JP7467012B2 - 評価装置、評価方法、及び、評価方法を実現するためのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、評価装置、評価方法、及び、評価方法を実現するためのプログラムに関し、特に、風車を設置する候補地点における風力エネルギーによる自然エネルギーの乱流により生じると予想される構成機器への影響を予測して評価するための評価装置等に関する。

近年の風力発電設備の増加に伴い、山岳部等の複雑な地形上に建設された風力発電所において、風車のブレード破損等の事故が増加傾向にある。こうした近年の風車事故の増加傾向を受けて、国は事故防止対策の検討を行い、平成２９年４月１日より、単機出力５００ｋＷ以上の風力発電設備を設置する発電所にも定期安全管理審査制度を導入する電気事業法の改正が実施された。この様に国の風力発電設備に対する公共の安全を確保及び環境保全を図ることから安全規制が強化される中、発明者らの最近の研究から、風車の事故に対して、地形性乱流が強く関係していることが指摘されている。今後、日本国内の山岳部などの複雑地形に設置された風車の事故や故障を低減するため、保守や運用のための安全管理に寄与する高精度な数値風況面からの故障分析手法の確立が必要とされている。このような状況を受け、本願出願人は、既に、特許文献１の技術を提案している。

この特許文献１で提案した技術は、風力エネルギーはブレードを通して入力されることから、ブレードの疲労荷重評価は風車構造強度の評価を行う上では極めて重要であるという視点から提案した技術であり、具体的には以下の内容である。鹿児島県串木野れいめい風力発電所の風車10号機を対象として、風車ブレードの歪みや実風況データ等を計測し、得られた計測データに基づいて詳細な風車ブレードＤＥＬ（疲労等価荷重）データ解析を実施し、風車ブレード強度へ最も影響を与える風向を特定したものであった。

特開２０１８－９１３２８号

ところで、ブレードを用いたプロペラ式風力発電所である風車は、ブレード・ロータ軸・ハブを含むロータ系、動力伝達軸・増速機を含む伝達系、発電機・電力変換装置・変圧器・系統連系保護装置を含む電気系、出力制御・ヨー制御・ブレーキ装置・風向風速計・運転監視装置を含む運転・制御系、ナセル（伝達軸・増速機・発電機等を収納する部分）・タワー・タワーを支える基礎を含む支持・構造系のように、種々の構成から成り立っている。

ここで、風車に働く風の力を説明する。風車に働く風の力としては、ブレードに加わるブレード歪みに加えて、風力発電所である風車を構成する構成機器にもブレードに生じる波形から伝搬し繰り返し応力が加わっていることが分かってきた。この繰り返し応力は、引っ張りと圧縮のスラスト力である。このような力が加わる中で、風車制御方式も、ブレードの角度を制御するピッチ制御の他、ナセルを旋回させて風向に追従させるヨー制御が必要になっている。ここで、ヨーシステムは、ヨー歯車を用いて方位制御（ヨー制御）するシステムである。

しかしながら、上記特許文献１の技術は、ブレードへの疲労荷重評価に注目してはいるものの、風力発電所の他の構成機器、具体的にはヨーシステムなどへの故障等の影響を評価するものではなかった。

そこで、本発明は、風車ブレード歪みとスラスト力を計測できるナセル加速度（振動）との関係に着目し、ブレード以外の風力発電所の他の構成機器、具体的にはヨーシステムなどへの故障等の影響を評価する評価システム等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、風車を設置する候補地点における風力エネルギーの乱流により生じると予想される構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価するための評価装置であって、前記候補地点を含む候補空間における前記風力エネルギーの境界入力条件を記憶する境界入力条件記憶手段と、前記境界入力条件の下で、前記候補空間における前記風力エネルギーの変化を演算するシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段が演算した前記候補空間における前記風力エネルギーの変化と、前記境界入力条件記憶手段が記憶する前記境界入力条件とを用いて、前記候補地点に設置された場合の前記構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価する評価指標を演算する評価指標演算手段と、前記評価指標が評価基準値を超える場合に、前記候補地点に設置した場合の前記構成機器に疲労蓄積が進んで不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定する判定手段を備えるものである。

本発明の第２の観点では、第１の観点において、前記構成機器は、ヨーシステムであり、前記判定手段は、ブレード歪み変動とナセル加速度との関係性及び前記ナセル加速度とヨーシステムのヨーアクチュエータの電流値との関係について、風向別にその大小を相関させ、前記ブレード歪み変動が前記ヨーシステムへの疲労蓄積を増加させて、前記不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定することを特徴とする、ものである。

