(57)【要約】【課題】雷電流を伝送する導電線によって、ハブからナセルにわたって配置された軸受、ケーブル、配管又は機器等に対して影響が生じることを抑制する。【解決手段】風車１の雷電流伝送システムは、翼内導電線３０Ａと、中間導電線３０Ｂと、導電部材１６と、を備える。翼内導電線３０Ａは風車翼３の内部を通って翼根部３ｂまで延在する。中間導電線３０Ｂはハブ４の内部空間４ｂを経て外部に引き出されるとともにハブ４の外表面に沿って設けられる。同園部材は、ナセル８側に設けられ、中間導電線３０Ｂと電気的に接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の雷電流伝送システムであって、
前記風車の風車翼の内部を通って前記風車翼の翼根部まで延在する翼内導電線と、
前記風車のハブの内部空間を経て前記ハブの外部に引き出されるとともに前記ハブの外表面に沿って設けられ、前記翼内導電線に電気的に導通する中間導電線と、
前記風車のナセル側に設けられ、前記中間導電線のうち前記翼内導電線とは反対側の端部と電気的に接続された導電部材と、
を備える、風車の雷電流伝送システム。
【請求項２】
前記中間導電線は、前記風車翼側の端部を翼内支持部によって支持され、前記端部より前記ハブ側において前記内部空間に設けられたハブ内支持部によって支持され、
前記中間導電線のうち前記翼内支持部から前記ハブ内支持部までの長さが、前記翼内支持部と前記ハブ内支持部との距離より大きくなるように弛み部を有する、請求項１に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項３】
前記中間導電線は、前記翼内支持部及び前記ハブ内支持部の間に湾曲部を形成するように支持され、
前記湾曲部は、所定値以上の曲率半径を有する、請求項２に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項４】
前記中間導電線は、前記翼内支持部の位置又はより翼側で接続部を有し、前記ハブ内支持部の位置又はよりハブ側で接続部を有し、各接続部間の導電線を交換可能とする、請求項２に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項５】
前記風車翼は、前記風車翼の中心軸に垂直な投影面において、前記ハブに対してフェザー状態を基準とするピッチ可動角度範囲θを有しており、
前記投影面において、前記翼内支持部及び前記ハブ内支持部間の距離が最大となる最大位置における前記翼内支持部の前記フェザー状態側への第１距離Ｌ１、及び、ファイン側の第２距離Ｌ２は、
Ｌ１＝距離Ａ１から位置Ｂまで＋導電材の最小曲げ半径ｒ
Ｌ２＝距離Ａ２から位置Ｂまで＋導電材の最小曲げ半径ｒ
で規定され、
前記弛み部の長さＬは、前記第１距離Ｌ１又は前記第２距離Ｌ２のいずれか大きい方より大きく設定される、請求項３に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項６】
前記風車翼は、風車翼の内壁又はピッチ軸受の内輪から内側に向けて突出するように形成される、風車翼の中心軸に垂直に配置された板状部材である少なくとも１枚の開口部を有する支持プレートを有し、
前記中間導電線は、前記支持プレートの開口部を通り、且つ、該支持プレート上に少なくとも１か所固定され、それ以降弛み部を有する様に配置される前記翼内支持部を有し、
前記ハブ内支持部は、前記弛み部を介した後に、ハブ側に前記中間導電線支持するようになる、請求項２から５のいずれか一項に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項７】
前記第１要素又は前記第２要素の一方は、前記風車翼の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材であり、他方は前記環状部材に摺動可能なブラシである、請求項６に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項８】
前記風車翼はピッチ軸受を介して前記ハブに接続されており、
前記第１要素及び前記第２要素は、前記ピッチ軸受に対して電気的に絶縁されている、請求項６又は７に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項９】
前記中間導電線は、第２電気的接続部を介して前記導電部材に電気的に接続され、
前記第２電気的接続部は、
前記中間導電線に接続され、前記ハブに支持される第３要素と、
前記導電部材に接続され、前記ナセルに支持される第４要素と、
を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項１０】
前記第３要素又は前記第４要素の一方は、前記風車の主軸の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材であり、他方は前記環状部材に摺動可能なブラシである、請求項９に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項１１】
前記第３要素又は前記第４要素の一方は、前記風車の主軸の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材であり、他方は前記環状部材に対してギャップを介して対向する導電部である、請求項９に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項１２】
前記ハブは、主軸軸受を介して前記ナセルに接続されており、
前記第３要素及び前記第４要素は、前記主軸軸受に対して電気的に絶縁されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項１３】
前記主軸軸受は、前記ハブに連結された主軸に接続される内輪、及び、前記ナセルに接続される外輪を備える、請求項１２に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項１４】
