(57)【要約】【課題】本発明は、タワーと、１つのロータブレードがロータ軸に関して半径方向に離間して位置し且つ前記タワーの最上部、好ましくは重力の方向にほぼ沿って延出している回転軸に回転自在に支持された装置ナセルである。【解決手段】一部分においてほぼ水平方向の回転軸に関して回転自在に支持されているロータと、前記ロータに関連付けられ、ロータの機械的荷重に応じてセンサ信号を発生するセンサ手段と、解析手段、特にデータ処理手段とを有する風力発電装置である。２つの、好ましくは対ごとのセンサ要素は、ロータの少なくとも１つのロータブレード、好ましくは各々のロータブレードに関連付けられ、且つ評価手段が、１つのロータブレードに関連付けられたセンサ要素により発生されるセンサ信号に基づいて、そのロータブレードの機械的荷重を表す評価信号を判定するように設計されているような風力発電装置に関する。【選択図】　　　　　図５
2004036612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、少なくとも１つのロータブレードがロータ軸に関してほぼ半径方向に離間して位置し且つ前記タワーの最上部、好ましくは重力の方向にほぼ沿って延出している回転軸に回転自在に支持された装置ナセルで、一部分においてほぼ水平方向の回転軸に関して回転自在に支持されているロータと、前記ロータに関連付けられ、ロータの機械的荷重に応じてセンサ信号を発生するセンサ手段と、解析手段、特にデータ処理手段とを有する風力発電装置において、
少なくとも２つの、好ましくは対ごとに装着されたセンサ要素は前記ロータの少なくとも１つのロータブレード、好ましくは各々のロータブレードに関連付けられ、前記評価手段は、少なくとも１つのロータブレードに関連付けられたセンサ要素により発生されるセンサ信号に基づいて、そのロータブレードの機械的荷重を表す評価信号を判定するように設計されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記評価手段は温度、遠心力及び重力に関して修正された評価信号を判定するように動作可能であることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記評価信号を受信し、評価信号に応じて前記風力発電装置の少なくとも１つの動作パラメータ、例えば、ロータブレードの迎え角を調整する制御手段を特徴とする請求項１又は２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記センサ要素は前記ロータブレードの両側に測定されるべき荷重の方向に装着されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記評価手段は少なくとも１つの温度センサ及び／又は回転センサ及び／又はロータ位置センサからの追加の信号を受信し、受信されたセンサ信号に基づいて温度、遠心力及び重力の影響を計算によって判定するように動作可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記センサ要素は前記ロータブレードの同じ側に、好ましくはロータブレードの長手方向軸とほぼ平行に延出する線にすぐ隣接して又はその線に沿って装着されており、前記評価手段により、温度、回転及び／又は重力の影響を補正するために受信されたセンサ信号に基づいて計算によって動作可能であることを特徴とする請求項５記載の風力発電装置。
【請求項７】
少なくとも１つのセンサ要素は光ファイバに基づくセンサを有し、少なくとも１つの光ファイバはＵ字形ループとして形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項８】
ファイバの両端部は光学Ｙ結合器により１つのチャネルとして組み合わされていることを特徴とする請求項７記載の風力発電装置。
【請求項９】
少なくとも１つのセンサ要素はロータブレードに挿入されたロッドと、前記ロッドの変位を検出する検出要素とを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
ロータブレードに挿入されたロッドは、前記ロータブレード内で互いに離間して配置された２つの支持手段により支持されており、且つ前記検出要素は前記支持手段の一方に受け入れられていることを特徴とする請求項９記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記センサ要素は、実質的にロータブレードの衝撃方向の荷重、すなわち、ロータブレードの平面に対して横方向の荷重を感知するように配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項１２】
タワーと、
少なくとも１つのロータブレードがロータ軸に関してほぼ半径方向に離間して位置し且つ前記タワーの最上部、好ましくは重力の方向にほぼ沿って延出している回転軸に回転自在に支持された装置ナセルで、一部分においてほぼ水平方向の回転軸に関して回転自在に支持されているロータと、
風力発電装置の少なくとも１つの必要荷重を表すセンサ信号を発生するセンサ手段と、
前記センサ信号を受信する少なくとも１つの評価手段、特にデータ処理手段とを有する、特に請求項１から１１のいずれか１項に記載の風力発電装置において、前記センサ手段は少なくとも２つのセンサ要素を有し且つ前記評価手段は前記センサ要素の動作有効性を監視し、少なくとも１つのセンサ要素が故障したときに冗長動作モードに切り替わるように設計されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１３】
