JP2008095571A

JP2008095571A - 風力発電装置および風力発電システム

Info

Publication number: JP2008095571A
Application number: JP2006276379A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Ito; 智章伊藤
Original assignee: Orient Instrument Computer Co Ltd
Current assignee: Orient Instrument Computer Co Ltd
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】背の高い避雷針を設置せずとも落雷を防止できる風力発電装置１および風力発電システムを提供する。
【解決手段】回転翼２と、該回転翼を回転可能に支持するナセル４と、該ナセル４を地面Ａから適宜の高さに支持するタワー５とを有し、前記ナセル４内に前記回転翼の回転を電力に変換する発電機１４を備えた風力発電装置１に、前記タワー５の基部と地面Ａとの間全体に絶縁素材にて形成した台座部７を備え、前記発電機１４から外部へ電力を供給する電気ケーブル１８に、通電状態と非通電状態とを切り替える切替スイッチとしてのタワー側接続接点２３および外部側接続接点２５を備えた。
【選択図】図５

Description

この発明は、例えば回転翼が風力により回転する回転力を電気に変換して発電するような風力発電装置および風力発電システムに関し、特に、風力発電装置に落雷することを防止する落雷防止機能を有する風力発電装置および風力発電システムに関する。

従来、回転翼を風力により回転させ、この回転力を電気に変換して発電する風力発電装置が提供されている。この風力発電装置は、環境保護の観点からクリーンな発電装置として注目されている。

このような風力発電装置は、風力を充分に受けるために、回転翼の大きさを大きくする必要があり、また地上からある程度高い位置に回転翼を設置することが好ましい。このため、現在使用されている風力発電装置は、高さが約１００ｍ程度となる等、非常に背の高いものとなっている。また、風力発電装置は、自然の風を充分に受けるために、高原など構造物の少ない場所に設置されることが多い。

しかし、このように構造物の少ない場所に背の高い風力発電装置を設置すると、雷が直撃する可能性が高くなるという問題点がある。雷が直撃すると、風力発電装置の故障に繋がる。このような落雷を防止する方法として、風力発電装置の近くに避雷針を取り付け、この避雷針に落雷させる方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、避雷針にて落雷を防止するためには、風力発電装置よりも背の高い避雷針を建造し設置する必要があり、非常にコストがかかるという問題点があった。
特開２００４−３４２５１８号公報

この発明は、上述の問題に鑑み、背の高い避雷針を設置せずとも落雷を防止できる風力発電装置および風力発電システムを提供することを目的とする。

この発明は、回転翼と、該回転翼を回転可能に支持する回転支持部と、該回転支持部を設置面から適宜の高さに支持する支持塔部とを有し、前記回転支持部内に前記回転翼の回転を電力に変換する発電部を備えた風力発電装置であって、前記支持塔部の基部と設置面との間全体に絶縁素材にて形成した絶縁基部を備え、前記発電部から外部へ電力を供給する電力配線に、通電状態と非通電状態とを切り替える切替スイッチを備えた風力発電装置であることを特徴とする。

またこの発明は、回転翼と、該回転翼を回転可能に支持する回転支持部と、該回転支持部を設置面から適宜の高さに支持する支持塔部とを有し、前記回転支持部内に前記回転翼の回転を電力に変換する発電部を備えた風力発電装置であって、前記回転翼に、該回転翼をマイナスに帯電させるマイナス帯電手段を備えた風力発電装置であることを特徴とする。

この発明により、背の高い避雷針を設置せずとも落雷を防止できる風力発電装置および風力発電システムを提供することができる。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
図１は、風力発電装置１の全体の一部断面斜視図を示し、図２は回転翼２の拡大断面図を示し、図３は風力発電装置１の部分拡大図を示し、図４は避雷装置９の構成図を示す。

風力発電装置１は、地面Ａに設置された台座部７と、該台座部７の平面視中心位置に立設されたタワー５と、該タワー５の頭頂部に設けられたナセル４と、該ナセル４の正面側に回転可能に設けられた回転翼２とで構成されている。また、風力発電装置１と少し離れた位置には、避雷装置９が設置されている。この避雷装置９と風力発電装置１により、風力発電システムが構成されている。

