JPWO2016002321A1 - 風力発電設備および風力発電設備の監視システム、風力発電設備の監視方法 - Google Patents

Abstract

風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備を提供する。地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられていることを特徴とする。

Description

本発明は、風力発電設備および風力発電設備の監視システム、風力発電設備の監視方法に関する。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの導入拡大は、安定したエネルギー資源の確保や地球温暖化防止といった観点から大きな期待が寄せられている。風力発電システムの設計においては、発電効率向上、風力発電設備の大型化、建設工法の合理化、工期短縮、保守修理や点検の簡易化により、発電コストを低減し、発電事業として成立し易くするための様々な検討が進められている。

風力発電設備の大型化に伴い、数ＭＷ規模の風力発電システムでは、その風車のブレードの長さやタワーの高さは数十メートルにも及ぶ。そのため、風車が受ける風速や風向きの変化によってブレードやタワーに加わる力（モーメント）が大きく変化し、ブレードやタワーに大きな歪が生ずる。この歪を要因としてブレードやタワーに疲労が蓄積し、ブレードの破損やタワーの倒壊といった事故につながる可能性がある。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「風力による応力がかかるブレードと；前記ブレードに埋め込まれ、前記応力を測定する応力測定用又は前記応力に起因するブレードの歪を測定する歪み測定用の抵抗線とを備える；風車用ブレード」が開示されている。

また、特許文献２には、「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、風力発電装置」が開示されている。

特開２００４−３０１０３０号公報 特開２０１３−２３１４０９号公報

上記のように、風力発電システムにおいて、ブレードやタワーに生じる歪（応力）をより正確に監視し、破損や倒壊に至る前に風力発電設備を停止させたり、必要に応じてブレードの交換やタワーの補強といった保守補修を行うことは、安定して電力を供給する上で非常に効果的である。

上記の特許文献１の風車用ブレードによれば、ブレードにかかる応力又は歪みを時系列的に測定し、余寿命を予測でき、また、ブレードの交換時期を予測できる。

しかしながら、この風車用ブレードは、応力測定用の抵抗線をブレードに埋め込む構造となっているため、抵抗線を設けることができる位置に制限があり、また、ブレード自体に抵抗線を埋め込むための加工が必要なため、ブレードの強度低下も避けられない。また、加工したブレードでなければ抵抗線を取り付けできないことから、風力発電機のブレードの設計段階から抵抗線の埋め込みを考慮した設計を行わなければならない。

そのため、施工後の風力発電機には特許文献１の方法によるブレードの歪の監視機能を追加することは困難である。また、内部に埋め込む構造のため、修理や抵抗線の校正等の作業は容易ではない。

特許文献２の風力発電装置によれば、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であると考えられる。

しかしながら、歪の測定に従来の歪ゲージを用いている。また、ブレードに設置するためには、やはりブレード自体に歪ゲージを取り付けるための加工が必要であり、歪ゲージの測定精度やブレードの加工による歪の変化といった点において、長期間にわたり正確に歪を監視する上では不十分である。

また、特許文献１同様に、ブレードに埋め込む構造となっているため、抵抗線を設けることができる位置に制限がある。また、ブレードの加工による強度低下の課題も有している。また、歪センサを埋め込み取り付けるための設計が必要である。また、修理等のメンテナンス性にも難がある。

そこで、本発明の目的は、風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備の監視システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備の監視方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備の監視システムであって、前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられ、前記半導体歪センサにより検出した前記ブレードの歪値を無線伝送手段により外部の監視サーバーへ伝送することにより、前記ブレードの歪値を監視することを特徴とする。

また、本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備の監視方法であって、前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられ、前記半導体歪センサにより検出した前記ブレードの歪値を無線伝送手段により外部の監視サーバーへ伝送することにより、前記ブレードの歪値を監視することを特徴とする。

