JP4587099B2 - 風力発電装置、及び、ブレード - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置及び風力発電装置に使用されるブレードに関する。

風力発電とは、風の力を利用する発電で、風がよく吹く地点に風車を設置し、その回転力で発電機を回すという発電システムである。
近年、環境問題への意識の高まり等から、風力発電システムの需要が増えている。風力発電装置にはさまざまな形の風車が使われているが、大容量で、かつ、発電効率の良い風車として知られているのが、図１３に示すブレード型風車である。

ブレード型風車は、支柱９の頂部に載置されたナセル７と、このナセル７内に設けられた発電機の回転子を風力により回転させるためのブレード（羽根）３、ブレード３と回転軸（図示せず）とを接続するハブ５等を有する。ブレード３が風を受けて回転し、その回転がハブ５等を介して発電機の回転子に伝達され、発電される。

大型発電用の風車となると、支柱９の高さは５０メートルほどとなり、ブレード３の長さも数十メートルと非常に大きいものとなる。この大きさのために、単に発電機というだけでなく、ランドマーク的な価値も生じ、観光の対象になることもある。

風力発電装置の出力が小さい場合には、ブレードには木材が使用されていたが、大きな出力の風力発電装置が開発されるにつれて、長く風の当る面積が大きなブレードが必要になり、繊維強化型のプラスチック（ＦＲＰ）が使用されるようになっている。ＦＲＰをブレードに使用することで、軽くても強度の強いものが作製できるようになり、２５０ｋＷを超えるような大きな風力発電装置が製造可能になった。

このように、風力発電装置は非常に大きく、高いものであり、風を受けやすいような広大な土地に設置されることが多いため、落雷による被害、例えば落雷によりブレード等が破損したり、落雷により制御系装置が故障したりといった被害が多い。このブレードの損傷は、雷がブレードを貫通して、ブレード内部を大電流が流れることによりブレード内部の空気層が、雷電流により発生する熱量で膨張し、短時間で高い圧力を発生するためブレードが破裂して破損している。風力発電機が大きいため、ブレード単体の費用が高価であるだけでなく、ブレードの交換にも大型クレーンを使用する必要があり修復コストが莫大となる。

このため、落雷による破損を防ぐために、風力発電装置のナセル部分に避雷針を設置することも考えられているが（特許文献１参照）、ブレードの落雷することなく避雷針に確実に落雷させることは不可能であり、落雷によるブレード等の破壊を防ぐことは困難である。

一方、風力発電機よりも高い避雷針を風力発電機の近くに設置する方法もあるが、１００ｍにもおよぶ非常に大型の風力発電機よりも高い避雷針の設置には風力発電機の設置にも匹敵する設置コストが発生する。

このため、ブレードを金属で製造することも考えられるが、金属で製造すると重量が重くなる。このため、ブレードを支えるハブ、支柱などの強度を高くする必要から、風力発電装置自身のコストが高くなる。

また、図１４に示すように、ブレード１０１全面に導電性物質１１１を塗布することも考えられる。このようにすることで、ブレード１０１に落雷した場合でも、図１５に示すように電流１２１がブレード１０１表面を流れるようにし、さらに支柱、そして地面へと流れることによって、落雷がブレードを貫通することによるブレードの破裂を防ぐ方法も考えられている。しかしながら、ブレード全面に導電性物質１１１を塗布すると、図１６に示すように、非常に広範囲（Ａ１）の導電性物質が落雷によって蒸発したり剥がれてしまうため、この状態では次の落雷に対して同様の効果が得られない。したがって、続けて落雷した場合にはブレードが破壊する可能性もある。また、現地において再度導電性物質を塗布する作業は、時間やコストがかかり、煩雑である。しかも、表面の導電性物質が不均一にはがれるとランドマークとしての価値が無くなる。
特開２００１−１２３９３４号公報

このような問題に鑑みて、本発明の目的とするところは、ブレードに落雷した際の雷電流をブレードを貫通せずブレード表面を効率よく地面に流すことができ、装置の破壊を防ぐブレード、及び、そのブレードを備えた風力発電装置を提供することにある。

