(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電設備の疲労評価システムであって、
風力発電設備の各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得するよう構成された応力変化情報取得部と、
前記応力変化情報取得部によって取得した前記応力変化情報に基づいて、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成された応力振幅情報算出部と、
前記応力振幅情報算出部の算出結果と前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、前記単位期間における前記各評価点の累積損傷度Ｄｕを算出する累積損傷度算出部と、
前記累積損傷度算出部の算出結果を評価期間全体にわたって累計して前記各評価点における前記評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを演算する全累積損傷度演算部と、
前記全累積損傷度演算部によって演算した前記各評価点における前記全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較して前記風力発電設備における前記各評価点の属する部位の疲労評価を行う疲労評価部と、
前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えた場合、及び、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔの増大速度が許容値を超えた場合に警告信号を生成するよう構成された警告信号生成部と、を備え、
前記累積損傷度算出部は、以下の式（１）に基づいて前記累積損傷度Ｄｕを演算するよう構成される、疲労評価システム。
0006345041.tif 000006
ここで、Ｎｉは、前記応力振幅Ｆｉに対応する破断繰り返し数であり、以下の式（２）に基づいて算出される。
ここで、ＮＲｅｆは、基準応力振幅ＦＲｅｆに対する破断繰り返し数であり、ｍは前記Ｓ−Ｎ
線図の情報における破断繰り返し数Ｎｉと応力振幅Ｆｉとの関係を示す関数の傾きである。
0006345041.tif 000007
【請求項２】
前記閾値が１である、請求項１に記載の疲労評価システム。
【請求項３】
前記閾値は、前記風力発電設備の運用開始からの経過時間の増大とともに増加する請求項１に記載の疲労評価システム。
【請求項４】
前記単位期間は、１分以上６００分以下の期間である請求項１乃至３の何れか１項に記載の疲労評価システム。
【請求項５】
前記評価点のうち少なくとも一つは、タワーのトップ部、タワーのボトム部、ロータハブ又はロータブレードの何れか１つに属する請求項１乃至４の何れか１項に記載の疲労評価システム。
【請求項６】
風力発電設備の疲労評価システムであって、
風力発電設備の各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得するよう構成された応力変化情報取得部と、
前記応力変化情報取得部によって取得した前記応力変化情報に基づいて、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成された応力振幅情報算出部と、
前記応力振幅情報算出部の算出結果と前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、前記単位期間における前記各評価点の累積損傷度Ｄｕを算出する累積損傷度算出部と、
前記累積損傷度算出部の算出結果を評価期間全体にわたって累計して前記各評価点における前記評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを演算する全累積損傷度演算部と、
前記全累積損傷度演算部によって演算した前記各評価点における前記全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較して前記風力発電設備における前記各評価点の属する部位の疲労評価を行う疲労評価部と、を備え、
前記累積損傷度算出部は、以下の式（１）に基づいて前記累積損傷度Ｄｕを演算するよう構成され、
前記風力発電設備は、ロータハブに取り付けられた複数のロータブレードを備えており、
前記評価点の少なくとも一部は、前記複数のロータブレードの各々に属しており、
前記全累積損傷度演算部によって演算した前記複数のロータブレードの各々に属する前記評価点の前記全累積損傷度Ｄｔを互いに比較することにより、前記複数のロータブレードの各々の欠陥を判定するよう構成された欠陥判定部を更に備える疲労評価システム。
0006345041.tif 000008
ここで、Ｎｉは、前記応力振幅Ｆｉに対応する破断繰り返し数であり、以下の式（２）に基づいて算出される。
ここで、ＮＲｅｆは、基準応力振幅ＦＲｅｆに対する破断繰り返し数であり、ｍは前記Ｓ−Ｎ
線図の情報における破断繰り返し数Ｎｉと応力振幅Ｆｉとの関係を示す関数の傾きである。
0006345041.tif 000009
【請求項７】
前記応力振幅情報算出部は、前記応力変化情報取得部によって取得した前記応力変化情報に対してレインフロー処理を行うことにより、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成される請求項１乃至６の何れか１項に記載の疲労評価システム。
【請求項８】
前記全累積損傷度演算部によって演算した各評価点の前記全累積損傷度Ｄｔをグラフ化して表示するよう構成された表示部を更に備える請求項１乃至７の何れか１項に記載の疲労評価システム。
【請求項９】
前記風力発電設備の前記各評価点に生じる応力を計測するための計測装置を更に備え、
前記応力変化情報取得部は、前記応力変化情報を前記計測装置から取得するよう構成される請求項１乃至８の何れか１項に記載の疲労評価システム。
【請求項１０】
風力発電設備の疲労評価システムであって、
