JP2005302399A

JP2005302399A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2005302399A
Application number: JP2004113897A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Aeba; 貢饗庭
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-08
Also published as: JP4355793B2

Abstract

【課題】風力発電装置の耐雷保護装置に関して、風力発電装置のブレードへの着雷に対する耐雷保護効果を更に高めると共に、劣化する耐雷保護効果を回復させるためのメンテナンスを簡便・容易に行なえるようにする。
【解決手段】発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性導電材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する避雷突針を上記避雷突出針取付台に着脱自在に装着して、避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させ、ブレード内部に配設した避雷導体で上記避雷突針取付台とブレード中心部の導電性ハブを電気的に接続し、ハブの発電機側端面には熱熔融する放電球体を着脱自在に装着すると共にナセルの風車側端部に、上記放電球体と放電ギャップを介して対向する導電性の放電環を装着し、その放電環を避雷導線を通じて接地する。
【選択図】図１

Description

この発明は風力発電装置の耐雷保護手段に関するものである。

環境汚染防止の視点から風力発電による電力供給が見直され、風力発電装置の実用化・普及に向けた取り組みが高まっている。風力発電装置の実用化・普及に当っては、風力発電装置を落雷損傷から守るための有効な耐雷保護手段が必須である。従来から風力発電装置の耐雷保護手段は種々の発案されており、風力発電装置の風車の先端部に落雷する頻度が多いことから、特開２０００−２６５９３８号公開特許公報（特許文献１）、特開２００１−１２３９３４号公開特許公報（特許文献２）、特開２００２−２２７７５７号公開特許公報（特許文献３）、特開２００３−２８２２９５号公開特許公報（特許文献４）などに見られるような風力発電装置用の各種の避雷・耐雷保護手段が提案されている。

すなわち、特許文献１には、アルミ製の羽根の先端に金属チップ（１５）を設けると共に羽根の根元部に導体リング（１６）を設け、他方、風力発電機（３）を内蔵するロータケース（６）に非直線抵抗体（１８）を設け、その非直線抵抗体を、スパークギャップ（１７）を介して導体リング（１６）と対向させ、羽根先端の金属チップ（１５）で受けた雷撃電流を、導体リング（１６）、スパークギャップ（１７）、非直線抵抗体（１８）へと導いて放電させる風力発電の耐雷保護装置が示されている。また特許文献２には、ブレード（１２）を電気的に絶縁化すると共にナセル（１１）上に早期ストリーマ発進型避雷針（１３）を設置して避雷効果を強化した風力発電装置が示されている。また特許文献３には、ガラス繊維強化プラスチック製のブレード（６）（７）（８）の先端から根元までの間に複数の電極板（９）（１０）を取り付け、ブレードへ落雷した雷電流を電極板（９）から電極板（１０）を経てハブ（５）で捕捉し、あるいは電極板からブレード面上を沿面放電させてハブ（５）で捕捉し、その捕捉雷電流をハブ（５）からナセル（４）、タワー（３）を経て地中に導くことにより、ブレード（６）（７）（８）の刃部に落雷させないようにして、落雷によるブレードの焼損を防止する風車用避雷設備が示されている。さらに特許文献４には、ブレード（８）の下端位置から僅かな距離を隔ててブレードより下方に位置する環状または針状の金属部材（１３）を設け、落雷の誘因となるブレードへの充電電荷を、ブレードの回転毎に近接する金属部材（１３）に放電させることにより、ブレードへの落雷を防止する風力発電装置の避雷装置が示されている。
特開２０００−２６５９３８号公開特許公報特開２００１−１２３９３４号公開特許公報特開２００２−２２７７５７号公開特許公報特開２００３−２８２２９５号公開特許公報

しかしながら、実際に設置されて落雷被害に見舞われた風力発電装置のブレードの観察結果に照らせば、上記のような従来の避雷・耐雷保護手段より更に耐雷効果が優れ且つその耐雷効果を長期に亘って維持するためのメンテナンス作業が簡便で容易な耐雷保護手段が強く望まれる。例えば、電気絶縁性材料で成形したブレードの回転中心部に鍛造製のハブを備えブレードの先端部にステンレスまたは銅製の受雷器（金属プレート）が装着され且つそのブレード内に配設された銅ワイヤーで受雷器とハブが電気的に接続された風車で発電機を駆動する出力１５００Kwの風力発電装置であって、ブレードが受雷した雷電流をブレード内の銅ワイヤーを通して、あるいはブレード表面の沿面電流としてハブに導き、そのハブで集電された雷電流を避雷銅線を介して大地に放流する耐雷保護手段を備えた風力発電装置について、ブレードの被雷損傷状態を観察したところ、ブレードの受風面側で激しい着雷痕跡が認められ、ブレード先端部に装着された受雷器が着雷時のエネルギーで熔けた熔融痕が見られた。したがって、発雷頻度の高い地方に設置される風力発電装置では、比較的短期期間でブレードの落雷損傷補修して耐雷効果を回復させるためのメンテナンス作業が必要となる。

