JP2016142205A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いて、ブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレード、及びそれを用いた風力発電装置において、雷撃によりチップレセプタが飛散するのを、抑制することが可能な風車用ブレード及び風力発電装置を提供する。
【解決手段】チップレセプタ９と、ブレード先端開口部の形状による係止構造を用いて、ブレード先端へのチップレセプタ９の固定を行うようにした風車用ブレード４、及びそれを用いた風力発電装置において、チップレセプタ９とブレード先端開口部の形状による係止構造に加えて、ボルトなどの締結手段２０を用いて、チップレセプタ９とブレード４とを固定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、風車用ブレード及び風力発電装置にかかり、特にブレードの先端に受雷部（チップレセプタ）を有する風車用ブレード及び風力発電装置に関する。

風力発電装置はその高さゆえ落雷の危険性が非常に大きく、その対策は重要な課題の一つと考えられている。特に風車が大型化すると、ブレードの落雷被害の割合が大きくなることからブレードの落雷対策が重要となる。そのためブレード先端に受雷部（チップレセプタ）を設けることで、レセプタ以外のブレードへの雷撃を防ぐようにする落雷対策が行われている。

雷の中でも冬季における雷（冬季雷）には、電流継続時間が長く電荷量が大きいものがある。落雷に伴いブレードにはIECの規格で定められている雷電流保護レベルを超える1,000クーロンほどの雷電流が観測されているところもある。従って、実際に観測されている1,000クーロンレベル以上の落雷対策を行えば、冬季雷でのブレード被害発生を抑制することができ、風力発電装置の稼働率も向上する。

電荷量が大きい雷に対しては、チップレセプタが雷撃を受けても溶融や穴開きなどが生じないようにするため、チップレセプタの中でも中実レセプタの採用が望ましい。また、レセプタに落雷を生じさせ、レセプタ以外のブレードへの雷撃を防ぐ観点では、中実レセプタは電子を集めやすく、中空レセプタに比べて効果が大きい。中実レセプタをブレードの先端に取り付けるようにした風車用ブレードとしては、例えば、特許文献１に記載のものがある。また、中空レセプタをブレード先端に取り付けるようにした風車用ブレードとしては、例えば、特許文献２に記載のものがある。

特許文献１では、チップレセプタのブレードへの取り付けを、受雷部にアンカー部を設け、アンカー部をブレード先端へ固定することにより行っている。また、アンカー部の先端部は、先端に向けて幅が大きくなるテーパ形状を有し、この先端部をブレードに設けた係止用空隙に係止させ、さらに、接着剤による接合を行うようにしてアンカー部をブレードに確実に固定するようにしている。

特許文献２では、中実レセプタのブレードへの取り付けではないが、翼本体の少なくとも一部を構成する繊維強化プラスチックと、翼先端を形成する金属製レセプタとが少なくとも重ねられた状態で、繊維強化プラスチックが金属製レセプタに対してボルトで締結されるようにしている。

特開2011-163132号公報 ＷＯ 2013/084634 Ａ1

チップレセプタは、ブレードの回転に伴う遠心力を受ける。中実レセプタは中空レセプタに比して重いことからより大きな遠心力を受けるため、確実にブレードに取り付けることが重要である。チップレセプタのブレードへの取り付けは、従来、例えば、特許文献１に記載のように、チップレセプタとブレード先端の形状による係止構造を用いた取り付けか、特許文献２に記載のように、ボルトなどの締結手段を用いた取り付けが行われている。特許文献１に記載のような係止構造による取り付けでは、固定を確実にするため、接着剤を用いており、ボルトなどの締結手段の併用は行われていない。

ボルトなどの締結手段を用いた取り付けの場合、ボルトの頭部への雷撃によりボルトの頭部が脱落してしまうことも想定される。チップレセプタとブレード先端の形状による係止構造による取り付けでは、基本的にボルトなどの締結手段を用いる必要がないので、ボルトなどの締結手段の損傷という課題が生じない。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、チップレセプタとブレード先端の形状による係止構造による取り付けにおいても、雷撃によりチップレセプタのブレードへの固定が劣化し、チップレセプタがブレード先端から飛び出す場合がある（なお、この技術分野では、雷撃によりチップレセプタが飛び出すことをチップレセプタの飛散と呼称することが多い）。チップレセプタへの落雷に伴い、チップレセプタの飛散が生じるようなブレード被害が生じると、ブレードの修復に多くの時間や費用を必要とし、多額の損失となる可能性がある。

本発明の目的は、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置において、雷撃によりチップレセプタが飛散するのを抑制することが可能な風車用ブレード及び風力発電装置を提供することにある。

本発明は、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置において、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造に加えて、ボルトなどの締結手段を用いてチップレセプタとブレードとを固定するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレード及びそれを用いた風力発電装置において、雷撃によりチップレセプタが飛散するのを効果的に抑制することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用される風力発電装置（水平軸風車）の構成を説明するための説明図である。 本発明が適用される風車用ブレードの構成例を説明するためのブレードの概略図である。 本発明の一実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大図であり、チップレセプタをブレード先端に取り付ける構造を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の一実施例における風車用ブレードのチップレセプタの固定に用いる締結部材の断面図である。 本発明の図４に示す実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。 本発明の図４に示す実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、締結部材の頭部を除去した状態の図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の他の実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の図９に示す実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の一実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大図であり、ブレードの上面側をはがした状態の模式図である。 図１２の変形例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

