JP2004300967A

JP2004300967A - Windmill and windmill system

Info

Publication number: JP2004300967A
Application number: JP2003092951A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kimura; 克己木村; Kenji Ichihara; 堅治市原; Kazuhiko Sugiyama; 和彦杉山; Masaaki Imafuku; 賢明今福; Yukio Suzuki; 幸雄鈴木
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-28

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce an installation area, without enlarging equipment of a lightning rod. <P>SOLUTION: A vertical shaft windmill 100 comprises a rotation shaft 1, arms 2, and blades 3. The rotation shaft 1 has double structure constituted of a fixed shaft 4 and a rotary cylinder 5 disposed around the fixed shaft. The fixed shaft 4 has double tube structure and whose outer cylinder is made of insulating material and inner cylinder is made of a conductive body. An upper end of the inner cylinder 7 projects from the outer cylinder 6 upward, and the lightning rod is disposed on its tip. Height of the lightning rod 8 may include an approximately entire vertical shaft windmill 100 in its protective range of 120 degrees or 90 degrees under the lightning rod 8. In the vertical shaft windmill 100, since the lightning rod 8 is constituted of the extended fixed shaft 4 to eliminate the need for standing an additional lightning rod 8 near by the vertical shaft windmill 100, an layout area of a generating set can be reduced. Further, since the fixed shaft 4 is extended to constitute the lightning rod 8 to efficiently arranging the windmill within the range of 60 degrees under the lightning rod 8, the height of the lightning rod 8 can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、垂直軸風車などの風車の落雷に対する工夫であって、避雷針の設備が大型化せず、且つ設置面積を抑制できる風車および風車システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の垂直軸風車の避雷針を示す説明図である。従来の垂直軸風車９００では、落雷事故を防止するため、垂直軸風車９００の近くに避雷針９０１を立てるようにしている。この避雷針９０１は、ワイヤ等を用いてポールを地面に立てて固定し、その上端に所定形状の避雷突針が取り付けられている。この避雷針９０１に落雷した場合、その雷電流が当該避雷針９０１を通じて大地に流される。
【０００３】
ここで、従来の垂直軸風車９００では、一般的に前記避雷針９０１の先端から下方に向けて６０度の範囲内に設置される。この範囲を逸脱して垂直軸風車９００を設置すると、当該垂直軸風車９００のブレード等に直接落雷する可能性が高まる（たとえば非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
新潟県名立町、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年３月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｈｏｍｅｐａｇｅ１．ｎｉｆｔｙ．ｃｏｍ／ｃｕｂｏ／ｗｉｎｄ／ｊａｐａｎ／ｎａｄａｃｈｉ．ｈｔｍ＞
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の垂直軸風車９００では、避雷針９０１による雷の保護範囲が避雷針９０１の上端の避雷突針から下方６０度の範囲内となるため、垂直軸風車９００の全体を雷から保護しようとすると、避雷針９０１を相当高くする必要がある。または、垂直軸風車９００を囲むように３本以上の避雷針を設ける必要がある。このため、避雷針設備が大型化するという問題点がある。
【０００６】
また、垂直軸風車９００の傍らに避雷針を設けることになれば、風車のほかに避雷針９０１の設置場所が必要になるため、発電設備全体の敷設面積が広くなってしまうという問題点がある。なお、係る問題点は垂直軸風車９００のみならず、水平軸風車においても同様である。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、避雷針の設備が大型化せず、且つ設置面積を小さくできる風車および風車システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる風車は、地面に対して略垂直に設けた回転軸と、前記回転軸の外周に放射状に設けたアームによって支持された複数のブレードと、前記回転軸の上方に設けた避雷針と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この請求項１の発明では、回転軸の上方に避雷針を設けることで、風車の傍らに避雷針を設ける場合に比べ、設置面積を小さくできる。また、避雷突針下方６０度の範囲内に効率的に風車を配置できるので、避雷針の高さを抑えることができる。
【００１０】
また、請求項２の発明にかかる風車は、地面に対して略垂直に設けられ且つ導電構造の内軸の周囲に絶縁構造を有する外軸を設けた固定軸と、前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、前記内軸を上方に延長するように設けた避雷針と、回転筒の外周に設けた複数のアームにより支持されたブレードと、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この請求項２の発明では、内軸を上方に延長するように避雷針を設けることで、風車の傍らに避雷針を設ける場合に比べ、設置面積を小さくできる。また、避雷突針下方６０度の範囲内に効率的に風車を配置できるので、避雷針の高さを抑えることができる。避雷針に落雷した場合、雷電流は内軸を通じて地上に流れる。また、内軸は外軸により絶縁されているので、ブレードその他の部品に大電流が流れないから、これらの焼損等を防止できる。
【００１２】
なお、前記内軸を延長するように設ける場合には、内軸自体が避雷針となっているもの、内軸に避雷針を別に取り付けるものが含まれる。また、内軸の導電構造は、内軸自体が導電性の材料で構成されている場合のみならず、内軸の周囲に導電性材料を形成したものまで含まれる。同様に、外軸も、絶縁材料で構成される場合のみならず、導電性の材料表面に絶縁層を設けたもの等が含まれる。
【００１３】
また、請求項３の発明にかかる風車は、地面に対して略垂直の固定軸と、前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、前記固定軸と前記回転筒との間に設けた発電機と、前記固定軸の上方で且つ前記固定軸と絶縁された状態で設けた避雷針と、前記回転筒の外周に放射状に設けた複数のアームにより支持されたブレードと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この請求項３の発明では、固定軸の上方に避雷針を設けることで、風車の傍らに避雷針を設ける場合に比べて、設置面積を小さくできる。また、避雷突針下方６０度の範囲内に効率的に風車を配置できるので、避雷針の高さを抑えることができる。なお、固定軸と絶縁状態の避雷針は、電線等によって接地される。
【００１５】
また、請求項４の発明にかかる風車は、地面に対して略垂直の回転軸と、前記回転軸の外周に放射状に設けたアームによって支持された複数のブレードと、前記ブレード、前記アームおよび前記回転軸の少なくとも一つの表面に設けた導電体と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この請求項４の発明では、ブレード、アームおよび回転軸のいずれかに導電体を設けることで、落雷があっても表面の導電体を通じて地面に電流を流すことができる。なお、導電体と地上との接地は、ブラシや電線等を用いて適宜行えばよい。
【００１７】
また、請求項５の発明にかかる風車は、請求項４に記載の発明において、前記導電体は、前記ブレードの上端近傍および上側のアーム、ならびに前記回転軸に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この請求項５の発明では、導電体を上方に設けることで、他の部分に落雷するのを防止すると共に、遠心力による曲げモーメントがブレードに作用しにくいように、当該ブレードの上端近傍に導電体を設け、上側のアームおよび回転軸に設けた導電体により雷電流を流すようにしている。
【００１９】
また、請求項６の発明にかかる風車は、請求項４に記載の発明において、前記導電体は、超伝導体であることとしてもよい。
【００２０】
また、請求項７の発明にかかる風車は、前記風車の一部または全部が導電部材により構成されており、さらに、前記導電部材に対して電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
この請求項７の発明では、電圧を印加することで周囲よりも電圧を高く保持し、落雷しないようにする。なお、導電部材は風車のいずれの部分でもよい。例えば、グラスファイバーのブレードの表面に導電体を設けたものも含まれる。また、風車の形式は、垂直軸風車でも水平軸風車でもよい。
【００２２】
また、請求項８の発明にかかる風車は、複数のブレードを有する風車の、発電機を含む要素を収納したケーシング内に、大気より誘電率の低い物質を導入したことを特徴とする。
【００２３】
この請求項８の発明では、ケーシング内に大気より誘電率の低い物質を導入することで、発電機などの要素に電流が流れるのを防止できる。また、風車の形式は、垂直軸風車でも水平軸風車でもよい。
【００２４】
また、請求項９の発明にかかる風車は、固定軸と、前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、前記固定軸と回転筒との間に設けられ且つ前記固定軸側および前記回転筒側のうち雷電流が流れる側に少なくとも絶縁体を介在させた軸受と、前記回転筒に設けた複数のブレードと、を備えたことを特徴とする。
【００２５】
この請求項９の発明では、固定軸側および回転筒側のうち雷電流が流れる側に少なくとも絶縁体を介在させることで、軸受の焼損を防止すると共に雷電流が流れない側の風車要素を保護できる。
【００２６】
また、請求項１０の発明にかかる風車は、固定軸と、前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、前記固定軸と前記回転筒との間に設けられ、一部または全部が絶縁材料により構成されている軸受と、前記回転筒に設けた複数のブレードと、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
さらに、請求項１１の発明にかかる風車は、回転軸と、前記回転軸を支持するケーシングと、前記ケーシングと前記回転軸との間に設けられ且つ前記ケーシング側および前記回転軸側のうち雷電流が流れる側に少なくとも絶縁体を介在させた軸受と、前記回転軸に設けた複数のブレードと、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、請求項１２の発明にかかる風車システムは、一部または全部が導電部材により構成されている複数の風車と、一つの風車には正の電圧を印加すると共に、別の風車には負の電圧を印加する電圧印加手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２９】
この請求項１２の発明では、一つの風車には正の電圧を印加すると共に、別の風車には負の電圧を印加することで、正負いずれの雷があった場合でも、一方側（例えば正電圧を印加した風車のみ）の風車を保護できる。換言すれば、他方の風車は一方側の風車の犠牲になって落雷を受けることになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる風車および風車システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る垂直軸風車を示す断面図である。この垂直軸風車１００は、所謂直線翼ダリウス形風車であり、回転軸１と、この回転軸１から放射状に且つ上下位置に設けた複数のアーム２と、このアーム２により支持されたブレード３とを有する。
【００３２】
回転軸１は二重構造であり、固定軸４とその周囲に配置した回転筒５とから構成される。回転筒５の外側上下位置には、前記アーム２が取り付けられている。前記回転筒５、アーム２およびブレード３は、グラスファイバー（ＧＦＲＰ）やカーボンファイバー（ＣＦＲＰ）などのプラスチックを主材料として構成されている。
【００３３】
固定軸４は、二重管構造になっており、外筒６が絶縁材料からなり、内筒７が導電材料からなる。具体的には、外筒６はグラスファイバー製であり、内筒７はアルミニウムや銅製である。この内筒７の上端は、外筒６から上方に突出しており、その先端には避雷針８が設けられている。回転筒５と外筒６との間であってそれらの上端にはラビリンスシール１３が設けられている。
【００３４】
また、内筒７はその下端が地上に接地されている。また、前記避雷針８から下方９０度または１２０度の範囲内に前記垂直軸風車１００が略全て含まれるように、換言すれば避雷針８を頂点とした９０度または１２０度の円錐内に前記垂直軸風車１００が略全て含まれるように、前記避雷針８の高さを決定しておく。
【００３５】
このように、避雷針８を頂点とした９０度または１２０度の円錐内に前記垂直軸風車１００が略全て含まれるように配置することで、雷は確実に避雷針８に落ちることになり、垂直軸風車１００のブレード３等の構成要素に落ちることがなくなる。また、前記回転筒５と、固定軸４の外筒６との間には、軸受としてのベアリング９が介在している。また、前記回転軸１の下方には、発電機１０を内装したケーシング１１が設けられている。前記回転筒５の下端には、複数のギアで構成した加速機１２が設けられており、更に加速機１２には発電機１０が接続されている。
【００３６】
この垂直軸風車１００は、前記固定軸４を延長した格好で避雷針８を設けたので、まず垂直軸風車１００の傍らに別途避雷針を立てる必要がないため、発電装置の敷設面積を小さくできる。次に、固定軸４を延長して避雷針８とするので、避雷針８の下方９０度または１２０度の範囲内に効率的に風車を配置できる。このため、避雷針８の高さを抑えることができる。
【００３７】
この他、固定軸４を二重構造とし、外筒６を絶縁材料で構成することで、内筒７が避雷針８となりこれに通電しても雷電流がブレード３側に流れることがない。このため、ブレード３や軸受９等の破損が生じない。また、ブレード３に落雷用の導電材料を設ける風車もあるが、そのような風車は、通常回転軸から固定軸に電気を流すとき、スリップリングやブラシを介して行わなければならず、大電流への対応が困難であった。これに対して、この発明の垂直軸風車１００は、固定軸４から直接電流を地上に流すので、雷電流のような大電流に対応できる。
【００３８】
