JP2011027050A - Wind turbine generator - Google Patents

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Susumu Oshio
晋 尾塩
Kazuo Nakano
一男 中野
Mamoru Fukuda
守 福田
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Riso Kagaku Corp
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Riso Kagaku Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a cost for the control of a wind turbine generator. <P>SOLUTION: The wind turbine generator 10 includes a wind turbine 12, a generator 24 coupled to a rotating shaft 14 of the wind turbine 12, a supporting means 34 for supporting the generator 24 and the wind turbine 12, and a control means 62 which is disposed at a position apart from the wind turbine 12 and the generator 24 with the supporting means 34 interposed therebetween and which controls the operation of the wind turbine 12 and/or the generator 24. The wind turbine generator further includes a strain sensor which comprises an optical fiber 48 in which fiber gratings (FBG) 42, 44, 46 are formed, a light source 50 for emitting light L thereto, and a wavelength detector 56 for detecting the wavelengths of the light reflected on the FBGs 42, 44, 46 and which detects the vibration of the generator. Light signals Lc, Lp are used as control signals which are emitted from the control means 62 and control the operation of the wind turbine 12 and/or the generator 24. A signal transmission passage for transmitting the light signals Lc, Lp is configured using at least a part of the optical fiber 48. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、風力によって発電機を駆動させる風力発電装置に関するものである。   The present invention relates to a wind power generator that drives a generator by wind power.

従来、例えば特許文献1に示されるように、風力を風車(プロペラ)で受け、その回転力で発電機を駆動して電力を得る風力発電装置が公知となっている。近時、この種の風力発電装置として、小型の風車を備えて、強い風が吹き難い場所でもコンスタントに電力を発生することができる定格出力1kW以下程度の小型の装置が注目され、それに関する研究、開発も盛んになされている。   2. Description of the Related Art Conventionally, as shown in, for example, Patent Document 1, a wind turbine generator that receives wind power with a windmill (propeller) and drives the generator with the rotational force to obtain electric power is known. Recently, as this type of wind turbine generator, a small device with a rated output of 1 kW or less, which has a small windmill and can constantly generate power even in a place where strong winds are difficult to blow, has attracted attention. Development is also actively done.

ところで、この風力発電装置は非常に強い風や地震の振動を受けることがあり、さらには発電機が例えばベアリングの偏摩耗等に起因して異常振動を起こすこともある。そのような場合は、破壊を防止するために運転を中止したり、風車の回転速度を抑える等の防振処置をしたりすることが望まれる。そのために従来、特許文献2に示されるように、風車の近傍部分の振動を検出する歪センサを設け、その歪センサが大きな振動を検出した場合は、上述の防振処置等を施すようにした風力発電装置も提案されている。   By the way, this wind power generator may be subjected to extremely strong winds or earthquake vibrations, and the generator may cause abnormal vibrations due to, for example, uneven wear of bearings. In such a case, it is desirable to stop the operation or prevent vibrations such as reducing the rotational speed of the windmill in order to prevent destruction. Therefore, conventionally, as shown in Patent Document 2, a strain sensor that detects vibrations in the vicinity of the windmill is provided, and when the strain sensor detects large vibrations, the above-described vibration-proofing measures are performed. Wind generators have also been proposed.

その種の風力発電装置においては一般に、風力発電装置の複数部分、つまり例えば発電機近傍部分や支柱部分等の振動を検出することが必要になる。その場合、歪センサとしてピエゾ素子等からなるものを用いると、センサ毎に個別の電気配線が必要となるので、センサ設置数が多いほどより多くの費用がかかるようになる。そのような事情から、特許文献3には、風力発電装置の複数部分における振動を検出するために、ファイバーグレーティング(Fiber Bragg Grating:以下、FBGという)を設けた光ファイバーからなる歪センサを適用することが提案されている。   In such a wind power generation apparatus, it is generally necessary to detect vibrations of a plurality of parts of the wind power generation apparatus, that is, for example, the vicinity of the generator and the column part. In that case, if a strain sensor made of a piezo element or the like is used, individual electrical wiring is required for each sensor, so that the larger the number of sensors installed, the more cost is required. Under such circumstances, in Patent Document 3, a strain sensor made of an optical fiber provided with a fiber grating (hereinafter referred to as FBG) is applied to detect vibration in a plurality of portions of the wind power generator. Has been proposed.

以下、この歪センサについて説明する。FBGは、光ファイバーにおいて、コア部にその長さ方向に連なる回折格子を形成してなるものである。なお、この回折格子の各格子部分は、例えばコア部に紫外線を照射してその部分だけ屈折率を変えたり、あるいはコア部にスリットを設けたりすることによって形成される。このようなFBGを持つ光ファイバーの一端側から、ある程度の波長帯域を持つ光を入力させると、FBGの部分でその周期に対応した特定波長の光が回折するが、FBGが応力による歪みを生じてその周期が変化すると、回折する光の波長が変化する。そこで、FBGで回折して光ファイバーの一端側に反射した光の波長変動を検出することにより、FBGが受けている振動を検出可能となる。   Hereinafter, this strain sensor will be described. The FBG is an optical fiber in which a diffraction grating continuous in the length direction is formed in a core portion. Each grating portion of the diffraction grating is formed, for example, by irradiating the core portion with ultraviolet rays to change the refractive index of only that portion, or by providing a slit in the core portion. When light having a certain wavelength band is input from one end of an optical fiber having such an FBG, light of a specific wavelength corresponding to the period is diffracted in the FBG portion, but the FBG is distorted by stress. As the period changes, the wavelength of the diffracted light changes. Therefore, by detecting the wavelength variation of the light diffracted by the FBG and reflected to the one end side of the optical fiber, it is possible to detect the vibration received by the FBG.

