JP6300275B2 - 風力発電機用およびブレード制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電機用ブレードの制御装置、制御方法及びこれを用いる風力発電機に係り、さらに詳細には、ブレードを構成する部材での電気的特性の変化を測定してブレードを制御する制御装置、制御方法、及びこれを用いる風力発電機に関する。

自然エネルギーである風力を用いて発電を引き起こす風力発電機が知られている。風力発電機は、風の力を機械的回転力に変換させて電気を発生する装置であり、ブレード、ナセル、及びタワーなどで構成される。

風力発電機は、吹き込む風と作用するブレードの空気力学的揚力に基づいて必要な回転力を発生させる。ブレードの回転は、ブレード周りの空力分布を変化させ、このような現象は、ブレード自体に曲げ荷重及び歪み荷重として作用する。

ブレードは、このような荷重作用と、?雨、海水の塩腐食、空気中の異物との衝突などの周辺環境条件に基づいて、ブレードの内外部で変形、劣化、素材剥離などの損傷が発生する。

従来の方法によると、風力発電機の定期点検時、すなわち、ブレードの回転が止まっている時、作業者が肉眼でブレードの状態を確認する過程を経た。そして肉眼確認で分析されたブレード状態情報に対応してブレードのメンテナンス、運転条件の変更、取り替えなどの措置を行った。

しかし、このような方法は、ブレードが止まっている状態でのみブレード状態を確認でき、さらに、作業者が肉眼で確認せねばならないという不便さが伴うなど多い問題点があった。

このような問題点を解消するために、最近には風力発電機用ブレードの損傷有無を診断するための多様な技術が提示されている。

例えば、光ファイバセンサー、ストレインゲージなどの測定手段を用いてブレードの状態を確認し、ブレードの状態に相応するブレード制御を行う方法が使われている。

ブレード状態を感知する装置の具体的な一例としては、特許文献１を挙げられる。

前記特許文献１は、光源から入射された光を全反射させる光ファイバと、光ファイバを通じて伝達される光源のうちブラッグ波長帯の光を反射させることで風力発電ブレードの物理量を感知するブラッグ格子と、を備えるブレードの物理量感知装置に関する。

前記特許文献１は、せん断ウエブ（ｓｈｅａｒ ｗｅｂ）の上側または下側に光ファイバブラッグ格子センサー及び温度補償された光ファイバブラッグ格子センサーを必要な数だけ取り付けて、ブレードの温度、ブレードの変形率、及びブレードの垂れを感知する。

しかし、前記光ファイバセンサーやストレインゲージは高コストであり、かつ取扱いが難しくて熟練した技術者でなければ、設置が困難であるという問題がある。また、振動に弱いため設置後にも故障が頻繁でメンテナンスが困難である。

それだけではなく、温度変化に敏感であって、データ処理技術を活用して温度影響による変化量を除去する過程を伴うが、これは、技術的にも難しいだけではなく補正過程が伴われることで獲得情報の信頼性を確保し難いという問題もある。

特に、前記測定手段は、ブレードの垂れなどの外部的な変形を感知するだけであり、ブレード内部の損傷は感知できず、活用性側面での限界もある。
韓国公開特許第１０−２０１３−００５２９６５号公報（"風力発電ブレードの物理量感知装置"）

本発明は、前述した従来の技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の一側面は、低コストで提供されると共に、測定情報の信頼性が確保されるブレード状態測定部を用いてブレード制御を実現する風力発電機用ブレード制御装置、制御方法、及びこれを用いる風力発電機を提供するためのものである。

本発明の実施形態によるブレード制御装置は、炭素纎維素材で形成された導電領域を備える風力発電機用ブレードの状態を測定して、前記ブレードの回転条件を制御するブレード制御装置であり、前記導電領域内で定められる測定区間について電気的特性を測定する測定部、前記測定部で測定された測定値を基準値と比べて定常状態か、または非常状態かを判断する判断部、及び前記判断部で判断された状態に対応して定常モード、非常モード及び停止モードのうちいずれか一つのモードに定め、定められたモードによって前記ブレードの回転条件を制御する制御部を備える。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記測定区間は、前記導電領域内で定められる複数の区間を含む。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記測定部は、前記測定区間の電気的特性を繰り返して測定する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記判断部は、前記非常状態を判断するに際して前記測定値と前記基準値との差によるレベルを区分判断する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードの回転速度制御信号を伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードの停止制御信号を伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードのピッチ制御信号を伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応してヨー制御信号を伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記定められたモード情報を外部端末機に伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記定められたモード情報を電子メール形態またはテキストメッセージ形態で伝送するか、または前記外部端末機の表示画面に表示されるように伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御装置において、前記制御部は、前記判断部によって非常状態であると判断された場合に、警報灯または警報音発生部に制御信号を伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機は、導電性を持つ導電領域を備えるブレードを備え、前記導電領域内で定められる測定区間について電気的特性変化を測定する測定部を備える。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記導電領域は、炭素纎維素材を含んで形成されることにより、導電性を持つ。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記測定区間は、前記導電領域内で定められる一つの区間または複数の区間である。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記ブレードは、スキン（ｓｋｉｎ）、スパーキャップ（ｓｐａｒ ｃａｐ）及びせん断ウエブ（ｓｈｅａｒｗｅｂ）を備え、前記導電領域は、前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうち少なくともいずれか一つに形成される。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうち少なくともいずれか一つが、炭素纎維素材を含んで形成されることにより前記導電領域が形成される。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記導電領域は、前記スキン及び前記スパーキャップの結合部位を備え、前記スキン内から前記スパーキャップ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スキン内から前記スパーキャップ内にかけて定められる。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記導電領域は、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブの結合部位を備え、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内にかけて定められる。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうちいずれか一つはガラス繊維素材を含む非導電性部で形成され、前記非導電性部内に導電性を持つ導電体が形成されることにより、前記導電領域が形成される。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記導電体は、炭素纎維素材を含む。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記測定部は、前記測定区間の両端に電気的に連結されて前記測定区間の電気的特性を測定する測定部を備える。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記測定部は、前記測定区間の電気的特性を繰り返して測定する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記測定部で測定された測定値を基準値と比べて定常状態か、または非常状態かを判断する判断部をさらに備える。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記判断部は、前記非常状態を判断するに際して、前記測定値と前記基準値との差によるレベルを区分判断する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記判断部で判断された状態に対応して定常モード、非常モード及び停止モードのうちいずれか一つのモードに定め、定められたモードによって前記ブレードを制御する制御部をさらに備える。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードの回転速度制御信号を伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードの停止制御信号を伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードのピッチ制御信号を伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応してヨー制御信号を伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記定められたモード情報を外部端末機に伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記定められたモード情報を電子メール形態またはテキストメッセージ形態で伝送するか、または前記外部端末機の表示画面に表示されるように伝送する。

