(57)【要約】  本発明の課題は，施工性および信頼性に優れ，かつ高精度な計測が可能なブレード変形計測手段を備えた風車装置を提供するところにある。  風力発電に用いられる風車装置であって，回転翼であるブレードと前記ブレードを支承するロータと，前記ロータに接続された発電機と，前記ロータを覆うナセルと，前記ナセルを支承するタワーを有し，前記タワーの少なくとも１ヶ所に前記ブレードの通過を検知する手段を有する。
2015045014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電に用いられる風車装置であって，回転翼であるブレードと，前記ブレードを支承するロータと，前記ロータに接続された発電機と，前記ロータを内部に収めたナセルと，前記ナセルを支承するタワーを有し，前記ブレードの通過を検知する検知部と，前記検知部の出力に基づいてブレードが変形したことを検出する信号処理部を有することを特徴とした風車装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記検知部からの信号に基づいて，各ブレード間の通過間隔を算出し，前記通過間隔を相対的に比較することを特徴とした請求項１に記載の風車装置。
【請求項３】
前記信号処理部は，複数回転分の前記通過間隔を平均化することを特徴とした請求項２に記載の風車装置。
【請求項４】
前記検知部は、光の強弱を検知する光学式センサを含むことを特徴とした風請求項１から３のいずれかに記載の風車装置。
【請求項５】
前記検知部は、音の強弱を検知するマイクロフォンを含むことを特徴とした１から３のいずれかに風車装置。
【請求項６】
前記ブレードに少なくとも１つの永久磁石を設け，前記永久磁石を含んで磁気センサを構成し、前記検知部は、前記磁気センサを含むことを特徴とした請求項１から３のいずれかに風車装置。
【請求項７】
前記タワーに複数個搭載されたセンサの出力に基づいて，単一のブレードがタワー近傍を通過した際に前記各センサからの信号に基づきそれぞれ算出された通過タイミングを比較することを特徴とした請求項１から６のいずれかに記載の風車装置。
【請求項８】
前記信号処理部は，風車装置の制御部に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の風車装置。
【請求項９】
前記信号処理部は前記ナセル内部または前記タワー内部に取り付けられ，有線接続によって風車装置外部のデータ収集部に接続されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の風車装置。
【請求項１０】
前記信号処理部は前記ナセル内部または前記タワー内部に取り付けられ，無線接続によって風車装置外部のデータ収集部に接続されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の風車装置。
【請求項１１】
発電機を回転するためにロータと共に回転するブレードの通過を検出する検知部と，前記検知部の出力に基づいてブレードが変形したことを検出する検出部を有することを特徴とする風車装置の異常検出装置。
【請求項１２】
発電機を回転するためにロータに支承された回転翼であるブレードの通過を検知部で検知し，前記検知部の出力に基づいてブレードが変形したことを検出する風車装置の異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，風車装置、風車装置の異常検出装置及び風車装置の異常検出方法に係り，特に、風車装置のブレードの変形を計測するのに好適な風車装置、風車装置の異常検出装置及び風車装置の異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車装置とは風力発電に用いられるエネルギ変換装置である。少なくとも２枚以上のブレードがロータに取り付けられており，ロータは直接あるいはギヤボックスや油圧装置などを介して間接的に発電機に接続されている。ブレードに作用する風力によってロータが回転し，ロータの回転エネルギは前記発電機によって電力に変換される。また，前記発電機などを収めた筐体部分（ナセルと呼ぶ）はタワーに取り付けられることが一般的である。【０００３】
