JP2013231409A - Wind power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は風力発電装置に関し、特にブレードの振動をモニタすることができる風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind power generator, and more particularly to a wind power generator capable of monitoring blade vibration.
近年、クリーンエネルギーを利用した発電装置への関心が高まってきている。このような発電装置の1つとして、風力発電装置がある。風力発電装置は、自然風を受けて回転する風車と、風車の回転を電力に変換する発電機等を備えている。 In recent years, interest in power generation devices using clean energy has increased. One such power generator is a wind power generator. The wind turbine generator includes a windmill that rotates by receiving natural wind, a generator that converts the rotation of the windmill into electric power, and the like.
特許文献1には、風力発電装置が備えるブレードとタワーとの接触を防止するための技術が開示されている。
風力発電装置は、自然風を受けて回転する回転機構(風車)と、回転機構の回転を電力に変換する発電機とを備えている。回転機構は、ハブと、当該ハブの回転軸周りに放射状に配置された複数のブレードとを備える。また、発電機はナセルに収容されており、ナセルはタワーによって支持されている。 The wind power generator includes a rotating mechanism (windmill) that rotates by receiving natural wind, and a generator that converts rotation of the rotating mechanism into electric power. The rotation mechanism includes a hub and a plurality of blades arranged radially around the rotation axis of the hub. Moreover, the generator is accommodated in the nacelle, and the nacelle is supported by the tower.
このような構成を備える風力発電装置では、強風や風の脈動に起因してブレードが振動する場合がある。特にブレードが共振するとブレードの振動が大きくなり、これによりブレードが疲労して破断したり、ブレードがタワーに接触したりするという問題がある。よって、ブレードの振動をリアルタイムで且つ正確にモニタすることが可能な風力発電装置が必要とされていた。 In a wind turbine generator having such a configuration, the blade may vibrate due to strong wind or wind pulsation. In particular, when the blade resonates, the vibration of the blade increases, which causes a problem that the blade fatigues and breaks, or the blade contacts the tower. Therefore, a wind turbine generator capable of accurately monitoring blade vibration in real time has been required.
上記課題に鑑み本発明の目的は、ブレードの振動をリアルタイムで且つ正確にモニタすることが可能な風力発電装置を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a wind turbine generator capable of accurately monitoring blade vibration in real time.
本発明にかかる風力発電装置は、ハブと、当該ハブの回転軸周りに放射状に配置された複数のブレードとを備える回転機構と、前記回転機構によって駆動される発電機を備えるナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記複数のブレードのうちの少なくとも一つに設けられ、前記ブレードの長手方向に直列に配置された第1および第2の歪みゲージと、前記第1および第2の歪みゲージから出力された信号を用いて前記ブレードの1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出する振動算出部と、を備える。 A wind turbine generator according to the present invention includes a rotating mechanism including a hub and a plurality of blades arranged radially around the rotation axis of the hub, a nacelle including a generator driven by the rotating mechanism, and the nacelle. A first tower and a second strain gauge provided on at least one of the plurality of blades and arranged in series in the longitudinal direction of the blade, and the first and second strain gauges A vibration calculation unit that calculates a vibration component of a primary mode and a vibration component of a secondary mode of the blade using a signal output from the blade.
本発明により、ブレードの振動をリアルタイムで且つ正確にモニタすることが可能な風力発電装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wind turbine generator capable of accurately monitoring blade vibration in real time.
