JP2012007485A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造により落雷に対する保護機能を確保した風力発電装置を提供する。
【解決手段】複数のブレードを有するロータ１０と、ロータによって駆動される発電機３０と、発電機を収容するナセルと、ナセルを支持するタワーと、ナセル内に配置された冷却対象物２０，３０に冷却液を循環させて冷却する冷却装置１００とを備える風力発電装置において、第１の受雷部１２２及び第２の受雷部１２４が、ナセル内に設けられ落雷から保護する必要のある被保護物３０，４０と隣接しかつ回転球体法において保護レベルに応じて設定される半径の仮想球面Ｓが第１の受雷部及び第２の受雷部に接した状態において被保護物に接しないように配置され、第１の受雷部と第２の受雷部との少なくとも一方が冷却装置の冷却液を循環させる冷却液管路１２０である構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力によって駆動される発電機を有する風力発電装置に関し、特に簡単な構成によって発電機等のナセル内部の被保護物を雷から保護したものに関する。

風力発電装置は、ロータによって駆動される発電機等をナセルに収容し、タワーの上端部に取り付けて構成されている。このようなナセルは、平地の高所に配置されることから落雷のリスクが高く、内部の発電機、制御盤等の被保護装置に対する保護機能の確保が重要である。

風力発電装置の落雷対策に関する従来技術として、例えば、特許文献１には、ナセルの上部に避雷針を設けるとともに、ブレードの回転軌跡に隣接して雷の誘因となる蓄積電荷を除去する針状金属部材を設けることが記載されている。
また、特許文献２には、ナセルの上部に設けた絶縁部に避雷針を設けて、基礎接地部との間を絶縁高耐電圧専用線によって接続することが記載されている。

また、外部雷保護に関する他の従来技術として、回転球体法を用いたものが知られている。回転球体法とは、複数の受雷部に同時に接するように、雷放電理論及び要求される保護レベルに応じて設定される所定の半径Ｒの球体を転がしたときにできる球体表面の包絡面から被保護物側を保護範囲とする方法である。
このような回転球体法に基づく雷保護を図るため、ナセルにおける発電機、制御盤等の被保護物の周囲に、複数の受雷部を有するケージなどの避雷用構造物を設けることも考えられる。

特開２００３−２８２２９５号公報 特開２００４−２２５６６０号公報

上述した回転球体法による雷保護は、ナセル内部の発電機、制御盤などを確実に保護するためには好適である。しかし、避雷用に専用のケージ等をナセルに搭載した場合、装置の部品点数が増大して構造が複雑となり、また重量やコストも増加してしまう。
本発明の課題は、簡素な構造により落雷に対する保護機能を確保した風力発電装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、複数のブレードを有するロータと、前記ロータによって駆動される発電機と、前記発電機を収容するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ナセル内に配置された冷却対象物に冷却液を循環させて冷却する冷却装置とを備える風力発電装置において、第１の受雷部及び第２の受雷部が、前記ナセル内に設けられ落雷から保護する必要のある被保護物と隣接しかつ回転球体法において保護レベルに応じて設定される半径の仮想球面が前記第１の受雷部及び前記第２の受雷部に接した状態において前記被保護物に接しないように配置され、前記第１の受雷部と前記第２の受雷部との少なくとも一方が前記冷却装置の前記冷却液を循環させる冷却液管路であることを特徴とする風力発電装置である。

請求項２の発明は、前記第１の受雷部及び前記第２の受雷部は、中間に折返部を挟んで並行して配置された前記冷却液管路であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置である。
請求項３の発明は、前記第１の受雷部及び前記第２の受雷部は、前記ナセルの外部に突き出して配置されることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置である。
請求項４の発明は、前記第１の受雷部は、前記冷却液管路であって、前記第２の受雷部は、前記ロータの回転を増速して前記発電機に伝達する増速機であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置である。
請求項５の発明は、前記第１の受雷部は、前記冷却液管路であって、前記第２の受雷部は、前記ナセル内に設けられた前記冷却液管路以外の金属製の構造物であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置である。
請求項６の発明は、前記冷却液管路の屈曲部は、一対の筒状部材を屈曲管を介して接続して構成され、前記一対の筒状部材間を連結する導通部材を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の風力発電装置である。
請求項７の発明は、前記仮想球面の半径が２０ｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の風力発電装置である。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）冷却液管路が回転球体法における受雷部の少なくとも一部として機能することによって、雷保護専用のデバイスやケージなどを設ける場合に対して風力発電装置の構成を簡素化しつつ落雷から被保護物を保護することができる。これによって、装置の軽量化やコストダウンを図ることができる。
（２）中間に折り返し部を挟んで並行して配置された冷却液管路を受雷部として用いることによって、冷却液管路のみによって雷保護に必要な複数の受雷部を構成することができる。また、並行箇所の間隔や被保護物との距離の設定により、適切な雷保護性能を容易に得ることができる。
（３）冷却液管路の第１及び第２の受雷部を構成する部分をナセルの外部に突き出して配置することによって、雷保護に必要な被保護物との距離を確保するとともに、ナセル外の気流によって冷却液を効率よく冷却することができる。
（４）冷却液管路と増速機とによって受雷部を構成することによって、増速機周辺の被保護物を適切に保護することができる。
（５）冷却液管路とその他の金属製の構造物とによって受雷部を構成することによって、例えばナセル架台等の周辺部における被保護物を適切に保護することができる。
（６）冷却液管路の屈曲部を屈曲管を介して接続し、その両側を導通部材で連結することによって、屈曲管の介在によって電気的抵抗が増加し、受雷部としての機能が低下することを防止できる。

