WO2012153717A1

WO2012153717A1 - 風車

Info

Publication number: WO2012153717A1
Application number: PCT/JP2012/061704
Authority: WO
Inventors: 丈博名嘉; 陽一郎津村; 崇俊松下
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-11-15
Also published as: CN103547796A; EP2708743A1; JP2012237208A; US20140119919A1; EP2708743A4

Abstract

　風車の耐雷設備において、高い安全性を保ちつつメンテナンスを容易化することが求められる。翼のレセプタが受けた雷電流を翼内のアース線に導く。アース線は、翼のピッチ角を変化させるための軸受の内周側の空間を通ってロータヘッド内に導かれる。軸受を経路とせずに、且つブラシ等の摺動・摩耗する部材を用いずにロータヘッド側に雷電流を導くことができる。

Description

風車

　本発明は、風車の耐雷に関する。

　一般に、風車の翼には落雷対策が施される。図９は、風車の一例を示す側面図である。風車１０１のタワー１０２が基礎１０６の上に建てられる。タワー１０２の上にヨー軸受１０９を介してナセル１０３が取り付けられる。ヨー軸受１０９によって、ナセル１０３は概ね鉛直方向の回転軸であるヨー軸を中心に回転可能である。ナセル１０３の一端に主軸受１０８を介してロータヘッド１０４が取り付けられる。主軸受１０８によって、ロータヘッド１０４は概ね水平方向の回転軸である主軸を中心にナセル１０３に対して回転可能である。ロータヘッド１０４に、翼軸受１０７を介して、主軸の周方向に並ぶ複数の翼１０５が取り付けられる。翼１０５は、翼軸受１０７の回転軸であるピッチ軸のまわりに回転して制御されたピッチ角度に向くことができる。

　翼１０５が受けた風力によってロータヘッド１０４が回転することにより、主軸受１０８に支持される主軸が回転する。主軸の回転は、ナセル１０３の内部に配置された増速機によって増速され、発電機を駆動して電力を生成する。

　耐雷のために、各翼１０５の表面に、雷放電を受電するための複数個のレセプタ１１０（金属製受雷部）が取り付けられる。レセプタ１１０は、翼内部を通るダウンコンダクタ１１１（引き下げ導線）に接続される。ダウンコンダクタ１１１によって翼根に導かれた雷電流は、アース線に電気的に接続される。アース線は、ロータヘッド１０４、ナセル１０３、及びタワー１０２に設けられた雷電流の経路を通って接地される。

　このような風車１０１の耐雷構造においては、雷電流の経路を何らかの手段で翼軸受１０７、主軸受１０８、ヨー軸受１０９などの回動部を通して接地する必要がある。これらの軸受を雷電流の導線の一部として用いることにより、ダウンコンダクタ１１１を接地し、翼１０５のレセプタ１１０からの雷電流を逃がすことが可能である。

　より安全性や耐久性を向上するために、軸受の箇所をバイパスするように雷電流を導く構造が考えられる。具体的には、アースブラシやスライディングコンタクト（すべり接点）をバイパス手段として用いることにより、軸受を流れる雷電流の一部をバイパスさせることが可能である。

米国特許第７３９０１６９号明細書

　上記のバイパス手段は、軸受の回転によって摺動・摩耗する消耗品を用いるため、定期メンテナンスが必要である。よりメンテナンスの容易な耐雷技術が望まれる。

　軸受との間に隙間を介して電流経路を形成し、スパークによって隙間に電流を流すスパークギャップの手段も採用することができる。しかしこの手段においては、以下のような問題点を克服するための工夫が必要となる。
（１）場合によってはバイパスが不十分となり、軸受部もしくはその他の想定外の部位に電流が流れる可能性がある。
（２）スパークによって発生する電磁波が制御機器等に悪影響を与える可能性がある。
（３）スパークによりギャップ構成部材自体及びその周辺部材に物理的な損傷を与える可能性がある。
（４）経年劣化によりギャップ長が変化し、スパーク特性が変化する。

