JP7402581B1 - 風力発電施設の解体及びリサイクル管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムを提供する。【解決手段】風力発電施設のコンポーネントのデジタルモデルを用いて風力発電設備をモデリングするデジタル化部と、風力発電施設における各部品の動作による特性を検出する検出部と、前記検出部の検出結果を前記デジタル化部のモデリング結果に適用してシミュレーションを行う性能検出部と、前記性能検出部の検出結果を、標準の風力発電施設の性能に対比して評価を行い、部品の交換又は施設の解体を判断する性能評価部と、前記性能評価部で部品の解体と判断された場合、当該施設の規模を評価して解体作業の種類と解体作業にかかる期間及び費用を算定する解体作業評価部と、前記性能評価部の部品交換時にかかる費用及び性能改善の程度が前記性能検出部を介して入力され、前記解体作業評価部の解体作業費用と比較して経済性に応じて部品の交換又は解体を決定する解体決定部と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムに関し、より詳しくは、風力発電施設の設備解体、部品のリサイクル、廃棄の全過程を管理し得るシステムに関する。

「２０５０炭素中立報告書」に明示された国際エネルギー機関（ＩＥＡ）の風力発電の増設シナリオによれば、風力設備の廃棄物が２０５０年には年間２００万トンまで増加することと見込まれている。

しかし、環境に優しい再生可能エネルギーである風力エネルギーが、むしろ環境に危害を加えるという主張が提起されており、世界的に老朽化に起因して解体される風力発電の設備容量が２０３０年までに２０ＧＷを上回る見通しであるからである。

米国の場合、毎年８０００個余りの廃棄物をワオミング州キャスパー埋立地に埋め立てる方式で風力設備の廃棄物を処理しており、ヨーロッパの風力設備の廃棄物量は、２０３０年に年間５万２千トンに達すると予想されるなど、風力発電施設の老朽化に伴う廃棄物の増加が環境汚染をさらに発生させるおそれがある。

これへの対応として、ヨーロッパは、２０２５年までに風力発電機において解体により発生する全ての部品の埋め立てを禁止し、１００％リサイクルを目指して推進中である。大規模の集合型風力発電所が多いヨーロッパは、解体の重要性を認識し、Ｏ＆Ｍから解体まで連携管理するシステムを開発中である。

韓国内では、２０２２年済州島の杏源風力発電機６号機の稼働中断を皮切りに、今後老朽化した風力発電設備の稼働中断及び解体作業が速やかに増加することと予想されている。

具体的に、２０３４年までに風力設備の廃棄物が２０万トン以上発生することと見込まれ、適期に部品交換等により発電設備の寿命延長が可能であるが、実際に現場ではこれに対する体系的な対策が不備であるという問題点がある。

関連技術として、廃太陽電池モジュールの資源を回収するシステムおよび方法が、韓国公開特許１０－２０２１－００８６３２５号（２０２１年７月８日公開）等に記載されている。

太陽電池モジュールは、相対的に風力発電設備に比べてサイズが小さく、重量も軽いため廃棄処理が割合容易であり、太陽電池モジュールに適用する技術を風力発電施設に適用することはできない。

韓国公開特許１０－２０２１－００８６３２５号公報（２０２１．７．８．）

前述した問題点に鑑みた本発明が解決しようとする技術的課題は、風力発電施設の多様な設備の状態点検、解体するか否かの決定、解体の具体的な作業計画の樹立、解体された設備部品のリサイクル又は廃棄処理に対する全般的な管理を行うことができる風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムを提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムは、風力発電施設のコンポーネントのデジタルモデルを用いて風力発電設備をモデリングするデジタル化部と、風力発電施設における各部品の動作による特性を検出する検出部と、前記検出部の検出結果を前記デジタル化部のモデリング結果に適用してシミュレーションを行う性能検出部と、前記性能検出部の検出結果を、標準の風力発電施設の性能に対比して評価を行い、部品の交換又は施設の解体を判断する性能評価部と、前記性能評価部で部品の解体と判断された場合、当該施設の規模を評価して解体作業の種類と解体作業にかかる期間及び費用を算定する解体作業評価部と、前記性能評価部の部品交換時にかかる費用及び性能改善の程度が前記性能検出部を介して入力され、前記解体作業評価部の解体作業費用と比較して経済性に応じて部品の交換又は解体を決定する解体決定部と、を含むことができる。