本発明を適用した風力発電装置の実施例１の模式的三面図であって、図１（ａ）は、側方（主軸と直交する水平方向）から見た図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）はそれぞれ図１（ａ）のｂ−ｂ部矢視図及びｃ−ｃ部矢視図である（図４及び図６において同様）。 実施例１の風力発電装置の模式的斜視図である。なお、ロータ及びナセルカバーは図示を省略している（図５及び図７において同様）。 実施例１の風力発電装置における冷却液管路の接続部の構成を示す模式図である。 本発明を適用した風力発電装置の実施例２の模式的三面図である。 実施例２の風力発電装置の模式的斜視図である。 本発明を適用した風力発電装置の実施例３の模式的三面図である。 実施例３の風力発電装置の模式的斜視図である。 本発明を適用した風力発電装置の実施例４の冷却液管路構成を示す模式図である。図８（ａ）は模式的側面視図であって、図８（ｂ）は図８（ａ）のｂ−ｂ部矢視模式的断面図である。

本発明は、簡素な構造により落雷に対する保護機能を確保した風力発電装置を提供する課題を、冷却液が流される冷却液管路の一部を、回転球体法の外部雷保護における受雷部として活用し、これに当接する半径２０ｍの球面より内側に被保護物である発電機等を配置したことによって解決した。

以下、本発明を適用した風力発電装置の実施例１について説明する。
図１及び図２に示すように、風力発電装置は、ロータ１０、増速機２０、発電機３０、制御盤４０、ナセル架台５０、ナセルカバー６０、冷却装置１００等を備えて構成されている。
なお、以下の説明において、上下方向は風力発電装置の通常運転状態における上下を示し、通常運転状態における風上側（ロータ１０側）を前方、風下側を後方としている。
また、左右方向については、風下側から見たときの左右を示している。

ロータ１０は、回転可能に支持されたハブの周囲に複数のブレードを放射状に配置したものである。ロータ１０は、ブレードが風力を受け揚力を発生することによって回転する。
増速機２０は、ロータ１０の回転を増速して発電機３０に伝達するものである。
発電機３０は、増速機２０を介してロータ１０によって駆動され、電力を発生するものである。
制御盤４０は、ロータ１０のピッチ制御や発電機３０の制御などを行う各種電装品が設けられている。

ナセル架台５０は、増速機２０、発電機３０、制御盤４０等が搭載される台座となる部材であって、金属等の導電体によって形成されている。
ナセル架台５０は、図１（ｂ）等に示すように、上方から見た平面形が、ロータ１０の回転軸方向に沿った長辺を有する略矩形状となるパネル状に形成されている。
ナセル架台５０は、図示しないタワーの上端部に取り付けられている。

増速機２０は、ナセル架台５０のロータ１０側の端部近傍に搭載されている。
発電機３０は、増速機２０のロータ１０側とは反対側の端部に隣接して配置されている。
制御盤４０は、任意の空きスペースに配置されている。
なお、発電機３０及び制御盤４０は、落雷時に雷撃から保護する必要のある被保護物となっている。
ナセルカバー６０は、ナセル架台５０及びこれに搭載された各部材を収容するケース状の部材である。

冷却装置１００は、例えば冷却水、冷却油等の液体の冷媒である冷却液を、ポンプ１１０によって冷却対象物である増速機２０に循環させ、これを冷却する液冷式のものである。
ポンプ１１０は、増速機２０に隣接して配置され、ナセルの幅方向における左側に寄せて配置されている。