　上記の問題点に鑑みて、スパークギャップを必要としない電流経路を用いた、よりメンテナンスの容易な耐雷技術が望まれる。

　本発明の一側面において、風車の翼のレセプタが受けた雷電流が翼内のアース線に導かれる。アース線は、翼のピッチ角を変化させるための軸受の内周側の空間を通ってロータヘッド内に導かれる。軸受を経路とせずに、且つブラシ等の摺動・摩耗する部材を用いずにロータヘッド側に雷電流を導くことができる。

　本発明の一側面において、風車はロータヘッドと、雷放電を受電するレセプタが取り付けられた翼と、ロータヘッドと翼とを接続し、翼のピッチ角を可変とする軸受と、翼と軸受の内周側の空間とを通って雷放電をロータヘッド側に導くアース線とを備える。

　本発明の他の側面において、風車は更に、翼の翼根の端面と、翼の翼根の内周面と、翼の翼根の内周面に設けられた段とのうちの少なくとも一つに、結合手段を用いて固定される翼取付板を備える。翼取付板は、アース線を通す貫通孔を有する。

　本発明の更に他の側面において、風車は更に、貫通孔の内周側に取り付けられる絶縁性の部材を備える。

　本発明の更に他の側面において、風車は更に、軸受の翼取付板と対向する側に取り付けられる板状部材を備える。貫通孔から翼の反対側に引き込まれたアース線は、翼取付板の軸受側の面に沿って配線され、更に、板状部材の翼の反対側の面に沿って配線される。

　本発明の更に他の側面において、風車は更に、軸受の翼取付板と対向する側に取り付けられる板状部材を備える。アース線の第１部分は、翼取付板の翼側の面に取り付けられる。アース線の第２部分は、板状部材の翼の反対側に、アース線の第１部分に対して延長方向が９０度以下であるように取り付けられる。

　本発明の更に他の側面において、風車の翼がフェザー位置であるとき、アース線の第１部分とアース線の第２部分とがなす角度は３０度以下である。

　本発明の更に他の側面において、風車のアース線は、軸受の部分においてたるみを有する。

　本発明の更に他の側面において、風車は更に、ロータヘッドの内部に固定され、アース線を覆う導電性の部材であるシールド部材を備える。

　本発明により、風車の耐雷設備において、メンテナンスを容易化することが可能となる。

　本発明の上記目的、他の目的、効果、及び特徴は、添付される図面と連携して実施の形態の記述から、より明らかになる。
図１は、図１は、本発明の第１実施形態における風車のロータヘッド及び翼根を示す。図２は、本発明の第２実施形態における風車のロータヘッドと翼根を示す断面図である。図３は、本発明の第３実施形態が解決しようとする課題を説明するための翼軸受付近の断面図である。図４は、本発明の第３実施形態におけるアース線の配置を示す。図５は、本発明の第４実施形態の風車について説明するための翼軸受付近の断面図である。図６は、本発明の第４実施形態において、翼がフェザー状態のときのアース線の経路を示す。図７は、本発明の第４実施形態において、翼がファイン状態のときのアース線の経路を示す。図８Ａは、翼取付板の取付手段の一例を示す。図８Ｂは、翼取付板の取付手段の一例を示す。図８Ｃは、翼取付板の取付手段の一例を示す。図９は、風車の一例を示す側面図である。

　　以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態における風車は、図９を参照して説明した風車と同じ全体構成を有する。図１は、第１実施形態におけるその風車のロータヘッド及び翼根を示す。図１におけるロータヘッド１、翼２、及び翼軸受３は、図９で説明したロータヘッド１０４、翼１０５、及び翼軸受１０７にそれぞれ対応する。図１は、ロータヘッド１の輪郭を点線で描き、その内部を透視した図である。３本の翼２のうち２本の翼根のみが描かれている。