本発明の実施形態において、前記解体決定部で解体と決定された場合、リサイクルおよび廃棄リストを作成し、風力発電施設の解体後の実際の設備のリサイクルおよび廃棄状況の入力を受けて比較するリサイクル管理部をさらに含むことができる。

本発明の実施形態において、前記解体決定部で解体と決定された場合、廃棄対象のコンポーネントの廃棄過程の入力を受けて適切性を評価する廃棄管理部をさらに含むことができる。

本発明の実施形態において、前記デジタル化部は、風力発電施設のコンポーネントに対するデジタルモデルを格納するデータベースを含み、前記データベースは、デジタルモデルが模写した実際のコンポーネントの価格情報を一緒に格納して、前記性能検出部で交換費用を算出することができる。

本発明の実施形態において、前記デジタル化部は、風力発電施設のコンポーネントに対するデジタルモデルを格納するデータベースを含み、前記データベースは、デジタルモデルが模写した実際のコンポーネントの価格情報を一緒に格納して、前記解体作業評価部で解体作業費用を算出するときに活用することができる。

本発明は、風力発電施設をデジタルモデリングし、風力発電施設で検出された複数の情報をデジタルモデリングの結果物に適用して、風力発電施設の老巧化及び交換部品に対する情報を得て風力発電施設のメンテナンスを計画的に行うことができ、メンテナンスに伴う風力発電施設の耐久年限を延長することができるという効果がある。

また、本発明は、風力発電施設の部品の交換にかかる費用及び施設を再度設置する費用の経済性に鑑み、風力発電施設の部品を交換するか、または風力発電施設を解体することを決定し、経済性を確保することができるという効果がある。

また、解体された部品の性能を考慮してリサイクルまたは廃棄するように区分し、経済性の判断においてリサイクル部品の価値を考慮することにより、より正確な判断が可能であり、風力発電施設の全般的な管理を行うことができるという効果がある。

図１は、本発明の一実施形態による風力発電施設の解体及びリサイクルシステムのブロック構成図である。 図２は、デジタル化部のブロック構成図である。 図３は、本発明の他の実施形態による風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムのブロック構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の風力発電施設の解体及びリサイクルシステムについて詳細に説明する。

本発明の実施形態は、当該技術分野における通常の知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されるものであり、後述する実施形態は様々な形態に変形可能であり、本発明の範囲が、下記実施形態に限定されるものではない。むしろ、これらの実施形態は、本発明をより充実かつ完全にするとともに、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。

本明細書で使用された用語は、特定の実施形態を説明するために使用され、本発明を限定するためのものではない。本明細書で使用されているように、単数の形態は、文脈上異なる場合を明確に指摘するものでなければ、複数の形態を含むことができる。また、本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）及び／又は含む（Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及した形状、数字、段階、動作、部材、要素及び／又はこれらの群の存在を特定するものであり、１つ以上の異なる形状、数字、動作、部材、要素および／または群の存在または付加を排除するものではない。本明細書で使用されているように、用語「及び／又は」は、当該列挙された項目のいずれか一つ及び一つ以上のすべての組み合わせを含む。

本明細書において、「第１」、「第２」等の用語は、多様な部材、領域及び／又は部位を説明するために使用されるが、これらの部材、部品、領域、層および／または部位はこれらの用語によって限定されないことは自明である。これらの用語は、特定の順序や上下、又は優劣を意味せず、一つの部材、領域又は部位を他の部材、領域又は部位と区別するためにのみ用いられる。したがって、後述する第１の部材、第１の領域又は第１の部位は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の部材、第２の領域又は第２の部位を指すことができる。

