JP2017227189A - Blade for wind power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風力発電装置に用いられるブレードに係わり、特に、落雷による損傷を抑制するようにした風力発電装置用ブレードに関するものである。 The present invention relates to a blade used in a wind turbine generator, and more particularly, to a blade for a wind turbine generator that suppresses damage due to lightning.
一般に、再生可能エネルギーの一つとして風力発電エネルギーが知られている。
この風力発電エネルギーを生成する風力発電装置は、高い支柱と、この支柱の上部に装着され、発電機が内装されたナセルと、このナセルに装着されて前記発電機を回転駆動する多数のブレードとを備えている。
Generally, wind power generation energy is known as one of renewable energies.
The wind power generator for generating wind power energy includes a high column, a nacelle mounted on the upper part of the column and including a generator, and a plurality of blades that are mounted on the nacelle and rotationally drive the generator. It has.
この風力発電装置は、風によって前記ブレードが回転させられることにより、前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。 This wind power generator is configured to generate power by driving the generator when the blades are rotated by wind.
このような風力発電装置にあっては、風を効率よく受け止めるために、支柱を高くして、ブレードの設置位置を高くしている。
また、発電量を大きくするために、ブレードも長く大きくしている。
In such a wind power generator, in order to receive the wind efficiently, the support is raised and the installation position of the blade is raised.
In order to increase the amount of power generation, the blades are also lengthened longer.
ところで、このように高所に伸びるように設置される風力発電装置では、落雷が発生しやすい。
そして、ブレードへ落雷すると、その雷撃によってブレードが破損し、発電が行なえなくなってしまう。
By the way, in a wind power generator installed so as to extend to a high place in this way, lightning strikes easily.
When lightning strikes the blade, the blade is damaged by the lightning strike, and power generation cannot be performed.
このような不具合に対し、従来では、たとえば、特許文献１に示されるような対処技術が提案されている。 Conventionally, for example, a countermeasure technique as disclosed in Patent Document 1 has been proposed for such a problem.
この技術は、ブレードの先端に金属製の受雷部を設け、この受雷部に電気的に接続された接地線を、ブレードの内部を経て地面に接地した構成となっている。 In this technology, a lightning receiving portion made of metal is provided at the tip of a blade, and a grounding wire electrically connected to the lightning receiving portion is grounded to the ground through the inside of the blade.
そして、風力発電装置へ向かう落雷が発生した場合、その落雷を、受雷部に誘導して受け、その雷撃を、接地線を介して受雷部から地面へ流すことにより、雷撃がブレードを通過することを回避して、このブレード自体の損傷を防止するようにしている。 When a lightning strike toward the wind turbine generator occurs, the lightning strike is guided to the lightning receiving part, and the lightning strike passes through the blade by flowing the lightning strike from the lightning receiving part to the ground via the ground line. This prevents the blade itself from being damaged.
ところで、前述した従来の技術にあっては、なお、つぎのような改善すべき問題点が残されている。 By the way, in the conventional technique described above, the following problems to be improved still remain.
すなわち、前記ブレードの回転が停止している状態では、前記受雷部が定位置にある。
この状態でブレードへ向けて落雷が発生した場合、この落雷を、定位置にある受雷部に誘導して受け、その雷撃を、接地線を通して地面へ放出することができる。
That is, in a state where the rotation of the blade is stopped, the lightning receiving portion is in a fixed position.
When a lightning strike occurs toward the blade in this state, the lightning strike can be guided to a lightning receiving portion at a fixed position, and the lightning strike can be emitted to the ground through a ground line.
しかしながら、ブレードが回転していると、その先端の線速度、すなわち、受雷部の移動速度が速いために、ブレードへ向かう落雷を受雷部へ誘導することができないことが想定される。 However, when the blade is rotating, it is assumed that a lightning strike toward the blade cannot be guided to the lightning receiving portion because the linear velocity at the tip, that is, the moving speed of the lightning receiving portion is high.
