(57)【要約】【課題】風車ブレードの空気摩擦による電荷の帯電を防止し、風車ブレードへの雷撃がなく、表面に塵芥等の異物が付着し、風の抵抗値の増加による風車効率の低下や美観が損なわれることのない風車、風力発電装置を提供すること。【解決手段】ブレードの表面に酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層を形成し、これらの層中にある酸化チタンが紫外線を受けた時、光触媒作用により活性酸素を発生すると同時に、表面が親水基（−ＯＨ）で覆われ、この親水基（−ＯＨ）が空気中の水分と親和して静電気（＋電荷）の帯電を防ぐことにより、雷撃を受けないようにした風車、該風車を用いた風力発電装置。【選択図】図３
2007120393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したことを特徴とする風車。
【請求項２】
請求項１に記載の風車において、
前記被膜層は光触媒塗料を塗布して形成したことを特徴とする風車。
【請求項３】
請求項１に記載の風車において、
前記被膜層は酸化チタンを有する材料で形成したことを特徴とする風車。
【請求項４】
タワー、該タワー上部に回転自在に支持された風車、該風車により駆動される発電機を備えた風力発電装置において、
少なくとも前記風車のブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電装置において、
前記タワー表面にも光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の風力発電装置において、
前記被膜層は光触媒塗料を塗布して形成したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項４乃至６の何れか１項に記載の風力発電装置において、
前記被膜層は酸化チタンを有する材料で形成したことを特徴とする風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車、風力発電装置に関し、特に風力発電装置の風車ブレードへの雷撃がなく、且つ風車ブレードらの表面に塵芥等の異物が付着し、風の抵抗値の増加による風車効率の低下や美観が損なわれることを防止できる風車、風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化が問題となり、自然エネルギーの活用が注目されるようになってから、風力発電装置の設置が活発となり、その総発電量も年々増加の傾向にある。それに伴い、風車、発電機構造、制御装置等各種の技術分野の開発、改良が行なわれている。そのなかで避雷技術の開発、改良も重要である。
【０００３】
一般に、大地落雷密度Ｎｇ（回／ｋｍ2／年）と、その地点の年間雷雨日数Ｔｄの間には、次の関係がある。
Ｎｇ＝０．１Ｔｄ
【０００４】
例えば、年間雷雨日数３０日の地点では、１ｋｍ×１ｋｍの面積内に年間平均３回の落雷が予想される。従って、地上高さＨｍの高層建造物の場合、等価受雷面積＝９πＨ2とされる。
【０００５】
例えば、地上高さＨ＝２００ｍの建造物が年間雷雨日数３０日の地点にあれば、等価受雷面積は１．１３ｋｍ2となり、この建造物に対する年間落雷数は、約３．４回と想定される。
【０００６】
一般に風力発電設備は、高層建造物に相当するタワーの頂上にナセルと称する筐体を配置し、この筐体内に発電機を設置し、発電機シャフトに直結、又はギア等で連結したシャフトに翼車を配置し、風力により翼車を回転し翼車の回転に比例する回転力を発電機に伝達し発電する設備である。ここで単位面積Ａ（ｍ2）あたりに通過する風速Ｖ（ｍ／ｓ）の風のエネルギーＰ（ｗ）は空気密度をρ（ｋｇ／ｍ3）とすると次式で表せる。
Ｐ＝１／２ｍＶ2＝１／２（ρＡＶ）Ｖ2＝１／２ρＡＶ3
【０００７】
即ち、風力エネルギーＰは受風面積に比例、風速の３乗に比例する。従って、風力エネルギーを有効活用するため、できるだけ風の強い場所を選び、更に受風面積を大きくする必要がある。このことは風車が大きくなることを意味し、更にはタワー自体が高層になることを意味している。
【０００８】
近年、風力発電機の容量も大きくなりタワー自体も高層化が進んでいる。従って雷撃を受け易く、この雷撃によって発電設備に関わる発電機及びこれらを制御する電気品にも損傷する機会が一段と増えている。
【０００９】
風車は山の上など風況が良好な場所に建設されることが多く、風車自体の高さが約１００ｍと非常に高い事から雷撃の被害が多い。特に風車のブレードは繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等絶縁物で作られているのにも関わらず、その形状から雷撃を受ける。雷撃対策として従来から色々な方法があるが、以下に示す方法が一般的である。