図２は、上記垂直軸風車の変形例を示す断面図である。この垂直軸風車１５０は、所謂アウターロータ形の垂直軸風車であり、具体的には、回転軸１５１の固定軸１５４の先端部に避雷針８が設けられており、この避雷針８は絶縁体１５２を介して当該固定軸１５４に取り付けられている。避雷針８は電線１５３により地面に接地している。また、固定軸１５４の周囲には回転筒５が設けられている。この固定軸１５４と回転筒５との間には、ベアリング９が配置されている。
【００３９】
更に、回転筒５の外周には放射状にアーム２が設けられ、当該アーム２によりブレード３の上下が支持されている。アーム２およびブレード３は、グラスファイバー（ＧＦＲＰ）やカーボンファイバー（ＣＦＲＰ）などのプラスチックを主材料として構成されている。
【００４０】
このアウターロータ形の垂直軸風車１５０の場合でも、上記実施の形態１と同様、避雷針８を前記固定軸１５１を延長した格好で設けたので、まず垂直軸風車１５０の傍らに別途避雷針を立てる必要がなく、発電装置の敷設面積を小さくできる。次に、固定軸１５４の上端に避雷針８を設けるので、避雷針８の下方９０度または１２０度の範囲内に効率的に風車を配置できる。このため、避雷針８の高さを抑えることができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に係る垂直軸風車を示す断面図である。この垂直軸風車２００は、所謂アウターロータ形の垂直軸風車であり、具体的には、固定軸２０１の先端部に避雷針２０２が設けられており、この避雷針２０２は絶縁体２０３を介して当該固定軸２０１に取り付けられている。避雷針２０２は電線２０４により地面に接地している。
【００４２】
次に、この固定軸２０１には、コイル２０５が設けられている。なお、絶縁体２０３を固定軸２０１の上方に設けることで、前記コイル２０５の中心を電流が貫通してコイル２０５に誘導電流が発生するのが防止される。また、固定軸２０１の周囲には回転筒２０６が設けられている。この固定軸２０１と回転筒２０６との間には、ベアリング２０７が配置されている。回転筒２０６と固定軸２０１との間には、ラビリンスシール２１３が設けられている。
【００４３】
また、回転筒２０６の内側面であって前記コイル２０５の対向面には、永久磁石２０８が配置されている。更に、回転筒２０６の外周には放射状にアーム２０９が設けられ、当該アーム２０９によりブレード２１０の上下が支持されている。アーム２０９およびブレード２１０は、グラスファイバー（ＧＦＲＰ）やカーボンファイバー（ＣＦＲＰ）などのプラスチックを主材料として構成されている。
【００４４】
このアウターロータ形の垂直軸風車２００の場合でも、上記実施の形態１と同様、避雷針２０２を前記固定軸２０１を延長した格好で設けたので、まず垂直軸風車２００の傍らに別途避雷針を立てる必要がなく、発電装置の敷設面積を小さくできる。次に、固定軸２０１の上端に避雷針２０２を設けるので、避雷針２０２の下方９０度または１２０度の範囲内に効率的に風車を配置できる。このため、避雷針２０２の高さを抑えることができる。
【００４５】
また、図示省略するが、上記アウターロータ形の垂直軸風車２００において前記固定軸２０１を実施の形態１に示したような二重構造としても良い。即ち、避雷針２０２が固定軸２０１の中心を貫通して地面に接地し、雷電流を直接大地に流すようにしても良い。その際、固定軸２０１はグラスファイバー等の絶縁材料により構成する。
【００４６】
（実施の形態３）
図４は、この発明の実施の形態３に係る垂直軸風車を示す断面図である。この垂直軸風車３００は、回転軸３０１と、この回転軸３０１から放射状に且つ上下位置に設けた複数のアーム２と、このアーム２により支持されたブレード３とを有する。回転筒５の外側上下位置には、前記アーム２が取り付けられている。前記アーム２およびブレード３は、グラスファイバー製である。回転軸３０１は、固定軸３０２と回転筒５とから構成されている。
【００４７】
また、前記回転筒５と、固定軸３０２との間には、軸受としてのベアリング９が介在している。また、前記回転軸３０１の下方には、発電機１０を内装したケーシング１１が設けられている。前記回転筒５の下端には、複数のギアで構成した加速機１２が設けられており、更に加速機１２には発電機１０が接続されている。
【００４８】
また、この垂直軸風車３００のブレード３およびアーム２には、導電体板３０４が設けられている。この導電体板３０４はアルミニウム又は銅からなり、落雷時に大電流を流せるだけの厚さを有する。また、導電体板３０４は、図５（ａ）に示すように、ブレード３の上端近傍３ａおよび上側のアーム２、並びに回転筒５に設けるようにしても良い（斜線ハッチング部分）。この図５（ａ）の構成は、導電体板３０４を回転筒５に主に設ける一方で、ブレード３に設ける導電体板３０４の量を少なくしているので、遠心力に起因したブレード３に加わる曲げモーメントを低く抑えることができる。
【００４９】
また、図５（ｂ）に示すように、ブレード３全体および下方のアーム２並びに回転筒５の下方５ａのみであってもよい（斜線ハッチング部分）。即ち、風車全体に導電体板３０４を設ける必要はなく、必要な部分に設けるようにするのが好ましく、特に導電体板３０４は、ブレード３、アーム２および回転筒５の高いところに主に設けるのが好ましい。更に、落雷時に導電体板３０４に流れる電流が大きくなる部分を、その他の部分に比べて厚くするようにしても良い（図示省略）。
【００５０】
また、図４に戻り、回転筒５の下方内側には、当該回転筒５に接触するブラシ３０３が設けられている。このブラシ３０３により回転筒５に流れる電流を地上に流す。なお、図示しないが回転筒５内にリングを設け、このリングにブラシを接触させるようにして、スリップリングを形成しても良い。
【００５１】
このように、導電体板３０４をブレード３、アーム２および回転筒５に形成することで、落雷時の電流を地面に流すことができるため、風車構造部材の損傷を防止できる。また、避雷針は不要である。なお、本発明は、垂直軸風車３００のみならず水平軸風車にも応用できる。即ち、ブレード全体または一部に導電体板を形成し、ナセル内に設けたスリップリングから電流を取り出し、地上に流すようにすればよい（図示省略）。また、前記導電体板３０４は、セラミックス系材料からなる超伝導材料であっても良い。
【００５２】
図６は、実施の形態３に係る垂直軸風車の変形例を示す側面図である。この垂直軸風車３５０は、上記同様にブレード３に導電体板３５４を貼り付けた構成であるが、所謂アウターロータ形の垂直軸風車ではなく、固定軸３５１から回転軸３５２が突出し、この回転軸３５２の外周に設けたアーム２によりブレード３を支持する構成である。具体的には、ブレード３の上端近傍３ａおよび上側のアーム２、並びに回転軸３５２に設けるようにする。係る構成では、導電体板を回転軸に主に設ける一方でブレードに設ける導電体板の量を少なくしているので、遠心力に起因したブレードに加わる曲げモーメントを低く抑えることができる。
【００５３】
このように、垂直軸風車のブレードに対して導電体板を貼り付けることで、上記同様、導電体板をブレード、アームおよび回転軸に形成することで、落雷時の電流を地面に流すことができるため、風車構造部材の損傷を防止できる。
【００５４】
（実施の形態４）
図７は、この発明の実施の形態４に係る垂直軸風車システムを示す構成図である。この垂直軸風車システム４００は、電圧を高くして落雷を防止するため、複数の垂直軸風車４５０ａ，４５０ｂに電圧を印加するものである。各垂直軸風車４５０は、電圧印加装置４０１に接続されている。また、各垂直軸風車４５０は、風車全体あるいはブレードや回転軸等に導電体を設けた構成である（例えば実施の形態３の垂直軸風車を参照）。
【００５５】
この電圧印加装置４０１は、各垂直軸風車４５０に正負の電圧を印加すると共に、その印加電圧の制御を行う。また、雷は地上からのものもあり、正負の判別を瞬時に行うのはきわめて困難であるため、ある一つの垂直軸風車４５０ａには正の電圧を印加すると共に、別の垂直軸風車４５０ｂには負の電圧を印加するようにする。
【００５６】
印加電圧は１００Ｖから４００Ｖ程度である。また、導電部材を用いており落雷の可能性があるなら、当該導電部材に電圧を印加するようにする。例えば、ブレードおよびアームが導電部材により構成されていれば、その両方に電圧を印加する。以上の構成によれば、正電圧を印加した垂直軸風車４５０ａに落雷が発生しても、負電圧を印加した垂直軸風車４５０ｂには落雷が生じない。
【００５７】
このため、いずれかの垂直軸風車４５０ａが落雷による犠牲になっても、そのほかの垂直軸風車４５０ｂへの落雷は防止できる。なお、天候等の諸条件によっていずれの雷が発生するか傾向がわかる場合は、正または負の垂直軸風車４５０の数を増やして対応するようにしても良い。なお、本発明の構成は垂直軸風車のみならず水平軸風車に適用できることはいうまでもない。
【００５８】
（実施の形態５）
図８は、この発明の実施の形態５に係る垂直軸風車を示す断面図である。この垂直軸風車５００は、実施の形態１に示した垂直軸風車１００と略同様の構成であるが、ケーシング１１内にパージガスを導入するようにした点が異なる。その他の構成は、実施の形態１と同様であるからその説明を省略し同一構成要素には同一符号を付する。ケーシング１１内には加速機１２や発電機１０が収納されており、これらに電流が流れないようにするため、ケーシング１１内部に誘電率の低い物質を導入する。
【００５９】
例えば、不活性ガスポンプ５０１からケーシング１１の導入口５０２よりアルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスを導入する。回転筒５の外面とケーシング１１との間には、シール５０４が設けられている。また、回転筒５の内面と固定軸４との間にも、シール５０５が設けられている。
【００６０】
なお、ケーシング１１の隙間から不活性ガスが漏れるため、少量ずつ不活性ガスタンク５０１から不活性ガスをケーシング１１内に導入するのが好ましい。以上のようにすれば、避雷針８に落雷があった場合でも、ケーシング１１内の発電機等の部品に電流が流れることがないため、これらに損傷を与えることがない。なお、固定軸４と回転筒５との間に不活性ガスを導入するようにしてもよい（図示省略）。また、本発明は、水平軸風車にも適用できる。具体的には、水平軸風車のナセル内にパージガスとして不活性ガスを導入するようにすればよい（図示省略）。
【００６１】
図９は、この実施の形態５に係る垂直軸風車の変形例を示す断面図である。この垂直軸風車５５０は、図９（ａ）に示すように固定軸５５１内に発電機５５２および増速ギア５５３を内蔵し、この固定軸５５１から回転軸５５４を突出させたものである。回転軸５５４の外周には、複数のアーム２が放射状に設けられ、当該アーム２によりブレード３が支持されている。固定軸５５１と回転軸５５４との間には、シール５５５が設けられている。また、固定軸５５１のケーシング５５１ａ下方には不活性ガスを導入するガス導入口５５６が設けられている。このガス導入口５５６には、不活性ガスポンプ５５７が設けられている。
【００６２】
不活性ガスポンプ５５７からの不活性ガスは、固定軸５５１のケーシング５５１ａの下方から内部に充満される。また、シール５５５部分から若干外部に不活性ガスが漏れるため、不活性ガスポンプ５５７により常に不活性ガスを固定軸５５１内に微量供給する。このようにすれば、垂直軸風車５５０自体に落雷があった場合でも、固定軸５５１内の発電機５５２等の部品に電流が流れることがないため、これらに損傷を与えることがない。
【００６３】
また、上記図９（ａ）に示した垂直軸風車５５０に避雷針５５８を装着する場合、図９（ｂ）に示すように、回転軸５５４の上端に絶縁体５５９Ａを介して避雷針５５８を取り付ければよい。また、その場合は、回転軸５５４に絶縁体５５９Ｂを介してスリップリング５６０を設け、避雷針５５８とリング５６１とをケーブル５６３で接続すると共に、ブラシ５６２に接続した電線５６４を接地するようにする。
【００６４】
（実施の形態６）
図１０は、この発明の実施の形態６に係る垂直軸風車を示す構成図である。この垂直軸風車６００は、回転軸６０１と、この回転軸６０１から放射状に且つ上下位置に設けた複数のアーム２と、このアーム２により支持されたブレード３とを有する。回転軸６０１は二重構造であり、固定軸６０２とその周囲に配置した回転筒５とから構成される。回転筒５の外側上下位置には、前記アーム２が取り付けられている。前記アーム２およびブレード３は、グラスファイバー製である。
【００６５】
固定軸６０２はアルミニウムや銅等の導電材料からなり、その上端には避雷針８が取り付けられている。一方、固定軸６０２の下端は地面に接地している。また、前記避雷針８から下方９０度または１２０度の範囲内に前記垂直軸風車６００が略全て含まれるように、換言すれば避雷針８を頂点とした９０度または１２０度の円錐内に前記垂直軸風車６００が略全て含まれるように、前記避雷針８の高さを決定しておく。避雷針８を頂点とした９０度または１２０度の円錐内に前記垂直軸風車が略全て含まれるように配置することで、落雷は確実に避雷針８に落ちることになり、風車のブレード３等の構成要素に落ちることがなくなる。
【００６６】
前記回転筒５と固定軸６０２との間には、軸受であるベアリング６５０が介在している。また、前記回転軸６０１の下方には、発電機１０を内装したケーシング１１が設けられている。前記回転筒５の下端には、複数のギアで構成した加速機１２が設けられており、更に加速機１２には発電機１０が接続されている。回転筒５の外面とケーシング１１との間には、シール５０４が設けられている。また、回転筒５の内面と固定軸４との間にも、シール５０５が設けられている。
【００６７】
図１１は、実施の形態６に係る垂直軸風車の軸受構造を示す断面図である。この垂直軸風車６００の軸受構造では、図１１（ａ）に示すように、ベアリング６５０の内輪を固定軸側に嵌め、回転筒５には絶縁体からなるリング６５１を介して外輪を嵌めいれるようにする。これにより、落雷があっても、固定軸６０２のみに大電流が流れ、ベアリング６５０およびブレード３側に大電流が流れることはない。このため、ベアリング６５０の焼損を防止できると共に、落雷からブレード３やアーム２を保護できる。
【００６８】
また、図１１（ｂ）に示すように、ベアリング６５０の内輪と固定軸６０２との間に絶縁体のリング６５２を設けてもよいし、図示しないがベアリング６５０の外輪と回転筒５との間、およびベアリング６５０の内輪と固定軸６０２との間の両方に絶縁体のリング６５１，６５２を設けてもよい。また、図１１（ｃ）に示すように、ベアリング６６０を構成する内輪、外輪およびボール（ころ又はローラ）のいずれか又は全部をセラミックス等の絶縁体で製作し、絶縁効果を持たせても良い。また、本発明は、水平軸風車にも適用できることは言うまでもない。
【００６９】
以上のことから、この垂直軸風車６００は、絶縁機能を有する軸受構造としたことで、当該軸受の損傷を防止できる。また、傍らに別途避雷針を立てる必要がなく、発電装置の敷設面積を小さくできる。更に、固定軸６０２を利用して避雷針８とするので、避雷針８の下方９０度又は１２０度の範囲内に効率的に風車を配置でき、避雷針８の高さを抑えることができる。
【００７０】
また、上記垂直軸風車６００では固定軸６０２の周囲に回転筒５を設けたが、中心に回転軸を設けて当該回転軸を支持する軸受を設けた構成であっても、上記絶縁構造を適用できる。即ち、上記図９（ｂ）に示したような垂直軸風車では、避雷針に落雷した場合、雷電流は避雷針５５８、ケーブル５６３、リング５６１、ブラシ５６２、電線５６４の順番に流れるが、避雷針５５８に落雷しなかった場合や、避雷針５５８が取り付けられていない場合（図９（ａ）の場合）、アーム２、ブレード３、回転軸５５４に雷電流が流れることになる。係る場合、導通用のブラシ５６２とリング５６１を装着していても、回転軸５５４から軸受５５５を通じて固定軸５５１のケーシング５５１ａに大電流が流れ、ときには軸受５５５が焼損したり、内部の電気部品が破損する場合がある。
【００７１】
そこで、図１２に示すように、回転軸６７０とケーシング６７１との間にベアリング６７２を設け、このベアリング６７２の内輪と回転軸６７０との間（図１２（ａ））またはベアリング６７２の外輪とケーシング６７２との間（図１２（ｂ））に絶縁体のリング６７３，６７４を介在させる。また、回転軸６７０は、スリップリング６７５により地上に接地される。
【００７２】
また、図９に示した垂直軸風車では、回転軸５５４側にアーム２およびブレード３が取り付けられるため、ブレード３に落ちた雷電流は回転軸５５４に流れる。そして、前記絶縁体のリング６７３，６７４により、雷電流がケーシング５５１ａに流れることはない。このため、ケーシング５５１ａ内の電気部品が損傷したり、ベアリング６７２が焼損することを防止できる。
【００７３】
また、ベアリング６７２を構成する内輪、外輪およびボールのいずれか又は全部をセラミックス等の絶縁体で製作し、絶縁効果を持たせても良い（図示省略）。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の風車および風車システムによれば、避雷針の設備を小型化でき、且つ避雷針を含めた風車の設置面積を小さくできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る垂直軸風車を示す断面図である。