このように、ブレードへ向かう落雷を受雷部に誘導することができないと、落雷が、ブレードのより基端側において起こり、その雷撃がブレード自体を通過して、ナセルや支柱を介して地面へ放出される。 In this way, if a lightning strike toward the blade cannot be guided to the light receiving section, a lightning strike will occur on the more proximal side of the blade, and the lightning strike will pass through the blade itself and through the nacelle and struts to the ground. Released.
そして、ブレード内を通過する雷撃によって、このブレードに損傷を与え、あるいは、電撃がナセルを通過する際に、このナセル内に組み込まれている発電機や減速装置若しくは軸受け等に注入されている油に着火し、火災を発生させてしまうことが想定される。 Then, the lightning that passes through the blade damages the blade, or when the electric shock passes through the nacelle, the oil injected into the generator, speed reducer, or bearing incorporated in the nacelle It is assumed that the fire will ignite and cause a fire.
このような問題点は、落雷を、重要な施設若しくは設備等の被保護体以外の場所に誘導し、これによって、落雷の際に生じる雷撃から前述した被保護体を保護するという思想に基づいていることに起因している。 Such problems are based on the idea that lightning is guided to a place other than the object to be protected, such as an important facility or equipment, thereby protecting the object to be protected from lightning strikes caused by the lightning strike. This is due to the fact that
そこで、本発明は、被保護体近傍への落雷自体を抑制してこれらを保護するという思想に基づき、前記ブレードの、前述した受雷部以外の部位への落雷を抑制することができる構造を提供することを解決すべき課題とする。 Therefore, the present invention is based on the idea of suppressing lightning strikes in the vicinity of the protected body and protecting them, and has a structure capable of suppressing lightning strikes to parts other than the lightning receiving portion of the blade. Providing is a problem to be solved.
本発明の風力発電装置用ブレードは、前述した課題を解決するために、前記ブレードの内部に、導電性材料によって形成された内部電極が挿着され、前記ブレードの先端部表面に、導電性材料によって形成され、前記内部電極に電気的に接続された誘導電極が設けられ、前記ブレードの表面で、前記誘導電極から離間した部位から前記ブレードの基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された外部電極が設けられ、この外部電極と前記内部電極および前記誘導電極との間に、これらを電気的に絶縁する絶縁層が設けられ、かつ、前記内部電極が接地されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the blade for wind power generator according to the present invention has an internal electrode formed of a conductive material inserted into the blade, and the conductive material is formed on the surface of the tip of the blade. And an induction electrode electrically connected to the internal electrode is provided, and is formed of a conductive material on a surface of the blade from a portion spaced from the induction electrode to a vicinity of the base of the blade. An external electrode is provided, an insulating layer is provided between the external electrode, the internal electrode, and the induction electrode to electrically insulate the external electrode, and the internal electrode is grounded. Yes.
ここで、落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。
ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建築物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。これが落雷現象である。
Here, when the phenomenon of lightning strikes is observed in detail, in the case of a general lightning strike (summer lightning) that occurs in the summer, when the thundercloud matures, the step trader approaches the ground while selecting a place where the atmosphere is likely to be discharged from the thundercloud.
When the stepreader is at a certain distance from the ground, a weak current upward streamer (greeting discharge) extends from the ground, a building (lightning rod), a tree, or the like toward the stepreader.
When this streamer and steppeda are coupled, a large current (feedback current) flows between the thundercloud and the ground through the path. This is a lightning phenomenon.
本発明は、前述した構成の前記ブレードとすることにより、このブレード先端以外の部位において、前述した上向きストリーマの発生を起こりにくくしたものである。 In the present invention, by using the blade having the above-described configuration, the above-described upward streamer is less likely to occur in a portion other than the blade tip.
