JP2019120219A - 風車ブレードの落雷判定システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電機のブレードに落雷した場合に、レセプタへの着雷か否かを判別することができるようにする。【解決手段】風車ブレードの先端に設置したレセプタと、レセプタに接続された１本の避雷導線と、避雷導線の一部に設けたセンサと、センサの検出電流に基づいて、風車ブレードへの落雷異常を判定する異常判定部を備えることを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。【選択図】図１

Description

本発明は、風車ブレードの落雷判定システム及び方法に関する。

近年、温室効果ガス削減の観点から、発電時に二酸化炭素を排出しない風力発電の普及が進められている。風車のブレードに風が当たると、ブレードはローター軸を軸として回転する。ローター軸の回転は増速機を介して発電機に伝達されることで、発電する。コストや発電効率の観点から風車は大型化する傾向にあり、これに伴い設置場所は陸上から風況が比較的安定している洋上へと変わりつつある。

風車は直径が数十メートルのブレードからなるローターが回転することで発電することから、風力発電設備全体としては百メートルを超える高さとなる。日本周辺は雷の発生が多く、周りに高層の建築物がない洋上では、風車への落雷により損傷が懸念される。特に、ローターを構成するブレードは回転中に風車の中で最も高所を通過することから、落雷の被害を受けやすいため、ブレードの落雷対策は風車の安定稼動に重要である。

風車のブレードは絶縁材料であるガラス繊維強化プラスチックで製造されることが多いが、ブレードに落雷することが多い。この場合、ブレードの損傷や破壊につながる可能性がある。落雷による損傷や破壊を防止するため、例えば、風車ブレード先端にはレセプタと呼ばれる導電性の構造体を備え、レセプタに雷を誘導することでブレードの損傷を防止する。

レセプタには、避雷導線が接続されており、ブレード付け根、ハブ、ナセル、タワーを介して雷電流をアースに放電する。風車にはタワーの根元で雷電流を測定するシステムを備える場合があり、風車への落雷を検知した場合には発電を停止し、風車に異常がないか点検するケースが多い。レセプタに落雷した場合には、前述のように避雷導線を介して放電されるため、ブレードには損傷が発生せず、正常落雷と判断できる。

一方、レセプタ以外のガラス繊維強化プラスチックに落雷した場合には損傷が懸念されるため、異常落雷と判別しブレードの点検が必要となる。正常落雷と異常落雷を判別することができれば、異常落雷時のみ点検すればよく、風車の稼働率向上につながる。

風車ブレードへの落雷検出方法としては、レセプタに接続された２本の避雷導線を用いて、それぞれの避雷導線の電流を測定することで異常落雷を判定する手段が特許文献１に開示されている。

特開２０１７−９６１９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された風車ブレードへの落雷検出方法の場合、避雷導線を２本必要とすることから、ブレード重量およびコストの増加につながる。そのため、低コストで落雷を検出することが望まれる。

本発明は、ブレードのレセプタに着雷した正常落雷と、レセプタ以外に着雷した異常落雷の検知を可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明においては、「風車ブレードの先端に設置したレセプタと、レセプタに接続された１本の避雷導線と、避雷導線の一部に設けたセンサと、センサの検出電流に基づいて、風車ブレードへの落雷異常を判定する異常判定部を備えることを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム」のように構成する。

また本発明においては「風車ブレードの先端に設置したレセプタに接続された１本の避雷導線の一部に設けたセンサからの検出電流に基づいて、風車ブレードへの落雷異常を判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定方法」のように構成する。

本発明によれば、１本の避雷導線によりブレードへの落雷を検知し、レセプタ以外への落雷を判別することができる。

本発明の実施例に係るブレードの概念を示す図。 実施例１に係る風力発電装置１０の側面図。 ブレード１１への落雷を検知する、実施例１に係る落雷判定システムのフローを示す図。 ブレード１１に落雷した場合にセンサで測定される雷電流波形を示した図。 図４の波形をフーリエ変換した図。 実施例２に係るブレード１１を説明する図。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

実施例１では、ブレードに設置したダウンコンダクタに一つのセンサを備える構成により落雷の検知と、正常落雷とレセプタ以外に着雷した異常落雷の判定をする例について説明する。

