特表 2024-523701 電熱システムを有する風力タービンブレード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】電熱システムを有する風力タービンブレード

(51)【国際特許分類】

   F03D 80/40 20160101AFI20240621BHJP

   F03D 1/06 20060101ALI20240621BHJP

   F03D 80/30 20160101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

F03D80/40

F03D1/06 A

F03D80/30

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500140

(86)(22)【出願日】2022-07-05

(85)【翻訳文提出日】2024-03-04

(86)【国際出願番号】 EP2022068557

(87)【国際公開番号】W WO2023280838

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】21184064.0

(32)【優先日】2021-07-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521176558

【氏名又は名称】エルエム・ウインド・パワー・アクスイェ・セルスカプ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(72)【発明者】

【氏名】トヴァー，アイザック

(72)【発明者】

【氏名】ハンセン，アラン

(72)【発明者】

【氏名】デヴァラジ，ラジャマノハリ

(72)【発明者】

【氏名】ミランダ，ヴィクター

(72)【発明者】

【氏名】ハンセン，ラース・ボー

(72)【発明者】

【氏名】ベンセン，ピーター

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178BB43

3H178BB44

3H178CC02

3H178DD51Z

3H178DD70Z

(57)【要約】

【課題】
風力タービンブレードは、長手方向に根元とチップの間に延在し、かつ横方向に前縁と後縁の間に延在する負圧側シェル部分及び正圧側シェル部分を有する空力シェル本体と、風力タービンブレード上での着氷を低減するための電熱システムとを備えており、電熱システムは、空力シェル本体の長手方向セクションに実質的に延在するように配置された導電性繊維を含む発熱層と、発熱層の導電性繊維が、電源ケーブルから電力を受け取ると、風力タービンブレードの外側に抵抗加熱をもたらして、風力タービンブレードの着氷を低減するように構成されている、発熱層と、発熱層の外側に発熱層に重なるように配置された金属製避雷層と、金属製避雷層から落雷電流を引下げ導線の第１の端部に導電するように金属製避雷層に電気的に接続されている引下げ導線とを備えており、発熱層及び金属製避雷層は、空力シェル本体内に埋め込まれ、かつ空力シェル本体と共含浸されている。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

風力タービンブレード（１０）であって、当該風力タービンブレード（１０）が、
長手方向（Ｌ）に根元（１６）とチップ（１４）の間に延在し、かつ横方向に前縁（１８）と後縁（２０）の間に延在する負圧側シェル部分（２２）及び正圧側シェル部分（２４）を有する空力シェル本体（１２）と、
当該風力タービンブレード上での着氷を低減するための電熱システム（４０）と
を備えており、前記電熱システムが、
前記空力シェル本体の長手方向セクション（１９）、好ましくは前縁セクションに実質的に延在するように配置された導電性繊維を含む発熱層（５０）と、
前記発熱層に電力を供給するように構成されているとともに電源に接続されるように構成された電源ケーブル（９０）であって、前記発熱層の導電性繊維が、前記電源ケーブルから電力を受け取ると、当該風力タービンブレードの外側に抵抗加熱をもたらして、当該風力タービンブレードの着氷を低減又は防止するように構成されている、電源ケーブル（９０）と、
前記発熱層の外側に前記発熱層に重なるように配置された金属製避雷層（６０）であって、受雷するように構成された金属製避雷層（６０）と、
当該風力タービンブレードの根元に配置された第１の端部（９６）を有しかつ接地されるように構成された引下げ導線（９５）であって、前記金属製避雷層から落雷電流を前記引下げ導線の第１の端部に導電するように前記金属製避雷層に電気的に接続されている引下げ導線（９５）と
を備えており、前記発熱層の導電性繊維及び前記金属製避雷層が、前記空力シェル本体内に埋め込まれ、かつ前記空力シェル本体と共含浸されている、風力タービンブレード。

【請求項2】

前記電熱システムが、前記金属製避雷層と前記発熱層の間に挟み込まれた電気絶縁層（７０，７１，７２）を備えており、前記電気絶縁層が、前記発熱層への雷の放電を防止するように構成されており、前記電気絶縁層が、前記空力シェル本体に埋め込まれ、かつ前記空力シェル本体と共含浸されている、請求項１に記載の風力タービンブレード。

【請求項3】

前記電気絶縁層が、２つのガラス繊維層の間に挟まれたポリマーフィルム、例えばＰＥＴフィルムを含む積層構造を含む、請求項２に記載の風力タービンブレード。

【請求項4】

前記発熱層が、根元側縁部（５３）、チップ側縁部（５４）、長手方向負圧側縁部（５５）及び長手方向正圧側縁部（５６）を含んでおり、
前記金属製避雷層が、根元側縁部（６３）、チップ側縁部（６４）、長手方向負圧側縁部（６５）及び長手方向正圧側縁部（６６）を含んでおり、
前記金属製避雷層のチップ側縁部が、当該風力タービンブレードのチップに向かって前記発熱層のチップ側縁部を越える位置にある、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項5】

前記電気絶縁層が、根元側縁部、チップ側縁部、長手方向負圧側縁部（７５）及び長手方向正圧側縁部（７６）を含んでおり、
前記電気絶縁層の長手方向負圧側及び正圧側縁部が、前記発熱層の長手方向負圧側縁部及び長手方向正圧側縁部の両方を越えて、例えば後縁に向かって、延在している、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項6】