このFBGを設けた光ファイバーからなる歪センサは、互いに周期を変えたFBGを複数設けておくことにより、そのFBGの部分毎に振動を検出できるので、低コストで、風力発電装置の多くの部分の振動を検出可能となる。先に述べた小型の風力発電装置においては、強い風にも耐え得るようにするために、大型の風力発電装置とは異なって、支柱を高剛性とせずに、しなやかに撓み得る構造とすることが多い。そのような構造の風力発電装置においては、支柱における複数部分の振動を検出することもあるので、このFBGからなる歪センサは特に好適なものとなる。   The strain sensor made of an optical fiber provided with this FBG can detect vibrations for each part of the FBG by providing a plurality of FBGs having different periods, so that it is possible to reduce the cost of many parts of the wind turbine generator. Vibration can be detected. Unlike the large wind power generator, the small wind power generator described above has a structure that can flex flexibly without using high rigidity, unlike the large wind power generator. There are many. In the wind power generator having such a structure, the vibration sensor of the FBG is particularly suitable because vibrations of a plurality of portions in the support column may be detected.

なお風力発電装置においては、強風等への対策の他、発電機の異常を検知するために発電機近傍部分の振動を検出することもあるが、上記FBGからなる歪センサはそのような振動検出にも利用できることは勿論である。   In the wind power generator, in addition to measures against strong winds and the like, vibration in the vicinity of the generator may be detected in order to detect an abnormality in the generator. However, the strain sensor composed of the FBG detects such vibration. Of course, it can also be used.

他方、上に述べたような風力発電装置においては、発電機の動作を制御するため、さらには発電機の運転状況を監視するために、発電機部分と、地上に設置される制御手段とを結ぶ制御配線が必要になる。従来この種の制御配線は、一般の銅線による電気配線が適用されていた。   On the other hand, in the wind turbine generator as described above, in order to control the operation of the generator, and further to monitor the operation status of the generator, a generator part and control means installed on the ground are provided. A control wiring to be connected is required. Conventionally, this type of control wiring has been applied with electric wiring using general copper wire.

特開2002−155850号公報JP 2002-155850 A 特開2007−205225号公報JP 2007-205225 A 特開2007−114072号公報JP 2007-114072 A

上記の制御配線は、風力発電装置の情報量が多くなるにともなってより高速域のものが必要とされ、それが風力発電装置の設置コストを少なからず押し上げる要因となっている。また銅線による制御配線を用いた場合は、そこを伝送させる制御用の電気信号が、発電機から生じるノイズや、あるいは外部から来るノイズの影響を受けやすくなっていた。   As the amount of information of the wind power generator increases, the control wiring described above is required to have a higher speed range, which causes a significant increase in the installation cost of the wind power generator. In addition, when a control wiring using a copper wire is used, an electric signal for control to transmit the control wiring is easily affected by noise generated from a generator or noise coming from the outside.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、情報量が多くなっても制御に関わる部分のコストを低く抑えることが可能で、また制御信号にノイズの影響が及ぶことを防止できる風力発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to keep the cost of a part related to control low even if the amount of information increases, and to prevent the influence of noise on the control signal. An object is to provide a power generator.

本発明による風力発電装置は、先に述べたようにFBGを備えた光ファイバーからなる歪センサを用いた風力発電装置において、制御信号を伝える信号伝送路として上記光ファイバーを兼用したものであって、具体的には、
風車と、この風車の回転軸に連結された発電機と、前記風車および/または発電機の動作を制御する制御手段とを有してなる風力発電装置において、
FBGが形成された光ファイバー、そこに光を入射させる光源、および前記FBGで反射した光の波長を検出する波長検出器を備えて、少なくとも発電装置の一部の振動を検出する歪センサが設けられ、
前記制御手段から発せられて前記風車および/または発電機の動作を制御する制御信号として光信号が用いられ、
この光信号を伝える信号伝送路が、前記光ファイバーの少なくとも一部を用いて構成されていることを特徴とするものである。
The wind power generator according to the present invention uses the optical fiber as a signal transmission path for transmitting a control signal in the wind power generator using a strain sensor made of an optical fiber equipped with an FBG as described above. In terms of
In a wind turbine generator comprising a windmill, a generator connected to the rotating shaft of the windmill, and a control means for controlling the operation of the windmill and / or the generator,
An optical fiber in which an FBG is formed, a light source that makes light incident on the optical fiber, and a wavelength detector that detects the wavelength of the light reflected by the FBG, and a strain sensor that detects at least some vibrations of the power generation device are provided. ,
An optical signal is used as a control signal emitted from the control means to control the operation of the windmill and / or generator,
The signal transmission path for transmitting the optical signal is configured by using at least a part of the optical fiber.

なお本発明の風力発電装置においては、
風車および発電機を支持する支柱が設けられ、
前記制御手段が、前記支柱を間に置いて風車および発電機から離れた位置に配置され、
前記光ファイバーが前記支柱に沿って配置されていることが望ましい。
In the wind power generator of the present invention,
Prop that supports the windmill and generator is provided,
The control means is disposed at a position away from the windmill and the generator with the strut in between,
It is desirable that the optical fiber is disposed along the support column.

他方、上記の光信号は、歪センサを構成する光源から発せられる光と波長が異なるものとされることが望ましい。   On the other hand, it is desirable that the optical signal has a wavelength different from that of the light emitted from the light source constituting the strain sensor.

また本発明の風力発電装置は、上記光信号と、歪センサを構成する光源から発せられる光とが、互いに時間分割されて前記光ファイバーを伝搬するように構成されるのが望ましい。   The wind power generator of the present invention is preferably configured such that the optical signal and the light emitted from the light source constituting the strain sensor are propagated through the optical fiber in a time-division manner.

また本発明の風力発電装置においては、前記光ファイバーが、互いに周期の異なる複数のFBGを有するものであり、前記光源が、前記複数のFBGにおいて各々回折し得る波長成分を含む光を発するものであることが望ましい。   In the wind turbine generator according to the present invention, the optical fiber has a plurality of FBGs having different periods, and the light source emits light including wavelength components that can be diffracted by the plurality of FBGs. It is desirable.

