Arrangement for lightning detection

本発明は、風力タービンにおける雷撃を検出するための装置に関する。

風力タービンは外部に曝される立地条件にあり、その高さもあるため、落雷の格好の的である。 この場合、風力タービンの構造部には大量のエネルギーが放出される。

いわゆるＩＥＣ６１４００−２４のガイドラインによる「雷保護レベル（LPL）」の「１」に従って、風力タービンを保護することが知られている。 この規格によると、風力タービンは、各々のピーク電流レベルが２００ｋＡで１０ＭＪ／Ｏｈｍの比エネルギーに持ち堪えられなければならない。

風力タービンの構成要素に障害が全く見られないということを保証するためにも、雷撃の影響を検出して追跡する必要がある。 障害が検出された場合には、風力タービンはさらなる損傷を防ぐためにも十分に早い段階で停止されなければならない。

例えば、風力タービンのブレードの微細な刺孔状の損傷は、その損傷を考慮しないでいると、風力タービン全体の損傷につながる可能性がある。

風力タービンにおける雷撃検出システムには、２つの先行技術がある。

第１のシステムは、複数の磁気カードを使用する。 これらのカードは、「フランクリン・ロッド」または風力タービンの内部もしくは外部に使用される引下げ導体に沿って配置される。 磁気カードは、雷電流の通流によって形成される磁場を検出するために用いられる。

磁気カードは安価であり、そのため、システムも低コストではある。 しかし、磁気カードは遠隔操作で読み取ることはできないため、技術者が手作業でカードを回収して専用のカードリーダでチェックしなければならない。 また、磁気カードが所定のピーク電流値を検出した場合には、磁気カードの交換が必要である。 従って、複数の雷が検出されても、最大ピーク電流のみが磁気カードに記録されるだけである。 このレベルは、およそ１１０ｋＡに制限される。

第２のシステムは、いわゆる「ヨミテックシステム（Jomitek System）」を使用しており、これは特に沖合の風力タービンに適している。 このシステムは、風力タービンの基部の外側に配置される２つのコイルがベースとなっている。 雷電流がタワーから地面に導通されると、タワーの周囲には磁場が形成される。 この磁場が、２つのコイルで検出されるのである。

上記第２のシステムでは、タービン監視群による遠隔読み取りが可能である。 しかし、このシステムは、単純な「フラグ信号」を伝達するだけである。 つまり、フラグ信号があれば、風力タービンが雷に打たれたことになる。 従って、それ以上の情報は入手できない。 例えば、電流レベルなどについての情報はない。

第２のシステムは、２つのコイルを必要とする。 これらのコイルは、タワーの外側に配置され、同じ水平面上で正確に１８０度の位相角度で配置される。 従って、このシステムを組み込むには手間がかかる。

さらに、第２のシステムは、タワーの外側に溶接されたナットを必要とする。 タワーの設計者はこれを望まない。 なぜなら、溶接プロセスにおいてはタワーの壁をより厚くする必要があり、これによってタワーのコストがかさむからである。

本発明の課題は、信頼性があり、簡易な方法で、つまりコスト面も考慮した、風力タービンへの雷撃を検出するための改良された雷撃検出装置を提供することである。

上記課題は、本発明によれば、風力タービンがオゾンセンサを含み、オゾンセンサは、風力タービンの構成要素近傍に配置され、構成要素は、風力タービンへの雷撃に起因する雷電流が構成要素を介して導通するように配置構成され、さらに構成要素は、雷電流によってコロナ放電が引き起こされるように配置構成されており、それに対してコロナ放電は、所定量のオゾンガスを生成し、このオゾンガスがオゾンセンサによって検出されることで解決される。

さらに好ましい実施形態は、従属請求項の対象となっている。

本発明の雷撃検出装置を示した図

本発明の雷撃検出装置によれば、風力タービンはオゾンセンサを含んでいる。 このオゾンセンサは、風力タービンの構成要素近傍に配置される。 この構成要素は、風力タービンへの雷撃に起因する雷電流が構成要素を介して導通されるように配置構成されている。 さらにこの構成要素は、雷電流が所定量のオゾンガスを発生するコロナ放電を引き起こすように配置構成されており、このオゾンガスがオゾンセンサによって検出される。