前記電気絶縁層の長手方向負圧側縁部が、前記発熱層の長手方向負圧側縁部及び前記金属製避雷層の長手方向負圧側縁部と交差する線又は面（Ｐ１）を越えて延在しており、
前記電気絶縁層の長手方向正圧側縁部が、前記発熱層の長手方向正圧側縁部及び前記金属製避雷層の長手方向正圧側縁部と交差する線又は面（Ｐ２）を越えて延在している、請求項５に記載の風力タービンブレード。

【請求項7】

前記空力シェル本体が、前縁において前記負圧側シェル部分と前記正圧側シェル部分の間に長手方向に延在するボンドライン（２６）を含んでおり、前記ボンドラインが、前記発熱層を第１の発熱層部分（５１）と第２の発熱層部分（５２）とに分割し、かつ前記金属製避雷層を第１の金属製避雷層部分（６１）と第２の金属製避雷部（６２）とに分割しており、
第１の発熱層部分及び／又は第１の金属製避雷層部分が、前記負圧側シェル部分に埋め込まれ、かつ前記負圧側シェル部分と共含浸され、第２の発熱層部分及び／又は第２の金属製避雷層部分が、前記正圧側シェル部分に埋め込まれ、前記正圧側シェル部分と共含浸されている、請求項５に記載の風力タービンブレード。

【請求項8】

前記電熱システムが、電気絶縁性ポリマー材料からなる前縁絶縁層（８０）を含んでおり、前記前縁絶縁層が、前縁のボンドラインに沿って延在し、かつ前縁のボンドラインに重なっているとともに、前記ボンドラインから横方向に延在して、前記負圧側シェル部分及び前記正圧側シェル部分の円周に沿って第１及び第２の金属製避雷層部分に重なっている、請求項７に記載の風力タービンブレード。

【請求項9】

前記空力シェル本体が、前記ボンドラインに重なる前縁保護キャップ（８４）を備えており、前記前縁保護キャップが、当該風力タービンブレードの外側に露出した外側を有し、当該風力タービンブレードの前縁にエロージョン耐性を与えるように構成されている、請求項７又は請求項８に記載の風力タービンブレード。

【請求項10】

前記電熱システムが、前記金属製避雷層を覆う第１の外装層（８５）を備えており、第１の外装層が、前記金属製避雷層を覆う内側（８７）と、当該風力タービンブレードの外部に露出した外側（８６）とを有する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項11】

前記空力シェル本体が、当該風力タービンブレードの外側に露出した外側（８９）を有する第２の外装層（８８）を備えており、第２の外装層が、第１の外装層と実質的に面一であり、第１の外装層とは異なる、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項12】

前記電熱システムが、少なくとも第１のケーブルクランプ装置を含む所定の数のケーブルクランプ装置（１００）を備えており、前記所定の数のケーブルクランプ装置が、前記電源ケーブルと前記引下げ導線とを電気的に接続して、当該ブレードの根元とチップの間の長手方向に沿った別個の長手方向位置で等電位ボンディング接続を形成する、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項13】

前記所定の数のケーブルクランプ装置が各々ハウジング（１０１）及び金属製クランプ部材（１０２）を備えており、各金属製クランプ部材が前記引下げ導線及び前記電源ケーブルを受け入れてクランプして等電位ボンディング接続を形成し、前記ハウジングが前記金属製クランプ部材と等電位ボンディング接続部とを電気的に絶縁するように前記金属製クランプ部材を取り囲み、前記ハウジングが、前記引下げ導線及び前記電源ケーブルを収容する貫通孔（１０３）を備える、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項14】

前記電熱システムが、１以上の第１のサージ保護装置（１１０）及び／又は１以上の第２のサージ保護装置（１１１）及び／又は１以上の第３のサージ保護装置（１１２）を含む所定の数のサージ保護装置（１１０，１１１）を含んでおり、第１のサージ保護装置が、前記発熱層及び前記引下げ導線に接続され、第２のサージ保護装置が前記発熱層及び前記金属製避雷層に接続され、第３のサージ保護装置が前記引下げ導線及び前記電源ケーブルに接続される、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項15】

前記電熱システムが、当該風力タービンブレードの内部温度を検知するように構成された１以上の内部温度センサ（１２０）及び／又は当該風力タービンブレードの外部温度を検知するように構成された１以上の外部温度センサ（１２１）を含む所定の数の温度センサ（１２０，１２１）を備える、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。

【請求項16】

風力タービンブレードの空力シェル本体（２１）の製造方法であって、導電性繊維を含む発熱層（５０）、金属製避雷層（６０）及び電気絶縁層（７０）を１以上のシェル層（２７）と共にドライ層としてレイアップするステップと、次いで一回の真空アシスト樹脂トランスファー成形プロセスでこれらの層（２７，５０，６０，７０）を共含浸及び硬化させて、前記発熱層（５０）、前記金属製避雷層（６０）及び前記電気絶縁層（７０）を空力シェル本体（２１）に埋め込むステップとを備える、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電熱システムを有する風力タービンブレードに関する。

【背景技術】

【0002】

風力タービンを寒冷地で運転する場合、風力タービンブレードに氷が堆積するおそれがあり、タービンの性能に課題を呈する。第１の観点では、ブレード表面に氷が形成されると、ブレード空力が乱れ、タービン効率の低下及び／又は運転騒音レベルの増加をもたらしかねない。追加の観点では、ブレード表面から剥がれた氷が落下するおそれがある。この点から、このような場所の風力タービンブレードには、着氷防止及び／又は氷除去のためのシステムが設けられていることが多い。