前記第２電気的接続部は、前記風車の主軸の周方向に沿った複数位置において前記第３要素及び前記第４要素を電気的に接続する、請求項９から１２のいずれか一項に記載の風車の雷電流伝送システム。
【請求項１５】
前記中間導電線は、前記ハブの前記外表面上において前記風車翼の前記翼根部を部分的に囲むように延在する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の風車の雷電流伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風車の雷電流伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
洋上又は陸上に設置される風力発電装置のような風車には、落雷等によって生じる雷電流を、所定の経路を介して伝送することにより放電を行うための雷電流伝送システムが搭載されるものがある。雷電流伝送システムは、例えば電気伝導性のある導電線を風車に配線することにより、雷電流を伝送する経路を形成する。
【０００３】
この種の雷電流伝送システムの一例として、特許文献１がある。特許文献１では、雷電流を伝送するための導電線が、風車翼の翼先端部から翼根部を介して、風車翼が取り付けられるハブの内部に導かれ、更にハブの内部を介してナセルの内部に至るように配線されることで、風車翼で生じる雷電流をナセル側に伝送することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９７５２５６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、風車翼から延びる導電線がハブ及びナセルの内部を通って配線される。しかしながら、ハブ及びナセルの内部には、風車の運転に関する軸受、ケーブル、配管、又は機器等が設けられる。そのため、雷電流の伝送経路となる導電線をこれらと同じ経路で配置すると、雷電流が導電線に流れた際に電磁的影響を及ぼすおそれがある。また雷電流が発生していない場合においても、雷電流の伝送経路には外部からの電磁的影響によってノイズ等が発生する場合がある。これらは、風車の不具合や誤作動を招く要因となる。又、主軸軸受を介さずに雷電流をナセル側に流すことにより、軸受けの劣化や損傷を回避できる。
【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、雷電流を伝送する導電線によって、ハブからナセルにわたって配置された軸受、ケーブル、配管又は機器等に対して影響が生じることを抑制可能な風車の雷電流伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車の雷電流伝送システムは上記課題を解決するために、
風車の雷電流伝送システムであって、
前記風車の風車翼の内部を通って前記風車翼の翼根部まで延在する翼内導電線と、
前記風車のハブの内部空間を経て前記ハブの外部に引き出されるとともに前記ハブの外表面に沿って設けられ、前記翼内導電線に電気的に導通する中間導電線と、
前記風車のナセル側に設けられ、前記中間導電線のうち前記翼内導電線とは反対側の端部と電気的に接続された導電部材と、
を備える。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、落雷時に生じる雷電流は、風車翼の内部に設けられた翼内導電線によって翼根部に伝送される。翼根部において、翼内導電線は中間導電線に導通しており、雷電流は中間導電線によって、ハブの内部空間を経てハブの外部に導かれ、ハブの外表面に沿って更に伝送される。ハブの外表面において、中間導電線は導電部材に電気的に接続されており、雷電流は導電部材によってナセル側に伝送される。このように雷電流は翼内導電線、中間導電線及び導電部材によって風車翼からナセル側に至るように伝送される。
ここで中間導電線は、ハブの内部空間を経てハブの外部に引き出される。そのため、ハブの内部空間からナセル内にかけて配置される他の軸受、ケーブル、配管又は機器等が存在している場合であっても、雷電流の伝送時に、これらへの影響を効果的に回避できる。
また雷電流が発生していない場合においても、雷電流の伝送経路には外部からの電磁的影響によってノイズ等が発生する場合がある。このような場合であっても、中間導電線をハブの外部に引き出してナセル側の導電部材に接続するように配線することで、ハブやナセル内に配置される他のケーブル、配管又は機器等は、ハブの筐体によってノイズから遮蔽することができる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記中間導電線は、前記風車翼側の端部を翼内支持部によって支持され、前記端部より前記ハブ側において前記内部空間に設けられたハブ内支持部によって支持され、
前記中間導電線のうち前記翼内支持部から前記ハブ内支持部までの長さが、前記翼内支持部と前記ハブ内支持部との距離より大きくなるように弛み部を有する。
【００１０】
上記（２）の構成によれば、翼内支持部からハブ内支持部までの伝送路の長さは、翼内支持部とハブ内支持部との距離より大きく設定されることで、伝送路に弛み部（余裕）が設けられる。そのため、ハブに対して風車翼がピッチ駆動されることで翼内支持部とハブ内支持部との距離が変化した場合であっても、弛み部によって当該変化を吸収し、伝送路（翼内導電線及び中間導電線）が破断することを回避できる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、
前記中間導電線は、前記翼内支持部及び前記ハブ内支持部の間に湾曲部を形成するように支持され、
前記湾曲部は、所定値以上の曲率半径を有する。
【００１２】