冗長動作モードでは、前記評価手段により動作可能なセンサ要素の信号から温度補正のためのデータ及び／又は寄生効果を定量化するためのデータが計算によって求められることを特徴とする請求項１２記載の風力発電装置。
【請求項１４】
前記装置ナセルにギヤサスペンションが弾性的に軸受されており且つ少なくとも１つのセンサ要素は前記ギヤサスペンションの前記弾性軸受に配置されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項１５】
前記ギヤサスペンションの弾性軸受に少なくとも３つのセンサ要素が配置されており、少なくとも１つのセンサ要素は前記ギヤサスペンションの水平方向変位を感知し、少なくとも１つのセンサ要素は前記ギヤサスペンションの両側の垂直方向変位を感知し、前記センサ要素により供給されるセンサ信号は、測定された変位から前記評価手段により、前記ギヤサスペンションに加えられたピッチモーメント、ヨーモーメント及び／又はトルクを判定できるように評価され、且つ前記出力信号は少なくとも１つの動作パラメータを調整するために使用可能であることを特徴とする請求項１４記載の風力発電装置。
【請求項１６】
前記ロータはロータ軸受によってロータ軸に関して回転自在に支持されている、特に請求項１から１５のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
前記センサ手段は、ロータ軸に対してほぼ垂直に延在する平面に配置され且つ前記ロータブレードの平面とは反対の前記ロータ軸受の側に配置された少なくとも３つの、好ましくは少なくとも４つの、特に好ましくは５つ以上のセンサ要素を具備し、前記センサ要素は前記駆動列の横断面、好ましくは円形で且つロータ軸に関して同軸に配置された横断面の変位を感知することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１７】
前記センサ要素は、ほぼ、ロータ軸と同軸に延在する円上に配置されていることを特徴とする請求項１６記載の風力発電装置。
【請求項１８】
方形、特に正方形の辺に４つのセンサ要素が配置されていることを特徴とする請求項１６又は１７記載の風力発電装置。
【請求項１９】
前記ロータに結合され且つロータ軸と同軸に延出するロータ軸に、又は又は他の共に回転する構成要素に少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つのセンサ要素が配置されていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項２０】
前記ロータはロータ軸を介して遊星歯車に、特に遊星歯車のピニオンケージに結合され、且つ前記遊星歯車の領域に少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つのセンサ要素が配置されていることを特徴とする請求項１６から１９のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項２１】
遊星歯車のリングギヤの外周に少なくとも３つのセンサ要素が配置されていることを特徴とする請求項２０記載の風力発電装置。
【請求項２２】
前記リングギヤの正面から軸方向に離間して少なくとも１つのセンサ要素、好ましくは３つのセンサ要素が配置されていることを特徴とする請求項２１記載の風力発電装置。
【請求項２３】
前記リングギヤの正面に装着されたハウジングカバーの領域及び／又はトルク支え及び／又はそれに隣接するリングギヤの領域に少なくとも１つ、好ましくは少なくとも３つのセンサ要素が配置されていることを特徴とする請求項２１又は２２記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タワーと、少なくとも１つのロータブレードがロータ軸に関してほぼ半径方向に離間して位置し且つ前記タワーの最上部、好ましくは重力の方向にほぼ沿って延出している回転軸に回転自在に支持された装置ナセルで、一部分においてほぼ水平方向の回転軸に関して回転自在に支持されているロータと、前記ロータに関連付けられ、ロータの機械的荷重に応じてセンサ信号を発生するセンサ手段と、前記センサ信号を受信する解析手段、特にデータ処理手段とを有する風力発電装置、そのような風力発電装置の制御構成、及びそのような風力発電装置を動作させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、大型の風力発電装置のロータの直径は８０ｍを超えているため、ロータのエリアに沿った風速は非常に大きく変動すると考えられる。これらの装置の収益性を考えると、動作パラメータの調整又は制御に風速分布に関する情報、特に個々のロータブレードに加わる荷重に関する情報を取り入れることが望ましい。「ブレードフィードバック」と呼ばれるこの方法は従来の技術、例えば、米国特許第４，２９７，０７６Ａ号、ドイツ特許第３００９２２Ａ１号及びＰＣＴ／ＥＰ９８／０３７７６などに記載されている。これまで、十分に単純で、永続性を持ち、信頼でき、従って、収益性の高い測定システムが存在していなかったため、そのような方法が商用として適用されることはなかった。
【０００３】
