TWI618855B

TWI618855B - Wind power plant

Info

Publication number: TWI618855B
Application number: TW105127078A
Authority: TW
Inventors: Takahiko Sawada
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-03-21
Also published as: TW201708701A; WO2017033249A1; US20180245566A1; JPWO2017033249A1

Abstract

目的在於提供可長期間耐落雷的高可靠的風力發電裝置。

為了解決上述的課題，在本發明相關之風力發電設備，係具備受風而旋轉的葉片(20)、及配置於葉片(20)而成為葉片(20)的強度構材的翼樑蓋(202a)，葉片的外皮(201)係接地至風力發電設備的外部，葉片的外皮(201)及翼樑蓋(202a)係以相同的或不同導電性材料而構成，葉片的外皮(201)與翼樑蓋(202a)係電氣連接。

Description

風力發電裝置

本發明，係有關風力發電裝置，尤其有關考量落雷對策下的風力發電設備。

風力發電裝置係一般而言具有如下構成：在塔台的上部支撐著機艙，安裝於輪轂的葉片被機艙支撐為在旋轉方向上成為自如。包含葉片的轉子整體因受風而旋轉，將該旋轉能轉換成電力。

使用於如此之風力發電裝置的葉片，係支撐於塔台上部。風車，係依其構造、高度、及所在地而受到雷撃損害。尤其葉片，係配置於塔台上部的高的位置，故可謂受落雷的損害的風險高。

落雷於葉片時，變成極大的電流傳遞於風車構造，尤其在葉片方面，係在構成材料內存在水分、氣泡等時，有時被瞬間加熱而遭受燒毀、爆炸等甚大的損傷。因落雷使得葉片受到大的損傷時，在其修復方面大多耗費極大的時間與成本。

因此葉片，係需要均衡兼具輕量、高強度、且優異之避雷性。為了提高葉片的避雷性，迄今為止已下了各種的工夫。

在風力發電用葉片的避雷性提升對策方面，係如記載於專利文獻1在具備雷保護系統的風車葉片方面，以雷有可能落於較小的受雷部區域者為課題，金屬箔於徑向上被配置於翼樑蓋的背後，位於外側葉片層的下側，沿著葉片的長度的相當的部分，從葉片的根端朝向葉片的前端而延伸存在。此係以使不落於雷保護系統的受雷部的雷撃的發生減少為目的而創作者。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本發明專利公開2005-113735號公報

於專利文獻1所提出的金屬箔，係作成其板厚比長邊方向及橫向的尺寸非常小的金屬片。因此，可謂落雷於板厚的尺寸小的金屬箔的情況下，引起雷擊部的破斷、熔毀、及燒毀，保護功能逐漸降低。配置於葉片外表面的內側，故交換、修補等並非容易，依受害的大小產生按葉片作交換的需要。此外，在如前述之修補/交換作業時係不得不停止風車的運轉，故存在停止期間中係無法發電如此的課題。

所以，在本發明，係目的在於提供可長期間耐落雷的高可靠的風力發電裝置。

為了解決上述的課題，在本發明相關之風力發電設備，係具備受風而旋轉之葉片、前述葉片的外皮、及配置於前述葉片的使前述葉片的強度提升的翼樑蓋，前述葉片的外皮係連接至前述風力發電設備的外部，前述葉片的外皮及前述翼樑蓋係以相同的或不同導電性材料而構成，前述葉片的外皮與前述翼樑蓋係電氣連接。

依本發明時，變得可提供減低了落雷所致的葉片損傷的高可靠的風力發電裝置。

1‧‧‧風力發電設備

10‧‧‧葉片

11‧‧‧轉子頭

12‧‧‧機艙

13‧‧‧旋轉主軸

14‧‧‧增速機

15‧‧‧發電機

16‧‧‧塔台

17‧‧‧塔台導線

18‧‧‧滑環

19‧‧‧落雷

100‧‧‧輥子

101‧‧‧葉片內導線

102‧‧‧前端受雷部

103‧‧‧中間受雷部

104‧‧‧前緣部(LE；前緣)

