JP2013506792A - 大気中の放電に対する風力発電機の保護システム - Google Patents

Abstract

複数のセンサにより集められた一連のパラメータを入力とする、本発明のシステムは、補完的プログラミングファームウェアを装備した中央制御ユニットにより、風力発電装置に雷放電の危険性がある場合、電界補償装置（７）を作動させ、また、かかる危険性がない場合、当該装置は非作動状態に維持される。電界補償装置（７）は、ナセル（２）同様、タワー（１）、ブレード（４）にも連結しており、ロータ（３）とナセル（２）の間には、導体性があり空気を誘電体とする最初の同心リング一対（１４）が設置され、一方、ナセル（２）下部には、同様の特徴をもつ２つ目の導体リング一対（１５）が設置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、大気中の放電すなわち雷が落ちる可能性のある風力発電機、その他の動力装置に導入されるよう特別に考案されたシステムに関するものである。

本発明の目的は、かかる雷が保護対象へ衝撃を与えるのを防ぐシステムを提供することである。

周知のように、スペインおよび海外では、この１０年間でウィンドファームが急成長した。例として、スペインは、２００７年末の時点で、ドイツ、米国に次いで風力発電設備の総設置量で第３位となり、その発電量は約２７，０２６ ＧＷｈに上った。

世界規模で、風力発電量は、２０１０年には１７０ＧＷ規模に達し、スペインでは、２０１０年に２０，１５５ＭＷ、２０１６年には２９，０００ＭＷに及ぶと予想され、非常に顕著に増加すると見込まれる。

このような設備は、基本的に落雷が非常に発生しやすい場所に設置されている。そのため、雷がわずか０．１秒で風力タービンに深刻な損害をもたらす可能性がある。

このような損傷は、主に、ブレードすなわちタービン翼に雷の衝撃が与えられるときに発生し、したがって、タービンが雷の衝撃に対し効果的な保護システムを備えていることが必要である。

一般的に、雷は４月から９月にかけて生じ、特に８月には最も頻繁に発生する。近年では、１２月にも落雷が観測されている。特筆すべき別の側面として、世界規模で落雷件数が増加していることが挙げられる。つまり、雷の発生数の観測が開始された１９６０年を０とすると、１９９７年には１５、２００７年には１００前後に及ぶ雷が発生している。これらの数値は、地上への落雷件数が深刻な規模で増加したことを示している。

したがって、風力発電機の設置数が増加するとともに、落雷件数も同様に増加すると、ますますウィンドファームにおける落雷の衝撃や、おそらく被害の件数の増加が、当然予測される。

ウィンドファームおよび具体的には風力発電機が抱える２番目に重要な問題は、いずれの部分への落雷でもあるが、更に特定するなら、ブレードへの落雷である。風力発電機の損傷の２０％は、落雷によるものと算出され、これは装置の費用の２５％強と想定される。

これにともない、雷はある特定地域の最も高いところに落ちる傾向にある。こうした理由から、風力発電機は、装置自体が高いのと高台に設置されているため、格好の標的になる。ブレードは、風力発電機で最も高額な構成部のひとつに挙げられ、落雷は雷保護対策を講じていないブレードに対し、極めて破壊的影響をもつ可能性がある。このため、ブレードおよび風力発電機に関する技術において、最も重大な課題の一つは、落雷を避けることにある。恐らく、落雷と氷結は、風力発電エネルギー分野の特に差し迫った課題である。

現在の陸上用風力発電機はますます大型化し、それに伴い、雷の衝撃を受ける危険性が増加している。また洋上風力発電機は、陸上用以上に雷にさらされているが、ブレードを備えたどんなシステムも、ブレードの大小に関わらず、常に落雷の危険にさらされている。

ブレードが雷から保護されていない場合、雷の衝撃は、かなり破壊的結果を及ぼすかもしれない。様々な研究から、雷は、通常、ブレードの根元から最も離れた部分に衝撃を与えるが、その理由は当該部分が最も高い部分であるためである。その場合、接触地点からその他の導電部分を通じ、ブレードの継手にまで広がる電気アークが発生し、温度が３０，０００℃に達することもある。その結果が、ブレードに含まれる空気の爆発的膨張である。これがもたらす影響には、表面上の損傷、圧力による損傷、２枚割れ、縁を這うひび割れ、接合部の溶解が含まれる。落雷により目に見えない損傷が発生し、長期的にはブレードの耐用年数をかなり短縮させる深刻な問題をもたらすこともある。

