JP2005351204A - 風車用分割型ブレード及び風車の耐雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 風車用の分割型ブレードにおいて使用される金属製の連結部材への落雷を未然に防ぐことにより、連結部材及び分割型ブレードの破損を防止する。また、前記した分割型ブレードを備えた風車を落雷から保護する。
【解決手段】 長さ方向中央部で翼根側の内翼部４Ｒと翼端側の外翼部４Ｔとに分割され、これら内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとが金属製の連結部材６、７で連結されてなる風車用分割型ブレード４を備える風車１の耐雷装置であって、内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの間に介設され、連結部材６、７に対して電気的に絶縁された金属板８と、金属板８から内翼部４Ｒの翼根部を経由してブレード外部へと延在するように配された翼内導電線１４と、翼内導電線１４に接続される接地用導電手段１３、１２、１１と、地中に埋設された接地金属板１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車用分割型ブレード及び風車の耐雷装置に関する。

現在、風車を用いた風力発電システムが実用化されている。近年においては、風車の山岳地等への設置事例が増加することに伴い、落雷から風車のブレードを保護する技術が種々提案されている。

例えば、風車のブレードの翼端部に受雷部を設けるとともに、この受雷部からブレードの翼根部まで延在する導電線をブレード内部やブレード表面に配し、これら受雷部及び導電線を介して雷の電流をハブに誘導する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
IEC/TC88、"Wind turbine generator systems-Part24:Lightning protection for wind turbines"、IEC61400-24,Ed.1、IEC、１９９９年１０月２２日、p.３４

一方、近年における風車の大型化の要請に伴い、風車のブレードの輸送が困難となるという問題が顕在化している。かかる問題を解消するために、長大なブレードを長さ方向に分割して輸送し、バレルナットやテンションボルト等の金属製の連結部材を使用することにより、分割されたブレードを設置場所で連結する技術が提案されている。

しかし、このような分割型のブレードを採用すると、前記した金属製の連結部材への落雷によって、連結部材やブレードが破損してしまうという問題が新たに発生していた。

本発明の課題は、風車用の分割型ブレードにおいて使用される金属製の連結部材への落雷を未然に防ぐことにより、連結部材及び分割型ブレードの破損を防止することである。

また、本発明の課題は、前記した分割型ブレードを備えた風車を落雷から保護することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、長さ方向中央部で翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割され、これら内翼部と外翼部とが金属製の連結部材で連結されてなる風車用分割型ブレードにおいて、前記内翼部と前記外翼部との間に介設され、前記連結部材に対して電気的に絶縁された金属板と、前記金属板から前記内翼部の翼根部を経由してブレード外部へと延在するように配された翼内導電線と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ブレードを構成する内翼部と外翼部との間に金属板が介設され、この金属板が金属製の連結部材に対して電気的に絶縁されている。また、金属板から内翼部の翼根部を経由してブレード外部へと延在するように翼内導電線が配されている。従って、連結部材が配置されたブレードの長さ方向中央部で金属板を「受雷部」として機能させることができるので、連結部材への落雷を未然に防ぐことができるとともに、金属板及び翼内導電線を介して落雷の電流をブレード外部へと誘導することができる。この結果、落雷に起因する連結部材の破損やブレードの破損を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風車用分割型ブレードにおいて、前記金属板は、前記内翼部と前記外翼部との接続部分における断面形状と略同一の平面形状を有し、前記内翼部及び前記外翼部に作用する荷重を担うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、金属板は、内翼部と外翼部との接続部分における断面形状と略同一の平面形状を有し、これら内翼部及び外翼部に作用する荷重（捩り荷重等）を担う「リブ」としても機能する。従って、ブレードの座屈を防止することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の風車用分割型ブレードにおいて、前記金属板は、前記内翼部の翼端側端面に固定された内翼側金属板と、前記外翼部の翼根側端面に固定されるとともに前記内翼側金属板に電気的に接続される外翼側金属板と、から構成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の風車用分割型ブレードを備える風車の耐雷装置であって、接地金属板と、この接地金属板と前記風車用分割型ブレードの前記翼内導電線とを電気的に接続する接地用導電手段と、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、接地金属板と、ブレードの内部に配された翼内導電線と、が接地用導電手段によって電気的に接続されている。従って、ブレードの長さ方向中央部で「受雷部」として機能する金属板に落雷した場合に、翼内導電線、接地用導電手段及び接地金属板を順次経由させて落雷の電流を地中に誘導することができる。この結果、落雷に起因する風車の破損を防止することができる。