105‧‧‧部(TE；後緣)

106‧‧‧壓面(PS；壓力側)

107‧‧‧壓面(SS；吸力側)

108‧‧‧FRP製PS側翼樑蓋構材

109‧‧‧FRP製SS側翼樑蓋構材

110a、110b‧‧‧翼樑肋構材

2‧‧‧設備

20a、20b‧‧‧本發明的實施形態相關之葉片

200‧‧‧具備本發明的葉片的轉子

201‧‧‧本發明的實施形態相關之殼體構材

202‧‧‧本發明的實施形態相關之翼樑蓋構材

204‧‧‧本發明的實施形態相關之葉片的前緣部(LE；前緣)

205‧‧‧本發明的實施形態相關之葉片的後緣部(TE；後緣)

206‧‧‧本發明的實施形態相關之葉片的正壓面(PS；壓力側)

207‧‧‧本發明的實施形態相關之葉片的負壓面(SS；吸力側)

208a、208b‧‧‧本發明的實施形態相關之翼樑肋構材

209‧‧‧具有為中間的葉片長邊方向彈性模量的構材

210‧‧‧本發明的第2實施形態下的在翼樑蓋構材與殼體構材的接合部的彈性模量與距離的關聯之例

3‧‧‧碳纖維強化鋁基複合材料的纖維方向剖面的顯微鏡觀察照片

30‧‧‧碳纖維

31‧‧‧鋁母材

40‧‧‧接合工具

41‧‧‧摩擦攪拌接合部

2011a~201c‧‧‧殼體構材

[圖1]針對參考例的風力發電設備作繪示的代表性的示意構成圖。

[圖2]參考例的風力發電用葉片的示意圖。

[圖3]圖2中的A-A’剖面圖。

[圖4]針對本發明的風力發電設備作繪示的代表性的示意構成圖。

[圖5]本發明的風力發電用葉片的實施形態1的示意圖。

[圖6]圖5中的B-B’剖面圖。

[圖7]碳纖維強化鋁基複合材料的纖維方向剖面照片。

[圖8]圖5中的C部的放大透視圖。

[圖9]圖8中的C部的D-D’剖面圖。

[圖10]針對本發明中的第2實施形態作說明的示意構成圖。

(參考例)

作為參考例針對風力發電設備的構造，利用圖1簡單作說明。風力發電設備1，係例如具有：立設在設置於地表面的未圖示的鋼筋混凝土製的基礎上的塔台16、設置於此塔台16的上端部的機艙12、及支撐為繞大致水平的橫向的旋轉主軸13旋轉自如而設於機艙12的前端部側的轉子頭11。

在轉子頭11，係安裝著延伸於旋轉軸的半徑方向的複數個(例如3個)葉片10，構成轉子100。在機艙12的內部係收容設置著發電機15，轉子頭11的旋轉軸13經由增速機14而連結於發電機15的主軸。為此，碰觸葉片10的外風的風力被轉換成使轉子頭11與旋轉軸 13旋轉的旋轉力，發電機15被驅動而進行發電。

機艙12，係可與葉片10及轉子頭11一起，於塔台16的上端迴旋於水平方向。在機艙12的外周面適當處(例如上部等)，係設置測定周邊的風向及風速值的未圖示的風向風速計、及供於回避落雷19用的避雷針。機艙12，係藉未圖示的驅動裝置與控制裝置，而控制為：上風方式的情況係轉子頭可總是指向上風側，下風方式風車的情況係轉子頭可總是指向下風側，而有效發電。此外，葉片10的俯仰角，係自動調整為配合風量而最有效地使風車旋轉葉片10旋轉。

