(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風速を計測するための風速計と、
前記風速計の計測結果に基づき、前記風速の平均値Ｕおよび標準偏差σを算出するための統計処理部と、
前記統計処理部により算出した前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積を少なくとも用いて表される、風車ロータに作用する風荷重の変動成分を示す風の変動動圧の発生頻度分布を算出するように構成された頻度分布算出部と、
前記変動動圧の前記発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の疲労を推定するための疲労推定部と、
を備えることを特徴とする風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項２】
前記頻度分布算出部は、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成され、
前記疲労推定部は、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉに基づいて前記疲労を推定するように構成された請求項１に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項３】
前記頻度分布算出部は、前記風力発電装置のブレードのピッチ角に応じて定まるスラスト係数ＣＴを前記積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝Ｕ×σ×ＣＴ）に基づいて、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項４】
前記頻度分布算出部は、前記風力発電装置のブレードのピッチ角に応じて定まるモーメント係数ＣＭを前記積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項５】
前記頻度分布算出部は、前記平均値Ｕ、前記標準偏差σおよび空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成され、
前記疲労推定部は、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉに基づいて前記疲労を推定するように構成された請求項１乃至４の何れか一項に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項６】
前記疲労推定部は、前記風力発電装置に関する既知の疲労寿命に対応した前記変動動圧の基準発生頻度分布と、前記頻度分布算出部によって算出された前記変動動圧の前記発生頻度分布との比較結果に基づいて、前記疲労を推定するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項７】
前記頻度分布算出部は、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成され、
前記疲労推定部は、前記基準発生頻度分布における前記変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて前記疲労を推定するように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項８】
前記疲労推定部は、下記式（１）に基づいて疲労損傷度Ｄを算出し、前記疲労損傷度Ｄに基づいて前記疲労を推定するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
0006309911.tif 000008
（但し、ｉは、前記発生頻度分布又は前記基準発生頻度分布における前記変動動圧のレンジ番号である。）
【請求項９】
前記既知の疲労寿命は前記風力発電装置の設計寿命であり、
前記基準発生頻度分布は、前記風力発電装置の設計時に想定していた前記変動動圧の発生頻度分布であることを特徴とする請求項６乃至８の何れか一項に記載の風力発電装置の疲労評価システム。
【請求項１０】
風を受けて回転するように構成されたロータと、
前記ロータの回転力が伝達され、該回転力によって駆動されるように構成された発電機と、
請求項１乃至９の何れか一項に記載の疲労評価システムと、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１１】
風速を計測する風速計測ステップと、
前記風速の計測結果に基づき、前記風速の平均値Ｕおよび標準偏差σを算出するための統計処理ステップと、
前記統計処理ステップにて算出した前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積を少なくとも用いて表される、風車ロータに作用する風荷重の変動成分を示す風の変動動圧の発生頻度分布を算出する頻度分布算出ステップと、
前記変動動圧の前記発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の疲労を推定する疲労推定ステップと、
を備えることを特徴とする風力発電装置の疲労評価方法。
【請求項１２】
前記頻度分布算出ステップでは、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出し、
前記疲労推定ステップでは、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉに基づいて前記疲労を推定することを特徴とする請求項１１に記載の風力発電装置の疲労評価方法。
【請求項１３】
前記疲労推定ステップでは、前記風力発電装置に関する既知の疲労寿命に対応した前記変動動圧の基準発生頻度分布と、前記頻度分布算出ステップにて算出された前記変動動圧の前記発生頻度分布との比較結果に基づいて、前記疲労を推定することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の風力発電装置の疲労評価方法。
【請求項１４】
前記頻度分布算出ステップでは、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出し、
