(57)【要約】【課題】高所作業車を使用することなく雷受電部を修理又は交換するなどのメンテナンスが容易にできる風車ブレードの落雷保護装置を提供すること。【解決手段】風車１０のブレード１２に雷受電部１５を設け、該雷受電部１５に落雷した雷電流を避雷導線１９経由でハブ１１に導き、更にタワー１４を経由して地中に導くようにした風車ブレードの落雷保護装置であって、雷受電部１５をブレード１２の先端部に着脱自在に構成すると共に、吊り上げ下げ部材１６で吊り上げ下げ可能に構成し、更に該雷受電部１５を吊り上げブレード先端部の所定部位に装着できる構成とした。【選択図】図３
2008101587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車のブレードに雷受電部を設け、該雷受電部に落雷した雷電流を避雷導線経由でハブに導き、更にタワーを経由して地表に導くようにした風車ブレードの落雷保護装置であって、
前記雷受電部を前記ブレードの先端部に着脱自在に構成すると共に、吊り上げ下げ部材で吊り上げ下げ可能に構成し、更に該雷受電部を吊り上げ前記ブレード先端部の所定部位に装着できる構成としたことを特徴とする風車ブレードの落雷保護装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、
前記雷受電部は前記ブレードの先端に装着した状態で該ブレードの先端部を構成することを特徴とする風車ブレードの落雷保護装置。
【請求項３】
請求項２に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、
前記ブレードの先端にテーパ状の凹部を形成し、前記雷受電部には該凹部に挿入されるテーパ状の凸部を形成していることを特徴とする風車ブレードの落雷保護装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、
前記雷受電部の前記ブレードの先端への装着力は、該雷受電部に接続された前記避雷導線の張力であることを特徴とする風車ブレードの落雷保護装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、
前記吊り上げ下げ部材は前記避雷導線と該避雷導線の前記雷受電部の反対側端部に接続されたワイヤー又はロープで構成されることを特徴とする風車ブレードの落雷保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車ブレードに雷受電部を設け、該雷受電部に落雷した雷電流を避雷導線経由で地中に導く風車ブレードの落雷保護装置に関し、特に高所作業車を使用せずに簡単に雷受電部のメンテナンスができる風車ブレードの落雷保護装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備等で使用される風車のブレードはガラス繊維補強プラスチックなどの非伝導性の材料で作られているにも関わらず雷はブレードに落ち、落雷によるアークがブレードの中に形成されると深刻な被害を受ける。そこで、風車のブレードの落雷保護としては、ブレード内側に雷アークの形成が避けられるように落雷点からハブまで雷電流を導き、更にタワーを経由して地表まで導く事が必要である。その為にはブレードの表面に金属製の雷受電部を設け、該雷受電部に落雷を集中させ、ブレード内部に雷受電部からハブまで避雷導線を設置することになる。
【０００３】
図１及び図２は従来の落雷保護装置の雷受電部の構成例を示す図である。図１に示す落雷保護装置は、風車のブレード１０１の先端部内に金属ブロック１０３を設け、該金属ブロック１０３に雷受電部となる金属製のボルト１０２、１０２をねじ込んで装着している。そして金属ブロック１０３には避雷導線１０４を接続している。ボルト１０２、１０２に落雷した雷電流は避雷導線１０４を通して、ハブ（図示せず）まで導き、更にタワーを経由して地中まで導いている。なお、図１（ａ）はブレード先端部の平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【０００４】
上記ブレード１０１の先端部内に金属ブロック１０３を設け、該金属ブロック１０３に雷受電部となる金属製のボルト１０２、１０２をねじ込んで装着した避雷構造では、必ずしも金属製のボルト１０２、１０２に落雷せず、それ以外のブレード１０１の先端部に、特にブレードの刃の部分に落雷することがある。一般にブレード１０１の刃は鋭角であり、落雷しやすい形状となっているからである。これに対する対策として、特許文献１に記載の避雷構造がある。この避雷構造は図２に示すように、風車のブレード１０１の先端部１０５をアルミニュウム又はアルミニュウム合金で製作された金属製とし、この部分を雷受電部としている。金属製の先端部１０５には避雷導線１０４を接続している。雷受電部１０５に落雷した雷電流は避雷導線１０４を通して、ハブまで導き、更にタワーを経由して地表まで導いている。なお、図２（ａ）はブレード先端部の平面図、図２（ｂ）はブレード先端部の側面図である。
