JP2017227189A - 風力発電装置用ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】被保護体近傍への落雷自体を抑制してこれらを保護するという思想に基づき、前記ブレードの、受雷部以外の部位への落雷を抑制することができる風力発電装置用ブレードを提供する。【解決手段】風力発電装置に用いられるブレード５であって、内部に、導電性材料によって形成された内部電極６が挿着され、前記ブレードの先端部表面に、導電性材料によって形成され、前記内部電極に電気的に接続された誘導電極７が設けられ、前記ブレードの表面で、前記誘導電極から離間した部位から前記ブレードの基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された外部電極８が設けられ、この外部電極と前記内部電極および前記誘導電極との間に、これらを電気的に絶縁する絶縁層が設けられ、かつ、前記内部電極が接地されている。【選択図】図５

Description

本発明は、風力発電装置に用いられるブレードに係わり、特に、落雷による損傷を抑制するようにした風力発電装置用ブレードに関するものである。

一般に、再生可能エネルギーの一つとして風力発電エネルギーが知られている。
この風力発電エネルギーを生成する風力発電装置は、高い支柱と、この支柱の上部に装着され、発電機が内装されたナセルと、このナセルに装着されて前記発電機を回転駆動する多数のブレードとを備えている。

この風力発電装置は、風によって前記ブレードが回転させられることにより、前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。

このような風力発電装置にあっては、風を効率よく受け止めるために、支柱を高くして、ブレードの設置位置を高くしている。
また、発電量を大きくするために、ブレードも長く大きくしている。

ところで、このように高所に伸びるように設置される風力発電装置では、落雷が発生しやすい。
そして、ブレードへ落雷すると、その雷撃によってブレードが破損し、発電が行なえなくなってしまう。

このような不具合に対し、従来では、たとえば、特許文献１に示されるような対処技術が提案されている。

この技術は、ブレードの先端に金属製の受雷部を設け、この受雷部に電気的に接続された接地線を、ブレードの内部を経て地面に接地した構成となっている。

そして、風力発電装置へ向かう落雷が発生した場合、その落雷を、受雷部に誘導して受け、その雷撃を、接地線を介して受雷部から地面へ流すことにより、雷撃がブレードを通過することを回避して、このブレード自体の損傷を防止するようにしている。

特開２０１２−２４６８１２号公報

ところで、前述した従来の技術にあっては、なお、つぎのような改善すべき問題点が残されている。

すなわち、前記ブレードの回転が停止している状態では、前記受雷部が定位置にある。
この状態でブレードへ向けて落雷が発生した場合、この落雷を、定位置にある受雷部に誘導して受け、その雷撃を、接地線を通して地面へ放出することができる。

しかしながら、ブレードが回転していると、その先端の線速度、すなわち、受雷部の移動速度が速いために、ブレードへ向かう落雷を受雷部へ誘導することができないことが想定される。

このように、ブレードへ向かう落雷を受雷部に誘導することができないと、落雷が、ブレードのより基端側において起こり、その雷撃がブレード自体を通過して、ナセルや支柱を介して地面へ放出される。

そして、ブレード内を通過する雷撃によって、このブレードに損傷を与え、あるいは、電撃がナセルを通過する際に、このナセル内に組み込まれている発電機や減速装置若しくは軸受け等に注入されている油に着火し、火災を発生させてしまうことが想定される。

このような問題点は、落雷を、重要な施設若しくは設備等の被保護体以外の場所に誘導し、これによって、落雷の際に生じる雷撃から前述した被保護体を保護するという思想に基づいていることに起因している。

そこで、本発明は、被保護体近傍への落雷自体を抑制してこれらを保護するという思想に基づき、前記ブレードの、前述した受雷部以外の部位への落雷を抑制することができる構造を提供することを解決すべき課題とする。

本発明の風力発電装置用ブレードは、前述した課題を解決するために、前記ブレードの内部に、導電性材料によって形成された内部電極が挿着され、前記ブレードの先端部表面に、導電性材料によって形成され、前記内部電極に電気的に接続された誘導電極が設けられ、前記ブレードの表面で、前記誘導電極から離間した部位から前記ブレードの基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された外部電極が設けられ、この外部電極と前記内部電極および前記誘導電極との間に、これらを電気的に絶縁する絶縁層が設けられ、かつ、前記内部電極が接地されていることを特徴としている。

ここで、落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。
ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建築物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。これが落雷現象である。

本発明は、前述した構成の前記ブレードとすることにより、このブレード先端以外の部位において、前述した上向きストリーマの発生を起こりにくくしたものである。

すなわち、前記ブレードは、その先端部表面に設けられた誘導電極が、前記ブレード内部に装着されている内部電極に電気的に接続され、前記ブレードの基部側の表面に設けられた外部電極が、前記誘導電極および内部電極に対し電気的に絶縁され、かつ、前記内部電極が接地されている。