先ず、本発明の至った経緯について詳細に説明する。
上述したように、本発明は、チップレセプタとブレード先端開口部の内壁の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレードに関するものである。チップレセプタとブレード先端開口部の内壁の形状による係止構造では、チップレセプタがブレード先端開口部外側に位置する部位（ブレード外側部）とブレード先端開口部内側に挿入される部位（ブレード内側部）とを備え、ブレード内側部の幅方向又は厚み方向の大きさがブレード先端開口部の内壁のそれよりも大きく構成されているため、チップレセプタは物理的にブレード先端開口部からの飛び出しが制限される。また、このような係止構造ではさらに接着剤によりチップレセプタのブレード内側部とブレード先端開口部の内壁とが固定されるため、チップレセプタのブレード先端開口部からの飛散が効果的に制限される。

しかしながら、結露水などの水分がブレード内にあると、被雷によって水分が蒸発してブレード内の圧力が上昇し、ブレードが破損することがあると言われている。これをブレード先端におけるチップレセプタの係止構造への影響について検討すること、被雷によって水分が蒸発して内部圧力が上昇することによりブレードの先端開口部が、チップレセプタのブレード内側部の幅方向または厚み方向の大きさよりも大きく開くことが想定される。しかし、ブレードの先端開口部が開いたとしても、ブレードの先端開口部内壁とチップレセプタのブレード内側部の表面が接着剤で固定されているので、チップレセプタがブレード先端開口部から飛散するのが効果的に抑制されると考えられる。ところが、雷撃によって接着剤が劣化して、接着剤の効果がなくなることも想定される。

このように、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造と接着剤を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにしても、雷撃により係止構造や接着剤の劣化が生じれば、チップレセプタの飛散を効果的に抑制することが困難である。本発明者らはこのような検討に基づき、雷撃により係止構造や接着剤の劣化が生じたとしても、チップレセプタの飛散を効果的に抑制することができないか種々検討を行った。

その検討の結果、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造に加えて、ボルトなどの締結手段によりチップレセプタとブレードとを固定するようにしておけば、雷撃によりブレード先端開口部が開き係止構造が劣化、また、接着剤が劣化したとしてもボルトなどの締結手段によりチップレセプタのブレード先端開口部からの飛散を効果的に抑制することができる。ここで、本発明では、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造が主たるチップレセプタの固定手段であり、ボルトなどの締結手段は補助的なチップレセプタの固定手段である。言い換えれば、ボルトなどの締結手段を備えなくても、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造によってチップレセプタをブレード先端開口部に固定できている。ボルトなどの締結手段をメインのチップレセプタの固定手段とした場合には、雷撃によるボルト頭部の脱落などが懸念されることからチップレセプタの固定手段として用いるには様々な検討が必要と考えられる。しかし、本発明のように、ボルトなどの締結手段を補助的なチップレセプタの固定手段として用いる場合には、例え、ボルトの頭部が脱落してもチップレセプタの固定に大きな障害は生じない。本発明はこのようにボルトなどの締結手段を補助的なチップレセプタの固定手段としてチップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造と併用することにより、雷撃により係止構造や接着剤の劣化が生じたとしても、チップレセプタの飛散を効果的に抑制することができる。また、本発明では、チップレセプタに作用する遠心力を係止構造や接着剤に加えてボルトなどの締結手段でも保持するようにしているので、チップレセプタに作用する遠心力が分散して保持され、係止構造や接着剤の劣化抑制が期待できる。

次に本発明の実施例を説明する。まず、図１及び図２を用いて、本発明が適用されるブレード４を備えた水平軸風車１の構成について説明する。
水平軸風車１は、図１に示すように、地上に設置されるタワー２、タワー２の頂部に取り付けられたナセル３、ナセル３の内部の主軸（図示省略）に取り付けられたブレード４等から構成されている。主軸には減速機を介して発電機が連結されており、ブレード４の回転に基づき発電機で発電が行われる。ブレード４は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の外皮と、この外皮の内側に配置される主桁（図示省略）とを備えて構成されている。

ブレード４には、雷保護装置としてレセプタ（受雷部）が設置されている。レセプタは引き下げ導体（ダウンコンダクタ）により接地極に接続され、引き下げ導体は、レセプタから接地極に雷電流を速やかに導電する。本実施例では、ブレード４の先端部に、受雷部であるがチップレセプタ９が設けられている。また、ブレードの大きさに応じて中間レセプタ１６が設けられている。また、本実施例では、引き下げ導体は、接地用避雷導線１１、タワー内避雷導線１２、ナセル内避雷導線１３、ブレード内避雷導線１４から構成されている。また、引き下げ導体には、その目的のため特別に設置したものではないが、構造体利用（雷保護機能を果たす構成部材）の引き下げ導体も含む。引き下げ導体は雷のエネルギー（電荷量）を考慮した材質や太さなどで構成される。銅線の他、アルミニウム製の導線などが用いられる。

タワー２の設置場所近傍の地中には、図１に示すように、接地極として、接地金属板１０が埋設されており、この接地金属板１０とタワー２の接地端子２ａとの間に引き下げ導体（ダウンコンダクタ）の一部である接地用避雷導線１１が配されている。また、タワー２の内部には、図１に示すように引き下げ導体の一部であるタワー内避雷導線１２が配されている。タワー内避雷導線１２の下端はタワー２の下部に設けられた接地端子２ａに接続されており、これによってタワー内避雷導線１２と接地金属板１０とが電気的に接続されている。また、タワー内避雷導線１２の上端はナセル３の内部に配された引き下げ導体の一部であるナセル内避雷導線１３に接続されている。