本発明の第３の観点では、第２の観点において、前記評価指標は、前記候補空間に含まれる評価点における主流方向、主流直交方向及び鉛直方向の三方向についての乱流評価指標の合成値である。

本発明の第４の観点は、第３の観点において、前記自然エネルギーの変化は、前記自然エネルギーが変化する速さであり、前記境界入力条件は、前記候補空間の境界の一部又は全部における前記自然エネルギーの変化の最大の速さを含み、前記評価点における前記自然エネルギーの変化の速さの標準偏差を演算する標準偏差演算手段を備え、前記評価指標演算手段は、前記評価指標を、前記評価点における主流方向、主流直交方向及び鉛直方向の三方向についての前記標準偏差の前記最大の速さに対する比を演算し、その合成値として演算する、ものである。

本発明の第５の観点では、第４の観点において、前記評価基準値は、０．２である。

本発明の第６の観点では、第２の観点において、前記評価指標は、ブレードの先端が動く軌跡上の左右端における主流方向の速度圧を用いた風荷重評価指標である。

本発明の第７の観点では、第６の観点において、前記評価基準値は、０．６である。

本発明の第８の観点では、風車を設置する候補地点における自然エネルギーの乱流により生じると予想される構成機器への疲労蓄積状況を予測して評価するための評価方法であって、前記構成機器は、ヨーシステムであり、境界入力条件記憶手段が前記候補地点を含む候補空間における前記自然エネルギーの境界入力条件を記憶しており、シミュレーション手段が前記境界入力条件の下で前記候補空間における前記自然エネルギーの変化を演算しており、判定手段が、前記シミュレーション手段が演算した前記候補空間における前記自然エネルギーの変化と、前記境界入力条件記憶手段が記憶する前記境界入力条件とを用いて、前記候補地点に設置された場合の前記構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価する評価指標を演算するステップと、判定手段が、前記評価指標が評価基準値を超える場合に、前記候補地点に設置した場合の前記構成機器に疲労蓄積が進んで不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定するステップとを含み、前記判定するステップにおいて、前記判定手段は、ブレード歪み変動とナセル加速度との関係性及び前記ナセル加速度とヨーシステムのヨーアクチュエータの電流値との関係について、風向別にその大小を相関させ、前記ブレード歪み変動が前記ヨーシステムへの疲労蓄積を発生させて、前記不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定することを特徴とする、ものである。

本発明の第９の観点は、コンピュータにおいて、第８の観点に記載の評価方法を実現するためのプログラムである。

本発明の各観点によれば、風車ブレード歪みとスラスト力を計測できるナセル加速度（振動）との関係に着目したことにより、ブレード以外の風力発電所である風車の構成機器に与える疲労蓄積を予測して評価できる。特に、ブレード歪み変動とナセル加速度との関係性及びナセル加速度とヨーシステムのヨーアクチュエータの電流値との関係について、風向別にその大小を相関させ、ブレード歪み変動がヨーシステムへの疲労蓄積を増加させて、不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定することにより、風車の構成機器の一つであるヨーシステムに生じる疲労蓄積を予測して評価できる。

本願発明の実施の形態の一例に係る評価装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１の評価装置の動作の一例を示すフロー図である。 実験として得られた串木野れいめい風力発電所の概要を説明する図である。 ナセル加速度計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、ブレード歪みデータ比較（風速９ｍ／ｓ程度時）[実測データ（０．０２秒値、２０１５年]を示した図である。 ナセル加速度計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、加速度Ｘデータ比較（風速９ｍ／ｓ程度時）[実測データ（０．０２秒値、２０１５年]を示した図である。 超音波風向風速計による気流解析を示す図であって、東風時と北風時の風向時系列データを比較する図である。 超音波風向風速計による気流解析を示す図であって、東風時と北風時の三方向風向時系列データを比較する図である。 ヨーアクチュエータ電流計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、東風（期間：２０１９年１０月２４日０時～１０月２５日０時）についての計測電流及びＥ値、風況条件の時系列の推移（実測データ）を示した図である。 ヨーアクチュエータ電流計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、北風（期間：２０２０年１月３１日～２月１日０時）についての計測電流及びＥ値、風況条件の時系列の推移（実測データ）を示した図である。 東風の風況シミュレーション条件の概要を示した図である。 風車１０号機に進入する主流方向（ｘ）風速の分布（瞬間場）を示した図である。 RIAM-COMPACTを用いたブレード左右端にかかる風速差を計算した結果を示す図である。 RIAM-COMPACTを用いたブレード左右端にかかる風荷重差を計算した結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について述べる。なお、本発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

