JP2013177871A - 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】ナセル４の上部に、ハブ５の軸方向と垂直方向に延伸する金属製で避雷機能を備えた長尺状電極７を配置し、この下方に、長尺状導体電極７と電気的に接続された酸化亜鉛素子８を支柱３と絶縁して設置する。酸化亜鉛素子８の一端には、１組の電極からなるギャップ電極６のうちの一方の上方電極６ａを植設し、ギャップ電極６の他方の下方電極６ｂを、落雷時に上方電極６ａと放電可能なギャップ距離（ｄ）だけ離間して対向配置するとともに、支柱３と電気的に絶縁されたリード線９ｂを介して大地と接地する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、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をいう。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。このような風車では、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、長く風の当たる面積を大きくすべく、繊維強化型プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）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撃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。また、風力発電装置が大きいため、ブレード単体の費用が高価であるだけでなく、ブレードの交換にも大型クレーンを使用する必要があり、修復コストが莫大となる。

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、落雷によるブレードの破壊を防ぐことはできたとしても、ナセル内部の制御系等の電子部品を破壊し、装置の機能を失う可能性がある。

特許３９４８４６９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、落雷した際の雷撃電流がブレードを貫通せず、かつナセルを含む支柱側に侵入せずに地面に流すことができる、比較的簡便な避雷システムを備えた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の回転軸を接続するハブと、を有する。
（２）前記ナセル上部に、前記ハブの軸方向と垂直方向に延伸する金属製で避雷機能を備えた長尺状電極を配置する。
（３）当該長尺状導体電極の下方に、前記長尺状導体電極と電気的に接続された酸化亜鉛素子を前記支柱と絶縁して設置する。
（４）前記酸化亜鉛素子の一端に、１組の電極からなるギャップ電極のうちの一方の電極を植設する。
（５）前記ギャップ電極の他方の電極を、落雷時に前記一方の電極と放電可能なギャップ距離（ｄ）だけ離間して対向配置させる。
（６）前記ギャップ電極の他方の電極を前記支柱と電気的に絶縁されたリード線を介して大地と接地する。

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概略構成を示す側面図である。 図１のブレード部分の拡大図である。

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。
（構成）
本実施形態の風力発電装置１は、図１に示すように、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。

ナセル４の図中左側上部には、絶縁物で形成された支え（図示せず）を介して、金属製で鉛直方向に延伸する避雷機能を備えた長尺状導体電極７が配置される。この長尺状導体電極７の下方には、絶縁物で形成された支え１０ａを介して酸化亜鉛素子８が支柱３に設置されている。この酸化亜鉛素子８はその上方端でリード線９ａにより長尺状導体電極７と電気的に接続されている。

酸化亜鉛素子８の下方端には、１組の電極からなるギャップ電極６の一方が円柱状の上方電極６ａとして植設されている。ギャップ電極６の他方の電極としては、円柱状の下方電極６ｂが上方電極６ａと放電可能なギャップ距離（ｄ）だけ離間して対向配置される。この下方電極６ｂは、絶縁物で形成された支え１０ｂにより支柱３と絶縁して固定される。下方電極６ｂは、リード線９ｂによって大地へと至っており、雷撃電流の経路となる。

（ブレード２）
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は、図２に示すように、３枚のブレード２ａ、２ｂ、２ｃによって構成されている。これらのブレード２ａ、２ｂ、２ｃはＦＲＰで形成されることが好ましい。

（ギャップ電極６の上方電極６ａ，下方電極６ｂ）
図１に示す通り、ギャップ電極６の上方電極６ａと下方電極６ｂは、一定のギャップ距離（ｄ）だけ離間して対向するように配置される。上方電極６ａ及び下方電極６ｂの直径は、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。また、上方電極６ａと下方電極６ｂ間のギャップ距離（ｄ）であるが、５０ｍｍ〜２００ｍｍが望ましい。５０ｍｍ未満では放電し易く、落雷以前に接地電位となり、後述するようにブレード２への落雷の可能性が高くなる。２００ｍｍを超えると放電がしにくくなる可能性がある。

