JP4751990B2 - ブレードおよび風車回転軸 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置の風車に適用されるブレードおよび風車回転軸に関する。

発電用大型風車は、地上１００ｍ級の突出体として落雷の危険が高く、特に冬季の北陸では、日本海から吹き付ける雷雲へと風車のブレードから雷雲に向かって上向きに放電が発生し、ブレードの破損が多発している。このブレードは、一般にガラス繊維強化プラスチック、いわゆるＦＲＰで作られており、落雷の際にブレードの表面を、風車回転軸あるいはブレード面に埋め込まれた避雷用金具、いわゆるレセプタに向かって、沿面放電が進展し大地へ雷電流が流れている。

ブレードの表面は、一般に雨・雪や海水の飛沫が付着して導電性になっており、ブレードの内面も夜間の結露と海水飛沫の混入により、やはり導電性となっている。このため、落雷の際にブレードの内外表面を沿面放電が発生し進展する効果が生じる。特に内面の導電性のために発生する沿面放電は、外面を進展する沿面放電との間でブレードの弱点に強い電界を与え、これを貫通破壊させる。また、内面の導電性のために、内面が接地電位に近づき、外面を進展する沿面放電が、やはりブレードの弱点に強い電界を与える。この内面の導電性とそれによる沿面放電を防止することが、ブレードの耐雷特性の改善につながると言える。

従来の落雷対策として、風車の近くに避雷針を建てて、ここに落雷を誘う方法がある。しかし、風車より高く１００ｍを越える避雷針は建設費が高く、また風車から離れた避雷針では十分な避雷効果がない。また、上述のようにブレードにレセプタを埋め込み、ここへ落雷を誘いブレードの損傷を減らす方法では、落雷は直接レセプタに放電するとは限らず、やはり表面を沿面放電が進展し、レセプタや接地導線からはブレードの内面に沿面放電も発生してブレードの貫通破壊が生じることになる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００２−２２７７５７号公報

上述したブレードは、２枚のＦＲＰ板を貼り合せた構造となっており、その貼りあわせ部分などに空隙や亀裂あるいは繰り返しの落雷による貫通破壊には至らない局部破壊などの弱点があると、そこからブレードの内部空洞へと貫通放電が発生することがある。このとき、ブレードの内面に沿って風車回転軸あるいはレセプタの接地用導線まで放電が繋がり雷電流によって貫通個所は激しく破壊され、ブレードの貼り合わせが剥たり、時には発熱によりブレードが燃え上がることもある。ブレードの外表面を沿面放電電流が流れる場合は、ブレードの表面は焼けて炭化痕が残り、放電が繋がる接地側の中心軸金具やレセプタ表面金具に放電の溶痕が残るが、ブレードの重大な破損は起こらずに運転の継続は可能であることが多い。

本発明は、このような課題を解決しようとするもので、その目的は、耐雷特性を有するブレードおよび風車回転軸を提供することを課題とする。

本発明は、上記の目的を達成するためのものであって、以下のように構成されている。
請求項１に記載の発明は、本体外部に対して遮蔽可能な中空部を有し、その中空部に絶縁性気体（例えば、乾燥空気、炭酸ガス、フレオン系の絶縁性ガス）を封入するとともに、その絶縁性気体の膨張・収縮に応じてその中空部の内部容積を変動可能な内部容積変動手段を備えている構成である。
この構成によれば、内部に絶縁性気体を充填し封入させたブレードとなる。さらに、ブレード内部に充填させた絶縁性気体が外気の温度変化に伴って膨張・収縮した場合であっても、ブレードの内部容積を収縮・膨張させることができる。そのため、請求項１に記載のブレードと同様に耐雷特性を向上させることができる。さらに、ブレード内部に充填させた絶縁性気体が外気の温度変化に伴って膨張・収縮した場合であっても、ブレードの内部容積を変動させることができるため、内外の圧力差によりブレードの外皮を破損させることはない。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のブレードであって、内部容積変動手段は、膨張・収縮部とその端部に開口孔とを有する風船からなり、その開口孔は、本体外部と連通させた構成である。
この構成によれば、風船によってブレードの内部容積を変動させることができる。そのため、簡便な構成で請求項２に記載の発明の効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１〜２のいずれか１項に記載のブレードであって、前記中空部内が第１の設定圧力以下になると、前記本体外部から乾燥剤を介して該中空部へと連通させる吸入弁と、前記中空部内が第２の設定圧力以上になると、該中空部から前記本体外部へと連通させる放出弁とを備えている構成である。
この構成によれば、内部容積変動手段の変動可能限界量を超えて乾燥空気が膨張・収縮した場合であっても、ブレード内部をブレード外部と乾燥剤を介して連通させて不足の乾燥空気を内部へ吸入させ、余剰の乾燥空気を外部へ放出させることができる。そのため、内部容積変動手段およびブレードの外皮の破損を防ぐことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて説明する。なお、実施例の説明と共に、参考例１、２を説明することとする。
（参考例１）
まず、参考例１を説明する。
図１は、本発明のブレードの斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。これらの図に示されるように、このブレードは、ガラス繊維強化プラスチック製（ＦＲＰ製）の翼形状をなす一対の外皮１、２を組み合わせることで構成されており、この組み合わせによって、ブレードは根元側（風車回転軸側）が外部に開口された中空部３を有する構成となっている。なお、ブレード内には機械的支柱や補強材を内蔵するものもあるが、中空部３と開口があることには変わりない。