図１に本発明の実施例に係るブレードの概念図を示す。ブレード１１は、先端部にレセプタ２１と、レセプタ２１に接続される一本のダウンコンダクタ２２と、ブレードのダウンコンダクタ２２に流れる電流を測定するためのセンサ３１を備えている。図１ではセンサ３１はブレード１１の根元部に設置されている。

ブレード１１はバルサ材やポリ塩化ビニルなどとガラス繊維複合材料などの絶縁材料から構成される。レセプタ２１およびダウンコンダクタ２２は、導電性を有する材料が用いられる。

図２は実施例１に係る風力発電装置１０の側面図である。風力発電装置１０は複数のブレード１１、ブレード１１の根元をローター軸１３に接続するためのハブ１２、ナセル１４、タワー１５から構成される。図１で示したダウンコンダクタ２２は、ナセル１４内の電気的接続部２４において、タワー側に備えられたダウンコンダクタ２３に接続されている。

ここでナセル１４は、タワー１５の上部に配置され、ローター軸１３、増速機、発電機を収納する。タワー１５はブレード１１、ハブ１２、ナセル１４を所定の高さに保持するための架台である。

ブレード１１に風が当たると、ブレード１１はローター軸１３を軸として回転する。ローター軸１３の回転は増速機を介して発電機に伝達されることで、発電する。

センサ３１はダウンコンダクタ２２に流れる電流を測定するため、電流計を用いる。実施例１のようにセンサが１つで構成される場合、高周波領域の電流測定が可能な高周波電流計、例えばロゴスキーコイルを用いる。落雷によりダウンコンダクタ２２に電流が流れると、センサ３１のロゴスキーコイルの起電力として雷電流が測定される。

ブレード１１への落雷を検知する、実施例１に係る落雷判定システムのフローを図３に示す。落雷判定システムは、測定部４１、信号処理部４２、判定部４３、判定結果出力部４４、結果表示部４５、判定結果保存部４６から構成される。なお落雷判定システムは、風力発電装置１０の内部の適宜の箇所に設置可能であり、例えばナセル１４、タワー１５の内部に設置することができる。あるいは落雷判定システムは、当該風力発電装置１０の外部に通信を介して設置されるものであってもよい。

落雷判定システムでは、センサ３１を含む測定部４１で測定されたデータを信号処理部４２に取り込み、判定部４３でレセプタ２１への落雷か否かを判定するための処理を行う。この判定処理では、レセプタ２１への落雷か否かにより、落雷の波形が相違する点に着目している。

ブレード１１の先端部に設置されたレセプタ２１以外に落雷した場合、雷電流はブレード１１を構成する樹脂材料を破壊しながら、内部のダウンコンダクタ２２まで電荷が侵入すると考えられる。この時にセンサ３１で測定される電流は、落雷部からダウンコンダクタ２２を介して直接流れてくる電流信号に加え、落雷部から一旦、レセプタ２１側に進行して、レセプタ２１で反射されダウンコンダクタ２２を介して流れてくる反射波がある。

これに対し、ブレード１１の先端部に設置されたレセプタ２１に落雷した場合にセンサ３１で測定される電流は、レセプタ２１からダウンコンダクタ２２を介して直接流れてくる電流信号のみである。このことから、これらをセンサ３１で測定し、正常落雷波形と比較することで落雷判定が可能となる。

図４は、ブレードに落雷した場合にセンサで測定される雷電流波形例を示したものである。ブレード１１の先端部に設置されたレセプタ２１に落雷した場合は正常落雷波形Ｉ１（落雷部から直接流れてくる電流信号Ｉ１）を示すのに対して、異常落雷波形Ｉ２は、落雷部から直接流れてくる電流信号Ｉ１にレセプタ２１で反射される反射波が重畳されている。

図４によれば、実線で示す正常落雷波形Ｉ１は落雷直後にピークとなり、以後減衰振動する波形であり、点線で示す異常落雷波形Ｉ２は主にピークとなる時点以降に重畳される高周波の振動成分である。

図５は図４の波形をフーリエ変換したもので、レセプタ２１以外に落雷した場合、レセプタ２１で反射される反射波Ｉ２があることから、レセプタ２１に落雷した場合の周波数特性が異なる波形が得られることから異常落雷の判定が可能となる。