【特許文献１】特開２００５−１１３７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の避雷構造においても、雷受電部である金属製のブレード先端部材は、長期間使用していると、落雷によって溶けて変形する。特に冬季雷のような高エネルギーを有する雷が着雷すると雷受電部が溶けて変形し、ボルトタイプの雷受電部の場合は、ボルト頭部が消失してしまう程である。このように雷受電部が着雷により溶けて変形すると雷受電部としての機能が低下したり、風車の回転中の異常音の発生の原因となる。そのため定期的に修理又は交換するなどのメンテナンスが不可欠である。しかし、風車のブレード１０１の先端部に設けた雷受電部であるボルト１０２や、ブレード１０１の金属製先端部１０５は、地上数十メートルの高さにあるため、高所作業車を使用した危険の伴う作業であり、且つ費用も高価になるという問題があった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、高所作業車を使用することなく雷受電部を修理又は交換するなどのメンテナンスが容易にできる風車ブレードの落雷保護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】
【０００７】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、風車のブレードに雷受電部を設け、該雷受電部に落雷した雷電流を避雷導線経由でハブに導き、更にタワーを経由して地表に導くようにした風車ブレードの落雷保護装置であって、前記雷受電部を前記ブレードの先端部に着脱自在に構成すると共に、吊り上げ下げ部材で吊り上げ下げ可能に構成し、更に該雷受電部を吊り上げ前記ブレード先端部の所定部位に装着できる構成としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、前記雷受電部は前記ブレードの先端に装着した状態で該ブレードの先端部を構成することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、前記ブレードの先端にテーパ状の凹部を形成し、前記雷受電部には該凹部に挿入されるテーパ状の凸部を形成していることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、前記雷受電部の前記ブレードの先端への装着力は、該雷受電部に接続された前記避雷導線の張力であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風車ブレードの落雷保護装置において、前記吊り上げ下げ部材は前記避雷導線の前記雷受電部の反対側端部に接続されたワイヤー又はロープで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、雷受電部をブレードの先端部に着脱自在に構成すると共に、吊り上げ下げ部材で吊り上げ下げ可能に構成し、更に該雷受電部を吊り上げブレード先端部の所定部位に装着できる構成としているので、メンテナンス時に雷受電部を吊り上げ下げ部材を介してその重量で地上まで降下させ、地上（地表面上）で修理や交換などを行った後、再び吊り上げブレード先端部の所定部位に装着でき、雷受電部の交換や修理が地上で実行できる事から、高所作業車を使用することなく雷受電部の交換や修理などのメンテナンスが容易に実行できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、雷受電部はブレードの先端に装着した状態で該ブレードの先端部を構成するので、雷受電部をプレート先端部と同形状にすることにより異音が発生することなく、外観上も良くなる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、ブレードの先端にテーパ状の凹部を形成し、雷受電部には該凹部に挿入されるテーパ状の凸部を形成しているので、吊り上げ下げ部材を下げることにより、雷受電部の凸部はブレード先端の凹部から容易に離脱でき、且つ吊り上げることにより、雷受電部の凸部はブレードの凹部に挿入され強固に装着することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、雷受電部のブレードの先端への装着力は、雷受電部に接続された避雷導線の張力であるので、該避雷導線の反雷受電部を固定し、該避雷導線に張力を与えることにより、雷受電部を装着するための何らの部材を設けることなく、該雷受部をブレードの先端に装着することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、吊り上げ下げ部材は避雷導線と該避雷導線の雷受電部の反対側端部に接続されたワイヤー又はロープであるので、既に取り付けられている避雷導線を吊り上げ下げ部材の一部として利用することになり、雷受電部への吊り上げ下げ部材の取付け作業が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る落雷保護装置を備えた風車設備の構成例を示す図である。図示するように、風車１０はハブ１１に複数本（例えば３本）のブレード１２が放射状に取り付けた構成である。ハブ１１はナセル１３内に収容された変速機（図示せず）の回転軸に支持され、風車１０が回転すると該変速機を介して発電機（図示せず）が回転するようになっている。また、ナセル１３はタワー１４の頂部に水平方向に回転自在に支持されている。