特に海上風力発電装置の場合、複雑なフィードバックシステムが故障すると、そのために風力発電装置を動作させることが不可能になるか、又はある期間にわたり出力特性を低下させた状態でのみ動作可能になるという危険が高い。それは、そのような風力発電装置が１年間でもたらす収益がわずか数日の運転休止で失われてしまうからである。ドイツ特許第３００９９２２Ａ１号では、ロータブレードに加わる荷重を感知するためにひずみ計を使用することが提案されている。しかし、ひずみ計は要求されている１０８ストレスサイクルという寿命をおよそ実現するということもない。この文献で同様に挙げられている加速センサ及び風センサはロータブレードの外側領域に装着されなければならず、従って、それらのセンサを操作することは極めて困難であり、また、センサは落雷の大きな危険にさらされているため、所望の２０年という寿命を実現するためには非常に大きな労力が必要である。
【０００４】
更に、光ファイバ、例えば、Ｆｉｂｒｅ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ技術を使用する測定方法も従来の技術において知られている。この技術では、ロータブレードに縦に装着されているか、又は挿入ラミネートされていても良い１本の光ファイバに沿って固有Ｂｒａｇｇセンサ要素が配分されている。この技法によれば、センサ冗長性が得られると共に、例えば、ロータブレードのサグなどの積分変数を近似感知することが可能である。複雑な電子評価装置を操作が容易であるロータハブ部分又は機械ナセルに完全に収納することが可能であるため、このシステムは落雷の影響を受けず、保守が容易である。しかし、光ファイバが破損すると、システム全体が故障してしまう。更に、現時点では、この技術を適用するのに相当な費用を投資しなければならない。
【０００５】
最後に、ドイツ特許第１９８４７９８２Ｃ２号から、振動を感知するための単純な装置が知られており、この装置はロータの回転平面におけるロータブレードの空力弾性振動を定性感知するために設けられている。しかし、この文献による装置は振動の定性感知にしか使用できず、荷重の定量測定というより高度な要求には適合しないという事実により不都合な影響を受けている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したような従来の技術の問題点を考慮して、本発明の目的は、設計及び組み立てに要する労力をごくわずかに抑えた上で商用の風力発電装置に組み込むことができる精密で、正確に校正可能であるにもかかわらず単純で、頑丈であり、且つ耐久性にすぐれたブレードフィードバックシステムを有する風力発電装置を提供すること、そのような風力発電装置の制御構成を提供すること、及びそのような風力発電装置を動作させる方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点によれば、この目的は、ロータの少なくとも１つのロータブレードが、好ましくは各々のロータブレードは少なくとも２つの（好ましくは対ごと）センサ要素に関連付けられていることと、評価手段が、少なくとも１つのロータブレードに関連付けられたセンサ要素により発生されるセンサ信号に基づいて、そのロータブレードの機械的荷重を表す評価信号を判定するように設計されていることを実質的に特徴とする周知の風力発電装置の改良により解決される。
【０００８】
本発明は、最新の風力発電装置においては、ロータブレードのロータに加わる荷重は実質的にエーロダイナミクスからの曲げモーメント（ロータの平面に対してほぼ垂直、衝撃のモーメント）、ほぼロータ平面におけるロータブレードの自重による曲げモーメント（ピボットのモーメント）、自重による垂直力、及び遠心力（ロータの回転によって決まる）と、望ましくない振動が確定される場合には特に重要であるロータのダイナミクスによる力及びモーメントとの重なり合いを特徴とするという洞察に基づいている。最近の風力発電装置においてはセンサ信号において所望の測定信号の約１０％の大きさに達すると考えられる、ロータの位置及び回転によって決まる垂直力を補正するために正確に校正可能であるブレードフィードバックシステムを実現すること、並びに冗長性によってセンサの信頼性を向上させることが必要である。風力発電装置は大きな温度範囲（例えば、−１５℃から＋５０℃）で動作させることが可能であるので、センサの温度依存性を補正することも重要である。これらの必要条件は、ロータブレードごとに少なくとも２つのセンサ要素を対を成して配列した好ましい構成により厳密に満たされる。
【０００９】
本発明の好ましい一実施例では、評価信号を受信する制御手段が設けられ、評価信号に応じて、この制御手段により風力発電装置の少なくとも１つの動作パラメータ、例えば、ブレードピッチ、回転数及び／又はヨー角度などを調整することができる。ピッチ（ピッチ角度）を変化させ且つ／又は空気力学的補助手段を使用することにより、ブレードのねじれを実現することができる。
【００１０】
本発明の第１の好ましい実施例においては、センサ要素はほぼ荷重の関心方向に互いに対向するようにロータブレードの両側に装着されている。この場合、センサ要素は主要な曲げ荷重に対して相反する信号（例えば、引っ張りと圧力）を測定する。センサ信号が個別に検出されれば、センサ信号の加算又は減算を実行することにより、関心曲げ荷重と、ブレードフィードバックという意味での、重力及び遠心力に起因する周囲温度及び垂直力の寄生影響を共に精密に定量化することが可能である。センサ要素に対する寄生影響を減算し且つ設計特徴を考慮した後、完璧に鏡像関係のセンサ信号が利用可能となるべきであるため、センサの適性な動作は、データ処理手段の形態で実現されるのが好ましい評価手段により鋭敏に検査できる。補足的に、センサ要素の温度特性と、ロータブレードの設計特徴（質量分布）とをロータの温度、回転及び位置を感知するための追加センサ要素により考慮し、対応するセンサ信号を評価手段へ送信することによって、寄生影響を計算の上で均衡させることも可能である。
【００１１】
