JP5610647B2 - 風力タービンの落雷保護及び監視システム - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンの落雷保護システム、接地に落雷を導電させる方法、及び風力タービンへの落雷を監視する監視システムに関する。

落雷を接地するための落雷導電システムを有する風力タービンが知られている。このような風力タービンの一例は米国特許出願公開第２００７／０１１４７９７号明細書に開示されている。この文献において、複数の風力タービン翼には、落雷を接地に導電するための集電環が設けられている。小さな火花ギャップだけ集電環から離間した一端で各々配置されるように、ロータ支持エンジン室に火花ギャップ部材が実装されている。落雷の電気は、集電環に導電された後、火花ギャップを越えて接地される。ロータから離れる方向に落雷を導電するためにこのような火花ギャップを使用することは、高インピーダンス接続を与えるので、効率的ではない。また、部品間の誤差のため、火花ギャップが十分に小さくなるように火花ギャップを維持することは困難である。火花ギャップが大き過ぎると、効果的に接地されない。

従って、本発明の目的は、従来技術に伴う少なくとも一つの不具合を克服することである。

本発明の第１側面によれば、ハブ及びエンジン室（nacelle）間に落雷を導電するために落雷導電手段を有する風力タービンハブ及びエンジン室の組立体が提供される。ハブは、エンジン室に対して回転するよう実装されると共にタービン翼を支持するよう構成される。ハブは、ハブが支持する複数のタービン翼に接続するためのハブ導体を有する。落雷導電手段は、互いに対面すると共に互いに対して変位可能な導電トラック及び端子を有する。導電トラック及び端子の一方は、ハブに実装されると共にハブ導体に電気接続される。導電トラック及び端子の他方はエンジン室に実装される。端子は、導電トラックから離間した端子本体と、端子本体から導電トラックに向かって延びる犠牲導電端子延長部とを有する。端子に犠牲導電端子延長部を設けることにより、端子延長部は、端子延長部及び導電トラック間にギャップが存在するまで導電トラックでコンタクトを摺動させることにより、摩耗することができる。このギャップが形成される方法により、ギャップは極めて小さくなる。落雷の電気が端子及び導電トラック間に導電すると、端子本体及び導電トラック間の端子延長部の大部分が気化し、端子及び導電トラック間にアークが形成される。このアークはプラズマを発生させ、導電トラックへの連続した導電を可能にする導電経路をイオン化空気から形成する。このような落雷が発生した後、犠牲端子延長部を交換することが必要である。

最も早い段階でアーク形成及びその結果のプラズマ形成を開始するために、端子延長部は、少なくとも導電トラックまで延びることが望ましい。上述したように、ハブ及びエンジン室が最初に取り付けられる際に、端子延長部は導電トラックに接触するのが好適であり、端子延長部及び導電トラック間に小さなギャップが存在するまで、ハブの最初の回転は端子延長部の摩耗を生じさせる。

端子延長部は、横並びに配置された複数の導電部材を有するのが好適である。このような配置は、各々が比較的小さな断面積を有する、導電トラックと対面する複数の端子延長部を提供する。小さな断面積により、これら端子延長部の端部で電場強度が増大する。このため、端子延長部及び導電トラック間の空気をイオン化させる電位が増加する。都合のよいことには、端子延長部はブラシ状の導電手段を具備し、多数の導電ワイヤからなるブラシを具備してもよい。

好適には、端子及び導電トラック間の電場強度を増大させ、従って端子及び導電トラック間の空気をイオン化する電位を増大するために、端子本体の一表面がトラックに向かってドーム状に形成される。

導電トラックはエンジン室に実装されてもよいし、端子はハブに実装されてもよい。このような配置により、各タービン翼からの落雷導体を個々の端子に別々の導電接続することができる。各タービン翼は、落雷導体によって少なくとも１個の端子に接続されるのが好適である。しかし、各タービン翼を複数の端子に接続することも可能である。このような配置は、有利な冗長性を与えるであろう。

本発明の第２側面によれば、以下の工程を具備する、風力タービンハブ及びエンジン室の組立体内での落雷電気の導電方法が提供される。
（１）本発明の第１側面に従った風力タービンハブ及びエンジン室を設ける工程、
（２）ハブ導体から端子本体に落雷電気を導電した後、端子延長部を通って導電トラックに、さらには接地に導電する工程、
（３）端子延長部を通って電気が流れる結果、端子本体及び導電トラック間で端子延長部の大部分を気化させる工程、
（４）端子本体及び導電トラック間に導電プラズマ経路を形成する工程、及び
（５）プラズマ経路を介して端子本体及び導電トラック間で導電し続ける工程。

