(57)【要約】      （修正有）【課題】風車ブレードに生じた静電気を容易に計測可能な、静電気計測装置等を提供する。【解決手段】静電気計測装置１０は、アンテナ１１と同調回路１２と電流計１３とを有し、風車ブレードに生じた静電気を計測する。アンテナ１１は、風車ブレードから放射される電磁波を受信する。同調回路１２は、アンテナ１１に接続され、アンテナ１１が受信した電磁波の周波数に同調する。電流計１３は、同調回路を流れる電流を計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車ブレードに生じた静電気を計測する静電気計測装置であって、
前記風車ブレードから放射される電磁波を受信するアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記アンテナが受信した電磁波の周波数に同調する同調回路と、
前記同調回路を流れる電流を計測する電流計と
を有する、
静電気計測装置。
【請求項２】
前記風車ブレードに音波を照射するスピーカ
を更に有し、
前記スピーカから前記風車ブレードに音波を照射した状態で、前記アンテナが前記電磁波を受信する、
請求項１に記載の静電気計測装置。
【請求項３】
前記スピーカは、前記風車ブレードの一部に音波を収束させて照射するように構成されている、
請求項２に記載の静電気計測装置。
【請求項４】
風車ブレードに生じた静電気を計測する静電気計測方法であって、
前記風車ブレードから放射される電磁波をアンテナで受信する受信ステップと、
前記アンテナが受信した電磁波の周波数に同調した同調回路を流れる電流を電流計で計測する計測ステップと
を有する、
静電気計測方法。
【請求項５】
前記受信ステップでは、前記風車ブレードに振動を与えた状態で、前記電磁波を受信する、
請求項４に記載の静電気計測方法。
【請求項６】
前記計測ステップでは、前記風車ブレードの振動数に基づいて、前記アンテナが受信した電磁波の周波数に同調回路を同調させる、
請求項４または５に記載の静電気計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、静電気計測装置、および、静電気計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電システムは、日本国において重要なエネルギー源に位置付けられており、更なる導入が期待されている。しかし、日本国では、外国に比べて落雷の威力が大きく、風車ブレードが落雷によって破損する被害が多い。特に、近年においては、風車の大型化に伴って、落雷による被害が更に増加している。
【０００３】
落雷によって風車ブレードが大きく損傷した場合、修理のために、風力発電システムの運転が長期に渡って停止される。その結果、発電業者において、大きな損失が生ずる。そこで、落雷から風車ブレードを保護するために、さまざまな技術（受雷部に落雷を誘導する技術、落雷位置を検出する技術など）が提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１００６５８号公報
【特許文献２】特許第５５３５８８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
風力発電システムにおいて、風車ブレードは、絶縁物を用いて形成されている。このため、風車ブレードに電荷が蓄積し、静電気が生じた状態になる場合がある。その結果、風車ブレードに落雷が誘発される場合がある。特に、風車ブレードに落雷が生じた場合において、その落雷による電荷がアースに流れずに風車ブレードに残留したときには、落雷が誘発されやすい。
【０００６】
しかしながら、上記の技術では、風車ブレードに生じた静電気を容易に計測することができない。このため、落雷の発生を減少させるために、静電気を適切に除去する作業等を効果的に行うことが容易でない。
【０００７】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、風車ブレードに生じた静電気を容易に計測可能な、静電気計測装置、および、静電気計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の静電気計測装置は、アンテナと同調回路と電流計とを有し、風車ブレードに生じた静電気を計測する。アンテナは、風車ブレードから放射される電磁波を受信する。同調回路は、アンテナに接続され、アンテナが受信した電磁波の周波数に同調する。電流計は、同調回路を流れる電流を計測する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態において、静電気計測装置を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態において、静電気計測装置の計測対象である風力発電システムについて、模式的に示す図である。
