JP4099208B1 - 風力発電施設用防雷システム - Google Patents

Abstract

【課題】 落雷の捕獲確率を向上させ、ブレードへの落雷の直撃を確実に回避して、防雷効果の向上を図る。
【解決手段】 タワー１の頂部に回動可能に取付けられたナセル２を介して設けられ風力により回転するブレード３を備えた風力発電施設Ｆの防雷を行なうもので、ブレード３の先端３ａの軌道のうち最上位点が描く経路１３（１４）の上方に、この経路１３を通るブレード３の先端３ａに対し雷撃が生じないように、落雷を捕獲する主架空地線１１を複数本設け、各主架空地線１１の下側に、各主架空地線１１に夫々対応した従架空地線１２を並設し、互いに対応する主架空地線１１及び従架空地線１２間を所定間隔で列設した複数の連結杆１６を介して連結した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タワー頂部にナセルを介して設けられ風力により回転するブレードを備えた風力発電施設の防雷を行なう風力発電施設用防雷システムに関する。

一般に、風力発電施設においては、例えば、図８に示すように、障害物のない平坦地に数十メートルのタワー１を設置し、タワー１の頂部に発電機等を内蔵したナセル２を略垂直軸周りに回動可能に設け、ナセル２の前部には略水平軸周りに風力で回転させられる例えば３枚のブレード３を設け、このブレード３の回転駆動により発電機を駆動して発電を行なう。このような風力発電施設Ｆにおいては、一般に、落雷から施設を保護するために、避雷システムが備えられている。

従来、この種の風力発電施設用避雷システムＳａとしては、例えば、図７に示すように、風力発電設備Ｆよりもさらに高層の避雷針１００を建設し、雷雲発生時に、この避雷針１００に誘雷して落雷を捕獲し、風力発電施設Ｆの安全を確保するようにしている（特開２００１−１２３９３４号公報などに記載）。

特開２００１−１２３９３４号公報

ところで、このような従来の風力発電施設用避雷システムＳａにあっては、高層の避雷針１００に誘雷するようにしているが、避雷針１００とブレード３との距離が大きいことから、必ずしも落雷の捕獲が充分とは言えず、捕獲確率が劣るという問題があった。
本発明はこの問題点に鑑みて為されたもので、落雷の捕獲確率を向上させ、ブレードへの落雷の直撃を確実に回避して、防雷効果の向上を図った風力発電施設用防雷システムを提供することを目的とする。

本願発明者は、風力発電施設において、ブレードへの雷撃はブレードが垂直の時だけであり、他のいかなる角度の時も発生が見られないという経験則に着目し、ブレードの真上エリアを確実に保護することで目的を達成することが可能であると考えた。
そして、上記の目的を達成するため、本発明の風力発電施設用防雷システムは、タワー頂部に回動可能に取付けられたナセルを介して設けられ風力により回転するブレードを備えた風力発電施設の防雷を行なう風力発電施設用防雷システムにおいて、
上記ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路の上方に、該経路を通るブレードの先端に対し雷撃が生じないように、落雷を捕獲する主架空地線を複数本設けた構成とした。

これにより、雲雷が接近して、ブレードに落雷しようとしても、ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路の上方にある主架空地線によって落雷が捕獲され、ブレードに雷撃が生じる事態が防止される。この場合、主架空地線は複数本設けられているので、落雷が回り込んでブレードに至る事態を確実に阻止することができ、落雷の捕獲が確実に行なわれる。主架空地線が１本であると、捕獲確率に劣る。

そして、必要に応じ、上記複数の主架空地線を水平方向に沿って互いに平行配置した構成としている。主架空地線が水平方向に沿って互いに平行配置されるので、ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路を確実に覆うことができ、落雷が回り込んでブレードに至る事態を確実に阻止でき、落雷の捕獲が確実に行なわれる。

また、必要に応じ、上記ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路が、上から見て上記ナセルの回動中心を中心とする円で構成され、上から見て上記複数の主架空地線を上記円の中心に対して対称配置した構成としている。主架空地線を円の中心に対して対称配置したので、偏りがなくなり、それだけ、ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路を確実に覆うことができ、落雷が回り込んでブレードに至る事態を確実に阻止でき、落雷の捕獲が確実に行なわれる。

