(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力を受けて回転するブレードと、
導電性の外郭体の内部に発電機が収容されたナセルと、
前記ブレードと前記発電機との間に接続され、前記ブレードの回転力を前記発電機に伝達するシャフトと、
接触した状態で前記シャフトを覆い、前記シャフトと前記外郭体とを電気的に接続する第１の編素導体とを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
タワー構造物の頂部に請求項１記載の風力発電装置が載置され、
地中から前記タワー構造物の前記頂部まで延在する導電部を備え、
前記外郭体と前記導電部とが電気的に接続されていることを特徴とする風力発電設備。
【請求項３】
前記ナセルは、前記タワー構造物の頂部において、鉛直軸周りに回転可能なステージ上に設けられており、
前記導電部と前記外郭体とは、第２の編素導体によって電気的に接続され、
前記第２の編素導体は、綱状に形成されると共に、前記外郭体と前記導電部との間で撓みを有していることを特徴とする請求項２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、風力発電装置及びこの風力発電装置を用いた風力発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーを有効利用する機運が高まっており、風力によって発電を行う風力発電装置の開発が積極的に進められている。このような風力発電装置は、風力を受けて回転するブレード（回転翼）、ブレードの回転を伝達するシャフト、シャフトの回転を利用して発電する発電機、及び発電機を収容してなるナセル等を備えて構成されている。そして、風力発電装置は、強い風力をブレードで定常的に受けられるようにするため、沿岸部や山上部に立設されたタワー構造物の頂部に設置される。
【０００３】
一方、風力発電装置が設置される沿岸部や山上部は、風力を得やすい反面、雷が頻繁に発生する場所でもあり、落雷が発生する可能性の高い場所である。また、このような場所で発生する雷は大きなエネルギーを有していることが多く、風力発電装置に大きなエネルギーを持つ雷が落雷すると、ブレードや発電機などの主要な機器が損傷するおそれがある。そのため、風力発電装置においては、発電機などの主要な機器を落雷による損傷から保護するための落雷対策が重要な課題となっている。
【０００４】
そこで、落雷対策を施した風力発電装置として、例えば特許文献１には、シャフトとナセルとを導電性のコロを介して接続した風力発電機用の軸受が開示されている。この従来の風力発電機用の軸受における構成では、シャフトとナセルとが電気的に接続されることにより、落雷によって発生した電流（雷電流）をブレードから地面まで放電させるための経路が形成され、風力発電装置の耐雷性能の確保が図られている。
【特許文献１】特開２００５−１５１７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、落雷によって発生した雷電流は、数ＭＨｚに達する高周波電流であり、表皮効果により導体の表面のみを流れる特性を持つため、上述した従来の風力発電装置のように、シャフトとナセルとをコロ等で接続した場合、シャフトとコロとの接触面積が小さいため、シャフトからナセルに至る部分の放電経路のインピータンスを十分に低下させることが困難であった。そのため、日本海側の冬季雷のように、大きなエネルギーを持つ雷がブレードに落雷した場合、雷電流を素早く地中に流すことができず、これらの機器が損傷してしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記課題の解決のためになされたものであり、ブレードから地中に至る放電経路に雷電流を確実に伝達することにより、耐雷性能を向上させることができる風力発電装置、及びこの風力発電装置を備えた風力発電設備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】
上記課題の解決のため、本発明に係る風力発電装置は、風力を受けて回転するブレードと、導電性の外郭体の内部に発電機が収容されたナセルと、ブレードと発電機との間に接続され、ブレードの回転力を発電機に伝達するシャフトと、接触した状態でシャフトを覆い、シャフトと外郭体とを電気的に接続する第１の編素導体とを備えることを特徴としている。
【０００８】