　翼軸受３は、翼２をロータヘッド１に対してピッチ角方向に回転可能に支持する環状の軸受である。翼軸受３の翼２側の面に翼取付板４が取り付けられる。翼取付板４は貫通孔を有する。その孔は、例えば翼取付板４の中心部に形成される。翼取付板４は翼２の翼根に対応する形状を有する。翼２の翼根部にはフランジが形成され、そのフランジがボルトによって翼取付板４に固定されることによって翼２が翼取付板４に固定される。

　翼取付板４の翼２に対する固定手段は、上記の手段に限られない。図８Ａ～図８Ｃは、翼取付板４の翼２に対する取付手段の例を示す断面図である。図８Ａの例では、翼２の翼端の端面に固定される。図８Ｂの例では、翼２の翼端近くの内周面に翼取付板４ｂが固定される。この場合、例えば翼取付板４ｂの外周に円周状のフランジなどの取付部２３が形成され、取付部２３を翼２の内周面に取り付けることによって翼取付板４ｂを固定することができる。図８Ｃの例では、翼２の翼根の近くの内周面に、取付部２４として内側に向かって突出する段差が形成される。この取付部２４に対して翼根側から、翼２の内周面よりもやや小さい輪郭を有する円盤状の翼取付板４ｃが翼２内部に固定される。このような様々な手段によって翼取付板４ａ、４ｂ、４ｃを翼２に固定することができる。固定するために、溶接やボルト締結などの結合手段を採用することができる。

　翼軸受３の翼２と対向する側の面に、板状部材である連結軸取付板５が取り付けられる。連結軸取付板５は、孔を有する。孔は、例えば連結軸取付板５の中心部に形成される。連結軸取付板５には連結軸１１が取り付けられる。連結軸１１は、ピッチ角駆動手段１２に取り付けられる。ピッチ角駆動手段１２は、連結軸１１をアクチュエータによって押し引きすることによって、制御信号に従ったピッチ角に翼２を駆動する。

　翼２の内部の空間に、雷電流を導く導線であるダウンコンダクタ７が配置される。ダウンコンダクタ７の端部は、図９のレセプタ１１０に相当するレセプタに接続される。翼２の内壁面に、接続金具８が取り付けられる。翼取付板４の翼側（翼軸受３と反対側）の面に、固定金具９が取り付けられる。ダウンコンダクタ７の翼根側の端部は、接続金具８によってアース線７ａと電気的に接続される。アース線７ａの一部は、固定金具９によって翼２の内部の決められた経路に沿って配線される。アース線７ａの他の一部は更に、翼取付板４の孔と、翼軸受３の内周側の空間と、連結軸取付板５の孔とによって形成される孔６を通ってロータヘッド１の内部に導かれて、連結軸取付板５の翼２と反対側の面に取り付けられる。

　アース線７ａは、絶縁性の部材で被覆された絶縁ケーブルであることが望ましい。雷電流が連続的に印加されることによる形状の変化を抑制する観点から、絶縁被覆にはＥＰＲ（エチレンプロピレンゴム）もしくはＸＬＰＥ（架橋ポリエチレン）を用いることが望ましい。これらの材料は、電気的な絶縁性能、耐候性、難燃性、耐捻回性（ねじれや屈曲に強い）の特性において、本実施形態におけるアース線７ａに適している。更に、軸受周辺は潤滑油が使用されているため、アース線７ａには耐油性も求められるが、これらの材料は耐油性においてもすぐれている。

　翼２はロータヘッド１に対し旋回する。そのためアース線７ａには翼の旋回に伴うねじれが生じる。このねじれを許容できるよう、アース線７ａは、翼軸受３の部分において、たるみを持つ（張られた状態よりも長くなる）ように固定される。またはアース線７ａとして、翼２内のアース線とロータヘッド１内のアース線とをスリップリングや回転コネクタ装置等によって互いに回転できるように接続した導線を用いる。