このような実態から、この発明は、風力発電装置の耐雷保護装置に関して、風力発電装置のブレードへの着雷に対する耐雷保護効果を更に高めると共に、劣化した耐雷保護効果を回復させるためのメンテナンスが簡便で容易に行なえるようにしようとするものである。

このような課題に対応するために、この発明では、発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する複数の避雷突針を前記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させた構成を採る。

また上記の課題に対応するために、この発明では、発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性導電材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する複数の避雷突針を前記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させると共に、前記ブレードの回転中心部には導電性のハブを備え、前記ブレードの内部に避雷導体を配設して、その避雷導体で前記避雷突針取付台と前記ハブを電気的に接続し、前記ハブの発電機側端面には熱熔融する複数の放電球体を着脱・交換自在に装着すると共にナセルの風車側端部に、前記ハブに装着した放電球体と対向する導電性の放電環を装着し、その放電球体と放電環の間に放電ギャップを空けて両者を対向させ、前記放電環を、避雷導線を通じて接地する構成を採る。

そして風力発電装置のブレードに着雷する時点で、ブレードの先端に装着した避雷突針と大気の境界面でスパーク放電が生じて雷による光・熱エネルギーが発生するが、この発明に係る風力発電装置の耐雷保護手段によれば、その熱エネルギーをカーボンファイバーの避雷突針１０が受けて熱熔融することによって吸収し、その結果、着雷によるブレードの損傷が防御される。また着雷の都度、避雷突針が熔融して短く痩せ細って耐雷保護効果が次第に低下するが、適時に避雷突針を取り替え交換することにより、ブレードへの着雷に起因する風力発電装置の耐雷保護効果を長期にわたって高く維持することができ、その取り替え交換の際の耐雷保護メンテナンス作業は、避雷突針のみを取り替え交換するのみであるから極めて容易で簡便である。

この発明の最良の実施形態は、発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性導電材のチタンで形成した避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融するカーボンファイバーで形成した複数の避雷突針を上記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させると共に、ブレードの回転中心部には導電性のハブを備え、ブレードの内部に避雷導体を配設して、その避雷導体で上記避雷突針取付台とハブを電気的に接続し、そのハブの発電機側端面には、熱熔融するカーボンファイバーで成形した複数の放電球体を着脱・交換自在に装着すると共に、ナセルの風車側端部に、上記放電球体と対向する導電性の放電環を装着し、その放電球体と放電環の間に放電ギャップを空けて両者を対向させ、その放電環を、避雷導線を通じて接地し、さらに環状避雷導体を、ブレードの先端の回転最低位置から若干下方に位置させてタワーの周りに配設し、その環状避雷導体を避雷針を通じて接地した風力発電装置である。

以下、この発明の一実施例を、図面を参考に説明する。図１は、この発明に係る風力発電装置の側面図で一部を断面で示したものである。図２は、図１のＡ部の拡大断面図である。図３は、図１のＢ部の拡大図である。図において、１は発電機を駆動する風車Ｗのブレード、２は発電機、３はクラッチで、風車Ｗの回転軸Waはクラッチ３を介して発電機２の回転軸に連結されている。２１は風力発電装置のタワーで、タワー２１は、地盤２２中に築いた基礎２３の上に構築されている。タワー２１の頂上にはナセル４が設置され、ナセル４内に前記クラッチ３と発電機２が収納されている。また、ナセル４には避雷針５が取り付けられ、その避雷針５は避雷導線６を通じて発電機２、クラッチ３、およびタワー２１内に設置した発電制御盤７，８と共に接地されている。なお、これらの構造は言うまでもなく周知である。

ブレード１は電気絶縁性材で成形され、ブレード１の先端には耐熱性材であるチタンで成形した避雷突針取付台９を覆着し、避雷突針取付台９に、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融するカーボンファイバーで成形した複数の避雷突針１０を着脱・交換自在に装着し、その複数の避雷突針１０を避雷突針取付台９の外面から放射状に突出させている。また、ブレード１の回転中心部には鍛造成形された導電性のハブ１１が嵌着されており、そのハブ１１から風車Wの回転軸Waが突出している。そしてブレード１の内部には黄銅製の避雷導体１２が配設され、避雷導体１２によって避雷突針取付台９ならびに避雷突針１０とハブ１２が電気的に接続されている。さらにハブ１１の発電機側端面には、カーボンファイバー製の複数の放電球体１３が、風車Wの回転軸Waを中心とする円弧上に着脱・交換自在に装着されている。一方、ナセル４の風車側端部には、黄銅で環状に成形さられ導電性の放電環１４が装着されている。そして放電環１４は、放電ギャップ１５を空けて前記放電球体１３と対向し、放電環１４は避雷導線１６を通じて接地されている。また、１７は環状の避雷導体で、環状避雷導体１７は、ブレード１の先端の回転最低位置から若干下方に位置してタワー２１の周りに配設され、環状避雷導体１７は３箇所で避雷針１８ａ，１８ｂ，１８ｃを通じて接地されている。したがって、ブレード１の先端と環状避雷導体１７は若干の空隙をもって対向することになる。なお１９は、避雷針１８ａ，１８ｂ，１８ｃを覆う保護管である。

