JP2008523299A - 風力発電設備用のローターブレード - Google Patents

Abstract

ローターブレードノーズを具備してなる、風力発電設備用のローターブレードが開示されている。付着物センサーデバイスはローターブレードノーズの領域に配置されている。当該付着物センサーデバイスは、伝送リンクを介した信号の無線伝送のための発信器と、伝送リンクを介して無線方式で伝送された信号を受けるための受信器とを備える。表面付着物は、伝送リンクを介して伝送された信号に基づいて、伝送リンクの領域において検出可能である。

Description

本発明は、風力発電設備用のローターブレード、ならびにこのローターブレードを有する風力発電設備に関する。

風力発電設備に関しては、特に一年のうち寒い時期には、適切な除氷対策を実行するために、ローターブレードの着氷を検出することが望ましい。ローターブレードの着氷は、それがローターブレードの重量を増大させるために好ましくない。さらに、風力発電設備の稼働時にローターブレードから分離する氷塊は危険な飛行物体となることがあり、人体に傷を負わせたり、あるいは建物に損害を与えたりする。さらに、ローターブレードから分離する氷塊によって、ローターブレードがバランスを失うことがあるが、この結果として最終的には設備の運転を停止する必要が生じる。しかしながら経済的な理由から、設備の運転停止は望ましくない。

こうした状況を回避するべく、多くの風力発電設備は着氷の最初の発生を阻止するために、ローターブレード用の加熱装置を有している。さらに、風力発電設備はまた、初期結氷の場合に運転を停止できる。だが、この場合、初期結氷を確実に検出することが不可欠である。

風力発電設備のローターブレードへの着氷の最初の発生を検出ための公知のセンサーシステムでは、関連するセンサーは設備のポッドに組み込まれる。だが、これは、ローターブレードにおいて異なる流動条件が支配的となるとき、流動および着氷条件の直接比較を行うことができないことを意味する。

特許文献１には、風力発電設備用の氷センサーが開示されている。この氷センサーは、ローターブレード先端の近傍に配置される。確定されたデータは、適切な測定を保証できるようにするために、基本的な気象条件と関連付けて処理される。

現時点での従来技術に関するさらなる事情については概して特許文献２〜５を参照されたい。
独国特許発明第202 06 704号明細書(DE 202 06 704) 独国特許出願公開第199 27 015号明細書(DE 199 27 015 A1) 独国特許出願公開第103 15 676号明細書(DE 103 15 676 A1) 独国特許出願公開第101 60 522号明細書(DE 101 60 522 A1) 独国実用新案第200 21 970号明細書(DE 200 21 970 U1)

したがって本発明の目的は、ゴミなどの付着物と初期結氷とを識別できる、風力発電設備用のローターブレードを提供することである。

上記目的は、請求項１に記載のローターブレードによって、そして請求項１１に記載の風力発電設備によって達成される。

それゆえ、ローターブレードノーズを有する風力発電設備用のローターブレードが提供される。付着物センサーデバイスは、ローターブレードノーズの領域に配置される。付着物センサーデバイスは、伝送リンクによって信号を無線伝送するための発信器と、伝送リンクによって無線伝送された信号を受けるための受信器とを有する。伝送リンクによって伝送される信号に基づいて、表面上の付着物を伝送リンクの領域において検出可能である。

したがって、ローターブレードの表面上に存在する付着物を迅速かつ確実に検出できる付着物センサーデバイスを有するローターブレードが提供される。

本発明の一態様によれば、風力発電設備のローターブレードは、変化を確証するために、発信器によって伝送されると共に受信器によって受信された信号を比較する役割を果たす比較デバイスを具備してなる。伝送された信号における変化を確証することによって、付着物を直に検出できるよう、伝送リンクの伝送挙動が変化する範囲を直接的に確証することが可能となる。