<実施の形態1>
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、実施の形態1にかかる風力発電装置を示す正面図である。図2は、実施の形態1にかかる風力発電装置を示す側面図である。図1、図2に示すように、本実施の形態にかかる風力発電装置1は、ブレード2_1〜2_3およびハブ5を備える回転機構と、ナセル6と、タワー7とを備える。
<
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view illustrating the wind turbine generator according to the first embodiment. FIG. 2 is a side view of the wind power generator according to the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the
ブレード2_1〜2_3は、ハブ5の回転軸8の周りに放射状に配置されている。ブレード2_1〜2_3は、風力発電装置1に向かって流れる風の力を回転力に変換できるように、風の流入方向に対してピッチ角を有する。ブレード2_1〜2_3およびハブ5を備える回転機構は、風力発電装置の通常運転時に回転軸8が略水平となるように配置されている。図1に示す風力発電装置1では、3つのブレード2_1〜2_3がそれぞれ120度の間隔で放射状に配置されている場合を示しているが、ブレードの数は2つであってもよく、また4つ以上であってもよい。
The blades 2_1 to 2_3 are arranged radially around the
ハブ5は、ナセル6内に設けられている発電機と機械的に接続されており、発電機はハブ5から伝達された回転力を電力に変換する。ハブ5と発電機はギア(変速機)を介して機械的に接続されていてもよく、この場合はギアボックスがナセル6内に配置されている。タワー7は、タワー7の頂部においてナセル6を支持する。
The
また、本実施の形態にかかる風力発電装置1では、各々のブレード2_1〜2_3に2つの歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3が設けられている。本実施の形態にかかる風力発電装置1では、ブレードの長手方向の振動を測定するために、2つの歪みゲージ3_1、4_1がブレード2_1の長手方向に直列に配置されている。
Moreover, in the
なお、図1に示す風力発電装置1では全てのブレード2_1〜2_3にそれぞれ2つの歪みゲージを設けている場合を示しているが、歪みゲージは複数のブレードのうちの少なくとも一つに設けてもよい。また、本実施の形態にかかる風力発電装置1では、ブレードの2つの振動モード(1次モードと2次モード)を測定するので、1つのブレードには少なくとも2つの歪みゲージを設ける必要がある。このとき、1つのブレードに3つ以上の歪みゲージを設けてもよい。歪みゲージの数を増やすことで、ブレードの振動をより正確に測定することができる。
In the
歪みゲージは、金属抵抗体の長手方向に応力が働くと金属抵抗体の断面積が変化し、これに伴い金属抵抗体の抵抗が変化することを利用したセンサである。歪みゲージは安価で堅牢であるため、ブレードの歪みを検出する用途に適している。各々の歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3は、ブレード2_1〜2_3の長手方向の歪みを測定できるように取り付けられている。例えば、歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3は、ブレード2_1〜2_3の表面(風向きの上流側の面)に設けてもよく(図2参照)、また、ブレード2_1〜2_3の裏面(風向きの下流側の面)に設けてもよい。更に、歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3は、ブレードの内部に埋め込んでもよい。なお、ブレードが回転軸8と平行な方向に振動した場合、ブレードの内部よりも表面および裏面の歪みのほうが大きくなる。よって、歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3はブレード2_1〜2_3の表面または裏面に設けることが好ましい。
A strain gauge is a sensor that utilizes the fact that the cross-sectional area of a metal resistor changes when stress acts in the longitudinal direction of the metal resistor, and the resistance of the metal resistor changes accordingly. Strain gauges are inexpensive and robust, making them suitable for applications that detect blade strain. Each of the strain gauges 3_1 to 3_3, 4_1 to 4_3 is attached so that the strain in the longitudinal direction of the blades 2_1 to 2_3 can be measured. For example, the strain gauges 3_1 to 3_3, 4_1 to 4_3 may be provided on the surface of the blades 2_1 to 2_3 (the upstream surface in the wind direction) (see FIG. 2), and the back surface of the blades 2_1 to 2_3 (the downstream in the wind direction). May be provided on the side surface). Further, the strain gauges 3_1 to 3_3, 4_1 to 4_3 may be embedded in the blade. When the blade vibrates in a direction parallel to the
なお、本実施の形態では、金属抵抗体を用いた歪みゲージを利用してブレードの歪みを測定する場合について説明したが、歪みゲージの代わりに圧電素子を用いてブレードの歪みを測定してもよい。 In this embodiment, the case where the strain of the blade is measured using a strain gauge using a metal resistor has been described. However, the strain of the blade may be measured using a piezoelectric element instead of the strain gauge. Good.
