JP7154239B2 - 風力タービンブレードへの落雷の位置を検出するための雷検出および測定システムならびに方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンブレードへの落雷の位置を検出するように構成された雷検出および測定システムに関し、本システムは、風力タービンブレードの長手方向に延在するように構成されたブレード雷接地導体と、ブレード雷接地導体に電気接続され、ブレード雷接地導体の長さに沿って分配されたいくつかの雷レセプタと、ブレード雷接地導体の長さに沿って分配されたいくつかの個々の雷検出器であって、雷レセプタのうちの一つ以上に雷が落ちたときに、雷レセプタとブレード雷接地導体との間の接続部の、またはブレード雷接地導体の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するようにそれぞれが構成された、いくつかの個々の雷検出器と、雷レセプタのうちの一つ以上に雷が落ちたときに、ブレード雷接地導体を通ってブレードを出るすべての雷電流の少なくとも大きさを測定するように構成された主ブレード接地導体雷検出器とを含む。

今日、雷検出および測定システムは存在するが、実用されている解決策は、風力タービンブレードの根本端部においてその事象からのバルク電流を測定することに限定されている。一般に、これらのシステムは、風力タービンブレードのどこに落雷したかを検出することはできず、したがって、実際に、これらのシステムは、この資産のオペレータにとって価値は限られている。例えば、システムが、非常に大きくて損害を与える可能性がある落雷が大型風力タービン発電機に生じたことを知らせた場合、オペレータは、実際にはこの情報をそれほど利用することができない。風力タービンブレードのどこに落雷したかを知らなければ、このデータは実際の運用価値はなく、風力タービン発電機を停止させるか、そのまま運転するかどうかの決定を、このデータだけに基づいて下すことができない。したがって、例えば、オペレータが、大きな雷が、例えば、中実の金属の先端レセプタに落ちたという情報を受けることができるなら、そのときには、設計および試験データから、この事象は風力タービンブレードの動作に対して脅威を示さないと決定することができる。しかしながら、同じ落雷を表面メッシュなどの二次保護部に受けた場合、これは、ブレードに対して表面損傷を起こし得ると判断され得るが、運転が停止されることはないであろう。この場合、風力タービン発電機は、次の予定された期間での点検および表面補修が強調されるだけである。これは、実際に有用な運転情報となろう。

特許文献１には、圧力側および負圧側のそれぞれに複数の雷レセプタが設けられた、風力タービンブレードへの落雷を検出するためのシステムおよび方法が開示されている。雷レセプタは、複数の構成部品を含むことができるブレード接地導体に電気結合される。一実施形態では、それぞれのレセプタは、枝線によって、ブレード接地導体の中央線に接続される。中央線および枝線は、ブレード接地導体を風力タービンの主接地導体に接続することによってレセプタのいずれか一つへの落雷をアースに伝えるための風力タービン全体の接地システムの導体構成部品を定めるのに適したゲージを有する。電流センサは、落雷レセプタのそれぞれとともに構成される。個々の電流センサは、それぞれの落雷導体と関係する枝線とともに構成される。電流センサはまた、中央線とともに構成される。電流センサは、具体的には、それぞれのセンサへの落雷の結果として、中央線または枝線の形態の関係する接地導体を通って流れる電流に比例する一次電流を発生させるように構成される。この一次電流は、中央線または枝線を通る落雷電流に比例する。電流センサは、接地コネクタが中を走るコア部材を含む。コア部材は、定められた巻き数を有する一次巻線で巻かれている。共通の信号変換器サブシステムは、電流センサのそれぞれと動作可能に関係し、一次電流を処理信号に変換する。信号変換器サブシステムは、一次電流を信号電流に降圧するために、一次電流センサと直列に配置された一つ以上の二次電流変流器をさらに含むことができる。次いで、処理信号は、処理信号が閾値と比較される処理サブシステムに伝えられる。処理信号が閾値を超える場合、各レセプタへの落雷の肯定表示が示される。このシステムでは、理論的には、ブレードへの特定の落雷位置を決定することができる。しかしながら、上記の電流センサのそれぞれを共通の信号変換器サブシステムと接続するために、物理的な配線が必要であり、これは、風力タービンにおいて実施することが実際には非常に困難である。さらに、物理的な配線は、測定するために構成された検出システム自体が雷電流によって損傷を受ける危険性が高いことを示す。

非特許文献１であるSmart Structures and Systems、Vol.6、No.3、(2010)、183～196頁に掲載された、R. Andrew Swartz、Jerome P. Lynch、Stephan Zerbst、Bert Sweetman、およびRaimund Rolfesによる論文「Structural monitoring of wind turbines using wireless sensor networks」には、風力タービンタワーにおける無線センサ技術の試験装置が示されている。いくつかの無線センサが、三つの異なる風力タービンのそれぞれの円い中空の鋼製タワーの内部に、異なる高さで配置された。第1の計装の目的は、以下のとおりである。1)無線センサがタービンタワー内で動作することを示す、2)加速度データを収集して伝送する、3)収集されたデータが、並行して搭載された従来の繋がれた(tethered)データ収集(DAQ:data acquisition)システムによって収集された類似のデータと比較して遜色ないことを示す。これらの目標を達成するために、四つの無線センサノードが、タワー内の異なる高さに配置され、鋼製プラットフォームのそれぞれに一つのノードが配置され、全部で八つの加速度計に対して、直交する横方向の加速度を測定する二つの加速度計がそれぞれの無線センサノードに接続されている。しかしながら、この論文は、落雷の検出には関係せず、風力タービンブレードに配置されるセンサに関係しない。