請求項１〜３に記載の発明によれば、ブレードの内翼部と外翼部との間に金属板が介設され、この金属板がブレードの連結部材に対して電気的に絶縁され、この金属板からブレード外部へと延在する翼内導電線が配されているので、連結部材への落雷を未然に防止することができるとともに、落雷の電流をブレード外部へと誘導することができる。この結果、落雷に起因する連結部材の破損やブレードの破損を防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、接地金属板と、ブレードの内部に配された翼内導電線と、が接地用導電手段によって電気的に接続されているので、ブレードの長さ方向中央部に配置された金属板に落雷した場合に、落雷の電流を地中に誘導することができる。この結果、落雷に起因する風車の破損を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。

まず、図１〜図３を用いて、本実施の形態に係る分割型ブレード４を備えた水平軸風車１の構成について説明する。

水平軸風車１は、図１に示すように、地上に設置されるタワー２、タワー２の頂部に取り付けられたナセル３、ナセル３の内部の（図示されていない）主軸に取り付けられた２枚の分割型ブレード４、等から構成されている。

タワー２の設置場所近傍の地中には、図１に示すように接地金属板１０が埋設されており、この接地金属板１０とタワー２の接地端子２ａとの間に接地用避雷銅線１１が配されている。また、タワー２の内部には、図１に示すようにタワー内避雷銅線１２が配されている。タワー内避雷銅線１２の下端はタワー２の下部に設けられた接地端子２ａに接続されており、これによってタワー内避雷銅線１２と接地金属板１０とが電気的に接続されている。また、タワー内避雷銅線１２の上端はナセル３の内部に配されたナセル内避雷銅線１３（後述）に接続されている。

ナセル３の内部には、図１に示すようにナセル内避雷銅線１３が配されている。ナセル内避雷銅線１３の一端は前記したタワー内避雷銅線１２に接続され、ナセル内避雷銅線１３の他端は分割型ブレード４の内部に配されたブレード内避雷銅線１４（後述）に接続される。また、ナセル３の後方には、図１に示すように避雷針５が設けられている。この避雷針５も、ナセル内避雷銅線１３を介してタワー内避雷銅線１２に接続されている。

分割型ブレード４は、図２に示すように、繊維強化プラスチック製の外皮４Ｓと、この外皮４Ｓの内側に配置される（図示されていない）主桁と、を備えて構成されている。分割型ブレード４は、図１及び図２に示すように、長さ方向中央部において翼根側の内翼部４Ｒと翼端側の外翼部４Ｔとに分割される分割構造を有している。そして、図２に示すように、外翼部４Ｔの主桁の翼根側端部には金属製のバレルナット６が、内翼部４Ｒの主桁の翼端側端部には金属製のテンションボルト７が、各々取り付けられており、バレルナット６にテンションボルト７を螺入することにより、内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとを連結している。バレルナット６及びテンションボルト７は、本発明における連結部材である。

分割型ブレード４の内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの間には、図２に示すように金属板８が介設されている。金属板８は、分割型ブレード４の長さ方向中央部において「受雷部」として機能するものである。金属板８には、図３に示すような円形の貫通孔８ａが複数穿設されており、各貫通孔８ａの内周面には絶縁層８ｂが設けられている。内翼部４ａと外翼部４ｂとを連結する際には、内翼部４ａに設けられたテンションボルト７を金属板８の貫通孔８ａに挿通した上でバレルナット６に螺入するが、この際、金属板８は絶縁層８ｂによってテンションボルト７及びバレルナット６に対して電気的に絶縁されることとなる。本実施の形態においては、金属板８としてステンレス板を採用し、絶縁層８ｂをゴム材料で構成している。

