(57)【要約】  【課題】雷撃電流を、ナセル内部を経ずに風車ブレードから大地に導く経路が構成され、雷撃電流による電子機器に対する影響が軽減された風力発電装置を提供する。  【解決手段】風車タワー１の上部に回転可能に設置されたナセル２と、ナセル内に設置された発電機及び電子機器と、ナセルに支持された風車４と、発電された電力を風車タワーの内部を通して外部に導く電力線９とを備える。風車のブレード６に設けられたレセプタ１１及び雷電流導電線１３と、風車の回転軸と同心状に風車に固定され雷電流導電線と接続された風車側リング電極１２と、ナセルの回転軸と同心状に風車タワーに固定され、風車側リング電極とギャップ１９を介して対向するタワー側リング電極１５と、風車タワー外壁に設置されタワー側リング電極に接続された接地線１７とを備え、両リング電極の間のギャップは、レセプタへの雷撃により気中放電が発生可能な範囲に設定される。【選択図】  図１
2006070879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車タワーと、前記風車タワーの上部に回転可能に設置されたナセルと、前記ナセル内に設置された発電機及びその発電機能に係る電子機器と、前記ナセルに支持された風車と、前記風車の回転を前記発電機に伝達する回転伝達機構と、前記発電機により発電された電力を前記風車タワーの内部を通して外部に導くための電力線とを備えた風力発電装置において、
前記風車のブレードの避雷システムとして、
前記風車のブレードに設けられたレセプタ及び雷電流導電線と、
前記風車の回転軸と同心状に絶縁体を介して前記風車に固定され、前記雷電流導電線と接続された風車側リング電極と、
前記ナセルの回転軸と同心状に絶縁体を介して前記風車タワーに固定され、その一部において前記風車側リング電極とギャップを介して対向するタワー側リング電極と、
前記風車タワーの壁面に沿って設置され前記タワー側リング電極と接続された接地線とを備え、
前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極の間の前記ギャップは、前記レセプタへの雷撃により気中放電が発生可能な範囲に設定されていることを特徴とする風車ブレード用避雷システムを有する風力発電装置。
【請求項２】
前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極の間の前記ギャップは、前記ナセル及び前記風車の回転に際して、前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極が相互に接触しない範囲に設定されている請求項１に記載の風車ブレード用避雷システムを有する風力発電装置。
【請求項３】
前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極の間の前記ギャップは、１０ｃｍ〜１００ｃｍである請求項１に記載の風車ブレード用避雷システムを有する風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置の避雷システム、特に、風車ブレードに対する落雷の影響を軽減するための避雷システムを有する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備における風車は、障害物のない平坦地に高く設置されるため、落雷を受ける可能性が高く、十分な避雷対策が必要とされる。例えば、大型風力発電設備においては、風車のハブの高さが６０ｍ、風車ブレード半径が３０ｍを超えるものも開発されている。その形状および寸法に起因して、付近に雷雲が接近した際には落雷する確率が非常に高い構造物であると言える。
【０００３】
従来の大型風力発電設備の避雷対策としては、１）ナセル上部に避雷針を設置する方法、２）風車近傍に避雷鉄塔を建設する方法、などが採用されてきた。しかし、いずれの方法も、風車ブレードへの雷撃を防ぐ効果は十分ではないことが指摘されている。すなわち、１）の方法の場合、構造上・強度上の理由により、３０ｍもの風車ブレード半径を上回る高さに及ぶ避雷針を、ナセル上部に接地することは困難であり、現状では高々数ｍの避雷針を接地しているに過ぎない。また、２）の方法の場合、技術的には不可能ではないが、数基〜数十基もの風車からなるウィンドファームを全て保護するためには、風車とほぼ同数の避雷鉄塔を建設せねばならず、採算性の点から現実的ではない。
【０００４】
さらに、３）風車ブレードにレセプタ（受雷器）や雷電流導電線などを取付けて、風車ブレードに雷撃があった際に、雷電流導電線及びスリップリングを通じて風車タワー内の接地線へ雷撃電流を導く方法も知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載の風力発電の雷保護システムについて、図３を参照して説明する。図３は、風力発電設備の全体構造を示す断面図である。２１は風車タワーであり、上部にナセル２２が設置されている。ナセル２２にはロータ軸２３が回転自在に支持され、ナセル２２の外部に設置された風車ブレード２４の回転が伝達される。ナセル２２内部には発電機２５が配置され、その回転子にロータ軸２３の回転が伝達されて発電が行われる。ナセル２２内部にはさらに、発電機制御装置２６等の電力設備や電子機器が設置されている。発電機２５により発電された電力は、風車タワー２１の内部を通る電力線３４により、外部へ供給される。
【０００６】