【図３】第１実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【図４】第２実施形態において、静電気計測装置を模式的に示す図である。
【図５】第３実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【図６】第４実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【図７】第７実施形態において、静電気計測装置の計測対象である風力発電システムについて、模式的に示す図である。
【図８】第８実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
＜第１実施形態＞
［Ａ］構成
［Ａ−１］静電気計測装置の構成
図１は、第１実施形態において、静電気計測装置を模式的に示す図である。
【００１２】
図１に示すように、静電気計測装置１０は、アンテナ１１と同調回路１２と電流計１３とを有し、風力発電システムの風車ブレード（図示省略）に生じた静電気を計測するために使用される。
【００１３】
静電気計測装置１０を構成する各部の詳細について順次説明する。
【００１４】
静電気計測装置１０において、アンテナ１１は、風車ブレードから放射される電磁波を受信するように構成されている。アンテナ１１は、図１に示すように、たとえば、線状アンテナである。
【００１５】
静電気計測装置１０において、同調回路１２は、アンテナ１１に電気的に接続されており、アンテナ１１が受信した電磁波の周波数に同調するように構成されている。同調回路１２は、図１に示すように、可変コンデンサ１２１とコイル１２２とを含み、たとえば、同軸ケーブルを用いてアンテナ１１に接続されている。可変コンデンサ１２１は、一端がコイル１２２に電気的に接続され、他端が電流計１３と同軸ケーブルの一方の導体（たとえば、内部導体）を介してアンテナ１１に接続されている。そして、コイル１２２は、一端が可変コンデンサ１２１に接続され、他端が同軸ケーブルの一方の導体（たとえば、外部導体）を介してアンテナ１１に接続されている。つまり、同調回路１２は、可変コンデンサ１２１とコイル１２２との両者が直列に接続された直列共振回路であって、共振周波数（同調周波数）の交流電流が共振周波数以外の交流電流よりも選択的に多く流れる。ここでは、同調回路１２は、操作者が可変コンデンサ１２１の容量を変更してインピーダンスを調節することによって、共振周波数が選択され、その選択された共振周波数の交流電流が流れる。
【００１６】
静電気計測装置１０において、電流計１３は、同調回路１２に接続されており、同調回路１２を流れる電流を計測する。
【００１７】
［Ａ−２］風力発電システムの構成
図２は、第１実施形態において、静電気計測装置の計測対象である風力発電システムについて、模式的に示す図である。
【００１８】
風力発電システム１は、図２に示すように、たとえば、アップウィンド形のプロペラ風車であって、タワー２、ナセル３、および、ロータ４を備えている。
【００１９】
タワー２は、鉛直方向に沿って延在しており、地中に埋め込まれた基台（図示省略）に下端部が固定されている。
【００２０】
ナセル３は、タワー２の上端部に設置されており、ヨー角θｙの調整のために、鉛直方向を軸にして回転するように支持されている。図示を省略しているが、ナセル３の内部には、発電機（図示省略）が収容されている。
【００２１】
ロータ４は、ナセル３の一方の側端部に回転可能に支持されており、たとえば、水平方向を回転軸として回転方向Ｒに回転する。ロータ４は、ナセル３の内部に収容された発電機（図示省略）の回転軸に連結されており、ロータ４の回転によって発電機が駆動し、発電が行われる。
【００２２】
ロータ４は、ハブ４１と複数の風車ブレード４２とを備えている。
【００２３】
ロータ４において、ハブ４１は、外形が半楕円体状の先端カバーを含み、水平方向において風上から風下へ向かうに伴って外周面の外径が大きくなるように形成されている。
【００２４】
ロータ４において、複数の風車ブレード４２のそれぞれは、ハブ４１を中心にして径方向に延在しており、回転方向Ｒにおいて等間隔に並ぶように設置されている。たとえば、３枚の風車ブレード４２が設けられており、それぞれは、ピッチ角αの調整のために、一端がハブ４１に回転可能に支持されている。
【００２５】
