JP4969098B2 - 風車翼の落雷保護装置、該落雷保護装置の組立方法、該落雷保護装置を備える風車翼、及び該風車翼を備える風車 - Google Patents

Description

本発明は、翼の表面に着雷用のレセプタを設置し、該レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線あるいはバイパスブラシ等の接続機器を通して地中にアースする風車翼の落雷保護装置、該落雷保護装置の組立方法、該落雷保護装置を備える風車翼、及び該風車翼を備える風車に関する。

風車翼への落雷から翼及び風車装置全体を保護する手段として、翼の表面に着雷用のレセプタを設置し、該レセプタへの着雷による雷電流を翼の内部及びロータヘッド、主軸、タワー等の風車本体部を挿通した導線を通して地中にアースする手段が、たとえば特許文献１（ＰＣＴ−ＷＯ２００４／１１１６８６ Ａ１号公報）、特許文献２（ＰＣＴ−ＷＯ２００５／０２６５３８ Ａ１号公報）等によって提供されている。

特許文献１の技術においては、翼の先端部から翼長に沿って翼の表面に着雷用のレセプタを複数箇所に設置し、各レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線を通して地中にアースするように構成されている。
特許文献２の技術においては、着雷用のレセプタを、翼の所定断面において、翼の腹側外皮及び背側外皮の表面に開放して着雷可能とし、該レセプタを腹側外皮及び背側外皮の裏面にねじでそれぞれ固定し、該レセプタからの導線をダウンコンダクタに接続している。

ＰＣＴ−ＷＯ２００４／１１１６８６ Ａ１号公報 ＰＣＴ−ＷＯ２００５／０２６５３８ Ａ１号公報

しかしながら、特許文献１の技術にあっては、翼の先端部から翼長に沿って着雷用のレセプタを複数箇所に設置し、各レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線を通して地中にアースするように構成されているにとどまり、また特許文献２の技術にあっては、着雷用のレセプタを、翼の腹側外皮及び背側外皮の表面に開放して着雷可能とするとともに該レセプタを腹側外皮及び背側外皮の裏面にねじでそれぞれ固定するように構成されているにとどまり、特許文献１及び２のいずれにおいても、翼プロフィールが小さくなる翼の先端部へのレセプタの効果的な組付手段や、翼への着雷時において翼の内部に発生する圧力上昇への対処策等については全く開示されていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、殊に翼プロフィールが小さくなる翼の先端部に装着されるレセプタを簡単な構造で且つ容易に組立可能とし、さらには翼への着雷時において翼の内部に発生する圧力上昇への有効な対処を施し得る風車翼の落雷保護装置、該落雷保護装置の組立方法、該落雷保護装置を備える風車翼、及び該風車翼を備える風車を提供することにある。

本発明はかかる目的を達成するもので、 翼の表面に着雷用のレセプタを設置し、該レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線あるいはバイパスブラシ等の接続機器を通して地中にアースする風車翼の落雷保護装置であって、
導電体からなり前記導線が接続されるベースプレートを前記翼内部に埋設するとともに、前記レセプタを翼の表面に臨ませて前記ベースプレートに固定、支持してなるレセプタ組立品をそなえ、前記レセプタ組立品の周囲を含む前記翼内部空間に接着剤を充填して該内部空間の空気が排除されているとともに、
前記接着剤が充填される翼内部空間が、翼根部から翼長方向に翼内部に埋設された補強用の主桁フレームより翼先端側の翼腹側外皮と背側外皮との間の内側空間であることを特徴とする。
この接着剤としては、メタクリレート系の接着剤が好適である。

また、前記のように構成された風車翼における落雷保護装置の組立方法の発明は、翼の表面に着雷用のレセプタを設置し、該レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線あるいはバイパスブラシ等の接続機器を通して地中にアースする落雷保護装置をそなえた風車翼の落雷保護装置組立方法であって、導電体からなり前記導線が接続されるベースプレートを前記翼の内部に挿入し、該ベースプレートと翼の外皮との間の空気を排除するように、翼根部から翼長方向に翼内部に埋設された補強用の主桁フレームより翼先端側の翼腹側外皮と背側外皮との間の内側空間に、接着剤を充填して該ベースプレートを翼の内部に固定した後、前記翼の外皮より前記接着剤が充填された内側空間を貫通してレセプタ挿入穴を形成し、該レセプタ挿入穴を通して前記レセプタを前記ベースプレートに固定することを特徴とする。