まず、本願発明の前提の技術内容を説明する。特開２０１８－９１３２８号で提案された乱流評価装置は、自然エネルギーとして風を使って発電する風力発電装置（風車）を候補地点に設置してよいか否かを判定するものであった。ここで、以下の説明で出てくる、候補空間は、風車を設置する空間であるとする。候補空間の最も高い場所は、風車の最も高い箇所（通常、ブレード先端高さである。）の標高となる。評価点は、風車のハブ高さであるとする。

特開２０１８－９１３２８号で提案された乱流評価指標は、「乱流評価指標＝σ_u（ハブ高さ風速標準偏差）／Ｕ_in（境界風速）」であり、シミュレーションにおいて用いる境界入力条件を参照して、境界風速換算値として得られるものである。そのため、特開２０１８－９１３２８号で提案された乱流評価装置は、境界入力条件の下でのシミュレーションにより得られた風のデータを利用して、境界入力条件を加味した乱流評価指標により、候補地点における乱流の評価をすることができるものであった。これにより、風力発電の事業者は、シミュレーションを利用して、候補地点に風車を設置した状態を想定して、候補地点に風車を設置してよいか否かを判断することができるものであった。

このように、特開２０１８－９１３２８号で提案された乱流評価指標は、候補地点に風車を設置する空間を評価することができるものであった。さらに、各風向によっても高精度に評価できるため、風力発電事業者にとって、例えば、故障の危険性がある風向を事前に知り、その風向のときには発電を止めて故障を回避し、他の風向のときは発電することなどの適切な発電制御を行うことにより、故障による停止を回避して、効率よく電気を得ることができるものであった。

以下で説明する評価装置は、風車を設置する候補地点における風力エネルギーの乱流により生じると予想される構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価するための評価装置である。この評価において、実施例１では「乱流評価指標３成分合成」を用いることをポイントにしており、実施例２では「ブレード左右差の速度圧」を用いることをポイントにしている。「乱流評価指標３成分合成」又は「ブレード左右差の速度圧」を用いることにより、風車ヨーシステムのヨーアクチュエータ、ピニオンギアの故障リスク分析を行うことが可能になっている。

図１は、本願発明の実施の形態の一例に係る評価装置の構成の一例を示すブロック図である。図２は、図１の評価装置の動作の一例を示すフロー図である。図１及び図２を参照して、評価装置の構成及び動作の一例を説明する。

図１を参照して、評価装置１は、地形データ記憶部３と、境界入力条件記憶部５（本願請求項の「境界入力条件記憶手段」の一例）と、基準値記憶部７と、評価指標記憶部９と、シミュレーション部１１（本願請求項の「シミュレーション手段」の一例）と、制御部１２と、標準偏差演算部１３と、評価指標演算部１５（本願請求項の「評価指標演算手段」の一例）と、判定部１７（本願請求項の「判定手段」の一例）と、出力部１９とを備える。評価指標演算部１５は、乱流評価指標合成部１６を備える。

地形データ記憶部３は、候補地点を含む地域の地形を特定するための地形データを記憶する。境界入力条件記憶部５は、境界入力条件を記憶する。本実施例では、境界入力条件には、境界風速が含まれるとする。ここで、境界風速は、風車のブレード先端高さの標高での最大風速であるとする。以下では、境界風速は１０ｍ／ｓとする。基準値記憶部７は、判断処理の基準値を記憶する。本実施例では、判定基準値と評価基準値を記憶する。評価指標記憶部９は、評価指標演算部１５が演算した各風向の乱流評価指標と、評価点における主流方向、主流直交方向及び鉛直方向の三方向についての乱流評価指標の合成値である評価指標を記憶する。

図２を参照して、図１の評価装置１の各構成の動作の一例を説明する。

まず、シミュレーション部１１は、境界入力条件記憶部５が記憶する境界入力条件の下で、地形データ記憶部３が記憶する地形データを参照して、評価期間での評価点（ハブ高さ）における風のデータを得る（ステップＳＴ１）。

次に、制御部１２は、例えば４５°で分割して、東（東を中心に４５°の範囲から吹く風。以下同様。）、南東、南、南西、西、北西、北、北東の８つに分割するように、風向を複数に分割し、さらに、評価点における主流方向、主流直交方向及び鉛直方向の三方向である上下を加えて３次元的に分割して、その一つを選択する（ステップＳＴ２）。

制御部１２は、シミュレーション部１１が得た風のデータにおける風向を利用して、ステップＳＴ２で設定された風向の風の風速の経時的データを得る（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ３で得た風速の経時的データは、一つ又は複数の期間のものとする。連続する期間に属する風のデータを、「風速群」という。期間を分ける基準は、例えば、他の風向から設定された風向になり他の風向に変わるまでを一つの風速群としたり、同じ風向であっても風速が所定値未満から所定値以上となって所定値未満になるまでを一つの風速群としたり、それらを組み合わせて風速群としてよい。