２枚又は３枚のロータブレードを有する通常の風力発電装置においてセンサ要素の１つが故障すると、そのことは評価手段により１秒に満たない時間のうちに検出され、冗長動作モードに切り替わる。それにより、他のロータブレードにある機能中のセンサ要素の補助、個々のロータブレードが相当に位相のずれた（ブレードが２枚のロータの場合は１８０°、ブレードが３枚のロータの場合には１２０°）同様のセンサ信号を発生するということ及び／又は先に述べた追加の温度センサ、回転センサ及び位置センサの補助により、欠陥のあるセンサ要素を迅速に識別することができる。追加のセンサ要素による検出はブレードが１枚のロータの場合にも可能である。その後、欠陥のあるセンサ要素を源とするセンサ信号は無視され、残るセンサ要素の寄生影響は、温度センサ要素、回転センサ要素及び位置センサ要素を評価するか、あるいはその他のロータブレードの以前に判定された寄生影響の計算変換のいずれかにより計算の上で補正される。従って、本発明に従って改良された風力発電装置は、遠隔監視装置による警告を受けた保守担当者が欠陥のあるセンサ要素を交換するまで、センサ要素が故障している間も継続して動作させることが可能である。すなわち、ブレードが３枚の発電装置の場合には、個々のブレードのあらゆるセンサ要素が故障しない限り、３つまでのセンサ要素の故障があっても、ブレードごとの信号をブレードフィードバックシステムごとに獲得することができる。数の少なくなったセンサ要素により実現される信号の品質に応じて、発電装置の過負荷の危険を回避するために出力特性を低減させることが必要になるかもしれない。また、１つのロータブレードのセンサが全て故障した場合、その他のロータブレードに基づいて荷重を計算することも考えられる。しかし、それにより、不確実性が増すために過負荷の危険は大きくなる。
【００１２】
本発明の第２の実施例においては、センサ要素は直接に並列して配置されるか、又はロータブレードの長手方向軸に関してほぼ平行に延出する線に沿って配置されているのが好ましい。センサ要素を空間的に分離することにより、力、落雷などによって１つのロータブレードの全てのセンサ要素が同時に損傷される危険は小さくなる。一方、検出されるセンサ信号はその空間的ばらつきに関して計算により補正されなければならない。同じ種類の信号がこの片側配列という方法で記録されるために、遠心力又は自重に関する情報を取り出すことはできない。更に、直接の温度補正を実現することも不可能である。温度、自重及び遠心力の影響を計算により補正することが望まれる場合には、温度、回転及びロータ位置を検出するためのオプションのセンサ要素が必要である。同様に、センサ要素が故障した場合の寄生影響の補正のためにも、追加のセンサ要素のみがアクセスされるであろう。
【００１３】
本発明の枠組の中で、本発明に従って改良された風力発電装置において測定チャネルの数が２倍になるという欠点は、本発明により実現される冗長性の多大な利点と比較すれば、風力発電装置のデータ収集システムの実際の費用構造に関して問題とはならないということも考えられた。
【００１４】
先に説明した通り、ロータブレードごとに２つのセンサ要素というのが冗長性に関して絶対的に最小の数である。言うまでもなく、センサ要素の数を任意に増やすことは可能であり、その場合、ロータ半径に沿ってセンサ要素を対ごとに位置決めするのであるが、ロータブレードの長さに沿った荷重分布に関する追加情報を収集できるという理由により、それらの対を異なるロータブレードに配置するのが特に好ましい。個々のセンサ要素の半径位置が互いにそれほど広く離間していない（最大でブレードの長さの１０〜２０％）場合には、１つの半径位置から次の半径位置へ十分な精度で荷重を計算により変換（それぞれ、補間又は補外）することができる。このような背景の下で、センサを対ごとではなく、基本的に互いに位置をずらして配置することも考えられるが、その結果、補間方法又は補外方法それぞれの不確実性が基本的に増大する。
【００１５】
ロータ半径の全長に沿って配分されるべき多数のセンサ要素のもう１つの好ましい実現形態はＦｉｂｒｅ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ技術により得られる。
【００１６】
寄生効果を取り出すために、ロータブレードの両側に２連のセンサ要素を適用できることが好ましい。この技術には温度依存性があるため、更に温度センサ要素を設けると好都合である。この目的でもＢｒａｇｇ格子を使用するのが好ましく、Ｂｒａｇｇ格子は外部荷重を受けないように適用される。このために、追加のＢｒａｇｇ格子をそれぞれ対応する管に挿入することができる。ピボット荷重を測定するために、衝撃荷重を測定するけたフランジにファイバを装着すると共に、ピボット荷重を測定するニブ又は末端縁部に装着するのが好ましい。センサの冗長性によってコストを増大させることなくファイバの損傷に関する冗長性を得るために、本発明の特に好ましい実施例においては、センサ要素の連鎖はＵ字形ループとして形成されている。ファイバの損傷の可能性を考慮して、ブレードの根元部又はロータハブから始めて、ファイバポートの１つを介して破損の位置に従ってセンサ要素をアドレッシングすることができる。厳密にセンサ要素の中でファイバが損傷した場合に限り、このセンサ要素は使用できなくなり、それに隣接するセンサ要素を介して利用不可能なセンサの信号を補間しなければならない。
【００１７】