本発明の実施形態による風力発電機において、前記制御部は、前記判断部によって非常状態であると判断された場合に、警報灯または警報音発生部に制御信号を伝送する。

本発明の実施形態によるブレード制御方法は、炭素纎維素材で形成された導電領域を備える風力発電機用ブレードの状態を測定して前記ブレードの回転条件を制御するブレード制御方法であり、（ａ）前記導電領域内で定められる測定区間について電気的特性を測定する段階、（ｂ）前記（ａ）段階で測定された測定値を基準値と比べて定常状態か、または非常状態かを判断する段階、（ｃ）前記（ｂ）段階で判断された状態に対応して定常モード、非常モード及び停止モードのうちいずれか一つのモードに定める段階、及び（ｄ）前記（ｃ）段階で定められたモードによって前記ブレードの回転条件を制御する段階を含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ａ）段階は、前記導電領域内で定められる複数の測定区間について電気的特性を測定する段階である。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ａ）段階は、前記測定区間の電気的特性を繰り返して測定する段階である。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｂ）段階は、前記非常状態を判断するに際して、前記測定値と前記基準値との差によるレベルを区分判断する段階である。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｄ）段階は、前記（ｂ）段階で判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードの回転速度を制御する段階を含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｄ）段階は、前記（ｂ）段階で判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードを停止させる段階を含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｄ）段階は、前記（ｂ）段階で判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードのピッチを制御する段階を含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｄ）段階は、前記（ｂ）段階で判断された前記非常状態のレベルに対応してヨー制御を行う段階を含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、（ｅ）前記（ｄ）段階以後に、風力発電機の発電量を確認する段階をさらに含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記ブレードが備えられた風力発電機は、風力発電団地を構成する複数の風力発電機のうちいずれか一つであり、前記風力発電団地は、前記複数の風力発電機を制御する統合コントローラを備え、（ｆ）前記（ｅ）段階以後に前記統合コントローラに発電量情報を伝送する段階をさらに含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｃ）段階以後に、（ｄ'）前記定められたモード情報を外部端末機に伝送する段階をさらに含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｄ'）段階は、前記定められたモード情報を電子メール形態またはテキストメッセージ形態で伝送するか、または前記外部端末機の表示画面に表示されるように伝送する段階である。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記（ｂ）段階で非常状態であると判断された場合であり、前記（ｂ）段階以後に、（ｃ'）警報灯を点灯させるか、または警報音を発生させる段階をさらに含む。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記ブレードはスキン、前記スキンに結合されるスパーキャップ、及び前記スパーキャップに結合されるせん断ウエブを備え、前記導電領域は、前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうち少なくともいずれか一つに形成される。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記導電領域は、前記スキン及び前記スパーキャップの結合部位を備え、前記スキン内から前記スパーキャップ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スキン内から前記スパーキャップ内にかけて定められる。

本発明の実施形態によるブレード制御方法において、前記導電領域は、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブの結合部位を備え、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内にかけて定められる。

本発明の特徴及び利点は、添付図面に基づいた以下の詳細な説明でさらに明らかになる。

本発明の一実施形態によれば、風力発電機用ブレードを構成する部材自体で素材上の特性に基づいて導電領域を備え、この場合、導電領域内の測定区間の電気的特性の変化を確認することでブレードの状態を容易に確認できるという利点が提供される。

また、ブレード構成部材自体がセンサー機能を有するため、光ファイバセンサーなどの別途のセンサーを備えなくてもブレード状態を確認でき、よって、コストダウンはもとより、ブレードの製造時にセンサー設置のための不要な工程が省略され、ブレード製造の便宜性が向上するという利点を提供される。

