JP4102759B2 - 防火 - Google Patents

Description

本発明は、パイロン（pylon）と、該パイロンの先端部に配設されたポッド（pod）とを備えた風力発電装置（wind power installation）に関するものである。本発明は、さらに、このような風力発電装置を制御する方法に関するものである。ここにおいて、本発明に係る風力発電装置との語句は、その内部に例えば変圧器などが配置された附属建物（annex building）も含むものである。
本発明は、さらに、風力発電装置を制御する方法に関するものである。

水平軸型の風力発電装置においては、電気エネルギを生成する発電機はポッド内に配置される。そして、この電気エネルギは、適当な導体を経由して、パイロンの先端部のポッドから、パイロンの基部又は附属建物に送られ、ここからエネルギ供給ネットワークに供給される。この目的を達するために、さらに、例えば整流器、スイッチ装置（switching installation）、変圧器などの部品が設けられている。これらの部品は、風力発電装置の設計思想に相応して、風力発電装置のパイロン内及び／又はポッド内、及び／又は、附属建物内に配設されている。

風力発電装置の運転効率に応じて、数メガワット（ＭＷ）の電力は確実に伝達されることになる。ここで、再び風力発電装置の設計思想に相応して、電力の少なくとも一部（しばしば電力の全部）は整流器を経由して流れる。一般に、整流器には、かなりの電流を切り替えなければならないスイッチング素子として半導体が用いられている。

高レベルの電力を伴うときには、例えば半導体だけでなく風力発電装置のその他の部品、例えばベアリングにも、必然的に高温状態が発生することは確実であるということが理解されるであろう。種々の原因により、このような高温は、かかる風力発電装置に火災（fire）を発生させることがある。例えば、技術的な欠陥に起因して、その付近にある可燃性の材料を次々着火させるアーク（arc）が生成された場合にも、火災が発生する危険がある。そして、このような火災は、風力発電装置の重要な部分の損傷（damage）又は破壊を容易に発生させる結果となり、このため風力発電装置は、運転の継続を妨げられるであろう。ここにおいて、火災によって引き起こされる損傷に加えて、風力発電装置が修理されて運転が再開されるまでに、出力の逸失も生じる。

１９９９年以降、法的規制に従って、風力発電装置のポッド内又はパイロン内には、すでに消火装置が設けられている。これらの装置は、手動で操作することができるものであるが、実際の火災の状況下では、これらを使用することは困難であり、さらには風力発電装置のどこかにとどまれば、生命が危うくなるであろう。

特許文献１は、収容スペースであるポッド内に消火剤を放出するための消火装置を設け、これにより発生した火災を消火するようにした風力発電装置を開示している。この目的を達するため、風力発電装置のポッド内には、適当な装置が設けられている。
独国特許出願公開第１０００５１９０号明細書

しかしながら、このような風力発電装置には、既知の風力発電装置のポッド内の火災を消火するために、かなり大量の消火剤を必要とするといった欠点がある。風力発電装置のパイロン内の火災を消火するためには、さらに大量の消火剤を必要とする。さらに、この既知の風力発電装置には、火災が発生したときには、すでに損傷が生じているといった欠点もある。
それゆえ、本発明は、火災の発生を防止し、又は少なくとも損傷を低減する風力発電装置を提供することを目的とする。

本明細書の冒頭部に記載された種類の風力発電装置において、上記の目的は、風力発電装置内又はその一部に不活性雰囲気を生成するための少なくとも１つの第１の装置によって達成される。ここにおいて、本発明は、火災の発生は、不活性雰囲気のもとでは非常に実質的に防止され、それゆえ高価な消火装置を先送りする（forego）ことが可能となるといった知見に基づいている。
上記の目的は、さらに、請求項１３に記載された特徴を有する方法によっても達成される。