上記（３）の構成によれば、中間導電線は翼内支持部とハブ内支持部との間に湾曲部を有することで、ピッチ駆動時に翼内支持部とハブ内支持部と間隔が変化することに伴って中間導電線に負荷が印加された場合であっても、当該負荷を抑え、中間導電線が疲労破断することを効果的に防止できる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記中間導電線は、前記翼内支持部の位置又はより翼側で接続部を有し、前記ハブ内支持部の位置又はよりハブ側で接続部を有し、各接続部間の導電線を交換可能とする。
【００１４】
上記（４）の構成によれば、弛み部に相当する中間導電線は、疲労破断のリスクがあるため、この部分を交換可能とすることができる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では上記（３）の構成において、
前記風車翼は、前記風車翼の中心軸に垂直な投影面において、前記ハブに対してフェザー状態を基準とするピッチ可動角度範囲θを有しており、
前記投影面において、前記翼内支持部及び前記ハブ内支持部間の距離が最小値となる最短位置における前記翼内支持部の前記フェザー状態側への第１可動距離Ｌ１、及び、ファイン側への第２可動距離Ｌ２は、
Ｌ１＝距離Ａ１から位置Ｂまで＋導電材の最小曲げ半径ｒ
Ｌ２＝距離Ａ２から位置Ｂまで＋導電材の最小曲げ半径ｒ
で規定され、
前記弛み部の長さＬは、前記距離の最小値と前記第１可動距離Ｌ１又は前記第２可動距離Ｌ２のいずれか大きい方との和より大きく設定される。
【００１６】
上記（５）の構成によれば、弛み部の長さＬは、翼内支持部及び前記ハブ内支持部間の距離の最小値に比べて、第１可動距離Ｌ１又は第２可動距離Ｌ２のいずれか大きい方より大きく設定される。これにより、ハブに対して風車翼がピッチ駆動された際に、弛み部の余裕が最小となった際においても弛み部が伸びきることがないため、中間導電線が破断することを的確に回避できる。
【００１７】
（６）幾つかの実施形態では上記（２）〜（５）の構成において、
前記風車翼は、風車翼の内壁又はピッチ軸受の内輪から内側に向けて突出するように形成される、風車翼の中心軸に垂直に配置された板状部材である少なくとも１枚の開口部を有する支持プレートを有し、
前記中間導電線は、前記支持プレートの開口部を通り、且つ、当該支持プレート上に少なくとも１か所固定され、それ以降弛み部を有する様に配置される前記翼内支持部を有し、
前記ハブ内支持部は、前記弛み部を介した後に、ハブ側に前記中間導電線支持するようになる。
【００１８】
上記（６）の構成によれば、中間導電線を支持プレートを活用して、ハブ側へ弛み部を確保しながら、効率的に配置することができる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では上記（６）の構成において、
前記第１要素又は前記第２要素の一方は、前記風車翼の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材であり、他方は前記環状部材に摺動可能なブラシである。
【００２０】
上記（７）の構成によれば、第１電気的接続部を環状部材とブラシによって構成することで、ハブに対して風車翼がピッチ駆動した際においても、両者の電気的接続を好適に保持できる。
【００２１】
（８）幾つかの実施形態では上記（６）又は（７）の構成において、
前記風車翼はピッチ軸受を介して前記ハブに接続されており、
前記第１要素及び前記第２要素は、前記ピッチ軸受に対して電気的に絶縁されている。
【００２２】
上記（８）の構成によれば、第１電気的接続部を構成する第１要素及び第２要素が、ピッチ軸受に対して絶縁されているため、雷電流からピッチ軸受を好適に保護できる。
【００２３】
（９）幾つかの実施形態では上記（１）から（８）のいずれか一構成において、
前記中間導電線は、第２電気的接続部を介して前記導電部材に電気的に接続され、
前記第２電気的接続部は、
前記中間導電線に接続され、前記ハブに支持される第３要素と、
前記導電部材に接続され、前記ナセルに支持される第４要素と、
を含む。
【００２４】
上記（９）の構成によれば、第３要素及び第４要素を備える第２電気的接続部を設けることで、風車の運転時にハブ及びナセルが互いに相対的に回転した際に、電気的接続状態が的確に確保できる。
【００２５】
（１０）幾つかの実施形態では上記（９）の構成において、
前記第３要素又は前記第４要素の一方は、前記風車の主軸の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材であり、他方は前記環状部材に摺動可能なブラシである。
【００２６】
上記（１０）の構成によれば、第２電気的接続部を環状部材とブラシによって構成することで、ナセルに対してハブが回転した際においても、両者の電気的接続を好適に保持できる。
【００２７】
（１１）幾つかの実施形態では上記（９）の構成において、
前記第３要素又は前記第４要素の一方は、前記風車の主軸の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材であり、他方は前記環状部材に対してギャップを介して対向する導電部である。
【００２８】
上記（１１）の構成によれば、第２電気的接続部を環状部材とギャップを介して対向する導電部によって構成することで、ナセルに対してハブが回転した際においても、両者の電気的接続を好適に保持できる。
【００２９】
（１２）幾つかの実施形態では上記（９）から（１１）のいずれか一構成において、
前記ハブは、主軸軸受を介して前記ナセルに接続されており、
前記第３要素及び前記第４要素は、前記主軸軸受に対して電気的に絶縁されている。
【００３０】
上記（１２）の構成によれば、第２電気的接続部を構成する第３要素及び第４要素が、主軸軸受に対して絶縁されているため、雷電流から主軸軸受を好適に保護できる。
【００３１】
（１３）幾つかの実施形態では上記（１２）の構成において、
前記主軸軸受は、前記ハブに連結された主軸に接続される内輪、及び、前記ナセルに接続される外輪を備える。
【００３２】