かかる発明によれば、導電体からなり翼の内部に埋設されたベースプレートに着雷用のレセプタを固定、支持してレセプタ組立品を形成し、該ベースプレートにアース用の導線を接続するので、構造がきわめて簡単であるとともに、ベースプレートに着雷用のレセプタを固定、支持してユニット化されているので、翼への組立が容易にできる。
また、該レセプタ組立品のユニットを翼の先端部、中間部等の着雷可能性のある部位に任意に設置できるので、取扱い性も良好となる。

また、前記レセプタ組立品におけるベースプレートの周囲を含む翼の内部空間に接着剤を充填することにより、内部空間の空気を排除して接着剤に置き換えることができて、翼への着雷時における前記内部空間の空気の膨張によって該内部空間の空気圧力が上昇するのを回避することが可能となり、かかる内部空間の空気圧力上昇に伴う翼の破損の発生を防止できる。
加えて、前記接着剤を介して翼の腹側外皮と背側外皮とを接着できることとなるため、翼の強度を向上できる。

また、かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
（１）前記翼の先端部に前記レセプタ組立品を設ける。
このように構成すれば、主桁フレームが無く強度保持の必要のない翼の先端部にレセプタ組立品を設けるので、該レセプタ組立品のベースプレートを翼の内部に容易に埋設でき、既存の翼であっても簡単にレセプタ組立品の装着が可能となる。

（２）前記レセプタ組立品は、前記レセプタをディスク式レセプタに構成して前記翼の腹側及び背側のそれぞれに１個または複数個設け、前記腹側のレセプタ及び背側のレセプタを翼の表面においてずらして前記ベースプレートに固定される。
このように構成すれば、レセプタ組立品を翼の表面に沿ってずらして設置することにより、翼の先端部のような、腹側外皮と背側外皮との間の寸法が小さい翼厚の薄い部分であっても、腹側及び背側の両側にレセプタ組立品を容易に設置できる。

（３） 前記翼の先端部の内部に前記レセプタ組立品を設けて該レセプタ組立品の周囲の内部空間に接着剤を充填するとともに、該接着剤の充填部以外の翼内部空間には、空気及び水分を排除するための発泡ウレタン樹脂を充填する。
このように構成すれば、翼の全長に亘って内部空間が接着剤（先端部）及び発泡ウレタン樹脂（先端部以外の部分）で充填されることとなり、翼への着雷時における翼の内部空間の空気の膨張及び空気圧力上昇、及びこれによる翼の破損の発生に対する防止効果が大きくなる。

本発明によれば、翼の内部に埋設された導電体製のベースプレートに着雷用のレセプタを固定、支持してレセプタ組立品を形成し、該ベースプレートにアース用の導線を接続するので、構造がきわめて簡単であるとともに、ベースプレートに着雷用のレセプタを固定、支持してユニット化されているので、翼への組立が容易にできる。また、該レセプタ組立品のユニットを翼の先端部、中間部等の着雷可能性のある部位に任意に設置できるので、取扱い性も良好となる。
また、前記ベースプレートの周囲を含む翼の内部空間に接着剤を充填することにより、翼への着雷時における内部空間の空気の膨張によって該内部空間の空気圧力が上昇するのを回避できて、かかる内部空間の空気圧力上昇に伴う翼の破損の発生を防止できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図４は本発明に係る落雷保護装置を装備した風車の概略側面図であり、図において、２はロータヘッド、１は該ロータヘッド２の外周に複数個取り付けられた翼である。３は該ロータヘッド２の出力軸を構成する主軸、４は主軸受、８は発電機、５は前記ロータヘッド２の回転を前記発電機８の定格回転数まで増速する増速機、６は該増速機５と発電機８とを連結するカップリングである。７はナセル、７ａは該ナセル７を支持するナセル台板、９は地上に立設されたタワーである。
１０は前記タワー９とナセル台板７ａとの間に介装されたヨー旋回軸受、１１は前記各翼１をロータヘッド２に支持する翼旋回軸受である。

