JP5546624B2 - 風車翼 - Google Patents
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Description
本発明は、風力発電装置を構成する風車翼に関する。
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、一般に、タワーの上部にナセルが支持され、ハブに取り付けられた回転翼が、ナセルに回転自在に支持された構成を有する。そして、風力発電装置では、風の運動エネルギーを風車翼（正確には風車翼を含むロータ全体）の回転エネルギーに変換し、さらにこの回転エネルギーを発電機にて電力に変換するようになっている。
このような風力発電装置に用いられる風車翼は、タワー上部に支持されることから軽量で、また風を受けることから高強度であることが求められる。したがって、風車翼を構成する部材には繊維強化プラスチックが用いられることが多い。従来の風車翼は、例えば、繊維強化プラスチックで形成された外皮材と、外皮材の背側及び腹側に配置されたスパーキャップ（主補強材）と、スパーキャップ間に配置されたシアウェブ（桁材）とを備える。
風車翼に関連する技術として、特許文献１には、外皮材と、翼長方向に延在する補強材と、シアウェブとを備える風車翼が開示されている。さらにこの風車翼は、補強材が、翼長方向に炭素繊維プラスチック部分と、ガラス繊維プラスチック部分とからなり、例えば、翼根側にガラス繊維プラスチックが配置され、翼先端側に炭素繊維プラスチックが配置された構成が示されている（Ｆｉｇ．３参照）。一般に、炭素繊維プラスチックはガラス繊維プラスチックより高強度であるが高価であるため、上記したように補強材の部位によって２種類のプラスチック材料を使い分けることによって安価で強度の高い構造としている。
また、特許文献２には、翼先端側の外皮を第１の繊維含有高分子で形成し、翼根側の外皮を第２の繊維含有高分子で形成した風車翼が開示されている（Ｆｉｇ．２参照）。第１の繊維含有高分子及び第２の繊維含有高分子には、例えば炭素繊維プラスチックとガラス繊維プラスチックの組み合わせが用いられる。この風車翼は、異なる材料の境界部分における強度を確保するために、翼断面において炭素繊維プラスチック層とガラス繊維プラスチック層との境界面の位置が異なるように構成されている（Ｆｉｇ．５参照）。
上記したように風車翼は、軽量で高強度であることが要求されるが、この他の要素として、風車翼はタワー上部の高い位置に配置され落雷を受けやすいことから、耐雷性も求められる。そこで、特許文献３には、風車翼の表面に着雷用のレセプタを設置した落雷保護装置の構成が開示されている。この装置は、レセプタで受けた雷電流を導線等の接続機器を通して地中にアースするようになっている。
このように、風車翼は、軽量で且つ高強度であるとともに、優れた耐雷性を有することが求められるが、これらの全てをバランスよく兼ね備える風車翼を提供することは困難であった。例えば、特許文献１のように、炭素繊維プラスチックを翼先端側に用いることで翼の軽量化及び高強度化が図れるものの、翼先端側は雷を引き付けやすく、また炭素繊維プラスチックは導電性を有するため、翼先端側の炭素繊維プラスチックに着雷する可能性が増大する。そして、炭素繊維プラスチックに落雷するとこれに沿って電流が流れ、広範囲の損傷が発生する可能性が高い。さらに、炭素繊維プラスチックはガラス繊維プラスチックに比べて補修が難しいという問題もあった。
また、特許文献２において一例として示されるように、翼先端側の外皮をガラス繊維プラスチックで形成し、翼根側の外皮を炭素繊維プラスチックで形成することによって、ある程度の落雷可能性を低減させることはできるが、翼の外表面に炭素繊維プラスチックが露出してしまうので、炭素繊維プラスチックへの直接的な着雷は避けられず、風車翼の損傷を招いてしまう。また、外皮に高価な炭素繊維プラスチックを多量に使用することとなり、風車翼の製品コストが高騰してしまう。
一方、特許文献３は落雷対策以外の要素、すなわち軽量化及び高強度化については言及されていない。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、軽量且つ高強度で、その上耐雷性に優れた風車翼を提供することを目的とする。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、軽量且つ高強度で、その上耐雷性に優れた風車翼を提供することを目的とする。
本発明に係る風車翼は、
耐雷機能を有する風車翼であって、
前記風車翼の翼形を構成する外皮材と、
前記外皮材の内部空間に、翼長方向に延在している桁材と、
前記風車翼の翼根側に配置される炭素繊維プラスチック積層体と、翼先端側に配置されるガラス繊維プラスチック積層体とが接続されてなり、前記風車翼の翼厚方向における前記桁材の端部と前記外皮材との間に設けられるスパーキャップと、
前記ガラス繊維プラスチック積層体が配置される側の前記外皮材に取り付けられた着雷用のレセプタと、該レセプタで受けた雷電流を地中または水中に向けて流すダウンコンダクタと、前記炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の前記外皮材を覆う導電性の金属材とを有する落雷保護装置とを備えることを特徴とする。
耐雷機能を有する風車翼であって、
前記風車翼の翼形を構成する外皮材と、
前記外皮材の内部空間に、翼長方向に延在している桁材と、
前記風車翼の翼根側に配置される炭素繊維プラスチック積層体と、翼先端側に配置されるガラス繊維プラスチック積層体とが接続されてなり、前記風車翼の翼厚方向における前記桁材の端部と前記外皮材との間に設けられるスパーキャップと、
前記ガラス繊維プラスチック積層体が配置される側の前記外皮材に取り付けられた着雷用のレセプタと、該レセプタで受けた雷電流を地中または水中に向けて流すダウンコンダクタと、前記炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の前記外皮材を覆う導電性の金属材とを有する落雷保護装置とを備えることを特徴とする。
