JP2017050135A - 気流発生装置に発生した損傷の補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気流発生装置全体を交換する必要がなく、損傷箇所における短絡の再度発生が抑制された、気流発生装置に発生した損傷の補修方法の提供。【解決手段】気流発生装置１に発生した損傷の補修方法は、気流発生装置が（ｉ）誘電体２と、（ｉｉ）誘電体の内部に設けられた第１の電極３と、（ｉｉｉ）誘電体の表面または表面近傍に設けられた第２の電極４と、を備え、第１の電極と第２の電極とが、第１の電極の長手方向と第２の電極の長手方向とが平行となるように離間して配置され、かつ第１の電極の一端面と第２の電極の一端面との間に誘電体バリア放電が発生するように配置されたものであり、損傷の発生箇所が前記第２の電極が配置された誘電体表面であり、損傷５の開口部と、第２の電極の前記損傷の開口部へ向かうストリーマ発生箇所８とを非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料９で被覆することを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、気流発生装置に発生した損傷の補修方法に関するものである。

近年、全地球規模で再生エネルギー発電システムの導入が進められている。風力発電はその代表的な発電方式のひとつであるが、風速変動や風向変動によって発電量が左右されるため、発電出力を安定維持することが困難であり、風力発電システム自体を安定かつ高効率に運用する技術が強く望まれている。
こうした背景のもと、風車翼面にバリア放電プラズマによる気流を発生させる装置を設置することで風速変動や風向変動に対応した制御が可能な、風車翼、風力発電システムが考案されている（特許文献１）。

また風車が設置されるような屋外環境でも長時間使用可能であるように耐候性に優れ、機器の変形に追従可能である柔らかな素材で構成されたプラズマ気流発生装置が考案されている（特許文献２）。

しかしながら、気流発生装置１が備える、対向する電極間を絶縁する誘電体２には、飛来物との衝突などによって破断、亀裂、欠損などの損傷５が発生し、誘電体２内部に配置された電極３が気中に露出してしまう可能性がある（図１ＡおよびＢ参照）。
このような損傷が発生した状態のまま気流発生装置を稼働させた場合、気流発生装置が備える誘電体表面に配置された電極の一端面と、誘電体内部に配置された電極の一端面との間で発生する誘電体バリア放電に起因するストリーマが、損傷を経由して誘電体内部の電極にまで到達し、電極間を短絡させてしまう恐れがある。気流発生装置に一か所でも電極間の短絡が発生してしまうと、高電圧電源側で過電流検出される。従来はこのような損傷に起因する過電流が検出された場合には、短絡による破壊を防止するために気流発生装置を停止するため、翼表面の気流制御効率が著しく低下する。従って、その破壊を補修することが必要となるが、従来は気流発生装置の他の部分に損傷がない場合であっても、気流発生装置すべてを交換する必要があり、費用や時間などの面で大きな問題となっている。

特開２００８−２５４３４号公報 特開２０１４−２２６６２１号公報

本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、気流発生装置全体を交換する必要がなく、損傷箇所における短絡の再度発生が抑制された、気流発生装置に発生した損傷の補修方法を提供するものである。

実施形態による、気流発生装置に発生した損傷の補修方法は、
前記気流発生装置が
（ｉ）誘電体と、
（ｉｉ）前記誘電体の内部に設けられた第１の電極と、
（ｉｉｉ）前記誘電体の表面または表面近傍に設けられた第２の電極と、
を備え、前記第１の電極と前記第２の電極とが、前記第１の電極の長手方向と前記第２の電極の長手方向とが平行となるように離間して配置され、かつ前記第１の電極の一端面と前記第２の電極の一端面との間に誘電体バリア放電が発生するように配置されたものであり、
前記損傷の発生箇所が前記第２の電極が配置された前記誘電体表面であり、
前記損傷の開口部と、前記第２の電極の前記損傷の開口部へ向かうストリーマ発生箇所とを非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料で被覆することを含んでなることを特徴とするものである。

本発明によれば、気流発生装置自体を交換することなく、損傷箇所のみを補修し、損傷箇所における短絡の再度発生を抑制し、気流発生装置を再稼働することができる。

損傷が発生した気流発生装置を示す斜視図である。 実施形態による、損傷が発生した気流発生装置を示す模式断面図である（図１ＡのＡ−Ａ’線断面図）。 実施形態による、損傷が発生した気流発生装置を示す模式断面図である。 実施形態による、気流発生装置が配置された風力発電システムを示す斜視図である。 実施形態による方法で補修された、気流発生装置の模式断面図である。 実施形態による方法で補修された、気流発生装置の模式断面図である。 実施形態による方法で補修された、気流発生装置の模式断面図である。 実施形態による方法で補修された、気流発生装置の模式断面図である。 実施形態による方法で補修された、気流発生装置の模式断面図である。 実施形態による方法で補修された、気流発生装置の模式断面図である。

