JP2016142237A - 構造材および風力発電設備、風力発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な構造材、風力発電設備、風力発電システムを提供する。【解決手段】主に屋外環境下で使用される構造物の構造材であって、前記構造材は、当該構造材の基盤となる基材と、前記基材の一方の主面上に形成された第１の保護層と、前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、前記構造材の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記第２の保護層の状態をモニタすることを特徴とする。【選択図】 図４
Description
本発明は、風力発電設備に関し、特に、風力発電設備各部位の表面状態のモニタ方法に関する。
風力発電設備は、風車すなわちブレードとハブからなるロータが風を受けることによって回転し、その回転エネルギーを電気に変換する。このような風力発電設備は、一度設置されると継続的に使用され続け、１年から２年毎に定期的に点検が行われる。
一方、風力発電設備は強い風が長時間吹き続ける場所に設置されるのが一般的であり、周辺に高い建築物や木などがない海岸線に設置されることが多い。また、発電効率を上げるため、海岸から離れた洋上での大型風力発電設備の建設も増加している。
このような海岸付近あるいは洋上では、太陽光による紫外線や風雨の影響に加え、塩水の影響を受けたり、雹や鳥が衝突したりすることがある。また、落雷による損傷といった不具合も生じる。この他にも、過酷な気候条件の場所に設置されることが多い。例えば、砂漠などでは、気温の寒暖差が激しく、強い太陽光を浴び、砂嵐の影響を受けることもある。また、火山地帯では腐食性ガスや火山灰の影響を受けることもある。
上記のように、風力発電設備は厳しい環境下に曝されるため、長期間の稼動により、損傷や変形、表面汚染、表面剥離といった不具合が起こる。このような不具合が生じると、外観不良や各部位の破損による発電効率の低下が生じるため、風力発電設備を構成するブレードやタワーなどの構造物基材（以下、基材）表面には、塗装等の手段によって表面を保護する表面保護層が設けられる。
基材は、表面保護層によって屋外環境から遮断されるため、損傷が防止される。この表面保護層が消失すると、基材は、屋外環境に暴露されるため損傷や材料劣化が起こりやすくなる。損傷や材料劣化などの不具合が生じた基材を修復するためには、部品を一時的に取り外したり、部品を地上に下ろした状態で補修作業を行うなどの施工が必要となり、この間、風力発電設備は停止するため発電ができなくなる。
従って、風力発電設備においては、屋外環境に曝される主要構造物の不具合の検知、或いは、その兆候を早期に検知することは、例え補修が必要になった場合でも短時間で補修を行うことができるため、風力発電設備の稼働率や信頼性を高めるうえで重要な課題となっている。
風車構造物の不具合を早期に検知し、部品の交換や補修を適切に実施する手段として、カメラにより遠隔から監視する方法やセンサを構造物に取り付けて状態監視を行う方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、ブレードの損傷あるいは損傷の兆候を光学的に診断するための方法および装置が提案されている。
特許文献１によれば、低コストであり、損傷の兆候を検知して風力発電装置の補修を行う際、サービス人員の作業上の危険を軽減できるとしている。
また、特許文献２には、風力発電設備の構造物表面に、塩害などによる腐食を事前に検知することができる腐食検知装置およびそれを備えた屋外構造物が提案されている。
特許文献２によれば、腐食環境に応じて屋外構造物の塗膜や部材や部品などのメンテナンスを的確に実施できるとしている。
また、特許文献３には、構造物に発生したき裂を遠方からカメラで監視する技術が提案されている。
特許文献３は、応力が付加されると発光するという性質を持つ応力発光材料を用いたものであり、応力の大きさと発光強度とが高い相関を有するという特性を持つ。この応力発光材料を含有した塗料あるいはシート状に加工した材料を構造物表面に貼り付けることによって、高い応力の発生個所やき裂の発生部位をカメラで検知する技術である。
しかしながら、特許文献１において提案されているようなカメラおよびレーザーポインタなどの発光手段によって、回転中のブレード表面に生じたき裂を的確に発見することは容易ではない。
