JP3907477B2 - 風力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、風力装置に関するものである。このような現代的な形式の風力装置、例えばエネルコン（Enercon）のＥ−４０型又はＥ−６６型の風力装置には、通常、例えばＤＥ４４３６２９０、ＤＥ１９８２６０８６、ＤＥ１９５０１２６７、ＤＥ４４４５８９９、ＷＯ００／１４４０５又はＷＯ９６／０７８２５などに開示されている雷保護システムが設けられている。
【０００２】
上記の既知のシステムのような雷保護システムでは、ロータブレードがハブからガルバーニ電気的に分離されているときには、各ロータブレードは静電気的に帯電することがある。このようなロータブレードの帯電は、風力装置のロータの回転しているロータブレードに対する空気の摩擦に起因して生じる。空気の湿度又はその他の天候の影響のそれぞれに依存して、ロータブレード（又はその雷保護システム）は、より急速に又はより緩慢に帯電する。静電気帯電は、エアギャップ（air gap）の放電短絡（flash-over）電圧に達するまで生じる。この後、放電短絡が起こり、全システム又はロータブレードの帯電（電荷）が除去される。このような放電短絡は、極端に高いバンド幅を伴った電磁波（ＥＭＣ）を生じさせる。なぜなら、このような放電短絡は、事実上、理想的に極端なバンド幅（理想的に無限のバンド幅）をもつパルスの形態であるからである。嵐による落雷（雷の直撃）に起因するのではなく、ロータの静電気帯電に起因するこれらの急峻な放電は、放電短絡の周囲の領域内に存在する風力装置の全電子システム、例えば個々のロータブレードを制御し調整するコンピュータ又はマイクロプロセッサなどに障害を与える（干渉する）。しかしながら、ポッド（pod）内又は火花放電短絡経路の近傍に配置された風力装置の他の電子装置もまた影響を受ける。回転しているロータブレードの帯電は、電子部品との規則的（定期的）な干渉を伴うスパークギャップでの放電短絡効果を規則的（定期的）に惹起するが、これは全電子装置を保護する上で望ましくない。
【０００３】
本発明の目的は、上記の不具合を回避すること、とくに火花放電経路での放電短絡効果による電子システムの障害の数（number）を最小にすることである。
【０００４】
上記目的は、請求項１の特徴を有する風力装置により達成される。有利な発展形態は付属の請求項に記載されている。
【０００５】
本発明は、ロータブレードの静電気帯電を連続的に放電するといった提案（proposal）に基づくものである。ここで、放電短絡の直前におけるスパークギャップでの電圧は、湿度レベルに依存するが、容易に２０ないし３０ｋＶに達するということに注目すべきである。したがって、ロータブレードを連続的に放電させるための装置（放電回路）は、２つの条件を満たさすことが必須である。より詳しくは、第１に、連続的な放電経路は、ロータブレードの静電気帯電が回避されるような低抵抗のものでなければならない。第２に、それは３０ｋＶ以上のレベルのサージ電圧（surge voltage）に耐える状態（position）でなければならない（このようなサージ電圧は落雷の場合に生じる）。
【０００６】
ロータブレードの静電気帯電を連続的に放電するための装置が、オームディバータ抵抗（ohmic diverter resistor）とインダクタ（inductor）とが直列に接続された回路を備えた放電回路を有するのが、とくに望ましい。これは、図１中に示されている。この場合、ディバータ抵抗はおよそ５０ｋΩのものであるのが好ましく、インダクタはおよそ１０μＨ又はこれより大きい値のものであるのが望ましい。
【０００７】
ロータブレードの静電気の放電時には、ディバータ電流は増幅が非常に小さい直流であるので、インダクタは動作しない。これは、図１に示す回路が、ロータブレードをアース電位のアース接続部に接続したときに、各ロータブレードが５０ｋΩの抵抗で静電気を放電するよう、アース電位に接続されているということを意味する。
【０００８】
（嵐による）落雷の場合、スパークギャップ（図１中に示された放電回路）での電圧は、非常に高くまで上昇する。電圧の高さは、間隔と、接続先端部の曲面の半径（曲率）と、空気の湿度のレベルとに依存する。ここで、インダクタは、静電気ディバータ（Ｒ＋Ｌ）を通って流れる電流の上昇を制限（抑制）する。これは、ディバータ抵抗に対して適切な受動的な保護（passive protection）を行う。
【０００９】
オーム抵抗が電線抵抗（wire resistor）により形成され、後者が同時にオーム抵抗に巻かれ、インダクタが占める空間を大幅に低減するような形状とされているのが、とくに好ましい。これは、本願の図２中に示されている。この図には、適当なフィード線を有する５つの直列接続の巻線抵抗が示されている。