ナセル３の内部には、図１に示すようにナセル内避雷導線１３が配されている。ナセル内避雷導線１３の一端はタワー内避雷導線１２に接続され、ナセル内避雷導線１３の他端はブレード４の内部に配された引き下げ導体の一部であるブレード内避雷導線１４の一端に接続される。ブレード内避雷導線１４の他端は受雷部９に接続される。また、中間レセプタ１６が設けられている場合には、ブレード内避雷導線１４の途中で中間レセプタ１６に接続されている。また、ナセル３の後方には、図１に示すように避雷針５が設けられている。避雷針５は風速計や風向計を雷から保護するために設置される。この避雷針５も、ナセル内避雷導線１３を介してタワー内避雷導線１２に接続されている。

水平軸風車１のブレード４に設けられチップレセプタ９に落雷した場合には、落雷の電流は、ブレード内避雷導線１４、ナセル内避雷導線１３、タワー内避雷導線１２、接地用避雷導線１１及び接地金属板１０を順次経由して地中に誘導される。また、避雷針５に落雷した場合には、落雷の電流は、ナセル内避雷導線１３、タワー内避雷導線１２、接地用避雷導線１１及び接地金属板１０を順次経由して地中に誘導される。

次に、図３〜図１３を用いて、ブレード（ブレード本体）４の先端開口部へのチップレセプタの固定構造について詳細に説明する。
チップレセプタ９は、図３に示すように、ブレード先端開口部外側に位置する部位（ブレード外側部９ａ）とブレード先端開口部内側に挿入される部位（ブレード内側部９ｂ）を備える。チップレセプタ９は一体的に形成されているものであり、例えば、ブレード先端開口部に取り付ける前は複数の部材から構成され、ブレード先端開口部に取り付けた状態で複数の部材が接して一つのレセプタを構成するようなものは、本発明における一体的に形成されたチップレセプタとは言わない。また、ブレード先端開口部における開口は、半割状の二つのブレード面（背側面と腹側面）を合せることにより、ブレード先端に形成される円形状の開口である。

チップレセプタ９のブレード内側部９ｂは、幅方向（図３の左右方向）又は厚み方向（図３の紙面と略垂直に交差する方向）の大きさがブレード先端開口部のそれよりも大きい部位を有するように構成することにより、所謂、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を構成している。言い換えれば、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造では、ブレード４の先端開口部の形状と、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂの形状との関係が、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂをブレード４の先端開口部に取り付けた状態で、ブレード４の先端開口部の平面と垂直な方向から見たときに、ブレード４の先端開口部の内壁部とチップレセプタ９のブレード内側部９ｂが重なり合う領域を有する関係にある。

本実施例では、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂは、厚み方向（図３の紙面と略垂直に交差する方向）の大きさがブレード先端開口部のそれよりも大きく構成されている（図４、図６〜図１１参照）。
なお、特許文献２では、断面で見た場合、繊維強化プラスチックと金属製レセプタが重なり合う領域において、金属製レセプタは、その第１凹部における厚さ（吸引面側の第１凹部の表面から圧力面側の第１凹部の表面までの距離）が、繊維強化プラスチックの先端における間隔（繊維強化プラスチックの吸引面側の金属製レセプタとの接触面から圧力面側の金属製レセプタとの接触面までの距離）よりも大きくなっている領域を有するが本実施例の構成を示唆するものではない。すなわち、特許文献２では、金属製レセプタも半割形状の吸引側部位と圧力側部位の二つに分離されて構成されており、本発明における一体的に形成されたチップレセプタには該当しない。さらに、特許文献２では、金属製レセプタの第１凹部における繊維強化プラスチックが吸引面側と圧力面側の二つの平板として金属製レセプタの第１凹部のみを挟み込むように位置しており、ブレード先端開口部を形成していない。そのため、特許文献２の構成では、繊維強化プラスチックと金属製レセプタを締結するボルトが雷撃で損傷した場合には、翼の回転や振動などで、金属製レセプタが繊維強化プラスチックから離脱する可能性があり、金属製レセプタと繊維強化プラスチックの形状による係止構造を構成するものとは言えない。

本実施例では、上述の係止構造に加えて、ボルトなどから構成される締結手段２０を用いてブレード４の先端部とチップレセプタ９のブレード内側部９ｂとを共締めしている。締結手段２０はブレードの幅方向に複数（本実施例では二つ）並んで取り付けられている。締結手段２０の詳細は図４〜図１１を用いて説明する。

また、ブレード４の先端部側の上面には水抜き穴１５が形成されている。この水抜き穴１５は、被雷による内部圧力の上昇を防ぐために、ブレード内部に水が溜まらないようにするものである。ブレード４の回転時に遠心力により水抜き穴１５から水が抜けるようになっている。