制御部１２は、一つの風速群を選択する（ステップＳＴ４）。そして、選択した風速群での単位時間の平均風速が、判定基準値を超えるか否かを判断する（ステップＳＴ５）。本実施例では、単位時間は１０分間であり、判定基準値は９．０ｍ／ｓである。単位時間の平均風速が判定基準値を超えるならば、ステップＳＴ６に進む。単位時間の平均風速が判定基準値を超えないならば、ステップＳＴ８に進む。

ステップＳＴ６において、標準偏差演算部１３は、ハブ高さにおける風速の標準偏差を演算する。そして、評価指標演算部１５は、標準偏差演算部１３が演算した風速の標準偏差と、境界入力条件記憶部５が記憶する境界速度を用いて、候補地点における乱流評価指標を演算する（ステップＳＴ７）。制御部１２は、全ての風速群に対して処理を行ったか否かを判断する（ステップＳＴ８）。処理を行っていない風速群があるならば、ステップＳＴ４に戻り、処理を行っていない一つの風速群を選択する。制御部１２は、全ての風速群に対して処理を行ったならば、評価点における主流方向（ｘ）のｕ成分、主流直交方向（ｙ）のｖ成分及び鉛直方向（ｚ）のｗ成分の三方向の風向の全てについて処理が行われたかを判断する（ステップＳＴ９）。処理が行われていればステップＳＴ１０に進み、処理が行われていなければ、ステップＳＴ２に戻る。

ステップＳＴ１０において、評価指標演算部１５の乱流評価指標合成部１６は、評価点における主流方向（ｘ）のｕ成分、主流直交方向（ｙ）のｖ成分及び鉛直方向（ｚ）のｗ成分の三方向の乱流評価指標の合成値を演算する。ステップＳＴ１１において、判定部１７は、ステップＳＴ１０で得られた合成値が評価基準値を超えるか否かを判定する。ここで、評価基準値は、０．２である。判定部１７は、三方向の乱流評価指標の合成値である評価指標が評価基準値を超えないならば、ステップＳＴ１３に進む。判定部１７は、三方向の乱流評価指標の合成値である評価指標が評価基準値を超えるならば、候補地点における風の乱流が大きく構成機器へ与える疲労蓄積状況が大きく一定期間内に故障等の不具合が発生する可能性が高いと予測する。ここで、構成機器の具体的なものとしてはヨーシステムであり、具体的な不具合としてヨーアクチュエータ、ピニオンギアの故障や事故に対して注意を要することを表するものを評価基準値とし、上記の０．２を採用している。ステップＳＴ１２では、出力部１９は、三方向の乱流評価指標の合成値である評価指標が評価基準値を超えたことを出力し、構成機器へ与える疲労蓄積状況が大きく一定期間内に故障等の不具合が発生する可能性が高いと予測した結果が出たことを出力する。

ステップＳＴ１２に続き、制御部１２は、全ての風向に対して処理を行ったか否かを判断する（ステップＳＴ１３）。全ての風向に対して処理を行っていないならば、ステップＳＴ２に戻り、処理を行っていない一つの風向を選択する。全ての風向に対して処理を行ったならば、図２の処理を終了する。

図３～図１０を参照して、発明者らが行った実験を説明する。

図３は、実験として得られた串木野れいめい風力発電所の概要を説明する図である。図示された写真は、２０１９年１０月９日に撮影されたものである。

株式会社九電工及び株式会社設備保守センターの協力の下、鹿児島県いちき串木野羽島地区に位置する串木野れいめい風力発電所（平成２４年１１月より運転開始）において、東側にある弁財天山（標高５１９ｍ）を通過し発生する風の乱れ（地形性乱流）の影響が懸念され運転開始後約５年でヨーアクチュエータ、ピニオンギアの破損が発生した１０号機を研究対象風車とした。

［ナセル加速度計測データ解析（実測データ解析）］
図４は、ナセル加速度計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、ブレード歪みデータ比較（風速９ｍ／ｓ程度時）[実測データ（０．０２秒値、２０１５年]を示した図である。図４（ａ）は東風についてのデータであり、図４（ｂ）は北風についてのデータである。図５は、ナセル加速度計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、加速度Ｘデータ比較（風速９ｍ／ｓ程度時）[実測データ（０．０２秒値、２０１５年]を示した図である。図５（ａ）は東風（１１月１３日８：００～１０：００）についてのデータであり、図５（ｂ）は北風（１１月９日１７：００～２２：００）についてのデータである。