　図１の例では、連結軸取付板５の翼軸受３と反対側の面に、固定金具１０が取り付けられる。孔６からロータヘッド１内部に引き出されたアース線７ａは、固定金具１０によってロータヘッド１内の決められた経路に沿って配線される。

　このような構成を備えた風車が落雷を受けると、レセプタから侵入した雷電流がダウンコンダクタ７に沿って翼２の内部を翼根方向に導かれ、アース線７ａに渡される。アース線７ａを流れる雷電流は、孔６を通ってロータヘッド１の内部の経路に導かれる。雷電流は更に、図示しない経路を通ってナセル、タワー内の導線を通って接地電極に導かれる。このような構成においては、翼２のレセプタが受雷した雷電流を翼軸受３に流すことなくロータヘッド１の内部に導くことができる。

　図２は、本発明の第２実施形態における風車のロータヘッド１と一本の翼２の翼根とを示した断面図である。第１実施形態との相違点のみを説明する。翼取付板４の孔６ａ、翼軸受３、及び連結軸取付板５の穴６ｂを通してロータヘッド１内部に引き込まれたアース線７ａに雷電流が通過する時、強い電磁波が発生する。その電磁波のロータヘッド１の内部に配置された制御機器類に対する影響を抑制するために、ロータヘッド内部２０に金属製のシールド部材１８が取り付けられる。図２の例では、ロータヘッド内部２０の金属部材１７（何らかの機器を接地するための構造梁など）にシールド部材１８が取付金具１９により取り付けられる。シールド部材１８は、アース線７ａをその延長方向に少なくとも一部の範囲で覆う。シールド部材１８に替えて、金属製のダクトをロータヘッド内部２０に設置してもよい。ロータヘッド内部２０に引き込まれたアース線７ａは、シールド部材１８の内部を通って、ロータヘッド１の外部に導かれる。アース線７ａを流れる雷電流によって発生する電磁波はシールド部材１８によってブロックされる。そのためロータヘッド内部２０の制御機器類に対する影響が低減する。

　雷電流通過時、アース線７ａとそれを支える金属部材間には大きな電位差が発生する。アース線７ａの絶縁被覆による絶縁耐力の余裕幅が大きくない場合には、より安全性を向上するために、金属部材のアース線７ａ側の面を絶縁部材で覆うことが望ましい。図２の例では、翼取付板４のアース線７ａの配線経路に沿う箇所の表面上が絶縁部材１３で覆われる。更に、孔６ａと孔６ｂのそれぞれの内周面も絶縁部材１４、１５で覆われる。更に、上述したシールド部材１８も、絶縁部材１６を介して金属部材１７に対して固定される。このような構成により、高い安全性及び信頼性を保って翼軸受３の内周側を通して雷電流の経路を通すことが可能となる。

　次に、本発明の第３実施形態を説明する。第１、第２実施形態と異なる箇所についてのみ説明する。図３は、第３実施形態が解決しようとする課題を説明するための翼軸受３付近の断面図である。この図の例では、アース線７ａは、翼取付板４の翼２側の箇所と、連結軸取付板５の翼２と反対側の箇所とで互いに平行（電流の流れ方向は反平行）に配置されている。このようにアース線７ａを平行に配置すると、フレミングの左手の法則により、アース線間に反発力が働く。図３のような配置の場合、アース線７ａによって固定金具９に対して翼取付板４から引き剥がす方向に力が働く。そのため固定金具９には、その力に耐えられる強度が求められる。

