(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車（１）の羽根（６）に落雷した際の雷電流を、誘導手段によって、前記羽根（６）の表面に設けられた受雷部（７）側に誘導する風車の避雷方法であって、
帯状の誘導シート（９）を、受雷部（７）に向かって延びるように、羽根（６）の平坦な外面に貼付することにより、該誘導シート（９）の幅方向端部と、羽根（６）の外側面との境界に段差（１１）を形成し、前記羽根（６）の外面に貼付された前記誘導シート（９）の表面を、放電を発生させない平坦な面とするとともに羽根（６）の段差（１１）以外の箇所を平坦に形成することにより、前記段差（１１）を前記誘導手段とするか、或いは、
前記受雷部（７）に向かって延びる誘導溝（１２）を風車の平坦な外面に凹設し、該誘導溝（１２）の段差（１１）によって前記誘導手段を構成し、
水滴が留まるように前記段差（１１）の高低差を設定し、
該段差（１１）は、前記羽根（６）に落雷した際の雷電流を受雷部（７）側に案内する
風車の避雷方法。
【請求項２】
前記段差（１１）の高低差を、１００μｍ以上とした請求項１に記載の風車の避雷方法。
【請求項３】
風車の羽根（６）に受雷部（７）を設置し、風車（１）の羽根（６）に落雷した際の雷電流を前記受雷部（７）に誘導する誘導手段を設けた風車の避雷装置であって、
帯状の誘導シート（９）を、受雷部（７）に向かって延びるように、羽根（６）の平坦な外面に貼付することにより、該誘導シート（９）の幅方向端部と、羽根（６）の外側面との境界に段差（１１）を形成し、前記羽根（６）の外面に貼付された前記誘導シート（９）の表面を、放電を発生させない平坦な面とするとともに羽根（６）の段差（１１）以外の箇所を平坦に形成することにより、前記段差（１１）を前記誘導手段とし、
水滴が留まるように前記段差（１１）の高低差を設定し、
該段差（１１）は、前記羽根（６）に落雷した際の雷電流を受雷部（７）側に案内する
風車の避雷装置。
【請求項４】
前記段差（１１）の高低差を、１００μｍ以上とした
請求項３に記載の風車の避雷装置。
【請求項５】
前記誘導シート（９）が単一層によって形成された
請求項４に記載の風車の避雷装置。
【請求項６】
前記誘導シート（９）を羽根（６）に着脱可能に貼付した
請求項４又は５の何れかに記載の風車の避雷装置。
【請求項７】
風車（１）の羽根（６）に受雷部（７）を設置し、風車（１）の羽根（６）に落雷した際の雷電流を前記受雷部（７）に誘導する誘導手段を設けた風車の避雷装置であって、
前記受雷部（７）に向かって延びる誘導溝（１２）を風車の平坦な外面に凹設し、該誘導溝（１２）の段差（１１）によって前記誘導手段を構成し、
水滴が留まるように前記段差（１１）の高低差を設定し、
該段差（１１）は、前記羽根（６）に落雷した際の雷電流を受雷部（７）側に案内する
風車の避雷装置。
【請求項８】
前記段差（１１）の高低差を、１００μｍ以上とした
請求項７に記載の風車の避雷装置。
【請求項９】
受電部（７）を羽根（６）の先端部に配置し、
上記段差（１１）を受電部（７）よりも基端側に配置した
請求項３乃至８の何れかに記載の風車の避雷装置。
【請求項１０】
上記段差（１１）を受雷部（７）又はその近傍まで延設した
請求項３乃至９の何れかに記載の風車の避雷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車の羽根に落雷した際の雷電流を、誘導手段によって、風車の羽根の表面に設けられた受雷部側に案内する避雷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の、環境汚染や資源枯渇の問題に対応すべく、グリーンエネルギ利用の必要性が高まっており、発電容量の大きい大型の羽を備えた風力発電装置の開発が進んでいるが、このような大型の風車は、全高も高く、羽根が高い位置に設置されるため、該羽根への落雷の確率も増加する。
【０００３】
この落雷によって風車の羽根が破損した場合、修復に手間やコストがかかるとともに、修復が完了するまで風力発電を行うことができず、稼動率が低下する。特に、北陸地方の日本海沿岸では、日本海の暖流と上空の寒気団の温度差により、広大で且つ高度の低い雷雲が発達し、蓄積された電荷が一気に放電されて大きなエネルギーを有する冬季雷が発生するため、この問題が顕著である。
【０００４】