更に、上記円の直径をＤとしたとき、上から見て上記主架空地線の間隔Ｘを、Ｘ＝（０．００５〜１３．０）Ｄ、最適値としては、Ｘ＝（０．５〜２．２）Ｄ、横から見て上記円の中心から真上にある主架空地線の下縁までの距離Ｙを、Ｙ＝（０．０５〜１１．１）Ｄ、最適値としては、Ｙ＝（０．３〜３．９）Ｄ、に設定した構成としている。
ここで、主架空地線が３本以上ある場合、各主架空地線の間隔は、風力発電施設の立地条件や環境によって、必ずしも等間隔でなくても良いが、できるだけ、等間隔に設定することが望ましい。

この範囲において、ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路を確実に覆うことができる。特に、主架空地線を最小の２本にすれば、それだけ、設計が容易で、設置も容易であり、それだけコストダウンを図ることができる。

そしてまた、必要に応じ、上記各主架空地線の下側に、該各主架空地線に夫々対応した従架空地線を並設し、互いに対応する主架空地線及び従架空地線間を所定間隔で列設した複数の連結杆を介して連結した構成としている。この場合、落雷は、先ず上側にある主架空地線に生じる。これにより、万一、主架空地線が落雷により切断しても、従架空地線があるので、この従架空地線により落雷を捕獲できるようになり、より一層確実に、防雷を行なうことができる。従架空地線は、主架空地線より下側にあるので、主架空地線よりその保護範囲は若干低下するが、主架空地線の不慮の切断に対しては、十分その代替機能が発揮される。

また、必要に応じ、上記主架空地線が切断して上記連結杆を介して上記従架空地線より下側に垂れ下がったとき、該切断した主架空地線から上記ブレードに雷放電しないように、上記連結杆の間隔を定めている。万一、主架空地線が落雷により切断した場合には、主架空地線は、最大で、連結杆の間隔の分の長さと連結杆の長さとの和の長さ分だけ従架空地線より下側に垂れ下がるが、連結杆の間隔をこのように調整することにより、垂れ下がる長さが規制され、主架空地線からブレードに雷放電することがなく、雷放電によりブレードが損傷する事態を確実に防止することができるようになる。

更に、必要に応じ、上記タワーを挟んで、一対のポールを立設し、上記主架空地線及び従架空地線を上記一対のポール間に架設した構成としている。ポール間に架設するので、設置が容易に行なわれる。

更にまた、必要に応じ、上記主架空地線及び従架空地線は、それぞれのポールを介して上記タワーと互いに地中で短絡させて接地した構成としている。これにより、落雷捕獲時に上記ポール及びタワーは電位が等しくなり電位差が発生しないことから、危険な火花放電やタワー内部の電子機器に対して雷被害を防止する効果がある。

本発明の風力発電施設用防雷システムによれば、ブレードに落雷しようとしても、ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路の上方にある主架空地線によって落雷が捕獲されるので、ブレードに雷撃が生じる事態を防止することができる。この場合、主架空地線は複数本設けられているので、落雷が回り込んでブレードに至る事態を確実に阻止することができ、落雷の捕獲を確実に行なうことができ、捕獲確率を向上させることができる。
また、各主架空地線の下側に従架空地線を並設した場合には、万一、主架空地線が落雷により切断しても、従架空地線があるので、この従架空地線により落雷を捕獲できるようになり、より一層確実に、ブレードへの雷撃を防止することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムについて詳細に説明する。尚、上記と同様のものには同一の符号を付して説明する。
図１乃至図５に示すように、本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムＳは、風力発電施設Ｆの防雷を行なう。風力発電施設Ｆは、障害物のない平坦地に数十メートルのタワー１を設置し、タワー１の頂部に発電機等を内蔵したナセル２を略垂直軸周りに回動可能に設け、ナセル２の前部には略水平軸周りに風力で回転させられる例えば３枚のブレード３を設け、このブレード３の回転駆動により発電機を駆動して発電を行なう。