本発明によれば、風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備を実現できる。

また、風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備の監視システムを実現できる。

また、風車のブレード或いはタワーにおいて、精度の高い歪の監視が可能な風力発電設備の監視方法を提供できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面を示す図である。 接着材の違いによる歪感度（歪センサ値）の差を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電設備の監視システムの概略構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１乃至図３を用いて、本発明の一実施形態における風力発電設備について説明する。図１は、本発明を用いたダウンウィンド型の風力発電設備を示している。本実施例の風力発電設備は、図１に示すように、地上或いは洋上に設置されたタワー６の頂部にナセル３が設けられ、ナセル３の内部にはギアボックスすなわち増速機４や発電機５が内蔵されている。なお、洋上とは厳密に海水表面上に風力発電設備の構成の全てが存在するという意味ではなく、タワー６の一部が海水表面に現れるものであってよいことを指す。すなわち、タワー６の一部は海水に入っていてもよく、ブレード１が海水より高い位置にあればよいという意味である。

タワー６はコンクリート等で作られた基礎ブロックの上に設置されており、海水が接触しないことが望ましい。

ナセル３の一端には、ハブ２と複数のブレード１から構成されるロータが設けられている。ハブ２は回転軸により増速機４および発電機５と連結されており、複数のブレード１が風を受けてハブ２と共に回転することにより、風力を回転エネルギーに変換し、回転軸および増速機４を介して発電機５へ回転エネルギーを伝えることで、発電を行っている。

タワー６は、ナセル３の一端に設けられたハブ２および複数のブレード１すなわち風車やナセル３に内蔵された増速機４および発電機５を支える支柱の役割を果たしている。

なお、増速機４は必ずしも増速する構成でなくてもよく、カップリング等の増速しない直結式の接続機構を採用してもよい。この場合、増速機４を採用しないため装置の構造が簡単になる。直結式の接続機構と併せて、発電機５は多極式を採用するとブレード１の回転速度と発電機５の回転数を合わせられる構成にするとよい。多極式の発電機５を採用する場合には、ナセル３の構造が大きくなる場合がある。

複数のブレード１は、例えば、ガラス繊維強化プラスチックを中空状に加工したものであり、風上側の各々の内壁面には、ブレード１に発生する歪（応力）を検出する半導体歪センサ７が設けられている。

図２に、図１の風力発電設備を風上側から見た図を示す。図２に示すように、半導体歪センサ７は、ブレード１の風上側の内壁面において、ブレード１の根本部分すなわちブレード１とハブ２の連結部近傍に設けられている。

ここで、半導体歪センサ７をブレード１の根本部分すなわちブレード１とハブ２の連結部近傍に設けているのは、ブレード１とハブ２の連結部はハブ２により支持されているため比較的強度が高く、歪（応力）に対する耐性を有するが、その連結部から少し離れた位置つまりブレード１とハブ２の連結部近傍が最もブレード１の歪（応力）が高く、歪によるブレード１の破損が生じる可能性が高いためである。

図３に、ブレード１の内壁面に設けられる半導体歪センサ７の具体的な構成を示す。図３は、図２におけるＡ−Ａ’断面を示している。ブレード１の風上側の内壁面において、半導体歪センサ７が金属基板などのベース基板９を介して接着材８によりブレード１に接着固定されている。接着固定とは、ブレードの内壁面上にベース基板９を接着剤８によって接着することによって把持あるいは接続されることを意味する。

なお、図３に図示されるように一方の内壁面だけでなく、他方の内壁面にも半導体歪センサ７を接着できることはいうまでもない。また、両者であってもよい。両者に取り付けた場合は、振動等の影響を除去するような測定方法を用いることができる。また、一方の半導体歪センサ７が故障した場合にも、他方のセンサによる測定が可能となる。

ここで、接着材８の塗布領域は、少なくとも半導体歪センサ７がベース基板９と対向する面の面積よりも広い領域となっている。半導体歪センサ７より広い面積の塗布領域を確保することで、半導体歪センサ７の安定性が上がるためである。

なお、接着剤８は半導体歪センサ７の面積よりも狭く塗布してもよいが、この場合は、安定性が下がることとなるが、ブレードの振動等の影響を受けやすくなり、振動による歪の影響を観察したい場合には有効である。