したがって、例えばマイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、雲底のマイナス電荷に引き寄せられて、前記内部電極および前記誘導電極にもプラス電荷が集まるようになる。

すると、絶縁体を介して配置されている外部電極は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。
この作用により、前記ブレードの先端部分を除いた基部側とその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくして、このブレードの基部側への落雷を抑制し、落雷を前記ブレード先端部の誘導電極へ誘導することができる。

そして、前記落雷の雷撃を、前記誘導電極が電気的に接続されている内部電極を経て地面へ放出されるので、前記ブレードあるいはナセル内の機器の破損や発火を抑制することができる。

前記内部電極として、このブレードを支持するために設けられた、前記ブレード内の強度部材を用いることができる。

前記誘導電極や前記外部電極は、導電性塗料からなる塗膜によって形成することができ、また、金属板や金属メッシュによって形成することができる。

さらに、前記誘導電極や前記外部電極は、カーボンファイバーシートやカーボンファイバーメッシュによって形成することができる。

前記絶縁層として、前記ブレード内に空気層を形成することによって構成する個が可能であり、前記外部電極と前記内部電極および誘導電極との間に電気絶縁材料からなるスペーサーを介装することによって構成することができる。

そして、前記スペーサーを、無機材料の焼成体とすることが可能である。

本発明の風力発電装置用ブレードによれば、前記ブレード内部に設けられ接地された内部電極と、前記ブレードの先端部以外の外面に、前記内部電極と電気的に絶縁された状態で設けられた外部電極とにより、雷雲接近時に、前記外部電極にマイナス電荷を帯びさせ、かつ、前記ブレードの先端部表面に、前記内部電極に電気的に接続された誘導電極を設けてプラス電荷を帯びさせることができる。
これによって、このブレード先端以外の部位において、前述した上向きストリーマの発生を起こりにくくして落雷を抑制し、この落雷を前記ブレードの先端部に導いて、その雷撃を地面に放出することができる。

本発明の第１の実施形態が適用される風力発電装置を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態が適用される風力発電装置を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態を示す拡大側面図である。 本発明の第１の実施形態を示すもので、ブレードの拡大正面図である。 本発明の第１の実施形態を示すもので、ブレードを拡大した縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るブレード表面（外部電極）がマイナス電荷を帯びる原理を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るブレード表面（外部電極）がマイナス電荷を帯びる原理を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るブレード表面（外部電極）がマイナス電荷を帯びる原理を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１において、符号１は、本実施形態が適用される風力発電装置を示し、この風力発電装置１は、地面Ｇに立設された支柱２と、この支柱２の上部に装着されたナセル３と、図３に示すように、このナセル３の内部に配置されたボス４に装着される、３本の本実施形態に係わるブレード５とを備えている。

そして、前記各ブレード５は、前記ボス４を介して、前記ナセル３の内部に装着されている発電機（図示略）に接続されており、前記ブレード５が、風を受けて回転させられることにより、前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。

本実施形態に係わる前記ブレード５の主体は、電気絶縁材料によって形成されているとともに、図５に示すように、その内部に、導電性材料によって形成された内部電極６が挿着されている。

また、前記ブレード５の先端部外周面には、導電性材料によって形成された誘導電極７が一体に設けられている。
この誘導電極７は、その内側において、前記内部電極６と一体化されて、相互に電気的に接続されている。

一方、前記ブレード５の表面で、前記誘導電極７に対し基部側へ所定距離離間した位置から基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された外部電極８が設けられている。

そして、前記ブレード５の主体が電気絶縁材料によって形成されていることにより、このブレード５の主体部分が、前記外部電極８と前記内部電極６および誘導電極７との間に介在させられて絶縁層９となされている。

さらに、前記内部電極６は、風力発電装置１の他の構成部材を通して電気的に接地されている。

また、前記外部電極８は、図５に示すように、前記ブレード５の基部側（前記ナセル３との接合部側）において、他の金属部品との距離が一定距離以上となるように形成されている。

前記内部電極６は、構造部材として、前記ブレード５の全長にわたって挿着されており、前記ブレード５をその内部から支持して、このブレード５の強度を確保するようになっている。

このように構成された本実施形態のブレード５を備えた風力発電装置１は、晴天時にあっては、地面Ｇがマイナス電荷を帯びており、これに伴い、前記内部電極６、および、誘導電極７も、図６に示すように、マイナス電荷を帯びている。

また、前記外部電極８は、前記内部電極６および誘導電極７に対して絶縁されていることから、電荷を帯びていない。

そして、図７に示すように、雲底にマイナス電荷が分布した雷雲Ｃが近づき、この雷雲Ｃと前記地面Ｇとに電界が加わる初期には、前記地面Ｇの表面にプラス電荷が分布し、この地面Ｇと導通状態にある前記内部電極６および誘導電極７もプラス電荷を帯びる。