すなわち、前記ブレードは、その先端部表面に設けられた誘導電極が、前記ブレード内部に装着されている内部電極に電気的に接続され、前記ブレードの基部側の表面に設けられた外部電極が、前記誘導電極および内部電極に対し電気的に絶縁され、かつ、前記内部電極が接地されている。 That is, the blade has an induction electrode provided on the tip surface thereof electrically connected to an internal electrode mounted inside the blade, and an external electrode provided on the base side surface of the blade, It is electrically insulated from the induction electrode and the internal electrode, and the internal electrode is grounded.
したがって、例えばマイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、雲底のマイナス電荷に引き寄せられて、前記内部電極および前記誘導電極にもプラス電荷が集まるようになる。 Therefore, for example, when a thundercloud in which a negative charge is distributed on the cloud bottom approaches, the opposite charge (plus charge) is distributed on the surface of the earth and is attracted to the negative charge on the cloud bottom, so that the internal electrode and the induction electrode Also, positive charges will be collected.
すると、絶縁体を介して配置されている外部電極は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。
この作用により、前記ブレードの先端部分を除いた基部側とその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくして、このブレードの基部側への落雷を抑制し、落雷を前記ブレード先端部の誘導電極へ誘導することができる。
Then, the external electrode disposed via the insulator is negatively charged by the action of the capacitor.
This action makes it difficult for upward streamers to occur on the base side excluding the tip of the blade and its surroundings, suppresses lightning strikes to the base side of the blade, and sends lightning to the induction electrode at the blade tip. Can be guided.
そして、前記落雷の雷撃を、前記誘導電極が電気的に接続されている内部電極を経て地面へ放出されるので、前記ブレードあるいはナセル内の機器の破損や発火を抑制することができる。 And since the lightning strike of the thunderbolt is emitted to the ground through the internal electrode to which the induction electrode is electrically connected, it is possible to suppress damage and ignition of the equipment in the blade or nacelle.
前記内部電極として、このブレードを支持するために設けられた、前記ブレード内の強度部材を用いることができる。 As the internal electrode, a strength member in the blade provided to support the blade can be used.
前記誘導電極や前記外部電極は、導電性塗料からなる塗膜によって形成することができ、また、金属板や金属メッシュによって形成することができる。 The induction electrode and the external electrode can be formed of a coating film made of a conductive paint, and can be formed of a metal plate or a metal mesh.
さらに、前記誘導電極や前記外部電極は、カーボンファイバーシートやカーボンファイバーメッシュによって形成することができる。 Furthermore, the induction electrode and the external electrode can be formed of a carbon fiber sheet or a carbon fiber mesh.
前記絶縁層として、前記ブレード内に空気層を形成することによって構成する個が可能であり、前記外部電極と前記内部電極および誘導電極との間に電気絶縁材料からなるスペーサーを介装することによって構成することができる。 The insulating layer can be configured by forming an air layer in the blade, and a spacer made of an electrically insulating material is interposed between the external electrode, the internal electrode, and the induction electrode. Can be configured.
そして、前記スペーサーを、無機材料の焼成体とすることが可能である。 The spacer can be a fired body of an inorganic material.
本発明の風力発電装置用ブレードによれば、前記ブレード内部に設けられ接地された内部電極と、前記ブレードの先端部以外の外面に、前記内部電極と電気的に絶縁された状態で設けられた外部電極とにより、雷雲接近時に、前記外部電極にマイナス電荷を帯びさせ、かつ、前記ブレードの先端部表面に、前記内部電極に電気的に接続された誘導電極を設けてプラス電荷を帯びさせることができる。
これによって、このブレード先端以外の部位において、前述した上向きストリーマの発生を起こりにくくして落雷を抑制し、この落雷を前記ブレードの先端部に導いて、その雷撃を地面に放出することができる。
According to the blade for wind power generator of the present invention, the internal electrode provided inside the blade and grounded, and provided on the outer surface other than the tip of the blade in a state of being electrically insulated from the internal electrode. The external electrode is charged with a negative charge when approaching a thundercloud, and an induction electrode electrically connected to the internal electrode is provided on the surface of the tip of the blade so as to have a positive charge. Can do.