［気流発生装置］
本発明の気流発生装置の補修方法について説明する前に、この方法により補修される気流発生装置の一例について以下に説明する。
図１ＡおよびＢに示すように、一実施形態による補修方法の対象となる気流発生装置１は、
（ｉ）誘電体２と、
（ｉｉ）誘電体２の内部に設けられた第１の電極３と、
（ｉｉｉ）誘電体２の表面または表面近傍に設けられた第２の電極４と、を備えてなり、
第１の電極３の長手方向と第２の電極４の長手方向とが平行となるように、第１の電極３と第２の電極４とが離間して配置され、かつ第１の電極３の一端面と第２の電極４の一端面との間に誘電体バリア放電が発生するように、第１の電極３と第２の電極４とが、配置されたものである。
本実施形態によって補修される損傷５は、第２の電極４が配置された誘電体２表面に発生したものである。

図２に示すように、他の一実施形態による補修方法の対象となる気流発生装置１は、
（ｉ）第１の誘電体部材２ａと、
（ｉｉ）第１の誘電体部材２ａに積層された第２の誘電体部材２ｂと、
（ｉｉｉ）第１の誘電体部材２ａの第２の電極４側の表面若しくは表面近傍に設けられた第１の電極３と、
（ｉｖ）第２の誘電体部材２ｂの上表面若しくは上表面近傍に設けられた第２の電極４と、を備えてなり、
第１の電極３の長手方向と第２の電極４の長手方向とが平行となるように、第１の電極３と第２の電極４とが離間して配置され、かつ第１の電極３の一端面と第２の電極４の一端面との間に誘電体バリア放電が発生するように、第１の電極３と第２の電極４とが、配置されたものである。
本実施形態によって補修される損傷５は、第２の電極４が配置された第２の誘電体部材２ｂ表面に発生したものである。

［誘電体］
一実施形態において、誘電体は、可撓性材料を含んでなる。また、可撓性材料は、誘電体へ電気絶縁性を付与することができることから、非導電性樹脂材料であることが好ましい。
非導電性樹脂材料としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑樹脂および架橋性樹脂などが挙げられ、これらの中でも、気流発生装置の機械的強度や安定性を考慮すると、架橋性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂などが挙げられる。熱可塑性樹脂として、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどが挙げられる。また、架橋性樹脂としては、架橋反応により、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレン、エピクロルヒドリンゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ノルボルネンゴムなどの架橋ゴムを形成することができる樹脂が挙げられる。誘電体は、前記樹脂材料を１種または２種以上含んでいてもよい。

一実施形態において、誘電体は、スメクタイト群、カオリン群、マイカ群またはバーミキュライト群に属する層状ケイ酸塩などの無機微粒子を含んでなる。スメクタイト群に属する層状ケイ酸塩としては、モンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、バイデライト、ステブンサイトおよびノントロナイトなどが挙げられる。カオリン群に属する層状珪酸塩としては、カオリナイト、ナクライト、ディッカイトおよびハロサイトなどが挙げられる。マイカ群に属する層状ケイ酸塩としては、マスコバイト、マーガライト、イライト、クリントナイト、アナンダイト、バイオタイトおよびレピドライトなどが挙げられる。バーミキュライト群に属する層状ケイ酸塩としては、トリオクタヘドラルバーミキュライトおよびジオクタヘドラルバーミキュライトなどが挙げられる。これらのうちでも、分散性などの点からスメクタイト群に属する層状ケイ酸塩を用いることが望ましい。誘電体は、前記無機微粒子を１種または２種以上含んでいてもよい。

誘電体の表面は、本発明の方法により形成される被膜との接着性を向上させることができることから、コロナ処理、プラズマ処理などの表面活性化処理やカップリング剤やプライマー剤の塗布による表面修飾処理を施すことが好ましい。

一実施形態において、誘電体は、複数の誘電体部材を積層した積層体であってもよい。具体的には第１の誘電体部材と、第２の誘電体部材とからなる積層体とすることができる。このような構成とすることにより、気流発生装置の製造過程において、第１の電極を二つの誘電体部材で挟み込むことによって、誘電体に第１の電極を埋設した構造を容易に形成させることができる（図２参照）。なお、第１の誘電体部材を構成する材料と第２の誘電体部材を構成する材料とは同一であっても異なっていてもよい。ただし第１の誘電体部材と第２の誘電体部材の接着性および気流発生装置の機械的特性の観点から、第１の誘電体部材を構成する材料と、第２の誘電体部材を構成する材料とは同一であることが好ましい。