また、特許文献２の技術では、センサ部から離れた位置における構造物表面の腐食や劣化を検知することは容易ではなく、センサを増やすとデータ量が増大するため、データ記憶装置や伝送装置の信頼性を高める手段が別途必要となる。
また、特許文献３の技術では、構造物にき裂が発生した後に、発光強度が高まった部分をき裂発生部位として検知する。風力発電設備には絶え間なく自然風による外力が作用することから、ひとたび構造材にき裂が発生すると、不測の強い風によって設備が即時破壊に至ることがある。特許文献３に記載の技術によれば、このような事象が起きる前に、き裂が発生した部品を検知することで補修や新品への交換を行うことができるが、その間、発電設備を停止する必要がある。
さらに、ひとたびき裂が生じた部品を補修したとしても、その健全性を保証することは難しいため、損傷の程度によって新品に交換することとなる。そのため、保守に係る時間や費用の観点からは、き裂が発生するよりも早期に不具合箇所を見出す必要がある。
そこで、本発明の目的は、表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な構造材を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、屋外環境に曝される部位の表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な風力発電設備を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、屋外環境に曝される部位の表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な風力発電システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、主に屋外環境下で使用される構造物の構造材であって、前記構造材は、当該構造材の基盤となる基材と、前記基材の一方の主面上に形成された第１の保護層と、前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、前記構造材の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記第２の保護層の状態をモニタすることを特徴とする。
また、本発明は、複数のブレードが連結された回転軸と、前記回転軸を回転可能に支承するナセルと、前記ナセルの支柱となるタワーと、を有する風力発電設備であって、前記複数のブレード、前記回転軸、前記ナセル、前記タワーの各部位うち、少なくとも１つ以上の部位において、表面に保護層が形成された構造材が用いられ、前記構造材は、当該構造材の基盤となる基材と、前記基材の一方の主面上に形成された第１の保護層と、前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、前記構造材の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記第２の保護層の状態をモニタすることを特徴とする。
また、本発明は、風を受けて発電する風力発電設備と、前記風力発電設備の表面の損傷状態を外部から検出する損傷検出手段と、前記損傷検出手段により取得したデータの処理を行う表面損傷検知システムと、を備えた風力発電システムであって、前記表面損傷検知システムは、前記損傷検出手段により取得したデータを画像処理する画像処理装置と、前記画像処理装置により処理された画像処理データを表示する画像表示装置と、前記画像処理装置により処理された画像処理データを記録する記録装置と、前記記録装置に記録された画像処理データを有線通信、或いは、無線通信により外部へ送信する送信部と、を備え、前記風力発電設備の表面は、基材の表面上に形成された第１の保護層と、前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、前記風力発電設備の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記風力発電設備の表面の損傷状態をモニタすることを特徴とする。
本発明によれば、表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な構造材を実現できる。