【００１８】
１５は雷を受ける雷受電部であり、該雷受電部１５はブレード１２の先端部を構成しており、後に詳述するように、ブレード１２の先端に着脱自在に構成されている。メンテナンス時で風車１０のロータをロックして停止している状態で、雷受電部１５は吊り上げ下げ部材１６によりその重量で地上（地表）まで下降でき、地上でメンテナンスを行い、メンテナンス終了の後、吊り上げ下げ部材１６により吊り上げられブレード１２の先端に装着できるようになっている。
【００１９】
図４は上記雷受電部１５がブレード１２の先端に装着された状態を示す図である。図示するように、雷受電部１５はブレード１２の先端部を構成している（外表面形状がブレード１２の先端部の外表面形状となるように構成されている）。雷受電部１５の材質は、ステンレススティールや軽量化を考慮したアルミニューム鋳物等などである。しかし、上記のように冬季雷のような高エネルギーを有する雷が着雷すると、ボルトタイプの雷受電部の場合、ボルト頭部が消失してしまう程である。そこで雷受電部１５の耐久性向上のために、点火プラグの技術を応用し、白金又はイリジウム等の溶融温度が約１，５００℃以上の金属を雷受電部１５の金属母材表面にメッキ又は溶接による盛金処理を施すことにより、着雷時に雷受電部１５の表面が高温のアークによって溶けるのを防止することができる。ブレード１２の先端面にはテーパ状の凹部１７を形成し、雷受電部１５のブレード１２の先端面に当接する面には該凹部１７に挿入されるテーパ状の凸部１８が形成されている。該凸部１８の中心部には避雷導線１９の一端が接続されており、該避雷導線１９の他端はガイドパイプ２０内を通って係合部材２２に接続されている。
【００２０】
係合部材２２は係合ピン２５を介してテンションゲージ２６の一端に結合され、テンションゲージ２６の他はターンバックル２１のボルト部材２１ｂに接続されている。ターンバックル２１はナット部材２１ａと、該ナット部材２１ａの両端部に螺合する２本のボルト部材２１ｂ、２１ｃから構成され、ナット部材２１ａを所定の方向に回転するとボルト部材２１ｂとボルト部材２１ｃが互いに離間する方向に移動し、該ナット部材２１ａを反対の方向に回転するとボルト部材２１ｂとボルト部材２１ｃが互いに接近する方向に移動するようになっている。ボルト部材２１ｃのナット部材２１ａの反対側端部はブレード１２の後端の支持フレーム２４に固着されている。
【００２１】
上記のように避雷導線１９の他端はテンションゲージ２６を介してターンバックル２１に接続されている。ターンバックル２１のナット部材２１ａをボルト部材２１ｂとボルト部材２１ｃが互い接近する方向に回転して、ターンバックル２１を締め上げることにより、避雷導線１９には、テンションゲージ２６を介して強い張力が加わり、風車１０が回転時に雷受電部１５が遠心力によりプレート１２の先端から離脱するのを防止するようになっている。避雷導線１９は、長期間使用していると風車１０の運転により、振動、振れ、遠心力による引っ張り力が掛かり弛んでくる。そして、避雷導線１９の根元部に振動などによる繰り返し曲げ応力が掛かると避雷導線１９が切断する場合がある。そこで上記のようにテンションゲージ２６とターンバックル２１を組み合わせて採用することにより、定期的にテンションゲージで避雷導線１９に掛かる張力を管理しながら、常に一定の張力が掛かるように、ターンバックル２１で張力を調整することができる。
【００２２】
ブレード１２の後端の支持フレーム２４は、ハブ１１に装着される。雷受電部１５はガイドパイプ２０を通る避雷導線１９及びバイパス用避雷導線２７を介してブレード１２を取り付けボルト２８の一端に電気的に接続され、更にハブ１１へと電気的に接続される（ここでバイパス用避雷導線２７を用いる理由は、係合部材２２、係合ピン２５及びテンションゲージ２６に雷による大電流が流れると、係合ピン２５の嵌合部にアークが発生したりテンションゲージ２６を壊す可能性があるので、バイパス用避雷導線２７を介して大電流を直接ブレード１２を取り付けるボルト２８に導くためである）。該ハブ１１はタワー１４内を通る避雷導線（図示せず）を介して、地中に埋設した接地部材（図示せず）に電気的に接続されている。
【００２３】
これにより、雷受電部１５に落雷があると雷電流は、避雷導線１９、バイパス用避雷導線２７、ブレード１２を取り付けるボルト２８、ハブ１１及びタワー１４内を通る避雷導線を経由して、地中へと導かれる。避雷導線１９に高電流が流れると、導線の温度上昇により、該避雷導線１９をカバーするガイドパイプ２０やブレード１２内部にダメージを受ける。そこで、避雷導線１９及びバイパス用避雷導線２７は温度上昇を低減するため、ＩＥＣ規格で推奨されている断面積（５０ｍｍ2）よりも太い７５ｍｍ2の導線を用いる（温度上昇を考慮すると太い程有利となるが、重量の増加や扱い易さを考慮すると約１００ｍｍ2が上限となる）。なお、避雷導線１９の導線のタイプは錆の発生防止と扱いやすさを考慮してステンレスティール製の縒線を使用する。
