JP2004523689A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、測定値を検出するための少なくとも１つのセンサを備えた、風力発電装置の監視装置と、風力発電装置を監視する方法とに関するものである。ここで、ａ）測定値は少なくとも１つのセンサで検出され、ｂ）上記測定値は該測定値に相当する信号に変換され、ｃ）上記信号は予め決められた方法にしたがって格納及び／又は処理される。風力発電装置のパイロンへの負荷を高い信頼性で検出することを可能にする装置及び方法を提供するために、パイロン１０への負荷を検出するための少なくとも１つのセンサ２０が設けられる。このセンサ２０は、パイロンの基部領域に配置されている。さらに、風力発電装置への時々刻々の負荷が、センサによって得られた測定値に相当する信号から得られる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定値を検出するための少なくとも１つのセンサを備えた監視装置を有する風力発電装置（wind power installation）と、風力発電装置を監視する方法とに関するものである。ここで、ａ）測定値は、少なくとも１つのセンサで検出され、ｂ）上記測定値は、該測定値に相当する（representative）信号に変換され、ｃ）上記信号は、予め決められた方法にしたがって格納及び／又は処理される。
【背景技術】
【０００２】
このような装置及び方法は、この技術分野ではよく知られている。非特許文献１（ジャーナル誌）は、加速度測定による振動の監視について記述している。
【０００３】
上記のジャーナル誌の２０００年５月号の第３７ページの段落２には、いくつかの製造業者によって現在提供されている振動モニタは加速度ピックアップを備えているとの記述がある。また、これには、危険な振動数を慎重にかつ特別に電子システムにより増幅する方法が記述されている。
【０００４】
この技術形態では、ある振動数範囲におけるパイロンの頭部の振動の検出が可能である。これらの振動は、パイロンへの負荷の一部を形成する。このため、パイロンは、その予定された稼動年数の間、例えば２０年間における、予め決められた全負荷に対応できるように設計されている。
【非特許文献１】
記事名「ロータはパイロンを痛める」、「再生可能エネルギ」ジャーナル誌、サンメディア出版及び再生可能エネルギ協会発行、ハノーバmbH、２０００年７月号、第３８ページ（The journal "Erneuerbare Energien", issue 7/2000, page 38, appeared at SunMedia Verlags- Kongressgesellschaft fur Erneuerbare Energien mbH Hannove, article entitled "Knackt der Rotor den Turm"）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それぞれの負荷は、材料の疲労に関与する。したがって、多くの高い負荷を伴った状況では、少なく低い負荷を伴った状況に比べて、疲労がより急速に進行するということは、容易に理解される。
【０００６】
したがって、これは、パイロンの稼動年数が時間的には同一であるとしても、「機械的」年齢は異なるということを意味する。このため、時間的には２０年の限界年数に達したとしても、低レベルの負荷がかかっていたパイロンは、機械的には、その設計では１５年後にもくろまれていた負荷しかかかっていないので、まだ確実に運転しつづけることができるといったことが起こる可能性がある。また、１５年しか経過していないのに、パイロンは機械的にはすでに２０年の年齢に達してしまっているといった逆の場合も考えられる。
【０００７】
前記の形態では、パイロンの機械的な稼動年齢は適切には検出することができず、このため最終的には、風力発電装置の最も重要な部品の１つであるパイロンの耐用年数をあいまいにしか推定することができないといった問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、風力発電装置への負荷を高い信頼性でもって検出することを可能にし、かつ風力発電装置の重要な部品の状態を高い信頼性でもって推定することを可能にする装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、上記目的は、請求項１の特徴を有する風力発電装置によって達成される。有利な発展形は、従属の請求項に規定されている。
【００１０】