このような問題に対処するため、風車の羽根に落雷した際の雷電流を、誘導手段によって、前記羽根の表面に設けられた受雷部側に誘導し、受雷部から地中に逃がす特許文献１に示す風車の避雷方法及び装置が公知となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１００６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記文献の避雷装置では、風車の羽根の外面における受雷部以外の箇所に雷が落ちても、誘導手段によって、雷の放電電流を、受雷部側に誘導することが可能であるため、落雷による風車の羽根の破損を効率的に防止できる一方で、風車の外面に接着剤等で貼付される絶縁層に誘電体層を重ね合わせるとともに該誘電体層に所定間隔毎に導電性のセグメントを配置することにより前記誘導手段を構成しているため、該誘導手段の構成が複雑でコストが高くなる。
【０００７】
本発明は、落雷による破損を効率的に防止可能であるとともに、コストも低減可能な風車の避雷方法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するため、第１に、風車１の羽根６に落雷した際の雷電流を、誘導手段によって、前記羽根６の表面に設けられた受雷部７側に誘導する風車の避雷方法であって、帯状の誘導シート９を、受雷部７に向かって延びるように、羽根６の平坦な外面に貼付することにより、該誘導シート９の幅方向端部と、羽根６の外側面との境界に段差１１を形成し、前記羽根６の外面に貼付された前記誘導シート９の表面を、放電を発生させない平坦な面とするとともに羽根６の段差１１以外の箇所を平坦に形成することにより、前記段差１１を前記誘導手段とするか、或いは、前記受雷部７に向かって延びる誘導溝１２を風車の平坦な外面に凹設し、該誘導溝１２の段差１１によって前記誘導手段を構成し、水滴が留まるように前記段差１１の高低差を設定し、該段差１１は、前記羽根６に落雷した際の雷電流を受雷部７側に案内することを特徴としている。
【０００９】
第２に、前記段差１１の高低差を、１００μｍ以上としたことを特徴としている。
【００１０】
第３に、風車の羽根６に受雷部７を設置し、風車１の羽根６に落雷した際の雷電流を前記受雷部７に誘導する誘導手段を設けた風車の避雷装置であって、帯状の誘導シート９を、受雷部７に向かって延びるように、羽根６の平坦な外面に貼付することにより、該誘導シート９の幅方向端部と、羽根６の外側面との境界に段差１１を形成し、前記羽根６の外面に貼付された前記誘導シート９の表面を、放電を発生させない平坦な面とするとともに羽根６の段差１１以外の箇所を平坦に形成することにより、前記段差１１を前記誘導手段とし、水滴が留まるように前記段差１１の高低差を設定し、該段差１１は、前記羽根６に落雷した際の雷電流を受雷部７側に案内することを特徴としている。
【００１１】
第４に、前記段差１１の高低差を、１００μｍ以上としたことを特徴としている。
【００１２】
第５に、前記誘導シート９が単一層によって形成されたことを特徴としている。
【００１３】
第６に、前記誘導シート９を羽根６に着脱可能に貼付したことを特徴としている。
【００１４】
第７に、風車１の羽根６に受雷部７を設置し、風車１の羽根６に落雷した際の雷電流を前記受雷部７に誘導する誘導手段を設けた風車の避雷装置であって、前記受雷部７に向かって延びる誘導溝１２を風車の平坦な外面に凹設し、該誘導溝１２の段差１１によって前記誘導手段を構成し、水滴が留まるように前記段差１１の高低差を設定し、該段差１１は、前記羽根６に落雷した際の雷電流を受雷部７側に案内することを特徴としている。
【００１５】
第８に、前記段差１１の高低差を、１００μｍ以上としたことを特徴としている。
【００１６】
第９に、受電部７を羽根６の先端部に配置し、上記段差１１を受電部７よりも基端側に配置したことを特徴としている。
【００１７】
第１０に、上記段差１１を受雷部７又はその近傍まで延設したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、風車の羽根の平坦な外面に受雷部に向かう段差を形成し、誘導手段を構成する該段差によって、羽根に落雷した際の雷電流が、受雷部側に案内されるため、落雷による羽根の破損を効率的に防止できるとともに、誘導手段の構成もシンプルであるため、コストも低減できる。ちなみに、風車の外面に接着剤等で貼付される絶縁層に誘電体層を重ね合わせるとともに該誘電体層に所定間隔毎に導電性のセグメントを配置することにより前記誘導手段を構成した場合、絶縁体層の幅方向端部と、羽根の外面との境界に沿って段差は形成されるが、複数のセグメントによって、段差の近傍に凹凸が形成されるため、段差によって雷電流を受雷部側に誘導するという効果を望むことができない。
【００１９】
また、前記段差に水を溜めれば、雷電流を誘導する作用がさらに高まり、落雷による破損をより効率的に防止できる。
【００２０】
また、誘導シートが単一層によって形成されれば、誘導手段の構成がさらに簡略化される。
