JP5981120B2

JP5981120B2 - 風力発電装置の状態監視システム

Info

Publication number: JP5981120B2
Application number: JP2011230946A
Authority: JP
Inventors: 隆長谷場
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: JP2013087732A

Description

この発明は、風力発電装置の状態監視システムに関し、特に、簡易な低周波振動センサを用い風力発電装置の状態を監視する状態監視システムに関する。

従来、風力発電装置の状態を監視する状態監視システムにおいて、被監視対象は、この風力発電装置の内部や上部（ナセル部分）に設置された機器のみならず、このナセルの振動も被監視対象となる場合がある。

このナセルの振動は、１Ｈｚ程度の非常に遅い周波数の振動であるため、一般的には、高感度の圧電素子を用いて低周波用の振動センサが用いられていることが多い。

この安価な低周波振動感知する技術として、特開２００７−１３９４８５号公報（特許文献１）が開示されている。

特開２００７−１３９４８５号公報（特許文献１）は、振り子体の固有振動数を数０．数Ｈｚから十数Ｈｚ範囲で、特に１Ｈｚ〜１２Ｈｚ範囲で任意に設定でき、かつ振り子型センサの小型軽量化を実現し、実用性の高い振り子型センサを供給する。

この振り子型センサは、少なくとも、筐体内に質量分布を有する錘体と、前記錘体の重心位置と回転軸中心とが設定された距離に設けられた振り子体と、この振り子体の回転位置あるいは角度を検知する手段とを備える。

特開２００７−１３９４８５号公報

しかしながら、上記の圧電素子は、他の振動センサに比較して、コストが高くなる。また、高感度であるために外部からの加えられる衝撃に対しての許容値が低く、設置の際にセンサが破損する可能性がある。

さらに、上記の特開２００７−１３９４８５号公報（特許文献１）において、風力発電装置のナセルの振動の状態を監視するシステムについて具体的に議論されていない。

そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な低周波振動センサを用い風力発電装置の状態を監視するシステムを提供することである。

この発明によれば、風力発電装置の状態を監視する状態監視システムであって、風力発電装置のナセル内に設置され、ナセルの振動を測定するための振動センサと、振動センサからナセルの振動の状態を診断するための処理部とを備え、振動センサは、ナセル内に固設する支持部と、支持部と回動可能に接続されたアーム部と、支持部とアーム部との回転角を測定する測定部とを含み、処理部は、測定部の出力に基づき、風力発電装置の状態を監視する。

好ましくは、処理部は、測定部の出力の時間変化によりナセルの加速度を算出し、ナセルの状態が正常か否かを判定する。

さらに好ましくは、測定部は、エンコーダまたはポテンショメータを含む。
好ましくは、支持部は、液体が注入された容器に固設され、アーム部の一端には、液体の表面上に浮くフロートが固設される。

さらに好ましくは、液体は、粘性の高い液体を含む。
さらに好ましくは、振動センサは、支持部とアーム部とを接続する回転ヒンジをさらに含み、回転ヒンジは、水面の微小な揺れによる計測ノイズ防止のための振動減衰部を有する。

また好ましくは、支持部は、ナセル内部に固設され、アーム部の一端には、重りが固設される。

好ましくは、振動センサは、支持部とアーム部とを接続する回転ヒンジをさらに含み、回転ヒンジは、振り子動作による計測ノイズ防止のための振動減衰部を有する。

さらに好ましくは、振動減衰部は、スプリングまたはダンパーを有する。

この発明によれば、振動センサを用いて測定された結果に基づいて、ナセルの振動の状態を診断するので、従来の振動センサによる手法に比べてより簡易かつ安価に実現することができる。

風力発電装置の全体を示す図である。この発明の実施の形態１によるナセル振動用の振動センサが適用された風力発電装置の構成を概略的に示した図である。実施の形態１の振動センサ７０（振動が無し）の動作を説明するための図である。実施の形態１の振動センサ７０（振動が有り）の動作を説明するための図である。実施の形態２の振動センサ７０Ａ（振動が無し）の動作を説明するための図である。実施の形態２の振動センサ７０Ａ（振動が有り）の動作を説明するための図である。

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、風力発電装置の全体を示す図である。図１を参照して、風力発電装置１０は、ブレード３０と、ナセル９０と、タワー１００とを備える。ブレード３０の中心でナセル９０によって支持され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。風力発電装置のナセル９０が振動していないときを実線で示し、振動しているときを破線で示す。風力発電装置のナセル９０が振動する理由としては、タワー１００のたわみによる。なお、この振動の周波数は非常に低く約数Ｈｚ程度である。

図２は、この発明の実施の形態１によるナセル振動用の振動センサが適用された風力発電装置の構成を概略的に示した図である。図２を参照して、風力発電装置１０は、主軸２０と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸用軸受（以下、単に「軸受」と称する。）６０と、振動センサ７０と、監視装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、軸受６０、振動センサ７０および監視装置８０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。