米国特許第8,258,773号明細書

R. Andrew Swartz、Jerome P. Lynch、Stephan Zerbst、Bert Sweetman、およびRaimund Rolfes、「Structural monitoring of wind turbines using wireless sensor networks」、Smart Structures and Systems、Vol.6、No.3、(2010)、183～196頁

本発明の目的は、風力タービンブレードのどこに落雷したかを示すように構成された、実際に実現可能で頑丈な雷検出測定システムを提供することである。

この目的に鑑みて、それぞれの個々の雷検出器は、個々のセンサ要素と、個々のマイクロプロセッサと、個々の記憶装置と、個々の無線通信モジュールと、バッテリー、ならびに運動、振動、および光など、一つ以上の供給源から電力を回収するように構成された電力回収装置を含む個々の電力供給部とを含み、システムは、個々の無線通信モジュールのうちの一つ以上と直接無線通信するように構成された中央無線通信モジュールを含み、それぞれの個々の無線通信モジュールは、他の個々の無線通信モジュールのうちの少なくとも一つ、および/または中央無線通信モジュールと直接無線通信するように構成される。

このようにして、それぞれの個々のマイクロプロセッサは、システムの個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを中央無線通信モジュールにエネルギーの効率的な方法で無線通信することができ、エネルギー供給のために配線が必要でないように、無線通信に必要とされる限定的なエネルギーを電力回収装置によって供給することができる。個々のセンサ要素と中央通信モジュールとの間のいかなる配線も避けることによって、通信を容易に実行することができ、測定するために構成された検出システム自体が雷電流によって損傷を受ける危険性が最小になる。

一実施形態において、それぞれの個々の無線通信モジュールは、他の個々の無線通信モジュールおよび中央無線通信モジュールのいずれかと直接無線通信するように構成される。それによって、特定の個々の無線通信モジュールと中央無線通信モジュールとの間で無線通信が直接可能でない場合に、一つ以上の他の個々の無線通信モジュールを介して、これらのモジュール間で間接的な無線通信を確立することができる。

一実施形態において、それぞれの個々の無線通信モジュールの個々の電力供給部の電力レベルが低い場合、システムは、前記それぞれの個々の無線通信モジュールと中央無線通信モジュールとの間で間接的に無線通信するように構成され、前記無線通信は他の個々の無線通信モジュールのうちの一つを介して行われる。それによって、前記それぞれの個々の無線通信モジュールの個々の電力供給部の電力レベルが低いことによって、この個々の無線通信モジュールが、場合によっては比較的離れた中央無線通信モジュールとは通信することができないが、比較的より近くに位置する他の個々の無線通信モジュールとはまだ通信することができ、それによって、中央無線通信モジュールと間接無線通信を確立することができる。

構造的に特に有利な実施形態において、個々のセンサ要素は、ホール効果センサの形態を有する。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器は、関係する風力タービンの外部電力供給部から電力を供給されるように構成される。それによって、風力タービンブレードを出る全雷電流を比較的より正確に特徴付けるために、主ブレード接地導体雷検出器は、比較的より多くの電力を必要とすることがある、より正確な測定および様々な変数の測定を提供するように構成することができる。

構造的に特に有利な実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器は、主ブレードセンサ要素と、主ブレードマイクロプロセッサと、主ブレード記憶装置と、主ブレード無線通信モジュールとを含む。一実施形態において、主ブレード無線通信モジュールは、それぞれの個々の無線通信モジュール、および、場合によっては中央無線通信モジュールと無線通信するように構成される。それによって、主ブレード無線通信モジュールは、その測定値を中央無線通信モジュールに無線で送ることができる。さらに、主ブレード無線通信モジュールは、場合によっては、一つ以上の個々の無線通信モジュール間、および、場合によっては、これらと中央無線通信モジュールとの間の間接無線通信を確立するために使用することができる。さらに、主ブレード接地導体雷検出器が、関係する風力タービンの外部電力供給部から電力を供給されるように構成された場合、主ブレード無線通信モジュールは、それぞれの個々の雷検出器の個々の無線通信モジュールによって送受信される無線信号に比べて、比較的より強力な無線信号を送り、比較的より弱い無線信号を受けるように構成することができ、それによって、主ブレード無線通信モジュールから比較的遠い距離に位置する個々の無線通信モジュールとの無線通信が可能となり、かつ/または、それによって、個々の電力供給部の電力レベルが低い個々の無線通信モジュールとの無線通信が可能となる。それによって、個々の無線通信モジュールの個々の電力供給部の電力レベルが低いことによって、この個々の無線通信モジュールが場合によっては比較的離れた中央無線通信モジュールとは通信することができないが、主ブレード無線通信モジュールとはまだ通信することができ、それによって、中央無線通信モジュールと間接無線通信を確立することができる。