また本発明の風力発電装置においては、発電機の出力の周波数を検出する周波数検出手段と、前記波長検出器が出力した波長検出信号から、前記周波数検出手段が検出した周波数に同期した周波数成分(つまり同じ周波数の成分や、その高調波成分)を除去する手段とが設けられていることが望ましい。   Further, in the wind turbine generator of the present invention, the frequency component synchronized with the frequency detected by the frequency detector from the frequency detector that detects the frequency of the output of the generator and the wavelength detection signal output from the wavelength detector ( That is, it is desirable to provide means for removing the same frequency component and its harmonic component.

本発明の風力発電装置によれば、制御手段から発せられて風車および/または発電機の動作を制御する制御信号として光信号が用いられ、この光信号を伝える信号伝送路が、歪センサを構成する光ファイバーの少なくとも一部を用いて構成されているので、情報量が多くなっても制御に関わる部分のコストを低く抑えることができる。すなわち、光ファイバーを介して光信号を伝送する場合は、電気信号を伝送する場合よりも一般に高速伝送が可能であるので、風力発電装置の情報量が多くなっても、通常はそれを1本の光ファイバーによって伝送することができる。その上、この光ファイバーは、本来歪センサを構成するものが兼用されたものであるから、制御信号専用の伝送路が不要になって信号伝送のための構成が著しく簡素化され、よって、制御に関わる部分のコストを低く抑えることが可能になる。   According to the wind power generator of the present invention, an optical signal is used as a control signal that is emitted from the control means and controls the operation of the windmill and / or generator, and the signal transmission path that transmits this optical signal constitutes the strain sensor. Since the optical fiber is configured using at least a part of the optical fiber, the cost of the part related to the control can be kept low even if the amount of information increases. In other words, when an optical signal is transmitted through an optical fiber, it is generally possible to transmit at a higher speed than when an electrical signal is transmitted. It can be transmitted by optical fiber. In addition, since this optical fiber originally serves as a strain sensor, a transmission path dedicated to the control signal is not required, and the configuration for signal transmission is greatly simplified. It becomes possible to keep the cost of the part concerned low.

上記のように制御信号専用の伝送路を省くことによるコスト低減効果は、本発明の風力発電装置において、前述したように風車および発電機を支持する支柱が設けられ、前記制御手段が、前記支柱を間に置いて風車および発電機から離れた位置に配置され、そして前記光ファイバーが前記支柱に沿って配置されている場合に特に顕著なものとなる。すなわち、上記のような支柱を持つ風力発電装置において制御信号専用の伝送路を設ける場合、その専用伝送路は支柱に沿って延びる長いものとなってコストも高くつくので、専用伝送路を省くことによってより大きなコスト削減効果が得られることになる。   As described above, the cost reduction effect by omitting the transmission line dedicated to the control signal is provided in the wind power generator of the present invention, as described above, provided with the support for supporting the wind turbine and the generator, and the control means is configured to support the support. It is particularly noticeable if the optical fiber is placed along the struts and is positioned at a distance from the windmill and generator. That is, in the case of providing a control signal dedicated transmission line in a wind turbine generator having a support as described above, the dedicated transmission line extends along the support and becomes costly. As a result, a greater cost reduction effect can be obtained.

また、発電機から生じるノイズや、あるいは外部から来るノイズは一般に電気的なものであるので、光ファイバーを伝搬する光信号である制御信号は、この種のノイズの影響を受け難くなる。   In addition, since noise generated from the generator or noise coming from the outside is generally electrical, the control signal, which is an optical signal propagating through the optical fiber, is less susceptible to this type of noise.

さらに、制御信号として電気信号を用いる場合は、その信号伝送路を強電界や湿度に起因する問題が生じないように構成する必要があるが、光信号を光ファイバーにおいて伝搬させる場合は本来そのような問題が生じないので、本発明の風力発電装置はその点から信頼性が高いものとなる。   Furthermore, when an electrical signal is used as a control signal, it is necessary to configure the signal transmission path so as not to cause problems due to a strong electric field or humidity. Since no problem occurs, the wind power generator of the present invention is highly reliable in that respect.

なお、本発明の風力発電装置において、上記の光信号が、歪センサを構成する光源から発せられる光と波長が異なるものとされた場合は、それら2通りの光が波長によって弁別されるので、歪センサによる振動要素解析がより容易になされ得る。   In the wind power generator of the present invention, when the above optical signal has a wavelength different from that of the light emitted from the light source constituting the strain sensor, the two types of light are distinguished by the wavelength. The vibration element analysis by the strain sensor can be made easier.

また本発明の風力発電装置が、上記光信号と、歪センサを構成する光源から発せられる光とが、互いに時間分割されて前記光ファイバーを伝搬するように構成された場合は、それら2通りの光が時間軸上で弁別されるので、この場合も歪センサによる振動要素解析がより容易になされ得る。   Further, when the wind power generator of the present invention is configured such that the optical signal and the light emitted from the light source constituting the strain sensor are time-divided with each other and propagate through the optical fiber, these two types of light Is discriminated on the time axis, the vibration element analysis by the strain sensor can be performed more easily in this case as well.

他方、本発明による風力発電装置において特に、前記光ファイバーが、互いに周期の異なる複数のFBGを有するものであり、前記光源が、複数のFBGにおいて各々回折し得る波長成分を含む光を発するものである場合は、複数のFBGの各々において、互いに異なる波長の光が回折することになる。そこで光ファイバーを、複数のFBGの各々がそれぞれ発電機の互いに異なる部分に位置するように配設すれば、発電機の複数の部分における振動を検出可能となる。   On the other hand, in the wind turbine generator according to the present invention, in particular, the optical fiber has a plurality of FBGs having different periods, and the light source emits light including wavelength components that can be diffracted by the plurality of FBGs. In this case, light having different wavelengths is diffracted in each of the plurality of FBGs. Therefore, if the optical fiber is disposed so that each of the plurality of FBGs is located in a different part of the generator, vibrations in the plurality of parts of the generator can be detected.

