JP2014509705A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置における損傷を迅速かつ確実に検出する簡単で安価な可能性を備える風力発電装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの監視すべき構成部材（３０，７５，１０）と、当該監視すべき構成部材（３０，７５，１０）におけるクラックを識別するためのクラック識別ユニット（４１）とを有する風力発電装置であって、
前記クラック識別ユニットは、前記監視すべき構成部材（３０，７５，１０）上にまたは当該構成部材中に直接固定された少なくとも１つの糸ないし繊維（１１０，１２０，１３０）と、前記糸ないし繊維が引き裂かれたか否かを検出するためのクラック検出器とを有する。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

風力発電装置は、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。この時に風力発電装置は「風と天候」に曝される。このことは風力発電装置並びにその一部への甚だしい負荷につながる。風力発電装置の部材（ないし部品）ないしエレメントに対する要求ないし負荷は大きく異なる場合がある。しかし対応する部材が予想される負荷に耐え得ることを保証しなければならない。さらに風力発電装置における可能な損傷をできるだけ早期に検出することが重要である。

ＥＰ ２ １１２ ３７４Ａ１ ＥＰ １ ８５７ ６７２Ａ２ ＥＰ １ ７８０ ５２３Ａ１ ＤＥ ３１ １１ ８５８Ａ１

本発明の課題は、風力発電装置における損傷を迅速かつ確実に検出する簡単で安価な可能性を備える風力発電装置を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の風力発電装置によって解決される。

したがって監視すべき構成部材と、当該構成部材におけるクラックを識別するためのクラック識別ユニットとを有する風力発電装置が提供される。ここでクラック識別ユニットは、少なくとも１つの糸ないし繊維を有し、この糸ないし繊維は監視すべき構成部材上にまたは当該構成部材中に直接固定されている。さらにクラック識別ユニットはクラック検出器を有し、このクラック検出器は、糸ないし繊維が引き裂かれたか否かを検出するのに用いられる。

糸ないし繊維を監視すべき構成部材上にまたは構成部材中に直接固定することにより、当該構成部材中のクラックは糸の引き裂けも直接引き起こす。この引き裂けの生否はクラック検出器により検出することができ、風力発電装置の制御を相応に規制することができる。

本発明の一側面によれば、風力発電装置は、風力発電装置の運転を制御するための制御ユニットを有する。クラック検出器が、糸ないし繊維が引き裂かれたことを検出すると、制御ユニットは風力発電装置の運転を規制することができる。この規制は例えば、監視すべき構成部材への機械的負荷を低減すること（例えば回転数の低減、ピッチ角の変化、アジマス位置（方位）の変化等による）、とすることができる。

本発明の別の一側面によれば、糸ないし繊維は導電性または非導電性に構成することができる。これによりクラック検出を、電気的検査または光学的検査によって行うことができる。

本発明の一側面によれば、繊維はグラスファイバまたは炭素ファイバとして構成することができる。グラスファイバの場合は光学的検査を行うことができ、炭素ファイバの場合は電気的検査を行うことができる。

本発明の別の一側面によれば、クラックの位置の正確な決定を可能にするために、ファイバないし糸は異なる長さで設けることができる。ファイバないし糸は、直線、蛇行（ジグザグ）状または格子構造に構成することができる。

本発明は同様に、風力発電装置の構成部材を監視する方法に関する。このために糸ないし繊維が監視すべき構成部材上にまたは当該構成部材中に直接固定される。引き続きクラック検出器によって、糸ないし繊維が引き裂かれたか否かが検出される。

本発明は、風力発電装置の構成部材において簡単で効率的なクラック識別を行う風力発電装置を提供するという技術思想に係るものである。クラック識別によって、クラックのおそれのある風力発電装置の個所（例えばロータブレード、鋳造部品、タワー、基礎部等）に発生するクラックを検出することができる。クラック識別を実現するために、監視すべき個所（クラックのおそれのある個所）には破断可能な糸ないし繊維が固定され、例えば接着され、または糸ないし繊維が監視すべき構成部材内に取り付け（ないし埋設）される。それぞれの構成部材においてクラックが生じると、このクラックがクラック識別を行う糸の破断も引き起こす。このクラックまたは糸ないし繊維の破断は、例えば電気的または光学的に検出することができる。糸の引き裂けが検出される場合、例えばクラックのある構成部材への機械的負荷を低減するために、これにより風力発電装置の制御を規制することができる。装置への機械的負荷の低減は、例えばロータブレードのピッチ角の制御によって、またはアジマス駆動部の制御によって行うことができる。

