JP2013092072A - 耐雷システムを備えた風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードに落雷した際の雷撃電流がブレードを貫通し難く、かつナセルを含む支柱側に侵入させずに地面に流すことができる耐雷システムを備えた、比較的小型で安価な風力発電装置を提供する。
【解決手段】ブレード２ａの先端に金属より成るレセプタ（受雷部）を設け、レセプタと接続した金属製の棒導体をブレード２ａ内部の中空円筒内を通じてハブ５近傍まで導き、ブレード２ａ内部から外部に取り出して棒電極６ａと接続し、また、ナセル４に配置されたリング電極７を棒電極６ａと対向させ、レセプタへの落雷時に棒電極６ａ−リング電極７間で放電させ、放電電流をリング電極７から順にリード線９ａ、酸化亜鉛素子８、リード線９ｂにより大地へと導く。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ブレードに対する落雷の影響を低減するための耐雷システムを備えた風力発電装置に関する。

風力発電システムとは、風がよく吹く地点に風車を設置し、その回転力で発電機を回すという発電システムである。

近年、環境問題への意識の高まり等から、風力発電システムの需要が増えている。風力発電装置にはさまざまな形の風車が使われているが、大容量かつ発電効率の良い風車として、ブレード型風車が知られている。

ブレード型風車は、支柱の頂部に、発電機の回転子や制御系装置・電子機器等を内蔵したナセルが設けられ、このナセル内の発電機の回転子がハブを介してナセル外部のブレード（羽根）と接続されている。この風車では、風を受けてブレードが回転し、その回転がハブを介して発電機の回転子に伝達され、発電される。

ブレード型風車では、大型発電用の風車となると、支柱の高さは５０メートルほどとなり、ブレードの長さも数十メートルと非常に大きいものとなる。この大きさのために、単に発電機というだけでなく、ランドマーク的な価値も生じ、観光の対象になることもある。

ブレードとしては、これまで、風力発電装置の出力が小さい場合には木材が使用されていたが、大きな出力の風力発電装置が開発されるにつれて、長く風の当る面積を大きくすべく、繊維強化型プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：ＦＲＰ）が使用されるようになっている。ＦＲＰをブレードに使用することで、軽くても強度の強いものが作製できるようになり、２５０ｋＷを超えるような大きな風力発電装置が製造可能になった。

このように、ブレードは非常に大きく、高い位置にあるものであり、しかも風を受けやすいような広大な土地に設置されることが多い。このため、落雷による被害、例えば、落雷によりブレード等が破損したり、落雷により制御系装置が故障したりといった被害が多く、故障要因の四分の一を占めると言われている。

このようなブレードの破損は、雷がブレードを貫通してブレード内部を大電流が流れることによりブレード内部の空気層が雷電流により発生する熱量で膨張し、短時間で高い圧力を発生してブレードが破裂することに起因するものである。

上述した落雷によるブレードの破損を防ぐために、風力発電装置のナセル部分に避雷針を設置することも考えられているが、ブレードに落雷することなく避雷針に確実に落雷させることは著しく困難である。

一方、避雷針を風力発電装置の近くで当該風力発電装置より高い位置に設置する方法もあるが、１００ｍにもおよぶ非常に大型の風力発電装置よりも高い位置に避雷針を設置するには風力発電装置の設置にも匹敵する設置コストが発生する。

また、ブレードを金属で製造することも考えられるが、金属で製造すると重量が増大してしまう。このため、ブレードを支えるハブ、支柱などの強度を高くしなければならなくなり、風力発電装置自体のコストが高くなる。

さらに、ブレードに導体リングを設け、それと対向するようにナセル周囲にギャップと酸化亜鉛素子を配置し、落雷による異常電圧の発生を抑制することも考えられているが、雷撃電流がナセルを流れるため制御系装置等への雷撃電流の影響を充分に抑止することは困難である。

このため、ブレード側と支柱側に対向するように導体リングを設け落雷時に導体リング同士のギャップ間で放電させ、更にナセルを含む支柱側に雷撃電流が進入しない構造も考えられているが、装置が大型化しコスト高になる難点がある。

特開２００１−１２３９３４号公報 特開２０００−２６５９３８号公報 特開２００６−７０８７９号公報

このような問題に鑑みて、本発明の実施形態の目的とするところは、ブレードに落雷した際の雷撃電流がブレードを貫通し難く、かつナセルを含む支柱側に侵入させずに地面に流すことができる耐雷システムを備えた、比較的小型で安価な風力発電装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の耐雷システムを備えた風力発電装置は、次の構成を特徴とする。
（１）大地に固定して設けられる支柱と、少なくとも発電機の回転子を内蔵して前記支柱の頂部に載置されるナセルと、当該ナセル内に設けられた前記回転子を風力により回転させるためのブレードと、当該ブレード及び前記回転子を接続するハブと、を有する。
（２）前記ブレードの先端に導体より成るレセプタが設けられている。
（３）当該レセプタと電気的に接続された導体が前記ブレードの外面に設けられた電極へと接続されている。
（４）リング電極が前記電極と対向して、かつ落雷時に前記電極と放電可能な放電ギャップを設けて前記ナセルに配置されている。
（５）前記リング電極がリード線を介して、大地と接地された避雷素子に接続されている。

