(57)【要約】【課題】異常検知のためのカメラやセンサといった外部機構を新たに設けることなく、ウィンドファームとして信頼性向上が可能な異常検知機構を備えた風力発電装置及びウィンドファームを提供する。【解決手段】風を受けて発電するとともに、風速計を備えた風力発電装置であって、第１の風力発電装置の方向からの風を第２の風力発電装置の風速計により計測して風況情報を求め、当該風況情報を用いて第１の風力発電装置の異常の有無を判定する判定装置を第２の風力発電装置に備えたことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて発電するとともに、風速計を備えた風力発電装置であって、
第１の風力発電装置の方向からの風を第２の風力発電装置の前記風速計により計測して風況情報を求め、当該風況情報を用いて前記第１の風力発電装置の異常の有無を判定する判定装置を前記第２の風力発電装置に備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記判定装置は、判定に際して求めた風況状況を前記第１の風力発電装置の正常時における風況情報と比較することで前記第１の風力発電装置の異常の有無を判定することを特徴とする風力発電装置。
【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であって、
前記第１の風力発電装置の正常時における風況情報を記録する記録装置を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記第２の風力発電装置よりも風上側に位置する前記第１の風力発電装置を特定する風上風車特定部を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記第１の風力発電装置で計測された風況情報を受信する情報受信部、前記情報受信部で受信した風況情報から前記第２の風力発電装置に流入する風況を予測する風況予測部、前記第２の風力発電装置で計測された風況と前記風況予測部で予測された風況を比較し、前記第１の風力発電装置の異常の有無を判定する機構を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置を複数台備えたウィンドファームであって、
前記第１の風力発電装置よりも風下側に位置する前記第２の風力発電装置で求めた風況情報を用いて、前記第１の風力発電装置が異常の際には前記第１の風力発電装置のアラームを出力する出力装置を備えることを特徴とするウィンドファーム。
【請求項７】
請求項６に記載のウィンドファームであって、
前記アラームの発生を検知した前記第２の風力発電装置と、異常が発生した前記第１の風力発電装置を表示する表示機構を備えたウィンドファーム。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載のウィンドファームであって、
前記第２の風力発電装置は、前記風速計により計測した情報を風向に関連付けて得ることにより、風上側の風力発電装置を特定することを特徴とするウィンドファーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常検知機構を備えた風力発電装置及びウィンドファームに関する。
【背景技術】
【０００２】
新エネルギーのひとつとして導入が拡大している風力発電においては、風力発電装置が山間部や洋上など、アクセス性が悪い地域に設置される場合が多い。その為、作業者が頻繁にメンテナンスや修理といった現場作業を行うことが困難になっている。このような課題を解決する方法として、風力発電装置の遠隔監視システムを導入する方法が知られている。
【０００３】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１では、風力発電装置にカメラやレーダー等を設置し周囲を監視する技術が開示されており、「風車翼を取り付けたロータヘッドの回転により発電機構を駆動して発電する洋上風力発電装置であって、風力発電装置自体及びその周辺状況を監視する監視手段を備えていることを特徴とする洋上風力発電装置」と記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、複数の異なる場所に設置された風力発電装置を利用して、風力発電装置に流入する風況を予測し、その風況において風力発電装置から出力される稼動状態が正常か否かを判断する技術が開示されている。
【０００５】
