風力発電システム
【課題】翼に備えられた気流発生装置への雷撃や大電流の通流を防止する風力発電システムを提供する。
【解決手段】実施形態の風力発電システム１０は、翼表面に有するレセプタ７０、レセプタ７０を接地する避雷導線７３を備えた落雷保護装置と、翼表面に設けられ、誘電体６３を介して第１の電極６１と第２の電極６２を備えた気流発生装置６０と、第１の電極６１を出力端子８４に接続可能なスイッチ９０、第２の電極６２を出力端子８５に接続可能なスイッチ９１、第１の電極６１または第２の電極６２を選択的に接地導線１００に接続可能なスイッチ９２を備える放電用電源６５と、雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置とを具備する。雷雲の接近に係る情報が検知された場合、第２の電極６２を接地導線１００に接続し、第１の電極６１および第２の電極６２と電圧印加部８３の出力端子８４、８５との接続を遮断する。
【解決手段】実施形態の風力発電システム１０は、翼表面に有するレセプタ７０、レセプタ７０を接地する避雷導線７３を備えた落雷保護装置と、翼表面に設けられ、誘電体６３を介して第１の電極６１と第２の電極６２を備えた気流発生装置６０と、第１の電極６１を出力端子８４に接続可能なスイッチ９０、第２の電極６２を出力端子８５に接続可能なスイッチ９１、第１の電極６１または第２の電極６２を選択的に接地導線１００に接続可能なスイッチ９２を備える放電用電源６５と、雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置とを具備する。雷雲の接近に係る情報が検知された場合、第２の電極６２を接地導線１００に接続し、第１の電極６１および第２の電極６２と電圧印加部８３の出力端子８４、８５との接続を遮断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギ発電システムの導入が進められている。そのような状況中、風力発電は普及が進められている発電方式の一つである。しかしながら、日本においては、風力発電の普及率は、欧州などに比べて低い。
【０００３】
日本において風力発電が普及し難いのは、その地理的制約によるところが大きい。特に、日本においては山岳性気象であるため、風力および風向がめまぐるしく変化し、風力発電において安定した出力を維持することが困難となる。このようなことが原因となり、風車１台あたりの発電効率を低下させ、結果的に風力発電システムの導入コストを押し上げている。
【０００４】
日本のような風速風向変動の激しい地域で大規模な風力発電を導入するためには、これらの問題を克服した耐変動型の風車開発が必須となる。そこで、誘電体を介して対向配置された電極間に電圧を印加して発生したプラズマによってプラズマ誘起流を発生させる気流発生装置を、風車の翼面に配設することで、風の変動に対応した制御が可能な風力発電システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
風力発電システムにおいては、雷撃による翼の損傷が頻繁に発生する。そのため、金属電極を備える気流発生装置を風車の翼に適用した場合、雷撃時に金属電極を雷電流が通流し、電極や電源を破損するだけでなく、気流発生装置付近の翼本体を損傷する可能性がある。実際の風車に気流発生装置を適用するためには、気流発生装置への受雷や、大電流の通流を防止するための構造や運用方法を確立する必要がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、翼に気流発生装置を備えた風車において、気流発生装置への雷撃や大電流の通流を防止することができる、安全性に優れた風力発電システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の風力発電システムは、翼に設けられた受雷部、および前記受雷部から前記翼の内部、風車本体を介して地中に亘って設けられ、前記受雷部に落雷した雷電流を地中に導く避雷導線を備えた落雷保護装置と、前記翼に設けられた第１の電極と、当該第１の電極と誘電体を介して離間され、前記誘電体に埋設された第２の電極とを備えた気流発生装置と、前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能であり、前記第１の電極を電圧印加部の一方の端子または接地導線に電気的に接続可能であり、前記第２の電極を電圧印加部の他方の端子または接地導線に電気的に接続可能である電圧印加機構と、雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置とを具備する。
【０００９】
そして、前記雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された場合、前記第２の電極が前記接地導線に電気的に接続され、かつ前記第１の電極および前記第２の電極と前記電圧印加部の端子との電気的な接続が遮断される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の風力発電システムを示す斜視図である。
【図２】実施の形態の風力発電システムに設けられた気流発生装置を説明するための、翼の前縁部の断面を示した図である。
【図３】実施の形態の風力発電システムに設けられた翼の斜視図である。
【図４】実施の形態の風力発電システムの電気配線系統を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態の風力発電システムの通常運転時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態の風力発電システムの雷雲の接近時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【図７】落雷試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態の風力発電システム１０を示す斜視図である。図２は、実施の形態の風力発電システム１０に設けられた気流発生装置６０を説明するための、翼４２の前縁部の断面を示した図である。図３は、実施の形態の風力発電システム１０に設けられた翼４２の斜視図である。なお、以下において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００１３】
図１に示すように、風力発電システム１０において、地面２０に設置されたタワー３０の頂部には、発電機（図示しない）などを収容したナセル３１が取付けられている。また、ナセル３１から突出した発電機の回転軸にロータ４０が軸支されている。
【００１４】
ロータ４０は、ハブ４１、およびこのハブ４１に取り付けられた翼４２を備えている。また、翼４２は、例えばピッチ角が変更可能に備えられている。なお、ここでは、３枚の翼４２を備える一例を示しているが、翼４２は、少なくとも２枚以上備えられていればよい。ナセル３１の上面には、図１に示すように、風の風向や速度を計測する風向風速計５０が設けられている。
【００１５】
翼４２の前縁部には、図２に示すように、気流発生装置６０が設けられている。気流発生装置６０は、第１の電極６１と、この第１の電極６１と誘電体６３を介して離間して配設された第２の電極６２とを備える。また、第１の電極６１は、誘電体６３の表面に設けられ、第２の電極６２は、誘電体６３内に埋設されている。なお、誘電体６３を構成する誘電材料については、特に限定されず、使用される用途や環境に応じて、公知な固体からなる誘電材料から適宜選択することができる。また、誘電体６３は、複数種類の材料を組み合わせて構成されてもよい。
【００１６】
なお、気流発生装置６０の構成は、これに限られるものではない。例えば、翼４２に溝部を構成し、この溝部に、第１の電極６１、第２の電極６２および誘電体６３からなる構成を嵌め込むように設置し、気流発生装置６０が翼４２の表面から突出しないように構成してもよい。この場合、翼４２が、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などの誘電材料で構成されているときには、誘電体６３として翼４２自体を機能させることができる。すなわち、翼４２の表面に直接第１の電極６１を配設し、この第１の電極６１と離間して翼４２に第２の電極６２を直接埋設することができる。
