JP2016194266A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】翼に設置された電気機器などを雷撃から的確に保護し、安全性を向上する。【解決手段】実施形態の風力発電システムは、翼と落雷保護装置と電気機器と電圧印加機構と第１避雷素子と第２避雷素子と第３避雷素子とを有する。落雷保護装置は、翼にレセプタが設けられており、レセプタから避雷導線を介して雷電流を地中に導く。電気機器は、翼に設置されており、第１導電体と第２導電体とが間を隔てて設けられている。電圧印加機構は、第１導電体と第２導電体との間に電圧を印加する。第１避雷素子は、第１導電体に一端が電気的に接続され、他端が接地されている。第２避雷素子は、第２導電体に一端が電気的に接続され、他端が接地されている。第３避雷素子は、第１導電体に一端が電気的に接続され、第２導電体に他端が電気的に接続されている。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、風力発電システムに関する。

現在、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギ発電システムの導入が進められている。風力発電システムは、普及が進められている再生エネルギ発電システムの一つであって、風力エネルギを利用して発電を行う。しかし、日本における風力発電システムの普及率は、欧州などに比べて低い。

日本で風力発電システムの普及率が低いのは、地理的制約によるところが大きい。日本は、気象が山岳性であり、風力の変化および風向の変化が大きいので、風力発電の出力を安定的に維持することが困難である。このため、風車１台当たりの発電効率が低下し、その結果、風力発電システムの導入コストが上昇する。

日本のように風速および風向の変動が激しい地域に大規模な風力発電システムを導入するためには、上記の問題を克服する必要がある。つまり、耐変動型の風車を開発することが必須になる。そこで、風速および風向の変動に対応するために、プラズマ誘起流（気流）を発生させる気流発生装置を風車の翼面に配設することが提案されている。気流発生装置は、一対の電極間に誘電体が介在しており、その一対の電極間に電圧を印加することによって、プラズマ誘起流を発生させる。

風力発電システムにおいては、気流発生装置の他に、加熱装置、音響発生装置などの電気機器が、風車の翼に設置される場合がある。加熱装置は、たとえば、翼に固着した氷を融解するために、風車の翼に設置される。また、音響発生装置は、たとえば、振動を抑制するために、風車の翼に設置される。

特開２００８−２５４３４号公報 国際公開２０１２／１２６５５８号

風力発電システムは、高さが高いため、風車の翼などに頻繁に雷撃を受ける。そのため、雷撃の際に、翼に設置した電気機器に雷電流（サージ電流）が流れて電気機器が破損する場合がある。たとえば、翼に気流発生装置を設置した場合には、気流発生装置において金属材料で形成された電極に雷電流が流れることによって、電極が破損する。また、雷電流によって、気流発生装置の電極に電気的に接続された電源が破損する場合がある。この他に、翼において気流発生装置が設置された位置に近い部分が、雷電流によって損傷する可能性がある。ここで、雷電流とは、電気機器に雷が直撃する直撃雷による電流だけでなく、電気機器以外の部分、たとえば翼に備えられた受雷部やタワー等に雷が直撃した場合に電磁誘導によって電気機器に流れる、誘導雷による電流も含む。

このため、風力発電システムにおいて翼に設置された電気機器などを、雷撃から的確に保護する必要がある。つまり、信頼性が高い雷対策を施す必要がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、翼に設置された電気機器などを雷撃から的確に保護することが可能であって、安全性を向上可能な風力発電システムを提供することである。

実施形態の風力発電システムは、翼と落雷保護装置と電気機器と電圧印加機構と第１避雷素子と第２避雷素子と第３避雷素子とを有する。落雷保護装置は、翼にレセプタが設けられており、レセプタから避雷導線を介して雷電流を地中に導く。電気機器は、翼に設置されており、第１導電体と第２導電体とが間を隔てて設けられている。電圧印加機構は、第１導電体と第２導電体との間に電圧を印加する。第１避雷素子は、第１導電体に一端が電気的に接続され、他端が接地されている。第２避雷素子は、第２導電体に一端が電気的に接続され、他端が接地されている。第３避雷素子は、第１導電体に一端が電気的に接続され、第２導電体に他端が電気的に接続されている。