上記（１３）の構成によれば、主軸軸受の外輪側を静止側とすることで、第２電気的接続部のナセル側要素を容易に取り付けることができる。また、内輪側は回転するハブに結合され、ハブには風車翼やピッチ軸受などがつき出した構造が多く存在し、第２電気的接続部をこうした突き出し構造を利用して容易に取り付けることができる。
尚、主軸軸受は、ハブに連結された主軸に接続される外輪、及び、ナセルに接続される内輪を備えるように構成することも可能である。
【００３３】
（１４）幾つかの実施形態では上記（９）から（１２）のいずれか一構成において、
前記第２電気的接続部は、前記風車の主軸の周方向に沿った複数位置において前記第３要素及び前記第４要素を電気的に接続する。
【００３４】
上記（１４）の構成によれば、第２電気的接続部による電気的接続を複数箇所で行うことで、ナセルに対してハブが回転した際においても、両者の電気的接続を好適に保持できる。
【００３５】
（１５）幾つかの実施形態では上記（１）から（１４）のいずれか一構成において、
前記中間導電線は、前記ハブの前記外表面上において前記風車翼の前記翼根部を部分的に囲むように延在する。
【００３６】
上記（１５）の構成によれば、ハブの外表面に沿って延びる中間導電線を効率的なレイアウトで配置できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、雷電流を伝送する導電線によって、ハブからナセルにわたって配置された軸受、ケーブル、配管又は機器等に対して影響が生じることを抑制可能な風車の雷電流伝送システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係る風車の全体構成図である。
【図２】図１の風車ロータの斜視図である。
【図３】図２の導電線のうち風車翼の翼内空間からハブの内部空間に至る部分を風車ロータの正面側から透過的に示す模式図である。
【図４】図２のＭ断面図である。
【図５】図３及び図４のＮ部の拡大図である。
【図６Ａ】ピッチ駆動時の翼内支持部、ハブ内支持部、弛み部の位置関係を、翼長方向の垂直面に投影して示す説明図である（ケース１）。
【図６Ｂ】ピッチ駆動時の翼内支持部、ハブ内支持部、弛み部の位置関係を、翼長方向の垂直面に投影して示す説明図である（ケース２）。
【図６Ｃ】ピッチ駆動時の翼内支持部、ハブ内支持部、弛み部の位置関係を、翼長方向の垂直面に投影して示す説明図である（ケース３）。
【図７】図５の変形例である。
【図８】ハブとナセル間の導電線の電気的接続図の一例である。
【図９】図８の第４要素を回転軸の軸方向から示す平面図である。
【図１０】ハブとナセル間の導電線の電気的接続図の他の例である。
【図１１】図１０のＳ方向視の模式図である。
【図１２】図１０の第３要素及び第４要素を抽出して風車ロータの軸方向に沿って示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００４０】
図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る風車１の全体構成図であり、図２は図１の風車ロータ２の斜視図である。尚、以下の実施形態では風車１の一例として、発電機を有する風力発電装置について述べるが、本発明の実施形態に係る風車は、風力エネルギを原動力に変換可能な構成を有していれば何れの装置にも適用可能である。
【００４１】
風車１は、風を受けて回転する風車ロータ２と、ハブ４に連結されるメインシャフト６と、メインシャフト６の回転エネルギを用いて電力を生成する発電機７とを含む。メインシャフト６の回転軸Ｏは、水平方向に対して僅かに上方側に傾斜している。
【００４２】
尚、風車１は、メインシャフト６の回転エネルギを発電機７に伝達するためのドライブトレイン（増速機）を含んでいてもよい。また、メインシャフト６を含む種々の機器はナセル８に収納されている。ナセル８は、風車ロータ２を回転可能に支持し、タワー９上に旋回可能に設置されている。
【００４３】
風車ロータ２は、少なくとも１本の風車翼３と、これらの風車翼３が取り付けられるハブ４と、ハブ４を覆うスピナー５とを含む。尚、本実施形態では、図２に示すように、３枚の風車翼３がハブ４に取り付けられた構成を例示するが、風車翼３の枚数は任意でよい。スピナー５も任意の設置でよい。
【００４４】
風車翼３は、翼長方向に沿って延び、翼先端部３ａ及び翼根部３ｂを有する。この風車翼３は外皮が張り合わせて内部に翼内空間３ｃ（図３を参照）が形成された中空構造を有する。尚、風車翼３の少なくとも一部は、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）等の繊維強化プラスチックで形成されていてもよい。
【００４５】
風車翼３はピッチ軸受１０を介してハブ４に取り付けられることにより、ハブ４に対してピッチ駆動可能に構成される。ハブ４は導電性材料で構成されており、例えば鋳鉄で構成される。ハブ４は内部空間４ｂを含む中空構造を有しており、前方側に内部空間４ｂを外部と連通するように開口する開口部４ｃを有する。ハブ４の内部空間４ｂには、図２では図示を省略しているが、風車１の運転に関するケーブル、配管、作業用足場、その他の機器類が配置される。このようなハブ４の内部空間４ｂは、ピッチ軸受１０を介して、風車翼３の翼内空間３ｃと連通するように構成されている。
【００４６】
スピナー５は、ハブ４を覆うように設けられ、風車翼３及びハブ４と共に回転するようになっている。このスピナー５は絶縁材により構成される。具体的には、スピナー５は、非導電性の繊維強化プラスチックで形成されてもよく、例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）で形成される。ハブ４とスピナー５との間には、図２では図示を省略しているが、例えばハブ４に対してスピナー５を支持するための支持構造体や作業用足場等が設けられる。
【００４７】
また風車ロータ２を構成するハブ４は、タワー９上に旋回可能に設置されたナセル８に対して主軸軸受２０を介して回転可能に支持される。ナセル８もまた内部に風車１の運転に関するケーブル、配管、作業用足場、その他の機器類が配置されている。