【００１７】
ここで、例えば、第１の電極６１の第２の電極６２側の端縁が、翼４２の前縁上となるように第１の電極６１を配置し、第１の電極６１よりも翼４２の背側４２ａとなる位置に第２の電極６２を配置することができる。なお、気流発生装置６０の配置位置は、翼面に発生する剥離などを制御できる位置であればよく、特に限定されるものではないが、的確に流れを制御するためには、翼４２の前縁部とすることが好ましい。
【００１８】
このように気流発生装置６０では、発生するプラズマ誘起流が第１の電極６１側から第２の電極６２側に向かって流れるように、第１の電極６１および第２の電極６２が配置されている。例えば、図２に示した気流発生装置６０においては、プラズマ誘起流は、翼４２の前縁から翼面の背側４２ａに向かって流れる。
【００１９】
気流発生装置６０は、例えば、図１に示すように、翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向に、複数個独立して配置される。この場合、各気流発生装置６０は、それぞれ単独で制御され、例えば、第１の電極６１と第２の電極６２との間に印加される電圧条件（波高値、周波数、波形、変調周波数、デューティ比など）を、各気流発生装置６０ごとに制御することができる。なお、翼幅が小さい場合には、例えば、１つの気流発生装置６０を、翼４２の前縁部に翼幅方向に配置することもできる。
【００２０】
第１の電極６１および第２の電極６２は、図２に示すように、それぞれケーブル配線６４ａ、６４ｂを介して、電圧印加機構として機能する放電用電源６５に電気的に接続されている。この放電用電源６５を起動することで、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧が印加される。
【００２１】
放電用電源６５は、第１の電極６１と第２の電極６２との間に、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））のパルス変調制御された電圧や、交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧などを印加することができる。このように、放電用電源６５は、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などを変化させて、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加することができる。
【００２２】
例えば、複数の気流発生装置６０を備える場合、放電用電源６５は、各気流発生装置６０ごとに備えられてもよいし、各気流発生装置６０を独立して電圧制御できる機能を備える１つの電源で構成されてもよい。
【００２３】
また、図３に示すように、翼４２の翼幅方向の先端部４２ｂ、および翼４２の先端部４２ｂ側における腹側および背側の表面には、受雷部として機能するレセプタ７０が設けられている。なお、図３には、翼４２の背側の表面が示されている。
【００２４】
レセプタ７０は、翼４２の意図しない部分へ落雷し、翼４２が損傷するのを防止するために設けられている。すなわち、レセプタ７０は、翼４２の他の部分へ落雷することがないように落雷を誘導し、予め落雷点を特定するために設けられている。レセプタ７０は、例えば、落雷時の溶損量の小さい金属材料で構成されることが好ましく、例えば、銅−タングステンの合金、アルミニウムなどで構成される。
【００２５】
レセプタ７０は、翼４２の内部、風車本体として機能する、ハブ４１、ナセル３１およびタワー３０を介して地中に亘って設けられた、後述する避雷導線７３に接続されている。レセプタ７０に落雷した雷電流は、この避雷導線７３によって地中に導かれる。なお、回転部と静止部は、例えば、ブラシや放電ギャップによって電気的に接続されている。レセプタ７０と避雷導線７３とを備えることで落雷保護装置として機能する。
【００２６】
ここで、風力発電システム１０の電気配線系統について説明する。
【００２７】
図４は、実施の形態の風力発電システム１０の電気配線系統を模式的に示す図である。
【００２８】
図４に示すように、レセプタ７０は、避雷導線７３と電気的に接続されることで接地されている。ここで、避雷導線７３は、ケーブル配線７１と、引き下げ導線７２とから構成されている。ケーブル配線７１は、レセプタ７０から、翼４２などの回転部内に配線され、引き下げ導線７２は、一端側がケーブル配線７１と、例えばブラシや放電ギャップによって電気的に接続部７４において接続され、他端側が地中に埋設されている。
【００２９】
落雷時には、数十ｋＡにも達する大電流が避雷導線７３に通流するため、ケーブル配線７１や引き下げ導線７２は、それに十分に耐えることができる導線径に設計されている。また、接続部７４における接続抵抗は、十分に低くなるように設計されている。
【００３０】
放電用電源６５は、１次電源８０から供給された電力から高周波電圧を生成する発振器８１と、この発振器８１の出力を変圧するトランス８２とを有する電圧印加部８３を備えている。電圧印加部８３は、２つの出力端子８４、８５を有している。
【００３１】
気流発生装置６０の第１の電極６１に接続されたケーブル配線６４ａは、第１の可動接触子として機能するスイッチ９０によって、電圧印加部８３の出力端子８４に電気的に接続または遮断される。気流発生装置６０の第２の電極６２に接続されたケーブル配線６４ｂは、第２の可動接触子として機能するスイッチ９１によって、電圧印加部８３の出力端子８５に電気的に接続または遮断される。
【００３２】
また、放電用電源６５は、一端側が地中に埋設された接地導線１００を備えている。この接地導線１００は、避雷導線７３とは別系統で設けられている。すなわち、接地導線１００と避雷導線７３とは、それぞれ独立した接地系統を構成している。なお、接地導線１００の経路中には、避雷導線７３と同様に、ブラシや放電ギャップなどによって電気的に接続される部分を含んでもよい。
【００３３】
また、放電用電源６５は、この接地導線１００に、気流発生装置６０の第１の電極または第２の電極を選択的に電気的に接続可能な第３の可動接触子として機能するスイッチ９２を備えている。すなわち、接地導線１００に電気的に接続されたスイッチ９２は、ケーブル配線６４ａまたはケーブル配線６４ｂに切り替えて電気的に接続可能に設けられている。
【００３４】
上記した構成に加えて風力発電システム１０は、雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置（図示しない）をさらに備えている。雷雲検知装置として、例えば、雷雲の接近に伴うレセプタ７０などの電圧上昇に係る情報を検知する電圧検知装置を使用することができる。電圧検知装置としては、例えば電圧計を使用することができ、例えば、避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電圧を測定する。すなわち、雷雲の接近に伴うレセプタ７０の電圧上昇に係る情報として、電圧計からの出力が挙げられる。
【００３５】
また、雷雲検知装置として、例えば、先駆放電に伴ってレセプタ７０に生じる電流に係る情報を検知する電流検知装置を使用することができる。電流検知装置としては、例えば電流計を使用することができ、例えば、避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電流を測定する。すなわち、先駆放電に伴ってレセプタ７０に生じる電流に係る情報として、電流計からの出力が挙げられる。
【００３６】
