JP4192744B2 - 風力発電設備 - Google Patents

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Description

本発明は、タワー上に設けたブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備に関するものであり、特に耐雷性能に優れた風力発電設備に関するものである。
ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備は、クリーンエネルギーとして導入が促進されているが、地形上の適地として障害物のない風通しのよい場所に高く設置されることから、ブレード等が雷の目標になりやすい。通常、ブレードは樹脂製の板を整形して製作されており、落雷によってブレードが焼け焦げたり、割れたりして損傷した場合、その修理や交換のために多大な費用と長期間の運転休止が必要となり、甚大な損失を被ることになる。
そこで、風力発電設備には、従来から各種の落雷対策が施されている。
例えば、樹脂製のブレードの先端部付近に金属片を埋め込んで受雷部とし、受雷部への落雷電流を地中に導くようにしたものがある。
図4は、その一例であり、(a)が正面図、(b)が側面図である。地上に立設したタワー10と、タワー10の上部に搭載され、発電機等を内蔵したナセル11と、ナセル11で回転自在に軸支されたローター12と、ローター12に取り付けられたブレード14とを備えた風力発電設備において、樹脂製のブレード14の先端部付近に金属片51を埋め込んで受雷部とし、金属片51の受雷部への落雷電流を、ブレード14内部に配線した避雷導線52とタワー10に沿って配線した避雷導線53を経由して地中のアース54に導くようにしている。
また、樹脂製のブレードの側方に避雷針を設置して、避雷針に落雷させるようにしたものがある(例えば、特許文献1参照。)。
図5は、その一例であり、タワー10の上部に搭載されたナセル11に早期ストリーマ発進型避雷針61を設置したものである。早期ストリーマ発進型避雷針61から捕捉放電を発進させて雷雲からの放電を捕捉し、避雷針61へ落雷させて落雷電流を避雷導線62によって地中に導くことにより、ブレード14への落雷を回避しようとするものである。
特開2001−123934号公報
しかし、樹脂製のブレードの先端部付近に金属片を埋め込んで受雷部としたものでは、必ずしも金属片の受雷部に落雷せずに、それ以外のブレード先端部、特にブレードの刃の部分に落雷することがある。一般にブレードの刃は鋭角であり、落雷しやすい形状になっているからである。そして、金属片の受雷部以外のブレード先端部に落雷すると、樹脂製のブレードは焼損したり、破損したりすることになる。
また、ブレードの側に避雷針を設置するものでは、常に避雷針に落雷するとは限らず、ブレードに落雷することもある。ブレードの回転に伴って、ブレード先端部が高い位置に位置するようになり、避雷針による避雷保護範囲を越えることもあるからである。そして、樹脂製のブレードの先端部に落雷すると、ブレードは焼損したり、破損したりすることになる。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができる耐雷性能に優れた風力発電設備を提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
[1]ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなり、前記ブレード先端部材は中空構造であることを特徴とする風力発電設備。
[2]ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなり、前記ブレード先端部材のブレード本体接合部側の端部にアンカー部を突設させ、前記ブレード先端部材とブレード本体とを、両者の接合部に充填した後硬化させる樹脂充填層により接合し、該樹脂充填層内に埋め込まれたアンカー部をブレード先端部材のブレード本体に対するアンカーとして機能させることを特徴とする風力発電設備。
[3]ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなり、前記ブレード先端部材は中空構造であるとともに、前記ブレード先端部材のブレード本体接合部側の端部にアンカー部を突設させ、前記ブレード先端部材とブレード本体とを、両者の接合部に充填した後硬化させる樹脂充填層により接合し、該樹脂充填層内に埋め込まれたアンカー部をブレード先端部材のブレード本体に対するアンカーとして機能させることを特徴とする風力発電設備。
[4]前記ブレード先端部材への落雷電流を地中に導くようにしたことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載の風力発電設備