本発明の一実施形態の耐雷システムを備えた風力発電装置の全体構成を示す側面図である。 図１のブレードの一部の拡大図である。 図１のリング電極近傍の構造の拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

［第１の実施形態］
（全体構成）
図１は本発明の一実施形態の耐雷システムを備えた風力発電装置の全体構成を示す側面図である。

本実施形態の風力発電装置１は、大地に固定して設けられる支柱３と、発電機の回転子や制御系装置・電子機器等を内蔵して支柱３の頂部に載置されるナセル４と、このナセル４内に設けられた発電機の回転子を風力により回転させるためのブレード（羽根）２と、ブレード２及び回転軸（図示せず）を接続するハブ５と、を有する。

この風力発電装置１では、ブレード２が風を受けて回転し、その回転がハブ５等を介して発電機の回転子に伝達され、発電される。

ブレード２においては、その中心部となるハブ５付近に棒電極６ａ、６ｂ、６ｃ（６ｃは図示せず）が設けられている。また、ナセル４には、これらの棒電極６ａ、６ｂ、６ｃと対向した位置にリング電極７が配置され、このリング電極７はリード線９ａを通じて、酸化亜鉛素子８に接続されている。酸化亜鉛素子８は、更にリード線９ｂを通じて大地へと繋がれており、雷撃電流の経路となっている。なお、酸化亜鉛素子８は、支え１０により支柱３に固定されている。

（ブレード２）
本実施形態の風力発電装置１におけるブレード２は、３枚のブレード２ａ、２ｂ、２ｃ（２ｃは図示せず）で形成されている。

図２は、ブレード２ａの拡大図である。ブレード２ａの本体部は上述したようにＦＲＰで製作されているが、先端には金属導体より成るレセプタ１３が設けられ、レセプタ１３と電気的に接続された棒導体１２ａがブレード２ａ内の中空円筒１１ａの中を支持絶縁物（図示せず）により支持されて配置され、棒電極６ａへと接続されている。

（棒電極６、リング電極７）
図３は、風力発電装置１のリング電極７近傍の構造の拡大図である。棒電極６ａ、６ｂ、６ｃとリング電極７とは、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの位置にかかわりなく、一定の間隔（ｄ）で対向する構成となっている。

棒電極６ａ、６ｂ、６ｃの大きさは、直径１０ｍｍ〜５０ｍｍが望ましい。１０ｍｍ未満では強度的に問題となるし、５０ｍｍを超えると放電がしにくくなる可能性がある。

リング電極７のリングの太さは、棒電極６ａ、６ｂ、６ｃと同様、直径１０ｍｍ〜５０ｍｍが望ましい。１０ｍｍ未満では強度的に問題となるし、５０ｍｍを超えると取り付けが容易でなくなるだけでなく、雷の極性にもよるが放電がしにくくなる可能性がある。

棒電極６ａ、６ｂとリング電極７の間隔（ｄ）であるが、ブレードの回転により両者が接触しなければ良く、５０ｍｍ〜２００ｍｍが望ましい。５０ｍｍ未満では振動などで電極同士の接触が考えられ、２００ｍｍを超えると放電がしにくくなる可能性がある。

（作用）
このように、本実施形態の風力発電装置１は、ブレード２ａの先端に形成されたレセプタ（受雷部）１３と接続された棒導体１２ａを、ブレード２ａ内部を通じてハブ５近傍まで導き、ブレード２ａ外部の棒電極６ａと接続している。また、棒電極６ａはナセル４に配置されたリング電極７と対向させている。これより、レセプタ１３への落雷時に棒電極６ａ−リング電極７間で放電させ、放電電流をリング電極７から酸化亜鉛素子８を介してリード線９ｂで大地へと導く構造とされている。

いま、ブレード２ａに落雷したとする。この場合、かなりの確率でブレード２ａの先端に設けられたレセプタ１３に落雷することが実験・経験的に知られている。

レセプタ１３への雷撃により、レセプタ１３と電気的に接続された棒導体１２ａ及びレセプタ１３と棒導体１２ａを通じ電気的に接続された棒電極６ａの電位は急上昇し、対向して配置された大地とほぼ同電位のリング電極７との間で放電が生じる。この場合、雷撃電流が、レセプタ１３→棒導体１２ａ→棒電極６ａ→リング電極７→リード線９ａ→酸化亜鉛素子８→リード線９ｂの経路で大地へと流れる。この電流径路は、ブレード２ａの本体（ＦＲＰ）部を通過することは無いので、ブレードの破壊を防ぐことができる。また、ハブ５、ナセル４、支柱３も通過することは無いので、風力発電装置１の破壊を防ぐことが可能になる。

