(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、前記タワーの上部に前記タワーの中心軸周りに回動可能に設けられたナセルと、前記ナセルの前方に回転可能に設けられたハブと、前記ハブに設けられた少なくとも１本のブレードと、避雷器と、を備え、
前記避雷器が、前記ブレードに設けられたレセプターと、前記レセプターとアースとを接続するアース線と、を備え、
前記アース線が、アースと接続され、前記タワーの内部を前記ナセルの内部に向かって敷設されているアース本線と、前記レセプターと接続され、前記ブレードの内部を前記ハブの内部に向かって敷設されている主アース線及び副アース線と、を備え、
前記レセプターから前記主アース線を介して前記アース本線へと通じる主経路と、前記レセプターから前記副アース線を介して前記アース本線へと通じる副経路とが形成され、
前記主経路の電気抵抗が前記副経路の電気抵抗よりも小さい、風力発電機。
【請求項２】
前記避雷器が、前記主経路と前記副経路との間に非線形な電気抵抗差を持つギャップ付避雷器又はギャップレス避雷器である、請求項１に記載の風力発電機。
【請求項３】
前記主アース線及び前記副アース線の前記レセプターと反対側の端子と、前記アース本線のアースと反対側の端子が前記ナセル内に位置している、請求項１又は２に記載の風力発電機。
【請求項４】
前記主アース線の端子と前記アース本線の端子の間、及び、前記副アース線の端子と前記アース本線の端子の間の両方に放電ギャップが設けられており、それら両方の放電ギャップが前記ナセル内に位置しており、前記主アース線の端子と前記アース本線の端子のギャップ間隔が、前記副アース線の端子と前記アース本線の端子のギャップ間隔よりも狭い、請求項３に記載の風力発電機。
【請求項５】
ナセル内に設けられた抵抗計と、前記抵抗計に接続された二つの伸縮可能な接触子とを備え、前記の二つの接触子を前記主アース線の端子と前記副アース線の端子に接触させて前記主アース線及び前記副アース線の導通を確認する遠隔導通確認装置を備える、請求項３に記載の風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギーの主力電源化に向けて太陽光発電や風力発電の開発が促進されている。なかでも風力発電は、陸上から洋上へと開発エリアがシフトし、開発が加速されることが予想される。洋上での風力発電は、過酷な自然環境のなかでの運用であり、アクセスも困難であるため、合理的かつ効率的に風力発電機を運用及び保守することが求められる。
【０００３】
一般に、風力発電機のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のブレードには、落雷による損傷を抑制するため、避雷器として、先端部にレセプターが設けられ、内部にアース線が設けられている。ブレードは風力発電機において最も雷が落ちやすい部分であるため、アース線の導通の不具合はブレード内で生じやすい傾向がある。
【０００４】
特許文献１には、ブレード内に、引下げ導線（アース線）と、前記引下げ導線の電気抵抗を測定するための測定ケーブルとが設けられている風力発電機が開示されている。特許文献２には、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法による導通確認を可能とする目的で、全長にわたって互いに静電結合する並列な２本の被雷導線（アース線）が設けられた風力発電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−４２４７３号公報
【特許文献２】特開２０１７−１５０３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１のような風力発電機では、落雷等によってブレード内のアース線の導通に不具合が生じたときには、アース線を修復するために運用を停止する必要があり、特に洋上では安定した運用が難しい。また、特許文献２のような風力発電機では、落雷時に、互いに静電結合している２本のアース線に大きな斥力がかかり、アース線の導通に不具合が生じるおそれがある。
【０００７】
本発明は、ブレード内のアース線の導通に不具合が生じにくい風力発電機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】
【０００８】
本発明は、以下の態様を有する。
［１］タワーと、前記タワーの上部に前記タワーの中心軸周りに回動可能に設けられたナセルと、前記ナセルの前方に回転可能に設けられたハブと、前記ハブに設けられた少なくとも１本のブレードと、避雷器と、を備え、前記避雷器が、前記ブレードに設けられたレセプターと、前記レセプターとアースとを接続するアース線と、を備え、前記アース線が、アースと接続され、前記タワーの内部を前記ナセルの内部に向かって敷設されているアース本線と、前記レセプターと接続され、前記ブレードの内部を前記ハブの内部に向かって敷設されている主アース線及び副アース線と、を備え、前記レセプターから前記主アース線を介して前記アース本線へと通じる主経路と、前記レセプターから前記副アース線を介して前記アース本線へと通じる副経路とが形成され、前記主経路の電気抵抗が前記副経路の電気抵抗よりも小さい、風力発電機。