風車ブレード２４はアルミにより作られ、低抵抗導体をなし、その先端にレセプタ（受雷器）である金属チップ２７が設けられている。風車ブレード２４におけるナセル２２に近接した基端部には、放電電極２８が設けられている。ナセル２２には、風車ブレード２４の放電電極２８に対向させて、他方の放電電極２９が配置されている。放電電極２８と放電電極２９の間には、適度な長さのギャップ３０が設けられている。放電電極２９は、酸化亜鉛素子などの非直線抵抗体３１を介してスリップリング３２に接続されている。スリップリング３２により、ナセル２２と風車タワー２１の相互に回転する箇所を経由して、接地線３３に対する電気的な接続がなされている。接地線３３から接地リングを経由して大地への接地が行われている。
【０００７】
雷撃電流は、金属チップ７から風車ブレード２４を流れ、放電電極２８、２９の間のスパークオーバ（気中放電）によりナセル２２内部に至り、さらに非直線抵抗体３１を経由して、スリップリング３２によりナセル２２内部から風車タワー２１内部に至り、接地線３３を流れて大地へ放電される。
【特許文献１】特開２０００−２６５９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来例における避雷システムは、ナセル２２及び風車タワー内部に接地されている電力設備や電子機器などの絶縁破壊事故を防止するためには、必ずしも万全ではないことが指摘されている。
【０００９】
上述のように、風車ブレード２４から、ナセル２２を介して風車タワー２１側に雷撃電流を導くためには、相互に回転運動する風車ブレード２４とナセル２２との間、及びナセル２２と風車タワー２１の間で電流を伝達しなければならない。そのため、火花放電ギャップや、スリップリング等を介して、ナセル内部及びタ風車ワー内部を通して雷撃電流を導いている。従って、雷撃電流の経路が、ナセル内部や風車タワー内部の電力線３４や電気設備の極めて近傍を通過することになり、電力設備や電子機器に対する影響を回避することは困難である。
【００１０】
本発明は、風車ブレードが雷撃を受けた場合に、雷撃電流を大地に導くための経路が、ナセル内部を経由ことなく構成され、構造的に簡素であるとともに、ナセル内部に収容された電子機器に対する雷撃電流による影響を確実に防止することが可能な、風車ブレード用避雷システムを有する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】
【００１１】
本発明の、風車ブレード用避雷システムを有する風力発電装置は、風車タワーと、前記風車タワーの上部に回転可能に設置されたナセルと、前記ナセル内に設置された発電機及びその発電機能に係る電子機器と、前記ナセルに支持された風車と、前記風車の回転を前記発電機に伝達する回転伝達機構と、前記発電機により発電された電力を前記風車タワーの内部を通して外部に導くための電力線とを備える。
【００１２】
上記課題を解決するために、前記風車のブレードの避雷システムとして、前記風車のブレードに設けられたレセプタ及び雷電流導電線と、前記風車の回転軸と同心状に絶縁体を介して前記風車に固定され、前記雷電流導電線と接続された風車側リング電極と、前記ナセルの回転軸と同心状に絶縁体を介して前記風車タワーに固定され、その一部において前記風車側リング電極とギャップを介して対向するタワー側リング電極と、前記タワー側リング電極と接続され、前記風車タワーの壁面に沿って設置された接地線とを備え、前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極の間の前記ギャップは、前記レセプタへの雷撃により気中放電が発生可能な範囲に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成の風力発電装置によれば、雷撃電流はレセプタから雷電流導電線を通り、風車側リング電極と風車側リング電極の間隙をスパークオーバ（気中放電）により経由して、タワー側リング電極から風車タワー外部の接地線を通って大地に放出される。従って、雷撃電流は、風車からナセル内部を経由することなく、直接風車タワー側に導かれる。従って、避雷システムが構造的に簡素になるとともに、ナセル内部に収容された電子機器に対する雷撃電流による影響を、確実に防止することができる。
【００１４】
さらに、雷撃電流はすべて風車タワーの外部を流れるため、風車タワー内部の電力線を介して電子機器が絶縁破壊事故を発生する危険性が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の風力発電装置において、好ましくは、前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極の間の前記ギャップは、前記ナセル及び前記風車の回転に際して、前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極が相互に接触しない範囲に設定される。
【００１６】
また好ましくは、前記風車側リング電極と前記タワー側リング電極の間の前記ギャップは、１０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲内で設定する。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態における風力発電装置について、図面を参照して具体的に説明する。図１は、風力発電装置の全体構造を示す斜視図であり、図２は、その要部を示す正面図である。但し、ナセル２の部分のみ断面で示されている。
【００１８】
