JP2016104983A - 受雷部への雷の誘導 - Google Patents

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Abstract

【課題】落雷対策を確実にする。【解決手段】風力タービン用のロータブレードの受雷部41へ雷を誘導する方法であって、ロータブレードの表面に配置された渦発生体31によって空気流の渦32を生成するステップと、渦32によって雷を引きつけるステップと、雷を前記受雷部41へ誘導するステップとを有する方法であって、ロータブレードの表面に配置された、空気流の渦32を生成するための渦発生体31と、雷による電流を受容するための受雷部41とを有する。渦発生体と31受雷部41との相対的な配置は、当該渦発生体31により生成された渦32により雷が当該受雷部41へ誘導されるようにする。【選択図】図3

Description

本発明は、風力タービン用のロータブレードの受雷部への雷の誘導方法に関する。本発明はさらに、改善された雷保護構成を備えた風力タービン用ロータブレードにも関する。また本発明は、雷を引きつけるための渦の使用にも関する。
風力タービンは通常、落雷を受けやすい。その原因の1つとして、落雷を受けやすい屋外の場所に風力タービンが設置されるということがあり得、さらに、かかる風力タービンの垂直方向の寸法は、すなわち風力タービンの重力方向の寸法が著しく長いことも原因となる。この垂直方向の寸法は周辺の建物および/または木より著しく大きい場合があり、これにより、周辺の建物および/または木よりも風力タービンが落雷を受ける確率の方が高くなってしまう。
雷が風力タービンに当たる場合には、風力タービンのロータブレードに当たることが多い。その理由は、少なくとも3つのロータブレードを備えた水平軸風力タービンの場合、典型的には、各ロータブレードの先端が、風力タービンのうち地上から最も高い位置または部分となるからである。それゆえロータブレードは、特にロータブレードの先端部分は落雷を受けやすく、かつ落雷に対して脆弱である。
従来技術では、雷保護構成はしばしば、ロータブレードの外皮に統合される受雷部を有することが多く、これは導電性材料によって避雷針に接続される。この避雷針は、落雷による電流を地面まで送るように配置および構成されている。かかる従来の受雷部は典型的には、電気伝導率が高い材料から成り、数cmのサイズを有する。空気力学的な観点では、受雷部はブレード外皮に完全に一体化しているのが好適であるが、受雷部はロータブレードの外皮の表面に対して相対的に、僅かに露出し得る。
従来の雷保護構成の欠点は、ロータブレードの雷を受けやすい突出部分に受雷部が存在するにもかかわらず、受雷部から遠隔にあるロータブレードに著しく大量の落雷が当たることである。これは、ロータブレードに著しい損傷を引き起こすことがあり、特に、繊維複合材料から作製し得るロータブレードの外皮に著しい損傷を引き起こし得る。落雷によりロータブレードに生じる損傷は、即座の修理を要しない軽微な損傷から、ロータブレードの内部構造に水または塵埃が侵入するのを回避するために早期の修理を要するほどの、ロータブレードの外皮のより重大な損傷にまで及び、また、風力タービンの運転停止を要するような、ロータブレードの深刻な損傷にまで及ぶ。
従来の風力タービン雷保護システムはたとえば、国際公開第2012/055418号に記載されている。同刊行物では、複数の渦発生体が導電性バンドによって、雷保護システムの受雷部に接続されており、当該複数の渦発生体は渦発生ストリップに取り付けられている。雷が導電性の渦発生ストリップ上のどの点にも当たることができ、かつ、当たった後に受雷部へ導かれる限りは、上述の構成は、ロータブレードの外皮に統合された受雷部のみを有する従来の基本的なシステムより改善されたものとなる。しかし、かかる雷保護構成は、渦発生ストリップまたは少なくとも導電性バンドを受雷部の近傍に設ける必要がある。さらに、導電性バンドまたは渦発生ストリップから遠隔にあるロータブレードに雷が当たる確率は、依然として相当高い。
国際公開第2012/055418号
よって、従来技術と比較して改善された雷保護構成と、雷が風力タービン用のロータブレードに当たって損傷を与えるのを回避する方法とを実現することが望まれている。これにより、受雷部から遠隔にあるロータブレードに落雷が当たる率を低減させることができる。
前記課題は、独立請求項に係る発明によって解決される。従属請求項に、有利な発展形態および改良形態が記載されている。