本発明の第３側面によれば、複数の風力タービン翼を支持するロータを有する風力タービン落雷監視システムが提供される。各風力タービン翼は、落雷導体と、落雷導体が落雷を接地に導電する際に電気信号を発生するよう構成された誘導センサとを有する。落雷の際に落雷導体に極めて大きな電流（200kＡのオーダー）流れるので、誘導センサを用いて落雷を検知することは、このような検知を有効にする特に信頼性の高い方法を提供する。

また、この監視システムは、風力タービン翼に落雷したことに関連するデータを得るよう構成されたデータ入手手段を有するのが好適である。風力タービンがいわゆる風力発電地帯における複数の風力タービンの一つである場合、データ入手手段は、風力タービンに落雷したことに関連するデータを得るよう構成されるのが好適である。このようなシステムを用いれば、どの風力タービンのどの犠牲端子が交換を要するかを迅速に突き止めることが可能になる。

システムは、ハブ用の支持構造により支持された送信器及びハブ間の伝送用に、電気信号を光信号に変換するよう構成された変換器を有するのが好適である。このような配置は、信号を送信器に送信するようハブ及びエンジン室間の相対移動を調整するために、集電環又は同様の電気接続部の必要性を無くす。このようなシステムは、ハブを通ってハブからエンジン室のデータ入手システムに延びる単一光ファイバを通って信号を多重化することができる。

都合のよいことには、監視システムはＳＣＡＤＡ（監督制御及びデータ入手）システムをさらに具備する。各誘導センサは、どのタービン翼に落雷したかを監視することができるように信号をＳＣＡＤＡシステムに送信するよう構成された誘導ループを具備する。

本発明の第１実施形態に係る風力タービンをハブ及びエンジン室と共に示す側面図である。 図１の風力タービンの１個のタービン翼の部分を示す断面図である。 図１の風力タービンのハブ及びエンジン室を通る概略断面図である。 図３の４−４線に沿った組立体の概略断面図である。 図３の５−５線に沿った組立体の概略断面図である。 端子の別の構造を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を例示により説明する。

図１は、本発明に係るハブ８及びエンジン室４の組立体を有する風力タービン２を示す。エンジン室４は塔６により支持され、ハブ８は、回転軸１６の回りに回転するための２枚のタービン翼１０を支持する。各タービン翼１０は、その外部の端部付近に配置されたドーム状落雷パッド１４を有する。図１の２で示された上側タービン翼１０の一部の拡大断面が図２に示される。図２は、銅合金等の適当な導電材料製の落雷導体１８がパッド１４の内側部分に接続される様子を示す。落雷導体１８は、タービン翼１０に沿ってハブ８まで延びており、落雷導体の一部を取り囲むコイルの形態の誘導センサ２０を有する。誘導センサ２０からのセンサリード２２は、タービン翼１０に沿ってハブ８まで延びる。誘導センサ２０は、落雷導体１８に沿って他の位置、例えばハブ８内に配置されてもよい。また、誘導センサ２０は、図示されるように落雷導体１８を取り囲む必要はない。しかし、誘導センサ２０が落雷導体１８に沿って通る落雷を検知するほど落雷導体１８に近い場合、誘導センサ２０は、落雷導体１８に隣接して配置されてもよい。

図３を参照すると、ハブ８は、落雷導体１８に接続され、銅合金製であってもよく落雷導体１８の延長部を構成してもよいハブ導体２６を含む。ハブ導体２６はまた、ハブ８からエンジン室４に向かって突出する端子２８に接続される。落雷導体１８及びハブ導体２６は、絶縁層２７内に包み込まれている。端子２８は、銅合金製であってもよい端子本体３０と、犠牲導電端子延長部３２とを有する。端子本体３０は、ハブ８に固定するためのフランジ付き基部３４を有する。端子本体３０はまた、端子延長部３２が固定される有底穴３６を有する。エンジン室４の外面に固定された環状の導電トラック４０に対面する端子本体３０の表面３８は、ドーム状をなす。端子延長部３２は、ステンレス鋼ワイヤであってもよい多数の導電ワイヤを有する。これらのワイヤは、端子本体３０からほぼ導電トラック４０まで延びるブラシの形態である。

