JP6921259B2 - 風力タービン用の避雷システムおよびこの種の避雷システムを含んでいる風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、風力タービン用の避雷システムならびにこの種の避雷システムを含んでいる風力タービンに関する。

風力タービンには通常、避雷システムが装備されており、これによって、風力タービンのコンポーネントに損傷を与えることなく、落雷によって引き起こされた大電流を地面に導くことができることが保証される。

風力タービンのブレードは特に、その長さのため、避雷の被害を受けやすい。したがって、風力タービンの避雷システムは一般的に、各ブレード用に避雷導体を含んでおり、避雷導体はブレードの内部に配置されており、先端から根元まで、ブレードの長さに沿って延在している。ブレードは一般的に、ハブまたはスピナー内のブレード取付け部品に取り付けられており、組み合わされたこの装置が、固定されたナセルまたはキャノピーに対して相対的に回転する。この回転するアセンブリは、固定されたナセルに、軸受を用いて接続されている。この回転するハブとブレードとの装置を、相対的に固定されたナセルに電気的に接続するために、ブレードの各導体はスライディングブラシにおいて終了する。このブラシは、ハブ内に、かつ／またはナセルに接して配置されている、固定された導電性リングに対する電気的な接続をもたらす。さらに、導電性リングは電気的に接地されており、これによって、ブレードのレセプターに落雷した際に、電流は、ブレード避雷導体に沿った直接的な経路を進み、ブラシを横切り、ナセルを超えて地面へと至る。

この種の避雷システムの問題は、運動と固定された避雷導体とによって決まる、電気システムの性質、これらの間の界面、外部環境およびハブ内の環境のために生じる。特定の例では、製造およびモジュール方式の組立てが原因で、溝型リングのまわり縁を所望のように正確に構築することはできない。したがって、数センチメートルに及ぶ間隙が、それぞれ、ナセルの静止部品とブレードの可動部品とブレード軸受部品との間に生じる。したがって、ナセルとローターとの間に電気アークが生じ得る。これは、風力タービンの部品に損傷を与えることがある、または風力タービンの部品を破壊することがある。

本発明の課題は、上述した問題の少なくとも一部に関する。特に、本発明の課題は、風力タービン用の改善された避雷システムならびにこの種の避雷システムを備えた風力タービンを提供することである。

上述の課題は、特許請求の範囲に記載された対象によって解決される。特に、上述の課題は、本出願の請求項１に記載された、風力タービン用の避雷システムならびに請求項８に記載された風力タービンによって解決される。本発明のさらなる特徴および詳細は、従属請求項、明細書および図面に記載されている。本発明の避雷システムに関して説明される特徴および詳細は本発明の風力タービンにも関連し、本発明の風力タービンに関して説明される特徴および詳細は本発明の避雷システムにも関連する。

本発明の第１の態様では、風力タービンに対して避雷システムが提供される。この避雷システムは、少なくとも１つのブレードからナセルへ雷電流を導くための、風力タービンのナセルと少なくとも１つのブレードとの間に配置される接続ユニットを含んでいる。特に、この接続ユニットは、雷電流および／または静止エネルギーを少なくとも１つのブレードからナセル、特にナセルの外側のフレーム部品へ導くために、ナセルと少なくとも１つのブレードとの間に配置されるように構築されている。接続ユニットは、少なくとも１つのナセル接触要素を備える第１の終端部分と、少なくとも１つのブレード接触要素を備える第２の終端部分と、少なくとも１つのナセル接触要素を支持する少なくとも１つの第１の支持部材と、少なくとも１つのブレード接触要素を支持する少なくとも１つの第２の支持部材と、第１の支持部材と第２の支持部材との間に配置されている基礎部分と、ブレードからナセルへ向かう修正方向において接続ユニットの長さを修正するために、第１の支持部材および／または第２の支持部材を摺動可能に基礎部分に対して相対的に機械的に接続する少なくとも１つのシフト要素とを含んでいる。