前記疲労推定ステップでは、前記基準発生頻度分布における前記変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて前記疲労を推定することを特徴とする請求項１３に記載の風力発電装置の疲労評価方法。
【請求項１５】
前記疲労推定ステップでは、下記式（１）に基づいて疲労損傷度Ｄを算出し、前記疲労損傷度Ｄに基づいて前記疲労を推定することを特徴とする請求項１４に記載の風力発電装置の疲労評価方法。
0006309911.tif 000009
（但し、ｉは、前記発生頻度分布又は前記基準発生頻度分布における前記変動動圧のレンジ番号である。）
【請求項１６】
前記既知の疲労寿命は前記風力発電装置の設計寿命であり、
前記基準発生頻度分布は、前記風力発電装置の設計時に想定していた前記変動動圧の発生頻度分布であることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか一項に記載の風力発電装置の疲労評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、疲労評価システム及びこれを備えた風力発電装置、並びに、風力発電装置の疲労評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全の観点から、再生エネルギーとしての風を利用して発電を行う風力発電設備の普及が進んでいる。一般に、風力発電設備は、風力エネルギーを受ける複数のロータブレード及びロータハブを含むロータ、ロータの回転力がドライブトレインを介して伝達される発電機、ロータを回転可能に支持し発電機を収容するナセル、及びナセルを支持するタワー等を備えている。
【０００３】
特許文献１には、風力発電設備におけるロータブレードやドライブトレイン等の部品についてレインフロー処理を用いて疲労評価を行うよう構成された、風力発電設備の監視システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１７６０３１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の監視システムでは、風力発電装置の評価対象部位における荷重の時系列データが必要になる。荷重の時系列データは、データ量の観点から長期保存が難しい。また、特許文献１に記載の監視システムでは、荷重時系列データから荷重振幅及びその発生頻度を算出するための演算処理の負荷が高いため、疲労評価に多くの演算時間を要する。
【０００６】
本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、荷重時系列データの取得を要しない簡易的な疲労評価が可能であり、且つ、疲労評価時間の短縮が可能な風力発電装置の疲労評価システム及びこれを備えた風力発電装置、並びに、風力発電装置の疲労評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電装置の疲労評価システムは、
風速を計測するための風速計と、
前記風速計の計測結果に基づき、前記風速の平均値Ｕおよび標準偏差σを算出するための統計処理部と、
前記統計処理部により算出した前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積に基づいて、前記風の変動動圧の発生頻度分布を算出するように構成された頻度分布算出部と、
前記変動動圧の前記発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の疲労を推定するための疲労推定部と、
を備える。
【０００８】
本発明者らの鋭意検討の結果、風力発電装置の多くの部位（例えば、翼根、タワーの上端部、タワー基部等）の疲労は、風速の統計量（平均値Ｕ及び標準偏差σ）の積に基づいて算出される変動動圧の発生頻度分布に基づく簡易的な手法により評価可能であることが明らかになった。この評価手法の原理は以下の通りである。
風力発電装置では、ロータに作用する風荷重が、ロータを支持する軸受を介してナセル台板に伝わり、さらにナセル台板を介してタワーに伝達される。このため、この種の荷重伝達経路上に位置する多くの部位（例えば、翼根、タワーの上端部、タワー基部等）では、ロータに作用する風による荷重の変動成分と強い相関を示す変動応力が生じることになる。ここで、材料の疲労は、当該材料に生じる変動応力の応力振幅の発生頻度に依存する。よって、ロータに作用する風による荷重の変動成分を表す風の変動動圧の発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の各部位の疲労評価を行うことができる。
上記（１）の構成は、本発明者らの上記知見に基づくものであり、風速の統計量（平均値Ｕ及び標準偏差σ）の積に基づいて算出される変動動圧の発生頻度分布に基づいて、荷重時系列データが利用できない場合であっても疲労評価を行うことができる。また、荷重時系列データから公知の手法（例えば、レインフロー法）によって算出した荷重振幅の発生頻度に基づいて疲労評価を行う場合に比べて、疲労評価に要する演算時間を短縮することができる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記頻度分布算出部は、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出するように構成され、
前記疲労推定部は、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉに基づいて前記疲労を推定するように構成される。
【００１０】
ロータに作用する風による荷重の変動成分は、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）を用いて表すことができる。
そこで、上記（２）の構成では、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき変動動圧Ｐｉを得て、当該変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉをカウントするようになっている。これにより、荷重時系列データを利用できない場合であっても疲労評価を高精度に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【００１１】
