特許 7368796 風力発電用風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-17

(45)【発行日】2023-10-25

(54)【発明の名称】風力発電用風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 80/30 20160101AFI20231018BHJP

【ＦＩ】

F03D80/30

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021077762

(22)【出願日】2021-04-30

(65)【公開番号】P2022171230

(43)【公開日】2022-11-11

【審査請求日】2022-04-19

(73)【特許権者】

【識別番号】511019144

【氏名又は名称】株式会社落雷抑制システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100137338

【弁理士】

【氏名又は名称】辻田 朋子

(72)【発明者】

【氏名】松本 敏男

【審査官】古▲瀬▼ 裕介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１７５７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１７３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４６８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１１８１０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ １／００－８０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

風車本体を構成するブレードの先端に落雷抑制手段が設けられた風力発電用風車であって、
前記落雷抑制手段が、内部空間を有する略球殻状に形成された第１電極と、前記内部空間に前記第１電極と間隔をおいて配置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介装された電気絶縁体とを備え、
前記第１電極の殻壁の一部に、前記内部空間を外部へ連通させる開口部が形成されていると共に、この開口部の縁部から外方へ向かう連結筒が突設され、
前記第２電極に、前記連結筒および前記開口部に挿通させられた連結ロッドの一端が固定され、
前記電気絶縁体が、前記連結筒の内外面および前記連結ロッドを覆って設けられていると共に、電気絶縁材料によって形成された固定部材によって前記連結筒とともに前記連結ロッドに固定され、
この連結ロッドの他端が、前記ブレードの基端部に形成された係止段部に係止する係止プレートを有し、接地された接地線に電気的に接続されており、
前記電気絶縁体と、前記係止プレートと、で前記ブレードが長さ方向から挟持されることを特徴とする風力発電用風車。

【請求項2】

前記ブレードの先端部が前記第１電極の前記連結筒の基部に位置させられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。

【請求項3】

前記第１電極の断面形状が真円状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。

【請求項4】

前記第１電極の断面形状が楕円状に形成され、その長軸が前記ブレードの長さ方向に沿うように前記ブレードに装着されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。

【請求項5】

前記電気絶縁体がセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風力発電用風車に係わり、特に、風力発電用風車を構成するブレードへの落雷を抑制してその損傷を抑制するようにした風力発電用風車に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般に、再生可能エネルギーの一つとして風力発電エネルギーが知られている。
この風力発電エネルギーを生成する風力発電用風車は、高い支柱と、この支柱の上部に装着され、発電機が内装されたナセルと、このナセルに装着されて前記発電機を回転駆動する多数のブレードとによって構成されている。

【0003】

この風力発電用風車は、風によって前記ブレードが回転させられることにより、これらのブレードの回転によって前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。

【0004】

このような風力発電用風車にあっては、風を効率よく受け止めるために、前記支柱を高くして、前記ブレードの設置位置を高くしている。
また、発電量を大きくするために、前記ブレードも長く大きくしている。

【0005】

ところで、このように高所に伸びるように設置される風力発電用風車では、落雷が発生しやすい。
そして、前記ブレードへ落雷すると、その雷撃によってブレードやナセルが破損し、発電が行なえなくなってしまう。

【0006】

このような不具合に対し、従来では、たとえば、特許文献１に示されるような対処技術が提案されている。

【0007】

この技術は、ブレードの先端に金属製の受雷部を設け、この受電部に接地線を電気的に接続し、この接地線を前記ブレードの内部を経て大地に埋設した構成となっている。

【0008】

そして、前記風力発電用風車へ向かう落雷が発生した場合、その落雷を、前記受雷部に誘導して受け、その雷撃を、前記接地線を介して前記受雷部から大地へ流すことにより、前記雷撃が前記ブレードやナセルを通過することを回避して、このブレードやナセルの損傷を防止するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０１２－２４６８１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ところで、前述した従来の技術にあっては、なお、つぎのような改善すべき問題点が残されている。

【0011】

すなわち、前記ブレードの回転が停止している状態では、前記受雷部が定位置にある。
この状態で前記ブレードへ向けて落雷が発生した場合、この落雷を、定位置にある前記受雷部に誘導して受け、その雷撃を、前記接地線を通して大地へ放出することができる。

【0012】

しかしながら、前記ブレードが回転していると、その先端の線速度、すなわち、前記受雷部の移動速度が速いために、前記ブレードへ向かう落雷を前記受雷部へ誘導することができないことが想定される。