構造的に特に有利な実施形態において、主ブレードセンサ要素は、ロゴスキーコイルの形態を有する。

一実施形態において、それぞれの個々の雷検出器は、風力タービンブレードに埋め込まれるように構成された、電気絶縁された雷レセプタブロックに一体化され、システムの個々の導電部分および/あるいは一つ以上の雷レセプタは、前記電気絶縁された雷レセプタブロックに一体化される。それによって、雷検出システムおよび関係する雷保護システムは、前記電気絶縁された雷保護レセプタブロックの形態で一体化された構成部品として、風力タービンブレードの生産時に風力タービンブレードに一体化することができる。

構造的に特に有利な実施形態において、雷レセプタは、ブレード先端雷レセプタおよび/またはいくつかの表面保護雷レセプタを含む。

構造的に特に有利な実施形態において、雷レセプタは、側面レセプタ雷導体枝部によってブレード雷接地導体に電気接続された少なくとも一つの側面雷レセプタを含み、個々の側面雷検出器は、前記少なくとも一つの側面雷レセプタに雷が落ちたときに、前記側面レセプタ雷導体枝部を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成される。それによって、前記個々の側面雷検出器は、前記少なくとも一つの側面雷レセプタが受けた雷電流の大きさを示す雷パラメータを直接測定することができる。

構造的に特に有利な実施形態において、雷検出器は、ブレード雷接地導体に関係し、雷レセプタのうちの一つ以上に雷が落ちたときに、ブレード雷接地導体の個々の部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成された、少なくとも一つの個々の中央雷検出器を含み、ブレード雷接地導体の前記個々の部分は、雷レセプタのうちの少なくとも二つの間の電気接続部を形成する。それによって、前記個々の中央雷検出器は、前記個々の中央雷検出器の位置からブレード先端雷レセプタまでの位置でブレード雷接地導体に接続された雷レセプタのいずれかが受けた雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定することができる。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器は、次のパラメータ、すなわち、ピーク電流、極性、電荷、上昇時間、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目に関する雷電流パラメータを測定するように構成される。それによって、風力タービンブレードを出る全雷電流を比較的より正確に特徴付けることができる。

本発明はさらに、いくつかの風力タービンブレードを有する風力タービンであって、それぞれの風力タービンブレードに、請求項1から13のいずれか一項に記載の雷検出システムが設けられた、風力タービンに関する。

本発明はさらに、風力タービンブレードへの落雷を検出するための方法に関し、本方法は、雷電流をいくつかの雷レセプタのうちの一つ以上から風力タービンブレードの長手方向に延在するブレード雷接地導体を通るように導くステップであって、前記いくつかの雷レセプタが、ブレード雷接地導体に電気接続され、ブレード雷接地導体の長さに沿って分配された、ステップと、前記いくつかの雷レセプタのうちの一つ以上に前記雷が落ちたときに、ブレード雷接地導体の長さに沿って分配されたいくつかの個々の雷検出器のそれぞれによって、雷レセプタとブレード雷接地導体との間の接続部の、またはブレード雷接地導体の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するステップと、前記雷レセプタのうちの一つ以上に前記雷が落ちたときに、主ブレード接地導体雷検出器によって、ブレード雷接地導体を通ってブレードを出るすべての雷電流の少なくとも大きさを測定するステップとを含む。

本発明による方法は、それぞれの個々の雷検出器が、個々のセンサ要素によって前記雷パラメータを測定し、個々のマイクロプロセッサによって、測定された雷パラメータを処理し、個々の記憶装置にデータを記憶し、個々の無線通信モジュールを制御し、バッテリーおよび電力回収装置を含む個々の電力供給部が、個々の雷検出器に電力を供給し、電力回収装置が、運動、振動、および光など、一つ以上の供給源から電力を回収し、システムに含まれる中央無線通信モジュールが、個々の無線通信モジュールのうちの一つ以上と直接無線通信し、それぞれの個々の無線通信モジュールが、他の個々の無線通信モジュールのうちの少なくとも一つ、および/または中央無線通信モジュールと直接無線通信することを特徴とする。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、それぞれの個々の無線通信モジュールは、必要に応じて、他の個々の無線通信モジュールおよび中央無線通信モジュールのいずれかと直接無線通信する。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、それぞれの個々の無線通信モジュールの個々の電力供給部の電力レベルが低い場合、前記それぞれの個々の無線通信モジュールは、他の個々の無線通信モジュールのうちの一つを介して中央無線通信モジュールと間接的に無線通信する。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器は、関係する風力タービンの外部電力供給部から電力を供給される。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器は、ブレードを出るすべての雷電流の前記少なくとも大きさを主ブレードセンサ要素によって測定し、主ブレードマイクロプロセッサによって、測定されたすべての雷電流の少なくとも大きさを処理し、主ブレード記憶装置にデータを記憶し、主ブレード無線通信モジュールを制御する。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、主ブレード無線通信モジュールは、必要に応じて、個々の無線通信モジュール、および、場合によっては中央無線通信モジュールのいずれかと無線通信する。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器は、次のパラメータ、すなわち、ピーク電流、極性、電荷、上昇時間、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目の雷電流パラメータを測定する。それによって、上記の特徴が得られる。

