(57)【要約】【課題】設備容積、コスト、安全面で優れた風力発電機の落雷保護装置。【解決手段】タワー頂上部に設けられるナセルに、地表に対してほぼ水平方向で軸支される羽根を設け、風で回転駆動される羽根によって発電機を駆動する構造の風力発電機において、雷接近検知装置１は雷雲接近を検知する。停止装置２は雷雲接近検知で羽根３のうちの最高部が地表から最も低い回転位置で停止させ、この回転位置に保持することで、雷雲接近時に羽根が落雷し難い状態・姿勢にして落雷を減らす。  雷接近検知装置は、羽根からナセルに到る避雷経路における放電ギヤップの近傍に設置したコロナ放電検出装置もしくは電界強度検出装置で構成し、雷接近時のコロナ放電もしくは電界強度の上昇で雷接近を検知する。【選択図】図１
2007100571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー頂上部に設けられるナセルに、地表に対してほぼ水平方向で軸支される羽根を設け、風で回転駆動される前記羽根によって発電機を駆動する構造の風力発電機の落雷保護装置であって、
雷雲の接近を検知する雷接近検知装置と、
前記雷接近検知装置が雷接近を検知したときに、前記羽根の回転を停止し保持する停止装置を備えたことを特徴とする風力発電機の落雷保護装置。
【請求項２】
前記停止装置は、前記雷接近検知装置が雷接近を検知したときに、前記羽根のうちの最高部が地表から最も低い位置になる回転位置で停止させ、この回転位置を保持することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機の落雷保護装置。
【請求項３】
前記雷接近検知装置は、前記羽根からナセルに到る避雷経路における放電ギヤップの近傍に設置したコロナ放電検出装置もしくは電界強度検出装置で構成し、雷接近時のコロナ放電もしくは電界強度の上昇で雷接近を検知することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電機の落雷保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電機の羽根への落雷から発電機本体を保護する落雷保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、風力発電機は、障害物のない平坦地に数十メートルのタワーを設置し、タワー頂部に設けられるナセルには発電機、増速ギヤ機構、電力変換装置などを内蔵し、ナセル前部には地表に対してほぼ水平方向で軸支される羽根（通常、直径数十メートルの３枚羽根構成の風車）を設け、風で回転駆動される羽根の回転速度を増速ギヤ機構で増速して発電機を駆動する構造にされる。このような設置環境になる風力発電機は、風を効率よく羽根に導くことができるが、周辺に高いビルや壁、樹木がないため雷雲からの落雷が起きやすく、その保護装置が必須のものとなる。
【０００３】
従来、風力発電機の羽根への落雷に対しては、羽根からナセル、タワーを経由して大地に到る避雷経路により放電させることで、ナセル内部の発電機や制御装置等を保護している。さらに、ナセルへの落雷に対しては、ナセル上部に設けた避雷針で受け、同様の避雷経路により大地へ放電させている（例えば、特許文献１参照）。この方式（以後、待雷方式と呼ぶ）は、雷雲の接近に関しては無防備であり、落雷後の被害を避けるための受動的な対策であった。
【０００４】
一方、能動的な避雷方式として、雷雲の接近を感知し、誘電（能動的に落雷）させる対策を採る風力発電機が提案されている。例えば、雷雲の接近を感知して、避雷針のある鉄塔を上方へ伸長させることで、羽根やナセルへの落雷を予防する（例えば、特許文献２参照）。また、雷雲の接近を感知して、避雷針を打ち上げ、避雷針に連結する鎖で大地へ放電させる（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
他の能動的な避雷方式として、羽根の近傍に発生する空間電荷を除くことで、落雷し難い環境を作り、落雷そのものの発生を防ぐ方式が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２０００−２６５９３８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１１０８３号公報
【特許文献３】特開２００４−３４２５１８号公報
【特許文献４】特開２００５−４８７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（１）従来の待雷方式には、以下の問題があった。
【０００７】