レセプタは、雷を受けると熱により溶融する場合がある。このため、熱による温度上昇を考慮して十分な性能を維持出来る材料や大きさが選定される。本実施例では、チップレセプタ９を中実レセプタとして体積を大きくするともに、導電性が高いアルミニウム、銅や黄銅を用いて構成している。なお、中実レセプタとは、ボルトなどの締結手段を取り付けるための孔や、引き下げ導体を取り付けるために形成した孔等以外に空間部を有しないレセプタであり、特に、本実施例では、レセプタ９のブレード外側部９ａ内に空洞を有しないものを中実レセプタと称する。中実レセプタは電子を集めやすい特長があり、チップレセプタ９に落雷を生じさせ、レセプタ以外のブレードへの雷撃を防ぐ効果が高い。また、レセプタは強度があるほど望ましく、雷撃を受けた際に溶けることがなく、穴の空く危険性が小さくするためにも中実レセプタとして構成することが望ましい。

図４に示すように、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂは、ブレードの先端側から根元側に向う方向に広がりを有し、また、ブレード４の先端開口部の内壁面に接する当接面を有している。ここでいう当接面とは、ブレードの内壁面とチップレセプタの外壁面が密着する面のことを言う。この当接面はブレード４の先端開口部の内壁面によってブレード先端開口部の外側（図面左側）に向かう動きが規制され、チップレセプタ９のブレード４からの飛散が抑制される。すなわち、ブレードの断面が開かない限りは、チップレセプタがブレードの先端開口部から抜けない構造となっている。

さらに、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂの当接面とブレード４の先端開口部の内壁面との間には接着剤２６が施され、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂのブレード４の先端開口部の内壁面への固定を確実なものとしている。接着する面は、チップレセプタ平面のほぼ半分の面積を有しており、チップレセプタに掛かる遠心力に十分に耐える接着力により固定されていることが望ましい。ここでいう接着材料とは、ＦＲＰを構成する樹脂と同じエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂系接着剤であることが望ましいが他の粘着力を有するものでも構わない。

ブレード４の先端開口部の内壁面とチップレセプタ９のブレード内側部９ｂの表面は、ブレードとチップレセプタの間で摩擦力が生じるような粗さを有するものとしても良い。すなわち、チップレセプタ９のブレード外側部９ａの表面よりもブレード内側部９ｂの表面を粗く形成するか、ブレード４の先端開口部の内壁面を他の部位のブレード内壁面よりも粗く形成するか、ブレード内側部９ｂの表面とブレード４の先端開口部の内壁面の双方をブレード外側部９ａの表面や他の部位のブレード内壁面よりも粗く形成する。これにより、ブレードのチップレセプタに対する拘束力が向上する。その結果、チップレセプタがブレードと接着される面から遠心力により離れようとする力が弱まり、チップレセプタの離脱を効果的に抑制することができる。

そして、本実施例では、締結手段２０を用いてブレード４の先端部とチップレセプタ９のブレード内側部９ｂとを共締めしている。
締結手段２０は、図５に示すように、筒状の通しボルト座２０ａと通しボルト座２０ａ内に挿入されるボルト２０ｂとから構成されている。ボルト２０ｂは通しボルト座２０ａよりも長く、通しボルト座２０ａは筒状の座金ともいえる。このように構成したのは、締結手段２０の体積を大きくすることにより締結手段内に熱が籠らないようにするためである。締結手段２０の体積を大きくすることにより熱容量を大きくすることができることから、締結手段２０に落雷した場合、締結手段内部の急激な温度上昇を抑制することができる。また、締結手段２０を後述のようにアルミニウムで構成すれば、アルミニウムは導電性も優れることから、雷撃による電流による内部発熱も小さくすることができる。さらに、アルミニウムは熱伝導性も優れることから、雷撃により締結手段内部に伝達される熱や締結手段内部で生じた熱を速やかに分散することもできる。
ボルトのみで締結手段を構成した場合、ボルトの外径を大きくする必要があるが、そのような大きなボルトを形成するのはコストがかかる。そこで、本実施例では、締結手段２０を通しボルト座２０ａとボルト２０ｂとで構成することにより、締結手段２０の大径化と、ボルト２０ｂの小径化を実現している。この締結手段は、本発明の風車用ブレード以外にも適用可能であり、ボルト頭部への雷撃によるボルト頭部の脱落などの抑制に効果が期待できる。

本実施例では、例えば、通しボルト座２０ａの外径を３０ｍｍとし、ボルト２０ｂの径を１０ｍｍ程度としている。なお、本発明では、締結手段２０は補助的なチップレセプタの固定手段であるので、特許文献２に記載のような主たるチップレセプタの固定手段としてボルトを用いるのと異なり、ボルト２０ｂを小径としても問題がない。

締結手段２０はブレード４とチップレセプタを固定するものであれば良い。また、締結手段２０はチップレセプタと異種のものであると腐食が引き起こされる可能性がある。そのため、締結手段２０はチップレセプタと同じ素材であることが望ましい。チップレセプタをアルミニウム素材で構成した場合、チップレセプタに接する外側はアルミニウム素材で内側はステンレス鋼材として構成することが考えられる。締結手段２０を通しボルト座２０ａとボルト２０ｂとで構成する場合、通しボルト座２０ａは全体をアルミニウムで構成し、そして、ボルト２０ｂは芯をステンレス素材とし、この芯材をアルミニウムで覆うように構成することが考えられる。この構成により、軽さと強度の高さを実現することができ、ブレードが回転する際に締結手段２０の遠心力を軽減することができ、ブレードへの負荷を軽減し劣化の危険性を低減することができる。