レセプタ２１に落雷した場合の正常落雷波形Ｉ１では、低周波域において大電流を示し、高周波になるほど電流の大きさは減少する傾向を示す。これに対し、レセプタ２１以外に落雷した場合の異常落雷波形Ｉ２では、低周波域において大電流を示し、高周波になるほど電流の大きさは減少する傾向を示しながら特定の高周波域で電流のピークを示している。

図４、図５に示すように、レセプタ２１に落雷した場合と、レセプタ２１以外に落雷した場合とでは、時間変化波形、或は周波数特性が相違する。従って、時間変化波形、或は周波数特性の相違を判断することで正常落雷波形Ｉ１と異常落雷波形Ｉ２の判別が可能である。なお周波数特性上で正常落雷波形との比較のために信号処理部４２で行う処理では、例えば測定された電流波形をフーリエ変換する処理を適用し、時間変数の波形を周波数変数へ変換することになる。

この識別の考え方は種々あるが、例えば時間変化波形に着目するのであれば、減衰振動にさらに高周波振動が含まれていることを確認するとか、周波数特性に着目するのであれば、特定の高周波域にピークがあることを確認することなどが考えられる。あるいはフィルタを用いて低周波成分と高周波成分を求め、その時間波形のピーク値に時間差があることで識別することも考えられる。あるいは正常落雷のデータを予め保有し、実際に得た落雷と比較することで識別することもできる。さらに、時間波形或は周波数特性のパターン認識による識別を行う事も可能である。

また測定した落雷波形において、落雷部から直接流れてくる電流信号Ｉ１とレセプタ２１で反射される反射波Ｉ２を測定し、それぞれのピークを示す時間Ｔ１とＴ２の時間差が測定できれば、ブレード１１の長さ、ダウンコンダクタ２２を流れる電流の速さ（３×１０^８ｍ／ｓ）から落雷位置の特定も可能である。

信号処理部４２、判定部４３における構成、処理内容は、上記図４、図５に基づく識別論理に従い適宜構成することが可能であり、具体的にどのように構成するかは、波形の特徴に基づいて適宜実現することができる。

判定部４３では信号処理部４２で得られたデータを用いて、上記識別論理に従う判定結果を導く。この場合に、判定結果保存部４６に保存されている正常落雷に関するデータを比較することでレセプタ２１への落雷か否かを判定することもできる。

判定結果は、判定結果出力部４４を介して結果表示部４５に表示する。判定結果保存部４６では、判定結果出力部４４からデータを取り込みデータベース化し、異常落雷と正常落雷の判定に利用し、判定精度の向上を図る。

実施例１によれば、ブレードへの落雷の際にレセプタへ落雷する正常落雷とレセプタ以外への異常落雷の判定をすることができる。判定システムの結果により、レセプタ２１への落雷の場合はそのまま運転を継続するという判断ができ、それ以外の場合は運転を停止してブレードを点検するなどのメンテナンスの判断が可能となる。

また、判定結果をデータベース化することにより、落雷回数のカウンタとしても利用できる。レセプタ２１は正常落雷の場合でも長期間使用していると、落雷によって溶融したり変形したりすることがある。このような状態では、レセプタとしての機能が低下するため、定期的なメンテナンスが必要となることから、正常落雷を含めて落雷をカウントすることは、長期的には風車稼働率向上につながる。

実施例２では、ブレード１１に備えるダウンコンダクタ２２に取り付けられるセンサ３１が複数である構成を説明する。なお、実施例１と共通する部分の説明は省略する。

図６は実施例２に係るブレード１１を説明する図である。ダウンコンダクタ２２に取り付けられるセンサが複数である構成として、センサが３つの例について示している。１つ目のセンサ３１は，実施例１と同様にブレード１１の根元部に配置される。２つ目のセンサ３２はブレード１１の先端側のレセプタ２１付近に配置される。３つ目のセンサ３３はセンサ３１とセンサ３２の間に配置する。使用するセンサは実施例１と同様に電流センサであるが、高周波電流計である必要はなく、シャント抵抗や光ファイバ電流計などを用いることが出来る。

