JP2010223147A

JP2010223147A - 風力発電装置ロータブレードの雷害防止構造およびその方法

Info

Publication number: JP2010223147A
Application number: JP2009073114A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Omura; 正次郎大村
Original assignee: MEKATORO GIKEN KK
Current assignee: MEKATORO GIKEN KK
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】
風力発電装置のロータブレードへの落雷による被害が全国的に発生しているが、多種多様な落雷防止技術を駆使しても未だ解決に至っていない。
発明者は山頂付近に施設された無線中継所の雷撃対策技術の実績から、ロータブレードへの落雷による雷害対策効果を発揮する雷害防止構造及びその方法を提供する。
【解決手段】
風力発電設備のロータブレードのトレイリングエッジ又はリーディングエッジから先端部にかけて連続した導電性帯を固着させ、ロータブレードの軸受け基部において接地線と電気的に接続する雷害防止構造及びその方法。
また、新設又は既設の犠牲電極又は／及びレセプタと本願発明の導電性帯とを電気的に接続して併用する雷害防止構造及びその方法。
【選択図】図１

Description

本願発明は、風力発電設備のロータブレードに落雷した場合のロータブレードの損傷を最小限にするための雷害防止構造およびその方法に関するものである。

世界の化石燃料枯渇不安から燃料費の高騰、原子力エネルギーの利用の制約等から、自然エネルギー利用への機運がいっそう高まり、中でも最も期待されているのが風力発電であることには異論のないところであり、国内においても相当数の設置実績に加えて、より多数のしかも大型の風力発電設備の導入が進められている。

しかしながら、風力発電設備のなかでも大型の風力発電設備ともなるとロータブレードの長さが優に４５ｍ近くになるため、その最高部は地上高さ１００ｍにも及ぶこととなり、当然落雷による雷害対策が急務でありかつ重要である。

しかも、一般的に風力発電設備は高所いわゆる山頂部又は海浜近くの山岳頂部など風況上有利な場所に設けられるため、最も落雷しやすい自然環境にさらされることは周知の事実である。
近年、各種の避雷対策を講じた風力発電設備においてもロータブレードに落雷し、その損傷が絶えない状況において、取得可能なエネルギー損失はもとよりその修復費用の膨大さに抜本的な雷害防止対策技術が望まれている。

先行技術を見ると、ロータブレード全体を導電性の樹脂又は全面を電気導体で覆うことが提唱されている（特許文献１及び特許文献２）が、導電性を機能させるのであればG-ＦＲＰとすることで解決できる。しかし、全面を導電性とすることにより新たに電波障害が起こり得ること、また重量的にも問題があることも考えられるので実用的とは言い難い。

また、ロータブレードの先端に耐熱性材の避雷突出針を設け、落雷した際突出針が溶融することでそのエネルギーを吸収させるとの提案（特許文献３）がされているが、落雷はロータブレードの先端部に集中するとは限らず、特にエネルギー量の大きい冬期雷では、近くに避雷針等が存在してもロータブレードに落雷し、損傷を与える事例が多々あることを念頭に置く必要がある。

また、ロータブレード先端に設けたレセプタ（受雷装置のことであり、以下「レセプタ」と表記する）から、風力発電タワーの上部近傍に接地線に連係した環を設けて落雷した雷エネルギーを、ナセルを経由せず接地に導く構造が提唱（特許文献４）されているが、その目的はナセル内の機器の保護を主目的としておりロータブレードそのものへの落雷による損傷・破壊保護には適応しないなど現実的とは言い難い。

特許第３９４８４６９号公開公報特開２００４−２４５１７４号公開公報特開２００５−３０２３９９号公開公報特開２００６−７０８７９号公開公報

前記の如く、風力発電装置のロータブレードへの落雷被害に対する種々の対応策やその構造が提案され、また他の手法として円板レセプタ方式、翼先端金属翼、放電ピン付き翼のほか、風力発電装置の近傍に該風力発電装置の最上部よりも構造的に高い金属性のタワー（独立避雷針）を建設し、そのタワーへの落雷、誘雷を優先させてロータブレードへの落雷損傷を防止しようとの試みもあるが、何れも目的を達成できていない。しかも金属製避雷タワーの建設費は極めて高価である。

発明者は、これまで山頂付近に施設される無線中継所や遠隔地にあるモニタリングポストの機器等を直撃雷サージから保護するための対策並びに設置工事を通じ、絶大なる効果をもたらす避雷装置並びにその施工方法を数多く手掛けてきた実績に基づき、風力発電装置のロータブレードにおける効果的な落雷被害防止構造およびその方法を提案するものである。
本願発明の効果は、風力発電設備のロータブレードの如何なる位置に落雷しても、微少時間内に雷エネルギーを対地電圧に同位させるための構造および方法に関するものである。

請求項１に記載の本願発明は、ロータブレードの軸受け基部からトレイリングエッジ又はリーディングエッジを経由して先端部にわたり、該ロータブレードの該トレイリングエッジ又は該リーディングエッジの表面と裏面に跨る導電性帯を連続的に固着し、軸受け基部において接地線と電気的に接続する雷害防止構造である。