【0003】

風力タービンブレードの表面温度を氷点を超える温度に上昇させるためブレードの内部に加熱空気を供給するという原理で動作する熱風電熱システムを設けることが知られている。かかる熱風電熱システムの一例は、米国特許出願公開第２０１３／０１０６１０８号に記載されている。

【0004】

ブレードに埋め込まれた電気加熱システム並びに機械式電熱システムを利用することも知られている。ただし、ブレードに導電性材料を含めると、これらの導電性材料が雷撃を受ける危険性が伴う。特に、ブレードのチップ付近に導電性材料が含まれていると、ブレードのこの領域は落雷の危険性が高い。電気加熱システムに関しては、年間エネルギー生産量の低下を避けるため、表面乱流の低減した雷保護が必要とされる。そこで、新しい解決策が必要とされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１３／０１０６１０８号

【発明の概要】

【0006】

こうした背景から、従来技術の短所の１以上を解消又は改善する或いは有用な代替策をもたらす電熱システムを有する風力タービンブレードを提供することを本開示技術の目的とみなし得る。

【0007】

これらの目的の１以上は、以下に記載す本開示技術の態様によって達成し得る。

【0008】

本開示技術の第１の態様は、風力タービンブレードに関するものであり、当該風力タービンブレードは、
長手方向に根元とチップの間に延在し、かつ横方向に前縁と後縁の間に延在する負圧側シェル部分及び正圧側シェル部分を有する空力シェル本体と、
風力タービンブレード上での着氷を低減するための電熱システムと
を備えており、電熱システムは、
空力シェル本体の長手方向セクション、好ましくは前縁セクションに実質的に延在するように配置された導電性繊維を含む発熱層と、
発熱層に電力を供給するように構成されているとともに電源に接続されるように構成された電源ケーブルであって、発熱層の導電性繊維が、電源ケーブルから電力を受け取ると、風力タービンブレードの外側に抵抗加熱をもたらして、風力タービンブレードの着氷を低減又は防止するように構成されている、電源ケーブルと、
発熱層の外側に発熱層に重なるように配置された金属製避雷層であって、受雷するように構成された金属製避雷層と、
風力タービンブレードの根元に配置された第１の端部を有しかつ接地されるように構成された引下げ導線であって、金属製避雷層から落雷電流を引下げ導線の第１の端部に導電するように金属製避雷層に電気的に接続されている引下げ導線と
を備えており、発熱層（好ましくは発熱層の導電性繊維）及び金属製避雷層が、空力シェル本体内に埋め込まれ、かつ空力シェル本体と共含浸されている。

【0009】

発熱層及び金属製避雷層を空力シェル本体内に埋め込んで空力シェル本体と共含浸すると、特に発熱層及び／又は金属製避雷層を空力シェル本体上に重ねて積層した配置に比べ、滑らかな外面を与え、空力性能が向上する。さらに、発熱層の外側に発熱層に重なるように金属製避雷層を配置することによって、雷が発熱層に放電するリスクを減らすことができる。

【0010】

加えて／或いは、金属製避雷層は、金属メッシュ、好ましくは銅メッシュ、例えばエキスパンド加工銅メッシュ又は打抜加工銅メッシュであってもよい。

【0011】

加えて／或いは、導電性繊維は炭素繊維であってもよい。導電性繊維は、１以上の繊維層、好ましくは二軸に配置し得る。繊維層は、不織であっても及び／又は長手方向に対して±４５度に配置してもよい。

【0012】

加えて／或いは、電源ケーブルは、発熱層の根元側縁部で発熱層の根元側部分に接続した第１の電源導線と、発熱層のチップ側縁部で発熱層のチップ側部分に接続した第２の電源導線とを備えていてもよく、根元側部分は、チップ側部分よりも風力タービンの根元に近い。

【0013】

本開示において、２つの部材が「共含浸」されるとは、２つの部材が同一プロセスにおいて樹脂で同時に含浸され、硬化されることをいう。例えば、風力タービンブレードの発熱層と空力シェル本体のような２つの繊維強化部材の共含浸は、２つの繊維強化部材のドライ繊維を型内に配置し、それらを同一プロセスで同時に樹脂で含浸し、樹脂を硬化させることを含む。これは、２つの別個に製造された部材を接合するプロセス或いはある部材を別の部材に重ねて積層するプロセスとは対照的である。

【0014】

加えて／或いは、電熱システムは、金属製避雷層と発熱層の間に挟み込まれた電気絶縁層を備えていてもよく、電気絶縁層は、発熱層への雷の放電を防ぐように構成してもよく、好ましくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、例えばＰＥＴフィルムから作ることができる。電気絶縁層は、空力シェル本体内に埋め込んで、空力シェル本体と共含浸してもよい。

【0015】

発熱層と金属製避雷層の間に電気絶縁層を挟み込むと、落雷時の発熱層の損傷リスクを低減しながら、風力タービンブレードの着氷を低減するための電熱システムの作動時の金属製避雷層への短絡のリスクも低減する。

【0016】

電気絶縁層は、金属製避雷層の端部から発熱層の対応する端部にフラッシオーバさせるのに必要なフラッシオーバ電圧が雷が電気絶縁層を貫通するのに必要な破壊電圧よりも大きくなるように、電気絶縁層の材料を選択し、かつ発熱層及び金属製避雷層に対する電気絶縁層の相対的位置を選択することによって、雷が発熱層に放電するのを防ぐように構成し得る。フラッシオーバ電圧及び破壊電圧は、例えば実験で得ることができる。