２０１５年１１月３日０時～２０１６年１１月１７日７時の期間におけるサンプリング周期０．０２Ｓで計測したブレード歪み及びナセル加速度Ｘのデータを使用して、風車ブレード強度へ最も影響を与える東風と、東風に対して、明確な差異が確認された北風についてナセル加速度Ｘについて解析を行った結果、東風のナセル加速度Ｘの値は、北風に対して大きいことが示された。

［超音波風向風速計による気流解析］
次に、超音波風向風速計による気流解析の結果を説明する。風車に入力される三次元の気流性状を解析するため、風車１０号機のナセル上に、新たに三次元超音波風向風速計を設置し、風速・風向・風速標準偏差・乱流強度を解析した(１０Hｚ：１秒間に１０回の計測)。計測期間は、２０１６年１２月１３日１２時～２０１７年３月２７日２３時とした。表１に示すように、風速９ｍ／ｓ程度において、風車１０号機に進入する現地風条件の三方向〔ｕ（主方向）、ｖ（横方向）、ｗ（上方向）〕において、ｕ、ｖ、ｗ全ての風速標準偏差及び乱流流強度は、北風の値に対して、東風の値が大きい事が確認された。

図６は、超音波風向風速計による気流解析を示す図であって、東風時と北風時の風向時系列データを比較する図である。図６（ａ）は、東風時（２０１７年３月２０日１５時００分～１５時１０分）のデータであり、図６（ｂ）は、北風時（２０１７年１月１１日１６時００分～１６時１０分）のデータである。図７は、超音波風向風速計による気流解析を示す図であって、東風時と北風時の三方向風向時系列データを比較する図である。図７（ａ）は、東風時（２０１７年３月２０日１５時００分～１５時１０分）のデータであり、図７（ｂ）は、北風時（２０１７年１月１１日１６時００分～１６時１０分）のデータである。

以上のデータからは、以下の解析結果が得られた。風速と風速標準偏差の傾きが大きい場合に、ブレード疲労蓄積も大きくなることが実測結果により示された。東風時と北風時、風速９ｍ／ｓ程度において、風車ブレードＤＥＬ（疲労等価荷重）、風速標準偏差及び乱流強度に明確な差異が確認された。東風時の三次元的に時々刻々と変動する気流性状の場合、ブレード以外の風車構成機器の疲労蓄積を助長させているものと推測された。なお、風車１０号機を対象とした２方位（東方位および北方位）の風速標準偏差および風車ブレードＤＥＬ（疲労等価荷重）の差異については、１０号機東側（７８ｄｅｇ方向）約３００ｍに位置する弁財天山(標高５１９ｍ)の影響と推察される。

［ヨーアクチュエータ電流計測データ解析（実測データ解析）］
ナセル方位を風向に追従させるヨーシステムにおいて、ヨーアクチュエータはヨーモータを駆動させるために極めて重要である。そのため、風車１０号機ナセル内の、ヨーアクチュエータ動作時にヨーアクチュエータ４機（右前方・後方、左前方・後方）の駆動電流値を自動計測が可能な装置を設置し計測した。計測期間の２０１９年１０月９日～２０１９年１０月２７日、２０２０年１月２９日～２０２０年２月２５日において、風車１０号機のヨーアクチュエータ相電流実測データに基づき地形性乱流が風車ヨーシステムに与える影響を評価した。ここでは、上記した明確な差異が確認された東風と北風に主眼を置いて議論を進める。また、４機のアクチュエータ駆動電流値に差異がなかったことから、右後方の値を評価値とした。ヨーアクチュエータの健全度指標については、乱流による非定常状態下の設備健全度を示す必要があることから、ヨーアクチュエータ稼働時の負荷変化に伴う電流の変動値をエネルギー等価値（周波数データのオーバオール値）として捉えることによって、駆動時間内の総エネルギー量として考えることができる。本解析ではヨーアクチュエータ駆動時に計測された電流変動値の合計エネルギー量は、フーリエ変換によって周波数軸に変換された振幅値の積和として表わすことができる。このため、この理論を利用することにより、単位周波数あたりのエネルギー量として標準化できるエネルギー量（以下「Ｅ値」呼称）を用いた。このＥ値について少し補足する。数１に示した式は、パーセバルの定理であり、交流電流値を定量化する手法として用いた。ここで、一般的には、パーセバルの定理は騒音値の算定を行う場合に使用され、計測された測定レベルを各周波数帯域で合成（総和）し、定量化するものである。設備の状態監視、健全性を表す指標としてのメリットとして、以下の点があることから採用した。まず、非定常性の強い時間信号をフーリエ変換することによって、その分析周波数帯域全体の合成パワーとして表現でき、画一的な絶対値判定が可能という点がある。次に、サンプリング周波数と算出方式が同一であれば、機種やメーカーが違ってもほぼ同じ結果を得ることができる点（標準化された指標として用いることが可能）がある。このような判断から、Ｅ値を用いて、２０１９年、２０２０年に計測したヨーモータの電流（負荷）を評価することとした。

