JP2020007958A - 風車用ブレード及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくともレセプタ近傍におけるダウンコンダクタからのストリーマ放電の発生を抑制することで、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制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】ブレード本体１と、ブレード本体１の先端及び／又はブレード本体１の先端部近傍に取り付けられた雷捕捉用のレセプタ６と、レセプタ６と電気的に接続され、雷による電流をブレード本体の先端から根元にかけて通電する、少なくとも１つの導電部品で構成されたダウンコンダクタ７とを有する風車用ブレードであって、ダウンコンダクタ７は、横断面積の異なる少なくとも２つ以上の領域（２１，２２）を有し、横断面積が大きい領域２２をレセプタ６の近傍に配する。【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係り、特に、耐雷性を考慮した風車用ブレード及び風力発電装置に関する。

発電量を向上するため風力発電装置の大型化が進展しているが、その高さゆえ落雷被害も頻発するようになった。特に最高点を通過するブレードへの落雷は多く報告されており、その対策が必要である。ブレードの落雷対策に関する技術として、例えば、以下に挙げる特許文献に記載される技術が提案されている。特許文献１には、アルミニウム製のブレード先端材（レセプタ）を設けると共に、このレセプタと接続された避雷導線（ダウンコンダクタ）をブレード内部に配線することで、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製のブレード本体の雷撃損傷を効果的に防止し得る技術が開示されている。また、特許文献２には、レセプタとブレード本体表面との境界の周囲に限定して、少なくともブレード本体の表面側に導電性材料を被覆することで、レセプタの境界やブレードのレセプタアンカーへの落雷を抑制し得る技術が記載されている。更にまた、特許文献３には、ダウンコンダクタから生じるストリーマ放電の成長がレセプタ以外の場所に雷撃を呼び込む可能性を上げているとして、ダウンコンダクタから所定距離はなれた位置に絶縁部を配置することでダウンコンダクタから生じるストリーマ放電の成長を抑制し得る技術が開示されている。

特開２００５−１１３７３５号公報 特開２０１２−２４６８１２号公報 特開２０１７−２０３４３２号公報

特許文献１に記載の方法は、レセプタが効果的に雷撃を捕捉することが期待されたが、レセプタやレセプタアンカーの端部に電界が集中し、そのことがレセプタ以外の部分への着雷を招いていた。特許文献２に記載の技術によれば、レセプタやレセプタアンカーの端部に集中していた電界を緩和させる効果が見込まれるが、それでもなおブレード本体への雷撃が相次いでいる。そこで特許文献３に記載される技術では、ダウンコンダクタから生じるストリーマ放電の成長がレセプタ以外の場所に雷撃を呼び込む可能性を上げているとして、ダウンコンダクタから所定距離はなれた位置に絶縁部材を配置することでダウンコンダクタから生じるストリーマ放電の成長を抑制できるとしている。しかしながら、絶縁部材の絶縁特性が悪化すればストリーマ放電の成長を抑制することはできなくなる。風力発電装置は十年以上の長期にわたって運転することが望まれており、ブレードの構成部品は回転に伴う遠心力や、受風の強弱に伴う応力を受け続けるほか、日射による紫外線や温度上昇などによっても劣化する可能性がある。

そこで、本発明は、少なくともレセプタ近傍におけるダウンコンダクタからのストリーマ放電の発生を抑制することで、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制可能な風車用ブレード及び風力発電装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る風車用ブレードは、ブレード本体と、前記ブレード本体の先端及び／又は前記ブレード本体の先端部近傍に取り付けられた雷捕捉用のレセプタと、前記レセプタと電気的に接続され、雷による電流を前記ブレード本体の先端から根元にかけて通電する、少なくとも１つの導電部品で構成されたダウンコンダクタとを有する風車用ブレードであって、前記ダウンコンダクタは、横断面積の異なる少なくとも２つ以上の領域を有し、横断面積が大きい領域を前記レセプタの近傍に配することを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電装置は、少なくとも、風を受けて回転するブレードを有するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を収容するナセルと、を有する風力発電装置であって、ブレード本体と、前記ブレード本体の先端及び／又は前記ブレード本体の先端部近傍に取り付けられた雷捕捉用のレセプタと、前記レセプタと電気的に接続され、雷による電流を前記ブレード本体の先端から根元にかけて通電する、少なくとも１つの導電部品で構成されたダウンコンダクタとを有し、前記ダウンコンダクタは、横断面積の異なる少なくとも２つ以上の領域を有し、横断面積が大きい領域を前記レセプタの近傍に配することを特徴とする。