また、本発明によれば、屋外環境に曝される部位の表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な風力発電設備を実現できる。
また、本発明によれば、屋外環境に曝される部位の表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能な風力発電システムを実現できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の複数の実施例を複数の図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る代表的な風力発電設備の概略構成を示す図である。図１において、風力発電設備１のブレード１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）は回転軸１２に取付けられ、ナセル１３内の図示しない発電装置により発電を行う。符号１１はナセル１３を支持するタワーである。
次に、図２から図５を参照して、本実施形態に係る風力発電設備のブレード基材表面の損傷検知手段の概要を説明する。図２は、風力発電設備のブレードの概略図であり、図１に示す風力発電設備におけるブレード１０を平面視したものである。また、図２におけるＡ−Ａ’断面を矢印方向に見た断面を図３に示す。図３において点線で囲った範囲Ｂにおける拡大図を図４に示す。ブレード基材１００の表面には、応力発光材を含んだ第１の層１０５が配置され、第１の層１０５の他方の表面に第２の層１０６を配置して成る表面保護層１５を備える。図５は、図４において第２の層１０６が露出した状態の露出部１６を表す図である。
ブレード１０は、ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂を母材としたガラス繊維強化樹脂複合材（Ｇｌａｓｓ−Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｒｏｃｅｄ−Ｐｌａｓｔｉｃ：以下、ＧＦＲＰ）、および炭素繊維強化樹脂複合材料（Ｃａｒｂｏｎ−Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｒｏｃｅｄ−Ｐｌａｓｔｉｃ：以下、ＣＦＲＰ）を構造材とし、ハンドレイアップ法、樹脂含浸法、真空含浸法、オートクレーブ法等によって成形、製造される。複数の部材を接着剤やその他の接合手段により接合することによって翼型が形成される。
また、ブレード１０は、空力学的に回転力を得る翼型に形成されている。ブレード１０本体は、図３に示すように、上流側と下流側とに分割されて対向する前側外皮１００ａ及び後側外皮１００ｂと、前側外皮１００ａ及び後側外皮１００ｂの回転方向前端部に配置された先端部１０１ａと、前側外皮１００ａ及び後側外皮１００ｂの回転方向後端部に配置された後端部１０１ｂと、を主構成要素としている。
先端部１０１ａと後端部１０１ｂは、それぞれ接着接合部１０２ａと接着接合部１０２ｂで接着接合されることで、ブレード１０本体の翼型を形成する。ウェブ１０３ａと１０３ｂは、ブレード本体１０の長手方向先端に向けて延びる細長い板状に形成されている。このウェブ１０３ａと１０３ｂは、前側外皮１００ａ及び後側外皮１００ｂに対して略垂直に配置されており、一方の端縁が、桁部材１０４ａを介して前側外皮１００ａと直接的又は間接的に接続されるとともに、他方の端縁が、桁部材１０４ｂを介して後側外皮１００ｂと直接的又は間接的に接続される。このため、ウェブ１０３ａと１０３ｂは、対向する前側外皮１００ａと後側外皮１００ｂとを支持して、ブレード１０本体が前後方向に撓むのを抑制する機能を備える。
第１の層１０５に含まれる応力発光材は、摩擦力、せん断力、衝撃力、圧力などの機械的な外力による歪（ひずみ）エネルギーによって材料自身が発光するという性質を有する材料であり、かつ、その歪エネルギーに比例して発光強度が変化するという性質を有している。
