JP4890555B2 - 避雷装置を有する風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、避雷装置を有する風力発電設備であって、ハブから実質的に半径方向外方に伸びる複数のブレードを備え、該ブレードは、上記ハブと共に、ロータを形成する上記風力発電設備に関する。

ブレードに対してブレードを落雷から保護する避雷システムを設けることは既知である。一例として、国際特許出願ＷＯ９６／０７８２５には、ブレード先端には、導電性材料のいわゆる雷受け部が設けられた避雷システムが開示されている。この雷受け部は、落雷を「捕え」且つ、電流を避雷針を通して下方に伝導することができ、該避雷針は、ブレードの長手方向に伸びており、また、ハブを介して接地されている。このシステムは、特に効果的な保護効果を提供することが判明している。

しかし、水は導電性であるため、雷受け部又は避雷針からブレード上の水溜まりへフラッシュオーバ又はスパークオーバが生ずる危険性がある。この場合、雷電流は水を加熱し、このことは、「水蒸気爆発」を引き起こすことがある。その結果、圧力は、ブレードを損傷させるのに十分なまで、上昇する。フラッシュオーバは、また、例えば、空気からの粒子、塩又は虫がブレード表面に付着するため、生ずることもある。フラッシュオーバに起因する損傷の結果、ブレードは修理し、又は最悪の場合、交換しなければならず、修理又はブレードの交換を行うことは、特に、沖合いの発電設備にとって複雑であるから、このことは、時間を消費し且つ、費用の掛かる過程である。

更に、炭素繊維で出来たブレード内に雷受け部又は避雷針を設けることは、炭素繊維は、典型的に、同様に導電性であるため、問題となり易い。
本発明の目的は、風力発電設備用の新規且つ改良された避雷装置を提供することである。

本発明に従い、この目的は、２つの隣接するブレードの間に導電性の避雷手段を配置することにより実現される。避雷手段は、ブレードから離れた位置に配置されるため、ブレードに対するフラッシュオーバの危険性は著しく減少する。

本発明の１つの好ましい実施の形態に従い、風力発電設備は、３つのブレードと、３つの避雷手段とを備えている。特に好ましい実施の形態において、ブレードは、好ましくは、ガラス繊維又は炭素繊維にて補強したポリマー材料から出来ている、殻体である。ロータは、実質的に水平な主軸に取り付けられることが好ましい。

本発明に従い、ハブから実質的に半径方向外方に伸びる長手方向手段の形態にて避雷手段を設けることができる。このようにして、避雷手段は、ロータが風によって回転するとき、空中に高く突き出す。避雷手段は、導電性であるため、可能な落雷が「引き寄せられて」上記手段を打撃し、雷電流は、避雷手段を通して接地したハブに導かれる。ハブと避雷手段との間に火花ギャップを有する実施の形態とすることも考えられる。

本発明の１つの好ましい実施の形態に従い、避雷手段の各々は、２つの隣接するブレード間の実質的に中間に配置される。これにより、避雷手段は、ロータ面内にてブレードから最大限離れた距離に配置され、これによりブレードに対するフラッシュオーバの危険性を最小にする。

本発明に従い、避雷手段は、避雷手段と少なくとも１つのブレードとの間にて接続された保持手段により保持することができる。保持手段は、長手状であり、また、コード、線又はロッドの形態を有することが好ましい。

本発明に従った風力発電設備の１つの好ましい実施の形態に従い、避雷手段は、保持手段により上記避雷手段と隣接する各ブレードとの間に保持される。
保持手段は、保持手段が風力発電施設のハブから可能な限り最大の距離にあるようにブレード先端と接続されることが好ましい。保持手段は、自在継手及び（又は）ばね部材を介してブレードと接続することができる。これにより、保持手段は、ピッチ制御された（ブレード角度の制御）風量発電設備と接続して使用することができる。

１つの特定の実施の形態において、保持手段は、少なくとも特定の領域にて誘電性材料にて出来ている。このようにして、雷電流がブレードをわたって導かれないことが保証される。例えば、保持手段は、セラミックで出来た接続継手のような、電気絶縁性材料を介して避雷手段及びブレードと接続することができる。当然、保持手段の全体が誘電性材料にて出来たものとしてもよい。

保持手段は、少なくとも特定の領域内にて弾性的であるようにすることができる。これと代替的に、保持手段は、可撓性の材料にて出来たものとしてもよい。これにより、保持手段は、降伏して避雷手段が僅かに可動であるようにすることができる。

本発明の１つの好ましい実施の形態に従い、避雷手段には、翼型状プロファイルが設けられる。これは、例えば、プロファイルが対称の滴液の形態を有する、いわゆる抗力減少プロファイルとすることができる。このようにして、避雷手段の風抵抗は減少し、また、騒音の発生量も少なくすることができる。場合によっては、避雷手段は、風力発電設備の製造に寄与するよう、特殊な翼型プロファイルを有するようにしてもよい。