本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムＳの基本的構成は、タワー１を挟んで、一対のポール１０を立設し、この一対のポール１０間に、落雷を捕獲する主架空地線１１及び従架空地線１２を、架設して構成されている。ポール１０は導電性金属部材で形成され、その高さが、風力発電施設Ｆの最高位（垂直になったブレード３の最高位）よりも高く、例えば、９０ｍに設定される。また、ポール１０間の距離は、例えば、１００ｍ程度に設定される

主架空地線１１及び従架空地線１２としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ３５０６−１９９６「硬鋼線材」に適合する線、または、それと同等以上の線材もしくはそれらを用いて線引された鋼線に、ＪＩＳ Ｈ ２１１０−１９６８「電気用アルミニウム地金」に適合するアルミニウムを一様かつ完全に被覆したもので、両金属間の結合層は剥離することがなく、表面はなめらかで実用上有害な欠点がない、例えば、直径３．５ｍｍ、最小引張強さ１２３０ＭＰａ、２０℃における電気抵抗７．７９Ω／ｋｍの素線を用いる。そして、この素線７本を一様かつ緊密に同心円により合わせて、外径１０．５ｍｍ、最小引張強さ７４．５ｋＮ、２０℃における電気抵抗１．１２Ω／ｋｍのアルミ覆鋼より線にしたものが用いられる。

主架空地線１１は、ブレード３の先端の軌道のうち最上位点が描く経路１３の上方に、この経路１３を通るブレード３の先端３ａに対し雷撃が生じないように、複数本（実施の形態では２本）設けられている。この２本の主架空地線１１は、水平方向に沿って互いに平行配置されている。詳しくは、図５（ａ）に示すように、ブレード３の先端３ａの軌道のうち最上位点が描く経路１３が、上から見た平面図上、ナセル２の回動中心Ｐを中心とする円１４で構成され、上から見た平面図上、２本の主架空地線１１は、この円１４の中心Ｐに対して対称配置されている。主架空地線１１は、最小の２本にして、ポール１０に架設しているので、設計が容易で、設置も容易であり、それだけコストダウンが図られる。

より詳しくは、図５（ａ）に示すように、円１４の直径をＤとしたとき、上から見た平面図上、主架空地線１１の間隔Ｘを、Ｘ＝（０．００５〜１３．０）Ｄ、最適値としては、Ｘ＝（０．５〜２．２）Ｄに設定してある。
また、図５（ｂ）に示すように、横から見た正面図上、円１４の中心Ｐから真上にある主架空地線１１の下縁までの距離Ｙを、Ｙ＝（０．０５〜１１．１）Ｄ、最適値としては、Ｙ＝（０．３〜３．９）Ｄに設定してある。
実施の形態では、Ｄ＝１．８ｍの場合で、Ｘ＝４ｍ，Ｙ＝７ｍに定めた。

このＸ，Ｙの値は、落雷のシミュレーションに基づいて決定した。図４に示すように、ＪＩＳ Ａ４２０１−２００３による保護レベルＩの時の雷撃距離（半径２０ｍ）を回転球体法により示し（図４中、点線の丸）、この点線の丸とブレード３の先端３ａの円軌道とが接触した部分を雷撃点に定め、点線の丸とブレード３の先端３ａの円軌道とで囲まれるエリア１５（ハッチング部分）を保護範囲とした。経験則から、ブレード３が垂直の時だけしか雷撃を受けていない事から、これにより、点線の丸は図４の位置より下には位置しない事となり、雷撃は図のように全て主架空地線１１に捕獲されるようになる。尚、計算に当たっては、夏期及び冬期間の架空地線の収縮を考慮した。冬期においては若干弛みが小さくなるので、これに伴って、保護範囲が広がる。

尚また、回転球体法上の理想モデルとしては、風力発電施設Ｆを囲むように架空地線相互間隔を２０ｍ程度に広げるとよいが、その場合、ポール１０が４本以上必要になりコストが高くなる。ポール１０が２本の構成において、架空地線の太さや基礎及びターンバックル強度の限界値等を考慮すると、上記の離隔距離が計算上の理想値となる。