この応力発光材としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やアルミン酸（ＳｒＡｌ２Ｏ４）などを主成分とするもの、スピネル構造のＭｇＡｌ２Ｏ４及びＣａＡｌ２Ｏ４、コランダム構造のＡｌ２Ｏ３、及びβ−アルミナ構造のＳｒＭｇＡｌ１０Ｏ１７の中から選ばれた少なくとも１種の金属酸化物又は複合酸化物の母体結晶中に不安定な３ｄ、４ｄ、５ｄ又は４ｆ電子殻を有し、この電子殻内で輻射転移を生起しうる希土類金属イオン及び遷移金属イオンの中から選ばれた少なくとも１種の金属イオンを発光中心の中心イオンとして含むもの、非化学量論的組成を有するアルミン酸塩の少なくとも１種からなり、かつ機械的エネルギーによって励起されたキャリアーが基底状態に戻る際に発光する格子欠陥をもつ物質、又はこの母体物質中に希土類金属イオン及び遷移金属イオンの中から選ばれた少なくとも１種の金属イオンを発光中心の中心イオンとして含むもの、Ｙ、Ｂａ及びＭｇの中から選ばれた少なくとも１種の金属の酸化物とＳｉの酸化物との複合体を少なくとも主成分とする母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る際に発光する希土類金属及び遷移金属の中から選ばれた少なくとも１種の発光中心を添加したものなどの応力発光材が挙げられる。
また、メリライト型構造のＣａＹＡｌ３Ｏ７、Ｃａ２Ａｌ２ＳｉＯ７、Ｃａ２（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｓｉ２Ｏ７、Ｃａ２Ｂ２ＳｉＯ７、ＣａＮａＡｌＳｉ２Ｏ７、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、（Ｃａ，Ｎａ）２（Ａｌ，Ｍｇ）（Ｓｉ，Ａｌ）２Ｏ７、およびＣａ２（Ｍｇ，Ａｌ）（Ａｌ，Ｓｉ）ＳｉＯ７の酸化物のうちの１種類以上からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発光する希土類または遷移金属の１種類以上からなる発光中心を添加したもの、ＦｅＳ２構造のＳｒ３Ａｌ２Ｏ６またはＣａ３Ａｌ２Ｏ６からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発光する希土類または遷移金属の１種類以上の発光中心を添加したもの、例えば、β−アルミナ構造を有するセラミックスまたはアルミン酸ストロンチウムなども挙げられる。
一般には、アルミン酸塩またはケイ酸塩などのような無機化合物が用いられる。特に、汎用になってきているユーロピウムを添加したアルミン酸（ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ）や、マンガンを添加した硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）などの微粒子がより好ましい。
これらの応力発光材は、合成樹脂や合成繊維に効率よく充填させるために、その形状が球状であり、かつ、その直径が１μｍ〜１０μｍの範囲にあることがより好ましい。
応力発光材が発光した時の状態をより目立たせるためには、第１の層１０５の母材は透明性が高いものが良い。具体的には、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂や、これら合成樹脂の共重合体、ブレンド品などを挙げることができる。また応力を十分に伝えるために表面硬度が硬い樹脂や伸度が小さい樹脂の方がより好ましい。
第２の層１０６は高分子樹脂材料から成る材料であり、具体的には、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂などであり、耐光性の観点からポリウレタン系樹脂やフッ素系樹脂を用いることが好ましい。また、これら合成樹脂の共重合体やブレンド品などが挙げられる。
ブレード１０は屋外環境に曝されるため、その表面が雨滴や砂塵によって削られたり、紫外線によって表面が劣化したり、或いは、鳥や雪雹等の飛来物が衝突することによって第１の層が摩耗や剥離を起こし、図５に示すように第１の層１０５が露出する。（基材表面の損傷による第１の層の露出部１６）
第１の層１０５は外力を受けて発光するため、この状態では露出部分のみが発光するので夜間時において近距離からは目視、遠距離からは夜間でも撮影可能なカメラを用いることによって発光部位を特定することができる。第２の層１０６が消失したことを発光により検知した時点では、基材の健全性は保持、あるいは軽微な損傷を受けている状態であるため、ブレード１０の損傷が拡大する前に適切な補修を施すことができる。
第１の層１０５は外力を受けて発光するため、この状態では露出部分のみが発光するので夜間時において近距離からは目視、遠距離からは夜間でも撮影可能なカメラを用いることによって発光部位を特定することができる。第２の層１０６が消失したことを発光により検知した時点では、基材の健全性は保持、あるいは軽微な損傷を受けている状態であるため、ブレード１０の損傷が拡大する前に適切な補修を施すことができる。