上記風車翼によれば、スパーキャップのうち翼根側の部位を、高強度で且つ軽量な炭素繊維プラスチックで形成し、翼先端側の部位を、炭素繊維プラスチックより強度は劣るもののある一定の強度を有し且つ雷を引き付けにくいガラス繊維プラスチック積層体で形成することによって、風車翼の高強度化及び軽量化が可能であるとともに、耐雷性を向上させることが可能となる。特に、炭素繊維プラスチックは落雷によって破損しやすいため、雷を引き付けやすい翼先端側の部位を避けてこの材料を配置することで、落雷があった場合においても風車翼が破損することを防止できる。
また、通常、炭素繊維プラスチックは高強度であるが高価であるので、風車翼のうち最も強度が要求されるスパーキャップの翼根側の部位にのみ炭素繊維プラスチックを用いることで、強度を高く維持しつつ製品コストを抑えることができる。
なお、上記したスパーキャップとは、桁材の端部と外皮材の内面との間に配置され、風車翼の翼長方向に延在する主強度部材である。
また、通常、炭素繊維プラスチックは高強度であるが高価であるので、風車翼のうち最も強度が要求されるスパーキャップの翼根側の部位にのみ炭素繊維プラスチックを用いることで、強度を高く維持しつつ製品コストを抑えることができる。
なお、上記したスパーキャップとは、桁材の端部と外皮材の内面との間に配置され、風車翼の翼長方向に延在する主強度部材である。
さらに上記風車翼には、落雷保護装置として、風車翼のうちガラス繊維プラスチック積層体が配置される側の外皮材に着雷用のレセプタが設けられている。このように、雷を引き付けやすい翼先端側にレセプタを設けることで、雷電流をレセプタに集中させやすくなり、他の部位に落雷することを防げる。
また、この落雷保護装置は、炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の外皮材を覆う導電性の金属材を有している。これにより、炭素繊維プラスチック積層体が直接的に落雷を受けることを回避し、炭素繊維プラスチックが破損することを防止できる。さらにまた、炭素繊維プラスチックに沿って雷電流が流れることによって風車翼が広範囲に損傷することも防止できる。
また、この落雷保護装置は、炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の外皮材を覆う導電性の金属材を有している。これにより、炭素繊維プラスチック積層体が直接的に落雷を受けることを回避し、炭素繊維プラスチックが破損することを防止できる。さらにまた、炭素繊維プラスチックに沿って雷電流が流れることによって風車翼が広範囲に損傷することも防止できる。
上記風車翼において、前記風車翼の翼先端部より翼全長の１／８から１／２の長さの範囲に、ガラス繊維プラスチック積層体及び前記炭素繊維プラスチックの接続部が位置し、前記接続部より翼根側に前記炭素繊維プラスチック積層体が配置されていることが好ましい。
一般に風車翼においては、翼先端部より翼全長の１／８から１／２の長さの範囲に落雷し易いことが知られている。したがって、この範囲にガラス繊維プラスチックを配置することで、翼根側の炭素繊維プラスチックへの落雷を防ぐことができる。ここで、翼先端部より翼全長の１／８より短い位置に接続部が配置されるようにすると、炭素繊維プラスチックが落雷可能性の高い部位にまで延設されることとなり好ましくない。一方、翼先端部より翼全長の１／２より長い位置に接続部が配置されるようにすると、ガラス繊維プラスチックの使用量が多くなって軽量化が阻害されてしまう。
一般に風車翼においては、翼先端部より翼全長の１／８から１／２の長さの範囲に落雷し易いことが知られている。したがって、この範囲にガラス繊維プラスチックを配置することで、翼根側の炭素繊維プラスチックへの落雷を防ぐことができる。ここで、翼先端部より翼全長の１／８より短い位置に接続部が配置されるようにすると、炭素繊維プラスチックが落雷可能性の高い部位にまで延設されることとなり好ましくない。一方、翼先端部より翼全長の１／２より長い位置に接続部が配置されるようにすると、ガラス繊維プラスチックの使用量が多くなって軽量化が阻害されてしまう。
上記風車翼において、前記レセプタは、前記風車翼の翼先端部近傍に埋設された導電性のディスクレセプタであってもよい。
一般に、ディスクレセプタは安価で設置が容易であることから、風車翼の翼先端部近傍に導電性のディスクレセプタを埋設することで、風車翼に対して安価に且つ容易に落雷保護装置を装備することが可能となる。また、風車翼の翼先端部は雷を引き付けやすいため、この部位にディスクレセプタを設置することで、落雷をレセプタに集中させることができる。なお、この雷電流は、ダウンコンダクタを介して地中または水中に円滑に逃がされる。
一般に、ディスクレセプタは安価で設置が容易であることから、風車翼の翼先端部近傍に導電性のディスクレセプタを埋設することで、風車翼に対して安価に且つ容易に落雷保護装置を装備することが可能となる。また、風車翼の翼先端部は雷を引き付けやすいため、この部位にディスクレセプタを設置することで、落雷をレセプタに集中させることができる。なお、この雷電流は、ダウンコンダクタを介して地中または水中に円滑に逃がされる。
あるいは、前記レセプタは、前記風車翼の翼先端部と翼根部の間の表面に配設される導電性のディスクレセプタであってもよい。
このように、風車翼の翼先端部と翼根部の間の表面に導電性のディスクレセプタを埋設することで、風車翼に対して安価に且つ容易に落雷保護装置を装備することが可能である。
このように、風車翼の翼先端部と翼根部の間の表面に導電性のディスクレセプタを埋設することで、風車翼に対して安価に且つ容易に落雷保護装置を装備することが可能である。
前記レセプタがディスクレセプタである場合、前記ディスクレセプタは、前記風車翼の背側及び腹側に複数埋設されており、前記風車翼の内部には、前記複数のディスクレセプタが取り付けられるベースプレートが設けられ、前記ベースプレートは、前記ディスクレセプタを前記ダウンコンダクタに電気的に接続していることが好ましい。
このように、複数のディスクレセプタをベースプレートに取り付け、ベースプレートをダウンコンダクタに電気的に接続するようにしたので、複数のディスクレセプタの風車翼への取り付けが容易となる。
このように、複数のディスクレセプタをベースプレートに取り付け、ベースプレートをダウンコンダクタに電気的に接続するようにしたので、複数のディスクレセプタの風車翼への取り付けが容易となる。