【図２】図１に示した垂直軸風車の変形例を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る垂直軸風車を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る垂直軸風車を示す断面図である。
【図５】図４に示したブレードの導電体のパターン例を示す説明図である。
【図６】実施の形態３に係る垂直軸風車の変形例を示す側面図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係る垂直軸風車システムを示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態５に係る垂直軸風車を示す断面図である。
【図９】この実施の形態５に係る垂直軸風車の変形例を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態６に係る垂直軸風車を示す構成図である。
【図１１】実施の形態６に係る垂直軸風車の軸受構造を示す断面図である。
【図１２】実施の形態６に係る垂直軸風車の軸受構造を示す断面図である。
【図１３】従来の垂直軸風車の避雷針を示す説明図である。
【符号の説明】
１００垂直軸風車
１回転軸
２アーム
３ブレード
４固定軸
５回転筒
６外筒
７内筒
８避雷針
９ベアリング
１０発電機
１１ケーシング
１２加速機[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a device for lightning strike of a windmill such as a vertical axis windmill, and relates to a windmill and a windmill system that can reduce the installation area without increasing the size of a lightning rod.
[0002]
[Prior art]
FIG. 13 is an explanatory view showing a lightning rod of a conventional vertical axis wind turbine. In the conventional vertical axis wind turbine 900, a lightning rod 901 is set up near the vertical axis wind turbine 900 in order to prevent a lightning strike accident. The lightning rod 901 has a pole fixed on the ground by using a wire or the like, and a lightning rod having a predetermined shape is attached to an upper end thereof. When a lightning strike occurs on the lightning rod 901, the lightning current flows to the ground through the lightning rod 901.
[0003]
Here, the conventional vertical axis wind turbine 900 is generally installed within a range of 60 degrees downward from the tip of the lightning rod 901. If the vertical axis wind turbine 900 is installed out of this range, the possibility of lightning strike directly to the blades or the like of the vertical axis wind turbine 900 increases (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-patent document 1]
Namedachi, Niigata, [online], [searched March 18, 2003], Internet <URL: http: // homepage1. nifty. com / cubo / wind / japan / nadachi. htm>
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional vertical axis wind turbine 900, the lightning protection range of the lightning rod 901 is within a range of 60 degrees below the lightning rod at the upper end of the lightning rod 901. Therefore, if the entire vertical axis wind turbine 900 is to be protected from lightning. The lightning rod 901 needs to be considerably high. Alternatively, it is necessary to provide three or more lightning rods so as to surround the vertical axis wind turbine 900. For this reason, there is a problem that the lightning rod equipment becomes large.
[0006]
In addition, if a lightning rod is provided beside the vertical axis windmill 900, an installation place for the lightning rod 901 is required in addition to the windmill, so that there is a problem that the laying area of the entire power generation equipment becomes large. In addition, the said problem is the same not only in a vertical axis windmill 900 but in a horizontal axis windmill.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a windmill and a windmill system capable of reducing the installation area of the lightning rod without increasing the size of the lightning rod in order to solve the above-described problems of the related art.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem and achieve the object, a wind turbine according to the invention of claim 1 is supported by a rotating shaft provided substantially perpendicular to the ground and an arm provided radially on the outer periphery of the rotating shaft. A plurality of blades, and a lightning rod provided above the rotating shaft.
[0009]
According to the first aspect of the present invention, by providing the lightning rod above the rotation axis, the installation area can be reduced as compared with the case where the lightning rod is provided beside the windmill. In addition, since the windmill can be efficiently disposed within a range of 60 degrees below the lightning rod, the height of the lightning rod can be reduced.
[0010]
A windmill according to a second aspect of the present invention includes a fixed shaft provided substantially perpendicular to the ground and provided with an outer shaft having an insulating structure around an inner shaft of a conductive structure, and provided around the fixed shaft. A rotating cylinder, a lightning rod provided to extend the inner shaft upward, and a blade supported by a plurality of arms provided on the outer periphery of the rotating cylinder.
[0011]
According to the second aspect of the invention, by providing the lightning rod so as to extend the inner shaft upward, the installation area can be reduced as compared with the case where the lightning rod is provided beside the windmill. In addition, since the windmill can be efficiently disposed within a range of 60 degrees below the lightning rod, the height of the lightning rod can be reduced. When a lightning rod strikes, lightning current flows to the ground through the inner shaft. Further, since the inner shaft is insulated by the outer shaft, a large current does not flow through the blades and other components, so that burning of these components can be prevented.
[0012]
When the inner shaft is provided so as to extend, the inner shaft itself may be a lightning rod, and the lightning rod may be separately attached to the inner shaft. Further, the conductive structure of the inner shaft includes not only a case where the inner shaft itself is made of a conductive material but also a structure in which a conductive material is formed around the inner shaft. Similarly, the outer shaft includes not only a case where the outer shaft is formed of an insulating material but also a structure in which an insulating layer is provided on the surface of a conductive material.
[0013]
The windmill according to the invention of claim 3 is a fixed shaft substantially perpendicular to the ground, a rotating cylinder provided around the fixed shaft, and a generator provided between the fixed shaft and the rotating cylinder. And a lightning rod provided above the fixed shaft and insulated from the fixed shaft, and a blade supported by a plurality of arms provided radially on the outer periphery of the rotary cylinder. I do.
[0014]
According to the third aspect of the present invention, by providing the lightning rod above the fixed shaft, the installation area can be reduced as compared with the case where the lightning rod is provided beside the windmill. In addition, since the windmill can be efficiently disposed within a range of 60 degrees below the lightning rod, the height of the lightning rod can be reduced. The lightning rod insulated from the fixed shaft is grounded by an electric wire or the like.
[0015]
Further, the windmill according to the invention of claim 4 includes a rotating shaft substantially perpendicular to the ground, a plurality of blades supported by arms provided radially on an outer periphery of the rotating shaft, the blade, the arm and the wind turbine. And a conductor provided on at least one surface of the rotating shaft.
[0016]