また、少なくとも、半導体歪センサ７がベース基板９と対向する面の直下の接着材８の塗布領域においては、気泡や異物が混入しないように塗布されるとよい。これは、半導体歪センサ７が、ブレード１に発生する歪をより正確に検出するためである。接着剤８中に気泡がある場合には、緩衝剤の役割を果たすこととなり、振動等による衝撃を吸収し、ブレード本来の歪を検出精度が下がるためである。

半導体歪センサ７は、異物や水分などの侵入を防止し、光の入射による誤動作を防ぐため、エポキシ樹脂などの封止材Ａ１０により覆われている。エポキシ樹脂以外には、シリコーン樹脂、セラミック等も有効である。

さらに、封止材Ａ１０に覆われた半導体歪センサ７、ベース基板９、接着材８は、異物や水分などの侵入を防止するため、ゴム材やウレタン樹脂を素材とする封止材Ｂ１１により覆われている。

半導体歪センサ７を覆う部材として封止材Ａ１０および封止材Ｂ１１を用いる理由は、ガラス繊維強化プラスチックの耐熱温度が２００℃以下と低いためである。すなわち、溶接加工によって金属カバーを固定する方法で半導体歪センサ７を覆うことが出来ないためである。

従って、半導体歪センサ７は、ブレード１の内壁面に固定され、封止材Ａ１０および封止材Ｂ１１により保護される二重封止構造になっており、長期間にわたり、ブレード１の歪を精度良く検出することが可能である。

なお、封止材Ｂ１１によって封止しなくとも、実施可能であるが封止材Ａ１０による封止だけでは、強度が低下することや、異物や水分などの侵入等の可能性が高くなるため、封止材Ａ１０と併せて封止材Ｂ１１を用いることが望ましい。

次に、図４を用いて、半導体歪センサ７をブレード１の内壁面に接着固定する接着材８について説明する。図４は、使用する接着材の違いによる歪感度（歪センサ値）の差を示すグラフである。縦軸は半導体歪センサ７の歪センサ値を示し、横軸は比較のために半導体歪センサ７の直近に配置した従来の歪ケージの歪ゲージ値を示している。なお、歪ゲージは半導体歪センサ７の直近への配置であるが、物理的に同じ位置は配置できないためである。この直近の位置は、歪ゲージの測定結果に影響を与えない程度の測定位置である。

なお、図４のグラフは、歪センサ値と歪ゲージ値の相対的な関係を示しており、縦軸および横軸の具体的な数値は省略している。縦軸は上に行くほど歪センサ値が大きくなり、横軸は右に行くほど歪ゲージ値が大きくなっている。

図４に示すように、熱硬化型の接着材Ａ（１６０℃で１時間硬化）と、同じく熱硬化型の接着材Ｂ（１００℃で１時間硬化した後、１５０℃で２時間硬化）をそれぞれ用いてブレード１に半導体歪センサ７を接着固定したサンプルを調べたところ、接着材Ａでは歪センサ値が歪ゲージ値と比例して変化するのに対し、接着材Ｂでは、サンプルに応力（歪）を掛けた際に歪ゲージ値が増加しているにもかかわらず、歪センサ値はほぼ横ばいの状態であり、正確な歪センサ値を示さないことが判った。

同様の試験を他の複数の種類の接着材（例えば、２液混合型の接着剤Ｃ（室温で２４時間硬化）や２液混合型の接着剤Ｄ（室温で４８時間硬化））について調べたところ、接着材が硬化した状態で、室温においてその接着材の弾性率が１ＧＰａ以上である場合、接着材Ａのように、半導体歪センサ７の歪センサ値が歪ゲージによる歪ゲージ値とほぼ比例した値を示すことが判った。

従って、半導体歪センサ７により、ブレード１に発生する歪（応力）を正確に検出するためには、硬化した状態で、室温においてその弾性率が１ＧＰａ以上の接着材を用いる必要があることを当該実験を通して本発明者らは初めて見出すことに成功した。