主軸２０は、ナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２０は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２０の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２０に伝達する。

軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２０を回転自在に支持する。軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

振動センサ７０は、ナセル９０の内部の底面に固設される。そして、振動センサ７０は、ナセル９０の振動を検出し、その検出値を監視装置８０へ出力する。

増速機４０は、主軸２０と発電機５０との間に設けられ、主軸２０の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機５０は、増速機４０の出力軸に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。監視装置８０は、ナセル９０の内部に設けられ、ナセル９０の振動の検出値を振動センサ７０から受ける。

［実施の形態１］
図３は、実施の形態１の振動センサ７０（振動が無し）の動作を説明するための図である。図４は、実施の形態１の振動センサ７０（振動が有り）の動作を説明するための図である。図３、図４を参照して、振動センサ７０は、容器７０ａと、容器７０ａ内に注入された水１１０と、ナセル内の容器７０ａの底面に固設する支柱１０１と、支柱１０１と回動可能に接続されたアーム１０４と、支柱１０１とアーム１０４との回転角を測定する測定部１０３と、アーム１０４の一端に固設され、水の表面上に浮くフロート１０５とを含む。

振動センサ７０は、支柱１０１とアーム１０４とが接続される回転ヒンジ１０２をさらに含む。回転ヒンジ１０２は、図示していないが、水面の微小な揺れによる計測ノイズ防止のための振動減衰部（たとえばスプリングやダンパーなど）を含む。

ナセルの振動が無い状態（水平時）のときは、図３の示すように、アーム１０４と支柱１０１とのなす角度は９０度となる。一方、ナセルの振動が生じている状態（傾斜時）のときは、図４に示すように、アーム１０４と支柱１０１とのなす角度は鋭角（または鈍角）となる。

振動センサ７０は、測定部１０３が測定した回転角を監視装置８０に出力し、監視装置８０は、この出力結果を用いて回転角の加速度を計算し、ナセル９０の状態を判断する。

なお、ここでは容器７０ａに注入された液体として水を用いて説明したが、水よりも粘性の高い液体（たとえば、油）を注入することにより、外部の高周波ノイズに対しての応答性を減少させることができる。

また、測定部１０３として、回転角をデジタル出力できるエンコーダやアナログ出力できるポテンショメータなどを利用することができる。特に、ポテンショメータを使用することにより、エンコーダより高分解能な出力を得ることができる。

実施の形態１で支柱１０１を容器の底面に固設したが、これに限らず、上面および側面に固設してもよい。この場合でも、アーム１０４と支柱１０１とのなす角度を測定部１０３によって測定することで、ナセル９０の振動の状態を判断できる。

このような構成をとることにより、ナセル９０の振動を簡易にかつ安価で計測できる。また、この振動センサ７０は、外部から加えられる衝撃にも強く、破損リスクも減少させることができる。

［実施の形態２］
図５は、実施の形態２の振動センサ７０Ａ（振動が無し）の動作を説明するための図である。図６は、実施の形態２の振動センサ７０Ａ（振動が有り）の動作を説明するための図である。図５、図６を参照して、振動センサ７０Ａは、上述した振動センサ７０の代わりに、ナセル９０内部に固設される。振動センサ７０Ａは、振動センサ７０と同様に、ナセル９０の振動を検出し、その検出値を監視装置８０へ出力する。

振動センサ７０Ａは、ナセル９０内に固設する支柱２０１と、支柱２０１と回動可能に接続されたアーム２０４と、支柱とアーム２０４との回転角を測定する測定部２０３と、アーム２０４の一端に固設されるウエイト（重り）２０５とを含む。

振動センサ７０Ａは、支柱２０１とアーム２０４とが接続される回転ヒンジ２０２をさらに含む。回転ヒンジ２０２は、図示していないが、振り子動作による計測ノイズ防止のための振動減衰部（たとえばスプリングやダンパーなど）を含む。

ナセル９０の振動が無い状態（水平時）のときは、図５の示すように、アーム２０４と支柱２０１とのなす角度は９０度となる。一方、ナセルの振動が生じている状態（傾斜時）のときは、図６に示すように、アーム２０４と支柱２０１とのなす角度は鋭角（または鈍角）となる。

振動センサ７０Ａは、測定部２０３が測定した回転角を監視装置８０に出力し、監視装置８０は、この出力結果を用いて回転角の加速度を計算し、ナセル９０の状態を判断する。

ここで、測定部２０３として、回転角をデジタル出力できるエンコーダやアナログ出力できるポテンショメータなどを利用することができる。特に、ポテンショメータを使用することにより、エンコーダより高分解能な出力を得ることができる。