また、前記レセプタがディスクレセプタである場合、前記風車翼が接続されるハブ及び該ハブを支持するタワー内に配置され、前記ディスクレセプタで受けた雷電流を地中または水中へアースするダウンコンダクタに、熱膨張及び熱収縮を吸収可能に前記ディスクレセプタ及び前記ベースプレートが接続されていることが好ましい。
このように、ダウンコンダクタに対して、熱膨張及び熱収縮を吸収可能にディスクレセプタ及びベースプレートが接続されていることによって、風力発電装置が外気の温度差等によって熱膨張または熱収縮した場合であってもダウンコンダクタとディスクレセプタ及びベースプレートとの電気的な接続を維持することができる。
このとき、前記ディスクレセプタ及び前記ベースプレートの一方と前記ダウンコンダクタとが、導電性を有する熱収縮チューブで接続されていてもよい。
このように、ダウンコンダクタに対して、熱膨張及び熱収縮を吸収可能にディスクレセプタ及びベースプレートが接続されていることによって、風力発電装置が外気の温度差等によって熱膨張または熱収縮した場合であってもダウンコンダクタとディスクレセプタ及びベースプレートとの電気的な接続を維持することができる。
このとき、前記ディスクレセプタ及び前記ベースプレートの一方と前記ダウンコンダクタとが、導電性を有する熱収縮チューブで接続されていてもよい。
上記風車翼において、前記ダウンコンダクタは、前記桁材に沿って配設されていることが好ましい。
このように、ダウンコンダクタが桁材に沿って配設されることで、風車翼の回転によってダウンコンダクタが揺動して損傷することを防止できる。
このように、ダウンコンダクタが桁材に沿って配設されることで、風車翼の回転によってダウンコンダクタが揺動して損傷することを防止できる。
上記風車翼において、前記レセプタが複数設けられ、前記風車翼の翼先端部に配置されるロッドレセプタを含み、前記ロッドレセプタは、基部と着雷部とからなり、前記基部が前記ベースプレートに締結された状態で前記外皮材の内部空間に配置されており、前記風車翼の翼先端部の前記外皮材を切り開いて開口を設けて、前記開口部に前記着雷部を挿入して前記基部に前記着雷部を連結した構成とすることが好ましい。
一般に、ロッドレセプタは翼のエッジ方向にも取り付け可能であることから、風車翼の翼先端部にもロッドレセプタを容易に配置できる。また、ロッドレセプタが基部と着雷部とからなり、ベースプレートに締結された基部に、開口部を介して挿入した着雷部を連結する構成とすることで、簡単にレセプタを取り付けることができる。
一般に、ロッドレセプタは翼のエッジ方向にも取り付け可能であることから、風車翼の翼先端部にもロッドレセプタを容易に配置できる。また、ロッドレセプタが基部と着雷部とからなり、ベースプレートに締結された基部に、開口部を介して挿入した着雷部を連結する構成とすることで、簡単にレセプタを取り付けることができる。
この場合、前記ロッドレセプタ及び前記ベースプレートが、導電性を有する締結部材で互いに締結されていてもよい。
これにより、導電性を確保しながらベースプレートに対してロッドレセプタを着脱可能に固定することができる。
これにより、導電性を確保しながらベースプレートに対してロッドレセプタを着脱可能に固定することができる。
上記風車翼において、前記炭素繊維プラスチック積層体と、前記ガラス繊維プラスチック積層体との接続部の突き合わせ位置が、前記風車翼の肉厚方向に段階的に変化するように構成されていることが好ましい。
通常、異なる材料の接続部においては強度が低下してしまうが、上記したように炭素繊維プラスチック積層体とガラス繊維プラスチック積層体との接続部の突き合わせ位置が、肉厚方向に段階的に変化するように構成することで、座屈等が発生しないように強度を確保することができる。
通常、異なる材料の接続部においては強度が低下してしまうが、上記したように炭素繊維プラスチック積層体とガラス繊維プラスチック積層体との接続部の突き合わせ位置が、肉厚方向に段階的に変化するように構成することで、座屈等が発生しないように強度を確保することができる。
また、上記風車翼において、前記スパーキャップは、炭素繊維プラスチック層及びガラス繊維プラスチック層をそれぞれ積層配置して樹脂を含浸させた真空含浸によって一体に成型されていてもよい。
以上記載のように本発明によれば、スパーキャップのうち翼根側の部位を、高強度で且つ軽量な炭素繊維プラスチックで形成し、翼先端側の部位を、炭素繊維プラスチックより強度は劣るもののある一定の強度を有し且つ雷を引き付けにくいガラス繊維プラスチック積層体で形成することによって、風車翼の高強度化及び軽量化が可能であるとともに、耐雷性を向上させることが可能となる。特に、炭素繊維プラスチックは落雷によって破損しやすいため、雷を引き付けやすい翼先端側の部位を避けてこの材料を配置することで、落雷があった場合においても風車翼が破損することを防止できる。
また、通常、炭素繊維プラスチックは高強度であるが高価であるので、風車翼のうち最も強度が要求されるスパーキャップの翼根側の部位にのみ炭素繊維プラスチックを用いることで、強度を高く維持しつつ製品コストを抑えることができる。
また、通常、炭素繊維プラスチックは高強度であるが高価であるので、風車翼のうち最も強度が要求されるスパーキャップの翼根側の部位にのみ炭素繊維プラスチックを用いることで、強度を高く維持しつつ製品コストを抑えることができる。
さらに上記風車翼には、落雷保護装置として、風車翼のうちガラス繊維プラスチック積層体が配置される側の外皮材に着雷用のレセプタが設けられている。このように、雷を引き付けやすい翼先端側にレセプタを設けることで、雷電流をレセプタに集中させやすくなり、他の部位に落雷することを防げる。
また、この落雷保護装置は、炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の外皮材を覆う導電性の金属材を有している。これにより、炭素繊維プラスチック積層体が直接的に落雷を受けることを回避し、炭素繊維プラスチックが破損することを防止できる。さらにまた、炭素繊維プラスチックに沿って雷電流が流れることによって風車翼が広範囲に損傷することも防止できる。
また、この落雷保護装置は、炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の外皮材を覆う導電性の金属材を有している。これにより、炭素繊維プラスチック積層体が直接的に落雷を受けることを回避し、炭素繊維プラスチックが破損することを防止できる。さらにまた、炭素繊維プラスチックに沿って雷電流が流れることによって風車翼が広範囲に損傷することも防止できる。