また、雷雲検知装置として、例えば、外部から発せられた、雷雲の接近に係る情報を無線または有線により受信する受信装置を使用することができる。受信装置としては、例えば、無線ＬＡＮや有線ネットワーク機能を有するコンピュータなどを使用することができる。受信装置によって受信された落雷予報などに係る情報から、風車設置地域の落雷確率などの情報を選定し、その確率が予め設定された閾値を超えていると判断することによって雷雲の接近に係る情報を特定する。そして、雷雲の接近に係る情報を特定した場合、受信装置からそれに伴う所定の信号を出力する。
【００３７】
雷雲検知装置は、各スイッチ９０、９１、９２と電気的に接続され、上記した雷雲検知装置からの出力信号に基づいて、直接的に各スイッチ９０、９１、９２を作動するように構成してもよい。
【００３８】
また、風力発電システム１０は、雷雲検知装置からの情報に基づいて、放電用電源６５の各スイッチ９０、９１、９２を制御する制御装置を備えてもよい。この制御装置は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などから主に構成され、ＣＰＵでは、ＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理などを実行する。この制御装置が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。
【００３９】
制御装置は、雷雲検知装置、各スイッチ９０、９１、９２と電気信号の出入力が可能に接続されている。なお、制御装置は、電圧印加部８３の出力を制御して、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間に印加する電圧を制御する機能を備えてもよい。
【００４０】
制御装置は、雷雲検知装置から出力された、例えば、出力信号などの情報や、予め設定された、雷雲検知装置から出力された情報に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報などに基づいて、各スイッチ９０、９１、９２を制御する。スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報としては、例えば、スイッチ９０、９１に対しては、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態、スイッチ９２に対しては、ケーブル配線６４ａまたはケーブル配線６４ｂとの接続状態などの情報が挙げられる。雷雲検知装置から出力された情報に対応するこれらの情報は、例えば、制御装置のメモリに記憶させてもよい。
【００４１】
また、制御装置と電気信号の出入力が可能に接続された記憶装置などを別個に備え、この記憶装置に、雷雲検知装置から出力された情報に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報などを記憶させてもよい。
【００４２】
例えば、雷雲検知装置が、前述した避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電圧を測定する電圧計で構成される場合には、制御装置は、電圧計から出力された信号と、メモリなどに記憶された、予め設定された、電圧計から出力された信号に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報とに基づいて、各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４３】
予め設定された、電圧計から出力された信号に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報として、例えば、電圧計からの出力の閾値や、この閾値以下またはこの閾値を超えた場合における各スイッチ９０、９１、９２の状態などが記憶されている。例えば、制御装置は、記憶された情報に基づいて、出力が閾値を超えたと判定した場合には、後述する、雷雲の接近時における電気配線系統となるように各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４４】
雷雲検知装置が、前述した避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電流を測定する電流計で構成される場合には、予め設定された、電流計から出力された信号に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報として、例えば、電流計からの出力の閾値や、この閾値以下またはこの閾値を超えた場合における各スイッチ９０、９１、９２の状態などが記憶されている。例えば、制御装置は、記憶された情報に基づいて、出力が閾値を超えたと判定した場合には、後述する、雷雲の接近時における電気配線系統となるように各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４５】
雷雲検知装置が、前述した受信装置で構成される場合には、前述したように、受信装置によって受信された落雷確率に係る情報などから、制御装置は、雷雲の接近に係る情報を特定する。そして、雷雲の接近に係る情報を特定した場合には、制御装置は、後述する、雷雲の接近時における電気配線系統となるように各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４６】
次に、風力発電システム１０の動作について説明する。
【００４７】
（通常運転時）
まず、雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知されていない通常運転時の動作について説明する。
【００４８】
図５は、実施の形態の風力発電システム１０の通常運転時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【００４９】
風力発電システム１０が通常運転されている場合、図５に示すように、スイッチ９０をＯＮ状態にして、ケーブル配線６４ａを電圧印加部８３の出力端子８４に電気的に接続し、スイッチ９１をＯＮ状態にして、ケーブル配線６４ｂを電圧印加部８３の出力端子８５に電気的に接続する。すなわち、気流発生装置６０の第１の電極６１が電圧印加部８３の出力端子８４と、第２の電極６２が電圧印加部８３の出力端子８５と電気的に接続された状態となり、気流発生装置６０を作動することが可能な状態となる。
【００５０】
また、接地導線１００に電気的に接続されたスイッチ９２をケーブル配線６４ａに電気的に接続する。すなわち、気流発生装置６０の第１の電極６１が接地導線１００と電気的に接続された状態となる。
【００５１】
上記した電気配線系統の状態において、１次電源８０から電力を供給し、発振器８１から高周波電圧が発振され、第１の電極６１と第２の電極６２との間が一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極６１の近傍に放電が誘起される。このとき生成した電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。これによって、第１の電極６１付近にプラズマ誘起流が発生する。
【００５２】
例えば、雨天や汚損などによって、樹脂などの絶縁材料からなる翼４２の絶縁抵抗が低下するような場合でも、第１の電極６１は接地となっているため、第１の電極６１から翼４２の表面を通じて地上設備に漏電することはない。そのため、安全性に優れた運転を行うことができる。
【００５３】
（雷雲の接近時）
次に、雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された雷雲の接近時の動作について説明する。
【００５４】
図６は、実施の形態の風力発電システム１０の雷雲の接近時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【００５５】
雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された場合、図６に示すように、スイッチ９０をＯＦＦ状態にして、ケーブル配線６４ａと電圧印加部８３の出力端子８４とを電気的に遮断し、スイッチ９１をＯＦＦ状態にして、ケーブル配線６４ｂと電圧印加部８３の出力端子８５とを電気的に遮断する。すなわち、気流発生装置６０の第１の電極６１が電圧印加部８３の出力端子８４と、第２の電極６２が電圧印加部８３の出力端子８５と電気的に遮断された状態となる。このように、雷雲の接近時には、気流発生装置６０は作動できない状態となる。
【００５６】
また、接地導線１００に電気的に接続されたスイッチ９２をケーブル配線６４ｂに電気的に接続する。すなわち、気流発生装置６０の第２の電極６２が接地導線１００と電気的に接続された状態となる。
【００５７】
ここで、図５に示した通常運転時における電気配線系統状態において、雷雲が接近した場合、気流発生装置６０の第１の電極６１は、外表面に露出した接地電極であるため、レセプタ７０と同様に受雷部として作用する可能性がある。気流発生装置６０の第１の電極６１は、レセプタ７０のような受雷を想定した構造ではないため、受雷して大電流が通流すると、電極が溶損したり、付近の誘電体を損傷する可能性がある。
【００５８】
例えば、負極性の雷雲が接近した場合には、大地から正極性の電荷が供給されることで、レセプタ７０および第１の電極６１が正極性の誘導電位を有する。そのため、第１の電極６１のエッジ部から正極性のストリーマが進展する先駆放電が発生し、これによって誘雷の確率が増加する。
【００５９】
そこで、雷雲が接近した場合に、図６に示した電気配線系統状態にすることで、第２の電極６２を接地電位にすることができる。この場合において、負極性の雷雲が接近したときには、大地から正極性の電荷が供給されることで、レセプタ７０および第２の電極６２が正極性の誘導電位を有する。一方、第１の電極６１には、誘電体６３の静電容量によって定まる負極性の電荷が誘導される。その結果、雷雲で生じる第１の電極６１付近の電界が弱められ、第１の電極６１付近への誘雷確率が低下する。
【００６０】
レセプタ７０においては、正極性の誘導電位を有するため、先駆放電を発生し、誘雷確率が上昇する。このように、誘雷しやすいレセプタ７０と、誘雷し難い第１の電極６１とを翼面上に存在させることができるため、落雷はレセプタ７０に発生する。これによって、第１の電極６１への落雷の発生を防止することができ、落雷による第１の電極６１の溶損などを防止することができる。
【００６１】
上記したように、実施の形態の風力発電システム１０によれば、雷雲の接近に係る情報が検知された場合に、電気配線系統を、通常運転時における電気配線系統状態から雷雲の接近時における電気配線系統状態に切り替えることにより、気流発生装置６０への雷撃や大電流の通流を防止することができる。そのため、優れた安全性を有する風力発電システムを提供することができる。
【００６２】
（落雷試験）
ここでは、風車翼のスケールモデルを用いて、前述した、通常運転時における電気配線系統状態（図５）および雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）において落雷試験を行った。
【００６３】
翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向の長さが０．１５ｍのモデル翼を使用した。なお、このモデル翼の翼弦長は、最大で０．０２ｍであった。モデル翼は、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）で構成されたものを使用した。
【００６４】
モデル翼の前縁部に、翼幅方向に、２個の気流発生装置６０を設置し、モデル翼の先端部にレセプタ７０を設置した。モデル翼の表面に設けられたレセプタ７０は、直径が２０ｍｍの円形状のものを使用した。
【００６５】
落雷試験は、モデル翼を床面から高さが１ｍの位置に設置し、モデル翼の上方に設置した荷電ロッドに負極性雷インパルス電圧を印加し、気流発生装置６０の第１の電極６１、レセプタ７０、地上のそれぞれに落雷する回数を調べた。落雷試験は、通常運転時における電気配線系統状態（図５）および雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）においてそれぞれ繰り返して実施された。
【００６６】
図７は、落雷試験の結果を示す図である。図７に示すように、雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）において、第１の電極６１では落雷は起こらなかった。また、図７に示すように、雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）では、通常運転時における電気配線系統状態（図５）に比べて、第１の電極６１への落雷回数は少ないことが明らかとなった。この結果から、雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）とすることで、第１の電極６１への落雷の発生を防止することができることがわかった。
【００６７】
以上説明した実施形態によれば、翼に気流発生装置を備えた風車において、気流発生装置への雷撃や大電流の通流を防止することができ、優れた安全性を有することが可能となる。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３１…ナセル、４０…ロータ、４１…ハブ、４２…翼、４２ａ…背側、４２ｂ…先端部、５０…風向風速計、６０…気流発生装置、６１…第１の電極、６２…第２の電極、６３…誘電体、６４ａ、６４ｂ…ケーブル配線、６５…放電用電源、７０…レセプタ、７１…ケーブル配線、７２…引き下げ導線、７３…避雷導線、７４…接続部、８０…１次電源、８１…発振器、８２…トランス、８３…電圧印加部、８４，８５…出力端子、９０，９１，９２…スイッチ、１００…接地導線。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギ発電システムの導入が進められている。そのような状況中、風力発電は普及が進められている発電方式の一つである。しかしながら、日本においては、風力発電の普及率は、欧州などに比べて低い。
【０００３】
日本において風力発電が普及し難いのは、その地理的制約によるところが大きい。特に、日本においては山岳性気象であるため、風力および風向がめまぐるしく変化し、風力発電において安定した出力を維持することが困難となる。このようなことが原因となり、風車１台あたりの発電効率を低下させ、結果的に風力発電システムの導入コストを押し上げている。
【０００４】
日本のような風速風向変動の激しい地域で大規模な風力発電を導入するためには、これらの問題を克服した耐変動型の風車開発が必須となる。そこで、誘電体を介して対向配置された電極間に電圧を印加して発生したプラズマによってプラズマ誘起流を発生させる気流発生装置を、風車の翼面に配設することで、風の変動に対応した制御が可能な風力発電システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
風力発電システムにおいては、雷撃による翼の損傷が頻繁に発生する。そのため、金属電極を備える気流発生装置を風車の翼に適用した場合、雷撃時に金属電極を雷電流が通流し、電極や電源を破損するだけでなく、気流発生装置付近の翼本体を損傷する可能性がある。実際の風車に気流発生装置を適用するためには、気流発生装置への受雷や、大電流の通流を防止するための構造や運用方法を確立する必要がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、翼に気流発生装置を備えた風車において、気流発生装置への雷撃や大電流の通流を防止することができる、安全性に優れた風力発電システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の風力発電システムは、翼に設けられた受雷部、および前記受雷部から前記翼の内部、風車本体を介して地中に亘って設けられ、前記受雷部に落雷した雷電流を地中に導く避雷導線を備えた落雷保護装置と、前記翼に設けられた第１の電極と、当該第１の電極と誘電体を介して離間され、前記誘電体に埋設された第２の電極とを備えた気流発生装置と、前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能であり、前記第１の電極を電圧印加部の一方の端子または接地導線に電気的に接続可能であり、前記第２の電極を電圧印加部の他方の端子または接地導線に電気的に接続可能である電圧印加機構と、雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置とを具備する。