本発明によれば、少なくともレセプタ近傍におけるダウンコンダクタからのストリーマ放電の発生を抑制することで、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制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。

本発明の一実施例に係る実施例１の風車用ブレード及び風力発電装置の全体概略構成図である。 図１に示す風車用ブレードを構成する１つのブレードを示す図である。 図２に示すブレードの長手方向に沿った先端部の断面図であって、図２に示すブレードを上方より見た図である。 図２に示すブレードの長手方向に沿った先端部の断面図であって、図２に示すブレードを横方向から見た図であり、ブレード本体に落雷する原理を説明する図である。 有限要素法による電界解析モデルを説明する図である。 電界解析による電界強度の計算結果を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２のダウンコンダクタの構成を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３のダウンコンダクタの構成を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例４のダウンコンダクタの構成を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例５のブレードの長手方向に沿った先端部の断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の風車用ブレード及び風力発電装置の全体概略構成図である。図１に示すように、風力発電装置５０は、接地極５を備えた地上若しくは洋上に設置されるタワー４、タワー４の頂部に取り付けられたナセル３、及び、ナセル３の内部の主軸（図示せず）に取り付けられたハブ２とハブ２に取り付けられた複数のブレード１とで構成される回転可能なロータを備えている。ここで、ロータを構成するブレード１は風車用ブレードとも称される。また、主軸には増速機（図示せず）を介して発電機（図示せず）が連結されており、ロータの回転力が増速機を介して発電機に伝達するよう構成されている。ブレード１が風を受けることでロータが回転し、ロータの回転力で発電機を回転させて電力を発生させている。ブレード１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（図示せず）とを備えて構成される。

また、図示しないが、ナセル３上には風向や風速を計測する風向風速センサが設置されており、発電機（図示せず）内には、回転速度を検出するための回転速度センサや、発電機が出力する有効電力を計測する電力センサなども設置されている。風力発電装置５０は、個々のブレード１毎に、風に対するブレード１の角度（ピッチ角）を調整するピッチ角調整装置（図示せず）を備えている。ピッチ角調整装置がブレード１のピッチ角を変更することによりブレード１の受ける風力（風量）を調整して、風に対するロータの回転エネルギーを変更するよう構成されている。これにより、広い風速領域において回転速度及び発電電力を制御することが可能となっている。また、ナセル３の向きはヨー角と称され、風力発電装置５０は、このナセル３の向き、すなわち、ロータの回転面の向きを制御するヨー角調整装置（図示せず）を備えている。

図２は、図１に示す風車用ブレードを構成する１つのブレードを示す図である。図２に示すように、ブレード１の先端部には雷保護装置としてレセプタ６が設置されている。レセプタ６は、ダウンコンダクタ７により接地極５と電気的に接続されている。ブレード１の大きさに応じて中間レセプタ（図示せず）が設けられる場合がある。この場合、中間レセプタも同様にダウンコンダクタ７により接地極５に接続される。

レセプタ６は、雷のエネルギー（電荷量）を考慮して材質や大きさが設計される。主要な導電体のうち、レセプタ６の材質としてアルミニウムが好適である。レセプタ６をアルミニウムで構成すれば、アルミニウムは導電性に優れることから、雷撃に伴う電流による内部発熱を小さくすることができる。また、アルミニウムは熱伝導性にも優れることから、内部発熱を速やかに分散することができる。さらにアルミニウムは他の主要な導電体に比べて軽量であるため、レセプタ６に作用する遠心力を小さくすることができる。