一実施形態において、データの後処理および解析は、風力タービンの中央無線通信モジュールからデータを受け取った後、クラウドベースのサービスなど、遠隔コンピュータによって実施される。遠隔コンピュータ上を走るアルゴリズムは、個々の雷検出器および主ブレード接地導体雷検出器によって実施された測定を解析し、これに基づいて、風力タービンブレードへの1つまたは複数の落雷の位置を示し、1つまたは複数の落雷から生じた1つまたは複数の雷電流の大きさを示す。次いで、このデータは、落雷の大きさおよび位置情報として、カスタマイズされたウェブポータルによって、使用者に直接与えられる。それによって、システムの使用者は、風力タービンブレードの補修を実施する時期と位置を容易に計画することができる。

次に、以下に、非常に概略的な図を参照して、実施形態の例によって本発明をより詳細に説明する。

本発明による雷検出システムの実施形態の図である。 図1の雷検出システムのブレード先端雷レセプタおよび電気絶縁された雷保護先端埋込形成部の図である。 図1の雷検出システムの電気絶縁された雷保護側面埋込形成部の斜視図である。 図1の雷検出システムの電気絶縁された雷保護側面埋込および電気絶縁された雷保護中央埋込形成部の斜視図である。 図1の雷検出システムの個々の中央雷検出器形成部の図である。 図1の雷検出システムの主ブレード接地導体雷検出器形成部の図である。

図1は、風力タービンブレード2への落雷を検出するように構成された、本発明による雷検出システム1の実施形態を示す。雷検出システム1は、風力タービンブレード2の長手方向に延在するブレード雷接地導体3、およびブレード雷接地導体3に電気接続され、ブレード雷接地導体3の長さに沿って分配されたいくつかの雷レセプタ4、5、6、7の形態の雷保護システムを含む。図1の右側に見えるブレード雷接地導体3の端部30は、雷レセプタ4、5、6、7のいずれかが受けた雷電流をそれ自体知られている方法でアースに導くために、関係する風力タービン(図示せず)の主接地導体に接続されるように構成される。

図に示すように、いわゆるスマートセンサの形態のいくつかの個々の雷検出器8、9は、ブレード雷接地導体3の長さに沿って配列して分配され、雷レセプタ4、5、6、7のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、それぞれ、雷レセプタ4、5、6、7とブレード雷接地導体3との間の接続部28の、またはブレード雷接地導体3の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成される。いわゆるスマートセンサの利点は、幾何学的に非常に小さく、外部電力またはデータ配線を必要としないことである。さらに、風力タービンブレード2の根本端部31に、または図示されていない風力タービンのハブに配置された主ブレード接地導体雷検出器10は、雷レセプタ4、5、6、7のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、ブレード雷接地導体3を通ってブレード2を出るすべての雷電流の少なくとも大きさを測定するように構成される。

図5に示すように、それぞれの個々の雷検出器8、9は、個々のセンサ要素11と、個々のマイクロプロセッサ12と、個々の記憶装置13と、個々の無線通信モジュール14と、バッテリー16、ならびに運動、振動、および光など、一つ以上の供給源から電力を回収するように構成された電力回収装置17を含む個々の電力供給部15とを含む。風力タービンブレードはほとんどの時間、回転しているので、運動から電力を回収することが好ましい。しかしながら、風力タービンブレードが回転していない場合には、振動などの供給源が可能である。しかしながら、バッテリー16はエネルギーを貯めて、電力回収装置17がエネルギーを生成しない期間に使用することができる。

図1に示すように、システム1は、それぞれの個々の雷検出器8、9の個々の無線通信モジュール14のうちの一つ以上と直接無線通信するように構成された中央無線通信モジュール18を含む。中央無線通信モジュール18は、例えば、図示されていない風力タービンのタワーに、または風力タービンに隣接して配置することができ、中央無線通信モジュール18は、ゲートウェイを含むことができ、直接接続または無線のどちらかによってインターネットを介してクラウドサーバ19と通信することができる。

本発明によれば、それぞれの個々の雷検出器8、9のそれぞれの個々の無線通信モジュール14は、他の個々の雷検出器8、9の少なくとも一つの個々の無線通信モジュール14、および/または中央無線通信モジュール18と直接無線通信するように構成される。

それによって、それぞれの個々のマイクロプロセッサ12は、システム1の個々の導電部分3、28を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを中央無線通信モジュール18にエネルギーの効率的な方法で無線通信することができ、エネルギー供給のために配線が必要でないように、無線通信に必要とされる限定的なエネルギーを電力回収装置17によって供給することができる。個々のセンサ要素11と中央無線通信モジュール18との間のいかなる配線も避けることによって、通信を容易に実行することができ、測定するために構成された検出システム1自体が雷電流によって損傷を受ける危険性が最小になる。

それぞれの個々の無線通信モジュール14が、他の個々の無線通信モジュール14および中央無線通信モジュール18のいずれかと直接無線通信するように構成されることが好ましい。それによって、特定の個々の無線通信モジュール14と中央無線通信モジュール18との間で無線通信が直接可能でない場合に、一つ以上の他の個々の無線通信モジュールを介して、これらのモジュール14、18間で間接的な無線通信を確立することができる。

