JP2005511968A - ロータブレード及びロータブレードを有する風力発電装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、上記の欠点を除去して、従来の提案に係るものよりも信頼性が高く、生じる損傷の補修は従来のものに比べてさほど複雑でも高価でもなく、極めて迅速に補修することができるロータブレード先端部での発光手段を提供することである。風力発電装置のハブへのロータブレード接続部と、該ロータブレード接続部と反対の位置関係にありロータブレードの端部に位置するロータブレード先端部とを備えた風力発電装置のロータブレードが提供される。このロータブレードは、ロータブレード接続部からロータブレード先端部に至る少なくとも１つの光導波管が配設されていることを特徴とする。

Description

本発明は、ロータブレード（rotor blade）及びロータブレードを有する風力発電装置（wind power installation）に関するものである。

最も広く変化する種類（kind）のロータブレードを備えた風力発電装置は、ずっと前からすでに知られている。ある状況下では、風力発電装置は、該風力発電装置の領域内の航空交通手段（air traffic）の注意を、適切な時に該風力発電装置の存在に引き付けるために、警告灯を備えていなければならないということも知られている。また、上記の目的を達するために、ロータブレードには、大抵、警告のために赤色の塗料で塗装が施され、これにより、飛行機、とくに軍用機が風力発電装置又はそのロータに衝突するのを防止することができるようになっていることも知られている。

航空交通手段に対する警告を改善するために、ロータブレードの先端部に白熱ランプ（incandescent lamp）又はその他の発光手段を設け、さらにはロータブレードを警告用の色で着色し、白熱ランプ又は発光手段を夜間に点灯し、これにより、それらが航空交通手段によって容易に視認できるようにするといった提案もすでになされている。しかしながら、白熱ランプ又はその他の発光手段では、耐久性に限界があり、使い古した発光手段の交換のコストが、その利益に対して合理的な関係を有しないといった欠点がある。かくして、ロータブレード先端部での発光手段の交換のコストは、数千ドイツマルクとなるであろう。なぜなら、非常に高価な風力発電装置を停止しなければならないだけでなく、サービス要員を、クレーン装置により、風力発電装置のパイロンから、又は風力発電装置の前の地面から、ロータブレード先端部まで持ち上げなければならないからである。

このような出費は、実際の技術的な故障と組み合わせられて、不適当なものとなることが多い。

それゆえ、これに対する解決策として、ロータブレード先端部の発光手段を長寿命にするといったことがすでに提案されている。しかしながら、このような考案を用いても、発光装置に故障が生じないことを常に確実にすることができるわけではない。ここで、発光手段の故障の原因は、広く変化する。すなわち、ロータブレード先端部の発光手段の（粒子、あられ、雨等の衝突による）機械的損傷、各電気接点の遮断、あるいはその他の原因による故障が起こる。

本発明の目的は、上記の欠点を除去して、従来の提案にかかるものよりも信頼性が高く、生じる損傷の補修が従来のものに比べてさほど複雑でも高価でもなく、極めて迅速に補修することができるロータブレード先端部の発光手段を提供することである。

上記の目的は、請求項１に規定された特徴を有する本発明によって達成される。有利な発展形態は、従属請求項に規定されている。

本発明は、すべての発光手段を、ロータブレードの先端領域（ロータブレード先端部）から、ハブ近傍の領域、例えばロータハブそれ自体の領域に移すといった発想に基づいている。ここで、発光手段が故障した場合、これを、サービス要員（service personnel）により、非常に容易に、かつ非常に簡単な手法で交換することができる。

発光手段、すなわち例えばレーザもしくは発光ダイオード又はこれらを複数備えた光発生装置は、風力発電装置のポッド内に配置され、発生した光はガラスファイバケーブル（光導波管（light waveguide）、光導体（light guide））に供給される。ここで、ガラスファイバケーブルは、ロータブレードの先端領域に順に配設され、光が容易に出ることができる形態で、ロータブレードの表面に配置されている。

ほとんどあり得ないが、もしブレード先端部領域内の光導波管の端部領域が損傷を受けたとしても、それは光導波管全体の故障を招く結果とはならず、それを介して案内される光を放射し続けるであろう。しかしながら、ブレード先端部領域には電気素子は何も存在しないので、光導波管は十分に保護される。

上記のものに対して補助的に又は代替的に、本発明はまた、ロータブレード自体に生じうる応力（stress）及び負荷の測定を実施するために光導体を用いることも提案する。

