JP7355142B1

JP7355142B1 - 風力発電装置のブレード用レセプタ

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Publication number: JP7355142B1
Application number: JP2022042936A
Authority: JP
Inventors: 啓太石川; 早恵目黒; 晃弘諏訪; 壮志蔭田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2042-03-17
Also published as: JP2023145816A; JP2023138500A; WO2023176516A1

Abstract

【課題】風力発電装置のブレードの落雷対策に用いられるレセプタの軽量化を図る。【解決手段】レセプタ１０は、風力発電装置のロータを構成するブレードの先端に取り付けられている。このレセプタ１０は、耐熱元素と固溶体粒子の相とが均一に分散してなる複合合金をレセプタ材料とするレセプタ本体２０と、レセプタ本体２０内の空洞部２１を備えている。このレセプタ本体２０の底部２２はボルト２５によりレセプタアンカーに取り付けられ、側部２０ａにはボルト２５の締結・締結解除を空洞部２１内から行うための切欠部２９が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置（風力発電機）のブレードに用いられる落雷対策用のレセプタに関する。

近年の風力発電装置の大型化に伴い、風力発電装置の落雷被害が生じ、特に最高点を通過するブレードの落雷被害が多く報告されている。

例えばブレード先端のレセプタから引き下げ導線に雷電流を導くまでの間で落雷が補足されてブレード貫通の損傷が発生する場合がある。この場合、引き下げ導線接触箇所の腐食の影響で接触抵抗が高くなると、雷電流によるブレード内部で発熱溶損が発生し、断線や水蒸気爆発を誘発するおそれがある。

そこで、特許文献１は、ブレード先端の内部から引き下げ導線までの導体を絶縁した先端ユニットを用いることで雷被害の抑制を図っている。また、特許文献２は、ブレード先端の受雷部に受雷突起を形成することで捕雷作用を向上させ、ブレードと受雷部との境界への受雷の抑制を図っている。

特許第６４６７０５０号特許第５１５８７３０号特許第５８８０７８９号ＷＯ２０１３／０８４６３４ＡＩ

一般的に風力発電装置に落雷した場合に雷電流はブレードの受雷部品、即ちレセプタから導線を通じてハブ・主軸・タワーの経路で地面に流される。このときブレード先端に取り付けられるレセプタについては、遠心力の影響を受けることから軽量化が望まれている。

ところが、特許文献１の先端ユニットは、交換可能なものの、外周部と内周部との接続に導電性ブッシング（特許文献１の図７参照）を必要とするため、部品点数が多く、軽量化に向かないおそれがある。また、特許文献２の受雷構造も、受雷突起を設けなくてはならないため、やはり部品点数が増加し、軽量化が図れない場合がある。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、風力発電装置のブレードの落雷対策に用いられるレセプタの軽量化を図ることを解決課題としている。

（１）本発明は、風を受けて回転するロータを構成するブレード
を備えた風力発電装置のブレード用レセプタであって、
前記ブレードの先端に取り付けられ、
内部に空洞部が形成されていることを特徴としている。

（２）本発明の一態様は、
複合合金により構成されたレセプタ本体と、
前記レセプタ本体の内部に形成された前記空洞部と、を備え、
前記レセプタ本体は、Ｃｕ相にＭｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒのいずれかの耐熱元素とＣｒの固溶体である固溶体粒子の相が均一に分散してなる前記複合合金により構成され、
前記複合合金は、当該複合合金に対して重量比で、
Ｃｕを２０～７０％
Ｃｒを１．５～６４％、含有し、残部が不可避的不純物から構成され、
前記複合合金に含まれる固溶体粒子は、平均粒子径が２０μｍ以下であり、分散状態指数が１．０以下でＣｕ相に均一に分散していることを特徴としている。

（３）本発明の他の態様において、
前記レセプタ本体は、ボルトを用いて前記ブレード側に取り付けられ、かつ前記空洞部内への出入口として切欠部が形成され、
前記ボルトを前記空洞部内から前記ブレード側に締結および締結解除することが可能なことを特徴としている。