（３）一実施形態では、上記（２）の構成において、
前記頻度分布算出部は、前記風力発電装置のブレードのピッチ角に応じて定まるスラスト係数ＣＴを前記積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝Ｕ×σ×ＣＴ）に基づいて、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出するように構成される。
【００１２】
風力発電装置では、ブレードのピッチ角の制御に伴い、スラスト係数ＣＴが変化し得る。例えば、典型的な可変ピッチ風車では、発電出力を定格出力以下に維持するためにブレードのピッチ角制御が行われ、定格風速以上の高風速領域では定風速領域に比べてスラスト係数ＣＴが減少する。
この点、上記（３）の構成によれば、ブレードのピッチ角に応じて定まるスラスト係数ＣＴを前記積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝Ｕ×σ×ＣＴ）に基づいて変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するようにしたので、風力発電装置のピッチ制御が疲労評価結果に与える影響を低減することができる。これにより、風力発電装置の疲労評価をより高精度に行うことができる。
【００１３】
（４）他の実施形態では、上記（２）の構成において、
前記頻度分布算出部は、前記風力発電装置のブレードのピッチ角に応じて定まるモーメント係数ＣＭを前記積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出するように構成される。
【００１４】
風力発電装置では、ブレードのピッチ角の制御に伴い、モーメント係数ＣＭが変化し得る。例えば、典型的な可変ピッチ風車では、発電出力を定格出力以下に維持するためにブレードのピッチ角制御が行われ、定格風速以上の高風速領域では定風速領域に比べてモーメント係数ＣＭが減少する。
この点、上記（４）の構成によれば、ブレードのピッチ角に応じて定まるモーメント係数ＣＭを前記積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するようにしたので、風力発電装置のピッチ制御が疲労評価結果に与える影響を低減することができる。これにより、風力発電装置の疲労評価をより高精度に行うことができる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記頻度分布算出部は、前記平均値Ｕ、前記標準偏差σおよび空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成され、
前記疲労推定部は、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉに基づいて前記疲労を推定するように構成される。
【００１６】
ロータに作用する風による荷重の変動成分は、風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）を用いて表すことができる。
そこで、上記（５）の構成では、風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき変動動圧Ｐｉを得て、当該変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉをカウントするようになっている。これにより、荷重時系列データを利用できない場合であっても疲労評価を高精度に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【００１７】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記疲労推定部は、前記風力発電装置に関する既知の疲労寿命に対応した前記変動動圧の基準発生頻度分布と、前記頻度分布算出部によって算出された前記変動動圧の前記発生頻度分布との比較結果に基づいて、前記疲労を推定するように構成される。
【００１８】
上記（６）の構成によれば、既知の疲労寿命に対応した変動動圧の基準発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の発生頻度分布との比較結果に基づき、前記既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記頻度分布算出部は、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成され、
前記疲労推定部は、前記基準発生頻度分布における前記変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて前記疲労を推定するように構成される。
（８）また、幾つかの実施形態によれば、上記（７）の構成において、
前記疲労推定部は、下記式（１）に基づいて疲労損傷度Ｄを算出し、前記疲労損傷度Ｄに基づいて前記疲労を推定するように構成される。
0006309911.tif 000002
（但し、ｉは、前記発生頻度分布又は前記基準発生頻度分布における前記変動動圧のレンジ番号である。）
【００２０】
上記（７）又は（８）の構成によれば、基準発生頻度分布における変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する、頻度分布算出部によって算出された変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて、前記既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を高精度に行うことができる。
【００２１】
（９）幾つかの実施形態では、上記（６）乃至（８）の何れかの構成において、
前記既知の疲労寿命は前記風力発電装置の設計寿命であり、
前記基準発生頻度分布は、前記風力発電装置の設計時に想定していた前記変動動圧の発生頻度分布である。
【００２２】