【0017】

さらに、電気絶縁層は、２つの繊維層（好ましくはガラス繊維層）の間に挟まれたポリマーフィルム（例えばＰＥＴフィルム）を含む積層構造を含んでいてもよい。積層構造は、発熱層、金属製避雷層及び任意には電気絶縁層の含浸及び硬化の前に予め製造しておいてもよい。積層構造は、ポリマーフィルムを繊維層に接着する接着剤を含んでいてもよい。接着剤は、好ましくは、発熱層、金属製避雷層及び任意には電気絶縁層の硬化に使用される樹脂とは異なる。

【0018】

加えて／或いは、発熱層は、根元側縁部、チップ側縁部、長手方向負圧側縁部及び長手方向正圧側縁部を含むことができる。金属製避雷層は、根元側縁部、チップ側縁部、長手方向負圧側縁部及び長手方向正圧側縁部を含むことができる。金属製避雷層のチップ側縁部は、風力タービンブレードのチップに向かって発熱層のチップ側縁部を越える位置にあってもよく、発熱層のチップ側縁部との間に長手方向ギャップを設けて配置してもよい。

【0019】

これによって、風力タービンブレードのチップ付近の雷撃が金属製避雷層ではなく発熱層に放電するリスクをさらに低減するという利点が得られる。

【0020】

加えて／或いは、電気絶縁層は、根元側縁部、チップ側縁部、長手方向負圧側縁部及び長手方向正圧側縁部を含むことができる。電気絶縁層の長手方向負圧側縁部及び正圧側縁部は、発熱層の長手方向負圧側縁部及び長手方向正圧側縁部の両方を越えて（例えば後縁に向かって）延在してもよい。

【0021】

加えて／或いは、発熱層、金属製避雷層及び電気絶縁層の縁部は、以下の通り同定し得る。根元側縁部は根元に最も近く位置し、チップ側縁部はチップに最も近く位置する。また、長手方向負圧側縁部及び長手方向正圧側縁部は実質的に長手方向に沿って延在する。長手方向負圧側縁部は負圧側シェル部分に位置し、長手方向正圧側縁部は正圧側シェル部分に位置する。さらに、長手方向負圧側縁部及び正圧側縁部は最も外側の長手方向縁であり、例えば後縁に最も近い。

【0022】

さらに、電気絶縁層の長手方向負圧側縁部は、発熱層の長手方向負圧側縁部及び金属製避雷層の長手方向負圧側縁部と交差する線又は面を越えて延在してもよい。電気絶縁層の長手方向正圧側縁部は、発熱層の長手方向正圧側縁部及び金属製避雷層の長手方向正圧側縁部と交差する線又は面を越えて延在してもよい。

【0023】

加えて／或いは、空力シェル本体は、前縁において負圧側シェル部分と正圧側シェル部分の間に長手方向に延在するボンドラインを含んでいてもよく、ボンドラインは、発熱層を第１の発熱層部分と第２の発熱層部分とに分割し、金属製避雷層を第１の金属製避雷層部分と第２の金属製避雷部とに分割し、好ましくは電気絶縁層を第１の電気絶縁層部分と第２の電気絶縁層部分とに分割する。第１の発熱層部分及び／又は第１の金属製避雷層部分は、負圧側シェル部分内に埋め込んで、負圧側シェル部分と共含浸してもよい。第２の発熱層部分及び／又は第２の金属製避雷層部分は、正圧側シェル部分内に埋め込んで、正圧側シェル部分と共含浸してもよい。

【0024】

さらに、電熱システムは、電気絶縁性ポリマー材料、好ましくはＰＥＴフィルムからなる前縁絶縁層を含んでいてもよい。前縁絶縁層は、前縁のボンドラインに沿って延在し、前縁のボンドラインに重なっていてもよい。前縁絶縁層は、ボンドラインから横方向に延在し、負圧側シェル部分及び正圧側シェル部分の円周に沿って第１及び第２の金属製避雷層部分に重なっていてもよい。

【0025】

前縁絶縁層を含めることによって、ボンドラインへの雷撃がボンドラインに隣接する発熱層部分の端部を貫通するリスクが低減する。

【0026】

加えて／或いは、発熱層は、ボンドラインに隣接して配置された追加の炭素繊維マットを含んでいてもよい。これによって、着氷を低減するための十分な熱がボンドラインに供給されるようになる。

【0027】

加えて／或いは、空力シェル本体は、ボンドラインに重なる（好ましくは前縁絶縁層に重なる）前縁保護キャップを備えていてもよい。前縁保護キャップは、風力タービンブレードの外部に露出した外側を有していてもよく、風力タービンブレードの前縁にエロージョン耐性をもたらすように構成し得る。前縁保護キャップは、好ましくは、ポリウレタン（ＰＵＲ）を含む或いは実質的にポリウレタンからなる。

【0028】

加えて／或いは、電熱システムは、金属製避雷層を覆う第１の外装層を備えていてもよい。第１の外装層は、金属製避雷層を覆う内側を有していてもよく、風力タービンブレードの外部に露出した外側を有していてもよい。第１の外装層は、好ましくは、ポリウレタン（ＰＵＲ）塗料のような塗料、及び／又はポリエステル系ベールのようなベールを含むことができる。第１の外装層は、好ましくは０．８ｍｍ以下の厚さ、さらに好ましくは０．１～０．４ｍｍ、さらに一段と好ましくは０．２～０．３ｍｍの範囲である。

【0029】

金属系避雷層を第１の外装層で覆うことによって、金属製避雷層のエロージョンを低減することができる。また、十分に薄い第１の外装層を設けることによって、雷撃が第１の外装層を通して金属製避雷層に放電する代わりに、第１の外装層の表面全体に雷が放電する危険性を低減し得る。

