(57)【要約】【課題】確実に雷害による被害を防止できる、風力発電装置用の雷害防止手段を提供する。【解決手段】地上に立設される塔体上にナセルおよび回転ブレードを設けてなる風力発電装置における雷害防止手段において、ナセル上方に適宜支持部材を介して突針を設け、該突針に導通する引下導線を設けて、該引下導線を地中に設けた接地部に導くことを特徴とする。【選択図】図１
2011122579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上に立設される塔体上にナセルおよび回転ブレードを設けてなる風力発電装置における雷害防止手段において、ナセル上方に適宜支持部材を介して突針を設け、該突針に導通する引下導線を設けて、該引下導線を地中に設けた接地部に導くことを特徴とする風力発電装置用雷害防止方法。
【請求項２】
接地部を、所定間隔にて地中に位置する複数の接地電極により構成してなる請求項１記載の風力発電装置用雷害防止方法。
【請求項３】
接地電極を、その側面に多数の連続凸部を設けたものとした請求項２記載の風力発電装置用雷害防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、風力発電装置への雷害を防止するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来より、塔上にブレード回転部を有する風力発電装置が多く設置され利用されているが、この風力発電装置への雷害を防ぐ方法としては、ブレード内に仕組まれたレセプター利用や、ナセル（増速装置、発電機等を収納した筐体）に導通する突針を設けて、塔体を介して地面下の基礎設置に導く雷害防止手段が採用されているが、本発明にて示すように、ナセルに導通しない突針を設けて、この突針を地下の独自の接地部に導く方式の雷害防止方法は現在のところ見あたらない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  風力発電は地球温暖化に沿うエネルギー源として当初は脚光を浴びながらも、気象条件特に落雷による故障被害が増大し、修理費用の高額性と修理後の再被害の懸念が運営を脅かす状況になりつつある。このような事情は、落雷がなぜ被害に進展するのかも理解されていない状態で風力発電装置の雷保護が考えられてきたからである。
雷保護の本質はその方法や理論が重要であり、ハード面は従なのであるが、現在の風力発電装置雷保護は結果的に誤った理論の上に形成されたものとなっている。
本発明は、雷被害へのトリガーは「帰還雷害の滞り」であると云う理論を中心に、雷保護に必要なハード面と理論および方法を具備している点で、斬新かつ画期的なシステムである。現行風力発電装置雷保護の欠陥は、要約すると落雷が被害に進展する原理が理解されていないために起こったもので、随所にその状況が見られるのである。
風力により羽根（以下ブレードと呼称）を回転させ、回転力で発電する発電装置においてブレード被害は重大である。現行の風力発電装置はその対策としてブレード先端内部に金属製受雷部（レセプター）を挿入し、引下導線で発電機機能部分へと接続し、さらに発電機機能部分を介してナセルにフレームアースしたのであるが、この考え方は、最も重要で脆弱な保護対象設備に直雷サージを積極的に導き入れるという非論理的なものである。
即ち発電機機能部分に存在するベアリング、ギア、ブラシ、スリップリング等は静止時は圧着状態でも回転時は遠心力による接触抵抗の増大で圧着状態が変化し、放電を起こして帰還雷害を停滞させてしまうもので、全く許容し得るものではないのである。
次に、携帯電話無線局や風力発電装置のような地上２０ｍ以上の建造物には避雷針の設置が義務づけられているのであるが、風力発電装置の避雷針は塔体上で回転するナセル上に設置されていると考えられ、他系統のアースすなわちレセプタからのアースと同一のナセルにフレームアースされているのである。