次に、歪みゲージから出力された信号を用いてブレードの1次モードの振動と2次モードの振動を算出する方法について説明する。本実施の形態にかかる風力発電装置1では、歪みゲージで得られた歪みから逆変換行列を用いて1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出することで、それら両者の振動成分の重ね合わせとしてブレード全体の変形をリアルタイムでモニタすることができる。
Next, a method for calculating the primary mode vibration and the secondary mode vibration of the blade using the signal output from the strain gauge will be described. In the
1次モードと2次モードを考慮する場合、ブレードの変位は下記の式で近似することができる。
ここで、zdはブレードの任意の位置、ν(zd、t)は位置zdの時間tにおける変位、V1(zd)は補間関数で表現された位置zdにおけるモード形の値(1次モード)、f1(t)は1次モード形の寄与率成分の時間応答、V2(zd)は補間関数で表現された位置zdにおけるモード形の値(2次モード)、f2(t)は2次モード形の寄与率成分の時間応答である。 Here, z d is an arbitrary position of the blade, ν (z d , t) is a displacement of the position z d at time t, and V 1 (z d ) is a value of the mode shape at the position z d expressed by an interpolation function. (Primary mode), f 1 (t) is the time response of the contribution factor component of the primary mode form, and V 2 (z d ) is the value of the mode form at the position z d (second order mode) expressed by an interpolation function. , F 2 (t) is the time response of the contribution factor component of the second-order mode.
この場合、変位ν(zd、t)を求めるには、2つの歪みゲージが必要となる。仮に、位置z1、z2を歪みゲージによる測定位置とすると、歪みと変位の関係は下記のように表すことができる。
ここで、ε1(z1、t)は位置z1の時間tおける歪み、ε2(z2、t)は位置z2の時間tにおける歪み、r1は位置z1におけるブレードの中心軸から第1の歪みゲージが貼り付けられた表面までの距離(中立線距離)、r2は位置z2におけるブレードの中心軸から第2の歪みゲージが貼り付けられた表面までの距離である。 Here, ε 1 (z 1 , t) is the strain at time t at position z 1 , ε 2 (z 2 , t) is the strain at time t at position z 2 , and r 1 is the central axis of the blade at position z 1 To the surface to which the first strain gauge is attached (neutral line distance), r 2 is the distance from the central axis of the blade at the position z 2 to the surface to which the second strain gauge is attached.
したがって、位置z1、z2において測定された歪みから計算された1次モードと2次モードにおける時間応答は、式2、式3から下記のように表すことができる。
よって、位置zdにおける変位は、式4を式1に代入して下記のように表すことができる。
ここで、式5の各係数は、モード試験により求めることができる。以下で、各係数の決定方法について説明する。
Here, each coefficient of
図3は、モード試験装置を説明するための図である。以下で説明するモード試験では、一例として長さ75(cm)のブレード11を用いる。ブレード11は木製であり、ブレード11の表面はウレタンでコーティングされている。ブレード11の一端は固定部材12を用いて固定されており、ブレード11はいわゆる片持ち梁である。ブレード11の先端部分の変位は加速度計15を用いて測定することができる。加速度計15から出力された信号は、アンプ16で増幅された後、コンピュータ17に出力される。図3に示すように、x方向はブレード11の厚さ方向、y方向はブレード11の長手方向と直交する方向、z方向はブレード11の長手方向である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the mode test apparatus. In the mode test described below, a
モード試験は、各励振位置13(P+1、P+2、・・・、P−1、P−2、・・・)をハンマーでたたいてブレード11を振動させた後、周波数応答関数(FRF:Frequency Response Function)を求め、その後、周波数応答関数(FRF)に基づいてモード形を同定するという流れで実施する。
In the mode test, each excitation position 13 (P +1 , P +2 ,..., P −1 , P −2 ,...) Is struck with a hammer to vibrate the
図4は、図3に示すモード試験装置の振動を示す図であり、周波数に対する振動応答を示している。図4に示すように、1次モードの固有振動数は36Hzであり、2次モードの固有振動数は123Hzであり、3次モードの固有振動数は262Hzであり、4次モードの固有振動数は300Hzである。ここで、1次モードと2次モードは面外曲げ振動であり、3次モードと4次モードはねじり振動である。以下では、振動応答の大きい1次モードと2次モード、つまり面外曲げ振動のみを考慮する。 FIG. 4 is a diagram showing the vibration of the mode test apparatus shown in FIG. 3, and shows the vibration response with respect to the frequency. As shown in FIG. 4, the natural frequency of the first-order mode is 36 Hz, the natural frequency of the second-order mode is 123 Hz, the natural frequency of the third-order mode is 262 Hz, and the natural frequency of the fourth-order mode. Is 300 Hz. Here, the first and second modes are out-of-plane bending vibrations, and the third and fourth modes are torsional vibrations. In the following, only the primary mode and the secondary mode having a large vibration response, that is, out-of-plane bending vibration will be considered.
