(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナセル（３０）内の発電機に対して回転可能に支持されるハブ（２０）と、スピナー（２０Ａ）によって覆われる前記ハブ（２０）に枢動可能に接続される複数のブレード（１０）とを備える風力タービン（Ｗ）において使用されるように適合される雷電流伝達システム（１００）であって、
前記ブレード（１０）の根元に取付け可能なブレードバンド（１０Ａ）と、
前記ナセル（３０）に面する前記スピナー（２０Ａ）に取付け可能な雷リング（８０）と、
前記ブレードバンド（１０Ａ）から雷電流の伝達をもたらすように適合される前記スピナー（２０Ａ）に取付け可能な第１の接触装置（７０）と、
前記第１の接触装置（７０）と前記雷リング（８０）とを接続する接続装置（７５）と、
前記ナセル（３０）に取付け可能であり、前記雷リング（８０）から雷電流の伝達をもたらすように適合される第２の接触装置（３０Ｂ）とを備え、
前記第１の接触装置（７０）は、前記スピナー（２０Ａ）に取付け可能な第１の取付要素（７０Ａ）と、前記第１の取付要素（７０Ａ）に取り付けられる第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）と、前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）に取り付けられる第１の接触要素（７０Ｂ）とを備え、
前記第１の接触装置（７０）は、前記第１の接触要素（７０Ｂ）が前記ブレードバンド（１０Ａ）に面し、前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）が前記第１の接触要素（７０Ｂ）を前記ブレードバンド（１０Ａ）に押し付けるように構成されており、
前記第１の取付要素（７０Ａ）は、前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）に対する締結ブラケットとして機能するファイバーグラスコンソールと、前記第１の接触要素（７０Ｂ）を保護するカバーとを備える、雷電流伝達システム。
【請求項２】
前記雷電流伝達システム（１００）は、前記ブレードバンド（１０Ａ）が前記ナセル（３０）の外周の外側を回転するように、前記ハブ（２０）が径方向の広がり（Ｄ１）を有する風力タービン（Ｗ）に使用可能である、請求項１に記載の雷電流伝達システム。
【請求項３】
前記ブレードバンド（１０Ａ）及び前記第１の接触装置（７０）は、前記スピナー（２０Ａ）の外側に取り付けられるように構成されており、
前記接続装置（７５）は、前記スピナー（２０Ａ）の内側に取り付けられるように構成されている、請求項１又は２に記載の雷電流伝達システム。
【請求項４】
前記第１の接触要素（７０Ｂ）は、
導電性ロッドと、
摺動要素（７０Ｂ−１）とを備え、
前記導電性ロッドの端面及び前記摺動要素の表面が、前記ブレードバンド（１０Ａ）に摺動的に接触する接触領域を集合的に形成するように、前記導電性ロッドは前記摺動要素の穴を貫通する、請求項１に記載の雷電流伝達システム。
【請求項５】
前記摺動要素（７０Ｂ−１）は面取りされた縁部を有する、請求項４に記載の雷電流伝達システム。
【請求項６】
前記摺動要素（７０Ｂ−１）はナイラトロン製である、請求項４に記載の雷電流伝達システム。
【請求項７】
前記第２の接触装置（３０Ｂ）は、
前記ナセル（３０）のフロントプレート（３０Ａ）に一端部が取付け可能であり、それにより前記フロントプレート（３０Ａ）から突出する第２の取付要素（３０Ｂ−１）と、
前記第２の取付要素（３０Ｂ−１）の他端部に一端部が取り付けられる第２の弾性の非導電性プロファイル（３０Ｂ−２）と、
前記第２の弾性の非導電性プロファイル（３０Ｂ−１）に取り付けられる第２の接触要素とを備え、
前記第２の接触装置（３０Ｂ）は、前記第２の接触要素が前記雷リング（８０）に面し、前記第２の弾性の非導電性プロファイル（３０Ｂ−２）が前記第２の接触要素を前記雷リング（８０）に押し付けるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の雷電流伝達システム。
【請求項８】
前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）は、前記第２の弾性の非導電性プロファイル（３０Ｂ−２）と同じ構造であり、それにより、これらの部材は互換可能である、請求項７に記載の雷電流伝達システム。
【請求項９】
前記第１の接触要素（７０Ｂ）は、前記第２の接触要素と同じ構造であり、それにより、これらの部材は互換可能である、請求項８に記載の雷電流伝達システム。
【請求項１０】
少なくとも２つの第２の接触装置（３０Ｂ）、好ましくは４つの第２の接触装置（３０Ｂ）を備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の雷電流伝達システム。
【請求項１１】
前記第２の取付要素（３０Ｂ−１）はステンレス鋼ブラケットである、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の雷電流伝達システム。