ナセルは接地されている塔体とブラシ付きリングで接続されていると考えられてきたが、直流的には圧着状態でも雷インパルスから見れば微小間隙となり、ギャップ放電で帰還雷害を停滞させる要因となるのである。しかも他の接地と同一ナセルにフレーム接地されていると云うことは、避雷針は他系統の接地線と接続させてはならないと云う最小限の条件を全く満たしていないことになり、現行風力発電装置には実質的に正常な避雷針は設置されていないことになるのである。
本発明は、以上に鑑み、ナセルへの導通を用いずに突針から引下導線にて地下の接地へと導くことにて、帰還雷害の滞りを防止することにより、風力発電装置への雷害を防止する新規かつ有用なる手段を提供することを目的として開発されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  課題を解決する手段として本発明は以下の構成とした。
すなわち、本発明は、地上に立設される塔体上にナセルおよび回転ブレードを設けてなる風力発電装置における雷害防止手段において、ナセル上方に適宜支持部材を介して突針を設け、該突針に導通する引下導線を設けて、該引下導線を地中に設けた接地部に導く。
本発明は以上の構成よりなる風力発電装置用雷害防止方法である。
【発明の効果】
【０００５】  本発明による効果は以下の通りである。
１．風力発電装置に正常な避雷針機能をもたせたことによる想定的効果
（イ）受雷部導入前落雷統計（ブレード対疑似避雷針落雷率、約５０対５０）からの類推    は十分信頼でき、正規避雷針への落雷率１００％が期待される。
（ロ）受雷部導入後の落雷統計（受雷部への落雷率１００％）から類推して、受雷部撤去    、正規な避雷針設置により、ブレードへの落雷率０％が期待される。
（ハ）正規な避雷針システムの構築と、発電機機能部分への積極誘雷を断つことにより最    も期待できる成果は、最も重篤なブレード損壊と発電機機能部分損壊が激減すること    と考えられる。
２．静電誘導、誘導分極対策を行ったことによる想定的効果
（ニ）静電誘導により帯電するナセル内の全ての金属体はナセルに等電位ボンデングの形    式でフレームアースされ大地と隔絶されているため、雷がサージとして流れることが    なく、これにより発生する被害は理論上皆無となる。
（ホ）誘電分極事故は誘電分極から絶縁破壊への進展であるが、それは表面電荷密度の増    大により起こるものであるから、その分散を考えた既存手法を適用することにより誘    電体（風力発電装置にあってはブレード）の誘電分極による被害の発生は理論的に激    減するものと考えられる。
３．風力発電装置の雷保護に風力発電装置が必要とする避雷針接地規格の考えを導入した    場合の想定効果
（ヘ）雷保護において欠かすことのできなかった関与パラメーター間の協調が、避雷針接    地規格の導入により接地規格にある分流許容限度、電圧上昇許容限度等から、その協    調方向が的確に示唆されるようになる。
（ト）避雷針接地規格の導入により、落雷時における内外との重要相互関係（外部への影    響、外部からの影響）にも十分、目がとどくようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】  以下、本発明の実施形態について説明する。
図において、１はブレードで三等配に設けられ、主軸２に取り付けられる。この主軸は軸受け３を介してギアを内蔵した増速装置４に軸にて接続され、該増速装置からの出力軸に発電機５が接続される。この発電機により発した電力は開閉器６を介して発電電力供給ケーブル７にて所定場所へと伝えられる。以上の軸受け、増速装置、発電機等はナセル８内に収納されて位置し、このナセルはナセル受け台９にて回動可能に塔体１０上縁に設けられる。以上が基本的な風力発電装置の概要である。
２０は金属針による突針で、ナセル上方に所定支持部材を介して設けられ、引下導線２１にてナセル受け台中央の空隙を通り塔内を下降して地面下の接地部２２に導かれる。
接地部は以下の構成による。