実施形態に係る風力発電システムの要部を模式的に示す斜視図である。 実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置が設置された部分を拡大して示す図である。 実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置およびレセプタが設置された部分を拡大して示す図である。 実施形態に係る風力発電システムの電気配線系統を模式的に示す図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

［Ａ］風力発電システム１０の構成
図１は、実施形態に係る風力発電システム１０の要部を模式的に示す斜視図である。

風力発電システム１０は、プロペラ風車であって、図１に示すように、タワー３０、ナセル３１、ロータ４０、および、風向風速計５０を備えている。この他に、風力発電システム１０は、気流発生装置６０（電気機器）およびレセプタ７０を備えている。

風力発電システム１０を構成する各部に関して、順次、説明する。

［Ａ−１］タワー３０
風力発電システム１０のうち、タワー３０は、図１に示すように、垂直方向に沿って延在しており、下端部が地面２０に固定されている。

［Ａ−２］ナセル３１
風力発電システム１０のうち、ナセル３１は、図１に示すように、タワー３０の上端部に設置されている。ナセル３１は、ヨー角の調整のために、タワー３０の上端部において垂直方向を軸にして回転可能に支持されている。

［Ａ−３］ロータ４０
風力発電システム１０のうち、ロータ４０は、図１に示すように、ナセル３１に回転可能に支持されており、水平方向を回転軸として回転する。ロータ４０は、ナセル３１の内部に収容された発電機（図示省略）に連結されており、ロータ４０の回転によって発電機が駆動して、発電が行われる。

図１に示すように、ロータ４０は、ハブ４１と複数の翼４２（ブレード）とを備えており、ハブ４１に複数の翼４２が設置されている。複数の翼４２のそれぞれは、ハブ４１を中心にして回転方向に間を隔てて取付けられている。たとえば、３枚の翼４２が設けられている。この３枚の翼４２のそれぞれは、ピッチ角の調整のために、翼根側に位置する一端がハブ４１に回転可能に支持されている。

［Ａ−４］風向風速計５０
風力発電システム１０のうち、風向風速計５０は、図１に示すように、ナセル３１の上面に取付けられている。風向風速計５０は、風速および風向きについて計測し、その計測したデータを制御部（図示省略）に出力する。そして、その計測データに応じて、制御部がヨー角やピッチ角の調整を行う。また、その計測データに応じて、制御部が放電用電源（図示省略）の動作を制御することによって、気流発生装置６０の動作を制御する。

［Ａ−５］気流発生装置６０およびレセプタ７０
風力発電システム１０のうち、気流発生装置６０およびレセプタ７０は、図１に示すように、翼４２に設置されている。

図２は、実施形態に係る風力発電システム１０において、気流発生装置６０が設置された部分を拡大して示す図である。図２は、断面図であって、翼４２の前縁部分について拡大して示している。

図３は、実施形態に係る風力発電システム１０において、気流発生装置６０およびレセプタ７０が設置された部分を拡大して示す図である。図３は、斜視図であって、一枚の翼４２について拡大して示している。図３は、翼４２のうち背側の表面を示している。

［Ａ−５−１］気流発生装置６０
気流発生装置６０は、図２に示すように、翼４２に設置されている。気流発生装置６０は、第１電極６１（第１導電体）と第２電極６２（第２導電体）と誘電体６３とを備えている。

図２に示すように、気流発生装置６０において、第１電極６１は、誘電体６３の表面に設けられている。第２電極６２は、誘電体６３の内部に設けられている。第１電極６１と第２電極６２との間には、誘電体６３が介在している。第１電極６１と第２電極６２とのそれぞれは、金属材料などの導電材料で形成されている。

気流発生装置６０において、誘電体６３は、誘電材料で形成されている。誘電体６３を構成する誘電材料は、使用用途および使用環境に応じて、固体の誘電材料から適宜選択して利用可能であって、複数種の誘電材料を組み合わせて利用してもよい。