避雷手段は、ブレードよりも長く、より短く又は実質的に同一の長さとすることができる。しかし、避雷手段は、落雷が引き寄せられてブレードの１つを打撃することがないように長くしなければならない。

本発明の１つの好ましい実施の形態に従い、ハブと反対側の避雷手段の端部には、例えば、いわゆるフランクリンロッドの形態をした落雷受け部が設けられる。
更に、ブレードは、例えば、空気からの粒子、塩水及び虫のブレード上の付着物を最小にする材料にて被覆されている。このようにして、落雷が引き寄せられてブレードを打撃する可能性は更に少ない。

本発明は、図面を参照しつつ、以下により詳細に説明する。
図１に示した風力発電設備１は、風車ハウジングとも呼ばれるナセル５を支持する塔６を備えている。実質的に水平な主軸がナセル５から突き出し、ロータが上記軸に取り付けられ、また、該ロータは、ハブ３と、複数のブレード２とを備えている。ロータは、風によって回転するようにすることができる。好ましくは、風量発電設備１は、風は塔６に衝突する前に、ロータに衝突し、また、ナセル５は横揺れすることができる、すなわち、塔６に対して垂直軸線の回りを回転することができ、これによりロータは、任意の所定の運動時、それ自体を風の方向に対して調節する、いわゆる向かい風の設備である。更に、図２に示したように、風力発電施設１には、ハブ３から実質的に半径方向外方に伸び、また、ガラス繊維又は炭素繊維にて補強したポリマー材料で出来た、いわゆる殻体本体として形成された３つのブレード２が設けられることが好ましい。

図１に示した風力発電設備１の特徴は、ハブ３から半径方向外方に伸びる長手方向手段の形態をした３つの避雷手段４を備える点である。避雷手段４各々には、例えば、タングステンで出来た落雷受け部８が設けられている。１つの好ましい実施の形態において、落雷受け部８は、いわゆるフランクリンロッドとして設けられている。避雷手段４の避雷針部分は、それ自体、ハブ３と電気的に接続され、このため、避雷手段４の１つの落雷による雷電流は、ハブを介して接地に導くことができ、該ハブは、例えば、塔及びナセルのような手段により接地ロッドと接続された避雷針（図示せず）により接地される。これと代替的に、避雷手段４とハブ３との間には、火花ギャップが存在するようにしてもよい。避雷針及び接地ロッドは、銅導体とし、又は任意のその他の導電性材料にて出来たものとすることができる。

図１に示した実施の形態において、避雷手段４は、ブレード２と実質的に同一の長さを有している。このため、避雷手段４は、風力発電設備１のロータが回転するとき、ブレード２と同程度、空中に突き出す。このようにして、避雷手段４は、より優れた導電体であるため、落雷が引き寄せられてブレード２の１つを打撃することはない。避雷手段４は、２つの隣接するブレード２の間の中間にて半径方向に配置されている。このようにして、避雷手段４とブレード２との間の距離は、最大となり、これによりフラッシュオーバ又はスパークオーバの危険性を最小にする。

避雷手段４の各々は、好ましくは、線、又はコード、ロッドの形状をし、２つの隣接するブレード２の間にて締結された保持手段７によって保持されている。
図２には、本発明に従った風力発電設備１の第二の実施の形態が示されている。この実施の形態に従い、避雷手段４は、ブレード２よりも短い。このようにして、避雷手段４は、より安定的な態様にて保持される。避雷手段４は、ロータが回転する間、空中に余り高くは突き出さないが、これらは、ブレード２よりも優れた導電体であるため、落雷は、依然として「引き寄せられて」避雷手段４の１つを打撃する。

図３には、避雷手段４の各々が外側の剛性な部分９と、内側の可撓性の部分１０とを有する２つに分割される、１つの実施の形態が示されている。剛性な部分９は、２つの線７、７´´により保持されて、上記剛性な部分がハブ３から半径方向外方に伸びることを保証する。可撓性の部分１０は、可撓性の電気ケーブルとすることができる。このようにして、剛性な部分９は、避雷手段４の内側部分１０又はハブ３に不必要な荷重を加えることなく、動くことができる。

図３に示した実施の形態の避雷手段４は、ブレード２よりも短い一方、図４には、避雷手段４がブレード２と実質的に同一の長さを有する相応する実施の形態が示されている。図４に示した実施の形態に従い、剛性な部分９は、この場合にも、２つの線７、７´´により保持されている。