また、冷却装置１００は、ポンプ１１０から吐出される冷却液を周囲の空気との熱交換によって冷却する冷却液管路１２０を備えている。
冷却液管路１２０は、冷却液の循環方向に沿って、以下説明する鉛直部１２１、水平部１２２、水平部１２３、水平部１２４、鉛直部１２５、水平部１２６が順次設けられている。この冷却液管路１２０は、落雷時に雷を受ける受雷部として機能する。
なお、冷却液管路１２０の各部は、いずれも導電性を有する金属材料によって形成されている。冷却液管路１２０を構成する材料としては、例えば、銅、溶融亜鉛メッキ銅、ステンレス鋼、アルミニウム系合金、鉛等のように、筒材の状態で気中において雷保護システムの材料として適用可能なものとする。また、各部材の最小寸法も要求される雷保護レベルに応じて設定される。

鉛直部１２１は、ポンプ１１０からほぼ鉛直に上方に延びた部分である。鉛直部１２１の上端部は、ナセルカバー６０の上面部から突き出して外部に配置されている。

水平部１２２は、鉛直部１２１の上端部から後方側に延びた部分である。水平部１２２の後端部は、発電機３０及び制御盤４０の後面部よりも後方側であって、ナセル架台５０の後端部よりは前方側に配置されている。

図３に示すように、鉛直部１２１及び水平部１２２はそれぞれストレートな円筒状に形成されている。
鉛直部１２１及び水平部１２２は、９０°のエルボ管Ｅを介して接続されている。
鉛直部１２１及び水平部１２２のエルボ管Ｅ近傍には、外径側に突き出して形成されたタブ状の小片である接地端子１２１ａ、１２２ａがそれぞれ形成されている。接地端子１２１ａ、１２２ａにはそれぞれ開口が設けられ、これらの間は導線Ｌによって接続され、導通可能となっている。
なお、ここでは例として鉛直部１２１と水平部１２２との接続部について説明したが、他の部材間の接続箇所も実質的に同様に構成されている。これにより、冷却液管路１２０の各部は、ナセル架台５０と実質的に同電位に保たれている。

水平部１２３は、水平部１２２の後端部からナセルの横幅方向にほぼ沿って、左側から右側へ伸びた部分である。

水平部１２４は、水平部１２３の右側の端部から前方側に延びた部分である。水平部１２４は、水平部１２２に対して水平方向に離間して配置されている。
水平部１２４の前端部及び後端部は、ナセルの前後方向における位置が、水平部１２２の前端部及び後端部とほぼ同じ位置に配置されている。

鉛直部１２５は、水平部１２４の前端部から下方へ延びた部分である。
鉛直部１２５の上端部はナセルカバー６０の上面部から突出し、他部はナセルカバー６０の内部に収容されている。
水平部１２６は、鉛直部１２５の下端部からナセルの横幅方向にほぼ沿って、右側から左側へ伸びた部分である。
水平部１２６の左側の端部は、ポンプ１１０に隣接して配置されている。
冷却液は水平部１２６から増速機２０内へ導入され、増速機２０の内部を冷却した後、ポンプ１１０に戻って再び加圧され吐出される。

冷却液管路１２０において、水平部１２２，１２３，１２４の全部、及び、鉛直部１２１，１２５の上端部はナセルカバー６０の外部に露出して配置され、ナセルカバー６０の周囲の気流によって冷却されるようになっている。
増速機２０を冷却して高温となった冷却液は、冷却液管路１２０内を流れる際に冷却される。

また、上述した冷却液管路１２０は、回転球体法による外部雷保護における受雷部として機能する。このため、冷却液管路１２０には、図示しないアース線が設けられ、ナセル架台５０を介して電気的に接地されている。
回転球体法における半径Ｒは、要求される保護レベルに応じて設定されるが、ここでは一例としてＲ＝２０ｍとする。
図１に示すように、被保護物である発電機３０及び制御盤４０は、外部から半径２０ｍの球面Ｓを冷却液管路１２０、増速機２０、ナセル架台５０の複数箇所に当接させた状態で転がした際の包絡面よりも内側に配置されている。

ナセルの上部においては、球面Ｓを受雷部である左右の水平部１２２，１２４に当接させた状態で転がした際の包絡面よりも、発電機３０及び制御盤４０の上端部が下方となるように配置されている。
また、ナセル上部の前端部においては、水平部１２２，１２４に加えて、増速機２０の上端部も受雷部として機能し、発電機３０及び制御盤４０は、水平部１２２，１２４及び増速機２０に当接する球面Ｓと接しないように配置されている。

