JP2018053900A - 風力発電機用ブレードおよび風力発電機用ブレードの検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】避雷導線における断線の有無を簡易かつ効率的に検査することができる風力発電機用ブレードおよび風力発電機用ブレードの検査方法を提供する。
【解決手段】風力発電機に使用される風力発電機用ブレードであって、内部空間を有する中空状のパイプと、中空状のパイプの外側であって、当該中空状のパイプに隣接して設けられた避雷導線と、を備え、内部空間は、避雷導線の断線の検査に用いられる導体を挿入するためのものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電機用ブレードおよび風力発電機用ブレードの検査方法に関する。

環境保護、エネルギー問題に対する意識の高まりから、再生可能エネルギーへの期待が、以前にも増して高まっている。再生可能エネルギーの中でも風力発電は有効な手段の一つであり、風力発電機の安全かつ安定的な運転は、風力発電の重要なポイントである。

風力発電機を構成する部品の中で、ブレードには落雷が生ずることも多く、一般的に雷を受ける金属製の受雷部（レセプター）がブレードの先端に設けられ、電流を逃がすための避雷導線が受雷部からブレードの根元に延びるように設けられている。

落雷による大電流と衝撃のため、避雷導線は損傷を受けることも多く、このような事態を想定して、避雷導線の構造や、その健全性を検査する技術が提案されている。

特許文献１は、風車のブレードに雷受電部を設け、落雷した雷電流を避雷導線、ブレードハブ、タワーを経由して地中に導くようにした風車ブレードの落雷保護装置を開示している。雷受電部が複数個用意され、避雷導線の先端に取付け、該避雷導線を押し出す（繰り出す）ことにより、ブレードハブからブレードの表面の所定位置まで該ブレード内に配置されたガイドパイプを通って案内移動され、ブレードの表面の所定位置に露出固定され、且つ避雷導線を引き抜くことにより所定位置からブレードハブまでブレード内をガイドパイプ内を通って案内移動されブレードハブ内に収容するように構成されている。

特許文献２は、風車ブレードに内蔵された避雷導線の断線を検出するための断線検出装置において、避雷導線の一端から他端のレセプタに向けてステップ波形状の検査信号を注入する検査信号発生器と、この検査信号発生器の避雷導線側の電圧または電流波形を観測してその波形が避雷導線の非断線時における波形と異なることから避雷導線の断線を検出する測定器と、を備える。

特開２００９−２５００４０号公報 特開２０１３−２９３５１号公報

特許文献１の技術によれば、雷受電部の交換は可能であるが、避雷導線の断線の有無を検査するためには、高所に設置されたブレードの受雷部に接触する必要があり、高所作業車を用いた検査作業に非常に多くの手間がかかる。また、断線位置の特定が困難であることから、仮に避雷導線が修理しやすい場所で断線していた場合においても、避雷導線全体を交換することとなり、効率的な補修が難しい。一方、特許文献２の技術によれば、検査信号を注入する検査信号発生器や、波形を検出する測定器等の専用の機器を新たに開発する必要がある。また、特許文献２において開示されているような単線の避雷導線の断線の有無を検出する機器は、実際のところ実現していない。

本発明は、簡易かつ効率的に避雷導線の断線の有無を検査することが可能な風力発電機用ブレードおよび風力発電機用ブレードの検査方法を提供する。

本発明は、風力発電機に使用される風力発電機用ブレードであって、内部空間を有する中空状のパイプと、前記中空状のパイプの外側であって、当該中空状のパイプに隣接して設けられた避雷導線と、を備え、前記内部空間は、前記避雷導線の断線の検査に用いられる導体を挿入するためのものである。

本発明は、風力発電機に使用される風力発電機用ブレードであって、内部空間を有し、導体により構成され避雷導線として作用する中空状のパイプを備え、前記内部空間は、前記避雷導線の断線の検査に用いられる導体を挿入するためのものである。