それぞれの個々の無線通信モジュール14の個々の電力供給部15の電力レベルが低い場合、システム1は、前記それぞれの個々の無線通信モジュール14と中央無線通信モジュール18との間で間接的に無線通信するように構成されることが好ましく、前記無線通信は他の個々の無線通信モジュール14のうちの一つを介して行われる。それによって、前記それぞれの個々の無線通信モジュール14の個々の電力供給部15の電力レベルが低いことによって、この個々の無線通信モジュール14が、場合によっては比較的離れた中央無線通信モジュール18とは場合によっては通信することができないが、比較的より近くに位置する他の個々の無線通信モジュール14とはまだ通信することができ、それによって、中央無線通信モジュール18と間接無線通信を確立することができる。

図6に示すように、主ブレード接地導体雷検出器10は、関係する風力タービンの外部電力供給部24から電力を供給されるように構成されることが好ましい場合がある。それによって、主ブレード接地導体雷検出器10は、比較的より多くの電力を必要とすることがある、より正確な測定および様々な変数の測定を提供するように構成することができる。実際に、主ブレード接地導体雷検出器10は、次のパラメータ、すなわち、ピーク電流、極性、全電荷転送、上昇時間、パルス形状、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目の雷電流パラメータを測定するように構成されることが好ましい。それによって、風力タービンブレード2を出る全雷電流を、システム1によって比較的より正確に特徴付けることができる。

図6に示した実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器10は、主ブレードセンサ要素20と、主ブレードマイクロプロセッサ21と、主ブレード記憶装置22と、主ブレード無線通信モジュール23とを含む。主ブレード無線通信モジュール23は、それぞれの個々の無線通信モジュール14、および、場合によっては中央無線通信モジュール18と無線通信するように構成される。主ブレード接地導体雷検出器10が外部電力供給部24から電力を供給される場合、主ブレード接地導体雷検出器10からのケーブル接続はやはり必要であり、例えば、この場合には、主ブレードマイクロプロセッサ21は、代わりに、中央無線通信モジュール18とのケーブル接続によって直接通信することができる。

個々の雷検出器8、9の個々のセンサ要素11は、測定される雷電流が流れる、関係する個々の導電部分の近くに配置されたホール効果センサの形態を有することが好ましい。ホール効果センサは、雷電流の流れによって引き起こされる磁場の特性を測定する。しかしながら、個々のセンサ要素11は、システム1の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するのに適した任意の種類のセンサであってもよい。これに加えて、またはこれに代えて、個々のセンサ要素11は、加速度計、振動測定装置、衝撃測定装置、温度測定装置などの他の種類のセンサを含んでもよい。さらに、主ブレード接地導体雷検出器10の主ブレードセンサ要素20は、測定される雷電流が流れる位置においてブレード雷接地導体3を取り囲むロゴスキーコイルの形態を有することが好ましい。しかしながら、主ブレードセンサ要素20は、次のパラメータ、すなわち、ブレード雷接地導体3の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流のピーク電流、極性、電荷、上昇時間、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目の雷電流パラメータを測定するのに適した任意の種類のセンサであってもよい。これに加えて、またはこれに代えて、主ブレードセンサ要素20は、加速度計、振動測定装置、衝撃測定装置、温度測定装置などの他の種類のセンサを含んでもよい。主ブレード接地導体雷検出器10は、雷の事象のパラメータの正確な測定を可能にする、はるかに速いプロセッサおよびより大きな記憶容量を利用することができる。上記に基づいて、落雷に対する風力タービンブレード2の状態に関する多量のデータを集めて照合することができ、さらに将来の運転計画を改善することができることが理解される。

図2、図3、および図4に示すように、それぞれの個々の雷検出器8、9は、風力タービンブレード2に埋め込まれるように構成された、電気絶縁された雷保護埋込部25、26、27に一体化され、システム1の個々の導電部分3、28および/あるいは一つ以上の雷レセプタ4、5は、前記電気絶縁された雷保護埋込部25、26、27に一体化されている。それによって、雷検出システム1および関係する雷保護システムは、前記電気絶縁された雷保護埋込部25、26、27の形態で一体化された構成部品として、風力タービンブレードの生産時に風力タービンブレード2に一体化することができる。表面雷レセプタ4、5は、典型的には、風力タービンブレード2の積層内に埋め込まれる。

図1に示すように、雷レセプタは、風力タービンブレード2の先端32に配置されたブレード金属先端雷レセプタ6、および/またはいくつかの表面保護雷レセプタ4、5、7を含む。

図3および図4にさらに示すように、雷レセプタは、側面レセプタ雷導体枝部28によってブレード雷接地導体3に電気接続された少なくとも一つの側面雷レセプタ5を含み、個々の側面雷検出器9は、前記少なくとも一つの側面雷レセプタ5に雷が落ちたときに、前記側面レセプタ雷導体枝部28を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成される。それによって、前記個々の側面雷検出器9は、前記少なくとも一つの側面雷レセプタ5が受けた雷電流の大きさを示す雷パラメータを直接測定することができる。図3および図4にさらに示すように、雷検出器は、ブレード雷接地導体3に関係し、雷レセプタ4、5、6、7のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、ブレード雷接地導体3の個々の部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成された、少なくとも一つの個々の中央雷検出器8を含み、ブレード雷接地導体3の前記個々の部分は、雷レセプタのうちの少なくとも二つの間の電気接続部を形成する。それによって、前記個々の中央雷検出器8は、前記個々の中央雷検出器8の位置からブレード先端雷レセプタ6までの位置でブレード雷接地導体3に接続された雷レセプタ4、5、6のいずれかが受けた雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定することができる。

