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1. WO2012002230 - LIGHTNING ARRESTER STRUCTURE FOR WIND GENERATOR BLADE

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明 細 書

発明の名称 風力発電用ブレードの避雷構造

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023  

図面の簡単な説明

0024  

発明を実施するための形態

0025   0026   0027   0028  

実施例 1

0029   0030   0031   0032   0033  

産業上の利用可能性

0034  

符号の説明

0035  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4  

明 細 書

発明の名称 : 風力発電用ブレードの避雷構造

技術分野

[0001]
 この発明は、風力発電に用いられるブレードが落雷によって損傷を受けるのを防ぐ風力発電用ブレードの避雷構造に関するものである。

背景技術

[0002]
 現在使用されている風力発電用ブレードは、GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics:ガラス繊維強化複合材料)製が主流であり、ブレードそれ自身は絶縁体であり導電性は有していない。したがって、小型の風力発電機の時代には雷はブレードには落ちないものと考えられていた。しかし、風力発電機の大型化にともなってブレードの落雷被害が増加したため、ブレードに金属製の部材(レセプター:受雷部)を取り付け、それに引き出し線(ダウンコンダクター)を接続し、地面へと誘導する手法が一般化されている。受雷部の形状や形式は多々提案、実用化されている。
[0003]
 例えば、特許文献1には、ブレードに導体リングを設け、一方、風力発電機を内蔵するロータケースに、前記導体リングに対向して、非直線抵抗体や酸化亜鉛形避雷素子を設けた風力発電の耐雷保護装置が開示されている。
 また、特許文献2には、電気的に絶縁されたブレードから成る風車のブレード以外の装置上方に早期ストリーマ発進型避雷針を設置することにより、避雷効果を向上させた避雷構造が開示されている。
 また、特許文献3には、GFRP製ブレードの刃のところに落雷させないため、ブレードの先端から根元までの間に、ブレードの表裏とも一体型でブレードの裏側になる箇所だけ一つまたは複数個の突起を付加した電極板を複数個ないし一つ取り付け、落雷電流を電極板から電極板へ、或いは電極板から直接ブレード面の上を沿面放電させて、最後にハブで捕捉した雷電流を、ナセル、タワーを経て地中に導き落雷によるブレードの焼損を防止する風車用避雷設備が開示されている。
[0004]
 特許文献4には、ブレードの下端から離隔した位置において、ブレードの先端部の充電電荷を放電させるための接地電位にある金属部材を風車タワーに取り付け、この金属部材を大きく回転しているブレードの先端近傍に位置させることにより、ブレードが金属部材の直近位置を通過するごとに金属部材を介する大地への放電が行われてブレードへの落雷を防止する風力発電装置の避雷装置が示されている。
 特許文献5には、発電機を駆動する風車のブレードの先端に耐熱性導電材の避雷突出針取付台を覆着し、着雷による光・熱エネルギーを吸収して熱熔融する避雷突針を上記避雷突出針取付台に着脱自在に装着して、避雷突針を避雷突針取付台の外面から放射状に突出させ、ブレード内部に配設した避雷導体で上記避雷突針取付台とブレード中心部の導電性ハブを電気的に接続し、ハブの発電機側端面には熱熔融する放電球体を着脱自在に装着すると共にナセルの風車側端部に、上記放電球体と放電ギャップを介して対向する導電性の放電環を装着し、その放電環を避雷導線を通じて接地する装置が示されている。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 日本国特開2000-265938号公報
特許文献2 : 日本国特開2001-123934号公報
特許文献3 : 日本国特開2002-227757号公報
特許文献4 : 日本国特開2003-282295号公報
特許文献5 : 日本国特開2005-302399号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 しかし、特許文献1、4に示されるものでは、ブレードが大型になると、ブレード先端と非直線抵抗体や避雷針との距離が大きくなり、ブレード先端などに対する落雷を十分に防止することができない。
 また、特許文献2、3、5に示されるような従来の先端金属チップ型雷撃保護装置においては、金属部、FRP部との境界を有しており、この境界部における受雷は、急激な温度上昇を招き、場合によってはブレードの損傷へとつながる問題がある。加えて、境界部は電界の集中が著しく、受雷の頻度も低いとは言いがたい。また風車ブレードのメンテナンス作業には多大なコストを要するため、定期的なメンテナンスを要しない機構が望まれている。
[0007]
 この発明は、上記のような従来のものの課題を解決するためになされたものであり、受雷部とブレード本体との境界部付近に突起を設けることにより境界への受雷を抑制できる避雷構造を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