また、雷撃電流は急峻なため、過大な電流が流れた場合、リード線９ａ、リード線９ｂのインダクタンス分の存在により、リング電極７が高電位となり、リング電極７とナセル４間で放電が生じ、ナセル４内部の制御系装置等へ悪影響を及ぼすことも考えられるが、酸化亜鉛素子８の存在によりリング電極７の電位は一定値に抑制される。このため、リング電極７とナセル４間で放電が生じる可能性は極めて低くなるので、リング電極７を必要以上に大きくする必要は無く小型化が可能となる。

（効果）
（１）レセプタ１３からの金属導体をブレード２ａ内部の中空円筒１１ａ内を通じてハブ５近傍まで導くことにより、ブレード２ａに落雷した際の落雷電流は、ブレード２ａ自体を貫通することがないため、ブレード２ａの破壊を防止することができる。

（２）棒電極６ａ−リング電極７間で放電させ、放電電流をリング電極７からリード線９ａ、酸化亜鉛素子８、リード線９ｂで大地へ導くことにより、ナセル４内部やその他の装置の破壊を抑制することができる。

（３）リング電極７とナセル４間の電圧は酸化亜鉛素子８によって抑制されるため、リング電極７とナセル４間の放電により支柱３へ電流が流れることを防止できる。

（４）酸化亜鉛素子８の存在によりリング電極７の電位は一定値に抑制されるため、リング電極７とナセル４間で放電が生じる可能性は極めて低く、リング電極７を必要以上に大きくする必要はなくなり、小型化が可能となる。

（５）ブレード２ａに落雷した際の雷撃電流がブレード２ａを貫通し難く、かつナセル４を含む支柱３側に侵入させずに地面に流すことができる耐雷システムを備えた、比較的小型で安価な風力発電装置１を提供することが可能になる。

以上、ブレード２のうち特にブレード２ａを取り上げて作用・効果を説明したが、他のブレード２ｂ、２ｃにおいても同様の作用・効果を奏することができる。

[他の実施形態]
本発明は、次のような他の実施形態も含有する。
（１）風力発電装置１では、３枚のブレード２ａ、２ｂ、２ｃ（２ｃは図示せず）でブレード２を形成したが、ブレード２として１〜２枚のブレードを有するものでも良く、また４枚以上を有しても良い。

（２）図２の実施形態においては、レセプタ１３と電気的に接続するために棒導体１２ａを用いたが、棒状のみならず他の形状の導体を用いても良く、ワイヤ等の導体を用いても良い。

（３）図２の実施形態においては、棒導体１２ａをブレード２ａ内の中空円筒１１ａの中に配置したが、ブレード２ａの表面に配置しても良い。

（４）図１の実施形態においては、ブレード２のハブ５付近に棒電極６ａ、６ｂ、６ｃを形成したが、棒状のみならず円柱状、矩形上等の他の形状の導体を用いても良い。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…風力発電装置
２…ブレード
２ａ，２ｂ…ブレード
３…支柱
４…ナセル
５…ハブ
６ａ，６ｂ…棒電極
７…リング電極
８…酸化亜鉛素子
９ａ，９ｂ…リード線
１１ａ，１１ｂ…中空円筒
１２ａ，１２ｂ…棒導体
１３…レセプタ

Claims (4)

1. 大地に固定して設けられる支柱と、少なくとも発電機の回転子を内蔵して前記支柱の頂部に載置されるナセルと、当該ナセル内に設けられた前記回転子を風力により回転させるためのブレードと、当該ブレード及び前記回転子を接続するハブと、を有し、前記ブレードの先端に導体より成るレセプタが設けられ、当該レセプタと電気的に接続された導体が前記ブレードの外面に設けられた電極へと接続され、さらにリング電極が前記電極と対向して、かつ落雷時に前記電極と放電可能な放電ギャップを設けて前記ナセルに配置され、前記リング電極がリード線を介して、大地と接地された避雷素子に接続されていることを特徴とする耐雷システムを備えた風力発電装置。
2. 前記電極の大きさを直径１０ｍｍから５０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載の耐雷システムを備えた風力発電装置。
3. 前記リング電極のリングの太さを直径１０ｍｍから５０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載の耐雷システムを備えた風力発電装置。
4. 前記電極と前記リング電極との間隔を５０ｍｍから２００ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載の耐雷システムを備えた風力発電装置。

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