本発明の実施形態によれば、図示されていない風力タービンは、いくつかの風力タービンブレード2を有し、それぞれの風力タービンブレード2には、上記のような雷検出システム1が設けられている。しかしながら、一つの共通の中央無線通信モジュール18および一つの共通のクラウドサーバ19が設けられた、風力タービンのすべての風力タービンブレード2のための共通の雷検出システム1を提供することできることが有利である。同様に、より多くの風力タービンに本発明による雷検出システム1が設けられるとき、いくつかの風力タービンのすべての風力タービンブレード2のための共通の雷検出システム1に一つの共通のクラウドサーバ19を設けることができることが有利である。風力タービンのいくつかが、互いに比較的近くに配置されている場合、これらの風力タービンのために、場合によっては一つの共通の中央無線通信モジュール18を設けることができる。

本発明はさらに、図1に示したもののような風力タービンブレード2への落雷を検出するための方法に関する。本方法は、雷電流を雷レセプタ4、5、6、7のうちの一つ以上から風力タービンブレード2の長手方向に延在するブレード雷接地導体3を通るように導くステップを含む。前記いくつかの雷レセプタ4、5、6、7のうちの一つ以上に前記雷が落ちたときに、ブレード雷接地導体3の長さに沿って分配された個々の雷検出器8、9のそれぞれによって、雷レセプタ4、5、6、7とブレード雷接地導体3との間のそれぞれの接続部28の、またはブレード雷接地導体3の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータが測定される。前記雷レセプタ4、5、6、7のうちの一つ以上に前記雷が落ちたときに、主ブレード接地導体雷検出器10によって、ブレード雷接地導体3を通ってブレード2を出るすべての雷電流の少なくとも大きさが測定される。それぞれの個々の雷検出器8、9は、個々のセンサ要素11によって前記雷パラメータを測定し、個々のマイクロプロセッサ12によって、測定された雷パラメータを処理し、個々の記憶装置13にデータを記憶し、個々の無線通信モジュール14を制御する。バッテリー16および電力回収装置17を含む個々の電力供給部15は、個々の雷検出器8、9に電力を供給する。電力回収装置17は、運動、振動、および光など、一つ以上の供給源から電力を回収する。システム1に含まれる中央無線通信モジュール18は、個々の無線通信モジュール14のうちの一つ以上と直接無線通信し、それぞれの個々の無線通信モジュール14は、他の個々の無線通信モジュール14のうちの少なくとも一つ、および/または中央無線通信モジュール18と直接無線通信する。

一実施形態において、必要に応じて、それぞれの個々の無線通信モジュール14は、他の個々の無線通信モジュール14および中央無線通信モジュール18のいずれかと直接無線通信する。

一実施形態において、それぞれの個々の無線通信モジュール14の個々の電力供給部15の電力レベルが低い場合、前記それぞれの個々の無線通信モジュール14は、他の個々の無線通信モジュール14のうちの一つを介して中央無線通信モジュール18と間接的に無線通信する。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器10は、ブレード2を出るすべての雷電流の前記少なくとも大きさを主ブレードセンサ要素20によって測定し、主ブレードマイクロプロセッサ21によって、測定されたすべての雷電流の少なくとも大きさを処理し、主ブレード記憶装置22にデータを記憶し、主ブレード無線通信モジュール23を制御する。

一実施形態において、必要に応じて、主ブレード無線通信モジュール23は、個々の無線通信モジュール14、および、場合によっては中央無線通信モジュール18のいずれかと無線通信する。

一実施形態において、それぞれの個々の無線通信モジュール14と、主ブレード無線通信モジュール23と、中央無線通信モジュール18との間の無線通信は、ZigBee(登録商標)装置によって実施される。

一実施形態において、主ブレード接地導体雷検出器10は、次のパラメータ、すなわち、ピーク電流、極性、電荷、上昇時間、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目の雷電流パラメータを測定する。

一実施形態において、クラウドサーバ19などのコンピュータは、中央無線通信モジュール18からデータを受け取り、個々の雷検出器8、9および主ブレード接地導体雷検出器10によって実施された測定を比較し、これに基づいて、風力タービンブレード2への1つまたは複数の落雷の位置を示し、1つまたは複数の落雷から生じた1つまたは複数の雷電流の大きさを示す。中央無線通信モジュール18は、個々の雷検出器8、9および主ブレード接地導体雷検出器10からの生データをパッケージにして、データをクラウドサーバ19に送ることができる。データパケットは、事象の日時、すべての個々のセンサ要素11および主ブレードセンサ要素20からのセンサ信号、風力タービン識別子(ID:identification)、ならびに風力タービンブレード識別子を示すことができる。

次いで、クラウドサーバ19は、特定の風力タービンブレード2および雷保護システム1に対する設計データを用いてプログラムされているので、風力タービンブレード2に対する可能性のある予想される損傷について正確に評価することができる。次いで、クラウドサーバ19は、当の資産に対するオペレーションセンタに対して、この情報をリアルタイムに更新することができる。この出力はまた、同時に電話またはタブレットなどのスマートデバイスに警報または警告を送るように構成することができる。このようにして、オペレータは、雷の事象の実際の意味のある評価を有し、運転計画について十分な情報に基づいた決定を行うことができる。それによって、雷保護システム1は、実際の目標とする予防保全および補修計画を可能にし、誤って停止することを防ぎ、運転時間を延ばし、運転費用を削減することができる。