ダウンコンダクタ７もレセプタ６と同様に、雷のエネルギー（電荷量）を考慮して材質や太さが設計される。主要な導電体のうち、ダウンコンダクタ７の材質としてアルミニウム線が好適である。アルミニウム線は銅線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、レセプタ６に作用する遠心力に十分に耐える強度を有するダウンコンダクタとすることができる。

レセプタ６に落雷した場合、その雷電流はレセプタ６、ダウンコンダクタ７を介して接地極５へと導かれる。図１に示すように、ダウンコンダクタ７から接地極５までの通電経路には、ナセル３及びタワー４が存在するが、雷電流はナセル３及びタワー４を通電する場合もあるし、ナセル内避雷導線（図示せず）及びタワー内避雷導線（図示せず）を通電する場合もある。ナセル内避雷導線の一端はダウンコンダクタ７と電気的に接続され、ナセル内避雷導線の他端はタワー内避雷導線と電気的に接続される。タワー内避雷導線の一端はナセル内避雷導線と電気的に接続され、タワー内避雷導線の他端は接地極５と電気的に接続される。ナセル３及びタワー４が雷電流の導電体として十分な処理能力を備えている場合には、ナセル内避雷導線及び／又はタワー内避雷導線の設置を省略しても良い。

図３は、図２に示すブレード１の長手方向に沿った先端部の断面図であって、図２に示すブレード１を上方（図２のブレード１を紙面に垂直な方向）より見た図である。図３に示すように、ブレード１の先端に取り付けられたレセプタ６は、レセプタアンカー９、締結部１０、接着剤１１によってブレード１の先端部に固定されている。レセプタ６とレセプタアンカー９とを含めた総称としてレセプタと称される場合もある。以下では、雷を受けるためのレセプタ６と、レセプタ６を保持するためのレセプタアンカー９とに分けて説明する。レセプタ６とレセプタアンカー９をそれぞれ別の部品として構成しても良く、鋳型成型や削り出し或いは３Ｄプリンターなどによりレセプタ６とレセプタアンカー９を一体成型としても良い。なお、本実施例では、レセプタアンカー９を設ける場合について説明するが、レセプタアンカー９は必ずしも必須ではなく、レセプタ６とダウンコンダクタ７の一端とが電気的に接続されていれば良い。換言すれば、レセプタ６とダウンコンダクタ７の一端とが機械的に直接接続されている場合、或いは、レセプタ６と他の部材（例えば、レセプタアンカー９）を介してダウンコンダクタ７の一端とが機械的に直接接続されている場合も含まれ、いずれにせよレセプタ６とダウンコンダクタ７の一端とが電気的に接続されていれば良い。

また、図３に示すように、レセプタアンカー９とブレード１との空隙の一部または全部は、接着剤１１で充填されている。接着剤１１の材質としては、例えば、エポキシをはじめとする樹脂が選定されるが、これに限られるものではない。接着剤１１を充填することにより、ブレード１の回転に伴って発生する遠心力によってレセプタ６がブレード１から脱落することを防いでいる。また、レセプタアンカー９にボルト座を設け、ブレード１の外表面からボルトでレセプタアンカー９を締結する構成としても良い。この場合、より強固にブレード１からレセプタ６が脱落することを防ぐことができる。

締結部１０は、レセプタアンカー９とダウンコンダクタ７を電気的、機械的に接続している。締結部１０のレセプタアンカー９側の端子は、レセプタアンカー９、およびレセプタ６と一体成型しても良い。締結部１０の締結方法として、例えば、圧着端子或いは圧縮端子が用いられる。圧着端子で締結する場合、締結部１０を安価にすることができる。圧縮端子で締結する場合、端子全体を圧縮して接続するため、ダウンコンダクタ７の素線に作用する機械的な負担を小さくできる。これにより、素線が切れる可能性を低減でき、ダウンコンダクタ７の信頼性を高めることができる。