第１の発明は、風力発電装置に使用されるブレードであって、表面全体或いは一部の表面であってハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる、複数のドットが設けられることを特徴とするブレードである。
このように、ブレード表面に導電性材料からなる複数のドットが設けられると、ブレードに落雷した際の落雷電流は、ドットを介してブレード表面上を流れ、ブレードを貫通することがないため、ブレードを破壊することがない。
ブレード表面を流れた落雷電流は、金属等の導電性物質から成るハブを伝い、支柱を伝い、地面に放電される。こうして、落雷による電流がブレードの表面上を流れることによって、ブレードやその他の装置が破壊されることがなく、電流は地面に流される。

第２の発明は、風力発電装置に使用されるブレードであって、本体と、前記本体の表面に設けられたコーティング層と、を具備し、前記コーティング層の表面全体或いは一部の表面であってハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる複数のドットを設けることを特徴とするブレードである。
ここで、ドットは粘着テープ上に設けられ、粘着テープをコーティング層に貼着させることで、容易にドットをコーティング層の表面に密着して設けることができる。

第３の発明は、風力発電装置に使用されるブレードであって、本体と、前記本体の表面に設けられたコーティング層と、を具備し、前記コーティング層の全体或いは一部であっ てハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる複数のドットの一部を埋め込むことを特徴とするブレードである。
ここで、ドットは、コーティング層本体に埋め込まれて設けられるものである。
第２、第３の発明においても、ブレードに落雷した際の落雷電流は、ドットを介してブレード表面上を流れ、ブレードを貫通することがないため、ブレードを破壊することがない。また、ブレード表面を流れた落雷電流は、金属等の導電性物質から成るハブを伝い、支柱を伝い、地面に放電され、他の装置の破壊も防ぐことができる。

第４から第６の発明は、前記の第１から第３の発明のブレードを用いて発電を行う風力発電装置である。

本発明のブレードは、落雷の際の雷電流をブレードを貫通させること無くブレード表面から、支柱、地面に流すことによって装置の破壊を防ぎ、その効果を長く有するものである。

ブレード表面に導電性物質からなるドットを複数塗布し、ブレードへの落雷の際の電流をブレード表面、支柱、地面に流すことによって装置の破壊を防ぐ。また、ドットがブレード表面に多数塗布されていることから、１回の落雷で効果が落ちることがなく、そのまま繰り返して使用することが可能である。

図１は、本発明装置の１実施例である風力発電装置１の概略構成図である。図１（ａ）は風力発電装置１の正面図、図１（ｂ）は背面図である。本実施例では、図１に示すブレード型風力発電装置を例に説明する。
風力発電装置１はブレード３、ハブ５、ナセル７、支柱９等から構成される。本実施例の風力発電装置１は、３枚のブレード３−１、３−２、３−３を有する。ブレード型風力発電装置には１枚のブレードを有するものや、２枚のブレードを有するものなどがあるが、これらに対しても本願の発明は同様な効果を得ることができる。

３枚のブレード３は、風を受けて回転する。ハブ５はブレード３と回転軸とを接続する。ナセル７は発電機等の装置を収納する。風力発電装置１では、ブレード３が風を受けて回転し、その回転がハブ５等を介して発電機の回転子に伝達され、発電される。

図２は、ブレード３−１を示す図である。ブレード３−１の表面には多数のドット１１が所定の密度分布で設けられる。図３は、ブレード３−１の表面近傍の断面の一部を示す図である。ブレード３−１は、本体となるＦＲＰなどの絶縁物１７、水の浸入や汚れを防止するコーティング層１９、アルミやカーボンなどの導電性物質から成るドット１１等から構成される。ドット１１はコーティング層１９の表面に密着して設けられる。
尚、図２はブレード３−１の正面図であるが、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、ブレード３−１の表面全体に（裏側も含めて）ドット１１は分布している。

いま、ブレード３−１に落雷したとする。図４はブレード３−１に落雷した場合の放電経路の一例を示す図である。図４において、Ｋ１は放電経路であり、経路Ｋ１を大きな電流が流れる。図４に示すように、電流の流れる経路Ｋ１は、導電性物質から成るドット１１同士をつなぐように、ドット１１とコーティング層１９の表面、すなわちブレード３−１の表面上を流れ、ブレードを雷が貫通してブレードが破裂することは無い。

図５は、風力発電装置１における放電経路の一例を示す図である。図４に示すようにブレード３−１の表面上を流れた電流は、金属等の導電性物質から成るハブ５を伝い、支柱９を伝い、地面に放電される。こうして、落雷による電流がブレード３−１の表面上を流れることによって、ブレード３−１やその他の装置が破壊されることがなく、電流は地面に流される。