1 雷保護システム
2 風力タービンブレード
3 ブレード雷接地導体
4 雷レセプタ
5 側面雷レセプタ
6 ブレード先端雷レセプタ
7 表面保護雷レセプタ
8 個々の中央雷検出器
9 個々の側面雷検出器
10 主ブレード接地導体雷検出器
11 個々のセンサ要素
12 個々のマイクロプロセッサ
13 個々の記憶装置
14 個々の無線通信モジュール
15 個々の電力供給部
16 バッテリー
17 電力回収装置
18 中央無線通信モジュール
19 クラウドサーバ
20 主ブレードセンサ要素
21 主ブレードマイクロプロセッサ
22 主ブレード記憶装置
23 主ブレード無線通信モジュール
24 風力タービンの外部電力供給部
25 電気絶縁された雷保護中央埋込部
26 電気絶縁された雷保護先端埋込部
27 電気絶縁された雷保護側面埋込部
28 側面レセプタ雷導体枝部
29 雷保護埋込部
30 ブレード雷接地導体の端部
31 風力タービンブレードの根本端部
32 風力タービンブレードの先端

Claims (20)

1. 風力タービンブレード(2)の長手方向に延在するように構成されたブレード雷接地導体(3)と、前記ブレード雷接地導体(3)に電気接続され、前記ブレード雷接地導体(3)の長さに沿って分配された複数の雷レセプタ(4、5、6、7)と、前記ブレード雷接地導体(3)の前記長さに沿って分配された複数の個々の雷検出器(8、9)であって、雷レセプタ(4、5、6、7)のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、前記雷レセプタ(4、5、6、7)と前記ブレード雷接地導体(3)との間の接続部(28)の、または前記ブレード雷接地導体(3)の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するようにそれぞれが構成された、複数の個々の雷検出器(8、9)と、前記雷レセプタ(4、5、6、7)のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、前記ブレード雷接地導体(3)を通って前記風力タービンブレード(2)を出るすべての雷電流の少なくとも大きさを測定するように構成された主ブレード接地導体雷検出器(10)とを含む、風力タービンブレード(2)への落雷を検出するように構成された雷検出システム(1)であって、
   それぞれの個々の雷検出器(8、9)が、個々のセンサ要素(11)と、個々のマイクロプロセッサ(12)と、個々の記憶装置(13)と、個々の無線通信モジュール(14)と、バッテリー(16)、ならびに運動、振動、および光の一つ以上から電力を回収するように構成された電力回収装置(17)を含む個々の電力供給部(15)とを含み、
   当該雷検出システム(1)が、前記個々の無線通信モジュール(14)のうちの一つ以上と直接無線通信するように構成された中央無線通信モジュール(18)をさらに含み、
   それぞれの個々の無線通信モジュール(14)が、他の個々の無線通信モジュール(14)のうちの少なくとも一つ、および/または前記中央無線通信モジュール(18)と直接無線通信するように構成され、
   それぞれの個々の無線通信モジュール(14)の個々の電力供給部(15)の電力レベルが低い場合、前記それぞれの個々の無線通信モジュール(14)と前記中央無線通信モジュール(18)との間で間接的に無線通信するように構成され、前記無線通信が前記他の個々の無線通信モジュール(14)のうちの一つを介して行われることを特徴とする、雷検出システム(1)。
2. それぞれの個々の無線通信モジュール(14)が、前記他の個々の無線通信モジュール(14)および前記中央無線通信モジュール(18)のすべてと直接無線通信するように構成されている、請求項1に記載の雷検出システム(1)。
3. 前記個々のセンサ要素(11)が前記雷電流を測定することができる、請求項1または2に記載の雷検出システム(1)。
4. 前記主ブレード接地導体雷検出器(10)が、関係する風力タービンの外部電力供給部(24)から電力を供給されるように構成されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
5. 前記主ブレード接地導体雷検出器(10)が、主ブレードセンサ要素(20)と、主ブレードマイクロプロセッサ(21)と、主ブレード記憶装置(22)と、主ブレード無線通信モジュール(23)とを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
6. 前記主ブレード無線通信モジュール(23)が、それぞれの個々の無線通信モジュール(14)、および、場合によっては前記中央無線通信モジュール(18)と無線通信するように構成されている、請求項5に記載の雷検出システム(1)。
7. 主ブレードセンサ要素(20)が、前記雷電流を測定することができる、請求項4または5に記載の雷検出システム(1)。
8. 前記風力タービンブレード(2)に埋め込まれるように構成された、電気絶縁された雷保護埋込部(25、26、27)に、それぞれの個々の雷検出器(8、9)が一体化され、当該雷検出システムの個々の導電部分(3、28)および/あるいは一つ以上の雷レセプタ(4、5)が、前記電気絶縁された雷保護埋込部(25、26、27)に一体化されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
9. 前記雷レセプタが、ブレード先端雷レセプタ(6)および/または複数の表面保護雷レセプタ(5、7)を含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
10. 前記雷レセプタが、側面レセプタ雷導体枝部(28)によって前記ブレード雷接地導体(3)に電気接続された少なくとも一つの側面雷レセプタ(5)を含み、個々の側面雷検出器(9)が、前記少なくとも一つの側面雷レセプタ(5)に雷が落ちたときに、前記側面レセプタ雷導体枝部(28)を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成されている、請求項1から9のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