本実施例のダウンコンダクタ７は、ブレード１の先端近傍に他の部分より横断面積が大きい領域を有する。本実施例では、ダウンコンダクタ７のうち横断面積の大きい領域をダウンコンダクタの第２の領域２２、ダウンコンダクタ７のその他の部分をダウンコンダクタの第１の領域２１と称する。換言すれば、ダウンコンダクタ７は、ダウンコンダクタの第１の領域２１と、ダウンコンダクタの第１の領域２１の横断面積よりも大きい横断面積を有するダウンコンダクタの第２の領域２２と、を有する。このようにダウンコンダクタ７が、ダウンコンダクタの第１の領域２１及びダウンコンダクタの第２の領域２２を有することにより、ブレード１の耐雷性を向上できる理由につき以下に説明する。

ブレード１において、レセプタ６に着雷することが期待されるが、実際にはレセプタ６を外してブレード１の本体に着雷する場合がある。図４を用いてこの原理を説明する。図４は、図２に示すブレード１の長手方向に沿った先端部の断面図であって、図２に示すブレード１を横方向から見た図であり、ブレード本体に落雷する原理を説明する図である。図３と同一構成要素に同一符号を付し、以下では重複する説明を省略する。ブレード１に雷雲が接近すると、雷雲からは正ストリーマ１５が進展する。正ストリーマ１５の進展に伴い、ブレード１の周囲の電界強度は高くなる。これによりダウンコンダクタ７の周囲の電界強度も高くなり、ダウンコンダクタ７の各部から負ストリーマ１６が発生する。この負ストリーマ１６はブレード１の内表面に向けて成長し、ブレード１の内表面には負電荷が蓄積される。一方、ブレード１の外表面にはこの負電荷に引き寄せられるように正電荷が蓄積される。この間、レセプタ６の周囲の電界強度も高くなっており、レセプタ６からも負ストリーマ１６が発生する。レセプタ６から発生した負ストリーマ１６は、ブレード１の外表面に蓄積した正電荷に向けて成長しながら、雷雲から進展してきた正ストリーマ１５に向けても成長する。正ストリーマ１５と負ストリーマ１６が、正ストリーマと負ストリーマの接触点１７において接触したとき雷電流が発生する。このとき、正ストリーマ１５と接触した負ストリーマ１６がブレード１と接触している部分が着雷点１８となる。このような原理で、雷雲が接近したとき、レセプタ６を外してブレード１の本体に着雷する場合がある。

以上の説明において、レセプタ６を外してブレード１本体に着雷する事象はダウンコンダクタ７から負ストリーマ１６が発生したことに端を発している。従って、ダウンコンダクタ７から負ストリーマ１６が発生しないように、ダウンコンダクタ７の周囲の電界強度を低減すれば良い。

一般に電界強度は、端部に集中する傾向がある。球電極よりも針電極の方が、放電開始電圧が低いのはこのためである。電界を電気力線の面密度と考えれば、ダウンコンダクタ７の表面積を大きくすれば、ダウンコンダクタ７の周囲の電界強度は低下する。しかし、ブレード１の先端から根元まで伸びるダウンコンダクタ７の表面積を大きくすれば、ダウンコンダクタ７の重量が増し、コストも大きくなる。そこでダウンコンダクタ７が、ダウンコンダクタの第１の領域２１及びダウンコンダクタの第２の領域２２を有し、ダウンコンダクタの第２の領域２２をブレード１の先端付近に配置することで、重量、コストの増加を抑制しつつブレード１の本体の雷撃損傷を抑制する。

次に、図５及び図６を用いて、ダウンコンダクタ７が、ダウンコンダクタの第１の領域２１及びダウンコンダクタの第２の領域２２を有し、ダウンコンダクタの第２の領域２２をブレード１の先端付近に配置することで得られる効果について説明する。図５は、ブレード１の先端部を対象とした有限要素法による電界解析モデルを示している。図５において左図は比較例のブレードの解析モデルである。比較例のブレードの解析モデルにおけるダウンコンダクタ７は、ダウンコンダクタの第１の領域２１のみを有している。すなわち、比較例では位置によらずダウンコンダクタ７の横断面積は等しい。これに対して図５における右図は本発明に係るブレード１の解析モデルである。本発明に係るブレード１の解析モデルにおけるダウンコンダクタ７は、ダウンコンダクタの第１の領域２１及びダウンコンダクタの第２の領域２２を有している。一例として、ダウンコンダクタの第２の領域２２の横断面積はダウンコンダクタの第１の領域２１の横断面積の４倍と設定した。比較例のブレードの解析モデルと本発明に係るブレード１の解析モデルにおいて、ダウンコンダクタ７以外の構成要素は共通である。

