(57)【要約】【課題】簡便な装置でピッチ駆動部部分の異常判断を可能とする風力発電装置の監視システムを提供することを目的とする。【解決手段】タワー上のナセル先端にハブを回転可能に取り付け、ハブの周囲に複数枚のブレードを取り付けるとともにハブ内にブレードのピッチ角を調整するピッチ駆動部を備えた風力発電装置の監視システムであって、ハブ内にピッチ駆動部を視野内に捕えたカメラと、風力発電装置の監視制御情報を検知する制御・監視・データ収集装置を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー上のナセル先端にハブを回転可能に取り付け、ハブの周囲に複数枚のブレードを取り付けるとともに前記ハブ内に前記ブレードのピッチ角を調整するピッチ駆動部を備えた風力発電装置の監視システムであって、
前記ピッチ駆動部を視野内に捕えたカメラと、風力発電装置の監視制御情報を検知する制御・監視・データ収集装置を備えたことを風力発電装置の監視システム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置の監視システムであって、
前記カメラからの映像情報と制御・監視・データ収集装置からの監視制御情報を得て、映像記憶部に記憶し、新たに入力した映像情報と監視制御情報に対して、同じ内容の監視制御情報で前記映像記憶部に記憶されている古い映像情報を抽出し、新旧の映像情報を比較する監視システム部を備えたことを風力発電装置の監視システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の風力発電装置の監視システムであって、
前記監視制御情報として、風速の情報、ピッチ角の情報を含むことを風力発電装置の監視システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の風力発電装置の監視システムであって、
監視システム部が前記ナセルあるいはタワーの一部に配置されていることを風力発電装置の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置の監視システムに係り、特にピッチ駆動部部分の監視に好適な風力発電装置の監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、タワー上にナセルを配置し、ナセル先端にハブを回転可能に取り付けている。ハブ周囲には複数枚のブレードを取り付けており、風力で回転するブレード及びハブの回転力でナセル内の発電機を駆動している。
【０００３】
ここでブレードは、風力、風向に応じた高効率の発電を実現する回転を得るべく、そのピッチ角が可変に調整されている。例えば、風速が弱いときにはハブの回転速度を加速させる方向にピッチ角を調節し、逆に風速が強いときには、ブレードとタービン構造（ハブ構造）に対する風力荷重を減らす方向にピッチ角を制御する。さらに風速が一定の水準を越えた場合は、風を受けない位置までブレードを回転させ、構造上の損傷を防ぐように調整されている。このピッチ角の操作は、ハブ内に設置された電動式あるいは油圧式のピッチ駆動部により行われている。
【０００４】
このように風力発電装置の性能は、ブレードに大きく左右されるため、定期的な点検と共に監視が不可欠となっている。このための監視手法として従来のものは、外観監視に頼るものであった。例えば引用文献１、引用文献２では、風力発電装置のタワー、ブレードを含む全体構造物をカメラで撮影し、撮影データからブレードの異常を判定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００９−１５３８６６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３０５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
引用文献１、引用文献２は、主にブレード部分を遠方から撮影してその歪みなどを検知する手法である。このため、設置する設備が大型化して日常の監視には不適当である。そのうえ、ブレードのゆがみが検知できたとして、その原因がブレード側にあるのか、あるいはハブ内部のピッチ駆動部部分にあるのかを識別することが困難であった。
【０００７】
さらにピッチ駆動部部分が異常であったとして、その原因が風の変動か、部品の緩み・脱落・かみこみかなどを判別することができない。また、カメラのみを用いて外観診断を行う場合、データ量が膨大となるといった課題が存在する。
【０００８】