［第１の電極］
一実施形態において、気流発生装置１が備える第１の電極３は、誘電体２の内部に、第２の電極４から離間して配置される（例えば、図１ＡおよびＢ参照）。また、誘電体２が、第１の誘電体部材２ａと、第２の誘電体部材２ｂとからなる積層体からなる場合、第１の電極３は、前記第２の誘電体部材２ａの第２の電極４側表面若しくは表面近傍に配置されることが好ましい（図２参照）。いずれの場合においても、第１の電極３は、第２の電極４の長手方向に対し、その長手方向が平行となるように配置される。これは第１および第２の電極の間隔が一定で無いと、電極間隔の狭い部分で電界集中が起こる可能性があるためである。また、第２の電極は、第１の電極よりも、その長手方向の長さが長いことが好ましい。

実施形態による気流発生装置は、風車翼などに適用することを意図したものである。このため、風車翼の長手方向に渡って気流を発生させることが好ましいので、電極は一定の長さを有する柱状形状であることが好ましい。また、柱状電極の断面形状は、特に限定されず、例えば、四角形、半円形、半楕円形、円形および楕円形などが挙げられる。具体的には実施形態における、柱状電極とは、円柱状、角柱状、板状などの形状を有することができる。また、柱状電極の末端部分は、一般的には頂点が存在するが、末端部分を丸めて頂点を有さない形状とすることもできる。実施形態に用いられる第１の電極は、これらのうちから目的に応じて適切な形状を有するものとすることができる。

［第２の電極］
気流発生装置が備える第２の電極４は、前記誘電体２の表面または表面近傍に、その長手方向が、第１の電極３の長手方向と平行となるように離間されて設けられる。気流発生装置がこのような構成を、を有していることにより、図１Ａに示すように、誘電体バリア放電に起因するストリーマ６が、第２の電極４の誘電体バリア放電が発生する一端面である、ストリーマ発生側面７に対して法線方向に進展する。
本発明の方法は、後述するように、ストリーマ発生側面７のうち、第２の電極の損傷の開口部へ向かうストリーマの発生箇所８を覆うように被膜を設けることを特徴とする。

誘電体の表面には、第１の電極および第２の電極にケーブル配線を介して電圧を印加した際、放電プラズマが発生する。そのため、第２の電極は、耐放電性や耐酸化性を有する導電性材料を含んでなることが好ましい。第２の電極が含んでなる導電性材料としては、例えば、ニッケル、ステンレス、チタン、モリブデン、タングステンおよびこれらの合金などの金属材料が挙げられる。これらの中でも、耐酸化性および耐放電性に特に優れるため、タングステンおよびチタンが好ましい。

第２の電極の形状は、前記した第１の電極の項において述べたものから選択することができる。なお、第２の電極の形状は、第１の電極の形状と同一である必要は無い。

後述するように、第２の電極の損傷の開口部へ向かうストリーマ発生箇所は、非導電性樹脂材料を含んでなる被膜により覆われる。この被膜との接着性を向上させるために、コロナ処理、プラズマ処理などの表面活性化処理やカップリング剤やプライマー剤の塗布による表面修飾処理を施すことが好ましい。

［気流発生装置に発生した損傷の補修方法］
一実施形態において、気流発生装置に発生した損傷の補修方法は、損傷の開口部と、第２の電極の損傷の開口部へ向かうストリーマ発生箇所とを非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料で被覆することを含んでなる。

このように、損傷の開口部を非導電性材料を含む第１の被膜により覆うことにより、ストリーマの損傷を経由した第１の電極への到達およびこれに起因する電極間の短絡を防止することができる。また、第２の電極のストリーマ発生箇所を非導電性樹脂材料を含む第１の被膜により覆うことにより、電極の損傷の開口部へ向かうストリーマの発生および電極間の短絡を防止することができる。

一実施形態において、上記した第１の被膜は、非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料を、必要に応じ加熱溶融した後、塗布し、また、必要に応じて加熱乾燥させることにより得ることができる。この場合、被覆材料は、液体状であっても、ペースト状であってもよい。
第１の被膜を設けた場合であっても、第１の被膜と誘電体との間に気泡や空隙が存在すると、ストリーマが発生し、第１の電極に到達してしまうおそれがある。被覆材料が液状である場合、そのような空隙の発生を防ぐことができる。また、液状の被覆材料を使用すれば、損傷内部に侵入し、被膜を形成するため、第１の被膜が、損傷へ嵌入した被膜を形成することができる。また、第１の被膜は損傷深さの５０％程度、好ましくは８０〜１００％、嵌入するように形成することが好ましい。