データ解析のポイントとして、東風時の場合、計測期間で最もＥ値が大きかった２０１９年１０月２４日２時２４分と、同等の風速であった北風の場合の２０２０年１月３１日２２時２７分の風向、風速、Ｅ値を表２に示す。

図８は、ヨーアクチュエータ電流計測データ解析として得られた実測データ解析の結果で、東風（期間：２０１９年１０月２４日０時～１０月２５日０時）についての計測電流及びＥ値、風況条件の時系列の推移（実測データ）を示した図である。図８（ａ）は平均風向を示し、図８（ｂ）は状態量を示す。図９は、ヨーアクチュエータ電流計測データ解析として得られた実測データ解析の結果であって、北風（期間：２０２０年１月３１日～２月１日０時）についての計測電流及びＥ値、風況条件の時系列の推移（実測データ）を示した図である。図９（ａ）は平均風向を示し、図９（ｂ）は状態量を示す。

図８及び図９には、表２に表した時間のその前後の時間の計測電流およびＥ値、風況条件の時系列推移を示しており、東風と北風の比較解析の結果、東風時の方が北風時より明らかに高いＥ値となった。この結果、地形性乱流の影響により、ブレードに大きな歪み変動が発生し、これに連動してナセル加速度Ｘの値が大きくなり、ヨーアクチュエータ電流値にも差異が発生していることが推察された。この様な地形性乱流の発生は、起動回数に比例又は増加により風車ヨーシステムの故障リスクに大きな影響を与えると考えられる。

［数値風況シミュレーション条件の概要］
図１０は、東風の風況シミュレーション条件の概要を示した図である。メッシュ数は４９６×２０１×８１点（約８００万点）とし、流入風速分布はＮ＝７．０に従うべき乗則分布とし、水平方向の最小メッシュ幅は約１０．０ｍ（不等間隔）とし、鉛直方向の最小メッシュ幅は約１．５ｍ（不等間隔）としている。

上記したヨーアクチュエータ電流値分析結果を踏まえ、ヨーアクチュエータ、ピニオンギアの破損に影響を与える風況特性を定量的に評価する必要があるため、地形性乱流の影響が大きいと推察された東風と上記したように差異が確認された北風の計２方位を対象に数値風況シミュレーションを実施した。数値風況シミュレーションでは、実地形版RIAM-COMPACTを用いた。図１０に示すように、東風の場合の風況シミュレーション条件を設定した。地形標高データは、国土地理院の空間解像度１０ｍの標高データを用いた。なお、北風の場合も、東風の場合と同じ条件である。

［計算結果の考察］
ここでは、東風の場合に地形性乱流の影響を大きく受けていると推測される東風と、北風についても考察する。図１１には風車１０号機に進入する主流方向（ｘ）風速の分布（瞬間場）を示す。この図を観察すると、東風が吹いた場合、１０号機の上流に位置する弁財天山から剥離流(地形性乱流)が形成され、１０号機風車はこの影響を強く受けていることがRIAM-COMPACTの解析結果からも明らかになった。ここでは、地形の凹凸を発生起源として生成された地形性乱流の気流変動のみを評価するため、流入気流が有する変動成分(風の流入変動)は考慮していない。風力発電施設の風条件（乱流）の扱いとして、電気事業法に基づく風力発電施設に関する技術基準を定める省令（風技省令）の第4条で主流方向、主流直交方向、鉛直方向の３方向の乱流を考慮した現地風条件を踏まえて「風圧」を計算することが規定されており、ここでは、数値風況シミュレーションから結果から得られた、乱流評価指標３成分の合成を活用した風車ヨーシステムに与える危険度の判定の評価指標について提案する。

表３には、東風時および北風時の風車１０号機地点におけるハブ中心（地上高６０ｍ）の乱流評価指標３成分の合成を示す。東風の場合、乱流評価指標３成分の合成値は０．２３となっている。一方で北風の場合、乱流評価指標３成分は０．１６と小さくなっている。また、表４及び表５に示したように、東風の場合、北風の場合と比較して、３成分全てにおいて上回る結果となっている。そして、東風時、風車１０号機地点では非定常な風向変動が繰り返し生じたことにより、ヨーアクチュエータ、ピニオンギアの破損の主要因となったと考えられる。なお、表６に示すように、乱流評価指標を用いることにより、その場の乱流影響と風車ブレードＤＥＬ（疲労等価荷重）の大小関係を確認できることが期待される。