第１の層１０５と第２の層１０６を設ける部位は、ブレード基材１００に限定されるものではなく、ブレード基材の接着接合部１０２（１０２ａ，１０２ｂ）やウェブ部材１０３（１０３ａ，１０３ｂ）、桁部材１０４（１０４ａ，１０４ｂ）などの基材表面、前記各部材間の接合部、および形状や寸法が急変（変化）する曲面部や切欠き部に配置することが可能であり、部位によって使用を制限するものではない。
以上説明したように、本実施例によれば、風力発電設備において、ブレード表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能になる。
また、風力発電設備のブレードが破損する前に、補修が必要な部位を事前に検知することができる。
また、保守点検時における補修や再塗装部分を予め特定しておくことができるため、補修に必要な時間や塗装に必要な塗料の量を削減することができる。従って、風力発電設備の稼働率向上およびメンテナンスコストの低減が可能になる。
次に、図６から図９を参照して、本実施形態に係る風力発電設備のタワー基材表面の損傷検知手段の概要を説明する。図６は、本実施形態に係るタワーの部分的な概略図であり、図１に示す風力発電設備におけるタワー１１を示したものである。また、図６におけるＣ−Ｃ’断面を矢印方向に見た断面を図７に示す。図７において１１０はタワー基材の平滑部であり、１１３はタワーの高さ方向への溶接部すなわち長手溶接部である。図８は、図７における平滑部１１０を拡大した図を表す。平滑部１１０の表面には、応力発光材を含んだ第１の層１０５が配置され、第１の層１０５の他方の表面に第２の層１０６が配置される。図９は、図８において第１の層１０５が露出した状態の露出部１６を表す図である。
タワー１１は鉄鋼材料から成り、所定の厚さの圧延材を曲げた後に、一方の端部と他方の端部を長手溶接部１１３（１１３ａ，１１３ｂ）で溶接接合し、タワー円筒１１０ａ，１１０ｂのように円筒状に加工する。長手溶接部１１３（１１３ａ，１１３ｂ）はタワー円筒１１０ａ，１１０ｂの周上に複数設けても良い。
一方のタワー円筒１１０ａ，１１０ｂともう一方のタワー円筒１１０ａ，１１０ｂとを周方向溶接部１１４（１１４ａ，１１４ｂ）にて溶接接合する。この工程を複数回繰り返し、溶接接合されたタワー組立て部１１１（１１１ａ，１１１ｂ）と、もう一方のタワー組立て部１１１（１１１ａ，１１１ｂ）は、フランジ部１１２（１１２ａ，１１２ｂ）においてボルト締結接合する。
この工程を所望の高さになるまで繰返して風力発電設備のタワーを完成する。タワー１１の頂上部には、図示しない旋回ベアリングと、動力伝達機構と発電機を収めたナセル１３と、回転軸１２と、複数のブレード１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）が取り付けられる。
実施例１に示したブレード１０の場合と同様に、タワー１１は屋外環境に曝されるため、まずその基材表面が雨滴や砂塵によって削られたり、紫外線によって表面が劣化したり、或いは、鳥や雪雹等の飛来物が衝突することによって第１の層１０５が摩耗や剥離を起こす。また、風力発電設備を海岸付近や洋上に設置した場合、海水の飛沫や塩分によって、第１の層が摩耗や剥離を起こし、図９に示すように第１の層１０５が露出する。（基材表面の損傷による第１の層の露出部１６）
第１の層１０５は外力を受けて発光するため、露出部分のみが発光し、夜間時においては近距離からは目視、遠距離からは夜間でも撮影可能なカメラを用いることによって発光部位を特定することができる。第１の層１０５が消失したことを発光により検知した時点では、基材の健全性は保持、あるいは軽微な損傷を受けている状態であるため、タワー１１の損傷が拡大する前に適切な補修を施すことができる。
第１の層１０５は外力を受けて発光するため、露出部分のみが発光し、夜間時においては近距離からは目視、遠距離からは夜間でも撮影可能なカメラを用いることによって発光部位を特定することができる。第１の層１０５が消失したことを発光により検知した時点では、基材の健全性は保持、あるいは軽微な損傷を受けている状態であるため、タワー１１の損傷が拡大する前に適切な補修を施すことができる。
以上説明したように、本実施例によれば、風力発電設備において、タワー表面の損傷状態を容易にモニタすることが可能になる。