また、ブレードの状態を確認する過程が、ブレード構成部材内で発生する電気的特性の変化を測定する過程を含むため、垂れや異物のつき、アイシングなどの外部的な損傷はもとより、クラック、剥離、纎維短絡などの内部的な損傷についても状態確認が可能になる利点が提供される。

それだけではなく、ブレードの状態を測定する手段が、ブレード構成部材自体で電気的特性の変化を感知する構成になっているので、故障発生の恐れが少ない点及び信頼性確保の容易な利点が提供される。

本発明の実施形態による風力発電機を示す概略図である。 図１に示されたブレードの構造が分かる要部構成図である。 図１に示されたブレードの構造が分かる要部構成図である。 本発明の実施形態によるブレード制御装置を示す概略図である。 本発明の実施形態によるブレード制御方法を示すフローチャートである。 図４に示された判断部のアルゴリズムフローチャートである。 図４に示された制御部のアルゴリズムフローチャートである。 風力発電団地の概略図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態による風力発電機用ブレードの制御装置、制御方法及びこれを用いる風力発電機について詳細に説明する。

この過程で図面に示された線の厚さや構成要素のサイズなどは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張して図示されている。

また、後述される用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であり、これはユーザ、運用者の意図または慣例によって変わる。したがって、これらの用語の定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいてなされねばならない。

なお、下記の実施形態は、本発明の権利範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に提示された構成要素の例示的な事項に過ぎず、本発明の明細書全般にわたる技術思想に含まれ、かつ請求範囲の構成要素で均等物として置換可能な構成要素を備える実施形態は、本発明の権利範囲に含まれる。

以下では、本発明の一実施形態による風力発電機に関して、図１ないし図４を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態による風力発電機を示す概略図、図２及び図３は、図１に示されたブレードの構造が分かる要部構成図、図４は、本発明の実施形態によるブレード制御装置を示す概略図である。

図１に示されたように、本発明の実施形態による風力発電機１は、基本的にロータ１０、ナセル２０及びタワー３０を備える。

ロータ１０は、ハブ１２及びブレード１４を備える。ハブ１２は、ナセル２０の前方に位置し、メインシャフト２２に結合される。ハブ１２は、中空状になっており、ハブ１２の内部には、ピッチ調節部、潤滑調節部などが提供される。

ブレード１４は、少なくとも一つ以上備えられる。ブレード１４のルート部１４ａがハブ１２に結合されたまま、ハブ１２を中心として放射状に配置される。ブレード１４のチップ部１４ｂは、ルート部１４ａに比べて相対的に小さな断面積を持つ。

図２に示されたように、ブレード１４は翼型の断面を持つ。ブレード１４は、前方から吹き込む風に対して一定の迎角を持つようにハブ１２に結合される。風力発電機１の前方から吹き込む風は、ブレード１４の表面をすれちがいつつ揚力を発生させ、揚力はロータ１０を回転させる。ロータ１０の回転力は、ナセル２０に伝達されて電気エネルギーに変換される。

ナセル２０は、タワー３０によって回転自在に支持される。ナセル２０は、内部にナセルカバー２１、メインシャフト２２、軸受２３、ギアボックス２４、発電機２５及びメインフレーム２６を備えて構成される。

ナセルカバー２１は、タワー３０の上端に回転自在に結合され、メインシャフト２２、軸受２３、ギアボックス２４、発電機２５及びメインフレーム２６を収容する。ナセルカバー２１は、非伝導性材質、例えば、纎維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、ＦＲＰ）材質で提供される。

メインシャフト２２は、軸受２３によって回転自在に支持され、ハブ１２とギアボックス２４とを連結し、ハブ１２と共に回転しつつハブ１２の回転エネルギーをギアボックス２４に伝達する。

ギアボックス２４は、メインシャフト２２から入力される回転速度を発電用速度に増加させ、これを出力して発電機２５に伝達する。発電機２５は、ギアボックス２４から出力される回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

タワー３０は、中空の円筒状になっており、ナセル２０を支持する。ナセル２０とタワー３０との間にはヨー調節部が提供され、ヨー調節部は、ロータ１０が風が吹き込む方向に向かうか、または向かわないようにナセル２０を回転させる。

ブレード１４は、具体的な構造の一例であり、図２に示されたように、骨格１４４、骨格１４４をしっかりと覆うように形成されてブレード１４の外形をなすスキン１４１、骨格１４４に結合されて長手方向の補強材の機能を行うスパーキャップ１４２、スパーキャップ１４２に結合されて厚さ方向の補強材の機能を行うせん断ウエブ１４３、そして骨格１４４のエッジに結合されるエッジ部１４５を備える。

但し、ブレード１４の構造は、このような例に限定されるものではない。基本的にスキン１４１、スパーキャップ１４２が備えられつつせん断ウエブ１４３がさらに備えられ、前述した骨格１４４やエッジ部１４５が備えられるか、または省略され、または、前述した構成以外のブレード１４を構成する他の部材がさらに備えられるなど多様な他の構造が可能である。

風力発電機用ブレードは、纎維強化プラスチック（ＦＲＰ、ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）で製作される。ここで使われる纎維は、セラミックス系（ｇｌａｓｓ ｏｒ ｃａｒｂｏｎ）の纎維である。

最近までは主にガラス繊維を強化したＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ ＦＲＰ）が使われてきたが、最近、風力発電システムの効率向上のために翼の回転半径が毎年増加しつつあり、重量による効率低下及びコストアップが増えることで、ガラス繊維を代替する炭素纎維の使用が増えつつある。