風車装置の中でブレードは比剛性，比強度に優れる繊維強化樹脂(FRP)で構成されることが一般的である。一方で，FRPは落雷や瞬間的な強風による突発的な自然災害によって損傷を受ける可能性がある。また，恒常的に発生する繰り返し荷重によって疲労損傷が蓄積する可能性もある。このようなFRPの損傷は，第一段階としてブレードの剛性低下につながる。すなわち，荷重負荷時のブレード変形が増大する。特に，ブレードが風上側を向くアップウィンド型風車では，FRPの損傷による剛性低下を放置すれば，ブレードとタワーが接触する可能性がある。ブレードが風下側を向くダウンウィンド型風車ではこのような現象は生じにくいが，さらに損傷が進行すると最終的にはブレードの破断に至る可能性があるため，極力早い段階で損傷を検知することが望ましい。このような背景の下，ブレードの変形計測技術が知られている。【０００４】
変形計測技術としては、風車装置のタワーおよびナセルに距離センサを取り付け，この距離センサによってタワーとブレード間の距離を計測して，ブレードの変形を計測する技術が知られている。このような技術は、例えば、米国特許8139361号明細書（特許文献１）に記載されている。【０００５】
また，異なる技術として，ブレード先端に取り付けた無線送信機によってブレードの変形を検出する技術が知られている。またブレードに光ファイバセンサやひずみゲージを取り付けて，ブレードのひずみを直接計測する技術が知られている。このような技術は、例えば、特開2011−127605号公報（特許文献２）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許8139361号公報
【特許文献２】特開2011−127605号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術において、距離センサによってタワーとブレード間の距離を計測する技術では、ブレードにセンサ類を搭載する必要がないため，施工性は良好でありセンサ自身が壊れる可能性も小さいが、高精度な距離センサが必要であり，設置後の調整にも手間がかかる。特にレーザー方式の距離センサを使う場合には，ブレード面は平坦ではないため特に調整が困難である。また，この方式では風力によって発生した回転面外方向へのたわみを検出するので検出精度が低下する。大型の風車では回転数が小さくなるため，風速の変動により，１回転の間にそれぞれのブレードに加わる荷重のばらつきが大きくなるので検出精度が低下する。しかも，ブレードの損傷を定量的に評価する上では，任意の荷重のもとでブレード変形を計測することが望ましいため，理想的とは言えない。また，ブレードに光ファイバセンサやひずみゲージといったセンサを直接取り付ける技術では，高精度にブレードの変形を計測できるメリットはあるものの，これらセンサに電源供給線や信号取り出し線を配線接続する必要があるため，施工に大きな労力を要する。また，ブレードは回転体の一部であるため，前記配線にはスリップリングが必要であることや，ブレードへの落雷によってセンサ自身が故障する可能性が高いことなど，信頼性の観点から理想的とは言い難い。【０００８】
そこで本発明では，施工性および信頼性に優れ，かつ高精度な計測が可能な風車装置、風車装置の異常検出装置及び風車装置の異常検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、ブレードの通過を検知する検知部と，検知部の出力に基づいてブレードが変形したことを検出する信号処理部を有するように構成した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では，施工性および信頼性に優れ，かつ高精度な計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明における風車装置の実施例の１つの構成図である。
【図２】本発明における風車装置の実施例の１つの信号処理の説明図である。
【図３】本発明における風車装置の実施例の１つのシステムブロック図である。
【図４】本発明における風車装置の実施例の１つの構成図である。
【図５】本発明における風車装置の実施例の１つの信号処理の説明図である。
