雷の発生が予測される時間にのみ、誘雷針を上昇させればよいから、設備費が安価で且つランニングコストも安価となると同時に、誘雷針上昇手段の設置により翼車に当る風に影響を与えることがないから、風力発電装置の発電機能に悪影響を与えることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘雷装置を設けた風力発電設備の概念図である。
【図２】本発明に係る誘雷装置に用いる伸縮導水管の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る誘雷装置でカバーできる風力発電設備を説明するための図である。
【図４】本発明に係る誘雷装置に用いる伸縮導水管の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０風力発電設備
１１翼車
１２発電機
１３ナセル
１４タワー
１５電力ケーブル
１６電力変換機
２０誘雷装置
２１導水管
２２誘雷針
２３誘雷鎖
２４水槽
２５水圧ポンプ
２６水圧ポンプ
２７放水ノズル
２８伸縮導水管
２９ボール
３０整流板
３１ワイヤー
３２骨材
３３蛇腹管

Claims

接地された鎖に接続した誘雷針を水圧による放水流によって飛翔させ、雷を該誘雷針を経て接地に誘導することを特徴とする誘雷方法。
接地された鎖に接続した誘雷針と、該誘雷針を水圧による放水によって飛翔させる誘雷針飛翔手段を具備することを特徴とする誘雷装置。
請求項２に記載の誘雷装置において、
前記誘雷針飛翔手段は、固定及び／又は伸縮自在の導水管を具備し、該導水管に高圧水を導入し、該導水管から放出される放水流により前記誘雷針を飛翔させることを特徴とする誘雷装置。
タワー頂部に取付けた翼車と、発電機を具備し、該翼車の風力による回転力で発電機を回転駆動して発電するように構成された風力発電装置における避雷方法であって、
前記タワーや翼車が設置されている所定範囲の上方に、一端が接地された誘雷針の他端を上昇させ、雷を該誘雷針を経て接地に誘導することにより、前記タワー及び翼車への落雷を避けることを特徴とする風力発電装置における避雷方法。
タワー頂部に取付けた翼車と、発電機を具備し、該翼車の風力による回転力で発電機を回転駆動して発電するように構成された風力発電装置において、
前記タワーや翼車が設置されている所定範囲に、一端が接地された誘雷針と、該誘雷針の他端を前記所定範囲の上方に上昇させる誘雷針上昇手段を設けたことを特徴とする風力発電装置。