本発明のさらなる態様によれば、比較デバイスは、データバンクがセットアップされるよう、受信信号に関する検出された変化を蓄積するための蓄積デバイスを有する。付着が生じる際の頻度および条件に関する推論は、データバンクに基づいて確認できる。

本発明の好ましい態様によれば、付着物センサーデバイスは光学式センサーデバイスである。付着物の検出は、それゆえ、光学信号に基づいて実施され、したがって風力発電設備の電子的および電気的要素との相互作用が生じない。

本発明のさらなる態様によれば、発信器は結合外レンズ(coupling-out lens)を有すると共に、受信器は結合内レンズ(coupling-in lens)を有する。光学信号の伝送に関する効率は、このようにして改良できる。

本発明のさらに好ましい態様によれば、発信器および受信器はいずれも、それぞれ、光学式導波路によって、比較デバイスに対して接続される。このようにして、雷からの保護をさらに改善するために、ローターブレード内の電線を排除することができる。

本発明のさらなる態様は、従属請求項の対象事項である。

以下、図面を参照して、本発明ならびにその実例としての実施形態について、さらに詳しく説明する。

図１は第１実施形態による風力発電設備の正面図である。この構造では、風力発電設備はパイロン１０、ポッド２０および三つのローターブレード３０を具備してなる。付着物センサー１がローターブレードのそれぞれに配置されている。好ましくは、付着物センサー１は、ローターブレードノーズに配置される。付着物センサー１はそれぞれ、光学式導波路２によって比較デバイス３に接続される。

図２は図１の風力発電設備のローターブレード３０の一部分の断面図である。特に、付着物センサー１の領域におけるローターブレードの一部分が示されている。付着物センサーはローターブレード３０のローターブレードノーズ３１の領域に設けられている。付着物センサー１は、実質的に、光学式発信器１１と光学式受信器１２とを有する。光学式発信器１１は結合外レンズ１１ａを備え、かつ光学式受信器１２は結合内レンズ１２ａを備える。光学式発信器１１と光学式受信器１２とはそれぞれ、光学式導波路１１ｂ,１２ｂ,２によって比較デバイス３に接続されている。光学式伝送リンク１３が、結合外レンズ１１ａと結合内レンズ１２ａとの間に設けられる。光学式伝送リンクは、実質的に、ローターブレードノーズ３１の表面と平行に延在する。

ゆえに、付着物センサー１は風力発電設備のローターブレードに直に設けられており、この結果、たとえばゴミによる汚れおよび着氷のような付随する付着物は、ローターブレード上で直接確認できる。好ましくは、付着物センサーはローターブレードの外側三分の一に配置される(図１参照)。というのは、ここが、たとえばゴミ汚れおよび着氷のような付着物の認識に関する確実性のレベルがより高い場所だからである。これに加えて、ローターブレードのその他の位置に、さらなる付着物センサー１を配置することも可能であり、この結果、多重代理機能性を備えたシステムを実現できる。

風力発電設備のローターブレード中の電線は雷からの保護に関して望ましくないので、本発明によるセンサーシステムは実質的に二つの部分に、すなわち実際のセンサーおよび評価ユニットに分割されている。好ましくは、この例では、比較ユニットは、ローターブレードのブレード基部に配置されるか、あるいは装置ハウジングの回転部分に配置される。光学式センサーおよび受信器は、対照的に、ローターブレード自体に配置される。比較デバイスから光学式受信器への光信号の伝送は好ましくは光学式導波路によってなされ、この結果、ローターブレード内のさらなる電線を排除することが可能である。これに代えて、もし雷に対して適切な保護がなされるならば、比較デバイスを付着物センサーの中に直接あるいはそれに対して配置することもできる。

好ましくは、光学式発信器１１および光学式受信器１２と個々の光学式導波路１１ｂ,１２ｂ,２との間の接続は、プラグ接触子を用いて、あるいはネジ式機構を用いて確実なものとされる。したがって、この場合、付着物センサー１は、ローターブレード全体の交換を要さず簡単に取り替えることができる。