1次モードの振動と2次モードの振動はそれぞれ、下記に示す三角関数を用いた補間関数を用いて表すことができる。ただし、これは一例であり、対象のブレードの諸元の違いによって適切な表現変更が可である。
図5は、1次モードの測定値と補間関数との関係を示す図である。図6は、2次モードの測定値と補間関数との関係を示す図である。図5、図6に示すように、測定値は補間関数とほぼ一致しており、各モードにおける振動を式6に示した補間関数を用いて表現することができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the measurement value of the primary mode and the interpolation function. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the measurement value of the secondary mode and the interpolation function. As shown in FIGS. 5 and 6, the measured value almost coincides with the interpolation function, and the vibration in each mode can be expressed using the interpolation function shown in
図7は、図5に示した1次モードの補間関数を2階微分した場合を示す図である。図8は、図6に示した2次モードの補間関数を2階微分した場合を示す図である。各モードの補間関数の2階微分は歪みの分布を示している。よって、歪みの絶対値が最大となる場所に歪みゲージを設けることで、歪みゲージの感度を向上させることができる。 FIG. 7 is a diagram illustrating a case where the first-order mode interpolation function illustrated in FIG. 5 is second-order differentiated. FIG. 8 is a diagram illustrating a case where the second-order mode interpolation function illustrated in FIG. 6 is second-order differentiated. The second derivative of the interpolation function in each mode indicates the distortion distribution. Therefore, by providing a strain gauge at a location where the absolute value of strain is maximized, the sensitivity of the strain gauge can be improved.
図7、図8に示す例では、z=0.55(m)近傍で各モードの補間関数の2階微分の絶対値が最大となっている。よって、z=0.55(m)近傍に歪みゲージを設けることで、歪みゲージの感度を向上させることができる。また、図8では、z=0.26(m)近傍において2次モードの補間関数の2階微分の絶対値がゼロとなっている。一方、図7では、z=0.26(m)近傍において1次モードの補間関数の2階微分の絶対値はゼロとはなっていない。よって、z=0.26(m)近傍に歪みゲージを設けることで、1次モードに起因する歪みと2次モードに起因する歪みとをうまく分離することができる。ここで、補間関数の2階微分の絶対値がゼロである場所は、振動の節の部分に対応している。 In the examples shown in FIGS. 7 and 8, the absolute value of the second derivative of the interpolation function of each mode is maximized in the vicinity of z = 0.55 (m). Therefore, by providing a strain gauge in the vicinity of z = 0.55 (m), the sensitivity of the strain gauge can be improved. In FIG. 8, the absolute value of the second-order derivative of the interpolation function of the second-order mode is zero in the vicinity of z = 0.26 (m). On the other hand, in FIG. 7, the absolute value of the second derivative of the interpolation function of the first-order mode is not zero in the vicinity of z = 0.26 (m). Therefore, by providing a strain gauge in the vicinity of z = 0.26 (m), the strain caused by the primary mode and the strain caused by the secondary mode can be well separated. Here, the place where the absolute value of the second-order differential of the interpolation function is zero corresponds to the vibration node.
また、図7、図8に示す歪み分布の値から、歪みゲージの値(電圧値)を校正することでブレードのたわみを動的に同定することができる。 Further, the deflection of the blade can be dynamically identified by calibrating the strain gauge value (voltage value) from the strain distribution values shown in FIGS.
風力発電装置では、強風や風の脈動に起因してブレードが振動する場合がある。特にブレードが共振するとブレードの振動が大きくなり、これによりブレードが疲労して破断したり、ブレードがタワーに接触したりするという問題があった。よって、ブレードの振動をリアルタイムで且つ正確にモニタすることが可能な風力発電装置が必要とされていた。 In a wind power generator, a blade may vibrate due to strong wind or pulsation of wind. In particular, when the blade resonates, the vibration of the blade increases, which causes a problem that the blade fatigues and breaks, or the blade contacts the tower. Therefore, a wind turbine generator capable of accurately monitoring blade vibration in real time has been required.