【請求項１２】
前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）及び／又は前記第２の弾性の非導電性プロファイル（３０Ｂ−２）はファイバーグラスプロファイルである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の雷電流伝達システム。
【請求項１３】
ナセル（３０）内の発電機に対して回転可能に支持されるハブ（２０）と、スピナー（２０Ａ）によって覆われる前記ハブに枢動可能に接続される複数のブレード（１０）と、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の雷電流伝達システム（１００）であって、
前記ブレードバンド（１０Ａ）は、前記ブレード（１０）の前記根元に取り付けられ、
前記雷リング（８０）は、前記ナセル（３０）に面する前記スピナー（２０Ａ）に取り付けられ、
前記第１の接触装置（７０）は、前記ブレードバンド（１０Ａ）から雷電流の伝達をもたらす前記スピナー（２０Ａ）に取り付けられ、
前記第２の接触装置（３０Ｂ）は、前記雷リング（８０）から雷電流の伝達をもたらす前記ナセル（３０）に取り付けられる、雷電流伝達システム（１００）とを備え、
前記第１の接触装置（７０）は、前記スピナー（２０Ａ）に取付け可能な第１の取付要素（７０Ａ）と、前記第１の取付要素（７０Ａ）に取り付けられる第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）と、前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）に取り付けられる第１の接触要素（７０Ｂ）とを備え、
前記第１の接触装置（７０）は、前記第１の接触要素（７０Ｂ）が前記ブレードバンド（１０Ａ）に面し、前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）が前記第１の接触要素（７０Ｂ）を前記ブレードバンド（１０Ａ）に押し付けるように構成されており、
前記第１の取付要素（７０Ａ）は、前記第１の弾性の非導電性プロファイル（７０Ｃ）に対する締結ブラケットとして機能するファイバーグラスコンソールと、前記第１の接触要素（７０Ｂ）を保護するカバーとを備える、風力タービン。
【請求項１４】
前記ナセル（３０）は、前記雷リング（８０）をその場で検査するための検査ハッチを備える、請求項１３に記載の風力タービン。
【請求項１５】
前記ハブ（２０）は、前記ブレードバンド（１０Ａ）が前記ナセル（３０）の外周の外側を回転するように径方向の広がり（Ｄ１）を有する、請求項１３又は１４に記載の風力タービン。
【請求項１６】
前記ブレードバンド（１０Ａ）及び前記第１の接触装置（７０）は、前記スピナー（２０Ａ）の外側に取り付けられ、
前記接続装置（７５）は前記スピナー（２０Ａ）の内側に取り付けられる、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンのナセル内の発電機に対して回転可能に支持されるハブと、ハブに枢動可能に接続される複数のブレードとを備える風力タービンにおいて使用されるように適合される雷電流伝達システムに関する。本発明はまた、雷電流伝達システムが実装される風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、そのサイズに起因して、落雷を受けやすい。風力タービンの高さは、風力を電気エネルギーに効率的に変換するために、周囲の木々及び建物をはるかに超えている。風力タービンのブレードの先端部に落雷すると、電流が制御不能にブレード、ブレード軸受、ハブ、ハブ軸受、発電機シャフト、発電機、及びタワーを通ってグラウンドに流れる。軸受及び発電機は、高い電流値に起因して、軸受及び発電機を通る高電圧及び高電流によってダメージを受けるリスクが高い。したがって、繊細な領域の周囲にインピーダンスがより低い電流経路を提供することによって、タービン発電機及び発電機シャフトの軸受におけるダメージを回避する試みがなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、雷のエネルギーをハブからスリップリング装置を通してナセルへと導き、シャフト軸受及び発電機を通る雷放電経路を回避するようになっている防雷システムを提案している。このスリップリング装置は、ハブに取り付けられ、ハブとともに回転するディスクからなる。ナセルに取り付けられるカーボンブラシは、ハブとナセルとの間に導電経路を確立する。
【０００４】
しかしながら、この解決策には、ブレードのピッチ制御を可能にするために、現行の風力タービンではブレードが軸受を通してハブに枢動可能に接続されるということを考慮していないという不都合点がある。これらの軸受も、高電流の流れによってダメージを受ける場合がある。
【０００５】
したがって、ブレードの根元とナセルとの間に短く低インピーダンスの接続を提供するための試みがなされている。