【図６】本発明における風車装置の実施例の１つのシステムブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１，２，３は，それぞれ本実施例の風車装置の構成図，信号処理の説明図，システムブロック図である。図１において、ブレード１の長さをＬとした場合，ロータ２の回転軸からおよそＬだけ離れた位置のタワー４上に，ブレード１が近傍を通過したタイミングを計測できるセンサ５を搭載する。【００１４】
このセンサ５としてはブレード１が通過したことによって，タワー４に到達する周辺の環境光が遮られること，あるいは反射されることを利用した光学センサを用いてもよい。光学式センサとしては光の強弱のみを検出できるフォトダイオードなどでもよいため，単純なセンサ構成が実現できる。しかし，光学式センサを用いた場合には夜間では通過タイミングの検出感度が著しく低下する可能性がある。その場合は，マイクロフォンなどの音センサを用いることが理想的である。ブレード１の先端速度は，大型の風車装置では時速数100キロメートル毎時にも達する。そのため，ブレード１の回転によって大きな風切り音が発生する。タイミング計測センサ５としてマイクロフォンを使用すると，ブレード１がマイクロフォンに近接するほど，音圧レベルが増加するため，このピークを検出することによってブレード１の通過タイミングを計測できる。さらに，前述の光学センサはタワー４外部表面に設置する必要がある上，風車装置のヨー制御(風向きによって回転軸方向を制御する)に対応するためには，タワー４の外周に複数設置する必要がある。一方，音響センサであれば，タワー４の内部に設置しても，音圧レベルの変化を捕えることができる上，指向性のないマイクロフォンを用いれば，１つのマイクロフォンで風車装置のヨー制御に対応することができる。【００１５】
図３において、風車装置の内部に、センサ５、信号処理装置１１、風車制御装器１２が設けられている。センサ５から図２における時刻ｔA、時刻ｔB、時刻ｔCである時刻歴データとしてのセンサ出力が信号処理装置１１に送られる。信号処理装置１１は、風車制御装器１２からのピッチ、ヨー、回転速度の情報に基づいて、センサ５からのセンサ出力を補正して、より実際に近い時刻ｔA、時刻ｔB、時刻ｔCとして演算する。信号処理装置１１では、ブレードA通過時刻ｔA、ブレードB通過時刻ｔB、ブレードC通過時刻ｔC（各々は符号９として示す）に基づいて、通過タイミング間隔である（ｔA−ｔB）（ｔB−ｔC）（ｔC−ｔA）を演算する（便宜上、例えばタイミングの異なるｔAが近接して２回表記された場合には、後に記載されたｔAはタイミングが後のｔAを意味する）。演算結果である、（ｔA−ｔB）（ｔB−ｔC）（ｔC−ｔA）は、ブレードA通過時刻ｔA、ブレードB通過時刻ｔB、ブレードC通過時刻ｔCと共に、データ処理装置１３に送られる。【００１６】
風車装置の外部に、データ処理装置１３、データ収集装置１４、データ表示器１５が設けられている。データ処理装置１３は、通過タイミング間隔である（ｔA−ｔB）（ｔB−ｔC）（ｔC−ｔA）を互いに比較して、ブレード間の変形比較結果を演算する。データ処理装置１３は、この演算として、例えば、図２に示すようにブレードC通過時刻ｔCが、本来よりも符号１０相当の時間分ずれていることを見つけるとブレード変形と判断して、ブレード変形が生じた旨をデータ表示器１５に表示するように指示を送る。この演算結果は、時刻ｔA、時刻ｔB、時刻ｔC、さらには、通過タイミング間隔（ｔA−ｔB）（ｔB−ｔC）（ｔC−ｔA）と共にデータ収集装置１４に送られてデータ収集装置１４で記憶される。 
このように，各ブレード１それぞれの先端の通過検知信号８を得て、図２に３枚のブレードを有する風車装置におけるブレード通過検知の例では、正常時には，全てのブレード１が等しい剛性を有しているため，各ブレード１のたわみ７は同等であり，通過タイミングの間隔９は等しくなる。しかし，落雷や突風などの原因によって，特定のブレードに損傷が発生した場合には，この間隔には差分１０が発生する。この差分１０を監視することで，ブレード１の損傷を検知することができる。この差分１０の検出は，信号処理装置１１で行われるものであり、例えば、（ｔA−ｔB）と（ｔB−ｔC）の偏差、（ｔB−ｔC）と（ｔC−ｔA）の偏差、（ｔC−ｔA）と（ｔA−ｔB）の偏差である３つの偏差を互いに比較して、この比較が所定閾値より大きくなった場合にブレード変形の発生と判断してもよく、また、（ｔA−ｔB）（ｔB−ｔC）（ｔC−ｔA）の各々が、（ｔA−ｔB）（ｔB−ｔC）（ｔC−ｔA）の平均値と比較して、この比較が所定閾値より大きくなった場合にブレード変形の発生と判断してもよいものであり、この差分１０に対して，予め閾値を設けておき閾値を超えた場合にオペレータ１６に対して警告を提示することや，風車制御装置１２に自動的に異常検知信号を伝送し，風荷重を低減するようにブレード１のピッチをコントロールすることで，ブレード１の破断を未然に防止することができる。