風力タービンを示す図である。 風力タービンのロータブレードを示す図である。 渦発生体および受雷部を備えたロータブレードの先端部分を示す図である。 ロータブレードの、図3と同一の先端部分を、別の視点から見た図である。 渦発生体によって生成される渦と、ロータブレードの先端部分によって生成される先端渦とを示す図である。
本発明では、風力タービン用のロータブレードの受雷部へ雷を誘導する方法であって、以下のステップを有する方法を開示する:
・ロータブレードの表面に配置された渦発生体によって空気流の渦を生成するステップ。
・前記渦によって雷を引きつけるステップ。
・前記雷を前記受雷部へ誘導するステップ。
換言すると本発明は、ロータブレード上における適切な位置へ、つまり、受雷部が位置する場所へ、雷をどのように誘導するかについての思想を開示するものである。この誘導は、簡単かつ低コストで実現される。
前記方法は、渦の中心における圧力が比較的低いことにより雷が渦によって有利に引きつけられるという技術的効果を利用したものである。渦の中心における湿度が増加することも、渦によって雷が引きつけられる確率が高くなる理由となる。換言すると雷は、ロータブレードの、真空が存在する領域に当たりやすい、ということである。ロータブレードの近傍には、厳密な意味での真空は存在しないが、空気中におけるロータブレードの運動と、当該ロータブレードの空気力学的な形状とにより、空気圧に差が生じる。よって、厳密な意味での真空が存在しなくても、雷はロータブレードの低圧領域に当たりやすくなる。
よって、本発明の重要な点は、現在に至るまで空気力学的観点だけで評価されていた渦発生体を、雷保護にも使用できる、ということである。従来技術では、渦発生体はたとえば、前縁が汚れた場合のロータブレードの効率を向上させるための装置または失速低減装置として使用されていた。本発明では、渦発生体により生成される渦を雷保護に利用する。これにより、渦が発生することによって雷はこの渦に引きつけられ、渦発生体および受雷部の創意工夫的な配置により、雷はそのまま受雷部へ直接誘導され、雷がロータブレードの他の場所に当たるのが防止される。
本発明の1つの実施形態では、発生する渦はロータブレードの先端部分に位置する。渦発生体により発生する渦は、第1の回転方向を有する。ロータブレードの先端部分の形状により発生する先端渦は、第2の回転方向を有する。第1の回転方向と第2の回転方向とは、実質的に等しい。
具体的には、渦発生体により発生する渦の回転方向と、ロータブレードの先端により発生する先端渦の回転方向とが互いに一致すると有利である、ということである。これらの回転方向をスピン方向とも称する。これら2つの回転方向が互いに一致する場合、渦発生体によって発生する、通常は比較的小さい渦は、ロータブレードの先端部分により発生する、通常はより大きい先端渦にマージする。このようにしてノイズが低減し、効率が向上する。
このことは、渦発生体の渦とロータブレードの先端部分の渦とが逆回転する逆の場合と比較して有利な実施形態である。ここで留意すべき点は、ロータブレードの先端部分により発生する先端渦は、従来のロータブレードの一般的に知られている現象であるということである。この先端渦は、従来の産業用型式の風力タービンの先端部分より下流に数mに及び得る。
本発明の他の1つの実施形態では、前記渦発生体はロータブレードに後付けされている。
雷保護構成の設置が低コストかつ簡素であることにより、渦発生体を既存のロータブレードに容易に後付けすることができる。かかるロータブレードは風力タービンに取り付けることも可能であり、たとえば、数年にわたって稼働させることが可能である。これにより、本発明は費用対効果が高く、魅力的なものとなる。
もちろん、これに代えて択一的に、本発明を新品のロータブレードにて実施することも可能である。
本発明の他の1つの実施形態では、受雷部はロータブレードに後付けされており、当該受雷部は、雷からの電流を受け取るように配置および構成されている。受雷部は、この電流を地面へ伝えるための避雷針に接続されている。
これにより、従来はロータブレード上に受雷部が全く存在しなくても、または、ロータブレードに更に受雷部を追加するように設けられていても、既存のロータブレードに受雷部を追加して後付けすることにより、容易に実現することができる。この電流を地面へ伝えるための避雷針に受雷部を接続しなければならないことが明らかである。これにより、雷を受雷部へより効率的に誘導できるようにするため、および/または、受雷部自体を更に追加してロータブレードに統合するために、渦発生体を既存のロータブレードに増備するフレキシビリティが得られる。