【０００６】
この問題に対する解決策が特許文献２に示されており、特許文献２は、多種多様なタービンタイプにまとめて使用可能な雷電流伝達ユニットを開示している。これらのタービンは、ブレードの根元にあるブレードバンドからナセルの雷リングに雷電流の伝達をもたらす雷電流伝達ユニット（ＬＣＴＵ：lightning current transfer unit）を用いる。ハブはナセルに比べて比較的小さく、そのため、ブレードバンド及びナセルの雷リングは、互いに対向して配置することができる。この状況は図１及び図２に示されている。図１は、発電機（図示せず）を収容するナセル３が風力タービンのタワー４上に据え付けられている風力タービンＷを示している。ハブ２によって支持されるブレード１は、発電機シャフトを通してナセル３内のタービン発電機に接続される。ブレード１内には、ブレード防雷システム５が引下げ導線の形態で設けられ、ブレードを通して雷の力をブレード１の根元に導く太い導電ケーブルを有する。雷電流は、そこからハブ２、ナセル３、及びタワー４を介してグラウンドＧに伝達される。
【０００７】
図２Ａ及び図２Ｂは、図１において丸で囲んだ部分Ｉのより詳細な図を示している。図２Ａでは、参照符号１はブレードを示し、参照符号２はハブを示し、参照符号２Ａはスピナー（ハブのカバー／ハウジング）を示し、参照符号３はナセルを示し、参照符号３Ａはナセルのフロントプレートを示し、参照符号６は、ハブ２をナセル３内の発電機（図示せず）に接続する発電機シャフトを示している。雷電流伝達ユニットは、ブレード１の根元に取り付けられ、ブレード防雷システム５のケーブルに接続されるブレードバンド１Ａを備える。さらに、ＬＣＴＵは、ナセルのフロントプレート３Ａに取り付けられる雷リング３Ｂを備える。ハブ２はナセル３に比べて比較的小さく、そのため、ブレードバンド１Ａ及びナセルの雷リング３Ｂは互いに面して配置される。すなわち、ハブ２の直径Ｄ１はナセル３の直径Ｄ２よりも小さく、そのため、ブレードバンド１Ａは、ナセルの外周の寸法Ｄ２内で回転することができる。この寸法の関係は、ブレード軸９の回りに回転可能なブレードバンド１Ａを電気的に接続する小型の接続装置７と、ハブ軸８の回りで接続装置７に対して回転するナセルの雷リング３Ｂとの配置を可能にする。ハブ２及び接続装置７は、スピナー２Ａと称するファイバーグラス製カバーによってまとめて包囲されている。
【０００８】
図２Ａの接続装置７はブラケット７Ｄを備え、ブラケット７Ｄには、２つのファイバーグラスプロファイル（profiles）７Ｂ及び７Ｃの一端部が取り付けられる。ファイバーグラスプロファイル７Ｂ及び７Ｃの他端部には、接触要素７Ａ及び７Ｆがそれぞれ取り付けられる。ケーブル７Ｅは接触要素７Ａ及び７Ｆを接続する。図２Ａは、説明のために、接触要素７Ａ／７Ｆとブレードバンド１Ａ及び雷リング３Ｂとの間にそれぞれ小さい隙間を示していることに留意する必要がある。動作時、これらの接点は摺動接点となる。ファイバーグラスプロファイル７Ｂ及び７Ｃの曲げ力により、接触要素７Ａ及び７Ｆはブレードバンド１Ａ及び雷リング３Ｂに押し付けられ、接触要素７Ｆが軸８の回りで雷リング３Ｂに対して回転し、ブレードバンド１Ａが軸９の回りで接点７Ａに対して回転する場合でも、ブレード１とナセル３との間に低インピーダンスの接続を確保する。ブレード１に落雷すると、雷電流は、ブレード防雷システムのケーブル５を通してブレードバンド１Ａに導かれ、接点７Ａ、接続ケーブル７Ｅ、接触要素７Ｆを通して雷リング３Ｂに導かれる。雷リング３Ｂはナセルのフロントプレート３Ａに取り付けられ、フロントプレート３Ａはケーブル３Ｄを通してグラウンドＧに接地されている。
【０００９】
接続装置７の詳細図が図３に示されており、図３も、取付けブラケット７Ｄ、グラスファイバープロファイル７Ｃ及び７Ｂ、接触要素７Ａ及び７Ｆ、並びに、接触要素７Ａ及び７Ｆを電気的に接続するケーブル７Ｅを示している。弾性及び予張力に起因して、接触要素７Ａ及び７Ｆはブレードバンド及び雷リングに押し付けられ、ブレードバンド１Ａと雷リング３Ｂとの間の低インピーダンスの箇所を確立する。
【００１０】
図２Ｂは、軸８に沿った図２Ａの正面図を示し、３つのブレード１に対する接続装置７の構成を示している。各ブレード１にはブレードバンド１Ａが設けられ、各ブレードバンドはそれぞれの接続装置７に接触する。そのため、３つの接続装置が必要である。また、各接続装置７は、図２Ｂに破線で示されている雷リング３Ｂと接触状態にある。雷リング３Ｂの外形はスピナー２Ａの外周内にある。
【００１１】
ハブ２及びスピナー２Ａの簡略化された３次元図が図４に示されている。スピナー２Ａは４つの開口を有し、開口２Ａ−１、２Ａ−２、及び２Ａ−３は３つのブレードを貫入させるように意図され、４つ目の開口２Ａ−４は、ハブ２と発電機シャフト６との接続を可能にするように用いられる。ハブ２は４つのフランジ２−１、２−２、２−３、及び２−４を有し、フランジ２−１、２−２、及び２−３はそれぞれのブレードを取り付けるように意図され、フランジ２−４は発電機シャフトを取り付けるように意図されている。参照符号７−１、７−２、及び７−３は、図３に示されているような３つの接続装置を象徴している。スピナーの開口２Ａ−４は、接続装置７−１、７−２、及び７−３とナセルにある雷リングとを開口２Ａ−４を通して接続することを可能にするために、他の開口よりも大きい。図４は、各ブレード１につき１つずつ、３つの接続装置７−１、７−２、及び７−３を示している。
