JP2017053251A - 風力発電装置および誘雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風車ブレード本体への落雷を可能な限り少なくできる風力発電装置および誘雷装置を提供する。【解決手段】実施形態の誘雷装置は、風力発電装置の第１の風車ブレードに設置される第１の受雷部に落雷を誘導する誘雷装置であって、第１の放電プラグと点火部とを備える。第１の放電プラグは第１の受雷部またはその近傍の第１の受雷部の設置面よりも低い第１の風車ブレードの位置に配置されており、電圧の印加によりアーク放電する。点火部は第１の放電プラグに電圧を印加して第１の放電プラグにアーク放電させる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、風力発電装置および誘雷装置に関する。

風力発電は再生可能エネルギーの中でも大きな発電容量を有し、地球温暖化対策の一つとして注目されている。集合型風力発電所（ウインドファーム）が各地で建設されており、風車ブレード先端地上高が１００ｍを超える大型風力発電システムが主流となりつつある。風車ブレードの破損は落雷被害によるものが最も多く、風車ブレードの耐雷性能向上が喫緊の課題となっている。

風車ブレードが雷撃を受けた場合、発電が停止するだけでなく、風車ブレードの破損個所の修理のため長期の運転停止を余儀なくされる。特に、風況の良い地点は落雷被害を受けやすく、風車の大型化につれて風車ブレードが破損する被害が増加している。送配電線や通信線路への直撃雷、落雷電流から生じる電磁波による誘導雷なども想定されるが、最も深刻な被害をもたらすのは風車ブレードへの直撃雷である。

従来の風車ブレードの雷撃保護装置は、金属導線を介してアースに接続された金属製の受雷部を風車ブレード表面に設け、落雷時には受雷部に着雷させることで、絶縁物を材料とする風車ブレード本体に落雷させないようにしている。

風車ブレードは、軽量化のためガラス樹脂強化プラスチックなどを素材とした空洞構造となっており、金属導線は風車ブレードの空洞内に固定されている。

従来の風車ブレードの雷撃保護装置では、このようにして雷雲から地上に進展してきた雷から風車ブレードを保護しているが、風車ブレードの軽量化のため受雷部を多く設けられず受雷部に落雷しないことも多く、落雷の捕捉率が低いという課題がある。なお受雷部で落雷を捕捉できない場合は風車ブレード本体が雷撃を受けて破損することもある。

そこで、近年では、受雷部での落雷の捕捉率を向上する技術がいくつか提案されている。

特開２００７−１００６５８号公報 特開２００７−１７０２６８号公報 特開２０１２−０３１８４８号公報

しかしながら、いずれの技術も受雷部の形状および配置の改良や受雷部を多数設置するなど、落雷を受け易くする受動的な技術であり、受雷部に積極的に落雷させるような技術ではない。

本発明が解決しようとする課題は、落雷を受雷部に積極的に誘導、つまり誘雷することで、風車ブレード本体への落雷を可能な限り少なくすることができる風力発電装置および誘雷装置を提供することにある。

実施形態の誘雷装置は、風力発電装置の第１の風車ブレードに設置される第１の受雷部に落雷を誘導する誘雷装置であって、第１の放電プラグと点火部とを備える。第１の放電プラグは第１の受雷部またはその近傍の第１の受雷部の設置面よりも低い第１の風車ブレードの位置に配置されており、電圧の印加によりアーク放電する。点火部は第１の放電プラグに電圧を印加して第１の放電プラグにアーク放電させる。

第１実施形態の風力発電装置の概要構成を示す図である。 図１の風力発電装置の風車ブレードに設けられる誘雷装置の配置図である。 図２の誘雷装置の要部拡大図である。 誘雷装置の回路を示す図である。 第２実施形態の風力発電装置を正面から見た図である。 図５の風力発電装置の誘雷装置の回路図である。 第３実施形態の誘雷装置の回路図である。 第４実施形態の誘雷装置の回路図である。 第６実施形態の誘雷装置の要部拡大図である。 第７実施形態の誘雷装置の要部拡大図である。 図１０の誘雷装置の回路図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の風力発電装置を示す図である。
図１に示すように、第１実施形態の風力発電装置は、発電用風車１を有している。発電用風車１には、風車ブレード２、風力発電機（図示せず）を収納するナセル３、ナセル３の上面に取り付けられた避雷針４、風車ブレード２及びナセル３を支えるタワー５などが備えられている。ナセル３の内部には発電機、ブレーキなどの他、風車ブレード２の回転角（回転位置）を検出する回転センサ（図示せず）などが設けられている。風車ブレード２はナセル３の水平方向の軸に回転自在に支持されており、風を受けて回転する。