従架空地線１２は、各主架空地線１１の下側に、各主架空地線１１に夫々対応して並設されている。互いに対応する主架空地線１１及び従架空地線１２間は、所定間隔で列設した複数の連結杆１６を介して連結されている。
連結杆１６は、例えば、外層をウレタン樹脂で覆われた、アラミド繊維を内層、ポリエステル繊維を中層として構成される引張強さ３７．６ｋＮ、外径９ｍｍの非導電性ロープの両端に係止め金具を取付けして形成されている。

また、図５（ｂ）に示すように、連結杆１６の間隔Ｌは、図６に示すように、主架空地線１１が切断して連結杆１６を介して従架空地線１２より下側に垂れ下がったとき、切断した主架空地線１１がブレード３に接触しないような寸法に定められている。
実施の形態においては、上記した、Ｘ＝４ｍ，Ｙ＝７ｍのとき、主架空地線１１及び従架空地線１２間の距離ＺをＺ＝２ｍに定め、連結杆１６の間隔ＬをＬ＝１ｍと定めている。

また、実施の形態においては、図３に示すように、主架空地線１１及び従架空地線１２は、ポール１０を介してタワー１と、互いに地中で短絡させて接地させている。
なお、ポール１０を介さずに直接、主架空地線１１及び従架空地線１２とタワー１を電線などで地中接続する方法もあるがポール１０を介した方が効果は同じでもコストダウンになる。

従って、この実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムＳによれば、雲雷が接近して、ブレード３に落雷しようとしても、落雷は、先ず上側にある主架空地線１１に生じる。即ち、ブレード３の先端３ａの軌道のうち最上位点が描く経路１３の上方にある主架空地線１１によって落雷が捕獲され、ブレード３に雷撃が生じる事態が防止される。この場合、主架空地線１１は複数本設けられているので、落雷が回り込んでブレード３に至る事態を確実に阻止することができ、落雷の捕獲が確実に行なわれる。また、主架空地線１１を水平方向に沿って互いに平行配置しているので、ブレード３の先端３ａの軌道のうち最上位点が描く経路１３を確実に覆うことができ、落雷が回り込んでブレード３に至る事態を確実に阻止でき、落雷の捕獲が確実に行なわれる。更に、主架空地線１１はブレード３の先端３ａの軌道のうち最上位点が描く経路１３としての円１４の中心Ｐに対して対称配置されているので、偏りがなくなり、それだけ、ブレード３の先端３ａの軌道のうち最上位点が描く経路１３を確実に覆うことができ、この点でも、落雷が回り込んでブレード３に至る事態を確実に阻止でき、落雷の捕獲が確実に行なわれる。

また、この場合、主架空地線１１及び従架空地線１２は、ポール１０を介してタワー１と互いに地中で短絡させて接地されているので、主架空地線１１及び従架空地線１２が落雷捕獲時にポール１０とタワー１は電位が等しいまま電位上昇が衰退していく作用と、捕獲された雷電流が分割されることによる電位上昇低減の相互作用により、タワー１内部で危険な火花放電や電子機器に対する雷被害を防止する効果がある。

更にまた、図６に示すように、万一、主架空地線１１が落雷により切断しても、従架空地線１２があるので、この従架空地線１２により落雷を捕獲できるようになり、より一層確実に、防雷を行なうことができる。この場合、従架空地線１２は、主架空地線１１より下側にあるので、主架空地線１１よりその保護範囲は若干低下するが、主架空地線１１の不慮の切断に対しては、十分その代替機能が発揮される。

また、図６に示すように、主架空地線１１は、最大で、連結杆１６の間隔の分の長さ（Ｌ）と連結杆１６の長さ（Ｚ）との和の長さ分だけ従架空地線１２より下側に垂れ下がるが、垂れ下がる長さが規制されているので、主架空地線１１からブレード３に雷放電することがなく、雷放電によりブレード３が破損する事態を確実に防止することができるようになる。即ち、ブレード３の先端３ａから従架空地線１２までの距離がＹ−Ｚ＝７ｍ−２ｍ＝５ｍであり、垂れ下がる最大長さがＬ＋Ｚ＝１ｍ＋２ｍ＝３ｍであることから、垂れ下がった主架空地線１１の先端とブレード３との間には２ｍの間隔が設けられることになり、そのため、主架空地線１１からブレード３に雷放電する事態が確実に防止される。