風力発電設備の各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得するよう構成された応力変化情報取得部と、
前記応力変化情報取得部によって取得した前記応力変化情報に基づいて、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成された応力振幅情報算出部と、
前記応力振幅情報算出部の算出結果と前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、前記単位期間における前記各評価点の累積損傷度Ｄｕを算出する累積損傷度算出部と、
前記累積損傷度算出部の算出結果を評価期間全体にわたって累計して前記各評価点における前記評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを演算する全累積損傷度演算部と、
前記全累積損傷度演算部によって演算した前記各評価点における前記全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較して前記風力発電設備における前記各評価点の属する部位の疲労評価を行う疲労評価部と、を備え、
前記累積損傷度算出部は、以下の式（１）に基づいて前記累積損傷度Ｄｕを演算するよう構成され、
前記閾値は、前記風力発電設備の運用開始からの経過時間の増大とともに増加するとともに、
前記全累積損傷度演算部は、前記単位期間が経過する毎に、各評価点について最新の前記単位期間における前記累積損傷度Ｄｕを前記全累積損傷度Ｄｔの前回値に加算し、前記全累積損傷度Ｄｔを更新するように構成され、
前記疲労評価システムは、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を少なくとも一回超えた場合に、当該評価点について前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えていることを示すフラグをオンにするよう構成されたフラグ設定部を更に備える疲労評価システム。
0006345041.tif 000010
ここで、Ｎｉは、前記応力振幅Ｆｉに対応する破断繰り返し数であり、以下の式（２）に基づいて算出される。
ここで、ＮＲｅｆは、基準応力振幅ＦＲｅｆに対する破断繰り返し数であり、ｍは前記Ｓ−Ｎ
線図の情報における破断繰り返し数Ｎｉと応力振幅Ｆｉとの関係を示す関数の傾きである。
0006345041.tif 000011
【請求項１１】
前記風力発電設備の前記各評価点に生じる応力を計測するための計測装置を更に備え、前記応力変化情報取得部は、前記応力変化情報を前記計測装置から取得するよう構成され、
前記フラグ設定部は、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて前記閾値を超えた場合にのみ、当該評価点について前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えていることを示すフラグをオンにするよう構成されたフラグ設定部を更に備える請求項１０に記載の疲労評価システム。
【請求項１２】
前記フラグ設定部は、全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて前記閾値以下であった場合にのみ、当該評価点について前記フラグをオフにするよう構成される請求項１１に記載の疲労評価システム。
【請求項１３】
風力エネルギーを受けて回転するよう構成されたロータと、
前記ロータの回転力が伝達される発電機と、
請求項１乃至１２の何れか１項に記載の疲労評価システムと、
を備える風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風力発電設備の疲労評価システムに関する。
【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には、疲労評価を行うための累積損傷度の算出手法等の具体的な評価手法については記載されておらず、風力発電設備の各部位について適切な疲労評価を行うための知見が十分に開示されていない。
【０００６】
本発明は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、風力発電設備における各部位について疲労評価を適切に行うこと可能とする、風力発電設備の疲労評価システム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一実施形態に係る風力発電設備の疲労評価システムは、風力発電設備の各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得するよう構成された応力変化情報取得部と、前記応力変化情報取得部によって取得した前記応力変化情報に基づいて、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成された応力振幅情報算出部と、前記応力振幅情報算出部の算出結果と前記各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、前記単位期間における前記各評価点の累積損傷度Ｄｕを算出する累積損傷度算出部と、前記累積損傷度算出部の算出結果を評価期間全体にわたって累計して前記各評価点における前記評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを演算する全累積損傷度演算部と、前記全累積損傷度演算部によって演算した前記各評価点における前記全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較して前記風力発電設備における前記各評価点の属する部位の疲労評価を行う疲労評価部と、を備え、前記累積損傷度算出部は、以下の式（１）に基づいて前記累積損傷度Ｄｕを演算するよう構成される、疲労評価システム。
0006345041.tif 000002