１００は前記各翼１の先端部に取り付けられた着雷用のチップレセプタである。２１は各チップレセプタ１００からの導線をそなえたダウンコンダクタで、各ダウンコンダクタ２１は翼旋回軸受バイパスブラシ２３及び主軸受バイパスブラシ２４を経て、バイパス導線２２に接続され、該バイパス導線２２がタワー９に接続されて大地にアースされるようになっている。

本発明は図４に示される風車の落雷保護装置及び該落雷保護装置の組立方法に係るものである。
図１（Ａ）は本発明の実施例に係る風車翼の先端部の部分拡大断面図（図２のＺ部拡大図）、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。図２は前記実施例における翼の単体側面図、図３は図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。
図２において、１は翼で、先端部にチップレセプタ１００が、翼長の中間部に中間レセプタ４０がそれぞれ取り付けられている。４１は該翼１の内部に翼根部から翼長方向に埋設された補強用のフレーム、１ｂは翼の腹側外皮、１ａは背側外皮である。
また、前記ダウンコンダクタ２１は、前記チップレセプタ１００及び中間レセプタ４０の出力端であるベースプレート３０（図１参照 詳細は後述）に接続されるとともに前記翼１の内部に翼根に向けて配線されて導体からなる翼底部の天板（図示省略）に接続され、該天板に前記バイパス導線２２が接続されている。

前記中間レセプタ４０の翼１への取付態様を示す図３において、前記中間レセプタ４０はステンレス鋼材で構成し（導電体であればよい）、翼１の腹側外皮１ｂ及び背側外皮１ａの表面に開放されて着雷可能とし、該腹側外皮１ｂ及び背側外皮１ａの裏面にボルト４０ｂでそれぞれ固定されている。４０ａは前記中間レセプタ４０からの導線で前記ダウンコンダクタ２１に接続されている。３９は発泡ウレタン樹脂である（詳細は後述）。

前記チップレセプタ１００の詳細を示す図１（Ａ），（Ｂ）において、３２は翼１の先端部の頂面に設置された翼頂先端部着雷用のロッドレセプタ、３１ａ，３１ｂは翼１の先端部の両側面に設置された翼頂両側部着雷用のディスクレセプタである。前記ロッドレセプタ３２はＣｕ−Ｗ合金が好適で、またディスクレセプタ３１ａ，３１ｂはステンレス鋼材が好適であるが、いずれも導電体であればよい。
３０は導電体からなるベースプレートで、翼１の先端部の内側に埋設されている。図１（Ａ）のように該ベースプレート３０の翼頂側には前記ロッドレセプタ３２がロッド３２ａを介して固定され、図１（Ｂ）のように該ベースプレート３０の両側部にはディスクレセプタ３１ａ，３１ｂがそれぞれねじ込まれて（３８ａ，３８ｂはねじ部）固定されている。図１（Ａ）のように、前記ベースプレート３０は接続端子部３６を介してダウンコンダクタ２１に接続されている。３５はダウンコンダクタ保持用のＦＲＰ製止め具である。

図１（Ｂ）のように、前記ベースプレート３０に前記ロッドレセプタ３２及び両側のディスクレセプタ３１ａ，３１ｂが固定されてなるレセプタ組立品おける該ベースプレート３０の周囲の、腹側外皮１ｂ及び背側外皮１ａの内側には接着剤３７が充填され、該接着剤３７によって前記ベースプレート３０が翼１の内部に位置決めされて固定される。
このように構成すれば、前記レセプタ組立品におけるベースプレート３０の周囲を含む翼１の内部空間に接着剤３７を充填することにより、該内部空間の空気を排除して接着剤３７に置き換えることができて、翼１への着雷時における前記内部空間の空気の膨張によって該内部空間の空気圧力が上昇するのを回避することが可能となる。これにより、かかる内部空間の空気圧力上昇に伴う翼の破損の発生を防止できる。
また、前記接着剤３７を介して翼１の腹側外皮１ｂと背側外皮１ａとを接着できこととなるため、翼の強度を向上できる。