本発明の１つの好ましい実施態様においては、風力発電装置のパイロン及びポッドの各々に、不活性雰囲気を生成するための少なくとも１つの各別の装置が設けられる。不活性雰囲気を生成するための装置の数が比較的多いということは、これに相応して風力発電装置内に不活性雰囲気をより迅速に生成することができ、これに相応して火災の危険をより迅速に除去することができるということを意味する。

とくに好ましい態様においては、不活性雰囲気を生成するための装置は、燃料電池（fuel cell）の形態である。さらに、水素を生成し、この水素を燃料電池に供給するための少なくとも１つの装置が設けられている。燃料電池内で反応が起こると、電池内では水素と酸素とから水が生成され、これにより風力発電装置の内部の空気に含まれている酸素が消費されるであろう。大気中には、約７８％の比率の窒素と、約２１％の比率の酸素と、無視しうる比率のその他の気体とが含まれているので、風力発電装置内で酸素が消費されるといった事実は、必然的に、高度に不活性な窒素雰囲気を生じさせる結果となる。したがって、ここでのさらなる考察においては、酸素の消費と窒素の生成とは、互いに同一視することができるであろう。風力発電装置内の酸素が消費し尽くされると、直ちに、燃料電池は動作することができなくなり、それゆえ電気エネルギを供給することができなくなる。すなわち、これは、風力発電装置内に不活性雰囲気が生成されたことを示す指標として用いることができる。

本発明のとくに好ましい発展形においては、燃料電池によって生成された電気エネルギは、水素を生成するための装置に供給される。このようにして、それ相応に、風力発電装置によって生成されて水素の生成に用いられるべき電気エネルギの量が低減される。

とくに好ましい態様においては、本発明に係る風力発電装置は、該風力発電装置から出る水のための閉止可能な排水管を有している。このようにして、単一又は複数の燃料電池の動作により生成された水を、風力発電装置から除去することができる。配水管が閉止可能であることは、新気ひいては酸素が風力発電装置に再び入ることを防止するのに寄与する。

呼吸装置を着用することによってより困難となる状態を招くことなく、風力発電装置内に人々がとどまることを可能にするために、本発明の好ましい発展形においては、風力発電装置にパイロン及び／又はポッド内に閉止可能な換気（通気）開口部が設けられる。これにより、風力発電装置を、そこに人々が入る前に、迅速に換気することができる。

風力発電装置内に十分な量の酸素が広く存在するときにのみ、人々が風力発電装置に入ることができることを確実化するために、風力発電装置にアクセス（access）するための多段式ロックシステムと、このロックシステムを風力発電装置内の少なくとも１つのセンサに連結する連結部とを設けてもよい。センサが、風力発電装置内の酸素濃度が予め設定されたレベルであることを検出したときにのみ、ロックシステムでもって、風力発電装置のドアのロックを解除することができる。

本発明の１つの好ましい実施態様においては、風力発電装置は、予め設定された容量のガス用貯蔵容器を備えている。風力発電装置の通常の運転時には、この貯蔵容器に不活性ガスを収集することができる。そして、この不活性ガスは、必要なときには、直ちに風力発電装置の少なくとも一部に該ガスを急激に流入させる（flood）ことができるように準備される。それゆえ、たとえ風力発電装置内のすべての酸素がまだ消費し尽くされていない場合でも、風力発電装置の運転時に必要があれば、例えばとくに火災の危険がある風力発電装置の一部に、窒素ガス雰囲気を直ちに生成して、火災の発生を確実に防止するために、この（窒素）ガスを直ちに風力発電装置に輸送することができる。

本発明のとくに好ましい発展形においては、風力発電装置のパイロンの断面（cross-section）は、これを完全に通り抜ける（pass through）少なくとも１つのフロア（floor）を有している。このフロアは、これを通り抜ける閉止可能な通り抜け開口部を有している。これにより、フロアによって分離された風力発電装置の一部を不活性雰囲気にすることができる一方、風力発電装置のその他の部分を、酸素を含む雰囲気にしておくことができる。火災が発生した場合、このフロアはまた、煤（soot）及び煙の拡散を防止して、これにより風力発電装置の損傷を制限することができる。ここで、通り抜け開口部は、自動的に開閉することができ、これにより、例えば急な火災の危険がある場合には、火災によって危険にさらされる風力発電装置の一部を分離して（窒素）ガスを急激に流入させることができる。