本発明は、風力発電装置で生じる全ての負荷は風力発電装置のパイロンに作用するといった知見に基づいている。もしパイロン（pylon）の基部に集合負荷（load collective）の半分がかかれば、ブレード、機械支持部、パイロン頭部などといったその他の部品には、集合負荷のかなり高い比率の部分はほとんどかからなくなる。
【００１１】
最終的には、パイロンの基部での負荷は、例えば４ｍ／ｓの風速を含む状況に対応することができず、他方、他の部品での負荷は、例えば８ｍ／ｓの風速に対応する。したがって、パイロンへの負荷の検出は、風力発電装置がその位置で全体的にかかる負荷についての結論に到達することを可能にする。
【００１２】
単純化するために、風力発電装置を、一端が把持（grip）された棒に見立てることができれば、パイロンの基部で、風力発電装置に作用する全負荷の総計を検出することが可能となる。したがって、パイロンの基部領域内に少なくとも１つのセンサを配置すれば、風力発電装置への負荷を高い信頼性で検出することが可能となる。同時に、助力なしに、かつ高度の支出及び面倒さを生じさせることなくセンサに到達することが可能となる。
【００１３】
本発明の好ましい実施態様においては、負荷の検出は、ＲＳＧ（抵抗ひずみゲージ）を基本とするセンサによって実施される。負荷は、試行され検査された技術を用いて、適度の精度でもって、このようなセンサにより、高い信頼性で検出することができる。
【００１４】
抵抗ひずみゲージによって検出された測定値は、この測定値に相当するアナログ型又はデジタル型の電気信号にとくに好ましく変換される。これらの信号は伝送され、簡単な仕様でさらに処理される。
【００１５】
このようなさらなる処理は、予め決定可能な負荷限界に達し又はこれを超えたときに、例えば最大負荷を認識し又は求めることができるように限界値と比較することができる。さらに、測定値は、この後に続く処理又は評価のために、累積し（cumelate）格納することができる。
【００１６】
累積の結果はまた、順に、予め決定可能な限界値と比較することもできるということが理解されるであろう。このようにして、設計負荷に関連して風力発電装置への負荷を考慮し、風力発電装置の機械的な稼動年齢の推定を行うことが可能となる。
【００１７】
さらに、本明細書の冒頭部で記述した方法は、風力発電装置への時々刻々の（instantaneous）負荷をセンサからの信号から求めるといった手法で改善される。典型的な風力発電装置における広い測定においては、風力発電装置の種々の部品での負荷状況の相関も求められるので、他の部品への負荷について、パイロンの基部での負荷から、結論を引き出すことを可能にするデータが得られる。得られるすべての負荷の累積により、風力発電装置への全体負荷、ひいてはその機械的な稼動年齢を得ることが可能である。
【００１８】
時々刻々の風に伴う時々刻々の負荷の相関により、得られた風力発電装置への時々刻々の負荷が、ほぼ予期された程度のマグニチュードに対応しているかどうかをチェックすることが可能である。このような仕様で、本発明にかかる装置の機能が満足であるかを監視することが可能となる。
【００１９】
測定された負荷データはまた、過負荷が生じたときに、制御装置が、負荷を低減する結果となる処置を実行するといった手法で、風力発電装置の制御装置におけるさらなる処理が施されてもよい。このような負荷の低減は、例えば、ロータブレードの調整により（風からの）、又は風力発電装置のロータの回転速度の低減により実施することができる。さらに、風力発電装置のロータ全体を、所定の角度の風で回転させて、負荷を低減してもよい。
【００２０】
本発明にかかる方法は、風力発電装置に現在までにかけられた負荷全体を、設計負荷に関連づけて詳細化する（detailing）結果となる。この関連性は、個々の測定値及び／又は累積された負荷と同様に、風力発電装置内に格納され、処理されることができる。さらに、これらのデータは、例えば、遠隔監視システムなどの離れたところに定期的に伝送され、そこから呼び出されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付の図面の例示により、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、基礎１２（foundation）に取り付けられた風力発電装置のパイロン１０を示している。パイロン１０の頂部には、ロータブレード１６を備えたロータを有するポッド１４が配置されている。この図において、矢印は風の方向を示している。
【００２２】