そこで本実施の形態にかかる風力発電装置1では、少なくとも2つの歪みゲージをブレードの長手方向に直列に配置し、これらの歪みゲージから出力された信号を用いてブレードの1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出している。このように、本実施の形態にかかる風力発電装置1では、歪みゲージの信号を用いて1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出しているので、ブレード全体の変形をリアルタイムでモニタすることができる。よって、ブレードの特定の場所の歪みではなく、ブレード全体のたわみをモニタすることができるので、従来よりも、より正確にブレードの振動をモニタすることができる。
Therefore, in the
また、本実施の形態にかかる風力発電装置1では、1次モードの固有振動数と2次モードの固有振動数をモニタすることで、ブレードの異常(例えば、ブレードのひび割れやブレードに付着物がついた場合など)を検知することができる。つまり、1次モードの固有振動数の変化や2次モードの固有振動数の変化を検知することで、ブレードの異常を検知することができる。
Further, in the
また、本実施の形態にかかる風力発電装置1では、算出された振動情報に基づいてブレードの振動状態を調整してもよい。図9は、本実施の形態にかかる風力発電装置が備える制御システムを示すブロック図である。図9に示すように、本実施の形態にかかる風力発電装置が備える制御システムは、歪みゲージ21(図1、図2の歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3に対応する)、振動算出部22、振動状態調整部23、ピッチ角調整部24、回転機構25(図1、図2の回転機構に対応する)、および発電機26を有する。
In the
歪みゲージ21は、ブレードの2箇所の歪みを測定し、測定した歪みに関する情報を振動算出部22に出力する。振動算出部22は、2つの歪みゲージ21から出力された信号を用いてブレードの1次モードの振動と2次モードの振動を算出する。このとき、振動算出部22は、2つの歪みゲージによって測定された歪みを、所定の逆変換行列(式5参照)を用いてたわみに変換することで、ブレードの1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出することができる。
The
振動状態調整部23は、振動算出部22で算出された振動情報に基づきブレードの振動状態を調整する。例えば、振動状態調整部23は、発電機26の回転を制御することでブレードの振動を減衰させることができる。この場合、振動状態調整部23は、発電機26の電気的な出力を変えることで発電機26の回転数を制御してもよく、また機械的に発電機26の回転にブレーキをかけてもよい。これによりブレードを含む回転機構25の回転速度を遅くすることができ、ブレード振動を減衰させることができる。
The vibration
また、振動状態調整部23は、複数のブレード2_1〜2_3のピッチ角を調整することでブレードの振動を減衰させてもよい。ここで、ピッチ角は回転面(回転軸8を法線とする面)とブレードとがなす角である。振動状態調整部23は、ピッチ角調整部24を用いて複数のブレード2_1〜2_3のピッチ角を調整(例えば、ピッチ角を大きくする)ことで、ブレードを含む回転機構25の回転速度を遅くすることができ、ブレードの振動を減衰させることができる。
Further, the vibration
例えば、振動状態調整部23は、ブレード2_1〜2_3の先端部における変位が所定の第1の閾値以上となった場合にブレード2_1〜2_3の振動を減衰させてもよい。ここで、第1の閾値はブレード2_1〜2_3の先端部がこれ以上変位すると、ブレード2_1〜2_3とタワー7とが接触するおそれがある距離である。これにより、ブレード2_1〜2_3の先端とタワー7との接触を回避することができる。
For example, the vibration
また、振動状態調整部23は、ブレード2_1〜2_3の所定の位置における変位が所定の第2の閾値以上となった場合にブレード2_1〜2_3の振動を減衰させてもよい。ここで、第2の閾値は、ブレード2_1〜2_3の所定の位置がこれ以上変位するとブレードの破断や疲労による寿命の短縮化につながるような変位量に対応している。これにより、ブレード2_1〜2_3の破断や疲労による寿命の短縮化を回避することができる。
In addition, the vibration
また、振動状態調整部23は、ブレード2_1〜2_3の2次モードにおける振動の変位が所定の第3の閾値以上となった場合に、ブレード2_1〜2_3の振動を減衰させてもよい。ここで、第3の閾値は、ブレード2_1〜2_3の所定の位置がこれ以上変位するとブレードの破断や疲労による寿命の短縮化につながるような変位量に対応している。このように、ブレード2_1〜2_3の2次モードの振動に着目することで、ブレードの過剰な振動を検出することができ、ブレード2_1〜2_3の破断や疲労による寿命の短縮化を回避することができる。
In addition, the vibration