また、本発明の風力発電装置において特に、発電機の出力の周波数を検出する周波数検出手段と、歪センサを構成する波長検出器が出力した波長検出信号から、上記周波数検出手段が検出した周波数に同期した周波数成分を除去する手段とが設けられている場合は、発電機の正常な回転による振動成分を除いて、強風等の外部要因による振動のみを正確に検出可能となる。   In the wind power generator of the present invention, in particular, the frequency detection means for detecting the frequency of the output of the generator and the frequency detection signal output from the wavelength detector constituting the strain sensor, the frequency detected by the frequency detection means is used. When a means for removing synchronized frequency components is provided, only vibrations caused by external factors such as strong winds can be accurately detected, excluding vibration components due to normal rotation of the generator.

以下、この点を詳しく説明する。発電機は一般に回転子および/または固定子が複数の極を有することから、発電機出力は回転子の回転にともなって周期的に変動する。つまり、特に整流子等が設けられない限り、発電機の出力は交流となる。その一方、上記複数の極が存在することから、発電機は回転子の回転にともなって周期的に振動することがある。この振動は、発電機出力の周波数と同じ振動数のものか、あるいはその高調波となるので、上記波長検出器が出力した波長検出信号から発電機出力に同期した周波数成分を除去すれば、発電機の正常な振動には関係の無い強風等の外部要因による振動や、ベアリングの偏摩耗等による発電機の異常等、防振対策等を施す必要のある振動のみを示す振動検出信号が得られるようになる。   Hereinafter, this point will be described in detail. In general, a generator has a rotor and / or a stator having a plurality of poles, so that the generator output varies periodically with the rotation of the rotor. That is, unless a commutator or the like is particularly provided, the output of the generator is an alternating current. On the other hand, since the plurality of poles are present, the generator may periodically vibrate as the rotor rotates. Since this vibration has the same frequency as the frequency of the generator output or a harmonic thereof, if the frequency component synchronized with the generator output is removed from the wavelength detection signal output by the wavelength detector, power generation Vibration detection signals can be obtained that show only vibrations that need to take anti-vibration measures, such as vibrations caused by external factors such as strong winds that are not related to normal machine vibrations, and abnormalities in generators due to uneven wear of bearings, etc. It becomes like this.

本発明の一実施形態による風力発電装置を示す概略構成図The schematic block diagram which shows the wind power generator by one Embodiment of this invention. 図1の風力発電装置におけるファイバーグレーティングの反射回折特性を示すグラフThe graph which shows the reflection diffraction characteristic of the fiber grating in the wind power generator of FIG.

10 風力発電装置
12 風車
16 電磁クラッチ
18 増速機
24 発電機
28 ナセル内制御部
30 光検出器
32 ケーシング
34 支柱
39 送電線
42、44、46 ファイバーグレーティング
48 光ファイバー
50 レーザ光源
52 分岐器
54 集光レンズ
56 波長検出器
58 信号処理回路
60 合波器
62 制御回路
10 Wind power generator
12 windmill
16 Electromagnetic clutch
18 gear box
24 generator
28 Nacelle control unit
30 photodetectors
32 casing
34 Prop
39 Transmission line
42, 44, 46 Fiber grating
48 optical fiber
50 Laser light source
52 turnout
54 Condensing lens
56 Wavelength detector
58 Signal processing circuit
60 multiplexer
62 Control circuit

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態による風力発電装置の概略構成を示す一部破断側面図である。図示の通りこの風力発電装置10は、風力を受けて回転する風車(プロペラ)12と、この風車12の回転軸14に接続された電磁クラッチ16と、この電磁クラッチ16に接続された増速機18と、この増速機18の出力軸20に接続された回転子22を有する発電機24と、上記回転子22に接続されたフライホイール26と、上記電磁クラッチ16の動作等を制御するナセル内制御部28と、このナセル内制御部28に光検出信号を入力する光検出器30等を有している。上記の要素12〜30はケーシング32内に配設され、このケーシング32は支柱34の上に固定されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partially broken side view showing a schematic configuration of a wind turbine generator according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, this wind power generator 10 includes a windmill (propeller) 12 that rotates by receiving wind power, an electromagnetic clutch 16 that is connected to a rotating shaft 14 of the windmill 12, and a speed increaser that is connected to the electromagnetic clutch 16. 18, a generator 24 having a rotor 22 connected to the output shaft 20 of the speed increaser 18, a flywheel 26 connected to the rotor 22, and a nacelle for controlling the operation of the electromagnetic clutch 16. An internal control unit 28 and a photodetector 30 for inputting a light detection signal to the internal control unit 28 in the nacelle are provided. The above elements 12 to 30 are disposed in a casing 32, and the casing 32 is fixed on a support column 34.

上記支柱34は脚部36の上に固定されており、この脚部36の上には、後述する要素を備えた制御ボックス38が載置されている。なおナセル部を構成している上記ケーシング32の底部には筒状の回転部40が形成され、この回転部40が脚部36の上端部に回転自在に保持されている。   The support column 34 is fixed on a leg portion 36, and a control box 38 having elements to be described later is placed on the leg portion 36. A cylindrical rotating part 40 is formed at the bottom of the casing 32 constituting the nacelle part, and the rotating part 40 is rotatably held at the upper end part of the leg part 36.

上記構成の風力発電装置10において、風車12が風を受けると回転軸14が回転し、その回転は増速機18により増速された上で発電機24の回転子22に伝達される。こうして発電機24の回転子22が回転することにより発電がなされる。発電機24の発電出力Pは、支柱34および制御ボックス38内に配設された送電線39を介して送電され、図示外の手段により整流等の処理を受けてから、例えば蓄電器に蓄電され、あるいは電気機器の駆動のために直接利用される。   In the wind turbine generator 10 configured as described above, when the wind turbine 12 receives wind, the rotating shaft 14 rotates, and the rotation is increased by the speed increaser 18 and then transmitted to the rotor 22 of the generator 24. In this way, power is generated by rotating the rotor 22 of the generator 24. The power generation output P of the generator 24 is transmitted via a power transmission line 39 disposed in the support column 34 and the control box 38, and subjected to processing such as rectification by means not shown, and then stored in, for example, a capacitor. Alternatively, it is directly used for driving electrical equipment.