　図４に、本発明の第３実施形態におけるアース線７ａの配置を示す。この図の例では、孔６ｃが翼取付板４ａの中心から外れた周縁部に形成されることによって、孔６ｃと、連結軸取付板５の孔６ｂの位置がずれている。アース線７ａは、翼２内から孔６ｃを通って翼軸受３の内周側の空間に導かれる。翼取付板４ａの翼２と反対側の面、すなわち翼取付板４ａ、翼軸受３の内周部、及び連結軸取付板５によって形成される空間側の面に、取付金具２２が取り付けられる。アース線７ａは取付金具２２によって翼取付板４ａ上の所定の経路に沿って配置される。アース線７ａは更に、孔６ｂを通ってロータヘッド１の内部に導かれる。図４の例では、アース線７ａは、翼取付板４ａ上の経路と、ロータヘッド１内の経路で平行である。アース線７ａを流れる電流の向きは翼取付板４ａ上の経路と、ロータヘッド１内の経路で反平行である。このような構成に図２で説明した絶縁部材を適用する場合、孔６ｃの内周側と、アース線７ａが配置される経路上の翼取付板４ａの面に絶縁性の部材が取り付けられる。

　このような構成を有する風車が落雷を受けた場合、アース線７ａに雷電流２１が流れる。アース線７ａの翼取付板４ａ上の経路とロータヘッド１内の経路とは平行である。そのためローレンツ力によって、翼取付板４ａ上のアース線７ａは、翼取付板４ａに押し付けられる。翼取付板４ａは翼２を固定するために強度が高く、且つ翼軸受３に対して強固に固定される。そのためアース線７ａに掛るローレンツ力を高い強度で受け止めることができる。取付金具２２に掛かる力が低減するため、図３の例に比べて取付金具２２の強度は小さくてよい。このような構成により、アース線７ａに大きなローレンツ力が掛かる場合でも、その力を確実に受け止めることができる。

　図５は、本発明の第４実施形態の風車について説明するための翼軸受３付近の断面図である。第３実施形態と異なる箇所についてのみ説明する。本実施形態においては、翼取付板４の孔６ａと連結軸取付板５の孔６ｂとは、第１実施形態と同様に、平面方向に対応する同じ位置、例えばそれぞれの中心部に形成されていてよい。翼取付板４の翼２側の面には、図示しない固定金具によってアース線７ａが所定の経路に固定される。アース線７ａは孔６ａ及び孔６ｂを通ってロータヘッド１の内部に導かれる。ロータヘッド１内部において、アース線７ａは、図示しない固定金具によって、連結軸取付板５上に所定の経路に沿って配置される。

　垂直方向（連結軸取付板５の主面に垂直な方向）に見て、すなわち翼軸受３の回転軸の方向から見た平面配置において、翼取付板４上のアース線７ａの経路と、連結軸取付板５上のアース線７ａの経路とは一直線である。このような構成において雷電流２１がアース線７ａを流れると、垂直方向から見たときに翼取付板４側のアース線７ａと連結軸取付板５側のアース線７ａとが重なっておらず離れているため、互いの間に働くローレンツ力は小さい。従って、固定金具に掛かる力を小さくすることができる。

　翼取付板４側のアース線７ａと連結軸取付板５側のアース線７ａとは、正確に一直線である必要は無い。連結軸取付板５側のアース線７ａは、翼取付板４側のアース線の少なくとも一部に対して、概ね延長方向（電流が流れる向き）が９０度以下であるように取り付けられればよい。更に、垂直方向に見て図５に示したアース線７ａの平面配置を有し、且つ翼取付板４に沿った経路が図４のように翼取付板４の翼２と反対側の面となるようにアース線７ａを配置することも可能である。

　図６と図７を参照して、第４実施形態におけるアース線７ａの配置についてより詳細に説明する。図６は、風車が停止し、翼２のピッチ角がフェザー状態に制御されたときのアース線７ａの配置を連結軸取付板５の側から見た図である。図７は、通常運転時に翼２のピッチ角がファインに制御された場合を示す。アース線７ｂ、７ｃは、それぞれ図５のアース線７ａの第１部分と第２部分を示す。翼取付板４側（翼２の翼根部）のアース線７ｂが点線で描かれ、連結軸取付板５側（ロータヘッド内部）のアース線７ｃが実線で描かれている。