【００２１】
さらに、前記誘導シートを羽根に着脱可能に貼付すれば、誘導シートを適宜交換させることによって、誘導手段の機能を長期的に維持させることが可能になる。
【００２２】
なお、受雷部を羽根の先端部に配置し、上記段差を受雷部よりも基端側に配置すれば、羽根の先端側に落雷し易い特性を利用して、より効率的に受雷部側に雷電流を誘導できる。
【００２３】
また、上記段差を受雷部又はその近傍まで延設すれば、より効率的に受雷部側に雷電流を誘導できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】風力発電装置を示す正面図である。
【図２】風力発電装置の要部を示す要部拡大側面図である。
【図３】誘導テープを貼付した羽根の先端側を示す要部拡大図である。
【図４】図３の要部Ａ−Ａ断面図である。
【図５】誘導溝が凹設された羽根の先端側を示す要部拡大図である。
【図６】図５の要部Ｂ−Ｂ断面図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、実験態様を示す参考図である。
【図８】（Ａ）は、交流電圧の印加時における放電の進展を示した図であり、（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態で交流電圧を印加した際の放電の進展を示した図である。
【図９】（Ａ）は、インパルス電圧の印加時における放電の進展を示した図であり、（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態でインパルス電圧を印加した際の放電の進展を示した図である。
【図１０】（Ａ）は、試料端部からの誘導溝の長さと交流電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図であり、（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態において、試料端部からの誘導溝の長さと交流電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図である。
【図１１】（Ａ）は、試料端部からの誘導溝の長さとインパルス電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図であり、（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態において、試料端部からの誘導溝の長さとインパルス電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、風力発電装置を示す正面図であり、図２は、風力発電装置の要部を示す要部拡大側面図である。
風力発電装置１は、上下方向の支柱２と、発電機を内装するとともに支柱２の上端部に支持固定されたナセル３と、ナセル３に回転自在に軸支されて発電機に直結された前後方向の回転軸４と、回転軸４の軸回りに所定ピッチ毎（図示する例では等ピッチ毎）に設置された羽根６とを備えた風車である。
【００２６】
該風車に設置された複数枚（図示する例では３枚）の羽根６は、正面視回転軸４から放射状に延びる板状部材であって、前後方向の風を受けることにより、回転軸４を自身の軸回りに回転作動させ、この回転軸４の回転動力が発電機に伝動されることにより、発電が行われる。
【００２７】
前記避雷装置は、前記羽根６の先端部（回転軸から遠い側の端部）の前後（表裏）両面側にそれぞれに設けられる受雷部７と、地中に設けたアース導体（図示しない）と、該受雷部７及びアース導体の間を繋ぐ導電線８と、前記受雷部７の周辺に落雷した際の雷電流を受雷部７へと誘導する誘導手段とを備え、前記受雷部７に落雷した際の雷電流（放電電流）は、前記導電線８により羽根６の内部とナセル３内と支柱２内とに亘って配線された避雷用導線を介して、アース導体に達し、地中へ逃がされる。
【００２８】
また、上記誘導手段は、平坦な羽根６の外面側の受雷部７近傍に、フレキシブルに変形する帯状の誘導テープ９（誘導シート）を貼付することにより凸部を形成し、該凸部の幅方向端部と羽根の外面側との境界に沿って形成された段差部１１（段差）によって構成されている。
【００２９】
次に、図３及び図４に基づき、誘導手段について説明する。