ナセルの後部においては、球面Ｓを受雷部である水平部１２３とナセル架台５０とに当接させた状態で転がした際の包絡面よりも、発電機３０及び制御盤４０の後端部が前方となるように配置されている。
ナセルの側部においては、球面Ｓを受雷部である水平部１２２又は水平部１２４と、ナセル架台５０とに当接させた状態で転がした際の包絡面よりも、発電機３０及び制御盤４０が内側となるように配置されている。

以上説明した実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）冷却液管路１２０が回転球体法における受雷部の少なくとも一部として機能することによって、雷保護専用のデバイスやケージなどを設ける場合に対して風力発電装置の構成を簡素化しつつ落雷から発電機３０及び制御盤４０を保護することができる。これによって、装置の軽量化やコストダウンを図ることができる。
（２）中間に水平部１２３を挟んで折り返し、並行して配置された水平部１２２，１２４を受雷部として用いることによって、ナセルの上部においては冷却液管路１２０のみによって雷保護に必要な複数の受雷部を構成することができる。また、これらの水平部１２２，１２４の間隔や高さの設定により、適切な雷保護性能を容易に得ることができる。
（３）冷却液管路１２０の水平部１２２−１２４をナセルカバー６０の外部に突き出して配置することによって、雷保護に必要な発電機３０及び制御盤４０との距離を確保するとともに、ナセル外の気流によって内部に流れる冷却液を効率よく冷却することができる。
（４）冷却液管路１２０の水平部１２２，１２４の前部と増速機２０とによって受雷部を構成することによって、発電機３０及び制御盤４０の増速機２０周辺の部分を適切に保護することができる。
（５）冷却液管路１２０の一部とナセル架台５０とによって受雷部を構成することによって、発電機３０及び制御盤４０の側部及び後部を適切に保護することができる。
（６）冷却液管路１２０の屈曲部をエルボ管Ｅを介して接続し、その両側のパイプを導線Ｌで連結することによって、エルボ管の介在によって電気的抵抗が増加し、受雷部としての機能が低下することを防止できる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例２について説明する。
なお、以下説明する各実施例において、従前の実施例と実質的に同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図４及び図５に示すように、実施例２の風力発電装置は、実施例１の冷却液管路１２０に代えて、発電機３０にも冷却液を循環させる冷却液管路２２０を備えている。

冷却液管路２２０は、実施例１の冷却液管路１２０の水平部１２３に代えて、水平部１２２からの冷却液を発電機３０の後面部から発電機３０内へ導入する導入管２２１、及び、発電機３０の後面部から排出された冷却液を水平部１２４へ導入する排出管２２２を設けたものである。

導入管２２１は、水平部１２２の後端部からナセル幅方向に沿って内側へ延び、その後、下方に向きを変え、下端部から前方へ延ばされた部分の前端部が発電機３０の後面部に接続されている。
排出管２２２は、発電機３０の後面部から後方へ突き出し、その後端部から上方へ延び、さらにその上端部からナセル幅方向に沿って外側に延びて、水平部１２４の後端部に接続されている。

以上説明した実施例２においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例３について説明する。
図６及び図７に示すように、実施例３の風力発電装置は、実施例１のナセル架台５０に代えて、以下説明するナセル架台３５０を設け、冷却液管路１２０に代えて冷却液管路３２０を設けたものである。

ナセル架台３５０は、金属等の導電性を有する材料で形成されたベース部３５１、前端部３５２、支柱３５３、縦梁部３５４、横梁部３５５を備えている。
ベース部３５１は、増速機２０、発電機３０、制御盤４０等が搭載される台座となる部材であり、上方から見た平面形が矩形となるパネル状に形成されている。
前端部３５２は、増速機２０が搭載される台座となる部材であり、ベース部３５１の前部における上面部から上方へ突き出して形成され、その上端部は発電機３０、制御盤４０の上端部よりも高い位置に配置されている。

支柱３５３は、ベース部３５１の後端部における左右端部からそれぞれ上方へ突き出して形成されている。支柱３５３の上端部の高さは、前端部３５２の上端部とほぼ同じ高さとなっている。
縦梁部３５４は、前端部３５１の上端部における左右端部と、左右の支柱３５３の上端部とをそれぞれ連結する梁状の部材である。
横梁部３５５は、左右の支柱３５３の上端部間を連結する梁状の部材である。
実施例３においては、ナセル架台３５０自体が耐雷用のケージとして機能し、ナセル上部、側部、後部においては、球面Ｓをナセル架台３５０の各構成部材に当接させた状態で転がした際の包絡面よりも発電機３０及び制御盤４０が内側となるように配置されている。

