WO2017013997A1 - 風力発電装置の状態監視装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a state monitoring device for a wind turbine generator.
- a wind power generator is known as a power generator that generates electricity using a clean energy source.
- SCADA Supervision Control And Data Acquisition
- CMS Content Monitoring System
- Vibration data is included in the information collected by CMS. Vibration data is often measured by an acceleration sensor including a piezoelectric element. Such an acceleration sensor has a response frequency limited to, for example, 40 Hz to 8 kHz.
- Patent Document 1 JP 2013-087732 A discloses a system for monitoring the state of a wind turbine generator using a simple sensor capable of detecting such low-frequency vibration.
- Patent Document 1 The low-frequency vibration sensor disclosed in the above Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-087732 (Patent Document 1) can detect pitching vibration in which the upper end of the tower is displaced in the front-rear or left-right direction, but detects torsional vibration. Is difficult. Moreover, the high-sensitivity acceleration sensor for low frequency has a problem that it is difficult to apply because it is relatively expensive and large in size.
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a state monitoring device for a wind turbine generator that can detect low-frequency vibrations with an inexpensive sensor.
- the present invention is a state monitoring device for a wind turbine generator in which a nacelle is installed at the upper part of a tower, and is installed in the nacelle, receives an output from the direction sensor, a direction sensor that detects the direction of the nacelle, A state monitoring unit that executes at least one of recording, analysis, and transmission.
- the direction of the nacelle of the wind power generator can be detected inexpensively and easily.
- the state monitoring unit detects the rotation of the nacelle accompanying the torsional vibration of the tower based on the output of the direction sensor.
- the direction sensor includes a magnetic sensor that detects geomagnetism.
- the azimuth sensor can also detect the fluctuation in the slow direction that is difficult to detect with an acceleration sensor or the like, so that the rotation of the nacelle accompanying the torsional vibration of the tower can be detected well.
- the state monitoring unit obtains an average value for every predetermined time from the output signal of the direction sensor, and calculates the direction data of the nacelle.
- the state monitoring unit monitors the torsional vibration of the tower by extracting a component having a predetermined frequency or less from the output signal of the direction sensor.
- the torsional vibration component can be separated from the output signal of the direction sensor.
- the state monitoring device accommodates the state monitoring unit and further includes a direction sensor or a housing to which the direction sensor is attached.
- the azimuth sensor When using magnetism, it is better not to install the direction sensor near a cable or the like through which a large current flows in the wind power generator, but there are few restrictions on the installation location. Therefore, if the azimuth sensor is housed in the same housing together with the state monitoring unit or the azimuth sensor is attached to the housing, the installation of the azimuth sensor is completed at the same time as the installation of the state monitoring device housing.
- the sensor installation work is simple.
- the rotation of the low-frequency nacelle can be monitored by an inexpensive device.
- FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a state monitoring unit 200.
- FIG. 1 is a diagram for explaining a wind turbine generator in which the abnormality diagnosis device of the present embodiment is used.
- a nacelle 90 is provided at the upper end of the tower 100.
- a plurality of blades 30 are attached to the rotor head 20.
- the rotor head 20 is connected to the tip portion of the main shaft 22.
- the main shaft 22 is supported inside the nacelle 90. The rotation of the main shaft 22 is transmitted to the generator 50 via the speed increaser 40.
- the wind power generator is configured to be able to perform a yaw motion that rotates the nacelle 90 according to the wind direction with respect to the tower 100 fixed on the ground.
- the nacelle 90 is rotated so that the blade 30 side is located on the windward side.
- the wind power generator 10 obtains an appropriate rotation by changing the angle of the blade 30 with respect to the wind direction (hereinafter referred to as pitch) according to the strength of the wind power. Similarly, when starting and stopping the windmill, the blade pitch is controlled. Further, each blade 30 is controlled to swing several degrees even during one rotation of the main shaft. In this way, the amount of energy that can be obtained from the wind can be adjusted.
- the wind receiving surface also referred to as a blade surface or a blade surface
- the wind receiving surface of the blade is made parallel to the wind direction in order to suppress the rotation of the windmill.
- FIG. 2 is a diagram showing the internal structure of the nacelle in more detail.
- the wind turbine generator 10 includes a main shaft 22, a blade 30, a speed increaser 40, a generator 50, a main bearing 60, and a state monitoring device 80.
- the step-up gear 40, the generator 50, the main bearing 60 and the state monitoring device 80 are stored in the nacelle 90, and the nacelle 90 is supported by the tower 100.