請求項２に記載の本願発明は、既存技術であるロータブレードの先端部近傍に設置される犠牲電極（航空機の翼の後方部位に固着されスタティックディスチャージャーと呼ばれている電極棒に代表される電極であり以下「犠牲電極」と表記する）又はレセプタを請求項１に記載の本願発明の導電性帯との間で電気的に接続する雷害防止構造である。
このことにより、特に既設の風力発電装置のロータブレードに設置された犠牲電極又はレセプタの機能をも共用・活用して、より雷害防止性能の向上を期待できる。

請求項３に記載の本願発明は、ロータブレードの工場製作工程で請求項１に記載の導電性帯を設けること又は請求項２に記載の犠牲電極又はレセプタとの併用構造が理想的ではあるが、急務である既存の風力発電装置のロータブレードの雷害防止性能向上のための施工方法として本願発明の構造を既存設備である現地で施工することも含めその方法に関するものである。

本願発明の構造においては、ロータブレードの如何なる位置に落雷しても微少時間内に落雷エネルギーを対地電圧に同位させることが可能であり、かつロータブレードの全面に導電性機能を持たせていないため、近隣の民家等に対する電波障害も最小限に抑制することが可能であり、全く新しい観点からの効果を発揮する雷害防止構造及びその方法を提案するものである。
また、本願発明は風力発電設備の新規制作時は勿論のこと、既設の設備における雷害防止構造・方法との共用又は単独施工も可能であり、全ての風力発電設備のロータブレードにおける雷撃サージによる損傷防止を図ることができる。

請求項１について図１及び図２を用いて説明する。

図１（Ａ）は本願発明の基本形であり、（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ―Ａ断面図である。
風力発電装置のロータブレード１の軸受け基部８からトレイリングエッジ２を経て該ロータブレード１の先端部３にわたり該トレイリングエッジ２の表裏を跨ぐように導電性帯５を連続的に固着し、ロータブレード１の軸受け基部８において接地線（図示せず）と電気的に接続することを最大の特徴とする。
この場合、導電性帯５の終端部は図示したようにロータブレードの先端部３を少し通過させることが好ましい構造である。

図２（Ａ）は本願発明の応用形であり、（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
風力発電装置のロータブレード１の軸受け基部８からリーディングエッジ４を経て該ロータブレードの先端部３にわたり該リーディングエッジ４の表裏を跨ぐように導電性帯６を連続的に固着し、ロータブレード１の軸受け基部８において接地線（図示せず）と電気的に接続することを最大の特徴とする。
この場合も導電性帯６の終端部は図示したようにロータブレード１の先端部３少し通過させることが好ましい構造である。

本願発明で用いる導電性帯５又は導電性帯６の寸法幅は５mm〜３００mmの範囲とし、その素材の厚みの寸法は０．１mm〜１０mmの範囲であり好ましくは１〜３mmの範囲である。
また、その素材についてはアルミニュウムやチタン若しくはジュラルミン等の軽量素材が最も好ましいが、軽量かつ導電性に優れＧ-ＦＲＰとの固着性能が優れている素材であれば目的を達することができ、本願発明では特に特定しない。

請求項２について説明する。
風力発電装置は既に多数が建設され実稼働状況にある。その中には犠牲電極（図示せず）やレセプタ（図示せず）がロータブレード１の先端部３近傍に取り付けられているロータブレード１が存在するし、今後製作されるロ−タブレード１にもこれらの落雷対策装置が設けられることが予想される。
これらはそれぞれに落雷対策としての機能を有しているが、本願発明の導電性帯５又は導電性帯６と電気的に接続することで、よりその効果を増大させることができる。
従って本願発明では犠牲電極又はレセプタとの電気的接続を行うことをも含むものとする。

請求項３について説明する。
本願発明における導電性帯５又は導電性帯６は、ロータブレード１の新規工場製作時に施工することが最も好ましいのであるが、既に運転試行段階或いは実運用している既設の風力発電装置のロータブレード１に後施工による実装装着の特徴をも有しており、本願発明の導電性帯５又は導電性帯６を設けて雷害防止を図る構造およびその方法を提案するものである。
即ち、ロータブレード１本体のＧ-ＦＲＰと導電性帯５又は導電性帯６を連続的にロータブレード１のトレイリングエッジ又は２リーディングエッジ４の表面に表裏を跨ぐようにして先端部３を通過させるように固着させることで、新規製作と同様の施工が可能であり、機能的にも全く新規製作同様の効果を発揮できるものである。

本願発明のロータブレード雷害防止構造基本形の斜視図及び断面図本願発明のロータブレード雷害防止構造応用形の斜視図及び断面図

１ロータブレード
２トレイリングエッジ
３先端部
４リーディングエッジ
５、６導電性帯
８軸受け基部

Claims

風力発電設備におけるロータブレードの、軸受け基部よりトレイリングエッジ又はリーディングエッジを経て先端部にわたり、該ロータブレードの該トレイリングエッジ又は該リーディングエッジの表面と裏面に跨る導電性帯を該ロータブレードに固着したうえ、軸受け基部において接地線と電気的に接続することを特徴とするロータブレード雷害防止構造。
犠牲電極又はレセプタをロータブレードの先端部近傍に固着して、該導電性帯と電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載のロータブレード雷害防止構造。
請求項１から請求項２に記載のロータブレード雷害防止構造を、新規又は既存の風力発電設備のロータブレードに実装装着することを特徴とするロータブレードの雷害防止方法。