ロータブレードに加わる衝撃荷重を測定するために、センサ要素はロータブレードの各々の面に別個のＵ字形ループとして装着されるのが好ましい。これは、特に、通常の製造工程の間に装着することが更に困難であることと比較して、追加の光ファイバの費用がごくわずかであるためである。単純な光学Ｙ結合器で十分にチャネル数を維持できるので、ファイバ端部の数が２倍になることに何の問題もない。ピボット荷重を測定するために、又は２つのけたフランジが１つの構成要素として事前に製造されるような製造工程の間に、２連のセンサ要素を単一のループとしてリンクすることも有利であろう。これにより、言うまでもなく、実現される冗長性のレベルは若干低下する。
【００１８】
本発明の更に別の有利な実施例においては、システムの信頼性に関して、ブレード荷重に加えて又はブレード荷重の代わりに、ナセルにおけるブレード荷重の結果としてのピッチモーメント及びヨーモーメントをも感知するような構成になっている。この場合、現在広く使用されているロータ軸受の構造、いわゆる３点軸受において、弾性ギヤサスペンションの距離センサによりピッチモーメント及びヨーモーメント、並びにロータトルクを感知することが特に有利である。この場合にも冗長性が望まれるのであれば、垂直方向に４つ、水平方向に２つの合わせて６つの距離センサが必要であり、このセンサはギヤサスペンションの両側に対称形に配分されなければならない。そうでない場合には、３つのセンサ要素だけで十分である。
【００１９】
６つのセンサ要素を有する実施例においては、垂直センサは同じ方向及び逆方向でフルブリッジとして接続されても良く、それにより、トルク並びにピッチモーメントを温度補正方式で高い分解能をもって感知することができる。ヨーモーメントは水平センサ要素によりハーフブリッジの方式で感知されるが、逆方向信号によって温度補正もされる。冗長性を確保するために、前述の回路はハードウェアではなく、センサ要素が故障した場合に論理的に等価のネットワークへの切り替えが可能である信号評価手段又はデータ処理手段のアルゴリズムでのみ実現されなければならない。必要に応じて、計算により、例えば、通常はタービン制御のために利用可能である内部ナセル温度の信号、又は追加の温度センサ要素の信号を評価することにより、温度補正を実現しても良い。
【００２０】
ピッチモーメント及びヨーモーメントを感知するために高い測定精度を維持することに関して、通常はロータに結合され且つロータ軸と平行に延出するロータ軸により貫通されているロータ軸受によってロータ軸に関して回転自在に指示されているロータを有する風力発電装置において、センサ手段は、ロータ軸に対してほぼ垂直に延在し且つロータブレードの平面とは逆のロータ軸受の側に位置する平面に配置された少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つ、特に好ましくは５つ以上のセンサ要素を具備することが好都合であることが判明している。これは、ピッチモーメント又やヨーモーメントを測定するために、ロータ軸受の、ロータブレードの平面とは反対の側でより長いレバーアームを利用することが可能であり、且つセンサ要素をロータ軸に対して垂直に延在する平面に配列することにより、測定結果の評価が相当に簡略化されるためである。特に、測定の結果はロータ軸の軸方向遊隙による影響を受けない。
【００２１】
測定の結果の評価を簡略化すること及び欠陥のあるセンサ要素を検出するための評価の複雑さを軽減することに関して、少なくとも３つのセンサ要素をロータ軸と同軸に延在する円上に配置すると特に好都合であることが判明している。この場合、同じ円の上に唯１つの追加センサ要素を配置すると、ピッチモーメント及びヨーモーメントを感知することの所望の冗長性を実現することができる。ロータ軸と同軸に延在する円上に４つ又は５つ以上のセンサ要素を配置した場合、冗長性を任意に増加させることができるであろう。これは、ロータ軸が３つのセンサ要素を使用する構成によりセンサ要素により形成される三角形の辺の中央垂線の交点として既に唯一の軸として定義されているために、ピッチモーメント及びヨーモーメントを感知する目的では、三角形の辺に配置された３つのセンサ要素のみが要求されるからである。
【００２２】
ロータ軸と同軸に延在する円上に配置された４つのセンサ要素が設けられている限り、測定結果の評価の計算上の複雑さを軽減することに関して、それらの要素を方形、特に正方形の辺に配置すると適切であることが判明している。５つ以上のセンサ要素を使用する場合、それらのセンサ要素は対応する正多角形の辺に配置されるのが好ましい。ピッチモーメント又はヨーモーメントを感知するために、ロータ軸に対して垂直に延在する平面の、好ましくはロータ軸と同軸に延在する円上に配置されるセンサ要素を、ロータに結合され且つロータ軸と同軸に延出するロータ軸及び／又はロータ軸をギヤボックスに接続するクラッピングセット及び／又は風力発電装置のその他の可動構成要素に配置することができる。センサ要素がロータ軸に結合されたギヤボックスの外側に配置されている限り、測定はギヤボックス内で作用する力、例えば、遊星歯車内部における遊星力の分布による影響を受けない。しかし、このようにセンサ要素をロータ軸又はクランピングセットに配置する構成においては、ロータ軸軸受の半径方向軸受遊隙に起因する影響は顕著である。
【００２３】
ロータがロータ軸を介して遊星歯車、特に遊星歯車のピニオンケージ（Ｐｌａｎｅｔｅｎｔｒａｇｅｒ）に結合されている場合、遊星歯車の領域に少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つのセンサ要素を配置すれば、それらの障害を防止することができる。この場合、センサ要素は遊星歯車のリングギヤの外周の領域に配置されても良い。センサ要素がリングギヤの正面に軸方向距離をおいて配置されている場合、リングギヤの変形を引き起こす遊星力の分布も感知できる。遊星力の分布を感知することは望まれないが、ピッチモーメント及びヨーモーメントの測定の摂動として遊星力の分布が考慮されるだけである場合には、リングギヤの正面に装着されたカバー及び／又はトルク支えの領域及び／又はリングギヤの隣接領域に少なくとも１つ、好ましくは少なくとも３つのセンサ要素が配置されることで、測定の正確さを向上させることができる。この場合、装着部分の補強硬化によって、リングギヤの変形によるピッチモーメント及びヨーモーメントの測定の相当に大きな摂動は起こらない。