- the main shaft 22 enters the nacelle 90 from the rotor head 20, is connected to the input shaft of the speed increaser 40, and is rotatably supported by the main bearing 60.
- the main shaft 22 transmits the rotational torque generated by the blade 30 receiving wind force to the input shaft of the speed increaser 40.
- the blade 30 is provided at the tip of the main shaft 22, converts wind force into rotational torque, and transmits it to the main shaft 22.
- the main bearing 60 is fixed in the nacelle 90 and rotatably supports the main shaft 22.
- the main bearing 60 is composed of a rolling bearing, and is composed of, for example, a self-aligning roller bearing, a tapered roller bearing, a cylindrical roller bearing, or a ball bearing. These bearings may be single row or double row.
- the speed increaser 40 is provided between the main shaft 22 and the generator 50, and increases the rotational speed of the main shaft 22 to output to the generator 50.
- the speed increaser 40 is configured by a gear speed increasing mechanism including a planetary gear, an intermediate shaft, a high speed shaft, and the like.
- a plurality of bearings that rotatably support a plurality of shafts are also provided in the speed increaser 40.
- the generator 50 is connected to the output shaft 61 of the speed increaser 40, and generates power by the rotational torque received from the speed increaser 40.
- the generator 50 is constituted by, for example, an induction generator.
- a bearing that rotatably supports the rotor is also provided in the generator 50.
- the nacelle rotation mechanism includes a driving device 124 for changing the nacelle direction attached to the nacelle 90 side, and a ring gear 126 rotated by a pinion gear fitted to the rotating shaft of the driving device 124.
- the ring gear 126 is attached to the tower 100 in a fixed state.
- the nacelle rotation mechanism changes (adjusts) the direction of the nacelle 90.
- a bearing 122 for supporting the nacelle is provided at the boundary between the nacelle 90 and the tower 100.
- the nacelle 90 is supported by a bearing 122 and rotates about the rotation axis of the bearing 122.
- Such rotation of the nacelle 90 around the central axis of the tower is referred to as yaw movement or yawing.
- the yaw motion is detected by the state monitoring device 80 installed in the nacelle 90.
- the state monitoring device 80 includes an orientation sensor 83, a state monitoring unit 200, and a housing 212 that houses the direction sensor 83 and the state monitoring unit 200.
- the direction sensor 83 is small, and the installation location can be selected relatively freely.
- the direction sensor 83 may be mounted on the electronic circuit board of the state monitoring unit 200. Further, the orientation sensor 83 may be attached to the outside of the housing 212. If the azimuth sensor 83 is placed in the casing 212 or attached to the casing 212, the trouble of attaching the azimuth sensor 83 can be saved when the state monitoring device 80 is installed in the existing wind power generator. .
- the azimuth sensor 83 for example, a sensor capable of detecting a direction by geomagnetism can be used.
- an electronic compass digital compass
- An electronic compass module incorporating two magnetic sensors that detect geomagnetic changes with two axes in the XY directions and an electronic compass module incorporating three magnetic sensors that detect geomagnetic changes with three axes in the XYZ directions are inexpensive. These electronic compass modules can be used as the orientation sensor 83.
- the output of the azimuth sensor 83 is used for detecting the direction of the nacelle 90 and also for detecting the rotation of the nacelle 90 due to the torsional vibration of the tower.
- FIG. 3 is a view for explaining the rotation of the nacelle generated by the torsional vibration of the tower, and is a view of the nacelle 90 as viewed from above. 2 and 3, the angle ⁇ is adjusted by the nacelle direction changing drive device 124 according to the wind direction so that the blade 30 receives the wind from the front direction.
- the angle ⁇ is adjusted according to the wind direction, it may receive a gust from the side. Then, the nacelle 90 rotates and a torsional vibration is generated in the tower 100. As a result, low-frequency vibrations in the rotational direction are generated in the nacelle 90 in the range of the angle ⁇ .
- the angle ⁇ in FIG. 3 varies so as to increase or decrease.
- the state monitoring device 80 detects the direction in which the nacelle 90 is facing (corresponding to the angle ⁇ ), and the vibration (angle) while considering the relationship between the wind direction and the vibration state of the device. (corresponding to ⁇ ).
- the state monitoring device 80 uses an orientation sensor 83.
- an electronic compass capable of detecting geomagnetism, which is also used for mobile phones or the like, can be used.