破断可能な糸ないし繊維は、例えば光導体、光波導体、電気導体、グラスファイバ、炭素ファイバ等とすることができる。糸の破断は、例えば電気的にまたは光によって検出することができる。破断の識別に従って（ないし後に）風力発電装置の制御を規制することができ、装置を場合により停止することができる。

本発明によるクラック検出ないしクラック監視により、早期の段階でのクラック識別が可能となり、これにより実際の大きな損傷が発生し得る前に相応の対抗措置（風力発電装置の適合制御またはクラックのある構成部材の交換）を取ることができる。

本発明によれば糸は、複数（本）の配設（ないし並列配置）において、ジグザグ状におよび／または格子構造として監視すべき構成部材（例えばロータブレード、スチールロータブレード、ＧＦＫロータブレード、ＣＦＫロータブレード、装置の鋳造部材（例えばロータハブ）、コンクリートタワーまたはスチールタワー、または基礎部）に固定することができる。

好ましくは糸ないし繊維は、監視すべき構成部材上に面状に固定される（とりわけ接着される）。糸ないし繊維の面状の接着が有利であるのは、これによりクラックを比較的迅速に検出することができるからである。とりわけこれにより糸ないし繊維が、破断する前に過度に伸びてしまうことを回避できる。

本発明のさらなる発展形態は従属請求項の対象である。

本発明の利点および実施例を、図面を参照して以下、詳細に説明する。

本発明による一風力発電装置の概略図である。 本発明のクラック識別ユニットを備えるロータブレードの概略図である。 本発明のクラック識別ユニットを備えるロータブレードの概略図である。 クラック識別ユニットを備える風力発電装置の一タワーの概略図である。 クラック識別ユニットを備える風力発電装置の一タワーの概略図である。 風力発電装置のロータブレードの一部をクラック識別ユニットとともに示す概略図である。

図１は、本発明の一風力発電装置の概略図である。風力発電装置は、タワー１０と、このタワー１０上のナセル２０とを有する。ナセルのアジマス配向は、ナセルの向きを実際（目下）の風向に適合するためにアジマス駆動部８０によって変化することができる。ナセル２０は、少なくとも２つ、好ましくは３つのロータブレード３０を備える回転可能なロータ７０を有する。ロータブレード３０はロータハブ７５と接続することができ、さらにロータハブは直接または（図示しない）トランスミションを介して発電機６０と接続されている。ロータブレード３０とロータ７０の回転によって発電機６０のロータが回転され、これにより電気エネルギーが生成される。

さらに風力発電装置は、風力発電装置の運転を制御するための制御ユニット４０を有する。さらにナセル２０の上にはアネモメータおよび／または風向指示器５０を設けることができる。制御ユニット４０は、ロータブレード３０のピッチ角をピッチ駆動部３１によって調整することができる。さらに制御ユニット４０は、ナセルのアジマス配向をアジマス駆動部８０によって制御することができる。発電機６０により生成された電気エネルギーは、例えばタワー１０の脚部にある電力盤９０に伝送される。電力盤９０には電力変換器（ないしインバータ）を設けることができ、この電力変換器は所望の電圧および周波数の電力をエネルギー供給網に出力することができる。

図２Ａは、図１の風力発電装置のロータブレード３０をクラック識別ユニットとともに概略的に示す。ここでクラック識別ユニットは、少なくとも１つの（破断可能な）糸ないし繊維１１０から構成され、この糸ないし繊維はロータブレードの内部に（または選択的ないし追加的に外部に）設けられている。この糸ないし繊維１１０は、好ましくはロータブレードの内面に接着されるか、または別のやり方で（面状に）固定される。糸１１０は破断可能な糸である。ロータブレード３０の材料にクラックが入ると、糸ないし繊維も引き裂かれる。ロータブレードの材料中にクラックがあると、糸１１０の破断がクラック検出器４１によって検出される。糸１１０の引き裂けの検出は、例えば電気的または光学的に行うことができる。電気的検出の場合には、糸１１０が導電性でなければならない。光学的検出の場合は、糸１１０が光を伝達できなければならない。