以上のことから本発明においては、簡便な装置でピッチ駆動部部分の異常判断を可能とする風力発電装置の監視システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば「タワー上のナセル先端にハブを回転可能に取り付け、ハブの周囲に複数枚のブレードを取り付けるとともにハブ内にブレードのピッチ角を調整するピッチ駆動部を備えた風力発電装置の監視システムであって、ハブ内にピッチ駆動部を視野内に捕えたカメラと、風力発電装置の監視制御情報を検知する制御・監視・データ収集装置を備えた」風力発電装置の監視システムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明を用いることにより、風力発電機ピッチ駆動部における部品の脱落及び緩みの有無を判別することが可能となる。また、ピッチ駆動部におけるかみ込み監視についてもカメラにより映像を用いることで検出が可能となる。あわせて、風力発電機の突発停止を防ぎ、予兆に応じたメンテナンスを実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】風力発電装置のハブ部分を中心に記載した横断面図。
【図２】制御・監視・データ収集装置４の信号例（監視制御情報）Ｓ１を示した図。
【図３】監視システム部５を中心とした装置構成を示した図。
【図４】映像記憶部５１に記憶された情報の記憶形態の一例を示した図。
【図５】映像記憶部５１における処理内容を示すフローチャート。
【図６】映像比較部５２における処理内容を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、風力発電装置の主要部であるハブ部分を中心に記載した横断面図である。この図において、タワーＴ上にナセルＮが配置されており、ナセルＮ先端にハブＨを回転可能に取り付けている。ハブＨ周囲には複数枚のブレードＢを取り付けており、風力Ｗで回転するブレードＢ及びハブＨの回転力でナセルＮ内の発電機Ｇを駆動している。なおブレードＢの付け根部分は、一方側が回動可能に支持され、他方側がピッチ駆動部２によりピッチ角調整可能なように支持されている。
【００１４】
回転体であるハブＨ内には、ピッチ駆動部２が設置されている。またピッチ駆動部２の特に可動部（ブレード駆動軸１１近傍）をその視野内に収めるカメラ３が適宜の位置に設置されている。カメラの設置位置はピッチ駆動部２を直接視認可能なハブＨ内が望ましいが、視認可能であれば３ＡのようにナセルＮ内に設置されていてもよく、また３ＢのようにブレードＢ方向からピッチ駆動部２を視認するものであってもよい。
【００１５】
ピッチ駆動部２には、電動式と油圧式のものがある。油圧式のものは、ピッチ駆動部２のブレード駆動軸１１による直線運動（矢印Ｊ１）によりブレードＢのピッチ角を制御し、電動式のものではピッチ駆動部２のブレード駆動軸１１による回転運動（矢印Ｊ２）によりブレードＢのピッチ角を制御している。図１には回転運動の場合を示しており、ピッチ駆動部２側とブレードＢ側が歯付ベアリングを含むピニオンギアなどの駆動部を構成し、回転運動を直線運動に変換することで、ブレードＢのピッチ角を制御している。
【００１６】
カメラ３Ｂは、ブレード内部で、かつピッチベアリングよりもブレード先端側に配置されている。ブレード内部で、かつピッチベアリングよりもブレード先端側に配置することで、電動式の場合の歯付ベアリングを含むピニオンギアなどの駆動部やリミットスイッチ機構部、さらにはエンコード機構部といった部位を撮影することが可能になる。すなわち、ピッチ駆動部全体を撮影しやすくなる。なお、この部位に設けることはピッチ駆動部を油圧式とする場合にも適用可能である。
【００１７】
なおカメラ３（３Ａ、３Ｂを含む）は静止映像を検知するものであっても、またムービーのように連続的な映像を検知するものであってもよい。またカメラ３の固定方法は、ピッチ駆動部２が撮影できる範囲であれば、取り付け方法は問わない。カメラ３で撮影された映像情報は、撮影時刻の情報を含めた情報Ｓ２として外部出力される。
【００１８】
制御・監視・データ収集装置４は、一般にはナセルＮ内に固定配置されて、風力発電装置における制御・監視・データ収集の機能を果たしている。例えば風速を検知入力し、電動または油圧のピッチ駆動部２の操作信号を与えて制御し、その状態を記憶することで監視する機能を有している。データ収集により制御・監視・データ収集装置４に記憶される情報としては、例えば風速、出力電圧、ピッチ角等が記憶されており、緊急時には風力発電機を停止させる機能を有している。