As a result, it is possible to suppress the occurrence of the above-described upward streamer at a portion other than the tip of the blade to suppress a lightning strike, guide the lightning strike to the tip of the blade, and discharge the lightning strike to the ground.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１において、符号１は、本実施形態が適用される風力発電装置を示し、この風力発電装置１は、地面Ｇに立設された支柱２と、この支柱２の上部に装着されたナセル３と、図３に示すように、このナセル３の内部に配置されたボス４に装着される、３本の本実施形態に係わるブレード５とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a wind turbine generator to which the present embodiment is applied. The wind turbine generator 1 includes a column 2 standing on the ground G and a nacelle 3 mounted on the top of the column 2. As shown in FIG. 3, three blades 5 according to the present embodiment are mounted on the boss 4 disposed inside the nacelle 3.
そして、前記各ブレード５は、前記ボス４を介して、前記ナセル３の内部に装着されている発電機（図示略）に接続されており、前記ブレード５が、風を受けて回転させられることにより、前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。 Each blade 5 is connected to a generator (not shown) mounted inside the nacelle 3 through the boss 4, and the blade 5 is rotated by receiving wind. Thus, the generator is driven to generate power.
本実施形態に係わる前記ブレード５の主体は、電気絶縁材料によって形成されているとともに、図５に示すように、その内部に、導電性材料によって形成された内部電極６が挿着されている。 The main body of the blade 5 according to the present embodiment is formed of an electrically insulating material, and an internal electrode 6 formed of a conductive material is inserted therein as shown in FIG.
また、前記ブレード５の先端部外周面には、導電性材料によって形成された誘導電極７が一体に設けられている。
この誘導電極７は、その内側において、前記内部電極６と一体化されて、相互に電気的に接続されている。
An induction electrode 7 made of a conductive material is integrally provided on the outer peripheral surface of the tip of the blade 5.
The induction electrode 7 is integrated with the internal electrode 6 inside and electrically connected to each other.
一方、前記ブレード５の表面で、前記誘導電極７に対し基部側へ所定距離離間した位置から基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された外部電極８が設けられている。 On the other hand, on the surface of the blade 5, an external electrode 8 made of a conductive material is provided in a range from a position spaced a predetermined distance from the induction electrode 7 toward the base side to the vicinity of the base part.
そして、前記ブレード５の主体が電気絶縁材料によって形成されていることにより、このブレード５の主体部分が、前記外部電極８と前記内部電極６および誘導電極７との間に介在させられて絶縁層９となされている。 Since the main body of the blade 5 is formed of an electrically insulating material, the main body portion of the blade 5 is interposed between the external electrode 8 and the internal electrode 6 and the induction electrode 7 so as to form an insulating layer. Nine.
さらに、前記内部電極６は、風力発電装置１の他の構成部材を通して電気的に接地されている。 Further, the internal electrode 6 is electrically grounded through other components of the wind power generator 1.
また、前記外部電極８は、図５に示すように、前記ブレード５の基部側（前記ナセル３との接合部側）において、他の金属部品との距離が一定距離以上となるように形成されている。 Further, as shown in FIG. 5, the external electrode 8 is formed on the base side of the blade 5 (on the side of the joint portion with the nacelle 3) such that the distance from other metal parts is a certain distance or more. ing.
前記内部電極６は、構造部材として、前記ブレード５の全長にわたって挿着されており、前記ブレード５をその内部から支持して、このブレード５の強度を確保するようになっている。 The internal electrode 6 is inserted as a structural member over the entire length of the blade 5, and supports the blade 5 from the inside to ensure the strength of the blade 5.
このように構成された本実施形態のブレード５を備えた風力発電装置１は、晴天時にあっては、地面Ｇがマイナス電荷を帯びており、これに伴い、前記内部電極６、および、誘導電極７も、図６に示すように、マイナス電荷を帯びている。 In the wind turbine generator 1 having the blade 5 of the present embodiment configured as described above, the ground G is negatively charged in fine weather, and accordingly, the internal electrode 6 and the induction electrode 7 also has a negative charge as shown in FIG.