火災の危険が高い風力発電装置の運転状態（条件）は、電流、温度、絶縁抵抗、又は導電率などの物理的パラメータを検出するための１つ又は複数のセンサによって早期に検出することができる。これにより、例えば風力発電装置の影響を受ける部分を、窒素を流入させる予防措置として通り抜け開口部を閉止することにより、風力発電装置の残りの部分から分離することができる。このようにして、火災の発生を防止することができる。それにもかかわらず火災が発生したとしても、例えば煤に起因する損傷は、空間的な分離効果により限定される。

故障（fault）が生じた後の風力発電装置の休止期間を最小にするために、予め設定された故障の結果として、風力発電装置の自動的な換気を実施してもよい。それゆえ、障害の性質が、サービスエンジニアが風力発電装置に入らなければならないということを示している場合は、かかるサービスエンジニアが風力発電装置に赴くのに要する時間を、風力発電装置を換気するのに利用することができる。これにより、サービスエンジニアが到着したときには、換気が済むのを待ちつつ無駄に過ごす待ち時間はもはや存在しない。それゆえ、この後風力発電装置での作業を直ちに開始することができる。

さらに、この方法のとくに好ましい実施態様においては、風力発電装置内の酸素濃度が適切であることが検出されたときにのみ、ロックシステムは風力発電装置へのアクセスを許容することができる。

風力発電装置内の窒素／酸素濃度を表示するための表示装置（display device）を設けるのもまた、有利である。この表示装置は、風力発電装置への入り口に、明確に見えるように取り付けるべきである。
さらに、本発明の有利な実施態様が、従属請求項に記載されている。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を、より詳しく説明する。
図１において、参照番号１０は風力発電装置のパイロンを示し、参照番号１２は、ロータブレード１４を備えたポッドを示している。パイロン１０は、基礎３０の上に配設され、中間フロア２０によって複数の部分に分割されている。ここにおいて、中間フロア２０は、通り抜け開口部（passage opening）を閉止することができるフラップ（flap）２２を有していてもよい。これにより、パイロン１０を、複数の部分にさらに分割することができる。

パイロン１０及びポッド１２内に、参照番号２４で示された不活性雰囲気を生成するための装置が設けられている。好ましい実施の形態においては、これらの装置２４は、風力発電装置内の空気から酸素を取り出すための燃料電池を備えている。これらの燃料電池２４に水素が供給されたときに、それらは、パイロン１０の対応する部分に酸素が存在する限り、電気エネルギを生成する。

水素は好ましく電気分解によって生成されるので、燃料電池２４によって生成される電気エネルギは、次々、電気分解処理のために用いることができる。ここにおいて、一方では、パイロン１０における空気の湿度に起因してパイロン壁で凝縮し、かつ収集された水を電気分解処理に用いることができる。他方、とくに沖合に設置されている場合は、周囲の海水から、任意の量の水素ガスを得ることができる。燃料電池２４の動作時に生じる水は収集して、とくに目論まれた仕様でパイロンから排出することができる。

燃料電池２４に水素ガスのみが供給された場合、その内部に各燃料電池２４が配設された風力発電装置の一部分内の酸素は、該燃料電池２４の作用によって消費し尽くされる。換言すれば、燃料電池２４は、該燃料電池が配置されたパイロンの一部分内に酸素が存在する限り、電気エネルギを生成するであろう。酸素が消費し尽くされると、直ちに、燃料電池２４は電気エネルギの生成を停止するであろう。それゆえ、これは、燃料電池２４を有する風力発電装置の一部分内の空気中にまだ酸素が存在するか否かを確定することが可能なとくに簡単な方法となる。