図６にダウンコンダクタ７の周囲における電界強度の計算結果を示す。ここで、電界強度は比較例の最大電界強度を１とした場合の相対値として示している。比較例の場合、位置Ｄから位置Ｃにかけて、ダウンコンダクタ７の周囲の電界強度はゆるやかに上昇する。位置Ｃより高い位置、すなわち位置Ｃから位置Ａにかけては、レセプタ６やレセプタアンカー９に電界が集中することにより、ダウンコンダクタ７の周囲の電界強度は減衰する。一方、本発明の場合、ダウンコンダクタ７の横断面積が大きくなる位置Ｃから位置Ｂにかけて、ダウンコンダクタ７の周囲の電界強度は比較例の場合と比べて低減している。従って、本発明に係るダウンコンダクタ７から発生する負ストリーマ１６を抑制できる。その結果、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制可能な風車用ブレードを提供することができる。

以上の通り本実施例によれば、少なくともレセプタ近傍におけるダウンコンダクタからのストリーマ放電の発生を抑制することで、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制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が可能となる。

図７は、本発明の他の実施例に係る実施例２のダウンコンダクタの構成を示す図である。本実施例では、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２が中空領域を有し、ダウンコンダクタの第１の領域２１がダウンコンダクタの第２の領域２２の中空領域を貫通する構成とした点が実施例１と異なる。図７において、上述の実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

図７に示すように、本実施例に係るダウンコンダクタ７は、ダウンコンダクタの第２の領域２２に相当するダウンコンダクタ７Ｂと、ダウンコンダクタの第１の領域２１に相当するダウンコンダクタ７Ａとで構成される。ダウンコンダクタ７Ｂは、ダウンコンダクタ７Ａと電気的に接続されるとともに、ダウンコンダクタ７Ａの横断面積と等しいかやや大きい横断面積の中空領域を有し、その中空領域をダウンコンダクタ７Ａが貫通している。このようにすることで、ダウンコンダクタ７Ａはブレード１の先端側から根元側にかけて１本の導電体で構成することができ、レセプタ６やレセプタアンカー９を保持する信頼性を損なうことなく、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制可能な風車用ブレードを提供することができる。

ダウンコンダクタ７Ｂの端部２３は、連続的に断面積が小さくなる形状が望ましい。このようにすることで、ダウンコンダクタ７Ｂの端部２３に電界が集中することを抑制することができる。ダウンコンダクタ７Ｂの端部２３の縦断面は、図７に示すような台形状、いわゆるテーパー形状であっても良く、なめらかな曲線であっても良い。また、ダウンコンダクタ７Ｂの端部２３を別の導電体で構成しても良い。

ダウンコンダクタ７Ｂの中空領域の横断面積と、ダウンコンダクタ７Ａの横断面積が等しい場合には、ダウンコンダクタ７Ａとダウンコンダクタ７Ｂは自ずと電気的に接続されるが、この場合、ダウンコンダクタ７Ａをダウンコンダクタ７Ｂの中空領域に貫通させることは容易ではない。そこで、ダウンコンダクタ７Ｂの中空領域の横断面積をダウンコンダクタ７Ａの横断面積よりもやや大きくすることで、ダウンコンダクタ７Ａを容易に貫通させることができる。このとき、ダウンコンダクタ７Ａとダウンコンダクタ７Ｂの電気的接続端子（図示せず）を設けることにより、ダウンコンダクタ７Ａとダウンコンダクタ７Ｂの電気的接続を確実にすることができる。このとき、電気的接続端子の形状によっては電界が集中してしまうおそれがあるため、電気的接続端子はダウンコンダクタ７Ｂの中空領域に設置することが望ましい。