なお、本実施形態の風力発電装置10は比較的小型に形成されて、微風でも発電可能なものとされている。すなわち、その風車12の直径は一例として3m程度とされており、発電機24は例えば風速5m/s(秒)程度から発電可能で、その定格出力は一例として1kW程度である。   Note that the wind turbine generator 10 of the present embodiment is formed to be relatively small and can generate power even with a slight wind. That is, the diameter of the windmill 12 is about 3 m as an example, the generator 24 can generate power from, for example, a wind speed of about 5 m / s (seconds), and the rated output is about 1 kW as an example.

この種の風力発電装置10においては、安全運転や破壊防止のために、風速の上昇や構造物の異常等に起因する装置要部の異常振動を検出することが必要となる。以下、そのための構成について説明する。この振動を検出する歪センサは基本的に、コア部に例えば3つのFBG(ファイバーグレーティング)42、44、46が形成された光ファイバー48と、そこにレーザ光Lを入射させるレーザ光源50と、このレーザ光Lと後述する反射光LRとを分岐する分岐器52と、レーザ光Lを光ファイバー48の一端面48a上で収束させてそこから該光ファイバー48内に入射させる集光レンズ54と、上記反射光LRの波長を検出する波長検出器56と、この波長検出器56が出力する波長検出信号を処理する信号処理回路58とから構成されている。なお光ファイバー48は送電線39と共に、筒状の回転部40の中を通る状態に配設されている。   In this type of wind power generation apparatus 10, it is necessary to detect abnormal vibrations of the main part of the apparatus due to an increase in wind speed, an abnormality in the structure, or the like for safe operation and prevention of destruction. Hereinafter, a configuration for that purpose will be described. The strain sensor that detects this vibration basically includes an optical fiber 48 in which, for example, three FBGs (fiber gratings) 42, 44, and 46 are formed in the core, a laser light source 50 that makes the laser light L incident thereon, A branching device 52 that branches a laser beam L and a reflected beam LR, which will be described later, a condensing lens 54 that converges the laser beam L on one end surface 48a of the optical fiber 48 and enters the optical fiber 48 from there, and the reflection A wavelength detector 56 for detecting the wavelength of the light LR and a signal processing circuit 58 for processing a wavelength detection signal output from the wavelength detector 56 are configured. The optical fiber 48 is disposed along with the power transmission line 39 so as to pass through the cylindrical rotating portion 40.

光ファイバー48に入射してそこを伝搬するレーザ光Lは、FBG42、44、46において反射回折する。これらのFBG42、44、46は互いに周期を変えて形成されており、したがって各々が静置された状態下で反射回折する光の中心波長(ピーク波長)は、図2に示すようにそれぞれλ1、λ2、λ3と互いに相違している。なおFBG42、44、46の周期とは、それらの周期的に連なる格子部分が例えば前述したようにコア部の一部だけ屈折率を変化させて形成されている場合は、その屈折率が変化している部分の間隔(ピッチ)であり、あるいは格子部分がコア部にスリットを設けて形成されている場合は、そのスリットの間隔(ピッチ)である。   The laser light L incident on the optical fiber 48 and propagating therethrough is reflected and diffracted by the FBGs 42, 44 and 46. These FBGs 42, 44, and 46 are formed with different periods, so that the center wavelengths (peak wavelengths) of the light that is reflected and diffracted under a stationary state are respectively λ1, λ2 and λ3 are different from each other. Note that the period of the FBGs 42, 44, and 46 means that when the lattice parts that are periodically connected to each other are formed by changing the refractive index of only a part of the core part as described above, for example, the refractive index changes. If the lattice portion is formed by providing a slit in the core portion, it is the interval (pitch) of the slit.

レーザ光源50は例えば3つの異なる半導体レーザ等から構成されて、上記波長λ1、λ2、λ3を含む所定幅の波長を持つ3種のレーザ光Lを射出するものとされている。そこで、このレーザ光Lが光ファイバー48に入射してそのコア部を伝搬すると、中心波長λ1、λ2、λ3の光がそれぞれFBG42、44、46において反射回折し、その反射光LRが光ファイバー48の一端面48aから出射する。この反射光LRは後述する合波器60を通過し、分岐器52でレーザ光Lの光路から分岐され、波長検出器56に受光されてその波長が検出される。なお上述した集光レンズ54は、この反射光LRに対しては、光ファイバー48の一端面48aから発散光状態で出射する反射光LRを集光する作用を果たす。   The laser light source 50 is composed of, for example, three different semiconductor lasers and the like, and emits three types of laser light L having a predetermined width including the wavelengths λ1, λ2, and λ3. Therefore, when the laser light L is incident on the optical fiber 48 and propagates through the core portion, the lights having the central wavelengths λ1, λ2, and λ3 are reflected and diffracted at the FBGs 42, 44, and 46, respectively, and the reflected light LR is one of the optical fibers 48. The light exits from the end face 48a. The reflected light LR passes through a multiplexer 60 described later, is branched from the optical path of the laser light L by a branching device 52, is received by a wavelength detector 56, and its wavelength is detected. The condensing lens 54 described above functions to collect the reflected light LR emitted from the one end surface 48a of the optical fiber 48 in a divergent light state with respect to the reflected light LR.

ここで、光ファイバー48のFBG42、44、46が設けられた部分に外力が加わってその部分が歪むと、FBG42、44、46の周期が変化するので、各FBG42、44、46における反射回折の中心波長がλ1、λ2、λ3から変動する。そこで、波長検出器56が出力する波長検出信号を信号処理回路58に送り、該信号処理回路58において反射光LRの波長λ1、λ2、λ3近辺の波長変調状態を各々検出することにより、FBG42、44、46の部分に加わっている振動を検出することができる。つまり、反射光LRの波長の変調幅から上記振動の振幅を検出することができ、また該波長の変調周波数から振動数を検出することができる。   Here, when an external force is applied to the portion of the optical fiber 48 where the FBGs 42, 44, 46 are provided and the portion is distorted, the period of the FBGs 42, 44, 46 changes, so the center of reflection diffraction in each FBG 42, 44, 46 The wavelength varies from λ1, λ2, and λ3. Therefore, the wavelength detection signal output from the wavelength detector 56 is sent to the signal processing circuit 58, and the signal processing circuit 58 detects the wavelength modulation states in the vicinity of the wavelengths λ1, λ2, and λ3 of the reflected light LR. The vibration applied to the portions 44 and 46 can be detected. That is, the amplitude of the vibration can be detected from the modulation width of the wavelength of the reflected light LR, and the frequency can be detected from the modulation frequency of the wavelength.