避雷針４はナセル３及びナセル３に収納される発電機を落雷から保護するための装置であり、風車ブレード２を雷撃から保護することを意図して設けたものではない。

図２はこの風力発電装置の風車ブレード２における誘雷装置の配置図、図３は誘雷装置付近の部分拡大断面図（要部拡大図）、図４は誘雷装置の回路図である。

図２乃至図４に示すように、この風力発電装置の誘雷装置は、金属製の受雷部６と引下げ導線７、放電プラグ１０、導線１２、１３などを有する。

受雷部６は風車ブレード２の先端付近または中間部に風車ブレード２の表面に露出して配設されている。また受雷部６は風車ブレード２の表面と同じ高さになるように風車ブレード２の部材層２ｐに埋設されている。風車ブレード２には絶縁性の部材が用いられている。受雷部６はレセプターとも呼ばれる。

風車ブレード２は外面が翼の形状に加工された部材層２ｐを有する。部材層２ｐの内側は空洞９とされており、その空洞９内に引下げ導線７、導線１２、１３が配線されている。受雷部６は例えばアルミニウムなどで形成した円柱状の金属部材（導電性の部材）の中心部に凹部を設けたもの、つまり断面凹形状のものであり、凹部に放電プラグ１０が埋設されている。つまり放電プラグ１０は受雷部６自体または受雷部６に隣接した風車ブレード２の位置（図１０参照）に受雷部６の表面よりも低く凹設されている。

放電プラグ１０は、所定の間隔で配置された電極１１ａ、１１ｂを有する放電電極１１を備える。一方の電極１１ａは高電圧側に接続され、他方の電極１１ｂは地面１８に接地されている。

この放電プラグ１０では、電極１１ａへの高電圧の印加により電極１１ａから電極１１ｂへアーク放電が生じる。なおこの例では受雷部６に放電プラグ１０を設けたが、受雷部６の近傍に放電プラグ１０を設けてもよい（図９参照）。

すなわち放電プラグ１０は、受雷部６またはその近傍の受雷部６の設置面よりも低い風車ブレード２の位置に配置された、高電圧の印加によりアーク放電するものである。

引下げ導線７は受雷部６に接続されている。導線１２は放電プラグ１０の電極１１ａに接続されている。電極１１ａは高圧電圧が印加される側の電極である。導線１３は接地されており、放電プラグ１０の電極１１ｂに接続されている。

図４に示すように、誘雷装置は点火部２０を有する。点火部２０は放電プラグ１０に高電圧を印加して放電プラグ１０にアーク放電させるものである。

点火部２０は、放電プラグ１０、放電電極１１、導線１２、１３、点火制御部としてのスイッチング装置１４、サイリスタ１５、定圧電源１６、昇圧トランス１７などを備える。

スイッチング装置１４、サイリスタ１５、定圧電源１６は、昇圧トランス１７の１次側回路１７ａを形成しており、放電プラグ１０、放電電極１１、導線１２、１３は昇圧トランス１７の２次側回路１７ｂを形成している。

ここで、導線１２が高電圧側であり、導線１４は地面１８（アース）に接地されている。スイッチング装置１４からのスイッチング信号によりサイリスタ１５が不通状態から導通状態に変化すると、定圧電源１６から放出される電流が昇圧トランス１７の１次側回路１７ａを通電する。

昇圧トランス１７の２次側回路１７ｂには、１次側回路１７ａとの巻線比（１次側回路１７ａの電圧）に応じた電圧（高圧電圧）が発生する。この場合、放電電極１１の気中破壊電圧を超える高電圧が誘導されるため、導線１２、１３を介して放電電極１１に印加される。

放電電極１１はアーク放電により空気を電離し、放電プラグ１０に対して繰り返し高電圧を印加することにより、受雷部６に電離プラズマを常時形成させることができる。なお風車ブレード２の先端が上方に向いたときに放電プラグ１０に高電圧を印加するようスイッチング装置１４が点火タイミングを制御してもよい。

風車ブレード２の先端が上方に向いたときとは、例えば垂直方向の軸に対して風車ブレード２の角度が±９０°の範囲で通電するものとする。なおこの例のように３枚の風車ブレード２の放電プラグ１０への通電タイミングを効率よく切り替える場合は垂直方向の軸に対して風車ブレード２の角度が±３０°程度の範囲で順次通電を切り替えるのがよい。