According to the fourth aspect of the present invention, by providing a conductor on any one of the blade, the arm, and the rotating shaft, even when there is a lightning strike, a current can flow to the ground through the conductor on the surface. The grounding between the conductor and the ground may be appropriately performed using a brush, an electric wire, or the like.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the wind turbine according to the fourth aspect, the conductor is provided on the arm near the upper end and the upper side of the blade, and on the rotating shaft. .
[0018]
According to the fifth aspect of the present invention, by providing the conductor above, it is possible to prevent lightning from striking other parts and to prevent the bending moment due to centrifugal force from acting on the blade so that the conductive member is provided near the upper end of the blade. A lightning current is caused to flow by a conductor provided on the upper arm and the rotating shaft.
[0019]
In the windmill according to the invention of claim 6, in the invention of claim 4, the conductor may be a superconductor.
[0020]
The windmill according to the invention of claim 7 is characterized in that part or all of the windmill is formed of a conductive member, and further includes voltage applying means for applying a voltage to the conductive member. I do.
[0021]
According to the seventh aspect of the present invention, the voltage is applied to keep the voltage higher than that of the surroundings so as to prevent lightning. The conductive member may be any part of the windmill. For example, a material in which a conductor is provided on the surface of a glass fiber blade is also included. Further, the type of the wind turbine may be a vertical axis wind turbine or a horizontal axis wind turbine.
[0022]
The wind turbine according to the invention of claim 8 is characterized in that a substance having a dielectric constant lower than that of the atmosphere is introduced into a casing of a wind turbine having a plurality of blades, in which an element including a generator is stored.
[0023]
According to the eighth aspect of the invention, by introducing a substance having a lower dielectric constant than the atmosphere into the casing, it is possible to prevent a current from flowing through elements such as a generator. Further, the type of the wind turbine may be a vertical axis wind turbine or a horizontal axis wind turbine.
[0024]
A windmill according to a ninth aspect of the present invention is the windmill, wherein a fixed shaft, a rotating cylinder provided around the fixed shaft, and a fixed shaft and the rotating cylinder provided between the fixed shaft and the rotating cylinder. And a bearing having at least an insulator interposed on a side where a lightning current flows, and a plurality of blades provided on the rotary cylinder.
[0025]
According to the ninth aspect of the present invention, at least an insulator is interposed between the fixed shaft side and the rotating cylinder side where the lightning current flows, thereby preventing burning of the bearing and protecting the windmill element on the side where the lightning current does not flow. it can.
[0026]
A windmill according to a tenth aspect of the present invention is a wind turbine, wherein a fixed shaft, a rotating cylinder provided around the fixed shaft, and a fixed shaft and the rotating cylinder are provided between the fixed shaft and the rotating cylinder, and a part or the whole is made of an insulating material. It is characterized by comprising a bearing configured and a plurality of blades provided on the rotary cylinder.
[0027]
The windmill according to the eleventh aspect of the present invention is a windmill, wherein a lightning current is provided between the casing and the rotating shaft, and a lightning current is provided between the casing and the rotating shaft. A bearing having at least an insulator interposed on the side where the fluid flows, and a plurality of blades provided on the rotating shaft.
[0028]
Further, the wind turbine system according to the twelfth aspect of the present invention provides a plurality of wind turbines, some or all of which are formed of a conductive member, and applies a positive voltage to one wind turbine and a negative wind to another wind turbine. Voltage applying means for applying a voltage.
[0029]
According to the twelfth aspect of the present invention, a positive voltage is applied to one windmill and a negative voltage is applied to another windmill, so that one side (for example, positive Only the wind turbine to which the voltage is applied can be protected. In other words, the other windmill will suffer lightning at the expense of one windmill.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a windmill and a windmill system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0031]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 1 of the present invention. The vertical axis wind turbine 100 is a so-called straight-wing Darrieus type wind turbine, and includes a rotating shaft 1, a plurality of arms 2 provided radially from the rotating shaft 1 and at upper and lower positions, and a blade 3 supported by the arm 2. Having.
[0032]
The rotating shaft 1 has a double structure and includes a fixed shaft 4 and a rotating cylinder 5 arranged around the fixed shaft 4. The arm 2 is attached to the outer vertical position of the rotary cylinder 5. The rotary cylinder 5, the arm 2, and the blade 3 are mainly made of plastic such as glass fiber (GFRP) or carbon fiber (CFRP).
[0033]
The fixed shaft 4 has a double pipe structure, and the outer cylinder 6 is made of an insulating material, and the inner cylinder 7 is made of a conductive material. Specifically, the outer cylinder 6 is made of glass fiber, and the inner cylinder 7 is made of aluminum or copper. The upper end of the inner cylinder 7 projects upward from the outer cylinder 6, and a lightning rod 8 is provided at the tip. A labyrinth seal 13 is provided between the rotary cylinder 5 and the outer cylinder 6 and at their upper ends.
[0034]
The lower end of the inner cylinder 7 is grounded on the ground. Also, the vertical axis windmill 100 is included substantially within the range of 90 degrees or 120 degrees below the lightning rod 8, in other words, the vertical axis winds within a 90-degree or 120-degree cone with the lightning rod 8 at the top. The height of the lightning rod 8 is determined in advance so that the windmill 100 is substantially included.
[0035]
Thus, by arranging the vertical axis windmill 100 so as to include substantially all of the vertical axis windmill 100 within a 90- or 120-degree cone with the lightning rod 8 at the top, the lightning will surely fall on the lightning rod 8, It does not fall on components such as the blade 3 of the windmill 100. A bearing 9 as a bearing is interposed between the rotary cylinder 5 and the outer cylinder 6 of the fixed shaft 4. A casing 11 having a generator 10 is provided below the rotary shaft 1. An accelerator 12 composed of a plurality of gears is provided at a lower end of the rotary cylinder 5, and a generator 10 is connected to the accelerator 12.
[0036]
Since the vertical axis windmill 100 is provided with the lightning rod 8 in the form of extending the fixed shaft 4, it is not necessary to first set a separate lightning rod next to the vertical axis windmill 100, so that the installation area of the power generation device can be reduced. Next, since the fixed shaft 4 is extended to form the lightning rod 8, the windmill can be efficiently disposed within a range of 90 degrees or 120 degrees below the lightning rod 8. For this reason, the height of the lightning rod 8 can be suppressed.