本発明の他の1つの実施形態では前記渦発生体は、特にロータブレードの揚抗比を増大させることによって、当該ロータブレードの効率を更に増大させる。
ここで留意すべき点は、上述の渦発生体は第一に、雷を引きつけるために渦を発生させて雷を受雷部へ誘導する目的で用いられるものであることである。この目的を果たすためには、空気力学的な検討を考慮する必要はない。よって、渦発生体はたとえば、比較的大型に構成することが可能である。具体例を挙げると、全長が75mである風力タービンの通常のロータブレードの場合、流れの剥離を制御するための典型的な渦発生体、および/または、前縁の汚れに関連する典型的な渦発生体の垂直方向の寸法は、数mmから最大1cmまたは2cmまでである。このようにサイズが比較的小さい理由の1つは、渦発生体を10個とする群でロータブレード上に取り付けられることが多い渦発生体の抗力を低減するためである。
このような従来の空気力学的な渦発生体とは対照的に、雷を引きつけるために用いられる単独の渦発生体の寸法は、上述の数値より大きくすることも可能である。たとえば、数cmのサイズを有する渦発生体が最適であり得る。その理由は、雷保護構成における渦発生体の第一の役割は、当該渦発生体が配置された場所より下流の寸法が十分である、十分な大きさの渦を発生させることだからである。
要するに、ここで強調すべき点は、雷を受雷部へ誘導するのに用いられる渦発生体は更に空気力学的な目的も有することが可能であるが、このことは必須要件ではないことである。
本発明はまた、空気流の渦を発生させるための渦発生体と、雷からの電流を受け取るための受雷部とを有する、風力タービン用のロータブレードにも関し、当該渦発生体は当該ロータブレードの表面に配置されている。前記渦発生体と受雷部との相対的な配置は、当該渦発生体により発生した渦により雷が当該受雷部へ誘導されるようになされている。
換言すると本発明は、空気流の渦を発生させるための渦発生体と受雷部とを有する風力タービン用のロータブレードであって、当該渦発生体と当該受雷部との相対的な配置は、当該渦発生体によって発生した渦により雷が当該受雷部へ誘導されるようになされている。
特に本発明は、風力タービンのロータブレードに関する。
ここで留意すべき点は、雷を風力タービン用の受雷部へ誘導する方法に関して説明した特徴および改良形態は、風力タービン用のロータブレード自体にも適用可能であり、その逆も成り立つことである。
本発明の1つの実施形態では、前記受雷部が電流を地面へ伝えるために避雷針に接続されるように、前記ロータブレードが構成されている。
受雷部にて受け取られた雷を、風力タービンが設置された地面へ伝導することを実現する手法および方法は、種々存在する。当業者であれば、たとえばロータブレードからハブへ雷を送る手法、回転するハブから固定のナセルへ雷を送る手法、および、ナセルからヨーベアリングおよびタワーを介して地面へ雷を送る手法が明らかであるか、または、少なくとも将来的に知り得る。
他の1つの有利な実施形態では、受雷部は渦発生体より下流に配置されている。
渦は主にまたは専ら、渦発生体が配置された位置より下流にて形成されるので、受雷部を渦発生体より下流に配置するのが好適である。かかる構成により、渦に引きつけられた雷が受雷部の近傍を通り、ある程度離れてロータブレードの表面に沿って進行することがなくなることが保証される。
他の1つの有利な実施形態では、前記渦発生体はロータブレードの負圧側に配置されている。
ここで留意すべき点は、原則として渦発生体および受雷部の配置は、ロータブレードの正圧側および負圧側のいずれの側においても可能であることである。一部の事例では、かかる雷保護構成を両側に備えることも好適であり得る。しかし典型的には、落雷の大部分がロータブレードの負圧側に当たる。よって、渦発生体および受雷部を負圧側に配置するのが好適である。ここで留意すべき点は、ウィングレットがロータブレードの先端部分に備えつけられており、かつ、当該ウィングレットが60°または70°を超える大きな角度で曲げられている場合に好適なのは、受雷部および渦発生体を有する雷保護システムがウィングレットの両側に、すなわちウィングレットの正圧側と負圧側とに配置されていることである。ロータブレードの各側に渦発生体を設けることの利点は、当該渦発生体により発生した渦が、好適には、後縁より後側にて1つのより大きな渦にマージし、その後、ロータブレードの先端部分により発生した更に大きな先端渦にマージできることである。
