JP4885570B2

JP4885570B2 - 風車用センサ機構及び風車の減振方法

Info

Publication number: JP4885570B2
Application number: JP2006057998A
Authority: JP
Inventors: 晴夫児玉; 慎吾林
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007231911A

Description

本発明は、例えば風力発電に使用する風車の振動等を検出する風車用センサ機構及びこの機構を用いた減振方法に関する。

風力発電には近年大型の風車が使用される傾向があり、例えば風車のブレードの直径が８０ｍを超えるようになっている。ブレードの回転範囲では、ブレードの上下または左右位置によって風速が一定でなく、ブレードの各部に作用する揚力が異なり、しかも絶えず変化している。そのため揚力のバランス（ダイナミックバランス）が急激に変動しやすい。このダイナミックバランスの急激な変動は衝撃となり、風車を支持しているタワーに作用する。さらに、ダイナミックスバランスの変化は、タワーに比較的周期の長い振動（タワーの揺らぎ）を発生させる。タワーへの衝撃や揺らぎは、タワーの耐久性を低下させるだけでなく、タワーの作用する応力が一時的に高くなるので、タワーを堅牢に設計する必要があり、風力発電システムのコストアップの原因となっている。

また、ダイナミックスバランスの変動に伴い、ブレード単体でも比較的波長の短い微振動（ブレードの微振動）が発生する。このブレードの微振動は、ブレードの耐久性を低下させる。

さらに、タワーの揺らぎやブレードの振動は、ブレードのピッチを変更するためのピッチ駆動装置に作用し、ブレードに固定されたリングギアに噛み合うピニオンにフレッチングを発生させる要因となり、ピッチ駆動装置の耐久性も低下させる。

これらの問題点を解決するためには、まずブレードに作用している荷重や振動を測定する必要がある。この測定装置の一例が特許文献１に開示されている。この測定装置は、ファイバ回折格子（ＦｉｂｒｅＧｒａｔｉｎｇ）技術によって実現させた２連のセンサをブレードの両側に設けたものである。

特開２００４−３６６１２号公報

しかし、特許文献１の技術では、光ファイバーを用いたセンサを使用しているので、このセンサ自体が高価であるので、センサ機構のコストアップになる。さらに、光ファイバーセンサをブレードの長さ方向に沿って取り付けねばならず、また、そのセンサの設置の精度を高める必要があり、設置作業に時間がかかる。また、ブレードの振動や歪みを検出することができるが、タワーの揺らぎを検出することはできず、タワーの揺らぎを減振することはできない。

本発明は、安価なセンサを使用して、ブレードへの設置作業が簡単な風車用センサ機構を提供すると共に、このセンサ機構を用いてタワーへの衝撃やブレードの振動を低減できる風車の減振方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様のセンサ機構は、ロータに複数のブレードが取り付けられた風車に用いられ、風によって前記ブレードにかかる応力を検出する。前記風車のブレードに互いに直交する２方向の加速度を検出する第１加速度センサを設け、第１加速度センサの出力信号に基づき前記ブレードの撓み量を算出する演算部を有している。なお、加速度を検出する２方向は、ブレードの軸方向とブレードの半径方向とすることが望ましい。

このように構成すると、第１加速度センサによってブレードの撓み量を検出でき、この撓み量をブレードへの応力の算出基準とすることができるので、安価かつ設置作業が容易になる。

本発明の他の態様のセンサ機構は、風車のブレードにブレードの軸方向と直交する方向の加速度を検出する第１加速度センサを設け、第１加速度センサの出力信号に基づき前記ブレードの撓み量を算出する演算部を有している。検出する方向は、ブレードの平面に沿った方向とすることが望ましい。

このように構成すると、ブレードの軸方向と直交する方向を検出方向とすることで、一方向のみの検出でよく、加速度センサを簡素にできる。さらに、演算部での処理も容易になる。

上記２つの態様において、演算部は、応力変化がないときの回転数ごとの加速度を標準信号として記憶した記憶部を有し、前記標準信号と検出信号との差に基づき前記ブレードの撓み量を算出するものにできる。

このように構成すると、演算部の構成を簡素化することができ、高速処理が可能となる。なお上記加速度の他に、ピッチ角、ロータ位相の要素を加えると、より精度を向上させることができる。

