(57)【要約】【課題】落雷した際の雷撃電流がブレードを破壊せず、かつナセルを含む支柱側に侵入せずに地面に流すことができる、比較的簡便な避雷システムを備えた風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、大地に固定して設けられる支柱３と、少なくとも発電機の回転子を内蔵して前記支柱の頂部に載置されるナセル４と、ナセル４内に設けられた回転子を風力により回転させるためのブレード２ａ，２ｂ，２ｃと、ブレード２ａ，２ｂ，２ｃ及び回転子の回転軸を接続するハブ５と、を有する。また、ブレード２ａ，２ｂ，２ｃの表面に、金属材料層６と非線形抵抗材料層７とを交互に一部を接触させつつ形成し、かつブレード２ａ，２ｂ，２ｃの先端部分に金属材料層６を配置する一方、ハブ５に隣接する部分に非線形抵抗材料層７を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大地に固定して設けられる支柱と、少なくとも発電機の回転子を内蔵して前記支柱の頂部に載置されるナセルと、当該ナセル内に設けられた前記回転子を風力により回転させるためのブレードと、当該ブレード及び前記回転子の回転軸を接続するハブと、を有する風力発電装置において、
前記ブレードの表面に、金属材料層と非線形抵抗材料層とを交互に一部を接触させつつ形成し、かつ前記ブレードの先端部分に前記金属材料層を配置する一方、前記ブレードの前記ハブに隣接する部分に非線形抵抗材料層を配置したことを特徴とする避雷システムを備えた風力発電装置。
【請求項２】
前記非線形抵抗材料層の厚さを１ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項１記載の避雷システムを備えた風力発電装置。
【請求項３】
前記非線形抵抗材料層の幅を１０ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項１又は２記載の避雷システムを備えた風力発電装置。
【請求項４】
前記金属材料層の幅を１０ｍｍ〜１０００ｍｍとしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の避雷システムを備えた風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、落雷の影響を低減するための避雷システムを備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置にはさまざまな形の風車が使われているが、大容量かつ発電効率の良い風車として、ブレード型風車が知られている。
【０００３】
図４に、従来のブレード型風車を用いた風力発電装置の概略構成を示す。
この風力発電装置５０は、支柱３の頂部に、発電機の回転子や制御系装置・電子機器等を内蔵したナセル４が設けられ、このナセル４内の発電機の回転子がハブ５を介してナセル外部のブレード２（羽根）と接続されている。このような風車では、ブレード２が風を受けてハブ５を回転させ、その回転が発電機の回転子に伝達され、発電される。
【０００４】
風力発電装置５０では、大型発電用の風車を用いた場合、支柱３の高さは５０メートルほどとなり、ブレード２の長さも数十メートルと非常に大きいものとなる。この大きさのために、単に発電機というだけでなく、ランドマーク的な価値も生じ、観光の対象になることもある。
【０００５】
ブレード２としては、これまで、風力発電装置５０の出力が小さい場合では木材が使用されており、中は軽量化のため空気層となっている。しかし、近年では、大きな出力の風力発電装置が開発されるにつれて、長く風の当たる面積を大きくすべく、繊維強化型プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）が使用されるようになっている。ＦＲＰをブレード２に使用することで、軽くても強度の強いものが作製できるようになり、２５０ｋＷを超えるような大きな風力発電装置５０が製造可能になった。
【０００６】
このように、ブレード２は非常に大きく、高い位置にあるものであり、しかも風を受けやすいような広大な土地に設置されることが多い。このため、落雷による被害、例えば、落雷によりブレード２等が破損したり、落雷により制御系装置が故障したりといった被害が多く、故障要因の四分の一を占めるといわれている。
【０００７】
ブレード２の破損は、雷がブレード２を貫通しブレード２内部を大電流が流れることにより、内部の空気層が雷撃電流により発生する熱量で膨張し、短時間で高い圧力を発生することに起因する。また、風力発電装置５０が大きいため、ブレード２単体の費用が高価であるだけでなく、ブレード２の交換にも大型クレーンを使用する必要があり、修復コストが莫大となる。
【０００８】
上述した落雷によるブレード２の破損を防ぐために、風力発電装置５０のナセル４の部分に避雷針を設置することも考えられているが、落雷によるブレード２の破壊を防ぐことはできたとしても、ナセル４内部の制御系等の電子部品を破壊し、装置の機能を失う可能性がある。
【０００９】
また、落雷によるブレード２の破損を防ぐための他の手法として、導電性粒子層を構造物に対し塗布する方法が提案されている。この方法は、図４においてブレード２、ハブ５、ナセル４および支柱３の表面に導電性の避雷補助塗膜を形成することで、構造物を破壊せずに落雷時の雷撃電流を大地へと流す方法である。
【００１０】
しかしながら、上記のように導電性の避雷補助塗膜を塗布して大地まで雷撃電流を流す手法では、雷撃電流が一経路のみを流れ続け、避雷補助塗膜やブレード２本体までも破壊する危険性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３９４８４６９号公報