11. 前記雷検出器が、前記ブレード雷接地導体(3)に関係し、前記雷レセプタ(4、5、6、7)のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、前記ブレード雷接地導体(3)の個々の部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するように構成された、少なくとも一つの個々の中央雷検出器(8)を含み、前記ブレード雷接地導体(3)の個々の部分が、前記雷レセプタのうちの少なくとも二つの間の電気接続部を形成している、請求項1から10のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
12. 前記主ブレード接地導体雷検出器(10)が、次のパラメータ、すなわち、ピーク電流、極性、電荷、上昇時間、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目の雷電流パラメータを測定するように構成されている、請求項1から11のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)。
13. 複数の風力タービンブレード(2)を有する風力タービンであって、それぞれの風力タービンブレードに、請求項1から12のいずれか一項に記載の雷検出システム(1)が設けられている、風力タービン。
14. 雷電流を複数の雷レセプタ(4、5、6、7)のうちの一つ以上から風力タービンブレード(2)の長手方向に延在するブレード雷接地導体(3)を通るように導くステップであって、前記複数の雷レセプタ(4、5、6、7)が、前記ブレード雷接地導体(3)に電気接続され、前記ブレード雷接地導体(3)の長さに沿って分配された、ステップと、前記複数の雷レセプタ(4、5、6、7)のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、前記ブレード雷接地導体(3)の前記長さに沿って分配された複数の個々の雷検出器(8、9)のそれぞれによって、雷レセプタ(4、5、6、7)と前記ブレード雷接地導体(3)との間の接続部(28)の、または前記ブレード雷接地導体(3)の対応する個々の導電部分を通って流れる雷電流の大きさを示す雷パラメータを測定するステップと、前記雷レセプタ(4、5、6、7)のうちの一つ以上に雷が落ちたときに、主ブレード接地導体雷検出器(10)によって、前記ブレード雷接地導体(3)を通って前記風力タービンブレード(2)を出るすべての雷電流の少なくとも大きさを測定するステップとを含む、風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法であって、
    それぞれの個々の雷検出器(8、9)が、個々のセンサ要素(11)によって雷パラメータを測定し、個々のマイクロプロセッサ(12)によって、測定された前記雷パラメータを処理し、個々の記憶装置(13)にデータを記憶し、個々の無線通信モジュール(14)を制御し、バッテリー(16)および電力回収装置(17)を含む個々の電力供給部(15)が、前記個々の雷検出器(8、9)に電力を供給し、前記電力回収装置(17)が、運動、振動、および光の一つ以上から電力を回収し、システム(1)に含まれる中央無線通信モジュール(18)が、前記個々の無線通信モジュール(14)のうちの一つ以上と直接無線通信し、それぞれの個々の無線通信モジュール(14)が、他の個々の無線通信モジュール(14)のうちの少なくとも一つ、および/または前記中央無線通信モジュール(18)と直接無線通信し、それぞれの個々の無線通信モジュール(14)の個々の電力供給部(15)の電力レベルが低い場合、前記それぞれの個々の無線通信モジュール(14)が、他の個々の無線通信モジュール(14)のうちの一つを介して前記中央無線通信モジュール(18)と間接的に無線通信することを特徴とする、風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。
15. それぞれの個々の無線通信モジュール(14)が、必要に応じて、前記他の個々の無線通信モジュール(14)および前記中央無線通信モジュール(18)のすべてと直接無線通信する、請求項14に記載の風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。
16. 前記主ブレード接地導体雷検出器(10)が、関係する風力タービンの外部電力供給部(24)から電力を供給される、請求項14または15に記載の風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。
17. 前記主ブレード接地導体雷検出器(10)が、主ブレードセンサ要素(20)によって前記風力タービンブレード(2)を出るすべての雷電流の前記少なくとも大きさを測定し、主ブレードマイクロプロセッサ(21)によって、前記測定されたすべての雷電流の少なくとも大きさを処理し、主ブレード記憶装置(22)にデータを記憶し、主ブレード無線通信モジュール(23)を制御する、請求項14から16のいずれか一項に記載の風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。
18. 前記主ブレード無線通信モジュール(23)が、必要に応じて、前記個々の無線通信モジュール(14)、および、場合によっては前記中央無線通信モジュール(18)のいずれかと無線通信する、請求項17に記載の風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。
19. 前記主ブレード接地導体雷検出器(10)が、次のパラメータ、すなわち、ピーク電流、極性、電荷、上昇時間、および比エネルギーのうちの一つ以上、場合によってはすべての項目の雷電流パラメータを測定する、請求項14から18のいずれか一項に記載の風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。
20. コンピュータが、前記中央無線通信モジュール(18)からデータを受け取り、前記個々の雷検出器(8、9)および前記主ブレード接地導体雷検出器(10)によって実施された測定を比較し、これに基づいて、前記風力タービンブレード(2)への1つまたは複数の落雷の位置を示し、前記1つまたは複数の落雷から生じた1つまたは複数の雷電流の大きさを示す、請求項14から19のいずれか一項に記載の風力タービンブレード(2)への落雷を検出するための方法。

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