【００１０】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、風車１０の風車ブレード１１の先端部に受雷部（金属製レセプターや金属導体端部）１２を設け、ここで積極的に雷撃を受けるようにする。受雷部１２で受けた雷の電流は風車ブレード１１内部に設けた避雷導線１３、図１（ｂ）に示すハブ１４、ナセル１５、タワー１６、及びアース導体１７を経由して地中に逃がす。なお、１８はナセル１５に設けた避雷針である。なお、図１（ａ）は風力発電装置の全体構成を示す図、図１（ｂ）は風車の一部を示す図である。
【００１１】
ここで雷放電には多くのタイプがあり、夫々のタイプで雷撃点決定様式が異なる。平地の夏季雷で最も多い雲−大地雷では、先ず雷雲底部の負の電荷中心から、雷雲電荷によって満たされた円柱形の管と、その中心部にあるイオン化されたプラズマ核が間欠的に地上に向かって進展する。
【００１２】
リーダと呼ばれるこの放電の先端が地上に近づくと、その先端付近にある樹木や建物の先端（金属か非金属かは問題にならない）でも電界強度が強くなり、リーダ雷先端に最も近い突起物先端で、空気の絶縁耐圧（約２３００ｋＶ／ｍ）を越えると、ここからリーダ雷に似た捕捉放電が伸長し、最終的にリーダ雷先端と会合する。これによって雷道が完成し、リーダ雷の電荷管に蓄積された電荷が地上電荷と中和する。この時に流れる電流が主放電電流である。上記避雷方法によれば雷撃があった場合、その電流を大地まで導き発電設備には雷撃による電流を流さないということではその効果が期待できる。
【００１３】
上記のように風車ブレード１１の先端部に雷受部１２を設け、ここで積極的に雷撃を受けるようにしても、受雷部１２以外の風車ブレード１１を雷撃する場合がある。特に冬季に発生する冬季雷は雷雲が低く垂れ込めることから、風車の横方向から風車ブレード１１を雷撃することがあり、その異常に高いエネルギーも相まって風車ブレード１１が折損する場合もある。
【００１４】
また、風車のブレードの最高点よりも高い避雷針を建設することも考慮されるが、風力発電設備の風況に影響を与えない高層の避雷針を建設することは容易ではない。また、特許文献１に示すように、設置された誘雷鎖に接続した誘雷針と、該誘雷針を水圧による放水流によって飛翔させる誘雷針飛翔手段を備えると共に、該誘雷針飛翔手段は固定の導水管及び伸縮導水管を備え、該導水管に高圧水を導入し、該導水管から放出される放水流により誘雷針を飛翔させるものもある。
【００１５】
しかしながら、上記のように放水流により誘雷針を風車のブレードの最高点よりも高い位置に飛翔させる方法も、風車の横方向からブレードを雷撃する雷には効果がない。
【００１６】
風車のブレードは風車の直径や風速にもよるが、定格運転時にはブレード先端部で時速２００ｋｍ以上の周速で回転している。この高周速回転による空気摩擦でブレード表面に静電気（＋電荷）が発生し、それが雷を誘導していると考えられる。特に、空気摩擦はブレード表面の平滑度に依存し、通常ブレード表面は塗装を施さないことから時間の経過による表層劣化によって静電気量が増加する傾向にある。なお、風車ブレードがＧＦＲＰの様な絶縁物で製作されている場合は、アースがされていても電荷の移動は殆どなく静電気を除く効果が無いため、ブレードの回転による静電気は蓄積される一方となっている。
【００１７】
雷撃対策については、雷注意報が出たら風車を停止することも考えられるが、停止する前に帯電した静電気が残っている。従って、風車停止後帯電した電荷を除電するか、元々帯電しない様なブレードにする必要がある。電荷を除電する方法としては、接地、導電率の向上、電荷中和が考えられるが、接地はブレードがＧＦＲＰの様な絶縁物で製作されているので効果がない。
【００１８】
また、導電率を向上する方法としてはブレード表面に水を噴霧させる方法があるが実用上難しい。また、プレートの回転により水分が飛散し効果が長持ちしない。それに、風車の建設地の関係上、水源確保が困難等の問題がある。帯電した電荷を中和する方法としては、イオナイザ等でイオンを発生させ、静電気を中和する方法が考えられるが、高さ１００ｍを超える風車のサイズでは実現が不可能又は極めて困難である。
【００１９】
また、風力発電装置の風車のブレードは当然のことながら風雨、氷雪等の自然環境に曝され、プレート表面に塵芥が付着し、風の抵抗値が増え風車効率が低下することが憂慮される。更に往年の風力発電装置は、人気の無い海岸、山頂等に建設されることが多かったが、近年の風力発電装置は都市近郊でも林立しモニュメントとしての役目をも担っている。そのため風車ブレードの汚損はモニュメントとして相応しくなく、耐環境性の問題も含む問題として提起されている。