ここで、Ｎｉは、前記応力振幅Ｆｉに対応する破断繰り返し数であり、以下の式（２）に基づいて算出される。
0006345041.tif 000003
ここで、ＮＲｅｆは、基準応力振幅ＦＲｅｆに対する破断繰り返し数であり、ｍは前記Ｓ−Ｎ線図の情報における破断繰り返し数Ｎｉと応力振幅Ｆｉとの関係を示す関数の傾きである。
【０００８】
上記（１）に記載の疲労評価システムによれば、風力発電設備において単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉと、各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報と、に基づいて、各評価点について累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄｔを算出することができる。
このため、この全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較することにより、各評価点の属する部位の疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。
したがって、例えば、次回の定期メンテナンスの時期までに何れかの評価点に対応する部位の余寿命が尽きてしまうことが予想される場合、次回のメンテナンスの時期を早めたり、風力発電設備の稼働率を下げて定期メンテナンスの時期まで余寿命を延長する。これにより、風力発電設備の各部位の破損等による予期しない運転停止を防ぐことが可能となる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の疲労評価システムにおいて、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えた場合に警告信号を生成するよう構成された警告信号生成部を更に備える。
【００１０】
上記（２）に記載の疲労評価システムによれば、全累積損傷度Ｄｔが一定の値を超えると破損のリスクが高まるため、このような場合に警告のための警告信号を警告信号生成部が生成することにより、警告に応じて風力発電設備の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の疲労評価システムにおいて、前記警告信号生成部は、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔの増大速度が許容値を超えた場合にも警告信号を生成するよう構成される。
【００１２】
風力発電設備の少なくとも一つの評価点の全累積損傷度の増大速度が許容値を超えた場合、想定外の応力分布の発生を招くような異常が風力発電設備に起きていると推定される。したがって、上記（３）に記載の疲労評価システムの警告信号生成部は、このような場合に警告のための警告信号を生成することにより、警告に応じて風力発電設備の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の疲労評価システムにおいて、前記閾値が１である。
【００１４】
上記（４）に記載の疲労評価システムによれば、全累積損傷度演算部によって演算した各評価点の全累積損傷度Ｄｔを、設計寿命を示す値である１と比較することにより、各評価点の属する部位の予寿命を累積疲労損傷則に基づき正確に把握することができる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（３）に記載の疲労評価システムにおいて、前記閾値は、前記風力発電設備の運用開始からの経過時間の増大とともに増加する。
【００１６】
各評価点における全累積損傷度Ｄｔは、風力発電設備の運用開始からの経過時間の経過とともに増大する。このため、任意の時刻において、各評価点における全累積損傷度Ｄｔが正常な値かどうかを適切に判断するためには、全累積損傷度Ｄｔと比較する閾値を風力発電設備の運用開始からの経過時間の経過とともに適切に変化させる必要がある。この点、上記（５）に記載の状態評価システムによれば、全累積損傷度Ｄｔと比較する閾値を風力発電設備の運用開始からの経過時間の増大とともに増加させることにより、任意の時点での各評価点における全累積損傷度Ｄｔが正常な値であるかどうかを適切に評価することが可能となる。
【００１７】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（５）に記載の疲労評価システムにおいて、前記単位期間は、１分以上６００分以下の期間である。
【００１８】
累積損傷度Ｄｕを算出する単位期間が短いほど、該累積損傷度に基づく疲労評価を頻繁に実行することが可能となるため、風力発電設備において全累積損傷度Ｄｔの急激な増大等を招く何らかの異常が生じても、速やかに該異常を発見して風力発電設備の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。しかしながら、累積損傷度Ｄｕを算出する単位期間が短いほど、累積損傷度算出部及び全累積損傷度演算部における計算負荷が大きくなってしまう。この点、上記（６）に記載の疲労評価システムによれば、風力発電設備において全累積損傷度Ｄｔの急激な増大等を招くような異常の発見が遅れるリスクと上記計算負荷とを勘案した最適な頻度で、累積損傷度Ｄｕを算出することができる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れか１項に記載の疲労評価システムにおいて、前記評価点のうち少なくとも一つは、タワーのトップ部、タワーのボトム部、ロータハブ又はロータブレードの何れか１つに属する。
【００２０】
上記（７）に記載の疲労評価システムによれば、風力発電設備において破損が生じるリスクのある主要箇所について、累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄｔを算出することができる。したがって、該全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較することにより、破損が生じるリスクのある主要箇所についての疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。