・避雷経路が羽根を貫通しているため、周辺部位に雷導電による影響がある。
【０００８】
・積年の落雷により避雷経路の各部位自体が経年劣化し、避雷機能が低下する。
【０００９】
・避雷経路の各部位への影響や経年劣化に対する点検・交換等の保守費がかかる。
【００１０】
・避雷経路周辺の制御・通信機器に対し、落雷放電時に電磁ノイズ等の悪影響がある。
【００１１】
・周辺住民や通行者から、落雷頻度の増加に対する苦情がある。
【００１２】
（２）従来の能動的な避雷方式には、以下の問題があった。
【００１３】
・避雷針を高所に伸長／飛翔させるための装置が高価になる。
【００１４】
・落雷の捕捉が確実でなく、羽根への落雷は完全に防ぐことができない。
【００１５】
・避雷針を飛翔させる場合、飛翔経路が風雨の影響を強く受けるため、経路制御に失敗する危険性がある。
【００１６】
・雷を受けることは待雷方式と同様であり、羽根や避雷経路への影響、保守費、苦情の問題がある。
【００１７】
（３）他の能動的な避雷方式には、以下の問題があった。
【００１８】
・電荷除去の効果は確実でなく、羽根への落雷は完全に防げない。
【００１９】
・装置が特殊で高コストになる。
【００２０】
本発明の目的は、設備容積、コスト、安全面で優れた風力発電機の落雷保護装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、前記の課題を解決するため、雷雲接近を検知し、この検知で羽根の最高部が地表から最も低い位置になる回転位置で停止させ、この回転位置に保持することで、雷雲接近時に羽根が落雷し難い状態・姿勢にして落雷を減らすようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００２２】
（１）タワー頂上部に設けられるナセルに、地表に対してほぼ水平方向で軸支される羽根を設け、風で回転駆動される前記羽根によって発電機を駆動する構造の風力発電機の落雷保護装置であって、
雷雲の接近を検知する雷接近検知装置と、
前記雷接近検知装置が雷接近を検知したときに、前記羽根の回転を停止し保持する停止装置を備えたことを特徴とする。
【００２３】
（２）前記停止装置は、前記雷接近検知装置が雷接近を検知したときに、前記羽根のうちの最高部が地表から最も低い位置になる回転位置で停止させ、この回転位置を保持することを特徴とする。
【００２４】
（３）前記雷接近検知装置は、前記羽根からナセルに到る避雷経路における放電ギヤップの近傍に設置したコロナ放電検出装置もしくは電界強度検出装置で構成し、雷接近時のコロナ放電もしくは電界強度の上昇で雷接近を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
以上のとおり、本発明によれば、雷雲接近を検知し、この検知で羽根の最高部が地表から最も低い位置になる回転位置で停止させ、この回転位置に保持することで、雷雲接近時に羽根が落雷し難い姿勢にして落雷を減らすようにしたため、従来方式に比べて、設備容積、コスト、安全面で優れる。
【００２６】
具体的には、
（１）従来の方式に比べ、構成装置は単純・小型であるため、既存の風力発電機設備に内蔵するなど、設置に必要な空間は極めて小容積で済む。装置の製造や設置に関するコストを下げることができる。
【００２７】
（２）落雷頻度が極めて少なくなるため、風力発電機の各部位に落雷による劣化が減少し、その結果、点検・交換の頻度と保守費を下げることができる。
【００２８】
（３）避雷針を高所に伸長飛翔させる「誘電方式」に比べ、高所に特別な構造物を出現させることがないため、安全である。
【００２９】
（４）落雷頻度が極めて少なくなるため、羽根の破損被害が大いに減少する。また、万が一落雷した場合でも、停止している状態での落雷なので羽根の破損は下方のみであり、遠方へ飛散することはない。つまり、安全性を大いに高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の実施形態を示す風力発電機の全体構成（ａ）と落雷回避状態（ｂ）である。
【００３１】
本実施形態では、従来の風力発電機の構成に加えて、「雷接近検知装置」と「停止装置」を追加する。雷接近検知装置１は、例えば雷雲接近時に電界強度が上昇する現象もしくはコロナ放電を検知して雷雲接近を判定し、この雷雲接近の判定が得られたときに停止装置２にその旨を通知する。なお、雷雲接近の他の検知方式としては、気象レーダ型雷雲感知装置、電磁波受信型感知装置などを利用して雷雲接近を感知することができる。
【００３２】