風力発電装置１の回転翼２は、３枚設けられており、互いに等角度（１２０度）に中心で接続されている。これらの３枚の回転翼２は、３枚が一体となって前後方向の回転軸１１（図３参照）を回転軸として回転する。各回転翼２は、いずれも約４０ｍの長さに形成されている。なお、この回転翼２は、風の強さや向きによって風に対する回転翼２の傾斜角度を最適な角度に調整するが、この調整の方法については周知であるため詳細な説明を省略する。

この回転翼２は、図２に示すように、金属などの硬質部材で構成された筐体２ａの外周全体にゴムなどによる絶縁層２ｂが設けられており、さらに絶縁層２ｂの外周全体にマイナス帯電層２ｃが設けられている。マイナス帯電層２ｃは、風があたるとマイナスに帯電するビニルや革などの部材で構成されている。このため、回転翼２は、風力発電のために回転している間常にマイナス帯電層２ｃがマイナスに帯電することになる。また、マイナス帯電層２ｃの内側には絶縁層２ｂが全体に渡って設けられているため、帯電したマイナスの電荷が風力発電装置１を通じて放電してしまうことを防止でき、効率よくマイナス帯電することができる。このマイナスへの帯電は、雷雲から見て地球と同じ電位かそれより低い電位となる程度（例えば−３０Ｖから−５０Ｖ程度）に行うことが好ましい。

図１に示したナセル４は、前方に回転翼２が接続され、下方にタワー５の頭頂部が接続されている。このナセル４の内部には、図３に示すように、回転速度を高める倍速機１２、必要に応じて回転速度を抑制するブレーキ装置１３、回転力を電力に変換する発電機１４、および電圧を所定の電圧に変圧する発電機用変圧器１５が前方の回転翼２からこの順で配置されている。なお、このナセル５は、受ける風によって回転翼２を効率よく回転させるために、鉛直方向を回転軸として水平方向に回転し、風の向きに対して回転翼２の向きを最適にするが、その詳細な動作は公知であるので省略する。

タワー５は、設置部から上方へ向かって鉛直な塔であり、約６０ｍの長さに形成されている。タワー５の基部となる下端は、台座部７にしっかりと固定されている。これにより、強風によってタワー５が倒れることのないようにしている。

また、タワー５の内部には、電気ケーブル１８が上下方向に配設されている。この電気ケーブル１８の上端は、ナセル４内の発電機用変圧器１５に接続され、下端はタワー側充電部２１に接続されている。

タワー側充電部２１は、前段に電気ケーブル１８が接続され、後段に電気ケーブル２２が設けられ、該電気ケーブル２２の後段にタワー側接続接点２３が設けられている。このタワー側充電部２１は、内部スイッチの切替により、通常時は利用されずに電気ケーブル１８に流れる電力をそのままスルーして流す。落雷の恐れのある状況で、タワー側接続接点２３と外部側接続接点２５の接続が解除されてスイッチＯＦＦとなった場合は、発電機１４から送られてくる電力により充電し、電力を溜め込む。

台座部７は、タワー５を支える平面視略円形の台座であり、電気を通さない絶縁部材により形成されている。この絶縁部材としては、例えば硬質なゴム部材を用いることができる。台座部７の底面には、鉛直方向に長い棒状の基礎杭８が固定されている。この基礎杭８により、台座部７が地面Ａに固定され、ひいてはタワー５が地面Ａに対して固定されることとなる。

前記台座部７の周辺には、変圧装置３１が設けられている。
この変圧装置３１は、内部に変圧部３３および外部側充電部３５が設けられている。また、一直線の棒状の接続アーム２６と、該接続アーム２６を約９０度回転させる回転駆動部２７とを備えている。接続アーム２６の先端部には、外部側接続接点２５が設けられている。