[0008]
 すなわち、本発明の風力発電用ブレードの避雷構造のうち、第1の本発明は、風力発電用のブレードの一部表面を構成するように設けられた受雷部と、該受雷部表面から外方に突出した受雷突起部とを有し、
 該受雷突起部は、ブレード本体と前記受雷部との表面境界部側に設けられており、その先端を中心として該受雷突起部長さの2倍を半径とする円の径方向内側に受雷を防ぐ前記表面境界部が位置している。
[0009]
 本発明によれば、受雷突起部では、受雷部とブレード本体との表面境界部よりも強く電界集中し、表面境界部に優先して受雷突起物で受雷する。それによって表面境界部への受雷が抑制され、ブレードの損傷を防止する。
[0010]
 また、受雷突起部は、その先端部を中心として該受雷突起部長さの2倍を半径とする円の径方向内側に受雷を防ぐ前記表面境界部が位置していることによって該表面境界部への直接的な受雷を確実に抑制する。上記円の径方向内側に受雷を防止する表面境界部が位置していないと、該表面境界部への受雷防止効果が小さくなる。
 したがって、特に受雷しやすい表面境界部の位置(例えば受雷部の扁平方向周縁)を対象にして受雷突起部を設けるのが望ましい。
[0011]
 また受雷突起部は、その先端部を中心として該受雷突起部長さの√2倍を半径とする円の径方向内側に受雷を防ぐ前記表面境界部が位置しているのがさらに望ましい。これにより表面境界部での受雷防止効果が一層向上する。また、上記倍率を小さくすることで、受雷突起部はより表面境界部に近接することになる。
[0012]
 受雷突起部の数は本発明としては特に限定されるものではなく、1または2以上とすることができ、それぞれ位置、高さが異なるものであってもよい。上記円の中心は、受雷突起部の先端部の周縁に定めるものであってもよい。
 なお、格別に受雷を防ぐ必要のない表面境界部の部分では、前記円の径方向内側に該表面境界部が位置していることを要しない。
[0013]
 受雷突起部は、前記表面境界部にできるだけ近接して設けるのが望ましいが、少なくとも受雷部の中で、表面境界部に近い側(受雷部のブレード軸方向最大長さの50%未満の距離)に設ける。
 受雷突起部を表面境界部に近接して設けることで、表面境界部への落雷をより効果的に防止できる。また表面境界部に近接する程、受雷突起部の長さを小さくしても表面境界部に対する同等の受雷防止効果が得られ、その結果、空力特性を損なうことなく、表面境界部への落雷を効果的に防止できる。なお、表面境界部よりも遠い側には、空力特性の観点から受雷突起部に相当するものを設けないのが望ましい。
[0014]
 第2の本発明の風力発電用ブレードの避雷構造は、前記第1の本発明において、前記受雷部は、前記ブレード本体の中途に介在され、または前記ブレード本体の先端に設けられている。
[0015]
 上記受雷部は、ブレードを構成するブレード本体の中途または先端に設けることができるが、本発明としてはブレード本体の先端に設けたものが受雷効果を高めるという点で望ましい。先端側を受雷部で構成し、この受雷部とブレード本体とを接続することでブレードとすることができる。ブレード先端の受雷部では、ブレードの形状に連なって先端ほど細幅となるテーパ形状とすることができる。これにより捕雷作用が良好になされるとともに、空力性も良好になる。
 また、受雷部をブレード本体の中途に介在させる場合には、受雷部を挟んで分割されたブレード本体を接続する。
 なお、受雷部および受雷突起部は、導電性材料で構成することができ、Al、Cu、Wなどの純金属、合金、複合材料(基材に他材料を混合・分散させたものや異種材料同士を積層するなどして組み合わせたものなど)などを用いることができる。
 また、受雷部と受雷突起部とは、同じ材料で構成してもよく、また、互いに異なる材料で構成してもよい。同じ材質で構成する場合、受雷時に受雷部と受雷突起部との境界で熱膨張差に起因して破損などが生じるのを防止できる。
[0016]
 第3の本発明の風力発電用ブレードの避雷構造は、前記第1または第2の本発明において、前記受雷突起部が、5~1000mm の断面積を有する。
[0017]
 該受雷突起部の断面積は、5~1000mm が望ましく、20~490mm がより望ましく、78~310mm が一層望ましい。したがって、円柱形状にあっては2.5~35mmの径を有するのが望ましい。同様の理由により、5~25mmの径を有するのがより望ましく、10~20mmの径を有するのが一層望ましい。
 受雷突起部は落雷電流において溶損しないのに十分な断面積を有するものが望ましく、したがって、断面積を上記のように、材質によって適切な断面積を設定することができる。但し、あまりに断面積が大きいと、空力特性低下や騒音増大の原因となる。
[0018]
 第4の本発明の風力発電用ブレードの避雷構造は、前記第1~第3の本発明のいずれか一つにおいて、前記受雷突起部は、前記ブレードの軸方向に対し、45~135度の角度を有して設けられている。
[0019]
 受雷突起部は、受雷部の表面に突出して設けられており、その突出方向は特に限定されていないが、受雷突起部による、他所への落雷防止作用が、より効果的に前記表面境界部に及ぶように、ブレードの軸方向に対し、所定の角度(45~135度)で交差しているのが望ましい。同様の理由により、60~120度がより望ましく、75~105度が更に望ましい。
[0020]
 第5の本発明の風力発電用ブレードの避雷構造は、前記第1~第4の本発明のいずれか一つにおいて、前記受雷突起部は、前記ブレードの軸方向と直交し、前記受雷突起部先端が位置する方向において、前記受雷を防止する表面境界部を越えて外側に前記先端が位置している。
[0021]
 受雷突起部が、ブレードの軸方向と直交する方向において前記表面境界部を越えて外側に先端が位置することで、受雷突起部による受雷作用が前記表面境界部より確実に勝り、該表面境界部への落雷をより効果的に防止することができる。
[0022]
 第6の本発明の風力発電用ブレードの避雷構造は、前記第1~第5の本発明のいずれか一つにおいて、前記受雷を防止する表面境界部は、前記受雷部の扁平方向の縁部に位置するものである。
[0023]
 受雷は、比較的厚さが薄くなっている部分や、尖鋭な部分に生じやすく、扁平な受雷部ではその縁部の表面境界部に落雷しやすい。したがって、この縁部の表面境界部を対象にして受雷突起部を設けることで表面境界部に対する落雷を効果的に防止することができる。