【００２１】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか１項に記載の疲労評価システムにおいて、前記風力発電設備は、ロータハブに取り付けられた複数のロータブレードを備えており、前記評価点の少なくとも一部は、前記複数のロータブレードの各々に属しており、前記疲労評価システムは、前記全累積損傷度演算部によって演算した前記複数のロータブレードの各々に属する前記評価点の前記全累積損傷度Ｄｔを互いに比較することにより、前記複数のロータブレードの各々の欠陥を判定するよう構成された欠陥判定部を更に備える。
【００２２】
風力発電設備が複数のロータブレードを備えている場合、各ロータブレードの同一箇所（例えば、あるロータブレードの翼根部と、他のロータブレードの翼根部）に生じる応力の時間平均値（ロータの回転周期よりも十分に長い時間における時間平均値）は、ロータが回転しているため基本的に略同一である。したがって、各ロータブレードに属する評価点の全累積損傷度Ｄｔを互いに比較することにより、各ロータブレードの欠陥を判定することができる。
【００２３】
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れか１項に記載の疲労評価システムにおいて、前記応力振幅情報算出部は、前記応力変化情報取得部によって取得した前記応力変化情報に対してレインフロー処理を行うことにより、前記単位期間に前記各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成される。
【００２４】
上記（９）に記載の疲労評価システムによれば、応力変化情報取得部対してレインフロー処理を行うことにより、応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを正確に算出することが可能となる。
【００２５】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）に記載の疲労評価システムにおいて、前記全累積損傷度演算部によって演算した各評価点の前記全累積損傷度Ｄｔをグラフ化して表示するよう構成された表示部を更に備える。
【００２６】
上記（１０）に記載の疲労評価システムによれば、各評価点の全累積損傷度Ｄｔをグラフ化して表示することにより、オペレータが各評価点の全累積損傷度Ｄｔを視覚的に把握することが可能となる。このため、表示された全累積損傷度Ｄｔのグラフに基づいて、オペレータが風力発電設備の各評価点における余寿命等を容易に把握することができる。したがって、オペレータが風力発電設備の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００２７】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）に記載の疲労評価システムにおいて、前記風力発電設備の前記各評価点に生じる応力を計測するための計測装置を更に備え、前記応力変化情報取得部は、前記応力変化情報を前記計測装置から取得するよう構成される。
【００２８】
上記（１１）に記載の疲労評価システムによれば、風力発電設備の各評価点に生じているリアルタイムの応力に関する応力変化情報を、計測装置を介して応力変化情報取得部が取得することができる。これにより、各評価点に生じているリアルタイムの応力に関する応力変化情報に基づいて、例えば風力発電設備の運用開始から現在に至るまでの各評価点の全累積損傷度Ｄｔを全累積損傷度演算部によって演算することができる。したがって、このように演算した全累積損傷度Ｄｔを例えば設計寿命に対応する閾値と比較することにより、風力発電設備の各部位の余寿命を正確に評価することができる。
【００２９】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載の疲労評価システムにおいて、前記全累積損傷度演算部は、前記単位期間が経過する毎に、各評価点について最新の前記単位期間における前記累積損傷度Ｄｕを前記全累積損傷度Ｄｔの前回値に加算し、前記全累積損傷度Ｄｔを更新するように構成され、前記疲労評価システムは、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を少なくとも一回超えた場合に、当該評価点について前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えていることを示すフラグをオンにするよう構成されたフラグ設定部を更に備える。
【００３０】
上記（１２）に記載の疲労評価システムによれば、少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが閾値を超えたタイミングを、フラグの状態によって特定できる。したがって、例えば、そのタイミングにおける風力発電設備を構成する各機器の可動状態等を後から参照して、当該評価点の全累積損傷度Ｄｔが閾値を超えた原因等を特定することが可能となる。
【００３１】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）に記載の疲労評価システムにおいて、前記風力発電設備の前記各評価点に生じる応力を計測するための計測装置を更に備え、前記応力変化情報取得部は、前記応力変化情報を前記計測装置から取得するよう構成され、前記フラグ設定部は、前記全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて前記閾値を超えた場合にのみ、当該評価点について前記全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えていることを示すフラグをオンにするよう構成されたフラグ設定部を更に備える。
【００３２】