【００４８】
上記構成を有する風車１は、風車翼３に落雷が発生した際に生じる雷電流を伝送するための雷電流伝送システムを備える。雷電流伝送システムは、導電性材料からなる所定の断面積を有するケーブル状の導電体から構成された導電線３０を備え、雷電流を所定の経路で伝送可能に構成される。
【００４９】
風車翼３の外表面のうち翼先端部３ａ側には、落雷を受けるためのレセプタ１４（図１を参照）が設けられる。レセプタ１４は、風車翼３の翼内空間３ｃに配置された導電線３０の端部に接続されており、レセプタ１４から入力された雷電流は、導電線３０によって伝送される。導電線３０は、風車翼３、ハブ４にわたって配線されており、ナセル８に設けられた導電部材１６に電気的に接続される。導電部材１６は地中又は水中へアースされているため、レセプタ１４から入力された雷電流は、導電線３０から導電部材１６を介して最終的に地中又は水中へアースに逃げるように伝送される。
【００５０】
導電線３０は、図２に示すように、風車翼３の翼内空間３ｃ、ハブ４の内部空間４ｂ、ハブ４の外部をそれぞれ通過してナセル８の導電部材１６に至るように配線される。ここで図３を参照して、導電線３０の配線経路について詳しく説明する。図３は図２の導電線３０のうち風車翼３の翼内空間３ｃからハブ４の内部空間４ｂに至る部分を風車ロータ２の正面側から見た断面の模式図である。
【００５１】
風車翼３の翼先端部３ａに設けられたレセプタ１４に接続された導電線３０は、風車翼３の翼内空間３ｃを翼長方向に沿って翼根部３ｂに向けて延びる（図１を参照）。翼根部３ｂでは、導電線３０はピッチ軸受１０の内側を通過し、ハブ４の内部空間４ｂに至る。そして導電線３０はハブ４の所定の位置のハブ４の壁を介して、ハブ４の内部空間４ｂから外部に導かれる。ハブ４の外部に導かれた導電線３０は、ハブ４の外表面に支持されてナセル８に向かって延び、ナセル８側に設けられた導電部材１６に電気的に接続される。
【００５２】
このような導電線３０の配線は、ハブ４の内部空間４ｂからナセル８の内部空間にかけてメインシャフト６の内側を通ることがない。そのため、風車１の運転に関するケーブル、配管、作業用足場、その他の機器類が、ハブ４の内部空間４ｂからナセル８の内部空間にかけてメインシャフト６の内側を通るように配置されている場合であっても、導電線３０を雷電流が流れた際に、これらの構成に対する影響を回避することができる。
【００５３】
また一般的に、雷電流が発生していない場合においても、雷電流の伝送経路には外乱的な電磁的影響によってノイズ等が発生し、ハブ４やナセル８の内部に存在するケーブル、配管又は機器等に影響を与えるおそれがある。その点、本実施形態の導電線３０は、ハブ４の所定の位置のハブ４の壁から外部に引き出してハブ４の外表面に支持されて配線されているため、導電線３０に生じるノイズ等が所定の距離を取ることで、ハブ４やナセル８の内部に存在するケーブル、配管又は機器等に影響を効果的に抑制できる。
【００５４】
導電線３０は、複数の導電線の機能から構成される。具体的には、導電線３０は、風車翼３の翼内空間３ｃを延在する翼内導電線３０Ａと、翼内導電線３０Ａとナセル８側の導電部材１６との間を連結する中間導電線３０Ｂとを機能的に含む。
【００５５】
翼内導電線３０Ａは、風車翼３の翼先端部３ａ側においてレセプタ１４に電気的に接続され、風車翼３の翼内空間３ｃを翼根部３ｂまで延びている。翼内導電線３０の翼根部３ｂ側の端部は、風車翼３の翼内空間３ｃ内において、中間導電線３０Ｂと電気的に接続されている。図３に示すように、翼内導電線３０Ａと中間導電線３０Ｂとはピッチ軸受１０より風車翼３側に設けられている接続部１３で結合させて組立易くしてもよい。中間導電線３０Ｂは、前述したようにピッチ軸受１０を介してハブ４の内部空間４ｂに導かれ、更に所定の位置のハブ４の壁から外部に導かれ、ハブ４の外表面に沿ってナセル８側の導電部材１６に向けて延びる。このように導電線３０を複数の導電線から構成することで、一部の導電線に損傷や破断が生じた場合には、当該導電線のみを交換することで復旧が可能である。そのため、導電線３０の全体を交換する場合に比べて作業負担やコストを効果的に抑制できる。
尚、以下の説明では、翼内導電線３０Ａと中間導電線３０Ｂとを区別しない場合には、単に「導電線３０」と称することとする。
【００５６】
続いてピッチ軸受１０の近傍における導電線３０の配線構造について詳しく説明する。図４は図２のＭ断面図の厚み方向近傍での導電線３０（中間導電線３０Ｂ）の配置を示す図であり、図５は図３及び図４のＮ領域の拡大図である。尚、Ｍ断面は、図２に示すように、風車翼３の中心軸Ｃと、風車ロータ２の回転軸Ｏとを通る平面として規定される。
【００５７】
風車翼３とハブ４との間には、ハブ４に対して風車翼３をピッチ回転可能に支持するピッチ軸受１０が設けられる。ピッチ軸受１０は、風車翼３が固定される内輪１０ａと、ハブ４が固定される外輪１０ｂと、内輪１０ａ及び外輪１０ｂの間に設けられた転動体１０ｃと、を備える。内輪１０ａは、風車翼３の翼根部３ｂに対応するリング形状を有しており、その内側において風車翼３の翼内空間３ｃとハブ４の内部空間４ｂとが連通している。導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、このように内輪１０ａの内側に設けられた連通空間を介して、外部に露出することなく、風車翼３側からハブ４側に導かれる。
尚、図４とは異なるが、風車翼３が外輪１０ｂに、ハブ４が内輪１０ａに固定される場合でも、上記と同じ効果を得ることができる。
【００５８】
このようなピッチ軸受１０の近傍において、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、風車翼３側の翼内支持部３２と、ハブ４側のハブ内支持部３４によってそれぞれ支持される。図４では、風車翼３の内壁又は風車翼３が固定されるピッチ軸受１０の内輪１０ａから内側に向けて突出するように形成され、本実施形態では、風車翼３の中心軸に垂直であり、互いに平行に配置された板状部材である第１支持プレート３６、第２支持プレート３８を示している。第１支持プレート３６は第２支持プレート３８に比べて、翼先端部３ａ側に設けられている。