在各葉片10係為了減低落雷19所致的損傷，在前端部具備受雷部(受雷部)102。此外，從葉片10的前端部朝向根部方向，直徑數厘米程度的圓形的中間受雷部103被以散佈的方式而具備。受雷部102以及中間受雷部103，係利用接著劑等而固定於葉片10的前端以及表面。從各受雷部延伸的葉片內導線(down conductor)101被以通過葉片10的內部而朝向葉片根部側延伸存在的方式而具備。各葉片10的葉片內導線101，係在轉子頭11的內部匯集成1個，經由滑環18等而電氣導通於具備在機艙12及塔台16內的塔台導線17。前述的避雷針亦導通於塔台導線17，塔台導線17的另一端係接地至地裡。

利用圖2，而說明比較例中的風力發電用葉片的示意構造。葉片10，係由以聚酯樹脂、環氧樹脂等為母材的纖維強化樹脂複合材(以下，FRP)而成，藉手積法、樹脂浸漬法、真空浸漬法、及高壓釜法等而成形、製造。此外，將複數個構材藉接著劑、其他接合手段等而接合從而形成葉片形。此外，葉片10，係形成為氣體動力學地獲得旋轉力的葉片形。

如前所述，在構成葉片10的材料方面係採用FRP，在其強化纖維方面係採用碳纖維、玻璃纖維等。從材料成本的觀點而言，採用藉玻璃纖維的FRP(GFRP)的情形多。另一方面，在母材樹脂方面，係採用機械特性方面優異、電阻高的環氧樹脂的情形多。此外，藉碳纖維的FRP(CFRP)亦因為可顯現輕量且高強度特性而作為葉片10的構造材料下使用量增加。碳纖維係導電性高，母材樹脂係導電性低，故雖非GFRP程度惟可謂電絕緣性高。因此葉片10，係可謂藉高電阻材料而構成的絕緣構造物。

將圖2的A-A’剖面圖例示於圖3。葉片10，係呈主要以FRP的外殼而構成的中空構造，由是前緣部的前緣104(LE)、是後緣部的後緣105(TE)、是正壓面的壓力側106(PS)、及是負壓面的吸力側107(SS)構成。此外，藉壓力側106、及吸力側107而構成外皮面(殼體)。在風車運轉時，係會作用引起將葉片10朝面外(圖中的上下方向)彎曲變形如此的負載，故在葉片10內部為中空狀態下，係會達至挫曲破壞。所以，在襟翼(寬幅)面的中央附近配置單向纖維強化塑膠製的PS 側翼樑蓋構材108、SS側翼樑蓋構材109，同時在PS側翼樑蓋108、SS側翼樑蓋109之間將樑構材(翼樑肋)110接著接合，從而使耐挫曲性提升。葉片內導線101，係與接著劑、FRP構材等一起一體成形於翼樑肋110。

葉片10因落雷19受到破壞的原因方面，係在高電阻的FRP流過高電壓高電流時產生的熱能與電能所致的構成葉片10的FRP的內部損傷、燃燒、及落雷點部分的加熱或熔毀所致。

鑑於落雷19所致的葉片的破壞機制時，雖亦有在落雷的機率高的葉片前端部具備導電性材料的風力發電設備，惟葉片表面因雨滴等而成為低電阻狀態等之情況下，有時落雷於葉片主體。

[實施例1]

以下，利用複數個圖而說明本發明的複數個實施例。圖4，係針對本發明的風力發電設備作繪示的代表性的示意構成圖。圖4的風力發電設備2，係例如具有：立設在設置於地表面的鋼筋混凝土製的基礎3上的塔台16、設置於此塔台16的上端部的機艙12、及支撐為繞大致水平的橫向的旋轉軸線13旋轉自如而設於機艙12的前端部側的轉子頭11。

在轉子頭11，係安裝著延伸於旋轉軸的半徑方向的複數個(例如3個)葉片20，構成轉子200。在機艙12的內部係收容設置著發電機15，轉子頭11的旋轉軸13經由增速機14而連結於發電機15的主軸。為此，碰觸葉片20的外風的風力被轉換成使轉子頭11與旋轉軸13旋轉的旋轉力，發電機15被驅動而進行發電。

