JP2014206125A - 風力発電装置に設けられる増速機システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置の増速機の回転数をより好適に取得できる増速機システムを提供する。【解決手段】増速機システムは、風力発電装置１に設けられる。増速機システムは、増速機１０の潤滑油の油面高さを計測するための油面計３０と、油面計３０において計測された油面高さと増速機１０の出力回転数Ｎｏｕｔとを対応付けるモニタリング装置１１４と、を備える。モニタリング装置１１４は、計測された油面高さから得られる出力回転数Ｎｏｕｔに基づいて増速機１０の状態を診断する。増速機１０の状態の診断は故障しているか否かの判定を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置に設けられる増速機システムおよび方法に関し、詳しくは油面計を備える増速機システムに関する。

近年の環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギへの需要が高まっている。そのようなクリーン・エネルギを代表するもののひとつに風力発電がある。風力発電では、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない。従来では、例えば特許文献１に記載されるような風力発電装置が知られている。

風力発電装置は、風況に応じて最適な制御を行いながら運転・発電を行う。したがって、風力発電装置の増速機に入力される外力は時々刻々変化している。そのような状況においても風力発電装置を安定的に運用するために、増速機に入力される外力や回転数などをできるだけ正確に把握し、増速機を適切にモニタリングすることが必要となる。

特表２００８−５４６９４８号公報

増速機の回転数は、増速機の運転状況の把握のための重要なパラメータのひとつである。増速機の回転数を直接計測しようとする場合、大抵は回転計を増速機に取り付けることとなる。しかしながら、そのような回転計は回転物を検知対象とするので取り付けに手間がかかり、また比較的高価である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、風力発電装置の増速機の回転数をより好適に取得できる増速機システムの提供にある。

本発明のある態様は増速機システムに関する。この増速機システムは、風力発電装置に設けられる増速機システムであって、増速機の潤滑油の油面高さを計測するための油面計と、油面計において計測された油面高さと増速機の回転数とを対応付ける処理部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、風力発電装置の増速機の回転数をより好適に取得できる増速機システムを提供できる。

実施の形態に係る風力発電装置の側面図である。 ナセルの内部を示す模式図である。 増速機の正面図である。 増速機の部分背面図である。 油面計、第１配管および第２配管を示す模式図である。 油面高さおよび出力回転数についての実験データを示すグラフである。 油面高さと出力回転数との関係を示すグラフである。 図２のモニタリング装置の機能および構成を示すブロック図である。 図８の変換則保持部の一例を示すデータ構造図である。 図８の診断部における一連の処理の一例を示すフローチャートである。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

実施の形態に係る風力発電装置では、増速機の潤滑油の油面高さと増速機の回転数とには所定の関係があるという本発明者が独自に見出した知見に基づき、計測された油面高さを増速機の回転数を示す情報として使用する。これにより、増速機に回転計を取り付けて直接回転数を計測しなくても、もともと油漏れの検知等のために増速機に備わっている油面計から得られる情報を使用して、増速機の回転数を得ることができる。その結果、回転計の設置が不要となり、コストを低減することができる。

図１は、実施の形態に係る風力発電装置１の側面図である。風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、該ナセル３に対して回転自在に組付けられたロータヘッド４と、を備える。ロータヘッド４には、複数枚（例えば、３枚）の風車ブレード（風車翼とも称される）５が取り付けられている。ナセル３の内部には増速機および発電機（いずれも図１では不図示）が設けられている。風力発電装置１は、風車ブレード５が風を受けることにより生じるトルクを増速機を介して発電機に伝達し、伝達されたトルクを発電機で電力に変換する。

図２は、ナセル３の内部を示す模式図である。増速機１０は、風車ブレード５から発電機２０に至る動力伝達経路上に設けられる。増速機１０および発電機２０はナセル３に取り付けられている。ロータヘッド４と増速機１０とは入力シャフト１２によって機械的に接続されており、入力トルクＱｉｎは入力シャフト１２の回転の形で増速機１０に入力される。入力トルクＱｉｎは入力シャフト１２にかかるトルクである。