この誘雷装置では、風車ブレード２が雷撃を受ける状況では、点火部２０のスイッチング装置１４をスイッチしサイリスタ１５を駆動して放電プラグ１０にアーク放電を発生させ、受雷部６に電離プラズマを常時形成することにより落雷を受雷部６に誘導する。

これにより、受雷部６に落雷した電流を、受雷部６から引下げ導線７を通じて地面１８に安全に逃がすことができる。つまり受雷部６に落雷した落雷電流は、受雷部６を貫流した後、風車ブレード２の空洞９内の引下げ導線７を通じて地面１８へと導かれる。

このようにこの第１実施形態の風力発電装置によれば、風車ブレード２に設けられた受雷部６に放電プラグ１０を設け、放電プラグ１０のアーク放電により電離プラズマを受雷部６に形成することで、雷雲から地上に進展してきた雷を効果的かつ確実に受雷部６に誘導し、引下げ導線７を経由して落雷電流を地面１８に安全に逃がすことが可能となる。

また、図１に示したように、受雷部６の凹部に放電プラグ１０を設けることで、放電プラグ１０の電極１１ａ、１１ｂが受雷面８よりも低くなり、雷撃により放電プラグ１０が損傷する危険性を低減することができる。

（第２実施形態）
次に、図５及び図６を参照して第２実施形態に係わる風力発電装置を説明する。図５は風力発電装置の発電用風車１を正面から見た図、図６は誘雷装置の回路を示す図である。

図５に示すように、この例の風力発電装置の発電用風車１は、水平方向を回転軸として回転するナセル３を軸に１２０°の間隔で回転自在に設けられた３枚の風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃを有する。３枚ある風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃには、それぞれ受雷部６ａ、６ｂ、６ｃが設けられている。風車ブレード２ａを第１の風車ブレード、風車ブレード２ｂを第２の風車ブレードという。

図６に示すように、各風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃにはそれぞれ受雷部６ａ、６ｂ、６ｃを設けている。この場合に、各風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃ毎に誘雷機能を持たせるために、各受雷部６ａ、６ｂ、６ｃにはそれぞれ放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを設けている。受雷部６ａを第１の受雷部といい、受雷部６ｂを第２の受雷部という。放電プラグ１０ａを第１の放電プラグといい、放電プラグ１０ｂを第２の放電プラグという。

このため、この第２実施形態における回路は、昇圧トランス１７と放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの間に放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃへの印加電圧を分配するための分配器１９を設けている。分配器１９は複数の風車ブレードそれぞれに設けられている各放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに点火部２０からの高電圧を分配する。

この場合、昇圧トランス１７の２次側回路１７ｂに繰り返し誘起される高電圧は、導線１２および分配器１９を通じて受雷部６ａ、６ｂ、６ｃにそれぞれ装着されている放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに順次印加される。なお順次印加には分配器１９に回路選択用のスイッチなどを設ける必要があるが、スイッチを設けずに放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに電圧を同時に印加してもよい。

このようにこの第２実施形態によれば、複数の風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃにそれぞれ装着した受雷部６ａ、６ｂ、６ｃに放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを取り付け、昇圧トランス１７から分配器１９を経由して全ての放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに、それぞれ交番する高電圧を印加することにより、全ての風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃへの誘雷効果を有効にすることができる。

（第３実施形態）
次に、図７を参照して第３実施形態に係る風力発電装置を説明する。図７は風力発電装置の誘雷装置の回路を示す図である。なおこの第３実施形態において第１及び第２実施形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

図７に示すように、第３実施形態における回路は、スイッチング装置１４に対して風車の回転に同期した点火制御を行う制御部３０を有する。
この制御部３０は水平方向を回転軸として回転する複数の風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれに放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを設ける場合、先端が他の風車ブレード２ｂ、２ｃよりも高い位置に達する（上方を向いた）風車ブレード２ａの放電プラグ１０ａに高電圧を印加し、それ以外の風車ブレード２ｂ、２ｃの放電プラグ１０ｂ、１０ｃに高電圧を印加しない点火制御を行う。
すなわちこの制御部３０は先端が上方に向いた風車ブレード（図５では風車ブレード２ａ）の放電プラグ１０ａに高電圧を印加するよう点火タイミングを制御する。点火タイミングとはスイッチング装置１４がサイリスタ１５をオンするタイミングである。

一般的な落雷対策は、風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃに受雷部６ａ、６ｂ、６ｃを装着し、受雷部６ａ、６ｂ、６ｃに落雷した電流を、タワー５を通じて地面１８に流すようにしている。