ダウンコンダクタ７Ｂの中空領域の横断面積はダウンコンダクタ７Ａの横断面積に比べて大きくとっても良い。ダウンコンダクタ７Ａは、レセプタ６に着雷した雷の電流を大幅な温度上昇を伴うことなく処理できるほどの横断面積を有しており、ダウンコンダクタ７Ｂは雷電流を処理するために設置されるものではない。従って、中空領域を除いたダウンコンダクタ７Ｂの横断面積は小さくて良い。換言すれば、中空領域を有するダウンコンダクタ７Ｂの肉厚を薄くするのが好ましい。中空領域を除いたダウンコンダクタ７Ｂの断面積を小さくすればするほど（空領域を有するダウンコンダクタ７Ｂの肉厚を薄くするほど）、ダウンコンダクタ７Ｂを軽量化できる。

また、ダウンコンダクタ７Ｂは、分割できる構造であっても良い。すなわち、ダウンコンダクタ７Ｂを着脱自在の構成としても良い。このようにすることで、簡易な作業でダウンコンダクタ７Ａにダウンコンダクタ７Ｂを後付けすることができる。換言すれば、既設のダウンコンダクタ７Ａに新たにダウンコンダクタ７Ｂを容易に取り付けることが可能となる。

電界強度は端部に集中する傾向にあるため、ダウンコンダクタ７Ｂの表面は、ダウンコンダクタ７Ａの表面に比べて平坦にすることが望ましい。例えば、ダウンコンダクタ７Ａを撚線とし、ダウンコンダクタ７Ｂを表面が研磨された金属筒で構成するのが良い。このようにすることでダウンコンダクタ７Ｂの表面はダウンコンダクタ７Ａの表面に比べて平坦であり、ダウンコンダクタ７Ｂの表面上には電界が特異的に集中する点がなくなるため、電界強度を低下でき、より効果的にブレード本体の雷撃損傷を抑制できる。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ダウンコンダクタの軽量化が可能となる。
また、既設のダウンコンダクタ７Ａに新たにダウンコンダクタ７Ｂを容易に取り付けることが可能となることから、改修作業を容易に実現することが可能となる。

図８は、本発明の他の実施例に係る実施例３のダウンコンダクタの構成を示す図である。本実施例では、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２の両端部を、それぞれ横断面積の小さいダウンコンダクタの第１の領域２１に電気的、機械的に接続可能な構成とした点が実施例１と異なる。図８において、上述の実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

図８に示すように、本実施例に係るダウンコンダクタ７は、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２に相当するダウンコンダクタ７Ｄと、横断面積の小さいダウンコンダクタの第１の領域２１に相当するダウンコンダクタ７Ａ及びダウンコンダクタ７Ｃとで構成される。
ダウンコンダクタ７Ｄは、その両端において、それぞれダウンコンダクタ７Ａ、ダウンコンダクタ７Ｃと電気的、機械的に接続されている。このようにすることで、ダウンコンダクタ７Ｄは単純な形状でよく、安価にダウンコンダクタ７を構成すると共に、長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制可能な風車用ブレードを提供することができる。

なお、ダウンコンダクタ７Ａとダウンコンダクタ７Ｃは同じ横断面積を有する必要はなく、少なくともダウンコンダクタ７Ａとダウンコンダクタ７Ｃの横断面積がダウンコンダクタ７Ｄの横断面積よりも小さければ良い。また、ダウンコンダクタ７Ｄは、中実構造であっても良く、中空構造であっても良い。ダウンコンダクタ７Ｄを中空構造とすれば、ダウンコンダクタ７をより軽量に構成することができる。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ダウンコンダクタを安価に作製することが可能となる。
また、ダウンコンダクタの軽量化を図ることが可能となる。