上述のように波長λ1、λ2、λ3近辺の波長変調状態を各々検出するには、例えば波長λ1、λ2、λ3近辺において想定される波長変調幅をそれぞれ通過域とする3種のバンドパスフィルターに反射光LRを通し、それらのバンドパスフィルターを通過した光について各々波長変調状態を検出すればよい。   In order to detect each of the wavelength modulation states near the wavelengths λ1, λ2, and λ3 as described above, for example, three types of band-pass filters each having a passband having a wavelength modulation width assumed near the wavelengths λ1, λ2, and λ3 are used. What is necessary is just to detect a wavelength modulation state about each light which passed reflected light LR and passed those band pass filters.

なお、レーザ光源50を構成する3つの異なる半導体レーザとしては、発振波長が例えば1.3μmや1.5μm帯にあるもの等が好適に用いられる。そしてFBG42、44、46は各々、そのような波長帯域にあるレーザ光Lを反射回折させる周期のものとされている。また、上述のように3種のレーザ光Lを射出するレーザ光源50の代わりに、想定される中心波長λ1、λ2、λ3を全て含む広波長域に亘る光を発する光源を用いることも可能である。   As the three different semiconductor lasers constituting the laser light source 50, those having an oscillation wavelength in the 1.3 μm or 1.5 μm band, for example, are preferably used. Each of the FBGs 42, 44, and 46 has a period for reflecting and diffracting the laser beam L in such a wavelength band. Further, instead of the laser light source 50 that emits the three types of laser light L as described above, it is also possible to use a light source that emits light over a wide wavelength range including all the assumed center wavelengths λ1, λ2, and λ3. is there.

ここで、光ファイバー48のFBG42が設けられた部分は、増速機18の出力軸20つまり発電機24の回転軸を受承した軸受け29に固定されている。したがって、反射光LRの波長λ1近辺の波長変調状態を検出することにより、この軸受け29の部分に加わる振動の振幅や振動数を検出することができる。通常この軸受け29の部分には、発電機24の正常な回転による振動やその高調波が継続的に加わる。そこで、波長検出器56が出力する波長検出信号および、送電線39で送られる発電機出力Pの一部を信号処理回路58に入力して、該信号処理回路58により、上記波長検出信号から発電機出力Pの周波数に同期した周波数成分(つまり同じ周波数の成分や、その高調波成分)を除けば、発電機24の異常回転による振動や、発電機24の近辺に加わる強風等による振動を検出することができる。その詳しい理由は先に述べた通りである。   Here, the portion of the optical fiber 48 where the FBG 42 is provided is fixed to a bearing 29 that receives the output shaft 20 of the gearbox 18, that is, the rotating shaft of the generator 24. Therefore, the amplitude and frequency of vibration applied to the bearing 29 can be detected by detecting the wavelength modulation state in the vicinity of the wavelength λ1 of the reflected light LR. Normally, vibrations due to normal rotation of the generator 24 and harmonics thereof are continuously applied to the bearing 29 portion. Therefore, the wavelength detection signal output from the wavelength detector 56 and a part of the generator output P sent by the transmission line 39 are input to the signal processing circuit 58, and the signal processing circuit 58 generates power from the wavelength detection signal. Excluding frequency components synchronized with the frequency of the machine output P (that is, components of the same frequency and its harmonic components), vibrations caused by abnormal rotation of the generator 24 and vibrations caused by strong winds in the vicinity of the generator 24 are detected. can do. The detailed reason is as described above.

以上の通り本実施形態では、信号処理回路58および送電線39が、発電機の出力の周波数を検出する周波数検出手段を構成し、また信号処理回路58は、波長検出器56が出力した波長検出信号から、上記周波数検出手段が検出した周波数に同期した周波数成分を除去する手段も構成している。   As described above, in the present embodiment, the signal processing circuit 58 and the power transmission line 39 constitute frequency detection means for detecting the frequency of the output of the generator, and the signal processing circuit 58 detects the wavelength detected by the wavelength detector 56. A means for removing a frequency component synchronized with the frequency detected by the frequency detecting means from the signal is also configured.

他方、光ファイバー48のFBG44が設けられた部分と、FBG46が設けられた部分はそれぞれ、支柱34の中間部分と、支柱34および脚部36の接合部分に固定されている。そこで、反射光LRの波長λ2、λ3近辺の波長変調状態を検出することにより、上記中間部分および接合部分に加わる強風等による振動の振幅や振動数を検出することができる。   On the other hand, the portion of the optical fiber 48 where the FBG 44 is provided and the portion where the FBG 46 is provided are fixed to the intermediate portion of the column 34 and the junction between the column 34 and the leg 36, respectively. Therefore, by detecting the wavelength modulation state in the vicinity of the wavelengths λ2 and λ3 of the reflected light LR, it is possible to detect the amplitude and frequency of vibration caused by strong winds applied to the intermediate portion and the joint portion.

ここで、支柱34を間に置いて風車12および発電機24とは離れた位置に配置された制御回路62による発電機24の動作制御について説明する。以下、この制御に関して、一例として電磁クラッチ16を接、断して発電機24の動作をON、OFFする場合について説明する。   Here, the operation control of the generator 24 by the control circuit 62 arranged at a position away from the windmill 12 and the generator 24 with the support 34 interposed therebetween will be described. Hereinafter, as an example, a case will be described in which the electromagnetic clutch 16 is connected and disconnected to turn the operation of the generator 24 on and off.