上記（９）の構成によれば、風力発電装置の設計寿命を尺度として、風力発電装置の設計時に想定していた変動動圧の発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の実際の発生頻度分布との比較結果に基づいて、どの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。
【００２３】
（１０）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電装置は、
風を受けて回転するように構成されたロータと、
前記ロータの回転力が伝達され、該回転力によって駆動されるように構成された発電機と、
上記（１）乃至（９）の何れかの構成の疲労評価システムと、
を備える。
【００２４】
上記（１０）の構成によれば、上記（１）乃至（９）の何れかの構成の疲労評価システムを具備することにより、荷重時系列データを利用できない場合であっても疲労評価を簡易的に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【００２５】
（１１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電装置の疲労評価方法は、
風速を計測する風速計測ステップと、
前記風速の計測結果に基づき、前記風速の平均値Ｕおよび標準偏差σを算出するための統計処理ステップと、
前記統計処理ステップにて算出した前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積に基づいて、前記風の変動動圧の発生頻度分布を算出する頻度分布算出ステップと、
前記変動動圧の前記発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の疲労を推定する疲労推定ステップと、
を備える。
【００２６】
上記（１１）の方法によれば、風速の統計量（平均値Ｕ及び標準偏差σ）の積に基づいて算出される変動動圧の発生頻度分布に基づいて、荷重時系列データが利用できない場合であっても疲労評価を行うことができる。また、荷重時系列データから公知の手法（例えば、レインフロー法）によって算出した荷重振幅の発生頻度に基づいて疲労評価を行う場合に比べて、疲労評価に要する演算時間を短縮することができる。
【００２７】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の方法において、
前記頻度分布算出ステップでは、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出し、
前記疲労推定ステップでは、前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉに基づいて前記疲労を推定する。
【００２８】
上記（１２）の方法では、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき変動動圧Ｐｉを得て、当該変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉをカウントするようになっている。これにより、荷重時系列データを利用できない場合であっても疲労評価を高精度に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【００２９】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１１）又は（１２）の方法において、
前記疲労推定ステップでは、前記風力発電装置に関する既知の疲労寿命に対応した前記変動動圧の基準発生頻度分布と、前記頻度分布算出ステップにて算出された前記変動動圧の前記発生頻度分布との比較結果に基づいて、前記疲労を推定する。
【００３０】
上記（１３）の方法によれば、既知の疲労寿命に対応した変動動圧の基準発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の発生頻度分布との比較結果に基づき、前記既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。
【００３１】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の方法において、
前記頻度分布算出ステップでは、前記平均値Ｕおよび前記標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉを算出し、
前記疲労推定ステップでは、前記基準発生頻度分布における前記変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する前記変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて前記疲労を推定する。
（１５）また、幾つかの実施形態では、上記（１４）の方法において、
前記疲労推定ステップでは、下記式（１）に基づいて疲労損傷度Ｄを算出し、前記疲労損傷度Ｄに基づいて前記疲労を推定する。
0006309911.tif 000003
（但し、ｉは、前記発生頻度分布又は前記基準発生頻度分布における前記変動動圧のレンジ番号である。）
【００３２】
上記（１４）又は（１５）の方法によれば、基準発生頻度分布における変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する、頻度分布算出部によって算出された変動動圧Ｐｉの前記発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて、前記既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を高精度に行うことができる。
【００３３】
（１６）幾つかの実施形態では、上記（１３）乃至（１５）の何れかの方法において、
前記既知の疲労寿命は前記風力発電装置の設計寿命であり、
前記基準発生頻度分布は、前記風力発電装置の設計時に想定していた前記変動動圧の発生頻度分布である。
【００３４】