冷却液管路３２０は、ナセルカバー６０の下部に露出した熱交換器３３０を経由して、冷却液をポンプ１１０から発電機３０へ導入する導入管３２１、及び、発電機３０から排出された冷却液をポンプ１１０に戻す排出管３２２等を備えている。
導入管３２１及び排出管３２２は、その中間部分がナセルカバー６０の下面部から突き出して、前後方向に延びて配置されている。
導入管３２１及び排出管３２２の中間部分は、ナセルの幅方向に離間して平行に配置され、熱交換器３３０はその間に配置されている。

図６（ａ）に示すように、ナセルの下方において、導入管３２１及び排出管３２２は、ナセル架台３５０と協働して受雷部として機能する。
ナセルの下方においては、球面Ｓをナセル架台３５０の後端部、導入管３２１及び排出管３２２に当接させた状態で転がした際の包絡面よりも、発電機３０及び制御盤４０の下面部が上方となるように配置されている。
以上説明した実施例３においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例４について説明する。
実施例４の風力発電装置は、図８に示すように、ポンプ１１０から吐出された冷却液を発電機３０、増速機２０に順次循環させた後に、実施例１における冷却液管路１２０と同様にナセルカバー６０の外部を通る管路で冷却し、ポンプ１１０に戻す冷却液管路４２０を備えている。実施例４においても、冷却液管路４２０は上述した各実施例と同様に受雷部として機能するようになっている。
以上説明した実施例４においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した各実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
風力発電装置の構成や各構成要素の形状、構造、配置等は、上述した各実施例のものに限らず適宜変更することができる。
例えば、冷却液管路の配置は各実施例の構成から適宜変更することができる。
また、冷却液を循環させる冷却対象機器も各実施例のような増速機及び発電機に限定されず、他の機器に冷却液を循環させてもよい。また、冷却液の循環順序も特に限定されない。
さらに、回転球体の半径も、各実施例では一例として２０ｍとしたが、必要とされる保護レベルに応じて適宜変更することが可能である。

１０ ロータ ２０ 増速機
３０ 発電機 ４０ 制御盤
５０ ナセル架台 ６０ ナセルカバー
１００ 冷却装置 １１０ ポンプ
１２０ 冷却液管路（実施例１） １２１ 鉛直部
１２２−１２４ 水平部 １２５ 鉛直部
１２６ 水平部 １２１ａ，１２２ａ 接地端子
Ｅ エルボ管 Ｌ 導線
Ｓ 球面
２２０ 冷却液管路（実施例２） ２２１ 導入管
２２２ 排出管
３２０ 冷却液管路（実施例３） ３２１ 導入管
３２２ 排出管 ３３０ 熱交換器
３５０ ナセル架台 ３５１ ベース部
３５２ 前端部 ３５３ 支柱
３５４ 縦梁部 ３５５ 横梁部
４２０ 冷却液管路（実施例４）

Claims (7)

1. 複数のブレードを有するロータと、
   前記ロータによって駆動される発電機と、
   前記発電機を収容するナセルと、
   前記ナセルを支持するタワーと、
   前記ナセル内に配置された冷却対象物に冷却液を循環させて冷却する冷却装置と
   を備える風力発電装置において、
   第１の受雷部及び第２の受雷部が、前記ナセル内に設けられ落雷から保護する必要のある被保護物と隣接しかつ回転球体法において保護レベルに応じて設定される半径の仮想球面が前記第１の受雷部及び前記第２の受雷部に接した状態において前記被保護物に接しないように配置され、
   前記第１の受雷部と前記第２の受雷部との少なくとも一方が前記冷却装置の前記冷却液を循環させる冷却液管路であること
   を特徴とする風力発電装置。
2. 前記第１の受雷部及び前記第２の受雷部は、中間に折返部を挟んで並行して配置された前記冷却液管路であること
   を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記第１の受雷部及び前記第２の受雷部は、前記ナセルの外部に突き出して配置されること
   を特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記第１の受雷部は、前記冷却液管路であって、
   前記第２の受雷部は、前記ロータの回転を増速して前記発電機に伝達する増速機であること
   を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
5. 前記第１の受雷部は、前記冷却液管路であって、
   前記第２の受雷部は、前記ナセル内に設けられた前記冷却液管路以外の金属製の構造物であること
   を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
6. 前記冷却液管路の屈曲部は、一対の筒状部材を屈曲管を介して接続して構成され、前記一対の筒状部材間を連結する導通部材を有すること
   を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の風力発電装置。
7. 前記仮想球面の半径が２０ｍ以下であること
   を特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の風力発電装置。

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