そして、この開口から、中空部３に絶縁性気体１０を充填させ、その後に、この開口を締切部材４で締め切って中空部３に絶縁性気体１０を封入させている。この絶縁性気体１０とは、例えば、乾燥空気、炭酸ガス、フレオン系の絶縁性ガスなどである。このように絶縁性気体１０を封入することで、ブレードの内面への湿気や海水飛沫の浸入による導電性の発生を防止し、内面放電を防止することができる。また、中空部３をブレードの本体外部６（外気）から気密にして絶縁性気体１０を封入し、更には内部で放電しにくいように圧縮気体を封入すると効果を高めることになる。

（実施例）
次に、実施例を説明する。
なお、実施例を説明するにあたっては、参考例１と同一な部材には同一符号を付すことで、重複する説明は省略する。このことは、後述する参考例２でも同様である。図３は、参考例１と異なる形態のブレードの斜視図である。図４は、図３におけるＢ−Ｂ断面図であり、ブレードの根元側（風車回転軸５側）の拡大図である。図５は、図４に記載した弁箱２３の詳細図である。この実施例のブレードは、参考例１のブレードの中空部３に絶縁性気体１０として乾燥空気２０を封入するとともに、内部容積変動手段を備えた構成のものである。この内部容積変動手段とは、例えば、柱状に膨張可能な膨張・収縮部２１ａとその一端に開口孔２１ｂとを有する風船２１（ビニル風船、ゴム風船など）である。

図４に示すように、この風船２１の膨張・収縮部２１ａを中空部３に配置させ、さらに締切部材４に貫通孔４ａを形成し、この貫通孔を介して風船２１の開口孔２１ｂを配置させる。そして、このように風船２１を備えたブレードの根元側（開口側）端部を風車回転軸５に対して垂直方向に突設したブレード接合部５ａへ接合させ風車を形成する。ブレード接合部５ａの内部は、ブレードの本体外部６と連通しているため、結果として風船２１の開口孔２１ｂはブレードの本体外部６と連接することになる。そのため、ブレードの中空部３の乾燥空気２０が膨張すると風船２１が収縮し、逆に中空部３の乾燥空気２０が収縮すると風船２１が膨張する。また、これら風船２１の内部には、風船２１が収縮した場合に「ひしゃげ」を防止する支持部材２２を備えている。

例えば、ブレードの開口の直径が「２ｍ」の場合、直径が「０．６ｍ」、長さが「４ｍ」の風船２１を７個、図４に示すように配置させると、約７ｍ³の膨張・収縮に対応可能となる。なお、図４において、風船２１は３個しか記載されていないが、紙面の手前と奥に、さらに２個ずつ並設可能であり、計７個の風船２１を配置することができる。

さらに、締切部材４には、吸入弁２４と放出弁２６とからなる弁箱２３が設けられている。図５は、この弁箱２３の詳細構成を示しており、吸入弁２４は、その入口側が吸入弁入口路２４ａと接続されブレードの本体外部６と連通し、その出口側が乾燥剤２５を含む吸入弁出口路２４ｂと接続され中空部３と連通している。この吸入弁２４は方向性を有しており、中空部３内が第１の設定圧力以下になると、図中矢印で示すように、ブレードの本体外部６から乾燥剤２５を介して中空部３へと連通させることができる弁である。これにより、ブレードの本体外部６の大気を乾燥剤２５によって除湿させて中空部３へと取り込むことができる。

また、放出弁２６は、その入口側が放出弁入口路２６ａと接続され中空部３と連通し、その出口側が放出弁出口路２６ｂと接続されブレードの本体外部６と連通している。この放出弁２６は方向性を有しており、中空部３内が第２の設定圧力以上になると、図中矢印で示すように、中空部３からブレードの本体外部６へと連通させることができる弁である。これにより、中空部３の乾燥空気２０をブレードの本体外部６の大気とへ放出させることができる。

次に、この実施例に記載したブレードの動作（作用）について説明する。
昼間に気温が上がると、中空部３内の乾燥空気２０は膨張する。すると、その膨張した乾燥空気２０が、中空部３内の風船２１を押し潰し風船２１を収縮させる。そして風船２１が収縮されることにより、中空部３内の内部容積が増加する。これにより膨張した乾燥空気２０の逃げ場ができるため、ブレードの外皮１、２は押し拡げられて破損することはない。しかし、さらに中空部３内の乾燥空気２０が膨張すると、既に風船２１は収縮しているため、膨張した乾燥空気２０の逃げ場を確保できない。その場合、放出弁２６が動作して中空部３内の乾燥空気をブレードの本体外部６の大気へと放出させる。これにより膨張した乾燥空気２０の逃げ場が確保できるため、ブレードの外皮１、２は破損することはない。