増速機１０と発電機２０とは出力シャフト１４によって機械的に接続されている。増速機１０は出力シャフト１４を、入力シャフト１２を介して入力される入力トルクＱｉｎよりも低い出力トルクＱｏｕｔおよび入力シャフト１２の回転数よりも高い回転数（以下、出力回転数Ｎｏｕｔと称す）で、回転させる。なお、出力シャフト１４は入力シャフト１２の後段のシャフト、すなわち動力伝達経路において入力シャフト１２よりも発電機２０側のシャフトである。
発電機２０は、出力シャフト１４の回転を使用して発電する。

油面計３０は増速機１０の出力シャフト１４側に取り付けられる。油面計３０は、増速機１０の潤滑油の油面高さを計測する。油面計３０は、油面高さを示す油面情報をモニタリング装置１１４に送信する。

モニタリング装置１１４は、油面計３０において計測された油面高さと増速機１０の出力回転数Ｎｏｕｔとを対応付ける。モニタリング装置１１４は、油面計３０から受信した油面情報に示される油面高さを、所定の変換則に基づいて出力回転数Ｎｏｕｔに変換する。モニタリング装置１１４は、変換の結果得られる出力回転数Ｎｏｕｔに基づいて増速機１０の状態を自動診断する。
増速機１０、油面計３０およびモニタリング装置１１４は、風力発電装置１に設けられた増速機システムを構成する。

図３は、増速機１０の正面図である。図３は増速機１０を入力シャフト１２側から見た図に対応する。増速機１０は、第１アーム１１０および第２アーム１１２によってナセル３に対して支持されている。

図４は、増速機１０の部分背面図である。図４は増速機１０を発電機２０側から見た図に対応する。図４は増速機１０の背面の一部を示す。油面計３０は第１配管３２および第２配管３４を介して増速機１０と接続される。第１配管３２および第２配管３４はそれぞれ、油面計３０の内部と増速機１０の内部とを連通し、油面計３０への潤滑油の供給および排出を行う。

図５は、油面計３０、第１配管３２および第２配管３４を示す模式図である。図５では油面計３０の断面が示されている。油面計３０は油面高さの連続計測が可能な公知のフロートセンサである。フロート３６（浮き子）は油面４０に応じてステム４２に沿って上下する。検知部３８は、フロート３６の位置から油面高さを計測する。

図５の一点鎖線は増速機１０が停止しているときの油面高さ４４を示し、二点鎖線は増速機１０が定格回転数で回転しているときの油面高さ４６を示す。増速機１０の構造上、油面高さは増速機１０が停止しているときに最大となるが、その場合でも上側の配管である第２配管３４から空気が抜ける。

温度計４８は下側の配管である第１配管３２の内部に設けられている。温度計４８は潤滑油５０の温度を計測する。温度計４８は、計測された温度を示す情報をモニタリング装置１１４に送信する。なお、温度計４８は増速機１０の内部に設置されてもよい。

図６は、油面高さおよび出力回転数Ｎｏｕｔについての実験データを示すグラフである。図６の横軸は時刻、縦軸は計測された油面高さを示す。油面高さは、増速機１０が停止しているときの値を０としている。図６は、出力回転数Ｎｏｕｔが０ｒｐｍから１００ｒｐｍになり、さらに１５００ｒｐｍになるときの油面高さの変化を示している。この実験データから、油面高さは出力回転数Ｎｏｕｔが一定のとき時刻に依らずにほぼ一定となることが分かる。すなわち、油面高さと出力回転数Ｎｏｕｔとには比較的高い相関がある（それらの相関係数は比較的大きい）。

図７は、油面高さと出力回転数Ｎｏｕｔとの関係を示すグラフである。図７に示されるグラフの黒い菱形は、実験により得られたデータ点である。油面高さと出力回転数Ｎｏｕｔとの関係は一次関数により良く近似される。すなわち、油面高さと出力回転数Ｎｏｕｔとは実質的に比例関係にある。