［２］前記避雷器が、前記主経路と前記副経路との間に非線形な電気抵抗差を持つギャップ付避雷器又はギャップレス避雷器である、［１］に記載の風力発電機。
［３］前記主アース線及び前記副アース線の前記レセプターと反対側の端子と、前記アース本線のアースと反対側の端子が前記ナセル内に位置している、［１］又は［２］に記載の風力発電機。
［４］前記主アース線の端子と前記アース本線の端子の間、及び、前記副アース線の端子と前記アース本線の端子の間の両方に放電ギャップが設けられており、前記主アース線の端子と前記アース本線の端子のギャップ間隔が、前記副アース線の端子と前記アース本線の端子のギャップ間隔よりも狭い、［３］に記載の風力発電機。
［５］ナセル内に設けられた抵抗計と、前記抵抗計に接続された二つの伸縮可能な接触子とを備え、前記の二つの接触子を前記主アース線の端子と前記副アース線の端子に接触させて前記主アース線及び前記副アース線の導通を確認する遠隔導通確認装置を備える、［３］に記載の風力発電機。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ブレード内のアース線の導通に不具合が生じにくい風力発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の風力発電機の一例を示した断面図である。
【図２】図１の風力発電機の避雷器を示した断面図である。
【図３】図１の風力発電機の避雷器を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の風力発電機の一例について図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の風力発電機１００は、タワー１１０と、ナセル１２０と、ハブ１３０と、少なくとも１本のブレード１４０と、避雷器１５０と、を備えている。
【００１３】
タワー１１０は、陸上又は洋上に立設される。ナセル１２０は、タワー１１０の上部にタワー１１０の中心軸Ｏ１周りに回動可能に設けられている。ハブ１３０は、ナセル１２０の前方に、中心軸Ｏ１に直交する軸周りに回転可能に設けられている。ハブ１３０には少なくとも１本のブレード１４０が設けられている。タワー１１０の中心軸Ｏ１は、鉛直方向と一致している。
【００１４】
風力発電機１００は、ハブ１３０及びナセル１２０の内部に、ブレード１４０及びハブ１３０の回転エネルギーを用いて発電を行うように構成された発電機（不図示）を備えている。発電機は、特に限定されず、公知のものを採用できる。発電機には、油圧トランスミッションを用いてもよく、ギヤ式の増速機を用いてもよい。
【００１５】
風力発電機１００では、タワー１１０の上部でナセル１２０を回動させることで、ブレード１４０が設けられた前方のハブ１３０を風上に向けることができる。ブレード１４０が風を受けると、ブレード１４０とともにハブ１３０が回転し、その回転エネルギーによって発電機で発電される。
【００１６】
ブレード１４０の形状及び寸法は、特に限定されず、適宜設定できる。
ハブ１３０に取り付けられるブレード１４０の数は、特に限定されず、例えば、３本とすることができる。ハブ１３０に複数のブレード１４０が取り付けられる場合、それら複数のブレード１４０は、ハブ１３０を正面視したときに等角度間隔で放射状に取り付けられることが好ましい。
【００１７】
図１及び図２に示すように、この例の避雷器１５０は、各々のブレード１４０の先端部に設けられたレセプター１５１と、レセプター１５１とアースとを接続するアース線１５２と、を備えている。
【００１８】
アース線１５２は、タワー１１０の内部をナセル１２０の内部に向かって敷設されているアース本線１５３と、ブレード１４０内をハブ１３０内に向かって敷設されている主アース線１５４及び副アース線１５５と、を備えている。
【００１９】
アース本線１５３は、タワー１１０の下部において、アース棒１５８に繋げられることによってアースと接続されている。アース本線１５３は、タワー１１０内に敷設されている第１アース本線部１６１と、タワー１１０内からナセル１２０内へと敷設されている第２アース本線部１６２とを有している。
【００２０】
アース本線１５３においては、第１アース本線部１６１の第２アース本線部１６２側に設けられたスリップリング１６３と、第２アース本線部１６２の第１アース本線部１６１側に設けられたブラシ端子１６４とが、摺動可能に接続されている。これにより、ナセル１２０が回動しても、ブラシ端子１６４がスリップリング１６３に摺動しつつ互いの接触が維持されるため、第１アース本線部１６１と第２アース本線部１６２の間で断線しないようになっている。