図６には、端子の別の構造が示される。図６の端子は、ドーム状末端面４４を有する端子本体４６を有する。端子本体４６は、端子延長部４２を構成する多数のワイヤにより囲まれる。これらのワイヤは、端子本体４６の周囲にワイヤをしっかりと保持するステンレス鋼ジュビリークリップ（商標）等のクリップ４８により囲まれる。

ハブ８は、その後面６０から延びてエンジン室本体２４の前面５０の開口６２を通過するロータシャフト５２を用いて回転するよう支持される。エンジン室本体２４の内側には、エンジン室本体２４及び内側ベアリング部材と係合する外側ベアリング部材５４を用いて回転するよう実装される。各内側ベアリング部材は、ロータシャフト５２を受容する透孔６４を有する。発電室５３は、ロータシャフト５２及びエンジン室本体２４の間に配置される。発電室５３内には発電手段が配置される。簡単のために、発電手段は省略されている。

導電トラック４０は、その後面のねじ孔と係合するボルト６６を用いて回転軸１６及びロータシャフト５２に対して同心状に、エンジン室本体２４の前面５０に環状に固定されている。図５は、図３の５−５線に沿った断面図であり、導電トラック４０がエンジン室本体２４に接続された状態のエンジン室本体２４の前面を示す。塔導体６８は、導電トラック４０に電気接続され、エンジン室本体２４を貫通して塔６の下方へ接地まで引き回される。図４は、図３の４−４線に沿った断面図であり、ハブ８の後面６０及び端子２８を示す。

ハブ８が最初にエンジン室４に接続されると、端子延長部３２が導電トラック４０にちょうど接触するよう設計される。ハブ８が回転すると、端子延長部３２は、各端子延長部３２及び導電トラック４０間に極めて小さいギャップが生ずる点まで摩耗する。

ハブ８において、２個の誘導センサ２０からのセンサリード２２は、誘導センサ２０からの電気信号を、光ファイバ７２を用いて搬送される光信号に変換する変換器７０に接続される。光ファイバ７２は、ロータシャフト５２の通路７６内に沿って延びる。光ファイバ７２は、ロータシャフト５２の後面７８で終端する。或いは、誘導センサ２０からの信号は、別のやり方ではエンジン室４内のデータ入手システム８０に伝送されてもよい。例えば、信号は、電気的形式のままで、ロータシャフト５２を取り囲むよう配置されたスリップリングを用いてエンジン室４に搬送されてもよい。

支持部８２は、エンジン室本体２４内でロータシャフト５２の後面７８に隣接して実装される。支持部８２は、ロータシャフト５２内で光ファイバ７２に整列した状態で光ファイバスタブ８４を支持する。光ファイバスタブ８４は、第１変換器７０から光ファイバ７２及び光ファイバスタブ８４を介して受信される光信号をワイヤ８６によりデータ入手システム８０に搬送される電気信号に変換する第２変換器７４に接続される。データ入手システム８０は、いわゆるＳＣＡＤＡ（監督制御及びデータ入手）システムの形態であってもよい。磁石９０は、ロータシャフト５２に実装され、ロータシャフト５２が回転する毎に支持部８２に接続された近接センサ９２を通過するよう配置されている。近接センサ９２からの信号は、別のワイヤ８８を用いてＳＣＡＤＡシステム８０に引き回される。ＳＣＡＤＡシステムにはまた、タービン翼の別の特性に関連する別のデータを供給してもよい。伝送線９４は、ＳＣＡＤＡシステム８０から、図１に示され風力タービン２から離間したデータ処理システム１０２につながる。データ処理システム１０２は、風力タービン２に関連するデータにアクセスするために、スクリーン９８及びキーボード１００に接続された中央処理ユニット９６を有してもよい。

パッド１４の１個に落雷すると、電流が、ハブ導体２６及び端子本体３０へと関連する落雷導体１８を下る。次に、電流が端子延長部３２に流入した後、端子延長部３２及び導電トラック４０間にアークが形成される。導電トラック４０からは、電流が塔導体６８に沿って接地へ流れることができる。端子延長部３２及び導電トラック４０間のインタフェースでは、端子延長部３２が気化し、この気化が生ずると、端子２８及び導電トラック４０間でアークが生ずる。このアークは、イオン化空気から導電プラズマ経路を発生する。導電プラズマ経路は、端子本体３０及び導電トラック４０間に効率的な導電を与える。落雷が生じた後、消耗した端子延長部３２を交換する必要がある。