万一放電した場合であっても、図７に示すように、雷電流の分流理論から推測すれば、ブレード３に生じる雷撃は、雷撃電流の１／４の雷撃であり、ブレード３の損傷には至らないものと考えられる。

尚、上記実施の形態において、主架空地線１１を２本用いて構成したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、３本以上設けるようにしてもよく、適宜変更して差支えない。

本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムの要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムを示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムを示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムを示す横断面図である。 本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムの要部を示し、（ａ）はブレードと主架空地線との関係を示す上から見た平面図、（ｂ）はブレードと主架空地線との関係を示す横から見た正面図である。 本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムにおいて、主架空地線が切断したときの状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る風力発電施設用防雷システムにおいて、主架空地線が切断して、万一ブレードに雷放電が生じたときの分流状態を示す図である。 従来の風力発電施設用避雷システムの一例を示す図である。

符号の説明

Ｓａ風力発電施設用避雷システム
Ｓ 風力発電施設用防雷システム
Ｆ 風力発電施設
１ タワー
２ ナセル
３ ブレード
３ａ 先端
１０ ポール
１１ 主架空地線
１２ 従架空地線
１３ 経路（ブレード先端が描く軌跡）
１４ 円
Ｐ 中心
Ｄ 円の直径
１５ エリア
Ｘ 主架空地線の間隔
Ｙ 円の中心から真上にある主架空地線の下縁までの距離
Ｚ 主架空地線及び従架空地線間の距離
１６ 連結杆
Ｌ 連結杆の間隔

Claims (6)

1. タワー頂部に回動可能に取付けられたナセルを介して設けられ風力により回転するブレードを備えた風力発電施設の避雷を行なう風力発電施設用防雷システムにおいて、
   上記ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路の上方に、該経路を通るブレードの先端に対し雷撃が生じないように、落雷を捕獲する主架空地線を複数本設け、
   上記複数の主架空地線を水平方向に沿って互いに平行配置し、
   上記ブレードの先端の軌道のうち最上位点が描く経路が、上から見て上記ナセルの回動中心を中心とする円で構成され、上から見て上記複数の主架空地線を上記円の中心に対して対称配置し、
   上記円の直径をＤとしたとき、上から見て上記主架空地線の間隔Ｘを、Ｘ＝（０．００５〜１３．０）Ｄ、横から見て上記円の中心から真上にある主架空地線の下縁までの距離Ｙを、Ｙ＝（０．０５〜１１．１）Ｄに設定したことを特徴とする風力発電施設用防雷システム。
2. Ｘ＝（０．５〜２．２）Ｄ、Ｙ＝（０．３〜３．９）Ｄに設定したことを特徴とする請求項１記載の風力発電施設用防雷システム。
3. 上記各主架空地線の下側に、該各主架空地線に夫々対応した従架空地線を並設し、互いに対応する主架空地線及び従架空地線間を、所定間隔で列設した複数の連結杆を介して連結したことを特徴とする請求項１または２記載の風力発電施設用防雷システム。
4. 上記主架空地線が切断して上記連結杆を介して上記従架空地線より下側に垂れ下がったとき、該切断した主架空地線から上記ブレードに雷放電しないように、上記連結杆の間隔を定めたことを特徴とする請求項３記載の風力発電施設用防雷システム。
5. 上記タワーを挟んで、一対のポールを立設し、上記主架空地線及び従架空地線を上記一対のポール間に架設したことを特徴とする請求項３または４記載の風力発電施設用防雷システム。
6. 上記主架空地線及び従架空地線は、それぞれのポールを介して上記タワーと互いに地中で短絡させて接地したことを特徴とする請求項５記載の風力発電施設用防雷システム。

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