なお、本実施の形態にかかる風力発電装置1では、例えば、各ブレード2_1〜2_3に歪みセンサを設け、過剰な振動をしているブレードのみについてピッチ角を調整するようにしてもよい。つまり、各ブレード2_1〜2_3のピッチ角を独立に調整してもよい。各ブレード2_1〜2_3は、製造誤差等により固有振動数が若干異なる場合がある。よって、各ブレード2_1〜2_3に歪みセンサを設けて、各ブレード2_1〜2_3の振動を独立にモニタすることが好ましい。
In the
次に、本実施の形態にかかる風力発電装置の動作について説明する。図10は、本実施の形態にかかる風力発電装置の動作を説明するためのフローチャートである。本実施の形態にかかる風力発電装置では、まず、風力発電装置が動作している際、つまり回転機構25(ブレード2_1〜2_3とハブ5)が回転して発電機26が電力を発電している際に、ブレードに設けられた歪みゲージ21を用いてブレードの歪みを測定する(ステップS1)。
Next, operation | movement of the wind power generator concerning this Embodiment is demonstrated. FIG. 10 is a flowchart for explaining the operation of the wind turbine generator according to the present embodiment. In the wind turbine generator according to the present embodiment, first, when the wind turbine generator is operating, that is, the rotating mechanism 25 (the blades 2_1 to 2_3 and the hub 5) rotates and the
歪みゲージ21は、測定した歪みに関する情報を振動算出部22に出力する。振動算出部22は、歪みゲージ21によって測定された歪みを、所定の変換行列を用いてたわみに変換して、ブレードの1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出する(ステップS2)。
The
そして、振動状態調整部23は、ブレードの所定の位置における変位量が所定の閾値以上となったか否かを判定する(ステップS3)。そして、ブレードの所定の位置における変位量が所定の閾値よりも小さい場合は(ステップS3:No)、ステップS1以降の動作を繰り返す。一方、ブレードの所定の位置における変位量が所定の閾値以上となった場合(ステップS3:Yes)、振動状態調整部23は、ブレードの振動状態を調整する(ステップS4)。
Then, the vibration
例えば、振動状態調整部23は、発電機26の回転を制御したり、複数のブレード2_1〜2_3のピッチ角を調整したりすることでブレードの振動を減衰させることができる。このとき、振動状態調整部23は、ブレードの先端部とタワーとの間隔が所定の第1の閾値以下となった場合にブレードの振動を減衰させてもよい。また、振動状態調整部23は、ブレードの所定の位置における変位が所定の第2の閾値以上となった場合にブレードの振動を減衰させてもよい。また、振動状態調整部23は、ブレードの2次モードにおける振動の変位が所定の第3の閾値以上となった場合に、ブレードの振動を減衰させてもよい。ブレードの振動状態の調整が終了した後、再びステップS1からの動作を繰り返す。
For example, the vibration
以上で説明したように、本実施の形態にかかる風力発電装置では、歪みゲージから出力された信号を用いてブレードの1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出し、算出された振動情報に基づきブレードの振動状態を調整している。よって、ブレードが共振等により過剰に振動した際にブレードの振動を抑えることができるので、風力発電装置の寿命を延ばすことができる。 As described above, in the wind turbine generator according to the present embodiment, the vibration component of the first-order mode and the vibration component of the second-order mode of the blade are calculated using the signal output from the strain gauge. The blade vibration state is adjusted based on the vibration information. Therefore, since the vibration of the blade can be suppressed when the blade vibrates excessively due to resonance or the like, the life of the wind turbine generator can be extended.