【0013】

このように、前記ブレードへ向かう落雷を前記受雷部に誘導することができないと、前記落雷が、前記ブレードの、前記受雷部以外の部位において起こり、その雷撃が前記ブレード自体を通過して、前記ナセルや支柱を介して大地へ放出される。

【0014】

そして、前記ブレードやナセル、および、支柱内を通過する雷撃によって、ブレードやナセルに損傷を与えてしまうことが想定される。

【0015】

このような問題点は、落雷を、重要な施設若しくは設備等の非保護体以外の場所に誘導し、これによって、落雷の際に生じる雷撃から前述した非保護体を保護するという思想に基づいていることに起因している。

【0016】

一方、前述したような落雷を被保護体以外の場所に誘導して、被保護体を雷撃から保護する方法以外に、雷雲の底部に帯電するマイナス電荷と同電荷を発生させる落雷抑制手段をブレードの先端に装着して雷雲を対峙させる方法も提案されている。

【0017】

この方法は、ブレードのマイナス電荷と雷雲下部のマイナス電荷とを対峙させることにより、落雷の誘導現象自体をなくして落雷を抑制するようにしたものである。

【0018】

しかしながら、このような落雷抑制手段を用いた場合においても、次のような改善すべき問題点が残されている。

【0019】

前記落雷抑制手段はブレードの先端部に装着されるが、ブレードの回転に伴い落雷抑制手段に遠心力が作用する。
この遠心力は、ブレードの回転が速くなるほど、さらに、ブレードの長さが長大になるほど、落雷抑制手段をブレードから離脱させるように大きく作用することから、その対策が必要である。

【0020】

本発明は、このような落雷抑制手段の離脱を極力防止できる風力発電用風車を提供することを解決すべき課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明の風力発電用風車は、前述した課題を解決するために、以下のように構成される。
風車本体を構成するブレードの先端に落雷抑制手段が設けられ、この落雷抑制手段は、内部空間を有する略球殻状に形成された第１電極と、前記内部空間に前記第１電極と間隔をおいて配置された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介装された電気絶縁体とを備え、前記第１電極の殻壁の一部に、前記内部空間を外部へ連通させる開口部が形成されていると共に、この開口部の縁部から外方へ向かう連結筒が突設され、前記第２電極に、前記連結筒および前記開口部に挿通させられた連結ロッドの一端が固定され、前記電気絶縁体が、前記連結筒の内外面および前記連結ロッドを覆って設けられていると共に、電気絶縁材料によって形成された固定部材によって前記連結筒とともに前記連結ロッドに固定され、この連結ロッドの他端が、接地された接地線に電気的に接続されている。

【0022】

ここで、落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。
ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建築物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。これが落雷現象である。

【0023】

本発明では、前述した構成としたことにより、第１電極と第２電極は、絶縁体によって相互に電気絶縁状態で対峙させられる。
これによって、大地に電気的に接続された第２電極は大地の電荷と同一の電荷を帯び、この第２電極を覆う第１電極は第２電極と逆の電荷を帯びる。

【0024】

したがって、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、この大地に電気的に接続された第２電極もプラス電荷に帯電し、絶縁体を介して配置されている第１電極は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。

【0025】

そして、風車の回転により、第１電極が雷雲と対峙させられるが、これらが同一のマイナス電荷に帯電させられていることから、ブレードから雷雲へ向かう上向きストリーマの発生が起こりにくく、これによって、落雷の発生を抑制することができる。

【0026】

このような落雷抑制効果は、風車のみならず、風車に併設される給配電施設へも及ぶことが期待される。

【0027】

一方、前記電気絶縁体が、連結筒の内外面および連結ロッドを覆って設けられているとともに、電気絶縁材料によって形成された固定部材によって連結筒とともに連結ロッドに固定されていることにより、第１電極と第２電極が連結ロッドに強固に接続される。

【0028】

ここで、風車の回転によって落雷抑制手段に遠心力が作用するが、前述したように、第１電極と第２電極（すなわち、落雷抑制手段が連結ロッドに強固に接続されていることから、落雷抑制手段がブレードから離脱することを防止して風車の健全性を確保することができる。

【0029】

前記落雷抑制手段は、第１電極の連結筒の基部にブレードの先端が位置するように装着することが好ましい。

【0030】

このような構成とすることにより、第１電極のブレード側の面を、このブレードの後方へ向かうように露出させることができる。

【0031】

これによって、風車を回転させて落雷抑制手段が下方に位置させられた際に、第１電極のブレード側面を上方へ向けて露出させて雷雲に対峙させることができる。

【0032】

この結果、風車の回転に伴う落雷抑制手段の風車の回転軸周りの移動に際し、第１電極を雷雲に常時対峙させて避雷効果を高めることができる。

【0033】

前記第１電極は、その断面形状が真円状もしくは楕円状に形成される。
特に、楕円状とした場合、その長軸を前記ブレードの長さ方向に沿うようにブレードに装着することにより、ブレード先端部形状と落雷抑制手段の形状のつなぎを円滑なものとすることができる。

