JP2010223148A

JP2010223148A - 風力発電装置ロータブレードの雷害防止構造

Info

Publication number: JP2010223148A
Application number: JP2009073115A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Omura; 正次郎大村
Original assignee: MEKATORO GIKEN KK
Current assignee: MEKATORO GIKEN KK
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP5246506B2

Abstract

【課題】
風力発電装置のロータブレードへの落雷による被害が全国的に発生しているが、多種多様な落雷防止技術を駆使しても未だ解決に至っていない。
本願発明者は山頂付近に施設された無線中継所の雷撃対策技術の実績から、ロータブレードへの落雷による雷害損傷防止構造及びその方法を提供する。
【解決手段】
風力発電設備のロータブレードの先端部にリーディングエッジからトレイリングエッジを跨ぐように着雷導電性帯を固着し、該着雷導電性帯のトレイリングエッジ側に複数本の犠牲電極を固着させ、既存のレセプタと電気的に接続させ、ロータブレードの軸受け基部において接地線と電気的に接続する雷害防止構造及びその方法。
【選択図】図１

Description

本願発明は、風力発電設備のロータブレードに落雷した場合のロータブレードの損傷を最小限にするための雷害防止構造およびその方法に関するものである。

世界の化石燃料枯渇不安から燃料費の高騰、原子力エネルギーの利用の制約等から、自然エネルギー利用への機運がいっそう高まり、中でも最も期待されているのが風力発電であることには異論のないところであり、国内においても相当数の設置実績に加えて、より多数のしかも大型の風力発電設備の導入が進められている。

しかしながら、風力発電設備のなかでも大型の風力発電設備ともなるとロータブレードの長さが優に４５ｍ近くになるため、その最高部は地上高さ１００ｍにも及ぶこととなり、当然落雷による雷害対策が急務でありかつ重要である。

しかも、一般的に風力発電設備は高所いわゆる山頂部又は海浜近くの山岳頂部など風況上有利な場所に設けられるため、最も落雷しやすい自然環境にさらされることは周知の事実である。近年、各種の避雷対策を講じた風力発電設備においてもロータブレードに落雷し、その損傷が絶えない状況において、取得可能なエネルギー損失はもとよりその修復費用の膨大さに抜本的な雷害防止対策技術が望まれている。

先行技術を見ると、ロータブレード全体を導電性の樹脂又は全面を電気導体で覆うことが提唱されている（特許文献１及び特許文献２）が、導電性を機能させるのであればG-ＦＲＰとすることで解決できる。しかし、全面を導電性とすることにより新たに電波障害が起こり得ること、また重量的にも問題があることも考えられるので実用的とは言い難い。

また、ロータブレードの先端に耐熱性材の避雷突出針を設け、落雷した際突出針が溶融することでそのエネルギーを吸収させるとの提案（特許文献３）がされているが、特にエネルギー量の大きい冬期雷では、近くに避雷針等が存在してもロータブレードに落雷し、損傷を与える事例が多々あることを念頭に置く必要がある。

また、ロータブレード先端に設けたレセプタ（受雷装置のことであり、以下「レセプタ」と表記する）から、風力発電タワーの上部近傍に接地線に連係した環を設けて落雷した雷エネルギーを、ナセルを経由せず接地に導く構造が提唱（特許文献４）されているが、その目的はナセル内の機器の保護を主目的としておりロータブレードそのものへの落雷による損傷・破壊保護には適応しないなど現実的とは言い難い。

特許第３９４８４６９号公開公報特開２００４−２４５１７４号公開公報特開２００５−３０２３９９号公開公報特開２００６−７０８７９号公開公報

前記の如く、風力発電装置のロータブレードへの落雷被害に対する種々の対応策やその構造が提案され、また他の手法として円板レセプタ方式、翼先端金属翼、放電ピン付き翼のほか、風力発電装置の近傍に該風力発電装置の最上部よりも構造的に高い金属性のタワー（独立避雷針）を建設し、そのタワーへの落雷、誘雷を優先させてロータブレードへの落雷損傷を防止しようとの試みもあるが、何れも目的を達成できていない。しかも金属製避雷タワーの建設費は極めて高価である。