[0037]
In addition, since the fixed shaft 4 has a double structure and the outer cylinder 6 is made of an insulating material, the inner cylinder 7 becomes the lightning rod 8 and the lightning current does not flow toward the blade 3 even when the lightning rod 8 is energized. Therefore, the blade 3 and the bearing 9 are not damaged. In addition, there is a wind turbine in which a conductive material for lightning is provided on the blade 3, but when such a wind turbine normally supplies electricity from a rotating shaft to a fixed shaft, it must be performed through a slip ring or a brush, and a large current is required. It was difficult to respond. On the other hand, the vertical axis wind turbine 100 according to the present invention allows current to flow directly from the fixed shaft 4 to the ground, so that it can cope with large currents such as lightning current.
[0038]
FIG. 2 is a sectional view showing a modification of the vertical axis wind turbine. The vertical axis wind turbine 150 is a so-called outer rotor type vertical axis wind turbine. Specifically, the lightning rod 8 is provided at the tip of the fixed shaft 154 of the rotating shaft 151, and the lightning rod 8 is provided with an insulator 152. It is attached to the fixed shaft 154 via the same. The lightning rod 8 is grounded by the electric wire 153 to the ground. The rotary cylinder 5 is provided around the fixed shaft 154. The bearing 9 is disposed between the fixed shaft 154 and the rotary cylinder 5.
[0039]
Further, an arm 2 is provided radially on the outer periphery of the rotary cylinder 5, and the upper and lower sides of the blade 3 are supported by the arm 2. The arm 2 and the blade 3 are mainly made of plastic such as glass fiber (GFRP) or carbon fiber (CFRP).
[0040]
In the case of the outer rotor type vertical axis windmill 150 as well, as in the first embodiment, the lightning arrester 8 is provided in the form of extending the fixed shaft 151. And the laying area of the power generator can be reduced. Next, since the lightning rod 8 is provided at the upper end of the fixed shaft 154, the windmill can be efficiently disposed within a range of 90 degrees or 120 degrees below the lightning rod 8. For this reason, the height of the lightning rod 8 can be suppressed.
[0041]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 2 of the present invention. This vertical axis windmill 200 is a so-called outer rotor type vertical axis windmill. Specifically, a lightning rod 202 is provided at the tip of a fixed shaft 201, and the lightning rod 202 is fixed via an insulator 203. It is attached to the shaft 201. The lightning rod 202 is grounded by the electric wire 204 to the ground.
[0042]
Next, a coil 205 is provided on the fixed shaft 201. By providing the insulator 203 above the fixed shaft 201, it is possible to prevent a current from passing through the center of the coil 205 and generating an induced current in the coil 205. Further, a rotary cylinder 206 is provided around the fixed shaft 201. A bearing 207 is arranged between the fixed shaft 201 and the rotary cylinder 206. A labyrinth seal 213 is provided between the rotary cylinder 206 and the fixed shaft 201.
[0043]
A permanent magnet 208 is disposed on the inner surface of the rotating cylinder 206 and on the surface facing the coil 205. Further, an arm 209 is provided radially on the outer periphery of the rotary cylinder 206, and the upper and lower sides of the blade 210 are supported by the arm 209. The arm 209 and the blade 210 are mainly made of plastic such as glass fiber (GFRP) or carbon fiber (CFRP).
[0044]
Also in the case of the outer rotor type vertical axis windmill 200, similarly to the first embodiment, since the lightning rod 202 is provided so as to extend the fixed shaft 201, it is first necessary to separately set a lightning rod next to the vertical axis windmill 200. And the laying area of the power generator can be reduced. Next, since the lightning rod 202 is provided at the upper end of the fixed shaft 201, the windmill can be efficiently disposed within a range of 90 degrees or 120 degrees below the lightning rod 202. Therefore, the height of the lightning rod 202 can be reduced.
[0045]
Although not shown, the fixed shaft 201 of the outer rotor type vertical axis wind turbine 200 may have a double structure as described in the first embodiment. That is, the lightning rod 202 may pass through the center of the fixed shaft 201 and ground on the ground, so that the lightning current may flow directly to the ground. At this time, the fixed shaft 201 is made of an insulating material such as glass fiber.
[0046]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 3 of the present invention. The vertical axis wind turbine 300 has a rotating shaft 301, a plurality of arms 2 provided radially from the rotating shaft 301 at upper and lower positions, and a blade 3 supported by the arm 2. The arm 2 is attached to the outer vertical position of the rotary cylinder 5. The arm 2 and the blade 3 are made of glass fiber. The rotating shaft 301 includes a fixed shaft 302 and the rotating cylinder 5.
[0047]
A bearing 9 as a bearing is interposed between the rotary cylinder 5 and the fixed shaft 302. Further, below the rotating shaft 301, a casing 11 in which the generator 10 is provided is provided. An accelerator 12 composed of a plurality of gears is provided at a lower end of the rotary cylinder 5, and a generator 10 is connected to the accelerator 12.
[0048]
The blade 3 and the arm 2 of the vertical axis wind turbine 300 are provided with a conductor plate 304. The conductor plate 304 is made of aluminum or copper and has a thickness enough to allow a large current to flow during a lightning strike. Further, as shown in FIG. 5A, the conductor plate 304 may be provided on the upper end 3a of the blade 3, the upper arm 2, and the rotating cylinder 5 (hatched portion). In the configuration shown in FIG. 5A, the conductive plate 304 is mainly provided on the rotary cylinder 5 while the amount of the conductive plate 304 provided on the blade 3 is reduced. The applied bending moment can be kept low.
[0049]
Further, as shown in FIG. 5B, only the entire blade 3 and the lower arm 2 and the lower portion 5a of the rotary cylinder 5 may be provided (hatched portion). That is, it is not necessary to provide the conductor plate 304 over the entire wind turbine, and it is preferable to provide the conductor plate 304 at a necessary portion. In particular, the conductor plate 304 is mainly provided at a high place of the blade 3, the arm 2 and the rotary cylinder 5. Is preferred. Further, a portion where the current flowing through the conductor plate 304 at the time of lightning strike becomes large may be made thicker than other portions (not shown).
[0050]
Returning to FIG. 4, a brush 303 that contacts the rotary cylinder 5 is provided below and inside the rotary cylinder 5. The current flowing through the rotary cylinder 5 is caused to flow to the ground by the brush 303. Although not shown, a ring may be provided in the rotary cylinder 5 and a brush may be brought into contact with the ring to form a slip ring.
[0051]