- the direction sensor 83 is installed in the nacelle, and a signal measured by the direction sensor 83 can be used as input data of the state monitoring unit 200.
- FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the state monitoring unit 200.
- the state monitoring unit 200 receives signals from the direction sensor 83 and the vibration sensors 81 and 82 and monitors the wind power generator.
- state monitoring unit 200 receives the output of direction sensor 83 and the outputs of vibration sensors 81 and 82 and performs processing of recording, analyzing, and transmitting vibration data of the wind turbine generator.
- the state monitoring unit 200 includes an average value calculation unit 202, an LPF (low pass filter) processing unit 204, a frequency analysis processing unit 206, a vibration information storage unit 208, and a data transmission unit 210.
- LPF low pass filter
- the average value calculation unit 202 performs a process of removing noise by obtaining an average value for a predetermined time from the signal of the direction sensor 83 (electronic compass). Specifically, the average value calculation unit periodically samples n signals from the azimuth sensor 83 at a constant time, and calculates the average value by dividing the total value of the angles ⁇ indicated by the sampled signal by n. The average value indicates the direction in which the nacelle should face in the absence of torsional vibration.
- the LPF processing unit 204 extracts a low frequency fluctuation component of several Hz or less from the output signal of the azimuth sensor 83 (electronic compass) for a long time ranging from several tens of seconds to several minutes.
- the frequency analysis processing unit 206 it is observed that the nacelle slowly changes its direction, and the low-frequency vibration component of the nacelle can be obtained.
- the frequency band blocked by the LPF processing unit 204 is set to an appropriate value corresponding to the structure of the tower 100, the nacelle 90, and the like.
- the vibration information storage unit 208 detects the azimuth data calculated by the average value calculation unit 202, low-frequency vibration data in the rotation direction of the nacelle 90 analyzed by the frequency analysis processing unit 206, and vibration sensors 81 and 82.
- the vibration data accompanying the rotation of the blade of the wind turbine analyzed by the frequency analysis processing unit 206 is stored.
- the data transmission unit 210 transmits the vibration information stored in the vibration information storage unit 208 from the nacelle 90 to an observation station or the like as necessary by radio or the like.
- state monitoring unit 200 is not limited to the above-described configuration divided into blocks, and can also be realized by software processing using a computer including a CPU, a storage device, an input / output buffer, and the like.
- the state monitoring unit 200 can also be configured by dedicated hardware (electronic circuit).
- the vibration sensors 81 and 82 can be detected with the direction sensor 83.
- a slight change in the direction of the nacelle 90 due to the torsional vibration of the tower 100 can be detected with high sensitivity by a change in the direction of geomagnetism.
- the azimuth sensor 83 may include a plurality of magnetic detection elements, arranged so as to detect magnetic changes in directions orthogonal to each other, and configured to detect rotational motion in two or three axes.
- an electronic compass device in which a biaxial or triaxial magnetic detection element is integrated may be mounted to have the same function. By using an inexpensive electronic compass, it is possible to extract a low-frequency vibration component that has been difficult in the past.
- the extracted low frequency vibration information can be used as follows. (First use example) The change in the amplitude of the torsional vibration of the tower 100 detected by the direction sensor 83 is obtained, and when the amount of change is large, the wind turbine is operated as “it is influenced by how the wind strikes the blade 30 (wind direction disturbance)”. Extracts information about the situation and outputs warning information.
- the blade pitch variable mechanism includes a blade pitch changing drive device 24 attached to the rotor head side, and a ring gear 26 rotated by a pinion gear fitted to the rotation shaft of the drive device 24.
- the ring gear 26 is fixedly attached to the blade 30.
- the blade pitch variable mechanism swings a plurality of blades 30 to change (adjust) the pitch of the blades 30.
- blade bearings 120 are provided at the base end portions of the plurality of blades 30, and the blades 30 are respectively supported by the blade bearings 120 and rotate around the rotation shaft of the blade bearings 120.
- the pitch of the blade 30 is set so that the angle formed by the wind direction and the wind receiving surface of the blade 30 is an angle ⁇ ( ⁇ 0). Then, the wind receiving surface of the blade 30 receives energy from the wind.
- the plurality of blades 30 rotate about the main shaft 22 connected to the rotor head 20 with respect to the tower 100 together with the rotor head 20. The rotation of the rotating shaft is transmitted to the generator, and power generation is performed.
- the pitch of the blade 30 is changed so that the wind direction and the wind receiving surface of the blade 30 are parallel to each other.