図８は、モニタリング装置１１４の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、マイコンやコンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

モニタリング装置１１４は、油面高さ取得部１１６と、変換部１１８と、診断部１２０と、変換則保持部１２２と、を備える。

変換則保持部１２２は、油面高さを出力回転数Ｎｏｕｔに変換するための変換則を保持する。ユーザは、出力回転数Ｎｏｕｔを油面高さの一次関数で表したときの切片と傾きを予め実験により取得し、取得された切片および傾きを変換則保持部１２２に登録してもよい。あるいはまた、ユーザは、実験の結果得られた出力回転数Ｎｏｕｔと油面高さとの対応関係を変換則保持部１２２に登録してもよい。

図９は、変換則保持部１２２の一例を示すデータ構造図である。変換則保持部１２２は、油面高さと出力回転数Ｎｏｕｔとを対応付けて保持する。

図８に戻り、油面高さ取得部１１６は、油面計３０から油面高さを取得する。油面高さ取得部１１６は、油面計３０から油面情報を受信する。油面高さ取得部１１６は、受信された油面情報から油面高さを抽出する。

油面高さを潤滑油５０の温度で補正する場合、油面高さ取得部１１６は、温度計４８から温度を示す情報を受信する。油面高さ取得部１１６は、受信した情報が示す潤滑油５０の温度や粘度等を用いて補正係数を算出し、または所定の係数テーブル（不図示）から抽出し、油面情報から抽出された油面高さに適用する。一般的に、潤滑油５０の温度が高いほどその体積も上昇するので、補正係数はそのような体積変動を打ち消すよう設定される。

変換部１１８は、油面高さ取得部１１６によって抽出された油面高さを出力回転数Ｎｏｕｔに変換する。変換部１１８は、変換則保持部１２２を参照し、油面高さ取得部１１６によって抽出された油面高さに対応する出力回転数Ｎｏｕｔを決定する。油面高さ取得部１１６によって抽出された油面高さが変換則保持部１２２に登録されていない場合は、公知の補間技術を使用して対応する出力回転数Ｎｏｕｔを決定してもよい。

診断部１２０は、変換部１１８における変換の結果得られる出力回転数Ｎｏｕｔに基づいて増速機１０の状態を診断する。
図１０は、診断部１２０における一連の処理の一例を示すフローチャートである。診断部１２０は、風力発電装置１の状態が運転状態にあるかそれとも停止状態にあるかを判定する（Ｓ２０２）。停止状態にあると判定された場合（Ｓ２０２の「停止」）、診断部１２０は、油面高さ取得部１１６によって取得された油面高さが基準値すなわち０を基準とする誤差範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ２０４）。誤差範囲は油面計３０の精度等を考慮して予め設定されてもよい。

誤差範囲内にあると判定された場合（Ｓ２０４のＹ）、診断部１２０は油量に関するメンテナンスは不要と判定し、処理をステップＳ２０２に戻す。誤差範囲から外れていると判定された場合（Ｓ２０４のＮ）、診断部１２０は、油漏れが発生していると判定し、風力発電装置１のオペレータにメンテナンス要求を通知する（Ｓ２０６）。例えば診断部１２０は、メンテナンス要求情報を生成し、生成されたメンテナンス要求情報を不図示のインターネットなどのネットワークを介してオペレータの装置（サーバ等、不図示）に送信する。オペレータの装置は受信されたメンテナンス要求情報に基づき、採油・追油を促す画面を装置のディスプレイに表示させる。

診断部１２０は、採油・追油が行われたか否かを確認する（Ｓ２０８）。確認が完了すると（Ｓ２０８の「ＯＫ」）、診断部１２０は油面高さのゼロ点のリセットを実行し、新たなゼロ点を設定する（Ｓ２１０）。その後、処理はステップＳ２０２に戻る。

ステップＳ２０２において運転状態にあると判定された場合（Ｓ２０２の「運転」）、診断部１２０は油面高さ取得部１１６によって取得された油面高さと異常しきい値Ａとを比較する（Ｓ２１２）。