この風力発電装置では、第１の編素導体によってシャフトとナセルの外郭体とが電気的に接続されている。この編素導体は、細い導線をメッシュ状に編み込むことによって形成されており、可撓性の高い部材である。そして、この風力発電装置では、雷電流が高い表皮効果を有していることに着目し、接触した状態でシャフトを覆うように第１の編素導体を配置している。このように、可撓性の高い第１の編素導体でシャフトを覆うようにした結果、シャフトの表面と第１の編素導体との接触面積が十分に確保され、表皮効果を持つ雷電流に対するインピータンスを十分に低下させることができる。したがって、ブレードに落雷があった場合に、ブレードからシャフトに伝わる雷電流をナセルの外郭体を通じて確実に地中に流すことができ、発電機などの主要な機器への雷電流の伝達を抑止できる。これにより、風力発電装置の耐雷性能を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明に係る風力発電設備は、タワー構造物の頂部に上記の風力発電装置が載置され、地中からタワー構造物の頂部まで延在する導電部を備え、外郭体と導電部とが電気的に接続されていることを特徴としている。
【００１０】
この風力発電設備では、上記風力発電装置の採用により、ブレードからシャフトに伝わる雷電流がナセルの外郭体に対して確実に流れるようになっている。さらに、この風力発電設備では、地中からタワー構造物の頂部まで延在する導電部が設けられており、ナセルの外郭体とタワー構造物に設けられた導電部とが電気的に接続されている。これにより、導電部に伝わった雷電流は地中に確実に放電される。
【００１１】
また、ナセルは、タワー構造物の頂部において、鉛直軸周りに回転可能なステージ上に設けられており、導電部と外郭体とは、第２の編素導体によって電気的に接続され、第２の編素導体は、綱状に形成されると共に、外郭体と導電部との間で撓みを有していることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、ナセルの外郭体に伝わった雷電流は、第２の編素導体によって導電部に確実に流れ、耐雷性能を向上させることができる。また、ナセルは、風向に合わせてブレードの向きを変えられるように、タワー構造物の頂部において、鉛直軸周りに回転可能なステージ上に載置される場合がある。この場合、第２の編素導体を綱状に形成し、かつ撓みを持たせることにより、ナセルの外郭体とタワー構造物の導電部との接続の確実性を保持しつつ、ナセルの回転による第２の編素導体への負荷を抑止できる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明に係る風力発電装置及び風力発電施設によれば、ブレードから地中に至る放電経路に雷電流を確実に伝達することにより、耐雷性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る風力発電装置及び風力発電施設の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る風力発電設備の一実施形態を示す側面図である。図１に示すように、風力発電設備１は、沿岸部や山上部といった風の強い地域に設置される設備であり、地上面Ｇ上に設けられた基台２上に立設されたコンクリート製のタワー構造物３を有している。
【００１６】
このタワー構造物３は、高度が増すに従って小径化する円柱形状をなしており、タワー構造物３の内部には、鉛直方向に延びる複数（例えば４本）のタワー壁配筋４が配置されている。タワー壁配筋４は、タワー構造物３の強度を高めると共に、地中からタワー構造物３の頂部６まで延在する導電部７としての機能を有している。そして、タワー壁配筋４の下端部は、基台２のスラブ配筋（図示しない）と接続され、この基台２を接地極として接地されている。また、タワー構造物３の頂部６には、風力を利用して発電を行う風力発電装置８が設置されている。この風力発電装置８は、図２にも示すように、ブレード９と、ナセル１０とを備えている。
【００１７】
ブレード９は、金属製のロータリーヘッド１１と３枚の羽根１２とを有している。羽根１２は、例えばＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）などの絶縁性樹脂によって形成され、ロータリーヘッド１１の周りに等間隔に取り付けられている。このブレード９は、各羽根１２が受ける風速が毎秒３ｍ程度以上になると、ロータリーヘッド１１を中心に回転するようになっている。また、風速が毎秒２０ｍ程度以上になると、図示しないブレーキ機構によって回転が停止するように制御され、過剰な回転による羽根１２の損傷防止が図られている。