また，環境温度変化に対してロバストな評価を提供できる。ブレード１は通常FRPで構成されるため，気温変化や直射日光変化に起因する環境温度の変化によって，みかけの剛性が著しく変化する。そのため，一定の外力を仮定しても，環境温度が変動するとブレードの変形量も変動してしまう。しかし，１つの風車装置に取り付けられた各ブレード１の環境温度は，回転中であれば同一とみなせる。本手法は，ブレード１の通過タイミング間隔を相対的に比較することで，特定ブレードの損傷を検出するため，環境温度変化による見かけのブレード剛性変化の影響を排除することができる。相対的にブレード剛性を比較して評価を行う上では，少なくとも１回転の間は同一の外力がブレードに負荷されることが望ましい。本実施例によって検出するブレードの変形は，回転面内方向のたわみとなる。このたわみ量は，風速よりもロータ２の回転速度への依存度が大きい。風速が瞬間的変動してもロータ２・ブレード１を含む回転部には慣性が存在するため，回転速度は直ちに変化するわけではない。そのため，回転面内方向へのたわみ７へ着目した本実施例は風速変動に対してもロバストな評価を提供することができる。また，ブレーキ制御を搭載した風車装置であれば，変形計測時は回転速度を一定にして，より高精度の計測を行うことができる。さらに，信号処理上で風速変動の影響を排除するためには，タイミングパルス間隔９の取得を複数回転分に対して実施し，データを平均化した上で評価を行うことも有効である。【００１７】
回転面内方向へのブレード変形のみしか計測することはできない。しかし，近年の風車装置はブレードの角度を変化させるピッチ制御機能が搭載されており，このピッチ制御情報を考慮することや，或いは変形計測時に積極的にピッチ角度を任意に変化させることによって，ブレード１の任意方向の剛性変化を評価することが可能となる。【００１８】
タイミング計測センサ５から出力される信号は，風車装置内に取り付けられた信号処理装置によって処理を行っても良い。風車装置は，洋上や山岳部など人間のアクセスが難しい場所に設置されるため，離れた場所から遠隔監視を行うことができるようにすることが望ましい。各種センサからの出力信号は時刻歴データであるため，これらの情報をそのままリアルタイムに長距離伝送を行う場合には，広い帯域を必要とするため，十分な通信インフラを整備する必要がある。一方，図３に示すがごとく，風車装置内の信号処理装置１１で時刻歴データからタイミングパルス間隔の情報まで変換を行った上でデジタル伝送を行えば，データ量を大幅に削減することが可能となる。特に複数の風車装置を設置して運用するウィンドファームでは，本構成は特に効果的である。【００１９】
このように、タワーに取り付けられたブレード通過タイミング計測手段と，信号処理を組み合わせることによってブレードの変形を計測する。本実施例の構成では，電源供給が必要なセンサのブレードへの搭載は不要であり，さらに高精度な距離センサも不要であるため，高信頼な計測手段を提供できる。また，ロータの回転速度に依存する回転面内方向へのブレード変形を検出するため，瞬間的な風速の変動に対してロバストな計測を行うことができる。  
【実施例２】
【００２０】
他の実施例について説明する。実施例１と異なる部分を中心に説明する。よって、説明が省略されている部分は基本的に実施例と同様である。本実施例では、損傷したブレードの特定だけでなく，ブレード内での損傷位置の特定まで行える風車装置の例を紹介する。図４に本実施例における風車装置の構成図を示す。実施例１では，ブレード１先端の通過タイミングを計測するためのセンサをタワーに１つ搭載していたが，本実施例ではブレード１の先端付近だけでなく，根元から先端まで複数点での通過タイミングを計測するために，タワーに図４に示すがごとくセンサ５を複数個搭載する。本発明では，実施例１に記載のとおり，タイミングパルス間隔の差によってブレードの損傷を検知する。この評価点をブレード１の根元から先端まで複数個設ける。