異常しきい値Ａは、油漏れなどの異常がないときの油面高さと出力回転数Ｎｏｕｔとの関係に基づき予め設定される。例えば、図７において、出力回転数Ｎｏｕｔの上限値が約１５００ｒｐｍであれば、その１５００ｒｐｍに対応する油面高さを異常しきい値Ａとしてもよい。油漏れがないと仮定すると、出力回転数Ｎｏｕｔが低下すると油面高さは上昇するので、油面高さがＡから０の範囲５２にあれば出力回転数Ｎｏｕｔは上限値より小さいすなわち正常運転であり、油面高さがＡ以下となると（符号５４）出力回転数Ｎｏｕｔは上限値以上となっている、すなわち回転数に異常が発生している（過回転）と判定できる。

油面高さが異常しきい値Ａ以下であると判定された場合（Ｓ２１２のＮ）、診断部１２０は異常が発生していると判定し、オペレータにエラーを通知すると共に風力発電装置１を強制的に停止させる（Ｓ２１４）。その後、処理は異常終了する。油面高さが異常しきい値Ａ以下となる場合、過回転または油漏れもしくはその両方が発生している可能性がある。

油面高さが異常しきい値Ａより大きいと判定された場合（Ｓ２１２のＹ）、診断部１２０は、変換部１１８における変換の結果得られる出力回転数Ｎｏｕｔを用いた故障診断を行う（Ｓ２１６）。診断部１２０は、増速機１０の筐体の振動や出力回転数等及び、ピッチ角度、ナセル角度等の風力発電装置特有の計測項目から増速機１０が故障しているか否かを判定する。診断部１２０は、このときの出力回転数として、変換部１１８における変換の結果得られる出力回転数Ｎｏｕｔを使用する。

故障診断の結果故障していると判定された場合（Ｓ２１８のＹ）、処理はステップＳ２１４に進む。故障していないと判定された場合（Ｓ２１８のＮ）、処理はステップＳ２０２に戻る。

本実施の形態に係る増速機システムは、油面計３０において計測された油面高さと増速機１０の回転数とを対応付けるモニタリング装置１１４を備える。この構成によると、増速機１０の油漏れ検知のために設けられている油面計３０における計測結果を、増速機１０の回転数を示す情報としても利用することができる。すなわち、油面計３０は油漏れ検知機能および回転数計測機能によって共用される。したがって、増速機１０の回転数を計測するために別途回転計を設ける必要がなくなるので、設置の手間を省くことができると共にコストを低減することができる。

また、本実施の形態に係る増速機システムでは、モニタリング装置１１４は、計測された油面高さから得られる回転数に基づいて増速機１０の状態を診断する。したがって、回転数を直接計測しなくても増速機１０の状態の診断が可能となる。

また、本実施の形態に係る増速機システムでは、増速機１０の状態の診断は故障しているか否かの判定を含む。すなわち、油面計３０において計測された油面高さは出力回転数Ｎｏｕｔに変換され、増速機１０の自動故障診断に使用される。したがって、増速機１０に不具合が発生した場合でもすぐにそれを検知して適切な対処を実行できる。

また、本実施の形態に係る増速機システムでは、増速機１０の状態の診断はメンテナンスの要不要の判定を含む。さらに、本実施の形態に係る増速機システムでは、油面計３０において計測された油面高さを出力回転数Ｎｏｕｔに精度良く変換するために、油面計３０として連続計測が可能なフロートセンサが採用されており、比較的精度の高い油面計測が実現されている。この場合、油面計３０における油面高さのより精度の高い計測結果に基づいて、増速機１０のメンテナンスの要不要をよりきめ細やかに判断し、オペレータに通知することができる。故障の有無に加えて、このようなメンテナンス要否の情報もオペレータにとって意味のある情報である。

また、本実施の形態に係る増速機システムでは、発電機２０の回転数などの増速機１０以外の装置のパラメータが得られない状況においても、増速機１０の回転数を得ることができる。したがって、増速機１０単体での診断が可能となる。

