JP6715106B2

JP6715106B2 - 風力発電設備および風力発電設備用ブレード

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Publication number: JP6715106B2
Application number: JP2016129314A
Authority: JP
Inventors: 栄仁松崎; 史雄澤; 俊樹大迫; 塩田　和則; 和則塩田; 賀浩谷山; 田中　明; 明田中; 治寿和田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018003656A

Description

本発明の実施形態は、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および風力発電設備用ブレー
ド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。

風力発電機用ブレードには、複合材料を用いることが主流となっており、落雷時に焼損す
ることや、破損することなどがあり、特にブレードが破損した場合、修理に多大な費用と
期間を要する。

そこで、落雷からブレードや風力発電装置全体を保護する目的でブレード先端に避雷目的
の金属片（以下、レセプタとする）を設置し、ここに接地線を繋ぐことで、レセプタで積
極的に受雷する構成とし、受雷した場合の雷サージ電流は接地線によりアースへと逃がす
構成としている。レセプタは、風力によって回転するブレード本体に取り付けられるため
、取り付けを確実にするとともに、受雷の際にも容易に脱離しない構造である必要がある
。

図８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１と、タワー１の上部に搭載され、発電機等を内蔵したナセル２と、ナセル２で回転自
在に軸支されたローター３と、ローター３に取り付けられたブレード４とを備えた風力発
電設備１０において、複合材製のブレード４の先端部にレセプタ５を設置して受雷部とし
、レセプタ５の受雷部への落雷電流を、ブレード４内部に配線した避雷導線６とタワー１
に沿って配線した避雷導線７を経由して地中のアース８に導くように構成されている。

しかし、このような風力発電設備１０におけるブレード４の構造では、受雷などによって
レセプタ５のアンカー部９付近またはアンカー部９よりブレード４の根元側のブレード面
が破損した場合、受雷用のレセプタ５を含めた先端部をブレード４の本体に保持すること
ができないおそれがある。そのため、破損状態で風力発電装置を稼働した場合、受雷用レ
セプタがブレードから脱落するおそれがある。また、従来の接地線を締結材として使用し
た場合、締結材に落雷し断面積が減少することがあり、締結材としての機能が失われるお
それがあった。

また、風力発電設備１０におけるブレード４の本体にレセプタ５を取り付ける取り付け
構造において、受雷用のレセプタ５とブレード４の本体とが、避雷導線６とは別に備えら
れた可撓性のある長尺材を有する固定具によって締結した構成としている。しかし、この
可撓性のある長尺材を用いた場合において、例えば受雷等によりレセプタ５が脱離した場
合に、脱落は防止できるものの、この長尺材が伸び縮みすることにより、脱離したレセプ
タ５がブレード４の回転により跳ね回り、ブレード４の本体を損傷させる可能性があった
。

さらに、ブレード４の本体にレセプタ５が取り付けられた構造において、レセプタ５の
取り付け側に、貫通孔を有する埋め込み部が設けられており、この埋め込み部が樹脂を介
してブレード４の本体に埋め込まれ、かつこの樹脂が貫通孔に充填された構成としている
。しかし、この樹脂を用いた構成では、当該樹脂が経年劣化等により接着保持力を失った
場合には脱離の防止が困難となるという課題があった。

特開２００５−１１３７３５号公報特開２０１１−１６３１３２号公報特開２０１５−１６１２８２号公報特開２０１５−１６１２８３号公報

上記の通り、風力発電設備において受雷などによってアンカー部付近等が破損した場合
、レセプタの脱落を防止するため、風車翼に受雷用レセプタのアンカー部を接着剤により
ブレード本体に固定し、可撓性の長尺材で受雷用レセプタを保持する方法が、従来の構成
であった。しかしこの方法では、接着剤の経年劣化等によってアンカー部が脱離した場合
、レセプタの脱落を防止できないという課題があった。また、可撓性を有する材料を用い
ることで脱離したレセプタが跳ね回る可能性や、レセプタの脱離を未然に防止する計測手
段がないという課題もあった。

本実施形態に係る風力発電設備は、前記ブレードを構成するブレード本体には、このブレード本体に設置された保持構造と、この保持構造に固定された固定材に受雷用のレセプタのアンカー部に形成された貫通孔に挿入された長尺材の端部が固定されることにより前記レセプタが取り付けられ、前記長尺材は、前記レセプタに接続された避雷導線とは別に備えられた可撓性を有しない材料で構成されていることを特徴とする。