他の1つの有利な実施形態では、前記渦発生体と受雷部との相互間の間隔を近くする。
特に、渦発生体と受雷部との間の距離は50cm未満であり、特に5cm未満である。
換言すると、好適なのは、渦発生体が受雷部の直近にあることである。本発明の1つの主な目的は、落雷がロータブレードの、受雷部から離れた場所に当たる率を低減することであるから、受雷部の端から端まで近距離で雷を誘導することが重要となるので、受雷部と渦発生体との間の距離を小さくするのが有利である。
ここで強調すべき点は、かかる値を50cm未満とすること、特に5cm未満とすることが有利であることは、50mから80mまでの長さに及ぶ風力タービンの標準的なロータブレードを基準としていることであり、長さが上述の標準的な範囲から偏差するロータブレードの場合、距離をより長くすること、またはより短くすることが好適となり得る。また、渦発生体と受雷部との間の距離を、スパン方向における当該受雷部の位置での翼弦長の5%未満とすること、特に、スパン方向における当該位置での翼弦長の2%未満とすることが有利であるともいえる。
他の1つの実施形態では、前記渦発生体と受雷部とは導電性材料によって接続されている。この追加的な接続により、渦に引きつけられた雷が場合によっては受雷部に受容される確率が高くなり得る。
しかしここで述べておきたい点は、従来技術に対するかかる実施形態の相違点は、雷は渦発生体の渦によって引きつけられて誘導されることであり、このことは従来技術には当てはまらず、また従来技術にて開示された事項でもない。
本発明の更に他の1つの実施形態では、渦発生体は受雷部の頂部に配置されている。
渦発生体は、受雷部の頂部に直接配置することができる。これに代えて択一的に、風力タービンのロータブレード上に複数の渦発生体対が取り付けられる場合に通常用いられる渦発生ストリップまたは渦発生ベース等の何らかの中間層を設けることも可能である。渦発生体が受雷部の頂部に配置される場合、特に好適なのは、渦発生体自体がたとえばステンレス鋼等の導電性材料から成ることである。
渦発生体を溶接によって、たとえばスポット溶接によって受雷部に取り付けることが可能である。ステンレス鋼以外の他の択一的な導電性材料は、たとえばアルミニウム、銅、炭素、またはたとえば真鍮等の合金である。
ここで留意すべき点は、受雷部をロータブレードの外皮に組み込んだ後に渦発生体を当該受雷部に固定できることである。このことは新品のロータブレードでも行うことができ、または、風力タービンの既設のロータブレードに後付けすることも可能である。
雷保護構成が新品のロータブレード上に配置される場合には、たとえばロボット等による自動化が有利であることが明らかである。
最後に本発明は、雷を引きつけるための渦の使用にも関する。この渦は、風力タービンのロータブレードの表面に配置された渦発生体により発生し、その後、雷はこの渦によって受雷部へ誘導される。
既に説明したように、従来技術では、渦発生体は空気力学的な装置としてしか知られていなかった。その場合、渦発生体により発生した渦はたとえば、失速をより大きな迎え角まで遅延させるためにロータブレードの境界層にエネルギーを再供給する目的で用いられるものである。たとえば砂、塵埃または虫等により前縁が汚れた場合にも、渦発生体はロータブレードの効率に好影響を及ぼす。
本発明の重要な思想は、雷を引きつけるために渦を使用することである。雷を受雷部へ誘導する方法についての詳細な説明と、雷保護システムを備えたロータブレードの開示とにより、雷を引きつけるためにどのように渦を用いるかが既に図示および開示されている。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面の記載事項は、例示列挙に過ぎない。
図面の内容は概略図である。複数の異なる図において、類似または同一の構成要素には同一の符号を付している場合があることに留意されたい。
図1に風力タービン10を示す。風力タービン10はナセル12とタワー11とを有する。ナセル12はタワー11の頂部に取り付けられる。ナセル12はヨーベアリングによってタワー11に対して相対回転可能に取り付けられている。タワー11に対するナセル12の回転軸を「ヨー軸」という。
風力タービン10は、3つのブレード20を備えたハブ13も含む(図1には、これらのブレード20のうち2つのロータブレード20を示す)。ハブ13は主軸受によってナセル12に対して相対回転可能に取り付けられている。ハブ13は、ロータの回転軸14を中心として回転可能であるように取り付けられている。