本発明を用いて、ナセルおよび／またはナセルの溝型リングとローターブレードとの間の間隙を、信頼できる安全な方法で埋めることができる。すなわち、溝型リングは、ナセルの一部として理解可能である。したがって、ナセルとブレードとの間の電気アークを阻止することができる。これによって、風力タービンの相応する部品が、損傷および破壊から保護される。換言すれば、雷電流を確実に風力タービンのブレードからナセルへ、さらにナセルから地面へと導く、提案された避雷システムを用いて、風力タービンを保護することができる。

接続ユニットを用いた、少なくとも１つのブレードとナセルとの間の安定した導電性の接触によって、信号に損傷を与える電気キャビネットに干渉するであろう、電磁的な跳躍または電磁アークの形態で放電されるだろう累積された静止エネルギーを阻止することができる。

風力タービンのナセルと少なくとも１つのブレードとの間の位置は、ナセルと少なくとも１つのブレードとの間の直接的な位置に限定してみなされるべきではない。少なくとも１つのブレード接触要素は、付随するブレードの特定の接触部分と接触するように構築可能であり、少なくとも１つのナセル接触要素は、ナセルの特定の接触部分と接触するように、またはナセルに接する特定の接触部分と接触するように構築可能である。ナセル接触要素および／またはブレード接触要素はそれぞれ、１つよりも多くの部品を含んでいてよい。

避雷システムは、少なくとも１つのブレードからナセルへの避雷導体として理解可能である。ナセル接触部材および／またはブレード接触部材を弾性変形可能な材料から作ることが可能であり、これによって、ナセルおよび／またはブレードに害を与えることなく、ナセルおよび／またはブレードとの充分な接触圧が得られる。

少なくとも１つのシフト要素は、第１の支持部材および／または第２の支持部材を摺動可能に基礎部分に対して相対的に機械的に接続するように構築されており、これによって、ブレードからナセルへ向かう修正方向において、接続ユニットの長さを適合させることができる。特に、第１の支持部材および／または第２の支持部材を基礎部分に対して相対的に動かすことによって、修正方向において接続ユニットの長さを適合させることができ、これによって、少なくとも１つのブレードとナセルとの間の間隙の長さに適合させることができる。

摺動可能に基礎部分に対して相対的に配置されている第１の支持部材および／または第２の支持部材は、修正方向において、シフト可能にかつ／または可動に基礎部分に対して相対的に配置されている第１の支持部材および／または第２の支持部材として理解可能である。

接続ユニットの長さは、接続ユニットの幅として理解されてもよい。修正方向は、少なくとも１つのブレードからナセルおよび／または溝型リングへと向かう、かつ／またはナセルおよび／または溝型リングから少なくとも１つのブレードへと向かう長さ方向に対して垂直な方向であってよい。

本発明の避雷システムの基礎部分は有利には、導電性材料から作られている、または実質的に導電性材料から作られている。特に、基礎部分は銅から作られていてよい、または実質的に銅から作られていてよい。したがって、電流は、ブレードからナセルへ、接続ユニットを介して確実に伝達可能である。

本発明の別の実施形態では、避雷システムにおいて、少なくとも１つのシフト要素が少なくとも１つのばね、特に少なくとも１つのコイルばねを含んでいること、または少なくとも１つのシフト要素が少なくとも１つのばね、特に少なくとも１つのコイルばねとして形成されていることが可能である。この種のばねは、容易かつ安価に提供可能である。コイルばねは耐久性があり、多様なメインテナンスおよび／またはサービス提供努力は不要である。ばねの損傷または破壊の場合には、これは容易に交換可能である。第１の支持部材を摺動可能に基礎部分に対して相対的に機械的に接続する２つのばねおよび／または第２の支持部材を摺動可能に基礎部分に対して相対的に機械的に接続する２つのばねが存在する場合、これら２つのばねは相互に平行に配置される。