<実施の形態2>
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態にかかる風力発電装置では、風力発電装置と離間した位置に騒音センサを設けている点が実施の形態1にかかる風力発電装置と異なる。これ以外は実施の形態1にかかる風力発電装置と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
<
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The wind power generator according to the present embodiment differs from the wind power generator according to the first embodiment in that a noise sensor is provided at a position separated from the wind power generator. Since it is the same as that of the wind power
図11は、本実施の形態にかかる風力発電装置が備える制御システムを示すブロック図である。図11に示すように、本実施の形態にかかる風力発電装置が備える制御システムは、歪みゲージ21(図1、図2の歪みゲージ3_1〜3_3、4_1〜4_3に対応する)、振動算出部22、振動状態調整部23、ピッチ角調整部24、回転機構25(図1、図2の回転機構に対応する)、発電機26、および騒音センサ27を有する。
FIG. 11 is a block diagram illustrating a control system provided in the wind turbine generator according to the present embodiment. As shown in FIG. 11, the control system included in the wind turbine generator according to the present embodiment includes a strain gauge 21 (corresponding to the strain gauges 3_1 to 3_3 and 4_1 to 4_3 in FIGS. 1 and 2), and a
騒音センサ27は、風力発電装置と離間した位置に設けられており、風力発電装置で発生した騒音を測定することができる。騒音センサ27には、例えばマイクロフォンや圧力センサを用いることができる。風力発電装置の騒音は、例えばブレードが出す風切り音やブレードの低周波振動が原因であると考えられている。
The
そして、本実施の形態にかかる風力発電装置では、振動状態調整部23が、振動算出部22で算出された振動情報および騒音センサ27で測定された騒音の大きさに基づき、ブレードの振動状態を調整している。つまり、振動状態調整部23は、ブレードの所定の位置における変位と騒音センサ27で測定された騒音の大きさの両方を考慮して、ブレードの振動状態を調整することができる。例えば、振動状態調整部23は、ブレードの所定の位置における変位が所定の閾値以下であっても、騒音センサ27で測定された騒音の大きさがある基準値よりも大きい場合は、ブレードの振動が減衰するようにブレードの振動状態を調整する。
In the wind turbine generator according to the present embodiment, the vibration
なお、本実施の形態にかかる風力発電装置では、歪みゲージから振動算出部22に送信される信号および騒音センサ27から振動状態調整部23に送信される信号の少なくとも一つを、無線を用いて送信するようにしてもよい。このように、無線技術を用いることで、大規模な風力発電装置であっても容易にセンサネットワークを構築することができる。
In the wind turbine generator according to the present embodiment, at least one of a signal transmitted from the strain gauge to the
次に、本発明の実施例について説明する。図12は、実験で用いた風力発電装置31を示す正面図である。本実施例では、3つのブレードがそれぞれ120度の間隔でハブ35から放射状に配置されている風力発電装置を用いた。複数のブレードのうちの1つのブレード32に2つの歪みセンサ33、34を設けた。歪みセンサ33、34からの信号はセンサネットワーク41で集められた後、無線モジュール42を介してコンピュータ44に無線で転送した。そして、コンピュータ44で歪み情報を処理することでブレード32の変位を求めた。ブレード32の回転速度と位置は磁気センサ43を用いて測定した。磁気センサ43の信号も無線モジュール42を介してコンピュータ44に無線で転送した。
Next, examples of the present invention will be described. FIG. 12 is a front view showing the
本実施例で用いた風力発電装置31の発電能力は300Wであった。ブレード32には、図3で説明したブレードを用いた。このとき、ハブ35から放射状に延びるブレードの長手方向の長さは68.5(cm)であった。また、本実施例では、タワー37がブレードの振動に与える影響を調べるために、タワー37の前方に板39を設置した場合と設置しない場合とにおけるブレードの振動を調べた。また、図13に示すように、ブレード32のたわみのうち、タワー37側へのたわみをプラスのたわみとし、タワー37から離れる方向のたわみをマイナスのたわみとした。
The power generation capacity of the
図14は、ブレード32の先端の変位の時間変化を示す図である(タワーの前方に板がない場合)。図15は、ブレード32の先端の変位の時間変化を示す図である(タワーの前方に板がある場合)。図14、図15に示すように、回転機構(ブレード32)の回転周波数は共に4.9Hzであった。また、図14、図15において、磁気センサの信号がハイレベルとなっている部分は、タワー37とブレード32とが重なる領域を示している。
FIG. 14 is a diagram showing the change over time of the displacement of the tip of the blade 32 (when there is no plate in front of the tower). FIG. 15 is a diagram showing the change over time of the displacement of the tip of the blade 32 (when there is a plate in front of the tower). As shown in FIGS. 14 and 15, the rotation frequency of the rotation mechanism (blade 32) was 4.9 Hz. 14 and 15, the portion where the signal of the magnetic sensor is at a high level indicates a region where the