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１に示すように、風力発電装置１００は、１本以上（この例では３本）の風車翼１と、風車翼１が取り付けられるハブ２と、風車翼１及びハブ２を含むロータを支持するナセル３と、ナセル３を旋回自在に支持するタワー４とを備える。なお、ロータの回転は不図示の発電機に入力されて、該発電機において電力が生成されるようになっている。
風車翼１のハブ２への取付けは、風車翼１の翼根部をハブ２に任意の締結部材を用いて固定することで行われる。
タワー４は、基礎５上に立設される。基礎５は、陸上風力発電装置の場合は地上に、洋上風力発電装置の場合は洋上に設けられている。なお、本実施形態に係る風力発電装置１００は、陸上風力発電装置及び洋上風力発電装置のいずれにも適用可能である。
風車翼１のハブ２への取付けは、風車翼１の翼根部をハブ２に任意の締結部材を用いて固定することで行われる。
タワー４は、基礎５上に立設される。基礎５は、陸上風力発電装置の場合は地上に、洋上風力発電装置の場合は洋上に設けられている。なお、本実施形態に係る風力発電装置１００は、陸上風力発電装置及び洋上風力発電装置のいずれにも適用可能である。
図２に示す風車翼の平面図のように、風車翼１は、ハブ２に連結される翼根部１Ａから翼先端部１Ｂまで延在する長尺な形状を有している。
図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。同図に示すように、風車翼１は、主に、外皮材１１と、スパーキャップ（主強度材）１６と、シアウェブ（桁材）１８と、落雷保護装置とを備える。なお、落雷保護装置の構成については後述する。
図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。同図に示すように、風車翼１は、主に、外皮材１１と、スパーキャップ（主強度材）１６と、シアウェブ（桁材）１８と、落雷保護装置とを備える。なお、落雷保護装置の構成については後述する。
スパーキャップ１６は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されている。
外皮材１１は、その他の部分とともに風車翼１の翼形を構成するものである。外皮材１１およびその他の部分は、例えば、ガラス繊維プラスチック層やコア材で形成されていてもよい。なお、この構造に限定されるものではなく、スパーキャップ１６以外の部位は、単にガラス繊維プラスチック積層体またはガラス繊維プラスチック発泡体等を配置した構成としてもよい。
外皮材１１は、その他の部分とともに風車翼１の翼形を構成するものである。外皮材１１およびその他の部分は、例えば、ガラス繊維プラスチック層やコア材で形成されていてもよい。なお、この構造に限定されるものではなく、スパーキャップ１６以外の部位は、単にガラス繊維プラスチック積層体またはガラス繊維プラスチック発泡体等を配置した構成としてもよい。
シアウェブ１８は、外皮材１１の内部空間に、翼長方向に延在している。また、シアウェブ１８は、背側に設けられたスパーキャップ１６と、腹側に設けられたスパーキャップ１６とを結合し、これにより風車翼１の強度を高める。前縁側に配置されたシアウェブ１８と、後縁側に配置されたシアウェブ１８との間隔は、一定であってもよいし、コード長に変化に合わせて比例的に変化させてもよい。
スパーキャップ１６は、シアウェブ１８の端部と、外皮材１１等の風車翼１の翼形を形成する部位との間に配置され、風車翼１の翼長方向に延在する強度部材である。上記したように、スパーキャップ１６は、背側に設けられたスパーキャップ１６と、腹側に設けられたスパーキャップ１６との２つからなる。このように、スパーキャップ１６はシアウェブ１８に対応して設けられるものであり、シアウェブ１８の数に応じてスパーキャップ１６の数が決定する。
また、スパーキャップ１６は、図４に示すように、翼根部１Ａ側から翼先端部１Ｂ側にかけて一定の幅（コード方向（図４において上下方向）長さ）を有する。ここで、図４は、スパーキャップを説明する図である。同図に示すように、スパーキャップ１６は、風車翼１の翼根部１Ａ側に配置される炭素繊維プラスチック積層体１６１と、翼先端部１Ｂ側に配置されるガラス繊維プラスチック積層体１６２とが接続されて構成される。なお、炭素繊維プラスチック積層体１６１は、炭素繊維プラスチック層が複数積層されて形成される。同様に、ガラス繊維プラスチック積層体１６２は、ガラス繊維プラスチック層が複数積層されて形成される。
ここで、スパーキャップ１６は、風車翼１の翼先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／８から１／２の長さＬ１の範囲に、ガラス繊維プラスチック積層体１６２及び炭素繊維プラスチック１６１の接続部１６５が位置し、この接続部１６５より翼根部１Ａ側に炭素繊維プラスチック積層体１６１が配置されていることが好ましい。
これは、風車翼１の先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／８から１／２の長さＬ１の範囲に落雷し易いため、この範囲にガラス繊維プラスチック１６２を配置することで、翼根部１Ａ側の炭素繊維プラスチック１６１への落雷を防ぐことができる。ここで、風車翼１の先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／８より短い位置に接続部１６５が配置されるようにすると、炭素繊維プラスチック１６１が落雷可能性の高い部位にまで延設されることとなり好ましくない。一方、風車翼１の先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／２より長い位置に接続部１６５が配置されるようにすると、ガラス繊維プラスチック１６２の使用量が多くなって風車翼１の軽量化が阻害されてしまう。