【００２１】
アース本線１５３におけるアース棒１５８と反対側、すなわち第２アース本線部１６２の第１アース本線部１６１と反対側には板状の端子１５３ａが設けられている。アース本線１５３のアースと反対側の端子１５３ａは、ナセル１２０内に配置されている。
【００２２】
主アース線１５４及び副アース線１５５は、各ブレード１４０にそれぞれ敷設され、各ブレード１４０の先端部に設けられたレセプター１５１と接続されている。
主アース線１５４は、ブレード１４０内に敷設されている第１主アース線部１７１と、ハブ１３０内に敷設されている第２主アース線部１７２と、ナセル１２０内に敷設されている第３主アース線部１７３とを有している。
【００２３】
主アース線１５４においては、第１主アース線部１７１の第２主アース線部１７２側に設けられたブラシ端子１７４と、第２主アース線部１７２の第１主アース線部１７１側に設けられたスリップリング１７５とが摺動可能に接続されている。ブラシ端子１７４及びスリップリング１７５は、ハブ１３０におけるブレード１４０の付け根近傍に配置されている。これにより、ブレード１４０が軸周りに回動しても、ブラシ端子１７４がスリップリング１７５に摺動しつつ互いの接触が維持されるため、第１主アース線部１７１と第２主アース線部１７２の間で断線しないようになっている。
【００２４】
また、第２主アース線部１７２の第３主アース線部１７３側に設けられたブラシ端子１７６と、第３主アース線部１７３の第２主アース線部１７２側に設けられたスリップリング１７７とが摺動可能に接続されている。ブラシ端子１７６及びスリップリング１７７は、ナセル１２０におけるハブ１３０との接続部近傍に配置されている。これにより、ハブ１３０が回転しても、ブラシ端子１７６がスリップリング１７７に摺動しつつ互いの接触が維持されるため、第２主アース線部１７２と第３主アース線部１７３の間で断線しないようになっている。
【００２５】
主アース線１５４のレセプター１５１と反対側、すなわち第３主アース線部１７３の第２主アース線部１７２と反対側には端子１５４ａが設けられている。主アース線１５４のレセプター１５１と反対側の端子１５４ａは、ナセル１２０内に配置されている。
【００２６】
副アース線１５５は、ブレード１４０内に敷設されている第１副アース線部１８１と、ハブ１３０内に敷設されている第２副アース線部１８２と、ナセル１２０内に敷設されている第３副アース線部１８３とを有している。
【００２７】
副アース線１５５も主アース線１５４と同様に、第１副アース線部１８１に設けられたブラシ端子１８４と、第２副アース線部１８２に設けられたスリップリング１８５とが摺動可能に接続されている。ブラシ端子１８４及びスリップリング１８５は、ハブ１３０におけるブレード１４０の付け根近傍に配置されている。また、第２副アース線部１８２に設けられたブラシ端子１８６と、第３副アース線部１８３に設けられたスリップリング１８７とが摺動可能に接続されている。ブラシ端子１８６及びスリップリング１８７は、ナセル１２０におけるハブ１３０との接続部近傍に配置されている。
【００２８】
副アース線１５５のレセプター１５１と反対側、すなわち第３副アース線部１８３の第２副アース線部１８２と反対側には端子１５５ａが設けられている。副アース線１５５の端子１５５ａは、ナセル１２０内に配置されている。
【００２９】
ナセル１２０内において、主アース線１５４のレセプター１５１と反対側の端子１５４ａは、アース本線１５３の端子１５３ａから所定の距離だけ離間するように設けられている。すなわち、主アース線１５４の端子１５４ａとアース本線１５３の端子１５３ａの間には放電ギャップが設けられている。同様に、ナセル１２０内において、副アース線１５５のレセプター１５１と反対側の端子１５５ａは、アース本線１５３の端子１５３ａから所定の距離だけ離間するように設けられている。すなわち、副アース線１５５の端子１５５ａとアース本線１５３の端子１５３ａの間には放電ギャップが設けられている。
【００３０】
このように、本実施形態における避雷器１５０では、レセプター１５１から主アース線１５４を介してアース本線１５３へと通じる主経路１５６と、レセプター１５１から副アース線１５５を介してアース本線１５３へと通じる副経路１５７とが形成されている。また、主経路１５６及び副経路１５７は、前記したように放電ギャップを有している。
【００３１】
主アース線１５４の端子１５４ａとアース本線１５３の端子１５３ａのギャップ間隔ｄＡは、副アース線１５５の端子１５５ａとアース本線１５３の端子１５３ａのギャップ間隔ｄＢよりも狭くなっている。これにより、レセプター１５１から主アース線１５４を介してアース本線１５３へと通じる主経路１５６の電気抵抗は、レセプター１５１から副アース線１５５を介してアース本線１５３へと通じる副経路１５７の電気抵抗よりも小さくなっている。このように、本実施形態における避雷器１５０は、主経路１５６と副経路１５７との間に非線形な電気抵抗差を持つギャップ付避雷器である。