また、図１（Ｂ）のように前記レセプタ組立品における前記ベースプレート３０の両側部にねじ込まれた左右のディスクレセプタ３１ａ及び３１ｂは、翼１の弦方向にずらして配置され、前記ベースプレート３０にねじ込み固定されている。
このように構成すれば、前記左右のディスクレセプタ３１ａ及び３１ｂを翼１の表面に沿ってずらして設置することにより、翼１の先端部のような、腹側外皮１ｂと背側外皮１ａとの間の寸法が小さい翼厚の薄い部分であっても、腹側及び背側の両側にディスクレセプタ３１ａ及び３１ｂを容易に設置できる。

また、図２のように、かかる実施例においては、前記主桁フレーム４１よりも先端側にチップレセプタ１００を設けているので、主桁フレーム４１が無く強度保持の必要のない翼１の先端部にチップレセプタ１００を設けることとなる。従って、該チップレセプタ１００のベースプレート３０を翼１の内部に容易に埋設でき、既存の落雷保護装置を持たない翼に対してであっても簡単にチップレセプタ１００の装着が後付けをすることが可能となる。

またかかる実施例においては、図１のように前記翼１の先端部にチップレセプタ１００を設けて該チップレセプタ１００におけるベースプレート３０の周囲の内部空間に接着剤３７を充填するとともに、該接着剤３７の充填部以外の翼内部空間には、図２〜３のように発泡ウレタン樹脂３９を充填している。
このように構成すれば、翼１の全長に亘って内部空間が接着剤３７（先端部）及び発泡ウレタン樹脂３９（先端部以外の部分）で充填されることとなり、翼１への着雷時における翼１の内部空間の空気の膨張及び空気圧力上昇、及びこれによる翼１の破損の発生に対する防止効果が大きくなる。
落雷による翼の破損は、焼損ばかりが原因ではなく、翼内部での放電により加熱され膨張した空気の圧力上昇が原因である場合も多いと考えられる。またこの場合、結露などで翼内部に侵入した水分があると、加熱による液体から気体への相変化で圧力上昇を助長してしまうので、極力、空気（気体）・水分を排除して翼を形成することが望ましい。さらに、充填材料を発泡ウレタンとすることで、必要以上の重量増加を回避するともに、不可避的に存在する気体部分も無数に寸断される形となるので、落雷により放電が生じた際にも影響を受ける部分は極僅かで済み、圧力上昇が起こっても、翼の強度限界を超えることはない。

前記のように構成された風車翼における落雷保護装置をの組立てるにあたっては、前記ダウンコンダクタ２１が接続されたベースプレート３０を翼１の内部空間に挿入し、該ベースプレート３０と翼１の外皮１ａ，１ｂとの間に接着剤３７を充填して、該接着剤３７を固め、該ベースプレート３０を翼の内部に固定する。
次いで、翼の外皮１ａ，１ｂ及び接着剤３７を貫通してレセプタ挿入穴を形成し、該レセプタ挿入穴を通して前記ロッドレセプタ３２及びディスクレセプタ３１ａ，３１ｂを前記ベースプレート３０に固定する。

以上のように、かかる実施例によれば、導電体からなり翼１の内部に埋設されたベースプレート３０に着雷用のロッドレセプタ３２及びディスクレセプタ３１ａ，３１ｂを固定、支持してチップレセプタ（レセプタ組立品）１００を形成し、該ベースプレート３０にアース用の導線２１をそなえたダウンコンダクタ２１を接続するので、構造がきわめて簡単であるとともに、ベースプレート３０に着雷用のロッドレセプタ３２及びディスクレセプタ３１ａ，３１ｂを固定、支持してユニット化されているので、翼１への組立が容易にできる。
また、前記チップレセプタ（レセプタ組立品）１００のユニットを翼１の先端部、中間部等の着雷可能性のある部位に任意に設置できるので、取扱い性も良好となる。