図面の簡単な説明

[0024]
[図1] 本発明の一実施形態の避雷構造を有する風車を示す概略図である。
[図2] 図1の避雷構造のブレード先端の正面を示す図である。
[図3] 図1の避雷構造のブレード先端の側面を示す図である。
[図4] 図4(a)は本発明の実施例における図1の避雷構造のブレード先端の正面視における寸法及び電界測定点を示す図、図4(b)は受雷における電場解析結果を示すグラフである。

発明を実施するための形態

[0025]
 以下に、本発明の一実施形態を図1~図3に基づいて説明する。
 風車1は、回転可能に支持されているロータ2に、複数(図では3本)のブレード3が放射状に取り付けられており、各ブレード3は、ブレード本体30とその先端に接続した受雷部31とで構成されている。ブレード本体30と受雷部31とは、互いの境界において表面境界部32が形成される。
 受雷部31は扁平な形状を有し、先端側ほど細幅で、かつ厚さが小さくなるテーパ形状を有しており、その先端は小径な湾曲形状を有している。受雷部31とブレード本体30とは、表面が面一になって接合されており良好な空力特性を有している。
[0026]
 受雷部31には、表面境界部32に近接して、扁平方向における縁部に受雷部31表面から外方に向けて突出する受雷突起部4が設けられている。受雷部31は、表面境界部32からブレード3の軸方向に、10~150mmの距離を有して設けられているのが望ましい。表面境界部32に近すぎると、受雷時に表面境界部32に熱影響があり、破損などを招くおそれがあり、距離が大きすぎると本発明の作用を得るために、受雷突起部4の長さを長くする必要があり、空力特性に悪影響がある。上記距離は、20~100mmがより望ましく、30~50mmが一層望ましい。
 該受雷突起部4は、ブレード3のブレード軸6(ロータ2の中心からブレード3の延伸方向に沿った仮想線)と直交して前記扁平方向に沿って伸長しており、前記扁平方向にある表面境界部32aよりも先端が外側に位置している。なお、この実施形態では、受雷突起部4は、空力特性を考慮してブレード3が回転する回転方向後方側の前記縁部に位置している。回転方向後方側にのみ設けることで空力特性への影響を小さくすることができる。ただし、本発明としては受雷部に設ける位置が回転方向後方側に限定されるものではない。
 また、受雷突起部4は、その先端部を中心にして受雷突起部4の長さの2倍を半径rとする円5の内側に前記扁平方向にある表面境界部32aが位置している。なお、受雷突起部4側で表面境界部32の一部が前記円5の内側に位置し、受雷突起部4と離れた側で、受雷突起部4と離れた側の一部が前記円5の外側に位置しているものも本発明の範囲内である。この場合、受雷突起部4と離れた側に別の受雷突起部を設けてこの受雷突起部の基準とする円の径方向内側に表面境界部が位置するようにしてもよい。
 要は、受雷を防止しようとする表面境界部の一部が前記円の径方向内側に位置しているものであればよい。この場合円は、受雷突起部の先端と受雷を防止しようとする表面境界部とが位置する面に沿っている。
[0027]
 また、図3では、受雷突起部4側で、表面境界部32が円内に位置しており、受雷突起部4による作用が効果的に得られているが、本発明としては、該当する円の内側に一部の表面境界部32が位置しているものであってもよい。このような形態を図3で半径raの円5aとして示している。円5a内には、正に扁平方向縁部の表面境界部32a付近が位置しており、該表面境界部32a付近で、受雷が効果的に防止される。円5aの外側に位置している表面境界部32では、受雷突起部4による受雷防止効果は十分に得られない。