【００３２】
ｄＡ及びｄＢは、落雷時に主アース線１５４の端子１５４ａから放電が起きても副アース線１５５の端子１５５ａでは放電が起きず、主アース線１５４の導通に不具合が生じた場合には落雷時に副アース線１５５の端子１５５ａから放電が起こるように設定する。
【００３３】
ｄＡがｄＢよりも小さいことで、主経路１５６と副経路１５７の対地間の接地抵抗には非線形の差があり、主経路１５６の接地抵抗が低くなっている。そのため、落雷時には、主アース線１５４の端子１５４ａとアース本線１５３の端子１５３ａとの放電ギャップでアーク放電が起こり、短絡されて接地抵抗が低くなることで、アース本線１５３を含む主経路１５６を通じて電流がアースへと逃がされる。また、仮に主アース線１５４の導通に不具合が生じた状態でも、落雷時には、副アース線１５５の端子１５５ａとアース本線１５３の端子１５３ａとの放電ギャップでアーク放電が起こり、短絡されることでアース本線１５３を含む副経路１５７を通じて電流がアースへと逃がされる。
【００３４】
本実施形態の風力発電機１００では、このようにブレード１４０内に主アース線１５４と副アース線１５５とを備えることで、副アース線１５５が主アース線１５４のバックアップとして機能する。そのため、主アース線１５４の導通に不具合が生じた場合でも、副アース線１５５によってレセプター１５１からアースまでのアース線１５２の導通が確保される。
【００３５】
また、落雷時の地絡電流が分流されて主アース線１５４と副アース線１５５のそれぞれに大きな電流が流れると、それによって主アース線１５４と副アース線１５５の間に大きな斥力が働く。巨大な斥力が働くと、通常使用されるサポート金具では主アース線１５４及び副アース線１５５を支えきれないため、主アース線１５４や副アース線１５５に破断、破損等が生じて導通に不具合が発生するおそれがある。しかし、ｄＡがｄＢよりも小さいことで、落雷時には主経路１５６において主アース線１５４の端子１５４ａとアース本線１５３の端子１５３ａとの放電ギャップでアーク放電が生じて短絡され、回転部側（レセプター１５１、主アース線１５４、副アース線１５５、主経路１５６、副経路１５７など）の対地電位が下がる。これに対し、副アース線１５５の端子１５５ａとアース本線１５３の端子１５３ａとの放電ギャップは短絡されず、副経路１５７は接地抵抗が維持される。これにより、地絡電流の分流が抑制されるため、ブレード１４０内で斥力による主アース線１５４及び副アース線１５５の破断や破損が生じにくく、導通の不具合を低減できる。
【００３６】
レセプター１５１及びアース線１５２を構成する導電性材料は、特に限定されず、例えば、アルミニウム、黄銅、ステンレス鋼、これらを含む合金、カーボン等が挙げられる。レセプター１５１及びアース線１５２を構成する導電性材料は、１種でもよく、２種以上でもよい。
【００３７】
主アース線１５４と副アース線１５５の電気抵抗は、同じであってもよく、異なっていてもよい。例えば、主アース線１５４を構成する導電性材料と副アース線１５５を構成する導電性材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。主アース線１５４と副アース線１５５の長さ方向に垂直な断面積は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
【００３８】
この例の避雷器１５０は、ナセル１２０内に、主アース線１５４のアース本線１５３側の端子１５４ａと、副アース線１５５のアース本線１５３側の端子１５５ａにそれぞれ接続し、主アース線１５４と副アース線１５５の導通を確認する導通確認装置１９０を備えている。
【００３９】
導通確認装置１９０は、抵抗計１９１と、抵抗計１９１と電気的に接続されている第１ロッド１９２及び第２ロッド１９３と、第１ロッド１９２を伸縮させる第１電動アクチュエータ１９４と、第２ロッド１９３を伸縮させる第２電動アクチュエータ１９５と、を備えている。第１ロッド１９２及び第２ロッド１９３は、それぞれ接触子１９２ａ，１９３ａを有している。
【００４０】
図２に示すように、風力発電機１００の運用時の導通確認装置１９０では、第１ロッド１９２の接触子１９２ａは、主アース線１５４の端子１５４ａから離間している。同様に、第２ロッド１９３の接触子１９３ａは、副アース線１５５の端子１５５ａから離間している。
【００４１】
これに対し、主アース線１５４と副アース線１５５の導通確認を行う際には、図３に示すように、第１電動アクチュエータ１９４によって第１ロッド１９２を延伸し、先端の接触子１９２ａを主アース線１５４の端子１５４ａと接触させる。また、第２電動アクチュエータ１９５によって第２ロッド１９３を延伸し、先端の接触子１９３ａを副アース線１５５の端子１５５ａと接触させる。これにより、主アース線１５４及び副アース線１５５を含む計測回路が形成され、導通確認が可能になる。