上記（１３）に記載の疲労評価システムによれば、風力発電設備の各評価点に生じているリアルタイムの応力に関する応力変化情報を、計測装置を介して応力変化情報取得部が取得することができる。これにより、各評価点に生じているリアルタイムの応力に関する応力変化情報に基づいて、例えば風力発電設備の運用開始から現在に至るまでの各評価点の全累積損傷度Ｄｔを全累積損傷度演算部によって演算することができる。
【００３３】
一方、計測装置によって得られる応力変化情報は一時的な外乱によってばらつきが存在するため、算出される全累積損傷度Ｄｔにもこのばらつきの影響が出ることがある。この点、上記（１３）に記載の疲労評価システムによれば、少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて閾値を超えた場合にのみ、当該評価点について全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えていることを示すフラグをオンにする。このため、フラグをオンにするタイミングに対する上記ばらつきの影響を抑制することができる。
【００３４】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）に記載の疲労評価システムにおいて、前記フラグ設定部は、全累積損傷度演算部によって演算した少なくとも一つの評価点の前記全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて前記閾値以下であった場合にのみ、当該評価点について前記フラグをオフにするよう構成される。
【００３５】
上記（１４）に記載の疲労評価システムによれば、上記（１３）に記載の疲労評価システムにおいて、フラグをオフにするタイミングに対する上記ばらつきの影響を抑制することができる。
【００３６】
（１５）本発明の一実施形態に係る風力発電設備によれば、風力エネルギーを受けて回転するよう構成されたロータと、前記ロータの回転力が伝達される発電機と、上記（１）乃至（１４）の何れか１項に記載の疲労評価システムと、
を備える風力発電設備。
【００３７】
上記（１５）に記載の風力発電設備によれば、上記（１）乃至（１４）の何れか１項に記載の疲労評価システムを用いることにより、各評価点の属する部位の疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。
【００３８】
したがって、例えば、次回の定期メンテナンスの時期までに何れかの評価点に対応する部位の余寿命が尽きてしまうことが予想される場合、次回のメンテナンスの時期を早めたり、風力発電設備の稼働率を下げて定期メンテナンスの時期まで余寿命を延長する。これにより、風力発電設備の各部位の破損等による予期しない運転停止を防ぐことが可能となる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、風力発電設備における各部位について疲労評価を適切に行うこと可能とする、風力発電設備の疲労評価システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の疲労評価システムの構成例を示す図である。
【図３】破断繰り返し数Ｎｉと応力振幅Ｆｉとの関係を示すＳ−Ｎ線図の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る閾値Ｄｔｈの設定値の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る閾値Ｄｔｈの設定値の例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る表示部が表示するグラフの例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る疲労評価のフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
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。
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」、「具える」、「具備する」、「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。
【００４２】
図１は、本発明の一実施形態に係る疲労評価システムの疲労評価対象である風力発電設備の全体構成を示す概略図である。
【００４３】
風力発電設備１は、風力エネルギーを受ける複数のロータブレード２（２ａ，２ｂ、２ｃ）及びロータハブ４を含むロータ６と、ロータ６の回転力を不図示の増速機を介して伝達される発電機８と、ロータ６を回転可能に支持するとともに発電機８を収容するナセル１０と、ナセル１０を支持するタワー１２と、を備える。
【００４４】
図２は、風力発電設備１の疲労を評価する疲労評価システム１００の構成例を示す図である。
【００４５】
幾つかの実施形態では、図２に示す疲労評価システム１００は、応力変化情報取得部１４、応力振幅情報算出部１６、累積損傷度算出部１８、全累積損傷度演算部２０及び疲労評価部２２等を含む。
【００４６】
応力変化情報取得部１４は、風力発電設備１の各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を取得するよう構成されている。
【００４７】
応力振幅情報算出部１６は、応力変化情報取得部１４によって取得した応力変化情報に基づいて、単位期間（例えば１分以上６００分以下の期間であり、１０分等の所定期間である。）に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出するよう構成されている。一実施形態では、応力振幅情報算出部１６は、応力変化情報取得部１４によって取得した応力変化情報に対してレインフロー処理を行うことにより、単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを算出してもよい。