図２に示すように、第１電極６１は、第１ケーブル配線６４ａが接続されている。そして、第２電極６２は、第２ケーブル配線６４ｂが接続されている。第１ケーブル配線６４ａと第２ケーブル配線６４ｂとのそれぞれは、翼４２の内部に収容された部分を含み、放電用電源６５（電圧印加機構）に電気的に接続されている。気流発生装置６０は、放電用電源６５が第１ケーブル配線６４ａと第２ケーブル配線６４ｂとのそれぞれを介して第１電極６１と第２電極６２との間に電圧を印加することによって、プラズマ誘起流が発生する。

気流発生装置６０において第１電極６１と第２電極６２との間には、たとえば、パルス状にパルス変調制御された電圧（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））、交流状の波形（正弦波、断続正弦波）を有する電圧が、放電用電源６５によって印加される。ここでは、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を放電用電源６５が変化させて、第１電極６１と第２電極６２との間に電圧が印加される。放電用電源６５の詳細な構成については後述する。

気流発生装置６０は、プラズマ誘起流が翼４２の前縁から翼４２の背側４２ａに向かって流れるように翼４２に配置されている。ここでは、気流発生装置６０は、図２に示すように、たとえば、第１電極６１のうち第２電極６２側に位置する一端が、翼４２の前縁に一致すると共に、第２電極６２を第１電極６１よりも翼４２の背側４２ａに位置するように配置されている。

図３に示すように、気流発生装置６０は、複数が翼スパン方向において並ぶように、翼４２の表面に設置されている。気流発生装置６０は、第１電極６１および第２電極６２の延在方向が、翼スパン方向に沿うように設置されている。

翼スパン方向に並ぶ複数の気流発生装置６０のそれぞれは、たとえば、複数の放電用電源６５のそれぞれに電気的に接続されており、互いに独立して動作が制御される。つまり、第１電極６１と第２電極６２との間に印加される電圧の条件（波高値、周波数、波形、変調周波数、デューティ比など）が、翼スパン方向に並ぶ複数の気流発生装置６０のそれぞれについて制御される。なお、複数の気流発生装置６０のそれぞれについて独立に電圧を制御可能な機能を備える電源であれば、複数でなく、単一であってもよい。

気流発生装置６０の配置は、上記の場合に、特に限定されない。気流発生装置６０は、翼４２の表面に発生する剥離流れ等を制御可能な位置に設置されることが好ましい。たとえば、気流発生装置６０は、上記のように、翼４２の前縁部に配置されることが好ましい。

気流発生装置６０は、上記の他に、たとえば、翼４２に形成した溝（図示なし）に嵌めこむように設置されてもよい。つまり、気流発生装置６０は、翼４２の表面から突き出た部分がないように設置されてもよい。

この他に、気流発生装置６０を翼４２に直接形成してもよい。この場合には、翼４２を構成する部分が上記の誘電体６３として機能するように、翼４２を形成することによって気流発生装置６０を設ける。たとえば、グラスファイバで合成樹脂の強度が強化されたＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などの誘電材料で翼４２を形成する場合に、気流発生装置６０を翼４２に直接形成することができる。

上記では、翼スパン方向に複数の気流発生装置６０を設置する場合について説明したが、これに限らない。たとえば、翼幅が小さい場合には、翼スパン方向において複数の気流発生装置６０を設置せずに、一つの気流発生装置６０を設置してもよい。

［Ａ−５−２］レセプタ７０
風力発電システム１０のうち、レセプタ７０は、図１，図３に示すように、翼４２に設置されている。レセプタ７０は、翼４２において意図していない部分へ落雷が生ずることがないように落雷を誘導し、落雷によって翼４２が損傷することを防止するために設けられている。

ここでは、レセプタ７０は、一の翼４２に対して複数が設置されている。具体的には、レセプタ７０は、翼４２の先端部４２ｂに設置されている。また、レセプタ７０は、図１および図３に示すように、翼４２において先端部４２ｂ側に位置する部分であって、腹側の表面（図１参照）および背側の表面（図３参照）のそれぞれに設置されている。