クラック検出器４１は制御ユニット４０の一部とすることができる。または制御ユニット４０と接続することができる。クラックが検出されると、制御ユニット４０は風力発電装置の運転を規制することができる（ピッチ角の調整、アジマス角の調整等）。とりわけこの規制は、構成部材（複数）を相応に大事に取り扱うために、ロータブレードないし風力発電装置の他の部分への機械的負荷を低減することができる。

図２Ｂは、図１の風力発電装置の一ロータブレードをクラック識別ユニットとともに概略的に示す。ロータブレードの内部ないしロータブレードの内面には糸１２０（複数）が設けられている。ここでこれらの糸は格子構造において配置されている。一方、図２Ａの糸１１０は実質的に長手方向ないし一方向に配向されている。とりわけ格子構造の利点は、ロータブレード内のクラックの正確な位置をより良好に検出できることである。クラック検出器４１の機能は、図２Ａのクラック検出器４１の機能に対応する。

或いは図２Ａおよび図２Ｂに図示の糸ないし繊維も同様に検出器４１への帰還線路を有することができる。

図３Ａは、図１の風力発電装置のタワー１０をクラック識別ユニットとともに概略的に示す。タワー１０の内面には少なくとも１つの糸（または繊維）、好ましくは複数の糸（または複数の繊維）１１０がとりわけ一方向に設けられている。糸（複数）１１０は好ましくは（スチールまたはコンクリート製の）タワーの内面にしっかり接着されるか、または別のやり方で固定される。クラックがタワーのスチールまたはコンクリートに発生すると、このクラックが糸１１０（複数）の１つの引き裂けを引き起こす。この引き裂けは、クラック検出器４１によって検出することができる。

任意的に図３Ａのクラック識別ユニットは、帰還線路を介して検出ユニット４１に帰還する糸ないし繊維を有することができる。

図３Ｂは、図１の風力発電装置のタワー１０をクラック識別ユニットとともに概略的に示す。クラック識別ユニットは、少なくとも１つの糸１３０をタワー１０の内面に有する。ここで糸１３０は、タワー１０の内面に蛇行状に固定することができる。糸１３０はクラック検出器４１と接続されている。ここでクラック検出器４１の機能は、図２Ａのクラック検出器の機能に対応する。

図４は、図１の風力発電装置のロータブレードの一部を概略的に示す。ロータブレード３０の内面３２には糸ないし繊維１３０が蛇行（ジグザグ）状に設けられている。糸ないし繊維はロータブレードの内側に接着することができる。ロータブレードの材料中にクラックが生じると、このクラックが糸もしくは繊維１３０の引き裂けも引き起こす。この種の引き裂けは、（図示しない）クラック検出器４１によってすでに上に述べたように検出することができる。

本発明のクラック識別ユニットは、例えばロータハブ５７にも設けることができる。

とりわけ本発明のクラック識別ユニットは、クラックのおそれのある風力発電装置の全ての構成部材で使用することができる。このためにはクラック識別ユニットの糸ないし繊維を監視すべき構成部材に固定（例えば接着）するだけで良い。

クラック識別のための糸ないし繊維は、監視すべき構成部材上に点状にまたは面状に固定ないし接着することができる。糸ないし繊維を監視すべき構成部材に固定することは、クラックが監視すべき構成部材に発生する場合には、これが同様に糸ないし繊維の引き裂きを引き起こし、これにより構成部材中のクラックを相応に検出できるように行わなければならない。

前述の実施例に基づくことのできる別の一実施例によれば、糸ないし繊維を監視すべき構成部材中に取り付け、ないし固定することができる。これは例えば基礎部の流し込みの際に行うことができる。その代わりに、糸ないし繊維を、例えばロータブレードの製造時にグラスファイバマットの間に設けることができる。