これは、風車翼１の先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／８から１／２の長さＬ１の範囲に落雷し易いため、この範囲にガラス繊維プラスチック１６２を配置することで、翼根部１Ａ側の炭素繊維プラスチック１６１への落雷を防ぐことができる。ここで、風車翼１の先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／８より短い位置に接続部１６５が配置されるようにすると、炭素繊維プラスチック１６１が落雷可能性の高い部位にまで延設されることとなり好ましくない。一方、風車翼１の先端部１Ｂより翼全長Ｌの１／２より長い位置に接続部１６５が配置されるようにすると、ガラス繊維プラスチック１６２の使用量が多くなって風車翼１の軽量化が阻害されてしまう。
図５は、スパーキャップの炭素繊維プラスチック積層体とガラス繊維プラスチック積層体との接続部の一例を示す拡大断面図である。
同図に示すように、炭素繊維プラスチック積層体１６１と、ガラス繊維プラスチック積層体１６２との接続部１６５の突き合わせ位置が、風車翼１の肉厚方向（図５の上下方向）に段階的に変化するように構成されていることが好ましい。
通常、異なる材料の接続部においては強度が低下してしまうが、上記したように炭素繊維プラスチック積層体１６１とガラス繊維プラスチック積層体１６２との接続部１６５の突き合わせ位置が、肉厚方向に段階的に変化するように構成することで、座屈等が発生しないように強度を確保することができる。
同図に示すように、炭素繊維プラスチック積層体１６１と、ガラス繊維プラスチック積層体１６２との接続部１６５の突き合わせ位置が、風車翼１の肉厚方向（図５の上下方向）に段階的に変化するように構成されていることが好ましい。
通常、異なる材料の接続部においては強度が低下してしまうが、上記したように炭素繊維プラスチック積層体１６１とガラス繊維プラスチック積層体１６２との接続部１６５の突き合わせ位置が、肉厚方向に段階的に変化するように構成することで、座屈等が発生しないように強度を確保することができる。
また、このスパーキャップ１６は、炭素繊維プラスチック層及びガラス繊維プラスチック層をそれぞれ積層配置して樹脂を含浸させ、固化させる真空含浸法によって一体に成型してもよい。この成型方法は、まず、炭素繊維プラスチック層と、ガラス繊維プラスチック層とを、その突き合わせ位置が肉厚方向に段階的に変化するように成形型上に積層配置し、これらをバッグフィルムで覆って密閉する。このとき、バッグフィルムと炭素繊維プラスチック層及びガラス繊維プラスチック層との間に離型フィルムとメッシュシートとを介装しておく。そして、バッグフィルムの内側を真空吸引し、バッグフィルムの内部に液状樹脂を注入して硬化させる。樹脂が硬化した後、離型フィルムを剥離してバッグフィルムとメッシュシートとを除去することによって、炭素繊維プラスチック積層体及びガラス繊維プラスチック積層体からなるスパーキャップ１６が得られる。
別の方法として、図６に示すように、まず最初に炭素繊維プラスチック積層体を成型しておく。このとき、炭素繊維プラスチック積層体の端部が段階的に変化するように成型する。炭素繊維プラスチック積層体の成型方法は、上記したような真空含浸法であってもよいし、他の成型方法であってもよい。そして、成形型上に炭素繊維プラスチック積層体を載置し、次いで、ガラス繊維プラスチック層を、層の端部が炭素繊維プラスチック積層体の端部に一致するようにして積層する。この上面に離型フィルムとメッシュシートとを載置し、これらをバッグフィルムで覆って密閉する。そして、バッグフィルムの内側を真空吸引し、バッグフィルムの内部に液状樹脂を注入して硬化させる。樹脂が硬化した後、離型フィルムを剥離してバッグフィルムとメッシュシートとを除去することによって、炭素繊維プラスチック積層体及びガラス繊維プラスチック積層体からなるスパーキャップ１６が得られる。なお、図６で説明した成型方法において、炭素繊維プラスチック積層体の代わりに、まず先にガラス繊維プラスチック積層体を成型しておいてもよい。
上記したように、真空含浸法を用いることで、大掛かりな装置を用いることなく容易にスパーキャップ１６を製造することが可能となる。
上記したように、真空含浸法を用いることで、大掛かりな装置を用いることなく容易にスパーキャップ１６を製造することが可能となる。
図２及び図３に戻り、本実施形態に係る落雷保護装置を詳細に説明する。
落雷保護装置は、主に、着雷用のレセプタ２１、２３と、ベースプレート２５と、ダウンコンダクタ２６と、外皮材１１を覆う金属材４１とを有する。
落雷保護装置は、主に、着雷用のレセプタ２１、２３と、ベースプレート２５と、ダウンコンダクタ２６と、外皮材１１を覆う金属材４１とを有する。
金属材４１は、導電性を有しており、炭素繊維プラスチック積層体１６１が配置される側、すなわち翼根部１Ａ側の外皮材１１を覆うように設けられている。金属材４１としては、例えば銅やアルミニウム等が用いられる。また、金属材４１の形態は、メッシュ状であってもよいし、箔状であってもよい。この金属材４１は、ベースプレート２５またはダウンコンダクタ２６に接続されていることが好ましい。
これにより、翼根部１Ａ側に落雷した雷電流は金属材４１に沿って流れるため、炭素繊維プラスチック積層体１６１に大電流が通電することを防止でき、炭素繊維プラスチック積層体１６１が破損したり、風車翼が広範囲に損傷したりすることを防止できる。
これにより、翼根部１Ａ側に落雷した雷電流は金属材４１に沿って流れるため、炭素繊維プラスチック積層体１６１に大電流が通電することを防止でき、炭素繊維プラスチック積層体１６１が破損したり、風車翼が広範囲に損傷したりすることを防止できる。
レセプタ２１、２３は、受電部とも呼ばれ、アルミニウム、銅、ステンレスあるいはこれらの合金等の導電性金属材料で形成されており、雷電流を安全に大地（洋上風車の場合は水中）に流すために用いられる。本実施形態に係る風車翼１においては、レセプタ２１、２３は、主としてガラス繊維プラスチック積層体１６２が配置される側、すなわち翼先端部１Ｂ側の外皮材１１に、外表面に露出するように取り付けられる。レセプタ２１、２３としては、例えば、ディスクレセプタ２１、ロッドレセプタ２３若しくはチップレセプタ（不図示）等が用いられる。
図２及び図３は、ディスクレセプタ２１及びロッドレセプタ２３を設けた場合を例示している。
ディスクレセプタ２１は、風車翼１の翼先端部１Ｂ近傍に埋設されていてもよいし、風車翼１の翼先端部１Ｂと翼根部１Ａの間の表面に配設されていてもよい。また、このディスクレセプタ２１は、風車翼１の背側及び腹側に複数埋設されていてもよい。