風は、一方でロータを回転させ、これでもって、ロータに機械的に連結された風力発電装置の部品を回転させ、電気エネルギを生成する。しかしながら、同時に、パイロン１０の一方では、風の圧力の作用を受け、他方では、ロータを伴ったポッド１４が風の方向に偏向させられる。その結果、基礎１２に一端が把持されたパイロン１０に、該パイロンのレバーアーム（lever arm）の全長にわたって、曲げモーメントが生じる。
【００２３】
パイロンの頭部に作用する力の効果は、パイロンの全長にわたるパターンの力を生成し、これにより、変動する負荷又は振動が、これに対応する疲労効果を生じさせる。
【００２４】
図２は、パイロンの基部領域内に配置された２つのセンサ２０を示している。これらのセンサ２０は、例えば、ＲＳＧｓ（抵抗ひずみゲージ）に基づいて動作し、パイロンの基部での応力（stress）を検出することができる。この応力は、風力発電装置での全応力について、極めて正確な結論を引き出すことを可能にする。２つのセンサ２０だけを配置するのでなく、ある環境下では、複数の主たる風向に対してセンサを設けるために、パイロンの基部の周縁のまわりに分布させられた複数のセンサを配置することも有効である。このような仕様においては、センサは、パイロンの基部で生じるそれぞれの引っ張り／圧縮の最大負荷を求めることができる。
【００２５】
さらに、センサでもって得られた信号／データは、次のような手法で、風力発電装置の制御装置（図示せず）内でさらに処理されることができる。すなわち、予め決められた最大値を、１回、複数回又はある時間的態様（time-wise manner）で超えたときに、風力発電装置への全体負荷が次のような手法により低減される。この手法では、例えば、風力発電装置のロータの回転速度が制御システムにより低減され、及び／又は、個々のロータブレードが所定の角度の風で回転させられ、これにより、ロータに起因して作用する負荷、又はこれに作用している風の効果を低減する。
【００２６】
第２の装置４０は、電気信号を検出し、これらを評価又は処理することができる。測定値は、例えば、予め決められた負荷限界をマークする（mark）第１限界値と比較することができる。もし測定値がこの第１限界値に達し又はこれを超えれば、トリガ信号が出され、測定値が正確に表示される。
【００２７】
もし限界値、すなわちこの具体例では負荷限界に、前記のように繰り返して達し又はこれを超えれば、以前につくられた仮定負荷（load assumption）からの系統的な偏移（systematic deviation）が存在すると結論を下すことができる。ここで、その原因、例えば風力発電装置の不適正な制御、又は風力発電装置の配置位置に依存する極端な状況を制限することができ、これにより上記の状況を救済することができる。
【００２８】
パイロンの機械的な劣化は、連続的な累積記録と、設計負荷との連続的な比較により絶えず監視することができる。
【００２９】
負荷データの格納はまた、風力発電装置のパイロンで起こる可能性があるダメージの場合は、所定の過負荷状態が生じたかどうかの証拠、あるいは生じている最大負荷に対応していたかどうかの証拠をより容易に得ることを可能にする、といった利点ももつ。
【００３０】
最後に、風力発電装置の測定された負荷データが主として得られ、かつ測定された負荷データが頻繁に又は絶えず所定の最大値を超える場合は、パイロンの早過ぎる機械的劣化を防止するために、測定を適宜オペレータ側で実施することができる。このような処置はまた、例えば、風力発電装置の、例えばパイロンを含む何らかの要素の強化を含んでいてもよい。
【００３１】
抵抗ひずみゲージに代えて、負荷を検出するために、パイロンにおける、とくに風力発電装置のパイロンの頂部における張力、及び／又は、圧縮力、及び／又は、ねじり力、及び／又は、振動又は振幅、を検出することができるその他の装置を用いることも可能である。
【００３２】
図３は、本発明にかかる方法を示すフローチャートである。この手順はステップ５０でスタートし、測定値はステップ５１で検出される。ステップ５２では、検出された測定値が第１限界値と比較される。もし測定値がこの第１限界値を超えていれば、ステップ５３でこれが正確に表示される。もし測定値が第１限界値を超えていなければ、ステップ５３をスキップする。
【００３３】
ステップ５４では、測定値が累積され、これにより風力発電装置にかけられた現在までの全体負荷が求められる。この全体負荷は、ステップ５５で設計負荷と関連づけられる。ここから機械的な稼動年齢、すなわち風力発電装置にすでにかけられた集合負荷を、設計集合負荷に関連づけて読み取ることが可能となる。この関係は、手順がステップ５７で終了する前にステップ５６で表示される。
【００３４】