（４）本発明のさらに他の態様において、
前記ボルトは、前記複合合金により構成されていることを特徴としている。

（５）本発明のさらに他の態様において、
前記ボルトの頭部および軸部本体は、前記複合合金により構成されている一方、
前記ボルトの軸部のねじ山は、チタン合金により構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、風力発電装置のブレードの落雷被害を抑制するレセプタの軽量化を図ることができる。

実施例１のレセプタを示す斜視内視図。（ａ）は同レセプタの縦断面斜視図、（ｂ）は同レセプタの斜視図、（ｃ）は図１の部分断面図、（ｄ）は同レセプタの縦断面図。タングステン合金の溶損比較試験結果を示す断面図。実施例１の複合合金の溶損比較試験結果を示す断面図。実施例２の導電ボルトの部分縦断面図。風力発電装置の正面図。同ブレードの部分断面図。

以下、本発明の実施形態に係る風力発電装置のブレード用レセプタを説明する。このレセプタは、前述のように風力発電装置のブレードの落雷対策（雷保護用）として用いられている。

図６に基づき風力発電装置の概略を説明すれば、風力発電装置１は地上・洋上に設置された基礎２と、基礎２上に設置されたタワー３と、タワー３の頂部に回転自在に設置されたロータ４とを主体に構成されている。

ロータ４は、前記頂部のナセル５と、ナセル５内部の回転自在な主軸（図示省略）に取り付けられたハブ６と、ハブ６に取り付けられた複数のブレード７とを備えている。

また、図７に示すように、ブレード７の先端には雷保護装置として前記レセプタ１０が取り付けられ、前記レセプタ１０はダウンコンダクタ１１により接地極となる基礎２と電気的に接続されている。

したがって、前記レセプタ１０に着雷した際に雷電流が、ダウンコンダクタ１１を介して接地極（基礎２）に導かれる。このダウンコンダクタ１１は楔状のレセプタアンカー１２に固定され、前記レセプタ１０は接着剤１３およびボルト２５（図１参照）によりレセプタアンカー１２に取り付けられている。この接着剤１３は、レセプタアンカー１２とブレード７との間の空隙に充填されている。

前記レセプタ１０については、ブレード７の回転時における遠心力の影響を受けるため、従来から軽量で加工性に優れるアルミ合金が活用されていた。ところが、風力発電装置１においてブレード７は、ナセル５などの構造物より雷雲との距離が近く落雷によるダメージが大きい。

その結果、高額な補修費用が発生するおそれがあり、耐雷性の高い軽量タイプの前記レセプタ１０が望まれている。この点を実現すべく実施例１，２の前記レセプタ１０が提案されている。

図１～図４に基づき前記レセプタ１０の実施例１を説明する。本実施例の前記レセプタ１０は、軽量化を実現するため、鋳造鋳型などにより中空構造に成形されている。

前記レセプタ１０は、図１および図２に示すように、レセプタ本体２０内に空洞部２１を形成して構成されている。このレセプタ本体２０は、略三角形状に形成された一対の側部２０ａ，２０ｂ（図２（ａ）（ｄ）参照）と、レセプタアンカー１２側に形成された底部２２とを備えている。

空洞部２１は、レセプタ本体２０と略相似形（サイズは小さい）に形成され、レセプタ本体２０の先端内から底部２２までの領域に形成されている。また、底部２２には一対の挿通孔（図示省略）が形成され、側部２０ａには空洞部２１内への出入口として切欠部（切欠空間）２９が形成されている。

したがって、切欠部２９からボルト２５の軸部２８を空洞部２１内に配置し、前記挿通孔に挿通することができる。これにより軸部２８を空洞部２１からレセプタアンカー１２の雌ねじ穴（図示省略）に締結することが可能となる。また、前記レセプタ１０の交換時には、空洞部２１内から前記締結を解除することができる。