また、風力発電設備のタワーが破損する前に、補修が必要な部位を事前に検知することができる。
また、保守点検時における補修や再塗装部分を予め特定しておくことができるため、補修に必要な時間や塗装に必要な塗料の量を削減することができる。従って、風力発電設備の稼働率向上およびメンテナンスコストの低減が可能になる。
図１０は、図６における長手溶接部１１３（１１３ａ，１１３ｂ）の拡大図である。長手溶接部１１３（１１３ａ，１１３ｂ）などの溶接部は、溶接によって不連続部１７が形成されるため、応力集中を起こしやすくなる。外力が作用すると、応力集中部では高い応力が発生する。そのため、実施例１や実施例２に記載の平滑部に比べ、第２の層１０６が消失して露出した第１の層１０５の応力発光強度が高まり、より強い光を発するため迅速に構造材表面の損傷を検知することができる。
このような不連続部において、第２の層１０６が消失すると、屋外環境の影響により劣化が加速し構造信頼性が低下するため、本実施例を不連続部に適用することはより効果的である。
このように、第１の層１０５と第２の層１０６からなる基材の表面保護層１５を設ける部位は、本実施例のようなタワー１１の長手溶接部長手溶接部１１３（１１３ａ，１１３ｂ）だけではなく、例えば、フランジ部１１２（１１２ａ，１１２ｂ）、周方向溶接部１１４（１１４ａ，１１４ｂ）などの接合部（溶接部）、および形状や寸法が急変（変化）する部位等に配置することができる。
さらに、ブレード１０やタワー１１の平滑部に限定されるものではなく、ブレード１０の先端部１０１ａと後端部１０１ｂの接着接合部１０２や、ウェブ１０３（１０３ａ，１０３ｂ）外皮と桁部材１０４（１０４ａ，１０４ｂ）の接合部にも適用することができる。
以上のように、複数の部材間の接合部、形状や寸法が急変（変化）する部位、ボルト締結用の孔などの切欠き部等に配置することが可能であり、部位によりその適用範囲を制限するものではない。
本発明の別の実施形態について説明する。本実施例においては、実施例１或いは実施例２において説明した第１の層１０５と第２の層１０６の熱弾性差に起因する応力分布の差を赤外線サーモグラフィなどの赤外線温度計測手段により露出部１６を検知する。
赤外線サーモグラフィは、非定常の温度変化を計測する装置である。気体を断熱膨張させれば気体温度は低下し、逆に断熱圧縮すれば温度は上昇するように、固体においても急激に応力が作用する場合には同様の現象が起こり、これを熱弾性効果と呼ぶ。
金属など均質材料の熱弾性効果による発熱量は以下の式１で表される。
ここで、Δσは対象物の応力変動値、Ｔは温度、Ｋｍは熱弾性係数を表しており、熱弾性係数Ｋｍは、材料がもつ熱物性で決まる固有の数値である。風力発電設備に用いられる代表的な構造材料の熱的物性値と熱弾性係数Ｋｍの関係を表１に示す。例えば、鉄（Ｆｅ）のＫｍは３．４５×１０−6Ｎ/ｍｍ2である。
上記の式１の熱弾性効果を用いた応力測定手段は、測定対象物に応力変動が発生した時の微小な温度変動を赤外線サーモグラフィなどの計測手段により計測し、式１に基づき応力変動値Δσに換算する。
風力発電設備に用いられる代表的な構造材料における温度変動１．０ｍＫにおけるΔσの換算値を表１に示す。ここで、鉄（Ｆｅ）の場合のΔσは０．９７Ｎ/ｍｍ２であり、ＧＦＲＰのΔσは０．６４Ｎ/ｍｍ２である。すなわち、測定対象物に形状不連続部や切欠き部等の高応力発生個所では、測定される温度変動ΔＴが大きくなることを示す。
本実施例では、第１の層１０５のＫｍと第２の層１０６のＫｍが、それぞれ異なる材料で構成する。この構成とすることで、図４と図８のように、第２の層１０６が残存している場合、第２の層１０６に生じるΔσのみを計測することとなるが、図５と図９にように、第１の層１０５の一部が消失して第２の層１０６が露出した露出部１６において第１の層１０５に生じるΔσと第２の層１０６に生じるΔσを計測し、これらΔσの差分を計測することで露出部１６を検知することができる。
なお、Δσは以下の式２で表される。
ここで、第１の層１０５は高分子樹脂材料から成る材料であり、具体的には、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂などであり、耐光性の観点からポリウレタン系樹脂やフッ素系樹脂を用いることが好ましい。また、これら合成樹脂の共重合体やブレンド品などが挙げられる。
