JP5072427B2 - 風力発電装置及びその受雷エネルギレベル判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギの風を回転力に変換する風車を用いて発電を行う風力発電装置及びその受雷エネルギレベル判定方法に関する。

従来、自然エネルギである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。この種の風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドと、このロータヘッドと一体に回転するよう連結された主軸と、風車翼に風力を受けて回転する主軸を連結した増速機と、増速機の軸出力によって駆動される発電機とを設けたものである。このように構成された風力発電装置においては、風力を回転力に変換する風車翼を備えたロータヘッド及び主軸が回転して軸出力を発生し、主軸に連結された増速機を介して回転数を増速した軸出力が発電機に伝達される。このため、風力を回転力に変換して得られる軸出力を発電機の駆動源とし、発電機の動力として風力を利用した発電を行うことができる。

上述した風力発電装置は、風車翼の先端や中間部等に対する落雷の問題を有している。このため、従来の風車翼においては、受雷用の金属片（いわゆるレセプタ）を取り付けることにより、雷エネルギを金属受雷部に受けて大地へ放電する落雷保護システムが採用されている。
また、風車翼の表面部に受雷用金属導電シートを設け、この受電用金属シートに雷エネルギを受けて大地へ放電する落雷保護システムもある。（たとえば、特許文献１参照）
米国特許７０４０８６４号公報

ところで、上述した従来の落雷保護システムは、受雷した落雷エネルギを大地へ放電して風車翼を保護することはできるものの、受雷した落雷エネルギの程度（大きさ）を知ることはできなかった。このため、受雷した風車翼に対する補修対策や、損傷した場合の費用負担者等について、通常は保険契約に基づいて、ユーザーまたは保険会社の一方が補修費用や損害費用を負担しているが、定量的に評価して判断することは困難であった。
すなわち、落雷は多種多様であり、エネルギが小さく発生頻度の多いものから、発生頻度が少なくエネルギの大きいものまであるにもかかわらず、保険契約に基づく損害補償責任者を受雷状況から定量的に評価して決める適当な手段や方法はないのが実情である。なお、落雷の電荷量を測定してエネルギレベルを判断する装置もあるが、高価な装置を各風力発電装置毎に取り付ける必要があるため、特に、多数の風力発電装置が林立するようなウインドファームにおいては莫大な投資が必要となるため現実的ではない。

このような背景から、風力発電装置の風車翼に受雷した際、受雷した落雷エネルギを大地へ放電して風車翼を保護するとともに、補修等の対応を的確に実施できるようにするため、受雷した落雷エネルギの程度（大きさ）を定量的に知ることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、風車翼に受雷した落雷エネルギを定量的に知ることができる風力発電装置及びその受雷レベル判定方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の風力発電装置は、風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する風力発電装置であって、前記風車翼の表面に受雷の電荷量（Ｃ）を判定し、導電性素材とそれを被覆する被覆する保護カバーから構成される導電性シールドテープが貼り付けられ、該導電性シールドテープが受電して生じた損傷範囲の大きさから前記受電の電荷量（Ｃ）を判定することを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、風車翼の表面に受雷の電荷量（Ｃ）を判定する導電性シールドテープが貼り付けられているので、導電性シールドテープが受電により損傷を受けた範囲の大きさから、受電の電荷量（Ｃ）を判定することができる。この判定は、本発明者等の試験研究により得られた知見、すなわち、導電性シールドテープが受雷して生じる損傷範囲は受電の電荷量と相関関係を有しているとの知見を利用している。

本発明の風力発電装置の受雷エネルギレベル判定方法は、風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する風力発電装置の受雷エネルギレベル判定方法であって、前記風車翼の表面に導電性素材とそれを被覆する保護カバーから構成される導電性シールドテープを貼り付けておき、該導電性シールドテープに受雷して生じた損傷範囲の大きさから受雷の電荷量（Ｃ）が判定されることを特徴とするものである。

このような風力発電装置の受雷エネルギレベル判定方法によれば、風車翼の表面に導電性シールドテープを貼り付けておき、該導電性シールドテープに受雷して生じた損傷範囲の大きさから受雷の電荷量が判定されるので、受雷した落雷エネルギの程度（大きさ）を定量的に知ることができる。なお、落雷エネルギは、電荷量と相関関係にあることが知られている。

上述した本発明によれば、風車翼の表面に受雷の電荷量を判定する導電性シールドテープを貼り付けるという簡単で安価な構成により、受雷した落雷エネルギの程度（大きさ）を定量的に知ることが容易になるので、受雷後に必要となる補修等の対応を的確に判断できるとともに、損傷部分の補修や損害補償等に必要な費用の負担者等について、落雷エネルギの定量値に基づいて明確に決定することが可能になる。

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
風力発電装置１は、図１に示すように、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。
ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車翼５が取り付けられている。この結果、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風向及び風速値を測定する風向風速計７と、避雷針（レセプタ）８とが設置されている。
風車翼５の表面には、導電性シールドテープ１０が貼られている。この導電性シールドテープ１０は、たとえば銅、アルミニウム、鉄あるいはこれらの合金類等のように導体を含んでいる導電性素材が、シート状の保護カバーにより覆われた構成とされる。そして、導電性シールドテープ１０の導電性素材は、風車翼５の重量増加を最小限に抑えるため、たとえば薄いシート状や細線のメッシュ状とされる。なお、上述した導電性シールドテープ１０については、風車翼５の全面に貼り付ける必要はなく、形状や大きさ等の諸条件に応じて貼付位置を適宜選択すればよい。