一般に、ディスクレセプタ２１は安価で設置が容易であることから、風車翼１の翼先端部１Ｂ近傍、あるいは翼先端部１Ｂと翼根部１Ａの間にディスクレセプタ２１を埋設することで、風車翼１に対して安価に且つ容易に落雷保護装置を装備することが可能である。また、風車翼の翼先端部１Ｂは雷を引き付けやすいため、この部位にディスクレセプタ２１を設置することで、落雷をレセプタ２１に集中させることができる。この雷電流は、ベースプレート２５及びダウンコンダクタ２６を介して地中または水中に円滑に逃がされる。
ディスクレセプタ２１は、風車翼１の翼先端部１Ｂ近傍に埋設されていてもよいし、風車翼１の翼先端部１Ｂと翼根部１Ａの間の表面に配設されていてもよい。また、このディスクレセプタ２１は、風車翼１の背側及び腹側に複数埋設されていてもよい。
一般に、ディスクレセプタ２１は安価で設置が容易であることから、風車翼１の翼先端部１Ｂ近傍、あるいは翼先端部１Ｂと翼根部１Ａの間にディスクレセプタ２１を埋設することで、風車翼１に対して安価に且つ容易に落雷保護装置を装備することが可能である。また、風車翼の翼先端部１Ｂは雷を引き付けやすいため、この部位にディスクレセプタ２１を設置することで、落雷をレセプタ２１に集中させることができる。この雷電流は、ベースプレート２５及びダウンコンダクタ２６を介して地中または水中に円滑に逃がされる。
ベースプレート２５は、導電性を有する材料で形成され、風車翼１の内部に埋設されている。このベースプレート２５には、複数のディスクレセプタ２１が電気的に接続されるように取り付けられている。具体的には、ベースプレート２５は、風車翼１の腹側及び背側に平面状部を有するように形成されており、それぞれの側の平面状部に、ディスクレセプタ２１が螺合される穴部２５ａを有している。一方、ディスクレセプタ２１は、ディスク状の着雷部２１ａと、着雷部２１ａから延設された軸状の基部２１ｂとからなる。そして、外皮材１１を貫通する穴を介して、ディスクレセプタ２１の基部２１ｂを挿入し、風車翼１の内部に埋設されたベースプレート２５の穴部２５ａに基部２１ｂを螺合することで、ディスクレセプタ２１をベースプレート２５に固定する。
図７は、落雷保護装置を具体的に説明する図である。、
図７に示すように、ディスクレセプタ２１が取り付けられたベースプレート２５は、締結部材３２によって端子３１が固定されており、この端子３１とダウンコンダクタ２６とが熱収縮チューブ３５によって物理的に接続されている。このとき、端子３１及び熱収縮チューブ３５はそれぞれ導電性を有しており、これによってベースプレート２５とダウンコンダクタ２６とが電気的にも接続されている。このように、熱収縮チューブ３５によって熱膨張及び熱収縮を吸収可能に、ディスクレセプタ２１及びベースプレート２５がダウンコンダクタ２６に接続されることによって、風力発電装置１００が外気の温度差等によって熱膨張または熱収縮した場合であってもダウンコンダクタ２６とディスクレセプタ２１及びベースプレート２５との電気的な接続を維持することができる。
図７に示すように、ディスクレセプタ２１が取り付けられたベースプレート２５は、締結部材３２によって端子３１が固定されており、この端子３１とダウンコンダクタ２６とが熱収縮チューブ３５によって物理的に接続されている。このとき、端子３１及び熱収縮チューブ３５はそれぞれ導電性を有しており、これによってベースプレート２５とダウンコンダクタ２６とが電気的にも接続されている。このように、熱収縮チューブ３５によって熱膨張及び熱収縮を吸収可能に、ディスクレセプタ２１及びベースプレート２５がダウンコンダクタ２６に接続されることによって、風力発電装置１００が外気の温度差等によって熱膨張または熱収縮した場合であってもダウンコンダクタ２６とディスクレセプタ２１及びベースプレート２５との電気的な接続を維持することができる。
図８は、ロッドレセプタの構成例を示す拡大図である。
同図に示すように、ロッドレセプタ２３は、翼先端部１Ｂに設けられ、縁部（エッジ）方向に配置される。このロッドレセプタ２３は、ロッド状の着雷部２３ａと、着雷部２３ａから延設された軸状の基部２３ｂとから構成される。基部２３ｂの軸方向端部には、ベースプレート２５に取り付けられる突起部２３ｂ１が設けられている。また、基部２３ｂの他端側の軸方向端部には、着雷部２３ａが取り付けられる穴部２３ｂ２が形成されている。着雷部２３ａの端部には、基部２３ｂの穴部２３ｂ２に取り付けられる突起部２３ａ１が設けられている。基部２３ｂの穴部２３ｂ２の内面はねじ切り加工されており、一方、着雷部２３ａの突起部２３ａ１の外面にはねじ山が形成されており、これらは互いに螺合するようになっている。
同図に示すように、ロッドレセプタ２３は、翼先端部１Ｂに設けられ、縁部（エッジ）方向に配置される。このロッドレセプタ２３は、ロッド状の着雷部２３ａと、着雷部２３ａから延設された軸状の基部２３ｂとから構成される。基部２３ｂの軸方向端部には、ベースプレート２５に取り付けられる突起部２３ｂ１が設けられている。また、基部２３ｂの他端側の軸方向端部には、着雷部２３ａが取り付けられる穴部２３ｂ２が形成されている。着雷部２３ａの端部には、基部２３ｂの穴部２３ｂ２に取り付けられる突起部２３ａ１が設けられている。基部２３ｂの穴部２３ｂ２の内面はねじ切り加工されており、一方、着雷部２３ａの突起部２３ａ１の外面にはねじ山が形成されており、これらは互いに螺合するようになっている。
風車翼１の内部に配設されたベースプレート２５には、翼先端部１ｂ側に穴部が形成されており、この穴部に基部２３ｂの突起部２３ｂ１が挿入され、これらが導電性を有する締結部材２９によって固定されている。これにより、導電性を十分に確保しながら、ベースプレート２５に対してロッドレセプタ２３を着脱可能に固定することができる。
一方、図７に示すように、風車翼１の先端部１ｂには、外皮材１１が切り開かれて形成された開口２７が設けられている。この開口２７から、ベースプレート２５に締結された状態の基部２３ｂが一部露出している。ロッドレセプタ２３を組み立てる際には、この開口２７から着雷部２３ａの突起部２３ａ１を挿入し、基部２３ｂの穴部２３ｂ２に螺合させて着雷部２３ａを基部２３ｂに連結させる。