炭素纎維は、ガラス繊維に比べて比強度に優れ、大型ブレードの製作時にブレードの剛性を維持すると共にその重量をガラス繊維に比べて低減させることができて、風力発電システム効率の向上に大きい役割を担っている。

ブレード１４を構成する構成のうち少なくとも一部は、前述したように纎維素材を含む。

例えば、スパーキャップ１４２は、好適な熱硬化性及び／または熱可塑性樹脂の基材にガラス繊維、炭素纎維、及び／またはその他の纎維を含む積層体で形成される。せん断ウエブ１４３も、ガラス繊維または炭素纎維を含む積層体で形成される。そして、スキン１４１も、ガラス繊維または炭素纎維を含むサンドイッチ構造に形成される。

ここで炭素纎維は、炭素元素の質量含有率９０％以上の纎維長の炭素材料であり、ポリアクリロニトリル（以下、ＰＡＮ）、石油系・石炭系の炭化水素残留物であるピッチ（アスファルト）またはレーヨンから製造された纎維状の有機前駆体物質（炭化させる前の物質）を不活性雰囲気下で熱分解して得られる纎維を意味する。

炭素纎維は、構成元素にある炭素材料としての構造及び組職特性と纎維状特性とを合わせた材料であり、耐熱性、化学的安定性、導電性、低熱膨脹性による寸法安定性、低密度、摩擦摩耗特性、柔軟性などの優秀な特徴を持っている。

一方、ブレードは、風力発電機の核心部品であり、風力発電機が大型化することでコストや重量面でブレードの占める比重が増加しつつある。よって、これについてのメンテナンスの重要性が目立ち、これによって、ブレードの状態に関する持続的なモニタリングが要求されている。

ブレードは、運転中に自重や周辺環境条件に影響されて内外部で荷重が作用し、時には汚染物がついたり、または、天気の影響で特定条件ではブレードの一部領域に氷が生じる、いわゆる、アイシング現象が発生する。

前述した現象によってブレードに損傷が発生し、損傷の種類としては、例えば、ｉ）アイシング、汚染、気孔、剥離などによる表面粗度、ｉｉ）アイシング、亀裂を介する水分浸透などによる質量不均衡、ｉｉｉ）ブレードピッチ角の不一致、空気力学的なプロファイルの製作公差、運転中のプロファイルの変形などによる空気力学的非対称、ｉｖ）ガラス繊維または炭素纎維強化プラスチック構造の剥離、ｖ）表面亀裂及び内部亀裂などがある。

このようなブレード状態のモニタリングのために、従来にはＦＢＧ（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）センサーを用いたブレード状態モニタリングが行われた。光ファイバセンサーを用いたブレードのストレイン測定を通じて荷重履歴及び振動を測定し、疲れ損傷、寿命などを評価した。

または、安全性モニタリング、ブレードの制御、荷重モニタリング及び疲れ荷重算定などのために、ＦＢＧストレインセンサーを用いたセンサーシステムも構築した。

しかし、このようなモニタリングシステムは、高価のセンサーを使わねばならないという問題、設置の困難性、ブレードの内部で発生する損傷感知の困難性など多くの問題点を持っている。

よって、本実施形態による風力発電機１は、光ファイバセンサーなどの別途の感知手段を備えなくても、ブレード構成部材自体の素材上の特性、すなわち、導電性を持つ特性を用いて垂れ、クラック、剥離、纎維の切断などのブレードの内外部的状態をモニタリングできるブレード状態の測定装置を提供する。

本実施形態による風力発電機１は、前述したスキン１４１、スパーキャップ１４２、またはせん断ウエブ１４３が炭素纎維を含んで形成される場合、ブレード１４を構成する部材自体に導電性を持つ導電領域を備えるようになる。

この時、ブレード１４を構成する部材の内外部で前記種類の損傷が発生すれば、損傷発生部位で電気的特性の変化、例えば、測定区間内での抵抗値の変化が起きる。このような電気的特性の変化を測定することで、ブレード１４の損傷有無、すなわち、ブレードの状態をモニタリングする。

このために本実施形態による風力発電機１は、前記電気的特性の変化を測定する測定部を備える。

先ず、ブレード１４は、前述したようにブレード１４を構成する部材自体に炭素纎維を含むことで、部材自体に導電領域を備える。

例えば、スパーキャップ１４２が全体的に炭素纎維を含んで形成される場合、スパーキャップ１４２は、全体領域で導電領域を持つ。スキン１４１やせん断ウエブ１４３の場合も同様である。

この導電領域内で測定区間が定められるが、測定区間は、スパーキャップ１４２の内外で任意の領域を選択して定める。

測定区間は、一例として、図２（Ａ）に示されたように、スパーキャップ１４２の長さ上で一部を占める区間Ｍ１として定められる。または、スパーキャップ１４２の全体長さが測定区間として定められる。

測定区間は、このように一つの区間を含んでもよく、または複数の区間を含んでもよい。そして、測定区間は、スパーキャップ１４２の長手方向に沿って定められる区間、幅方向に沿って定められる区間、厚さ方向に沿って定められる区間など、スパーキャップ１４２の内外で多様な方向に沿って定められる。