また、通しボルト座２０ａは頭部が皿状に形成されており、ボルト２０ｂの頭部も皿状に形成されている。通しボルト座２０ａの頭部の内壁部は、ボルト２０ｂの頭部と密着するように、皿状の座繰りが形成されている。このように締結手段２０を構成することにより、ボルト２０ｂの頭部が外部に突出しないように構成することができ、ボルト頭部への落雷を抑制することが期待できる。そして、ボルト２０ｂの皿状の頭部と通しボルト座２０ａの皿状の座繰り面によりボルト頭部と通しボルト座を広い接触面で密着させることができるので、ボルト頭部に落雷しても落雷に起因する熱を広い接触面を介して通しボルト座２０ａに伝えることができる。これらによって、ボルト頭部の脱落を効果的に抑制することができる。同様に、ブレード４の一方の面４ａには、通しボルト座２０ａの頭部と密着するように座繰りが形成されている。チップレセプタ９のブレード内側部９ｂには、通しボルト座２０ａの直線部が挿入される孔と、ボルト２０ｂのネジ部と螺合する雌ネジ部が形成されている。通しボルト座２０ａの頭部の内壁部や、ブレード４に形成する座繰りは、皿状としているが、筒状でも良く皿状に限定されない。ただし、ボルトなどの頭部との密着性を向上させることや接触面積を大きくするという観点で、皿状に形成した方が望ましい。また、ブレードの表面に締結手段２０（通しボルト座２０ａ）の頭部が密接する結果、ブレードへの負荷が軽減され、ブレードの劣化を抑えることができる。

図４に示す実施例では、ブレード４の一方の面４ａに締結手段２０を取り付けているが、他方の面４ｂに締結手段２０を取り付けるようにしても良いし、一方の面４ａと他方の面４ｂの双方に締結手段２０を取り付けるようにしても良い。双方に設けた場合には、ブレードとチップレセプタの接着材料に異常が発生し、万一、上面と下面が乖離しそうになっても、双方の締結手段により確実に固定され、チップレセプタ９がブレード４の先端開口部から抜け出ることを効果的に抑制することができる。

また、締結手段２０の位置はブレードやチップレセプタの淵といった端部ではなく、内側に設けられている。締結手段２０の被締結部材に対する締結力が、ブレードやチップレセプタに働き、亀裂などの損傷を与える危険性があるためである。

図６に示すように、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂには引き下げ導体の一部であるブレード内避雷導線２４がボルト２１により締結されている。ブレード内避雷導線２４には端子２２が取り付けられ、ボルト２１を用いて端子２２をチップレセプタ９のブレード内側部９ｂに固定するようにしている。本実施例では引き下げ導体としてアルミニウム製の導線を用いている。アルミニウムは、銅と比べて導電率は低いものの、主要な構造材にも使用される構造用軽量素材である。このため、銅と同程度の導電性を確保するために大径化しても、軽量素材であることから、風車用ブレードの重量を増加させることがない。寧ろ大径化したことと相俟って、構造用素材という特徴により、中実レセプタであるチップレセプタ９に作用する遠心力に十分に耐える強度を持つ引き下げ導体とすることができる。本実施例では、引き下げ導体であるブレード内避雷導線２４を一本としているが、２本としても良い。２本とすることにより、電流継続時間が長く電荷量が大きい雷にも容易に対応することができるとともに、引き下げ導体によりチップレセプタ９の飛散も効果的に抑制することができる。

締結手段２０によりチップレセプタ９をブレード４の先端開口部への取り付けたあとに、図７に示すように、締結手段２０（通しボルト座２０ａ）の頭部を除去して研磨し、締結手段２０の頭部がブレード面から突出しないようにし、ブレード先端部の表面を滑らかに形成することが望ましい。このようにすることによって、ブレード先端における空気の流れを乱すことがなく、また、雷が締結手段に直撃することを低減できると期待できる。ブレード先端における空気の流れを抑制することによって、風車の効率向上や騒音防止の効果が期待できる。なお、締結手段２０をブレードに取り付けたときに、ボルト２０ｂの頭部がブレード面よりも外に出ないように、通しボルト座２０ａの座繰りやボルト２０ｂの頭部を構成することによって、ボルト２０ｂの頭部を除去しないようにすることができ、ボルト頭部の強度低下を防止することができる。これらの点は後述の実施例にも同様に適用した方が望ましい。

図８に中実レセプタを採用した他の実施例を示す。本実施例では、締結手段２００を通しボルト座２００ａ、ボルト２００ｂ、ナット２００ｃから構成し、一方の面４ａと他方の面４ｂの双方からチップレセプタ９のブレード内側部９ｂとブレード先端部に対して締結手段２００による締結力を加えるようにしている。ナット２００ｃは袋ナットとして構成され、ボルト２００ｂがねじ込まれる。ナット２００ｃｃの頭部（ブレード先端に接する部分）も通しボルト座２００ａと同様に皿状に形成され、ブレード先端には皿状の座繰りが形成されている。

本実施例では、通しボルト座２００ａ、ボルト２００ｂ（芯は必要に応じてステンレス材）、ナット２００ｃをアルミニウムで構成しているが、通しボルト座２００ａ及びボルト２００ｂとナット２００ｃが連結しているので、通しボルト座２００ａ及びボルト２００ｂとナット２００ｃの間にスパークが飛ばずに済む。