【0034】

また、前記電気絶縁にはセラミックスが好適に用いられる。

【発明の効果】

【0035】

本発明の風力発電用風車によれば、落雷抑制手段により風力発電用風車回りにおける上向きストリーマの発生を抑えて落雷の発生を抑制することができるとともに、落雷抑制手段がブレードから離脱することを防止して風車の健全性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本発明の一実施形態が適用される風力発電用風車を示す正面図である。

【図2】本発明の一実施形態が適用された風力発電用風車のブレードの要部の拡大縦断面図である。

【図3】本発明の一実施形態の作用を説明するための風力発電用風車の正面図である。

【図4】本発明の一実施形態の作用を説明するための風力発電用風車の正面図である。

【図5】本発明の他の実施形態が適用された風力発電用風車のブレードの要部の拡大縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１において、符号１は、本実施形態が適用される風力発電用風車を示し、この風力発電用風車１は、大地Ａに立設された風力発電用の風車本体２と、この風車本体２において発電された電気エネルギーの給配電を行なう給配電施設３、および、送電線４を備えている。

【0038】

前記風車本体２は、支柱５、この支柱５の上端に設けられたナセル（図示略）、および、このナセルに装着された複数のブレード６を備えており、これらのブレード６のそれぞれの先端部に落雷抑制手段７が設けられている。

【0039】

また、前記支柱５の内部には接地線８が内装され、その一端部が前記落雷抑制手段７へ電気的に接続され、他端部が大地Ａに埋設されて接地されている。

【0040】

そして、前記各ブレード６はナセルの内部に装着されている発電機（図示略）に接続されており、前記ブレード６が、風を受けて回転させられることにより、前記発電機を駆動して発電を行なうようになっている。

【0041】

前記落雷抑制手段７は、図２に示すように、内部空間Ｂを有する略球殻状に形成された第１電極９と、内部空間Ｂの中央に、第１電極９と間隔をおいて配置された第２電極１０と、第１電極９と第２電極１０との間に介装された電気絶縁体１１とを備えている。第１電極９の殻壁の一部には、内部空間Ｂを外部へ連通させる開口部９ａが形成されていると共に、この開口部９ａの縁部から外方へ向かう連結筒１２が突設されている。第２電極１０には、連結筒１２および開口部９ａに挿通させられた連結ロッド１３の一端が固定されている。電気絶縁体１１は、前記連結筒１２の内外面および連結ロッド１３を覆って設けられていると共に、電気絶縁材料によって形成された固定部材１４によって連結筒１２とともに連結ロッド１３に固定されている。そして、この連結ロッド１３の他端が、接地された接地線８に電気的に接続されている。

【0042】

前記第１電極９は、導電性材料（例えばステンレス）によって断面が真円状の球殻に形成され、その一部が切りかかれることにより開口部９ａが形成されている。

【0043】

この開口部９ａの縁部には、外方へ向かう前記連結筒１２が一体に連設されている。

【0044】

前記第２電極１０は、導電性材料によって充実の球体となされており、第１電極９内に挿入された連結ロッド１３の挿入端部に固定ボルト１５によって固定されている。

【0045】

本実施形態においては、連結ロッド１３は、ブレード６の先端部から基端部に至る長さに形成されているとともに、この基端部側にネジ１３ａが形成されている。

【0046】

前記連結ロッド１３のネジ１３ａが形成された部位は、ブレード６の基端部に形成された係止段部６ａに係止された係止プレート１６を貫通させられて、この貫通部分に固定ナット１７が螺着されている。

【0047】

そして、固定ナット１７が係止プレート１６に圧接させられて、この固定ナット１７と連結ロッド１３に固定された電気絶縁体１１とでブレード６が長さ方向から挟持することにより、連結ロッド１３、第１電極９、第２電極１０、および、電気絶縁体１１がブレード６に固定されるようになっている。

【0048】

前記電気絶縁体１１は、連結ロッド１３の先端部を覆い、この連結ロッド１３と連結筒１２との隙間を埋める第１電気絶縁体１１ａと、この第１電気絶縁体１１ａの下部周面および下面を覆って設けられる第２電気絶縁体１１ｂとによって構成されている。