上記２つの態様において、演算部には、ロータ回転数、ロータ加速度及びロータ位相が入力され、ロータ回転数に起因する遠心方向の加速度、ロータ加速度、ロータ位相に伴う加速度の差の影響を除去ものとすることもできる。

このように構成すると、第１加速度センサに影響する風の応力以外の要素を除去することができ、より高精度にブレードの撓み量を検出することができる。

本発明の風車減振方法の一態様は、上述した全ての態様のいずれかのセンサ機構を用い、各ブレードの撓み量を比較し、ブレードの撓み量が増大した場合には、当該ブレードの揚力が減少するように当該ブレードのピッチ角を制御する。

このように構成すると、各ブレードに作用する揚力差を簡易な手段によって低減でき、タワーの揺らぎを減少させることができる。更に、急激な揚力変化に伴う衝撃を緩和でき、タワーの耐久性を高めることができる。

本発明の別の態様の風車用センサ機構は、風車のブレードに１つの方向の加速度を検出する第１加速度センサを設け、第１加速度センサの出力信号に基づきブレードの撓み量を算出する演算部を有している。

このように構成すると、１つの方向の加速度によってブレードの撓み量を検出することができるので、加速度センサを簡素化できる。

さらに、第１加速度センサは、ブレードの面に直交する方向を検出するものにできる。このように構成すると、撓み量が多くなるブレードと直交する方向の加速度を検出することになるので、検出が容易になる。

本発明の更に別の態様の風車用センサ機構は、風車のブレードを駆動させるピッチ駆動装置に、ブレードの軸方向と直交する方向の加速度を検出する第２加速度センサを設け、第２加速度センサの出力信号に基づきブレードの応力を算出する演算部を有するものである。

このように構成すると、ブレードの軸方向と直交する方向の加速度を検出することにより、一方向の加速度のみを検出すればよく、センサを簡素にできる。さらに、演算部での処理も簡素化できる。また、ピッチ駆動装置内に第２加速度センサを配置しているので、設置作業が容易になるし、ピッチ駆動装置は通常ロータ内に配置されているので、第２加速度センサの保守点検が容易になる。

本発明の更に他の態様の風車用センサ機構は、風車のブレードを駆動させるピッチ駆動装置に互いに直交する２方向の加速度を検出する第２加速度センサを設け、第２加速度センサの出力信号に基づきブレードの応力を算出する演算部を有している。２方向としては、ブレードの軸方向と、ブレードの半径方向とすることができる。

このように構成すると、ピッチ駆動装置にピッチ駆動装置内に第２加速度センサを配置しているので、設置作業が容易になるし、ピッチ駆動装置は通常ロータ内に配置されているので、第２加速度センサの保守点検が容易になる。

上記２つの態様において、演算部は、応力変化がないときの回転数ごとの加速度を標準信号として記憶した記憶部を有し、前記標準信号との差に基づき前記ブレードの応力を算出するものとできる。

このように構成すると、演算部を簡素化することができ、高速処理が可能となる。なお、記憶部には、加速度の他に、ピッチ角、ロータ位相の要素を記憶させ、これらを用いてブレードの応力を算出すると、より精度が向上する。

上記２つの態様において、演算部には、ロータ回転数、ロータ加速度及びロータ位相が入力され、前記ロータ回転数に起因する遠心方向の加速度、ロータ加速度、ロータ位相に伴う加速度の差の影響を除去するものとできる。

このように構成すると、第２加速度センサに影響する風による応力以外の要素を除去することができるので、より高精度にブレードの撓み量を算出することができる。なお、ピッチ駆動装置がピッチ駆動を行っている場合には、駆動による振動を除去するか、応力算出を中断することが望ましい。

本発明の他の態様の減振方法は、第２加速度センサを用いた上述したセンサ機構のいずれかを用い、ブレードの加速度が風下方向に増大した場合には、当該ブレードの揚力が低下するようにピッチ角を制御し、当該ブレードの加速度が風下方向に減少した場合には、当該ブレードの揚力が増加するようにピッチ角を制御するものである。