発明者は、これまで山頂付近に施設される無線中継所や遠隔地にあるモニタリングポストの機器等を直撃雷サージから保護するための対策並びに設置工事を通じ、絶大なる効果をもたらす避雷装置並びにその施工方法を数多く手掛けてきた実績に基づき、風力発電装置のロータブレードにおける効果的な落雷被害防止構造およびその方法を提案するものである。
本願発明の効果は、風力発電設備のロータブレードの先端部に落雷が集中して起こり、損傷も該先端部付近が最も損害が激しいことに着目し、微少時間内に効率よく雷エネルギーを対地電圧に同位させるための構造および方法に関して提案するものである。

請求項１に記載の本願発明は、風力発電設備におけるロータブレードの先端部に該先端部を跨ぐように着雷導電性帯を固着させ、該着雷導線性帯のトレイリングエッジ側に複数本の犠牲電極（航空機の翼の後方部位に固着されスタティックディスチャージャーと呼ばれている電極棒に代表される電極であり以下「犠牲電極」と表記する）を固着させ、更に該着雷導電性帯と該ロータブレード先端近傍に取り付けられたレセプタとを電気的に接続し、該レセプタに接続されたダウンコンダクタを経由して該ロータブレードの軸受け基部において接地線に接続することを特徴とするロータブレード雷害防止構造に関するものである。

請求項２に記載の本願発明は、風力発電設備におけるロータブレードの先端部に、該先端部を跨ぐように着雷導電性帯を固着させ、前記着雷導線性帯のトレイリングエッジ側に複数本の犠牲電極を固着させ、該ロータブレードの先端部からリーディングエッジを経由して軸受け部に至る連続した導電性帯を固着させ、該導電性帯の一方の端部を前記着雷導線性帯に、他方の端部を該ロータブレード軸受け基部において接地線に電気的に接続することを特徴とするロータブレード雷害防止構造に関するものである。

請求項３に記載の本願発明は、請求項１又は請求項２に記載のロータブレードの雷害防止構造を、新規又は既存の風力発電設備のロータブレードに実装装着することを特徴とするロータブレードの雷害防止の方法に関するものである。

本願発明の構造においては、ロータブレードの先端部に集中する雷害による該ロータブレードの損傷を防止するため、微少時間内に落雷エネルギーを対地電圧に同位させることを可能としたものであり、ロータブレードの全面に導電性機能を持たせていないため、近隣の民家等に対する電波障害も最小限に抑制することが可能であり、全く新しい観点からの効果を発揮する雷害防止構造及びその方法を提案するものである。
また、本願発明は風力発電設備の新規製作時は勿論のこと、既設の設備における雷害防止構造・方法との共用又は単独施工も可能であり、全ての風力発電設備のロータブレードにおける雷撃サージによる損傷の防止を図ることができる。

請求項１について図１を用いて説明する。
図１（Ａ）は本願発明の基本形の斜視図であり、（Ｂ）は該ロータブレード先端部の拡大図である。
風力発電装置のロータブレード１の先端部に該先端部をリーディングエッジ２からトレイリングエッジ３に跨って、その厚さが１〜１０mm、幅が３０〜１００mm、長さが３００〜１,０００mmの導電性の着雷導電性帯４を該ロータブレード１の表面に固着させ、更に該着雷導電性帯４には該ロータブレード１の先端部よりトレイリングエンジ３側の位置に太さ５〜２０mm、長さ５０〜３００mmの犠牲電極５を適当な間隔を保持して３〜５本固着させる。

前記に基づきロータブレード１の先端部に固着された着雷導電性帯４は、既設として取り付けられているレセプタ６に高導電性の導線７を用いて電気的に接続し、該レセプタ６に接続されているダウンコンダクタ１０（接地導体）を経由して、ロータブレード１の軸受け基部９において大地に接続された接地線（図示せず）へと電気的に接続を行わせる構造である。

着雷導電性帯４の素材は高導電性素材の銅製が最適であるが、軽量化のためのアルミニュウムや耐久性のためのチタンやステンレス又はジュラルミンを用いても良く、その他素材でも導電性に加えて耐久性並びにＧ-ＦＲＰとの固着性能に優れた素材であれば良く、本願発明においてはその素材について特定しない。

また、犠牲電極５に用いる素材は、高速度となるロータブレード１の先端部に取り付けられるものであることに鑑み、導電性を保有することは最低条件であり、揺動に対する耐久性を有する素材であれば良く、本願発明においてはその素材について特定しない。