さらに、本発明の避雷システムのナセル接触要素および／またはブレード接触要素は、シャフト上に回転可能に支持可能であり、かつホイールの形状であってよい。このようにして、接続ユニットがナセルに対して相対的に動いている間、ナセル接触要素がナセルと接触してよい。この際に、例えば引掻きによってナセルに損傷が与えられることはない。これは、接続ユニットが少なくとも１つのブレードまたは少なくとも１つのブレードを取り付けるための取付け部分に固定されているケースであり得る。さらに、接続ユニットがブレードに対して相対的に動いている間、ブレード接触要素がブレードと接触してよい。この際に、例えば引掻きによってナセルに損傷が与えられることはない。これは、ブレードのピッチが修正され、したがって例えば接続ユニットに対して相対的なブレードの動きが修正されるケースであり得る。有利には、第２の終端部分に２つのブレード接触要素が存在する、かつ／または第１の終端部分に２つのナセル接触要素が存在する。別の実施形態では、ナセル接触要素および／またはブレード接触要素が導電性部品および電気絶縁性部品を含んでいることが可能である。ここでこの電気絶縁性部品はシャフト上に回転可能に支持されており、かつホイールの形状である。この種の例において、電気絶縁性部品は各終端部分で少なくとも１つの、有利には２つのラバーホイールの形状に成形されており、ここで導電性部品は少なくとも１つのラバーホイールの隣に配置されており、かつ接続ユニットが適所に、すなわちナセルと少なくとも１つのブレードとの間に配置されている場合に、ナセルおよび少なくとも１つのブレードに対してそれぞれ押圧されるように提供される。

本発明の別の例では、避雷システムにおいて、第１の支持部材および第２の支持部材がアーム形状であり、少なくとも、第１の支持部材および第２の支持部材の突出する長さ方向に関して、相互に平行に位置付けられていることが可能である。相互に平行なアーム形状の支持部材のアセンブリを用いて、接続ユニットの終端部分をナセルおよび／または少なくとも１つのブレードの所望の場所に容易に位置付けることが可能である。アーム形状の支持部材は、その幅および／または高さよりも格段に長い、例えば少なくとも３倍長い長さを有する支持部材として理解可能である。

さらに、本発明に相応する避雷システムでは、少なくとも１つのシフト要素の少なくとも１つの終端部分が基礎部分に固定されていること、上記のシフト要素の少なくとも１つの別の終端部分が第１の支持部材および／または第２の支持部材に固定されていること、基礎部分が少なくとも１つの案内用突起を含んでいること、および第１の支持部材および／または第２の支持部材がそれぞれ案内用スロットを含んでいることが可能である。この案内用スロット内には、少なくとも１つの案内用突起が摺動可能に配置されている。基礎部分における案内用突起と、第１の支持部材および／または第２の支持部材における案内用スロットとを組み合わせることによって、基礎部分とこれらの支持部材との間の相対的な運動が容易かつ確実に提供可能になる。少なくとも１つの案内用突起が配置されている基礎部分の一部が、着脱可能に、別個の部品として基礎部分の基礎部品に固定されている、基礎部分のアダプター部品として提供されている場合に、さらなる利点が得られ得る。このようにして、接続ユニットをさらにいっそう柔軟に、ナセルと少なくとも１つのブレードとの間の間隙に配置することができる。少なくとも１つのアダプター部品は基礎部品にねじ止め、かつ／またはボルト締めされてよい。

さらに、本発明の有利な実施形態では、第１の支持部材の運動方向および／または第２の支持部材の運動方向における少なくとも１つの案内用突起の長さは、運動方向に対して垂直な方向における幅よりも長い。したがって、第１の支持部材および／または第２の支持部材を確実に、所望の運動方向へ案内することができる。運動方向は、ナセルから少なくとも１つのブレードへの方向および／または修正方向として理解可能である。第１の支持部材および第２の支持部材は有利には、相互に平行に動かされるように配置されている。案内用スロットはそれぞれ、案内用突起の少なくとも２倍の長さを有している。したがって、少なくとも１つの第１の支持部材と基礎部分との間の十分な相対的な運動および／または少なくとも１つの第２の支持部材と基礎部分との間の十分な相対的な運動が提供可能である。