第１の被膜を形成する際に使用する被覆材料が、非導電性樹脂材料として後述する架橋性樹脂を含んでなる場合、接着性および作業効率を向上させるために、被覆材料の塗布後に架橋性樹脂を架橋させ、架橋ゴムとすることが好ましい。架橋方法は、特に限定されるものではなく、大気中の湿気と反応させることにより行ってもよく、紫外線、可視光線、太陽光線などの光照射により行ってもよい。

第１の被膜を構成する被覆材料に含まれる非導電性樹脂材料としては、上記した熱硬化性樹脂、熱可塑樹脂および架橋性樹脂などが挙げられる。これらの中でも、気流発生装置の機械的強度や安定性を考慮すると、架橋性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂や架橋性樹脂などの例は前記した通りである。また、接着性を向上させることができるため、非導電性樹脂材料は、誘電体を構成する樹脂材料と同一であることが好ましい。また、非導電性樹脂材料は、１液硬化型であっても、２液硬化型であってもよいが、脱泡などの必要がなく、作業性を高めることができることから、１液硬化型であることが好ましい。第１の被膜は、上記した非導電性樹脂材料を１種または２種以上含んでいてもよい。

被覆材料は、重合開始剤を含んでいてもよい。また、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、トルエン、キシレンなどの芳香族短歌水素系溶媒、酢酸メチル、酢酸エチルなどのエステル系溶媒、またこれらの混合溶液を含んでいてもよい。さらに、本発明の目的を損なわない範囲において、酸化防止剤、ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、サリシレート系、等の紫外線吸収剤、ヒンダードアミン系光安定剤、難燃剤などの添加剤を含んでいてもよい。

被覆材料の粘度は、０．１〜５０Ｐａ・ｓであることが好ましい。被覆材料の粘度を前記数値範囲のような低粘度とすることにより、空隙の発生を防ぐことができ、また、作業効率を向上させることができる。より好ましくは、０．５〜３０Ｐａ・ｓであり、さらに好ましくは、１〜１０ｍＰａ・ｓである。

第１の被膜の形成方法は、前記した方法に限られるものではなく、一実施形態において、被膜は、非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料を押出成形などによりシート状に成形し、これを接着剤などを介して貼り合わせることにより得ることができる。

第１の被膜の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、０．０１〜２ｍｍであることが好ましく、０．０５〜０．１ｍｍであることがより好ましい。

第１の被膜の投影断面積は、特に限定されるものではないが、図１Ａに示すように、損傷の開口部の開口径ｄは通常０．０５〜３ｍｍであり、開口部面積は０．００２〜７ｍｍ^２であるためこれを覆うことができる程度の表面積を有していることが好ましい。より好ましくは、第一の被膜の気流発生装置の長手方向長さが１０ｍｍ以上、さらに好ましくは、２０ｍｍ以上であることが好ましい。

また、一実施形態において、上記した第１の被膜を非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料で被覆することを含んでなる。気流発生装置１は、風力発電システム１１の風車翼１２に設置され（図３参照）、高速で回転されるため、大気中の浮遊物質や雨粒などにより第１の被膜が減肉されてしまうおそれがある。このように、第１の被膜を覆う被膜（以下、場合により第２の被膜という。）を形成することにより、損傷およびストリーマ発生箇所を覆う被膜を厚肉化することができる。なお、第２の被膜は、上記した被膜の形成方法と同様の方法により形成させることができる。

第２の被膜を構成する被覆材料に含まれる非導電性樹脂材料としては、上記した樹脂材料を使用することができる。また、第２の被膜を構成する非導電性樹脂材料は、第１の被膜を構成する非導電性樹脂材料と同一であっても異なっていてもよいが、接着性という観点からは、同一のものであることが好ましい。

第２の被膜を構成する被覆材料の粘度は、５０Ｐａ・ｓ以上であることが好ましい。第２の被膜を構成する混合物の粘度を前記数値範囲のような高粘度とすることにより、被膜をより厚肉化することができる。より好ましくは、１００Ｐａ・ｓ以上であり、さらには、ペースト状のものが好ましい。

第２の被膜の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５〜３ｍｍであることが好ましく、０．５〜２ｍｍであることがより好ましい。

第２の被膜を設ける場合、接着性を向上させるために、損傷の開口部および誘電体バリア放電起因性ストリーマ発生箇所を覆う被膜表面に、上記したような表面活性化処理や表面修飾処理を施すことが好ましい。