ここで、接着材８の材料は、上記のように、硬化した状態で、室温においてその弾性率が１ＧＰａ以上であればよく、１液タイプの熱硬化型エポキシ系接着材を用いることもでき、また、２液混合タイプの熱硬化型エポキシ系接着材を用いることもできる。これは、本発明者らが複数の実験を行うことによって、特定の材料に限らず、室温において１ＧＰａ以上の接着材であることを確認した。

上記の弾性率を満たす接着材であれば、１液タイプ或いは２液混合タイプの熱硬化型アクリル系接着材を用いることもできる。また、上記の弾性率を満たす接着材であれば、熱硬化型接着材に代えて、室温硬化型接着材や紫外線硬化型接着剤を用いてもよい。室温硬化型接着剤を用いた場合は、接着剤を加熱する必要がないため有効である。また、紫外線硬化型接着材は紫外線を照射することによって硬化させることから、硬化位置をコントロールしやすくなることや短時間で接着することが可能となる。

以上説明したように、実施例１の風力発電設備によれば、ブレードの歪を検出する歪検出手段をブレードに埋め込まずに接着することで歪を検出することができる。また、ブレード自体の加工が不要なため、ブレードの加工による歪の変化がなく、より正確にブレードに生じる歪を検出することができる。

また、半導体歪センサをブレード内壁面に接着材で接着固定することにより歪を検出するため、ブレードにおける取り付け位置の自由度が高く、ブレードを加工することなく、既存の風力発電設備にも容易に適用することが可能である。

また、歪の検出に、異物や水分の侵入、光の入射を防止する二重封止構造の半導体歪センサを用いており、長期間にわたり、精度の高いブレードの歪検出が可能である。

また、ブレード１の歪を検出する位置を変更する場合にも、既に設置された半導体歪センサ８を取り外し、別の位置に取り付けることができる。

さらに、半導体歪センサ７は、従来の歪ゲージと比べて、消費電力が少なく、歪の検出感度も高いため、低消費電力で精度の高い歪の検出が可能である。また、歪ゲージや抵抗線を検出器として利用した場合には、オペアンプ等による信号の増幅やスケール変換等の処理を行うことで、雑音も増幅される場合がある。一方、半導体歪センサ７を用いる場合にはブレードに対応するものを採用することで雑音を低減した信号を得ることが可能となる。

なお、半導体歪センサ７をブレード１の内壁面に取り付けることについて説明したが、外壁に取り付けることも可能である。この場合は、半導体歪センサ７が外気に触れることとなるため、内壁面に取り付けるよりも半導体歪センサ７や下記する無線モジュール１２等の装置を保護する観点からは望ましくない。

この場合は、ブレード１の外壁面への取り付けであることから、取り付けが容易であることから、一次的な測定等に用いるには有効な実施形態である。

また、この外壁面に取り付ける場合には、ブレード１は中空状の構造を取る必要はない。そのため、既存の風力発電設備であっても、本発明を適用することが可能となる。

外壁面の取り付けは定期点検の際に有効な実施形態である。

図５および図６を用いて、本発明の別の実施形態における風力発電設備について説明する。図５および図６は、図２と同様に、ダウンウィンド型の風力発電設備を風上側から見た図を示している。

図５に示す風力発電設備は、１つのブレード１に対して、ブレード１の根本部分すなわちブレード１とハブ２の連結部近傍に半導体歪センサ７を設けているのに加え、ブレードの１の根本部分から一定の距離離間したブレード１の内壁面にも半導体歪センサ７を設けている点において、実施例１の風力発電設備とは異なっている。ここで、連結部近傍とは、ブレード１とハブ２の連結部の根元部分から５００ｍｍの位置を指す。できるだけ根元に近い方がブレードは応力の影響を受けることとなるため、根元に近いことが望ましい。また、半導体歪センサの取り付け位置は、根元からブレード全体の長さの１０％程度の位置であれば測定が可能である。

また、図６に示す風力発電設備は、１つのブレード１に対して、ブレード１の根本部分すなわちブレード１とハブ２の連結部近傍に半導体歪センサ７を複数設けている点において、実施例１の風力発電設備とは異なっている。