【0030】

加えて／或いは、空力シェル本体は、風力タービンブレードの外部に露出した外側を有し得る第２の外装層を含んでいてもよい。第２の外装層は、第１の外装層と実質的に面一であってもよく、第１の外装層と異なっていてもよい。第２の外装層は、好ましくはゲルコートであり、好ましくはポリエステル系ゲルコートである。

【0031】

加えて／或いは、第２の外装層は、少なくとも金属製避雷層、及び／又は空力シェル本体の残りの部分を覆っていなくてもよい。

【0032】

加えて／或いは、電熱システムは、少なくとも第１のケーブルクランプ装置を含む所定の数のケーブルクランプ装置を備えていてもよい。所定の数のケーブルクランプ装置は、電源ケーブルと引下げ導線とを電気的に接続して、ブレードの根元とチップの間の長手方向に沿った別個の長手方向位置で等電位ボンディング接続を形成することができる。

【0033】

ケーブルクランプは、電源ケーブルと雷ケーブルの間に等電位ボンディング接続をもたらして、ブレードが雷撃された場合のフラッシオーバを低減又は回避して、ブレードの損傷を低減又は回避することができる。

【0034】

加えて／或いは、電源ケーブルはシールドを含んでおり、所定の数のケーブルクランプ装置が電源ケーブルのシールドに電気的に接続される。

【0035】

加えて／或いは、所定の数のケーブルクランプ装置は、各々、ハウジング及び金属製クランプ部材を備えていてもよい。各金属製クランプ部材は、引下げ導線及び電源ケーブル（好ましくは電源ケーブルのシールド）を受け入れてクランプして、等電位ボンディング接続を形成することができる。ハウジングは、金属製クランプ部材と等電位接合接続部とを電気的に絶縁するように金属製クランプ部材を取り囲むことができる。ハウジングは、引下げ導線及び電源ケーブルを収容する貫通孔を備えることができる。ハウジングは、好ましくはポリウレタン（ＰＵＲ）のようなポリマーで作られる。

【0036】

加えて／或いは、電熱システムは、１以上の第１のサージ保護装置及び／又は１以上の第２のサージ保護装置及び／又は１以上の第３のサージ保護装置を含む所定の数のサージ保護装置を含むことができる。第１のサージ保護装置は、発熱層及び引下げ導線に接続し得る。第２のサージ保護装置は、発熱層及び金属製避雷層に接続し得る。第３のサージ保護装置は、引下げ導線及び電源ケーブルに接続し得る。

【0037】

加えて／或いは、電熱システムは、風力タービンブレードの外部温度を検知するように構成された１以上の外部温度センサ及び／又は風力タービンブレードの内部温度を検知するように構成された１以上の内部温度センサを含む所定の数の温度センサを備えていてもよい。

【0038】

加えて／或いは、所定の数の温度センサは、風力タービンのハブに配置し得る制御装置に温度信号を送るように構成し得る。制御装置は、風力タービンブレード上の着氷を低減するように、所定の数の温度センサからの温度信号に基づいて発熱層への電力供給を制御し得る。所定の温度センサは光ファイバーであってもよい。

【0039】

加えて／或いは、電熱システムは、風力タービンブレードのチップに配置され、受雷するように構成されたチップレセプタを備えていてもよく、チップレセプタは、引下げ導線に電気的に接続される。

【0040】

本開示技術の第２の態様は、風力タービンブレード、好ましくは本開示技術の第１の態様に係る風力タービンブレードの空力シェル本体の製造方法に関する。本方法は、導電性繊維を含む発熱層、金属製避雷層及び電気絶縁層を、空力シェル本体の１以上のシェル層と共にドライ層（すなわち非硬化層、例えば樹脂なしで繊維だけからなるもの）としてレイアップするステップと、次いで一回の真空アシスト樹脂トランスファー成形（ＶａＲＴＭ）プロセスでこれらの層を共含浸及び硬化させて、発熱層、金属製避雷層及び電気絶縁層を空力シェル本体に埋め込むステップを含む。

【0041】

当業者には明らかであろうが、本開示技術の上述の態様及びその実施形態のいずれか１以上を、本開示技術の別の態様及びその実施形態のいずれか１以上と組み合わせてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0042】

以下、本開示技術の実施形態について、添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。図面は、本発明の実施法を例示するものであり、特許請求の範囲に記載された技術範囲に属する他の実施形態に限定するものではない。

【図1】風力タービンの概略斜視図。

【図2】図１に示す風力タービンの長手方向前縁セクションを有する風力タービンブレードの概略斜視図。

【図3】図２に示す風力タービンブレードの長手方向セクションに組み込まれた電熱システムの長手方向に沿った概略図。

【図4】図２に示す風力タービンブレードの長手方向セクションの概略断面図。

【図5】ケーブルクランプ装置の概略図。

【発明を実施するための形態】

【0043】

図面に関する以下の説明では、同じ符号は同じ構成要素を示しているので、すべての図面に関して説明しないこともある。

【0044】

図１は、タワー４と、ナセル６と、数度の傾斜角を含んでいてもよい実質的に水平なロータシャフトを有するロータとを備えるいわゆる「デンマーク型」の従前の最新アップウィンド式風力タービン２を示す。ロータは、ハブ８と、ハブ８から半径方向に延在する３枚のブレード１０とを含んでおり、各ブレードはハブに最も近いブレード根元１６と、ハブ８から最も遠いブレードチップ１４とを有する。