可能な限りパイロン内のすべての酸素を燃料電池に供給するために、換気手段、又は風力発電装置内のすべての空気を完全に混合するためのその他の手段を設けるのが有利である。この場合、燃料電池のまわりの空気中の酸素だけが消費されるのではなく、風力発電装置の全体に存在するすべての酸素が消費される。

例えば、風力発電装置のパイロン１０の一部は、フラップ２２によって閉止可能な通り抜け開口部を備えた中間フロア２０により分離することができる。この場合、この一部分内の燃料電池２４のみが、そこに不活性雰囲気を生成するために、パイロンの分離された部分内のより小さい容積部から酸素を除去すればよい。周囲の空気は、通常の組成では、約２１％の酸素と、７８％の窒素と、少量のその他のガスとで構成されるので、酸素が消費された後における不活性雰囲気は、実質的に窒素雰囲気である。

さらに、パイロン１０の一部分には、貯蔵容器２８が設けられている。パイロンの同じ部分には、燃料電池２４も配設されている。燃料電池２４の作用により、この部分にも窒素雰囲気が生成される。酸素が消費されると、直ちに、窒素が貯蔵容器２８にポンプ輸送される。この後、パイロンのこの部分は、周囲の空気でもって再び換気され、このような処理が繰り返され、これにより貯蔵容器２８（ガスタンク）に窒素が収集されて、蓄積される。

パイロンの一部分に代えて、風力発電装置のパイロン１０の外側に、例えば容器又は附属建物の形態の、分離された空間部を設けることも可能であるということが理解されるであろう。不活性雰囲気を生成するための第１の装置２４を、上記容器内に収容することも可能である。これにより、パイロンのどの部分も繰り返し換気する必要がなくなり、その結果、パイロンのその他の部分を無意識に換気するといった危険が回避される。もし必要であれば、例えばパイロン１０又はポッド１２の一部分などの、風力発電装置の任意の部分に、適当な通路及びポンプにより、非常に迅速に窒素を流入させることができる。ここでポンプ輸送される窒素は、貯蔵容器２８から供給される。これにより、燃料電池２４が酸素を消費してしまうのを待つことなく、必要なときに、ある領域に直ちに窒素雰囲気を生成することができる。

図２は、例えばサービスマンのアクセスを可能にするために風力発電装置を開放するときの制御方法の手順を示すフローチャートである。初期状態は、風力発電装置の通常運転であると仮定されている。ここにおいては、燃料電池（図１中の参照番号２４）が十分に長い期間動作することにより、風力発電装置内にはすでに不活性窒素雰囲気が生成され、あるいは、この後に風力発電装置の一部分にすでに窒素が流入している。例えば故障に起因して風力発電装置が停止され、この故障が、サービスマンが風力発電装置内に入らなければならない性質のものである場合は、例えばポッド及びドア内の閉止可能な換気フラップにより、サービスマンが入る前に、停止された風力発電装置を換気しておくことができる。それゆえ、サービスマンは、到着したときに、直ちに風力発電装置に入ることができ、修理作業を開始することができる。

しかしながら、人々が不活性雰囲気下にある風力発電装置に入ることを確実に防止するため、風力発電装置の内部の酸素濃度が十分であることが検出されたときにのみ、風力発電装置へのアクセスを可能にするロックシステムを設けてもよい。それゆえ、図２の最初の質問で、風力発電装置がすでに換気されているか否かを確認するためのチェックが行われる。ここで、風力発電装置が最初に換気される場合でなければ、風力発電装置内の酸素濃度が適切であるか否かが検出される。