停止装置２は、雷接近検知装置１から雷雲接近の通知があったとき、風力発電機の羽根３の回転位置を検出し、この検出信号を基に羽根のうちの最高部が地表から最も低くなる回転位置で停止させ、その回転位置に保持する。この停止状態は、図１の（ｂ）に示すようになる。
【００３３】
なお、羽根３の回転位置の検出は、例えば、ナセル内部で羽根３の回転軸に設けたエンコーダによって検出できる。また、羽根３の停止制御と保持には、ナセル内に設けられる羽根駆動部を利用すること、または増速ギヤ機構や発電機軸に設けられる緊急停止用ロータディスクブレーキを利用することができる。
【００３４】
以上の構成において、雷接近検知装置１は、雷雲の接近を検知したときに停止装置２に雷接近通知を行なう。雷接近通知を受けた停止装置２は、羽根３の回転・停止の制御を開始し、制御を受けた羽根駆動部は、羽根のうちの最高部が地表から最も低くなるまで回転させた後、停止させ、その姿勢を保持する。
【００３５】
この結果、「高所に位置する物体に落雷し易い」という雷の特性に反する形態を保持することにより、羽根３への落雷頻度が減少する。また、羽根３を停止させることにより、図２の（ａ）に示すように、羽根３の停止状態では羽根３の先端部で生じるコロナ放電による電荷が羽根先端部周辺の空間に蓄積し、電極面積が増大したのと等価となって、雷雲によって誘起される羽根先端部の電界強度が弱められ、落雷し難くなる。なお、羽根が回転したままの状態では、図２の（ｂ）に示すように、電荷は空間中に放出されて羽根３から離れていくため、この電界緩和作用は起こらない。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、従来の方式に比べ、構成装置は単純・小型であるため、既存の風力発電機設備に内蔵するなど、設置に必要な空間は極めて小容積で済む。また、装置の製造や設置に関するコストを下げることができる。さらに、落雷頻度が極めて少なくなるため、風力発電機の各部位に落雷による劣化が減少し、その結果、点検・交換の頻度と保守費を下げることができる。
【００３７】
さらに、避雷針を高所に伸長飛翔させる「誘電方式」に比べ、高所に特別な構造物を出現させることがないため、安全である。
【００３８】
さらにまた、他方式では落雷は避けられないが、落雷すると羽根が破損し、破損部が周辺の民家や通行者の方向へ飛び大変危険である。すなわち、風車の回転速度は３秒で１回転程度であるが、羽根は長大であるため、羽根の先端部では２００ｋｍ／ｈにもなる。その速度で回転中に破損すると、数百メートルも飛散することがある。これに対し、本実施形態の方式では、落雷頻度が極めて少なくなるため、羽根の破損被害が大いに減少する。また、万が一落雷した場合でも、停止している状態での落雷なので羽根の破損は下方のみであり、遠方へ飛散することはない。つまり、安全性を大いに高めることができる。
【００３９】
図３は、雷接近検知装置の構成例を示す。図１では、雷接近検知装置を独立した単体装置としてタワー外部などに設置する場合を示すが、図３では羽根３からナセル４へ至る避雷経路中の放電ギヤップを利用した雷接近検知装置の例を示す。羽根３からナセル４に到る避雷経路において、羽根３は回転するためナセル４側とは電気的に接続しておらず、放電ギヤップ１Ａが存在する。この近傍にコロナ放電検出装置１Ｂもしくは電界強度検出装置を設けることで、雷雲の接近を検知する。
【００４０】
すなわち、雷雲が接近すると、上記放電ギヤップ１Ａにコロナ放電が生じ、電界強度も強まるため、それをコロナ放電検出装置１Ｂもしくは電界強度検出装置が検出して雷接近を通知する。
【００４１】
このような構成になる雷接近検知装置は、既存の避雷経路の放電ギヤップを利用し、近傍にコロナ放電検出装貫もしくは電界強度検出装置を追加するだけの単純な構成であるため、設置に必要な空間は極めて小容積で済む。また、製造および設置に要するコストが極めて安価であるし、故障や劣化も少なく、保守・点検の費用も少ない。
【００４２】
なお、実施形態では、３枚羽根の風力発電機に適用した場合を示すが、４枚羽根の場合も同様の手法で落雷から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態を示す風力発電機の全体構成（ａ）と落雷回避状態（ｂ）。
【図２】電荷蓄積と電界状態図。
【図３】雷接近検知装置の構成例。
【符号の説明】
【００４４】
１  雷接近検知装置
２  停止装置
３  羽根
４  ナセル
１Ａ  放電ギャップ
１Ｂ  コロナ放電検出装置
【図１】
2007100571.tif 000003
【図２】
2007100571.tif 000004
【図３】
2007100571.tif 000005