- the low-frequency vibration component extracted from the output of the direction sensor 83 can be used to determine whether or not a cross wind is generated by the gust. Specifically, when the intensity of the low-frequency vibration component exceeds a predetermined threshold, it can be determined that the wind is strong.
- a frequency component protruding by frequency analysis is extracted from the vibration component detected by the direction sensor 83, the natural frequency of the structure can be estimated.
- this frequency changes, an abnormality such as a change in the strength of the structure is suspected, so that it can be monitored for a long period and used for anomaly estimation.
- warning information is output. Watching this warning information, the supervisor can go to the site for inspection.
- the direction sensor 83 that determines the direction based on geomagnetism (such as an electronic compass) is exemplified.
- the direction sensor 83 is not limited to this as long as it can detect a change in the rotation angle ⁇ in FIG.
- a gyro sensor can be used as the direction sensor 83. Gyro sensors have been widely used for camera shake prevention, game machine motion detection, automobile attitude measurement, and the like.
- the wind power generator state monitoring device 80 is installed in the nacelle 90, receives an orientation sensor 83 that detects the orientation of the nacelle 90, and an output of the orientation sensor 83, and executes at least one of signal recording, analysis, and transmission.
- a state monitoring unit 200 Preferably, the state monitoring unit 200 detects the rotation of the nacelle 90 due to the torsional vibration of the tower 100 based on the output of the direction sensor 83.
- the azimuth sensor 83 can also detect a fluctuation in a slow direction that is difficult to detect with an acceleration sensor or the like, the rotation of the nacelle 90 accompanying the torsional vibration of the tower 100 can be detected well.
- the state monitoring unit 200 calculates an average value for each predetermined time from the output signal of the direction sensor 83 and calculates the direction data of the nacelle 90.
- the state monitoring unit 200 monitors the torsional vibration of the tower 100 by extracting a component having a predetermined frequency (for example, several Hz) or less from the output signal of the direction sensor 83.
- a predetermined frequency for example, several Hz
- the torsional vibration component can be separated from the output signal of the direction sensor 83.