図において、２３は接地電極埋設溝で、幅０．７ｍ深さ１．５ｍの溝を方形に設けたものであり、この溝内に接地電極２４が埋設される。接地電極は１ｍ長ほどであり、以下の構成である。２５は細長ステンレス板を１２０度の対辺角度にて縦に折曲した主板、２６は主板の一方の辺に設けられる連続凸部で、本例では連続山形に形成している。
２７は主板下端に形成される先鋭部である。主板は一対が設けられて、図４にて示すように、連続凸部を外側にして互いに固着される。２８は接地線で、埋設された接地電極の上部をつないでいる導通線である。
図６および図７は接地電極埋設状態を示すもので、上記溝内下部に位置する酸化カルシウムを混入した客土層３０内に接地電極２４がその方向をそろえて縦に位置し、この客土層上部に深さ０．５ｍほどの埋土層３１が設けられる。酸化カルシウムは導電率が高く、イオン化傾向も大きいため、土への混入にて大地抵抗が低減され、雷害時抵抗を低下させるとともにその保水性により土中で水和反応を起こして水分を保持する機能を有している。この酸化カルシウムの配合率は７０〜８０％の範囲が好ましい。また、接地電極の凸部間角度は１２０度であり、高角度のため１本の電極における電極間（連続凸部間）干渉率すなわち集合係数を改善したものとなっており、該電極下端は先鋭のため、地中に容易に打ち込むことができる。なお各電極間距離は１．８ｍ〜２．２ｍが適当であり、本例では２ｍとしている。そのため、各電極間の干渉を避けたものとなっている。【０００７】  本発明では、既存風力発電装置が未だに落雷被害から逃れられないのは、落雷が如何なるメカニズムで被害を形成するのか、その実体を洞察しきれなかったからであるとしてきたが、その理由は次の３点が未だに明確に示されていないからである。
１．帰還雷害の停滞過程
直雷経路中のサージを阻害する過程。
土中の激しい電離を阻害する過程。
２．誘電分極から絶縁破壊への進展過程
絶縁破壊に至る激しい分極を助長する過程。
沿面放電を惹き起している条件。
３．雷保護手段避雷針接地の必須要件
電子の衝突電離を起こす土壌。
許容内分流限度。
その他。
かくして、本発明は、かかる３点に焦点を当て、携帯電話無線局１０００局で設計し施工した内外雷保護工事数年間の実績から、考案した斬新で画期的な雷保護方法である。
本発明の基本的考えを以下に示す。
１．風力発電装置に新たに、正常な避雷針機能を付与する。
ナセル後部に高さ２ｍの山形支柱に取付けた避雷針を設置し、引下導線はナセル回転部  中央に位置するケーブル庫から編組絶縁電線２条により引下げ、以下編組絶縁電線２条  で大地まで引下げ、風力発電用の接地部に接続する。
（イ）ナセルは塔体と微小間隙をもつため、発電機からの電力ケーブルと同様にケーブル    庫において引下げ導線に直結する方式をとらなければ、塔体との微小間隙での放電を    うながし、塔体に直結した場合は塔体上部下部間に約１３ＫＶ／ｍの電位差を生じ、    塔体内部の施設に過大な電磁誘導障害を及ぼすことになると云うのが現風力発電装置    の雷環境である。
（ロ）発電機の機能部分を４ＫＡの雷が流れると、機能部分への損傷は免れぬとされてい    るがこれまでの諸施策では、明らかにそれを防止できないための被害が多発している    のである。レセプタ方式では発電機機能部分被害から逃れることはできないが、レセ    プタ方式のほうが、ブレード被害が少ないと云うのであれば、現在に甘んじなければ    ならないと云う考えにもなるが、その考えも避雷針が不十分な状態では、やや軽率で    あろうと考えられるのである。
（ハ）現在のナセル上の避雷針は避雷針として全く機能していないため、風力発電装置雷    保護を云々するのであれば最小限、中間に間隙などのない引下げ導線により、且つ電    子の衝突電離を期待し得る十分な避雷針接地を施してからにしなければならない。
２．落雷とは区分し、静電誘導、誘電分極対策を新たに行う
（イ）避雷針を設置したため、それ以外の有害な誘雷作用を行う部分を大地と隔絶する。
（ロ）ブレード内に存在する全ての金属導体は大地と隔絶する。
（ハ）誘電体で構成されているブレードの誘電分極状態の緩和には、放電ギャップによる    等の放電を考慮する。