【００２４】
上述のようにセンサ要素を配列することにより、センサ手段が好ましくは同じ平面に配置された少なくとも１つ、好ましくは冗長性を得るために少なくとも２つのセンサ要素を付加的に具備し、それらのセンサ要素がトルクを検出するためにロータ軸に関する動力列のねじれを感知するならば、単純な欠陥センサ要素の検出で冗長センサ手段による単純なトルクの検出を実現することができる。少なくとも２つのセンサ要素を使用すれば、その他のセンサ要素との比較により、センサの故障を明確に検出することが可能である。本発明のどの実施例による風力発電装置のセンサ手段も、少なくとも１つの誘導センサ要素、機械的センサ要素、光学的センサ要素、音響（超音波）センサ要素及び／又は磁気抵抗センサ要素を更に具備することが可能であり、様々に種類の異なるセンサを組み合わせることにより所望の冗長性を任意に増加させることができる。
【００２５】
本発明のこの実施例においては、ブレード信号、特にブレード根元部の信号と、特にギヤサスペンションのピッチモーメント及びギヤモーメントを感知するために使用される信号とを連係させると特に好都合である。
【００２６】
第１の近似によれば、ギヤサスペンションに作用するピッチモーメント及びギヤモーメントと、トルクは、設計特徴によってロータの中心からギヤサスペンションへ変換されなければならないブレード根元部における曲げモーメントの和であるにすぎない。ロータブレードの根元部の曲げモーメントを２つの荷重方向（ロータ平面と、それに対して垂直な平面）で測定すれば、従来の技術により要求されるアルゴリズムが提供される。これらの相互関係は、例えば、ドイツ特許第１９８４９３６５．８号に記載されている。また、（例えば、落雷により）１つのロータブレードのセンサが完全に故障した場合に、減算により利用不可能な情報を数学的に計算することも本発明の枠組の中に含まれている。この手続きは要求される冗長性に関して大きな利点である。
【００２７】
ブレード調整を伴う機械においてブレードの自重を介して様々に異なるブレード角度に対して校正可能であるブレードセンサ要素とは対照的に、そのような単純な校正はピッチモーメント及びヨーモーメントの場合には不可能である。従って、本発明の枠組の中では、動作中に定量化可能な不均衡を慎重に導入することにより構成を実現することが提案されている。この不均衡は質量又は空気力学的特性の変化により影響を受ける可能性がある。例えば、単一ブレード調整により単一のロータブレードのみをわずかに調整し（風速及びロータの回転数に応じて約１から１０°）、次に、ロータの最小回転数及び最大回転数に対するセンサ信号を記録する方法を単純にソフトウェアの変形により実現することができる。要求される正確さに応じて、３つのブレードの各々について異なるブレード角度でこの方法を連続して実行しても良い。
【００２８】
物理的にはより単純であるが、付加的な設計上の労力を伴う方法は、例えば、直径が小さいのが好ましい水タンクを使用する。この水タンクはロータ軸に厳密に位置決めされ、ブレードが３つのロータの場合には端部に１２０°ずつ位置がずれた３つの磁気弁を具備している。ロータブレードの各々に設けられたバラストタンクへ接続ダクトを介して水を排出することができる。動作中、遠心力によってバラストタンクが一杯になることもありうる。バラストタンクを排水するのに先立って、水が重力によって逆流するようにロータを対応する位置で停止させなければならない。従って、３つの磁気弁を除いて、動く部品はそれ以上は不要である。言うまでもなく、このようなシステムはセンサを校正するために使用できるばかりでなく、ロータに不均衡がある場合にトリミングによりロータブレードを再調整する目的でも使用できる。本発明の好ましい一実施例による風力発電装置においてそのようなトリミングギヤを実現することは、空洞部、好ましくはロータ軸と同軸に延在する回転対称形の空洞部と、前記空洞部に入っている流体を選択的に排出するための弁構造と、ロータブレードの空洞部とを設けることを含む。本発明の枠組の中では、流体として液体及び／又はバルク材料、例えば、砂、鉛ビーズなどが使用される。
【００２９】
本発明の様々な実施例による風力発電装置に関する以上の説明から明白であるように、既存の風力発電装置をグレードアップするための本発明による制御手段は、実質的に、少なくとも２つのセンサ要素と、前記センサ要素により供給されるセンサ信号を受信し、センサ信号に基づいて風力発電装置の少なくとも１つの重大な荷重変数を表す評価信号を発生するように動作可能である評価手段とを含むことを特徴としている。
【００３０】
本発明の一実施例に従って風力発電装置を動作させる方法は、実質的に、センサ要素の故障の場合に評価手段は冗長動作モードに切り替わり、利用可能なセンサ信号を比較することにより欠陥のあるセンサ要素が計算で判定され、欠陥のあるセンサ要素の信号は操作制御により無視され、且つ制御システムに関する、残る少なくとも１つの機能中のセンサ要素の温度、重力及び／又は遠心力の寄生影響は計算によって補正されることを特徴としている。更に、本発明の１つの面による方法においては、所定の空気力学的及び／又は機械的不均衡の発生後に得られたセンサ信号を使用してピッチモーメント及び／又はヨーモーメントを感知するためにセンサ要素を校正することができる。特にこの目的のために、本発明の一実施例による風力発電装置は、ロータ軸と同軸に延在する空洞部から弁構造を介してロータブレードに形成された１つ以上の空洞部へ流体が排出されるように動作可能である。