尚、図４とは異なるが、風車翼３が外輪１０ｂに、ハブ４が内輪１０ａに固定される場合では、風車翼３のピッチ軸受１０の外輪１０ｂから内側に向けて突出するように形成された風車翼３の中心軸Ｃに垂直である板状部材である第１支持プレート３６のみでもよい。
【００５９】
導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、風車翼３側において、このような第１支持プレート３６、第２支持プレート３８によって支持される。図４とは異なるが、風車翼３が外輪１０ｂに、ハブ４が内輪１０ａに固定される場合では、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、第１支持プレート３６によって支持される。図４及び図５に示すように、中間導電線３０Ｂは、風車翼３の内壁に沿って第１支持プレート３６に到達すると、第１支持プレート３６の面方向に沿うように偏向される。そして中間導電線３０Ｂは、第１支持プレートの表面に沿って延びるとともに、第１支持プレート３６の表面に設けられた固定部３６ａ、３６ｂで固定される。中間導電線３０Ｂは、第１支持プレート３６の開口部３９を通って第２支持プレート３８に向けて更に偏向され、第２支持プレート３８の開口部４０を通って、第２支持プレート３８の下側に湾曲部４１を形成した後、第２支持プレート３８の表面に沿うように、第２支持プレート３８の固定部３８ａで固定されるように配線される。導電線３０（中間導電線３０Ｂ）に上述のような湾曲部４１を形成することで、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）を偏向して上記配線パターンを形成する際に導電線３０（中間導電線３０Ｂ）が受ける負荷を軽減し、破断又は損傷のリスクを軽減している。翼内導電線３０Ａは、中間導電線３０Ｂの上記機能により適切な方向に配線を伸ばし、中間導電線３０Ｂは更に、翼内支持部３２で固定された後、弛み部４２へと伸びる。
【００６０】
中間導電線３０Ｂのハブ内支持部３４は、図４に示すように、ハブ４の内部空間４ｂを規定する内壁からの支持部によって支持するように形成される。
【００６１】
このように導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、ピッチ軸受１０の近傍において、翼内支持部３２によって風車翼３側に支持されるとともに、ハブ内支持部３４によってハブ４側に支持される。そのため、ハブ４に対して風車翼３がピッチ駆動すると、翼内支持部３２とハブ内支持部３４との距離が変化するが、このような距離の変化は、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）に設けられた弛み部４２によって好適に吸収される。
【００６２】
弛み部４２における導電線３０（中間導電線３０Ｂ）の長さは、翼内支持部３２とハブ内支持部３４との間の距離より充分大きくなるように設計される。これによりハブ４に対して風車翼３がピッチ駆動された場合においても、弛み部４２が伸びきることがなく、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）の破断又は損傷を防止できる。
【００６３】
図６Ａ〜図６Ｃはピッチ駆動時の翼内支持部３２、ハブ内支持部３４、弛み部４２の位置関係を、翼長方向の垂直面に投影して示す説明図である。図６Ａ〜図６Ｃでは、位置Ａ１及びＡ２は、風車翼３がそれぞれフェザー状態とファイン状態にある場合における翼内支持部３２の位置に対応している。すなわち、風車翼３の中心軸Ｏに対するピッチ可動角度範囲を角度θとすると、位置Ａ１と位置Ｏとを結ぶ直線Ａ１−Ｏと、位置Ａ２と位置Ｏとを結ぶ直線Ａ２−Ｏとがなす角度範囲として規定される。ハブ内支持部Ｂと中心軸Ｏを、翼長方向の垂直面に投影した直線で結び、上記Ａ１とＡ２間のピッチ可動の円弧との交点をＡ３とし、Ａ１の角度をゼロ、Ａ２の角度をθと定義した場合に、Ａ３は角度αとする。図６Ａのケース１は、Ｂ−Ｏの直線がＡ１とＡ２の円弧内にあるケースで、図６Ｂのケース２は円弧のフェザー側にＡ３がはみ出しαはマイナスとなり、図６Ｃのケース３は円弧のファイン側にＡ３がはみ出しαはθ以上となる。図６Ａでは、翼内支持部３２は定義に従いＡ１とＡ２の間でしか可動しないので、αはゼロからθの間となる。この範囲でのＡ３が翼内支持部３２及びハブ内支持部３４間の距離が最小となる。但し、ハブ内支持部３４は、翼内支持部３２とは、風車翼３の中心軸に垂直な平面において同じ平面ではないので、Ｂ−Ａ３間の距離だけでなく、その平面間の距離も加味する必要がある。
【００６４】
以上の定義から翼内支持部３２及びハブ内支持部３４間の距離が最小となる翼内支持部３２の位置はＡ３となる。Ａ３がピッチ可動範囲θ内にある場合に、Ａ１からＢまでの距離をＬ１、Ａ２からＢまでの距離をＬ２とする。
【００６５】
前述の弛み部４２の長さＬは、位置Ａ１及び位置Ｂ間の距離Ｌ１、及び、位置Ａ２及び位置Ｂ館の距離Ｌ２のいずれか大きい方Ｌ２を用いて次式
Ｌ＞Ｍａｘ（Ｌ１、Ｌ２）
を満たすように設計されるとよい。これにより、ハブ４に対して風車翼３がピッチ駆動された際に、弛み部４２の余裕が最小となった際においても弛み部４２が伸びきることがないため（少なからず余裕が残るため）、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）が破断することを的確に回避できる。
【００６６】