By forming the conductor plate 304 on the blade 3, the arm 2 and the rotary cylinder 5 in this manner, a current at the time of lightning strike can flow to the ground, so that damage to the wind turbine structural member can be prevented. Also, no lightning rod is required. The present invention can be applied not only to the vertical axis wind turbine 300 but also to a horizontal axis wind turbine. That is, a conductor plate may be formed on the whole or a part of the blade, and a current may be taken out from a slip ring provided in the nacelle and flown to the ground (not shown). Further, the conductor plate 304 may be a superconducting material made of a ceramic material.
[0052]
FIG. 6 is a side view showing a modified example of the vertical axis wind turbine according to the third embodiment. The vertical axis windmill 350 has a configuration in which the conductive plate 354 is attached to the blade 3 in the same manner as described above. However, the vertical axis windmill 350 is not a so-called outer rotor type vertical axis windmill, but a rotating shaft 352 projects from a fixed shaft 351. In this configuration, the blade 3 is supported by the arm 2 provided on the outer circumference of the blade 352. Specifically, the blade 3 is provided near the upper end 3 a and the upper arm 2, and the rotating shaft 352. In such a configuration, the conductive plate is mainly provided on the rotating shaft, while the amount of the conductive plate provided on the blade is reduced, so that the bending moment applied to the blade due to the centrifugal force can be reduced.
[0053]
In this way, by pasting the conductor plate to the blade of the vertical axis windmill, the conductor plate is formed on the blade, arm and rotating shaft as described above, so that the current at the time of lightning strike can flow to the ground. Therefore, damage to the wind turbine structural member can be prevented.
[0054]
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a configuration diagram showing a vertical axis wind turbine system according to Embodiment 4 of the present invention. The vertical axis wind turbine system 400 applies a voltage to a plurality of vertical axis wind turbines 450a and 450b in order to prevent a lightning strike by increasing the voltage. Each vertical axis windmill 450 is connected to the voltage application device 401. Each of the vertical axis wind turbines 450 has a configuration in which a conductor is provided on the entire wind turbine or on a blade, a rotating shaft, or the like (for example, see the vertical axis wind turbine of the third embodiment).
[0055]
The voltage application device 401 applies a positive / negative voltage to each vertical axis windmill 450 and controls the applied voltage. In addition, since some lightning is from the ground, it is extremely difficult to instantly determine whether the lightning is positive or negative. Therefore, a positive voltage is applied to one vertical axis windmill 450a, and another vertical axis windmill 450b is applied to another vertical axis windmill 450b. Applies a negative voltage.
[0056]
The applied voltage is about 100V to 400V. If a conductive member is used and there is a possibility of lightning strike, a voltage is applied to the conductive member. For example, if the blade and the arm are made of a conductive member, a voltage is applied to both of them. According to the above configuration, even if a lightning strike occurs in the vertical axis windmill 450a to which the positive voltage is applied, no lightning strike occurs in the vertical axis windmill 450b to which the negative voltage is applied.
[0057]
Therefore, even if one of the vertical axis windmills 450a is victimized by the lightning strike, the lightning strike on the other vertical axis windmill 450b can be prevented. When it is known which lightning is likely to occur depending on various conditions such as the weather, the number of positive or negative vertical axis wind turbines 450 may be increased to cope with the tendency. It goes without saying that the configuration of the present invention can be applied not only to the vertical axis wind turbine but also to the horizontal axis wind turbine.
[0058]
(Embodiment 5)
FIG. 8 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 5 of the present invention. The vertical axis wind turbine 500 has substantially the same configuration as the vertical axis wind turbine 100 shown in the first embodiment, except that a purge gas is introduced into the casing 11. The other configuration is the same as that of the first embodiment, so that the description thereof is omitted, and the same components are denoted by the same reference numerals. An accelerator 12 and a generator 10 are housed in the casing 11, and a substance having a low dielectric constant is introduced into the casing 11 in order to prevent a current from flowing through them.
[0059]
For example, an inert gas such as argon, helium, or nitrogen is introduced from an inert gas pump 501 through an inlet 502 of the casing 11. A seal 504 is provided between the outer surface of the rotary cylinder 5 and the casing 11. Further, a seal 505 is provided between the inner surface of the rotary cylinder 5 and the fixed shaft 4.
[0060]
Since the inert gas leaks from the gap in the casing 11, it is preferable to introduce the inert gas into the casing 11 from the inert gas tank 501 little by little. In this way, even if a lightning strike occurs on the lightning rod 8, current does not flow through components such as the generator in the casing 11, so that they are not damaged. Note that an inert gas may be introduced between the fixed shaft 4 and the rotary cylinder 5 (not shown). The present invention can also be applied to a horizontal axis wind turbine. Specifically, an inert gas may be introduced as a purge gas into the nacelle of the horizontal axis wind turbine (not shown).
[0061]
FIG. 9 is a sectional view showing a modification of the vertical axis wind turbine according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 9A, the vertical axis wind turbine 550 has a generator 552 and a speed increasing gear 553 built in a fixed shaft 551, and a rotating shaft 554 protrudes from the fixed shaft 551. A plurality of arms 2 are radially provided on the outer circumference of the rotating shaft 554, and the blades 3 are supported by the arms 2. A seal 555 is provided between the fixed shaft 551 and the rotation shaft 554. Further, a gas inlet 556 for introducing an inert gas is provided below the casing 551a of the fixed shaft 551. The gas inlet 556 is provided with an inert gas pump 557.
[0062]
The inert gas from the inert gas pump 557 fills the inside of the fixed shaft 551 from below the casing 551a. Further, since the inert gas leaks slightly from the seal 555 to the outside, a small amount of the inert gas is always supplied into the fixed shaft 551 by the inert gas pump 557. In this way, even if a lightning strike occurs on the vertical axis wind turbine 550 itself, no current flows through components such as the generator 552 in the fixed shaft 551, and thus there is no damage to these components.
[0063]
When the lightning rod 558 is attached to the vertical axis wind turbine 550 shown in FIG. 9A, as shown in FIG. 9B, the lightning rod 558 is attached to the upper end of the rotating shaft 554 via the insulator 559A. Good. In that case, a slip ring 560 is provided on the rotating shaft 554 via an insulator 559B, the lightning rod 558 and the ring 561 are connected by a cable 563, and the electric wire 564 connected to the brush 562 is grounded.
[0064]
(Embodiment 6)