【0045】

図２は、例示的な風力タービンブレード１０の概略図を示す。風力タービンブレード１０は、根元端１７とチップ端１５とを有する従前の風力タービンブレードの形状を有しており、ハブに最も近い根元領域３０と、ハブから最も離れた輪郭又は翼形領域３４と、根元領域３０と翼形領域３４との間の遷移領域３２とを備える。ブレード１０は、ブレードをハブ８に装着したときに、ブレード１０の回転方向に面する前縁１８と、前縁１８と逆方向に向いた後縁２０とを備える。

【0046】

翼形領域３４（輪郭領域とも呼ばれる）は、揚力の発生に関して理想的又はほぼ理想的なブレード形状を有しているが、根元領域３０は構造的な考慮により実質的に円形又は楕円形の断面を有しており、例えばブレード１０をハブに取り付けるのが簡単かつ安全になる。根元領域３０の直径（又は翼弦）は、根元領域３０全体に沿って一定であってもよい。遷移領域３２は、根元領域３０の円形又は楕円形から翼形領域３４の翼形輪郭へと徐々に変化する遷移輪郭を有する。遷移領域３２の翼弦長は、通例、ハブからの距離ｒの増加に伴って増加する。翼形領域３４は、ブレード１０の前縁１８と後縁２０との間に延在する翼弦を有する翼形輪郭を有する。翼弦の幅は、ハブからの距離ｒの増加に伴って減少する。

【0047】

ブレード１０のショルダ３８は、ブレード１０の翼弦長が最大となる位置として定義される。ショルダ３８は、通例、遷移領域３２と翼形領域３４との境界に設けられる。

【0048】

なお、ブレードの異なるセクションの翼弦は通常は同一平面上に存在しない。ブレードはねじれ及び／又は湾曲し（すなわち、予め曲げられ）ており、それに応じたねじれ及び／又は湾曲した経路を翼弦面に与えるからであり、これは、ハブからの半径に依存するブレードの局所速度を補償するために大抵当てはまる。

【0049】

ブレード１０は、通例、ためにブレードの前縁１８及び後縁２０でボンドライン２８に沿って互いに接着して風力タービンブレード１０の空力シェル本体２１を形成する、正圧側シェル部分２４と負圧側シェル部分２６から作られる。

【0050】

次いで図３を参照すると、ブレード１０の空力シェル本体２１などに組み込まれた電熱システム４０の電気的接続及び積層構造の概略図が示してある。電熱システム４０は、図２に示すような風力タービンブレードの前縁セクション２２における着氷を例えば防止又は融解によって低減させるためのものである。

【0051】

図３から明らかなように、電熱システム４０は、発熱層５０を備える。本実施形態では、発熱層５０は、実質的に前縁セクション２２（図２に示す）に延在するように配置され、長手方向に対して±４５度に配向した不織二軸炭素繊維マットを含んでいる。ただし、その他の発熱層５０の構成を採用してもよい。発熱層５０は、根元側縁部５３とチップ側縁部５４とを含む。図４から明らかなように、発熱層５０は、さらに長手方向負圧側縁部５５と長手方向正圧側縁部５６とを有する。以下、発熱層、金属製避雷層、電気絶縁層の縁部は、以下の通り同定することができる。根元側及びチップ側縁部は、実質的に長手方向に対して横断方向、例えば翼弦方向に延在するのに対して、長手方向負圧側縁部及び正圧側縁部は実質的に長手方向に延在する。根元側縁部は根元に最も近く位置し、チップ側縁部はチップに最も近く位置する。長手方向負圧側縁部は負圧側シェル部分２６に位置し、長手方向正圧側縁部は正圧側シェル部分２４に位置する。さらに、長手方向負圧側縁部及び正圧側縁部は、最も外側の長手方向縁であり、例えば後縁に最も近い。

【0052】

図３に戻ると、電熱システム５０は、受雷するように構成された金属製避雷層６０も備える。本実施形態では、金属製避雷層６０は、エキスパンド加工又は打抜加工銅メッシュの形態である。金属製避雷層６０は、発熱層５０の外側に発熱層５０に重なるように配置され、発熱層５０に雷が放電する危険性を低減する。金属製避雷層６０は、根元側縁部６３とチップ側縁部６４とを有する。図４から明らかなように、金属製避雷層６０は、さらに長手方向負圧側縁部６５と長手方向正圧側縁部６６とを有する。図３から明らかなように、金属製避雷層６０のチップ側縁部６４は、風力タービンブレードのチップに向かって発熱層５０のチップ側縁部５４を越える位置にあり、発熱層５０のチップ側縁部５４との間に長手方向ギャップを設けて配置される。

【0053】

電熱システム５０は、第１の電源導線９１及び第２の電源導線９２を含む電源ケーブル９０をさらに備える。第１の導体９１は発熱層５０の根元側部分に電気的に接続され、第２の電源導線９２は発熱層５０のチップ側部分に電気的に接続される。根元側部分は、チップ側部分よりも風力タービンの根元に近い。電源ケーブル９０の根元端は電源に接続されるように構成されており、電源は例えばハブ８又はブレード１０内に配置し得る。こうして、電源ケーブル９０は、発熱層５０に電力を供給することができる。発熱層５０の導電性炭素繊維は、電源ケーブル９０から電力を受け取ると、風力タービンブレード１０の前縁セクション２２の外側に抵抗加熱をもたらして、風力タービンブレード１０上の着氷を、例えば融解又は防止によって、低減させることができる。