図６では、１つのブレード１に対して、２つの半導体歪センサ７を設けた例を示している。

図５および図６のいずれにおいても、半導体歪センサ７が金属基板などのベース基板９を介して接着材８によりブレード１の内壁面に接着固定されている点など、その他の構成は実施例１の風力発電設備と同様である。

図５に示す風力発電設備では、実施例１において説明したように、ブレード１とハブ２の連結部から少し離れた位置つまりブレード１とハブ２の連結部近傍が最もブレード１の歪（応力）が高く、歪によるブレード１の破損が生じる可能性が高いため、ブレード１とハブ２の連結部近傍のブレード１の内壁面に半導体歪センサ７を設けている。

また、ブレード１の長手方向において、その中央部近傍（ブレードの根元周辺）はブレード自体の重量やブレード１の回転による遠心力により、歪（応力）が高くなる傾向にある。従って、本実施例では、ブレード１の長手方向において、その中央部近傍にも半導体歪センサ７を設けることにより、ブレード１に生じる歪（応力）をより精度良く検出することができる。

図６に示す風力発電設備では、ブレード１に生じる歪（応力）が最も高い部分すなわちブレード１とハブ２の連結部近傍に複数の半導体歪センサ７を設けることにより、ブレード１の根本部分に生じる歪（応力）をより広範囲に精度良く検出することができる。

図７を用いて、本発明の他の実施形態における風力発電設備について説明する。図７は、図１と同様に、本発明を用いたダウンウィンド型の風力発電設備を示している。

図１の風力発電設備がブレード１の風上側の内壁面に半導体歪センサ７を設けているのに対し、図７に示す風力発電設備は、ブレード１の風下側の内壁面に半導体歪センサ７を設けている点において、実施例１の風力発電設備とは異なっている。

半導体歪センサ７が金属基板などのベース基板９を介して接着材８によりブレード１の内壁面に接着固定されている点など、その他の構成は実施例１の風力発電設備と同様である。

ブレード１は風を受けて、ブレード１の先端が風下側に反るような応力をブレード１全体に受ける。従って、図１に示すように、ブレード１の風上側の内壁面に半導体歪センサ７を設けることにより、ブレード１の風上側の表面に生じる引っ張り歪（引っ張り応力）を検出することができる。

一方、図７に示すように、ブレード１の風下側の内壁面に半導体歪センサ７を設けることにより、ブレード１の風下側内壁面に生じる圧縮歪（圧縮応力）を検出することができる。

なお、ブレード１の風上側の内壁面および風下側の内壁面の両方に半導体歪センサ７を設けることにより、ブレード１の風上側内壁面における引っ張り歪と風下側内壁面における圧縮歪の両方を同時に検出することができ、ブレード１に生じる歪（応力）をより精度良く検出することができる。

図８および図９を用いて、本発明の他の実施形態における風力発電設備について説明する。図８および図９は、本発明を用いたアップウィンド型の風力発電設備を示している。図８は、アップウィンド型の風力発電設備のブレード１の風上側の内壁面に半導体歪センサ７を設けた例である。また、図９は、アップウィンド型の風力発電設備のブレード１の風下側の内壁面に半導体歪センサ７を設けた例である。

図８および図９に示すように、アップウィンド型の風力発電設備においても、ブレードの風上側の内壁面或いは風下側の内壁面に半導体歪センサ７を設けることにより、実施例１乃至実施例３において説明したダウンウィンド型の風力発電設備と同様に、ブレード１に生じる歪（応力）を精度良く検出することができる。

図１０を用いて、本発明の他の実施形態における風力発電設備について説明する。図１０は、実施例１乃至実施例４で説明した半導体歪センサ７を、タワー６に設けた例を示している。

実施例１で説明したように、風力発電設備は風車すなわちナセル３の一端に設けられたハブ２と複数のブレード１が風を受けて回転し、風力を回転エネルギーに変換することにより発電を行っている。風力を受けたハブ２および複数のブレード１は、ナセル３を介して、タワー６により支持されているため、ハブ２および複数のブレード１が風から受ける応力はタワー６にも歪（応力）を生じる。