【０００９】
そして、前記雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された場合、前記第２の電極が前記接地導線に電気的に接続され、かつ前記第１の電極および前記第２の電極と前記電圧印加部の端子との電気的な接続が遮断される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の風力発電システムを示す斜視図である。
【図２】実施の形態の風力発電システムに設けられた気流発生装置を説明するための、翼の前縁部の断面を示した図である。
【図３】実施の形態の風力発電システムに設けられた翼の斜視図である。
【図４】実施の形態の風力発電システムの電気配線系統を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態の風力発電システムの通常運転時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態の風力発電システムの雷雲の接近時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【図７】落雷試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態の風力発電システム１０を示す斜視図である。図２は、実施の形態の風力発電システム１０に設けられた気流発生装置６０を説明するための、翼４２の前縁部の断面を示した図である。図３は、実施の形態の風力発電システム１０に設けられた翼４２の斜視図である。なお、以下において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００１３】
図１に示すように、風力発電システム１０において、地面２０に設置されたタワー３０の頂部には、発電機（図示しない）などを収容したナセル３１が取付けられている。また、ナセル３１から突出した発電機の回転軸にロータ４０が軸支されている。
【００１４】
ロータ４０は、ハブ４１、およびこのハブ４１に取り付けられた翼４２を備えている。また、翼４２は、例えばピッチ角が変更可能に備えられている。なお、ここでは、３枚の翼４２を備える一例を示しているが、翼４２は、少なくとも２枚以上備えられていればよい。ナセル３１の上面には、図１に示すように、風の風向や速度を計測する風向風速計５０が設けられている。
【００１５】
翼４２の前縁部には、図２に示すように、気流発生装置６０が設けられている。気流発生装置６０は、第１の電極６１と、この第１の電極６１と誘電体６３を介して離間して配設された第２の電極６２とを備える。また、第１の電極６１は、誘電体６３の表面に設けられ、第２の電極６２は、誘電体６３内に埋設されている。なお、誘電体６３を構成する誘電材料については、特に限定されず、使用される用途や環境に応じて、公知な固体からなる誘電材料から適宜選択することができる。また、誘電体６３は、複数種類の材料を組み合わせて構成されてもよい。
【００１６】
なお、気流発生装置６０の構成は、これに限られるものではない。例えば、翼４２に溝部を構成し、この溝部に、第１の電極６１、第２の電極６２および誘電体６３からなる構成を嵌め込むように設置し、気流発生装置６０が翼４２の表面から突出しないように構成してもよい。この場合、翼４２が、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などの誘電材料で構成されているときには、誘電体６３として翼４２自体を機能させることができる。すなわち、翼４２の表面に直接第１の電極６１を配設し、この第１の電極６１と離間して翼４２に第２の電極６２を直接埋設することができる。
【００１７】
ここで、例えば、第１の電極６１の第２の電極６２側の端縁が、翼４２の前縁上となるように第１の電極６１を配置し、第１の電極６１よりも翼４２の背側４２ａとなる位置に第２の電極６２を配置することができる。なお、気流発生装置６０の配置位置は、翼面に発生する剥離などを制御できる位置であればよく、特に限定されるものではないが、的確に流れを制御するためには、翼４２の前縁部とすることが好ましい。
【００１８】
このように気流発生装置６０では、発生するプラズマ誘起流が第１の電極６１側から第２の電極６２側に向かって流れるように、第１の電極６１および第２の電極６２が配置されている。例えば、図２に示した気流発生装置６０においては、プラズマ誘起流は、翼４２の前縁から翼面の背側４２ａに向かって流れる。
【００１９】
気流発生装置６０は、例えば、図１に示すように、翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向に、複数個独立して配置される。この場合、各気流発生装置６０は、それぞれ単独で制御され、例えば、第１の電極６１と第２の電極６２との間に印加される電圧条件（波高値、周波数、波形、変調周波数、デューティ比など）を、各気流発生装置６０ごとに制御することができる。なお、翼幅が小さい場合には、例えば、１つの気流発生装置６０を、翼４２の前縁部に翼幅方向に配置することもできる。
【００２０】
第１の電極６１および第２の電極６２は、図２に示すように、それぞれケーブル配線６４ａ、６４ｂを介して、電圧印加機構として機能する放電用電源６５に電気的に接続されている。この放電用電源６５を起動することで、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧が印加される。
【００２１】
放電用電源６５は、第１の電極６１と第２の電極６２との間に、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））のパルス変調制御された電圧や、交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧などを印加することができる。このように、放電用電源６５は、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などを変化させて、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加することができる。
【００２２】
例えば、複数の気流発生装置６０を備える場合、放電用電源６５は、各気流発生装置６０ごとに備えられてもよいし、各気流発生装置６０を独立して電圧制御できる機能を備える１つの電源で構成されてもよい。
【００２３】
また、図３に示すように、翼４２の翼幅方向の先端部４２ｂ、および翼４２の先端部４２ｂ側における腹側および背側の表面には、受雷部として機能するレセプタ７０が設けられている。なお、図３には、翼４２の背側の表面が示されている。
【００２４】
レセプタ７０は、翼４２の意図しない部分へ落雷し、翼４２が損傷するのを防止するために設けられている。すなわち、レセプタ７０は、翼４２の他の部分へ落雷することがないように落雷を誘導し、予め落雷点を特定するために設けられている。レセプタ７０は、例えば、落雷時の溶損量の小さい金属材料で構成されることが好ましく、例えば、銅−タングステンの合金、アルミニウムなどで構成される。
【００２５】
レセプタ７０は、翼４２の内部、風車本体として機能する、ハブ４１、ナセル３１およびタワー３０を介して地中に亘って設けられた、後述する避雷導線７３に接続されている。レセプタ７０に落雷した雷電流は、この避雷導線７３によって地中に導かれる。なお、回転部と静止部は、例えば、ブラシや放電ギャップによって電気的に接続されている。レセプタ７０と避雷導線７３とを備えることで落雷保護装置として機能する。