【００１０】
この巻線抵抗の形状は、抵抗の全長にわたって同一の電圧分布が得られるといった利点を有している。
【００１１】
本発明にかかるこの形状のさらなる利点は、非常に簡素な構造であるのにもかかわらず、風力装置の全電子システムのための非常に有効な保護を確実にし、かつ上記の静電気ディバータ（static diverter）により静電気帯電の急峻な放電（サージ状）を行うということである。
【００１２】
静電気ディバータ（静電気帯電の連続放電のための装置）は、最終的には、オーム抵抗性部品及び誘導性部品を伴った単純な電気インピーダンスを含み、該静電気ディバータはスパークギャップと並列に配設される。
【００１３】
図３は、本発明にかかる風力装置における静電気ディバータの構造を示している。ここに示されている風力装置は、ロータブレードが配設されたロータハブを収容している機械担持部と、ロータハブに連結された発電機とを有している。機械担持部１４は、鉛直軸のまわりに回転可能な塔３（pylon）に配設されている。塔３は、基礎４（foundation）に据え付けられている。ロータブレード５は、その全体像がわかるように図示されている。ロータブレード５の先端部は、成形されたアルミニウム部６の形態である。ロータブレードの根元部２４には、該ロータブレードの根元部２４のまわりに全体的に伸びるアルミニウムリング８が配設されている。ロータブレードのリーディング側（進行方向側）の縁部とトレーリング側（反進行方向側）の縁部とで伸びる棒形状の導電部材７が、先端部の成形されたアルミニウム部６を、ロータブレードの根元部２４に配設されたアルミニウムリング８に電気的に導通するよう接続している。
【００１４】
アルミニウムリング８のレベル（位置）において、ロータブレードの根元部２４の領域には、避雷部材として、避雷針９が配設されている。避雷針９は、移送突出部１１（transfer projection）により、導電性のディバータリングに、予め設定された間隔、例えば３ｍｍの間隔で近接している。突出部１１から遠い自由端では、避雷針９は予め設定されたほぼ等しい間隔で、アルミニウムリング８に近接している。
【００１５】
アースされたディバータリング１０は、ロータシャフトと同軸に（coaxially）配設されている。それゆえ、これは、突出部１１がロータブレード５の全回転運動に対して、これに近接するのを確実にする。
【００１６】
機械担持部１４の上方には、導電接続部１３を伴った機械担持部１４に接続されたさらなる避雷針１２が突出している。
【００１７】
静電気ディバータは、アルミニウムリング８とブレードアダプタとの間に導電的に（conductively）配設されている。ロータブレードにおける静電気帯電の放電は、上記のとおり、これにより達成することができる。
【００１８】
図４は、図３中に示す風力装置を拡大して示している。
このケースでは、水平のアルミニウムリング８は、ロータブレードの根元部の一部のみに設けられている。図示された支持装置の導電部材７の低い方の端部はアルミニウムリング８に導電的に接続されている。アルミニウムリング８とディバータリング１０との間の導電的な避雷経路は、非導電性材料のロータハブケーシング１５上のクリップ（clip）等により水平に伸びた状態で固定され、ロータブレード５とともに回転する避雷針９によって形成されている。避雷針９の、ロータブレード５から遠い方の端部には、避雷針９を移送突出部１１に接続するクロスコネクタ１６（cross connector：交差接続部）が配設されている。突出部１１は、ロータハブケーシング１５と垂直な方向に伸びて、所定の間隔でディバータリング１０に近接している。
【００１９】
また、図５は、クロスコネクタ１６のレベル（位置）において、突出部１１がそれに接近する領域におけるディバータリング１０が、比較的薄い厚さのラッカー層の形態の、予め設定された避雷経路１７を有するものを示している。図５はまた、両導電部材７をともに接続するために、かつロータブレードの可能な角度位置における避雷針９への電気的動作可能な接続を確実にするために、アルミニウムリング８がロータブレードの根元部２４のまわりの半円形の部分に配設されているものを示している。予め設定された間隔でアルミニウムリング８に近接している避雷針９の自由端２５は、周囲に比べて場の強さ（field strength）を増加させられるよう円錐形の先端部を有している。
【００２０】
図６は、機械担持部１４と塔３の上部領域との間の導電接続部を示している。水平に配置された摩擦ディスク２０は、機械担持部１４の回転軸と同軸関係を保って、塔３の上記領域内に配設されている。塔３に対向する領域内において、機械担持部１４は、一定の圧力で動作する押出ロッド（thrust rod）１９の形態の避雷部材を有している。押出ロッド１９は、摩擦ディスク２０を押圧して導電的接続を行わせるといった態様で、機械担持部１４の上記領域内に鉛直に配設されている。この接続は、機械担持部１４が擦り合わせ接触により回転運動を行うときでも維持される。