このように構成すると、ブレードに作用する揚力の変動を簡易な手段により低減することができる。また、タワーの揺らぎを減少させることもできる。更に、急激な揚力変化に伴う衝撃を緩和することができ、タワーの耐久性を高めることができる。さらに、各ブレードを個別に制御するから、風力が異なっても、ブレードに作用する揚力のアンバランスを低減できる。

以上のように、本発明によれば、光ファイバーを用いたセンサよりも安価な加速度センサを使用しており、またブレードへのセンサの設置作業も容易になる。更に、このセンサ機構を用いて、タワーへの衝撃やブレードの振動を容易に低減できる。

本発明の１実施形態のセンサ機構が実施される風車は、図１に示すように、タワー２の先端に設置されている。タワー２の先端にナセル４が配置され、ナセル４内にロータ６が取り付けられている。ロータ６は、タワー２と垂直または２度から４度上向きに位置している。ロータ６の突出端部に複数枚、例えば図２に示すように３枚のブレード８が取り付けられている。これらブレード８は、風を受けたとき、図１に破線で示すようにＹ軸方向に撓む。

この撓みを検出するために、ブレード８それぞれに加速度センサ１０が取り付けられている。加速度センサ１０は、１枚のブレード８に対して１台設けられ、その設置位置は、図２に示すように、例えばブレード８の根元側または先端側である。根元側に加速度センサ１０を設けた場合には、配線作業が容易になり、先端側に設けると、撓み量が多いので、加速度の検出が容易になる。

加速度センサ１０は、互いに直交する２方向の加速度を検出することができるもので、この実施の形態では、ブレード８の軸方向と、ブレードの幅方向の加速度を検出するように配置されている。

図３に示すように、各ブレード８に設けられた加速度センサ１０からの軸方向の加速度信号と、幅方向の加速度信号とは、対応する信号抽出部１２にそれぞれ供給される。これら信号抽出部１２には、記憶部、例えばロータ回転数、ピッチ記憶部１４及びロータ位相記憶部１６からロータの回転数、ピッチ、ロータの位相が供給されている。各信号抽出部１２は、これらを利用して、ロータ回転数に起因する遠心力方向の加速度、ロータ位相に伴う加速度の差の影響を除去して、各センサ１０の出力信号から信号抽出を行う。これら抽出された信号を対応する座標変換部１８（座標変換部１８はブレードごとに設けられている）に供給し、各ブレード８の様々な回転位置における図２に示すＸ、Ｚの直交する２方向の加速度に座標変換し、Ｙ軸方向への撓み量を算出する。各ブレードは、ピッチ角だけねじられているので、これら２方向の加速度によって、Ｙ軸方向に撓み、これら２方向の加速度を検出することによって、Ｙ軸方向の撓み量を知ることができる。これら算出された撓み量は比較器２０に供給され、各撓み量の差が抽出される。この際、ロータ加速度記憶部２２から風による応力を受けていないときのロータの加速度が標準信号として比較器に２０に供給され、この標準信号との差によって真の撓み量が算出され、これら各ブレードの真の撓み量の差が算出され、補償量決定部２４に供給される。補償量決定部２４では、各ブレード８への補償量を決定する。この補償は、撓み量が増大しているブレードには、その揚力を減らす方向にブレード８のピッチ角を制御することによって行われ、揚力が減少した場合には揚力を増大させるようにピッチ角を制御することによって行われる。これらピッチ角の制御はブレード８ごとに行われ、補償量決定部２４から各ブレード８のピッチ角駆動機構に制御信号が供給される。なお、補償量決定部２４にはロータ位相記憶部１６からロータ位相も供給されており、ロータの回転位相に応じて、この補償量は変化させられる。

なお、上記の実施形態では、ブレード８の軸方向及び幅方向の２方向の加速度を検出したが、一方向、例えばブレード８の幅方向または軸方向の加速度のみを検出しても、同様にブレード８の撓み量を決定することができ、ブレード８の撓みを補償することができる。

また、図４の平面図に示すように、ブレード８に対して直交する方向の加速度を検出し、これを図４に示すように座標変換することによってＹ軸方向の撓み量を算出することもできる。この場合も、図３に示したように、ロータの回転数、ロータの位相に基づく補正は行う。