上記（１６）の方法によれば、風力発電装置の設計寿命を尺度として、風力発電装置の設計時に想定していた変動動圧の発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の実際の発生頻度分布との比較結果に基づいて、どの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、風力発電装置における各部位の荷重時系列データを利用できない場合であっても、風力発電装置の疲労評価を簡易的に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。
【図２】風速の時系列データの一例を示すグラフである。
【図３】変動動圧Ｐｉ（ρＵσ）の頻度分布の一例を示すグラフである。
【図４】風速とスラスト係数との関係を示すグラフである。
【図５】変動動圧Ｐｉ（ρＵσＣＴ）の頻度分布の一例を示すグラフである。
【図６】風速とモーメント係数との関係を示すグラフである。
【図７】変動動圧Ｐｉ（ρＵσＣＭ）の頻度分布の一例を示すグラフである。
【図８】設計時に想定した風速頻度分布の例を示すグラフである。
【図９】設計時に想定した風速標準偏差分布の例を示すグラフである。
【図１０】設計時に想定した変動動圧の発生頻度を示すグラフである。
【図１１】一実施形態に係る風力発電装置の疲労評価方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３８】
図１は、一実施形態に係る風力発電装置１を示す概略構成図である。
同図に示すように、一実施形態に係る風力発電装置１は、少なくとも一枚のブレード２と、ブレード２と共に回転するように構成された回転シャフト４と、ブレード２及び回転シャフト４を含むロータ５の回転エネルギーによって駆動するように構成された発電機６と、を備える。なお、風力発電装置１は、陸上に設置されていてもよいし、洋上に設置されていてもよい。
【００３９】
図示される具体的な構成例においては、ブレード２は、ハブ３の周囲に複数取り付けられている。ハブ３は回転シャフト４の端部に取り付けられており、ブレード２、ハブ３及び回転シャフト４によってロータ５が構成されている。回転シャフト４は、ナセル７のナセル台板７ａに対して、主軸受８を介して回転自在に支持されている。ナセル台板７ａは、タワー９の端部に取り付けられている。この構成により、ブレード２が風を受けることでロータ５が一体的に回転する。そして、ロータ５の回転エネルギーが発電機６に入力され、発電機６で発電が行われる。
【００４０】
なお、図示される例では、回転シャフト４と発電機６とが直結されている構成を例示したが、回転シャフト４と発電機６との間に、ギア又は油圧トランスミッション等のドライブトレインが設けられていてもよい。ここで、油圧トランスミッションは、回転シャフト４に取り付けられた油圧ポンプと、高圧油ライン及び低圧油ラインを介して油圧ポンプに接続される油圧モータと、を含んで構成される。油圧ポンプで生成された圧油は高圧油ラインを介して油圧モータに供給され、この圧油によって油圧モータが駆動される。油圧モータで仕事をした後の低圧の作動油は、低圧油ラインを経由して油圧ポンプに再び戻される。油圧モータの出力軸は発電機６の入力軸に接続されており、油圧モータの回転が発電機６に入力されて発電が行われるようになっている。
【００４１】
本実施形態において、上記風力発電装置１は、荷重の時系列データの取得を要しない簡易的な疲労評価が可能な疲労評価システム１０をさらに備えている。この疲労評価システム１０は、風力発電装置１における各部位の疲労を評価するものである。疲労評価の対象となる各部位とは、例えば、ブレード２の翼根やタワー９の先端部または基部等が挙げられる。
【００４２】
幾つかの実施形態において、疲労評価システム１０は、風速を計測するための風速計１１と、風速計１１の計測結果に基づいて風力発電装置１の疲労を評価するための演算処理部１２と、を備える。なお、演算処理部１２は、風力発電装置１のナセル７内またはタワー９内の制御装置に設けられてもよいし、遠隔地に設置された遠隔監視制御装置（ＳＣＡＤＡ）に設けられてもよい。
【００４３】
風速計１１は、風力発電装置１又はその近傍に設置される。図示される例では、風力発電装置１のナセル７の上部に設置されている。例えば、風速計１１では、継続的に風速を計測し、図２に例示されるような風速の時系列データを取得する。
【００４４】
演算処理部１２は、統計処理部１３と、頻度分布算出部１４と、疲労推定部１５と、含む。
【００４５】
統計処理部１３は、図２に例示されるような風速計１１の計測結果に基づき、風速の平均値（風速平均）Ｕおよび標準偏差σを算出するように構成される。例えば、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σは、統計的手法によって、所定時間（例えば１０分）毎に算出される。
【００４６】
頻度分布算出部１４は、統計処理部１３により算出した平均値Ｕおよび標準偏差σの積に基づいて、風の変動動圧の発生頻度分布Ｐｉを算出するように構成される。
ここで、ロータ５に作用する風による荷重の変動成分は、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）を用いて表すことができる。そこで、頻度分布算出部１４は、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成されてもよい。
より具体的には、ロータ５に作用する風による荷重の変動成分は、風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）を用いて表すことができる。この場合、頻度分布算出部１４は、平均値Ｕ、標準偏差σおよび空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき得られる変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成されてもよい。これにより、図３に例示されるような変動動圧Ｐｉの頻度分布が得られる。なお、図３は、変動動圧Ｐｉ（ρＵσ）の頻度分布の一例を示すグラフである。
【００４７】
疲労推定部１５は、頻度分布算出部１４で算出された変動動圧の発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の疲労を推定するように構成される。すなわち、疲労推定部１５は、図３に例示されるような変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉに基づいて、疲労を推定するように構成される。なお、疲労推定部１５における疲労推定については後述する。