前記レセプタ本体２０は、非特許文献３に記載された複合合金（複合金属）をレセプタ材料として成形されている。この複合合金は、Ｃｕ（銅）相にＭｏ（モリブデン），Ｗ（タングステン），Ｔａ（タンタル），Ｎｂ（ニオブ），Ｖ（バナジウム），Ｚｒ（ジルコニウム）のいずれかの耐熱元素と、Ｃｒ（クロム）の固溶体である固溶体粒子の相とが均一に分散してなる複合合金により構成されている。

このとき前記複合合金は、当該複合合金に対して重量比で「Ｃｕ＝２０～７０％」・「Ｃｒ＝１．５～６４％」含有している一方、残部が不可避的不純物から構成されている。また、前記複合合金に含まれる固溶体粒子は、平均粒子径が「２０μｍ」以下であり、分散状態指数が「１．０」以下でＣｕ相に均一に分散している。このように構成された本実施例の前記レセプタ１０によれば、以下の効果が得られる。

（１）空洞部２１を形成した中空構造なため、中実構造を採用する従来製品よりも軽量化を実現している。すなわち、前記複合合金はアルミ合金よりも質量が大きいものの、前記中空構造を採用することで軽量化を達成でき、ブレード７の遠心力による影響を低減することができる。

また、軽量タイプなので、宙づりで行われるレセプタ交換作業を容易に行え、作業性を向上させることができる。さらに側部２０ａには切欠部２９が形成されているため、ボルト２５の軸部２８を空洞部２１内からレセプタアンカー１２に締結・締結解除でき、この点でレセプタ交換作業も容易に行うこともできる。

（２）前記複合合金をレセプタ材料に用いることでアルミ合金よりも雷撃の溶損損失を抑制する効果が得られる。

すなわち、累積３０００C（６００C×５回）とした溶損比較試験（参考ＩＥＣ６１４００－２４Ｅｄ．２．０／Ｄ．３）を実施した結果、前記複合合金はアルミ合金よりも雷撃による溶損損失を抑え、タングステン合金と同等に溶損が僅かなことが確認された。

図３および図４は、比較例（タングステン合金／Ｗ合金・３００）と前記複合合金との溶損比較試験結果をそれぞれ示している。具体的には両者の溶融部を断面から電子顕微鏡で確認したところ、前記複合合金はタングステン合金よりも表層部の溶融を抑えていたことが判明した。

言い換えれば本実施例の前記レセプタ１０は、前記中空構造の採用により前記複合合金をレセプタ材料に選択可能とし、雷撃による溶損損失の抑制効果を高めている。この点で前記レセプタ１０は、耐雷性が高くブレード７の雷撃による損傷を抑制する効果が得られる。

（３）前記複合合金は、溶損損失の抑制効果だけでなく、前記レセプタ１０の機械強度・加工性の観点からもレセプタ１０の材料として好適である。

表１は、アルミ合金・タングステン合金・前記複合合金の引張強度と材料硬度の比較試験結果を示している。この比較試験結果によれば、前記複合合金はアルミ合金よりも引張強度が優れ、タングステン合金よりも硬度が柔らかいことが確認された。その結果、本実施例のレセプタ１０は、前記複合合金を採用することでアルミ合金製よりも機械強度が高く、タングステン合金製より加工性が高い効果が得られる。

図５に基づき前記レセプタ１０の実施例２を説明する。本実施例では、前記レセプタ１０をレセプタアンカー１２に固定するためのボルト２５に前記複合合金が用いられている。以下、前記複合合金を用いたボルト２５を導電ボルト２５と呼ぶ。

具体的には導電ボルト２５の頭部２７および軸部２８の内部２８ａに導電性の高い前記複合合金が用いられている。一方、軸部２８のねじ山２８ｂには耐熱性・耐食性の高いチタン合金（Ｔｉ合金）が用いられている。本実施例の導電ボルト２５は、例えば熱間等方圧プレスにより接合し、かつ切削加工して研磨することで製作することが可能である。

このように構成された導電ボルト２５によれば、導電性ブッシングなどの部品が不要となるため、部品点数を減らしてメンテナンスの作業性を向上させることができる。また、導電ボルト２５は、ブレード７のサイドレセプタとしても使用することが可能である。