前述した信号処理回路58から制御回路62には、先に説明した風力発電装置10の3つの部分における振動の振幅および振動数を各々示す信号SVが入力される。制御回路62はこの信号SVを受けると、それが示す3通りずつの振幅および振動数を、各々に対して予め設定された閾値と比較し、例えばそれら振幅および振動数の1つでも閾値を上回る場合は、光信号であるクラッチ断信号Lcを出力する。   From the signal processing circuit 58 to the control circuit 62, the signal SV indicating the amplitude and frequency of vibration in the three portions of the wind turbine generator 10 described above is input. When the control circuit 62 receives this signal SV, the control circuit 62 compares each of the three amplitudes and frequencies indicated by the signal SV with a preset threshold value for each of them. For example, even one of the amplitude and frequency exceeds the threshold value. In this case, a clutch disengagement signal Lc that is an optical signal is output.

このクラッチ断信号Lcは、レーザ光Lの光路に配された合波器60を介してこの光路内に送られ、光ファイバー48の一端面48aからそのコア内に入射する。クラッチ断信号Lcは光ファイバー48内を伝搬して、ケーシング32内に配置されている光ファイバー48の他端面48bから出射し、集光レンズ64により集光され、光検出器30によって検出される。光検出器30はクラッチ断信号Lcを受光すると、それを光電変換して電気信号からなる光検出信号Ecを出力する。この光検出信号Ecはナセル内制御部28に入力され、該ナセル内制御部28はそれを受けると、電磁クラッチ16にクラッチ断を指示する制御信号を送って、該電磁クラッチ16を断状態に設定する。それにより発電機24は風車12との接続が断たれて、OFF状態つまり運転停止状態に設定される。こうすることにより、例えば暴風下や、装置内に異常が発生した状態下で発電機24が運転されることが回避され、風力発電装置10の破壊が防止される。   This clutch disconnection signal Lc is sent into this optical path via a multiplexer 60 arranged in the optical path of the laser light L, and enters the core from one end face 48a of the optical fiber 48. The clutch disengagement signal Lc propagates through the optical fiber 48, exits from the other end surface 48 b of the optical fiber 48 disposed in the casing 32, is collected by the condenser lens 64, and is detected by the photodetector 30. When the photodetector 30 receives the clutch disengagement signal Lc, it photoelectrically converts it and outputs a photodetection signal Ec comprising an electrical signal. The light detection signal Ec is input to the in-nacelle control unit 28. Upon receipt of the photodetection signal Ec, the in-nacelle control unit 28 sends a control signal to the electromagnetic clutch 16 to instruct the clutch to be disengaged. Set. As a result, the generator 24 is disconnected from the windmill 12 and is set to the OFF state, that is, the operation stop state. By doing so, for example, it is avoided that the generator 24 is operated under a storm or a state where an abnormality has occurred in the apparatus, and the wind power generator 10 is prevented from being destroyed.

その後、前述した信号SVが示す3通りずつの振幅および振動数がすべて、各々と対応する閾値以下になると、制御回路62は光信号であるクラッチ接続信号Lpを出力する。この信号Lpも上記と同様にして光ファイバー48を伝搬し、光検出器30によって検出される。光検出器30はクラッチ接続信号Lpを受光すると、それを光電変換して電気信号からなる光検出信号Epを出力する。この光検出信号Epはナセル内制御部28に入力され、該ナセル内制御部28はそれを受けると、電磁クラッチ16にクラッチ接続を指示する制御信号を送って、該電磁クラッチ16を接続状態に設定する。それにより発電機24の運転が再開される。   After that, when all three amplitudes and frequencies indicated by the signal SV are equal to or less than the corresponding threshold values, the control circuit 62 outputs a clutch connection signal Lp that is an optical signal. This signal Lp also propagates through the optical fiber 48 in the same manner as described above and is detected by the photodetector 30. When receiving the clutch connection signal Lp, the photodetector 30 photoelectrically converts it and outputs a photodetection signal Ep composed of an electrical signal. The light detection signal Ep is input to the in-nacelle control unit 28. Upon receipt of the photodetection signal Ep, the in-nacelle control unit 28 sends a control signal for instructing clutch connection to the electromagnetic clutch 16 to put the electromagnetic clutch 16 in a connected state. Set. Thereby, the operation of the generator 24 is resumed.

以上の通り本実施形態においては、制御回路62から発せられて発電機24の動作を制御する制御信号として光信号Lc、Lpが用いられ、これらの光信号Lc、Lpを伝える信号伝送路が、歪センサを構成する光ファイバー48を兼用して構成されているので、制御信号専用の伝送路が不要になって信号伝送のための構成が著しく簡素化され、よって、制御に関わる部分のコストを低く抑えることが可能になる。   As described above, in the present embodiment, the optical signals Lc and Lp are used as control signals that are emitted from the control circuit 62 and control the operation of the generator 24, and the signal transmission lines that transmit these optical signals Lc and Lp are: Since the optical fiber 48 that constitutes the strain sensor is also used, a control signal dedicated transmission line is not required, and the configuration for signal transmission is greatly simplified, thereby reducing the cost of the part related to control. It becomes possible to suppress.

上述のように制御信号専用の伝送路を省くことによるコスト低減効果は、特に支柱34が長く形成されている場合ほど、より顕著なものとなる。つまりそのような場合は、制御信号専用の伝送路を設けると、その専用伝送路のコストがより高いものとなるので、それを省くことによって制御に関わる部分のコストを大幅に下げることができる。   As described above, the cost reduction effect by omitting the transmission line dedicated to the control signal becomes more remarkable especially when the support column 34 is formed longer. That is, in such a case, if a dedicated transmission line for the control signal is provided, the cost of the dedicated transmission line becomes higher. Therefore, by omitting it, the cost of the part related to control can be greatly reduced.