（作用、効果）
酸化亜鉛素子８と大地は、落雷時以外はギャップ距離（ｄ）により電気的に絶縁されているため、酸化亜鉛素子８とリード線９ａで電気的に接続された長尺状導体電極７は浮遊電位となる。この場合、浮遊電位の導体先端に落雷し易くなるため、長尺状導体電極７への雷撃確率が高まり、避雷機能が向上するものと考えられる（特許文献１参照）。逆に、長尺状導体電極７が大地と同じ接地電位の場合は、高さが同程度の場合、ブレード２への落雷の可能性が高まる。

いま、風力発電装置１に雷雲が近づいてきたとする。この場合、上述したように、かなりの確率で長尺状導体電極７の先端に落雷することが予想される。長尺状導体電極７の先端への雷撃により、雷撃電流が長尺状導体電極７からリード線９ａを経由して酸化亜鉛素子８に流れる。このため、酸化亜鉛素子８の下端に電気的に接続された上方電極６ａの電位は急上昇する。

上方電極６ａの電位が急上昇することにより、ある一定間隔のギャップ距離（ｄ）だけ離間して対向配置された下方電極６ｂ（これは大地とほぼ同電位である）との間で放電が生じる。放電発生後、雷撃電流が下方電極６ｂからリード線９ｂの経路で大地へと流れる。この電流経路は、ブレード２を通過することはないので、ブレード２の破壊を防ぐことができる。また、雷撃電流は、ハブ５、ナセル４、支柱３も通過することはないので、風力発電装置１の破壊を防ぐことができる。

なお、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、長尺状導体電極７や上方電極６ａが高電位となり、長尺状導体電極７や上方電極６ａ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。しかし、所定の電圧を超えると抵抗値が減少して電流が流れやすくなる酸化亜鉛素子８を設けたことにより、長尺状導体電極７や上方電極６ａの電位は一定値に抑制される。よって、長尺状導体電極７や上方電極６ａとナセル４間で放電が生じる可能性は極めて低くなり、支柱３へ電流が流れることを防止できる。

（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）ブレード２は、図２に示すように、３枚のブレード２ａ、２ｂ、２ｃで構成したが、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）ギャップ電極６を構成する１対の上方電極６ａ及び下方電極６ｂを円柱状に形成したが、他にも棒状や、断面多角形状の長尺体で形成しても良い。

（３）ギャップ電極６として、１対の電極を上方と下方に対向させて形成したが、左方と右方にギャップ距離（ｄ）だけ離間させて対向配置しても良い。

（４）ナセル４の上部に、長尺状導体電極７を鉛直方向に配置したが、鉛直方向から所望の角度だけ傾斜させても良い。

（５）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，２ｃ…ブレード
３…支柱
４…ナセル
５…ハブ
６…ギャップ電極
６ａ…上方電極
６ｂ…下方電極
７…長尺状導体電極
８…酸化亜鉛素子
９ａ，９ｂ…リード線
１０ａ，１０ｂ…支え

Claims (3)

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の回転軸を接続するハブと、を有する風力発電装置において、
   前記ナセル上部に、前記ハブの軸方向と垂直方向に延伸する金属製で避雷機能を備えた長尺状電極を配置し、当該長尺状導体電極の下方に、前記長尺状導体電極と電気的に接続された酸化亜鉛素子を前記支柱と絶縁して設置し、前記酸化亜鉛素子の一端には、１組の電極からなるギャップ電極のうちの一方の電極が植設され、前記ギャップ電極の他方の電極は、落雷時に前記一方の電極と放電可能なギャップ距離（ｄ）だけ離間して対向配置されるとともに、前記支柱と電気的に絶縁されたリード線を介して大地と接地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. 前記ギャップ電極を構成する各電極の径を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. 前記ギャップ電極を構成する両電極間のギャップ距離（ｄ）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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