レセプタ７０は、たとえば、落雷時の溶損量が小さい金属材料で構成されることが好ましい。たとえば、レセプタ７０は、例えば、銅−タングステン合金、アルミニウムなどの金属材料を用いて形成される。

詳細については後述するが、レセプタ７０は、落雷保護装置（図示省略）を構成しており、レセプタ７０が受けた雷電流が地中に導かれるように構成されている。

［Ｂ］風力発電システム１０の電気配線系統
以下より、実施形態に係る風力発電システム１０の電気配線系統について説明する。

図４は、実施形態に係る風力発電システム１０の電気配線系統を模式的に示す図である。

図４に示すように、風力発電システム１０は、上記したレセプタ７０を含む落雷保護装置７００が設けられている。この他に、風力発電システム１０は、気流発生装置６０に電力を供給する放電用電源６５が設けられている。

落雷保護装置７００と放電用電源６５とに関して順次説明する。

［Ｂ−１］落雷保護装置７００
落雷保護装置７００は、図４に示すように、上述したレセプタ７０の他に、避雷導線７３を含む。落雷保護装置７００において、レセプタ７０は、避雷導線７３に電気的に接続されており、避雷導線７３を介して接地されている。

落雷保護装置７００のうち、避雷導線７３は、ケーブル配線７１と引き下げ導線７２と接続部７４とを含む。避雷導線７３は、ケーブル配線７１と引き下げ導線７２とが接続部７４を介して電気的に接続されている。

避雷導線７３において、ケーブル配線７１は、一端がレセプタ７０に電気的に接続されており、一端が接続部７４に電気的に接続されている。図示を省略しているが、ケーブル配線７１は、たとえば、ハブ４１と翼４２とを含むロータ４０（図１参照）などの回転体の内部に配置されている。図示を省略しているが、ケーブル配線７１は、ハブ４１と翼４２とを含むロータ４０（図１参照）などの回転体の内部において、第１ケーブル配線６４ａと第２ケーブル配線６４ｂとのそれぞれから、ほぼ等しい距離に位置している。

避雷導線７３において、引き下げ導線７２は、一端が接続部７４に電気的に接続され、他端が接地されている。引き下げ導線７２の他端は、たとえば、地中に埋め込まれている。引き下げ導線７２は、たとえば、ナセル３１、タワー３０などの静止体の内部に配置されている。

避雷導線７３において、接続部７４は、たとえば、ブラシや放電ギャップなどを含み、回転体に設置されたケーブル配線７１と、静止体に設置された引き下げ導線７２との間を電気的に接続している。

避雷導線７３は、落雷時には、数十ｋＡにも達する大電流が流れる。このため、避雷導線７３を構成するケーブル配線７１および引き下げ導線７２は、その大電流に対して十分に耐えるように、導線の径が設計されている。また、接続部７４は、接続抵抗が十分に低くなるように設計されている。

［Ｂ−２］放電用電源６５
[Ｂ−２−１]電圧印加部８３
放電用電源６５は、図４に示すように、電圧印加部８３を有する。電圧印加部８３は、発振器８１とトランス８２とを含み、筐体６５１に収容されている。なお、発振器８１とトランス８２とのそれぞれを別々の筐体に収納してもよい。

電圧印加部８３において、発振器８１は、１次電源８０に電気的に接続されており、１次電源８０から電力が供給され、高周波電圧を出力する。

電圧印加部８３において、トランス８２（変圧器）は、入力側の一次コイルが発振器８１に電気的に接続されており、出力側の二次コイルが気流発生装置６０に電気的に接続されている。トランス８２は、発振器８１から高周波の電圧が入力され、その入力された高周波の電圧を変圧する。

電圧印加部８３は、第１出力端子８４と第２出力端子８５とを含む。第１出力端子８４は、第１ケーブル配線６４ａを介して、気流発生装置６０の第１電極６１に電気的に接続されている。第２出力端子８５は、第２ケーブル配線６４ｂを介して、気流発生装置６０の第２電極６２に電気的に接続されている。電圧印加部８３は、第１出力端子８４および第２出力端子８５を介して、トランス８２が変圧した電圧を第１電極６１と第２電極６２との間に印加する。