測定区間は、スキン１４１またはせん断ウエブ１４３の内外で定められる。スキン１４１やせん断ウエブ１４３の場合も、前述したように炭素纎維を含んで形成される場合にスキン１４１、せん断ウエブ１４３自体で導電領域を備える。この導電領域内で、スパーキャップ１４２の場合のように測定区間Ｍ１が定められる。

それだけではなく、測定区間は、図２（Ｂ）に示されたように、ブレード１４を構成する部材間の結合部位を含んで２以上の部材にかけて定められる区間Ｍ２、Ｍ３を備えてもよい。

例えば、測定区間は、スキン１４１とスパーキャップ１４２との結合部位を含んでスキン１４１からスパーキャップ１４２にかけて定められる区間Ｍ２として定められる。スキン１４１及びスパーキャップ１４２がいずれも炭素纎維を含んで形成される場合、導電性を持つ導電領域は、スキン１４１とスパーキャップ１４２の結合部位を含んでスキン１４１からスパーキャップ１４２につながる。この場合、測定区間が、スキン１４１及びスパーキャップ１４２の結合部位を含んでスキン１４１からスパーキャップ１４２にかけて定められ、このような測定区間Ｍ２の電気的特性の変化を感知することで、スキン１４１とスパーキャップ１４２との結合部位での損傷を確認する。

また、測定区間は、スパーキャップ１４２とせん断ウエブ１４３との結合部位を含んでスパーキャップ１４２からせん断ウエブ１４３にかけて定められる区間Ｍ３として定められてもよい。この場合、スパーキャップ１４２とせん断ウエブ１４３との結合部位の損傷についても確認可能になる。

一方、前述したスキン１４１、スパーキャップ１４２及びせん断ウエブ１４３のうちいずれか一つは、炭素纎維ではないガラス繊維を含んで形成されてもよい。ガラス繊維を含んで形成された部材は、導電性がない。すなわち、非導電性部で形成されるが、このように非導電性部で形成される部材は、その内部に導電体１４６を備える。

例えば、図３に示されたスパーキャップ１４２が非導電性部で形成される場合には、スパーキャップ１４２内に導電性を持つ導電体１４６を別途の部材として結合されるか、またはスパーキャップ１４２と一体に形成されるようにする。導電体１４６は、非導電性部内で導電領域を形成し、この導電領域内で測定区間が前述したように定められる。この時、導電体１４６は、前述したように炭素纎維を含んで形成されることで導電性を持つ。

非導電性部は、スキン１４１またはせん断ウエブ１４３であり、この場合、導電体１４６は、非導電性部で形成されるスキン１４１、またはせん断ウエブ１４３内に形成される。

本実施形態による風力発電機１は、測定区間での電気的特性変化を測定する測定部を備える。

測定部は、図２及び図３に示されたように、前記測定区間Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の両端に電気的に連結される測定部４１０を備える。電気的特性を測定する方法としては、例えば、抵抗を測定する方法が使われる。

抵抗測定のために測定区間に電圧または電流が印加され、測定部４１０は、測定区間Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３での電気的特性値を測定する。測定された電気的特性値（以下、「測定値」という）は、後述する判断部４２０に伝送される。

測定部４１０は、ブレード１４状態が持続的にモニタリングされるように、測定区間について時間間隔を置いて繰り返して電気的特性を測定するように設定される。

本実施形態による風力発電機１は、前述した測定部４１０で測定された測定値を用いてブレード１４を制御するブレード制御装置を備える。

ブレード制御装置は具体的に、図４に示されたように、前述した測定部４１０、判断部４２０、制御部４３０を備える。ここで制御部４３０は、一つの風力発電機を制御するように備えられるものであり、後述する統合コントローラ５００と区分してローカル制御部と見なされる。

以下では、このような制御装置を用いてブレード１４を制御する一例の方法を、図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施形態によるブレード制御方法を示すフローチャートである。

ブレード制御方法は、図５に示されたように、先ず、測定部４１０によって導電領域内で定められた測定区間の電気的特性を測定する段階（Ｓ１０）を含む。この時、測定部４１０は、ブレード１４の状態が持続的にモニタリングされるように、前述したように測定区間の電気的特性測定を、時間間隔を置いて繰り返して行える。

次いで、判断部４２０によって、測定値と基準値とを比べる段階（Ｓ２０）が行われ、比較結果によって、ブレード１４の状態が定常状態か、または非常状態かを判断する段階（Ｓ３０）が行われる。

次いで、制御部４３０によって、状態判断に対応するモードに定める段階（Ｓ４０）が行われ、ここで、モードは、定常モード、非常モード、または停止モードのうちいずれか一つである。そして、定められたモードによって、ブレード１４の回転条件を制御する段階（Ｓ５０）が行われる。

前述した判断部４２０及び制御部４３０の具体的な機能及び機能の実行によるブレード制御方法に関して、図６及び図７を参照してさらに詳細に説明すれば、次の通りである。図６は、図４に示された判断部のアルゴリズムフローチャートであり、図７は、図４に示された制御部のアルゴリズムフローチャートである。

先ず、図６に示されたように、判断部４２０は、測定区間別の基準値を設定しておく（Ｓ２０１）。基準値は、例えば、定常状態と非常状態とを区分する境界値Ａを含む。または、非常状態の程度を区分する水準値Ｂを含む。