【００４８】
本発明者らの鋭意検討の結果、風力発電装置１の多くの部位（例えば、ブレード２の翼根、タワー９の上端部、タワー９の基部等）の疲労は、風速の統計量（平均値Ｕ及び標準偏差σ）の積に基づいて算出される変動動圧の発生頻度分布に基づく簡易的な手法により評価可能であることが明らかになった。この評価手法の原理は以下の通りである。
【００４９】
風力発電装置では、ロータ５に作用する風荷重が、ロータ５を支持する主軸受８を介してナセル台板７ａに伝わり、さらにナセル台板７ａを介してタワー９に伝達される。このため、この種の荷重伝達経路上に位置する多くの部位（例えば、ブレード２の翼根、タワー９の上端部又は基部等）では、ロータ５に作用する風による荷重の変動成分と強い相関を示す変動応力が生じることになる。ここで、材料の疲労は、当該材料に生じる変動応力の応力振幅の発生頻度に依存する。よって、ロータ５に作用する風による荷重の変動成分を表す風の変動動圧の発生頻度分布に基づいて、風力発電装置１の各部位の疲労評価を行うことができる。
【００５０】
上記構成は、本発明者らの上記知見に基づくものであり、風速の統計量（平均値Ｕ及び標準偏差σ）の積に基づいて算出される変動動圧の発生頻度分布に基づいて、荷重時系列データが利用できない場合であっても疲労評価を行うことができる。また、荷重時系列データから公知の手法（例えば、レインフロー法）によって算出した荷重振幅の発生頻度に基づいて疲労評価を行う場合に比べて、疲労評価に要する演算時間を短縮することができる。具体的には、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）、より具体的には風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき変動動圧Ｐｉを得て、当該変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉをカウントするようになっている。これにより、荷重時系列データを利用できない場合であっても疲労評価を高精度に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【００５１】
一実施形態では、頻度分布算出部１４は、風力発電装置１のブレード２のピッチ角に応じて定まるスラスト係数ＣＴを積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝Ｕ×σ×ＣＴ）に基づいて、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成される。
より具体的には、頻度分布算出部１４は、風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に対してスラスト係数ＣＴをさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝ρ×Ｕ×σ×ＣＴ）に基づいて、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成される。
この場合、疲労推定部１５は、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉに基づいて疲労を推定するように構成される。
【００５２】
この構成においては、ロータ５に作用する荷重Ｍに影響を与える因子として、スラスト係数ＣＴを考慮し、より高精度な疲労推定を行うようになっている。
ロータ５に作用する風による荷重Ｍ（スラスト荷重）は、以下の式（２）により算出される。
0006309911.tif 000004
ここで、Ｍは荷重（スラスト荷重）、ρは空気密度、Ｕは風速の平均値、ＣＴはスラスト係数、Ａはロータ面積である。
風力発電装置１では、ブレード２のピッチ角の制御に伴い、スラスト係数ＣＴが変化し得る。例えば、典型的な可変ピッチ風車では、図４に示されるように、発電出力を定格出力以下に維持するためにブレード２のピッチ角制御が行われ、定格風速以上の高風速領域では定風速領域に比べてスラスト係数ＣＴが減少する。なお、図４は、風速とスラスト係数との関係を示すグラフである。
【００５３】
そこで、上記構成において頻度分布算出部１４は、ブレード２のピッチ角に応じて定まるスラスト係数ＣＴを積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝Ｕ×σ×ＣＴ）、より具体的には風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に対してスラスト係数ＣＴをさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝ρ×Ｕ×σ×ＣＴ）に基づいて変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するようにしている。これにより、図５に例示されるような、スラスト係数ＣＴを加味した変動動圧Ｐｉの頻度分布が得られる。なお、図５は、変動動圧Ｐｉ（ρＵσＣＴ）頻度分布の一例を示すグラフである。
この構成によれば、風力発電装置１のピッチ制御が疲労評価結果に与える影響を低減することができ、風力発電装置１の疲労評価をより高精度に行うことができる。
【００５４】
他の実施形態では、頻度分布算出部１４は、風力発電装置１のブレード２のピッチ角に応じて定まるモーメント係数ＣＭを積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成される。
より具体的には、頻度分布算出部１４は、風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に対してモーメント係数ＣＭをさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝ρ×Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するように構成される。
この場合、疲労推定部１５は、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉに基づいて疲労を推定するように構成される。