また、逆に夜間に気温が下がると、中空部３内の乾燥空気２０は収縮する。すると、その収縮した乾燥空気２０が、中空部３内の風船２１を膨らませ膨張させる。そして風船２１が膨張されることにより、中空部３内の内部容積が減少する。これにより収縮した乾燥空気２０が負圧となってブレードの外皮１、２は押し潰されて破損することはない。しかし、さらに中空部３内の乾燥空気２０が収縮すると、既に風船２１は膨張しておりこれ以上膨張できないため、収縮した乾燥空気２０がさらに負圧となる。その場合、吸入弁２４が動作してブレードの本体外部６の大気を中空部３内へ取り込ませる。なお、ブレードの本体外部６の大気であっても、乾燥剤２５によって除湿され乾燥空気２０となって中空部３内へ取り込まれることになる。これにより収縮した乾燥空気２０がさらに負圧となって、ブレードの外皮１、２を破損させることはない。

このように実施例のブレードであれば、充填した乾燥空気２０が膨張・収縮した場合であっても、中空部３内の圧力を制御することで、ブレードの外皮１、２を破損させることはない。なお、上述したように、吸入弁２４と放出弁２６とがそれぞれ動作するように、第１の設定圧力および第２の設定圧力を、予め所要の数値に設定しておく。また、乾燥剤２５は、風力発電設備の定期修繕の際に取替可能である。

（参考例２）
次に、参考例２を説明する。
図６は、本発明の風車回転軸５を風力発電設備に適用させた斜視図である。図７は、図６の右側面図である。この参考例２におけるブレードは、参考例１または実施例で説明したブレードである。そして、この参考例２で説明する風車回転軸５には、ブレードの表面と離隔し、且つブレードの長手方向と対向するように誘雷針３０を備えている。この誘雷針３０とは、銅、鉄およびアルミニウムなどの導体からなる棒形状のものである。なお、誘雷針３０とブレード表面との離隔距離および誘雷針３０の長さは、ブレード回転時の騒音および耐雷特性を考慮して適宜設定し得る。

このように誘雷針３０を備えることにより、ブレードの外面を沿面放電が風車回転軸５に向かって進展する場合、誘雷針３０から上向きにブレードの外面または外面を離れた大気中を放電が進展して、ここに上から来る沿面放電を誘うことにより、ブレード内面の上向き沿面放電の発生を抑えて、ブレードの貫通破壊を阻止することで耐雷特性を向上させることができる。なお、誘雷針３０からの雷電流は、導体からなる風車回転軸５、ナセル４０、タワー５０を経て地中へ導かれる。また、誘雷針３０はブレードの表面から離隔されているため、ブレードに発熱等の影響を与えることなく雷電流を風車の回転軸５へ導くことができる。

上述した内容は、あくまでも本発明の一実施の形態に関するものであって、本発明が上記内容に限定されることを意味するものではない。
参考例２では、参考例１または実施例で説明したブレードを元に誘雷針３０を備える構成を説明した。しかし、これに限定されるものでなく、例えば汎用ブレードに誘雷針３０を備える構成であっても構わない。

また参考例２では、風車回転軸５に、ブレードの表面と離隔し、且つブレードの長手方向と対向するように誘雷針３０を備える構成を例に説明した。しかし、これに限定されるものでなく、例えば、誘雷針３０の両端部にブレードの表面から突出した支持部材を接合させ、この支持部材によってブレードの表面と離隔し、且つブレードの長手方向と対向するように誘雷針３０を備える構成でも構わない。その場合には、参考例２と同様の効果を得ることができる。

図１は、本発明のブレードの斜視図である。（参考例１） 図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図３は、本発明の別の形態のブレードの斜視図である。（実施例） 図４は、図３におけるＢ−Ｂ断面図であり、ブレードの根元側（風車回転軸５側）の拡大図である。 図５は、図４に記載した弁箱２３の詳細図である。 図６は、本発明の風車回転軸５を風力発電設備に適用させた斜視図である。（参考例２） 図７は、図６の右側面図である。

符号の説明

３ 中空部
５ 風車回転軸
６ 本体外部
１０ 絶縁性気体
２０ 乾燥空気
２１ 風船
２１ａ 膨張・収縮部
２１ｂ 開口孔
２２ 支持部材
２４ 吸入弁
２５ 乾燥剤
２６ 放出弁
３０ 誘雷針

Claims (3)

1. 本体外部に対して遮蔽可能な中空部を有し、該中空部に絶縁性気体を封入するとともに、該絶縁性気体の膨張・収縮に応じて該中空部の内部容積を変動可能な内部容積変動手段を備えてなるブレード。
2. 請求項１に記載のブレードであって、
   前記内部容積変動手段は、膨張・収縮部とその端部に開口孔とを有する風船からなり、
   該開口孔は、前記本体外部と連通してなるブレード。
3. 請求項１〜２のいずれか１項に記載のブレードであって、
   前記中空部内が第１の設定圧力以下になると、前記本体外部から乾燥剤を介して該中空部へと連通させる吸入弁と、
   前記中空部内が第２の設定圧力以上になると、該中空部から前記本体外部へと連通させる放出弁とを備えてなるブレード。

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