なお、上述の実施例では、ナット２００ｃを用いて、ブレード先端において両側からチップレセプタ９のブレード内側部９ｂとブレード先端部に対して締結手段による締結力を加えるようにしているが、ナット２００ｃを省略して、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂと、通しボルト座２００ａ及びボルト２００ｂと接する側と反対側のブレード先端部にボルト２００ｂがねじ込まれる雌ネジを形成するようにしても良い。

レセプタを上述のように中実レセプタとして構成することにより、本実施例では次のような効果も期待できる。すなわち、レセプタをアルミニウムで構成することによりレセプタを軽量化することができることから、中実レセプタを、例えば、1,500クーロンレベルの落雷にも耐えうるように大きな体積（例えば３００ｃｃ程度）のレセプタとして構成できる。すなわち、レセプタを大きな体積のものとして構成することにより熱容量を大きくすることができることから、雷撃によるレセプタ内部の急激な温度上昇を抑制することができる。また、レセプタを構成するアルミニウムは導電性も優れることから、雷撃による電流による内部発熱も小さくすることができる。さらに、レセプタを構成するアルミニウムは熱伝導性も優れることから、雷撃によりレセプタ内部に伝達される熱やレセプタ内部で生じた熱を速やかに分散することもできる。これらにより、例えば、1,500クーロンレベルの落雷にも耐えうるレセプタを構成することができる。そして、チップレセプタを中実レセプタで構成し、本発明のチップレセプタの固定方法を採用することによって、雷撃を受けてもチップレセプタを飛散させることなくブレード先端開口部に保持できる。そして、引き下げ導体として大径（φ１８ｍｍ程度）のアルミニウム導線を用いることよって、落雷による電流を障害なく接地極に誘導でき、例えば、1,500クーロンレベルの落雷にも耐えうるブレードの避雷装置を実現することができる。

上述したように、大きなエネルギーの雷対策としては、中実レセプタの採用が望ましい。しかしながら、本発明の原理は、中空レセプタにも適用できるものである。図９〜図１１に本発明を中空レセプタに適用した実施例について示す。

本実施例では、中空のチップレセプタ９’（ブレード外側部９ａ’及びブレード内側部９ｂ’）を用いている点、締結手段として二種類の締結手段２０’、２０’’を用いている以外は、図４、図６に示した実施例と同様である。同じ点については説明を省略する。締結手段２０’、２０’’は、それぞれ通しボルト座２０ａ’とボルト２０ｂ’、通しボルト座２０ａ’’とボルト２０ｂ’’で構成されている。本実施例では、締結手段２０’がブレード４の面４ａ側に取り付けられ、締結手段２０’’がブレード４の面４ｂに取り付けられている。締結手段２０’と締結手段２０’’の双方がブレードとチップレセプタを貫通するように設けられており、そして、締結手段２０’のボルト２０ｂ’と締結手段２０’’のボルト２０ｂ’’の先端が螺合するように構成されている。本実施例でも補助的なチップレセプタの固定手段である締結手段を係止構造と併用することによって、チップレセプタがブレード先端開口部から飛散するのを効果的に抑制することができる。なお、本実施例では、締結手段２０’、２０’’をブレードの厚み方向の両側から貫通させ、締結手段２０’、２０’’のボルト２０ｂ’、２０ｂ’’を連結させることによりスパークが飛ばずに済む。

図９及び図１０に示す実施例では、中空のチップレセプタ９’のブレード内側部９ｂ’は板状に形成されており、締結手段２０’、２０’’はその長さ方向の一部しかブレード内側部９ｂ’に接していない。このため、締結手段２０’、２０’’はチップレセプタ９’に作用する遠心力を分散して保持することができない。締結手段においてチップレセプタ９’に作用する遠心力を分散して保持することができるように、締結手段が取り付けられるチップレセプタのブレード内側部の箇所は板状ではなく、締結手段の長さ方向の全体を実質的にカバーするようにブロック状に構成するのが望ましい。

この構成を図１１に示す。図１１に示すように、中空のチップレセプタ９’’のブレード内側部９ｂ’’の一部９ｃ’’を締結手段２０の長さ方向の全体を実質的にカバーするようにブロック状の形成し、このブロック状の箇所に、締結手段２０を取り付ける。このように構成することにより、締結手段２０（通しボルト座２０ａ）とチップレセプタ９’’のブレード内側部９ｂ’’の接触長さが大きくなり、チップレセプタ９’’に作用する遠心力を締結手段２０により分散して保持することができ、そして、係止構造や接着剤２６に加わる遠心力を低減し、これらの劣化を効果的に抑制することが期待できる。

図１２にブレード４の一方の面４ａをはがした状態の模式図を示す。図１２では、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂ上の接着剤の図示を省略し、また、締結手段２０など位置が認識しやすいように、ボルトの頭部を追記している。
図１２に示す例では、チップレセプタ９のブレード内側部９ｂがブレードの根元側に向かう方向に幅が広がるように形成されている。エポキシ樹脂系接着剤などの接着剤２６を充填することにより、接着剤２６が硬化した後には、接着剤２６がブレードの先端開口部の幅を実質的に規定することになるので、硬化した接着剤２６によってチップレセプタ９のブレード内側部９ｂがブレード先端開口部から抜け出るのを構造的に抑制しているとみることもできる。但し、接着剤２６の未充填箇所が生じることも想定されるので、ブレード４の外皮によってブレード４の先端開口部を規定し、それとの関係でチップレセプタ９のブレード内側部９ｂがブレード先端開口部から抜け出るのを構造的に規制するのが望ましい。