FIG. 10 is a configuration diagram showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 6 of the present invention. The vertical axis wind turbine 600 has a rotating shaft 601, a plurality of arms 2 provided radially from the rotating shaft 601 at upper and lower positions, and a blade 3 supported by the arms 2. The rotating shaft 601 has a double structure, and includes a fixed shaft 602 and the rotating cylinder 5 disposed around the fixed shaft 602. The arm 2 is attached to the outer vertical position of the rotary cylinder 5. The arm 2 and the blade 3 are made of glass fiber.
[0065]
The fixed shaft 602 is made of a conductive material such as aluminum or copper, and a lightning rod 8 is attached to an upper end thereof. On the other hand, the lower end of the fixed shaft 602 is in contact with the ground. Also, the vertical axis windmill 600 is substantially entirely contained within a range of 90 degrees or 120 degrees below the lightning rod 8, in other words, the vertical axis windmill is contained within a 90-degree or 120-degree cone with the lightning rod 8 at the top. The height of the lightning rod 8 is determined so that almost all of the windmills 600 are included. By arranging such that the vertical axis wind turbine is substantially entirely contained within a 90- or 120-degree cone with the lightning rod 8 at the top, the lightning strike will surely fall on the lightning rod 8, and the configuration of the wind turbine blades 3 and the like No more falling into the element.
[0066]
A bearing 650 as a bearing is interposed between the rotary cylinder 5 and the fixed shaft 602. Further, a casing 11 in which the generator 10 is provided is provided below the rotating shaft 601. An accelerator 12 composed of a plurality of gears is provided at a lower end of the rotary cylinder 5, and a generator 10 is connected to the accelerator 12. A seal 504 is provided between the outer surface of the rotary cylinder 5 and the casing 11. Further, a seal 505 is provided between the inner surface of the rotary cylinder 5 and the fixed shaft 4.
[0067]
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a bearing structure of a vertical axis wind turbine according to Embodiment 6. In the bearing structure of the vertical axis wind turbine 600, as shown in FIG. 11A, the inner ring of the bearing 650 is fitted to the fixed shaft side, and the outer ring is fitted to the rotary cylinder 5 via a ring 651 made of an insulator. To Thus, even if there is a lightning strike, a large current flows only to the fixed shaft 602, and a large current does not flow to the bearing 650 and the blade 3 side. For this reason, while burning of the bearing 650 can be prevented, the blade 3 and the arm 2 can be protected from a lightning strike.
[0068]
Further, as shown in FIG. 11B, an insulator ring 652 may be provided between the inner ring of the bearing 650 and the fixed shaft 602, or between the outer ring of the bearing 650 and the rotary cylinder 5 (not shown). , And both the inner ring of the bearing 650 and the fixed shaft 602 may be provided with insulator rings 651 and 652. Further, as shown in FIG. 11C, any or all of the inner ring, the outer ring, and the balls (rollers or rollers) constituting the bearing 660 may be made of an insulator such as ceramics to have an insulating effect. . Needless to say, the present invention can be applied to a horizontal axis wind turbine.
[0069]
As described above, this vertical axis wind turbine 600 can be prevented from being damaged by adopting a bearing structure having an insulating function. In addition, there is no need to stand a separate lightning rod next to the device, and the installation area of the power generator can be reduced. Further, since the lightning rod 8 is formed by using the fixed shaft 602, the windmill can be efficiently disposed within a range of 90 degrees or 120 degrees below the lightning rod 8, and the height of the lightning rod 8 can be suppressed.
[0070]
In the vertical axis wind turbine 600, the rotary cylinder 5 is provided around the fixed shaft 602. However, the above-described insulating structure is applicable to a configuration in which a rotary shaft is provided at the center and a bearing that supports the rotary shaft is provided. it can. That is, in the vertical axis wind turbine as shown in FIG. 9B, when lightning strikes the lightning rod, the lightning current flows in the order of the lightning rod 558, the cable 563, the ring 561, the brush 562, and the electric wire 564. If there is no lightning strike or if the lightning rod 558 is not attached (in the case of FIG. 9A), a lightning current flows through the arm 2, the blade 3, and the rotating shaft 554. In such a case, even if the brush 562 and the ring 561 for conduction are mounted, a large current flows from the rotating shaft 554 to the casing 551a of the fixed shaft 551 through the bearing 555, and sometimes the bearing 555 is burned out or the internal electric parts are damaged. It may be damaged.
[0071]
Therefore, as shown in FIG. 12, a bearing 672 is provided between the rotating shaft 670 and the casing 671, and between the inner ring of the bearing 672 and the rotating shaft 670 (FIG. 12A) or the outer ring of the bearing 672 and the casing. 12 (b), an insulator ring 673, 674 is interposed. Further, the rotating shaft 670 is grounded on the ground by a slip ring 675.
[0072]
Further, in the vertical axis wind turbine shown in FIG. 9, since the arm 2 and the blade 3 are attached to the rotating shaft 554 side, the lightning current dropped on the blade 3 flows to the rotating shaft 554. The lightning current does not flow through the casing 551a due to the insulator rings 673 and 674. For this reason, it is possible to prevent the electric components in the casing 551a from being damaged and the bearing 672 from being burned.
[0073]
Further, any or all of the inner ring, the outer ring, and the balls constituting the bearing 672 may be made of an insulator such as ceramics to have an insulating effect (not shown).
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the windmill and the windmill system of the present invention, it is possible to reduce the size of lightning rod equipment and to reduce the installation area of the windmill including the lightning rod.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a modified example of the vertical axis wind turbine shown in FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a pattern of a conductor of the blade shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a side view showing a modified example of the vertical axis wind turbine according to the third embodiment.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a vertical axis wind turbine system according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view showing a modification of the vertical axis wind turbine according to the fifth embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a vertical axis wind turbine according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a bearing structure of a vertical axis wind turbine according to a sixth embodiment.
FIG. 12 is a sectional view showing a bearing structure of a vertical axis wind turbine according to a sixth embodiment.
FIG. 13 is an explanatory view showing a lightning rod of a conventional vertical axis wind turbine.
[Explanation of symbols]
100 vertical axis windmill
1 Rotary axis
2 arm
3 blade
4 Fixed axis
5 rotating cylinder
6 outer cylinder
7 Inner cylinder
8 Lightning rod
9 Bearing
10 Generator
11 Casing
12 Accelerator