図９は、本発明の他の実施例に係る実施例４のダウンコンダクタの構成を示す図である。本実施例では、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２の周囲に比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質を配する構成とした点が実施例１と異なる。図９において、上述の実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

図９に示すように、本実施例に係るダウンコンダクタ７は、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２に相当するダウンコンダクタ７Ｄの周囲に、比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質８を配置している。換言すれば、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２に相当するダウンコンダクタ７Ｄの外周面を、比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質８にて被覆する構成としている。ここで、比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質８としては、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、エポキシ樹脂、或いはゴムなどが用いられる。

一般に誘電率の高い材質の周囲は電界強度が下がる傾向にあり、このような誘電物質８をダウンコンダクタ７Ｄの周囲に配置することにより、ブレード本体の雷撃損傷を抑制する効果を高めることができる。図９では誘電物質をダウンコンダクタ７Ｄの全周囲に配置しているが、ダウンコンダクタ７Ｄの一部の範囲に限定して配置してもよい。誘電物質８の材質として、高い誘電率を有する物質が望まれるが、実際には誘電物質８を配置することによるコストの増加や重量の増加の影響を考慮して材料を選定することが好ましい。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２の周囲に比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質を配することにより、電界強度をより一層低下させることが可能となる。

図１０は、本発明の他の実施例に係る実施例５のブレードの長手方向に沿った先端部の断面図である。本実施例では、横断面積の大きいダウンコンダクタの第２の領域２２の一端を締結部１０に接続する構成とした点が実施例１と異なる。図１０において、上述の実施例１と同様の構成要素に同一符号を付している。

図１０に示すように、本実施例に係るダウンコンダクタ７は、ダウンコンダクタの第１の領域２１及びダウンコンダクタの第２の領域２２を有し、ダウンコンダクタの第２の領域２２の一端が締結部１０と接続され、ダウンコンダクタの第２の領域２２の他端がダウンコンダクタの第１の領域２１と接続されている。このようにすることで、ダウンコンダクタ７は、それぞれ１つの部品のダウンコンダクタの第１の領域２１及びダウンコンダクタの第２の領域２２で構成することができるため、ダウンコンダクタ７の構造を簡素化することが可能となる。
さらに、レセプタアンカー９及びダウンコンダクタの第２の領域２２を一体成型とすれば、締結部１０は不要となり、より簡素な構造で長期にわたりブレード本体の雷撃損傷を抑制可能な風車用ブレードを提供することができる。

以上の通り本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ダウンコンダクタ７の構造を簡素化することが可能となる。
また、更には、締結部１０を不要とでき、より一層構造を簡素化することが可能となる。

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。

例えば、レセプタ６、ダウンコンダクタ７、及び締結部１０の材質としてアルミニウムを用いる場合を一例として示したが、これに代えて、他の導電体、例えば銅やステンレス鋼を用いる構成としても良い。

また、レセプタ６には、図２に示すようにブレード１の先端部を覆うように設置されたキャップ型、ブレード１の先端部から突出するように設置されたロッド型、ブレード１の先端部近傍において、ブレード１の風上側、風下側のどちらかまたは両面に設置されるディスク型などがあるが、本発明はレセプタの形状に限定されるものではなく、いずれのレセプタ形状であっても良い。また、図面ではダウンコンダクタ７Ｂやダウンコンダクタ７Ｄの本体部分の形状は円柱状で、その横断面積は一定であるように描かれているが、ダウンコンダクタ７Ｂ、ダウンコンダクタ７Ｄの本体部分の形状はなめらかな形状であれば任意に決められる。従って、ダウンコンダクタ７Ｂ、ダウンコンダクタ７Ｄの本体部分の横断面積は必ずしも一定であるとは限らない。

１…ブレード
２…ハブ
３…ナセル
４…タワー
５…接地極
６…レセプタ
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ…ダウンコンダクタ
８…誘電物質
９…レセプタアンカー
１０…締結部
１１…接着剤
１５…正ストリーマ
１６…負ストリーマ
１７…正ストリーマと負ストリーマの接触点
１８…着雷点
２１…ダウンコンダクタの第１の領域
２２…ダウンコンダクタの第２の領域
２３…ダウンコンダクタ７Ｂの端部
５０…風力発電装置