【0054】

電熱システム５０は、風力タービンブレード１０の根元に配置された第１の端部９６を有する引下げ導線９５を含む。第１の端部９６は、ハブ８の引下げ導線を介して接地されるように構成される。引下げ導線９５は金属製避雷層と電気的に接続されており、金属製避雷層６０から落雷電流を引下げ導線９５の第１の端部に導電する。風力タービンブレード１０のチップ端１５にある引下げ導線９５の反対側端部は、チップ１５で受雷するように構成された電熱システム４０のチップレセプタ９８に電気的に接続されている。

【0055】

図４を参照すると、電熱システム４０は、発熱層への雷の放電を防止するように構成された電気絶縁層７０（図３では図示せず）を備える。電気絶縁層７０は、金属製避雷層６０と発熱層５０との間に挟み込まれる。本実施形態では、電気絶縁層７０は、２つのガラス繊維層の間に挟まれたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを含む積層構造からなる。その他の構成によって十分な電気絶縁をもたらしてもよい。電気絶縁層７０は、長手方向負圧側縁部７５と長手方向正圧側縁部７６とを有する。電気絶縁層７０の長手方向負圧側縁部７５，７６は、発熱層５０の長手方向負圧側縁部５５及び長手方向正圧側縁部５６を越えて、後縁（図４では図示せず、前縁１８の反対側にある）に向かってさらに延在している。特に、電気絶縁層７０の長手方向負圧側縁部７５は、発熱層５０の長手方向負圧側縁部５５及び金属製避雷層６０の長手方向負圧側縁部６５と交差する第１の平面Ｐ１を越えて延在している。同様に、電気絶縁層７０の長手方向正圧側縁部７６は、発熱層５０の長手方向正圧側縁部５６及び金属製避雷層６０の長手方向正圧側縁部６６と交差する第２の平面Ｐ２を越えて延在している。

【0056】

図３から明らかなように、本実施形態では、電熱システム４０は、３つのケーブルクランプ装置１００を備える。ケーブルクランプ装置１００は、電源ケーブル９０のシールド（図示せず）を引下げ導線９５と電気的に接続し、ブレード１０の根元端１７とチップ端１５の間の長手方向に沿った別個の長手方向位置で等電位ボンディング接続を形成する。

【0057】

電熱システム４０は、４つの第１のサージ保護装置１１０と、１つの第２のサージ保護装置１１１とをさらに備える。４つの第１のサージ保護装置１１０は、発熱層５０及び金属製避雷層６０に電気的に接続され、風力タービンブレード１０への落雷時に発熱層５０でのサージ電流を防止するように構成されている。１つの第２のサージ保護装置は、引下げ導線９５と電源ケーブル９０のシールドとの間に配置される。

【0058】

電熱システム４０は、風力タービンブレード１０の外部温度を検知するように構成された外部温度センサ１２１と、風力タービンブレード１０の内部温度を検知するように構成された内部温度センサ１２０とをさらに備える。いくつかの実施形態では、外部温度センサ１２１は省略してもよい。温度センサ１２０，１２１は、例えば風力タービン２のナセル６又はハブ８に配置することができる制御装置に温度信号を送るように構成される。かかる制御装置は、風力タービンブレード上の着氷を低減するように、温度センサ１２０，１２１からの温度信号に基づいて発熱層５０への電力供給を制御し得る。内部温度センサは光ファイバーとすることができ、外部温度センサはワイヤレスとすることができる。

【0059】

図４に示す配置は、発熱層５０、金属製避雷層６０及び電気絶縁層７０を、空力シェル本体２１の残りのシェル層２７（例えばカーボン又はガラス繊維層、及び任意には発泡ポリマー又はバルサウッドのようなコア層、ただし例えば主積層体２３などの一部の部材は炭素繊維引抜成形のような引抜成形で製造してもよい。）と共にドライ層としてレイアップし、次いで一回の真空アシスト樹脂トランスファー成形（ＶａＲＴＭ）プロセスでこれらの層５０，６０，７０，２を一緒に含浸及び硬化させることによって得られる。こうして、発熱層５０、金属製避雷層６０及び電気絶縁層７０は、空力シェル本体２１内に埋め込まれ、空力シェル本体２１と共含浸される。

【0060】

図４から明らかなように、空力シェル本体２１は、負圧側シェル部分２６と正圧側シェル部分２４との間で長手方向に延在するボンドライン２８を備える。ボンドライン２８は、前縁１８において、発熱層５０を第１の発熱層部分５１と第２の発熱層部分５２とに分割し、金属製避雷層６０を第１の金属製避雷層部分６１と第２の金属製避雷層部分６２とに分割し、電気絶縁層７０を第１の電気絶縁層部分７１と第２の電気絶縁層部分７２とに分割する。第１の発熱層部分５１、第１の金属製避雷層部分６１及び第１の電気絶縁層部分７１は、負圧側シェル部分２６に埋め込まれて負圧側シェル部分２６と共含浸され、第２の発熱層部分５２、第２の金属製避雷層部分６２及び第２の電気絶縁層部分７２は、正圧側シェル部分２４に埋め込まれて正圧側シェル部分２４と共含浸される。

【0061】

ボンドライン２８に隣接する発熱層部分５１，５２の端部を電気的に絶縁するため、電熱システム４０は、電気絶縁性ＰＥＴフィルムからなる前縁絶縁層８０を備える。図４に示すように、前縁絶縁層８０は、前縁１８のボンドライン２８に沿って延在し、前縁１８のボンドライン２８に重なっている。前縁絶縁層は、空力シェル本体２１の円周に沿ってボンドライン２８から離間した長手方向負圧側縁部８１と長手方向正圧側縁部８２とを有する。これによって、前縁絶縁層８０は、ボンドライン２８から横方向に延在し、図４から明らかなように、空力シェル本体２１の円周に沿って第１及び第２の金属製避雷層部分６１，６２と重なる。