糸ないし繊維の破断個所の正確な検出は、例えば糸ないし繊維の開始部から破断個所までの距離が反射法によって決定可能である場合に可能である。糸ないし繊維が例えば導電性である場合、電気通信的反射法を使用することができる。

糸ないし繊維がグラスファイバ糸ないしグラスファイバ繊維であれば、後方（戻り）散乱法（Rueckstreuverfahren）によってエラー個所を数センチメートルの精度で決定することができる。このためにいわゆる光学的時分割反射メータ（ないし光パルス（反射式）試験器（optical time division reflectometer））ＯＴＤＲを使用することができる。この種の監視は、光学的スイッチングデバイス（optische Weiche）により風力発電装置の運転中に連続的に行うことができる。或いは光パルス（反射式）試験器を携帯機器として構成することができ、これにより保守チームが監視を実行することができる。

糸ないし繊維が帰還線路を有していれば、帰還線路によって減衰の変化を検知することができる。減衰の変化の原因は、例えばクラックであり得る。

クラックの位置特定は、蛇行状に敷設されている場合であっても、蛇行形状の段が周方向に関して段々に配設されている場合には、例えば周方向に行うこともできる。

図２Ａ、２Ｂおよび３Ａでは、検出器４１から離れる方の端部をアースに接地することができ、これによりクラック検出を行うことができる。

図２Ａ，２Ｂおよび３Ａに図示のクラック検出のための実施例は、恒久的に長さ監視が行われると有利であり得る。このことは、糸ないし繊維が監視すべき構成部材内に取り付けられている場合、またはその中に固定されている場合（鋳込まれている、または内部に敷設ないし埋設されている場合、例えばグラスファイバマットの間に）には、永続的に線路長の監視を行うこともできる。クラック検出は、線路長が急激に短縮する場合に応答することができる。

或いは、糸ないし繊維が検出器への帰還線路を有する場合には長さ監視を効率的に行うことができる。検出器へのこの帰還線路は同様にブレード表面に接着またはそれ面状に固定することができ、さらに同様にクラック検出に使用することができる。

本発明のクラック識別ユニットは、クラックのおそれのある風力発電装置の全ての構成部材において使用することができる。これらの構成部材は、風力発電装置の基礎部、風力発電装置のタワー（とりわけコンクリートタワーの場合）、風力発電装置の全ての鋳造（ないし射出成形）部材（例えばロータハブ）並びにロータブレードとすることができる。

１０ タワー
２０ ナセル
３０ ロータブレード
３０，７５，１０ 構成部材
４０ 制御ユニット
４１ クラック検出器
６０ 発電機
７０ ロータ
７５ ロータハブ
８０ アジマス駆動部
９０ 電力盤
１１０，１２０，１３０ 糸ないし繊維

この課題は、請求項１に記載の風力発電装置によって解決される。すなわち本発明の第１の視点（形態１）によれば、少なくとも１つの監視すべき構成部材と、当該監視すべき構成部材におけるクラックを識別するためのクラック識別ユニットとを有する風力発電装置であって、前記クラック識別ユニットは、前記監視すべき構成部材上にまたは当該構成部材中に直接固定された少なくとも１つの糸ないしは繊維と、前記糸ないしは繊維が引き裂かれたか否かを検出するためのクラック検出器とを有する、風力発電装置が提供される。
本発明の第２の視点（形態７）によれば、少なくとも１つの糸ないしは少なくとも１つの繊維を、監視すべき構成部材上にまたは当該構成部材中に直接固定する工程と、前記糸ないしは繊維が引き裂かれたか否かを検出する工程と、を有する風力発電装置の構成部材の監視方法が提供される。
本発明の第３の視点(形態９)によれば、風力発電装置の監視すべき構成部材上に固定された、当該監視すべき構成部材におけるクラックを検出するための糸ないしは繊維の使用が提供される。