落雷が生ずる際、落雷導体１８を下る導電により、センサリード２２を用いて第１変換器７０に搬送された電気信号を、落雷導体１８に関連する誘導センサ２０が発生する。第１変換器７０では、電気信号が光信号に変換され、電気信号に逆変換される第２変換器７４まで光ファイバ７２及び光ファイバスタブ８４に沿って搬送される。第２変換器７４からの電気信号は、伝送線９４を介してデータ処理システム１０２まで前方へ伝送するためにＳＣＡＤＡシステムに引き回される。データ処理システム１０２は、どの風力タービンに落雷したか、特にどのタービン翼に落雷したかを作業者が監視することができるヒューマンインタフェースを構成する。

本発明の特定の一実施形態を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、本実施形態に対し変更を加えることができることを理解されたい。風力タービンは３枚以上であってもよい。導電トラックはハブに実装されてもよいし、１個以上の端子がエンジン室に実装されてもよい。全ての落雷導体は単一のハブに実装された端子に接続されてもよいし、或いは、各落雷導体は２個以上の端子に接続されてもよい。犠牲端子延長部は、尖った末端を有する複数のロッドの形態であってもよいし、落雷を導電する際に気化する材料製の固体部材の形態であってもよい。誘導センサは、タービン翼からつながる落雷導体のハブ部内に配置されてもよい。

２ 風力タービン
４ エンジン室
８ ハブ
１０ タービン翼
１８ 落雷導体
２０ 誘導センサ
２６ ハブ導体
２８ 端子
３０ 端子本体
３２ 犠牲導電端子延長部
３８ 表面
４０ 導電トラック
７０ 変換器
８０ データ入手システム

Claims (9)

1. ハブ及びエンジン室間に落雷を導電するために落雷導電手段を有する、風力タービンハブ及びエンジン室の組立体であって、
   前記ハブは、前記エンジン室に対して回転するよう実装されると共にタービン翼を支持するよう構成され、
   前記ハブは、該ハブが支持する複数のタービン翼に接続するためのハブ導体を有し、
   前記落雷導電手段は、互いに対面すると共に互いに対して変位可能な導電トラック及び端子を有し、
   前記導電トラック及び前記端子の一方は、前記ハブに実装されると共に前記ハブ導体に電気接続され、
   前記導電トラック及び前記端子の他方は前記エンジン室に実装され、
   前記端子は、前記導電トラックから離間した端子本体と、該端子本体から前記導電トラックに向かって延びる犠牲導電端子延長部とを有し、
   前記犠牲導電端子延長部は、前記導電トラックの面に対して直交して延びるように横並びに配置された複数の導電部材を有することを特徴とする風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
2. 前記犠牲導電端子延長部は、少なくとも前記導電トラックまで延びることを特徴とする請求項１記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
3. 前記犠牲導電端子延長部はブラシ状の導電手段を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
4. 前記犠牲導電端子延長部は、多数の導電ワイヤからなるブラシを具備することを特徴とする請求項３記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
5. 前記端子本体の一表面が前記導電トラックに向かってドーム状に形成されることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
6. 前記導電トラックは前記エンジン室に実装され、
   前記端子は前記ハブに実装されることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
7. 前記ハブにより支持された複数のタービン翼を具備し、
   前記タービン翼の各々は、落雷導体により少なくとも１個の前記端子に接続されていることを特徴とする請求項６記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
8. 前記タービン翼の各々は、落雷導電手段により複数の前記端子に接続されていることを特徴とする請求項７記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体。
9. 風力タービンハブ及びエンジン室の組立体内での落雷電気の導電方法であって、
   請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の風力タービンハブ及びエンジン室の組立体に従った風力タービンハブ及びエンジン室を設ける工程と、
   前記ハブ導体から前記端子本体に落雷電気を導電した後、前記犠牲導電端子延長部を通って前記導電トラックに、さらには接地に導電する工程と、
   前記犠牲導電端子延長部を通って電気が流れる結果、前記端子本体及び前記導電トラック間で前記犠牲導電端子延長部の大部分を気化させる工程と、
   前記端子本体及び前記導電トラック間に導電プラズマ経路を形成する工程と、
   前記導電プラズマ経路を介して前記端子本体及び前記導電トラック間で導電し続ける工程と
   を具備することを特徴とする風力タービンハブ及びエンジン室の組立体内での落雷電気の導電方法。
   

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