さらに本実施形態に係る風力発電設備において使用される風力発電設備用ブレードにおいて、このブレードを構成するブレード本体には、このブレード本体に設置された保持構造と、この保持構造に固定された固定材に受雷用のレセプタのアンカー部に形成された貫通孔に挿入された長尺材の端部が固定されることにより前記レセプタが取り付けられ、前記長尺材は、前記レセプタに接続された避雷導線とは別に備えられた可撓性を有しない材料によって構成されていることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る風力発電設備および風力発電設備用ブレードは、受雷用のレセ
プタのアンカー部付近やアンカー部よりブレード根元側のブレード面が破損した場合にお
いても、受雷用のレセプタを確実にブレード本体に締結して保持することにより、ブレー
ドからの受雷用レセプタの脱落を防止し、かつ機械的に安定して保持することができる。

第１の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。第２の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。第３の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。第４の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。第５の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。第６の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。第７の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図。（ａ）は風力発電設備の従来例を示す正面図、（ｂ）はその側面図。

（実施形態１）
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、第１の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図１において図９と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図１は風力発電設備１１を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態を
示す図である。

風力発電設備１１は、回転可能に支持されているローター３に、複数のブレード１２が
取り付けられており、ブレード１２は、ブレード本体１４とその先端に接続したレセプタ
１３とにより構成されている。レセプタ１３は、一般に扁平な形状を有し、先端側ほど幅
が細い構造で、かつ先端側ほど厚さが薄くなる形状を有しており、その先端は湾曲した形
状を有している。なお、この実施形態では、レセプタ１３がブレード本体１４の先端に設
けられているものとして説明している。ただし、本発明の構成は、レセプタ１３の取り付
け位置に拘わらず適用が可能であり、ブレード本体１４におけるレセプタ１３の取り付け
位置は本発明としては特に限定されるものではない。また、レセプタ１３の形状も上記形
状に限定されるものではない。

レセプタ１３は、根元側に位置するアンカー部１５を有しており、このアンカー部１５に
は、避雷導線６（図示せず）が接続されてレセプタ１３の接地がなされている。なお、避
雷導線６は、レセプタ１３を保持する機能を与えてはいない。

この実施形態１では、アンカー部１５には、例えば幅３０ｍｍ、ブレード軸方向長さ１
０ｍｍの貫通孔１６が形成され、後述する長尺材１７が挿入され、この長尺材１７による
保持が可能に構成されている。この貫通孔１６は、長尺材１７よりも幅、長さが大きくな
っている。長尺材１７は可撓性を有しない材料で構成されており、受雷時などの破損に際
し、レセプタ１３を確実に保持することができる。

ここで「可撓性」とは、「物質の弾性変形のしやすさ」を示し、「柔軟性があり曲げ荷重
に対して折れずに曲がる性質」および「伸び縮みする性質」と定義している。つまり「可
撓性を有しない材料」とは、剛性が高い材料と定義できる。本構成においては、長尺材１
７に用いる「可撓性を有しない材料」とはとして、金属材料および繊維強化プラスチック
（ＦＲＰ）材料を例示する。金属材料およびＦＲＰ材料のいずれも、材質に限定されるも
のではない。金属材料については、純金属であったても良いし、合金であっても良い。Ｆ
ＲＰは、例えば積層品などであってもよい。

長尺材１７は、貫通孔１６を通過し、その両端が固定材１８に固定されている。その固定
材１８は、ブレード本体１４に設置した保持構造１９に固定されている。

保持構造１９は、ブレード本体１４に設置されているが、長期的に保持する必要がある
ことを考えると、接着剤で固定するか、ブレード本体１４と一体成型するか、強力な磁石
（図示せず）を設けて接続させることが望ましい。中でも、ブレード本体１４と一体成型
するか、あるいは強力な磁石を設けて接続させることがより望ましく、これらの組合せで
接続することがさらに望ましい。なお保持構造１９の材質には、例えばＦＲＰもしくはア
ルミニウムなどの金属が挙げられる。金属の場合は、レセプタ１３に対して電気的に導通
することが無いよう、絶縁処理を行う必要がある。絶縁処理の例としては、エポキシ樹脂
等の絶縁コーティングを行うことなどが挙げられる。

また、固定材１８は、特に指定される形態があるわけではない。固定材１８の材質には
、例えばＦＲＰもしくはアルミニウムなどの金属が挙げられる。金属の場合は、レセプタ
１３に対して電気的に導通することが無いよう、絶縁処理を行う必要がある。絶縁処理の
例としては、エポキシ等の絶縁コーティングを行うことなどが挙げられる。

長尺材１７としては、例えばＵ字型のボルトが挙げられる。Ｕ字型のボルトの材質は、例
えばＦＲＰもしくはアルミニウムなどの金属が挙げられる。金属の場合は、レセプタに対
して電気的に導通することが無いよう、絶縁処理を行う必要がある。絶縁処理の例として
は、エポキシ等の絶縁コーティングを行うことなどが挙げられる。