　落雷の可能性がある場合、風車は通常運転を停止する。ピッチ角駆動手段１２が連結軸１１を駆動することによって、翼２のピッチ角がフェザー状態に制御される。このとき、ローレンツ力によってアース線７ａに掛かる力を抑制するために、アース線７ｂの経路とアース線７ｃの経路がなす角度が９０度以下であることが望ましく、概ね平行（平面配置が概ね一直線）であることが更に望ましい。アース線７ａの全体ではなくても、孔６ａ及び孔６ｂから所定の長さの範囲内でこうした角度の条件が満たされると、アース線７ｂとアース線７ｃとの間に働くローレンツ力の大きさを抑えることができる。具体的には、アース線７ｂとアース線７ｃのなす角度が、雷電流通過時に発生する電磁力の影響が無視できるレベルとなる±３０度以内の範囲とすることが望ましい。

　風車の通常運転時には、ピッチ角駆動手段１２がロータヘッド１（連結軸取付板５）に対して翼２（翼取付板４）を回転させ、翼２をファインとする。この場合、翼取付板４に対して決められた経路を通るアース線７ｂは、図７に示すようにロータヘッド１内のアース線７ｃに対して回転する。通常運転時には落雷を受ける恐れが無いため、アース線７ｂとアース線７ｃの電流の流れ方向が０度から大きくずれても問題は発生しない。

　以上に説明した本発明の幾つかの実施形態は、図９の風車１０１のタワー１０２とナセル１０３との間のヨー軸受１０９に対しても適用することができる。その場合、ナセル１０３の内部のアース線が、ヨー軸受１０９を通ってタワー１０２の側に導かれる。この構成により、ヨー軸受１０９に雷電流を流さずにアース線を接地することができる。

　以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に様々な変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の互いに矛盾の無い範囲でのいかなる組み合わせも、本発明の実施形態となり得る。

この出願は、２０１１年５月１０日に出願された日本特許出願２０１１－１０５６２９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

　ロータヘッドと、
　雷放電を受電するレセプタが取り付けられた翼と、
　前記ロータヘッドと前記翼とを接続し、前記翼のピッチ角を可変とする軸受と、
　前記翼と前記軸受の内周側の空間とを通って前記雷放電を前記ロータヘッド側に導くアース線
　とを具備する風車。
　請求項１に記載された風車であって、
　更に、前記翼の翼根の端面と、前記翼の翼根の内周面と、前記翼の翼根の内周面に設けられた段とのうちの少なくとも一つに、結合手段を用いて固定される翼取付板を具備し、
　前記翼取付板は、前記アース線を通す貫通孔を有する
　風車。
　請求項２に記載された風車であって、
　更に、前記貫通孔の内周側に取り付けられる絶縁性の部材を具備する
　風車。
　請求項２又は３に記載された風車であって、
　更に、前記軸受の前記翼取付板と対向する側に取り付けられる板状部材を具備し、
　前記貫通孔から前記翼の反対側に引き込まれた前記アース線は、前記翼取付板の前記軸受側の面に沿って配線され、更に、前記板状部材の前記翼の反対側の面に沿って配線される
　風車。
　請求項２又は３に記載された風車であって、
　更に、前記軸受の前記翼取付板と対向する側に取り付けられる板状部材を具備し、
　前記アース線の第１部分は、前記翼取付板の前記翼側の面に取り付けられ、
　前記アース線の第２部分は、前記板状部材の前記翼の反対側に、前記アース線の第１部分に対して延長方向が９０度以下であるように取り付けられる
　風車。
　請求項５に記載された風車であって、
　前記翼がフェザー位置であるとき、前記アース線の第１部分と前記アース線の第２部分とがなす角度は３０度以下である
　風車。
　請求項１から６のいずれかに記載された風車であって、
　前記アース線は、前記軸受の部分においてたるみを有する
　風車。
　請求項１から７のいずれかに記載された風車であって、
　更に、前記ロータヘッドの内部に固定され、前記アース線を覆う導電性の部材であるシールド部材
　を具備する風車。