なお、図示を省略しているが、風力発電システム１は、風向風速計測部（図示省略）が取付けられており、風向風速計測部が計測した風速データおよび風向データに応じて、ヨー角θｙおよびピッチ角αの調整を行うように構成されている。具体的には、計測された風向データに基づいて、ヨー角θｙを調整する。たとえば、ロータ４の回転軸が風向きに沿うように、ヨー角θｙが調整される。また、計測された風速データに基づいてロータ４において風車ブレード４２がハブ４１に取付けられたピッチ角αを調整する。たとえば、風車ブレード４２において最も揚力が発生するように、ピッチ角αが調整される。また、たとえば、操作者の操作に応じて、ヨー角θｙおよびピッチ角αの調整を行うように構成されている。
【００２６】
この他に、風力発電システム１は、ロータ４の回転を制動するブレーキ装置（図示省略）が設置されている。ブレーキ装置（図示省略）は、たとえば、操作者の操作に応じて、ロータ４の回転を制動するように構成されている。
【００２７】
［Ｂ］静電気計測方法
図３は、第１実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。図３では、風車ブレード４２を含む風力発電システム１の正面を示すとともに、静電気計測装置１０のアンテナ１１を示している。
【００２８】
図３に示すように、風車ブレード４２に電荷ＥＣが蓄積することで生じた静電気を計測するときには、風力発電システム１の付近に静電気計測装置１０のアンテナ１１を設置する。
【００２９】
風車ブレード４２に電荷ＥＣが蓄積して静電気が生じた状態のときにロータ４が回転して電荷ＥＣに加速度が発生した場合には、風車ブレード４２から電磁波ＥＷが放射される。このため、風車ブレード４２から放射された電磁波ＥＷを、静電気計測装置１０のアンテナ１１で受ける。これにより、アンテナ１１が受信した電磁波の周波数に同調した同調回路１２を流れる交流電流について、電流計１３を用いて計測することができる（図１参照）。
【００３０】
ここでは、たとえば、操作者が、同調回路１２の可変コンデンサ１２１の容量を変更してインピーダンスを調節することによって、共振周波数を選択する。そして、その選択された共振周波数の交流電流について、電流計１３を用いて計測を行う（図１参照）。
【００３１】
したがって、本実施形態では、風車ブレード４２に生じた静電気を容易に計測することができる。その結果、本実施形態においては、風車ブレード４２から静電気を適切に除去する作業等を効果的に行うことが可能であるので、落雷の発生を減少可能である。
【００３２】
＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態において、静電気計測装置を模式的に示す図である。
【００３３】
本実施形態は、図４に示すように、静電気計測装置１０は、報知部１４を更に有する。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００３４】
静電気計測装置１０において、報知部１４は、電流計１３に電気的に接続されており、電流計１３が計測した電流に関する情報を外部に報知するように構成されている。
【００３５】
報知部１４は、たとえば、警告装置であって、電流計１３が計測した電流が、予め定めた閾値よりも大きい場合に、風車ブレード４２に多量の静電気が発生している旨を警告情報として管理者等に警告する。具体的には、報知部１４は、たとえば、ディスプレイ（図示省略）を含み、ディスプレイに警告情報を表示する。また、報知部１４は、たとえば、スピーカ（図示省略）を含み、スピーカから警告情報を音声で出力する。その他、報知部１４は、たとえば、通信装置を含み、通信装置を介して、離れた場所にいる管理者等に警告情報を提供するように構成されていてもよい。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、電流計１３が計測した電流に関する情報を、管理者等が容易に把握可能である。その結果、風車ブレード４２から静電気を適切に除去する作業等を効果的に行うことが可能であるので、落雷の発生を減少可能である。
【００３７】
＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【００３８】
本実施形態は、図５に示すように、静電気計測装置１０は、スピーカ１５を更に有する。そして、スピーカ１５を利用して、静電気の計測を行う。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００３９】