また弛み部４２は、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、ハブ４に対して風車翼３がピッチ駆動された際に少なくとも一つの湾曲部４４が形成されるように構成される。この湾曲部４４は、ピッチ駆動時に導電線３０（中間導電線３０Ｂ）に対して印加される負荷に応じて形成されるが、湾曲部４４の曲率半径ｒが所定値以上になるように設計されるとよい。このように設計することで、ピッチ駆動時に翼内支持部３２とハブ内支持部３４との間隔が変化することに伴って導電線３０（中間導電線３０Ｂ）に負荷が印加された場合であっても、当該負荷を抑え、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）が疲労破断することを効果的に防止できる。
【００６７】
図４に示すように、風車翼３は、風車翼３の内壁又はピッチ軸受１０から内側に向けて突出するように形成される、風車翼３の中心軸Ｃに垂直に配置された板状部材である少なくとも１つの開口部３９，４０をそれぞれ有する第１支持プレート３６，第２支持プレート３８を有し、中間導電線３０Ｂは、第１支持プレート３６の開口部３９、及び、第２支持プレート３８の開口部４０を通り、且つ、これらの支持プレート上に少なくとも１か所固定され、それ以降に弛み部４２を有する様に配置される翼内支持部３２を有し、ハブ内支持部３４は、弛み部４２を介した後に、ハブ４側に中間導電線３０Ｂを支持する。
【００６８】
本実施形態では上述したように弛み部４２を有することで、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）の破断や損傷が防止されているが、仮に破断や損傷が生じた場合においても、中間導電線３０Ｂのうち翼内支持部３２の位置又はより翼側で接続部を有し、ハブ内支持部３４の位置又はよりハブ４側で接続部を有し、各接続部間の弛み部４２を含む中間導電線３０のみを交換することで容易に復旧が可能である。
【００６９】
上述の実施形態では、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）が十分な長さを有する弛み部４２を含むことによって、ピッチ駆動時における破断又は損傷を回避しているが、これは弛み部４２に代えて、図７に示すブラシやギャップでの電気的な接続でも実現することができる。
【００７０】
図７の変形例では、弛み部４２に代えて、第１電気的接続部５０を備えることで、ピッチ駆動時における導電線３０の破断又は損傷を回避することができる。第１電気的接続部５０は、風車翼３の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材と、当該環状部材に摺動可能なブラシとを含んでなる。このような態様においても、導電線３０の破断又は損傷を好適に防止できる。
【００７１】
また第１電気的接続部５０を構成する各要素は、ピッチ軸受１０に対して電気的に絶縁される。これにより、雷電流が発生した際に、導電線３０からピッチ軸受１０に対して雷電流が流れることを防止できるため、ピッチ軸受１０を好適に保護できる。
【００７２】
尚、図７の例では、第１電気的接続部５０はブラシとして構成されている場合を例示しているが、ギャップとして構成されてもよい。
【００７３】
続いて導電線３０（中間導電線３０Ｂ）と、ナセル８側の導電部材１６との電気的接続構成について図８〜図９で詳しく説明する。図８はハブとナセル間の導電線の電気的接続図の一例であり、図９は図８の第４要素６０Ｂをメインシャフト６の軸方向Ｏから示す平面図である。
【００７４】
ハブ４を含む風車ロータ２は、主軸軸受２０を介してナセル８に対して回転可能に支持される。主軸軸受２０は、ハブ４に対して固定された内輪２０ａと、ナセル８に対して固定された外輪２０ｂと、内輪２０ａ及び外輪２０ｂの間に介在する転動体２０ｃと、を備える。このように主軸軸受２０の外輪２０ｂ側を静止側とすることで、第２電気的接続部６０のナセル８側要素を容易に取り付けることができる。また、内輪６０Ａ側は回転するハブ４に結合され、ハブ４には風車翼３やピッチ軸受１０などがつき出した構造が多く存在し、第２電気的接続部６０をこうした突き出し構造を利用して容易に取り付けることができる。
【００７５】
ハブ４側の導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、ナセル８側の導電部材１６に対して第２電気的接続部６０を介して接続されることで、風車１の運転時にハブ４及びナセル８が互いに相対的に回転した際に電気的接続状態が確保されるように構成される。第２電気的接続部６０は、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）に接続され、ハブ４に支持される第３要素６０Ａと、導電部材１６に接続され、ナセル８に支持される第４要素６０Ｂとを含む。本実施形態では、第３要素６０Ａは導電線３０（中間導電線３０Ｂ）のハブ４側の端部に設けられたブラシとして構成される。第３要素６０Ａは、図８に示すように、ハブ４に対して第１支持部材６２及び第２支持部材６４を介して支持される。第１支持部材６２はピッチ軸受１０の外輪に対してハブを連結するためのボルト６５によって共締めされたブラケット部材である。第２支持部材６４は、第１支持部材６２の端部に更に連結されたブラケット部材である。第１支持部材６２及び第２支持部材は、その先端に設けられた第３要素６０Ａが、ナセル８側に設けられた第４要素６０Ｂに接触可能な位置になるように構成されている。
【００７６】
尚、第１支持部材６２及び／又は第２支持部材６４は例えばＦＲＰのような絶縁性材料から構成されており、導電線３０（中間導電線３０Ｂ）及び第３要素６０Ａからピッチ軸受１０に対して雷電流が流れることを防止し、ピッチ軸受１０の保護を図っている。
【００７７】