【００２０】
この対策として、汚損したブレードをクリーニングする対策も考慮される。しかし、風車ブレードは発電容量にもよるが最近の１５００ｋＷ級の風力発電装置では風車ブレードの回転軸が７０ｍ上空にあり、風車ブレードの全長は３０ｍを超えることから、クレーン作業を考慮しても困難な作業となる。また、風車ブレードを外して地上でのクリーニングとなると更に大掛かりな作業となり、その作業に見合った効果が期待できないという問題もある。また、特許文献２に示すように、ブレードの表面を清掃する清掃装置を取り付けたものもあるが、構成装置が複雑となるという問題がある。
【特許文献１】特開２００４−３４２５１８号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、風車ブレードの空気摩擦による電荷の帯電を防止し、風車ブレードへの雷撃がなく、表面に塵芥等の異物が付着し、風の抵抗値の増加による風車効率の低下や美観が損なわれることのない風車、風力発電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】
【００２２】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したことを特徴とする風車にある。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風車において、前記被膜層は光触媒塗料を塗布して形成したことを特徴とする。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の風車において、前記被膜層は酸化チタンを有する材料で形成したことを特徴とする。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、タワー、該タワー上部に回転自在に支持された風車、該風車により駆動される発電機を備えた風力発電装置において、少なくとも前記風車のブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したことを特徴とする。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の風力発電装置において、前記タワー表面にも光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したことを特徴とする。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の風力発電装置において、前記被膜層は光触媒塗料を塗布して形成したことを特徴とする。
【００２８】
請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６の何れか１項に記載の風力発電装置において、前記被膜層は酸化チタンを有する材料で形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に記載の発明によれば、ブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したので、該被膜層に含まれる酸化チタンが紫外線を受けると活性酸素を発生すると同時に、表面が親水基（−ＯＨ）で覆われ、この親水基（−ＯＨ）が空気中の水分と親和して静電気の帯電を防ぐ。また、表面に付着した塵芥等の汚れを活性酸素の働きで表面との結合力を弱め、雨が降ると雨水が汚れの下に入り込み汚れが浮き上がることにより、洗い流され（セルフクリーニング作用）、ブレード表面に塵芥等が堆積することがなく、風車効率を建設初期の状態に維持できる。また、一般にＧＦＲＰ等の絶縁物からなるブレードは表面劣化により、空気抵抗値が大きくなり風車効率が低下すると共に、摩擦抵抗の増大により電荷の帯電量も大きくなる傾向があり、ブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成することにより、長期間に渡って表面が平滑となり空気摩擦による静電気の発生を抑制できる。
【００３０】