【００１２】
近年、ピッチ制御可能なブレードを備えるより大きい風力タービンに対する需要が高まっており、それにより、ハブがより大きくなり、ついにはブレードバンドがナセルの外周の外側を回転するようになっている。これは２つの結果を有する。第１に、ブレードバンド１Ａを雷リング３Ｂに対置することが可能でないため、Ｖ字形の接触要素７がもはや可能でない。また第２に、これにより接続ケーブルの長さが増大し、より高いインピーダンスにつながる。この結果として、軸受及び発電機のような繊細な部品に対する防雷システムの距離を、軸受及び発電機への放電を回避するために増大させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平５−６００５３号
【特許文献２】国際公開第２００５／０５０００８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明の目的は、より小さい風力タービンの雷電流伝達システムの部品のほとんどを用いることができ、その場で（in situ）保守管理可能な大きい風力タービン用の雷電流伝達システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、請求項１に記載の雷電流伝達システムによって達成される。
【００１６】
より詳細には、この目的は、ナセル内の発電機に対して回転可能に支持されるハブと、スピナーによって覆われるハブに枢動可能に接続される複数のブレードとを備える風力タービンに使用されるように適合される雷電流伝達システムによって達成される。雷電流伝達システムは、ブレードの根元に取付け可能なブレードバンドと、ナセルに面するスピナーに取付け可能な雷リングと、スピナーに取付け可能であり、ブレードバンドから雷電流の伝達をもたらすように適合される第１の接触装置と、接触装置と雷リングとを接続する接続装置と、ナセルに取付け可能であり、雷リングからグラウンドに雷電流の伝達をもたらすように適合される第２の接触装置とを備える。
【００１７】
この構成には、雷電流伝達システムを、ブレードバンドがナセルの外周の外側を回転する、より大きいハブを備えるより大きい風力タービンに用いることができるという利点がある。さらに、この雷電流伝達システムは、より小さい風力タービン用の雷電流伝達システムの部品の多くを用い、新たな組立体にしてより大きい風力タービンに実装することができるように設計することができる。基本的には、本発明の雷電流伝達システムは、図３を参照して記載したような現行の技術水準の一体的な接続装置を２つの別個の接触装置に分割し、またそれにより、軸受及び発電機部品のような繊細な部品に対する離間距離（respect distance）（分離距離）の増大を可能にする。別の利点は、雷リングをスピナーに取り付けることができ、第２の接触装置をナセルに取付け可能であることであり、これは、複数の接点にわたって雷電流を分配するようにナセル側に複数の第２の接触装置を用いることができ、１つの接点における電流の大きさが低減し、それにより摩耗も低減することができることを意味する。これにより、図２〜図４に係る従来技術に比べて、ナセル側の雷電流伝達システムに冗長性及び安全性も付加される。現行の技術水準に従う雷電流伝達システムを備える風力タービンに落雷する場合、電流は１つの接点のみを通ってナセル内に流れ、したがって、従来技術の雷電流伝達システムにおける接触装置の負荷及び摩耗は増大する。
【００１８】
１つの実施形態において、ブレードバンド及び第１の接触装置は、スピナーの外側に取り付けられるように構成され、第１の接触装置と雷リングとを接続する接続装置は、スピナーの内側に取り付けられるように構成されている。
【００１９】
この構成により、一方では、第１の接触装置／接続装置と軸受又は他の繊細な部品との間により大きい離間距離（分離距離）が可能になる。他方では、第１の接触装置と雷リングとの間の接続ケーブル（接続装置）は、これらの箇所の間のインピーダンスを低減するようにより短くすることができる。
【００２０】
別の実施形態において、雷電流伝達システムの第１の接触装置は、スピナーに取付け可能な第１の取付要素と、第１の取付要素に取り付けられる第１の弾性の非導電性プロファイルと、第１の弾性の非導電性プロファイルに取り付けられる第１の接触要素とを備え、第１の接触装置は、第１の接触要素がブレードバンドに面し、第１の弾性の非導電性プロファイルが第１の接触要素をブレードバンドに押し付けるように構成されている。
【００２１】
この実施形態には、図２Ａ及び図３に示されているような十分に確立された既存の雷電流伝達システムの第１の接触要素及び第１の弾性の非導電性プロファイルを再使用することができるという利点がある。第１の取付要素はスピナーの外側に取り付けられるため、第１の取付要素は、ブラケット（第１の弾性の非導電性プロファイル用の固定部）と第１の接触装置を環境から保護するカバーとの組合せとして機能するように設計される。