[5]前記ブレード先端部材はアルミニュウム製又はアルミニュウム合金製であることを特徴とする前記[1]〜[4]のいずれかに記載の風力発電設備。
本発明においては、ブレード先端部を導電性金属で構成しているため、雷はブレード先端部に落雷し、ブレード先端部以外の樹脂製の部分(ブレード本体)に落雷することが回避される。そして、ブレード先端部は金属で構成されているので、ブレード先端部に落雷しても焼損や破損することがない。その結果、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができる。
本発明の一実施形態を、図1〜図3を参照しながら説明する。図1は、この実施形態に係る風力発電設備の全体構成図であり、図2及び図3は、その風力発電設備におけるブレードの説明図である。
図1(a)に正面図、(b)に側面図を示すように、この実施形態に係る風力発電設備は、地上に立設したタワー10と、タワー10の上部に搭載され、発電機等を内蔵したナセル11と、ナセル11で回転自在に軸支されたローター12と、ローター12に取り付けられたブレード13とを備えている。
そして、ブレード13は、ローター12に取り付けられたブレード本体20と、ブレード本体20の先端に接合されたブレード先端部材21によって構成されている。ブレード本体20は、繊維強化樹脂(FRP)で製作され、ブレード先端部材21は導電性金属であるアルミニュウム又はアルミニュウム合金で製作されている。
さらに、ブレード先端部材21からブレード本体20の内部を通過してローター12まで配線された避雷導線22と、ナセル11からタワー10に沿って地中のアース24まで配線された避雷導線23と、ローター12とナセル11の間に設けたスリップリング25を備えている。
なお、通常、タワー10は鋼構造であるので、タワー10自体を避雷導線23の代りに用いることでもよい。また、ローター12とナセル11の間にスリップリング25を設けずに、ローター12とナセル11の間は放電によって導電させるようにしてもよい。
図2に、ブレード先端部材21の詳細図を示す。図2(a)は、ブレード先端部材21の構成を示す図であり、図2(b)は、ブレード先端部材21がブレード本体20の先端に接合された状態を示す図である。
図2(a)に示すように、ブレード先端部材21は、ブレード13の先端形状を形成する中空構造の外皮部31と、中空構造の外皮部31を補強するために外皮部31の内部に設けられた補強リブ32を備えている。なお、33はドレイン孔である。
さらに、ブレード先端部材21は、ブレード本体20と接合する側の端部に、接合を強固にするためのアンカー部34を有している。アンカー部34は、ブレード本体20側に向かって広がった末広がり形状の中空の突起である。なお、その内部にも補強リブ34aが設けられている。
そして、図2(b)に示すように、ブレード本体20の先端部分にアンカー部34を入れ込み、アンカー部34の周囲に接合用樹脂(レジン)35を充填させ、その接合用樹脂35を硬化させることによって、ブレード本体20とブレード先端部材21を接合させている。これによって、接合用樹脂35を充填した層内に埋め込まれたアンカー部34をブレード先端部材21のブレード本体20に対するアンカーとして機能させている。
なお、図2(b)に示すように、アンカー部34の内部の補強リブ34aには、避雷導線22の先端に設けられた避雷導線接続端子22aがボルト41によって取り付けられている。
上記のように構成したブレード13を回転させて風力発電を行った場合には、ブレード13の先端部が導電性金属であるアルミニュウム又はアルミニュウム合金で製作された先端部材21で構成されているので、雷はブレード先端部材21に落雷し、樹脂製のブレード本体20に落雷することが回避される。そして、ブレード先端部材21は金属で構成されているので、ブレード先端部材21に落雷しても焼損や破損することがない。ブレード先端部材21への落雷によって生じた落雷電流は、避雷導線22、スリップリング25、避雷導線23の順に通過して地中のアース24に導かれる。このようにして、落雷によるブレード13の損傷を的確に防止することができる。
そして、ブレード先端部材21に設けたアンカー部34を接合用樹脂35の層内に埋め込むようにしてブレード先端部材21をブレード本体20に接合しているので、強固な接合強度を有しており、ブレード13の回転による遠心力や曲げ応力がかかっても、ブレード本体20とブレード先端部材21との接合を維持することができる。
なお、導電性金属で構成されたブレード先端部材21に落雷させるために、ブレード先端部材21の長さはある程度以上あることが望ましいが、長すぎるとブレード13全体の重量が重くなるので、例えば、ブレード13の全長が25m程度の場合には、ブレード先端部材21の長さは200mm〜2000mmの範囲にするのが好適である。