また、金属板８は、図３に示すように、内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの接続部の断面形状と略同一の平面形状を有しており、内翼部４Ｒの外皮４Ｓの翼端側端面が金属板８に当接するとともに、外翼部４Ｔの外皮４Ｓの翼根側端面が金属板８に当接する。このため、金属板８は、内翼部４Ｒ及び外翼部４Ｔに作用する捩り荷重を担う「リブ」としても機能することとなり、分割型ブレード４の座屈を防止することができる。

また、分割型ブレード４の外翼部４Ｔの翼端部には、図１及び図２に示すように金属片からなる受雷部９が設けられている。また、分割型ブレード４の内部には、図１及び図２に示すように、翼端部から翼根部にいたるブレード内避雷銅線１４が配されている。ブレード内避雷銅線１４の一端は前記した受雷部９に接続され、ブレード内避雷銅線１４の他端は前記したナセル内避雷銅線１３に接続されている。また、図３に示すように、ブレード内避雷銅線１４と金属板８とは電気的に接続されている。

本実施の形態に係る水平軸風車１の耐雷装置は、前記した接地金属板１０と、接地用避雷銅線１１と、タワー内避雷銅線１２と、ナセル内避雷銅線１３と、ブレード内避雷銅線１４と、によって構成されることとなる。本実施の形態においては、接地金属板１０としてステンレス板を採用している。また、ブレード内避雷銅線１４は本発明における翼内導電線である。また、接地用避雷銅線１１、タワー内避雷銅線１２及びナセル内避雷銅線１３は、接地金属板１０とブレード内避雷銅線１４とを電気的に接続するものであり、本発明における接地用導電手段を構成する。

次に、本実施の形態に係る水平軸風車１の耐雷装置の落雷電流誘導機能について説明する。

水平軸風車１の分割型ブレード４の翼端部に設けられた受雷部９に落雷した場合には、落雷の電流は、ブレード内避雷銅線１４、ナセル内避雷銅線１３、タワー内避雷銅線１２、接地用避雷銅線１１及び接地金属板１０を順次経由して地中に誘導される。また、水平軸風車１のナセル３に設けられた避雷針５に落雷した場合には、落雷の電流は、ナセル内避雷銅線１３、タワー内避雷銅線１２、接地用避雷銅線１１及び接地金属板１０を順次経由して地中に誘導される。また、水平軸風車１の分割型ブレード４の長さ方向中央部に設けられた金属板８に落雷した場合には、落雷の電流は、ブレード内避雷銅線１４、ナセル内避雷銅線１３、タワー内避雷銅線１２、接地用避雷銅線１１及び接地金属板１０を順次経由して地中に誘導されることとなる。

以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、分割型ブレード４を構成する内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの間に金属板８が介設され、この金属板８が連結部材（バレルナット６及びテンションボルト７）に対して電気的に絶縁されている。また、金属板８から内翼部４Ｒの翼根部を経由して分割型ブレード４の外部へと延在するようにブレード内避雷銅線１４が配されている。従って、分割型ブレード４の長さ方向中央部において、金属板８を「受雷部」として機能させることができるので、連結部材への落雷を未然に防ぐことができる。また、金属板８及びブレード内避雷銅線１４を介して落雷の電流を分割型ブレード４の外部へと誘導することができる。この結果、落雷に起因する連結部材の破損や分割型ブレード４の破損を防止することができる。

また、以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、分割型ブレード４の金属板８が、内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの接続部分における断面形状と略同一の平面形状を有し、これら内翼部４Ｒ及び外翼部４Ｔに作用する捩り荷重を担う「リブ」としても機能する。従って、分割型ブレード４の座屈を防止することができる。