また、タワー６は、風車となるハブ２および複数のブレード１、その一端に風車が設けられたナセル３、ナセル３内に内蔵された増速機４および発電機５などを支える支柱であるため、それらの荷重が常にタワー６に掛かった状態となっている。タワー６が、これらの荷重を支えた状態で、ハブ２および複数のブレード１を介して風の応力も受けるため、これらの応力の蓄積によるタワー６の疲労やタワー６が想定以上の風力を受けた場合、タワー６の倒壊といった事故につながる恐れがある。

そこで、本実施例の風力発電設備においては、図１０に示すように、タワー６に少なくとも１つ以上の半導体歪センサ７を設け、タワー６に生じる歪を監視する構成となっている。

半導体歪センサ７が金属基板などのベース基板９を介して接着材８によりタワー６の内壁面に接着固定されている点など、その他の構成は実施例１の風力発電設備と同様である。

タワー６の歪（応力）を検出する手段として、他の実施例と同様に、半導体歪センサ７を用いており、タワー６の内壁面における半導体歪センサ７の取り付け位置は自由度が高い。

図１０の例では、１つの半導体歪センサ７を、タワー６において最も歪（応力）が集中しやすいナセル３とタワー６の連結部近傍に設け、他の半導体歪センサ７を、タワー６の高さ方向において、やはり歪（応力）が集中しやすいタワー６の中央部近傍に設けている。中央部近傍とは、タワー６の連結部よりタワーの高さの１０％程度の位置を指す。また、タワー６の連結部より５００ｍｍ程度の位置に取り付けることが望ましい。上述したように連結部に近いほど応力を受けるからである。

これにより、タワー６に歪（応力）が集中しやすいナセル３とタワー６の連結部近傍、タワー６の高さ方向における中央部近傍のそれぞれの歪（応力）を精度良く検出することができる。

図１１および図１２を用いて、本発明の一実施形態における風力発電設備の監視システムおよび監視方法について説明する。図１１は、実施例１における図３の構成に無線モジュール１２および電池１４などを付加した無線歪センサモジュール１６の構成となっている。

図１１に示すように、ブレード１の内壁面に、金属基板などのベース基板９を介して接着材８により半導体歪センサ７が接着固定され、無線モジュール１２および電池１４が同様に接着材によりブレード１の内壁面に接着固定されている。

半導体歪センサ７は、配線により無線モジュール１２と電気的に接続されている。また、無線モジュール１２は電池１４に接続されており、電池１４から電力の供給を受けている。

無線モジュール１２に取り付けられた電池１４は一次電池でも二次電池でもよいが、半導体歪センサ７をブレード１やタワー６の外壁面に取り付ける場合には、二次電池でも特に太陽光等の自然エネルギーによって充電できるものを採用することが望ましい。電池１４は、日中の太陽光によって充電でき、定期的に充電が可能となるためである。そのため、電池切れとなっても、一定量の電力が得られれば、半導体歪センサ７が検出した歪値を無線モジュール１２によって通信することができる。すなわち、電池１４が電池切れとなっても、日中の太陽光によって充電された電力によって半導体歪センサ７等に電力が供給されることによって歪値の取得が可能となる。したがって、無線化することによって有線での電源供給ができないという課題を解決することができる。

半導体歪センサ７により検出されたブレード１の歪は、無線モジュール１２により外部の監視システムなどに設けられた受信装置（図示しない）へ伝送され、監視される。 なお、図１１に示すように、半導体歪センサ７は、エポキシ樹脂などの封止材Ａ１０により覆われ、さらに無線モジュール１２や電池１４と共に、ゴム材やウレタン樹脂を素材とする封止材Ｃ１５により覆われている。従って、半導体歪センサ７は、封止材Ａ１０および封止材Ｃ１５により覆われる二重封止構造となっている。半導体歪センサ７を覆う部材として封止材Ａ１０および封止材Ｃ１５を用いる理由は、ガラス繊維強化プラスチックの耐熱温度が２００℃以下と低いためである。すなわち、溶接加工によって金属カバーを固定する方法で半導体歪センサ７を覆うことが出来ないためである。