図14の測定結果に示すように、タワー37の前方に板がない場合、タワー37の前方において風の方向と逆の方向のたわみ(つまり、マイナスのたわみ)が生じた。また、タワー37の前方に板がある場合は、タワー37の前方に板がない場合と比べてブレード32のたわみが大きかった。このように、本発明にかかる風力発電装置を用いることで、ブレードの振動をリアルタイムで且つ正確にモニタすることができた。
As shown in the measurement result of FIG. 14, when there is no plate in front of the
以上、本発明を上記実施の形態および実施例に即して説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。 The present invention has been described with reference to the above-described embodiment and examples. However, the present invention is not limited only to the configurations of the above-described embodiment and examples. It goes without saying that various modifications, corrections, and combinations that can be made by those skilled in the art within the scope of the invention are included.
1 風力発電装置
2_1〜2_3 ブレード
3_1〜3_3、4_1〜4_3 歪みゲージ
5 ハブ
6 ナセル
7 タワー
8 回転軸
11 ブレード
12 固定部材
13 励振位置
15 加速度センサ
16 アンプ
17 コンピュータ
21 歪みゲージ
22 振動算出部
23 振動状態調整部
24 ピッチ角調整部
25 回転機構
26 発電機
27 騒音センサ
31 風力発電装置
32 ブレード
33、34 歪みセンサ
35 ハブ
37 タワー
41 センサネットワーク
42 無線モジュール
43 磁気センサ
44 コンピュータ
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記回転機構によって駆動される発電機を備えるナセルと、
前記ナセルを支持するタワーと、
前記複数のブレードのうちの少なくとも一つに設けられ、前記ブレードの長手方向に直列に配置された第1および第2の歪みゲージと、
前記第1および第2の歪みゲージから出力された信号を用いて前記ブレードの1次モードの振動成分と2次モードの振動成分を算出する振動算出部と、を備える、
風力発電装置。 A rotation mechanism comprising a hub and a plurality of blades arranged radially around the rotation axis of the hub;
A nacelle comprising a generator driven by the rotating mechanism;
A tower that supports the nacelle;
First and second strain gauges provided on at least one of the plurality of blades and arranged in series in a longitudinal direction of the blade;
A vibration calculation unit that calculates a vibration component of a primary mode and a vibration component of a secondary mode of the blade using signals output from the first and second strain gauges;
Wind power generator.
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の風力発電装置。 Detecting an abnormality of the blade using at least one of a change in the natural frequency of the primary mode and a change in the natural frequency of the secondary mode calculated by the vibration calculation unit;
The wind power generator according to any one of claims 1 to 6.
前記振動状態調整部は、前記ブレードのピッチ角を調整することで前記ブレードの振動を減衰させる、請求項8または9に記載の風力発電装置。 The rotating mechanism includes a pitch angle adjusting unit capable of adjusting a pitch angle of the blade,
The wind power generator according to claim 8 or 9, wherein the vibration state adjustment unit attenuates vibration of the blade by adjusting a pitch angle of the blade.
前記振動状態調整部は、前記振動算出部で算出された振動情報および前記騒音センサで測定された騒音の大きさに基づき前記ブレードの振動状態を調整する、
請求項8乃至13のいずれか一項に記載の風力発電装置。 A noise sensor provided at a position separated from the wind turbine generator, and measuring noise generated by the wind turbine generator;
The vibration state adjustment unit adjusts the vibration state of the blade based on the vibration information calculated by the vibration calculation unit and the noise level measured by the noise sensor.
The wind power generator according to any one of claims 8 to 13.
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