請求項２に記載の発明によれば、被膜層は光触媒作用を有する塗料を塗布して形成するので、被覆層の形成が容易で、上記のように光触媒作用による静電気の帯電、風車効率が低下、セルフクリーニング作用によるブレード表面の汚れを防止する効果が期待できると共に、光触媒塗料の優れた高耐候性、高耐久性により、ブレード自体の寿命が延びる。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、被膜層は酸化チタンを有する材料で形成したので、酸化チタンの光触媒作用による静電気の帯電、風車効率が低下、セルフクリーニング作用によるブレード表面の汚れを防止する効果が期待できる。
【００３２】
請求項１乃至３に記載の発明によれば、上記のように空気との摩擦により風車ブレード表面に発生する静電気（＋電荷）の帯電を抑制・防止することから、風車ブレード表面の雷雲中の−電荷を電気的に誘引する力が解消され、雷撃を回避でき、雷撃による風車破損等の事故を防止できる。
【００３３】
請求項４に記載の発明によれば、少なくとも風車のブレードの表面に光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したので、風車ブレード表面に発生する静電気を抑制・防止して雷撃を防ぐと共に、セルフクリーニング作用によるブレード表面の塵芥の付着堆積による風車効率、ブレード表面の劣化による風車効率の低下を防ぐことができ、更に風車の汚れによる美観の低下を防止できるという効果が期待できる。
【００３４】
請求項５に記載の発明によれば、タワー表面にも光触媒作用又は超親水性作用を有する被膜層を形成したので、タワー含む風車設備に上記効果が期待できる。
【００３５】
請求項６に記載の発明によれば、被膜層は光触媒塗料を塗布して形成したので、被覆層の形成が容易で、上記のように光触媒作用による静電気の発生、風車効率が低下、セルフクリーニング作用によるブレード表面の汚れを防止の効果が期待できると共に、光触媒作用を有する塗料の優れた高耐候性、高耐久性を有し、ブレード自体の寿命が延びる。
【００３６】
請求項７に記載の発明によれば、被膜層は酸化チタンを有する材料で形成したので、酸化チタンのように光触媒作用による静電気の発生、風車効率が低下、セルフクリーニング作用によるブレード表面の汚れを防止する効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。本発明に係る風車、風力発電装置の構成は、図１に示ものと略同一であるからその説明は省略する。風車ブレード１１の製造方法は、パルサ材のような軽量木材を型にしてこれに規定厚迄ガラスクロスに樹脂を塗布しながら貼り付け成形する方法、また木材の代わりに金型を用いる方法、金型にガラスクロスを挟み接着剤を含浸する方法等、ブレードの大きさ、処理設備によってその種類は限りない。ここでは一例としてブレード表面が接着剤を処理したガラスクロスで覆われているブレードについて説明する。
【００３８】
図２は金型に予め接着剤を処理したガラスクロスを貼り合せた上下それぞれ個別に製作したブレード片１１ａ、１１ｂを、上下２枚を合わせてブレード１１を構成する最終過程を模擬したものである。ここで、内側にブレードの凸型を挿入し、外側に凹型を当てて加熱すれば予め処理した接着剤が溶融硬化して風車ブレード１１が形成される。
【００３９】
ここでは、内側にブレード凸型を挿入した過程でブレードの表面となる面に酸化チタン粉体を吹き付け、酸化チタン粉体が表面に満遍なく付着した状態でブレードの凹型を被せ、接着剤を硬化させて酸化チタン層を形成した。ここで用いた酸化チタンは１００ミクロン以下の微粉体で接着剤が半硬化状態であるため容易に付着させることができる。また、予めガラスクロスに処理した接着剤は加熱により一度溶融し、硬化する過程で酸化チタン粉体をブレード表面に強固に接着することができる。このようにして、図３に示すように、プレート片１１ａ及びブレード片１１ｂの表面に接着剤と強固に接着された酸化チタン粉体固着層２０を形成できる。
【００４０】
光触媒作用を有する被膜層を形成する方法としては、風車ブレード１１の表面に光触媒塗料を塗布することにより、図４に示すように風車ブレード１１の表面に光触媒塗料層２１を形成する方法がある。ここで用いる光触媒塗料としては、例えば東陶機器株式会社製の光触媒塗料を用いる。
【００４１】
上記のように、風車ブレード１１の表面に、酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層２１を形成することにより、光触媒塗料層２１の酸化チタン、光触媒塗料層２１の酸化チタン（Ｏ−Ｔｉ−Ｏ−Ｔｉ・・・）が、図５（ａ）に示すように紫外線（ＵＶ）を受けると活性酸素（Ｏ）を発生すると同時に、図５（ｂ）に示すように表面が水と非常になじみやすい親水基（−ＯＨ）で覆われる。
【００４２】