本実施形態では、図５に示すように、スピーカ１５は、たとえば、コーン型であって、スピーカ１５から風車ブレード４２に音波を照射する。そして、スピーカ１５から風車ブレード４２に音波を照射した状態で、第１実施形態の場合と同様に、電磁波ＥＷ（図３参照）の受信を行う。
【００４０】
上述したように、電磁波ＥＷは、電荷ＥＣに加速度が発生した場合に放射される（図３参照）。電磁波ＥＷの強度は加速度の大きさに従い、電磁波ＥＷが放射される方向は不安定である。しかし、本実施形態では、スピーカ１５から風車ブレード４２に音波を照射し、風車ブレード４２の表面を振動させることによって、電荷ＥＣに所定の加速度を所定の方向に与える。このため、本実施形態では、電磁波ＥＷの強度が大きくなると共に、電磁波ＥＷが放射される方向を任意に調整可能である。したがって、本実施形態においては、電磁波ＥＷが放射される方向にアンテナ１１を配置することによって、静電気の測定精度を向上可能である。
【００４１】
また、電荷ＥＣの振動によって放射される電磁波ＥＷの周波数は、振動の周波数と一致する。このため、本実施形態では、同調回路１２の共振周波数を容易に決定することができる。
【００４２】
なお、スピーカ１５の設置場所は任意である。たとえば、ナセル３の上にスピーカ１５を設置してもよい。
【００４３】
＜第４実施形態＞
図６は、第４実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【００４４】
本実施形態は、図６に示すように、静電気計測装置１０は、第３実施形態の場合（図５参照）と同様に、スピーカ１５を更に有するが、スピーカ１５の形状等が第３実施形態の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第３実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００４５】
本実施形態では、図６に示すように、スピーカ１５は、たとえば、平面型であって、指向性が高い。本実施形態においては、この指向性が高いスピーカ１５から風車ブレード４２の一部に音波を収束させて照射した状態で、電磁波ＥＷ（図３参照）の受信を行う。ここでは、風車ブレード４２において音波を照射する照射範囲を風車ブレード４２の先端と根元との間で移動させて、電磁波ＥＷの受信を行う。音波の照射範囲と電流値とを関連付けることによって、風車ブレード４２における静電気の分布を容易に計測することができる。
【００４６】
したがって、本実施形態では、風車ブレード４２における静電気の分布を管理者等が容易に把握可能である。その結果、風車ブレード４２から静電気を適切に除去する作業等を効果的に行うことが可能であるので、落雷の発生を減少可能である。
【００４７】
＜第５実施形態＞
本実施形態では、第１実施形態の場合と異なり、風車ブレード４２に振動を与えた状態で、電磁波ＥＷを受信する（図３参照）。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００４８】
本実施形態においては、風車ブレード４２の回転について制動を行うことによって、風車ブレード４２に振動を与える。つまり、回転するロータ４に意図的にブレーキを掛けることによって、通常の運転時よりも風車ブレード４２の振動を大きくさせる。
【００４９】
したがって、本実施形態では、風車ブレード４２が振動しているので、風車ブレード４２から放射される電磁波ＥＷ（図３参照）の強度が大きくなり、静電気の測定精度を向上可能である。
【００５０】
＜第６実施形態＞
本実施形態では、第５実施形態の場合と同様に、風車ブレード４２に振動を与えた状態で、電磁波ＥＷを受信する（図３参照）。しかし、風車ブレード４２に振動を与える方法が、第５実施形態の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第５実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００５１】
本実施形態においては、風車ブレード４２が設置された風力発電システム１においてピッチ角αまたはヨー角θｙの少なくとも一方を制御することによって、風車ブレード４２に振動を与える。つまり、ピッチ角αまたはヨー角θｙについて通常の運転時とは異なる制御を行うことによって、風車ブレード４２の振動を通常の運転時よりも大きくさせる。
【００５２】
具体的には、通常運転時においては、風向データに基づいてロータ４の回転軸が風向きに沿うようにヨー角θｙを調整する。しかし、本実施形態では、ロータ４の回転軸が風向きとは異なる向きに沿うようにヨー角θｙを調整する。
【００５３】