また風力発電装置10が高機能化されると、以上述べた電磁クラッチ16の動作を制御する光信号Lc、Lpの他に、例えば風車12のピッチ角を制御したり、さらには発電機22の動作をより複雑に制御したりするために情報量がより多くなるが、その場合も本発明によれば、電気信号からなる制御信号を用いる場合と比べて、制御に関わる部分のコストをより低く抑えることができる。すなわち、光ファイバー48を介して光信号を伝送する場合は、電気信号を伝送する場合よりも一般に高速伝送が可能であるので、制御信号が大容量化しても、通常はそれを1本の光ファイバーによって伝送することができる。   Further, when the wind power generator 10 is highly functional, in addition to the optical signals Lc and Lp for controlling the operation of the electromagnetic clutch 16 described above, for example, the pitch angle of the windmill 12 is controlled, and further, the generator 22 In order to control the operation more complexly, the amount of information is increased, but in this case as well, according to the present invention, the cost of the part related to control is lower than in the case of using a control signal composed of an electrical signal. Can be suppressed. That is, when an optical signal is transmitted via the optical fiber 48, transmission is generally possible at a higher speed than when an electrical signal is transmitted. Therefore, even if the control signal has a large capacity, it is usually transmitted by a single optical fiber. Can be transmitted.

また、発電機24から生じるノイズや、あるいは外部から来るノイズは一般に電気的なものであるので、光ファイバー48を伝搬する光信号Lc、Lpは、この種のノイズの影響を受け難くなる。   In addition, since noise generated from the generator 24 or noise coming from the outside is generally electrical, the optical signals Lc and Lp propagating through the optical fiber 48 are not easily affected by this type of noise.

さらに、制御信号として電気信号を用いる場合は、その信号伝送路を強電界や湿度に起因する問題が生じないように構成する必要があるが、光信号Lc、Lpを光ファイバー48において伝搬させる場合は本来そのような問題が生じないので、本実施形態の風力発電装置10はその点から信頼性が高いものとなる。   Furthermore, when an electric signal is used as a control signal, it is necessary to configure the signal transmission path so as not to cause a problem due to a strong electric field or humidity. However, when the optical signals Lc and Lp are propagated in the optical fiber 48, Since such a problem does not inherently occur, the wind turbine generator 10 of the present embodiment is highly reliable from that point.

なお光信号Lc、Lpは、振動要素解析がより容易に行われるように、歪センサ用のレーザ光Lの波長(前述したように1.3μmや1.5μm帯である)から外れた波長の光、例えば可視域の波長の光から構成されるのが望ましい。あるいは、そのように波長で区別する代わりに、光信号Lc、Lpと歪センサ用のレーザ光Lとを時間分割した上で光ファイバー48を伝搬させるようにしてもよい。   The optical signals Lc and Lp are light having a wavelength deviating from the wavelength of the strain sensor laser light L (as described above, the 1.3 μm and 1.5 μm bands), so that the vibration element analysis can be performed more easily. For example, it is desirable to be composed of light having a wavelength in the visible range. Alternatively, the optical signals 48 may be propagated after time division of the optical signals Lc and Lp and the strain sensor laser light L instead of distinguishing them by wavelength.

また、以上は、比較的小型に形成された風力発電装置の実施形態について説明したが、本発明は比較的大型の風力発電装置に対しても勿論適用可能であり、その場合も既述の通りの効果を奏するものである。   Further, the embodiment of the wind turbine generator having a relatively small size has been described above. However, the present invention is naturally applicable to a relatively large wind turbine generator, and in that case as well, as described above. The effect of this is achieved.

Claims (6)

風車と、この風車の回転軸に連結された発電機と、前記風車および/または発電機の動作を制御する制御手段とを有してなる風力発電装置において、
ファイバーグレーティングが形成された光ファイバー、そこに光を入射させる光源、および前記ファイバーグレーティングで反射した光の波長を検出する波長検出器を備えて、少なくとも発電装置の一部の振動を検出する歪センサが設けられ、
前記制御手段から発せられて前記風車および/または発電機の動作を制御する制御信号として光信号が用いられ、
この光信号を伝える信号伝送路が、前記光ファイバーの少なくとも一部を用いて構成されていることを特徴とする風力発電装置。
In a wind turbine generator comprising a windmill, a generator connected to the rotating shaft of the windmill, and a control means for controlling the operation of the windmill and / or the generator,
An optical fiber in which a fiber grating is formed, a light source that makes light incident thereon, and a wavelength sensor that detects a wavelength of light reflected by the fiber grating, and a strain sensor that detects vibration of at least a part of the power generation device. Provided,
An optical signal is used as a control signal emitted from the control means to control the operation of the windmill and / or generator,
A wind power generator characterized in that a signal transmission path for transmitting the optical signal is configured using at least a part of the optical fiber.
前記風車および発電機を支持する支柱が設けられ、
前記制御手段が、前記支柱を間に置いて前記風車および発電機から離れた位置に配置され、
前記光ファイバーが前記支柱に沿って配置されていることを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
A support for supporting the windmill and the generator is provided,
The control means is disposed at a position away from the windmill and the generator with the strut in between,
The wind power generator according to claim 1, wherein the optical fiber is disposed along the support column.
前記光信号が、前記歪センサを構成する光源から発せられる光と波長が異なるものとされていることを特徴とする請求項1または2記載の風力発電装置。   The wind power generator according to claim 1 or 2, wherein the optical signal has a wavelength different from that of light emitted from a light source constituting the strain sensor. 前記光信号と、前記歪センサを構成する光源から発せられる光とが、互いに時間分割されて前記光ファイバーを伝搬するように構成されていることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の風力発電装置。   4. The optical signal and the light emitted from a light source constituting the strain sensor are configured to be time-divided to propagate through the optical fiber. Wind power generator. 前記光ファイバーが、互いに周期の異なる複数のファイバーグレーティングを有するものであり、
前記光源が、前記複数のファイバーグレーティングにおいて各々回折し得る波長成分を含む光を発するものであることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の風力発電装置。
The optical fiber has a plurality of fiber gratings with different periods,
5. The wind power generator according to claim 1, wherein the light source emits light including a wavelength component that can be diffracted by each of the plurality of fiber gratings.
前記発電機の出力の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記波長検出器が出力した波長検出信号から、前記周波数検出手段が検出した周波数に同期した周波数成分を除去する手段とを備えたことを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載の風力発電装置。
Frequency detection means for detecting the frequency of the output of the generator;
The wind power according to any one of claims 1 to 5, further comprising: means for removing a frequency component synchronized with the frequency detected by the frequency detection means from the wavelength detection signal output by the wavelength detector. Power generation device.
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