また、前記外部電極８は、前記内部電極６および誘導電極７に対して絶縁されていることから、電荷を帯びていない。 Further, since the external electrode 8 is insulated from the internal electrode 6 and the induction electrode 7, it is not charged.
そして、図７に示すように、雲底にマイナス電荷が分布した雷雲Ｃが近づき、この雷雲Ｃと前記地面Ｇとに電界が加わる初期には、前記地面Ｇの表面にプラス電荷が分布し、この地面Ｇと導通状態にある前記内部電極６および誘導電極７もプラス電荷を帯びる。 Then, as shown in FIG. 7, when a thundercloud C with a negative charge distributed near the cloud bottom approaches and an electric field is applied to the thundercloud C and the ground G, a positive charge is distributed on the surface of the ground G, The internal electrode 6 and the induction electrode 7 which are in conduction with the ground G are also charged with a positive charge.
また、前記外部電極８の内面は、前記内部電極６のプラス電荷により、マイナス電荷を帯び、外面は、図７に示すように、プラスの電荷を帯びる。 Further, the inner surface of the external electrode 8 is negatively charged due to the positive charge of the internal electrode 6, and the outer surface is positively charged as shown in FIG.
そして、前記雷雲Ｃがさらに近づき、前述した電界が変化すると、エアロゾル等により、前記外部電極８表面のプラス電荷が中和され、図８に示すように、前記内部電極のプラス電荷とコンデンサの作用により、前記外部電極８がマイナス電荷を帯びる。 When the thundercloud C further approaches and the electric field changes, the positive charge on the surface of the external electrode 8 is neutralized by aerosol or the like. As shown in FIG. 8, the positive charge of the internal electrode and the action of the capacitor Thus, the external electrode 8 is negatively charged.
この作用により、前記ブレード５とその周辺における上向きストリーマは、前記ブレード５の先端部に設けられている前記誘導電極７から発生し、落雷を前記誘導電極７へ導き、その雷撃を、前記内部電極６を経て地面Ｇに拡散することができる。 As a result, the upward streamer in the blade 5 and its surroundings is generated from the induction electrode 7 provided at the tip of the blade 5, and a lightning strike is guided to the induction electrode 7. 6 can be diffused to the ground G.
一方、前記誘導電極７への落雷が発生しない状態において、前記ブレード５の基端側は、前記外部電極８によりマイナス電荷を帯びた状態であるから、このブレード５の基端部からの上向きストリーマの発生が抑制されていることにより、この基端部への落雷が抑制されている。 On the other hand, in the state where no lightning strikes on the induction electrode 7, the base end side of the blade 5 is negatively charged by the external electrode 8. Therefore, the upward streamer from the base end portion of the blade 5 is used. By preventing the occurrence of lightning, lightning strikes to the base end are suppressed.
したがって、落雷は、前記誘導電極７へ誘導させられるとともに前記内部電極６を介して地面Ｇへ拡散される。 Therefore, the lightning strike is induced to the induction electrode 7 and diffused to the ground G through the internal electrode 6.
この結果、前記ブレード５の破壊が防止され、あるいは、ナセル３内の機器の発火が防止される。 As a result, destruction of the blade 5 is prevented, or ignition of equipment in the nacelle 3 is prevented.
本実施形態における前述した作用は、前記ブレード５が回転している状態であっても保持される。
したがって、前記ブレード５が停止している状態であっても回転している状態であっても、落雷を安全な位置に誘導させることができる。
The above-described operation in the present embodiment is maintained even when the blade 5 is rotating.
Therefore, lightning can be guided to a safe position regardless of whether the blade 5 is stopped or rotating.