第２の層１０６は、第１の層１０５と異なる熱弾性係数Ｋｍとなる材料が好ましい。表１を参照して、例えば、第１の層１０５をフッ素樹脂、第２の層１０６をポリウレタン樹脂とすることで、応力変動Δσが１．０Ｎ／ｍｍ２のときの温度変動ΔＴは、それぞれ１４ｍＫ、１．５ｍＫと式１で算出することができ、この差分を赤外線サーモグラフィ等の赤外線検知手段によって計測することで第１の層の露出部１６を検出することができる。
本実施例では基材の平滑部を例として説明したが、複数の部材の接合部、および形状や寸法が急変（変化）する曲面部や切欠き部に配置することが可能であり、部位によりその適用範囲を制限するものではない。また、表１に示した材料に制限されるものではなく、好適な材料を適宜組み合わせることができる。
なお、本実施例では、構造材に関して余計なコストは不要であるが、赤外線サーモグラフィ等の赤外線検知手段が必要である。
本発明の別の実施形態について説明する。本実施例は、実施例１或いは実施例２において説明した第１の層１０５と第２の層１０６の色の違いにより露出部１６を検知するものがある。第１の層１０５と第２の層１０６を異なる色の層で構成し、第１の層１０５の消失による露出部１６を色彩色差計で検知するものである。
図１１を用いて本実施例の概要を説明する。図１１は、物体の色を表す表色系であって、１９７６年に国際照明委員会で規格化され、ＪＩＳ−Ｚ８７８１−４：２０１３で制定されたＬ＊ａ＊ｂ*表色系２である。
Ｌ＊ａ＊ｂ*表色系２は、明度をＬ＊、色相と彩度を示す色度をａ＊、ｂ*で表す。ａ＊とｂ*は色の方向を示し、ａ＊は赤方向、−ａ＊は緑方向、そしてｂ＊は黄方向、-ｂ＊は青方向を示し、数値が大きくなるに従って鮮明になり、中心に向かうにつれてくすんだ色になることを示す。
Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系２によると色彩の差（色差）をΔＥ＊ａｂ２３の数値で表すことができる。図１１において、第１の層１０５の色２１と、露出した第２の層１０６の色２２を、例えば、コニカミノルタ社から製品化されている色彩計などを用いた色計測手段によって、色差を式３によって求める。
上記のように、本実施例では、第１の層１０５と第２の層１０６の配色を限定するものではなく、表色系２を参照して、第１の層１０５と第２の層１０６の色差ΔＥ＊ａｂ２３を求めておき、これを閾値として稼働中に第２の層１０６の消失を検知する。
表色系は、Ｌ＊ａ＊ｂ*表色系２に限定されるものではなく、マンセル表色系、ＸＹＺ表色系、Ｌ＊ｃ＊ｈ表色系、ハンターＬａｂ表色系のように規格化されたものを基準としても良く、独自の表色系を用いても良い。
色差の検知手段としては、上記の色彩計を用いる方法の他、解像度の高いカメラを用いて画像や動画を記録装置に記録し、画像処理装置により後処理を行う手段によって色差を判定することもできる。また、条件によっては、色彩色差計を用いずに目視で色差を判定することも可能である。
図１２および図１３を参照して、本発明の別の実施形態について説明する。図１２は、ブレード基材１００の表面保護層１５の別の実施形態を表す図である。
本実施例では、ブレード基材１００の表面に配置された第１の層１０５と第２の層１０６との間に、第１の層１０５に配合したものとは異なる応力発光体を含んだ第３の層１０７を配置する。図１３は、本実施例において、ブレード基材１００の表面に配置された表面保護材１５が板厚方向に摩耗して、第１の層１０５と第３の層１０７が等高線状に露出している状態を表す。
第１の層１０５と、第３の層１０７に配合する応力発光材は、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やアルミン酸（ＳｒＡｌ２Ｏ４）などを主成分とするもの、スピネル構造のＭｇＡｌ２Ｏ４及びＣａＡｌ２Ｏ４、コランダム構造のＡｌ２Ｏ３、及びβ−アルミナ構造のＳｒＭｇＡｌ１０Ｏ１７の中から選ばれた少なくとも１種の金属酸化物又は複合酸化物の母体結晶中に不安定な３ｄ、４ｄ、５ｄ又は４ｆ電子殻を有し、この電子殻内で輻射転移を生起しうる希土類金属イオン及び遷移金属イオンの中から選ばれた少なくとも１種の金属イオンを発光中心の中心イオンとして含むもの、非化学量論的組成を有するアルミン酸塩の少なくとも１種からなり、かつ機械的エネルギーによって励起されたキャリアーが基底状態に戻る際に発光する格子欠陥をもつ物質、又はこの母体物質中に希土類金属イオン及び遷移金属イオンの中から選ばれた少なくとも１種の金属イオンを発光中心の中心イオンとして含むもの、Ｙ、Ｂａ及びＭｇの中から選ばれた少なくとも１種の金属の酸化物とＳｉの酸化物との複合体を少なくとも主成分とする母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る際に発光する希土類金属及び遷移金属の中から選ばれた少なくとも１種の発光中心を添加したものなどの応力発光材が挙げられる。