【００２２】
更なる一実施形態によれば、第１の接触要素は、導電性ロッドと、摺動要素とを備え、導電性ロッドの端面及び摺動要素の表面が、ブレードバンドに摺動的に接触する接触領域を集合的に形成するように、導電性ロッドは摺動要素の穴を貫通する。したがって、ブレードバンドによる摩擦力が小さい電気接点を確立することができる。さらに、確立された雷電流伝達ユニットの接触要素を本発明に実装することができ、それにより製造コストが節約される。
【００２３】
摺動接点の摩擦力を低減するために、摺動要素には面取りされた縁部を設けることができる。これは、着氷が生じた場合の氷の滑りやすさも向上させる。摺動要素の摺動領域は、特にブレードバンドの表面が汚れた場合に摺動方向における摩擦を低減するように、摺動要素の移動方向に六角形の縁部を有する六角形状とすることができる。
【００２４】
摺動要素の摩擦及び摩耗を低減するために、摺動要素はナイラトロン（Nylatron）製とすることができる。
【００２５】
１つの実施形態において、第２の接触装置は、一端部がナセルのフロントプレートに取付け可能であり、それによりフロントプレートから突出する第２の取付要素と、第２の取付要素の他端部に一端部が取り付けられる第２の弾性の非導電性プロファイルと、第２の弾性の非導電性プロファイルに取り付けられる延長ブラケットと、延長ブラケットに取り付けられる第２の接触要素とを備え、第２の接触装置は、接触要素が、スピナーに取り付けられる雷リングに面するようにナセルのフロントカバーの穴を貫通でき、第２の弾性の非導電性プロファイルが第２の接触要素を雷リングに押し付けるように構成されている。
【００２６】
この実施形態では、十分に確立された既存の雷電流伝達ユニットの第２の接触装置、弾性の非導電性プロファイル、及び第２の接触要素を用いることができる。さらに、第１の弾性の非導電性プロファイルは第２の弾性の非導電性プロファイルと同じ構造とすることができ、第１の接触要素は第２の接触要素と同じ構造とすることができる。そのため、それぞれの部材は、一方では互換可能であり、図２ａ及び図３に示されているような十分に確立された従来の雷電流伝達システムに用いることもできる。さらに、第２の接触装置の構造部は、スピナーの雷リングとの電気的な接触を確立するために、第２の接触要素がナセルのフロントカバーの小さい穴を通って突出できるように、ナセルのカバーの内側に取り付けられるように構成されている。さらに、予め張力が与えられている第２の弾性の非導電性プロファイルの曲げ力により、低インピーダンスの接触をもたらすように接触要素が雷リングに押し付けられることが確実になる。
【００２７】
冗長性を付加し且つ各第２の接点を通る雷電流を減少させるために、少なくとも２つの第２の接触装置、より好ましくは４つの第２の接触装置がナセル内に用いられる。
【００２８】
１つの実施形態において、第１の取付要素は、第１の弾性の非導電性プロファイル用の締結ブラケットとして機能するファイバーグラスコンソールと、第１の接触要素を保護するカバーとを備える。第１の接触装置がスピナーの外側に取り付けられる場合、接触要素は環境の影響にさらされる。第１の接触装置の構造は、環境条件から接触要素を保護することを可能にする。
【００２９】
別の実施形態において、第２の取付要素は、機械的に頑丈なナセルのフロントプレートとナセルのフロントカバーとの間の距離を架け渡すステンレス鋼ブラケットである。したがって、ブラケットは、点検人員のための踏み板として用いることもできる。
【００３０】
更なる一実施形態において、第１の弾性の非導電性プロファイル及び第２の弾性の非導電性プロファイルはファイバーグラスプロファイルである。ファイバーグラスは、一方の側の接触要素と他方の側のブレードバンド及び／又は雷リングとの間の安全な電気的接触を確立するように、曲げ力をもたらすとともに伝達することができる、非常に頑丈な弾性の非導電性材料である。
【００３１】
本発明の別の態様において、ナセル内の発電機に対して回転可能に支持されるハブと、ハブに枢動可能に接続される複数のブレードと、上記で概説したような、ブレードからナセルに雷電流を伝達する雷電流伝達システムとを備える風力タービンが提供される。
【００３２】
風力タービンの１つの実施形態において、ナセルは、ナセルのフロントプレートカバーにおいて、雷リングを検査するための検査ハッチを備える。したがって、点検をその場で行うことができる。
【００３３】
以下、本発明の実施形態、例、利点、及び実施態様を添付の図面を用いてより詳細に説明する。全ての記載及び／又は図示の特徴は、単独又は任意の組合せで、特許請求の範囲における概要又は特許請求の範囲における参照とは独立して、基本的に本発明の主題であることが留意されたい。また、特許請求の範囲の内容は、本明細書の一部であると見なされる。図面には、以下のものが示される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】概略的に示す風力タービン