［風車ヨーシステム危険度判定への応用］
上記した超音波風向風速計による風速３成分の計測結果から東風時の場合、風車１０号機地点において水平断面内（ヨー方向）および鉛直断面内の気流の時間的・空間的な変動が大きいことが示された。また、実測データ解析結果と風況シミュレーション結果（乱流評価指標３成分の合成）にも強い相関性が確認された（表１～表６参照）。これにより、図１１に示す数値風況シミュレーション結果（複雑地形に起因した地形性乱流）の発生が、風車ヨーシステムのヨーピニオンギアの破損を誘発させたと推測される。この推測に基づき、ブレード歪み変動とナセル加速度との関係性及びナセル加速度とヨーシステムのヨーアクチュエータの電流値との関係について、風向別にその大小を相関させ、ブレード歪み変動がヨーシステムへの疲労蓄積を増加させて、不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定することにしている。複雑地形上に建設された風車ヨーシステムの危険度を判定する目的で、数値風況シミュレーション結果から乱流評価指標３成分の合成値が０．２超える場合を破損リスク大、０．２以内の場合、破損リスク小と定義する。この指標は地形性乱流が与える影響は風車および風車ヨーシステムの保守・運転を結びつける数値であると考えられる。

以下、実施例１のポイントを整理して説明する。鹿児島県いちき串木野市羽島地区に位置する株式会社九電工が保有する串木野れいめい風力発電所(平成２４年１１月より運転開始)の風車１０号機を対象に、実測データ解析およびラージ・エディ・シミュレーション（ＬＥＳ）に基づいた数値風況シミュレーションを実施した。その結果、東風が発生した場合、風車１０号機の上流（東方位）に位置する弁財天山(標高５１９ｍ)が起源となる地形性乱流が発生し、風車１０号機はその影響を直接的に受けている。この様な気流性状は、風車ヨーシステムのヨーピニオンギアの故障リスクが大きいことが示された。一連の定性的かつ定量的な考察を通じて、RIAM-COMPACTから出力される「乱流評価指標３成分合成」を用いることが、風車ヨーシステムのヨーピニオンギアの故障リスク分析を行うために有意であることが確認された。国の定期事業者検査においては、事故防止のため、ブレードやタワーなどの検査対象部位毎にボルトナット検査などの実施が義務付けられている。このため、山岳部などの複雑地形上に建設された風車の新規立地点では、気流性状を詳細に把握することが、風力発電設備の予防保全並びに長期安定運転に大きく貢献できるものと考えられる。

以下では、「乱流評価指標３成分合成」に代えて、ブレード左右端の風速（Ｕ成分）の変動に着目し、風車ヨーシステムに与える危険度を判定する新しい指標である風荷重評価指標についての実施例について説明する。

まず、構成について説明する。実施例２では、図１の構成において、標準偏差演算部１３は不要であり、評価指標演算部１５は乱流評価指数合成部１６を備えずに風荷重評価指標を演算するものに代わり、評価指標記憶部９も風荷重評価指標を記憶するものに代わり、基準値記憶部７も乱流評価指標３成分合成に対する基準値に代えて風荷重評価指標に対する基準値を記憶するものに代わることになる。動作は、図２の処理ではなく、シミュレーションして、風荷重指標を求め、風荷重指標が基準値を超えたか否かが判断され、超える場合には超えたことが出力されるとともに破損リスク大ということも出力される処理となる。

風荷重指標について説明する。風荷重は、風圧力×受圧面積で求められる。風圧力は、速度圧ｑ（Ｎ／ｍ^２）×風力係数Ｃｆで求まられる。速度圧ｑは、０．６×Ｅ×Ｖ_０ ^２で求められる。ここで、速度圧ｑについて説明する。風圧力は空気の運動エネルギーによって生じる。１ｍ^３の空気の質量をｍとし、速度ｖとすると、（１／２）ｍｖ^２が空気の運動エネルギーになり、ｍは約１．２ｋｇなので、（１／２）×１．２ｋｇ×ｖ^２であり、０．６ｖ^２となり、速度圧ｑは、上記となる。ここで、Ｅは、高さと周辺環境で決まる係数である。このように、速度圧が風速（ｍ／ｓ）の２乗に比例する。このことを踏まえ、ナセル風向風速計で計測されたハブ中心の風速から、ブレード左右端の風速を予測し、左右端の風荷重の相対比較を行うため、便宜上、ｖ^２（風速の２乗）で算定を行うものとする。