【００４８】
累積損傷度算出部１８は、応力振幅情報算出部１６の算出結果と各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、上記単位期間における各評価点の累積損傷度Ｄｕを算出するよう構成されている。累積損傷度算出部１８は、以下の式（１）に基づいて、上記単位期間における各評価点の累積損傷度Ｄｕを演算するよう構成されている。
0006345041.tif 000004
【００４９】
ここで、Ｎｉは、応力振幅Ｆｉに対応する破断繰り返し数であり、以下の式（２）に基づいて算出される。
0006345041.tif 000005
ここで、ＮＲｅｆは、基準応力振幅ＦＲｅｆに対する破断繰り返し数であり、ｍはＳ−Ｎ線図の情報における破断繰り返し数Ｎｉと応力振幅Ｆｉとの関係を示す関数の傾きである。
【００５０】
なお、Ｓ−Ｎ線図は、図３に例示するようにある応力振幅Ｆiが何回繰り返されたら損傷するかを表す線図であり、例えば疲労評価システム１００が備える記憶装置３２（図２参照）に保存し必要なタイミングで読み出せばよい。
【００５１】
全累積損傷度演算部２０は、累積損傷度算出部１８の算出結果を評価期間全体にわたって累計して各評価点における評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを演算するよう構成されている。また、全累積損傷度演算部２０は、単位期間が経過する毎に、各評価点について最新の単位期間における累積損傷度Ｄｕを全累積損傷度Ｄｔの前回値に加算し、全累積損傷度Ｄｔを更新するように構成されている。なお、ここでの評価期間とは、例えば、風力発電設備１の設計上の製品寿命に相当する期間であってもよく、評価時点（現在）までの風力発電設備１の累積使用期間であってもよく、該累積使用期間と現在から次回メンテナンスまでの期間とを足し合わせた期間であってもよい。
【００５２】
疲労評価部２２は、全累積損傷度演算部２０によって演算した全累積損傷度Ｄｔを閾値Ｄｔｈと比較して風力発電設備１における各評価点の属する部位の疲労評価を行うよう構成されている。
【００５３】
疲労評価システム１００によれば、風力発電設備１において単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉと、各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報と、に基づいて、各評価点について累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄｔを算出することができる。このため、この全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較することにより、各評価点の属する部位の疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。
【００５４】
したがって、例えば、次回の定期メンテナンスの時期までに何れかの評価点に対応する部位の余寿命が尽きてしまうことが予想される場合、次回のメンテナンスの時期を早めたり、風力発電設備１の稼働率を下げて定期メンテナンスの時期まで余寿命を延長する。これにより、風力発電設備１の各部位の破損等による予期しない運転停止を防ぐことが可能となる。
【００５５】
幾つかの実施形態では、図２に示すように、疲労評価システム１００は、全累積損傷度演算部２０によって演算した少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが閾値Ｄｔｈを超えた場合に警告信号を生成するよう構成された警告信号生成部２４を備える。
【００５６】
全累積損傷度Ｄｔが一定の値を超えると破損のリスクが高まるため、全累積損傷度Ｄｔが閾値Ｄｔｈを超えた場合に警告のための警告信号を警告信号生成部２４が生成することにより、警告に応じて風力発電設備の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００５７】
警告信号生成部２４は、全累積損傷度演算部２０によって演算した少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔの増大速度が許容値を超えた場合にも警告信号を生成するよう構成されてもよい。
【００５８】
風力発電設備１の少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔの増大速度が許容値を超えた場合、想定外の応力分布の発生を招くような異常が風力発電設備１に起きていると推定される。したがって、このような場合に警告のための警告信号を上記警告信号生成部２４が生成することにより、警告に応じて風力発電設備１の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００５９】
幾つかの実施形態では、上記閾値Ｄｔｈは１に設定されている。この場合、全累積損傷度演算部２０によって演算した各評価点の全累積損傷度Ｄｔを、設計寿命を示す値である１と比較することにより、各評価点の属する部位の予寿命を累積疲労損傷則に基づき正確に把握することができる。
【００６０】
幾つかの実施形態では、例えば図４及び図５に示すように、上記閾値Ｄｔｈは、風力発電設備１の運用開始からの経過時間の増大とともに増加するよう設定されている。
【００６１】
各評価点における全累積損傷度Ｄｔは、風力発電設備１の運用開始からの経過時間の経過とともに増大する。このため、任意の時刻において、各評価点における全累積損傷度Ｄｔが正常な値かどうかを適切に判断するためには、全累積損傷度Ｄｔと比較する閾値Ｄｔｈを風力発電設備１の運用開始からの経過時間の経過とともに適切に変化させる必要がある。この点、上記疲労評価システム１００によれば、各評価点における全累積損傷度Ｄｔと比較する閾値Ｄｔｈを風力発電設備１の運用開始からの経過時間の増大とともに増加させることにより、任意の時点での各評価点における全累積損傷度Ｄｔが正常な値であるかどうかを適切に評価することが可能となる。