これに関する一般的な説明は、次のとおりである。すなわち、光が光導体に導入されたときに、この光は、光導体の内部において、対応するエッジ（edge）で反射されて伝播され、光導体の端部で出て行く。

出て行く光の量に対する導入される光の量の商（quotient）から、質（quality）に関する値を推測することも可能である。この場合、光導体に供給される光の量が、光導体の出口端部での光の量の強度（ルーメン）に対応するときは、最適な状況における質は１である。

しかしながら、光導体の質は、光導体の材料又は導入される光の特性に依存するだけでなく、光導体が配設された経路にも依存する。例えば、光導体が直線に沿って配置されている場合は、光導体が曲がりくねった形態、円弧又はその他の曲率半径を含む種々の幾何学的形状に配置された場合に比べて、一般的に質は大きい。

光導体が伸びる方向と交差する方向への光導体の移動は、光導体の内部における光の伝播が部分的に制限されるということを意味し、これは質のレベルが全体的に低下する結果となる。

本発明によれば、風力発電装置のロータブレードの場合、光導体が事実上、ロータブレードハブから始まり、ロータブレード中の所定の形状の光導体を経て、ロータブレード先端部を経て、再びハブに戻るといったループ状である限り、ロータブレードの曲げを光学的／電気的に測定するために、最後に述べた効果を用いることも可能である。さらに、光導体の出口端部に適切な検出器が配設される。この検出器は、出て行く光の強度を測定する。出て行く光の量は、適切な処理装置（プロセッサ）によって、光導体を通る光の量に常に関連づけられる。

ここで、ロータブレードへの負荷が増加したときには（風速の上昇）、ロータブレードの曲がりは次第に増加し、これは自動的に質の低下又は変化を招く結果となる。そして、ロータブレードへの機械的負荷についての測定はまた、特定のレベルの質から推測することもできる。

それゆえ、本発明の上記の変形例でもって、ハブやロータブレード根元部だけでなく、個々の地点（point）、例えばロータブレード先端部領域でも一体的にロータブレードに負荷を確立する（establish）ことも可能となる。そして、突風又はその他の事情によりロータブレード先端部に生じる過剰な伸び（overstretching）は、非常に迅速に確立されることができる。これはまた、望ましくない過剰な伸びの状態を避けるために、ロータブレード角（ピッチ）調整を実施し、又は場合によっては風力発電装置を停止させるために、同時に用いることができる。なぜなら、このような過負荷の状態は、通常、ロータブレードの耐用年数、ひいては風力発電装置全体の耐用年数のかなりの低下を招く結果となるからである。

光導体を、ロータブレード自体内において、又はロータブレードの最上層の下において、あるいはロータブレード上において、最も広く変化する幾何学形状により通すことができるということは自明なことであろう。光導体を、直接、ロータブレード根元部からロータブレード先端部まで通し、そしてロータブレードの一方側で又はこれと異なる側で再び元に戻すことが可能なだけでなく、光導体を、ロータブレード根元部からロータブレード先端部までロータブレード全体のまわりにらせん状に巻き付け、そして元に戻すことも可能であり、また光導波管の種々の束を、ロータブレードに関して広く変わる形状で（又はロータブレード自体内で）配設することも可能である。

ロータブレードの曲がりに関してその長手方向の光導体の移動量が大きければ大きいほど、これに対応して質のレベルの低下が一般に大きくなる。そして、往路と復路のラインの賢明な寸法（clever measurement）及び立体交差（interchange）により、ある環境下で、ロータブレードの望ましくない過剰の伸びが生じ又は生じてしまったところで正確に確立することも可能である。

光導波管をロータブレード内又はロータブレード上に配設することの利点は、これらのこのような配設を、ロータブレードの製作時に実施することができ、光導波管自体が通常極めて堅固となるということである。また、光導体自体が電気的に非導電性となるので、それらは、これによりすでに、風力発電装置のロータへの落雷（lightening strike）に起因して起こりうる障害から十分に保護されるということである。

さらに、例えばロータブレードへの機械的負荷をロータブレードの根元領域又はハブ領域において一体的に測定するひずみゲージストリップ（ＳＧＳ：strain gauge strip）又はその他の測定装置に比べて、ロータブレードに起こりうる過負荷を、光導体（又は光導波管）でもって明らかにより迅速に測定することができる。出て行く光の強度についての電気信号はまた、光導波管の出口端部の光検出器によっても等しく利用できるので、この電気信号はまた、風力発電装置の遠隔監視ステーションに送ることができる。そして、そこで適切に評価することができ、風力発電装置における非常に迅速な介入（swift intervention）のために用いることができる。ただし、これは、風力発電装置が、質のレベルが所定の値よりも低下したときにロータブレードへの負荷を緩和する結果となる風力発電装置の制御又は修正を自動的に実行する自動制御装置を備えていない場合のことである。