ここで、境界値Ａまたは水準値Ｂは、さらに細分化された値であってもよい。図示されたところでは、水準値として、非常運転制御の必要なレベルと運転停止制御の必要なレベルとを区分する一つの値Ｂを提示しているが、測定区間での電気的特性変化の程度、すなわち、非常状態のレベルに相応して区分されたブレード１４の制御ができるように、水準値は、細分化された複数の値を含む。

そして、境界値Ａや水準値Ｂは特定値であってもよく、または特定範囲であってもよい。

判断部４２０は、測定部４１０から測定値Ｃを受信すれば（Ｓ２０２）、測定値Ｃと基準値Ａ、Ｂとを比較する（Ｓ２０３、Ｓ２０４）。比較の結果、測定値Ｃが境界値Ａより小さいか、または同一ならば、電気的特性変化が大きくない場合であって、ブレード１４状態を定常状態であると判断する（Ｓ３０１）。

判断部４２０は、測定値Ｃが境界値Ａより大きい場合に、ブレード１４状態が非常状態であると判断する。非常状態は、ブレード１４の垂れ、アイシング、クラック、積層構造上での剥離、または纎維短絡などの現象が発生した場合であり、ブレード１４の回転条件を制御する必要がある場合と定められる。

この時、判断部４２０は、測定値Ｃが境界値Ａより大きいが、水準値Ｂより小さいか同じ場合には、非常状態ではあるが、運転停止制御までは必要ない場合であると判断する（Ｓ３０２）。しかし、測定値Ｃが水準値Ｂより大きい場合には、電気的特性変化の大きい場合であって、ブレード１４の損傷が深刻なレベルに至ったと見てブレード１４の運転を停止すべき状態であると判断する（Ｓ３０３）。

判断部４２０は、このようにブレード１４の状態を判断し、その判断情報を制御部４３０に伝送する（Ｓ３０４）。制御部４３０は、獲得した判断情報を活用してブレードの最適の制御が実現されるように制御信号を出力する。

一方、制御部４３０による具体的な制御内容を説明する前に、先ず、ブレードの最適の制御方式の例を説明すれば、次の通りである。

方向及びサイズが不規則的に変わる風から運動エネルギーを最大限多く機械動力に変換させるために、風の速度及び方向の変化によるブレードのピッチ、ヨー、そしてロータの回転速度を最適に制御せねばならない。

最適の制御は、最大出力の抽出を目標とするだけではなく、風力発電機の製作コストに影響を与える各機械要素に作用する静荷重及び動荷重を最小化する機能も同時に満たすように設計されねばならない。

風力発電機の制御方式は、次のような３つの方式で行われる。

第１の方式は、最も簡単な制御形式であり、いわゆる"デニッシュコンセプト（Ｄａｎｉｓｈ Ｃｏｎｃｅｐｔ）"とよく知られた、すなわち、誘導発電機を使ってロータの回転速度が風速に関係なくほぼ一定に維持され、ピッチ角も固定されてピッチ制御が必要なく、風向の変化を追従するヨー制御のみ行う場合である。

この方式は、定格風速以上でストールと呼ばれる流動剥離現象がブレードで発生するように設計製作され、回転子の出力を発電機の定格出力以下に制限する。しかし、回転軸方向の軸力が定格風速以上の風速で持続的に高い値を維持するので、結果的に重くて高価な機械構造物の風力発電機になる。

第２の方式は、誘導発電機の回転数は一定であるもののブレードのピッチを制御し、定格風速以上の風速ではピッチ角を低減させることで出力を制御する。この場合に風速が増加するにもかかわらず、回転軸方向の軸力は減少し、機械構造物にかかる荷重を大きく低減させる。

第３の方式は、最近大型風力発電機で主に採用されている最も理想的な制御形式であり、ピッチとヨー制御以外にさらにロータの回転速度を風速によって制御し、定格風速以下の風速で周速比（ｔｉｐ ｓｐｅｅｄ ｒａｔｉｏ）を常に最適の設計値に維持可能にしてエネルギー抽出を極大化させる。このような可変速回転数の制御は発電機のトルク制御で行われ、定格風速以上ではトルクとピッチとの同時制御で行われる。

ヨー制御は、前記３つの制御方式と関係なく同じく風力発電機に適用され、エネルギー生産量に非常に敏感に影響を与える。回転子を風向変化によって動かすヨー装置の制御アルゴリズムは、時間に対する風向変化特性を考慮して最大のエネルギー生産量が得られるように設計される必要がある。

以上の説明のようにブレードの最適の制御が実現されるように、制御部４３０は、次のような制御過程を行える。

図７に示されたように制御部４３０は、判断部４２０からブレード１４の状態情報を受信し（Ｓ４０１）、受信情報に対応するモード決定段階を行える（Ｓ４０２）。モード決定段階（Ｓ４０２）で定められるモードは、定常モード、非常モード、停止モードのうちいずれか一つである。

制御部４３０は、判断部４２０で受信された状態情報が定常状態である場合には、定常モードと定める（Ｓ４０３）。定常モードと定められた場合には、ブレード１４の回転条件について定常運転制御が行われる（Ｓ５０１）。制御部４３０は、定常運転制御によって出力される発電量を確認し、確認された発電量情報を後述する統合コントローラ５００に伝送する（Ｓ７０１）。

制御部４３０は、判断部４２０で受信された状態情報が非常状態の場合であり、水準値Ｂとの比較結果に対応して「非常状態１」と判断された場合（Ｓ３０１、図５参照）、非常モードと定める（Ｓ４０４）。