また、上述した導電性シールドテープ１０は、風車翼５の表面に接着して貼り付けられるため、特に、導電性素材を被覆する保護カバーについては、風雨、降雪及び温度変化等の自然現象の変化に充分耐え得るように、優れた耐光性、耐水性及び難燃性等を有するものが選択される。さらに、ここで使用する接着剤についても、導電性シールドテープ１０と同様に、良好な耐候性を有するなど自然現象の変化に充分耐え得るものが選択される。
このような導電性シールドテープ１０は、風車翼５の翼形状に影響を与えないようにするため、全体を極力薄い形状とされる。さらに、導電性シールドテープ１０は、翼形状の曲面にフィットして貼り付け可能な柔軟性を有し、かつ、風車翼５の振動に合わせて伸縮可能とされる。

ところで、上述した導電性シールドテープ１０は、たとえば風車翼５の表面に貼り付けた状態で受雷すると、その電荷量（Ｃ）に応じて損傷する範囲の大きさが変化する。これは、本発明者等が実施した下記の試験研究により新たに得られた知見である。
図２（ａ）は、実験の概要を示す構成図であり、風車翼５の表面には上述した導電性シールドテープ１０が貼られている。この導電性シールドテープ１０に対して、大きさの異なる疑似雷を順次発生させることで、導電性シールドテープ１０に生じる損傷Ｄの大きさから損傷レベルの確認及び判定を行った。

疑似雷は、充電器２０にスイッチ２１を介して接続された電線２２の先端に電極２３を取り付け、この電極２３から放電して発生させる。電極２３の先端には細い導電用電線２４が取り付けられており、この導電用電線２４の他端は、導電性シールドテープ１０に接している。
疑似雷は、充電器２０の充電量が充分な状態でスイッチ２１をＯＮとすることにより、電極２３の先端に発生する。この疑似雷は、図２（ｂ）に示すような電流波形（正弦波）の電流であり、電極２３から放電されて導電用電線２４により導電性シールドテープ１０の表面に導かれる。この結果、導電性シールドテープ１０の表面には、受雷したのと同様の現象が生じて損傷Ｄを形成する。

上述した疑似雷の発生装置を用い、図３に示すように、エネルギ密度、電荷量及びピーク電流の条件を変えて、試験番号１〜４の実験により疑似雷を発生させて導電性シールドテープ１０に生じる損傷レベルを確認した。なお、図２（ｂ）に示す正弦波の持続時間については、各試験共通の１０msecとした。
このような試験結果によれば、図３に示すように、エネルギ密度、電荷量及びピーク電流が小さい場合ほど、損傷レベルも小さいことが確認された。すなわち、電荷量が２９．０（Ｃ）の場合には、微小な穴が形成される程度の損傷レベルであるが、電荷量の増大に伴って損傷レベルも大きくなり、電荷量が２８５．０（Ｃ）の場合には損傷Ｄの幅が２０ｃｍ程度まで拡大している。なお、受雷により損傷が生じる領域は、導電性シールドテープ１０を貼り付けた範囲に限定され、風車翼５の他の領域に及ぶことはない。

このような試験結果により、受雷の電荷量増加に伴って導電性シールドテープ１０の損傷Ｄが増大することを確認できた。
従って、上記の試験結果から、受雷により導電性シールドテープ１０に生じた損傷レベルの幅が所定値より大きい場合には、具体例をあげると、上記の実験において２８５．０（Ｃ）の電荷量とした疑似雷により生じた損傷Ｄの損傷レベルである２０ｃｍを超えるような場合には、多少の誤差範囲を考慮しても３００（Ｃ）以上の大きなエネルギを有する雷を受けたと判断することが可能になる。

この結果、上述した本発明によれば、風車翼５の表面に受雷の電荷量を判定する導電性シールドテープ１０を貼り付けるという簡単かつ安価な構成により、受雷した落雷エネルギの程度（大きさ）を定量的に知ることが容易になる。このため、受雷後に必要となる補修等の対応を的確に判断できるようになり、損傷部分の補修や損害補償等に必要な費用の負担者等について、落雷エネルギの定量値に基づいて明確に決定することができる。すなわち、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）の規定である３００（Ｃ）等を判断基準にして受雷した電荷量の定量値から明確な責任範囲を定めたり、あるいは、受雷関連の保険に関する各種契約内容を受雷した電荷量の定量値に基づいてきめ細かく定めることも可能になる。

また、上述した本発明の導電性シールドテープ１０は、新設の風力発電装置に適用可能なことは勿論であるが、既設の風車翼５に対しても容易に適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば風車翼の形状や型式など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、風力発電装置の全体構成例を示す図である。 疑似雷を発生させて損傷Ｄを測定する実験の概要を示す図で、（ａ）は実験概要の構成図、（ｂ）は疑似雷の電流波形を示す図である。 図２の実験により得られた結果を示す表である。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
７ 風向風速計
１０ 導電性シールドテープ
２０ 充電器
２１ スイッチ
２２ 電線
２３ 電極
２４ 導電用電線

Claims (2)

1. 風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する風力発電装置であって、
   前記風車翼の表面に受雷の電荷量（Ｃ）を判定し、導電性素材とそれを被覆する保護カバーから構成される導電性シールドテープが貼り付けられ、
   該導電性シールドテープが受電して生じた損傷範囲の大きさから前記受電の電荷量（Ｃ）を判定することを特徴とする風力発電装置。
2. 風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する風力発電装置の受雷エネルギレベル判定方法であって、
   前記風車翼の表面に導電性素材とそれを被覆する保護カバーから構成される導電性シールドテープを貼り付けておき、該導電性シールドテープに受雷して生じた損傷範囲の大きさから受雷の電荷量（Ｃ）が判定されることを特徴とする風力発電装置の受雷エネルギレベル判定方法。

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