【図２Ａ】現行の技術水準に従う図１の領域Ｉの拡大図
【図２Ｂ】図２Ａの正面図
【図３】現行の技術水準に従う雷電流伝達システムの接続部
【図４】現行の技術水準に従うハブ及びスピナーの概略的な３次元図
【図５】ナセル及びスピナーに取り付けられる本発明に係る雷電流伝達システムの概略図
【図６】本発明に係る分離された雷電流伝達ユニットの３次元図
【図７】本発明に係る第２の接触装置の３次元図
【図８】本発明の第１の接触装置の３次元図
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、従来の風力タービン構造よりも大きい風力タービンに用いることができる雷電流伝達システムを提供するためになされている。このようなより大きい風力タービンにおいて、ブレード及びハブのサイズは増大しており、そのため、ブレードの根元から雷電流を収集する役目がある雷電流伝達ユニットの部分は、ナセルの外周を越えてハブとともに回転する。さらに、本発明は、現行の技術水準に従う雷電流伝達ユニットの使用を少なくとも部分的に可能にするためになされている。さらに、本発明の雷電流伝達ユニットの全ての部品はその場で交換可能であるものとし、雷電流による摩耗も低減するものとする。
【００３６】
図５は、本発明に係る雷電流伝達システムの概観を示している。図５では、参照符号２０はハブを示し、参照符号１０はブレードを示し、参照符号６０は、ハブ２０とナセル３０内の発電機（図示せず）とを接続するシャフトを示し、参照符号２０Ａはスピナー（ハブ２０の空気力学的ハウジング）を示している。図５は、ハブ２０がシャフト６０に直接接続され、次に、直接駆動システムを実現するように、シャフト６０が発電機に直接接続され得ることを示している。しかし、本発明はこのような構成に制限されない。ハブと発電機との間にギヤボックスを介在させ、ハブの低速の回転運動を、発電機を駆動する高速シャフトの高速の回転運動に変換することも可能である。ギヤボックスは、ハブに直接取り付けてもよく、又はハブからの低速シャフトと発電機からの高速シャフトとの間に介在させてもよい。したがって、より一般的に言うと、ハブは発電機に対して回転可能に支持される。
【００３７】
雷電流伝達システムは、ブレードバンド１０Ａと、雷リング８０と、ブレード部接触装置７０（第１の接触装置７０とも称する）と、ナセル側接触装置３０Ｂ（第２の接触装置３０Ｂとも称する）とを備える。ブレード部接触装置７０は、ブレード部摺動接点７０Ｂ（第１の接触要素７０Ｂとも称する）と、弾性の非導電性グラスファイバーアーム７０Ｃ（第１の弾性の非導電性グラスファイバープロファイル７０Ｃとも称する）と、グラスファイバープロファイル７０Ｃをスピナー２０Ａに固定し、同時に、グラスファイバーアーム７０Ｃに取り付けられる摺動接点７０Ｂを環境から保護する第１の取付要素７０Ａとを備える。スピナー２０Ａの内側の電気接続部７５は、摺動接点７０Ｂと雷リング８０とを接続する。雷リング８０は、ナセル接触装置３０Ｂ（第２の接触装置３０Ｂ）の摺動接点（第２の接触要素とも称する）に面するように、スピナー２０Ａの背面に取り付けられる。回転軸８及び９は、図２Ａに示すのと同じスピナー／ハブ及びブレードの回転能力を示す。
【００３８】
概して、同じ参照符号は図面における同じ技術的特徴を示し、省略されている特定の参照符号の記載は、前出の図の記載に見出すことができる。さらに、図における寸法及び比率は、説明的性質しか有せず、スケールモデルを反映することを意図していない。図５は、説明のために、接触要素７０Ｂ／３０Ｂとブレードバンド１０Ａ及び雷リング８０との間にそれぞれ小さい隙間を示していることを更に留意されたい。動作時、これらの接点は摺動接点となり、隙間は見られない。
【００３９】
本明細書に係る雷電流伝達システムは、低インピーダンスの接続をもたらす摺動接点の形態で例示的に示されていることに留意する必要がある。それにより、「低インピーダンス」という用語は、雷電流の伝達を制御することができるように、代替的な雷電流伝達経路よりも低い雷電流伝達経路のインピーダンスを示すことを意図している。本発明の特定の実施形態において、低インピーダンスの接続は摺動接点によってもたらされる。しかし、本発明は摺動接点に制限されない。さらに、低インピーダンスの接点は、スパークギャップとして実現することもできる。すなわち、ブレードバンド１０Ａと第１の接触要素との間の電気接続部は摺動接点ではなくスパークギャップとすることができ、及び／又は、雷リング８０と第２の接触装置３０Ｂとの間の電気接続部は摺動接点ではなくスパークギャップとすることができる。要約すると、雷電流の伝達のための接点は、低エネルギー（低電圧）の電気接点とは区別する必要がある。特許請求される雷電流伝達用接点は、雷の高電圧に起因して数千ボルトを上回る電位差に対して導電性とする必要がある。そうではあるが、いくつかの実施形態は、低電圧（電位差）において導電性である接点も用いる。
【００４０】