以下、本発明の実施形態は、本発明の実施形態を概略的に示す図面を参照して説明する。図面において、例えば、製造技術及び／又は公差により、図示の形状の変形が予想されることができる。したがって、本発明の実施形態は、本明細書に図示された領域の特定の形状に限定されるものと解釈されてはならない。例えば、製造上もたらされる形状の変化を含むものでなればならない。

図１は、本発明の好ましい実施形態による風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムのブロック構成図である。

図１を参照すると、本発明は、風力発電施設の設備部品のデジタルモデル（コンピュータで読み取り可能な電子ファイルの形態）を用いて風力発電設備をモデリングするデジタル化部１０と、実際の風力発電施設における各部品の動作による特性を検出する複数のセンサーを含む検出部２０と、前記検出部２０の検出結果を、前記デジタル化部１０のモデリング結果に適用してシミュレーションを行う性能検出部３０と、前記性能検出部３０の検出結果を標準の風力発電施設の性能と対比して評価を行い、部品の交換又は施設の解体を判断する性能評価部４０と、前記性能評価部４０で部品の解体と判断された場合、当該施設の規模を評価し解体作業の種類と解体作業にかかる期間及び費用を算定し、解体作業後に老朽度に応じてリサイクル可能な設備の価格を算定し、解体作業費用に反映する解体作業評価部５０と、前記性能評価部４０の部品交換時にかかる費用及び性能改善の程度が前記性能検出部３０を介して入力され、前記解体作業評価部５０の解体作業費用と比較して経済性に応じて部品の交換又は解体を決定する解体決定部６０と、リサイクル及び廃棄リストを作成し、風力発電施設の解体後の実際の設備のリサイクル及び廃棄状況の入力を受けて比較するリサイクル管理部７０と、廃棄設備の廃棄過程の入力を受けて適切性を評価する廃棄管理部８０と、を含んでなる。

以下、前記のように構成された本発明の風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムの構成および作用についてより詳しく説明する。

まず、風力発電施設は、通常、ローター、ブレード、低速シャフト、高速シャフト、トランスミッション、ブレーキ、発電機などの発電設備を含み、設備を支持するタワー設備と電力生産および変換のための多数の電力設備を含んでいる。

個別の風力発電施設は、発電容量に応じて、個別設備の容量（規模）が決定されて設計され、ブレードの大きさ、発電機の大きさ、ブレーキの容量、電力設備の規模、タワー設備の種類及び規模が決定される。

デジタル化部１０は、コンピュータで読み取り可能な電子ファイルの形態のデジタルモデルを格納するデータベースを含み、オペレーターの選択または当該風力発電施設の規模（発電容量）の設定により標準的なデジタルモデルを呼び出して風力発電設備をモデリングする。

この時のモデリングは、単なる表示ではなく個別設備の有機的な関係に基づく動作モデリングであることにする。

前記デジタル化部１０は、ユーザーの入力が可能であり、設備に対するデジタルモデルを格納し、画面に表示できるコンピューティングデバイスとすることができる。

図２は、デジタル化部１０のブロック構成図である。

図２を参照すると、デジタル化部１０は、風力発電施設を構成するコンポーネントのデジタルコンポーネントモデルを格納するデータベース１１と、デジタル化する風力発電施設の規模情報を入力する入力部１３と、前記入力部１３によって入力された情報に合致するデジタルコンポーネントモデルを、前記データベース１１から検索および呼び出すモデル選択部１２と、前記選択されたモデルを用いて風力発電施設をモデリングするモデリング部１４と、モデリングの結果物を表示する表示部１５と、を含む。

前記データベース１１には、デジタルコンポーネントモデルが格納されるとともにデジタルコンポーネントモデルが模写した実際のコンポーネントの価格情報、設置または交換作業の種類、作業時間情報を一緒に格納することとする。