本発明によれば、殊に翼プロフィールが小さくなる翼の先端部に装着されるレセプタを簡単な構造で且つ容易に組立可能とし、さらには翼への着雷時において翼の内部に発生する圧力上昇への有効な対処を施し得る風車翼の落雷保護装置、該落雷保護装置の組立方法、該落雷保護装置を備える風車翼、及び該風車翼を備える風車を提供できる。

本発明の実施例に係る風車翼の落雷保護装置を示し、（Ａ）は風車翼の先端部の部分拡大断面図（図２のＺ部拡大図）、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 前記実施例における翼の単体側面図である。 図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る落雷保護装置を装備した風車の概略側面図である。

符号の説明

１ 翼
２ ロータヘッド
３ 主軸
８ 発電機
１ａ 背側外皮
１ｂ 腹側外皮
２１ ダウンコンダクタ
２２ バイパス導線
３０ ベースプレート
３１ａ，３１ｂ ディスクレセプタ
３２ ロッドレセプタ
３７ 接着剤
３９ 発泡ウレタン樹脂
４０ 中間レセプタ
４１ 主桁フレーム
１００ チップレセプタ

Claims (7)

1. 翼の表面に着雷用のレセプタを設置し、該レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線あるいはバイパスブラシ等の接続機器を通して地中にアースする風車翼の落雷保護装置であって、
   導電体からなり前記導線が接続されるベースプレートを前記翼内部に埋設するとともに、前記レセプタを翼の表面に臨ませて前記ベースプレートに固定、支持してなるレセプタ組立品をそなえ、前記レセプタ組立品の周囲を含む前記翼内部空間に接着剤を充填して該内部空間の空気が排除されているとともに、
   前記接着剤が充填される翼内部空間が、翼根部から翼長方向に翼内部に埋設された補強用の主桁フレームより翼先端側の翼腹側外皮と背側外皮との間の内側空間であることを特徴とする風車翼の落雷保護装置。
2. 前記翼の先端部に前記レセプタ組立品を設けたことを特徴とする請求項１に記載の風車翼の落雷保護装置。
3. 前記レセプタ組立品は、前記レセプタをディスク式レセプタに構成して前記翼の腹側及び背側のそれぞれに１個または複数個設け、前記腹側のレセプタ及び背側のレセプタを翼の表面においてずらして前記ベースプレートに固定してなることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の風車翼の落雷保護装置。
4. 前記翼の先端部の内部に前記レセプタ組立品を設けて該レセプタ組立品の周囲の内部空間に接着剤を充填するとともに、該接着剤の充填部以外の翼内部空間には、空気及び水分を排除するための発泡ウレタン樹脂を充填してなることを特徴とする請求項１記載の風車翼の落雷保護装置。
5. 翼の表面に着雷用のレセプタを設置し、該レセプタからの雷電流を翼の内部及び風車本体部を挿通した導線あるいはバイパスブラシ等の接続機器を通して地中にアースする落雷保護装置をそなえた風車翼の落雷保護装置組立方法であって、導電体からなり前記導線が接続されるベースプレートを前記翼の内部に挿入し、該ベースプレートと翼の外皮との間の空気を排除するように、翼根部から翼長方向に翼内部に埋設された補強用の主桁フレームより翼先端側の翼腹側外皮と背側外皮との間の内側空間に、接着剤を充填して該ベースプレートを翼の内部に固定した後、前記翼の外皮より前記接着剤が充填された内側空間を貫通してレセプタ挿入穴を形成し、該レセプタ挿入穴を通して前記レセプタを前記ベースプレートに固定することを特徴とする風車翼の落雷保護装置組立方法。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の落雷保護装置を備えることを特徴とする風車翼。
7. 請求項６に記載の風車翼を備えることを特徴とする風車。

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