また長尺材１７は、帯状の形状を有し、貫通孔１６を通過してその両端がブレード本体１
４に固定されている。この長尺材１７には、線状、帯状のものなども用いることが可能で
あり、特定の形状に限定されるものではない。また、撚り線とするかどうかも特に限定さ
れるものではない。ただし強度の点では撚り線を用いるのが望ましい。また、受雷により
破損などが生じた際に、レセプタ１３が長尺材１７を介して確実に保持される必要があり
、移動可能できない構成とするため、長尺材１７は可撓性を有しない材料とする必要があ
る。これにより、受雷による衝撃でレセプタ１３が脱離した場合でも、一部に力が集中し
て大きな破損に結びつくのを防止することができる。

なお、この実施形態１では、長尺材１７の固定を２カ所で行っているが、固定箇所の数
は本発明としては特に限定されるものではなく、１カ所でもよく、また、３カ所以上で行
ってもよい。ただし、取り付けの安全性という点では、複数箇所において、ブレード本体
１４にロープなどの長尺材を固定することが望ましい。

ここで、長尺材１４に可撓性のない材料を用いており、通常時には、弛みをもたせるこ
とは望ましくないが、負荷がかからない程度の張力を保持する必要がある。

そして、固定材１８に用いるボルトとしては、例えばスタッドボルトを用いることが可能
である。また他の構成として、レセプタ１３と保持構造１９と固定材１８との間にフェル
トのような緩衝材を挟みこむ構成も考えられる。また、例えばＪボルト等で、引っ掛けて
留める構成でも良い。同様の止め方として、Ｓ字フック型やＪ型スタッドを使用する構成
も採用が可能である。

上記したように、長尺材１７は可撓性を有しない材料からなり、弛みを持たせない状態
でブレード本体１４に設置した保持構造１９に固定されている。万一、受雷などによって
レセプタ１３の周辺が破損してレセプタ１３の保持が困難になった場合、レセプタ１３が
長尺材１７によって保持され、ブレード本体１４から落下することを防止できる。この際
に、長尺材１７が可撓性を有しない材料からなり、弛みを持たせない状態でブレード本体
１４に設置した保持構造１９に固定されていることで、たとえレセプタ１３が落下しよう
とした場合にも、当該レセプタ１３を保持し、レセプタ１３が跳ね回ることによるブレー
ド本体１４の二次的破損を防止することができる。

以上のように、この実施形態１によれば、受雷用のレセプタ１３に設けた長尺材１７を
通す貫通孔１６、ロープ等の固定材１８、レセプタ１３よりもブレード１２の根本側に位
置する固定材１８を保持する保持構造１９を設けた機構を用いることにより、レセプタ１
３の脱落を確実に防止することができる。

（実施形態２）
実施形態２について、以下図２を参照して説明する。

図２は、第２の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図２において図１と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図２は、風力発電設備２０を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態
を示す図である。

図２において、風力発電設備２０は、レセプタ１３のアンカー部１５に形成された貫通孔
２１に、実施形態１の図１に示した長尺材１７と同様な長尺材２２を配置し、直接保持構
造１９に固定している。

本実施形態２においては、実施形態１の図１に示した固定材１８を用いないため、レセプ
タ１３の脱落を確実に防止することができる機能を有しつつ、固定材１８を配置しない空
間を削除することによってブレード本体１４の厚みを低減することができる。本構成を用
いることにより、ブレード１２をより薄い形態とすることが可能となり、よりコンパクト
な風力発電設備２０を製造することができる。

（実施形態３）
実施形態３について、以下図３を参照して説明する。

図３は、第３の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図３において図１と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図３は、風力発電設備３０を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態
を示す図である。

図３において、レセプタ１３のアンカー部１５のレセプタ中心と同軸にボルト３１が締
結され、このボルト３１は可撓性の無い長尺材３２を固定している。そして、この長尺材
３２は固定材３３を介して保持構造１９に固定されている。

よって、実施形態３によれば実施形態１，２の効果に加えてアンカー部１５にボルト穴
のみを形成するのみで良くなるため、作業性・組立時間をより低減させることができる。

（実施形態４）
実施形態４について、以下図４を参照して説明する。

図４は、第４の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図４において図３と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図４は、風力発電設備４０を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態
を示す図である。

図４において、レセプタ１３のアンカー部１５の２箇所にボルト４１が締結され、この
ボルト４１の各々は可撓性の無い長尺材４２を固定している。そして、この長尺材４２は
固定材４３を介して保持構造１９に固定されている。

よって、実施形態４によれば実施形態１，２の効果に加えてアンカー部１５のレセプタ
中心から対象の位置にボルト穴のみを形成するのみで良くなるため、作業性・組立時間を
より低減させることができる。

（実施形態５）
実施形態５について、以下図５を参照して説明する。

図５は、第５の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図５において図３と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図５は、風力発電設備５０を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態
を示す図である。