そして、ブレード先端部材21を中空構造にすることにより、ブレード13の全体重量の軽減並びにブレード本体20とブレード先端部材21との接合部等にかかる遠心力や曲げ応力の低減を図ることができる。
なお、この実施形態においては、ブレード先端部材21をアルミニューム又はアルミニューム合金で製作しているが、銅、銅合金、鋼等の他の導電性金属で製作することでもよい。
また、ブレード13の全長が長いとか回転数が大きい等により、ブレード13の回転による遠心力や曲げ応力が大きくなる場合には、アンカー部を図3に示すようなものにしてもよい。
すなわち、図3(a)に示すように、アンカー部が、ブレード本体20側に向かって延びる複数本の支持部材36と、支持材36の先端にボルト43とワッシャ44によって取り付けられた接合補強板37とからなっている。
そして、図3(b)に示すように、ブレード本体20の先端部分に、支持部材36と接合補強板34を入れ込み、支持部材36と接合補強板34の周辺に接合用樹脂35を充填させ、その接合用樹脂35を硬化させることによって、ブレード本体20とブレード先端部材21を接合させている。これによって、接合用樹脂35を充填した層内に埋め込まれた支持部材36と接合補強板34からなるアンカー部が、ブレード先端部材21のブレード本体20に対するアンカーとして機能する。このような支持部材36と接合補強板34で構成したアンカー部を用いた場合には、図2に示したアンカー部を用いた場合よりもさらに強固な接合強度を有しているので、ブレード13の回転による遠心力や曲げ応力が大きい場合でも、ブレード先端部材21とブレード本体20との接合を確実に維持することができる。
なお、上述の実施形態においては、樹脂製のブレード本体20の先端に導電性金属製のブレード先端部材21を接合したブレード13を用いているが、図4あるいは図5に示したような全体が樹脂製のブレード14の先端部分に金属板をかぶせることも考えられる。しかし、その場合には、金属板への落雷による衝撃を内側の樹脂製のブレードも受けるため、ブレードが破損したり変形したりする危険性が高い。したがって、樹脂製のブレードの先端部分に金属板をかぶせることでは、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができるとは言い難い。
本発明の一実施形態における全体構成図である。 本発明の一実施形態におけるブレードの説明図である。 本発明の一実施形態におけるブレードの他の説明図である。 従来技術の説明図である。 他の従来技術の説明図である。
符号の説明
10 タワー
11 ナセル
12 ローター
13 ブレード
14 ブレード
20 ブレード本体
21 ブレード先端部材
22 避雷導線
22a 避雷導線接続端子
23 避雷導線
24 アース
25 スリップリング
31 外皮部
32 補強リブ
33 ドレイン孔
34 アンカー部
35 接合用樹脂
36 支持部材
37 接合補強板
41 ボルト
43 ボルト
44 ワッシャ
51 金属片
52 避雷導線
54 アース
61 早期ストリーマ発進型避雷針
62 避雷導線

Claims (5)

  1. ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなり、前記ブレード先端部材は中空構造であることを特徴とする風力発電設備。
  2. ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなり、前記ブレード先端部材のブレード本体接合部側の端部にアンカー部を突設させ、前記ブレード先端部材とブレード本体とを、両者の接合部に充填した後硬化させる樹脂充填層により接合し、該樹脂充填層内に埋め込まれたアンカー部をブレード先端部材のブレード本体に対するアンカーとして機能させることを特徴とする風力発電設備。
  3. ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなり、前記ブレード先端部材は中空構造であるとともに、前記ブレード先端部材のブレード本体接合部側の端部にアンカー部を突設させ、前記ブレード先端部材とブレード本体とを、両者の接合部に充填した後硬化させる樹脂充填層により接合し、該樹脂充填層内に埋め込まれたアンカー部をブレード先端部材のブレード本体に対するアンカーとして機能させることを特徴とする風力発電設備。
  4. 前記ブレード先端部材への落雷電流を地中に導くようにしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の風力発電設備。
  5. 前記ブレード先端部材はアルミニュウム製又はアルミニュウム合金製であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の風力発電設備。
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