図４に示すように、避雷装置９は、外壁９１の中にコロナ放電装置９２が設けられている。このコロナ放電装置９２は、外壁９１の天板に向けてコロナ放電し、外壁９１の天板をプラスに帯電させる。これにより、外壁９１はプラスに帯電し、特に天板部分がプラスに帯電することになる。この避雷装置９のプラスの帯電は、＋２００Ｖ程度に帯電させるとよく、雷雲が生じる等して落雷のおそれが発生した場合に実行すればよい。したがって、押下ボタンなどの入力部を備え、該入力部に実行開始の入力を受けるとプラスの帯電を実行する構成とすればよい。

このように構成された風力発電装置１は、通常の発電時、自然の風を受けて回転翼２が回転し、この回転と共に回転軸１１も回転する。この回転力は、倍速機１２に伝わり、倍速機１２によって回転速度が高められる。そして、ブレーキ装置１３は、必要に応じて倍速機１２による回転力にブレーキをかける。発電機１４は、図示省略するモータ等によって回転力を電気エネルギーに変換し、この変換後の電力を発電機用変圧器１５へ送る。発電機用変圧器１５は、受け取った電力を適宜の電圧に変圧し、電気ケーブル１８を介して変圧装置３１へ送る。

ここで、電気ケーブル１８の先端にはタワー側接続接点２３が接続されており、このタワー側接続接点２３に接触している外部側接続接点２５から接続アーム２６を通じて変圧装置３１に電力が供給される。

変圧装置３１は、受け取った電力を変圧部３３で所定の電圧に変圧し、電線４０を通じて送電する。また、外部側充電部３５では、送電先で電力があまり使用されていない時間帯などに、受け取った電力を充電しておく。

落雷のおそれがある状況となると、変圧装置３１が回転駆動部２７により接続アーム２６を図３に示すように立位の状態まで回転させ、タワー側接続接点２３と外部側接続接点２５を非接触にして充分な距離まで離間させる。この離間距離は、平面視すると、台座部７によるタワー５の外周から地面Ａまでの距離Ｌと同程度かそれ以上の距離となっている。このとき、風力発電装置１は電気的に孤立した状態となる。

なお、この実施形態では接続アーム２６を上下に回転したが、接続アーム２６を左右に回転させる、あるいは接続アーム２６を伸縮性に構成するなど、適宜の方法によってタワー側接続接点２３と外部側接続接点２５を離間させると良い。
また、回転駆動部２７により接続アーム２６を開動させる動作は、適宜の入力装置（例えば押下ボタンなど）に係員が入力することによって実行すると良い。

このようにしてタワー側接続接点２３と外部側接続接点２５を離間させることで、風力発電装置１は、絶縁部材で形成された台座部７によって、地面Ａから電気的に分離された状態となる。

また、このように地面Ａから電気的に分離している間、回転翼２の回転によって発電機１４で発電する電力は、タワー側充電部２１により溜め込む。これにより、落雷防止中も発電してこの電力を有効活用できるようにしている。

以上の構成および動作により、落雷を防止することができる風力発電装置１を提供することができる。
詳述すると、図５は台座部７の機能によって落雷防止を説明する説明図であり、風力発電装置１は、台座部７によって地面Ａと接触している部分が１つもなく、電気的に見れば地面Ａから浮いた状態となる。このため、雷Ｔは風力発電装置１に落ちることがなく、他の場所へ落ちることとなる。つまり、仮に雷Ｔが風力発電装置１に落ちたとしても、落ちた雷Ｔの電荷が地球へ流れるための出口がない。特に、タワー側接続接点２３と外部側接続接点２５が充分離間され、タワー５の基部周囲も台座部７によって地面Ａから充分離間されているため、風力発電装置１から地面Ａに空中放電することも難しい。このため、雷Ｔは、風力発電装置１に落ちたところで出口がないことから、風力発電装置１に落ちずに他の場所（例えば地面Ａや木など）に落ちることになる。

図６は、回転翼２のマイナス帯電と避雷装置９のプラス帯電によって落雷防止を説明する説明図であり、約数万ボルトから１億ボルトに帯電している雷雲から見ると、回転翼２はマイナス３０ボルト〜マイナス５０ボルトに帯電しているため、０ボルトの地面Ａとの電位差が殆どない状態となる。このため、雷Ｔは回転翼２に落ちることがなく、風力発電装置１に落雷することを防止できる。さらに、避雷装置９は、プラス２００ボルト程度に帯電しているため、雷雲から見て地面Ａより電位差があり、雷Ｔは避雷装置９に落ちやすくなる。したがって、風力発電装置１に落雷することを防止することができる。