邊參照圖5以及圖6，邊說明本實施形態相關之葉片的概要。圖5，係本發明中的實施形態相關之葉片的示意圖，為將示於圖4的本發明的風力發電設備2中的葉片20放大而顯示者。圖6，係示出圖5中的B-B’剖面圖。

葉片20，係呈主要以電阻低的導電性構材而構成的中空構造，其外表面，係從是前緣部的前緣204(LE)、是後緣部的後緣205(TE)、外皮(殼體)構材201，構成是正壓面的壓力側206(PS)、是負壓面的吸力側207(SS)，具備供於以雷電流不會帶電於葉片20的主體的方式接地至外部用的導電性等的電氣連接手段。供於接地至外部用的電氣連接手段，係可經由葉片主體而連接，接地至風力發電設備外部。

在風車運轉時，係會作用引起將葉片20朝面外(圖中的上下方向)彎曲變形如此的負載，故在葉片20內部為中空狀態下，係會達至挫曲破壞。為此，以跨在設於葉片寬幅方向(襟翼方向)面的中央附近的翼樑蓋202a與翼樑蓋202b的方式接合樑構材(翼樑肋)208從而使耐挫曲性提升。翼樑蓋202b係埋入葉片的外皮201而配置，以翼樑蓋202b與葉片的外皮201的外表面成為平滑的方式而構成。此時，欲對殼體構材201、翼樑肋構材208等賦予耐挫曲性能的情況下，雖有增加板厚而增加剖面2次軸矩等之方策，惟使用厚實的實心材時會損及葉片20的輕量性。所以，翼樑肋構材208，係將導電性構材作為發泡構材，應用在其背表面接合薄的導電性構材而成的夾層構材，從而使輕量性與耐挫曲性提升同時成立。此外，在本實施例係翼樑肋亦作成導電性，獲得耐挫曲性與導電率的提升的效果。殼體構材201，係藉是以夾層構材或導電性構材而構成的周知的技術的擠出成形法，於葉片的外皮201形成比其他厚度具有厚度的中空厚實構造構材201c，使得可不損及構造構材的輕量性下有效提高對於往襟翼方向的彎曲負載的耐挫曲性能。在本實施例，係中空厚實構造構材亦作成導電性，獲得輕量化與提高導電率的效果。

構成葉片20的導電性構材，係優選上為金屬材料，更優選上，為比重與FRP材料同等以下的輕量金屬材，具體而言為鋁或鋁合金。於本說明書，鋁材係包含鋁及鋁合金的雙方。在鋁合金方面係可使用周知者，舉例如鋁-銅、鋁-鋅、鋁-錳、鋁-鎂、鋁-鎂-錳、鋁-鎂-矽、鋁-矽、鋁-銅-鎂、鋁-鋅-鎂、鋁-鋅-鎂-銅等。

鑑於在是葉片20的構造強度構材的翼樑蓋202方面係要求高材料強度特性時，以強度及彈性係數比導電性構材高的構材而構成為優選。具體而言，翼樑蓋202係以纖維強化材而構成為優選。此外，在翼樑蓋亦有可能雷會直擊，故翼樑蓋202係以導線性構材而構成為優選，具體而言以纖維強化金屬基複合材料而構成為優選，更優選上，將鋁以碳纖維補強的碳纖維強化鋁金屬基複合材料。原因在於：藉此材料，可期待輕量且高的導電性效果。此處的導電性構材係翼樑蓋與翼樑肋可為相同亦可為不同。