避雷手段４の風抵抗及び騒音公害を少なくするため、該避雷手段は、図５に示したように、いわゆる抗力減少プロファイルを有するように形成され、そのプロファイルが対称の液滴の形態を有することが好ましい。しかし、プロファイルには、従来のブレードの形態又は同様のものを設けることができ、避雷手段４が風力発電設備１の製造に寄与するようにすることもできる。色々なプロファイルは、ガラス繊維をケーブルの回りにモールド成形することにより製造することができる。例えば、ケーブルは、５０ｍｍ^２の断面積を有することができる。

ピッチ制御式の風力発電設備と組み合わせて避雷手段４を使用することができるようにするため、保持手段には、図６に示したように、ブレード１がピッチ制御されたとき、降伏するばね部材１１を設けることができる。保持手段７は、また、自在継手又はボール継手１２によりブレードと接続することもできる。当然に、保持手段は、ばね部材１１と、ボール継手１２との双方を備えることができる。これと代替的に、保持手段の全体を可撓性の材料にて製造し、ブレード２がピッチ制御されるとき、降伏するようにしてもよい。この結果、避雷手段４は、何らの問題を伴わずに少し動くことができる。

線７とブレード２との間、及び線７と避雷手段４との間の接続継手は、セラミック又はポリマー材料のような、誘電性材料にて出来たものとすることができる。これにより、線７の一部分は、例えば、スチールワイヤーから成るものとすることが可能である。

本発明は、好ましい実施の形態に関して説明した。本発明の範囲から逸脱せずに、多くの改変例とすることが考えられる。当該技術の当業者に明らかな改変例及び変形例は、本発明の範囲に属するとみなされる。例えば、２つの隣接するブレードの間に、２つ又はより多くの避雷手段を配置することができる。これと代替的に、避雷手段の外側部分を２つに分割してもよい。避雷手段は、必ずしも２つの隣接するブレードの間に配置する必要はなく、ブレードの一方に近接して配置することができる。このようにして、落雷のフラッシュの瞬間に、避雷手段がブレードを超えて突き出す可能性を増すことが可能である。

本発明による風力発電設備の第一の実施の形態を示す概略図である。 本発明による風力発電設備の第二の実施の形態を示す概略図である。 本発明による風力発電設備の第三の実施の形態を示す概略図である。 本発明による風力発電設備の第四の実施の形態を示す概略図である。 図１の線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。 ブレード先端と保持手段との間の接続部の第一の実施の形態を示す図である。 ブレード先端と保持手段との間の接続部の第二の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 風力発電設備
２ ブレード
３ ハブ
４ 避雷手段
５ ナセル
６ 塔
７ 保持手段／線／ロッド
８ 落雷受け部
９ 剛性な部分
１０ 可撓性の部分
１１ ばね部材
１２ 自在継手／ボール継手

Claims (10)

1. ハブ（３）から実質的に半径方向外方に伸びる複数のブレード（２）を備え、該ブレードは、前記ハブと共に、ロータを形成する避雷装置を有する風力発電設備（１）において、導電性の避雷手段（４）が２つの隣接するブレード（２）の間に配置されることを特徴とする、風力発電設備（１）。
2. 請求項１に記載の風力発電設備（１）において、３つのブレード（２）と、３つの避雷手段（４）とを備えることを特徴とする、風力発電設備（１）。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電設備（１）において、ハブ（３）から実質的に半径方向外方に伸びる長手方向手段の形態にて避雷手段（４）が設けられることを特徴とする、風力発電設備（１）。
4. 請求項１ないし３の何れか１つの項に記載の風力発電設備（１）において、避雷手段（４）の各々は、２つの隣接するブレード（２）間の実質的に中間に配置されることを特徴とする、風力発電設備（１）。
5. 請求項１ないし４の何れか１つの項に記載の風力発電設備（１）において、避雷手段（４）は、避雷手段（４）と少なくとも１つのブレード（２）との間にて接続された保持手段（７）により保持されることを特徴とする、風力発電設備（１）。
6. 請求項５に記載の風力発電設備（１）において、避雷手段（４）は、保持手段（７）により前記避雷手段と２つの隣接する各ブレード（２）との間に保持されることを特徴とする、風力発電設備（１）。
7. 請求項５又は６に記載の風力発電設備（１）において、保持手段（７）は、少なくとも特定の領域にて誘電性材料にて出来ており、避雷手段（４）及びブレード（２）は、相互に電気的に絶縁されることを特徴とする、風力発電設備（１）。
8. 請求項５ないし７の何れか１つの項に記載の風力発電設備（１）において、保持手段（７）は、少なくとも特定の領域内にて弾性的であることを特徴とする、風力発電設備（１）。
9. 請求項８に記載の風力発電設備（１）において、保持手段（７）は、可撓性の材料にて出来ていることを特徴とする、風力発電設備（１）。
10. 請求項１ないし９の何れか１つの項に記載の風力発電設備（１）において、避雷手段（４）には、翼型状プロファイルが設けられることを特徴とする、風力発電設備（１）。

Images