非常モードと定められた場合に、制御部４３０は、非常運転制御信号を伝送する（Ｓ５０２）。非常運転制御信号は、ブレード１４を備えるロータ１０の回転速度制御信号、ブレード１４のピッチ角を制御するピッチ制御信号、またはロータ１０の風向対応角度を変化させるヨー制御信号のうち少なくともいずれか一つを含む。

回転速度制御信号は、ロータ１０の回転速度を調節する制動手段に伝送される。

ピッチ制御信号は、ブレード１４のピッチ調節部に伝送される。ピッチとは、ブレード１４のねじれ角度を意味し、ピッチ調節部によって調節されるブレード１４のピッチ角は、風力発電機が発電しないアイドリング状態で９０度である。この時、ブレード１４は、風が吹き込む方向と平行な方向に配列され、ブレード１４の迎角は０度状態を維持し、荷重の作用を最も少なく受ける。

制御部４３０は、ブレード１４が非常状態であると確認された場合であって、非常モードと定められた場合に、ブレード１４が作用される荷重が低減するように、ピッチ調節部がブレードピッチを調節できるように制御信号を伝送する。

ヨー制御信号の場合も同様である。制御部４３０は、ブレード１４が作用される荷重が低減するように、ロータ１０が風向を少なく受ける位置に方向が転換されるように、ヨー調節部がヨー制御を行えるように制御信号を伝送する。

制御部４３０は、このように非常運転制御信号を伝送（Ｓ６０２）してブレード１４を制御した後、非常運転制御によって風力発電機１から出力される発電量の減少分を確認でき、このように確認された発電量情報を後述する統合コントローラ５００に伝送する（Ｓ７０２）。

制御部４３０は、判断部４２０で受信された状態情報が非常状態である場合であって、水準値Ｂとの比較結果に対応して「非常状態２」と判断された場合（Ｓ３０２、図５参照）、停止モードと定める（Ｓ４０５）。この場合は、例えば、ブレード１４の修理、または取り替え作業の必要な場合であり、ブレード１４の回転を止める必要がある場合でありうる。

停止モードと定められた場合に、制御部４３０は運転停止制御信号を伝送する（Ｓ５０２）。

運転停止制御信号は、ロータ１０の回転速度を制御する制動手段に伝送され、制動手段によってロータ１０は停止する。この場合にも、制御部４３０は、風力発電機１から出力される発電量の減少量を確認でき、確認された発電量情報を後述する統合コントローラ５００に伝送する（Ｓ７０３）。

制御部４３０は、モード決定段階（Ｓ４０２）を行った後で管理者がモード情報を確認できるように、モード情報伝送段階（Ｓ６０１、Ｓ６０３、Ｓ５０３）を行ってもよい。モード情報は、例えば、管理者が携帯する携帯端末機にテキストメッセージ形態で伝送される。または、風力発電機１を管理する地上管理システムに備えられた外部端末機の表示画面に表示されるように伝送される。または、管理者の電子メールアドレスに電子メール形態で伝送される。

特に、非常状態であると判断された場合であり、例えば、制御部４３０によって非常モードまたは停止モードと定められる場合には、制御部４３０は、警報灯（図示せず）を点灯させるか、または警報音発生部（図示せず）で警報音が発生するように制御信号を伝送する。

一方、本実施形態による風力発電機１は、図８に示されたように、風力発電団地に備えられる複数の風力発電機のうちいずれか一つである。

風力発電団地は、例えば、地上管理システムによって管理され、このようなシステムには、複数の風力発電機を統合制御する統合コントローラ５００が備えられる。統合コントローラ５００は、ローカル制御部と通信してローカル制御部が担当する風力発電機を制御する。

ローカル制御部は、担当する風力発電機から出力される発電量に関する情報を持続的に統合コントローラ５００に伝送する（Ｓ７０１、Ｓ７０２、Ｓ７０３、図７参照）。統合コントローラ５００は、このように獲得された発電量情報を分析して、各々の風力発電機について必要な出力調整が行われるように制御する。例えば、ローカル制御部で伝送された情報によって該当の風力発電機での発電量減少が確認された場合には、他の風力発電機の出力が調整されるように、他のローカル制御部に出力調整に必要な制御信号を伝送する。

以上、本発明を具体的な実施形態を通じて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、本発明は、本発明の技術的思想内で当業者によってその変形や改良が可能であるということは明らかである。

本発明の単純な変形ないし変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は特許請求の範囲によって明らかになる。

本発明は、風力発電機用ブレードの制御装置及びこれを用いる風力発電機関連の技術分野に好適に用いられる。

１：風力発電機
１０：ロータ
１２：ハブ
１４：ブレード
１４ａ：ルート部
１４ｂ：チップ部
２０：ナセル
２１：ナセルカバー
２２：メインシャフト
２３：軸受
２４：ギアボックス
２５：発電機
２６：メインフレーム
３０：タワー
１４１：スキン
１４２：スパーキャップ
１４３：せん断ウエブ
１４４：骨格
１４５：エッジ部
１４６：導電体
４１０：測定部
４２０：判断部
４３０：制御部
５００：統合コントローラ

Claims (20)