風力発電装置がすでに換気されている場合は、酸素濃度が適切であるか否かを確認するためのチェックが直ちに行われる。そうでない場合は、風力発電装置は換気を継続する。酸素濃度が適切である場合は、ロックが解除され、その結果、風力発電装置へのアクセスのロックが解除され、アクセスが可能となる。好ましくは、酸素／窒素濃度は、例えばポッド内などの単一の位置でのみチェックするのではなく、ポッドとパイロンの基部との間の複数の位置でチェックすべきである。空気中の窒素に関して、いかなる場合でも、パイロンの下部にいる人が、上へ登ってそこで酸素の欠如に起因して窒息するといったことがないことを確実にすることが必要である。換気処理の最初に、適切な酸素濃度（２１％）を伴った均一な組成分布の空気を迅速に得るために、通常は風力発電装置に設けられているファン（図示せず）も用いて新気を供給しなければならない。

図３は、例えば、作業を完了して風力発電装置を再び運転状態に戻した後において、風力発電装置を閉止するときの手順を図式的に示している。まず、例えばドアなどのアクセス用開口部が閉止されたか否かを確定するためのチェックが行われる。ドアが閉止されていない限り、風力発電装置へのあらゆるアクセスが可能であり、このため不活性雰囲気の生成はこの理由により妨げられている。さらに、酸素は、常に、開いているドアを流通し続け、上記理由のために不活性雰囲気を生成することは不可能である。

ドアが閉止されると、直ちに、ロックが作動したか否か、すなわちドアが確実にロックされたか否かを確定するためのチェックが行われる。これは、誤って人が風力発電装置に入ることがないことを確実にし、又は、風力発電装置に入る前に必要とされる閉止手順に基づいて、制御手段が、何者かが風力発電装置に入ろうとしていることを検出することができ、かつ適宜に風力発電装置の換気を開始する（initiate）ことができることを確実にする。

それゆえ、ドアが閉止され、ロックがかけられたときに、制御手段は、燃料電池を動作させることができ、これにより風力発電装置内に不活性雰囲気（窒素雰囲気）を生成し始めることができる。

修理作業を実施した後は、例えば組み立ての誤り又は予備部品の技術的欠陥に起因して火災の危険がとくに大きいことが確実であり、かつ、サービスマンが風力発電装置を去った後の短期間内は風力発電装置内の酸素濃度がまだ高い。このため、風力発電装置の一部分、例えばスイッチ装置を備えた部分に、貯蔵容器から窒素を急激に流入させてもよい。これにより、火災の危険が直ちにかつ大幅に低減される。風力発電装置全体に窒素が急激に流入し、これにより風力発電装置内に不活性雰囲気が生成されたときには、普通の消防士は風力発電装置に入ることはできないが、これは受け入れ可能なものである。なぜなら、どのような場合でも、風力発電装置内に火災が発生したときには、消防士は負傷することなくその内部に入ることはほとんど不可能だからである。

人が風力発電装置の内部に誤って閉じ込められ、これにより窒素雰囲気にさらされるのを防止するためのさらなる技術手段を講じることが可能であるということが理解されるであろう。例えば、赤外線センサなどの運動センサ（motion sensor）により実施することができる。付加的な又は代替的な手段として、風力発電装置に入る人及びそこから退去する人は、すべて明確に歌を歌いながら入り、歌を歌いながら出るといったことをあげることができる。さらに、風力発電装置の一部分に窒素を急激に流入させるポンプ又は燃料電池を、時間遅れをもって動作させるといった手法を講じることも可能である。この場合、人が誤って風力発電装置の内部に閉じ込められた後でも、なおある期間の時間的余裕があり、誤りに気づいてその人を適宜に風力発電装置から開放することができる。最後に、内部から風力発電装置へのアクセスのために、たとえ鍵がなくても風力発電装置を退去することを可能にする緊急開口装置を設けてもよい。

風力発電装置の内部への窒素ガスなどの不活性雰囲気の導入は、決してパイロンの内部又はポッドに限定されるものではない。ポッドはまた、風力発電装置のロータひいてはロータブレードにも直接接続されているので、ロータブレードに火災が発生するのをも防止するため、ロータブレードの内部に、適当な窒素雰囲気を形成してもよい。