【００２６】
ここで、風力発電システム１０の電気配線系統について説明する。
【００２７】
図４は、実施の形態の風力発電システム１０の電気配線系統を模式的に示す図である。
【００２８】
図４に示すように、レセプタ７０は、避雷導線７３と電気的に接続されることで接地されている。ここで、避雷導線７３は、ケーブル配線７１と、引き下げ導線７２とから構成されている。ケーブル配線７１は、レセプタ７０から、翼４２などの回転部内に配線され、引き下げ導線７２は、一端側がケーブル配線７１と、例えばブラシや放電ギャップによって電気的に接続部７４において接続され、他端側が地中に埋設されている。
【００２９】
落雷時には、数十ｋＡにも達する大電流が避雷導線７３に通流するため、ケーブル配線７１や引き下げ導線７２は、それに十分に耐えることができる導線径に設計されている。また、接続部７４における接続抵抗は、十分に低くなるように設計されている。
【００３０】
放電用電源６５は、１次電源８０から供給された電力から高周波電圧を生成する発振器８１と、この発振器８１の出力を変圧するトランス８２とを有する電圧印加部８３を備えている。電圧印加部８３は、２つの出力端子８４、８５を有している。
【００３１】
気流発生装置６０の第１の電極６１に接続されたケーブル配線６４ａは、第１の可動接触子として機能するスイッチ９０によって、電圧印加部８３の出力端子８４に電気的に接続または遮断される。気流発生装置６０の第２の電極６２に接続されたケーブル配線６４ｂは、第２の可動接触子として機能するスイッチ９１によって、電圧印加部８３の出力端子８５に電気的に接続または遮断される。
【００３２】
また、放電用電源６５は、一端側が地中に埋設された接地導線１００を備えている。この接地導線１００は、避雷導線７３とは別系統で設けられている。すなわち、接地導線１００と避雷導線７３とは、それぞれ独立した接地系統を構成している。なお、接地導線１００の経路中には、避雷導線７３と同様に、ブラシや放電ギャップなどによって電気的に接続される部分を含んでもよい。
【００３３】
また、放電用電源６５は、この接地導線１００に、気流発生装置６０の第１の電極または第２の電極を選択的に電気的に接続可能な第３の可動接触子として機能するスイッチ９２を備えている。すなわち、接地導線１００に電気的に接続されたスイッチ９２は、ケーブル配線６４ａまたはケーブル配線６４ｂに切り替えて電気的に接続可能に設けられている。
【００３４】
上記した構成に加えて風力発電システム１０は、雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置（図示しない）をさらに備えている。雷雲検知装置として、例えば、雷雲の接近に伴うレセプタ７０などの電圧上昇に係る情報を検知する電圧検知装置を使用することができる。電圧検知装置としては、例えば電圧計を使用することができ、例えば、避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電圧を測定する。すなわち、雷雲の接近に伴うレセプタ７０の電圧上昇に係る情報として、電圧計からの出力が挙げられる。
【００３５】
また、雷雲検知装置として、例えば、先駆放電に伴ってレセプタ７０に生じる電流に係る情報を検知する電流検知装置を使用することができる。電流検知装置としては、例えば電流計を使用することができ、例えば、避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電流を測定する。すなわち、先駆放電に伴ってレセプタ７０に生じる電流に係る情報として、電流計からの出力が挙げられる。
【００３６】
また、雷雲検知装置として、例えば、外部から発せられた、雷雲の接近に係る情報を無線または有線により受信する受信装置を使用することができる。受信装置としては、例えば、無線ＬＡＮや有線ネットワーク機能を有するコンピュータなどを使用することができる。受信装置によって受信された落雷予報などに係る情報から、風車設置地域の落雷確率などの情報を選定し、その確率が予め設定された閾値を超えていると判断することによって雷雲の接近に係る情報を特定する。そして、雷雲の接近に係る情報を特定した場合、受信装置からそれに伴う所定の信号を出力する。
【００３７】
雷雲検知装置は、各スイッチ９０、９１、９２と電気的に接続され、上記した雷雲検知装置からの出力信号に基づいて、直接的に各スイッチ９０、９１、９２を作動するように構成してもよい。
【００３８】
また、風力発電システム１０は、雷雲検知装置からの情報に基づいて、放電用電源６５の各スイッチ９０、９１、９２を制御する制御装置を備えてもよい。この制御装置は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などから主に構成され、ＣＰＵでは、ＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理などを実行する。この制御装置が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。
【００３９】
制御装置は、雷雲検知装置、各スイッチ９０、９１、９２と電気信号の出入力が可能に接続されている。なお、制御装置は、電圧印加部８３の出力を制御して、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間に印加する電圧を制御する機能を備えてもよい。
【００４０】
制御装置は、雷雲検知装置から出力された、例えば、出力信号などの情報や、予め設定された、雷雲検知装置から出力された情報に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報などに基づいて、各スイッチ９０、９１、９２を制御する。スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報としては、例えば、スイッチ９０、９１に対しては、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態、スイッチ９２に対しては、ケーブル配線６４ａまたはケーブル配線６４ｂとの接続状態などの情報が挙げられる。雷雲検知装置から出力された情報に対応するこれらの情報は、例えば、制御装置のメモリに記憶させてもよい。
【００４１】
また、制御装置と電気信号の出入力が可能に接続された記憶装置などを別個に備え、この記憶装置に、雷雲検知装置から出力された情報に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報などを記憶させてもよい。
【００４２】
例えば、雷雲検知装置が、前述した避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電圧を測定する電圧計で構成される場合には、制御装置は、電圧計から出力された信号と、メモリなどに記憶された、予め設定された、電圧計から出力された信号に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報とに基づいて、各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４３】
予め設定された、電圧計から出力された信号に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報として、例えば、電圧計からの出力の閾値や、この閾値以下またはこの閾値を超えた場合における各スイッチ９０、９１、９２の状態などが記憶されている。例えば、制御装置は、記憶された情報に基づいて、出力が閾値を超えたと判定した場合には、後述する、雷雲の接近時における電気配線系統となるように各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４４】