実施の形態２で支柱２０１をナセル９０内部の側面に固設したが、これに限らず、上面に固設してもよい。この場合でも、アーム２０４と支柱２０１とのなす角度を測定部２０３によって測定することで、ナセル９０の振動の状態を判断できる。

このような構成をとることにより、ナセル９０の振動を簡易にかつ安価で計測できる。また、この振動センサ７０Ａは、外部から加えられる衝撃にも強く、破損リスクも減少させることができる。

最後に、図等を用いて、実施の形態１，２を総括する。
本発明の実施の形態１、２の共通構成として、図２〜図６に示すように、風力発電装置の状態を監視する状態監視システムであって、風力発電装置１０のナセル９０内に設置され、ナセル９０の振動を測定するための振動センサ７０，７０Ａと、振動センサ７０，７０Ａからナセル９０の振動の状態を診断するための監視装置８０（処理部）とを備え、振動センサ７０，７０Ａは、ナセル９０内に固設する支柱１０１，２０１（支持部）と、支柱１０１，２０１（支持部）と回動可能に接続されたアーム１０４，２０４（アーム部）と、支柱１０１，２０１（支持部）とアーム１０４，２０４（アーム部）との回転角を測定する測定部１０３，２０３とを含み、監視装置８０（処理部）は、測定部１０３，２０３の出力に基づき、風力発電装置１０の状態を監視する。

好ましくは、監視装置８０（処理部）は、測定部１０３，２０３の出力の時間変化によりナセル９０の加速度を算出し、ナセル９０の状態が正常か否かを判定する。

さらに好ましくは、測定部１０３，２０３は、エンコーダまたはポテンショメータを含む。

特に、本実施の形態１は、上述した共通構成に加え、図２〜図４に示すように、好ましくは、支柱１０１（支持部）は、水１１０(液体）が注入された容器に固設され、アーム１０４（アーム部）の一端には、水１１０(液体）の表面上に浮くフロート１０５が固設される。

さらに好ましくは、水１１０(液体）は、粘性の高い水１１０(液体）を含む。
さらに好ましくは、振動センサ７０は、支柱１０１（支持部）とアーム１０４（アーム部）とを接続する回転ヒンジ１０２をさらに含み、回転ヒンジ１０２は、水面の微小な揺れによる計測ノイズ防止のための振動減衰部を有する。

次に、本実施の形態２は、上述した共通構成に加え、図２、図５、図６に示すように、支柱２０１（支持部）は、ナセル９０内部に固設され、アーム２０４（アーム部）の一端には、ウエイト２０５（重り）が固設される。

好ましくは、振動センサ７０Ａは、支柱２０１（支持部）とアーム２０４（アーム部）とを接続する回転ヒンジ２０２をさらに含み、回転ヒンジ２０２は、振り子動作による計測ノイズ防止のための振動減衰部を有する。

さらに好ましくは、振動減衰部は、スプリングまたはダンパーを有する。
実施の形態１および実施の形態２の振動センサ７０，７０Ａのような構成をとることにより、簡易かつ安価に風力発電装置１０のナセル９０の振動の状態を運用者は把握することができ、適切な対応をすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０風力発電装置、２０主軸、３０ブレード、４０増速機、５０発電機、６０軸受、７０，７０Ａ振動センサ、７０ａ容器、８０監視装置、９０ナセル、１００タワー、１０１，２０１支柱、１０２，２０２回転ヒンジ、１０３，２０３測定部、１０４，２０４アーム、１０５フロート、１１０水、２０５重り。

Claims

風力発電装置の状態を監視する状態監視システムであって、
前記風力発電装置のナセル内に設置され、前記ナセルの振動を測定するための振動センサと、
前記振動センサから前記ナセルの振動の状態を診断するための処理部とを備え、
前記振動センサは、
液体が注入された容器と、
前記容器内に固設された支持部と、
前記支持部と一端が回動可能に接続されたアーム部と、
前記アーム部の他端に固設され、前記液体の表面上に浮くフロートと、
前記支持部と前記アーム部との回転角を測定する測定部とを含み、
前記処理部は、前記測定部の出力に基づき、前記風力発電装置の状態を監視する、状態監視システム。
前記処理部は、前記測定部の出力の時間変化により前記ナセルの加速度を算出し、前記ナセルの状態が正常か否かを判定する、請求項１に記載の状態監視システム。
前記測定部は、エンコーダまたはポテンショメータを含む、請求項１または請求項２に記載の状態監視システム。
前記液体は、粘性の高い液体を含む、請求項１に記載の状態監視システム。
前記振動センサは、前記支持部と前記アーム部とを接続する回転ヒンジをさらに含み、
前記回転ヒンジは、水面の微小な揺れによる計測ノイズ防止のための振動減衰部を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の状態監視システム。