- the state monitoring device 80 further includes a housing 212 that houses the direction sensor 83 and the state monitoring unit 200.
- the state monitoring unit 200 When using magnetism, it is better not to install the direction sensor near a cable or the like through which a large current flows in the wind power generator, but there are few restrictions on the installation location. Therefore, if the state monitoring unit 200 is housed in the same housing 212 or attached to the housing 212, the installation of the orientation sensor 83 is completed together with the installation of the housing 212 of the state monitoring device 80.
- the installation work of the state monitoring device 80 is simple.
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Abstract
風力発電装置の状態監視装置(80)は、ナセル(90)に設置され、ナセル(90)の向きを検出する方位センサ(83)と、方位センサ(83)の出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部(200)とを備える。好ましくは、状態監視部(200)は、方位センサ(83)の出力に基づいて、タワー(100)のねじれ振動に伴うナセル(90)の回動を検出する。方位センサ(83)は、加速度センサなどでは検出の難しいゆっくりした方向の変動も検出することができるので、タワー(100)のねじれ振動に伴うナセル(90)の回動を良好に検出することができる。
Description
本発明は、風力発電装置の状態監視装置に関する。
クリーンなエネルギー源を使用して発電する発電装置として、風力発電装置が知られている。
風力発電装置においては、運転監視装置(Supervisory Control And Data Acquisition:SCADA)や状態監視装置(Condition Monitoring System:CMS)などにより風車の運転状態が遠隔的に監視される。SCADAでは、風車の発電量や風速などの運転情報が収集され、CMSでは、機器の損傷や劣化状態などが監視される。
CMSで収集される情報の中には振動のデータが含まれる。振動のデータは、圧電素子などを含む加速度センサで計測されることが多い。このような加速度センサは、応答周波数が、たとえば、40Hz~8kHzに限定されている。
このため、一般的な振動センサでは、40Hzを下回るような低周波数の振動を検出することは難しい。
特開2013-087732号公報(特許文献1)は、このような低周波振動を検出することができる簡易なセンサを用いて、風力発電装置の状態を監視するシステムを開示する。
低周波の振動の一例として、風力発電装置のタワーのねじれ振動によって、ナセルに発生する振動が挙げられる。
上記の特開2013-087732号公報(特許文献1)に開示された低周波振動センサは、タワーの上端が前後または左右方向に変位するピッチング振動は検出することができるが、ねじれ振動については検出が難しい。また低周波用の高感度加速度センサは、比較的高価でサイズも大きくなるため、適用しにくいという問題がある。
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低周波の振動を安価なセンサで検出することができる風力発電装置の状態監視装置を提供することである。
この発明は、要約すると、タワーの上部にナセルが設置された風力発電装置の状態監視装置であって、ナセルに設置され、ナセルの向きを検出する方位センサと、方位センサの出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部とを備える。
方位センサを備えることによって、風力発電装置のナセルの向きを安価かつ簡単に検出することができる。
好ましくは、状態監視部は、方位センサの出力に基づいて、タワーのねじれ振動に伴うナセルの回動を検出する。好ましくは、方位センサは、地磁気を検出する磁気センサを含む。
方位センサは、加速度センサなどでは検出の難しいゆっくりした方向の変動も検出することができるので、タワーのねじれ振動に伴うナセルの回動を良好に検出することができる。
好ましくは、状態監視部は、方位センサの出力信号から一定時間ごとの平均値を求め、ナセルの方位データを算出する。
このようにすれば、タワーのねじれ振動によってナセルの向きが変化しても、ナセルのおおよその方位を正しく検出することができる。
好ましくは、状態監視部は、方位センサの出力信号から所定周波数以下の成分を抽出することによって、タワーのねじれ振動を監視する。
このようにすれば、方位センサの出力信号からねじれ振動の成分を分離することができる。
好ましくは、状態監視装置は、状態監視部を収容するとともに、方位センサを収容するか、または方位センサが取り付けられた筐体をさらに備える。
方位センサは、磁気を用いる場合には、風力発電装置において大電流が流れるケーブル等の近くに設置することは避けた方が良いが、それ以外の取り付け場所の制限は少ない。したがって状態監視部と共に同じ筐体に方位センサも収容するか、または筐体に方位センサを取り付けておけば、状態監視装置の筐体を設置の完了と同時に方位センサの設置も完了するため、方位センサの設置工事が簡単で済む。