さらに、本発明の避雷システムは、第１の支持部材および／または第２の支持部材がＵ字形状である、または実質的にＵ字形状であるように構築可能である。ここで、シフト要素が固定されている基礎部分の一部は、Ｕ字形状の第１の支持部材および／またはＵ字形状の第２の支持部材の２つの脚の間に、形状にぴったり合って配置されている。これによって、支持部材と基礎部分との間の相対的な運動に対して、接続ユニットに対するさらなる安定性が提供される。さらに、伝達領域が増大可能である。第１の支持部材および／または第２の支持部材はそれぞれ第１の脚、第２の脚および脚コネクターを含んでいてよく、ここで第１の脚は第１の案内用スロットを含んでおり、第２の脚は第２の案内用スロットを含んでおり、基礎部分は第１の案内用スロット内に配置された案内部分と、第２の案内用スロット内に配置された案内用突起とを含んでいる。この実施形態では、有利には、２つのコイルばねの形状の２つのシフト要素が各支持部材に対して提供されており、ここでこれら２つのシフト要素は相互に平行に、かつ案内用スロットおよび案内用突起に対して平行に位置付けられている。脚コネクターは、シャフトに対する軸受として形成されていてよく、ここには、ブレード接触要素および／またはナセル接触要素の少なくとも一部がホイール、有利にはラバーホイールの形状で配置されている。

本発明の別の態様では、風力タービンが、風力エネルギーから電力を生成するために提供されており、風力タービンはナセルとブレードとを含んでおり、ここで上述したような少なくとも１つの避雷システムがナセルおよびブレードの少なくとも１つと、ナセルとブレードの少なくとも１つとの間で接触している。したがって、本発明の風力タービンは、本発明の第１の態様に相応する本発明の避雷システムに関して詳細に説明したのと同じ利点を有している。

本発明の風力タービンの有利な実施形態では、基礎部分は、ブレードを風力タービンのローターに取り付けるためのブレード取付け部分に固定されている。すなわち、基礎部分は、ブレードが固定されている、風力タービンの一部に固定されている。この実施形態では、接続ユニットは、ローターが回っている場合には、ブレードとともに動く。この位置に基礎部分を取り付けることによって、別個の取付け部品の必要がなくなる。すなわち、ブレードの取付けにいずれにしても必要になるだろうねじを、ブレード取付け部分に基礎部分を固定するために使用することができる。これによって、簡潔かつ安価な解決策が得られる。

さらに、本発明に相応する風力タービンの基礎部分がブレード取付け部分に、絶縁部材を介して固定されることが可能である。この絶縁部材は、基礎部分を、ブレード取付け部分から電気的に絶縁する。したがって雷電流を確実に、少なくとも１つのブレードからナセルへ導くことができ、この際に、風力タービン内の敏感な部品内へ落雷することはない。ブレード取付け部分は有利には、少なくとも１つのブレードの軸受に配置されている。また基礎部分は、いずれにせよ軸受を適所に保持するのに必要な軸受ねじによって固定されている。

本発明を、添付の図面に関してより詳細に説明する。

本発明の有利な実施形態に相応する、風力タービン内に配置された避雷システムを示している。 図１に示された本発明の避雷システムの部分図を示している。 本発明の避雷システムを備えた風力タービンを示している。

図１は、有利な実施形態に相応する、風力タービン４用の避雷システム１を示している。避雷システム１は接続ユニット５を含んでおり、接続ユニットは風力タービン４のナセル２とブレード９との間に配置され、雷電流を上述のブレード９からナセル２へと導く。図１において見て取れるように、ナセル２は溝型リング１８を含んでおり、これは第１の終端部分６および第１の終端部分６のナセル接触要素７とそれぞれ接触している。すなわち、本発明では、溝型リング１８はナセル２の一部である。

接続ユニット５は、２つのナセル接触要素７を備える第１の終端部分６と、２つのブレード接触要素７を備える第２の終端部分８とを含んでいる。ここでナセル接触要素７およびブレード接触要素７はそれぞれ、回転可能にシャフト（図示されていない）に、各終端部分で支持されており、かつホイールの形状である。特に、接触要素７はすべて、ゴムから作られている。