具体的には、特許文献２には、「各々が異なる箇所に設置された複数の風力発電装置が、通信手段を介して管理装置と通信可能に接続されて構成された風力発電管理システムであって、各前記風力発電装置は、自身の予め定められた稼働状態を示す稼動状態データを所定周期で繰り返し取得する稼働状態取得手段と、取得した稼働状態データを、前記通信手段を介して前記管理装置に逐次送信する稼動状態送信手段と、自身に設けられた風車周辺の風力状態を示す風力状態データを所定周期で繰り返し取得する風力状態取得手段と、取得した風力状態データを、前記通信手段を介して前記管理装置に逐次送信する風力状態送信手段と、を備え、前記管理装置は、各前記風力発電装置から前記稼働状態データを、前記通信手段を介して逐次受信する稼働状態受信手段と、各前記風力発電装置から前記風力状態データを、前記通信手段を介して逐次受信する風力状態受信手段と、受信した風力状態データに基づいて決定される正常範囲内に、受信した稼働状態データがあるか否かを逐次判定し、正常範囲内にある場合にはそれら稼働状態データ及び風力状態データの送信元の風力発電装置を正常、正常範囲内に無い場合には当該風力発電装置を異常として逐次特定する異常特定手段と、前記異常特定手段による前記風力発電装置毎の正常／異常の特定結果を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする風力発電装置管理システム」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６８３８３号公報
【特許文献２】特開２０１２−２４６８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の風力発電装置では、カメラやレーダーといった新たな監視手段を風力発電装置に設置する必要がある。
【０００８】
また、特許文献２の風力発電装置管理システムでは、異常を発生させた風力発電装置を含む多数の計測情報を必要とする。
【０００９】
そこで、本発明の目的とするところは、異常検知のためのカメラやセンサといった外部機構を新たに設けることなく、ウィンドファームとして信頼性向上が可能な異常検知機構を備えた風力発電装置及びウィンドファームを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明では、風を受けて発電するとともに、風速計を備えた風力発電装置であって、第１の風力発電装置の方向からの風を第２の風力発電装置の風速計により計測して風況情報を求め、当該風況情報を用いて第１の風力発電装置の異常の有無を判定する判定装置を第２の風力発電装置に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、異常検知のためのカメラやセンサといった外部機構を新たに設けることなく、風力発電装置の異常を検知し、ウィンドファームとして信頼性向上が可能な風力発電装置を実現できる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ピッチ角を調整可能なブレードを備えた風力発電装置の全体概要を示す図。
【図２】ウインドファームの風上側風力発電装置と風下側風力発電装置の関係を示す図。
【図３】風上と風下側の風力発電装置から成る小規模なウィンドファームの例を示す図。
【図４】多数の風力発電装置から構成される大規模なウィンドファームの例を示す図。
【図５】実施例１に係る風力発電装置の制御ブロックを示す図。
【図６】実施例２に係る風力発電装置の制御ブロックを示す図。
【図７】実施例３に係る風力発電装置及びウィンドファームの制御ブロックを示す図。
【図８】実施例４に係る風力発電装置内の監視システムの表示画面例を示す図。
【図９】風況保持部の記憶装置構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００１５】
図１から図５を用いて、実施例１における風力発電装置について説明する。図１はピッチ角を調整可能なブレードを備えた風力発電装置１００の全体概要を示している。
【００１６】
図１の風力発電装置１００は、風力発電装置の支柱となるタワー１０２と、タワー１０２に対して略水平面内をヨー回転可能に支持されるナセル１０４と、ナセル１０４に対して回転可能に支持されるハブ１０８と、ハブ１０８に対して回転（ピッチ角変化）可能に支持されるブレード１１０を備えて構成されている。そして、ハブ１０８とブレード１１０で構成されたロータ１１２が風を受けて回転することにより、風のエネルギーを回転エネルギーに変換し、回転エネルギーにより発電機１０６を駆動して発電を行う。
【００１７】
風力発電装置１００は、風向風速計１１６を備えている。また、送受信機１１４を通じて外部へ所定の情報を発信する機構、あるいは外部から得た所定の情報を処理する機構を持つ。ここで、所定の情報とは、自身より風上側に位置する風力発電装置に異常が発生したことを伝えるアラームや、風況情報なども含む。
【００１８】