【００３１】
次に、本発明に不可欠であるが、説明の中では精密に触れられていない詳細に関して明示して参照される図面に関連させて本発明を更に説明する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）に示すロータブレードは、ロータハブに隣接するブレード根元部分１２からロータ軸に対してほぼ垂直な方向にブレードの先端部１４まで延出している。ブレードを補強するために、全体を図中符号２０で指示されるけたが設けられている（図１（Ｂ）を参照）。けた２０はウェブ２６と、ロータブレード１０の周囲部分１６及び１８とほぼ平行に延出する２つのけたフランジ２２及び２４とを具備する。けたの全体の形状はＩプロファイルとして形成されている。風力発電装置の動作中、ロータブレードに対する荷重はロータブレードの平面で起こり、これは両方向矢印Ａにより指示するようにいわゆるピボット荷重である。更に、図１（Ａ）に矢印Ｂにより指示するように、ロータ平面に対して垂直な荷重、いわゆる衝撃荷重も起こりうる。
【００３３】
図２（Ａ）から図２（Ｃ）に示す本発明の第１の実施例のいくつかの変形例においては、ロータブレードごとに２つのセンサ要素１００が設けられている。図２（Ａ）に示すように、ロータブレードの両側面１６及び１８にセンサ要素１００を配置する構成によって、ロータブレードに対する衝撃荷重を感知することができる。
【００３４】
図２（Ｂ）に示す本発明の実施例では、センサ要素はロータブレードの先端部分及び後縁部分に配置されているため、ロータブレードに対するピボット荷重を特に有利に感知することができる。
【００３５】
図２（Ｃ）に示す本発明の実施例では、センサ要素はけたフランジの領域にすぐ並列して配置されている。図２（Ｄ）に示す構成においては、センサ要素１００はロータブレードの長手方向軸とほぼ平行に延出する線に沿って配置されている。この場合、センサ要素が空間的に分離されているため、力、落雷などによって２つのセンサ要素が共に同時に損傷する危険は減少する。
【００３６】
図３（Ａ）に示す本発明の実施例では、センサ要素１００はロータに対ごとにそれぞれ配置されており、ロータブレードの長さに沿った荷重分布に関する追加情報を獲得できるという理由により、それぞれの対はロータブレードの異なる半径方向位置に配置されている。
【００３７】
図３（Ｂ）に示す本発明の実施例では、センサ要素１００は対ごとに配置されているのではなく、基本的に互いにずれた位置に設けられている。これにより、センサ要素１００が同時に損傷する危険をより軽減できるが、ロータブレードの長さに沿った荷重分布を判定するための補間方法又は補外方法の不確実性は増大する。
【００３８】
図４（Ａ）に示す本発明の実施例では、ロータブレードの両側に、Ｆｉｂｒｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ技術により実現された２連のセンサ要素１１０が配置されている。図４（Ｂ）に示す図４（Ａ）の実施例を更に発展させた形態においては、ロータブレードの両側にそれぞれ別個のＵ字形ループとして連鎖配列のセンサ要素１１０が配置されている。
【００３９】
図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示す本発明の実施例では、２連のセンサ要素１１０が単一のループとしてリンクされており、それにより、ファイバの長さを短縮できるが、冗長性のレベルは幾分低減される結果にもなっている。
【００４０】
図５は、ギヤサスペンション２００の弾性軸受におけるセンサ要素の配置を示す。この場合、６つの距離センサ１２０が設けられており、そのうちの４つは垂直方向の距離センサであり、残る２つは水平方向の距離センサである。距離センサはギヤサスペンション２００の両側に対称形に配分されている。垂直センサは同じ方向及び逆方向でフルブリッジに接続されているため、トルク（図５（Ｂ）を参照）とヨーモーメント（図５（Ｃ）を参照）の双方を温度補正方式で高分解能で感知することが可能である。
【００４１】
図６は、ロータ軸軸受３２０を貫通し、ロータ軸３１０と同軸に延出しているロータ軸３００を示す。ロータ軸３００はクランピングセット３３０を介して遊星歯車３４０に結合され、遊星歯車は弾性変形自在の要素４７０（図７を参照）によって支持構造に弾性的に指示されている。図６に示す本発明の実施例では、センサ手段は、ロータ軸３００に装着され、ピッチモーメント及びヨーモーメントを感知するためにロータ軸３１０と同軸に延在する円上に配置された合わせて４つのセンサ要素３５０を具備する。このような配列によって、ロータ軸軸受３２０におけるロータ軸３００の軸方向の遊隙とは無関係に、ピッチモーメントとヨーモーメントを感知することができる。ロータ軸３１０と同軸に延在する円上にセンサ要素３５０を配置することにより、わずか４つのセンサ要素３５０を使用するだけで、ピッチモーメント及びヨーモーメントを感知する際の冗長性が実現されると同時に、欠陥のあるセンサ要素の検出が容易になる。センサ要素３５０をロータ軸３００に配置することに加えて、又はその代わりに、図６に示す本発明の実施例では、ロータ軸３１０と同軸に延在する円上と、クランピングセット３３０又はその他の結合歯車とにセンサ要素３５２を配置しても良い。ロータ軸３００は、固定リングギヤを有する遊星歯車３４０のピニオンケージ（Ｐｌａｎｅｔｅｎｔｒａｇｅｒ）に結合されており、遊星歯車３４０の主駆動ピニオンは太陽輪に配置されている。