図１２は、RIAM-COMPACTを用いたブレード左右端にかかる風速差を計算した結果を示す図である。図１３は、RIAM-COMPACTを用いたブレード左右端にかかる風荷重差を計算した結果を示す図である。

表７に示すように、「標準偏差」、「平均」、「最大値」の全ての値において、東風が北風を上回った。また、図１１及び図１２に示すように、東風の場合、風車ブレード左右端に大きな風の乱れが生じている。

風荷重指標についての評価基準値は、下記の式から、０．６とした。なお、計算値は０．５３になるが、耐用年数２０年（ＦＩＴ期間）後も風車が使用されることを考慮し、耐用年数＋αの使用期間を考慮してラウンドアップした値をとり、０．６とした。

このような「風荷重指標」を評価指標に用いても、「乱流評価指標３成分合成」を評価指標に用いた場合と同様に、風車ヨーシステムの不具合、具体的にはヨーピニオンギアの故障リスクが大きいことが示すことができる。

１・・・評価装置、５・・・境界入力条件記憶部、１１・・・シミュレーション部、１５・・・評価指標演算部、１６・・・乱流評価指数合成部、１７・・・判定部

Claims (4)

1. 風車を設置する候補地点における風の地形性乱流により生じると予想されるブレード以外の構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価するための評価装置であって、
   前記候補地点を含む候補空間における風速の境界入力条件を記憶する境界入力条件記憶手段と、
   前記境界入力条件の下でのシミュレーション演算である前記候補空間に含まれる風車のハブ高さの評価点における三方向の前記風速の標準偏差を演算する手段であって、風の風向方向と同じ方向である主流方向の風速の標準偏差成分値、前記主流方向に対して直交横方向である主流直交方向の風速の標準偏差成分値並びに前記主流方向に対して鉛直上方向である鉛直方向の風速の標準偏差成分値を演算する標準偏差演算手段と、
   前記標準偏差演算手段が演算した前記候補空間に含まれる前記評価点における前記三方向のそれぞれの前記風速の標準偏差成分値と、前記境界入力条件記憶手段が記憶する前記風速の境界入力条件とを用いて、前記風速の境界入力条件に対する前記三方向のそれぞれの前記風速の標準偏差成分の比を演算し、前記候補地点に設置された場合の前記ブレード以外の構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価する評価指標として前記演算した比の合成値を演算する評価指標演算手段と、
   前記評価指標として演算した比の合成値が評価基準値を超える場合に、前記候補地点に設置した場合の前記ブレード以外の構成機器に疲労蓄積が進んで不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定する判定手段を備える、評価装置。
2. 前記ブレード以外の構成機器は、ヨーシステムである、請求項１記載の評価装置。
3. 風車を設置する候補地点における風の地形性乱流により生じると予想されるブレード以外の構成機器へ与える疲労蓄積状況を予測して評価するための評価方法であって、
   前記ブレード以外の構成機器はヨーシステムであり、
   境界入力条件記憶手段が前記候補地点を含む候補空間における風速の境界入力条件を記憶しており、
   標準偏差演算手段が、前記境界入力条件の下でのシミュレーション演算である前記候補空間に含まれる風車のハブ高さの評価点における三方向の前記風速の標準偏差を演算するステップであって、風の風向方向と同じ方向である主流方向の標準偏差成分値、前記主流方向に対して直交横方向である主流直交方向の標準偏差成分値並びに前記主流方向に対して鉛直上方向である鉛直方向の標準偏差成分値を演算するステップと、
   評価指標演算手段が、前記標準偏差演算手段が演算した前記候補空間に含まれる前記評価点における前記三方向のそれぞれの前記風速の標準偏差成分値と、前記境界入力条件記憶手段が記憶する前記風速の境界入力条件とを用いて、前記風速の境界入力条件に対する前記三方向のそれぞれの前記風速の標準偏差成分の比を演算し、前記候補地点に設置された場合の前記ヨーシステムへ与える疲労蓄積状況を予測して評価する評価指標として前記演算した比の合成値を演算するステップと、
   判定手段が、前記評価指標として演算した比の合成値が評価基準値を超える場合に、前記候補地点に設置した場合の前記ヨーシステムに疲労蓄積が進んで不具合が一定期間内に発生する可能性が高いと判定するステップとを含む、評価方法。
4. コンピュータにおいて、請求項３記載の評価方法を実現するためのプログラム。