しかし、この場合の受雷部６ａ、６ｂ、６ｃは、誘雷性能が低く、落雷時における風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの回転位置によっては受雷部６ａ、６ｂ、６ｃに必ずしも着雷するとは限らず、受雷部６ａ、６ｂ、６ｃに落雷しないときは風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃ本体が損傷を受けることになる。

そこで、この第３実施形態では、風車に設けた回転センサに（図示せず）より時々刻々変化する風車の回転角に応じた信号を制御部３０が受信し、制御部３０が風車の各風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの回転位置を検出して、複数の風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃのいずれかが上方を向いたときにスイッチング装置１４にサイリスタ１５をオンするよう指示（制御）する。

この場合、分配器１９には該当する一つの放電プラグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃだけに電圧を印加するように回路切り替え（選択）用のスイッチを設けておくものとする。このスイッチは制御部３０により制御される。

この指示（制御）によりスイッチング装置１４がサイリスタ１５を駆動することで、上方を向いた例えば図５の風車ブレード２ａの放電プラグ１０ａにアーク放電が発生し、風車ブレード２ａに設けられている受雷部６ａへ誘雷し受雷部６ａに落雷させる。つまり風車ブレード２ａが上方を向いたとき、風車ブレード２ａの受雷部６ａに対する誘雷機能を有効とする。

この第３実施形態によれば、複数の風車ブレード２ａ、２ｂ、２ｃの中で上方を向いた風車ブレード２ａの受雷部６ａに優先的に着雷させるようにすることで、風車ブレード２ａは、もとより風車ブレード２ｂ、２ｃを雷撃から保護することができる。また上方を向いていない他の風車ブレード２ｂ、２ｃについては電圧を印加しないことで節電効果も得ることができる。

（第４実施形態）
次に、図８を参照して第４実施形態に関わる風力発電装置を説明する。
図８に示すように、第４実施形態における回路は、昇圧トランス１７の２次側回路１７ｂにおける導線１３と地面１８に接地されている引下げ導線７とを接続するように接続導線２１が配線されている。

接続導線２１は受雷部６と点火部２０との間の回路に一端が接続され、他端がアース接地された引下げ導線７に接続されており、受雷部６に落雷した落雷電流を引下げ導線７に導く落雷電流ショートカット用の導線である。

この第４実施形態によれば、万一、受雷部６ではなく放電プラグ１０に直撃雷を受けた場合に、落雷電流を導線１３、接続導線２１および引下げ導線７を通じて地面１８に流すので、昇圧トランス１７（の１次側回路１７ａ）を落雷電流による損傷から保護することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態に関わる風力発電装置を説明する。
第５実施形態は、昇圧トランス１７の１次側回路１７ａと２次側回路１７ｂとの間に高耐圧材または高絶縁材を配設することで、昇圧トランス１７自体の絶縁耐力を高め、２次側回路１７ｂを電気的に接地しないことで、受雷部６への誘雷を促進し放電プラグ１０への直撃雷を回避する。

この第５実施形態によれば、昇圧トランス１７を高耐圧または高絶縁のものにして、昇圧トランス１７の１次側回路１７ａと、放電プラグ１０または分配器１９に接続される２次側回路１７ｂとの電気的な絶縁性能を高めることで、対落雷性能を向上することができる。

（第６実施形態）
次に、図９を参照して第６実施形態に関わる風力発電装置を説明する。この第６実施形態は第１実施形態（図３）の例の変形例であり、放電プラグ１０を、受雷部６自体ではなく、受雷部６に近接した位置に設けている。

具体的には、例えば図９に示すように、風車ブレード２に設けた受雷部６に隣接する部材層２ｐに凹部２ｑを設け、その凹部２ｑに放電プラグ１０を埋設している。この場合も受雷面８から少なくとも下がった位置に放電プラグ１０の上端部の放電電極１１が来るように凹部２ｑを設けるものとする。

この第６実施形態によれば、風車ブレード２の受雷部６に誘雷可能な場所、例えば受雷部６に近接した位置に放電プラグ１０を配設することにより、既に設けられている従来の受雷部６を加工することなく、第１実施形態と同様の誘雷効果を得ることができる。つまり既設風車に放電プラグ１０を追設する場合はこの実施形態が有効である。

（第７実施形態）
次に、図１０、図１１を参照して第７実施形態に関わる風力発電装置を説明する。
図１０、図１１に示すように、この実施形態では、放電プラグ１０には高電圧側の電極１１ａのみを設けるもとのし、高電圧側の電極１１ａに対するアース側の電極を受雷部６自体で代用し放電電極１１を構成する。つまり放電プラグ１０は、高電圧の印加により隣接する受雷部６へアーク放電する電極１１ａのみを備え、対向する電極を受雷部６が賄う。