[0028]
 上記避雷構造によれば、受雷部31によって捕雷が効果的になされ、ブレード本体30への落雷を回避できるとともに、表面境界部32の近傍では、捕雷が受雷突起部4によって行われ、表面境界部32への落雷が効果的に抑制される。
実施例 1
[0029]
 次に、図2に示すアルミニウム製の受雷部31およびアルミニウム製の受雷突起部4を有する避雷構造をブレード本体を模したFRP材に取付け、着雷位置を予測するシミュレーションによって2次元電場解析を行った。
 なお、解析には、解析ソフトMARC2007R1(MSC Software社製)を使用し、受雷部先端部より1mの距離に点電荷を配した。ブレード先端部真上を0°とし、受雷突起部設置側に30°、60°、90°の位置、及び90°の位置からさらに真下に200mm、500mm下げた位置に点電荷を配して解析を実施した。その際、ダウンコンダクタ端部を固定電位とした。
 図4(a)中、HおよびLが受雷部31に対する受雷突起部4の取り付け位置および長さを示す。すなわち、図4(a)中Lは、受雷突起部4の長さを示し、図4(a)中Hは、表面境界部に対する受雷突起部の取り付け位置の距離を示している。
 H、Lを変えた、それぞれの受雷突起部形状に対し、上記のように、6箇所からの放電に対して解析を実施した。図4(b)では、受雷突起部の先端部Bを基準とした受雷装置各部(A点、B点、C点)の電界強度比を示している。A点は受雷部の先端部、B点は受雷突起部の先端部、C点は受雷部の扁平方向縁部にある表面境界部を示している。
[0030]
 上記電場解析の結果を図4(b)に示す。放電位置に拘わらずC点の電界強度比がB点の電界強度比を超えない範囲の受雷突起部が最適であり、C点の電界強度比がB点の電界強度比を超えない放電位置が多いほど適した受雷突起部である。
 図4(b)から明らかなように、本発明実施例では、受雷突起部への電界集中が優先し、ブレード本体と受雷部との表面境界部への電界の集中は低く抑えられている。この結果、放電位置に拘わらず、殆どの場合、C点の電界強度比がB点の電界強度比を超えない。表面境界部が、受雷突起部の先端を中心としてH/Lが1.67倍の位置では、1つの放電位置でC点の電界強度比がB点の電界強度比とほぼ一致している。したがって、上記倍率を1.5倍にすることで、全ての放電位置でC点の電界強度比がB点の電界強度比を超えないことが期待される。さらに、該倍率を1.0倍とすることで、C点の電界強度比はB点の電界強度比よりも大幅に小さくなっている。
 一方、比較例では、表面境界部への電界集中と受雷突起部への電界集中とが同等またはそれ以上であって、受雷突起部による効果が十分に得られていないことが分かる。なお、空力特性を考慮した場合、空力特性への影響を最小限とするため、境界部より30mm位置、30mm長さの受雷突起部、すなわち、前記倍率が1.0以下のものが有効である。
[0031]
 本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
[0032]
 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
[0033]
 本出願は、2010年6月30日出願の日本特許出願(特願2010-150103)、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