風力タービンにおいて最も外側に曝される部位、例えばブレードは、少なくとも１つのオゾンセンサによって制御されることが好ましい。

この目的のために、オゾンセンサは、ブレード構造部の間に配置されてもよい。 またこのセンサは、例えば、ブレードの空洞内に配置されてもよい。

オゾンセンサは、周囲の影響に対してカバーもしくはシェルなどによって保護されることが好ましい。 これにより、センサは、例えば、センサによるオゾン測定に影響を与える可能性のある紫外線放射から保護されるようになる。

オゾンセンサは、ブラシやスパークギャップ近傍に配置されることが好ましい。 これらは風力タービン内で、風力タービンの回転ユニットを電気的に接続するのに使用される。

例えば、このようなブラシやスパークギャップは、ピッチベアリングで使用される。 ピッチベアリングは、必要に応じて、風力タービンのブレードのピッチを変動させるために使用される。 ブラシもまた、風力タービンのナセルを風力タービンのタワーに電気的に接続するために使用される。

ブラシやスパークギャップはまた、ハブとナセルの間の、風力タービン主軸上でも使用される。

電気的な接続のために、ブラシは固体炭素および／もしくは銅からなることが好ましい。

風力タービンのブレードに落ちた雷は、相応の雷電流となる。 この雷電流は、引き下げ導体の支援により、ブレードの落雷地点からブレードの付け根まで導通される。 引き下げ導体は、例えば、ブレードに組み込まれた構成部である。 雷電流はピッチシステムを介して伝送される。 従って、ブラシを介してナセルまで伝送される。

ブラシは電気的な接続に使用されるが、この接続は「強固な」接続ではない。 ブラシは対応する構成要素の特定の表面に沿って、滑走もしくは摺動するだけである。 このような特殊な接続状態のため、雷電流がブラシを介して流れる間、コロナ放電が形成される（ブラシから発する）。 このコロナ放電によって、所定量のオゾンガスＯ _３が生成される。 このガスはオゾンセンサにより検出される。

従って、オゾンセンサは、ブラシの近傍に配置されることが望ましい。 このセンサは、落雷に起因するオゾンの著しい増加を検出するために使用される。

ブレード−ピッチ−システムのブラシがモニタリングされるならば、オゾンセンサは風力タービンのナセル間に配置されるとよい。 これにより、センサは周囲の影響から切り離され、従って、センサは紫外線放射のような外的影響に左右されにくくなる。

オゾンセンサは例えば、気象学分野のような他の技術領域でも広く一般的に用いられているものであるため、本発明による雷撃検出装置は大変安価に実現できる。

「すぐに使用できる手段」が市場で数多く入手可能であることから、本発明の雷撃検出装置は、組み込みが容易である。 それらの中には、遠隔制御可能なものさえある。

次に、本発明を図面に基づき、以下の実施例で詳細に説明する。

本発明の雷撃検出装置は、図に示されるように、風力タービンのナセル１に位置することが好ましい。

しかし、ハブのような風力タービンの他の構成要素もまた、本発明の雷撃検出装置によって保護され得る。

ナセルは、風力タービンのメインシャフト、ピッチシステム、もしくはヨーイングシステムなどのような、ロータリーユニット８を含む。

ロータリーユニット８は、ブラシ５によって風力タービンの他の構成要素（ここでは詳細を示さない）と電気的に接続される。 この特殊なケースでは、このブラシ５が最終的にロータリーユニット８を風力タービンの接地システム４に電気的に接続する。

オゾンセンサ２は、ブラシ５の近傍に配置される。

オゾンセンサ２とブラシ５は、例えば、ナセル１のような多かれ少なかれ閉鎖された容積空間内に配置されることが望ましい。

なぜなら、オゾンセンサ２は、周辺環境の影響を受けなくなるからである。 すなわち、センサ２は所期のオゾン測定を図るべく、妨害を受けないようにされる。

オゾンセンサ２は、風力タービン制御システム３と接続されることが好ましい。 これにより、必要に応じて、風力タービンは警告を発することが可能になる。 この警告は例えば、遠隔制御器に送信されてもよい。

雷ＬＴＮがナセル１に落ちた場合には、相応の雷電流９が発生する。

この雷電流のピーク値

さらに上記コロナ放電６によりオゾンガス７が生成され、このガスは本発明によりオゾンセンサ２によって検出される。

１ ナセル ２ オゾンセンサ ３ 風力タービン制御システム ４ 接地システム ５ ブラシ ６ コロナ放電 ７ オゾンガス ８ ロータリーユニット ９ 雷電流