本発明によれば、避雷導線における断線の有無及び断線がある場合はその位置を簡易かつ効率的に検査することが可能となる。

風力発電機および風力発電機用ブレードを説明する図であって、（ａ）は、風力発電機および風力発電機用ブレードの外観図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った風力発電機用ブレードの断面図である。 風力発電機用ブレードを、ＴＤＲ検査装置を用いて検査する状況を示す図である。 風力発電機用ブレードの変形例を示す図であり、（ａ）は、同軸ケーブルが配置された変形例であり、（ｂ）は、同軸ケーブルの一種である波付鋼管がい装ケーブルの拡大図であり、（ｃ）は、検査用の導線を通すための予備管が設けられた変形例の断面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る風力発電機用ブレードの検査方法の具体的な実施の形態について説明する。

図１（ａ）は風力発電機１の外観図である、本例の風力発電機１では、３枚の風力発電機用ブレード（以下、「ブレード」という）１０が中心のハブ２に設けられている。ハブ２はタワー４の上端において、風向きの方向に回転可能に支持されているナセルの内部に設けられた図示せぬ発電機に接続されている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿ったブレード１０の断面図である。ブレード１０はその外殻を構成するブレードシェル１１と、骨組みを構成するスパー１２を含む。一般的にブレードシェル１１、スパー１２は、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics；ガラス繊維強化プラスチック）、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics；炭素繊維強化プラスチック）等の如き、強度の高いＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics；繊維強化プラスチック）により構成されている。そして、ブレードシェル１１とスパー１２は、所定の接着剤等を用いて接着部１３で接続されている。

ハブ２とともに回転するブレード１０には大きな流体力および遠心力がかかる。また、ブレード１０には落雷が生ずることも多い。このため、雷を受ける金属製の受雷部（レセプター）１５が、ブレードシェル１１から露出した状態でブレード１０の先端に設けられ、電流を逃がすための避雷導線（金属線、特に銅線）１７が受雷部１５からブレード１０の根元に向かって延びるように設けられている。避雷導線１７の電位は、大地の電位とほぼ同じである。

落雷による大電流および衝撃（ブレードの長手方向における曲げなど）のため、避雷導線１７は損傷を受けることも多く、断線する場合もある。断線箇所ではアーク放電がブレード１０の内部でも発生することもあり、そのエネルギーにより気体の膨張等、好ましくない状況を招く恐れがある。このような事態を想定して、避雷導線１７の検査は簡易かつ効率的に行えるのが望ましいが、ブレード自体が高所に設置されていることから、直接接触することが難しくテスター等により電気的な導通確認することが煩雑であることが多く、適切な検査方法は未だ提案されていない。

このような事態に鑑み、本実施形態のブレード１０においては、受雷部１５に接続された避雷導線１７は、互いに略平行に配置された２本の（一組の）第１の避雷導線１７ａ、第２の避雷導線１７ｂを含む。本実施形態では、第１の避雷導線１７ａ、第２の避雷導線１７ｂは、ブレードシェル１１とスパー１２との間に設けられているが、その位置は特に限定されない。ただし、本実施形態では、第１の避雷導線１７ａ、第２の避雷導線１７ｂは、互いに全長領域で静電結合するように並列して配置されている。そして、このような少なくとも一組の避雷導線が設けられた構造により、避雷導線の検査が簡易かつ効率的なものとなる。

図２は、本実施形態のブレード１０を、ＴＤＲ検査装置２０を用いて検査する状況を示す図である。ＴＤＲ検査装置２０は、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry；時間領域反射率測定）法を用いて、一般的の金属導線（導体）の断線の有無を検出する装置である。ＴＤＲ法は、避雷導線の如き導体の一端にパルス波からなるパルス信号を入射させ、反射波を観測して導体の特性インピーダンスを測定する方法である。ただし、ＴＤＲ法の実施にあたっては、少なくとも２本の導体が存在し、当該２本の導体が静電結合し、所定の静電容量が発生していることが必要である。そして、一つの導体が検査対象となり、他方の導体が疑似的に一つの導体の比較対象となることで、各導体の全長に対応した安定的なサージインピーダンス（特性インピーダンスの一種）を得ることができる。

導体に何らかの理由により断線が生じた場合、サージインピーダンスが断線の箇所で大きく変化し、入射パルス波の反射波が発生する。すなわち、反射波が戻ってくる観測時間を測定することにより、導体の断線の有無を検査することができる。