接続ユニットはさらに第１の支持部材１０を含んでおり、これは２つのナセル接触要素７を支持しており、接続ユニットはさらに第２の支持部材１１を含んでおり、これは２つのブレード接触要素７を支持しており、接続ユニットはさらに基礎部分１２を含んでおり、これは第１の支持部材１０と第２の支持部材１１との間に配置されている。さらに、図２に示されているシフト要素１３が提供されており、これは第１の支持部材１０を摺動可能に基礎部分１２に対して相対的に機械的に接続するように構築されており、これとならんで、図２に示されてるシフト要素１３は第２の支持部材１１を摺動可能に基礎部分１２に対して相対的に機械的に接続するように構築されている。シフト要素１３はさらに、接続ユニット５の長さを、ブレード９からナセル２へ向かう修正方向において修正するように構築および配置されており、これによって、風力タービン４が電力生成状態において動作しているときに、異なる間隙寸法に合わせて、接続ユニット５の長さを調整する。

図１において見て取れるように、基礎部分１２は、ブレード９を風力タービン４のローターに取り付けるためのブレード取付け部分１４に固定されている。特に、基礎部分１２は、ブレード取付け部分１４に、絶縁部材３を介して固定されており、この絶縁部材は、基礎部分１２をブレード取付け部分１４から電気的に絶縁する。絶縁部材３は、軸受ねじを介して、上述のブレード９に対する軸受およびブレード取付け部分１４それぞれに固定されている。さらに図１から見て取れるように、第１の支持部材１０および第２の支持部材１１はアーム形状であり、第１の支持部材および第２の支持部材の突出する長さ方向に関して相互に平行に位置付けられている。

図２は、上述した避雷システム１の部分図を示している。図１と同様に、図２において見て取れるように、基礎部分１２は、基礎部分１２の中心部分ならびに支持部材１０、１１に取り付けられている１つのアダプター部品および／または複数のアダプター部品を含んでいる。特に、基礎部分１２のアダプター部品は、シフト要素１３を介して支持部材１０、１１に接続されている。図２において見て取れるように、図２に示されているシフト要素１３は２つのコイルばねを含んでおり、ここで各コイルばねの一方の終端は基礎部分１２に固定されており、他方の終端は各第１の支持部材１０に固定されている。特に、コイルばねは、第１の支持部材１０の軸受１７に固定されており、ここで第１の支持部材１０は軸受１７および２つの脚部分によってＵ字形状にされている。シフト要素１３が固定されている基礎部分１２の一部、すなわちアダプター部品の一部は、第１の支持部材１０のこれら２つの脚の間に形状にぴったり合って配置されている。同様のことが、第２の支持部材１１に当てはまる。

さらに、図２において見て取れるように、シフト要素１３の一方の終端部分は基礎部分１２に固定されており、上述のシフト要素１３の他方の終端部分は第１の支持部材１０に固定されており、ここで基礎部分１２は２つの案内用突起１６（１つしか示されていない）を含んでおり、第１の支持部材１０は２つの案内用スロット１５（１つしか示されていない）を含んでおり、このスロット内には案内用突起が摺動可能に配置されている。特に、１つの案内用スロット１５は、第１の支持部材１０の各脚内に形成されている。同様のことが、第２の支持部材１１に当てはまる。第１の支持部材１０、一般的には支持部材１０、１１をより良く理解するために、図２の例では、ラバーホイールが１つ、省かれている。さらに、図２は、第１の支持部材１０の運動方向における案内用突起１６の長さが、運動方向に対して垂直な方向における幅よりも長い例を示している。

図３は、風力エネルギーから電力を生成する風力タービン４を示しており、これはナセル２と３つのブレード９とを含んでいる。ここでは上述したような避雷システム１がナセル２およびブレード９と、ナセル２とブレード９との間で接触している。

添付の図面の上述した説明は、詳細および例の様式で作成されただけである。本発明の各態様および図面の特定の特徴は、技術的な意味がある場合には相互に組み合わせ可能である。

Claims (9)