コンポーネントとしては、ブレード、低速シャフト、高速シャフト、トランスミッション、発電機などが挙げられ、挙げられていない他のコンポーネントを含んでもよい。

入力部１３は、実際の風力発電施設の規模を入力する。風力発電施設の規模は、発電容量で決められることができ、発電容量の入力により、モデル選択部１２は、自動的にブレード、ローター、低速シャフト、高速シャフト、トランスミッション、発電機、ブレーキ等に対するデジタルモデルを前記データベース１１で検索して呼び出し、モデリング部１４で呼び出されたデジタルコンポーネントモデルを組み合わせて風力発電施設をモデリングする。

モデリングされた結果は、表示部１５に表示されることができる。

前記デジタル化部１０でモデリングされた風力発電施設のモデルに、実際の風力発電施設から検出された情報を適用するために、検出部２０を用いる。

検出部２０は、実際の風力発電施設に設置された様々なセンサーの集合である。

風力発電施設には、風向、風力を検出するセンサー、低速シャフトの回転速度を検出し、高速シャフトの回転速度を検出する回転速度センサー、温度センサー、発電機の状態を確認できる電流、電圧センサー、振動センサー、温度センサーを含むことができ、この他に挙げられていない様々なセンサーが使用されており、検出部２０では各センサーの検出結果を収集するものとする。

次いで、性能検出部３０は、前記検出部２０の検出結果を前記デジタル化部１０のモデリング結果に適用してシミュレーションを行う。

この時のシミュレーションの具体例として、風向、風力（又は風速）並びにモーターの回転、ローターの回転による低速シャフトの回転速度、低速シャフトの回転速度による高速シャフトの回転速度、高速シャフトの回転による発電機の発電量、発電機の温度などのデータを適用してシミュレーションを行う。

性能検出部３０のシミュレーション結果は、効率として検出できる。たとえば、現在の風向及び風速におけるローターの回転速度の基準値に対して、現在の風向及び風力による実際のローターの回転速度の百分率を求め、現在のローター（ブレードを含む）効率を求めることができる。

この時のローターの回転速度の基準値は、物理的理論による理想的な風力発電施設のローターの回転速度の基準値であるものとする。すなわち、理論上計算された基準値を用いる。

次に説明する効率の算出に用いる基準値も理論上の算出値であることにする。

また、ローターの回転による低速シャフトの回転速度も基準回転速度に対する百分率である効率として算出することができ、同様な方法で高速シャフトの回転速度の効率を求めて低速シャフトと高速シャフトとを連結するトランスミッションの効率を算出できる。

発電機の発電量についても基準発電量に対する現在の発電量の百分率を求めて効率を決定することができる。

性能評価部４０は、前記性能検出部３０でシミュレーションの結果として得られた各部分の効率を評価する。

効率の評価は、標準の風力発電施設の性能に対比して評価を行うことにする。この時、標準の風力発電施設の性能は、理想的な風力発電施設の性能ではなく、設置後２～３年を経過した風力発電施設の実際の性能の平均を基準とする。

理想的な風力発電施設の場合、前述したように物理的に算出された値であり、実際の設備では様々な原因により理論と同一の性能を示すことができないためであり、円滑に稼働中である風力発電施設の性能を標準として定め、標準の風力発電施設の性能に対比した評価を通じて、より現実的な性能の評価が可能になる。

前記性能検出部３０で検出された個別コンポーネントの性能が標準の風力発電施設の同一のコンポーネントの性能に対して設定された第１水準以下の場合、当該コンポーネントの交換として判断する。

第１水準以下のコンポーネントの部品点数及び重要度に応じて、施設の解体と評価できる。

施設の解体には、後述する経済性をさらに考慮する。

前記性能評価部４０で解体と判断された場合、解体作業評価部５０は、当該風力発電施設の規模を評価し、解体作業の種類及び解体作業期間及び費用を算定する。

解体作業の種類は、大型ブレードの場合、切断作業による解体であるか、又は、必要に応じてブレードを損傷させることなく分解する解体を決定できる。

切断作業を通じてブレードを解体する場合、当該ブレードは、リサイクルができなく、分解により解体したブレードはリサイクル可能であるものの、風向や風力に対するローターの回転速度の効率が基準よりも低く評価されたブレードは、変形などの異常が発生したものであって、リサイクルができないものと判定される可能性がある。