【００１９】
制御・監視・データ収集装置４の信号例（監視制御情報）Ｓ１が図２に示されている。この信号例によれば、風速Ｗ（ｍ／ｓ）とピッチ角θ（ｄｅｇ）が、計測時刻ｔごとに保持され、適宜外部に送信されている。なお風速Ｗ（ｍ／ｓ）はナセルＮ頭部の風速計から入手し、ピッチ角θ（ｄｅｇ）はハブＨ内の位置検出器から得ている。また監視制御情報は、ピッチ駆動部２の操作信号であってもよい。
【００２０】
このようにハブＨ内で得られる映像情報Ｓ２と監視制御情報Ｓ１は、いずれも時刻情報を含むものである。なお、一般には監視制御情報Ｓ１を取り扱う制御・監視・データ収集装置４の処理タイミングと、映像情報Ｓ２を取り扱うカメラ３の処理タイミングは相違しているが、出力に際して其々での取り込みタイミングを情報を付与して送出している。
【００２１】
ナセルＮには監視システム部５が配置されている。また出力部Ｏが固定側のナセルＮあるいはタワーＴの一部に配置される。さらに出力部Ｏの出力は、監視員のいる場所まで送られて、監視や制御の目的に提供されるが、図１には記述していない。なお、制御・監視・データ収集装置４は回転部分であるハブＨ部分に搭載されたものとすることも可能であるが、以下の例では固定側のナセルＮに配置したことを前提に説明する。
【００２２】
図３は、監視システム部５を中心とした装置構成を示した図である。監視システム部５は、カメラ３と制御・監視・データ収集装置４からそれぞれピッチ駆動部２の映像情報Ｓ２と、監視制御情報Ｓ１を得ている。なお監視システム部５側は固定側、カメラ３は回転側に位置しているので、両者の間の信号伝送にはスリップリングを利用する伝送、無線伝送、あるいは光伝送が適用されるのがよい。
【００２３】
図３の監視システム部５では、ハブ側から得た映像情報Ｓ２と、監視制御情報Ｓ１を映像記憶部５１に記憶する。映像記憶部５１に記憶された情報の記憶形態の一例が図４に示されている。この例では、各情報取得時刻ｔごとに映像情報Ｓ２と監視制御情報Ｓ１が記憶されている。図示の例では第１の時刻の時の監視制御情報Ｓ１が風速Ｗが４（ｍ／ｓ）、ピッチ角θが０（ｄｅｇ）であるときの映像情報Ｓ２ａ、第２の時刻の時の監視制御情報Ｓ１が風速Ｗが７（ｍ／ｓ）、ピッチ角θが４５（ｄｅｇ）であるときの映像情報Ｓ２ｂ、第３の時刻の時の監視制御情報Ｓ１が風速Ｗが１２（ｍ／ｓ）、ピッチ角θが５２（ｄｅｇ）であるときの映像情報Ｓ２ｃとして記憶されている。なお映像情報は、カメラ３の視野領域を縦横のマトリクスに分割し、各マトリクス領域の明るさを二値化したバイナリ情報として伝送され、記憶されている。
【００２４】
図４の例では、映像記憶（Ｍａｔｒｉｘ）＊バイナリ形式の映像情報Ｓ２ａが（ｆｆｄ８  ｆｆｅ０  ００１０  ４ａ４６  ４９４６  ０００１  ０１０１  ０００１  ）であり、同じく映像情報Ｓ２ｂが（ｆｆｄ８  ｆｆｅ０  ００１０  ４ａ４６  ４９５４  ０００１  ０１０１  ０００１  ）であり、同じく映像情報Ｓ２ｃが（ｆｆｄ８  ｆｆｅ０  ００１０  ４ａ４６  ５１４６  ０００１  ０１０１  ０００１  ）と記憶されている。
【００２５】
この記録事例によれば、映像記憶（Ｍａｔｒｉｘ）＊バイナリ形式の映像情報Ｓ２のマトリクス位置Ｆにおける記憶情報が、監視制御情報Ｓ１の変化に対応して変化していることが理解できる。つまり、可動部分を有するピッチ駆動部の稼働状況、あるいは異常動作状況などを反映している。
【００２６】
なお先にも述べたように、一般には映像情報Ｓ２と監視制御情報Ｓ１では、取り込む装置が相違し、かつ取り込みタイミングも相違している。このため、取り込み時刻によっては同じ時刻に全ての情報が揃っていないこともある。図４の例は、全ての情報が同一時刻に取得できた事例を表示している。
【００２７】
図５は、映像記憶部５１における処理内容を示すフローチャートである。ここでは最初の処理ステップＳ５１０１にて信号Ｓ１、Ｓ２を取り込む。処理ステップＳ５１０２にて入力した信号Ｓ１、Ｓ２の分類を実施し、Ｓ１とＳ２を区分する。映像信号Ｓ２の場合、映像特徴抽出処理ステップＳ５１０３部へ移動し、監視制御情報Ｓ１の場合、処理ステップＳ５１０５に移動する。処理ステップＳ５１０３、Ｓ５１０３によりそれぞれの信号が再現される。さらに処理ステップＳ５１０４では、映像の情報と監視制御情報をマージして同一時刻の一体関連情報とし、処理ステップＳ５１０６ではマージした情報の映像記憶を実施する。この同一時刻でのマージ後の情報の記憶形態の一例が図４である。
【００２８】