筐体６５１は、接地導線１００が電気的に接続している。ここでは、接地導線１００は、一端が筐体６５１に電気的に接続され、他端が接地されている。接地導線１００は、避雷導線７３とは別系統で設けられていることが好ましい。すなわち、接地導線１００と避雷導線７３との間は、それぞれが独立した接地系統を構成していることが好ましい。なお、図示を省略しているが、接地導線１００の電路には、避雷導線７３の接続部７４と同様に、ブラシや放電ギャップなどの電気接続部品が介在していてもよい。

[Ｂ−２−２]第１避雷素子９１、第２避雷素子９２、第３避雷素子９３
放電用電源６５は、図４に示すように、電圧印加部８３の他に、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とを有する。第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれは、筐体６５１に収容されている。第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれは、サージ防護機器である。

第１避雷素子９１は、対地避雷素子であって、図４に示すように、第１電極６１に一端（図４では左端）が電気的に接続され、他端（図４では右端）が接地されている。ここでは、第１避雷素子９１の一端は、第１ケーブル配線６４ａを介して、気流発生装置６０の第１電極６１に電気的に接続されている。そして、第１避雷素子９１の他端は、接地導線１００が電気的に接続している筐体６５１を介して、接地されている。第１避雷素子９１は、電圧印加部８３のトランス８２を雷撃から保護するために設けられている。

第２避雷素子９２は、対地避雷素子であって、図４に示すように、第２電極６２に一端（図４では右端）が電気的に接続され、他端（図４では左端）が接地されている。ここでは、第２避雷素子９２の一端は、第２ケーブル配線６４ｂを介して、気流発生装置６０の第２電極６２に電気的に接続されている。そして、第２避雷素子９２の他端は、接地導線１００が電気的に接続している筐体６５１を介して、接地されている。第２避雷素子９２は、第１避雷素子９１と同様に、電圧印加部８３のトランス８２を雷撃から保護するために設けられている。

第３避雷素子９３は、線間避雷素子であって、図４に示すように、第１電極６１に一端（図４では右端）が電気的に接続され、第２電極６２に他端（図４では左端）が電気的に接続されている。ここでは、第３避雷素子９３の一端は、第１ケーブル配線６４ａを介して、気流発生装置６０の第１電極６１に電気的に接続されている。そして、第３避雷素子９３の他端は、第２ケーブル配線６４ｂを介して、気流発生装置６０の第２電極６２に電気的に接続されている。第３避雷素子９３は、気流発生装置６０を雷撃から保護するために設けられている。

第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれは、固有のインパルス動作電圧を有する。第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれは、両端に印加される印加電圧が、インパルス動作電圧以上である場合には、動作して、導通状態になり、インパルス動作電圧未満の場合には、絶縁状態を保持する。第１避雷素子９１のインパルス動作電圧Ｖ９１ｉと、第２避雷素子９２のインパルス動作電圧Ｖ９２ｉとは、互いに同じであることが好ましい（つまり、Ｖ９１ｉ＝Ｖ９２ｉ）。また、第３避雷素子９３のインパルス動作電圧Ｖ９３ｉは、第１避雷素子９１のインパルス動作電圧Ｖ９１ｉ、および、第２避雷素子９２のインパルス動作電圧Ｖ９２ｉよりも低い（つまり、Ｖ９１ｉ＝Ｖ９２ｉ＞Ｖ９３ｉ）。

この他に、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２とのそれぞれは、放電用電源６５が気流発生装置６０に気流を発生させるときに第１電極６１と第２電極６２との間に印加する通常の動作電圧Ｖｏｐｅでは絶縁状態から導通状態にならずに、トランス８２のインパルス耐電圧未満で絶縁状態から導通状態になるように構成されている。そして、第３避雷素子９３は、放電用電源６５が気流発生装置６０に気流を発生させるときに印加する通常の動作電圧Ｖｏｐｅでは絶縁状態から導通状態にならずに、気流発生装置６０のインパルス耐電圧未満で絶縁状態から導通状態になるように構成されている。