以下に、気流発生装置の補修方法のさらに具体的な態様を示す。

一実施形態において、気流発生装置の補修方法は、図４に示すように、損傷５の開口部および第２の電極の損傷の開口部へ向かうストリーマの発生箇所を事実上すべて覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる単一の第１の被膜９を形成することを含んでなる。ストリーマは、開口部と電極との間に発生するが、通常、電極側には広がりのある扇型に発生する。したがって、電極側の比較的広い部分を第１の被膜９で被覆する必要がある。本実施形態に係る方法によれば、損傷５の開口部とストリーマ発生箇所８とを同時に被覆することができるため、作業効率を向上させることができる。

本実施形態においては、上記第１の被膜９を覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる第２の被膜１０を設けることが好ましい（図５参照）。気流発生装置１は、風車翼１２に設置され（図３参照）、高速で回転されるため、大気中の浮遊物質や雨粒などにより被膜が減肉されてしまうおそれがある。この第１の被膜９を覆うように第２の被膜１０を設けることにより、損傷５の開口部および第２の電極のストリーマ発生箇所８を覆う被膜を厚肉化することができる。

一実施形態において、気流発生装置の補修方法は、図６に示すように、損傷５の開口部および第２の電極のストリーマ発生箇所８のそれぞれを別個に覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる第１の被膜９ａおよび９ｂを離間して独立に設けること、を含んでなる。

本実施形態においては、第１の被膜９ａおよび９ｂの両方を覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる単一の第２の被膜１０を設けることが好ましい（図７参照）。
また、第１の被膜９ａおよび９ｂをそれぞれ別個に覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる第２の被膜１０ａおよび１０ｂを離間して独立に設けることもできる（図８参照）。

一実施形態において、気流発生装置の補修方法は、図９に示すように、第２の電極のストリーマ発生箇所８を覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる第１の被膜９を設け、第１の被膜９および損傷５の開口部を覆うように、非導電性樹脂材料を含んでなる第２の被膜１０を設けることを含んでなる。

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。これらの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。

１ 気流発生装置
２ 誘電体
２ａ 第１の誘電体部材
２ｂ 第２の誘電体部材
３ 第１の電極
４ 第２の電極
５ 損傷
６ ストリーマ
７ 第２の電極のストリーマ発生側面
８ 第２の電極の損傷の開口部へ向かうストリーマの発生箇所
９ 第１の被膜
９ａ 第１の被膜
９ｂ 第１の被膜
１０ 第２の被膜
１０ａ 第２の被膜
１０ｂ 第２の被膜
１１ 風力発電システム
１２ 風車翼

Claims (10)

1. 気流発生装置に発生した損傷の補修方法であって、
   前記気流発生装置が
   （ｉ）誘電体と、
   （ｉｉ）前記誘電体の内部に設けられた第１の電極と、
   （ｉｉｉ）前記誘電体の表面または表面近傍に設けられた第２の電極と、
   を備え、前記第１の電極と前記第２の電極とが、前記第１の電極の長手方向と前記第２の電極の長手方向とが平行となるように離間して配置され、かつ前記第１の電極の一端面と前記第２の電極の一端面との間に誘電体バリア放電が発生するように配置されたものであり、
   前記損傷の発生箇所が前記第２の電極が配置された前記誘電体表面であり、
   前記損傷の開口部と、前記第２の電極の前記損傷の開口部へ向かうストリーマ発生箇所とを非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料で被覆し、第１の被膜を形成することを含んでなることを特徴とする、方法。
2. 前記第１の被膜が、非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料を塗布し、加熱乾燥させることにより形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の被膜を、非導電性樹脂材料を含んでなる被覆材料で被覆して、第２の被膜を形成することをさらに含んでなる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の被膜を形成する被覆材料と、第２の被膜を形成する被覆材料とが同一の材料である、請求項３に記載の方法。
5. 前記開口部の開口径が、０．０１〜３ｍｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１の被膜が、前記開口部および前記ストリーマ発生箇所をすべて覆う単一の被膜である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記開口部を被覆する第１の被膜と、前記ストリーマ発生箇所を被覆する第２の被膜とが、離間して独立に形成された被膜である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１の被膜を構成する被覆材料の粘度が、０．１〜５０Ｐａ・ｓである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第２の被膜を構成する被覆材料の粘度が、５０Ｐａ・ｓである、請求項３〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１の被膜および／または前記第２の被膜を構成する被覆材料が、架橋ゴムを含んでなる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

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