なお処理ステップＳ５１０２の分類処理を実行するに当たり、映像信号であるのか否かの判定については、映像信号についてはバイナリ形式であるのか否かにより識別することが可能である。また、予め、入力される信号を定め、信号毎に監視制御情報Ｓ１、映像情報Ｓ２の別に取り込みを設定しておく方法等があげられる。
【００２９】
図３の映像比較部５２では、映像記憶部５１に記憶された過去情報ＳＯと、カメラ３と制御・監視・データ収集装置４が与える現在情報を用いた映像比較を実施する。カメラ３にて取り込まれた映像に関して正常、異常の判別を実施する。映像比較により、風力発電機の定格運転中におけるピッチ駆動部の異常として、部品の脱落、かみこみなどを検知可能とする。
【００３０】
図６は、映像比較部５２における処理内容を示すフローチャートを示した図である。ここでは、処理ステップＳ５２０１において、現在時刻の信号Ｓ１、Ｓ２を取り込む。処理ステップＳ５２０１にて取り込んだ信号Ｓ１、Ｓ２は、処理ステップＳ５２０２にて映像情報Ｓ２と監視制御情報Ｓ１に区分けされる。映像情報Ｓ２の場合、処理ステップＳ５２０３にて特徴抽出を行う。ここでの特徴抽出は、輪郭・エッジ抽出等があげられる。
【００３１】
処理ステップＳ５２０１に取り込まれる信号が監視制御情報Ｓ１の場合、処理ステップＳ５２０６にて条件検索を実施する。条件検索では、この時の監視制御情報Ｓ１の内容である風速とピッチ角の値に対して、同じ条件（風速とピッチ角の値）の過去の情報を図３の映像記憶手段５２から抽出する。例えば、風速とピッチ角の値がそれぞれ７と４５であった場合には、映像記憶手段５２の映像情報Ｓ２ｂを抽出する。
【００３２】
処理ステップＳ５２０７では、条件が一致するか否かを判定する。条件が一致する場合、処理ステップＳ５２０４にて映像比較を実施する。映像比較は、今回のタイミングで取り込んだ新しい映像情報Ｓ２と、条件判定により映像記憶手段５２から取り出した古い映像情報Ｓ２ｂについて実施する。この場合には、条件である監視制御情報Ｓ１（風速とピッチ角の値）が同じ状況下での映像比較なので、本来同じ映像情報になっているはずである。マトリクス状の映像情報を逐一同一マトリクスについて比較した結果、不一致となるマトリクス位置が存在するときには、当該位置における不具合が疑われる。
【００３３】
処理ステップＳ５２０７において条件が一致しない場合は、最も条件が近い過去情報を有する映像記憶手段５２の映像情報Ｓ２を近似映像として抽出し、処理ステップＳ５２０８にて近似映像と比較する。例えば、今回タイミングでの監視制御情報Ｓ１における風速とピッチ角の値がそれぞれ７と４７であった場合には、これに近似の情報として風速とピッチ角の値がそれぞれ７と４５の映像記憶手段５２の映像情報Ｓ２ｂを抽出する。この場合に条件が完全適合していないが、類似であることを許容した変動範囲内かどうかを判定することで、異常、正常の区別が可能である。
【００３４】
処理ステップＳ５２０５では、映像が正常もしくは異常であるのかを判定する。正常もしくは異常の判定方法について、映像記憶部５１に記憶されている映像記憶（Ｍａｔｒｉｘ）と映像比較部５２に入力される映像記憶（Ｍａｔｒｉｘ）との行列の相関係数を算出する。Ｍａｔｒｉｘにおける要素をすべて検索し同等であれば正常、同等でなければ異常と判定するといった比較方法が考えられる。また、クラスタリングを用いて、映像記憶部５１に記憶されている映像記憶（Ｍａｔｒｉｘ）の統計的なクラスタと映像比較部５２に記憶されている映像記憶（Ｍａｔｒｉｘ）との統計距離（マハラノビス距離）を算出する方法も考えられる。
【００３５】
映像判定の結果、異常の認められる情報は、出力部６から適宜出力される。出力は紙形式、モニタ表示などあるいは警報で行い得る。監視員は、これら出力あるいは警報などに基づいて、モニタ画面での当該箇所チェックを行うことで、ピッチ駆動部のボルト緩みならびにかみこみについても監視することが可能となる。また、出力内容については、制御・監視・データ収集装置４より出力される信号、映像、判定結果（正常／異常、ボルト緩み、かみこみあり等）が考えられる。
【符号の説明】
【００３６】
２：ピッチ駆動部
３：カメラ
４：制御・監視・データ収集装置
５：監視システム部
６：出力部
５１：映像記録手段
５２：映像比較部
Ｗ：風速
Ｂ：ブレード
Ｈ：ハブ
Ｎ：ナセル
Ｇ：発電機
Ｓ１：監視制御情報
Ｓ２：映像情報
Ｔ：タワー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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