本発明によれば、低周波数のナセルの回動を安価な装置で監視等することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
図1は、本実施の形態の異常診断装置が使用される風力発電装置を説明するための図である。
図1を参照して、タワー100の上端部には、ナセル90が設けられている。ロータヘッド20には複数のブレード30が取り付けられている。ロータヘッド20は主軸22の先端部分に接続されている。主軸22はナセル90内部で支持される。主軸22の回転は、増速機40を経由して発電機50へと伝達される。
風力発電装置は、地上に固定されたタワー100に対して、風向に応じてナセル90を回転させるヨー運動を行なうことが可能に構成されている。好ましくは、風上にブレード30側が位置するようにナセル90が回転される。
また、風力発電装置10は、風力の強さに応じてブレード30の風の方向に対する角度(以下、ピッチと称する)を変化させることによって、適度な回転を得ている。また、風車の起動・停止を行なう場合にも同様に、ブレードピッチが制御される。また、主軸を1回転させる間においても、各ブレード30が数度揺動するように制御されている。このようにすることによって、風から得ることのできるエネルギーの量を調整することができる。強風時などでは、風車の回転を抑制するためにブレードの風受け面(翼面、羽面ともいう)を風の方向と平行にする。
図2は、ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。図1、図2を参照して、風力発電装置10は、主軸22と、ブレード30と、増速機40と、発電機50と、主軸受60と、状態監視装置80とを備える。増速機40、発電機50、主軸受60および状態監視装置80は、ナセル90に格納され、ナセル90は、タワー100によって支持される。
主軸22は、ロータヘッド20からナセル90内に進入して増速機40の入力軸に接続され、主軸受60によって回転自在に支持される。そして、主軸22は、風力を受けたブレード30により発生する回転トルクを、増速機40の入力軸へ伝達する。ブレード30は、主軸22の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸22に伝達する。
主軸受60は、ナセル90内において固設され、主軸22を回転自在に支持する。主軸受60は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。
増速機40は、主軸22と発電機50との間に設けられ、主軸22の回転速度を増速して発電機50へ出力する。一例として、増速機40は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機40内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機50は、増速機40の出力軸61に接続され、増速機40から受ける回転トルクによって発電する。発電機50は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機50内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。
ナセル回転機構は、ナセル90側に取り付けられたナセル向き変更用の駆動装置124と、駆動装置124の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ126とを含む。リングギヤ126はタワー100に固定された状態に取り付けられている。
ナセル回転機構は、ナセル90の向きを変更(調整)する。ここで、ナセル90とタワー100の境界部には、ナセル支持用の軸受122が設けられている。ナセル90は軸受122によって支持され、軸受122の回転軸を中心として回転する。このようなタワーの中心軸回りのナセル90の回転をヨー(yaw)運動またはヨーイング(yawing)という。ヨー運動は、ナセル90内に設置された状態監視装置80によって検知される。
状態監視装置80は、方位センサ83と、状態監視部200と、方位センサ83および状態監視部200を収容する筐体212とを含む。方位センサ83は小型であり、設置場所も比較的自由に選べる。方位センサ83を状態監視部200の電子回路基板上に搭載しても良い。また、方位センサ83を筐体212の外部に取り付けておいても良い。方位センサ83を筐体212に入れておくか、または筐体212に取り付けておけば、状態監視装置80を既設の風力発電装置に設置する際に、方位センサ83を取り付ける手間を省くことができる。
方位センサ83としては、たとえば地磁気によって方角を検出できるセンサを使用することができる。近年スマートフォンなどに電子コンパス(デジタルコンパス)が搭載されるようになっている。地磁気の変化をXY方向の2軸で検出する2つの磁気センサを内蔵した電子コンパスモジュール、および地磁気の変化をXYZ方向の3軸で検出する3つの磁気センサを内蔵した電子コンパスモジュールは安価に手に入るようになっているので、これらの電子コンパスモジュールを方位センサ83として使用することができる。
そして、本実施の形態では、方位センサ83の出力をナセル90の向きの検出に用いると共に、タワーのねじれ振動によるナセル90の回動の検出にも使用する。
図3は、タワーのねじれ振動によって発生するナセルの回動を説明するための図であり、ナセル90を上方から見た図である。図2、図3を参照して、ブレード30が正面方向から風を受けるように、風向に応じてナセル向き変更用の駆動装置124によって角度αが調整される。
しかし、角度αを風向に応じて調整したとしても、横方向から突風を受けることがある。すると、ナセル90が回動し、タワー100にねじり振動が発生する。その結果、角度βの範囲で、ナセル90に低周波数の回動方向の振動が発生する。回動方向の振動が発生すると、図3の角度αは増減するように変動する。
