(57)【要約】【課題】ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができる耐雷性能に優れた風力発電設備を提供する。【解決手段】地上に立設したタワー１０上に設けられたブレード１３が、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で製作されたブレード本体１３ａと、ブレード本体１３ａの先端に接合されたアルミニュウム製のブレード先端部材２１によって構成されており、ブレード先端部材２１に落雷させて、落雷電流を避雷導線２２及び避雷導線２３を経由してアース２４に導くようにしている。【選択図】図１
2005113735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなることを特徴とする風力発電設備。
【請求項２】
前記ブレード先端部材への落雷電流を地中に導くようにしたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
【請求項３】
前記ブレード先端部材はアルミニュウム製又はアルミニュウム合金製であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電設備。
【請求項４】
前記ブレード先端部材は中空構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電設備。
【請求項５】
前記ブレード先端部材のブレード本体接合部側の端部にアンカー部を突設させ、前記ブレード先端部材とブレード本体とを、両者の接合部に充填した後硬化させる樹脂充填層により接合し、該樹脂充填層内に埋め込まれたアンカー部をブレード先端部材のブレード本体に対するアンカーとして機能させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タワー上に設けたブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備に関するものであり、特に耐雷性能に優れた風力発電設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備は、クリーンエネルギーとして導入が促進されているが、地形上の適地として障害物のない風通しのよい場所に高く設置されることから、ブレード等が雷の目標になりやすい。通常、ブレードは樹脂製の板を整形して製作されており、落雷によってブレードが焼け焦げたり、割れたりして損傷した場合、その修理や交換のために多大な費用と長期間の運転休止が必要となり、甚大な損失を被ることになる。
【０００３】
そこで、風力発電設備には、従来から各種の落雷対策が施されている。
【０００４】
例えば、樹脂製のブレードの先端部付近に金属片を埋め込んで受雷部とし、受雷部への落雷電流を地中に導くようにしたものがある。
【０００５】
図４は、その一例であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。地上に立設したタワー１０と、タワー１０の上部に搭載され、発電機等を内蔵したナセル１１と、ナセル１１で回転自在に軸支されたローター１２と、ローター１２に取り付けられたブレード１４とを備えた風力発電設備において、樹脂製のブレード１４の先端部付近に金属片５１を埋め込んで受雷部とし、金属片５１の受雷部への落雷電流を、ブレード１４内部に配線した避雷導線５２とタワー１０に沿って配線した避雷導線５３を経由して地中のアース５４に導くようにしている。
【０００６】
また、樹脂製のブレードの側方に避雷針を設置して、避雷針に落雷させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
図５は、その一例であり、タワー１０の上部に搭載されたナセル１１に早期ストリーマ発進型避雷針６１を設置したものである。早期ストリーマ発進型避雷針６１から捕捉放電を発進させて雷雲からの放電を捕捉し、避雷針６１へ落雷させて落雷電流を避雷導線６２によって地中に導くことにより、ブレード１４への落雷を回避しようとするものである。
【特許文献１】特開２００１−１２３９３４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、樹脂製のブレードの先端部付近に金属片を埋め込んで受雷部としたものでは、必ずしも金属片の受雷部に落雷せずに、それ以外のブレード先端部、特にブレードの刃の部分に落雷することがある。一般にブレードの刃は鋭角であり、落雷しやすい形状になっているからである。そして、金属片の受雷部以外のブレード先端部に落雷すると、樹脂製のブレードは焼損したり、破損したりすることになる。
【０００９】
また、ブレードの側に避雷針を設置するものでは、常に避雷針に落雷するとは限らず、ブレードに落雷することもある。ブレードの回転に伴って、ブレード先端部が高い位置に位置するようになり、避雷針による避雷保護範囲を越えることもあるからである。そして、樹脂製のブレードの先端部に落雷すると、ブレードは焼損したり、破損したりすることになる。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができる耐雷性能に優れた風力発電設備を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１２】