（ニ）風力発電装置の雷保護設計に風力発電装置が必要とする避雷針接地規格の概念を導    入する
（ホ）自己の発電機から送電する、送電系統接地（以下Ｂ種接地と呼称）の落雷時抵抗を    尺度に、Ｂ種への分流を５％以下とするような避雷針接地とする。
（ヘ）雷保護機器との絶縁協調をはかるためには、避雷針接地に流れる雷サージによる電    位上昇を１５０ＫＶ以下とする。
（ト）避雷針接地が本質的に必要とする性状は、単なる接地抵抗の低さではなく必要帰還    雷害電荷を電離する能力であるから、風力発電装置避雷針接地における大地抵抗率は    、いかなる場合も４０オーム／ｍ以上にしてはならない。【０００８】  以上、本発明について記したが、既述のように本発明では突針と接地部とを直結し、ブレードや塔体およびナセルと隔絶した方式としたので、風力発電装置部分への雷害影響を皆無とする有用なる手段となったのである。
従来は上記のような手段ではないために、既述のような種々の問題があったが、本発明にてこれが解決するものとなったのである。
すなわち、従来方式は以下のような方式となっている。
１．ナセル内外機器接地、系統接地がすべてナセル接地である。
２．実質的に避雷針と見なせるものとして、レセプタ、風向計上部の突針があるが、これ  らの接地も筐体（ナセル）接地となっている。
３．レセプタ等からの雷サージが、インパルス的に微小間隙を持つ発電機器能部分を経由  して接地されている。
これに対し本発明は、突針からケーブルにて独自の接地部へと接続し、この接地部は独自形状の電極を高イオン化材料を含む土中へ方形に配列したために、以下の効果を有するものとなった。
１．１００ＫＡ雷において、一接地電極の分担電離電流は１０ＫＡ以下となる。
２．接地電極埋設方式のため、埋設部の大地抵抗率は４０オーム／ｍ以下となる。
３．適用接地電極は連続凸部を有するため、電荷はこの凸部に集まるために、従来から接  地に多用されている棒状電極に比べて放電効果の高いものとなった。
４．避雷針接地から保護対象設備および外部への雷分流は、１００ＫＡ時において５％以  下となった。
なお、既述の手段に加えて、以下の手段を併用することが推奨される。
１．ブレード内金属導体を主軸から隔絶し、大地からの電流をカットする。
２．ブレードの誘電分極対策として、ブレードとナセル間に放電ギャップを設ける。
３．ナセルと塔体間に、電気絶縁体を配するなどして、ナセルを完全ファラデーケージと  する。
以上説明したように、本発明は従来法に比べて格段の雷害防止効果を有するものであり、雷電流の大部分（９０％以上）を中和する電荷を電離できる接地に接続されているシステムを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】  本発明の基本構成全体説明図
【図２】  本発明の基本構成の要部説明図
【図３】  従来方式の要部説明図
【図４】  本発明の接地電極の拡大平面図
【図５】  本発明の接地電極の正面図
【図６】  本発明の接地部構成説明図（平面視）
【図７】  本発明の接地部構成の要部説明図
【符号の説明】
【００１０】１    ブレード
２    主軸
３    軸受け
４    増速装置
５    発電機
６    開閉器
７    発電電力供給ケーブル
８    ナセル
９    ナセル受け台
１０  塔体
１１  アレスタ
２０  突針
２１  引下導線
２２  接地部
２３  接地電極埋設溝
２４  接地電極
２５  主板
２６  連続凸部
２７  先鋭部
２８  接地線
３０  客土層
３１  埋土層
【図１】
2011122579.tif 000003
【図２】
2011122579.tif 000004
【図３】
2011122579.tif 000005
【図４】
2011122579.tif 000006
【図５】
2011122579.tif 000007
【図６】
2011122579.tif 000008
【図７】
2011122579.tif 000009