特許請求される接点の別の暗黙の要件は、これらの接点の材料が、数十万アンペアにのぼる非常に高い電流の流れに耐えることができることである。
【００４１】
ナセル側接触装置３０Ｂは、ナセル３０のフロントプレート３０Ａに取り付けられる。
【００４２】
ブレード１０に落雷すると、雷電流はブレード１０内のケーブルを通してブレードバンド１０Ａに導かれる。弾性のグラスファイバーアーム７０Ｃは、ブレード１０が軸９の回りで枢動／縦揺れ（pitching）する場合でも導電接続を確保するように、摺動接点７０Ｂをブレードバンド１０Ａに押し付ける。雷電流は、ケーブル７５を通して、スピナー２０Ａのナセル側に取り付けられる雷リング８０に更に導かれる。ナセル接触装置３０Ｂは、雷リング８０からナセル３０の接地されているフロントプレート３０Ａに雷電流を導く摺動接触要素も備える。ブレードのケーブル、スピナー、及びナセルを通ってグラウンドに向かう雷電流のルートは、ケーブルに沿って本質的に電圧降下を伴う。風力タービンが大きくなるほど、電流が所望の電流経路から望ましくない構造要素に飛び移り、引き続きシャフト及び主軸受を通るリスクが高くなる。電流が所望の電流経路から望ましくない構造要素に飛び移ることを防止するために、これらの構造要素に対する最小離間距離を保つ必要がある。風力タービンが大きくなるほど、これらの離間距離は大きくする必要がある。スピナーの外側のブレード側接触装置７０の配置により、必要な離間距離を満たすことができるように離間距離が増大する。
【００４３】
図６は、本発明に係る分離された雷電流伝達システム１００を示している。図６は、雷リングブラケット８１を介してスピナー（図６には図示せず）に取り付けられる雷リング８０を示している。雷リング８０は、雷リングブラケット８１によってともに固定される複数のステンレス鋼セグメントから構成することができる。図６は、１０個の雷リングセグメント及び１０個の雷リングブラケット８１を示している。しかし、この数は説明のために用いられているにすぎない。１０個よりも少ないステンレス鋼セグメントが可能であり、また１０個よりも多いステンレス鋼セグメントが可能である。好ましくは、１２個のステンレス鋼セグメントが用いられ、これは、例えば、摩耗により雷リングセグメントを交換する必要がある場合、ナセルからその場で保守管理を行うために快適に取り扱うことができる扱いやすいサイズのセグメントとなる。
【００４４】
また、図６は、ステンレス鋼プレートであるブレードバンド１０Ａを示し、例えば、４０００ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍのサイズである。ステンレス鋼プレートは、各ブレードにボルト締め及び糊着することができる。取付け穴は、ブレードバンド１０Ａの各端部に配置される。プレートをブレードに取り付けるために、更なる２つの穴をブレードバンドの中間領域に配置することができる。これらの中間穴は、各ブレード内部に延びる電流伝達ケーブルの取付け点としても機能する。２つの接点をブレードバンド１０Ａに実装することができることから、ブレードのピッチ角により、第１の取付要素７０Ａの接触要素が２つの中間穴の間に配置される場合、雷電流は分割される。電流を分割することにより、必要な離間距離が低減し、ブレードバンド１０Ａの摩耗も低減する。
【００４５】
さらに、図６は、雷リング８０との摺動接点にある４つのナセル接触装置３０Ｂ（第２の接触装置３０Ｂ）を示している。複合コンソール７０Ａの内側のブレード側接触要素は、ケーブル７５を介して雷リング８０に接続される。
【００４６】
ナセル側接触装置３０Ｂ（第２の接触装置３０Ｂ）は、図７により詳細に示されている。図７は、ブラケット３０Ｂ−１、ファイバーグラスプロファイル３０Ｂ−２、延長ブラケット３０Ｂ−３、及び接触要素３０Ｂ−５を示している。接触要素３０Ｂ−５は、ブラケット８１を介してスピナーに取り付けられる雷リング８０と摺動的に接触するように意図されている。接触要素３０Ｂ−５はケーブル３０Ｂ−４に接地され、ケーブル３０Ｂ−４はナセルの主構造部に接地される。
【００４７】
ブラケット３０Ｂ−１は、ファイバーグラスプロファイル３０Ｂ−２をナセルのフロントプレートに固定し、接地されているナセルのフロントプレートとナセルのフロントカバー（図示せず）との間の距離を架け渡す。ファイバーグラスプロファイル３０Ｂ−２の一端部はブラケット３０Ｂ−１に固定され、ファイバーグラスプロファイル３０Ｂ−２の他端部には、延長ブラケット３０Ｂ−３が取り付けられる。延長ブラケット３０Ｂ−３は、ナセルのフロントカバー（図示せず）を通り雷リング８０までの或る特定の距離を架け渡される。接触要素３０Ｂ−５は、延長ブラケット３０Ｂ−３に取り付けられ、そのため、雷リング８０の前でナセルの外側に位置する。ナセル側接触装置３０Ｂは、接触要素３０Ｂ−５が雷リング８０に押し付けられるように、ファイバーグラスプロファイル３０Ｂ−２に予張力を与えることができるように構成されている。
【００４８】