【００１８】
ナセル１０は、架台１３上に流線型のケーシング１４を載置してなる金属製の外郭体１６を有し、ケーシング１４の内部奥側に発電機１７を収容して構成されている。この発電機１７とブレード９のロータリーヘッド１１との間には、例えばブレード９側から順に、金属製のシャフト２１、低速軸カップリング１８、接続シャフト２５Ａ、増速機１９、接続シャフト２５Ｂ、高速軸カップリング２０、接続シャフト２５Ｃが接続されている。このような構成により、風力で回転するブレード９の回転力が毎分１０００回転程度に増速されて発電機１７に伝達され、発電機１７はこの回転力を利用して発電を行う。
【００１９】
また、このようなナセル１０は、タワー構造物３の頂部において、鉛直軸周りに両方向１８０°の範囲で回転可能なステージ２２上に設けられている。ステージ２２の回転は、ナセル１０の後方上部に設けられた風向観測計（図示しない）によって観測される風向きに基づいて調整される。すなわち、ステージ２２の回転は、風向観測計によって観測された風向きに、ナセル１０の向きが一致するように調整される。これにより、風力発電設備１の周囲の風向きが刻々と変化するような場合であっても、ブレード９で定常的に風力を受けることが可能となっている。
【００２０】
ところで、上述したような風力発電設備は、電力を定常的に供給可能にするという目的上、風の強い沿岸部や山上部に設置されることが多い。しかしながら、このような沿岸部や山上部は、風力を得やすい反面、雷が頻繁に発生する場所でもあり、落雷が発生する可能性の高い場所である。また、このような場所で発生する雷は大きなエネルギーを有していることが多く、風力発電装置に大きなエネルギーを持つ雷が落雷すると、ブレードや発電機などの主要な機器が損傷するおそれがある。そのため、風力発電設備では、落雷によって発生した電流（雷電流）を確実に地中に放電させるための放電経路を形成し、耐雷性能を向上させることが重要な課題となっている。
【００２１】
この放電経路の形成に関し、本実施形態における風力発電設備１では、図１及び図２に示すように、まず、ブレード９における各羽根１２の先端に、銅製の避雷針２４が設けられている。また、各羽根１２の本体部分には、避雷針２４と電気的に接続された金属メッシュ２６が設けられている。そして、各羽根１２の金属メッシュ２６は、金属製のロータリーヘッド１１に電気的に接続されている。
【００２２】
また、シャフト２１と架台１３とは、第１の編素導体２７によって電気的に接続されている。この第１の編素導体２７は、図３に示すように、０．１ｍｍ径程度の細い導線をメッシュ状に編み込むことにより、約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ幅の帯状に形成され、高い可撓性及び導電性を有している。この第１の編素導体２７における長手方向の両端には、金属製の取付板２８がそれぞれ設けられている。そして、第１の編素導体２７は、図４に示すように、低速軸カップリング１８の前方側において、接触した状態でシャフト２１の略上半分を覆うように配置され、各取付板２８は、シャフト２１の両側でそれぞれ架台１３にボルト固定されている。なお、低速軸カップリング１８、増速機１９、及び高速軸カップリング２０についても、それぞれ等電位ボンディングによって架台１３に接続されている（図２参照）。
【００２３】
さらに、架台１３とタワー構造物３の導電部７とは、図２及び図５に示すように、２本の第２の編素導体２９によって、ナセル１０の前後で電気的に接続されている。第２の編素導体２９は、第１の編素導体２７と同様のメッシュ状導線によって綱状に形成されている。この第２の編素導体２９は、中間部分に十分な撓みを持たせた状態で、架台１３の下面側とステージ２２の基部とにそれぞれボルト固定され、ステージ２２を介して導電部７に電気的に接続されている。
【００２４】
このような放電経路の形成により、風力発電設備１では、ブレード９の避雷針２４や金属メッシュ２６に落雷が発生すると、落雷による雷電流が避雷針２４又は羽根１２の金属メッシュ２６からロータリーヘッド１１を通ってシャフト２１に流れる。次に、シャフト２１に流れた雷電流は、第１の編素導体２７を通って架台１３に流れる。このとき、第１の編素導体２７に流れきらなかった雷電流は、低速軸カップリング１８、増速機１９、及び高速軸カップリング２０のそれぞれのボンディングを通って順次架台１３に流れる。そして、架台１３に流れた雷電流は、第２の編素導体２９を通ってタワー壁配筋４に流れ、タワー壁配筋４の下端から地中へと放電される。