また、着雷導電性帯４をロータブレード１に固着する方法および犠牲電極５を着雷導電性帯４に固着する方法はリベット止めやネジ止めのほか接着方法等を用いることで可能であるが、堅固に固着する方法であれば良く、本願発明においてはその方法を特定しない。

着雷導電性帯４をロータブレード１の先端部に取り付ける場合、該ロータブレード１の表面のみに固着することで十分であるが、該ロータブレード１の裏面への取り付けのほか、該ロータブレード１の表裏に跨って取り付けてもよく、本願発明においてはその形状並びに取り付け位置を特定しない。

請求項２について図２を用いて説明する。
図１（Ａ）は本願発明の基本形の斜視図であり、（Ｂ）は該ロータブレード先端部の拡大図である。
風力発電装置のロータブレード１の先端部に該先端部をリーディングエッジ２からトレイリングエッジ３に跨って、その厚さが１〜１０mm、幅が３０〜１００mm、長さが３００〜１,０００mmの導電性の着雷導電性帯４を該ロータブレード１の表面に固着させ、更に該着雷導電性帯４には該ロータブレード１の先端部よりトレイリングエンジ３側の位置に太さ５〜２０mm、長さ５０〜３００mmの犠牲電極５を適当な間隔を保持して３〜５本固着させる。

更にロータブレード１に固着された着雷導電性帯４のリーディングエッジ２側先端部よりリーディングエッジ２の軸受け基部９に至る位置まで連続した導電性帯８を固着させ、一方の端部を該着雷導電性帯４に、他の一方の端部をロータブレード１の軸受け基部９において大地に接続された接地線（図示せず）に電気的に接続を行わせる構造である。

着雷導電性帯４の並びに導電性帯８の素材は高導電性素材の銅製が最適であるが、軽量化のためのアルミニュウムや耐久性のためのチタンやステンレス又はジュラルミンを用いても良く、その他素材でも導電性に加えて耐久性並びにＧ-ＦＲＰとの固着性能に優れた素材であれば良く、本願発明においてはその素材について特定しない。

導電性帯８をロータブレード１のリーディングエッジ２に取り付ける場合、該ロータブレード１の該リーディングエッジ２表面のみに固着することで十分であるが、該ロータブレード１の該リーディングエッジ２の裏面への取り付けのほか、該ロータブレード１の該リーディングエッジ２の表裏に跨って取り付けてもよく、本願発明においてはその形状並びに取り付け位置を特定しない。

請求項３について説明する。
本願発明の請求項１から請求項２に記載した構造およびそれを用いた方法に関しては、風力発電設備の新規製作時は勿論のこと、既存の設備における雷害防止構造・方法との共用又は単独取り付け・施工も可能であり、全ての風力発電設備のロータブレード１における雷撃サージによるロータブレード１の損傷の防止を図ることができる。

本願発明の請求項１に記載のロータブレード雷害防止構造であり（Ａ）は斜視図（Ｂ）はロータブレードの先端部拡大図本願発明の請求項２に記載のロータブレード雷害防止構造であり（Ａ）は斜視図（Ｂ）はロータブレードの先端部拡大図

１ロータブレード
２リーディングエッジ
３トレイリングエッジ
４着雷導電性帯
５犠牲電極
６レセプタ
７導線
８導電性帯
９軸受け基部
１０ダウンコンダクタ

Claims

風力発電設備におけるロータブレードの先端部に、該先端部を跨ぐように着雷導電性帯を固着させ、該着雷導線性帯のトレイリングエッジ側に複数本の疑似電極を固着させ、該着雷導電性帯と該ロータブレード先端近傍に取り付けられたレセプタとを電気的に接続し、該レセプタに接続されたダウンコンダクタを経由して該ロータブレードの軸受け基部において接地線に接続することを特徴とするロータブレード雷害防止構造。
風力発電設備におけるロータブレードの先端部に、該先端部を跨ぐように着雷導電性帯を固着させ、該着雷導線性帯のトレイリングエッジ側に複数本の疑似電極を固着させ、該ロータブレードの先端部からリーディングエッジを経由して軸受け部に至る連続した導電性帯を固着させ、該導電性帯の一方を該着雷導線性帯に、他方をロータブレード軸受け基部において接地線に電気的に接続することを特徴とするロータブレード雷害防止構造。
請求項１又は請求項２に記載のロータブレードの雷害防止構造を新規又は既存の風力発電設備のロータブレードに実装装着することを特徴とするロータブレード雷害防止方法。