非保護のブレードは、雷に打たれた場合、極めて脆弱である。そのため、これまで風力発電機のどのブレードにも、雷の衝撃に対する保護対策が講じられている。雷保護システムは、フランクリン式避雷針の原理に基づいているが、前述の原理には、受雷部に新素材を導入した一連の改良が行われている。そのため、ブレードは、受雷部で用いられる素材の交換が必要になるまで、雷による数回にわたる衝撃に耐えられる。

まとめると、現在、既存の技術によるブレードの設計は、通常、雷がブレード先端部に落ち、それを排除するため、雷は大地に誘導されなければならない、という事実に基づくものである。雷保護システムは、ブレード表面にある受雷部および雷のエネルギーを誘導する内部ケーブルシステムという、主に２つの構成部分で形成されている。落雷が生じると、受雷部はそれを受け、ケーブルシステムが電荷をブレードからタワーへと伝え、そこから大地へ誘導する。受雷部は、ちょうど胴体部にあたり、雷がブレードに落ちる場所にある。

この発明が提案する風力発電機雷保護システムは、風力発電機を介して大地に雷の放電を誘導する代わりに、単に前述したような放電を抑制することができるため、先に述べた諸問題を完全に満足いく方法で解決する。

そのため、推奨するシステムは電界補償装置から構成されており、当該装置は風力発電機のブレード同様、他の構造部へも接続されている。またかかる構造部は風力発電機のタワーを通じアース接続されている。

前述の電界補償装置には、電界センサ、電磁界センサ、大気中の湿度および温度・大気圧センサが連結されている。

これらのセンサに基づき、電界補償装置の作動および非作動を決めるために必要なパラメータを分析する。

分析されるパラメータの中には、周囲の電荷水準、同様に周囲の電磁場水準、全方向での暴風雨前線の早期検知、風速、気温、大気中の湿度そして大気圧がある。

これらのパラメータに基づき、補完的プログラミングファームウェアを装備した当該中央制御ユニットを通じ、システムは電界補償装置を作動・非作動にする。これは、いくつかの同心リング状の部品を介し、ブレードだけでなく風力タービンのロータまたは問題となる装置へ適用されることになる。かかる部品の誘電体は空気で、これらリング部品一つひとつは風力発電機の胴体部を形成する部品、すなわち、ロータ・ブレード・ナセル一式および大地と接続されたナセル・タワー一式と電気的に接続している。

電界補償装置は、暴風雨の活発化によってもたらされる風力発電機付近の電気的活性化および保護される部分を構成する諸部品との間にある電圧勾配を減少させることを、その役割としている。

最後に、各種補助装置で計測された、電気的な観点から見た補償水準は、電界補償装置に連結した中央ユニットによりパラメータ化されている。

詳細説明を補い、本発明の特徴のより良い理解を促すことを目的とし、発明を実施するための好ましい形態の一例に従って、上記詳細説明の一部として、図面一式を添付する。これは限定的でない図解により、以下に示される。

本発明の目的に準じて設置された風力発動機の雷保護システムを装備した風力発電機の正面図を示す。 前述の図に描かれた装置の側面図を示す。 前述の２つの図の風力発電機のナセルを斜め前方から見た詳細図を示す。 ナセルおよびブレードで構成される装置一式の斜め後方上部から見た図を示す。ここでは、ナセルはカバー上部半分を取り除いて表示されている。 前述の図に描かれた装置一式の斜め後方下部から見た図を示す。 最後に、本装置のブロック図を示す。

説明の図を見ると、発明が従来の風力発電機のどの構造の一部であるかがわかり、これは、タワー（１）、自動方向調整式ナセル（２）、ロータ（３）、このロータにブレード（４）一式を接続、ナセル内部に含まれる従来メカニズムの増速機（５）およびロータの運動エネルギーを電気エネルギーに変える電力変換装置（６）で定義される。

さて、この従来の構造に基づいて、ナセル内部には、補完的プログラミングファームウェアを装備した中央制御ユニットが設置され、かかるユニットは電界補償装置（７）と接続している。これは、一連の装置と電気的に連結し、これら一連の装置を通じ、電界補償装置（７）の作動・非作動がプログラムされている。

具体的には、前述の装置は、電界センサ（８）、電磁界センサ（９）、風速計（１０）、大気中の湿度センサ（１１）および温度・大気圧センサ（１２）で成り立っている。これらの全部品は、気象データを分析し、暴風雨前線の発生を十分な時間的余裕をもって検知するため、ナセル（２）のケース上部の表面上、外側に設置され、前述の制御ユニットに連結されているため、雷の危険のどんな小さな兆候も前もって検知し、ユニットは予め電界補償装置（７）を作動させ、かかる放電を抑制する。