図３は、誘導テープを貼付した羽根の先端側を示す要部拡大図であり、図４は、図３の要部Ａ−Ａ断面図である。前記誘導テープ９は表裏両面が平坦なシート状部材であり、該誘導テープ９を、起伏のない非凹凸状の平滑なフラット面又は曲面である羽根６外面に貼付している。さらに詳しくは、羽根６外面における中途部から受雷部７が位置する先端側に向かって、誘導テープ９が貼付されている。図示する例では、羽根６外面における受雷部７よりも基端寄りに配置された誘導テープ９は、その先端側が受雷部７に近接する位置まで延設されているが、該誘導テープ９が受雷部７に向かう方向に延びていれば、受雷部７と誘導テープ９との距離がある程度離れていても、誘導効果が期待できる他、誘導テープ９を受雷部７に接するようにしてもよい。
【００３０】
前記誘導テープ９を、羽根６の長手方向に沿って該羽根６の外面側に貼付することによって、誘導テープ９の幅方向端部と、貼付された羽根６の外面側との境界に、該境界に沿って誘導テープ９の厚さ分の高低差を有する前記段差部１１が形成される。該段差部１１は、誘導テープ９の幅方向の両側端側に形成され、受雷部７に向かってそれぞれ延びており、雷電流を受雷部７へと誘導する誘導手段となる。このとき、前記段差部１１の高低差、つまり誘導テープ９の厚さは、１００マイクロメートル以上あることが望ましい。
【００３１】
以上の構成により、羽根６に設けた受雷部７の周辺であって、前記段差部１１の近傍に落雷した場合、該落雷による雷電流は、誘導テープ９の両幅方向端部側の段差部１１へと導かれ、該雷電流が段差部１１に沿って受雷部７に誘導される。これにより、羽根６に落雷した際に発生した雷電流が受雷部７へと案内されるため、羽根６への落雷による破損を防止することができる。
【００３２】
このとき、雷雨等により、前記段差部１１に沿って水滴が溜まることによって、より段差部１１に沿って雷電流が進展し易くなり、さらに効率的に雷電流を受雷部７へと誘導することができるようになる。
【００３３】
該構成による誘導手段は、先行文献１に記載された、帯状の誘電体層に導体からなるセグメントを一定間隔で多数突設し、該セグメントの間に放電を発生させることにより雷電流を誘導する方法と異なり、羽根６に貼付した誘導テープ９の幅方向両端側に前記段差部１１を形成するとともに、該段差部１１以外の部分（具体的には、誘導テープ９の表面や、羽根６外面の段差部１１以外の箇所）を平坦にすることにより、羽根６の外面に雷撃した際の雷電流を、段差部１１に沿って受雷部７に誘導できる。このため、本発明の誘導手段は、より簡略な構成により、雷電流を、効率的且つ低コストで、受雷部７まで案内できる。
【００３４】
したがって、前記誘導テープ９は段差部１１を形成することができれば雷電流を誘導する効果を発揮できるため、誘導テープ９は、マスキングテープ等の非導電体であっても、金属等の導電体からなるテープであっても良い。また、誘導テープ９を貼付することによって段差部１１を形成できるため、既存の風車の羽根６にも容易に誘導手段を設けることができるとともに、誘導テープ９を交換することによって段差部１１を形成し直すことができるため、メンテナンスも容易である。さらに、薄いテープを貼付するだけで雷電流を受雷部７へと誘導する効果を発揮できるため、風力発電装置１の発電効率に影響を与えることもない。
【００３５】
また、受雷部７に向って羽根６の外面に貼付される前記誘導テープ９を、受雷部７を中心として放射状に複数設けて、より広範囲で落雷による雷電流を受雷部７に誘導できるように構成しても良い。なお、前記誘導テープ９は、受雷部７に直接接続するに至る位置まで貼付する構成とすることにより、より確実に雷電流を受雷部７へ誘導することができる他、該誘導テープ９を一定の間隔を空けて不連続に貼付した場合であっても、羽根６の表面に落雷した際の雷電流を受雷部７へ誘導することができる。
【００３６】
また、風力発電装置１への落雷は、羽根６の先端部付近に雷撃する確率が高いため、羽根６の先端部に設けた受雷部７側から数メートルの範囲で誘導テープ９を張ることにより充分な避雷効果を得ることができる。
【００３７】
さらに、羽根６の先端部だけでなく中間部にも受雷部７を設けた構成の大型の風車においては、該羽根６の中間部に設けた受雷部７から放射状に誘導テープ９を貼付することによって、羽根６に受ける雷撃を受雷部７で受けて地中へと逃がすことのできる範囲をより広範囲にすることができる。
【００３８】
なお、上述の例では、誘導テープ９を羽根６の平坦な外面に貼付することにより、受雷部７に向かって延びる凸部を形成したが、該構成の凸部を形成する手段は、これに限定されるものではなく、帯状の誘導テープに換えて線状の誘導糸を貼付することにより前記凸部を形成しても良いし、塗料を羽根６の平坦な外面に塗布することにより前記凸部を形成しても良い。
【００３９】
次に、図５及び図６に基づき、前記誘導手段の他例を説明する。