このように、落雷を防止するに際して、避雷針のみに頼るのとは異なり、風力発電装置１自体を落雷しない状況にすることで、落雷防止の確実性を高めることができる。

また、風力発電装置１は、落雷防止中に発電機１４で発電した電力をタワー側充電部２１に貯留することで、落雷防止中に得た電力も後に有効活用することができる。

また、風力発電装置１で発電した電力のうち送電先で使用されない余った電力は外部側充電部３５に貯留されるため、落雷防止中に風力発電装置１から変圧装置３１への電力供給が途絶えても、外部側充電部３５から電力を送電先へ送電することができる。

なお、マイナス帯電手段として、回転翼２の外周をマイナス帯電層２ｃで被覆する構成としたが、コロナ放電などによって回転翼２の表面をマイナスに帯電させるなど、他の方法によってマイナスに帯電させてもよい。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明のマイナス帯電手段およびマイナス帯電部材は、実施形態のマイナス帯電層２ｃに対応し、
以下同様に、
回転支持部は、ナセル４に対応し、
支持塔部は、タワー５に対応し、
絶縁基部は、台座部７に対応し、
発電部は、発電機１４に対応し、
電力配線は、電気ケーブル１８に対応し、
切替スイッチは、タワー側接続接点２３および外部側接続接点２５に対応し、
支持塔部側接点は、タワー側接続接点２３に対応し、
外部側接点は、外部側接続接点２５に対応し、
接点離間駆動部は、回転駆動部２７に対応し、
プラス帯電手段は、コロナ放電装置９２に対応し、
設置面は、地面Ａの表面に対応し、
離間距離は、距離Ｌに対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

風力発電装置の全体を示す一部断面斜視図。回転翼の拡大断面図風力発電装置の部分拡大図。避雷装置の構成図台座部による落雷防止機能を説明する説明図。マイナス帯電層および避雷装置による落雷防止機能を説明する説明図。

符号の説明

１…風力発電装置、２…回転翼、２ｃ…マイナス帯電層、４…ナセル、５…タワー、７…台座部、９…避雷装置、１４…発電機、１８…電気ケーブル、２３…タワー側接続接点、２５…外部側接続接点、２７…回転駆動部、９２…コロナ放電装置、Ａ…地面、Ｌ…距離

Claims

回転翼と、該回転翼を回転可能に支持する回転支持部と、該回転支持部を設置面から適宜の高さに支持する支持塔部とを有し、前記回転支持部内に前記回転翼の回転を電力に変換する発電部を備えた風力発電装置であって、
前記支持塔部の基部と設置面との間全体に絶縁素材にて形成した絶縁基部を備え、
前記発電部から外部へ電力を供給する電力配線に、通電状態と非通電状態とを切り替える切替スイッチを備えた
風力発電装置。
前記切替スイッチは、支持塔部側接点と外部側接点とを備え、
非通電状態の際に、前記支持塔部側接点と前記外部側接点との離間距離が、前記絶縁基部における前記支持塔部から外部までの離間距離と同程度の距離かそれ以上の距離となるように両者を離間させる接点離間駆動部を備えた
請求項１記載の風力発電装置。
回転翼と、該回転翼を回転可能に支持する回転支持部と、該回転支持部を設置面から適宜の高さに支持する支持塔部とを有し、前記回転支持部内に前記回転翼の回転を電力に変換する発電部を備えた風力発電装置であって、
前記回転翼に、該回転翼をマイナスに帯電させるマイナス帯電手段を備えた
風力発電装置。
前記マイナス帯電手段は、風があたることによりマイナスに帯電するマイナス帯電部材により構成し、該マイナス帯電部材を前記回転翼の表面に設けた
請求項３記載の風力発電装置。
請求項１から４のいずれか１つに記載の風力発電装置と、
該風力発電装置と離間して設けた避雷装置とを備え、
該避雷装置に、プラスに帯電するプラス帯電手段を備えた
風力発電システム。