雷雲検知装置が、前述した避雷導線７３（ケーブル配線７１または引き下げ導線７２）の電流を測定する電流計で構成される場合には、予め設定された、電流計から出力された信号に対応する各スイッチ９０、９１、９２の状態に係る情報として、例えば、電流計からの出力の閾値や、この閾値以下またはこの閾値を超えた場合における各スイッチ９０、９１、９２の状態などが記憶されている。例えば、制御装置は、記憶された情報に基づいて、出力が閾値を超えたと判定した場合には、後述する、雷雲の接近時における電気配線系統となるように各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４５】
雷雲検知装置が、前述した受信装置で構成される場合には、前述したように、受信装置によって受信された落雷確率に係る情報などから、制御装置は、雷雲の接近に係る情報を特定する。そして、雷雲の接近に係る情報を特定した場合には、制御装置は、後述する、雷雲の接近時における電気配線系統となるように各スイッチ９０、９１、９２を制御する。
【００４６】
次に、風力発電システム１０の動作について説明する。
【００４７】
（通常運転時）
まず、雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知されていない通常運転時の動作について説明する。
【００４８】
図５は、実施の形態の風力発電システム１０の通常運転時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【００４９】
風力発電システム１０が通常運転されている場合、図５に示すように、スイッチ９０をＯＮ状態にして、ケーブル配線６４ａを電圧印加部８３の出力端子８４に電気的に接続し、スイッチ９１をＯＮ状態にして、ケーブル配線６４ｂを電圧印加部８３の出力端子８５に電気的に接続する。すなわち、気流発生装置６０の第１の電極６１が電圧印加部８３の出力端子８４と、第２の電極６２が電圧印加部８３の出力端子８５と電気的に接続された状態となり、気流発生装置６０を作動することが可能な状態となる。
【００５０】
また、接地導線１００に電気的に接続されたスイッチ９２をケーブル配線６４ａに電気的に接続する。すなわち、気流発生装置６０の第１の電極６１が接地導線１００と電気的に接続された状態となる。
【００５１】
上記した電気配線系統の状態において、１次電源８０から電力を供給し、発振器８１から高周波電圧が発振され、第１の電極６１と第２の電極６２との間が一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極６１の近傍に放電が誘起される。このとき生成した電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。これによって、第１の電極６１付近にプラズマ誘起流が発生する。
【００５２】
例えば、雨天や汚損などによって、樹脂などの絶縁材料からなる翼４２の絶縁抵抗が低下するような場合でも、第１の電極６１は接地となっているため、第１の電極６１から翼４２の表面を通じて地上設備に漏電することはない。そのため、安全性に優れた運転を行うことができる。
【００５３】
（雷雲の接近時）
次に、雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された雷雲の接近時の動作について説明する。
【００５４】
図６は、実施の形態の風力発電システム１０の雷雲の接近時における電気配線系統を模式的に示す図である。
【００５５】
雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された場合、図６に示すように、スイッチ９０をＯＦＦ状態にして、ケーブル配線６４ａと電圧印加部８３の出力端子８４とを電気的に遮断し、スイッチ９１をＯＦＦ状態にして、ケーブル配線６４ｂと電圧印加部８３の出力端子８５とを電気的に遮断する。すなわち、気流発生装置６０の第１の電極６１が電圧印加部８３の出力端子８４と、第２の電極６２が電圧印加部８３の出力端子８５と電気的に遮断された状態となる。このように、雷雲の接近時には、気流発生装置６０は作動できない状態となる。
【００５６】
また、接地導線１００に電気的に接続されたスイッチ９２をケーブル配線６４ｂに電気的に接続する。すなわち、気流発生装置６０の第２の電極６２が接地導線１００と電気的に接続された状態となる。
【００５７】
ここで、図５に示した通常運転時における電気配線系統状態において、雷雲が接近した場合、気流発生装置６０の第１の電極６１は、外表面に露出した接地電極であるため、レセプタ７０と同様に受雷部として作用する可能性がある。気流発生装置６０の第１の電極６１は、レセプタ７０のような受雷を想定した構造ではないため、受雷して大電流が通流すると、電極が溶損したり、付近の誘電体を損傷する可能性がある。
【００５８】
例えば、負極性の雷雲が接近した場合には、大地から正極性の電荷が供給されることで、レセプタ７０および第１の電極６１が正極性の誘導電位を有する。そのため、第１の電極６１のエッジ部から正極性のストリーマが進展する先駆放電が発生し、これによって誘雷の確率が増加する。
【００５９】
そこで、雷雲が接近した場合に、図６に示した電気配線系統状態にすることで、第２の電極６２を接地電位にすることができる。この場合において、負極性の雷雲が接近したときには、大地から正極性の電荷が供給されることで、レセプタ７０および第２の電極６２が正極性の誘導電位を有する。一方、第１の電極６１には、誘電体６３の静電容量によって定まる負極性の電荷が誘導される。その結果、雷雲で生じる第１の電極６１付近の電界が弱められ、第１の電極６１付近への誘雷確率が低下する。
【００６０】
レセプタ７０においては、正極性の誘導電位を有するため、先駆放電を発生し、誘雷確率が上昇する。このように、誘雷しやすいレセプタ７０と、誘雷し難い第１の電極６１とを翼面上に存在させることができるため、落雷はレセプタ７０に発生する。これによって、第１の電極６１への落雷の発生を防止することができ、落雷による第１の電極６１の溶損などを防止することができる。
【００６１】
上記したように、実施の形態の風力発電システム１０によれば、雷雲の接近に係る情報が検知された場合に、電気配線系統を、通常運転時における電気配線系統状態から雷雲の接近時における電気配線系統状態に切り替えることにより、気流発生装置６０への雷撃や大電流の通流を防止することができる。そのため、優れた安全性を有する風力発電システムを提供することができる。
【００６２】
（落雷試験）
ここでは、風車翼のスケールモデルを用いて、前述した、通常運転時における電気配線系統状態（図５）および雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）において落雷試験を行った。
【００６３】
翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向の長さが０．１５ｍのモデル翼を使用した。なお、このモデル翼の翼弦長は、最大で０．０２ｍであった。モデル翼は、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）で構成されたものを使用した。
【００６４】
モデル翼の前縁部に、翼幅方向に、２個の気流発生装置６０を設置し、モデル翼の先端部にレセプタ７０を設置した。モデル翼の表面に設けられたレセプタ７０は、直径が２０ｍｍの円形状のものを使用した。
【００６５】
落雷試験は、モデル翼を床面から高さが１ｍの位置に設置し、モデル翼の上方に設置した荷電ロッドに負極性雷インパルス電圧を印加し、気流発生装置６０の第１の電極６１、レセプタ７０、地上のそれぞれに落雷する回数を調べた。落雷試験は、通常運転時における電気配線系統状態（図５）および雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）においてそれぞれ繰り返して実施された。
【００６６】