すなわち、本発明は、コンポーネント（部品）ごとに多様な解体作業の種類を登録し、コンポーネントの規模と性能評価結果によって、当該コンポーネントの解体作業種類を決定し、解体されたコンポーネントのリサイクルまたは廃棄を行うか否かを決定することができる。

なお、解体作業評価部５０は、解体作業に要する期間及び費用を推定する。

作業期間及び費用は、国内外の事例により推定できる。

解体作業に要する費用は、総費用からリサイクル可能なコンポーネントの価格を差し引いた費用で算出できる。このとき、コンポーネントの価格は、前述のデータベース１１に格納された価格を減価償却して適用し得る。

解体決定部６０は、前記性能評価部４０の部品交換時に所要となる費用及び性能改善の程度が前記性能検出部３０を介して入力されるものとする。

前記性能評価部４０の評価の結果、特定のコンポーネントに対して交換をしなければならないと評価された場合、その結果は前記性能検出部３０に再度提供され、現在構成されたデジタルモデルから当該コンポーネントを互換可能な他のコンポーネントモデルに交換、再びシミュレーションを行う。

シミュレーションの結果、全ての発電量に改善に行われると判断されれば、その改善程度が基準値以上であるとき、コンポーネントの交換を決定することができ、このとき、コンポーネントの交換費用を一緒に出力するようになる。

解体決定部６０は、解体作業費用および交換作業費用を考慮して解体を行うか否かを決める。例えば、多数の部品を交換する必要があり、かつ、部品の交換によって得られる性能の向上が相対的に少ない場合、解体後に施設を再度設置した方が部品交換に伴う費用よりも経済的である可能性があり、解体決定部６０は経済性を判断して解体するか否かを決定するようになる。

前記解体決定部６０で風力発電施設を解体することと決定した場合、リサイクル管理部７０は、前記解体作業評価部５０の評価結果を用いてリサイクル可能なコンポーネント（部品）のリストを作成する。

リサイクル可能なコンポーネントを除く他のコンポーネントは、廃棄リストに含まれるように作成する。

リサイクル管理部７０は、その後、風力発電施設の解体過程で、実際のコンポーネントのリサイクル及び廃棄状況の入力を受け、作成された目録と比較してリサイクルが的確に行われたかどうかを管理者が容易に確認できるように表示することができる。

廃棄管理部８０は、風力発電施設の解体過程で発生した廃棄対象のコンポーネントの廃棄方法を決定し、廃棄過程を追跡して廃棄処理の適切性を評価することができる。

廃棄過程の追跡は、廃棄のための廃棄会社に依頼した履歴、廃棄コンポーネントを解体現場で車に積載した履歴、廃棄完了日付、廃棄方法を、廃棄会社から入力してもらって追跡するものとすることができる。

図３は、本発明の他の実施形態による風力発電施設の解体及びリサイクル管理システムのブロック構成図である。

図３を参照すると、前述した図１の構成において、交換スケジュール管理部９０をさらに含んで構成することができる。このとき、デジタル化部１０の構成は、前述の図２を参照して説明した構成と同様なものであってもよい。

交換スケジュール管理部９０は、別個で構成される多数の風力発電施設に対する判断の結果、交換が必要な部品を備える風力発電施設のリストを格納し、当該風力発電施設の交換すべき部品及び老朽度を格納する。

この時、交換対象部品が直ちに交換なければならないくらいの老朽化したものであれば、前記リサイクル管理部７０において、リサイクルとして管理する解体部品があるかどうかを確認し、解体部品のうちリサイクル対象の部品に交換されるようにスケジューリングできる。

なお、買い替えスケジュール管理部９０では、性能評価部４０の評価結果、老朽度の程度がより甚だしい部品から交換できるようにスケジューリングを実施する。つまり、性能評価部４０で評価した特定の風力発電施設の特定の部品が２ヶ月以内に交換されなければならなく、他の風力発電施設の特定の部品が３ヶ月以内に交換されなければならない場合と判断されると、２ヶ月以内に交換されるべき部品を優先して交換するようにスケジュールすることができる。