図５は、誘導溝が凹設された羽根の先端側を示す要部拡大図であり、図６は、図５の要部Ｂ−Ｂ断面図である。図示する例より、起伏のない非凹凸状の平滑なフラット面又は曲面である羽根６外面に、受雷部７の設置箇所よりも基端側から該受電部７に向かって延びる誘導溝１２を直接凹設することにより、前記段差部１１を形成し、該段差部１１によって誘電手段を構成している。ちなみに、誘導溝１２の配置構成は、上述した誘導テープの配置構成と同一になる。
【００４０】
当該構成により、羽根６に凹設した前記誘導溝１２の近傍を雷撃した際、雷撃による雷電流が前記誘導溝１２に導かれ、該誘導溝１２に沿って受雷部７へと誘導することができるとともに、雷雨等により誘導溝１２に水滴が溜まることによって、より効率的に雷電流を誘導できる。
【００４１】
また、前記誘導溝１２を羽根６の表面に直接凹設することにより段差部１１を形成するシンプルな構成のため、低コストで雷電流の誘導手段を設けることができるとともに、メンテナンス等を頻繁にしなくとも段差部１１が保たれるため、ランニングコストも抑制することができる。
【００４２】
次に、図７乃至１１に基づき、誘導溝の有無による放電の進展方向の違いを観察する実験を実施した。
図７は、実験態様を示す参考図である。具体的には、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、半径２０ｍｍの円形試料の端部から円の中心に向って一本の誘導溝を設け、該円形試料の中心に配置した電極から交流電圧若しくはインパルス電圧を印加して放電電圧を測定するとともに、放電の進展の様子を観察した。ここで、前記円形試料に設ける誘導溝の長さ（ｘ）は、５ｍｍと，１０ｍｍと，１５ｍｍと、溝を設けない（０ｍｍ）場合とで放電電圧のピーク値をそれぞれ測定した。
【００４３】
図８（Ａ）は、交流電圧の印加時における放電の進展を示した図であり、図８（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態で交流電圧を印加した際の放電の進展を示した図であり、図９（Ａ）は、インパルス電圧の印加時における放電の進展を示した図であり、図９（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態でインパルス電圧を印加した際の放電の進展を示した図である。
【００４４】
同図より、交流電圧及びインパルス電圧の何れの電圧を印加した場合においても、円形試料の中心に配置される電極からの放電が、電極から前記誘導溝へと導かれ、該誘導溝に沿って円形試料の端部に誘導されている様子が確認できる。また、誘導溝の上に水滴がある場合においても同様にして放電が誘導溝に導かれて円形試料の端部に案内されている。
【００４５】
図１０（Ａ）は、試料端部からの誘導溝の長さと交流電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図であり、図１０（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態において、試料端部からの誘導溝の長さと交流電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図である。また、図１１（Ａ）は、試料端部からの誘導溝の長さとインパルス電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図であり、図１１（Ｂ）は、誘導溝の上に水滴がある状態において、試料端部からの誘導溝の長さとインパルス電圧を印加した際に測定された放電電圧との関係を示した図である。
【００４６】
同図より、交流電圧又はインパルス電圧を印加した際に、円形試料に誘導溝を設けない場合と、誘導溝を設けて放電を該誘導溝に沿って円形試料の端部へと誘導した場合とを比較すると、誘導溝を設けた方が、計測される放電電圧の値が小さくなっていることがわかる。また、試料端部からの誘導溝の距離が長い場合、つまり、電極の接触位置と誘導溝との距離が近い程、計測される放電電圧の値が小さくなる傾向にあることが確認された。
【００４７】
また、交流電圧印加時、インパルス電圧印加時のいずれの場合も、誘導溝に水滴がない状態と、誘導溝に水滴がある状態とを比較すると、誘導溝に水滴がある場合の方が測定される放電電圧の値が小さくなることが確認された。
【符号の説明】
【００４８】
１  風力発電装置（風車）
６  羽根
７  受雷部
９  誘導テープ（誘導シート）
１１  段差部（段差）
１２  誘導溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図８】
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【図９】
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