以上、実施の形態に係る増速機システムおよびその増速機システムを備える風力発電装置１について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、油面計３０はフロートセンサである場合について説明したが、これに限られず、油面計は例えば超音波式、静電容量式または圧力式のセンサやカメラ等で油面を認識して油面高さや油面の傾斜角度等を計測してもよい。

実施の形態では、モニタリング装置１１４は油面高さを出力回転数Ｎｏｕｔに変換する場合について説明したが、これに限られず、例えばモニタリング装置は油面計３０から得られた油面高さの情報をネットワークを介して外部のサーバに送信してもよい。この場合、そのサーバにて油面高さから出力回転数Ｎｏｕｔへの変換および得られた出力回転数Ｎｏｕｔを使用した故障診断が実行される。

実施の形態では、風力発電装置１はモニタリング装置１１４を備える場合について説明したが、これに限られず、風力発電装置はモニタリング装置１１４を備えなくてもよい。この場合、油面計は通信機能を有しており、計測された油面高さの情報をネットワークを介して外部のサーバに送信してもよい。

実施の形態では、風力発電装置１に設けられた増速機システムについて説明したが、これに限られず、風力発電装置１以外の機械装置に設けられた増速機システムに本実施の形態に係る技術的思想を適用してもよい。

実施の形態では、油面計３０は増速機１０の出力シャフト１４側に取り付けられ場合について説明したが、これに限られない。油面計は、増速機の油面を計測可能であれば基本的に増速機の任意の箇所に取り付けられてもよい。ただし、増速機が軸方向に対して傾けて設置されることがあり（この場合、出力側が入力側よりも低い位置となる）、この場合は油面計を出力側に設置すると好適である。また、メンテナンスの容易性等から油面計を出力側に設置してもよい。

実施の形態では、モニタリング装置１１４は、油面計３０から受信した油面情報に示される油面高さを、所定の変換則に基づいて出力回転数Ｎｏｕｔに変換する場合について説明したが、これに限られない。例えば、モニタリング装置は、油面高さを所定の変換則に基づいて入力回転数に変換してもよい。あるいはまた、増速機には、低速段、中速段、高速段などいくつかの歯車を組み合わせて合計の増速比を向上させるよう構成されるものもあり、その場合は各軸で回転数が異なる。モニタリング装置は油面高さをその各軸の回転数に変換してもよい。

実施の形態では、出力回転数Ｎｏｕｔを油面高さの一次関数で表す場合について説明したが、これに限られず、出力回転数Ｎｏｕｔと油面高さとの関係を表す任意の関係式が使用されてもよい。この関係式は増速機の大きさ、型式や種類により異なるので、最初にデータを計測して関係式を得ておくと好適である。

１ 風力発電装置、 ２ 支柱、 ３ ナセル、 ４ ロータヘッド、 ５ 風車ブレード、 ６ 基礎、 ８ 増速機システム、 １０ 増速機、 ３０ 油面計。

Claims (6)

1. 風力発電装置に設けられる増速機システムであって、
   増速機の潤滑油の油面高さを計測するための油面計と、
   前記油面計において計測された油面高さと前記増速機の回転数とを対応付ける処理部と、を備えることを特徴とする増速機システム。
2. 前記処理部は、計測された油面高さから得られる回転数に基づいて前記増速機の状態を診断することを特徴とする請求項１に記載の増速機システム。
3. 前記増速機の状態の診断は故障しているか否かの判定を含むことを特徴とする請求項２に記載の増速機システム。
4. 前記増速機の状態の診断はメンテナンスの要不要の判定を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の増速機システム。
5. 前記処理部は、前記油面計において計測された油面高さに基づいて油漏れを検知することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の増速機システム。
6. 風力発電装置に設けられた増速機の潤滑油の油面高さを計測するステップと、
   計測された油面高さと前記増速機の回転数とを対応付けるステップと、を含むことを特徴とする方法。

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