この表示は、例えば、伝送後に、中央の遠隔監視ステーションで、又は風力発電装置のオペレータ側で実施することができる。この表示は、棒グラフ、円グラフ又はその他の適切な形態で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】風力発電装置の単純化された図である。
【図２】センサの配置を示す図である。
【図３】本発明にかかる方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０ パイロン
１２ 基礎
１４ ポッド
１６ ロータブレード
２０ センサ
３０ 第１の装置
４０ 第２の装置

Claims (13)

1. 風力発電装置の一部又は風力発電装置全体への負荷を監視するための監視装置を有する風力発電装置であって、
   上記監視装置が、好ましくは該風力発電装置のパイロンの基部領域に配設され、とくには上記パイロンへの負荷を該パイロンの基部領域内で測定することができる手段を有していることを特徴とする風力発電装置。
2. 上記パイロンの基部領域内での該パイロンへの負荷を検出するための上記監視装置が、抵抗ひずみゲージ（ＲＳＧｓ）を基本とするセンサであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 該風力発電装置が制御装置を有していて、上記制御装置は、
   上記パイロンへの負荷を検出するために測定されるデータを処理するとともに、
   測定されたデータが所定の最大値を、１回、複数回及び／又はある期間にわたって超えたときに、ロータブレードの調整により該風力発電装置のロータの回転速度の低減、及び／又は、風力発電装置への負荷の低減を実施するといった手法で、該風力発電装置を制御するようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 風力発電装置への負荷のデータを測定値データピックアップにより検出するようになっている、風力発電装置を監視するための方法であって、
   測定値データを、予め決められた方法にしたがって格納及び／又は処理し、
   該風力発電装置全体への時々刻々の負荷を、上記測定値データから求めるようになっている方法。
5. 検出された測定値（センサ（２０）によって検出される）を、該測定値に相当するアナログ型又はデジタル型の電気信号に変換するための第１の装置（３０）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の風力発電装置。
6. 電気信号を検出し、該信号に相当する測定値を、予め決定可能な少なくとも１つの第１限界値と比較し、該限界値に達するか又はこれを超えたときに表示し、及び／又は、上記電気信号に相当する測定値を格納及び／又は累積する第２の装置（４０）を備えていることを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
7. 個々の測定値、及び／又は、累積された測定値、及び／又は、累積された測定値と予め決定可能な第２限界値との関係に相当する信号を伝送するための装置を備えていることを特徴とする請求項１〜３、５及び６のいずれか１つに記載の風力発電装置。
8. ａ）少なくとも１つのセンサ（２０）で測定値を検出し、
   ｂ）上記測定値を、該測定値に相当する信号に変換し、
   ｃ）上記信号を、予め決められた方法にしたがって格納及び／又は処理するようになっている、風力発電装置を監視する方法であって、
   上記風力発電装置のパイロンの基部での時々刻々の負荷を上記信号から求めることを特徴とする方法。
9. 求めた時々刻々の負荷を累積することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 求めた時々刻々の負荷を、時々刻々に測定された風と関連づけることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 測定値を、予め決定可能な第１限界値と比較し、限界値への到達又は超過を表示することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 累積された測定値が、予め決定可能な第２限界値と関連していることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 累積された測定値と第２限界値との間の関係を表示することを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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