1. 風力タービン（４）用の避雷システム（１）であって、
   前記避雷システムは、前記風力タービン（４）のナセル（２）と少なくとも１つのブレード（９）との間に配置される接続ユニット（５）を含んでおり、前記接続ユニットは、雷電流および／または静止エネルギーを前記少なくとも１つのブレード（９）から前記ナセル（２）へ導き、
   前記接続ユニット（５）は、少なくとも１つのナセル接触要素（７）を備える第１の終端部分（６）と、少なくとも１つのブレード接触要素（７）を備える第２の終端部分（８）と、前記少なくとも１つのナセル接触要素（７）を支持する少なくとも１つの第１の支持部材（１０）と、前記少なくとも１つのブレード接触要素（７）を支持する少なくとも１つの第２の支持部材（１１）と、前記第１の支持部材（１０）と前記第２の支持部材（１１）との間に配置されている基礎部分（１２）と、前記ブレード（９）から前記ナセル（２）へ向かう方向において前記接続ユニット（５）の長さを修正するために、前記第１の支持部材（１０）および／または前記第２の支持部材（１１）を摺動可能に前記基礎部分（１２）に対して相対的に機械的に接続する少なくとも１つのシフト要素（１３）とを含み、
   前記第１の支持部材（１０）および前記第２の支持部材（１１）はアーム形状であり、少なくとも、前記第１の支持部材および前記第２の支持部材の突出する長さ方向に関して、相互に平行に位置付けられている、
   風力タービン（４）用の避雷システム（１）。
2. 前記少なくとも１つのシフト要素（１３）はばねを含んでいる、請求項１記載の避雷システム（１）。
3. 前記少なくとも１つのナセル接触要素（７）および／または前記少なくとも１つのブレード接触要素（７）は、シャフト上に回転可能に支持されており、かつホイールの形状である、請求項１または２記載の避雷システム（１）。
4. 前記少なくとも１つのシフト要素（１３）の少なくとも１つの終端部分が前記基礎部分（１２）に固定されており、前記シフト要素（１３）の少なくとも１つの別の終端部分が前記第１の支持部材（１０）および／または前記第２の支持部材（１１）に固定されており、前記基礎部分（１２）は少なくとも１つの案内用突起（１６）を含んでおり、前記第１の支持部材（１０）および／または前記第２の支持部材（１１）はそれぞれ案内用スロット（１５）を含んでおり、前記案内用スロット内には、前記少なくとも１つの案内用突起が摺動可能に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の避雷システム（１）。
5. 前記第１の支持部材（１０）および／または前記第２の支持部材（１１）の運動方向における前記少なくとも１つの案内用突起（１６）の長さは、前記運動方向に対して垂直な方向における幅よりも長い、請求項４記載の避雷システム（１）。
6. 前記第１の支持部材（１０）および／または前記第２の支持部材（１１）は、２つの脚と、当該２つの脚を接続する軸受とによって、Ｕ字形状または実質的にＵ字形状に形成されており、
   前記シフト要素（１３）が固定されている前記基礎部分（１２）の一部は、Ｕ字形状の前記第１の支持部材（１０）および／またはＵ字形状の前記第２の支持部材（１１）の前記２つの脚の間に、形状にぴったり合って配置されている、請求項４または５記載の避雷システム（１）。
7. 風力エネルギーから電力を生成するための風力タービン（４）であって、
   前記風力タービンはナセル（２）とブレード（９）とを含んでおり、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の少なくとも１つの避雷システム（１）が前記ナセル（２）および前記ブレード（９）の少なくとも１つと、前記ナセル（２）と前記ブレード（９）の少なくとも１つとの間で接触している
   風力タービン（４）。
8. 前記基礎部分（１２）は、ブレード（９）を前記風力タービン（４）のローターに取り付けるためのブレード取付け部分（１４）に固定されている、請求項７記載の風力タービン（４）。
9. 前記基礎部分（１２）は前記ブレード取付け部分（１４）に、絶縁部材（３）を介して固定されており、前記絶縁部材は、前記基礎部分（１２）を、前記ブレード取付け部分（１４）から電気的に絶縁する、請求項８記載の風力タービン（４）。

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