そこで、本実施の形態では、状態監視装置80において、ナセル90の向いている方向(角度αに対応)を検知して、風の方向と機器の振動状態との関係を考慮しながら振動(角度βに対応)をモニタリングする。
ナセル90の向いている方向を検知するために、状態監視装置80は、方位センサ83を用いる。方位センサ83としては、携帯電話等にも用いられている地磁気を検知可能な電子コンパスを使用することができる。
方位センサ83をナセル内に設置して、方位センサ83で計測した信号を状態監視部200の入力データとして利用することができる。
図4は、状態監視部200の構成を示したブロック図である。状態監視部200は、方位センサ83および振動センサ81,82からの信号を受け、風力発電装置の監視を行なう。
図4を参照して、状態監視部200は、方位センサ83の出力と振動センサ81,82の出力とを受け、風力発電装置の振動データの記録、解析、送信の処理を行なう。状態監視部200は、平均値算出部202と、LPF(ローパスフィルタ)処理部204と、周波数解析処理部206と、振動情報記憶部208と、データ送信部210とを含む。
平均値算出部202は、ナセル90の方向を求めるために、方位センサ83(電子コンパス)の信号から一定時間の平均値を求めることによりノイズを取り除く処理を行なう。具体的には、平均値算出部は、方位センサ83の信号を定期的に一定時間にn個サンプリングし、サンプリングした信号が示す角αの合計値をnで割ることによって平均値を算出する。平均値は、ねじり振動がなければナセルが本来向いているべき方向を示す。
LPF処理部204は、数十秒から数分間にわたる長時間の方位センサ83(電子コンパス)の出力信号から、数Hz以下の低周波変動成分を抽出する。抽出した信号を周波数解析処理部206において解析すると、ナセルがゆっくりと向きを変化する様子が観測され、ナセルの低周波振動成分を求めることができる。なお、LPF処理部204が遮断する周波数帯は、タワー100、ナセル90等の構造に対応した適切な値に設定される。
振動情報記憶部208は、平均値算出部202によって算出された方位データと、周波数解析処理部206によって解析されたナセル90の回動方向の低周波の振動データと、振動センサ81,82で検出され周波数解析処理部206によって解析された風車のブレードの回転に伴う振動データとを記憶する。
データ送信部210は、振動情報記憶部208に記憶された振動情報を、無線等によってナセル90から観測所などへ必要に応じて送信する。
なお、観測所では、通常の振動センサ81,82の信号から得られた情報と方位センサ83の信号から得られた情報とを組み合わせて、数Hz以上の振動成分を含めた総合的な分析判断を行なう。
また、状態監視部200は、上記のブロック分けされた構成に限らず、CPU、記憶装置、入出力バッファ等を含むコンピュータを用いてソフトウエアによる処理で実現することも可能である。また、状態監視部200は、専用のハードウェア(電子回路)により構成することも可能である。
以上説明したように、本実施の形態では、振動センサ81,82では検出の難しい低周波の振動であっても、方位センサ83で検出することが可能になる。例えば、タワー100のねじれ振動等によってナセル90の向きがわずかに変動するのを、地磁気の方向変化によって高感度に検知することができる。
また、方位センサ83は、磁気検出素子を複数含み、これらが互いに直交する方向の磁気変化を検出するように配置して、2軸または3軸方向の回転運動を検出する構成としてもよい。また、電子コンパスのデバイスとして2軸または3軸の磁気検出素子を集積したものを搭載して、同様な機能を持たせてもよい。安価な電子コンパスを利用することにより、従来難しかった低周波振動成分を抽出することができる。
さらに、抽出した低周波振動情報は、次のように利用することができる。
(第1の利用例)
方位センサ83によって検出されたタワー100のねじれ振動の振幅変化を求め、変化量が多い場合には「ブレード30に対する風の当たり方(風向の乱れ)の影響を受けている」などと風車の運転状況に関する情報を抽出し、警告情報を出力する。
(第1の利用例)
方位センサ83によって検出されたタワー100のねじれ振動の振幅変化を求め、変化量が多い場合には「ブレード30に対する風の当たり方(風向の乱れ)の影響を受けている」などと風車の運転状況に関する情報を抽出し、警告情報を出力する。
この情報に基づいて、ブレードピッチ可変機構の制御を変更することもできる。再び図2を参照して、ブレードピッチ可変機構について説明する。ブレードピッチ可変機構は、ロータヘッド側に取り付けられたブレードピッチ変更用の駆動装置24と、駆動装置24の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ26とを含む。リングギヤ26はブレード30に固定された状態に取り付けられている。
ブレードピッチ可変機構は、複数のブレード30を揺動させ、ブレード30のピッチを変更(調整)する。ここで、この複数のブレード30の基端部には、ブレード用軸受120が設けられており、ブレード30はブレード用軸受120によってそれぞれ支持され、ブレード用軸受120の回転軸を中心として回転する。
発電機50に負荷がかかっている場合には、風の方向とブレード30の風受け面とがなす角度が角度θ(≠0)となるようにブレード30のピッチが設定される。すると、ブレード30の風受け面は、風からのエネルギーを受ける。そして複数のブレード30は、ロータヘッド20に接続された主軸22を軸とし、ロータヘッド20と共にタワー100に対して回転する。この回転軸の回転は発電機へと伝達され、発電が行なわれる。
ここで、強風時などには、風の方向とブレード30の風受け面とが平行となるようにブレード30のピッチが変更されるが、強風であるか否かの判断は設置場所によって変える必要がある。たとえば、地形の影響により、突風による横風が発生しやすい場所では、強風と判定する風速を下げることが好ましい。