上記の風力発電装置において、雷雲が風力発電装置に接近してブレードに着雷しようとすると、ブレード１の先端に装着した避雷突針１０と大気の境界面でスパーク放電が生じて雷による光・熱エネルギーが発生するが、カーボンファイバーの避雷突針１０がその熱エネルギーを受けて熔融することによって着雷エネルギー吸収し着雷によるブレード１の損傷を防御する。そして着雷のたびに避雷突針１０が熔融して短く痩せ細って耐雷保護効果が次第に低下するが、適時に避雷突針１０を取り替え交換することにより、風力発電装置のブレードへの着雷に対して風力発電装置を保護し、その耐雷保護効果を長期にわたって高く維持することができ、その耐雷保護メンテナンス作業は避雷突針１０や放電球体１３のみを適時に取り替え交換するのみであるから極めて簡便で容易である。

さらに、着雷エネルギーが避雷突針１０のみでは十分処理できない程に大きい場合には、その雷電流はブレード１内の避雷導体１２を通じて、あるいはブレード１の表面に沿ってハブ１１に導かれ、ハブ１１に装着した放電球体１３から放電ギャップ１５を越えてナセル４側の放電環１４へ放電し、放電環１４から避雷導体１６を通じて大地へ放流されることにより風力発電装置に損傷が拡大することを防御する。なお、放電球体１３からの放電作動度数が重なって放電球体１３が消耗した場合には、前記の避雷突針１０の場合と同様に適時に放電球体１３を取り替え交換する。さらにまた、ブレード１への着雷による雷電流は、ブレード１の若干下方にあってブレード１の先端部と対向する環状避雷導体１７を介して避雷針１８ａ，１８ｂ，１８ｃを通じても大地へ放流され、風力発電装置を外雷に対してより大きく保護することことができる。

この発明に係る風力発電装置の耐雷保護手段は、構成が簡単で、その耐雷保護手段の付設とメンテナンスが極めて容易であることから、多くの風力発電装置に幅広く利用することができる。

この発明の一実施例を示す風力発電装置の一部断面とした側面図。図１のＡ部の拡大断面図。図１のＢ部の拡大図。

符号の説明

１：ブレード
２：発電機
３：クラッチ
４：ナセル
５：避雷針
６，１６：避雷導線
７，８：発電制御盤
９：避雷突針取付台
１０：避雷突針
１１：ハブ
１２：避雷導体
１３：放電球体
１４：放電環
１５：放電ギャップ
１７：環状避雷導体
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ：避雷針
１９：保護管
２１：タワー
２２：設置地盤
２３：基礎
Ｗ：風車
Wa：風車の回転軸

Claims

発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する複数の避雷突針を前記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させたことを特徴とする風力発電装置。
発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性材のチタンで成形した避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融するカーボンファイバーで成形した複数の避雷突針を前記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させたことを特徴とする風力発電装置。
発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性導電材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する複数の避雷突針を前記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させると共に、前記ブレードの回転中心部には導電性のハブを備え、前記ブレードの内部に避雷導体を配設して、その避雷導体で前記避雷突針取付台と前記ハブを電気的に接続し、前記ハブの発電機側端面には熱熔融する複数の放電球体を着脱・交換自在に装着すると共にナセルの風車側端部に、前記ハブに装着した放電球体と対向する導電性の放電環を装着し、その放電球体と放電環の間に放電ギャップを空けて両者を対向させ、前記放電環を、避雷導線を通じて接地したことを特徴とする風力発電装置。
発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性導電材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する複数の避雷突針を前記避雷突出針取付台に着脱・交換自在に装着して、その複数の避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させると共に、前記ブレードの回転中心部には導電性のハブを備え、前記ブレードの内部に避雷導体を配設して、その避雷導体で前記避雷突針取付台と前記ハブを電気的に接続し、前記ハブの発電機側端面には熱熔融する複数の放電球体を着脱・交換自在に装着すると共にナセルの風車側端部に、前記ハブに装着した放電球体と対向する導電性の放電環を装着し、その放電球体と放電環の間に放電ギャップを空けて両者を対向させ、前記放電環を、避雷導線を通じて接地し、さらに環状避雷導体を、ブレードの先端の回転最低位置から若干下方に位置させてタワーの周りに配設し、その環状避雷導体を避雷針を通じて接地したことを特徴とする風力発電装置。
ブレードの先端に覆着する避雷突出針取付台を耐熱性材のチタンで成形し、ブレード先端に着脱・交換自在に装着される避雷突針と、ブレードのハブの発電機側端面に着脱・交換自在に装着される放電球体を、光・熱エネルギーを吸収して熱熔融するカーボンファイバーで成形したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の風力発電装置。