【特許文献２】特許４８２８１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このような問題に鑑みて、本発明の実施形態は、落雷した際の雷撃電流がブレードを破壊せず、かつナセルを含む支柱側に侵入せずに地面に流すことができる、比較的簡便な避雷システムを備えた風力発電装置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】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の避雷システムを備えた風力発電装置は、大地に固定して設けられる支柱と、少なくとも発電機の回転子を内蔵して前記支柱の頂部に載置されるナセルと、当該ナセル内に設けられた前記回転子を風力により回転させるためのブレードと、当該ブレード及び前記回転子の回転軸を接続するハブと、を有する風力発電装置において、前記ブレードの表面に、金属材料層と非線形抵抗材料層とを交互に一部を接触させつつ形成し、かつ前記ブレードの先端部分に前記金属材料層を配置する一方、前記ブレードの前記ハブに隣接する部分に非線形抵抗材料層を配置したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の避雷システムを備えた風力発電装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】図１の風力発電装置の側面図である。
【図３】図１の風力発電装置のブレード部分の拡大図である。
【図４】従来の風力発電装置の概略構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
（構成）
図１乃至図３に示すように、本実施形態の風力発電装置１は、大地に固定して設けられる支柱３と、発電機の回転子や制御系装置・電子機器等を内蔵して支柱３の頂部に載置されるナセル４と、このナセル４内に設けられた発電機の回転子を風力により回転させるためのブレード（羽根）２ａ，２ｂ，２ｃと、ブレード２ａ，２ｂ，２ｃ及び回転軸（図示せず）を接続するハブ５と、を有している。また、ハブ５は、図２に示すように、リード線８により大地と接続され、後述するように雷撃電流の経路とされる。
【００１６】
（ブレード２ａ，２ｂ，２ｃ）
この風力発電装置１では、ブレード２ａ，２ｂ，２ｃが風を受けて回転し、その回転がハブ５等を介して発電機の回転子に伝達され、発電される。これらのブレード２ａ、２ｂ、２ｃはＦＲＰで形成されることが好ましい。
【００１７】
ブレード２の表面には図３に示すように、金属材料層６ａ，６ｂ，６ｃと非線形抵抗材料層７ａ，７ｂ，７ｃとが交互に形成される。ここで、非線形抵抗材料層７ａ，７ｂ，７ｃは、ＺｎＯを用いて形成することができる。また、ブレード２では、その先端部分に金属材料層６ａが形成され、ハブ５と隣接する部分に非線形抵抗材料層７ｃが形成されている。さらに、非線形抵抗材料層７ｃとハブ５とは、図示しない部分で電気的に接続されている。
【００１８】
金属材料層６と非線形抵抗材料層７とは互いの境界線で接触させることが好ましい。また、金属材料層６及び非線形抵抗材料層７の個数は同数であることが好ましい。
【００１９】
金属材料層６の幅は、１０ｍｍ〜１０００ｍｍが望ましい。１０ｍｍ未満では雷撃電流を分散させる効果が充分に表れない可能性があり、１０００ｍｍを超えると電波障害の及ぶ範囲が広くなる可能性がある。
【００２０】
また、非線形抵抗材料層７の幅は、１０ｍｍ以上が望ましい。１０ｍｍ未満では雷撃電流が非線形抵抗材料層７を通過せずに、沿面で放電する可能性があり、非線形抵抗材料層７が破壊され機能を失う危険性がある。また、非線形抵抗材料層７の厚さは、１ｍｍ以上が望ましい。１ｍｍ未満では雷撃電流により非線形抵抗材料層７が絶縁破壊してブレード２が破壊される危険性がある。
【００２１】
（作用）
上記構成を備えた風力発電装置１において、例えば、ブレード２先端に落雷が発生すると、非線形抵抗材料層７ａに電圧が掛かり、雷撃電流が流れる。次に、金属材料層６ｂにおいては金属中の電位は全体が同電位になるため非線形抵抗材料層７ｂには一様に電圧が掛かる。
【００２２】
一般的に金属平板間では、金属平板に存在する微小突起に電界が集中し、その突起を起点に放電電流が流れる。しかし、上記構成によれば、平行に配置した金属材料層６間に非線形抵抗材料層７を配置しているため、微小突起が存在したとしても電界が緩和される。このため、金属材料層６間にかかる電界は平等電界に近くなり、非線形抵抗材料層７を一様に電流が流れる可能性が高くなる。
【００２３】
このため、風力発電装置１では、雷撃電流がブレード２の先端からハブ５に到達するまで、金属材料層６と非線形抵抗材料層７とを均一に流れ、さらにリード線８を介して大地へと雷撃電流を流すことができる。
【００２４】
（効果）
従って、風力発電装置１によれば、比較的簡便な構成で、落雷した際の雷撃電流によってブレード２を破壊することなく、かつナセル４を含む支柱側に雷撃電流を侵入させずに地面に流すことができる。
【００２５】
（他の実施形態）
本発明は、次のような他の実施形態も含有する。
（１）ブレード２は、図１に示すように、３枚のブレード２ａ、２ｂ、２ｃで構成したが、１〜２枚のブレードを有するものでも良く、また４枚以上を有しても良い。
【００２６】
（２）図３では、金属材料層６及び非線形抵抗材料層７の個数を３個ずつとしたが、ブレード２の先端部分を金属材料層６、ハブ５と隣接する部分を非線形抵抗材料層７に固定し、それ以外のブレード２の部分において金属材料層６及び非線形抵抗材料層７を交互に配置さえすれば、金属材料層６及び非線形抵抗材料層７の個数、形状は図３に示したものに限られず、適宜変更することができる。
【００２７】
（３）以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００２８】
１…風力発電装置
２…ブレード
２ａ，２ｂ，２ｃ…ブレード
３…支柱
４…ナセル
５…ハブ
６…金属材料層
６ａ，６ｂ，６ｃ…金属材料層
７…非線形抵抗材料層
７ａ，７ｂ，７ｃ…非線形抵抗材料層
８…リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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