また、前記外部電極８の内面は、前記内部電極６のプラス電荷により、マイナス電荷を帯び、外面は、図７に示すように、プラスの電荷を帯びる。

そして、前記雷雲Ｃがさらに近づき、前述した電界が変化すると、エアロゾル等により、前記外部電極８表面のプラス電荷が中和され、図８に示すように、前記内部電極のプラス電荷とコンデンサの作用により、前記外部電極８がマイナス電荷を帯びる。

この作用により、前記ブレード５とその周辺における上向きストリーマは、前記ブレード５の先端部に設けられている前記誘導電極７から発生し、落雷を前記誘導電極７へ導き、その雷撃を、前記内部電極６を経て地面Ｇに拡散することができる。

一方、前記誘導電極７への落雷が発生しない状態において、前記ブレード５の基端側は、前記外部電極８によりマイナス電荷を帯びた状態であるから、このブレード５の基端部からの上向きストリーマの発生が抑制されていることにより、この基端部への落雷が抑制されている。

したがって、落雷は、前記誘導電極７へ誘導させられるとともに前記内部電極６を介して地面Ｇへ拡散される。

この結果、前記ブレード５の破壊が防止され、あるいは、ナセル３内の機器の発火が防止される。

本実施形態における前述した作用は、前記ブレード５が回転している状態であっても保持される。
したがって、前記ブレード５が停止している状態であっても回転している状態であっても、落雷を安全な位置に誘導させることができる。

これによって、前記ブレード５の健全性、ひいては、風力発電装置１の健全性を大幅に高めることができる。

なお、導電性材料として、たとえば、アルミやステンレス等の金属板や金属箔若しくはこれらのメッシュを用い、これらを、前記ブレード５の表面に貼着することによって前記誘導電極７や前記外部電極８を形成することもできる。

あるいは、前記金属を蒸着によって前記ブレード５の表面に定着させて、前記誘導電極７や外部電極８を形成することもできる。

また、前記導電性材料に導電性塗料を用い、この導電性塗料を前記ブレード５の表面に塗布することによって導電性の塗膜とし、前記前記誘導電極７や外部電極８を形成することもできる。

さらに、前記誘導電極７と前記外部電極８をカーボンファイバーからなるシートやメッシュによって形成することも可能である。

前述したようにメッシュを用いて前記誘導電極７や前記外部電極８を形成すると、これらの電極の軽量化を図ることができるばかりでなく、前記ブレード５が空気に対して相対移動させられた際に、前記ブレード５表面に、空気の無数の渦を形成することにより、流動抵抗を軽減して前記ブレード５の回転効率を高めることができる。

また、前記メッシュを用いる場合、このメッシュ上に前述した導電性塗料を塗布して２層構造とすることも可能である。

一方、前記ブレード５内に空洞部を形成して、この空洞部内の空気層を利用して前記絶縁層９を形成することも可能である。
これは、前記ブレード５の軽量化に適する。

また、前記絶縁層９を、前記外部電極８と前記内部電極６および誘導電極７との間に電気絶縁材料からなるスペーサーを介装することによって形成することができる。

そして、前記電気絶縁材料として、たとえば、無機材料の焼成体を用いることができる。

１ 風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ボス
５ ブレード
６ 内部電極
７ 誘導電極
８ 外部電極
９ 絶縁層
Ｃ 雷雲
Ｇ 地面

Claims (10)

1. 風力発電装置に用いられるブレードであって、内部に、導電性材料によって形成された内部電極が挿着され、前記ブレードの先端部表面に、導電性材料によって形成され、前記内部電極に電気的に接続された誘導電極が設けられ、前記ブレードの表面で、前記誘導電極から離間した部位から前記ブレードの基部近傍に至る範囲に、導電性材料によって形成された外部電極が設けられ、この外部電極と前記内部電極および前記誘導電極との間に、これらを電気的に絶縁する絶縁層が設けられ、かつ、前記内部電極が接地されていることを特徴とする風力発電装置用ブレード。
2. 前記内部電極が、前記ブレードを支持する強度部材であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用ブレード。
3. 前記誘導電極と前記外部電極の少なくとも一方が導電性塗料からなる塗膜であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用ブレード。
4. 前記誘導電極と前記外部電極の少なくとも一方が金属板であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用ブレード。
5. 前記誘導電極と前記外部電極の少なくとも一方が金属メッシュであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用ブレード。
6. 前記誘導電極と前記外部電極の少なくとも一方がカーボンファイバーシートであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用ブレード。
7. 前記誘導電極と前記外部電極の少なくとも一方がカーボンファイバーメッシュであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用ブレード。
8. 前記絶縁層が、前記ブレード内に形成された空気層であることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れかに記載の風力発電装置用ブレード。
9. 前記絶縁層が、前記外部電極と前記内部電極および誘導電極との間に介装された電気絶縁材料からなるスペーサーであることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れかに記載の風力発電装置用ブレード。
10. 前記スペーサーが無機材料の焼成体であることを特徴とする請求項９に記載の風力発電装置用ブレード。