【００６２】
なお、閾値Ｄｔｈは、例えば、図３に示すように設計寿命に至るまで上記経過時間に比例して増加するよう設定してもよいし、図４に示すように期間毎に上記経過時間に対する閾値Ｄｔｈの増加率を変化させても良い。例えば、図４において、風の強い季節（期間Ａ）における閾値Ｄｔｈの増加率を、風の弱い季節（期間Ｂ）における閾値Ｄｔｈの増加率よりも大きくなるよう設定してもよい。これにより、各評価点における全累積損傷度Ｄｔが正常な値かどうかを適切に判断することができる。
【００６３】
幾つかの実施形態では、風力発電設備１の評価点のうち少なくとも一つは、図１に示すタワー１２のトップ部１２ａ、タワー１２のボトム部１２ｂ、ロータブレード２又はロータハブ４の何れか１つに属する。
【００６４】
これにより、風力発電設備１において破損が生じるリスクのある主要箇所について、累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄｔを算出することができる。したがって、該全累積損傷度Ｄｔを閾値Ｄｔｈと比較することにより、破損が生じるリスクのある主要箇所についての疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、例えば図１及び図２に示すように、風力発電設備１の各評価点に生じる応力を計測するための計測装置２８（２８ａ〜２８ｆ）を更に備え、応力変化情報取得部１４は、応力変化情報を計測装置２８から取得するよう構成されている。ここで、計測装置２８（２８ａ〜２８ｆ）は、図１に示すように、タワー１２のトップ部１２ａ、タワー１２のボトム部１２ｂ、各ロータブレード２（２ａ〜２ｃ）の翼根部（２ａｒ〜２ｃｒ）及びロータハブ４にそれぞれ設けられていてもよい。一実施形態では、各計測装置２８（２８ａ〜２８ｆ）は、歪みセンサ又は荷重センサであり、これらのセンサの検出結果から応力を計測するよう構成されている。
【００６６】
これにより、風力発電設備１において破損が生じるリスクのある主要箇所について、風力発電設備１の各評価点に生じているリアルタイムの応力に関する応力変化情報を、計測装置２８を介して応力変化情報取得部１４が取得することができる。また、各評価点に生じているリアルタイムの応力に関する応力変化情報に基づいて、例えば風力発電設備１の運用開始から現在に至るまでの各評価点の全累積損傷度Ｄｔを全累積損傷度演算部２０によって演算することができる。したがって、このように演算した全累積損傷度Ｄｔを例えば設計寿命に対応する閾値Ｄｔｈと比較することにより、風力発電設備１の各部位の余寿命を正確に評価することができる。
【００６７】
幾つかの実施形態では、図２に示した疲労評価システム１００における評価点の少なくとも一部は、複数のロータブレード２の各々に属している。この場合、疲労評価システム１００は、全累積損傷度演算部２０によって演算した複数のロータブレード２の各々に属する評価点の全累積損傷度Ｄｔを互いに比較することにより、複数のロータブレード２の各々の欠陥を判定するよう構成された欠陥判定部２５（図２参照）を備えていてもよい。
【００６８】
風力発電設備１が複数のロータブレード２を備えている場合、各ロータブレード２の同一箇所（例えば、ロータブレード２ａの翼根部２ａｒと、他のロータブレード２ｂの翼根部２ｂｒ）の評価点に生じる応力の時間平均値（ロータ６の回転周期よりも十分に長い時間における時間平均値）は、ロータ６が回転しているため基本的に略同一である。したがって、例えば複数のロータブレード２のうちロータブレード２ａに属する評価点の全累積損傷度Ｄｔを他の少なくとも一つのロータブレード２（２ｂ，２ｃ）に属する同一箇所の評価点の全累積損傷度Ｄｔと比較することにより、各ロータブレード２の欠陥を判定することができる。
【００６９】
欠陥判定部２５は、例えば、ロータブレード２ａの翼根部２ａｒに属する評価点の全累積損傷度Ｄｔが全ロータブレード２の翼根部（２ａｒ〜２ｃｒ）に属する同一箇所の評価点の全累積損傷度Ｄｔの平均値よりも所定レベル以上（例えば所定値以上や所定倍以上）大きい場合に、ロータブレード２ａの翼根部２ａｒが欠陥状態にあると判定してもよい。また、欠陥判定部２５は、ロータブレード２ａの翼根部２ａｒに属する評価点の全累積損傷度Ｄｔが他のロータブレード２ｂ，２ｃの翼根部２ｂｒ，２ｃｒに属する評価点の同一箇所の全累積損傷度Ｄｔの平均値よりも所定レベル以上（例えば所定値以上や所定倍以上）大きい場合に、ロータブレード２ａの翼根部２ａｒが欠陥状態にあると判定してもよい。
【００７０】
幾つかの実施形態では、全累積損傷度演算部２０によって演算した各評価点の全累積損傷度Ｄｔをグラフ化して表示するよう構成された表示部２６（図２参照）を備える。
【００７１】
このように、各評価点の全累積損傷度Ｄｔをグラフ化して表示することにより、オペレータが各評価点の全累積損傷度Ｄｔを視覚的に把握することが可能となる。このため、表示された全累積損傷度Ｄｔのグラフに基づいて、オペレータが風力発電設備１の各評価点における余寿命等を容易に把握することができる。したがって、オペレータが風力発電設備１の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００７２】
表示部２６は、例えば図６に示すように、一方の軸を風力発電設備１の運用開始からの経過時間とし、他方の軸を各評価点の全累積損傷度Ｄｔとするグラフを表示してもよい。この場合、表示部２６は、図６に示すように、全累積損傷度演算部２０によって実際に演算した各評価点の全累積損傷度Ｄｔについて、風力発電設備１の運用開始時点から現在までの時系列変化を示す線Ｌ１を表示するとともに、運用開始時点から風力発電設備１の設計寿命（例えば２５年）までの全累積損傷度Ｄｔの設計直線Ｌ２（設計寿命で全累積損傷度Ｄｔが１となる直線）を併せて表示してもよい。
【００７３】