図５において、レセプタ１３のアンカー部１５の２箇所にボルト５１が締結され、この
ボルト５１の各々は可撓性の無い長尺材５２の中央を固定している。そして、この長尺材
５２の両端はボルト５１の位置で折りかえされ、その両端は各々固定材５３を介して保持
構造１９に固定されている。

よって、実施形態５によれば実施形態１，２の効果に加えてアンカー部１５のレセプタ
中心から対象の位置にボルト穴のみを形成するのみで良くなるため、作業性・組立時間を
より低減させることができる。

（実施形態６）
実施形態６について、以下図６を参照して説明する。

図６は、第６の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図６において図１と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図６は、風力発電設備６０を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態
を示す図である。

図６において、風力発電設備６０は、レセプタ１３のアンカー部１５に形成された貫通孔
６１に挿入部材６２が挿入され、この挿入部材６２によって固定材６３が保持され、この
固定材６３によって可撓性の無い長尺材６４が固定されこの長尺材２２は直接保持構造１
９に固定している。

本構成とすることにより、固定材６３全体でレセプタ１３の荷重を支えることができるた
め、レセプタ１３を保持するための強度を向上させることができる。

（実施形態７）
実施形態７について、以下図７を参照して説明する。

図７は、第７の実施形態に係る風力発電設備の要部拡大断面図を示し、（ａ）は風力発
電設備のブレードを示す正面図、（ｂ）はその側面図である。なお、図７において図６と
同一部分には同一符号を付しその構成の説明は省略する。

図７は、風力発電設備７０を構成するブレード１２にレセプタ１３が取り付けられた状態
を示す図である。

図７において、風力発電設備７０は、レセプタ１３のアンカー部１５に形成された貫通孔
６１に挿入部材６２が挿入され、この挿入部材６２によって固定材６３が保持され、この
固定材６３によって可撓性の無い長尺材６４が固定されこの長尺材２２は直接保持構造１
９に固定している。

そして、長尺材６４に計測線７１を設置している。この計測線７１としては、太い線と細
い線を組合せた上で、この計測線７１に一定のテンションをかけた状態で、例えば長尺材
６４の内部に取り付ける構成としている。このように計測線７１を設置することで、レセ
プタ１３の脱離のみならず、レセプタ１３の脱離前のひずみや破損、ブレード本体１４と
レセプタ１３との接続部の口開きを検知できる。計測線７１としては、交換容易なものが
望ましく、例えばストレインゲージや光ファイバーなどが挙げられる。

なお、上述した計測線７１は実施形態１から６の長尺材１７、２２、３２、４２、５２、
６４に適宜適用することができ、同様の作用、効果を得ることが出来る。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したもの
であり、発明の範囲を限定することは意図していない。

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲
に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…タワー
２…ナセル
３…ローター
４、１２…ブレード
５、１３…レセプタ
６…避雷導線
７…避雷導線
８…アース
９…アンカー部
１０、１１、２０、３０、４０、５０、６０、７０…風力発電設備
１４…ブレード本体
１５…アンカー部
１６、２１、６１…貫通孔
１７、２２、３２、４２、５２、６４…長尺材
１８、３３、４３、５３、６３…固定材
１９…保持構造
３１、４１、５１…ボルト
６２…挿入部材
７1…計測線

Claims

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、
前記ブレードを構成するブレード本体には、このブレード本体に設置された保持構造と、この保持構造に固定された固定材に受雷用のレセプタのアンカー部に形成された貫通孔に挿入された長尺材の端部が固定されることにより前記レセプタが取り付けられ、
前記長尺材は、前記レセプタに接続された避雷導線とは別に備えられた可撓性を有しない材料で構成されている
ことを特徴とする風力発電設備。
前記保持構造、固定材、長尺材は、繊維強化プラスチック材または表面が絶縁処理された金属から形成されることを特徴とする請求項１記載の風力発電設備。
前記保持構造が、前記ブレード本体と一体成型されていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電設備。
前記保持構造が、前記ブレード本体と磁石により接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電設備。
前記ブレード本体の内部に、前記レセプタの前記ブレード本体からの脱離、前記レセプタの脱離前のひずみや破損、前記ブレード本体と前記レセプタとの接続部の口開きを破断によって検知する計測線を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の風力発電設備。
風力発電設備において使用されるブレードにおいて、
このブレードを構成するブレード本体には、このブレード本体に設置された保持構造と、この保持構造に固定された固定材に受雷用のレセプタのアンカー部に形成された貫通孔に挿入された長尺材の端部が固定されることにより前記レセプタが取り付けられ、
前記長尺材は、前記レセプタに接続された避雷導線とは別に備えられた可撓性を有しない材料によって構成されていることを特徴とする風力発電設備用ブレード。