風力タービン10はさらに、ハブ13を発電機15のロータに接続する主軸も含む。ハブ13はロータに直接接続されているので、当該風力タービン10は、ギアレス直接駆動式風力タービンと称される。他の択一的な実施形態として、ギアボックスを介してハブ13をロータに接続することも可能である。この種の風力タービンは、ギアード風力タービンと称される。
発電機15はナセル12内に収容されている。この発電機15はロータおよびステータを含む。発電機15は、ロータからの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置および構成されている。
図2は、風力タービンのロータブレード20を示す図である。ロータブレード20は付け根部分21を含み、この付け根部分21は、付け根211と、先端221を有する先端部分22とを有する。付け根211と先端221とは、ロータブレード20の形状に沿ったスパン26を介して、仮想的に繋がっている。ロータブレードが方形の物であるとしたならば、スパン26は直線となるが、ロータブレード20は、厚さが一定でないという特徴を有するので、スパン26も若干湾曲している又は曲がっている。ここで留意すべき点は、ロータブレード20自体が曲がっている場合には、スパン26も曲がることである。
ロータブレード20はさらに、前縁241を有する前縁領域24と、後縁231を有する後縁領域23とを含む。
後縁領域23は後縁231を囲っており、前縁領域24も同様に、前縁241を囲っている。
スパン方向の各位置にて、前縁241と後縁231とを繋ぐ翼弦線27を画定することができる。この翼弦線27はスパン26に対して垂直であることに留意されたい。肩部28は、翼弦線が最大翼弦長になる領域にて画定される。
さらにロータブレード20は、当該ロータブレード20の、付け根部分21に隣接する半分を含む内側部分と、当該ロータブレード20の、先端部分22に隣接する半分を含む外側部分とに分割することができる。
図3に、ロータブレードの先端部分22を示す。先端部分22は負圧側251と正圧側252とを含む(後者の正圧側252は、図3では直接見えない場所にある)。さらに、ロータブレードは前縁241を含み、かつ、当該前縁241とは反対側に後縁231を含む。負圧側251に、渦発生体31と受雷部41とが取り付けられている。渦発生体31は受雷部41から間隔を置いて、かつ当該受雷部41の近傍に配置されている。空気流が前縁241から後縁231へ流れると、渦発生体31によって渦32が発生する。渦32はスパイラルとも称する。如何なる場合にも、回転方向および回転軸33は渦32を基準とすることができる。
図4は、図3と同じ実施形態を、異なる視点から見た図である。図3は、前縁241から見たロータブレードの先端部分22の斜視図であるのに対し、図4は、ロータブレードの負圧側251を上方から見たときの当該ロータブレードの先端部分22を示す図である。この上面図では、渦発生体31と受雷部41との間の距離を認識することができる。
図3および図4の具体例では、スパン方向における渦発生体31の位置でのロータブレードの翼弦長は約70cmである。ここで留意すべき点は、受雷部41と渦発生体31との間の距離42は2cmのみであるということである。かかる距離により、渦の消失端部から渦源すなわち渦発生体31自体に至るまで誘導される雷が渦発生体31まで誘導され、受雷部41の直近を通ることが保証される。ここで雷は避雷針まで伝えられ、それから地面へ伝えられる。
図5に、ロータブレードの先端部分22の他の実施形態を示す。同図は、先端部分22を後縁231から見たものである。具体的には、ロータブレードは前縁領域から後縁領域へ空気流が流れるように配置および構成されているので、図5のロータブレードは、下流の視点から見たものである。図5においても、渦発生体31を認識することができる。渦発生体31そのものより更に注目すべき点は、渦発生体31によって発生する渦32である。同図では、この渦が時計回りの第1の回転方向31を有することも分かる。
ロータブレードは先端221を有する。空気流がロータブレードの端から端まで流れると、先端221において先端渦51が発生する。先端渦51は、ロータブレードより下流の空気圧に影響を及ぼす。この影響は、典型的な稼働条件下において、ロータブレードより数m下流にて測定することができる。第2の回転方向52は、先端渦51のものであり得る。図5の実施例では、先端渦51の第2の回転方向52は時計回りである。第2の回転方向52が時計回りであることは、かかる構成により、比較的小さい渦32と、より大きな先端渦51とがマージし、更なる渦を生成し得る追加的な如何なるノイズも引き起こさないという理由により、有利である。