【００４２】
図７（Ａ）は、本発明の一実施例による風力発電装置で使用可能である遊星歯車の概略図を示す。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す遊星歯車の概略側面図である。図７（Ａ）によれば、２つの側方アーム４２０を有するトルク支え４００が遊星歯車３４０に関連付けられ、リングギヤの正面に配置されている。図７（Ａ）に示すように、トルク支えの領域でロータ軸と同軸に延在する円上に、ピッチモーメント及びヨーモーメントを感知するために使用されるセンサ要素を配置することができる。これにより、ロータ軸軸受３２０に受け入れられているロータ軸３００の半径方向軸受からの妨害なく、ピッチモーメントとヨーモーメントを感知することが可能になる。遊星力の分布を更に診断することが望まれる場合、トルク支えの領域に配置されたセンサ要素４５０に加えて、又はそれらのセンサ要素の代わりに、トルク支えから軸方向に離間して、例えば、リングギヤの中央の外周部分に、ピッチモーメント及びヨーモーメントに加えてリングギヤの変形をも感知する別のセンサ要素４５２を設けることができる。更に、図７に示す風力発電装置はアーム４２０の領域の、好ましくは弾性変形自在の要素４７０の上方に配置された、ロータ軸に関する駆動列のねじれを感知するセンサ要素を具備することも可能である。それらのセンサ要素４５４はセンサ要素４５０と同じ平面に適宜配置される。
【００４３】
図８に示す軸方向断面図では、ロータ軸は図中符号２により指示され、ロータハブは図中符号１により指示され、ロータブレードは図中符号３により指示されている。水タンクとして使用される空洞部５はロータ軸２のロータ軸４と同軸に配置され、この空洞部は、例えば、液体などの流体及び／又は注入可能なバルク材料を選択的にバラストタンクへ排出して、それにより、風力発電装置の所望のトリミングを実現するために、ロータブレード３内部に配置されたバラストタンク６に弁７を介して接続自在である。
【図面の簡単な説明】
【図１】風力発電装置のロータブレードを示す図。
【図２】本発明の第１の実施例のいくつかの異なる変形例を示す図。
【図３】本発明の第２の実施例のいくつかの異なる変形例を示す図。
【図４】本発明の第３の実施例のいくつかの異なる変形例を示す図。
【図５】ギヤサスペンションの弾性軸受に配置された複数のセンサ要素を有する、本発明の一実施例による風力発電装置の駆動列を詳細に示す図。
【図６】本発明の一実施例による風力発電装置の遊星歯車が結合されているロータ軸の概略側面図。
【図７】複数のセンサ要素を有し且つ遊星歯車に配置されている、本発明の一実施例による風力発電装置のセンサ手段を示す図。
【図８】本発明の第４の実施例による風力発電装置のロータの軸方向断面図。
【符号の説明】
１…ロータハブ、２…ロータ軸、３…ロータブレード、４…ロータ軸、５…空洞部、６…バラストタンク、７…弁、１０…ロータブレード、２０…けた、２２、２４…けたフランジ、２６…ウェブ、１００…センサ要素、１１０…センサ要素、１２０…距離センサ、２００…ギヤサスペンション、３００…ロータ軸、３１０…ロータ軸、３２０…ロータ軸軸受、３３０…クランピングセット、３４０…遊星歯車、３５０…センサ要素、３５２…センサ要素、４００…トルク支え、４５０…センサ要素、４５２…センサ要素、４５４…センサ要素
【図１】
2004036612.tif 000003
【図２】
2004036612.tif 000004
【図３】
2004036612.tif 000005
【図４】
2004036612.tif 000006
【図５】
2004036612.tif 000007
【図６】
2004036612.tif 000008
【図７】
2004036612.tif 000009
【図８】
2004036612.tif 000010
【外国語明細書】
2004036612.tif 000011
2004036612.tif 000012
2004036612.tif 000013
2004036612.tif 000014
2004036612.tif 000015
2004036612.tif 000016
2004036612.tif 000017
2004036612.tif 000018
2004036612.tif 000019
2004036612.tif 000020
2004036612.tif 000021
2004036612.tif 000022
2004036612.tif 000023
2004036612.tif 000024
2004036612.tif 000025
2004036612.tif 000026
2004036612.tif 000027
2004036612.tif 000028
2004036612.tif 000029
2004036612.tif 000030
2004036612.tif 000031
2004036612.tif 000032
2004036612.tif 000033
2004036612.tif 000034
2004036612.tif 000035
2004036612.tif 000036
2004036612.tif 000037
2004036612.tif 000038
2004036612.tif 000039
2004036612.tif 000040
2004036612.tif 000041
2004036612.tif 000042
2004036612.tif 000043
2004036612.tif 000044
2004036612.tif 000045