1. ブレードを備える風力発電機において、
   前記ブレードは、導電性を持つ導電領域を備え、
   前記導電領域内で定められる測定区間について電気的特性変化を測定する測定部と、
   前記測定部で測定された測定値を基準値と比べて定常状態か、または非常状態かを判断する判断部と、を備え、
   前記ブレードは、スキン、スパーキャップ（ｓｐａｒ ｃａｐ）及びせん断ウエブ（ｓｈｅａｒ ｗｅｂ）を備え、
   （ｉ）前記導電領域は、前記スキン及び前記スパーキャップの結合部位を備え、前記スキン内から前記スパーキャップ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スキン内から前記スパーキャップ内にかけて定められるか、または、
   （ｉｉ）前記導電領域は、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブの結合部位を備え、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内にかけて定められる、風力発電機。
2. 前記導電領域は、炭素纎維素材を含んで形成されることにより、導電性を持つ、請求項１に記載の風力発電機。
3. 前記導電領域は、前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうち少なくともいずれか一つで形成される、請求項１または請求項２に記載の風力発電機。
4. 前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうち少なくともいずれか一つが、炭素纎維素材を含んで形成されることにより、前記導電領域が形成される、請求項３に記載の風力発電機。
5. 前記スキン、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブのうちいずれか一つは、ガラス繊維素材を含む非導電性部で形成され、
   前記非導電性部内に炭素纎維素材を含む導電体が形成されることにより、前記導電領域が形成される、請求項３に記載の風力発電機。
6. 前記測定部は、前記測定区間の両端に電気的に連結され、前記測定区間の電気的特性を測定する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電機。
7. 前記判断部で判断された状態に対応して定常モード、非常モード及び停止モードのうちいずれか一つのモードに定め、定められたモードによって前記ブレードを制御する制御部をさらに備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電機。
8. 前記制御部は、前記判断部によって判断された結果によって、前記ブレードの回転速度制御信号、停止制御信号、ピッチ制御信号及びヨー制御信号のうちいずれか一つを伝送する、請求項７に記載の風力発電機。
9. 前記制御部は、前記判断部によって判断された前記非常状態のレベルに対応して、前記ブレードの回転速度制御信号、停止制御信号、ピッチ制御信号及びヨー制御信号のうちいずれか一つを伝送する請求項８に記載の風力発電機。
10. 前記制御部は、前記判断部によって非常状態であると判断された場合に、警報灯または警報音発生部に制御信号を伝送する、請求項８または請求項９に記載の風力発電機。
11. 前記制御部は、前記定められたモードを示すモード情報を外部端末機に伝送する、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の風力発電機。
12. 前記測定区間は、前記導電領域内で定められる複数の区間を含む、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の風力発電機。
13. 前記測定部は、前記測定区間の電気的特性を繰り返して測定する、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の風力発電機。
14. 炭素纎維素材で形成された導電領域を備える風力発電機用ブレードの状態を測定して前記ブレードの回転条件を制御するブレード制御方法であり、
    （ａ）前記導電領域内で定められる測定区間について電気的特性を測定する段階と、
    （ｂ）前記（ａ）段階で測定された測定値を基準値と比べて定常状態か、または非常状態かを判断する段階と、
    を含み、
    前記ブレードは、スキン、スパーキャップ（ｓｐａｒ ｃａｐ）及びせん断ウエブ（ｓｈｅａｒ ｗｅｂ）を備え、
    （ｉ）前記導電領域は、前記スキン及び前記スパーキャップの結合部位を備え、前記スキン内から前記スパーキャップ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スキン内から前記スパーキャップ内にかけて定められるか、または、
    （ｉｉ）前記導電領域は、前記スパーキャップ及び前記せん断ウエブの結合部位を備え、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内に連続して形成され、前記測定区間は、前記スパーキャップ内から前記せん断ウエブ内にかけて定められる、ブレード制御方法。
15. 前記（ａ）段階は、前記導電領域内で定められる複数の測定区間について電気的特性を測定する段階である、請求項１４に記載のブレード制御方法。
16. 前記（ａ）段階は、前記測定区間の電気的特性を繰り返して測定する段階である、請求項１４または請求項１５に記載のブレード制御方法。
17. （ｃ）前記（ｂ）段階で判断された状態に対応して定常モード、非常モード及び停止モードのうちいずれか一つのモードに定める段階と、
    （ｄ）前記（ｃ）段階で定められたモードによって前記ブレードの回転条件を制御する段階と、をさらに含む、請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載のブレード制御方法。
18. 前記（ｄ）段階は、前記（ｂ）段階で判断された前記非常状態のレベルに対応して前記ブレードの回転速度、ピッチ、ヨーのうちいずれか一つ以上を制御するか、または前記ブレードを停止させる段階を含む、請求項１７に記載のブレード制御方法。
19. （ｅ）前記（ｄ）段階以後に、風力発電機の発電量を確認する段階をさらに含む、請求項１７または請求項１８に記載のブレード制御方法。
20. 前記ブレードが備えられた前記風力発電機は、風力発電団地（ｗｉｎｄｆａｒｍ）を構成する複数の風力発電機のうちいずれか一つであり、前記風力発電団地は、前記複数の風力発電機を制御する統合コントローラを備え、
    （ｆ）前記（ｅ）段階以後に前記統合コントローラに発電量情報を伝送する段階をさらに含む、請求項１９に記載のブレード制御方法。