圖7，係碳纖維強化鋁基複合材料的纖維方向剖面的顯微鏡觀察照片3，可得知成為母材的鋁31內散佈碳纖維30的剖面的樣子。在使用於強化纖維的碳纖維方面，係採用針對將煤焦油或石油重質組分作為原料而獲得的纖維作碳化而獲得的瀝青系碳纖維、針對聚丙烯腈作碳化的碳纖維等。聚丙烯腈系碳纖維，係在與熔化的鋁的複合化時恆溫的鋁與碳纖維引發界面反應使得碳纖維劣化而機械強度會降低，故可應用在碳纖維表面施行氧化鋁陶瓷塗佈而抑制界面反應如此的周知的技術。另外，在強化纖維方面，係比母材金屬高熔點即可，並非受限於材料的種類者，除了碳纖維以外，亦可使用硼纖維、氧化鋁纖維、Tyranno纖維、玻璃纖維等。作成相同的情況下，存在後述的情況方面的優點。

在碳纖維強化金屬基複合材的製法方面，係例如可將碳纖維使用於經線及/或緯線，而將利用周知的織機而獲得的織物用作為預形體。此外，可在成為期望的形狀的模具內將碳纖維層以於一方向或期望的方向成為板厚的方式鋪滿而用作為預形體。在作成如此所獲得的預形體，予以浸漬母材金屬的熔化金屬時，係可藉在例如日本發明專利公開2005-82876所公開的熔化金屬鍛造法等之手段而實施。用作為熔化金屬的母材金屬，係鋁或鋁合金。在鋁合金方面係可使用周知者，舉例如鋁-銅、鋁-鋅、鋁-錳、鋁-鎂、鋁-鎂-錳、鋁-鎂-矽、鋁-矽、鋁-銅-鎂、鋁-鋅-鎂、鋁-鋅-鎂-銅等。母材金屬，係可依所獲得的纖維強化金屬的用途等而適當選擇。

歷來的構成GFRP製葉片的構材，係藉接著劑等之手段而接合，惟由樹脂材料所成之接著劑係除了經時劣化以外，從為了在內部設有接著部的修補的難度如此的觀點，作成無接著劑的組裝工法為優選。

圖8，係針對以下狀況作了例示之圖：於以圖5中的點線所包圍的範圍C，將金屬構材201與翼樑蓋構材201利用接合工具40摩擦攪拌接合。構成葉片20的殼體構材201a~201c與翼樑蓋構材202a、202b，係藉摩擦攪拌接合而連接。

圖9，係例示了圖8中的D-D’剖面的圖，為例示藉摩擦攪拌接合部41使得金屬構材201與構成構材202的母材金屬因由於接合工具40的旋轉所產生的摩擦熱被攪拌而連續接合的狀況者。金屬，係說來其本身為金屬故含有金屬，此外於翼樑蓋構材202亦予以含有同種的金屬從而提高接合強度，故金屬構材與翼樑蓋構材202，係含有同種的金屬，使得可獲得更適合的接合強度。另外本實施形態，係非限定於金屬構材201與翼樑蓋構材202的接合，如例如圖6中的翼樑蓋構材202a、202b與翼樑肋構材208a、208b，可應用於將構成葉片20的所有的構件的端部彼此接合之處。此外，依本實施例的摩擦攪拌接合時，葉片20係變得能以任意的順序作連接，製作時的接合部的檢查變容易，故變得可高品質地組裝葉片。

雖亦存在導電性的被膜設於葉片的外皮的風力發電設備，有時會因落雷損傷導電性被膜。因此，喪失保護功能的部位，係電阻高的FRP材料曝露，其周邊會喪失電流電路。在喪失電路的部位的附近再次雷擊的情況下，不存在至葉片內導線的電流路徑，故雷擊部附近會破損或燒毀。因此，使有效抑制對於主要強度構材的損傷如此的效果長時間持續並非容易。

依本實施例時，可提供一種高可靠的風力發電裝置，具備受風而旋轉的葉片20、葉片的外皮201、及配置於葉片20的使葉片20的強度提升的翼樑蓋202a，葉片的外皮201係連接至風力發電設備的外部，葉片的外皮201及翼樑蓋202a係以相同的或不同導電性材料而構成，葉片的外皮201與翼樑蓋202a係電氣連接，可長期間耐落雷。