このようにこの第7実施形態によれば、放電プラグ１０を高電圧の電極１１ａのみを備える１極タイプとし、電極１１ａに対する電極を受雷部６自体とすることで、２極タイプの放電プラグ１０を用いる場合と同様の効果が得られる他、放電プラグ１０への配線数を１本に削減することができる。

また、このように放電プラグ１０を１極タイプの電極構造とすることにより、アーク放電による電離プラズマが受雷部６にさらに近接して形成される。このため、受雷部６による誘雷効果をさらに向上することができる。

上記いくつかの実施形態によれば、受雷部６、６ａ、６ｂ、６ｃに設けた放電プラグ１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃのアーク放電により空気を電離させ、電離プラズマを受雷部６またはその付近に形成することで雷を誘導して受雷部６に積極的に落雷させることで、落雷を受雷部６、６ａ、６ｂ、６ｃに効果的に誘導することができる。

この結果、風車ブレード２、２ａ、２ｂ、２ｃの受雷部６、６ａ、６ｂ、６ｃでの落雷の雷捕捉率を向上することができる。すなわち、落雷を効果的に受雷部６、６ａ、６ｂ、６ｃに誘導することにより受雷部６、６ａ、６ｂ、６ｃでの落雷の捕捉率を向上し、風車ブレード２、２ａ、２ｂ、２ｃ本体への落雷を可能な限り少なくすることができる。

以上、いくつか実施形態を説明したが、これら実施形態は、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、変更が可能である。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。

１…発電用風車、２，２ａ，２ｂ，２ｃ…風車ブレード、２ｐ…部材層、２ｑ…凹部、３…ナセル、４…避雷針、５…タワー、６，６ａ，６ｂ，６ｃ…受雷部、７…引下げ導線、８…受雷面、９…風車ブレード内部の空洞、１０…放電プラグ、１１…放電電極、１１ａ，１１ｂ…電極、１２，１３…導線、１４…スイッチング装置、１５…サイリスタ、１６…定圧電源、１７…昇圧トランス、１８…地面、１９…分配器、２０…点火部、２１…接続導線、３０…制御部。

Claims (8)

1. 風力発電装置の第１の風車ブレードに設置される第１の受雷部に落雷を誘導する誘雷装置であって、
   前記第１受雷部またはその近傍の前記第１受雷部の設置面よりも低い前記第１の風車ブレードの位置に配置され、電圧の印加によりアーク放電する第１の放電プラグと、
   前記第１の放電プラグに電圧を印加して前記放電プラグにアーク放電させる点火部と
   を備える誘雷装置。
2. 前記風力発電装置が、第２の受雷部を有する第２の風車ブレードを備え、
   前記第２の受雷部またはその近傍の前記第２の受雷部の設置面よりも低い前記第２の風車ブレードの位置に配置され、電圧の印加によりアーク放電する第２の放電プラグと、
   前記点火部からの電圧を前記第１および前記第２の放電プラグへ分配する分配器と
   をさらに具備する請求項１に記載の誘雷装置。
3. 前記点火部は、
   先端が上方に向いた風車ブレードの前記放電プラグに電圧を印加するよう点火タイミングを制御する制御部を備える請求項１または請求項２のいずれかに記載の誘雷装置。
4. 前記制御部は、
   先端が上方に向いた風車ブレード以外の風車ブレードの前記放電プラグに電圧を印加しない点火制御を行う請求項３に記載の誘雷装置。
5. 前記受雷部と前記点火部との間の回路に一端が接続され、他端がアース接地された引下げ導線に接続され、前記受雷部に落雷した落雷電流を前記引下げ導線に導く落雷電流ショートカット用の導線を具備する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の誘雷装置。
6. 前記放電プラグを、前記受雷部に隣接した前記風車ブレードの位置に前記受雷部の表面よりも低く凹設した請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の誘雷装置。
7. 前記放電プラグは、
   電圧の印加により隣接する前記受雷部へアーク放電する電極を具備する請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の誘雷装置。
8. 水平方向の軸に回転自在に支持された風車ブレードと、
   前記風車ブレードの表面に露出して設置される受雷部と、
   前記受雷部またはその近傍の前記受雷部の設置面よりも低い前記風車ブレードの位置に配置され、電圧の印加によりアーク放電する放電プラグと、
   前記放電プラグに電圧を印加して前記放電プラグにアーク放電させる点火部と
   を具備する風力発電装置。

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