【００５５】
この構成においては、ロータ５に作用する荷重Ｍに影響を与える因子として、モーメント係数ＣＭを考慮し、より高精度な疲労推定を行うようになっている。
ロータ５に作用する風による荷重Ｍ（モーメント荷重）は、以下の式（３）により算出される。
0006309911.tif 000005
ここで、Ｍは荷重（モーメント荷重）、ρは空気密度、Ｕは風速の平均値、ＣＭはモーメント係数、Ａはロータ面積である。
風力発電装置１では、ブレード２のピッチ角の制御に伴い、モーメント係数ＣＭが変化し得る。例えば、典型的な可変ピッチ風車では、図６に示されるように、発電出力を定格出力以下に維持するためにブレード２のピッチ角制御が行われ、定格風速以上の高風速領域では定風速領域に比べてモーメント係数ＣＭが減少する。なお、図６は、風速とモーメント係数との関係を示すグラフである。
【００５６】
そこで、上記構成において頻度分布算出部１４は、ブレード２のピッチ角に応じて定まるモーメント係数ＣＭを積Ｘ１にさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝Ｕ×σ×ＣＭ）、より具体的には風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に対してモーメント係数ＣＭをさらに乗じて得られる積Ｘ２’（＝ρ×Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出するようにしている。これにより、図７に例示されるような、モーメント係数ＣＭを加味した変動動圧Ｐｉの頻度分布が得られる。なお、図７は、変動動圧Ｐｉ（ρＵσＣＭ）頻度分布の一例を示すグラフである。
この構成によれば、風力発電装置１のピッチ制御が疲労評価結果に与える影響を低減することができ、風力発電装置１の疲労評価をより高精度に行うことができる。
【００５７】
次に、疲労推定部１５における疲労推定について詳細に説明する。
幾つかの実施形態では、疲労推定部１５は、風力発電装置１に関する既知の疲労寿命に対応した変動動圧Ｐｉの基準発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧Ｐｉの発生頻度分布との比較結果に基づいて、疲労を推定するように構成される。
具体的には、疲労推定部１５は、基準発生頻度分布における変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて疲労を推定するように構成される。
より具体的には、疲労推定部１５は、下記式（１）に基づいて疲労損傷度Ｄを算出し、疲労損傷度Ｄに基づいて疲労を推定するように構成される。
0006309911.tif 000006
（但し、ｉは、発生頻度分布又は基準発生頻度分布における変動動圧のレンジ番号である。）
【００５８】
上記構成によれば、既知の疲労寿命に対応した変動動圧の基準発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の発生頻度分布との比較結果に基づき、既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。また、基準発生頻度分布における変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する、頻度分布算出部によって算出された変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて、既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を高精度に行うことができる。
【００５９】
一実施形態において、既知の疲労寿命は風力発電装置１の設計寿命であり、基準発生頻度分布は、風力発電装置１の設計時に想定していた変動動圧の発生頻度分布である。
以下、風力発電装置１の設計寿命を用いた疲労寿命の評価について具体的に説明する。
【００６０】
図８は、設計時に想定した風速頻度分布の例を示すグラフである。図９は、設計時に想定した風速標準偏差分布の例を示すグラフである。図１０は、設計時に想定した変動動圧の頻度分布（基準発生頻度分布）の例を示すグラフである。
図１０に示すように風力発電装置１の設計時に想定した変動動圧の頻度分布（基準発生頻度分布）は、図８に示す設計時に想定した風速頻度分布と、図９に示す設計時に想定した風速標準偏差分布と、から算出される。具体的には、風力発電装置１の設計時に想定した変動動圧の頻度分布は、設計時に想定した風速頻度分布、設計時に想定した風速標準偏差分布、および風力発電装置１のスラスト係数ＣＴ又はモーメント係数ＣＭの積により算出される。
なお、設計時に想定した風速頻度分布は、例えばレイリー分布を仮定し、年平均風速Ｕａｖｅから各レンジの風速出現率を推定することによって取得する。ここで、年平均風速Ｕａｖｅは、評価対象とする風力発電装置１の設計クラスによって決定される。また、設計時に想定した風速標準偏差分布は、例えばＩＥＣ規格の標準乱流モデルから取得する。このとき、基準となる乱れとして、評価対象とする風力発電装置１の設計クラスによって決定された乱れを用いる。
【００６１】
こうして、評価対象とする風力発電装置１が設計寿命に到達するときの変動動圧の頻度分布（基準発生頻度分布）を算出する。
そして、疲労推定部１５では、統計処理部１３及び頻度分布算出部１４によって算出された、風力発電装置１の実際の運転における現時点までの変動動圧Ｐｉの発生頻度分布（図３参照）と、風力発電装置１が設計寿命に到達するときの変動動圧の頻度分布（図１０参照）と、を比較して、風力発電装置１の対象部位の疲労損傷度Ｄを上記式（３）によって算出する。
【００６２】
この構成によれば、風力発電装置１の設計寿命を尺度として、風力発電装置１の設計時に想定していた変動動圧の発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の実際の発生頻度分布との比較結果に基づいて、どの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。
【００６３】