なお、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれは、一対の球がギャップを介在して保持されている空間球ギャップアレスタであることが好ましい。空間球ギャップアレスタは、針ギャップアレスタに比べて、ギャップ間における等電界の面積が広く、球の表面が雷撃によって粗くなっても、動作電圧の変化が小さい。また、空間球ギャップアレスタは、平板ギャップアレスタに比べて、端部の電界ひずみの影響が小さい。

図４に示すように、放電用電源６５の筐体６５１に収容した第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれが空間球ギャップアレスタである場合には、空間球ギャップアレスタの球の周囲に絶縁物の隔壁を設けることが好ましい。これにより、空間球ギャップアレスタの球から筐体へ放電が生ずることを防止可能である。

この他に、ギャップ間に所定の電圧で絶縁破壊する絶縁体を挿入した固体ギャップアレスタを、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれとして利用してもよい。

［Ｃ］動作
以下より、実施形態に係る風力発電システム１０の動作について説明する。

ここでは、風力発電システム１０が通常運転を行う場合と、風力発電システム１０に雷雲が接近した場合と、風力発電システム１０のレセプタ７０が雷を受けた場合とのそれぞれに関して、図４を参照して、順次、説明する。

［Ｃ−１］風力発電システム１０が通常運転を行う場合
まず、風力発電システム１０が通常運転を行うときの各部の動作に関して説明する。つまり、風力発電システム１０に雷雲が接近していない状態であって、レセプタ７０が雷を受けていない場合に関して説明する。

この場合には、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とのそれぞれは、インパルス動作電圧未満であるので動作せずに、絶縁状態である。気流発生装置６０の第１電極６１と電圧印加部８３の第１出力端子８４との間は、電気的に接続された状態である。これと共に、気流発生装置６０の第２電極６２と電圧印加部８３の第２出力端子８５との間は、電気的に接続された状態である。このため、電圧印加部８３が第１電極６１と第２電極６２との間に電圧を印加して、気流発生装置６０が気流を発生する動作を行うことが可能な状態である。

放電用電源６５の筐体６５１は、接地導線１００を介して接地されており、接地電位になっている。これに対して、トランス８２の２次側から気流発生装置６０までの間は、接地されていない状態であって、すべてが浮遊電位になっている。つまり、第１電極６１と第１出力端子８４との間を電気的に接続している第１ケーブル配線６４ａは、浮遊電位である。そして、第２電極６２と第２出力端子８５との間を電気的に接続している第２ケーブル配線６４ｂは、浮遊電位である。

上記の状態で、電圧印加部８３が第１電極６１と第２電極６２との間に電圧を印加することによって、気流発生装置６０が気流を発生する。

具体的には、電圧印加部８３においては、１次電源８０から発振器８１に電力が供給され、発振器８１が高周波の電圧をトランス８２に出力する。そして、その高周波の電圧をトランス８２が変圧する。そして、そのトランス８２で変圧された高周波の電圧が、第１ケーブル配線６４ａおよび第２ケーブル配線６４ｂを介して、第１電極６１と第２電極６２との間に印加される。第１電極６１と第２電極６２との間の電位差が一定の閾値以上になると、第１電極６１の近傍に放電が誘起される。このとき生成された電子やイオンは、電界によって駆動されて気体分子に衝突し、運動量が気体分子に移行する。これにより、第１電極６１付近に、プラズマ誘起流が発生する。

［Ｃ−２］風力発電システム１０に雷雲が接近した場合
つぎに、風力発電システム１０に雷雲が接近した場合について説明する。

風力発電システム１０に雷雲が接近した場合において、気流発生装置６０の第１電極６１が接地電位になっているときには、第１電極６１は、レセプタ７０と同様に受雷部として機能し、雷を受ける場合がある。気流発生装置６０の第１電極６１は、受雷部として機能することを想定した構造ではない。このため、第１電極６１は、直撃雷を受けて大電流が通流した場合、溶けて損傷する場合がある。これと共に、第１電極６１の付近にある誘電体６３が損傷する場合がある。