光導波管がロータブレード先端部の発光装置（先端発光装置）として配設された場合、それはまた、先端発光装置がロータの全回転範囲にわたって点灯するのではなく、各ロータブレードが、９時の位置と３時に位置との間の領域に入っているときにのみ（ロータブレードは時計回り方向に回転している）、好ましくは１０時の位置と２時の位置との間の領域に入っているときにのみ点灯するのが適切である。

ダイオードによる光の供給により、光導波管に単色白光（monochrome white light）を供給するだけでなく、変化する色付きの光（light of varying colours）を供給することも可能である。そして、ロータブレード先端部での光導波管の適切な発光により、光を種々の方向に直接発することも可能である。この場合、強度のレベルを高めるために、光導波管の端部には、光導波管の対応する端部を順に同時に再度保護する適切なレンズが設けられる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の特定の実施の形態を説明する。
図１は、光導波管１４を備えたロータブレード１０を示している。ここで、光導波管はロータブレード上（又はロータブレード内）に配設され、そしてロータブレード先端部１５の領域内では曲がりくねった形状で配設されている。光導波管１４の一方の接続部には発光ダイオード１６が配設され、他方の接続部には対応する受光ダイオード１８が配設されている。光導波管へは、発光ダイオードによって光が供給され、受光ダイオード１８は、光導波管を通過した光を受け入れる。

これまでに、風力発電装置は稼動状態とされ、ロータブレードは完全に非偏向状態（non-deflected）とされ（すなわち、もはや風によって変形させられない）、参照測定（reference measurements）が実施され、この状況で受光ユニット１８において、受光量が測定される。光の量的な比率（quantitative proportion of light）は、通常、パーセント値であらわすことができるが、このパーセント値は常に１００％未満である。１００％の測定値では、送信ユニット１６によって放射された光の全量が、光導波管１４を通って受光ユニット１８に到達しなければならず、このとき質のレベルは１である。

ここで、風力発電装置が稼動状態とされたときには、風圧及び動圧（wind and dynamic pressure）により、ロータブレード全体が偏向させられる（deflected）が、先端領域ではとくに偏向させられる結果となる。同時に、それは、光導波管の本来の位置からの変位も含み、それは、通常、光導波管内の反射経路を異ならせる結果となる。その結果、通常は、基準状態に関して光の収率が低下し、このより小さい光の収率は受光ユニット１８において測定される。

したがって、受光ユニット１８（又は光変調測定（light modulation measurement））における定量的な光の測定（quantitative light measurement）（光変調測定）はまた、ロータブレードの偏向に関する大きさ（magnitude）を確定し、ブレードの偏向に際して、その質は標準状態における質のレベルよりも低くなる。

ロータブレードに関してある過剰伸び効果が望ましくない場合、すなわち質のレベルが予め設定された値よりも低下した場合、それはまた本発明により監視され、そしてもし必要であれば、測定されたデータが、風力発電装置全体をその保護のために停止させるのに用いることができる。

本発明にかかる上記の代替物（alternative）はまた、次のような利点をもつ。すなわち、風力発電装置のロータブレードに存在しうる細いひび割れ（hairline crack）がある場合、光導体に関して実質的に横向きに伸びる細いひび割れにより、光導体が非常に急速に引き剥がされ、これにより光の全伝播が妨害されるだけでなく、崩壊してしまうであろう。光導体は、通常、その長手方向の範囲に関して、極端な多孔性となるように設定され、かつやや弾性的であるので、光導体は上記のように引き剥がされてしまう。ここで、光導体を通しての光の伝播が細いひび割れによって敏感に妨害された場合、風力発電装置全体を停止することができ、ロータブレードを、早期の段階で起こりうる細いひび割れについて、非常に精密に調査することができる。

図１は、測定された光のさらなる処理を行うための装置は示していない。これは、測定された光の量から電気信号を生成する従来の装置を含むことができ、そして対応する電気信号が、この後さらにプロセッサ又はその他の処理装置で処理される。この処理手法においては、受け入れられた光の定量的な値が確定され、これはこの後、光導体を通った光の量に関連づけられることができる。質に関する値は、差分値（difference value）（発光量／受光量）から直接推測することができる。適切なメモリ内に、質の所望のレベルのための表（table）を設けるのが好ましい。ここで、確定された質が、質の所望のレベルより低下し、又は上昇したときには、風力発電装置に関して適切で望ましい処置を実施することができ、例えば風力発電装置を停止させることができる。