産業上の利用可能性

[0034]
 以上説明したように、本発明によれば、風力発電用のブレードの一部表面を構成するように設けられた受雷部と、該受雷部表面から外方に突出した受雷突起部とを有し、該受雷突起部は、ブレード本体と前記受雷部との表面境界部側に設けられており、その先端を中心として該受雷突起部長さの2倍を半径とする円の径方向内側に受雷を防ぐ前記表面境界部が位置しているので、受雷部表面上の電界集中度が最も高くなる点を境界部から受雷突起部の先端に移動するようにでき、ブレードへの落雷時、境界部への受雷に伴うブレード損傷の可能性を著しく低下させる効果がある。また、雷撃の極性は通常負極性であり、風車上方から放電する可能性が高いが、場合によっては正極性放電が発生する場合もあり、正極性雷の一部は風車側方や下方からの放電が発生する場合もある。こうした場合風車ブレードへの放電角度が大きくなるため、境界部への受雷の可能性が高くなるが、本発明では電界集中点を作為的に発生させるため、いずれの方向からの雷撃においても高い効果を持つ。

符号の説明

[0035]
 1  風車
 2  ロータ
 3  ブレード
30  ブレード本体
31  受雷部
32  表面境界部
 4  受雷突起部
 5  円
 6  ブレード軸

請求の範囲

[請求項1]
 風力発電用のブレードの一部表面を構成するように設けられた受雷部と、該受雷部表面から外方に突出した受雷突起部とを有し、
 該受雷突起部は、ブレード本体と前記受雷部との表面境界部側に設けられており、その先端を中心として該受雷突起部長さの2倍を半径とする円の径方向内側に受雷を防ぐ前記表面境界部が位置している風力発電用ブレードの避雷構造。
[請求項2]
 前記受雷部は、前記ブレード本体の中途に介在され、または前記ブレード本体の先端に設けられている請求項1記載の風力発電用ブレードの避雷構造。
[請求項3]
 前記受雷突起部は、5~1000mm の断面積を有する請求項1または2に記載の風力発電用ブレードの避雷構造。
[請求項4]
 前記受雷突起部は、前記ブレードの軸方向に対し、45~135度の角度を有して設けられている請求項1~3のいずれか一項に記載の風力発電用ブレードの避雷構造。
[請求項5]
 前記受雷突起部は、前記ブレードの軸方向と直交し、前記受雷突起部先端が位置する方向において、前記受雷を防止する表面境界部を越えて外側に前記先端が位置している請求項1~4のいずれか一項に記載の風力発電用ブレードの避雷構造。
[請求項6]
 前記受雷を防止する表面境界部は、前記受雷部の扁平方向の縁部に位置するものである請求項1~5のいずれか一項に記載の風力発電用ブレードの避雷構造。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]