そのためには、当該装置が、ナセル（２）同様、タワー（１）、ブレード（４）にも連結していることが予め想定されている。より具体的には、ブレードに付設され、ロータ（３）とつながる導体表面（１３）とナセル（２）の間に、導体性があり空気を誘電体とする最初の同心リング一対（１４）が設置され、一方、ナセル（２）下部には、それ自体とタワー（１）との傾き具合に応じて、同様に空気を誘導体とする２つ目の導体リング一対（１５）が設置されることが、予め想定されている。

さらに具体的には、図６の略図にて分かる通り、電界補償装置は、予め装置にアップロードしたプログラムに従った形状、振幅、極性のインパルスを発生させることできるアクティブな電気回路一式で構成されており、風力発電機上に取り付けた各種センサから受信するデータを踏まえ、当該風力発電機とその周囲の電界との間の極性並びに電圧に関する電荷バランスを保たせ、この方法により風力発電機上に大気中放電が発生するのを避けている。

同様に、このシステムを用い、ブレードの空気摩擦により風力発電機に発生する静電気を軽減することができる。

本システムのアースに関連する回路の実行には、高性能誘電体の絶縁材料上に構築された誘電体が用いられる。

具体的には、電界センサ（８）、電磁界センサ（９）、風速計（１０）、大気中の湿度センサ（１１）および温度・大気圧センサ（１２）が、マイクロコントローラ（１７）による解釈がきるようにアナログデジタル変換器（１６）と接続され、マイクロコントローラ（１７）は無線による制御インターフェース（１８）を内蔵している。また、マイクロコントローラ（１７）は、出力側がアダプタ（１９）につながり、電場発生器（２０）一組に接続され、これらは連結器（２１）により一体化され、出力部（２２）を通じ、先に述べた通り、風力発電機構造部に接続される。

このようにして、ブレードの空気摩擦により発生する電界、また同様に風力発電機を構成する装置全体の電界を減少させることができるが、これは明らかに経済的理由から、必要時のみ、すなわち、雷放電の危険がある状況に限って作動し、電界補償装置（７）は、雷雨の危険性がないときは、長期間にわたり非作動状態が維持される。

Claims (3)

1. 大気中の放電に対する風力発電機の保護システムにおいて、
   風力タービンのタワー（１）と、
   自動方向調整式ナセル（２）と、
   ブレード（４）一式と、
   前記ブレード（４）一式に接続されたロータ（３）と、を含み、
   前記ナセルはその内部に従来メカニズムの増速機（５）と前記ロータの運動エネルギーを電気エネルギーに変える電力変換装置（６）を含み、
   前記ナセル内部には、補完的プログラミングファームウェアを装備し、電界補償装置（７）と接続している中央制御ユニットが設置され、
   前記ユニットは電界センサ（８）と、電磁界センサ（９）と、風速計（１０）と、大気中の湿度センサ（１１）と、温度・大気圧センサ（１２）とを含み、それぞれが電気的に連結され、
   前記電界補償装置（７）は、前記ナセル（２）の他、前記タワー（１）や前記ブレード（４）ともつながり、
   そのためブレードに設置された導体表面（１３）と連結している前記ロータ（３）と前記ナセル（２）の間に、導体性があり空気を誘電体とする最初の同心リング一対（１４）が設置され、
   一方、前記ナセル（２）下部には、前記ナセル（２）と前記タワー（１）との傾きに応じて、導体性があり空気を誘導体とする２つ目の導体リング一対（１５）が設置されることを特徴とする大気中の放電に対する風力発電機の保護システム。
2. 前記電界補償装置（７）は、マイクロコントローラ（１７）から構成され、
   前記マイクロコントローラ（１７）には、前記電界センサ（８）と、前記電磁界センサ（９）と、前記風速計（１０）と、前記大気中の湿度センサ（１１）および前記温度・大気圧センサ（１２）が、該当するアナログデジタル変換器（１６）を介して接続され、
   前記マイクロコントローラ（１７）の出力側は、アダプタ（１９）につながり、
   前記アダプタ（１９）は、一組の電場発生器（２０）に接続され、
   前記一組の電場発生器（２０）は、連結器（２１）により一体化され、
   前記連結器（２１）の出力部（２２）を通じ、風力発電機構造部へ接続されることを特徴とする、請求項１に従う大気中の放電に対する風力発電機の保護システム。
3. 前記電界補償装置（７）に無線による制御インターフェース（１８）を内蔵することを特徴とする、請求項１に従う大気中の放電に対する風力発電機の保護システム。

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