本発明の第１の参考例のセンサ機構は、図１に示したような風車のブレード８のピッチを変更するために、図５に示すようにブレード８に設けられたピッチ駆動装置の減速器２６に加速度センサ２８を設けたものである。加速度センサ２８は、各ブレード８に設けられ、ブレード８の軸方向即ちＸ１軸方向と、ブレード８の幅方向即ちＹ１軸方向と（Ｘ１軸とＹ１軸とは直交している。）の加速度を図６（ａ）、（ｃ）に示すようにそれぞれ検出する。Ｘ１軸方向の加速度信号は、同図（ｂ）に示すそのときの風車の回転数に対応した応力変化がないときの加速度を表すロータモデルによる信号との差をとることによって、同図（ｄ）に示すようにＸ１軸方向の応力変動が抽出される。これは、第１の実施形態における信号抽出部１２での処理に対応する。なお、上記実施形態と同様に、この信号抽出に、ロータの回転数、ピッチ、ロータの位相を関連させることもできる。以後、上記実施形態と同様に、座標変換、比較、補償量の決定を行うことができる。この実施形態ではＸ１軸方向とＹ１軸方向の加速度を検出したが、例えばＹ１軸方向の加速度を検出してもよい。

同様にして、図７に示すようにブレード６ごとに応力変動１乃至３を得る。これら応力変動１乃至３は、図８に示すように処理されて、各ブレード６にかかる偏応力が算出される。即ち、応力変動１を発生しているブレード６については、演算器３０によって応力変動２、３の平均値を応力変動１から減算して、このブレード６にかかる偏応力が算出される。同様に、応力変動２を発生しているブレード６については、応力変動１、３の平均値を応力変動２から演算器３２によって減算して、このブレード６にかかる偏応力が算出される。応力変動３を発生しているブレード６については、応力変動１、２の平均値を応力変動１から演算器３４によって減算して、このブレード６にかかる偏応力が算出される。これら偏応力が大きくなったブレード、即ち風下方向の加速度が大きくなったブレードのピッチ角がその揚力を小さくするように調整され、偏応力が小さくなったブレード、即ち風下方向の加速度が小さくなったブレードのピッチ角が、その揚力を大きくするように調整される。

なお、上記の説明では、加速度センサ２８によって加速度を検出して、ブレード６にかかる偏応力を求めたが、加速度センサ２８によって各ブレードの比較的波長の短い振動、例えばびびり振動を検出し、びびり振動の大きいブレードのピッチ角を制御することによって揚力を減少させて振動を減少し、この揚力の減少を、他のブレードの揚力が増加するようにピッチ角を制御することによって補完することもできる。

本発明の第２の参考例のセンサ機構を図９、図１０に示す。この参考例のセンサ機構は、図９に示すようなタワー２の揺らぎを検出するもので、図７に示すようにタワー２とナセル４とに加速度センサ３６、３８が設けられている。加速度センサ３６は、ロータ６の軸方向、即ちＹ軸方向の加速度を検出し、加速度センサ３８は、ロータ６の軸方向に直交する水平方向、即ちＸ方向（図１０参照）の加速度を検出する。これによってタワー２に揺らぎを生じさせている風の方向が判る。

例えば、風が図１１（ａ）に矢印で示す方向に吹いているとすると、同図（ｂ）に示すように風下方向に移動しているブレード８ａの揚力を低下させるようにブレード８ａのピッチ角が変更され、風上方向に移動しているブレード８ｂの揚力を増加させるようにピッチ角を制御する。これによって、各ブレードの揚力の差が少なくなり、タワー２の揺らぎを減少させることができる。このときのピッチ角の変更は、ロータ６の回転数の変動を抑えることができるように、全ブレードの揚力の和が変動しないように行う。

本発明の１実施形態のセンサ機構を取り付けた風車の側面図である。図１の風車の部分省略正面図である。図１のセンサ機構のブロック図である。上記１実施形態の変形例の平面図である。本発明の第１の参考例のセンサ機構を取り付けた風車のブレードを示す図である。図５のセンサ機構の１つのセンサの信号処理を示す図である。図５のセンサ機構の各センサの信号処理を示す図である。図５のセンサ機構の信号の演算処理のブロック図である。本発明の第２の参考例のセンサ機構を備えた風車の側面図である。図９の風車の平面図である。図９の風車におけるブレードのピッチ角変更の説明図である。