図２に示すように付着物センサー１は、光学式発信器１１と光学式受信器１２との間での光ビームの減衰が低いレベルに抑えられるようにするため、好ましくは結合外レンズ１１ａと結合内レンズ１２ａとを有する。光学式伝送リンク１３に何かが付着すると直ちに、伝送リンク１３の伝送特性が変化し、そしてこれは比較デバイス３によって検出可能である。

図３は、付着物センサー１の領域における、図１のローターブレードの一部分の平面図である。この例では、付着物センサー１は、ローターブレード３０のローターブレードノーズ３１に固定的に結合されている。これは、ネジ式機構または接着によって実現できる。この例では、光学式伝送リンク１３は、ローターブレードの長手方向に、ローターブレードノーズに対して実質的に平行に配置されている。好ましくは、光学式センサー１１の位置と光学式受信器１２の位置は、断面よどみ点の領域において定めるべきであり、なぜならそこが最も付着が起きやすい場所だからである。付着物センサー１の外形(図３に示す)によって、付着物センサー１の周りの流動損失が確実に低く抑えられる。さらに、空隙の領域すなわち光学式伝送リンク１３においては、ローターブレードノーズ周りの流れに関するチャネリング効果によって、付着物センサー１の図示した形状は、光学式発信器および受信器におけるゴミ汚れを阻止するよう機能する。付着物センサーの特定の形状によって、流れの方向ベクトルが、光学式発信器１１および光学式受信器１２の、あるいはその入口あるいは出口位置の方向を直接向くことはない。

むしろ、流れの方向ベクトルは、それに対して実質的に垂直に配置される。ノーズ輪郭における付着物センサー１の凹み(これは光学式伝送リンク１３によって生じる)は、好ましくは、たとえば結氷に関係する生成メカニズムを著しく変更しない程度に十分広く、かつ、ゴミ汚れまたはブレードの変形による光学式伝送リンク１３中の光ビームの減衰あるいは影響を確実に最小限に抑えるのに十分なほど狭いものであるべきである。

光学式受信器１２への入射太陽光の影響を軽減するために、伝送１３によって伝送された光ビームは好ましくはパルス化される。好適な配置構成によれば、付着物センサー１のさらなる小型化によって、ラスタ制御式氷厚測定を実施することができる。

図３は、第２実施形態による風力発電設備用のローターブレードのローターブレードノーズの一部分の平面図である。この場合、第２実施形態による付着物センサー１は、第１実施形態による付着物センサー１と同様の動作原理に基づくものであり、すなわち、光学式発信器１６、光学式受信器１７、そしてこの発信器１６と受信器１７との間の光学式伝送リンク１８が設けられる。第１実施形態では、付着物センサーをローターブレードノーズの輪郭に実質的に一致させたが、第２実施形態の付着物センサーは、断面ノーズすなわちローターブレードノーズから突出するニードル形態すなわちピン形態の光学式導波路によって具現化されている。

第２実施形態では、付着物センサー１は、ローターブレードの表面から突出すると共に横方向ビーム出口を有する二つのピン形光学式導波路１４,１５によって具現化されている。適当なレンズまたはプリズムによる９０°にわたる光ビームの屈曲は、光学式導波路がローターブレードの内部でレンズ１４,１５の下面に至ることが可能であることを意味する。光ビームは続いてレンズと結び付けられ、そしてレンズまたはプリズムそれぞれによって９０°にわたって屈折させられ、この結果、光ビームは、光学式発信器１６から光学式受信器１７まで、光学式伝送リンク１８を横切って、ローターブレードの表面と実質的に平行に延びることができる。光学式受信器１７はまた、光ビームを９０°にわたって屈折させると共にそれを戻り光学式導波路に結び付けるために、レンズまたはプリズムを有する。