Claims (15)

  1. 風力タービン(10)用のロータブレード(20)の受雷部(41)へ雷を誘導する方法であって、
    ・前記ロータブレード(20)の表面に配置された渦発生体(31)によって空気流の渦(32)を生成するステップと、
    ・前記渦(32)によって雷を引きつけるステップと、
    ・前記雷を前記受雷部(41)へ誘導するステップと
    を有することを特徴とする方法。
  2. ・前記生成された渦(32)は、前記ロータブレード(20)の先端部分(22)に位置し、
    ・前記渦発生体(31)により生成される渦(32)は、第1の回転方向(34)を有し、
    ・前記ロータブレード(20)の前記先端部分(22)の形状により発生する先端渦(51)は、第2の回転方向(52)を有し、
    前記第1の回転方向(34)と前記第2の回転方向(52)とは、実質的に等しい、
    請求項1記載の方法。
  3. 前記渦発生体(31)は、前記ロータブレード(20)に後付けされている、
    請求項1または2記載の方法。
  4. ・前記受雷部(41)は、前記ロータブレード(20)に後付けされており、
    ・前記受雷部(41)は、雷による電流を受容するように配置および構成されており、
    ・前記受雷部(41)は、前記電流を地面へ伝えるための避雷針に接続されている、
    請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 前記渦発生体(31)は、特に、前記ロータブレード(20)の揚抗比を増大させることにより、当該ロータブレード(20)の効率を更に増大させる、
    請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. ・前記ロータブレード(20)の表面に配置された、空気流の渦(32)を生成するための渦発生体(31)と、
    ・雷による電流を受容するための受雷部(41)と
    を有する、風力タービン(10)用のロータブレード(20)において、
    前記渦発生体(31)と前記受雷部(41)との相対的な配置は、当該渦発生体(31)により生成された渦(32)により雷が当該受雷部(41)へ誘導されるようになされている
    ことを特徴とするロータブレード(20)。
  7. 前記受雷部(41)は、前記電流を地面へ伝えるための避雷針に接続されている、
    請求項6記載のロータブレード(20)。
  8. 前記受雷部(41)は、前記渦発生体(31)より下流に配置されている、
    請求項6または7記載のロータブレード(20)。
  9. 前記渦発生体(31)は、前記ロータブレード(20)の負圧側(251)に配置されている、
    請求項6から8までのいずれか1項記載のロータブレード(20)。
  10. 前記渦発生体(31)と前記受雷部(41)との相互間の間隔は近い、
    請求項6から9までのいずれか1項記載のロータブレード(20)。
  11. 前記渦発生体(31)と前記受雷部(41)との間の距離は50cm未満であり、特に5cm未満である、
    請求項6から10までのいずれか1項記載のロータブレード(20)。
  12. 前記渦発生体(31)は導電性材料を、特に鋼を含む、
    請求項6から11までのいずれか1項記載のロータブレード(20)。
  13. 前記渦発生体(31)と前記受雷部(41)とは、導電性材料によって接続されている、
    請求項6から12までのいずれか1項記載のロータブレード(20)。
  14. 前記渦発生体(31)は、前記受雷部(41)の頂部に配置されている、
    請求項6から13までのいずれか1項記載のロータブレード(20)。
  15. 雷を引きつけるための渦(32)の使用であって、
    ・風力タービン(10)用のロータブレード(20)の表面に配置された渦発生体(31)により渦(32)を生成し、
    ・次に、前記渦(32)によって雷を受雷部(41)へ誘導する
    ことを特徴とする渦(32)の使用。
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