接触要素３０Ｂ−５は、特許文献２に従って、例えば、特許文献２の図８に示されているように設計することができる。接触要素３０Ｂ−５は、摺動パッドを貫通する接触ロッドを基本的に備えることができる。このロッドは、回転する雷リング８０に電気的に接触することが好ましく、ロッドを囲むパッドにより、接触面上での低摩擦の摺動が確実になる。接触ロッドは、接触ロッドの背面にあるねじ穴にボルトをねじ込むことにより、延長ブラケット３０Ｂ−３に固定することができる。本明細書において、接触ロッドと摺動パッドとの組合せは、接触要素と総称される。ナセル側接触要素３０Ｂ−５（第２の接触要素３０Ｂ−５）及びスピナー側接触要素７０Ｂ（第１の接触要素７０Ｂ、図５又は図８を参照）は、同じ構造としてもよく、異なる構造としてもよい。例えば、現行の技術水準に従う雷電流伝達ユニットを示す図３は、２つの異なる形状の接触要素を示している。ブレードバンド１Ａと接触する接触要素７Ａは、円形ディスクである。雷リング３Ｂと接触する接触要素７Ｆは、相対的な移動方向に縁部を有する六角形構造である。同様に、図７の接触要素３０Ｂ−５は、ディスク形状又は六角形状とすることができる。
【００４９】
接触ロッドは、銅、アルミニウム、青銅、グラファイト、銀、又はそれらの複合材等の導電性材料から作製することができる。青銅が用いられることが好ましい。
【００５０】
パッドは、ナイロン、アセタール、ヴェスコナイト（Vesconite）、又はガラス充填ナイロン等の低摩擦材料により作製することができる。摺動パッドにはナイラトロンが用いられることが好ましい。雷リング８０上の氷層に対する摺動性及び適応性を向上するために、接触要素３０Ｂ−５には面取りされた縁部を設けることができる。
【００５１】
図８は、ブレードバンド１０Ａとの接触をもたらすスピナー側接触装置７０（第１の接触装置７０）の詳細図を示している。スピナー側接触装置７０は（第１の）取付要素７０Ａを備え、取付要素７０Ａにはファイバーグラスプロファイル７０Ｃがブラケット７１を介して取り付けられる。接触要素７０Ｂ−１は、ねじ付きボルト７０Ｂ−２によってファイバーグラスプロファイル７０Ｃに取り付けられる。ケーブル７５−１は、接触要素７０Ｂ−１と電気的に接続するために、ボルト７０Ｂ−２と電気的に接続される。ケーブル７５−１は、雷電流伝達プロファイル７５−２に電気的に接続され、雷電流伝達プロファイル７５−２は、ケーブル７５−１を接続バス７５−３に電気的に接続する。雷電流伝達プロファイル７５−２は、ゴム製固定部７０Ａ１によってファイバーグラスコンソール７０に固定される。接続バス７５−３は、雷電流伝達プロファイル７５−２を、ナセルの前でスピナーに取り付けられる雷リング８０に接続する。ケーブル７５−１、雷電流伝達プロファイル７５−２、及び接続バス７５−３は、例えば、図５及び図６における接続装置７５と総称される。接触要素７０Ｂ−１及びボルト７０Ｂ−２を含むブレード側接触要素は、第１の接触要素７０Ｂ（例えば図５を参照）と総称される。第１の接触要素７０Ｂの構造は、図７によって説明したように、ナセル側接触要素３０Ｂ−５と同じとすることができる。
【００５２】
第１の取付要素のファイバーグラスコンソール７０Ａは、各ブレードにおいてスピナーに固定され、ねじ付きワッシャー７０Ａ３を用いてそれぞれのブレードバンド１０Ａとの接触を支持する。ケーブル７５−１の露出している部分、雷電流伝達プロファイル７５−２、及びファイバーグラスプロファイル７０Ｃは、カバー（図８には図示せず、図６に示す）によって環境から保護することができる。第１の取付要素のファイバーグラスコンソール７０Ａは、取付けブラケットとして用いられるファイバーグラスコンソールと、接触要素を保護するカバーとを備える。
【００５３】
ファイバーグラスコンソールは、８ｍｍ厚とすることができ、ファイバーグラスプロファイル７０Ｃに対する締結ブラケットとして機能する。ファイバーグラスコンソールは、ハブカバー（スピナー）に４点をボルト締めすることができる。ファイバーグラスコンソールは、非導電性であることにより、ハブカバー（スピナー）のより広い領域にわたって応力を分散させるように比較的大きくすることが可能である。
【００５４】
取付要素７０Ｃ全体（カバーを含むコンソール）は、４つのハブボルト、及び雷電流伝達プロファイル７５−２と接続バス７５−３との接続をもたらす追加のボルトを取り外すことによってハブの外側から取り外すことができる。接触要素７０Ｂ−１がブレードバンド１０Ａに押し付けられるように、ファイバーグラスプロファイル７０Ｃに予張力が与えられ、縦揺れするブレードと雷リング８０との間の制御された雷電流の伝達、すなわち、少なくとも１００００ボルトより大きい非常に高い電圧向けの制御された高い導電性の接続を確実にするようになっている。
【００５５】
結論として、本発明は、十分に既知の技術の部品を再使用することができるより大きい風力タービン用の雷電流伝達システムであって、雷による部品の摩耗が低減され、全ての部品がその場で交換可能である、雷電流伝達システムを提供するためになされている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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