そこで、本実施形態では、第１の避雷導線１７ａを検査対象の導体、第２の避雷導線１７ｂを比較対象の導体と見立てて、ＴＤＲ検査装置２０によりパルス波を第１の避雷導線１７ａ、第２の避雷導線１７ｂに入射させる。そして、ＴＤＲ検査装置２０がパルス波の反射波を観測して、検出した観測時間を測定し、第１の避雷導線１７ａの断線の有無を判定する。また、第１の避雷導線１７ａを比較対象の導体、第２の避雷導線１７ｂを検査対象の導体と見立ててもよい。

尚、サージインピーダンスおよび導体の断線箇所までの距離について説明する。ある導体上のある点おける電圧パルスの反射波の大きさをＥ_ｒ、入射波の大きさをＥ_ｉとする。Ｅ_ｒとＥ_ｉの比Ｅ_ｒ／Ｅ_ｉは下記の式で表される。

（１）式において、Ｚ_Ｌはある点における入射波の進行方向側のサージインピーダンス、Ｚ_０は進行方向と逆側のサージインピーダンスである。

２本の断線の無い導体が存在する場合、その中間点においてはＺ_Ｌ＝Ｚ_０となり、（１）式からＥ_ｒ＝０となる。すなわち、その点で入射波の反射は生じない。

しかしながら、Ｚ_０が２本の断線のない導体のサージインピーダンス、Ｚ_Ｌがその端部のサージインピーダンスを表す場合、電気的に接続されていない終端開放の状態において、Ｚ_Ｌ＝∞となるため下記の（２）式が成り立つ。

（１）式および（２）式から、Ｅ_ｒ＝Ｅ_ｉとなる。すなわち導体端部で全反射を生じる。

一方、２つの導体が電気的に接続されている終端短絡の状態において、断線がない場合は、その短絡部においてはＺ_Ｌ＝０となり、以下の（３）式が成立する。

（１）式および（３）式から、Ｅｒ＝−Ｅｉとなる。すなわち導体端部で入射されたパルス波と位相が反転した反射波を生じる。

また、検査対象の導体において、入射波が入射する端部から断線箇所までの距離がＤ、パルス波の伝搬速度がｖ_ｐ、入射波の入射から反射波の観測までの観測時間がＴである場合、以下の（４）式が成立し、端部までの距離を判定することができる。

この式により算出されるＤが導体長さより短い場合、当該導体の途中で端部が存在する、すなわち断線が生じていると判断できる。

本実施形態では、第１の避雷導線１７ａまたは第２の避雷導線１７ｂの全長（パルス波の入射端部から受雷部１５までの長さ）を、断線の有無を検査する検査対象領域とみなしている。ただし、必ずしも避雷導線全長を検査対象領域とする必要はなく、第１の避雷導線１７ａまたは第２の避雷導線１７ｂの一部のみを検査対象領域としてもよい。例えば受雷部１５から半分の長さまでのみ、第１の避雷導線１７ａと第２の避雷導線１７ｂが静電結合している場合、当該半分の長さを検査対象領域とすることができる。

また、本実施形態では、第１の避雷導線１７ａと第２の避雷導線１７ｂが、それぞれの一端において、受雷部１５で電気的に接続されているが、第１の避雷導線１７ａと第２の避雷導線１７ｂが必ずしも一端で電気的に接続されている必要はない。第１の避雷導線１７ａと第２の避雷導線１７ｂが少なくともいずれかの検査対象領域で静電結合されていればよい。本実施形態では、第１の避雷導線１７ａと第２の避雷導線１７ｂの両方が、一端で受雷部１５に電気的に接続されており、どちらも避雷導線として機能する。いずれかが断線しても、断線の位置を把握することができる。

また本実施形態では、第１の避雷導線１７ａを検査対象の導体、第２の避雷導線１７ｂを比較対象の導体と見立てる、または、第１の避雷導線１７ａを比較対象の導体、第２の避雷導線１７ｂを検査対象の導体と見立てることにした。このことから、第１の避雷導線が本来の避雷導線であるとともに、第２の避雷導線１７ｂが、避雷導線としての機能を有する比較対象としての導体であるということもできる。