第４要素６０Ｂは、図９に示すように、風車１の風車ロータ２の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材である。第４要素６０Ｂは、ナセル８のうち第３要素６０Ａに接触可能な位置に配置される。本実施形態では第４要素６０は周方向全体に沿って延在するリング形状を有しており、互いに１８０度異なる位置において、導電部材１６がそれぞれ電気的に接続されている。第３要素６０Ａ及び第４要素６０Ｂは、互いに接触することにより電気的に接続されており、風車１の運転時にナセル８に対してハブ４が回転駆動した際においても、ナセル８側に静的に支持される第４要素６０Ｂに対して、ハブ４側に支持される第３要素６０Ａが摺動しながら接触することで、電気的な接続状態が維持される。
【００７８】
尚、第４要素６０Ｂはナセル８の本体に対して例えばプラスチックからなる絶縁材料６３を介して取り付けられることで、雷電流が第４要素６０Ｂに対して流れた際に、ナセル８本体に雷電流が流れないように絶縁されている。
【００７９】
尚、本実施形態では、第３要素６０Ａがブラシとして構成されるとともに、第４要素６０Ｂが環状部材として構成されている場合を例示しているが、第３要素６０Ａが環状部材として構成されるとともに、第４要素６０Ｂがブラシとして構成されてもよい。
【００８０】
上述の実施形態では、第２電気的接続部６０を互いに摺動する第３要素６０Ａ及び第４要素６０Ｂによって構成しているが、これは以下の構成で代用、または併用してもよい。図１０はハブ４とナセル８間の導電線３０の電気的接続図の他の例であり、図１１は図１０のＳ方向視の模式図であり、図１２は図１０の第３要素６０Ａ及び第４要素６０Ｂを抽出して風車ロータ３の軸方向に沿って示す模式図である。図１０〜図１２では、上記説明に対応する箇所には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。
【００８１】
図１０に示すように、本変形例においても、ハブ４側の導電線３０（中間導電線３０Ｂ）は、第２電気的接続部６０を介して、ナセル８側の導電部材１６に電気的に接続される。第２電気的接続部６０はスパークギャップ構造を形成する第３要素６０Ａ及び第４要素６０Ｂから構成される。
【００８２】
第３要素６０Ａは、ハブ４側に支持されており、風車１の主軸の周方向に沿って少なくとも部分的に延在する環状部材として構成される。本実施形態では、図１２に示すように、第３要素６０Ａは、全周にわたって延在するリング形状を有するプレートとして構成される。第３要素６０Ａには、ハブ４側から延在する導電線３０（中間導電線３０Ｂ）が接続されている。
【００８３】
尚、図１２では簡略的に構成を示すために、全周にわたって延在するリング形状を有する第３要素６０Ａが一つの部材から構成される場合を示しているが、第３要素６０Ａは複数の部分的な環状部材を互いに組み付けることで完成されてもよい（すなわち、第３要素６０Ａは複数の円弧状部材に分割されていてもよい）。
【００８４】
一方の第４要素６０Ｂは、ナセル８側に支持されており、第３要素６０Ａに対してギャップを介して対向する導電部として構成される。第４要素６０Ｂは、第３要素６０Ａに対してハブ４側から対向するように配置されており、ナセル８の導電部材１６が接続されている。本実施形態では、図１０に示すように、ハブ４に設けられた第３要素６０Ａは、ナセル８とは反対側にスペースを有しており、当該スペースを利用して第４要素６０Ｂがハブ４側から第３要素６０Ａに対して対向するように配置されている。
【００８５】
また第４要素６０Ｂは、図１０及び図１１に示すように、第３要素６０Ａに対して垂直に延在するブラケットプレート形状を有しており、その先端に凹凸形状６６が形成されている。このように第４要素６０Ｂの先端に凹凸形状６６を設けることで、ギャップ間での放電性を向上させている。
【００８６】
第３要素６０Ａ及び第４要素６０Ｂは互いに所定の隙間（ギャップ）約０〜５ｍｍ程度を介して対向するように配置される。
【００８７】
上記構成を有する第４要素６０Ｂは、図１２に示すように、全周にわたってリング形状を有する第３要素６０Ａに対して、周方向の異なる３位置に設けられる。これらの第３要素６０Ａには、３枚の風車翼３に対応する各導電線３０（中間導電線３０Ｂ）が接続されており、いずれの風車翼３に落雷があった場合であっても、的確に雷電流がナセル８側の導電部材１６に放電されるようになっている。
【００８８】
以上説明したように上記実施形態によれば、雷電流を伝送する導電線によって、ハブ４からナセル８にわたって配置されたケーブル、配管又は機器等に対して影響が生じることを抑制可能な風車１の雷電流伝送システムを提供できる。尚、本構成ではハブ４がナセル８側から、電気的に絶縁されることになるので、等電位ボンディングの必要性がある。このため、ハブ４と第４要素６０Ｂとが電気的に接続される。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の少なくとも一実施形態は、風車の雷電流伝送システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１  風車
２  風車ロータ
３  風車翼
３ａ  翼先端部
３ｂ  翼根部
３ｃ  翼内空間
４  ハブ
４ｂ  内部空間
５  スピナー
６  メインシャフト
７  発電機
８  ナセル
９  タワー
１０  ピッチ軸受
１４  レセプタ
１６  導電部材
２０  主軸軸受
３０  導電線
３０Ａ  翼内導電線
３０Ｂ  中間導電線
３２  翼内支持部
３４  ハブ内支持部
３６  第１支持プレート
３８  第２支持プレート
３９  開口部
４０  開口部
４１  湾曲部
４２  弛み部
４４  湾曲部
５０  第１電気的接続部
６０  第２電気的接続部
６０Ａ  第３要素
６０Ｂ  第４要素
６２  第１支持部材
６４  第２支持部材
６６  凹凸形状
【図１】
2020118108.tif 000003
【図２】
2020118108.tif 000004
【図３】
2020118108.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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