たとえば、負極性の雷雲が接近した場合には、レセプタ７０および第１電極６１は、大地から正極性の電荷が供給され、正極性の誘導電位を有することになる。そのため、第１電極６１のエッジ部から正極性のストリーマが進展する先駆放電が発生する。その結果、誘雷の確率が増加する。

しかしながら、本実施形態では、上記したように、トランス８２の２次側から気流発生装置６０までの間は、接地電位でなく、浮遊電位である。

このため、本実施形態では、気流発生装置６０に雷が直撃することを効果的に防止可能である。

［Ｃ−３］風力発電システム１０のレセプタ７０が雷を受けた場合
つぎに、風力発電システム１０のレセプタ７０が雷を受けた場合について説明する。

この場合には、たとえば、数十ｋＡの雷電流が、レセプタ７０から避雷導線７３を介して地中に流れる。つまり、ケーブル配線７１と接続部７４と引き下げ導線７２とを順次が介して雷電流が地中に流れる。

このとき、本実施形態では、ケーブル配線７１を流れる雷電流に起因して、第１ケーブル配線６４ａおよび第２ケーブル配線６４ｂにおいて、大きな誘導電圧が生ずる。

誘導電圧の大きさは、ケーブル配線７１に対する距離に反比例する。本実施形態では、上述したように、第１ケーブル配線６４ａとケーブル配線７１との間の距離、および、第２ケーブル配線６４ｂとケーブル配線７１との間の距離は、ほぼ等しい。このため、第１ケーブル配線６４ａと第２ケーブル配線６４ｂとのそれぞれは、互いがほぼ同じ電位になるように、電位が上昇する。つまり、コモンモードが誘起される。

しかし、本実施形態では、このコモンモードの電圧上昇から、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２とのそれぞれが、トランス８２を保護している。

具体的には、第１避雷素子９１は、上述したように、一端が第１ケーブル配線６４ａに電気的に接続され、他端が接地されている。そして、第２避雷素子９２は、上述したように、一端が第２ケーブル配線６４ｂに電気的に接続され、他端が接地されている。第１避雷素子９１と第２避雷素子９２とのそれぞれは、トランス８２のインパルス耐電圧以下の状態で動作して導通状態になる。このため、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２とのそれぞれは、コモンモードで上昇する電圧がトランス８２のインパルス耐電圧を超える前に導通状態になるので、第１ケーブル配線６４ａの電位および第２ケーブル配線６４ｂの電位の上昇を制限することができる。その結果、本実施形態では、トランス８２を効果的に保護することができる。

上述したように、第１避雷素子９１のインパルス動作電圧Ｖ９１ｉと、第２避雷素子９２のインパルス動作電圧Ｖ９２ｉとは、互いに同じであることが好ましい（つまり、Ｖ９１ｉ＝Ｖ９２ｉ）。しかしながら、第１避雷素子９１のインパルス動作電圧Ｖ９１ｉおよび第２避雷素子９２のインパルス動作電圧Ｖ９２ｉは、確率的にバラツキを有し、互いに異なる場合がある。特に、第１避雷素子９１および第２避雷素子９２が空間球ギャップアレスタである場合には、空間の破壊電圧は、球の表面状態、および、球から空間へ電子を供給する状態に応じて、大きくばらつく場合がある。その結果、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２との両者が同時に動作せずに、いずれかが先に動作する場合がある。

たとえば、第１避雷素子９１よりも先に第２避雷素子９２が動作して、第１避雷素子９１が絶縁状態であるときに第２避雷素子９２が導通状態になる場合がある。第１避雷素子９１と第２避雷素子９２との両者が動作せずに絶縁状態である場合には、第１ケーブル配線６４ａと第２ケーブル配線６４ｂとの間の電位差は小さく、第１電極６１と第２電極６２との間においては大きな電位差が発生しない。これに対して、上記のように、第２避雷素子９２が第１避雷素子９１よりも先に導通状態になったときには、第２電極６２は、第１電極６１とほぼ同じ電位から接地電位に変わる。その結果、第１電極６１と第２電極６２との間においては、大きな電位差が生じる。つまり、ノーマルモードの電圧が第１電極６１と第２電極６２との間に印加される。そして、第１電極６１と第２電極６２との間に生じたノーマルモードの電圧が、誘電体６３の耐電圧を超えたときには、誘電体６３において絶縁破壊が生じ、気流発生装置６０が損傷する場合がある。