【0062】

図４に示すように、空力シェル本体２１は、ボンドライン２８と前縁絶縁層８０と重なる前縁保護キャップ８３を備える。前縁保護キャップ８３は、風力タービンブレード１０の前縁１８にエロージョン耐性を与えるように構成され、風力タービンブレード１０の外部に露出した外側８４を有する。前縁保護キャップ８３は、実質的にポリウレタン（ＰＵＲ）からなる。前縁絶縁層８０の長手方向負圧側及び正圧側縁部８１，８２は、各々前縁保護キャップ８３の長手方向の負圧側及び正圧側縁部よりも後縁（図４では図示せず）に向かって延在している。前縁絶縁層８０及び前縁保護キャップ８３のそれぞれの長手方向負圧側縁部の間、及び前縁絶縁層８０及び前縁保護キャップ８３のそれぞれの長手方向正圧側縁部の間には、縁部封止材が設けられる。縁部封止材は、層間の表面遷移を滑らかにして乱流を低減するためのものである。

【0063】

電熱システム４０は、金属製避雷層６０を覆う第１の外装層８５をさらに備える。第１の外装層８５は、金属製避雷層６０に面して金属製避雷層６０を覆う内側８７と、風力タービンブレード１０の外部に部分的に露出し、前縁保護キャップ８３によって部分的に覆われた外側８６とを有する。第１の外装層はポリウレタン（ＰＵＲ）塗料であり、比較的薄くて０．２～０．３ｍｍの範囲内の厚さである。

【0064】

空力シェル本体２１は、風力タービンブレード１０の外部に露出した外側８９を有する第２の外装層８８を備える。第２の外装層８８は、第１の外装層８５と実質的に面一である。第２の外装層８８は、金属製避雷層を覆っておらず、空力シェル本体２１の残りの露出部分を覆っている。第２の外装層８８は、第１の外装層８５とは異なる材料で形成される。本実施形態では、第２の外装層８８はポリエステル系ゲルコートである。

【0065】

図５Ａ～図５Ｃから明らかなように、各ケーブルクランプ装置１００は、ポリマーハウジング１０１及び金属製クランプ部材１０２を備える。金属製クランプ部材１０２は、電源ケーブル９０の引下げ導線９５及び電源導線９１，９２のシールドを受け入れてクランプし、等電位ボンディング接続を形成する。ハウジング１０１は、金属製クランプ部材１０１と等電位接合接続部とを電気的に絶縁するように金属製クランプ部材１０１を取り囲んでいる。図５Ｃから明らかなように、ハウジング１０１は、引下げ導線９５及び電源導線９１、９２を収容する４つの貫通孔１０３を備える。他の実施形態では、ハウジング１０１及び金属製クランプ部材１０２は、電熱システムが１本の引下げ導線導体９５及び１本の電源ケーブル９０を備える場合など、３又は２つの貫通孔を備えていてもよい。

【符号の説明】

【0066】

２ 風力タービン
４ タワー
６ ナセル
８ ハブ
１０ ブレード
１２ シェル
１４ ブレードチップ
１５ チップ端
１６ ブレード根元
１７ 根元端
１８ 前縁
２０ 後縁
２１ 空力シェル本体
２２ 前縁セクション
２３ 主積層体
２４ 正圧側シェル部分
２６ 負圧側シェル部分
２７ シェル層
２８ ボンドライン
３０ 根元領域
３２ 遷移領域
３４ 翼形領域
３６ チップ領域
３８ ショルダ
４０ 電熱システム
５０ 発熱層
５１ 第１の発熱層部分
５２ 第２の発熱層部分
５３ 根元側縁部
５４ チップ側縁部
５５ 長手方向負圧側縁部
５６ 長手方向正圧側縁部
６０ 金属製避雷層
６１ 第１の金属製避雷層部分
６２ 第２の金属製避雷層部分
６３ 金属製避雷層の根元側縁部
６４ 金属製避雷層のチップ側縁部
６５ 金属製避雷層の長手方向負圧側縁部
６６ 金属製避雷層の長手方向正圧側縁部
７０ 電気絶縁層
７１ 第１の電気絶縁層部分
７２ 第２の電気絶縁層部分
７５ 電気絶縁層の長手方向負圧側縁部
７６ 電気絶縁層の長手方向正圧側縁部
８０ 前縁絶縁層
８１ 前縁絶縁層の長手方向負圧側縁部
８２ 前縁絶縁層の長手方向正圧側縁部
８３ 前縁保護キャップ
８４ 前縁保護キャップの外側
８５ 第１の外装層
８６ 第１の外装層の外側
８７ 第１の外装層の内側
８８ 第２の外装層
８９ 第２の外装層の外側
９０ 電源ケーブル
９１ 第１の電源導線
９２ 第２の電源導線
９５ 引下げ導線
９６ 引下げ導線の第１の端部
９８ チップレセプタ
１００ ケーブルクランプ装置
１０１ ハウジング部分
１０２ 金属製クランプ部材
１０３ 貫通孔
１１０ 第１のサージ保護装置
１１１ 第２のサージ保護装置
１１２ 第３のサージ保護装置
１２０ 内部温度センサ
１２１ 外部温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】