【0049】

そして、第１電気絶縁体１１ａと連結筒１２との重畳部分には、補強リング１８が介装されている。

【0050】

また、前記連結ロッド１３の先端部で、第１電気絶縁体１１ａの先端部が重畳させられた部位と、第１電気絶縁体１１ａ、補強リング１８、および、第２電気絶縁体１１ｂが重畳させられた部位には、それぞれ環状溝１９・２０が形成されている。

【0051】

前記固定部材１４は、電気絶縁材料によって形成されており、第１電気絶縁体１１ａに貫通状態で螺着されて連結ロッド１３の環状溝１９内に圧接され、また、第２電気絶縁体１１ｂ、補強リング１８、および、第１電気絶縁体１１ａを貫通して螺着されて連結ロッド１３の環状溝２０内に圧接させられている。

【0052】

これによって、落雷抑制手段７がブレード６の長さ方向相対移動が拘束された状態で、このブレード６に固定されている。

【0053】

このように構成された本実施形態においては、図１に示すように、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地Ａの表面に分布し、接地線８を介して電気的に接続された第２電極１０もプラス電荷に帯電する。

【0054】

一方、電気絶縁体１１を介して第２電極１０に接続され、かつ、内部空間Ｂによって間隔を置いて配置されている第１電極９は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。

【0055】

これによって、図１に示すように、風車本体２の周りにマイナス電荷の領域が形成され、このマイナス電荷の領域に雷雲が対峙させられるが、この雷雲の底部もマイナス電荷に帯電していることから、ブレード６から雷雲へ向かう上向きストリーマの発生が抑制されることにより、落雷の発生が抑制される。

【0056】

このような上向きストリーマの発生抑制作用は、図３および図４に示すように、前記ブレード６が停止している状態でも回転している状態であっても保持される。

【0057】

ここで、本実施形態においては、第１電極９を球形とし、ブレード６の先端部を第１電極９の連結筒１２の基部に位置する構成としていることから、第１電極９をブレード６から極力露出させることができる。

【0058】

これによって、落雷抑制手段７が下方へ移動させられた状態においても、第１電極９の上方へ露出する領域を大きくすることができ、雷雲へ対峙させられるマイナス電荷の領域を拡大することができる。

【0059】

この結果、上向きストリーマの発生抑制作用を高めて、落雷を効果的に抑制することができる。

【0060】

このように、ブレード６が停止している状態であっても回転している状態であっても、ブレード６やその他の風車本体２の構成部材、あるは、風車本体２に併設される諸設備への落雷を抑制することができる。

【0061】

一方、落雷抑制手段７は、連結ロッド１３の環状溝１９・２０に、固定部材１４によって固定されていることにより、ブレード６の長さ方向への相対移動が強固に拘束されている。

【0062】

したがって、風車本体２が回転させられて落雷抑制手段７に大きな遠心力が加わっても、この落雷抑制手段７がブレード６から離脱するようなことはない。

【0063】

これによって、前記風車本体２の健全性、ひいては、風力発電用風車１の健全性を大幅に高めることができる。

【0064】

図５は本発明の他の実施形態を示す。
本実施形態は、第１電極２１に変更を加えたもので、短軸の長さをブレード６の厚みに近づけるように断面を楕円形状としたものである。

【0065】

このような構成とすることにより、第１電極２１の外形をブレード６の外形に近づけて、ブレード６の全体的な形状変化を最小限度に抑えることができる。

【0066】

なお、前記各実施形態において示した各構成部材の諸形状等は一例であって設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、第１電気絶縁体１１ａと第２電気絶縁体１１ｂどうしをねじ止めしても良い。さらに、第１電気絶縁体１１ａ及び第２電気絶縁体１１ｂと、ブレード６とをねじ止めしても良い。

【符号の説明】

【0067】

１ 風力発電用風車
２ 風車本体
３ 給配電施設
４ 送電線
５ 支柱
６ ブレード
６ａ 係止段部
７ 落雷抑制手段
８ 接地線
９ 第１電極
９ａ 開口部
１０ 第２電極
１１ 電気絶縁体
１１ａ 第１電気絶縁体
１１ｂ 第２電気絶縁体
１２ 連結筒
１３ 連結ロッド
１３ａ ネジ
１４ 固定部材
１５ 固定ボルト
１６ 係止プレート
１７ 固定ナット
１８ 補強リング
１９ 環状溝
２０ 環状溝
２１ 第１電極
Ａ 大地
Ｂ 内部空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】