なお、図１では、送受信機１１４はナセル１０４内に設置されているが、必ずしもナセル１０４内に設置されなければならない訳ではなく、外部との通信が可能であり、かつ受信した情報を元に制御を行えるものであればよい。また、送受信機１１４は送信機能と受信機能の両方を備えるものに限定されるものではなく、送信機能を有する送信機或いは受信機能を有する受信機のいずれか一方を選択的に備えてもよい。つまり、図１の送受信機１１４は、外部と情報をやり取りができる通信装置である。また、ここで言う、外部とは複数の風力発電装置１００が設置されたウィンドファーム内における他の風力発電装置やウィンドファームの監視システムを指す。
【００１９】
図２は、複数の風力発電装置で構成されたウインドファームにおいて、風上側に設置された風力発電装置１００ａを通過した風が風下側風力発電装置１００ｂに流入する例を示している。図２に示すとおり、風力発電装置１００ａを通過した風を風車後流と呼ぶ。この風車後流においては、風力発電装置１００ａに流入する前と比較した場合、風向、風速といった風の特性が変化する。この特性の変化は風力発電装置１００ａの運転状態に依存する。ここでいう運転状態とは、正常時における風力発電装置の制御や、何らかの異常によって、風力発電装置が正常時と異なる挙動（例えば、ブレードが１枚だけ歪んでいる等）を示した場合など、風力発電装置の挙動の全てを含む。
【００２０】
図３及び図４は複数の風力発電装置が設置されたウィンドファームの例を示している。図３は１基の風上側風力発電装置１００ａと１基の風下側風力発電装置１００ｂから構成される小規模なウィンドファームの例であり、図４は１基の風上側風力発電装置１００ａと１基の風下側風力発電装置１００ｂと多数の風力発電装置１００ｃから構成される大規模なウィンドファームの例である。ここで言うウィンドファームとは、少なくとも２基以上の風力発電装置からなる集合型風力発電所や風力発電装置群を指す。
【００２１】
ウィンドファームに設置された風力発電装置１００は、風向に対して風上側に位置する風上側風力発電装置１００ａと風下側に設置された風下側風力発電装置１００ｂとそれ以外の風力発電装置１００ｃに分類され、風向きの変化によって分類も変化する。具体的には、図４の例では、風上側風力発電装置１００ａのつくる風車後流が風下側風力発電装置１００ｂに流入しているが、風向の変化によって風下側風力発電装置１００ｂもしくは風力発電装置１００ｃが風上側風力発電装置１００ａと同様の役割を果たす場合や、風上側風力発電装置１００ａもしくは風力発電装置１００ｃが風下側風力発電装置１００ｂと同様の役割を果たす場合もあり得る。
【００２２】
ここで、風車後流について説明する。風力発電装置１００を通過した風は、ロータ１１２の回転の影響により、風向、風速といった風況が変化する。この時変化する風況は、前記の風向、風速に限定されるわけでなく、風の乱れ方である乱流特性や渦の形状など、風に係る全ての物理量が考えられる。
【００２３】
図５は実施例１に係る風力発電装置及びウィンドファームの制御ブロック図である。この制御ブロックは、図３あるいは図４のウィンドファームにおける全ての風力発電装置１００に適用され、搭載されているものであるが、ここでは風下側に位置したときに実行される。図３あるいは図４の例では、風下の風力発電装置１００ｂが図６の処理を実行しており、最初に風向風速計１１６を用いて風向及び風速を計測する。次に風向演算部３００において、風向から、自身の風上側に位置する風力発電装置１００ａを特定する。
【００２４】
この結果を踏まえ、風況分析部３０２では、風向風速計１１６で計測された風況を分析し、計測された風況の特徴量を抽出する。ここで言う特徴量とは、風向、風速といった風向風速計で直接得られる特徴量だけではなく、様々な分析手法によって得られた物理量を含む。具体的には、風速の回転成分である渦度などが挙げられる。また、前記の風向、風速、渦度といった物理量にたいして、フーリエ解析やウェーブレット解析などの解析を行い、抽出された周波数等の特徴量を含む。
【００２５】
風況分析部３０２で得られた様々な特徴量は異常検知部３０４において整理され、風上側風力発電装置１００ａが正常運転している場合と異なる特徴量が存在した場合、風上側風力発電装置１００ａに異常が発生したと判断する。この際、送受信部１１４から、風上側風力発電装置１００ａに異常が発生したという情報が、監視システムに送信されることで、遠隔地から風力発電装置の異常を検知することが可能となる。
【００２６】
以上述べたように本発明においては風向風速計１１６で計測された風況を分析しているが、風況の具体的な事例である渦度に関してさらにその概念を説明すると以下のようである。
【００２７】
まず渦度ωとは、風速の速度ベクトルＵ＝（ｕ，ｖ，ｗ）に対する回転成分を表す物理量であり、ω＝Ｖ＊Ｕ式で定義される。
【００２８】
ここで、ω＝（ωｘ，ωｙ，ωｚ）が渦度を表しており、３次元ベクトルで表記される。渦度ωの各成分は以下の（１）（２）（３）式のように定義される。
【００２９】
【数１】
2017089590.tif 000003
【００３０】
【数２】