実質上、第２実施形態の付着物センサー１の原理的構造は第１実施形態のそれに対応する。だが第２実施形態では、この構造は実質的により簡単なものである。さらに、そのノーズ輪郭におけるローターブレードに対する変更の必要性は極めて僅かである。好ましくは光学式発信器１６と光学式受信器１７とは、それらが、９０°屈折のための対応するレンズにねじ込むことができるかあるいは差し込むことができるよう構成され、この結果、それらは必要とあれば容易に交換できる。

好ましくは光学式発信器１６と光学式受信器１７とは、ローターブレードノーズの末端ポイントには正確には配置されず、そこから僅かに変位した位置関係で配置されている。すなわち、付着物センサー１はブレードノーズの先端領域、つまりノーズラインには配置されない。付着物センサー１は、それゆえ、ブレードノーズの領域に配置できる。

好ましくは、第１または第２実施形態による付着物センサーは、よどみ点の領域において、ローターブレードノーズの領域に配されるべきである。この点に関して、よどみ点とは、空気流がブレードに衝突し、続いて負圧面に沿った第１の流れおよび正圧面に沿った第２の流れへと分岐させられるポイントを意味する。よどみ点の領域においては、初期結氷が生じ、さらにランダムなパターンで成長する。それはまたローターブレードの取付け角に依存するので、よどみ点の位置を正確に予測することはできない。

光学式発信器１６と光学式受信器１７の、あるいはそのレンズの高さは、ローターブレードの表面に対して調整可能であるように構成できる。これは、光学式発信器１６および光学式受信器１７を、より大きなあるいはより小さな距離だけローターブレード表面から突出させることによって実現できる。光学式発信器１６と光学式受信器１７との間の距離は、１０ないし１００ｍｍ、好ましくは２０ないし５０ｍｍとすることができる。光学式発信器１６と光学式受信器１７との間の光ビームと、ローターブレード表面との間の間隔(すなわちローターブレード表面からの光ビームの間隔)は、２ないし１０ｍｍ、好ましくは５ないし６ｍｍである。ローターブレードの表面と、光学式発信器と光学式受信器との間の光ビームとの間隔は、検出可能な氷の厚みを確定する。この点に関して、２ｍｍ未満の氷厚みは無視しておけるが、好ましくは５〜６ｍｍよりも厚い氷の層は重大な問題を生じることがある。

レンズを簡単に交換できるようにするために、その中にレンズ(すなわち光学式発信器または光学式受信器)を嵌め込むことができるソケットスリーブをローターブレードに設けることができる。好ましくは、たとえばバイオネット結合部のような確動ロック結合部が、スリーブと、光学式発信器および光学式受信器との間に設けられる。これに代えてあるいはこれに加えて、スリーブと、光学式発信器ならびに光学式受信器とはネジによって一つに固定できる。これは、特に、光学式受信器および光学式発信器が初期着氷に対してより安定的に保護され、しかも氷除去作業時にブレードからもぎ取られ、氷と一緒に落下しなくなるという効果にとって好都合である。

第１または第２実施形態に基づく、さらなる実施形態によれば、比較デバイス３は特徴的付着量が蓄積される記憶デバイスを持つことができ、この結果、運転時に、それを実際に検出された値と比較できるようになる。したがって、たとえば、付着物が単に鳥のふん、またはゴミによる汚れに関係するものであるかどうか、あるいはその状況が初期着氷に関係するものであるかどうかを識別することができる。それに加えて、比較デバイス３は風力発電設備の周囲環境からの、さらなるデータを処理できる。このデータは、たとえば温度データであってもよく、この結果、たとえば付着物センサー１は３℃の温度からスイッチを切ることができるが、これは、そうした温度からは着氷が生じないと考えられるからである。

さらに比較デバイスは、データバンク蓄積デバイスを有することが可能であるが、これには検出された変化を蓄積でき、そして検出された変化は、ことによると適切な早期の認識を可能とするために、たとえば着氷パターンを確証できるようにするために、ことによると評価できる。