風車タワー１の上部に、ナセル２が回転可能に設置されている。ナセル２の回転軸３は垂直であり、従ってナセル２は水平面内で回転する。ナセル２に隣接して風車４が支持されている。風車４は水平方向の回転軸５を有し、従って、風車４に設けられたブレード６は垂直面内で回転する。ナセル２の回転軸３と風車４の回転軸５は、直交している。但し、ナセル２の回転軸３と風車４の回転軸５が直交していることは、必須ではない。
【００１９】
図２に示すように、ナセル２内には、発電機７、及び風車４の回転を発電機７に伝達するための回転伝達部８が配置されている。発電機７からは、ナセル２及び風車タワー１の内部を通して電力線９が付設され、発電された電力を風車タワー１の外部に導くために用いられる。また、ナセル２及び風車タワー１の内部には、発電機制御装置１０や、その他の電力設備、電子機器等が、必要に応じて配置されている。
【００２０】
次に、この風力発電装置における風車４のブレード６に対する避雷システムについて説明する。風車４のブレード６の先端部には、レセプタ１１が設けられている（図１参照）。ブレード６の基端部に隣接して、風車４の本体部には風車側リング電極１２が設置されている。風車側リング電極１２は、雷電流導電線１３により、レセプタ１１と接続されている。風車側リング電極１２は、風車４の回転軸５と同心状に、絶縁部材１４を介して風車４に固定されている。風車側リング電極１２に近接させて、風車タワー１の上端部には、タワー側リング電極１５が設けられている。タワー側リング電極１５は、ナセル２の回転軸３と同心状に、絶縁部材１６を介して固定されている。タワー側リング電極１５には接地線１７が接続されている。接地線１７は、風車タワー１の壁面に沿って絶縁部材１８により支持されている。
【００２１】
風車側リング電極１２とタワー側リング電極１５は、その円周の一部において対向し、相互間に所定範囲の長さに設定されたギャップ１９を設けて配置されている。風車側リング電極１２は風車４の回転軸５と同心であり、タワー側リング電極１５はナセル２の回転軸３と同心であるため、風車４及びナセル２の一方、あるいは双方が回転している状態でも、両者間のギャップ１９は一定に保たれる。
【００２２】
風車側リング電極１２とタワー側リング電極１５間のギャップ長さは、レセプタ１１への雷撃に伴い、導かれた雷撃電流によりギャップ１９においてスパークオーバ（気中放電）が発生可能な範囲の短さに設定されている。具体的に適用可能なギャップ長さは、各部の寸法や配置の条件によって変動するが、通常の実用上は、ギャップ長さは、１０ｃｍ〜１００ｃｍの範囲とすることが望ましい。１００ｃｍ以下であれば、風車側リング電極１２とタワー側リング電極１５が互いに十分に近接して、雷撃に際して確実にスパークオーバが発生する。また１０ｃｍ以上であれば、互いに非接触を保ち、ブレード６の回転やナセル２の回転が妨げられない状態を確保できる。
【００２３】
上記構成において、風車ブレード６の先端に雷撃があった場合、雷撃電流は（正極性雷の場合）レセプタ１１から雷電流導電線１３を通り、風車側リング電極１２に到達する。風車側リング電極１２とタワー側リング電極１５の間のギャップ１９では、雷撃による電位上昇により、容易にスパークオーバ（気中放電）が発生する。従って、雷撃電流は速やかにタワー側リング電極１５へ導かれる。その後、タワー側リング電極１５から風車タワー外部の接地線１７を通って、風車タワー１の基礎部から十分に離れた接地電極へ導かれる。
【００２４】
以上のように、雷撃電流は、風車４から直接、風車タワー１側に導かれる。すなわち、図３の従来例に示したような、風車ブレード２４から放電電極２８、２９を介してスパークオーバによりナセル２２内部に至り、さらに、スリップリング３２を介して接地線３３に至る経路と比較すると、ナセル２２内部を通過する経路部分が存在しない。従って、構造的に簡素になるとともに、ナセル２内部に収容された電子機器に対する影響を、確実に防止することができる。
【００２５】
さらに、雷撃電流はすべて風車タワー１の外部を流れ、ナセル２及び風車タワー内部を雷撃電流が流れることはないため、風車タワー１内部の電力設備や電子機器が絶縁破壊事故を発生する危険性が極めて低減される。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の風車ブレード用避雷システムは、雷撃電流を大地に導くための経路が、ナセル内部を経由ことなく構成され、構造的に簡素であるとともに、ナセル内部の電子機器に対する雷撃電流による影響を確実に防止することが可能であり、風力発電装置の運転の安全性確保に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態における風車ブレード用避雷システムを有する風力発電装置を示す斜視図
【図２】同風力発電装置の要部を示す正面図
【図３】従来例の風車ブレード用避雷システムを有する風力発電装置を示す断面図
【符号の説明】
【００２８】
１、２１  風車タワー
２、２２  ナセル
３、５  回転軸
４  風車
６、２４  ブレード
７、２５  発電機
８  回転伝達部
９、３４  電力線
１０、２６  発電機制御装置
１１  レセプタ
１２  風車側リング電極
１３  雷電流導電線
１４、１６、１８  絶縁部材
１５  タワー側リング電極
１７、３３  接地線
１９  ギャップ
２３  ロータ軸
２７  金属チップ
２８、２９  放電電極
３０  ギャップ
３１  非直線抵抗体
３２  スリップリング
【図１】
2006070879.tif 000003
【図２】
2006070879.tif 000004
【図３】
2006070879.tif 000005