本発明では以下の展開形態が可能である。
（形態１）前記第１の視点に記載のとおり。
（形態２）さらに当該風力発電装置の運転を制御するための制御ユニットを有し、前記クラック検出器は、前記制御ユニットに接続されており、前記制御ユニットは、前記クラック検出器が前記糸ないし繊維の引き裂けを検出した場合、前記風力発電装置の運転を規制するように構成されていることが好ましい。
（形態３）前記糸ないし繊維は導電性または導光性であることが好ましい。
（形態４）前記糸は、光波導体または電気導体として構成されていることが好ましい。
（形態５）前記繊維は、グラスファイバまたは炭素ファイバとして構成されていることが好ましい。
（形態６）前記糸ないし繊維は、前記監視すべき構成部材にまたは当該構成部材中に点状または面状に固定される、とりわけ接着されることが好ましい。
（形態７）前記第２の視点に記載のとおり。
（形態８）さらに、風力発電装置の運転を制御ユニットによって制御する工程と、前記糸ないしは繊維の引き裂けが検出された場合、前記風力発電装置の運転を規制する工程と、を有することが好ましい。
（形態９）前記第３の視点に記載のとおり。
なお、特許請求の範囲に付記した図面参照番号はもっぱら理解を助けるためであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。
したがって監視すべき構成部材と、当該構成部材におけるクラックを識別するためのクラック識別ユニットとを有する風力発電装置が提供される。ここでクラック識別ユニットは、少なくとも１つの糸ないし繊維を有し、この糸ないし繊維は監視すべき構成部材上にまたは当該構成部材中に直接固定されている。さらにクラック識別ユニットはクラック検出器を有し、このクラック検出器は、糸ないし繊維が引き裂かれたか否かを検出するのに用いられる。

本発明のクラック識別ユニットは、クラックのおそれのある風力発電装置の全ての構成部材において使用することができる。これらの構成部材は、風力発電装置の基礎部、風力発電装置のタワー（とりわけコンクリートタワーの場合）、風力発電装置の全ての鋳造（ないし射出成形）部材（例えばロータハブ）並びにロータブレードとすることができる。
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの監視すべき構成部材（３０，７５，１０）と、当該監視すべき構成部材（３０，７５，１０）におけるクラックを識別するためのクラック識別ユニット（４１）とを有する風力発電装置であって、
   前記クラック識別ユニットは、前記監視すべき構成部材（３０，７５，１０）上にまたは当該構成部材中に直接固定された少なくとも１つの糸ないし繊維（１１０，１２０，１３０）と、前記糸ないし繊維が引き裂かれたか否かを検出するためのクラック検出器とを有する、風力発電装置。
2. さらに当該風力発電装置の運転を制御するための制御ユニット（４０）を有し、
   前記クラック検出器（４１）は、前記制御ユニット（４０）に接続されており、
   前記制御ユニット（４０）は、前記クラック検出器（４１）が前記糸ないし繊維の引き裂けを検出した場合、前記風力発電装置の運転を規制するように構成されている、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記糸ないし繊維は導電性または導光性である、請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記糸は、光波導体または電気導体として構成されている、請求項３に記載の風力発電装置。
5. 前記繊維は、グラスファイバまたは炭素ファイバとして構成されている、請求項４に記載の風力発電装置。
6. 前記糸ないし繊維は、前記監視すべき構成部材にまたは当該構成部材中に点状または面状に固定される、とりわけ接着される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の風力発電装置。
7. 少なくとも１つの糸ないし少なくとも１つの繊維（１１０，１２０）を、監視すべき構成部材（３０，７５，１０）上にまたは当該構成部材中に直接固定する工程と、
   前記糸ないし繊維（１１０，１２０）が引き裂かれたか否かを検出する工程と、
   を有する風力発電装置の構成部材（３０，７５，１０）の監視方法。
8. さらに、風力発電装置の運転を制御ユニット（４０）によって制御する工程と、
   前記糸ないし繊維の引き裂けが検出された場合、前記風力発電装置の運転を規制する工程と、
   を有する請求項７に記載の方法。
9. 風力発電装置の監視すべき構成部材上に固定された、当該監視すべき構成部材におけるクラックを検出するための糸ないし繊維の使用。

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