比較デバイスはまた、ローターブレードの外部に、たとえばハブの領域に配置できるが、これは、電線をローターブレードに配する必要がなくなるという利点がある。その場合、ローターブレードは、ハブへの移行領域に、付着物センサーを比較デバイスに対して結合するために一つ以上の適当な接続部すなわちカップリングを有する。このようにして、ローターブレード内には光学式導波路のみを配置すれば良くなるが、これは特に雷からの保護に関して有利であることが分かっている。

第１実施形態による風力発電設備の正面図である。 図１の風力発電設備のローターブレードの一部分の断面図である。 図１の風力発電設備のローターブレードの一部分の平面図である。 第２実施形態による風力発電設備のローターブレードの一部分の平面図である。

符号の説明

１ 付着物センサー
２ 光学式導波路
３ 比較デバイス
１０ パイロン
１１ 光学式発信器
１１ａ 結合外レンズ
１１ｂ 光学式導波路
１２ 光学式受信器
１２ａ 結合内レンズ
１２ｂ 光学式導波路
１３ 光学式伝送リンク
１４,１５ ピン形光学式導波路
１６ 光学式発信器
１７ 光学式受信器
１８ 光学式伝送リンク
２０ ポッド
３０ ローターブレード
３１ ローターブレードノーズ

Claims (12)

1. 風力発電設備用のローターブレード(３０)であって、
   ローターブレードノーズ(３１)と、
   前記ローターブレードノーズ(３１)の領域に配置された付着物センサーデバイス(１,１１,１２,１３)であって、伝送リンク(１３)によって信号を無線伝送するための発信器(１１)と、前記伝送リンク(１３)によって無線伝送された信号を受けるための受信器(１２)と、を有する付着物センサーデバイス(１,１１,１２,１３)と、を具備してなり、
   前記ローターブレード(３０)の表面上の付着物が、前記伝送リンク(１３)によって伝送される信号に基づいて、前記伝送リンク(１３)の領域において検出されるようになっていることを特徴とするローターブレード(３０)。
2. 受信した信号の変化を検出するために、前記発信器(１１)によって伝送されると共に前記受信器(１２)によって受信された信号を比較するための比較デバイス(３)を具備してなることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード(３０)。
3. 外部比較デバイスを前記付着物センサーデバイス(１,１１,１２,１３)に対して接続するための接続部を具備してなり、受信した信号の変化を検出するために、前記発信器(１１)によって伝送されると共に前記受信器(１２)によって受信された信号が、前記比較デバイスにおいて比較されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード(３０)。
4. 前記付着物センサーデバイスは、付着物を連続的に検出するように、あるいは所定の時間間隔にて付着物を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
5. 前記比較デバイス(３)は、データバンクを作成するために、検出された変化を蓄積するための蓄積デバイスを有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
6. 前記付着物センサーデバイス(１,１１,１２,１３)は光学式センサーデバイスであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
7. 前記発信器(１１)は結合外レンズ(１１ａ)を有すると共に、前記受信器(１２)は結合内レンズ(１２ａ)を有することを特徴とする請求項６に記載のローターブレード(３０)。
8. 前記発信器(１１)および前記受信器(１２)はそれぞれ、光学式導波路(１１ｂ,１２ｂ)によって、前記比較デバイス(３)に対して接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
9. 前記発信器(１１)と前記ローターブレード(３０)の表面との間、および前記受信器(１２)と前記ローターブレード(３０)の表面との間の、各場合における伝送は、薄刃形態のものであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
10. 前記発信器(１１)および前記受信器(１２)は、前記ローターブレードの表面からピンの形態で突出していることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
11. 前記発信器(１１)と前記受信器(１２)との間の前記伝送リンク(１３)は、前記ローターブレードノーズ(３１)と実質的に平行に延在していることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のローターブレード(３０)。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のローターブレードを少なくとも一つ具備してなることを特徴とする風力発電設備。

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