2017089590.tif 000004
【００３１】
【数３】
2017089590.tif 000005
【００３２】
この渦度ωは、風速の回転成分を表すため、風車の後流のように回転する構造物の後ろに発生する流れの特徴がより強く表れると考えられる。そこで、計測された風速から渦度ωを計算し、周波数毎に物理量を分解するフーリエ解析や、時間変化の影響等も評価が可能なウェーブレット解析等によって特徴量を抽出し、この変化を観測することによって、風況の変化をとらえることが可能になる。
【００３３】
本発明においては、渦度ωを具体例として説明したが、風況の変化を抽出するのに利用する物理用は渦度ωに限定されるわけではなく、風速や風向など風況に関連する物理量を含む。また、特徴量の抽出に関しても、フーリエ解析やウェーブレット解析に限定されるものではない。
【００３４】
実施例１における風力発電装置の利点は以下のような点にある。即ち実施例１では、風力発電装置が設置された現場でメンテナンスを行うことなく、風力発電装置の異常を検知することが可能であるため、風力発電装置の異常をいつでも検知することが可能となる。そのため、異常の早期発見につながり、重大故障が発生する前に異常を検知できる可能性が高くなる。これにより、風力発電装置が継続運転可能な段階で、発生した異常の対策を実施することができ、各風力発電装置の稼働率向上、更には発電量の向上につながる。
【００３５】
加えて、異常検知のための新たなセンサ等を設置する必要がなく、元々風力発電装置に設置された風向風速計１１６を用いれば良いため、簡便な設置が可能である。加えて、異常が発生した風力発電装置における計測情報を利用せず、また周囲の風力発電装置との通信を必要としないため、各風力発電装置が単独で異常を検知することが可能であり、異常検知機構の故障による異常の見逃しを低減することが出来る。また、異常が発生した風力発電装置における計測情報を利用しないため、他のセンサ等との干渉を検討する必要性が少ないため、他の異常検知技術との組合せも容易である。
【実施例２】
【００３６】
図１から図４及び図６を用いて、実施例２における風力発電装置及びウィンドファームについて説明する。なお、実施例１と重複する点については詳細な説明を省略する。
【００３７】
実施例２の特徴としては、図５の構成に正常運転時の風況を保持するための、風況保持部３０６を備える点にある。新たに風力発電装置或いはウィンドファームが導入された場合、ある一定期間、例えば最初の定期点検までの期間、を利用して、風上側風力発電装置１００ａが正常に運転している場合の風車後流における風況を、風下側風力発電装置１００ｂを利用して計測する。計測された風況は図６における風況保持部３０６に保存される。この計測期間に大きな制約はなく、例えば異常が発生するまで計測を続け、風況保持部３０６に保存される風況データを随時更新することも可能である。
【００３８】
ここで、図６は実施例２に係る風力発電装置及びウィンドファームにおける制御ブロック図である。図６で示すとおり、実施例２では実施例１と同様に、風向風速計１１６を用いて風向及び風速を計測する。
【００３９】
次に風向演算部３００において、風向から、自身の風上側に位置する風力発電装置１００ａを特定する。この結果を踏まえ、風況分析部３０２では、風向風速計１１６で計測された風況を分析し、計測された風況の特徴量を抽出する。
【００４０】
正常運転時においては、ここで抽出された特徴量を風況保持部３０６に保存する。次に、異常検知部３０４において、風況分析部３０２で得られた特徴量と風況保持部３０６に保持された風況の特徴量との比較を行い、風況分析部３０２で抽出された風況の特徴量が正常時と異なった場合に、風上側風力発電装置１００ａに異常が発生したと判断し、送受信部１１４を通じて監視システムに異常検知情報が送信される。この時、風況保持部３０６に保持される風況は、ウィンドファームの設けられた場所の地形の影響を考慮した数値シミュレーション等によって事前に導出された風況を用いても良い。
【００４１】
なお、実施例２における風力発電装置の利点は以下のような点にある。実施例２では、風力発電装置が実際に設置された場所における風況の影響も考慮して、正常時における風況の特徴量を利用しているため、設置場所の影響も考慮した異常検知が可能となり、異常の検知精度を向上させることができる。
【実施例３】
【００４２】
図１から図４及び図７を用いて、実施例３に係る風力発電装置及びウィンドファームについて説明する。なお、実施例１及び実施例２と重複する点については詳細な説明を省略する。
【００４３】
実施例３においては、風下側風力発電装置１００ｂで計測された風況情報に加えて、風上側風力発電装置１００ａで計測された風況情報を利用する。図７は実施例３における制御ブロック図である。
【００４４】