ロッドレセプタ２３で受けた雷電流は、ベースプレート２５及びダウンコンダクタ２６を介して地中または水中に円滑に逃がされる。
一方、図７に示すように、風車翼１の先端部１ｂには、外皮材１１が切り開かれて形成された開口２７が設けられている。この開口２７から、ベースプレート２５に締結された状態の基部２３ｂが一部露出している。ロッドレセプタ２３を組み立てる際には、この開口２７から着雷部２３ａの突起部２３ａ１を挿入し、基部２３ｂの穴部２３ｂ２に螺合させて着雷部２３ａを基部２３ｂに連結させる。
ロッドレセプタ２３で受けた雷電流は、ベースプレート２５及びダウンコンダクタ２６を介して地中または水中に円滑に逃がされる。
一般に、ロッドレセプタ２３は翼１のエッジ方向にも取り付け可能であることから、風車翼１の先端部１Ｂにもロッドレセプタ２３を容易に配置できる。また、ロッドレセプタ２３が基部２３ｂと着雷部２３ａとからなり、ベースプレート２５に締結された基部２３ｂに、開口部２７を介して挿入した着雷部２３ａを連結する構成とすることで、簡単にロッドレセプタ２３を風車翼１に取り付けることができる。
図１を参照して、ダウンコンダクタ２６について説明する。
同図に示すように、ダウンコンダクタ２６は、導電性を有しており、ハブ２、ナセル３、タワー４を通って地中または水中まで延設され、ディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３で受けた雷電流を地中または水中へアースする。すなわち、ディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３で受けた雷電流は、ベースプレート２５に集められ、ダウンコンダクタ２６を通って地中または水中に逃がされる。
このように、複数のディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３をベースプレート２５に取り付け、ベースプレート２５をダウンコンダクタ２６に電気的に接続するようにしたので、ディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３で受けた雷電流を風力発電装置１の外部へ円滑に逃がすことができるとともに、複数のディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３の風車翼１への取り付けが容易となる。
同図に示すように、ダウンコンダクタ２６は、導電性を有しており、ハブ２、ナセル３、タワー４を通って地中または水中まで延設され、ディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３で受けた雷電流を地中または水中へアースする。すなわち、ディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３で受けた雷電流は、ベースプレート２５に集められ、ダウンコンダクタ２６を通って地中または水中に逃がされる。
このように、複数のディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３をベースプレート２５に取り付け、ベースプレート２５をダウンコンダクタ２６に電気的に接続するようにしたので、ディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３で受けた雷電流を風力発電装置１の外部へ円滑に逃がすことができるとともに、複数のディスクレセプタ２１またはロッドレセプタ２３の風車翼１への取り付けが容易となる。
図９Ａは、ダウンコンダクタの配置例を示す斜視図であり、図９Ｂは、図９ＡのＣ−Ｃ矢視断面図である。図９Ａに示すように、ダウンコンダクタ２６は、シアウェブ１８が存在する部位においては、シアウェブ１８に沿って配設されることが好ましい。このとき、図９Ｂに示すように、ダウンコンダクタ２６をシアウェブ１８の面に対して固定部材３８で固定してもよい。
このように、ダウンコンダクタ２６をシアウェブ１８に沿って配設することで、風車翼１の回転によってダウンコンダクタ２６が揺動して損傷することを防止できる。なお、シアウェブ１８は翼根部１Ａ付近で途切れているため、シアウェブ１８が存在しない部位では外皮材１１の内側に沿って配設する。
このように、ダウンコンダクタ２６をシアウェブ１８に沿って配設することで、風車翼１の回転によってダウンコンダクタ２６が揺動して損傷することを防止できる。なお、シアウェブ１８は翼根部１Ａ付近で途切れているため、シアウェブ１８が存在しない部位では外皮材１１の内側に沿って配設する。
ここで、図１０を参照して、ダウンコンダクタ２６の具体的な構成例について説明する。ダウンコンダクタ２６は、例えば、中心部を構成する複数の銅線２６１と、この銅線２６１を被覆する銅シールド２６２と、この銅シールド２６２を被覆する絶縁体２６３と、この絶縁材２６３を被覆するゴム製ジャケット２６４とから構成される。
なお、ダウンコンダクタ２６は上記構成に限定されるものではなく、導体を絶縁体で被覆した構成であればいずれの構成を採用してもよい。
なお、ダウンコンダクタ２６は上記構成に限定されるものではなく、導体を絶縁体で被覆した構成であればいずれの構成を採用してもよい。
上述したように本実施形態によれば、スパーキャップ１６のうち翼根部１Ａ側の部位を、高強度で且つ軽量な炭素繊維プラスチック１６１で形成し、翼先端部１Ｂ側の部位を、炭素繊維プラスチックより強度は劣るもののある一定の強度を有し且つ雷を引き付けにくいガラス繊維プラスチック積層体１６２で形成することによって、風車翼１の高強度化及び軽量化が可能であるとともに、耐雷性を向上させることが可能となる。特に、炭素繊維プラスチックは落雷によって破損しやすいため、雷を引き付けやすい翼先端部１Ｂ側の部位を避けてこの材料を配置することで、落雷があった場合においても風車翼１が破損することを防止できる。
また、通常、炭素繊維プラスチックは高強度であるが高価であるので、風車翼１のうち最も強度が要求されるスパーキャップ１６の翼根部１Ａ側の部位にのみ炭素繊維プラスチックを用いることで、強度を高く維持しつつ製品コストを抑えることができる。
また、通常、炭素繊維プラスチックは高強度であるが高価であるので、風車翼１のうち最も強度が要求されるスパーキャップ１６の翼根部１Ａ側の部位にのみ炭素繊維プラスチックを用いることで、強度を高く維持しつつ製品コストを抑えることができる。