図１に示す構成に対して、代替的なもの、又は補助的なものとして、図２は、ロータブレードのハブ（ロータブレード根元部）からロータブレード先端部にわたって配設された光導波管の束（bundle）を示している。ハブ領域においては、光１４（light）によって光導波管に光が供給され、そして先端部領域においては、光導波管から光が出て行き、これにより先端部領域は、少なくとも夜間には首尾良く点灯され、航空交通手段の注意が風力発電装置に引き付けられる。

上記の代替的なものを互いに組み合わせることができるということがわかるであろう。ここで、先端部の照明に加えて、ロータブレードの光の偏向の監視を実施することも可能である。この場合、光１４はまた、発光ダイオードもあらわしている。

光１４及び１６の点灯は、一日の各時間（respective time of day）、暗さ（darkness）又は個々のロータブレードの各位置に応じて行うことができるということがわかるであろう。例えば、光は、ロータブレードが１０．００時から１２．００時／１４．００時の位置にあるときに、点灯することができる。

この手法は、一方では、発光手段が保存され、さらには、発光手段が、ロータブレードが可視であるロータブレード位置のみで発光させられるといった利点をもつ。さらに、発光手段が点灯されたときに、風力発電装置のまわりの環境に関して汚染（pollution）が最小化される。

光導波管による上記の先端発光装置はまた、その他の発光手段、例えば適切なケーブルによって電力が供給されるＬＥＤなどによっても実現することができるということは明らかである。

発光手段を制御するための制御装置は、好ましく風力発電装置の制御システムに連結され、これにより発光手段を、ロータブレードの位置に応じて点灯させることができる。

本発明にかかるロータブレードの第１の実施形態を示す図である。 ロータブレードの代替的なもう１つの実施形態を示す図である。

符号の説明

１０ ロータブレード、１４ 光導波管、１５ ロータブレード先端部、１６ 発光ダイオード、１８ 受光ダイオード。

Claims (8)

1. 風力発電装置のハブに対するロータブレード接続部と、該ロータブレード接続部と反対の位置関係にありロータブレードの端部に位置するロータブレード先端部とを備えた風力発電装置のロータブレードであって、
   上記ロータブレード接続部から上記ロータブレード先端部に至る少なくとも１つの光導波管が配設されていることを特徴とするロータブレード。
2. 上記ロータブレード接続部から上記ロータブレード先端部に至る複数の光導波管が配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のロータブレード。
3. 上記光導波管が、該ロータブレードの表面において、上記ロータブレード先端部の領域内で終端していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のロータブレード。
4. 風力発電装置のロータのハブとの接続のためのロータブレード接続部と、該ロータブレード接続部と反対の位置関係にありロータブレードの端部に位置するブレード先端部とを備えた風力発電装置のロータブレードであって、
   該ロータブレードの全長にわたって光導波管が配設され、
   上記光導波管の入口端部に光が入り、該光が光導波管の出口端部で再び出て行くようになっていて、
   出て行く光の量を検出する検出器が設けられ、該検出器が、出入りする光の量を評価する評価装置に接続されていることを特徴とするロータブレード。
5. 上記評価装置が風力発電装置の制御装置に接続され、上記光導波管から出る光の量が予め設定された値より低下した場合、風力発電装置がスイッチオフされることを特徴とする、請求項４に記載のロータブレード。
6. 発光手段が設けられていて、該発光手段によって上記光導波管に光が供給され、該光がブレード先端部で再び可視的な状態で出て行くことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載のロータブレードを有する風力発電装置。
7. 制御手段が設けられていて、該制御装置によって、個々のロータブレードの位置に応じて発光手段の点灯が制御され、
   問題となっているロータブレードが１０．００時の位置と１４．００時の位置との間の領域内に入っているときに、発光手段が好ましく点灯されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載のロータブレードを有する風力発電装置。
8. ロータブレードの先端部を発光させるための手段を有する複数のロータブレードを備えているロータを有する風力発電装置であって、
   ロータブレード先端部の発光手段が、ロータブレードの限定された位置の領域、例えばロータブレードの９．００時の位置と１５．００時の位置との間の領域、又はロータブレードの１０．００時の位置と１４．００時の位置との間の領域でのみ点灯される風力発電装置。
   
   

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