風上側風力発電装置１００ａは自身の風向風速計１１６で風況を計測し、計測された風況から風向演算部３００により流入した風向から、自身の風下側に位置する風下側風力発電装置１００ｂを特定し、風下側風力発電装置１００ｂに対し、風向風速計１１６で計測された風況情報を、送受信部３０２を介して送信する。
【００４５】
他方、風下側風力発電装置１００ｂは、送受信部１１４を介して受信した風上側風力発電装置１００ａの風況情報から、風況予測部３０８により自身に流入する風況を予測し、風況分析部３０２と同様に風況の特徴量を導出する。この特徴量と風下側風力発電装置１００ｂにおける風向風速計１１６で計測された風況を元に風況分析部３０２で抽出された風況の特徴量と比較することにより、風上側風力発電装置１００ａにおける異常を検知する。
【００４６】
なお、実施例３における風力発電装置の利点は以下のような点にある。即ち、風上側風力発電装置１００ａで計測された風況情報を元に、正常運転時の風況の特徴量を導出することにより、異常の検知精度が向上させることが出来る。
【実施例４】
【００４７】
図１から図４及び図８を用いて、実施例４に係る風力発電装置及びウィンドファームについて説明する。なお、実施例１から実施例３と重複する点については詳細な説明を省略する。
【００４８】
実施例４は、実施例１から実施例３において、風下側風力発電装置１００ｂから送信される異常検知の情報の出力方法に関する。本発明における特徴として、異常を検知した場合に、異常が発生した風力発電装置ではなく、周囲の風力発電装置からアラームが出力されるという点が挙げられる。
【００４９】
図８は風車を遠隔監視している監視システムにおける表示機能により表示されたウィンドファーム内画面の一例を示している。ウィンドファームの監視システムにおける表示画面５００にはウィンドファームにおける、各風力発電装置６０１から６０９の状態が示されており、例えば風力発電装置６０５が風上側風力発電装置（例えば風力発電装置６０４）の異常を検知したとする。
【００５０】
この場合、異常を検知したことを伝えるアラームと異常が発生している風力発電装置６０４を伝える情報が、ウィンドファーム監視システムに送信され、管理者が閲覧可能な表示画面にはアラーム及び異常が発生した風力発電装置６０４が表示される。これにより、遠隔地域からも風力発電装置の異常を検知することが可能となる。また、実施例４における表示画面は他の監視システムと共有することが可能であり、例えば異常検知用のセンサが風力発電装置６０４に設置されていた場合、異常検知機構が２重化され、更に信頼性の高い風力発電装置及びウィンドファームを実現することが可能となる。
【実施例５】
【００５１】
実施例５では、図６の風況保持部３０６の具体事例について説明する。図９は、風況保持部３０６の記憶装置構成例を示している。
【００５２】
風況保持部３０６では、図９の例示のように、風速（ｍ／ｓ）及び風向（ｄｅｇ）を変数としたマトリックスを構築し、自身よりも風上側に風力発電装置が存在する場合の風向及び後流が発生しうる風速において、各風速に基づいた物理量Ｓ（ｉ、ｊ）を保存する。この時、物理量Ｓ（ｉ、ｊ）として保存されるのは、実施例１で述べた、渦度や風速の特徴量等が考えられる。また、図９においては風向と風速の２軸のマトリックスを示したが、この軸は、風向と風速に限定されるものではなく、温度や湿度、気圧等の風に影響を与えうると考えられる物理量を含み、また、軸の数が３本以上であってもよい。
【００５３】
なおこの風況保持部３０６の記憶装置構成例によれば、４５度、１８０度、３１５度といった特定の角度における各風速に基づいた物理量Ｓ（ｉ、ｊ）を保存することになる。これは、この方向に風上側となる他の風力発電装置が存在していることを表している。従って、風向の情報を保持することで、風上側に当たる風力発電装置が特定可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１００：風力発電装置
１０２：タワー
１０４：ナセル
１０６：発電機
１０８：ハブ
１１０：ブレード
１１２：ロータ
１１４：送受信機
１１６：風向風速計
１００ａ：風上側風力発電装置
１００ｂ：風下側風力発電装置
１００ｃ：風力発電装置
３００：風向演算部
３０２：風況分析部
３０４：異常検知部
３０６：風況保持部
３０８：風況予測部
５００：表示画面
６０１〜６０９：表示画面に表示された風力発電装置
【図１】
2017089590.tif 000006
【図２】
2017089590.tif 000007
【図３】
2017089590.tif 000008
【図４】
2017089590.tif 000009
【図５】
2017089590.tif 000010
【図６】
2017089590.tif 000011
【図７】
2017089590.tif 000012
【図８】
2017089590.tif 000013
【図９】
2017089590.tif 000014