さらに上記風車翼１には、落雷保護装置として、風車翼１のうちガラス繊維プラスチック積層体１６２が配置される側の外皮材１１に着雷用のレセプタ２１、２３が設けられている。このように、雷を引き付けやすい翼先端部１Ｂ側にレセプタ２１、２３を設けることで、雷電流をレセプタ２１、２３に集中させやすくなり、他の部位に落雷することを防げる。
また、この落雷保護装置は、炭素繊維プラスチック積層体１６１が配置される側の外皮材１１を覆う導電性の金属材４１を有している。これにより、炭素繊維プラスチック積層体１６１が直接的に落雷を受けることを回避し、炭素繊維プラスチックが破損することを防止できる。さらにまた、炭素繊維プラスチックに沿って雷電流が流れることによって風車翼が広範囲に損傷することも防止できる。
また、この落雷保護装置は、炭素繊維プラスチック積層体１６１が配置される側の外皮材１１を覆う導電性の金属材４１を有している。これにより、炭素繊維プラスチック積層体１６１が直接的に落雷を受けることを回避し、炭素繊維プラスチックが破損することを防止できる。さらにまた、炭素繊維プラスチックに沿って雷電流が流れることによって風車翼が広範囲に損傷することも防止できる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
１ 風車翼
１Ａ 翼根部
１Ｂ 翼先端部
２ ハブ
３ ナセル
４ タワー
５ 基礎
１１ 外皮材
１８ シアウェブ
２１ ディスクレセプタ
２１ａ 着雷部
２１ｂ 基部
２３ ロッドレセプタ
２３ａ 着雷部
２３ｂ 基部
２９ 締結部材
３１ 端子
３２ 固定部材
３５ 熱収縮チューブ
４１ 金属材
１６１ 炭素繊維プラスチック積層体
１６２ ガラス繊維プラスチック積層体
２６１ 銅線
２６２ 銅シールド
２６３ 絶縁材
２６４ ゴム製ジャケット
１Ａ 翼根部
１Ｂ 翼先端部
２ ハブ
３ ナセル
４ タワー
５ 基礎
１１ 外皮材
１８ シアウェブ
２１ ディスクレセプタ
２１ａ 着雷部
２１ｂ 基部
２３ ロッドレセプタ
２３ａ 着雷部
２３ｂ 基部
２９ 締結部材
３１ 端子
３２ 固定部材
３５ 熱収縮チューブ
４１ 金属材
１６１ 炭素繊維プラスチック積層体
１６２ ガラス繊維プラスチック積層体
２６１ 銅線
２６２ 銅シールド
２６３ 絶縁材
２６４ ゴム製ジャケット
Claims (12)
- 耐雷機能を有する風車翼であって、
前記風車翼の翼形を構成する外皮材と、
前記外皮材の内部空間に、翼長方向に延在している桁材と、
前記風車翼の翼根側に配置される炭素繊維プラスチック積層体と、翼先端側に配置されるガラス繊維プラスチック積層体とが接続されてなり、前記風車翼の翼厚方向における前記桁材の端部と前記外皮材との間に設けられるスパーキャップと、
前記ガラス繊維プラスチック積層体が配置される側の前記外皮材に取り付けられた着雷用のレセプタと、該レセプタで受けた雷電流を地中または水中に向けて流すダウンコンダクタと、前記炭素繊維プラスチック積層体が配置される側の前記外皮材を覆う導電性の金属材とを有する落雷保護装置とを備えることを特徴とする風車翼。 - 前記風車翼の先端部より翼全長の１／８から１／２の長さの範囲に、ガラス繊維プラスチック積層体及び前記炭素繊維プラスチックの接続部が位置し、前記接続部より翼根側に前記炭素繊維プラスチック積層体が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
- 前記レセプタは、前記風車翼の先端部近傍に埋設された導電性のディスクレセプタであることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
- 前記レセプタは、前記風車翼の先端部と翼根部の間の表面に配設される導電性のディスクレセプタであることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
- 前記ディスクレセプタは、前記風車翼の背側及び腹側に複数埋設されており、
前記風車翼の内部には、前記複数のディスクレセプタが取り付けられるベースプレートが設けられ、
前記ベースプレートは、前記ディスクレセプタを前記ダウンコンダクタに電気的に接続していることを特徴とする請求項４に記載の風車翼。 - 前記風車翼が接続されるハブ及び該ハブを支持するタワー内に配置され、前記ディスクレセプタで受けた雷電流を地中または水中へアースするダウンコンダクタに、熱膨張及び熱収縮を吸収可能に前記ディスクレセプタ及び前記ベースプレートが接続されていることを特徴とする請求項４に記載の風車翼。
- 前記ディスクレセプタ及び前記ベースプレートの一方と前記ダウンコンダクタとが、導電性を有する熱収縮チューブで接続されていることを特徴とする請求項６に記載の風車翼。
- 前記ダウンコンダクタは、前記桁材に沿って配設されていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
- 前記レセプタが複数設けられ、前記風車翼の先端部に配置されるロッドレセプタを含み、
前記ロッドレセプタは、基部と着雷部とからなり、
前記基部が前記ベースプレートに締結された状態で前記外皮材の内部空間に配置されており、
前記風車翼の先端部の前記外皮材を切り開いて開口を設けて、前記開口部に前記着雷部を挿入して前記基部に前記着雷部を連結したことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。 - 前記ロッドレセプタ及び前記ベースプレートが、導電性を有する締結部材で互いに締結されていることを特徴とする請求項９に記載の風車翼。
- 前記炭素繊維プラスチック積層体と、前記ガラス繊維プラスチック積層体との接続部の突き合わせ位置が、前記風車翼の肉厚方向に段階的に変化するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
- 前記スパーキャップは、炭素繊維プラスチック層及びガラス繊維プラスチック層をそれぞれ積層配置して樹脂を含浸させた真空含浸によって一体に成型されていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
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