【００２４】
なお、ブレード１２の先端面の凹部１７と雷受電部１５の凸部１８は、雷受電部１５の位置決め作用も奏する。即ち、ブレード１２の凹部１７に雷受電部１５の凸部１８を挿入して、雷受電部１５をブレード１２の先端に装着した状態で、プレート１２表面と雷受電部１５表面は連続した面となるように、凹部１７と凸部１８の断面形状を、位置決め作用を奏するように断面形状を、例えば角型に形成している。
【００２５】
雷受電部１５のメンテナンスは下記の手順で行う。雷受電部１５のメンテナンスを行うブレード１２を地表に対して水平にしてロータが回転しないようにロックする。バイパス用避雷導線２７と避雷導線１９の接続を解除し、係合ピン２５を抜いて係合部材２２とテンションゲージ２６の結合を解除した後、図５に示すように、避雷導線１９の他端が接続されている係合部材２２に吊り上げ下げ部材１６の一部となるワイヤー又はロープ２３の一端を接続する。その後、このブレード１２を地表に対して垂直にして再度ロータをロックする。そしてワイヤー又はロープ２３を繰り出すことにより、雷受電部１５はブレード１２の端面から離脱し、その重量により図３に示すように、地上まで降下する。ここで、厳密にブレード１２を垂直にする必要はなく、垂直に対して±５度程度は許容される。
【００２６】
なお、ワイヤー又はロープ２３の長さは雷受電部１５が地表まで届くだけの長さが必要である。これにより雷受電部１５の落雷により溶解、変形部を地上で補修したり、新しい雷受電部１５に交換する等のメンテナンスを行うことができる。
【００２７】
上記雷受電部１５のメンテナンスが終了したら、ワイヤー又はロープ２３を引き上げることにより、雷受電部１５は上昇しそのテーパ状の凸部１８がブレード１２の端面におけるテーパ状の凹部１７に挿入される。次に、ブレード２１を地表に対して水平にしてロータが回転しないようにロックする。更に避雷導線１９の他端が接続された係合部材２２をテンションゲージ２６の１端に係合ピン２５で結合させる。その後、テンションゲージ２６で避雷導線１９に掛かる張力を確認しながら、ターンバックル２１のナット部材２１ａをボルト部材２１ｂとボルト部材２１ｃが互いに接近する方向に回転して締め上げ避雷導線１９に必要な張力を与え、風車１０の運転時に雷受電部１５が遠心力によりプレート１２から分離するのを防止すると同時に、避雷導線１９の振れを防止する。最後にバイパス用避雷導線２７を避雷導線１９に接続する。
【００２８】
なお、上記実施形態例では、雷受電部１５をブレード１２の先端部として構成しているが、雷受電部はブレード１２の先端部として構成しなくともよく、例えば吊り上げ下げ部材１６（ワイヤー又はロープ２３と避雷導線１９）の吊り下げ吊り上げにより、ブレード１２の先端部の表面に所定部位から容易に離脱・装着できる構成であれば、ブレード１２の一部として構成する必要がない。また、ワイヤー又はロープ２３を避雷導線１９と平行して雷受電部１５に接続する構成としてもよい。また、避雷導線１９に張力を加える手段としてターンバックル２１を用いたが、これに限定されるものではない。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の雷受電部を備えた落雷保護装置の例を示す図である。
【図２】従来の雷受電部を備えた落雷保護装置の例を示す図である。
【図３】本発明に係る落雷保護装置を備えた風車設備の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る落雷保護装置の雷受電部がブレード先端に装着した状態の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る落雷保護装置の雷受電部がブレード先端から離脱した状態の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０      風車
１１      ハブ
１２      ブレード
１３      ナセル
１４      タワー
１５      雷受電部
１６      吊り上げ下げ部材
１７      凹部
１８      凸部
１９      避雷導線
２０      ガイドパイプ
２１      ターンバックル
２２      係合部材
２３      ワイヤー又はロープ
２４      支持フレーム
２５      係合ピン
２６      テンションゲージ
２７      バイパス用避雷導線
２８      ボルト
【図１】
2008101587.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008101587.tif 000006
【図５】
2008101587.tif 000007