本発明に係る風力発電装置を示す単純化された図である。 風力発電装置へのアクセスの開始時におけるアクセス方法を示す単純化された図である。 風力発電装置の閉止時における閉止方法を示す単純化された図である。

符号の説明

１０ パイロン、１２ ポッド、１４ ロータブレード、２０ 中間フロア、２２ フラップ、２４ 燃料電池、２８ 貯蔵容器（ガスタンク）、３０ 基礎。

Claims (17)

1. パイロンと、該パイロンの先端部に配設されたポッドとを含んでいる風力発電装置であって、
   上記パイロン内及び／又は上記ポッド内に、又は、該風力発電装置のその他の構成要素に、不活性な雰囲気を生成するための少なくとも１つの第１の装置（２４）を備えていて、
   不活性な雰囲気を生成するための装置（２４）が燃料電池を有し、
   上記燃料電池（２４）に水素を供給するための少なくとも１つの装置が存在することを特徴とする風力発電装置。
2. 該風力発電装置のパイロン（１０）内及び／又はポッド（１２）内、及び／又は、附属建物に閉止可能な換気開口部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 上記パイロン（１０）内及び／又は上記ポッド（１２）内及び／又は該風力発電装置の附属建物、及び／又は、該風力発電装置のその他の空間部、例えばロータブレードの内部に、不活性な雰囲気を生成するための、少なくとも１つの各別の装置（２４）を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 上記燃料電池（２４）と、水素（２５）を生成するための上記装置との間に、電気的接続部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電装置。
5. 該風力発電装置及び／又は上記附属建物から出る水のための閉止可能な配水管を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の風力発電装置。
6. 該風力発電装置及び／又は上記附属建物へのアクセスのための多段ロックシステムと、該ロックシステムを該風力発電装置又は上記附属建物の内部の少なくとも１つのセンサに連結する連結部とを備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の風力発電装置。
7. 予め設定された容量の、ガス例えば窒素の貯蔵容器（２８）を備えていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の風力発電装置。
8. 不活性な雰囲気を生成するための上記貯蔵容器（２８）と関連づけられた装置（２４）を備えていて、
   上記装置（２４）が予め設定された空間容積部に関連づけられ、上記空間容積部と上記貯蔵容器（２８）との間に接続部が設けられ、この接続部を通して上記空間容積部の不活性ガスが上記貯蔵容器（２８）に輸送されるようになっていることを特徴とする、請求項７に記載の風力発電装置。
9. 上記パイロンの断面を貫通するともに、閉止可能な通り抜け開口部を有する、少なくとも１つのフロア（２０）を備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の風力発電装置。
10. 開放信号に相応して動作することができるロックシステムを備えていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の風力発電装置。
11. 物理的パラメータ、例えば、温度、空気中の酸素濃度、圧力などを検出するための、少なくとも１つのセンサを備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の風力発電装置。
12. 予め設定された少なくとも１つの物理的パラメータが、予め設定された限界値を超えたときに、風力発電装置の予め設定された領域に不活性ガスを供給することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の風力発電装置の制御方法。
13. 通路開口部を閉止して、予め設定された上記領域を仕切ることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 例えば予め決められた故障の結果として上記風力発電装置が停止された後に、上記風力発電装置及び／又は上記附属建物の自動的な通気を実施することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の風力発電装置の制御方法。
15. 上記風力発電装置内及び／又は上記附属建物内が適切な酸素濃度に到達したときにのみ、上記ロックシステムにより上記風力発電装置へのアクセスを可能にすることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の方法。
16. 上記ロックシステムが、予め設定された閉止条件に到達したときにのみ、不活性な雰囲気を生成するための装置（２４）を動作させることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の方法。
17. 予め設定された閉止条件に到達した後において、予め設定された期間が経過したときにのみ、不活性な雰囲気を生成するための装置（２４）を再び動作させることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

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