上記のように大型の風車が定格運転時では、風車ブレード１１の先端部で周速２００ｋｍ以上にも達し、空気との摩擦により風車ブレード１１の表面に静電気（＋電荷）が発生するが、上記のように風車ブレード１１の表面に酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層２１を形成することにより、その表面が親水基（−ＯＨ）で覆われ、空気中の水分と親和して風車ブレード１１の表面の電導度が向上するから静電気（＋電荷）を放電し、ブレード帯電の発生を防ぐ。この結果、風車ブレード１１の表面には雷雲中に発生する−電荷を電気的に誘引する＋電荷が消失し雷撃を受けることがなくなる。
【００４３】
また、酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層２１の表面に活性酸素（Ｏ）が発生することにより、表面に付着した塵芥等の汚れが活性酸素の働きにより、表面との結合が弱められ、更に雨水が汚れの下に入り込み浮き上がらせることによって、汚れが流落とされる。従って、風車ブレード１１の汚れは雨が降る毎に洗い流されるので、風車ブレード１１に塵芥等の汚れが堆積することなく、清掃された状態に保たれるから美観が維持できると共に、汚れ物の堆積により風との摩擦抵抗が増え、風車効率が低下するという問題が発生しない。特に、風車を海岸沿いや海上に設置した場合、風車ブレードに塩分が付着し堆積し、それが風車効率を低下されるという問題があるが、風車ブレード１１の表面に酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層２１を形成することにより、降雨のたび毎に付着する塩分が洗い流されこの問題が解決される。
【００４４】
また、風車ブレード１１の表面に酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層２１を形成、特に光触媒塗料層２１を形成することにより、風車ブレード１１の表面は平滑となる。空気摩擦は風車ブレード１１の表面の平滑度に依存し、通常ＧＦＲＰ等の絶縁物からなる風車ブレード１１の表面は塗装を施していないので、時間の経過による表層が劣化し摩擦抵抗が増加し風車効率が低下すると共に、静電気量が多く発生するが酸化チタン粉体固着層２０又は光触媒塗料層２１、特に光触媒塗料層２１を形成することにより、光触媒塗料の優れた高候性、高耐久性により長期間に渡り風車ブレード１１の表面を平滑に保ち、風車効率が低下することがない。また、風車ブレード１１自体の寿命も延びる。
【００４５】
また、風車ブレード１１に限定せず、風力発電装置のハブ１４、ナセル１５、タワー１６（図１参照）の表面にも光触媒塗料を塗布することにより、この部分が紫外線（ＵＶ）を受けると活性酸素（Ｏ）を発生し、表面が水と非常になじみやすい親水基（−ＯＨ）で覆われるから、上記と同様、降雨のたび毎に汚れが洗い落とされ、汚れの付着しない状態を維持し、美観を損なうことがない。
【００４６】
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。上記実施形態例では、大型の風力発電装置に用いる風車を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば太陽光発電設備と風力発電設備を組み合わせたハイブリッド型の太陽光・風力発電設備のような小型風車、公園等に設置されるモニュメント又はモニュメント性の強い風車等どのような風車であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】風力発電装置とその避雷装置の構成例を示す図で、図１（ａ）装置全体を示す図、図１（ｂ）は風車の一部を示す正面図である。
【図２】本発明に係る風車ブレードの外観例を示す図である。
【図３】本発明に係る風車ブレードの断面例を示す図である。
【図４】本発明に係る風車ブレードの断面例を示す図である。
【図５】本発明に係る風車ブレードの表面作用を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０      風車
１１      風車ブレード
１２      受雷部
１３      避雷導線
１４      ハブ
１５      ナセル
１６      タワー
１７      アース導体
１８      避雷針
２０      酸化チタン粉体固着層
２１      光触媒塗料層
【図１】
2007120393.tif 000003
【図２】
2007120393.tif 000004
【図３】
2007120393.tif 000005
【図４】
2007120393.tif 000006
【図５】
2007120393.tif 000007