なお、特許文献４の先端レセプタは本実施例と同様にボルト連結されているが、雷撃によるボルト破断や損傷・飛散などの懸念があった。これに対して本実施例の導電ボルト２５によれば、雷撃の雷電流をダウンコンダクタ１１側に流すことができ、前記懸念を払拭することができる。

≪その他・他例≫
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載された範囲内で変形して実施することができる。以下に一例を示す。

（１）実施例１のレセプタ本体２０は、中空構造を採用するため、レセプタ材料に前記複合合金だけでなく、タングステン合金のような質量の大きい金属を用いることも可能である。この場合には、遠心力など設計上の影響を考慮したうえで前記複合合金の代用として用いることができる。

（２）空洞部２１は、レセプタ本体２０との略相似形に限らず、底部２２側のみに形成してレセプタ本体２０の先端側を中実としてもよい。また、空洞部２１をレセプタ本体２０の先端側および底部２２側にそれぞれ形成して両者間を中実としてもよく、さらに空洞部２１を蜂巣構造（多孔構造）としてもよい。

（３）ボルト２５は、図１および図２に示す丸頭ボルトには限定されず、例えば六角ボルトやターンバックボルトを用いてもよい。このターンバックボルトを用いる場合には、一端部側に形成された一方向の雄ねじを底部２２の雌ねじ穴に締結する一方、他端部側に形成された他方向の雄ねじをレセプタアンカー１２の雌ねじ穴に締結することで前記レセプタ１０を固定する。

なお、ボルト２５の固定位置は、図１および図２に示す底部２２の中央部には限定されず、例えば底部２２の両端部２３，２４であってもよい。

（４）実施例２の導電ボルト２５は、軸部２８のねじ山２８ｂをチタン合金ではなく、前記複合材料により構成してもよい。この場合には、導通ボルト２５のすべてが前記複合合金で製作されるため、両者１０，２５が同一素材となり、電飾の影響が低減される。なお、導通ボルト２５も、丸頭ボルトに限定されず、例えば六角ボルトやターンバックボルトなどを用いることができる。

（５）なお、レセプタ本体２０の先端部に水抜き用のドレイン孔を設けてもよく、ボルト２５の損傷を抑えるために頭部２７は接着剤で固定してもよい。

１…風力発電装置
２…基礎
３…タワー
４…ロータ
５…ナセル
６…ハブ
７…ブレード
１０…レセプタ
１１…ダウンコンダクタ
２０…レセプタ本体
２０ａ，２０ｂ…側部
２１…空洞部
２２…底部
２３，２４…両端部
２５…ボルト，導電ボルト
２７…頭部
２８…軸部
２８ａ…軸部の内部
２８ｂ…軸部のねじ山
２９…切欠部

Claims

風を受けて回転するロータを構成するブレード
を備えた風力発電装置のブレード用レセプタであって、
前記ブレードの先端に取り付けられ、
内部に空洞部が形成され、
複合合金により構成されたレセプタ本体と、
前記レセプタ本体の内部に形成された前記空洞部と、
を備え、
前記レセプタ本体は、Ｃｕ相にＭｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒのいずれかの耐熱元素とＣｒの固溶体である固溶体粒子の相が均一に分散してなる複合合金により構成され、
前記複合合金は、当該複合合金に対して重量比で、
Ｃｕを２０～７０％
Ｃｒを１．５～６４％、含有し、残部が不可避的不純物から構成され、
前記複合合金に含まれる固溶体粒子は、平均粒子径が２０μｍ以下であり、分散状態指数が１．０以下でＣｕ相に均一に分散し、
前記レセプタ本体は、ボルトを用いて前記ブレード側に取り付けられ、かつ前記空洞部内への出入口として切欠部が形成され、
前記ボルトを前記空洞部内から前記ブレード側に締結および締結解除することが可能なことを特徴とする風力発電装置のブレード用レセプタ。
前記ボルトは、前記複合合金により構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置のブレード用レセプタ。
前記ボルトの頭部および軸部本体は、前記複合合金により構成されている一方、
前記ボルトの軸部のねじ山は、チタン合金により構成されている
ことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置のブレード用レセプタ。