また、図１２に示す例では、ブレード内避雷導線（引き下げ導体）２４を、固定部材２７を介してブレードの内側に設置される主桁２８に取り付けている。固定部材２７は主桁２７にボルトなどで固定され、ブレード内避雷導線（引き下げ導体）２４は固定部材２７に固定されている。上述したように、引き下げ導体としてアルミニウム導線を用いればチップレセプタの飛散防止の効果を向上させることができる。さらに、図１２に示すように、チップレセプタ９に端子２２を介して接続したブレード内避雷導線（アルミニウム導線）２４を近くにある主桁２７に固定すれば、チップレセプタ９に接続されたアルミニウム導線を張った状態で主桁２７に固定することが容易となる。その結果、チップレセプタ９に作用する遠心力を分担することも容易となり、チップレセプタ９に作用する遠心力に起因して係止構造や接着剤へ加わる力を小さくすることができ、係止構造や接着剤の劣化を抑制することも期待できる。

また、図１２に示す例では、主桁２８とチップレセプタのブレード内側部９ｂとを牽引索２９を用いて連結している。これによって、チップレセプタ９のブレードの先端開口部からの抜け出しをより効果的に抑制することができる。

図１３は図１２の変形例であり、この変形例では、チップレセプタ９が半円形の形状を有している。このような形状でも接着剤２６が硬化した後には、接着剤２６がブレードの先端開口部の幅を実質的に規定することになるので、硬化した接着剤２６によってチップレセプタ９のブレード内側部９ｂがブレード先端開口部から抜け出るのを構造的に抑制している。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

例えば、ロータがナセルの上流にあるアップウインド方式の風力発電装置でも一定の効果は期待できるものであり、本発明の想定の範囲に含まれるものである。また、締結手段２０は、通しボルト座２０ａを必須とするものではなく、また、ボルト２０ｂはブレードとチップレセプタを固定するものであれば同様の効果を奏することができる。例えば、ボルト２０ｂに代えて棒状のものを用い、棒状のものを圧入させたり接着剤を用いたりしてチップレセプタと固着させるようにしても良い。

４・・・ブレード（ブレード本体）、９・・・チップレセプタ、９ａ・・・チップレセプタのブレード外側部、９ｂ・・・チップレセプタのブレード内側部、２０・・・締結手段、２０ａ・・・通しボルト座、２０ｂ・・・ボルト、２４・・・ブレード内避雷導線（引き下げ導体）、２６・・・接着剤。

本発明は、風力発電装置にかかり、特にブレードの先端に受雷部（チップレセプタ）を有する風車用ブレードを備える風力発電装置に関する。

本発明の目的は、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレードを備える風力発電装置において、雷撃によりチップレセプタが飛散するのを抑制することが可能な風車用ブレードを備える風力発電装置を提供することにある。

本発明は、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレードを備える風力発電装置において、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造に加えて、ボルトなどの締結手段を用いてチップレセプタとブレードとを固定し、また、ブレード先端開口部の内側でレセプタに接続される引き下げ導体を備えるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、チップレセプタとブレード先端開口部の形状による係止構造を用いてブレード先端へのチップレセプタの固定を行うようにした風車用ブレードを備える風力発電装置において、雷撃によりチップレセプタが飛散するのを効果的に抑制することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

しかしながら、結露水などの水分がブレード内にあると、被雷によって水分が蒸発してブレード内の圧力が上昇し、ブレードが破損することがあると言われている。これをブレード先端におけるチップレセプタの係止構造への影響について検討すると、被雷によって水分が蒸発して内部圧力が上昇することによりブレードの先端開口部が、チップレセプタのブレード内側部の幅方向または厚み方向の大きさよりも大きく開くことが想定される。しかし、ブレードの先端開口部が開いたとしても、ブレードの先端開口部内壁とチップレセプタのブレード内側部の表面が接着剤で固定されているので、チップレセプタがブレード先端開口部から飛散するのが効果的に抑制されると考えられる。ところが、雷撃によって接着剤が劣化して、接着剤の効果がなくなることも想定される。

本発明が適用される風力発電装置（水平軸風車）の構成を説明するための説明図である。 本発明が適用される風車用ブレードの構成例を説明するためのブレードの概略図である。 本発明の一実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大図であり、チップレセプタをブレード先端に取り付ける構造を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の一実施例における風車用ブレードのチップレセプタの固定に用いる締結部材の断面図である。 本発明の図４に示す実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。 本発明の図４に示す実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、締結部材の頭部を除去した状態の図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の他の実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の参考例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の図９に示す参考例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。 本発明の参考例に係る風車用ブレードの先端部の拡大断面図であり、図３におけるＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本発明の一実施例に係る風車用ブレードの先端部の拡大図であり、ブレードの上面側をはがした状態の模式図である。 図１２の変形例を示す図である。

上述したように、大きなエネルギーの雷対策としては、中実レセプタの採用が望ましい。しかしながら、本発明の原理は、中空レセプタにも適用できるものである。図９〜図１１に本発明の原理を中空レセプタに適用した参考例について示す。