実施例２によれば、レセプタ２１に落雷した場合には、ダウンコンダクタ２２に配置されたレセプタ２１側のセンサ３２から順にセンサ３３、センサ３１と雷電流が測定される。一方、センサ３２とセンサ３３の間に落雷した場合には、センサ３２、センサ３１の順で電流が測定され、最もレセプタ２１に近いセンサ３２では電流が測定されない。このため、ブレード１１の先端部に取り付けられたセンサ３２における測定電流の有無により、レセプタ２１に落雷した正常落雷か否かを判別することが出来る。

さらに、落雷位置としてセンサ３２とセンサ３３の間であると判定することが出来るようになる。センサ３１とセンサ３２の間のセンサの数を増加させると、落雷位置の特定精度が向上することを示している。

１０：風力発電装置
１１：ブレード
１２：ハブ
１３：ローター軸
１４：ナセル
１５：タワー
２１：レセプタ
２２：ダウンコンダクタ（ブレード側）
２３：ダウンコンダクタ（タワー側）
２４：電気的接続部
３１，３２，３３：
４１：電流測定部
４２：信号処理部
４３：判定部
４４：判定結果出力部
４５：結果表示部
４６：判定結果保存部

Claims (13)

1. 風車ブレードの先端に設置したレセプタと、該レセプタに接続された１本の避雷導線と、該避雷導線の一部に設けたセンサと、該センサの検出電流に基づいて、前記風車ブレードへの落雷異常を判定する異常判定部を備えることを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
2. 請求項１に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   前記異常判定部は、前記センサの検出電流の時間変化波形から前記風車ブレードの前記レセプタへの落雷と前記レセプタ以外への落雷を区別し、前記レセプタ以外への落雷を前記風車ブレードへの落雷異常と判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
3. 請求項１に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   前記異常判定部は、前記センサの検出電流の周波数特性から前記風車ブレードの前記レセプタへの落雷と前記レセプタ以外への落雷を区別し、前記レセプタ以外への落雷を前記風車ブレードへの落雷異常と判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
4. 請求項１に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   前記異常判定部は、前記風車ブレードの前記レセプタへの落雷のときの前記センサの検出電流の情報を保持し、前記センサの検出電流と保持した検出電流の情報を比較して、前記レセプタ以外への落雷を前記風車ブレードへの落雷異常と判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
5. 請求項１に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   前記センサは異常落雷によってダウンコンダクタに生じる反射波を測定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
6. 請求項１に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   前記異常判定部は、落雷部位から直接流れてくる電流信号とレセプタで反射される反射波のそれぞれのピークを示す時間の時間差を測定し、落雷位置を特定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   前記避雷導線の一部に設けたセンサは、複数台であることを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
8. 請求項７に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   複数台のセンサは、少なくとも風車ブレードの先端に設置したレセプタ近傍の避雷導線、風車ブレードの根元部の近傍の避雷導線、風車ブレードの中間部位近傍の避雷導線に設置されていることを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
9. 請求項７または請求項８に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
   複数台のセンサの検出電流から落雷位置を推定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の風車ブレードの落雷判定システムであって、
    前記風車ブレードへの落雷が落雷異常によるものであることを検知したときに、風車を停止することを特徴とする風車ブレードの落雷判定システム。
11. 風車ブレードの先端に設置したレセプタに接続された１本の避雷導線の一部に設けたセンサからの検出電流に基づいて、前記風車ブレードへの落雷異常を判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定方法。
12. 請求項１１に記載の風車ブレードの落雷判定方法であって、
    前記センサの検出電流の時間変化波形あるいは周波数特性の相違から前記風車ブレードの前記レセプタへの落雷と前記レセプタ以外への落雷を区別し、前記レセプタ以外への落雷を前記風車ブレードへの落雷異常と判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定方法。
13. 請求項１１に記載の風車ブレードの落雷判定方法であって、
    前記風車ブレードの前記レセプタへの落雷のときの前記センサの検出電流の情報と、前記センサの検出電流とを比較して、前記レセプタ以外への落雷を前記風車ブレードへの落雷異常と判定することを特徴とする風車ブレードの落雷判定方法。

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