［１］ブレードを風力で回転させて発電する風力発電設備において、前記ブレードが樹脂製のブレード本体と、その先端に接合された導電性金属製のブレード先端部材からなることを特徴とする風力発電設備。
【００１３】
［２］前記ブレード先端部材への落雷電流を地中に導くようにしたことを特徴とする前記［１］に記載の風力発電設備。
【００１４】
［３］前記ブレード先端部材はアルミニュウム製又はアルミニュウム合金製であることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の風力発電設備。
【００１５】
［４］前記ブレード先端部材は中空構造であることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の風力発電設備。
【００１６】
［５］前記ブレード先端部材のブレード本体接合部側の端部にアンカー部を突設させ、前記ブレード先端部材とブレード本体とを、両者の接合部に充填した後硬化させる樹脂充填層により接合し、該樹脂充填層内に埋め込まれたアンカー部をブレード先端部材のブレード本体に対するアンカーとして機能させることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の風力発電設備。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、ブレード先端部を導電性金属で構成しているため、雷はブレード先端部に落雷し、ブレード先端部以外の樹脂製の部分（ブレード本体）に落雷することが回避される。そして、ブレード先端部は金属で構成されているので、ブレード先端部に落雷しても焼損や破損することがない。その結果、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施形態を、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、この実施形態に係る風力発電設備の全体構成図であり、図２及び図３は、その風力発電設備におけるブレードの説明図である。
【００１９】
図１（ａ）に正面図、（ｂ）に側面図を示すように、この実施形態に係る風力発電設備は、地上に立設したタワー１０と、タワー１０の上部に搭載され、発電機等を内蔵したナセル１１と、ナセル１１で回転自在に軸支されたローター１２と、ローター１２に取り付けられたブレード１３とを備えている。
【００２０】
そして、ブレード１３は、ローター１２に取り付けられたブレード本体２０と、ブレード本体２０の先端に接合されたブレード先端部材２１によって構成されている。ブレード本体２０は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で製作され、ブレード先端部材２１は導電性金属であるアルミニュウム又はアルミニュウム合金で製作されている。
【００２１】
さらに、ブレード先端部材２１からブレード本体２０の内部を通過してローター１２まで配線された避雷導線２２と、ナセル１１からタワー１０に沿って地中のアース２４まで配線された避雷導線２３と、ローター１２とナセル１１の間に設けたスリップリング２５を備えている。
【００２２】
なお、通常、タワー１０は鋼構造であるので、タワー１０自体を避雷導線２３の代りに用いることでもよい。また、ローター１２とナセル１１の間にスリップリング２５を設けずに、ローター１２とナセル１１の間は放電によって導電させるようにしてもよい。
【００２３】
図２に、ブレード先端部材２１の詳細図を示す。図２（ａ）は、ブレード先端部材２１の構成を示す図であり、図２（ｂ）は、ブレード先端部材２１がブレード本体２０の先端に接合された状態を示す図である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、ブレード先端部材２１は、ブレード１３の先端形状を形成する中空構造の外皮部３１と、中空構造の外皮部３１を補強するために外皮部３１の内部に設けられた補強リブ３２を備えている。なお、３３はドレイン孔である。
【００２５】
さらに、ブレード先端部材２１は、ブレード本体２０と接合する側の端部に、接合を強固にするためのアンカー部３４を有している。アンカー部３４は、ブレード本体２０側に向かって広がった末広がり形状の中空の突起である。なお、その内部にも補強リブ３４ａが設けられている。
【００２６】
そして、図２（ｂ）に示すように、ブレード本体２０の先端部分にアンカー部３４を入れ込み、アンカー部３４の周囲に接合用樹脂（レジン）３５を充填させ、その接合用樹脂３５を硬化させることによって、ブレード本体２０とブレード先端部材２１を接合させている。これによって、接合用樹脂３５を充填した層内に埋め込まれたアンカー部３４をブレード先端部材２１のブレード本体２０に対するアンカーとして機能させている。
【００２７】
なお、図２（ｂ）に示すように、アンカー部３４の内部の補強リブ３４ａには、避雷導線２２の先端に設けられた避雷導線接続端子２２ａがボルト４１によって取り付けられている。
【００２８】