これによって、前記ブレード５の健全性、ひいては、風力発電装置１の健全性を大幅に高めることができる。 As a result, the soundness of the blade 5 and, consequently, the soundness of the wind turbine generator 1 can be significantly increased.
なお、導電性材料として、たとえば、アルミやステンレス等の金属板や金属箔若しくはこれらのメッシュを用い、これらを、前記ブレード５の表面に貼着することによって前記誘導電極７や前記外部電極８を形成することもできる。 In addition, as the conductive material, for example, a metal plate such as aluminum or stainless steel, a metal foil, or a mesh thereof is used, and the induction electrode 7 and the external electrode 8 are attached by sticking them to the surface of the blade 5. It can also be formed.
あるいは、前記金属を蒸着によって前記ブレード５の表面に定着させて、前記誘導電極７や外部電極８を形成することもできる。 Alternatively, the induction electrode 7 and the external electrode 8 can be formed by fixing the metal on the surface of the blade 5 by vapor deposition.
また、前記導電性材料に導電性塗料を用い、この導電性塗料を前記ブレード５の表面に塗布することによって導電性の塗膜とし、前記前記誘導電極７や外部電極８を形成することもできる。 Alternatively, a conductive paint can be used as the conductive material, and the conductive paint can be applied to the surface of the blade 5 to form a conductive coating film, thereby forming the induction electrode 7 and the external electrode 8. .
さらに、前記誘導電極７と前記外部電極８をカーボンファイバーからなるシートやメッシュによって形成することも可能である。 Furthermore, the induction electrode 7 and the external electrode 8 can be formed of a sheet or mesh made of carbon fiber.
前述したようにメッシュを用いて前記誘導電極７や前記外部電極８を形成すると、これらの電極の軽量化を図ることができるばかりでなく、前記ブレード５が空気に対して相対移動させられた際に、前記ブレード５表面に、空気の無数の渦を形成することにより、流動抵抗を軽減して前記ブレード５の回転効率を高めることができる。 When the induction electrode 7 and the external electrode 8 are formed using a mesh as described above, not only can the weight of these electrodes be reduced, but also when the blade 5 is moved relative to the air. Furthermore, by forming innumerable air vortices on the blade 5 surface, the flow resistance can be reduced and the rotational efficiency of the blade 5 can be increased.
また、前記メッシュを用いる場合、このメッシュ上に前述した導電性塗料を塗布して２層構造とすることも可能である。 Moreover, when using the said mesh, it is also possible to apply | coat the electroconductive coating material mentioned above on this mesh, and to make it a 2 layer structure.
一方、前記ブレード５内に空洞部を形成して、この空洞部内の空気層を利用して前記絶縁層９を形成することも可能である。
これは、前記ブレード５の軽量化に適する。
On the other hand, it is also possible to form a hollow portion in the blade 5 and form the insulating layer 9 using an air layer in the hollow portion.
This is suitable for reducing the weight of the blade 5.
また、前記絶縁層９を、前記外部電極８と前記内部電極６および誘導電極７との間に電気絶縁材料からなるスペーサーを介装することによって形成することができる。 The insulating layer 9 can be formed by interposing a spacer made of an electrically insulating material between the external electrode 8 and the internal electrode 6 and the induction electrode 7.
そして、前記電気絶縁材料として、たとえば、無機材料の焼成体を用いることができる。 For example, a fired body of an inorganic material can be used as the electrical insulating material.
１ 風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ボス
５ ブレード
６ 内部電極
７ 誘導電極
８ 外部電極
９ 絶縁層
Ｃ 雷雲
Ｇ 地面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wind power generator 2 Prop 3 Nacelle 4 Boss 5 Blade 6 Internal electrode 7 Induction electrode 8 External electrode 9 Insulating layer C Thundercloud G Ground
Claims (10)
The blade for wind power generator according to claim 9, wherein the spacer is a fired body of an inorganic material.
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| JP2008010241A (en) * | 2006-06-28 | 2008-01-17 | Sankosha Corp | Lightning arrester |
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-
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