【００２１】
風力装置への落雷は、次のように回避される。
ロータブレード５への落雷は、まず、機械担持部１４内にそらされる（divert）。雷は、成形されたアルミニウム部６又は導電部材７からスタートし、導電部材７によりアルミニウムリング８にそらされる。そのときの瞬間的なロータブレードの角度にかかわりなく、雷は、この後、避雷針９によりアルミニウムリング８からディバータリング１０に伝達される。雷は、導電接続部（図示せず）により、そしてディバータリング１０の予め設定された避雷経路１７により、機械担持部１４に導かれる。
【００２２】
さらなる避雷針１２への落雷は、同様に、接続部１３により機械担持部１４に導かれる。
【００２３】
雷は、押出ロッド１９と、これと擦り合わせ接触している摩擦ディスク２０とにより、機械担持部１４から塔３に回避させられる。かくして、避雷は、機械担持部１４のそのときの瞬間的な回転位置にかかわりなく確実化される。
【００２４】
さらなる避雷は、塔３と、基礎４と、地中に伸びているリングアース部２７（ring earther）とにより行われる。
【００２５】
前記のとおり、本発明は、一方ではロータブレードからの静電気帯電の連続的な放電がどのようにして極めて良好な態様で起こることができるのかを示し、他方ではロータブレードへの落雷がどのようにして風力装置に損傷を生じさせることなく除去されることができるのかを示している。静電気帯電は静電気ディバータとハブとにより直接除去される一方、落雷に起因する電荷はハブを迂回して（通り過ぎて）、とくにハブのベアリングを迂回して（通り過ぎて）除去される。静電気帯電用の配線（line）と、ロータブレード先端部からロータブレードの根元部領域までの雷の電流の配線とは、同一であってもよい。しかしながら、風力装置を保護するために、落雷がハブ又は該ハブのベアリングにより回避されることがないようにすることが必要である。
【００２６】
一方の静電気帯電のための種々の電荷経路と、他方の雷電流との分離は、極めて有効であり、それは風力装置に関して非常な成功をもってテストされることができるであろう。これに要する総費用は少ない。
【００２７】
本発明によれば、一方ではロータブレードの静電気帯電に起因する障害作用、他方では落雷に起因する障害作用が著しく低減されることが可能となる。異なる導電経路による雷電流の回避と静電気電流の回避との組み合わせは、いくつかの装置で非常な成功を収めるということが証明されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ディバータ抵抗及びインダクタの直列回路を有する放電回路を示す図である。
【図２】 オーミック抵抗及びインダクタの斜視図である。
【図３】 風力装置の立面図である。
【図４】 図３に示す風力装置の要部を拡大した図である。
【図５】 雷よけ経路の図である。
【図６】 導電接続部の立面断面図である。
【符号の説明】
３ 塔、 ４ 基礎、 ５ ロータブレード、 ６ アルミニウム部、 ７ 導電部材、 ８ アルミニウムリング、 ９ 避雷針、 １０ ディバータリング、 １１ 突出部、 １２ 避雷針、 １３ 導電接続部、 １４ 機械担持部、 １５ ロータハブケーシング、 １６ クロスコネクタ、 １７ 避雷経路、 １９ 押出ロッド、 ２０ 摩擦ディスク、 ２４ ロータブレードの根元部、 ２７ リングアース部。

Claims (21)

1. 風力装置の少なくとも１つのロータブレードの静電気帯電を連続的に放電するための装置を含んでいる風力装置であって、
   連続的に放電する上記装置が、オーム抵抗とインダクタとが直列に接続された回路を含み、該回路が、ロータブレードへの落雷の場合には、オーム抵抗とインダクタとが直列に接続された上記回路を経由する電流の流れの増加を制限するインダクタによりオーム抵抗に対して受動的な保護が行われるように、ロータブレードをアース接続部に電気的に接続している風力装置。
2. 連続的に放電する上記装置が、風力装置の雷保護システムのスパークギャップと並列に接続されている、請求項１に記載の風力装置。
3. 上記オーム抵抗が、少なくとも１０ｋΩ、好ましくは５０ｋΩの抵抗値を有する、請求項１又は２に記載の風力装置。
4. 上記インダクタが、少なくとも２μＨ、好ましくは１０μＨより大きいものである、請求項１〜３のいずれか１つに記載の風力装置。
5. 上記インダクタが巻線抵抗を含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載の風力装置。
6. 上記オーム抵抗が電線抵抗を含む、請求項１〜５のいずれか１つに記載の風力装置。