図６は、経路Ｋ１に沿って放電した後のブレード３−１の表面を示す図である。図６に示すように、放電経路Ｋ１に沿って電流が流れた部分Ｓ１では、落雷による大きな電流が流れたためにその部分のドット１１が溶けたり、雷電流の熱で蒸発したり、コーティング１９表面との接着性が低下して剥がれたりして、ドット１１の一部が欠けたり、またはドット１１が存在しない。

図７は、図６に示す状態のブレード３−１に再度落雷が起こった場合の放電経路Ｋ２を示す図である。図７に示すように、電流の流れる放電経路Ｋ２は、放電経路Ｋ１と同様、導電性物質から成るドット１１同士をつなぐように、ブレード３−１の表面を流れる。ブレード表面上の経路Ｋ２を流れた電流は、さらに金属等の導電性物質から成るハブ５を伝い、支柱９を伝い、地面に放電される。こうして、再度の落雷からも、装置やブレードの破壊を防止することができる。

このように、落雷のためドット１１が一部または全部存在しない領域Ｓ１がある場合でも、図７に示すように、本実施例のブレード３−１では、ブレード表面上に存在する他のドット１１をつなぐように放電が行われる。したがって、連続した落雷においてもブレード本体やその他の装置の破壊を防ぐことができる。また、落雷によりドット１１が一部または全部存在しない領域Ｓ１ができても、すぐに修理する必要がない。
ここでは、ブレード３−１を例に説明したが、ブレード３の内の残りのブレード３−２、３−３についても同様の構成であり、同様の動作、効果が得られる。

次に、ブレードの他の実施例について説明する。図８は第２の実施例に係るブレード１３−１の表面近傍の断面の一部を示す図である。ブレード１３−１の形状やドット１１の分布等は、図２に示すブレード３−１と同様である。図８に示すように、ブレード１３−１は、ブレード３−１と異なり、ブレード本体１７表面にブレードへの水分侵入防止用のコーティング３０の上に、アブレーション材料によるコーティング層２９がコーティングされ、ドット１１はコーティング層２９に密着されている。

ここで、アブレーション材料とは、ナイロン、ポリアセテート、ポリエチレン等の材料であり、これらの材料をブレード本体１７にコーティングすることにより、落雷時の放電電流がブレード３−１表面を流れると、電流の熱によりアブレーション材料が蒸発し、その圧力で放電電流を表面から引き離すという効果があることが知られている。これにより、アブレーション材料表面に発生した雷電流がブレードから離れるため、それ以上ブレードが雷電流の熱で劣化したりすることが無く、この結果、雷がブレードを貫通せず、ブレードが破裂することを防止することができる。

ブレード１３−１においても、ドット１１が表面に存在することにより、落雷時に電流がブレード１３−１の表面上を流れ、ブレード３−１と同様の動作、効果が得られる。

次に、ブレードの他の実施例について説明する。図９は第３の実施例にかかるブレード２３−１の表面近傍の断面の一部を示す図である。ブレード２３−１はブレード１３−１とほぼ同じであるが、図９に示すように、ブレード２３−１において、ドット１１はコーティング層４９に埋め込まれている。本方式を用いることにより、一度、雷電流の経路になっても雷電流が流れることで発生する熱で蒸発してなくなることが無い。このため、ドットの数が少なくても複数回の落雷が発生しても、効果は保たれる。また、防水用のコーティング層４９に厚さの厚いドットが埋め込まれているため、複数回の雷電流が流れてもドットが無くなることが無く、多数の落雷でも効果が保持される。さらに、防水用のコーティング層４９にアブレーション材料を使用し、アブレーション材料に埋め込まれているため、雷電流はアブレーションによりブレード表面から離れるためドットの減少も減り、多数の落雷でも効果が保持される。また、ドット１１が、ステンレス、チタンなどの高融点の金属材料にすることで、ドットが落雷に対して蒸発しにくくなり、雷によるブレードの貫通を防止させることなく落雷時におけるブレード２３−１の動作、効果はブレード３−１、１３−１と同様である。