【００２５】
この風力発電設備１の放電経路では、雷電流が数ＭＨｚに達する高周波の電流であり、このような高周波の電流が高い表皮効果を有していることに着目し、上述したように、シャフト２１と架台１３との電気的な接続にあたって、接触した状態でシャフト２１の略上半分を覆うように第１の編素導体２７を配置している。このように、可撓性を有する第１の編素導体でシャフトを覆うようにした結果、シャフト２１の表面と第１の編素導体２７との接触面積が十分に確保され、表皮効果の高い雷電流に対するインピータンスを大幅に低下させることができる。この結果、ブレード９からシャフト２１に伝わる雷電流が架台１３に確実に流れ、雷電流を素早く地中に放電させることが可能となる。したがって、風力発電設備１では、日本海側の冬季雷のように、大きなエネルギーを持つ雷がブレード９又は金属メッシュ２６に落雷した場合であっても、シャフト２１と架台１３との接続部分が放電経路のボトルネックとなることが抑止され、ブレード９や発電機１７などの主要な機器を確実に保護することができる。
【００２６】
さらに、風力発電設備１の放電経路では、架台１３とタワー壁配筋４とが綱状の第２の編素導体２９によって電気的に接続されている。この第２の編素導体２９により、架台１３に伝わった雷電流がタワー壁配筋４に確実に流れるので、耐雷性能の一層の向上が図られる。また、この第２の編素導体２９は、架台１３とタワー壁配筋４との間で撓みを有している。このような構成により、ナセル１０の向きがステージ２２上で調整された場合であっても、架台１３とタワー壁配筋４との接続の確実性を保持しつつ、ナセル１０の回転による第２の編素導体２９への過剰な負荷の発生を抑止できる。
【００２７】
なお、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、避雷針２４からロータリーヘッド１１までの放電経路として、各羽根１２に金属メッシュ２６を形成しているが、この金属メッシュ２６に代えて、金属網を各羽根１２に被せてもよく、導電性塗料や導電性シールをメッシュ状或いはライン状に施してもよい。
【００２８】
また、シャフト２１と第１の編素導体２７との接触部分には、導電性のグリースを塗布しておくことが好ましい。これにより、シャフト２１と第１の編素導体２７との摩擦を低減させることが可能となる。また、同様の観点から、雷雲の電界を検出する手段、及びシャフト２１に対する第１の編素導体２７の接触／非接触を切り替える切替手段を設け、例えば雷雲の接近が検出された場合にのみ第１の編素導体２７をシャフト２１に被せるようにしてもよい。
【００２９】
導電部７としてのタワー壁配筋４は、雷電流の表皮効果を考慮して、円状に配置することが好ましい。タワー壁配筋４に代えて、タワー構造物３を金属製の柱で組み上げ、タワー構造物３全体を導電部７としてもよい。さらに、導電部７の接地極は、スラブ配筋を用いたいわゆるベタ基礎に代えて、杭基礎（図示しない）を用いてもよい。一般的に、杭基礎を接地極とした場合、ベタ基礎を接地極とした場合に比べて接地抵抗が小さく、雷電流をより確実に地中に放電させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る風力発電設備の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１に示す風力発電設備に搭載される風力発電装置を示す側面図である。
【図３】第１の編素導体を示す平面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】第２の編素導体の取り付け状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…風力発電設備、３…タワー構造物、４…タワー壁配筋（導電部）、６…頂部、７…導電部、８…風力発電装置、９…ブレード、１０…ナセル、１３…架台（外郭体）、１４…ケーシング（外郭体）、１６…外郭体、１７…発電機、２２…ステージ、２７…第１の編素導体、２９…第２の編素導体、Ｇ…地上面。
【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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