Claims (15)

1. ブレード本体と、
   前記ブレード本体の先端及び／又は前記ブレード本体の先端部近傍に取り付けられた雷捕捉用のレセプタと、
   前記レセプタと電気的に接続され、雷による電流を前記ブレード本体の先端から根元にかけて通電する、少なくとも１つの導電部品で構成されたダウンコンダクタとを有する風車用ブレードであって、
   前記ダウンコンダクタは、横断面積の異なる少なくとも２つ以上の領域を有し、横断面積が大きい領域を前記レセプタの近傍に配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、
   前記ダウンコンダクタは、横断面積の小さい第１の領域と横断面積の大きい第２の領域を有し、前記第２の領域が前記レセプタの近傍に配され、
   前記第１の領域と前記第２の領域との接続部は、横断面積が連続的に変化する形状を有することを特徴とする風車用ブレード。
3. 請求項２に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記第２の領域は内部に中空領域を有し、前記第１の領域は前記中空領域を貫通するよう配されることを特徴とする風車用ブレード。
4. 請求項２に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記第２の領域は中空構造であることを特徴とする風車用ブレード。
5. 請求項３又は請求項４に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記第２の領域は、前記第１の領域に対し着脱自在であることを特徴とする風車用ブレード。
6. 請求項２に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記第２の領域の外周面の少なくとも一部が、比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質にて被覆されていることを特徴とする風車用ブレード。
7. 請求項５に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記第２の領域の表面は、前記第１の領域の表面に比べて平坦であることを特徴とする風車用ブレード。
8. 請求項６に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記第２の領域の表面は、前記第１の領域の表面に比べて平坦であることを特徴とする風車用ブレード。
9. 請求項２に記載の風車用ブレードにおいて、
   前記レセプタを前記ブレード本体に固定するレセプタアンカーを備え、
   前記レセプタアンカーと前記第２の領域とが一体であることを特徴とする風車用ブレード。
10. 少なくとも、風を受けて回転するブレードを有するロータと、前記ロータの回転エネルギーを用いて発電する発電機を収容するナセルと、を有する風力発電装置であって、
    ブレード本体と、
    前記ブレード本体の先端及び／又は前記ブレード本体の先端部近傍に取り付けられた雷捕捉用のレセプタと、
    前記レセプタと電気的に接続され、雷による電流を前記ブレード本体の先端から根元にかけて通電する、少なくとも１つの導電部品で構成されたダウンコンダクタとを有し、
    前記ダウンコンダクタは、横断面積の異なる少なくとも２つ以上の領域を有し、横断面積が大きい領域を前記レセプタの近傍に配することを特徴とする風力発電装置。
11. 請求項１０に記載の風力発電装置において、
    前記ダウンコンダクタは、横断面積の小さい第１の領域と横断面積の大きい第２の領域を有し、前記第２の領域が前記レセプタの近傍に配され、
    前記第１の領域と前記第２の領域との接続部は、横断面積が連続的に変化する形状を有することを特徴とする風力発電装置。
12. 請求項１１に記載の風力発電装置において、
    前記第２の領域は内部に中空領域を有し、前記第１の領域は前記中空領域を貫通するよう配されることを特徴とする前記第２の領域は内部に中空領域を有し、前記第１の領域は前記中空領域を貫通するよう配されることを特徴とする風力発電装置。
13. 請求項１１に記載の風力発電装置において、
    前記第２の領域は中空構造であることを特徴とする風力発電装置。
14. 請求項１２又は請求項１３に記載の風力発電装置において、
    前記第２の領域は、前記第１の領域に対し着脱自在であることを特徴とする風力発電装置。
15. 請求項１１に記載の風力発電装置において、
    前記第２の領域の外周面の少なくとも一部が、比誘電率が乾燥空気よりも高い誘電物質にて被覆されていることを特徴とする風力発電装置。

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