このような構成とすることで，ブレード１内のどの位置で損傷が発生したのか大まかに知ることができる。ロータ２のブレード１支承部の通過タイミング検出としては，風車装置制御器１２から得られるロータ２の回転速度情報を用い，1回転に要する時間をブレード枚数で除した値をそのまま通過間隔として用いてもよい。ブレード１内のある位置に損傷が発生したとすると，その位置は局所的に剛性が低下する。このとき，各評価点のタイミングパルス間隔９に着目すると，損傷発生位置より先端側ではパルス間隔が均等ではなくなるため，これによって損傷発生位置を大まかに特定することができる。風車装置用のブレードは近年大型化が進んでおり，大型のものでは全長が50メートル以上に達する。そのため，現地での検査・修繕に先だって損傷位置を知ることができれば，作業効率の向上につながる。
本実施例のように複数個所の通過タイミング計測が必要となる場合では，実施例１のような音センサでは不十分となる可能性がある。ブレードの根元に近づくほど速度は小さくなり，それに伴いブレード通過によって発生する音圧レベルも小さくなる。これを回避する上では磁気センサの適用が有効である。ブレード１側へ電源供給の不要な永久磁石をブレード先端から複数個取り付ける。そして，タワー４側には，これらの永久磁石にそれぞれ対応する位置に磁気センサを取りつけておく。磁気センサの方式としては，種々の種類が存在するが，単純にタワー１外部あるいは内部にコイルを取り付ける方式でもよい。ブレードに取り付けられた永久磁石はある速度を持ってコイルへ接近して離れていく。したがってコイル近傍の磁場は変化するため，電磁誘導の原理に基づきコイルには起電力が発生する。したがってコイル部分での電位変化からブレード１の通過を判断することも可能である。
【実施例３】
【００２１】
実施例１，２では複数ブレード間の剛性を相対的に比較することで，特定ブレードあるいは特定位置での損傷を検出していた。しかし，ブレードの損傷は，使用しているFRPの経年変化や恒常的な繰り返し応力に依存して，全てのブレードにおいて同一レベルで進行する可能性もある。このようなメカニズムに因るブレード損傷は，実施例１，２で説明したブレード間の相対的な変形比較では評価することができない。そこで，本実施例では，実施例２（図２）で説明した複数のブレード通過タイミングセンサを有する構成を基にして，全てのブレードにおいて同等レベルで進行する損傷を検知する方法について述べる。図５および６に本実施例における単一ブレードの通過検知の例およびシステムブロック図をそれぞれ示す。実施例１，２では，通過タイミングをブレード同士で比較していたが，本実施例では単一のブレードに着目し，ブレード根元位置での通過タイミングと，それ以外の位置での通過タイミングの遅延１７を取得する。さらにこれにブレードの回転速度情報を考慮することにより，回転中のブレード１の変形量を絶対的に把握することができる。ただし，実施例１でも述べたように，ブレード１の剛性は環境温度で大きく変化する。そこでブレードに用いられているFRP材料のヤング率と，温度の関係を予め取得しておき，これを基に計測データを補正することで，各ブレードの剛性変化を独立して得ることができる。そのためには，ブレード１の温度を計測するセンサ１８が必要となるが，その方法としてはブレード１に熱電対などの温度センサを直接取り付ける方法のほか，タワー４など静止部に取り付けた放射温度計によって非接触でブレード温度を計測する方式も有効である。また，絶対的なブレード剛性の評価が必要となるため，ロータ回転によって発生する荷重とブレード変形の関係を予め把握しておく必要がある。計算機シミュレーションなどによる方法もあるが，運用開始直後のブレード損傷が少ない段階で，回転速度とブレード変形の関係を実稼働データから取得し，予めデータベース１９(回転速度-変形量の関係）を構築しておいてもよい。以降の運用中には，データ処理装置にて各ブレードについて変形の評価を行い，データベース１９から，逸脱した変形が計測された場合に警告を発する構成をとることが可能である。【００２２】
なお，本実施例の構成は，実施例２で示したセンサ構成をそのまま用いることができるため，実施例２の機能と併用しながら運用することが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１            ブレード
２            ロータ