[實施例2]

利用圖5及圖10，而說明本發明中的第2葉片的實施形態。圖10，係表示以圖5中的點線所包圍的範圍C的第2形態，具有葉片長邊方向的彈性模量從翼樑蓋構材202的寬度方向中心朝向葉片20的寬度方向漸減的關係210。亦即，在金屬構材201與翼樑蓋構材202的中間，配置具有為金屬構材201的彈性模量E_AL與翼樑蓋構材202的葉片長邊方向彈性模量E₀的中間的葉片長邊方向彈性模量E_L的纖維強化金屬構材209。具有為中間的葉片長邊方向彈性模量的構材209，係指翼樑蓋構材202中的變更纖維方向的構材。此處作成配置者，係為了與藉摩擦攪拌接合使得兩構材自然混入而形成之層作區別，表示有意地作成配置。金屬201與翼樑蓋構材202，係彼此彈性模量的差大，故採取本實施形態，使得可有效防止因在不連續部的急劇的彈性模量的變化而起的外力所致的高扭曲的發生、或熱應力的發生等所致的接合界面的損傷。另外，配置於中間的構材209，係不必為單一，例如以具有複數個不同楊氏模量的方式配置依例如古典層板理論(classical lamination theory)等變更纖維的配向方向而變更彈性模量的構材，使得在不連續部的彈性模量的差變小，顯現更平滑的彈性模量變化209。再者，本實施例係非限定於金屬構材201與翼樑蓋構材的接合處者，應用於彈性模量變化變大之處，使得可進一步提高葉片20的構造可靠性。

Claims

一種風力發電設備，具備受風而旋轉之葉片、及配置於前述葉片而成為前述葉片的強度構材的翼樑蓋，特徵在於：前述葉片的外皮係接地至前述風力發電設備的外部，前述葉片的外皮及前述翼樑蓋係以相同的或不同導電性材料而構成，前述葉片的外皮與前述翼樑蓋係電氣連接，在前述葉片的外皮與前述翼樑蓋之間，配置具有一彈性模量的構材，該彈性模量係在前述葉片的外皮的在前述葉片的長邊方向上的彈性模量與前述翼樑蓋的在前述葉片的長邊方向上的彈性模量之間。
如申請專利範圍第1項之風力發電設備，其中，前述翼樑蓋以纖維強化材而形成。
如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中，前述翼樑蓋的前述導電性材料，係以導電性構材為母材的碳纖維強化複合材。
如申請專利範圍第3項之風力發電設備，其中，前述導電性構材係鋁材。
如申請專利範圍第1項之風力發電設備，其中，具有前述葉片的外皮的在前述葉片的長邊方向上的彈性模量與前述翼樑蓋的在前述葉片的長邊方向上的彈性模量之間的彈性模量的構材為纖維強化金屬構材。
如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中，前述導電性材料係以鋁材而構成。
如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中，前述翼樑蓋係配置於前述葉片的正壓面及負壓面，進一步具備將配置於前述葉片的正壓面的前述翼樑蓋、及配置於前述葉片的負壓面的前述翼樑蓋作連結的翼樑肋，前述翼樑肋由導電性構材所成。
如申請專利範圍第7項之風力發電設備，其中，前述翼樑肋，係導電性的發泡構材。
如申請專利範圍第7項之風力發電設備，其中，前述翼樑肋為鋁材。
如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中，前述葉片的外皮係具備中空的厚實構造，於前述葉片的外皮方面前述厚實構造的厚度係比前述厚實構造以外的厚度厚。
如申請專利範圍第10項之風力發電設備，其中，前述厚實構造為導電性的發泡構材。
如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中，導電性的前述翼樑蓋被埋入前述葉片的外皮而配置，以前述翼樑蓋與前述外皮的外表面成為平滑的方式而構成。
如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中，前述葉片的外皮與前述翼樑蓋係含有同種的金屬，且彼此接合。