次に、ブレードの他の実施例について説明する。図１０は第３の実施例にかかるブレード３３−１の断面を示す図である。ブレード３３−１はブレード１３−１とほぼ同じであるが、図１０に示すように、ブレード３３−１において、ドット１１は粘着テープ３１の上に配置されている。このようにすることで、従来、ドットが取り付けられていないブレードや、落雷の発生でドットが蒸発したりはがれたりしたブレードに追加してドットを取り付けられる。また、ドット１１が設けられたテープを長尺にすることで、テープを貼り付けていくことで連続的にブレードに付着させることができる。このため、ドットが落雷で蒸発したりはがれたりでしても比較的簡単に取り付けて復旧することができる。さらに、粘着テープの基材をアブレーション材料にすることで、雷電流はアブレーションによりブレード表面から離れるためブレードの損傷の程度も減少し、雷によるブレードの貫通を防止させることなく落雷時におけるブレード３３−１の動作、効果はブレード３−１，１３−１と同様である。

次に、ブレードの他の実施例について説明する。図１１はブレード４３−１を示す図である。ブレード３−１、２３−１、３３−１において、ドット１１はほぼ円形であったが、図１１に示すドット４１のようにほぼ四角形でもよい。

また、図１２はブレード５３−１を示す図である。ブレード３−１、２３−１、３３−１において、ドット１１はほぼ円形であったが、図１２に示すドット５１のようにほぼ三角形でもよい。

ブレード３の表面に分布させるドットの形状はこの他にも、多角形、星型といったさまざまな形状が考えられる。大切なのは、ブレード３への落雷時に流れる放電電流がブレード表面に設けたドットを介してブレード表面を流れることによって、ブレード内部に雷電流を流すことなく、地面に流すことができるように、ドットをブレード３の表面上に分布させることである。

風力発電装置１の概略構成図 ブレード３−１を示す図 ブレード３−１の表面近傍の断面の一部を示す図 ブレード３−１に落雷した場合の放電経路の一例を示す図 風力発電装置１における放電経路の一例を示す図 放電後のブレード３−１を示す図 ブレード３−１の再落雷のよる放電経路の一例を示す図 ブレード１３−１の表面近傍の断面の一部を示す図 ブレード２３−１の表面近傍の断面の一部を示す図 ブレード３３−１の表面近傍の断面の一部を示す図 ブレード４３−１を示す図 ブレード５３−１を示す図 ブレード型風力発電装置の概略構成を示す図 ブレード１０１を示す図 ブレード１０１への落雷による放電を示す図 落雷後のブレード１０１を示す図

符号の説明

１………風力発電装置
３………ブレード
５………ハブ
７………ナセル
９………支柱
１１………ドット
１７………絶縁物
１９………コーティング
４１………ドット
５１………ドット
１１１………導電性物質

Claims (8)

1. 風力発電装置に使用されるブレードであって、
   表面全体或いは一部の表面であってハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる、複数のドットが設けられることを特徴とするブレード。
2. 風力発電装置に使用されるブレードであって、
   本体と、
   前記本体の表面に設けられたコーティング層と、
   を具備し、
   前記コーティング層の表面全体或いは一部の表面であってハブに至る経路をなすように 、導電性材料からなる複数のドットを設けることを特徴とするブレード。
3. 前記ドットは粘着テープ上に設けられ、前記粘着テープを前記コーティング層に貼着させることで、前記ドットが前記コーティング層の表面に密着することを特徴とする請求項２記載のブレード。
4. 風力発電装置に使用されるブレードであって、
   本体と、
   前記本体の表面に設けられたコーティング層と、
   を具備し、
   前記コーティング層の全体或いは一部であってハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる複数のドットの一部を埋め込むことを特徴とするブレード。
5. ブレードを回転させて発電する風力発電装置であって、
   前記ブレードの表面全体或いは一部表面であってハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる複数のドットが設けられることを特徴とする風力発電装置。
6. ブレードを回転させて発電する風力発電装置であって
   前記ブレードは、
   本体と、
   前記本体の表面に設けられたコーティング層と、
   を具備し、
   前記コーティング層の表面全体或いは一部の表面であってハブに至る経路をなすように 、導電性材料からなる複数のドットを設けることを特徴とする風力発電装置。
7. 前記ドットは粘着テープ上に設けられ、前記粘着テープを前記コーティング層に貼着させることで、前記ドットが前記コーティング層の表面に密着することを特徴とする請求項６記載の風力発電装置。
8. ブレードを回転させて発電する風力発電装置であって、
   前記ブレードは、
   本体と、
   前記本体の表面に設けられたコーティング層と、
   を具備し、
   前記コーティング層の全体或いは一部であってハブに至る経路をなすように、導電性材料からなる複数のドットの一部を埋め込むことを特徴とする風力発電装置。

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