また、以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１の耐雷装置においては、接地金属板１０と、分割型ブレード４の内部に配されたブレード内避雷銅線１４と、が接地用導電手段（接地用避雷銅線１１、タワー内避雷銅線１２及びナセル内避雷銅線１３）によって電気的に接続されている。従って、分割型ブレード４の長さ方向中央部で「受雷部」として機能する金属板８に落雷した場合に、ブレード内避雷銅線１４、接地用導電手段及び接地金属板１０を順次経由させて落雷の電流を地中に誘導することができる。この結果、分割型ブレード４への落雷に起因する水平軸風車１の破損を防止することができる。

なお、以上の実施の形態においては、分割型ブレード４の内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの間に１枚の金属板８を介設した例を示したが、金属板は１枚に限られるものではない。例えば、分割型ブレード４の内翼部４Ｒの翼端側端面に内翼側金属板を固定し、外翼部４Ｔの翼根側端面に外翼側金属板を固定し、これら２枚の金属板を導電線で電気的に接続することもできる。

また、以上の実施の形態においては、分割型ブレード４内に介設する金属板８や接地金属板１０として「ステンレス板」を採用し、タワー２の内部や分割型ブレード４の内部に配される導電線として「銅線」を採用した例を示したが、これら金属板や導電線をアルミ等の他の金属で構成することもできる。

また、以上の実施の形態においては、分割型ブレード４の内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとを連結する金属製の連結部材として「バレルナット６及びテンションボルト７」を採用した例を示したが、内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとを連結することができるものであれば、必ずしもこれに限られるものではない。

また、以上の実施の形態においては、分割型ブレード４の内翼部４Ｒと外翼部４Ｔとの接続部分における断面形状と略同一の平面形状を有する金属板８を採用した例を示したが、金属板８の平面形状はこれに限定されるものではない。また、重量低減や材料節減を目的として、金属板８の一部を切り欠いたりすることもできる。

また、以上の実施の形態においては、金属製の連結部材（バレルナット６及びテンションボルト７）に対して金属板８を電気的に絶縁するための絶縁層８ｂを「ゴム材料」で構成した例を示したが、ガラス、エボナイト、塩化ビニル、ポリエチレン等の他の絶縁体で絶縁層８ｂを構成することもできる。

本発明の実施の形態に係る分割型ブレードを備えた水平軸風車及び耐雷装置の構成を説明するための説明図である。 図１に示した水平軸風車の分割型ブレード（図１のII部分）の拡大断面図である。 図２に示した分割型ブレードの長さ方向中央部に配置された金属板を矢印IIIの方向から見た図である。

符号の説明

１ 水平軸風車
４ 分割型ブレード
４Ｒ 内翼部
４Ｔ 外翼部
６ バレルナット（金属製の連結部材）
７ テンションボルト（金属製の連結部材）
８ 金属板
１０ 接地金属板
１１ 接地用避雷銅線（接地用導電手段）
１２ タワー内避雷銅線（接地用導電手段）
１３ ナセル内避雷銅線（接地用導電手段）
１４ ブレード内避雷銅線（翼内導電線）

Claims (4)

1. 長さ方向中央部で翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割され、これら内翼部と外翼部とが金属製の連結部材で連結されてなる風車用分割型ブレードにおいて、
   前記内翼部と前記外翼部との間に介設され、前記連結部材に対して電気的に絶縁された金属板と、
   前記金属板から前記内翼部の翼根部を経由してブレード外部へと延在するように配された翼内導電線と、
   を備えることを特徴とする風車用分割型ブレード。
2. 前記金属板は、
   前記内翼部と前記外翼部との接続部分における断面形状と略同一の平面形状を有し、前記内翼部及び前記外翼部に作用する荷重を担うことを特徴とする請求項１に記載の風車用分割型ブレード。
3. 前記金属板は、
   前記内翼部の翼端側端面に固定された内翼側金属板と、
   前記外翼部の翼根側端面に固定されるとともに前記内翼側金属板に電気的に接続される外翼側金属板と、
   から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車用分割型ブレード。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の風車用分割型ブレードを備える風車の耐雷装置であって、
   接地金属板と、
   前記接地金属板と前記風車用分割型ブレードの前記翼内導電線とを電気的に接続する接地用導電手段と、
   を備えることを特徴とする風車の耐雷装置。

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