しかし、本実施形態では、上記したノーマルモードの電圧の発生から、第３避雷素子９３が気流発生装置６０を保護している。

具体的には、第３避雷素子９３は、上述したように、一端が第１ケーブル配線６４ａを介して第１電極６１に電気的に接続され、他端が第２ケーブル配線６４ｂを介して第２電極６２に電気的に接続されている。第３避雷素子９３は、気流発生装置６０の誘電体６３のインパルス耐電圧未満で動作して、絶縁状態から導通状態になる。このため、第３避雷素子９３は、ノーマルモードの電圧が気流発生装置６０の誘電体６３のインパルス耐電圧を超える前に導通状態になるので、第１ケーブル配線６４ａと第２ケーブル配線６４ｂとの間の電位差が上昇することを制限することができる。その結果、本実施形態では、気流発生装置６０の誘電体６３に大きなノーマルモードの電圧が印加されずに、気流発生装置６０を効果的に保護することができる。

以上のように、実施形態に係る風力発電システム１０は、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とを有するので、レセプタ７０が雷を受けたときに生じる誘導電圧から、トランス８２と気流発生装置６０との両者を効果的に保護することができる。その結果、風力発電システム１０について、安全性を更に高めることが可能である。

［Ｄ］変形例
上記の実施形態では、気流発生装置６０を含む風力発電システム１０について説明したが、これに限らない。気流発生装置６０以外の電気機器が翼４２に設置された風力発電システムにおいて、第１避雷素子９１と第２避雷素子９２と第３避雷素子９３とを、上記の実施形態の場合と同様に設置してもよい。たとえば、電気機器が、加熱装置、音響発生装置等の能動的機器、ひずみセンサ、温度センサ等の計測機器である場合などに、上記のように構成してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、翼に設置された電気機器などを雷撃から的確に保護することが可能であって、安全性を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３１…ナセル、４０…ロータ、４１…ハブ、４２…翼、４２ａ…背側、４２ｂ…先端部、５０…風向風速計、６０…気流発生装置、６１…第１電極、６２…第２電極、６３…誘電体、６４ａ…第１ケーブル配線、６４ｂ…第２ケーブル配線、６５…放電用電源、７０…レセプタ、７１…ケーブル配線、７２…引き下げ導線、７３…避雷導線、７４…接続部、８０…１次電源、８１…発振器、８２…トランス、８３…電圧印加部、８４…第１出力端子、８５…第２出力端子、１００…接地導線、６５１…筐体、７００…落雷保護装置

Claims (4)

1. 翼と、
   前記翼にレセプタが設けられており、前記レセプタから避雷導線を介して雷電流を地中に導く落雷保護装置と、
   前記翼に設置されており、第１導電体と第２導電体とが間を隔てて設けられている電気機器と、
   前記第１導電体と前記第２導電体との間に電圧を印加する電圧印加機構と、
   前記第１導電体に一端が電気的に接続され、他端が接地されている第１避雷素子と、
   前記第２導電体に一端が電気的に接続され、他端が接地されている第２避雷素子と、
   前記第１導電体に一端が電気的に接続され、前記第２導電体に他端が電気的に接続されている第３避雷素子と
   を有する、風力発電システム。
2. 前記電気機器は、気流発生装置であって、前記第１導電体として第１電極が設けられ、前記第２導電体として第２電極が設けられ、前記第１電極と前記第２電極とが誘電体を介して離間しており、
   前記電圧印加機構は、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって、前記気流発生装置に気流を発生させる、
   請求項１に記載の風力発電システム。
3. 前記第１電極および前記第２電極のそれぞれは、浮遊電位である、
   請求項２に記載の風力発電システム。
4. 前記第１避雷素子と前記第２避雷素子と前記第３避雷素子とのそれぞれは、球ギャップアレスタである、
   請求項１から３のいずれかに記載の風力発電システム。

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