JP6037302B2 - 風力発電装置 - Google Patents

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。

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。

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。

米国特許出願公開第２００４／００５７８２８号明細書

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 モード試験装置を説明するための図である。 図３に示すモード試験装置の振動を示す図である。 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。 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。 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。 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。 実施の形態１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。 実施の形態１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。 実施の形態２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。 実験に用いた風力発電装置を説明するための図である。 ブレードのたわみ方向を説明するための図である。 ブレード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）。 ブレード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）。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ｚ_ｄはブレードの任意の位置、ν（ｚ_ｄ、ｔ）は位置ｚ_ｄの時間ｔにおける変位、Ｖ_１（ｚ_ｄ）は補間関数で表現された位置ｚ_ｄにおけるモード形の値（１次モード）、ｆ_１（ｔ）は１次モード形の寄与率成分の時間応答、Ｖ_２（ｚ_ｄ）は補間関数で表現された位置ｚ_ｄにおけるモード形の値（２次モード）、ｆ_２（ｔ）は２次モード形の寄与率成分の時間応答である。

この場合、変位ν（ｚ_ｄ、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ｚ_１、ｚ_２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、ε_１（ｚ_１、ｔ）は位置ｚ_１の時間ｔおける歪み、ε_２（ｚ_２、ｔ）は位置ｚ_２の時間ｔにおける歪み、ｒ_１は位置ｚ_１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）、ｒ_２は位置ｚ_２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。

したがって、位置ｚ_１、ｚ_２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ｚ_ｄ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。

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。

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。

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。

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。

ここで、Ｃ_１〜Ｃ_４、λ_ｒは係数であり、境界条件を考慮した最小二乗法を用いることで決定することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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）。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (14)

1. 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、前記ブレードの長手方向における歪みを測定する第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ハブの回転軸と平行な方向における前記ブレードの変位を算出する振動算出部と、を備え、
   前記振動算出部は、前記第１および第２の歪みゲージによって測定された前記ブレードの長手方向における歪みを所定の逆変換行列を用いて変換することで、前記ハブの回転軸と平行な方向における前記ブレードの１次モードの振動変位と２次モードの振動変位とを重ね合わせた前記ブレードの変位を算出する、
   風力発電装置。
2. 前記振動算出部は、前記第１および第２の歪みゲージによって測定された歪みを下記の式を用いて前記ハブの回転軸と平行な方向における前記ブレードの変位に変換する、請求項１に記載の風力発電装置。
   

   

   ここで、ｚ_ｄはブレードの長手方向における任意の位置、ｔは時間、νは前記ハブの回転軸と平行な方向におけるブレードの変位、Ｖ_１（ｚ_ｄ）は補間関数で表現されたｚ_ｄにおけるモード形の値（１次モード）、Ｖ_２（ｚ_ｄ）は補間関数で表現されたｚ_ｄにおけるモード形の値（２次モード）、ε_１は第１の歪みゲージで測定された歪み、ε_２は第２の歪みゲージで測定された歪み、ｚ _１ はブレードの長手方向における第１の歪みゲージの測定位置、ｚ _２ はブレードの長手方向における第２の歪みゲージの測定位置、ｒ_１はｚ_１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、ｒ_２はｚ_２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。
3. 前記Ｖ _１ （ｚ _ｄ ）および前記Ｖ _２ （ｚ _ｄ ）は、下記に示す補間関数を用いてそれぞれ表すことができる、請求項２に記載の風力発電装置。
   

   

   
   ここで、Ｃ _１ 〜Ｃ _４ 、λ _ｒ は、前記Ｖ _１ （ｚ _ｄ ）および前記Ｖ _２ （ｚ _ｄ ）のそれぞれについて求められる係数であり、境界条件を考慮した最小二乗法を用いることで決定することができる。
4. 前記第１および第２の歪みゲージのうちの少なくとも一方は、前記補間関数の２階微分の絶対値が最も大きい位置に配置されている、請求項２または３に記載の風力発電装置。
5. 前記第１および第２の歪みゲージのうちの一方は、前記補間関数の２階微分の絶対値がゼロである位置に配置されている、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
6. 前記振動算出部で算出された１次モードの固有振動数の変化および２次モードの固有振動数の変化のうちの少なくとも一つを用いて前記ブレードの異常を検知する、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の風力発電装置。
7. 前記振動算出部で算出された振動情報に基づき前記ブレードの振動状態を調整する振動状態調整部を更に備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風力発電装置。
8. 前記振動状態調整部は、前記発電機の回転を制御することで前記ブレードの振動を減衰させる、請求項７に記載の風力発電装置。
9. 前記回転機構は、前記ブレードのピッチ角を調整可能なピッチ角調整部を備え、
   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７または８に記載の風力発電装置。
10. 前記振動状態調整部は、前記ブレードの先端部における変位が第１の閾値以上となった場合に前記ブレードの振動を減衰させる、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の風力発電装置。
11. 前記振動状態調整部は、前記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前記ブレードの振動を減衰させる、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の風力発電装置。
12. 前記振動状態調整部は、前記ブレードの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、前記ブレードの振動を減衰させる、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の風力発電装置。
13. 前記風力発電装置と離間した位置に設けられ、前記風力発電装置で発生した騒音を測定する騒音センサを更に備え、
    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７乃至１２のいずれか一項に記載の風力発電装置。
14. 前記第１および第２の歪みゲージから前記振動算出部に送信される信号および前記騒音センサから前記振動状態調整部に送信される信号の少なくとも一方は無線を用いて送信される、請求項１３に記載の風力発電装置。

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