解体決定部６０で他の風力発電施設に対して解体を決定した場合、解体すべき風力発電施設でリサイクル可能な部品が交換スケジュール管理部９０に登載された部品と一致する場合には、解体作業評価部５０で解体作業の種類を決める際には、交換スケジュール管理部９０に登載されている部品を前もって解体するように解体作業の種類を決めることができる。

したがって、本発明は解体される風力発電施設でリサイクルできる部品を収集し、収集された部品を利用して解体ではなく部品の交換と決定された他の風力発電施設の部品を交換できるようにスケジューリングを行うことができる。

このように、本発明は、解体風力発電施設の部品を他の風力発電施設の老朽化した部品の交換に使用することで、環境汚染の問題の発生を一層減らすことができる。

なお、交換スケジュール管理部９０は、交換対象の風力発電施設の部品を交換する際に、特に交換対象の風力発電施設の年間発電量情報に基づき、最大限発電量が最も少ない時期に交換工事を行うようにスケジューリングすることにする。

このときに考慮すべきことは、交換対象部品の交換時期およびデータベース１１に格納されている交換工事期間情報を参照した交換に要する時間を考慮して決定することができる。

本発明は、前記実施形態に限らず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で多様に修正、変形して実施できることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとって自明である。

１０ デジタル化部
２０ 検出部
３０ 性能検出部
４０ 性能評価部
５０ 解体作業評価部
６０ 解体決定部
７０ リサイクル管理部
８０ 廃棄管理部

Claims (1)

1. 風力発電施設のコンポーネントのデジタルモデルを用いて風力発電設備をモデリングするが、風力発電施設のコンポーネントに対するデジタルモデルを格納するデータベースを含み、前記データベースは、デジタルモデルが模写した実際のコンポーネントの価格情報を一緒に格納するようにするデジタル化部と、
   風力発電施設における各部品の動作による特性を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果を前記デジタル化部のモデリング結果に適用してシミュレーションを行い、現在の風向及び風速におけるローターの回転速度の基準値に対して、現在の風向及び風力によるローターの回転速度の百分率を求め、ブレードを含むローターの効率を求めるとともに、ローターの回転による低速シャフトと高速シャフトのそれぞれの回転速度を基準速度に対する百分率であるそれぞれの効率として求め、低速シャフトと高速シャフトの効率を用いてトランスミッションの効率を算出する性能検出部と、
   前記性能検出部の検出結果を、設置後２～３年を経過した風力発電施設の実際の性能の平均である標準の風力発電施設の性能に対比して評価を行い、部品の交換又は施設の解体を判断する性能評価部と、
   前記性能評価部で部品の解体と判断された場合、当該施設の規模を評価して解体作業の種類と以前の国内及び海外の事例を確認して解体作業にかかる期間及び費用を算定するが、解体作業に要する費用は、総費用から、前記データベースに格納された価格情報を用いて、リサイクル可能なコンポーネントの減価償却された価格に鑑みて推定する解体作業評価部と、
   前記性能評価部の部品交換時にかかる費用及び性能改善の程度が前記性能検出部を介して入力され、前記解体作業評価部の解体作業費用と比較して経済性に応じて部品の交換又は解体を決定する解体決定部と、
   前記解体決定部で風力発電施設を解体すると決定された場合、リサイクル可能なコンポーネントの目録を作成し、風力発電施設の解体過程で、実際のコンポーネントのリサイクル状況の入力を受け、リサイクルが的確に行われたかどうかを確認するリサイクル管理部と、
   前記解体決定部で風力発電施設を解体すると決定された場合、廃棄されるコンポーネントの目録を作成し、風力発電施設の解体過程で、実際のコンポーネントの廃棄過程の入力を受けて適切性を評価する廃棄管理部と、を含む、風力発電施設の解体及びリサイクル管理システム。