図７は、落雷試験の結果を示す図である。図７に示すように、雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）において、第１の電極６１では落雷は起こらなかった。また、図７に示すように、雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）では、通常運転時における電気配線系統状態（図５）に比べて、第１の電極６１への落雷回数は少ないことが明らかとなった。この結果から、雷雲の接近時における電気配線系統状態（図６）とすることで、第１の電極６１への落雷の発生を防止することができることがわかった。
【００６７】
以上説明した実施形態によれば、翼に気流発生装置を備えた風車において、気流発生装置への雷撃や大電流の通流を防止することができ、優れた安全性を有することが可能となる。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３１…ナセル、４０…ロータ、４１…ハブ、４２…翼、４２ａ…背側、４２ｂ…先端部、５０…風向風速計、６０…気流発生装置、６１…第１の電極、６２…第２の電極、６３…誘電体、６４ａ、６４ｂ…ケーブル配線、６５…放電用電源、７０…レセプタ、７１…ケーブル配線、７２…引き下げ導線、７３…避雷導線、７４…接続部、８０…１次電源、８１…発振器、８２…トランス、８３…電圧印加部、８４，８５…出力端子、９０，９１，９２…スイッチ、１００…接地導線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼に設けられた受雷部、および前記受雷部から前記翼の内部、風車本体を介して地中に亘って設けられ、前記受雷部に落雷した雷電流を地中に導く避雷導線を備えた落雷保護装置と、
前記翼に設けられた第１の電極と、当該第１の電極と誘電体を介して離間され、前記誘電体に埋設された第２の電極とを備えた気流発生装置と、
前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能であり、前記第１の電極を電圧印加部の一方の端子または接地導線に電気的に接続可能であり、前記第２の電極を電圧印加部の他方の端子または接地導線に電気的に接続可能である電圧印加機構と、
雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置と
を具備し、
前記雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された場合、前記第２の電極が前記接地導線に電気的に接続され、かつ前記第１の電極および前記第２の電極と前記電圧印加部の端子との電気的な接続が遮断されることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
前記電圧印加機構は、前記第１の電極を電圧印加部の一方の端子に電気的に接続可能な第１の可動接触子、前記第２の電極を電圧印加部の他方の端子に電気的に接続可能な第２の可動接触子、および前記第１の電極または前記第２の電極を選択的に接地導線に電気的に接続可能な第３の可動接触子を備えることを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知されていない場合、
前記第１の電極が、前記第１の可動接触子によって前記電圧印加部の一方の端子に電気的に接続され、
前記第２の電極が、前記第２の可動接触子によって前記電圧印加部の他方の端子に電気的に接続され、
前記第１の電極が、前記第３の可動接触子によって前記接地導線に電気的に接続されることを特徴とする請求項２記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記雷雲検知装置が、雷雲の接近に伴う前記受雷部の電圧上昇に係る情報を検知する電圧検知装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記雷雲検知装置が、先駆放電に伴って前記受雷部に生じる電流に係る情報を検知する電流検知装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記雷雲検知装置が、外部から発せられた、雷雲の接近に係る情報を無線または有線により受信する受信装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項１】
翼に設けられた受雷部、および前記受雷部から前記翼の内部、風車本体を介して地中に亘って設けられ、前記受雷部に落雷した雷電流を地中に導く避雷導線を備えた落雷保護装置と、
前記翼に設けられた第１の電極と、当該第１の電極と誘電体を介して離間され、前記誘電体に埋設された第２の電極とを備えた気流発生装置と、
前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能であり、前記第１の電極を電圧印加部の一方の端子または接地導線に電気的に接続可能であり、前記第２の電極を電圧印加部の他方の端子または接地導線に電気的に接続可能である電圧印加機構と、
雷雲の接近に係る情報を検知する雷雲検知装置と
を具備し、
前記雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知された場合、前記第２の電極が前記接地導線に電気的に接続され、かつ前記第１の電極および前記第２の電極と前記電圧印加部の端子との電気的な接続が遮断されることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
前記電圧印加機構は、前記第１の電極を電圧印加部の一方の端子に電気的に接続可能な第１の可動接触子、前記第２の電極を電圧印加部の他方の端子に電気的に接続可能な第２の可動接触子、および前記第１の電極または前記第２の電極を選択的に接地導線に電気的に接続可能な第３の可動接触子を備えることを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記雷雲検知装置によって雷雲の接近に係る情報が検知されていない場合、
前記第１の電極が、前記第１の可動接触子によって前記電圧印加部の一方の端子に電気的に接続され、
前記第２の電極が、前記第２の可動接触子によって前記電圧印加部の他方の端子に電気的に接続され、
前記第１の電極が、前記第３の可動接触子によって前記接地導線に電気的に接続されることを特徴とする請求項２記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記雷雲検知装置が、雷雲の接近に伴う前記受雷部の電圧上昇に係る情報を検知する電圧検知装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記雷雲検知装置が、先駆放電に伴って前記受雷部に生じる電流に係る情報を検知する電流検知装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記雷雲検知装置が、外部から発せられた、雷雲の接近に係る情報を無線または有線により受信する受信装置を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５５４３１（Ｐ２０１２−２５５４３１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−７０１８９（Ｐ２０１２−７０１８９）
【出願日】平成２４年３月２６日（２０１２．３．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発」業務委託、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２６日（２０１２．３．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発」業務委託、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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