３            ナセル
４            タワー
５            タイミングセンサ
６            回転方向
７            ブレードたわみ
８            通過検知信号
９            通過タイミング間隔
１０            通過タイミング間隔の差分
１１            信号処理装置
１２            風車制御器
１３            データ処理装置
１４            データ収集装置
１５            データ表示器
１６            オペレータ
１７            通過タイミングの遅延
１８            ブレード温度センサ
１９            データベース
【図１】
2015045014.tif 000003
【図２】
2015045014.tif 000004
【図３】
2015045014.tif 000005
【図４】
2015045014.tif 000006
【図５】
2015045014.tif 000007
【図６】
2015045014.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月13日(2016.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電に用いられる風車装置であって，回転翼であるブレードと，前記ブレードを支承するロータと，前記ロータに接続された発電機と，前記ロータを内部に収めたナセルと，前記ナセルを支承するタワーを有し，前記ブレードの通過を検知する検知部と，前記検知部の出力に基づいてブレードが回転面内方向に変形したことを検出する信号処理部を有することを特徴とした風車装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記検知部からの信号に基づいて，各ブレード間の通過間隔を算出し，前記通過間隔を相対的に比較することを特徴とした請求項１に記載の風車装置。
【請求項３】
前記信号処理部は，複数回転分の前記通過間隔を平均化することを特徴とした請求項２に記載の風車装置。
【請求項４】
前記検知部は、光の強弱を検知する光学式センサを含むことを特徴とした請求項１から３のいずれかに記載の風車装置。
【請求項５】
前記検知部は、音の強弱を検知するマイクロフォンを含むことを特徴とした１から３のいずれかに記載の風車装置。
【請求項６】
前記ブレードに少なくとも１つの永久磁石を設け，前記永久磁石を含んで磁気センサを構成し、前記検知部は、前記磁気センサを含むことを特徴とした請求項１から３のいずれかに記載の風車装置。
【請求項７】
前記タワーに複数個搭載されたセンサの出力に基づいて，単一のブレードがタワー近傍を通過した際に前記各センサからの信号に基づきそれぞれ算出された通過タイミングを比較することを特徴とした請求項１から６のいずれかに記載の風車装置。
【請求項８】
前記信号処理部は，風車装置の制御部に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の風車装置。
【請求項９】
前記信号処理部は前記ナセル内部または前記タワー内部に取り付けられ，有線接続によって風車装置外部のデータ収集部に接続されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の風車装置。
【請求項１０】
前記信号処理部は前記ナセル内部または前記タワー内部に取り付けられ，無線接続によって風車装置外部のデータ収集部に接続されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の風車装置。
【請求項１１】
発電機を回転するためにロータと共に回転するブレードの通過を検出する検知部と，前記検知部の出力に基づいてブレードが回転面内方向に変形したことを検出する検出部を有することを特徴とする風車装置の異常検出装置。
【請求項１２】
発電機を回転するためにロータに支承された回転翼であるブレードの通過を検知部で検知し，前記検知部の出力に基づいてブレードが回転面内方向に変形したことを検出する風車装置の異常検出方法。
【国際調査報告】
2015045014.tif 000009
2015045014.tif 000010