これにより、全累積損傷度演算部２０が演算した各評価点の全累積損傷度Ｄｔが、想定される通常の全累積損傷度Ｄｔの増加ペースに対して、どの程度乖離しているか等をオペレータが視覚的に把握することができる。したがって、オペレータが風力発電設備１の運転停止やメンテナンス等の適切な処置を行うことができる。
【００７４】
幾つかの実施形態では、例えば図２に示すように、疲労評価システム１００はフラグ設定部３０を備えている。フラグ設定部３０は、全累積損傷度演算部２０によって演算した少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが閾値Ｄｔｈを少なくとも一回超えた場合に、当該評価点について全累積損傷度Ｄｔが閾値を超えていることを示すフラグをオンにするよう構成されている。
【００７５】
これにより、少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが閾値を超えたタイミングを、フラグの状態によって特定できる。したがって、例えば、そのタイミングにおける風力発電設備１を構成する各機器の可動状態等を後から参照して、当該評価点の全累積損傷度Ｄｔが閾値Ｄｔｈを超えた原因等を検証して特定することが可能となる。
【００７６】
なお、図２に示したフラグ設定部３０は、全累積損傷度演算部２０によって演算した少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて閾値を超えた場合にのみ、当該評価点について上記フラグをオンにするよう構成されてもよい。また、この場合フラグ設定部３０は、全累積損傷度演算部２０によって演算した少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて閾値以下であった場合にのみ、当該評価点についてフラグをオフにするよう構成されてもよい。
【００７７】
計測装置２８によって得られる応力変化情報は一時的な外乱によるばらつきが存在するため、算出される全累積損傷度Ｄｔにもこのばらつきの影響が出ることがある。この点、上記疲労評価システム１００によれば、少なくとも一つの評価点の全累積損傷度Ｄｔが複数回続けて閾値を超えた場合にのみ、当該評価点について全累積損傷度Ｄｔが前記閾値を超えていることを示すフラグをオンにする。このため、フラグをオンにするタイミングに対する上記ばらつきの影響を抑制することができる。また、フラグをオフにするタイミングに対する上記ばらつきの影響を抑制することができる。
【００７８】
次に、図７を用いて、上述した疲労評価システム１００による疲労評価のフローの一例を説明する。
【００７９】
まずＳ１１で、風力発電設備１の各評価点に生じる応力の単位期間内の時系列変化を示す応力変化情報を、応力変化情報取得部１４が計測装置２８から取得する。次に、Ｓ１２で、応力変化情報取得部１４によって取得した応力変化情報に対してレインフロー処理を行うことにより、単位期間（例えば１０分間）に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉを応力振幅情報算出部１６が算出する。そして、Ｓ１３で、応力振幅情報算出部１６の算出結果と、記憶装置３２から読み出した各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報とに基づいて、上記単位期間における各評価点の累積損傷度Ｄｕを累積損傷度算出部１８が算出する。さらに、Ｓ１４で、累積損傷度算出部１８の算出結果を評価期間全体にわたって累計することにより、各評価点における評価期間全体の全累積損傷度Ｄｔを全累積損傷度演算部２０が演算する。この際、全累積損傷度演算部２０は、単位期間が経過する毎に、各評価点について最新の単位期間における累積損傷度Ｄｕを全累積損傷度Ｄｔの前回値に加算し、全累積損傷度Ｄｔを更新する。そして、Ｓ１５で、全累積損傷度演算部２０によって演算した全累積損傷度Ｄｔを閾値Ｄｔｈと比較することにより、風力発電設備１における各評価点の属する部位の疲労評価を疲労評価部２２が行う。
【００８０】
このように、風力発電設備１において単位期間に各評価点に生じる応力の応力振幅Ｆｉ及び該応力振幅Ｆｉの繰り返し数ｎｉと、各評価点の材料に応じたＳ−Ｎ線図の情報と、に基づいて、各評価点の全累積損傷度Ｄｔを算出することにより、累積疲労損傷則を考慮した適切な全累積損傷度Ｄｔを算出することができる。したがって、この全累積損傷度Ｄｔを閾値と比較することにより、各評価点の属する部位の疲労評価を累積疲労損傷則に基づいて適切に行うことができる。
【００８１】
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。
【００８２】
なお、上述した疲労評価システム１００は、風力発電設備１が備えていてもよいし、風力発電設備１とは別のシステムとして設けられていてもよい。また、疲労評価システム１００のうちの一部（例えば図２における計測装置２８）のみ風力発電設備１に設けられ、累積損傷度評価システム１００のその他の構成が風力発電設備１とは別に設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１  風力発電設備
２  ロータブレード
４  ロータハブ
６  ロータ
８  発電機
１０  ナセル
１２  タワー
１２ａ  トップ部
１２ｂ  ボトム部
１４  応力変化情報取得部
１６  応力振幅情報算出部
１８  累積損傷度算出部
２０  全累積損傷度演算部
２２  疲労評価部
２４  警告信号生成部
２５  欠陥判定部
２６  表示部
２８  計測装置
３０  フラグ設定部
３２  記憶装置
１００  疲労評価システム
【図１】
0006345041.tif 000012
【図２】
0006345041.tif 000013
【図３】
0006345041.tif 000014
【図４】
0006345041.tif 000015
【図５】
0006345041.tif 000016
【図６】
0006345041.tif 000017
【図７】
0006345041.tif 000018