符号の説明

２タワー
６ロータ
８ブレード
１０２８３６３８加速度センサ
１２信号抽出部（演算部）
１８座標変換部（演算部）

Claims

ロータに複数のブレードが取り付けられた風車に用いられ、風によって前記ブレードにかかる応力を検出する風車用センサ機構において、
前記風車のブレードに互いに直交する２方向の加速度を検出する第１加速度センサを設け、第１加速度センサの出力信号に基づき前記ブレードの撓み量を算出する演算部を有することを特徴とする風車用センサ機構。
ロータに複数のブレードが取り付けられた風車に用いられ、風によって前記ブレードにかかる応力を検出する風車用センサ機構において、
前記風車のブレードに前記ブレードの軸方向と直交する方向の加速度を検出する第１加速度センサを設け、第１加速度センサの出力信号に基づき前記ブレードの撓み量を算出する演算部を有することを特徴とする風車用センサ機構。
請求項１または２記載の風車用センサ機構において、前記演算部は、応力変化がないときの回転数ごとの加速度を標準信号として記憶した記憶部を有し、前記標準信号と検出信号との差に基づき前記ブレードの撓み量を算出することを特徴とする風車用センサ機構。
請求項１または２記載の風車用センサ機構において、前記演算部には、ロータ回転数、ロータ加速度及びロータ位相が入力され、ロータ回転数に起因する遠心方向の加速度、ロータ加速度、ロータ位相に伴う加速度の差の影響を除去することを特徴とする風車用センサ機構。
請求項１乃至４いずれか記載の風車用センサ機構を用いた風車減振方法において、
前記各ブレードの撓み量を比較し、前記ブレードの撓み量が増大した場合には、当該ブレードの揚力が減少するように当該ブレードのピッチ角を制御することを特徴とする風車減振方法。
ロータに複数のブレードが取り付けられた風車に用いられ、風によってブレードのかかる応力を検出する風車用センサ機構において、
前記風車のブレードに１つの方向の加速度を検出する第１加速度センサを設け、第１加速度センサの出力信号に基づきブレードの撓み量を算出する演算部を有することを特徴とする風車用センサ機構。
請求項６記載の風車用センサ機構において、前記第１加速度センサは、ブレードの面に直交する方向を検出することを特徴とする風車用センサ機構。
ロータに複数のブレードが取り付けられた風車に用いられ、風によってブレードにかかる応力を検出する風車用センサ機構において、
前記風車のブレードを駆動させるピッチ駆動装置に、ブレードの軸方向と直交する方向の加速度を検出する第２加速度センサを設け、第２加速度センサの出力信号に基づきブレードの応力を算出する演算部を有する風車用センサ機構。
ロータに複数のブレードが取り付けられた風車に用いられ、風によってブレードにかかる応力を検出する風車用センサ機構において、
前記風車のブレードを駆動させるピッチ駆動装置に互いに直交する２方向の加速度を検出する第２加速度センサを設け、第２加速度センサの出力信号に基づきブレードの応力を算出する演算部を有する風車用センサ機構。
請求項８または９に記載の風車用センサ機構において、
前記演算部は、応力変化がないときの回転数ごとの加速度を標準信号として記憶した記憶部を有し、前記標準信号との差に基づき前記ブレードの応力を算出することを特徴とする風車用センサ機構。
請求項８または９記載の風車用センサ機構において、前記演算部には、ロータ回転数、ロータ加速度及びロータ位相が入力され、前記ロータ回転数に起因する遠心方向の加速度、ロータ加速度、ロータ位相に伴う加速度の差の影響を除去することを特徴とする風車用センサ機構。
請求項８乃至１１いずれか記載の風車用センサ機構を用いた風車減振方法において、前記ブレードの加速度が風下方向に増大した場合には、当該ブレードの揚力が低下するようにピッチ角を制御し、当該ブレードの加速度が風下方向に減少した場合には、当該ブレードの揚力が増加するようにピッチ角を制御することを特徴とする風車減振方法。