7. 静電気帯電を連続的に放電するための上記装置が、一方ではロータブレードの避雷用電気接続部（８）に電気的に接続され、他方ではロータブレードの接続部（ブレードアダプタ）に電気的に接続されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の風力装置。
8. 静電気帯電を連続的に放電するための上記装置により除去される電荷が、風力装置のハブにより除去される、請求項７に記載の風力装置。
9. 基礎の上に回転可能に配設された機械担持部が、該機械担持部に取り付けられたロータシャフトと、ロータハブと、少なくとも１つのロータブレードと、ロータブレードからアースされた機械担持部の静止している導電性部品に至る雷保護移送導電手段とを有し、
   上記雷保護移送導電手段が避雷部材の形態のものであり、
   上記避雷部材は、ロータハブに対して相対的に離間している絶縁部でロータブレードの根元部（２４）の領域内に配設され、ロータブレードの根元部（２４）に電気的動作可能に接続され、かつ機械担持部（１４）の静止している導電性部品に所定の間隔で接近して移動させられる移送突出部（１１）を有する、請求項１〜８のいずれか１つに記載の風力装置。
10. 上記避雷部材が避雷針（９）である、請求項９に記載の風力装置。
11. 上記機械担持部（１４）の静止している導電性部品がロータシャフトに同軸に配設されたディバータリング（１０）であり、かつ移送突出部（１１）に対向する領域内の上記リングが所定の避雷経路（１７）を有する、請求項９又は１０に記載の風力装置。
12. 上記避雷針（９）が、移送突出部（１１）から遠い自由端（２５）を備えていて、ロータブレードの根元部（２４）に配設された導電性部材と所定の間隔で接近して移動させられる、請求項１０に記載の風力装置。
13. 基礎の上に回転可能に配設された機械担持部を有し、上記機械担持部は、該機械担持部に取り付けられロータハブと少なくとも１つのロータブレードとを伴ったロータシャフトを備えていて、
    各ロータブレード（５）が、その先端部と根元部（２４）とに、互いに電気的に導通して接続された導電部材を有し、
    ロータブレードの根元部（２４）に配設された導電部材が、ロータハブとの間に絶縁部が存在するように配設されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の風力装置。
14. ロータブレード（５）の先端部に配設された導電部材がアルミニウムの形状部（６）の形態である、請求項１３に記載の風力装置。
15. 各ロータブレード（５）のリーディング側の縁部とトレーリング側の縁部とに、ロータブレード（５）の先端部とロータブレードの根元部（２４）とに配設された導電部材を電気的に導通させて接続する導電部材（７）が配設されている、請求項１３又は１４に記載の風力装置。
16. ロータブレードの根元部（２４）に配設された導電部材が、その表面上のロータブレードの根元部（２４）まわりに少なくとも部分的に水平方向に伸びるアルミニウムリング（８）である、請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の風力装置。
17. 基礎の上に回転可能に配設された機械担持部を有し、上記機械担持部は、該機械担持部に取り付けられロータハブと少なくとも１つのロータブレードとを伴ったロータシャフトを備えていて、
    基礎に対向する機械担持部（１４）の領域内に、基礎の導電部材と擦り合わせ接触する避雷部材が配設されていることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の風力装置。
18. 上記避雷部材が、一定圧力で動作する押圧ロッドの形態である、請求項１７に記載の風力装置。
19. 上記基礎の導電部材が、該基礎の上部領域において、水平面内で、機械担持部（１４）の回転軸と同軸に配設された摩擦ディスク（２０）である、請求項１７又は１８に記載の風力装置。
20. 上記ロータブレードが、例えばガラス繊維強化プラスチック材料などの非導電材料を含む、請求項１〜１９のいずれか１つに記載の風力装置。
21. 風力装置の少なくとも１つのロータブレードの静電気帯電を放電する装置と、避雷部材を備えた雷保護装置とを備えた風力装置であって、
    該風力装置が、ロータハブとこれに固定されたロータブレードとを有し、
    上記静電気帯電がハブにより除去される一方、雷により起こる帯電がハブを迂回して除去されるように、ロータブレードハブの領域内において、静電気帯電が、雷により起こる帯電とは異なる経路で除去されるようになっている風力装置。

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