本参考例では、中空のチップレセプタ９’（ブレード外側部９ａ’及びブレード内側部９ｂ’）を用いている点、締結手段として二種類の締結手段２０’、２０’’を用いている以外は、図４、図６に示した実施例と同様である。同じ点については説明を省略する。締結手段２０’、２０’’は、それぞれ通しボルト座２０ａ’とボルト２０ｂ’、通しボルト座２０ａ’’とボルト２０ｂ’’で構成されている。本参考例では、締結手段２０’がブレード４の面４ａ側に取り付けられ、締結手段２０’’がブレード４の面４ｂに取り付けられている。締結手段２０’と締結手段２０’’の双方がブレードとチップレセプタを貫通するように設けられており、そして、締結手段２０’のボルト２０ｂ’と締結手段２０’’のボルト２０ｂ’’の先端が螺合するように構成されている。本参考例でも補助的なチップレセプタの固定手段である締結手段を係止構造と併用することによって、チップレセプタがブレード先端開口部から飛散するのを効果的に抑制することができる。なお、本参考例では、締結手段２０’、２０’’をブレードの厚み方向の両側から貫通させ、締結手段２０’、２０’’のボルト２０ｂ’、２０ｂ’’を連結させることによりスパークが飛ばずに済む。

図９及び図１０に示す参考例では、中空のチップレセプタ９’のブレード内側部９ｂ’は板状に形成されており、締結手段２０’、２０’’はその長さ方向の一部しかブレード内側部９ｂ’に接していない。このため、締結手段２０’、２０’’はチップレセプタ９’に作用する遠心力を分散して保持することができない。締結手段においてチップレセプタ９’に作用する遠心力を分散して保持することができるように、締結手段が取り付けられるチップレセプタのブレード内側部の箇所は板状ではなく、締結手段の長さ方向の全体を実質的にカバーするようにブロック状に構成するのが望ましい。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例・参考例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例・参考例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

Claims (15)

1. ブレード本体と、前記ブレード本体の先端に取り付けられたレセプタとを有する風車用ブレードであって、
   前記レセプタは、一体的に形成され、かつ、前記ブレード本体の先端開口部の外側に位置するブレード外側部と前記先端開口部の内側に位置するブレード内側部を備え、
   前記ブレード内側部は幅方向又は厚み方向の大きさが前記ブレード先端開口部の内壁の幅方向又は厚み方向の大きさよりも大きい部位を備え、
   前記ブレード内側部と前記ブレード本体とを締結する締結手段を有することを特徴とする風車用ブレード。
2. 請求項１に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記締結手段が取り付けられる前記レセプタのブレード内側部の箇所を前記締結手段の長さ方向をカバーするようにブロック状に形成したことを特徴とする風車用ブレード。
3. 請求項１または２に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記レセプタは中実レセプタであることを特徴とする風車用ブレード。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
   前記レセプタのブレード内側部は、前記ブレード本体の先端から根元に向かう方向に広がりを有するように形成され、
   前記ブレード本体の先端開口部の内壁は、前記レセプタのブレード内側部に密接するように形成されていることを特徴とする風車用ブレード。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
   前記ブレード内側部と前記ブレード先端開口部の内壁面との間に接着剤を充填したことを特徴とする風車用ブレード。
6. 請求項５に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記接着剤は、エポキシ樹脂系接着剤であり、硬化した前記エポキシ樹脂系接着剤によって、前記ブレード先端開口部の内壁を構成していることを特徴とする風車用ブレード。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
   前記締結部材の頭部は、前記ブレード本体と接する箇所が皿状に形成され、
   前記ブレード本体には、前記締結部材の頭部と接する箇所に皿状に座繰りが形成されていることを特徴とする風車用ブレード。
8. 請求項７に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記締結部材は、その頭部が前記ブレード本体の表面から突出しないよう形成されていることを特徴とする風車用ブレード。
9. 請求項１〜８の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
   前記締結手段は、前記ブレード先端部の背側面と腹側面の双方から前記レセプタのブレード内側部に取り付けられていることを特徴とする風車用ブレード。
10. 請求項９に記載の風車用ブレードにおいて、
    前記ブレード先端部の背側面と腹側面の双方から前記レセプタのブレード内側部に取り付けられる締結手段同士が、前記レセプタのブレード内側部において締結されていることを特徴とする風車用ブレード。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
    前記締結部材は、前記ブレード本体及び前記レセプタのブレード内側部に形成された孔に収容される筒状の通しボルト座と、前記通しボルト座に挿入されるボルトとから構成されていることを特徴とする風車用ブレード。
12. 請求項１１に記載の風車用ブレードにおいて、
    前記ボルトの頭部は皿状に形成され、
    前記通しボルト座の前記ボルトの頭部と接する部分には皿状の座繰りが形成されていることを特徴とする風車用ブレード。
13. 請求項１〜１２の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
    前記レセプタはアルミニウムで構成され、前記締結手段は、前記レセプタのブレード内側部と接する部分を少なくともアルミニウムで構成されていることを特徴とする風車用ブレード。
14. 請求項１〜１３の何れかに記載の風車用ブレードにおいて、
    前記ブレード先端開口部の内側で前記レセプタに接続される引き下げ導体をアルミニウム導線で構成したことを特徴とする風車用ブレード。
15. 請求項１〜１４に何れかに記載の風車用ブレードを備え、前記レセプタが引き下げ導体を介して接地極に接続されていることを特徴とする風力発電装置。

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