この他に、通常運転時においては、風速データに基づいて風車ブレード４２において最も揚力が発生するように、ピッチ角αを調整する。しかし、本実施形態では、最も揚力が発生するピッチ角以外であって、風車ブレード４２の表面において剥離流れが生じるように、ピッチ角αを調整する。
【００５４】
したがって、本実施形態では、第５実施形態の場合と同様に、風車ブレード４２が振動しているので、風車ブレード４２から放射される電磁波ＥＷ（図３参照）の強度が大きくなり、静電気の測定精度を向上可能である。
【００５５】
＜第７実施形態＞
図７は、第７実施形態において、静電気計測装置の計測対象である風力発電システムについて、模式的に示す図である。
【００５６】
本実施形態は、図７に示すように、風力発電システム１は、第１実施形態の場合（図２参照）と異なり、振動計４３を更に有する。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００５７】
振動計４３は、図７に示すように、風車ブレード４２において先端側に位置する部分に設置されており、風車ブレード４２の振動数を測定する。振動数の測定データは、たとえば、ディスプレイに出力され、ディスプレイにおいて表示される。
【００５８】
そして、その測定した風車ブレード４２の振動数に基づいて、操作者が同調回路１２の可変コンデンサ１２１の容量を変更することによって、アンテナ１１が受信した電磁波の周波数に同調回路１２を同調させる。
【００５９】
風車ブレード４２に蓄積した電荷ＥＣは、風車ブレード４２と共に振動する。このため、風車ブレード４２の振動数と、風車ブレード４２に蓄積した電荷ＥＣの振動数との両者は、互いに一致する。また、風車ブレード４２に蓄積した電荷ＥＣの振動数と、その電荷ＥＣに起因して放射される電磁波ＥＷの振動数との両者も、同じである。
【００６０】
したがって、測定した風車ブレード４２の振動数に基づいて、同調回路１２の可変コンデンサ１２１の容量を変更することによって、共振周波数を容易に決定可能であるので、風車ブレード４２に生じた静電気を容易に計測することができる。その結果、本実施形態においては、風車ブレード４２から静電気を適切に除去する作業等を効果的に行うことが可能であるので、落雷の発生を減少可能である。
【００６１】
＜第８実施形態＞
図８は、第８実施形態において、静電気計測装置を用いて風車ブレードの静電気を計測するときの様子を模式的に示す図である。
【００６２】
本実施形態は、図８に示すように、静電気計測装置１０は、第１実施形態の場合（図３参照）と同様に、アンテナ１１を有するが、アンテナ１１の形状等が第１実施形態の場合と異なる。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。
【００６３】
本実施形態では、図８に示すように、アンテナ１１は、パラボラアンテナである。
【００６４】
パラボラアンテナは、微弱な電磁波ＥＷを捉えることができる。このため、本実施形態では、風車ブレード４２に生じた静電気を、より確実に計測することができる。
【００６５】
また、パラボラアンテナは、指向性が高い。このため、本実施形態では、風車ブレード４２に生じた静電気による電磁波ＥＷを受信可能であって、他のノイズ成分を受信することを効果的に防止可能である。
【００６６】
したがって、本実施形態では、風車ブレード４２に生じた静電気を容易に計測することができる。その結果、本実施形態においては、風車ブレード４２から静電気を適切に除去する作業等を効果的に行うことが可能であるので、落雷の発生を減少可能である。
【００６７】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、風車ブレードに生じた静電気を容易に計測することができる。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１…風力発電システム、２…タワー、３…ナセル、４…ロータ、１０…静電気計測装置、１１…アンテナ、１２…同調回路、１３…電流計、１４…報知部、１５…スピーカ、４１…ハブ、４２…風車ブレード、４３…振動計、１２１…可変コンデンサ、１２２…コイル
【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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【図６】
2017078590.tif 000008
【図７】
2017078590.tif 000009
【図８】
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