このように突風による横風が発生しているか否かの判断に方位センサ83の出力から抽出された低周波の振動成分を用いることができる。具体的には、低周波の振動成分の強度が所定のしきい値を超えた場合に、強風であると判定することができる。
このようにすることによって、ブレード30およびロータヘッド20の回転速度の異常上昇による風力発電装置10の破損を防止することができる。
(第2の利用例)
方位センサ83によって検出された振動成分から、周波数解析により突出した周波数成分を抽出すると、構造体の固有振動数を推定することができる。この周波数が変化した場合には、構造体の強度変化などの異常が疑われるため、長期間にわたってモニタして異常推定に利用することができる。
方位センサ83によって検出された振動成分から、周波数解析により突出した周波数成分を抽出すると、構造体の固有振動数を推定することができる。この周波数が変化した場合には、構造体の強度変化などの異常が疑われるため、長期間にわたってモニタして異常推定に利用することができる。
具体的には、たとえば、振動成分から推定された固有振動数が許容幅から外れたら、警告情報を出力する。この警告情報を見て監視者は現場に点検に行くことができる。
[変形例]
上記実施の形態では、方位センサ83として地磁気に基づいて方位を決めるもの(電子コンパスなど)を例示した。しかし、方位センサ83は図3の回転角αの変化を検出可能なものであればこれに限られるものではない。たとえば、方位センサ83として、ジャイロセンサが使用できる。ジャイロセンサは、カメラの手振れ防止やゲーム機の動き検出や自動車の姿勢計測などに広く用いられるようになってきている。
上記実施の形態では、方位センサ83として地磁気に基づいて方位を決めるもの(電子コンパスなど)を例示した。しかし、方位センサ83は図3の回転角αの変化を検出可能なものであればこれに限られるものではない。たとえば、方位センサ83として、ジャイロセンサが使用できる。ジャイロセンサは、カメラの手振れ防止やゲーム機の動き検出や自動車の姿勢計測などに広く用いられるようになってきている。
このような変形例でも、同様に低周波のナセルのヨー運動を監視することが可能となる。
最後に、再び図を参照して本実施の形態について総括する。風力発電装置の状態監視装置80は、ナセル90に設置され、ナセル90の向きを検出する方位センサ83と、方位センサ83の出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部200とを備える。好ましくは、状態監視部200は、方位センサ83の出力に基づいて、タワー100のねじれ振動に伴うナセル90の回動を検出する。
方位センサ83は、加速度センサなどでは検出の難しいゆっくりした方向の変動も検出することができるので、タワー100のねじれ振動に伴うナセル90の回動を良好に検出することができる。
好ましくは、状態監視部200は、方位センサ83の出力信号から一定時間ごとの平均値を求め、ナセル90の方位データを算出する。
このようにすれば、タワー100のねじれ振動によってナセル90の向きが変化しても、ナセル90のおおよその方位を正しく検出することができる。
好ましくは、状態監視部200は、方位センサ83の出力信号から所定周波数(たとえば数Hz)以下の成分を抽出することによって、タワー100のねじれ振動を監視する。
このようにすれば、方位センサ83の出力信号からねじれ振動の成分を分離することができる。
好ましくは、状態監視装置80は、方位センサ83と、状態監視部200とを収容する筐体212をさらに備える。
方位センサは、磁気を用いる場合には、風力発電装置において大電流が流れるケーブル等の近くに設置することは避けた方が良いが、それ以外の取り付け場所の制限は少ない。したがって状態監視部200と共に同じ筐体212に収容しておくか、または筐体212に取り付けておけば、状態監視装置80の筐体212を設置の完了と共に方位センサ83の設置も完了するため、状態監視装置80の設置工事が簡単で済む。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 風力発電装置、20 ロータヘッド、22 主軸、24,124 駆動装置、26,126 リングギヤ、30 ブレード、40 増速機、50 発電機、60 主軸受、80 状態監視装置、81,82 振動センサ、83 方位センサ、90 ナセル、100 タワー、120 ブレード用軸受、122 軸受、200 状態監視部、202 平均値算出部、204 処理部、206 周波数解析処理部、208 振動情報記憶部、210 データ送信部、212 筐体。
Claims (6)
- タワーの上部にナセルが設置された風力発電装置の状態監視装置であって、
前記ナセルに設置され、前記ナセルの向きを検出する方位センサと、
前記方位センサの出力を受け、信号の記録、解析、送信の少なくともいずれかを実行する状態監視部とを備える、風力発電装置の状態監視装置。 - 前記状態監視部は、前記方位センサの出力に基づいて、前記タワーのねじれ振動に伴う前記ナセルの回動を検出する、請求項1に記載の風力発電装置の状態監視装置。
- 前記方位センサは、地磁気を検出する磁気センサを含む、請求項1に記載の風力発電装置の状態監視装置。
- 前記状態監視部は、前記方位センサの出力信号から一定時間ごとの平均値を求め、前記ナセルの方位データを算出する、請求項1~3のいずれか1項に記載の風力発電装置の状態監視装置。
- 前記状態監視部は、前記方位センサの出力信号から所定周波数以下の成分を抽出することによって、タワーのねじれ振動を監視する、請求項1~4のいずれか1項に記載の風力発電装置の状態監視装置。
- 前記状態監視部を収容するとともに、前記方位センサを収容するか、または前記方位センサが取り付けられた筐体をさらに備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の風力発電装置の状態監視装置。
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