Claims

地面に対して略垂直に設けた回転軸と、
前記回転軸の外周に放射状に設けたアームによって支持された複数のブレードと、
前記回転軸の上方に設けた避雷針と、
を備えたことを特徴とする風車。A rotation axis provided substantially perpendicular to the ground,
A plurality of blades supported by arms provided radially on the outer periphery of the rotating shaft,
A lightning rod provided above the rotation axis,
A windmill comprising:

地面に対して略垂直に設けられ且つ導電構造の内軸の周囲に絶縁構造を有する外軸を設けた固定軸と、
前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、
前記内軸を上方に延長するように設けた避雷針と、
回転筒の外周に設けた複数のアームにより支持されたブレードと、
を備えたことを特徴とする風車。A fixed shaft provided substantially perpendicular to the ground and provided with an outer shaft having an insulating structure around the inner shaft of the conductive structure;
A rotating cylinder provided around the fixed shaft,
A lightning rod provided to extend the inner shaft upward,
A blade supported by a plurality of arms provided on the outer periphery of the rotating cylinder,
A windmill comprising:

地面に対して略垂直の固定軸と、
前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、
前記固定軸と前記回転筒との間に設けた発電機と、
前記固定軸の上方で且つ前記固定軸と絶縁された状態で設けた避雷針と、
前記回転筒の外周に放射状に設けた複数のアームにより支持されたブレードと、
を備えたことを特徴とする風車。A fixed axis substantially perpendicular to the ground,
A rotating cylinder provided around the fixed shaft,
A generator provided between the fixed shaft and the rotary cylinder,
A lightning rod provided above the fixed shaft and insulated from the fixed shaft,
A blade supported by a plurality of arms provided radially on the outer periphery of the rotary cylinder,
A windmill comprising:

地面に対して略垂直の回転軸と、
前記回転軸の外周に放射状に設けたアームによって支持された複数のブレードと、
前記ブレード、前記アームおよび前記回転軸の少なくとも一つの表面に設けた導電体と、
を備えたことを特徴とする風車。A rotation axis substantially perpendicular to the ground,
A plurality of blades supported by arms provided radially on the outer periphery of the rotating shaft,
A conductor provided on at least one surface of the blade, the arm, and the rotation shaft,
A windmill comprising:

前記導電体は、前記ブレードの上端近傍および上側のアーム、ならびに前記回転軸に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の風車。The windmill according to claim 4, wherein the conductor is provided on the arm near the upper end and on the upper side of the blade, and on the rotating shaft.

前記導電体は、超伝導体であることを特徴とする請求項４に記載の風車。The windmill according to claim 4, wherein the conductor is a superconductor.

複数のブレードを有する風車において、
前記風車の一部または全部が導電部材により構成されており、
さらに、前記導電部材に対して電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする風車。In a windmill having a plurality of blades,
Part or all of the windmill is formed of a conductive member,
The windmill further includes voltage applying means for applying a voltage to the conductive member.

複数のブレードを有する風車の、発電機を含む要素を収納したケーシング内に、大気より誘電率の低い物質を導入したことを特徴とする風車。What is claimed is: 1. A wind turbine, wherein a substance having a dielectric constant lower than that of the atmosphere is introduced into a casing of a wind turbine having a plurality of blades, in which an element including a generator is housed.

固定軸と、
前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、
前記固定軸と回転筒との間に設けられ且つ前記固定軸側および前記回転筒側のうち雷電流が流れる側に少なくとも絶縁体を介在させた軸受と、
前記回転筒に設けた複数のブレードと、
を備えたことを特徴とする風車。A fixed axis,
A rotating cylinder provided around the fixed shaft,
A bearing provided between the fixed shaft and the rotating cylinder and having at least an insulator interposed on a side of the fixed shaft and the rotating cylinder on which a lightning current flows,
A plurality of blades provided on the rotary cylinder,
A windmill comprising:

固定軸と、
前記固定軸の周囲に設けた回転筒と、
前記固定軸と前記回転筒との間に設けられ、一部または全部が絶縁材料により構成されている軸受と、
前記回転筒に設けた複数のブレードと、
を備えたことを特徴とする風車。A fixed axis,
A rotating cylinder provided around the fixed shaft,
A bearing provided between the fixed shaft and the rotary cylinder, a part or all of which is made of an insulating material,
A plurality of blades provided on the rotary cylinder,
A windmill comprising:

回転軸と、
前記回転軸を支持するケーシングと、
前記ケーシングと前記回転軸との間に設けられ且つ前記ケーシング側および前記回転軸側のうち雷電流が流れる側に少なくとも絶縁体を介在させた軸受と、
前記回転軸に設けた複数のブレードと、
を備えたことを特徴とする風車。A rotation axis,
A casing that supports the rotating shaft;
A bearing provided between the casing and the rotating shaft and having at least an insulator interposed on a side of the casing and the rotating shaft on which a lightning current flows,
A plurality of blades provided on the rotating shaft,
A windmill comprising:

一部または全部が導電部材により構成されている複数の風車と、
一つの風車には正の電圧を印加すると共に、別の風車には負の電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えたことを特徴とする風車システム。A plurality of windmills, some or all of which are formed by conductive members,
Voltage applying means for applying a positive voltage to one windmill and applying a negative voltage to another windmill,
A windmill system comprising: