TWI583867B - Monitoring system for wind power plant - Google Patents

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TWI583867B TW104121861A TW104121861A TWI583867B TW I583867 B TWI583867 B TW I583867B TW 104121861 A TW104121861 A TW 104121861A TW 104121861 A TW104121861 A TW 104121861A TW I583867 B TWI583867 B TW I583867B
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Takashi Shiraishi
Takashi Saeki
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
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Description

風力發電裝置的監視系統
本發明係關於風力發電裝置的監視系統，尤其是關於特別適合監視俯仰驅動部的部分之風力發電裝置的監視系統。
風力發電裝置是在塔架上配置機艙，並將輪轂可旋轉地安裝在機艙的前端。在輪轂的周圍安裝著複數片的葉片，利用受到風力而進行旋轉的葉片以及輪轂的旋轉力量來驅動機艙內的發電機。
此處的葉片，為了要獲得可達到因應風力、風向之高效率的發電的旋轉，其俯仰角係可進行調整而改變。例如：當風速很弱時就朝向可增加輪轂的旋轉速度的方向調節俯仰角，相反地，當風速很強時，就朝向可減少施加在葉片和葉輪構造(輪轂構造)上的風力荷重的方向來控制俯仰角。此外，當風速超過一定水準以上時，則是調整成將葉片轉動到不受風的位置，以資防止其構造上受到損傷。這種俯仰角的操作，是利用設置在輪轂內的電動式或油壓式的俯仰驅動部來執行的。
是以，風力發電裝置的性能是大幅地受到葉片的影響，因此定期的做檢查保養和監視是不可或缺的。以往之進行監視的方法，是仰賴外觀監視的方法。例如：引用文獻1、引用文獻2的方法，是利用攝影機來拍攝包含風力發電裝置的塔架和葉片之整體構造物，然後再從攝影資料來判定葉片是否異常。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕國際公開WO2009-153866號公報
〔專利文獻2〕日本特開2010-230595號公報
引用文獻1、引用文獻2的方法，主要是從遠方來拍攝葉片部分，然後再檢測該葉片的變形量等等。因此，所設置的設備趨於大型化，不適合當作日常的監視。不僅如此，即使能夠檢測出葉片有所歪斜變形，但卻難以辨別出其原因到底是在葉片這一邊呢？還是在位於輪轂內部的俯仰驅動部的部分這一邊呢？
此外，即使俯仰驅動部的部分發生了異常，也無法判別其原因是因為風的變動的原因呢？或者是因為零件的鬆動、脫落、異物夾入等等的原因呢？而且只利用攝影機來進行外觀診斷的話，也存在著資料量太過於龐大 的技術課題。
基於上述情事的考量，本發明係以提供：利用簡便的裝置即可進行判斷俯仰驅動部的部分是否異常之風力發電裝置的監視系統，作為本發明之目的。
為了解決上述技術課題，係採用例如：如本案的申請專利範圍所記載的構成方式。本案雖然是包含數種可用以解決上述技術課題的技術方案，此處舉出其中一例來說明的話，「一種風力發電裝置的監視系統，其是將輪轂可旋轉地安裝在塔架上的機艙前端，在輪轂的周圍安裝了複數片葉片，並且在輪轂內具備了用來調整葉片的俯仰角的俯仰驅動部之風力發電裝置的監視系統，其係在輪轂內具備有：將俯仰驅動部取景在觀察視野內的攝影機、以及用來檢測風力發電裝置的監控資訊的監控暨資料收集裝置」。
藉由使用本發明，可以判別在風力發電機的俯仰驅動部處，是否有發生零件的脫落及鬆動。此外，即使針對於在俯仰驅動部處是否有夾入異物的監視，也可以藉由以攝影機使用影像來進行檢測。並且可防止風力發電機發生突發性的停止，可在發生預兆時就實施相應的維修保養。
2‧‧‧俯仰驅動部
3‧‧‧攝影機
4‧‧‧監控暨資料收集裝置
5‧‧‧監視系統部
6‧‧‧輸出部
11‧‧‧葉片驅動軸
51‧‧‧影像記錄手段
52‧‧‧影像比較部
W‧‧‧風速
B‧‧‧葉片
H‧‧‧輪轂
N‧‧‧機艙
G‧‧‧發電機
S1‧‧‧監控資訊
S2‧‧‧影像資訊
T‧‧‧塔架
第1圖是顯示以風力發電裝置的輪轂部分為中心的橫剖面圖。
第2圖是顯示監控暨資料收集裝置4的訊號例(監控資訊)S1的圖。
第3圖是顯示以監視系統部5為中心的裝置的結構圖。
第4圖是顯示被記憶在影像記憶部51中的資訊的記憶形態之一例的圖。
第5圖是顯示在影像記憶部51的處理內容之流程圖。
第6圖是顯示在影像比較部52的處理內容之流程圖。
以下，將佐以圖面來說明本發明的實施例。
〔實施例1〕
第1圖是顯示以風力發電裝置的主要部分也就是輪轂部分為中心的橫剖面圖。在這個圖中，在塔架T上是配置了機艙N，將輪轂H可旋轉地安裝在機艙N的前端。在輪轂H的周圍安裝著複數片的葉片B，利用受到 風力W的作用而進行旋轉的葉片B及輪轂H的旋轉力量，來驅動機艙N內的發電機G。此外，葉片B的安裝根部的其中一側係被支承成可以轉動，其中另一側係被支承成可利用俯仰驅動部2來進行調整俯仰角。
在旋轉體也就是輪轂H內，設置了俯仰驅動部2。並且在適當的位置上設置了攝影機3，該攝影機3係可將俯仰驅動部2，尤其是其可動部(葉片驅動軸11的近旁)取景在其觀察視野內。攝影機的設置位置，雖然是以設在可直接觀察到俯仰驅動部2之輪轂H的內部為佳，但是只要能夠觀察到的話，亦可如3A的位置這樣地設置在機艙N的內部，或者是設置在如3B的位置這樣地，可從葉片B的方向來觀察俯仰驅動部2的位置上。
俯仰驅動部2係有電動式以及油壓式的。油壓式的驅動方式是利用俯仰驅動部2的葉片驅動軸11所產生的直線運動(箭頭J1的方向)來控制葉片B的俯仰角，電動式的驅動方式則是利用俯仰驅動部2的葉片驅動軸11所產生的旋轉運動(箭頭J2的方向)來控制葉片B的俯仰角。第1圖中是顯示出進行旋轉運動的情況，俯仰驅動部2側與葉片B側係構成包含了附齒軸承的軌條-小齒輪之類的驅動部，藉由將旋轉運動變換成直線運動，來控制葉片B的俯仰角。
攝影機3B係配置在葉片內部，而且是較俯仰軸承更為靠近葉片前端側。因為攝影機3B是配置在葉片內部而且是位於較俯仰軸承更為靠近葉片前端側，因此其 可對於：電動驅動方式時的包含了附齒軸承的軌條-小齒輪之類的驅動部、限位開關機構部、甚至於編碼機構部之類的部位進行攝影。換言之，可以很容易對於俯仰驅動部的整體進行攝影。此外，將攝影機3B設置在這個部位的作法，亦可適用於俯仰驅動部是採用油壓式的情況。
此外，攝影機3(包含3A、3B)既可以是採用只是拍攝靜止影像的照相機，也可以是採用能夠拍攝電影之類的連續性影像的攝影機。而且攝影機3的固定方法，只要是可將俯仰驅動部2落在其可進行攝影的範圍內的話，並不限定其安裝方法。攝影機3所拍攝的影像資訊是作為：包含了攝影時刻資訊的資訊S2而被輸出到外部。
一般而言，監控暨資料收集裝置4是被固定配置在機艙N內，用以發揮風力發電裝置中的監控暨資料收集的功能。例如是具有：檢測出風速並且輸入，將操作訊號送給電動方式或油壓方式的俯仰驅動部2來進行控制，藉由記憶其狀態來進行監視的功能。藉由資料收集而被記憶在監控暨資料收集裝置4中的資訊，係被記憶著例如：風速、輸出電壓、俯仰的角度之類的資訊，具有在緊急時可命令風力發電機停止的功能。
監控暨資料收集裝置4的訊號例(監控資訊)S1是顯示於第2圖。根據這個訊號例，風速W(公尺/秒)與俯仰的角度θ(度)，係在每一個計測時刻t時，都被保持，並且被適當地輸出到外部。此外，風速W (公尺/秒)則是從機艙N頭部的風速計所測得，俯仰的角度θ(度)是從輪轂H內的位置偵測器所測得的。又，監控資訊也可以是俯仰驅動部2的操作訊號。
以這種方式在輪轂H內所獲得的影像資訊S2與監控資訊S1都是包含時刻資訊的資訊。此外，一般而言，用來處理監控資訊S1的監控暨資料收集裝置4的處理時機(timing)與用來處理影像資訊S2的攝影機3的處理時機雖然不同，但是在輸出時，是將其各自的讀取時機附帶在資訊中才送出去。
監視系統部5是配置在機艙N。又，輸出部O是配置在固定側的機艙N或塔架T的其中一部分。此外，輸出部O的輸出是被送到有監視人員的場所，被提供作為監視和控制之目的，但在第1圖中並未被圖示出來。又，監控暨資料收集裝置4雖然也可以採用被搭載於旋轉部分也就是搭載於輪轂H的部分上的裝置，但是在以下所述的例子中，是以將其配置在固定側的機艙N為前提來進行說明。
第3圖係顯示以監視系統部5為中心的裝置結構的圖。監視系統部5係分別從攝影機3以及監控暨資料收集裝置4獲得俯仰驅動部2的影像資訊S2以及監控資訊S1。又，因為監視系統部5是位於固定側，攝影機3是位於旋轉側，所以在兩者之間的訊號傳遞，可以採用：利用滑動接環來進行的傳送、無線方式的傳送或者光纖傳送。
在第3圖的監視系統部5中係將從輪轂側所獲得的影像資訊S2、監控資訊S1記憶到影像記憶部51。被記憶在影像記憶部51的資訊的記憶形態之一例係顯示於第4圖。在這個例子中，是在每一個資訊取得時刻t都將影像資訊S2以及監控資訊S1記憶下來。在圖示的例子中所記憶的資訊，在第1時刻的時候的監控資訊S1是：風速W為4(公尺/秒)、俯仰角θ為0(度)時的影像資訊S2a；在第2時刻的時候的監控資訊S1是：風速W為7(公尺/秒)、俯仰角θ為45(度)時的影像資訊S2b；在第3時刻的時候的監控資訊S1是：風速W為12(公尺/秒)、俯仰角θ為52(度)時的影像資訊S2c。又，先將攝影機3的觀察視野區域分割成縱橫的矩陣，將各矩陣區域的亮度予以二值化處理後的二進位資訊當作影像資訊來進行傳送並且加以記憶。
在第4圖的例子中，影像記憶(矩陣)＊二進位形式的影像資訊S2a是以(ffd8 ffe0 0010 4a46 4946 0001 0101 0001)的內容來進行記憶；同樣地，影像資訊S2b是以(ffd8 ffe0 0010 4a46 4954 0001 0101 0001)的內容來進行記憶；同樣地，影像資訊S2c是以(ffd8 ffe0 0010 4a46 5146 0001 0101 0001)的內容來進行記憶。
根據這種記錄事例，可以理解：影像記憶(矩陣)＊二進位形式的影像資訊S2之在矩陣位置F處的記憶資訊，是對應於監控資訊S1的變化而進行變化的。亦即，係反映出：具有可動部分之俯仰驅動部的稼動 狀況、或者異常作動狀況等。
此外，如前所述，一般而言，影像資訊S2以及監控資訊S1，其讀取裝置不同，而且其讀取時機也不同。因此，因讀取時刻上的差異，也會有在同一時刻中所有的資訊尚未湊齊全的情事發生。在第4圖的例子是顯示可在同一時刻取得所有的資訊之事例。
第5圖係顯示在影像記憶部51的處理內容之流程圖。此處，係在最初的處理步驟S5101讀取訊號S1、S2。在處理步驟S5102實施所輸入的訊號S1、S2的分類，將S1和S2進行區分。如果是影像訊號S2的話，就移動到影像特徵抽出處理步驟S5103部，如果是監控資訊S1的話，就移動到處理步驟S5105。利用處理步驟S5103、S5103，使得各自的訊號被再現出來。此外，在處理步驟S5104，將影像資訊與監控資訊合併，當成在同一時刻下的一體關聯資訊，在處理步驟S5106，將合併後的資訊實施影像記憶。第4圖係顯示這種在同一時刻之合併後的資訊的記憶形態之一例。
此外，在處理步驟S5102執行分類處理時，針對於該如何判定其是否為影像訊號的作法，係可藉由判斷該影像訊號是否為二進位形式的資料即可識別。此外亦可舉出：預先制定好被輸入的訊號，並且就每一種訊號，預先設定成依據監控資訊S1、影像資訊S2的不同來進行讀取的方法等。
在第3圖的影像比較部52，係實施：使用被 記憶在影像記憶部51中之過往資訊SO、以及由攝影機3與監控暨資料收集裝置4所提供的現在資訊來進行影像的比較工作。針對於由攝影機3所拍攝到的影像係實施判別正常或異常。藉由對於影像進行比較，可以得知風力發電機在定格運轉中的俯仰驅動部所發生的異常，到底是零件的脫落、抑或是夾入異物之類的異常。
第6圖係顯示在影像比較部52的處理內容之流程圖。此處，在處理步驟S5201，係讀取現在時刻的訊號S1、S2。在處理步驟S5201所讀取的訊號S1、S2係在處理步驟S5202被區分為影像資訊S2與監控資訊S1。如果是影像資訊S2的話，就在處理步驟S5203執行抽出特徵的工作。此處的抽出特徵的工作係可舉出：抽出輪廓、抽出邊緣等。
在處理步驟S5201所讀取的訊號若為監控資訊S1的話，就在處理步驟S5206實施條件檢索。條件檢索的作法，相對於此時的監控資訊S1的內容，即風速與俯仰角的數值，係從第3圖所示的影像記憶手段52抽出同一條件(風速與俯仰的角度的數值)之過往的資訊。例如：風速與俯仰角的數值分別為7和45的情況下，係抽出影像記憶手段52的影像資訊S2b。
在處理步驟S5207係判定：條件是否為一致。條件為一致的話，就在處理步驟S5204實施影像的比較。影像的比較，是針對於本次的時機所讀取到的新影像資訊S2以及根據條件判定而從影像記憶手段52所取出的 舊影像資訊S2b來實施的。在這種情況下，係在條件之監控資訊S1(風速與俯仰角的數值)為同一狀況下，所進行的影像的比較，因此原本理應是相同的影像資訊才是。將矩陣狀的影像資訊逐一地針對於同一矩陣進行比較的結果，如果有不一致的矩陣位置存在時，就懷疑在該位置發生了問題。
在處理步驟S5207中，如果條件不一致的話，就將具有最接近的條件之過去資訊的影像記憶手段52的影像資訊S2，當作近似影像來抽出，在處理步驟S5208與近似影像進行比較。例如：本次時機的監控資訊S1中的風速與俯仰角的數值分別為7與47的情況下，就抽出風速與俯仰角的數值分別為7和45之影像記憶手段52的影像資訊S2b來作為與其近似的資訊。在這種情況下，條件雖然沒有完全符合，但是藉由進行判定：其是否落在可容許類似的變動範圍內，即可區別出異常或正常。
在處理步驟S5205，係進行判定影像是正常或是異常。正常或異常的判定方法，係可以考慮採用：先計算出被記憶在影像記憶部51中的影像記憶(矩陣)與被輸入影像比較部52的影像記憶(矩陣)之兩者的行列的相關係數。就矩陣中的要素全部都進行檢索，如果是同等的話就判定為正常，不是同等的話就判定為異常的比較方法。此外，亦可考慮採用：使用群集分析，計算出被記憶在影像記憶部51中的影像記憶(矩陣)之統計性的群組以及被記憶在影像比較部52的影像記憶(矩陣)之間的 統計距離(馬氏距離；Mahalanobis' Distance)的方法。
影像判定的結果，被認定為異常的資訊，被適當地從輸出部6輸出。輸出係可以採用輸出到紙張的形式、顯示於顯示器的形式或者以警報的形式來輸出。監視人員係依據這些輸出或者警報等，來進行檢查在監視顯示器畫面中的該處，不僅可以針對於俯仰驅動部的螺絲鬆動，即使對於夾入異物等狀況亦可進行監視。又，輸出的內容係可以考慮採用：從監控暨資料收集裝置4輸出的訊號、影像、判定結果(正常/異常、螺絲鬆動、有異物夾入等)。
2‧‧‧俯仰驅動部
3、3A、3B‧‧‧攝影機
4‧‧‧監控暨資料收集裝置
5‧‧‧監視系統部
6‧‧‧輸出部
11‧‧‧葉片驅動軸
W‧‧‧風速
B‧‧‧葉片
H‧‧‧輪轂
N‧‧‧機艙
G‧‧‧發電機
S1‧‧‧監控資訊
S2‧‧‧影像資訊
T‧‧‧塔架
J1、J2‧‧‧箭頭方向

Claims (3)

  1. 一種風力發電裝置的監視系統，其是將輪轂可旋轉地安裝在塔架上的機艙前端，在該輪轂的周圍安裝了複數片葉片，並且在前述輪轂內具備了用來調整前述葉片的俯仰角的俯仰驅動部之風力發電裝置的監視系統，其係具備有：將前述俯仰驅動部取景在觀察視野內的攝影機、用來檢測風力發電裝置的監控資訊的監控暨資料收集裝置、以及監視系統部，該監視系統部係取得來自前述攝影機的影像資訊以及來自前述監控暨資料收集裝置的監控資訊，將其記憶到影像記憶部，並且針對於新輸入的影像資訊以及監控資訊，抽出相同內容的監控資訊且是被記憶在前述影像記憶部中的舊的影像資訊，然後對於新舊的影像資訊進行比較。
  2. 如請求項1所述的風力發電裝置的監視系統，其中，前述監控資訊係包含：風速的資訊、俯仰角的資訊。
  3. 如請求項2所述的風力發電裝置的監視系統，其中，監視系統部是配置在前述機艙或前述塔架的其中一部分。
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