次に、図１１を参照して風力発電装置１の疲労評価方法について説明する。図１１は、風力発電装置１の疲労評価方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、図１に示した符号を適宜用いる。
【００６４】
幾つかの実施形態に係る風力発電装置１の疲労評価方法では、風速計測ステップＳ１において、風速計１１により風速を計測する。
そして、統計処理ステップＳ２において、風速の計測結果に基づき、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σを算出する。
【００６５】
次いで、頻度分布算出ステップＳ３において、統計処理ステップＳ２にて算出した平均値Ｕおよび標準偏差σの積に基づいて、風の変動動圧の発生頻度分布を算出する。このとき、風の変動動圧の発生頻度分布として、平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）に基づき得られる変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出してもよい。より具体的には、風の変動動圧の発生頻度分布として、風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき得られる変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出してもよい。ここでは、風速の平均値Ｕおよび標準偏差σの積Ｘ１（＝Ｕ×σ）、又は風速の平均値Ｕ及び標準偏差σ並びに空気密度ρの積Ｘ３（＝ρ×Ｕ×σ）に基づき変動動圧Ｐｉを得て、当該変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉをカウントするようになっている。これにより、荷重時系列データを利用できない場合であっても疲労評価を高精度に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
あるいは、風の変動動圧の発生頻度分布として、風力発電装置１のブレード２のピッチ角に応じて定まるスラスト係数ＣＴ又はモーメント係数ＣＭを、積Ｘ１又は積Ｘ３にさらに乗じて得られる積Ｘ２（＝Ｕ×σ×ＣＴ）又はＸ２’
（＝Ｕ×σ×ＣＭ）に基づいて、変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉを算出してもよい。これにより、風力発電装置１のピッチ制御が疲労評価結果に与える影響を低減することができ、風力発電装置１の疲労評価をより高精度に行うことができる。
【００６６】
続いて、疲労推定ステップＳ４において、変動動圧の発生頻度分布に基づいて、風力発電装置の疲労を推定する。
疲労推定ステップＳ４では、風力発電装置１に関する既知の疲労寿命に対応した変動動圧の基準発生頻度分布と、頻度分布算出ステップにて算出された変動動圧の発生頻度分布との比較結果に基づいて、疲労を推定する。具体的には、疲労推定ステップＳ４では、基準発生頻度分布における変動動圧Ｐｉの発生頻度Ｎｉに対する変動動圧Ｐｉの発生頻度ｎｉの比ｎｉ／Ｎｉに基づいて疲労を推定する。この場合、疲労推定ステップＳ４では、下記式（１）に基づいて疲労損傷度Ｄを算出し、疲労損傷度Ｄに基づいて疲労を推定してもよい。
0006309911.tif 000007
（但し、ｉは、発生頻度分布又は基準発生頻度分布における変動動圧のレンジ番号である。）
これにより、既知の疲労寿命を尺度としてどの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を高精度に行うことができる。
【００６７】
上記方法によれば、風速の統計量（平均値Ｕ及び標準偏差σ）の積に基づいて算出される変動動圧の発生頻度分布に基づいて、荷重時系列データが利用できない場合であっても疲労評価を行うことができる。また、荷重時系列データから公知の手法（例えば、レインフロー法）によって算出した荷重振幅の発生頻度に基づいて疲労評価を行う場合に比べて、疲労評価に要する演算時間を短縮することができる。
【００６８】
また、上記方法において、既知の疲労寿命は風力発電装置１の設計寿命であり、基準発生頻度分布は、風力発電装置の設計時に想定していた変動動圧の発生頻度分布であってもよい。
これによれば、風力発電装置１の設計寿命を尺度として、風力発電装置の設計時に想定していた変動動圧の発生頻度分布と、頻度分布算出部によって算出された変動動圧の実際の発生頻度分布との比較結果に基づいて、どの程度疲労が進行しているかについて定量的に評価を行うことができる。
【００６９】
上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、風力発電装置１における各部位の荷重時系列データを利用できない場合であっても、風力発電装置１の疲労評価を簡易的に実施することができ、且つ、疲労評価時間を短縮することができる。
【００７０】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００７１】
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００７２】
１        風力発電装置
２        ブレード
３        ハブ
４        回転シャフト
５        ロータ
６        発電機
７        ナセル
７ａ      ナセル台板
８        主軸受
９        タワー
１０      疲労評価システム
１１      風速計
１２      演算処理部
１３      統計処理部
１４      頻度分布算出部
１５      疲労推定部
【図１】
0006309911.tif 000010
【図２】
0006309911.tif 000011
【図３】
0006309911.tif 000012
【図４】
0006309911.tif 000013
【図５】
0006309911.tif 000014
【図６】
0006309911.tif 000015
【図７】
0006309911.tif 000016
【図８】
0006309911.tif 000017
【図９】
0006309911.tif 000018
【図１０】
0006309911.tif 000019
【図１１】
0006309911.tif 000020