なお、導通確認装置において接触子を主アース線及び副アース線の端子に接続したり、切り離したりするための電動機構は、この例の態様には限定されない。
【００４２】
本実施形態のように、ナセル１２０内で主経路１５６と副経路１５７に放電ギャップを設ける態様は、放電ギャップがナセル１２０とともに動くため、導通確認装置１９０の設置や電源確保が容易である。また、この態様のような導通確認装置１９０を用いれば、例えばスイッチ操作等によるアース線１５２の部分的な切り離し等、アース線１５２に対する操作を行わずに主アース線１５４及び副アース線１５５の導通を確認できる。そのため、導通確認後にアース線１５２を運用時の状態に復旧させる作業を忘れて避雷器１５０が正常に動作しなくなることがなく、信頼性が高い。また、導通確認装置１９０を遠隔から操作可能な遠隔導通確認装置にすることで、洋上等のアクセスが困難な風力発電機１００であっても、主アース線１５４及び副アース線１５５の導通確認が遠隔から容易に行える。
【００４３】
以上説明したように、風力発電機１００では、避雷器１５０がブレード１４０内に主アース線１５４と副アース線１５５とを備え、アース線１５２に主経路１５６と副経路１５７が形成されている。そのため、副アース線１５５が主アース線１５４のバックアップとして機能でき、避雷器１５０の信頼性が高い。また、ｄＡがｄＢよりも小さいことで、落雷時に主経路１５６と副経路１５７への地絡電流の分流が抑制されるため、主アース線１５４と副アース線１５５の間に斥力が発生しにくく、導通に不具合が生じにくい。このように、風力発電機１００は、ブレード１４０内の主アース線１５４及び副アース線１５５の導通が安定して保持されやすく、洋上でも安定して運用できる。
【００４４】
なお、本発明の風力発電機は、前記した風力発電機１００には限定されない。例えば、本発明の風力発電機は、ギャップ付避雷器を備えるものには限定されず、ギャップレス避雷器を備えるものであってもよい。ギャップレス避雷器としては、例えば、主経路と副経路との間に非線形な電気抵抗差を持つギャップレス避雷器が挙げられる。
【００４５】
具体的には、例えば、風力発電機１００において、主アース線１５４の端子１５４ａと副アース線１５５の端子１５５ａをアース本線１５３の端子１５３ａと接触させたギャップレス避雷器であってもよい。この場合、例えば、アース本線１５３と主アース線１５４を同じ導電性材料で形成し、副アース線１５５を電気抵抗がより高い導電性材料で形成して、副アース線１５５とアース本線１５３との間に非線形な電気抵抗差を持つギャップレス避雷器とする態様を例示できる。
【００４６】
本発明の風力発電機は、主アース線及び副アース線のレセプターと反対側の端子と、アース本線のアースと反対側の端子がナセル内に位置しているものには限定されない。本発明では、主アース線及び副アース線のレセプターと反対側の端子と、アース本線のアースと反対側の端子が、ハブ内に位置していてもよく、タワー内に位置していてもよい。
【００４７】
本発明の風力発電機においては、１つのブレードに敷設される副アース線は、１本には限定されず、２本以上であってもよい。
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１００…風力発電機、１１０…タワー、１２０…ナセル、１３０…ハブ、１４０…ブレード、１５０…避雷器、１５１…レセプター、１５２…アース線、１５３…アース本線、１５４…主アース線、１５５…副アース線、１５６…主経路、１５７…副経路、１９０…導通確認装置、１９１…抵抗計、１９２ａ，１９３ａ…接触子、Ｏ１…中心軸。
【要約】
【課題】本発明は、ブレード内のアース線の導通に不具合が生じにくい風力発電機を提供することを目的とする。
【解決手段】タワー１１０、ナセル１２０、ハブ１３０、ブレード１４０及び避雷器１５０を備える風力発電機１００において、避雷器１５０はレセプター１５１とアース線１５２とを備え、アース線１５２は、アースと接続されたアース本線１５３と、レセプター１５１と接続された主アース線１５４及び副アース線１５５とを備え、レセプター１５１から主アース線１５４を介してアース本線１５３へと通じる主経路１５６の電気抵抗が、レセプター１５１から副アース線１５５を介してアース本線１５３へと通じる副経路１５７の電気抵抗よりも小さい。
【選択図】図２【図１】
0006839782.tif 000002
【図２】
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【図３】
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