第１の避雷導線１７ａ、第２の避雷導線１７ｂは、金属単線や、より線により構成することができる。

図３はブレード１０の変形例を示す図である。図３（ａ）は、避雷導線としての機能を有する同軸ケーブル１８が配置されたブレード１０の断面図である。本発明では、少なくとも本来の避雷導線と、当該避雷導線に静電結合する導体が存在すればよい。そこで本変形例では、導体を内部空間を有する中空状の筒体１７ｃにより構成し、本来の避雷導線である第１の避雷導線１７ａが、導体である筒体１７ｃに静電結合するように筒体１７ｃの内部空間に配置されている。このような構成によっても、図２に示すように、第１の避雷導線１７ａと筒体１７ｃにパルス波を入射し、第１の避雷導線１７ａの断線の有無を検査することができる。尚、第１の避雷導線１７ａと筒体１７ｃは、互い同心円状になるように、断面の中心点が一致するように配置するのが好ましい。

図３（ｂ）は、同軸ケーブルの一種である波付鋼管がい装ケーブル１８ａの拡大図であり、波付鋼管がい装ケーブル１８ａをブレード１０に配置してもよい。波付鋼管がい装ケーブル１８ａは、第１の避雷導線１７ａを含む内部ケーブルと、筒体１７ｃとして機能する波付交換がい装と、防食性を有する最外層１７ｄとを備える。波付鋼管がい装ケーブル１８ａは機械的強度に優れ、防食性も高い。

図３（ｃ）は、検査用の導線を通すための予備管であるパイプ１９が設けられたブレード１０の断面図である。ブレード１０に予め中空状のパイプ１９を設けておき、パイプ１９内に所定の導体を挿入した後、第１の避雷導線１７ａとこの導体に対し、ＴＤＲ検査装置２０によりパルス波を入射し、第１の避雷導線１７ａの検査対象領域における断線の有無を判定することができる。このような形態によっても、避雷導線における断線の有無を簡易かつ効率的に検査することができる。

また、予備管のパイプ１９自体を導体により構成し、避雷導線とすることも可能である。パイプ１９は、検査時に内部に検査用の導体を挿入可能な構造を有する。そして、中空の導体である避雷導線の検査時に、検査用のケーブルの如き導体をパイプ１９に挿入することで、２本の静電的に結合された導線を形成し、ＴＤＲ検査装置により検査を実施できる。この場合、第１の避雷導線１７ａは省略することが可能である。

本発明の風力発電機用ブレードおよび風力発電機用ブレードの検査方法によれば、高所作業車等の重機を使用することなく、避雷導線における断線の有無、およびその位置を判別することができ、風力発電機用ブレードを簡易かつ効率的に検査することができる。

また、断線位置が明確に特定できることで、当該断線部のみを修理対象とすることができるため、補修作業が大幅に効率化できる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明によれば、避雷導線における断線の有無及び断線がある場合はその位置を簡易かつ効率的に検査することができる風力発電機用ブレードおよび風力発電機用ブレードの検査方法が提供される。

１ 風力発電機
２ ハブ
４ タワー
１０ ブレード（風力発電機用ブレード）
１１ ブレードシェル
１２ スパー
１３ 接着部
１５ 受雷部（レセプター）
１７ 避雷導線
１８ 同軸ケーブル
１９ パイプ

Claims (2)

1. 風力発電機に使用される風力発電機用ブレードであって、
   内部空間を有する中空状のパイプと、
   前記中空状のパイプの外側であって、当該中空状のパイプに隣接して設けられた避雷導線と、を備え、
   前記内部空間は、前記避雷導線の断線の検査に用いられる導体を挿入するためのものである風力発電機用ブレード。
2. 風力発電機に使用される風力発電機用ブレードであって、
   内部空間を有し、導体により構成され避雷導線として作用する中空状のパイプを備え、
   前記内部空間は、前記避雷導線の断線の検査に用いられる導体を挿入するためのものである風力発電機用ブレード。

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