上記のように構成したブレード１３を回転させて風力発電を行った場合には、ブレード１３の先端部が導電性金属であるアルミニュウム又はアルミニュウム合金で製作された先端部材２１で構成されているので、雷はブレード先端部材２１に落雷し、樹脂製のブレード本体２０に落雷することが回避される。そして、ブレード先端部材２１は金属で構成されているので、ブレード先端部材２１に落雷しても焼損や破損することがない。ブレード先端部材２１への落雷によって生じた落雷電流は、避雷導線２２、スリップリング２５、避雷導線２３の順に通過して地中のアース２４に導かれる。このようにして、落雷によるブレード１３の損傷を的確に防止することができる。
【００２９】
そして、ブレード先端部材２１に設けたアンカー部３４を接合用樹脂３５の層内に埋め込むようにしてブレード先端部材２１をブレード本体２０に接合しているので、強固な接合強度を有しており、ブレード１３の回転による遠心力や曲げ応力がかかっても、ブレード本体２０とブレード先端部材２１との接合を維持することができる。
【００３０】
なお、導電性金属で構成されたブレード先端部材２１に落雷させるために、ブレード先端部材２１の長さはある程度以上あることが望ましいが、長すぎるとブレード１３全体の重量が重くなるので、例えば、ブレード１３の全長が２５ｍ程度の場合には、ブレード先端部材２１の長さは２００ｍｍ〜２０００ｍｍの範囲にするのが好適である。
【００３１】
そして、ブレード先端部材２１を中空構造にすることにより、ブレード１３の全体重量の軽減並びにブレード本体２０とブレード先端部材２１との接合部等にかかる遠心力や曲げ応力の低減を図ることができる。
【００３２】
なお、この実施形態においては、ブレード先端部材２１をアルミニューム又はアルミニューム合金で製作しているが、銅、銅合金、鋼等の他の導電性金属で製作することでもよい。
【００３３】
また、ブレード１３の全長が長いとか回転数が大きい等により、ブレード１３の回転による遠心力や曲げ応力が大きくなる場合には、アンカー部を図３に示すようなものにしてもよい。
【００３４】
すなわち、図３（ａ）に示すように、アンカー部が、ブレード本体２０側に向かって延びる複数本の支持部材３６と、支持材３６の先端にボルト４３とワッシャ４４によって取り付けられた接合補強板３７とからなっている。
【００３５】
そして、図３（ｂ）に示すように、ブレード本体２０の先端部分に、支持部材３３と接合補強板３４を入れ込み、支持部材３３と接合補強板３４の周辺に接合用樹脂３５を充填させ、その接合用樹脂３５を硬化させることによって、ブレード本体２０とブレード先端部材２１を接合させている。これによって、接合用樹脂３５を充填した層内に埋め込まれた支持部材３３と接合補強板３４からなるアンカー部が、ブレード先端部材２１のブレード本体２０に対するアンカーとして機能する。このような支持部材３３と接合補強板３４で構成したアンカー部を用いた場合には、図２に示したアンカー部を用いた場合よりもさらに強固な接合強度を有しているので、ブレード１３の回転による遠心力や曲げ応力が大きい場合でも、ブレード先端部材２１とブレード本体２０との接合を確実に維持することができる。
【００３６】
なお、上述の実施形態においては、樹脂製のブレード本体２０の先端に導電性金属製のブレード先端部材２１を接合したブレード１３を用いているが、図４あるいは図５に示したような全体が樹脂製のブレード１４の先端部分に金属板をかぶせることも考えられる。しかし、その場合には、金属板への落雷による衝撃を内側の樹脂製のブレードも受けるため、ブレードが破損したり変形したりする危険性が高い。したがって、樹脂製のブレードの先端部分に金属板をかぶせることでは、落雷によるブレードの損傷を的確に防止することができるとは言い難い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態における全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるブレードの説明図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるブレードの他の説明図である。
【図４】従来技術の説明図である。
【図５】他の従来技術の説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  タワー
１１  ナセル
１２  ローター
１３  ブレード
１４  ブレード
２０  ブレード本体
２１  ブレード先端部材
２２  避雷導線
２２ａ  避雷導線接続端子
２３  避雷導線
２４  アース
２５  スリップリング
３１  外皮部
３２  補強リブ
３３  ドレイン孔
３４  アンカー部
３５  接合用樹脂
３６  支持部材
３７  接合補強板
４１  ボルト
４３  ボルト
４４  ワッシャ
５１  金属片
５２  避雷導線
５４  アース
６１  早期ストリーマ発進型避雷針
６２  避雷導線
【図１】
2005113735.tif 000003
【図２】
2005113735.tif 000004
【図３】
2005113735.tif 000005
【図４】
2005113735.tif 000006
【図５】
2005113735.tif 000007