図１２に、本発明を用いた風力発電設備の監視システムの概略構成を示す。図１２に示すように、少なくとも１つ以上のブレード１に少なくとも１つ以上の無線歪センサモジュール１６が設けられており、無線歪センサモジュール１６の半導体歪センサ７により検出された当該ブレード１の歪値を、ナセル３に設けられた無線集約装置１７を介して風力発電設備の監視サーバー（図示せず）へ伝送し、監視する構成となっている。

また、タワー６にも、同様に少なくとも１つ以上の無線歪センサモジュール１６が設けられており、無線歪センサモジュール１６の半導体歪センサ７により検出されたタワー６の歪値を、タワー６内に設けられた無線集約装置１７を介して風力発電設備の監視サーバー（図示せず）へ伝送し、監視する構成となっている。

ここで、図１２では、無線歪センサモジュール１６の半導体歪センサ７により検出されたブレード１の歪値およびタワー６の歪値を各々に設けられた無線集約装置１７を介して監視サーバーへ伝送する例を示しているが、無線集約装置１７を介さずに、ブレード１およびタワー６の各々に設けられた無線歪センサモジュール１６から、検出した歪値を直接、監視サーバーの受信装置（図示せず）ヘ伝送し、監視する構成としてもよい。

風力発電設備の監視サーバーは、ブレード１およびタワー６の無線歪センサモジュール１６から直接或いは無線集約装置１４を介して受信したブレード１の歪値およびタワー６の歪値が予め設定した所定の値を越えた場合、風力発電設備を停止し、歪値が所定の値を越えた当該ブレード或いは当該タワーに対する保守補修を行う。

以上説明したように、本実施例の風力発電設備の監視システムによれば、ブレード１或いはタワー６に生じる歪（応力）の検出に半導体歪センサ７を用いており、従来の歪ゲージや抵抗線による歪（応力）の測定に比べて、長期間にわたり精度の高い歪（応力）の監視が可能である。

また、半導体歪センサ７で精度良く検出した歪値を、半導体歪センサ７の近傍に設けた無線モジュール１２により監視サーバーへ無線で伝送し監視できるため、ブレード１やタワー６に余分な配線を敷設することなく、ブレード１およびタワー６に生じる歪（応力）を監視することができる。

また、監視サーバーに予め所定の歪値を設定しておくことで、ブレード１やタワー６に設けられた無線歪センサモジュール１６から伝送された歪（応力）の実測値が所定の歪値を越えた場合、風力発電設備を停止し、ブレード１の交換やタワー６の補強といった必要な保守補修ができるため、ブレードの破損事故やタワーの倒壊事故を未然に防止することが可能である。

また、半導体歪センサ７の歪値を監視することにより、ブレード１やタワー６の寿命を予測することも可能である。

また、複数の風力発電設備に本発明の半導体歪センサ７の構成を採用し、風力発電設備間のブレード１やタワー６の歪を検出し、それぞれの値の差を測定することによって、複数の風力発電設備間のメンテナンスの時期を推定することが可能となる。

複数の風力発電設備が近い時期であって近い位置に施工されたものであれば、周辺の環境は似た状態となるため、一の風力発電設備の歪値は他の風力発電設備のものと似た傾向を示す。この歪値が一の風力発電設備が他の風力発電設備と異なる傾向を示した場合には、異常であると判定し、異常状態を発見することに貢献することができる。

このような異常を発見した場合には、サーバー等や風力発電設備の管理者知らせることで、設備の安全性を向上することができる。また、メンテナンスメーカに知らせ、さらに交換すべき部品を事前に指定することでメンテナンス計画の立案に貢献できる。

さらに、半導体歪センサ７により検出したブレード１の歪値やタワー６の歪値から、風圧や風速を算出することもできる。つまり、半導体歪センサ７をブレード１やタワー６に設けることにより、風圧や風速の計測が可能である。

実施例６の変形例を示す。実施例６では無線モジュール１２を用いた通信によって半導体歪センサ７が検出した歪値を監視サーバー等に送信する例の変形例を実施例７で示す。

ブレード１内に複数の半導体歪センサ７を設置した場合に、半導体歪センサ７同士を有線あるいは光等を用いて一の半導体歪センサ７で他の半導体歪センサ７の計測した歪値を収集する、収集された複数の歪値を一の半導体歪センサ７に接続された無線モジュール１２によって外部へ送信する。この場合無線モジュール１２の数を減らすことができ、一台の無線モジュール１２によって、ブレード１の歪を送信することができる。

また、複数のブレード１やタワー６に設けられた複数の半導体歪センサ７はナセル３に設けられた無線モジュール１２によって歪値を送信してもよい。この場合は先の例よりさらに無線モジュール１２の数を減らすことができ、たとえば無線モジュール１２ごとに風力発電機一台の情報を監視システムによって監視することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ブレード
２…ハブ
３…ナセル
４…増速機（ギアボックス）
５…発電機
６…タワー
７…半導体歪センサ
８…接着剤
９…ベース基板
１０…封止材Ａ
１１…封止材Ｂ
１２…無線モジュール
１３…アンテナ
１４…電池
１５…封止材Ｃ
１６…無線歪センサモジュール
１７…無線集約装置

Claims (14)

1. 地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
   前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
   前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、
   前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられていることを特徴とする風力発電設備。
2. 前記半導体歪センサは、前記ブレードにおいて、前記ブレードと前記ハブの連結部近傍に少なくとも１つ以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
3. 前記半導体歪センサは、前記ブレードの風上側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電設備。
4. 前記半導体歪センサは、前記ブレードの風下側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電設備。
5. 前記半導体歪センサは、前記タワーにも設けられ、当該タワーに発生する歪を検出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風力発電設備。
6. 前記半導体歪センサは、接着剤を介して前記ブレードに固定され、当該半導体歪センサへの水分の侵入を防止する封止材により覆われていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の風力発電設備。
7. 前記接着材は、硬化した状態で、室温において１ＧＰａ以上の弾性率を有する接着剤を用いることを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。
8. 前記半導体歪センサは、検出した前記ブレードの歪値を外部へ無線で伝送する無線伝送手段を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の風力発電設備。
9. 地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
   前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
   前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備の監視システムであって、
   前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられ、
   前記半導体歪センサにより検出した前記ブレードの歪値を無線伝送手段により外部の監視サーバーへ伝送することにより、前記ブレードの歪値を監視することを特徴とする風力発電設備の監視システム。
10. 前記半導体歪センサは、前記タワーにも設けられ、当該タワーに発生する歪値を監視することを特徴とする請求項９に記載の風力発電設備の監視システム。
11. 前記半導体歪センサにより検出したブレード或いはタワーの歪値が所定の値を越えた場合、前記風力発電設備を停止し、歪値が所定の値を越えた当該ブレード或いは当該タワーに対する保守補修を行うことを特徴とする請求項１０に記載の風力発電設備の監視システム。
12. 地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
    前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
    前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備の監視方法であって、
    前記複数のブレードのうち、少なくとも１つ以上のブレードに当該ブレードに発生する歪を検出する半導体歪センサが設けられ、
    前記半導体歪センサにより検出した前記ブレードの歪値を無線伝送手段により外部の監視サーバーへ伝送することにより、前記ブレードの歪値を監視することを特徴とする風力発電設備の監視方法。
13. 前記半導体歪センサは、前記タワーにも設けられ、当該タワーに発生する歪値を監視することを特徴とする請求項１２に記載の風力発電設備の監視方法。
14. 前記半導体歪センサにより検出したブレード或いはタワーの歪値が所定の値を越えた場合、前記風力発電設備を停止し、歪値が所定の値を越えた当該ブレード或いは当該タワーに対する保守補修を行うことを特徴とする請求項１３に記載の風力発電設備の監視方法。

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