また、メリライト型構造のＣａＹＡｌ３Ｏ７、Ｃａ２Ａｌ２ＳｉＯ７、Ｃａ２（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｓｉ２Ｏ７、Ｃａ２Ｂ２ＳｉＯ７、ＣａＮａＡｌＳｉ２Ｏ７、Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７、（Ｃａ，Ｎａ）２（Ａｌ，Ｍｇ）（Ｓｉ，Ａｌ）２Ｏ７、およびＣａ２（Ｍｇ，Ａｌ）（Ａｌ，Ｓｉ）ＳｉＯ７の酸化物のうちの１種類以上からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発光する希土類または遷移金属の１種類以上からなる発光中心を添加したもの、ＦｅＳ２構造のＳｒ３Ａｌ２Ｏ６またはＣａ３Ａｌ２Ｏ６からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発光する希土類または遷移金属の１種類以上の発光中心を添加したもの、例えば、β−アルミナ構造を有するセラミックスまたはアルミン酸ストロンチウムなども挙げられる。
一般には、アルミン酸塩またはケイ酸塩などのような無機化合物が用いられる。特に、汎用になってきているユーロピウムを添加したアルミン酸（ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ）や、マンガンを添加した硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）などの微粒子がより好ましい。
これらの応力発光材は、合成樹脂や合成繊維に効率よく充填させるために、その形状が球状であり、かつその直径が１μｍ〜１０μｍの範囲にあることがより好ましい。
応力発光材が発光した時の状態をより目立たせるためには、第１の層１０５や第３の層１０７の母材は透明性が高いものが良い。具体的には、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂や、これら合成樹脂の共重合体、ブレンド品などを挙げることができる。また応力を十分に伝えるために表面硬度が硬い樹脂や伸度が小さい樹脂の方がより好ましい。
このとき第１の層１０５と第３の層１０７は異なる色彩の応力発光する構成とする。例えば、第３の層１０７には緑色発光するユーロピウムを添加したアルミン酸（ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ）を配合し、第１の層１０５には赤色発光するマンガンを添加した硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）を配合することにより、ブレード基材１００の表面保護層１５の損傷が進展する状態を定量的に検知することができる。
第２の層１０６は、高分子樹脂材料から成る材料であり、具体的には、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂であり、耐光性の観点からポリウレタン系樹脂やフッ素系樹脂を用いることが好ましい。また、これら合成樹脂の共重合体やブレンド品などが挙げられる。
本実施例は、上記の材料にのみ組み合わせが限定されるものではなく、また、表面保護層を構成する層の数も限定されるものではない。
また、表面保護層を備える基材は、風力発電設備のブレードに限定されるものではなく、タワーなどに適用しても同様の効果を得ることができる。
さらに、実施例４或いは実施例５においても、本実施例の構成を適用することができ、実施例１乃至実施例６の各実施例を複数組み合わせることで、より高精度に構造材表面の損傷を検知することができる。
図１４を用いて、本実施例における表面保護層１５の補修の概要を、一例を示しながら説明する。図１４は、実施例６で説明した図１２において、表面保護層１５を補修した後の断面図を表しており、ブレード基材１００、第1の層１０５、第２の層１０６、第３の層１０７、補修部１８、補修した第１の層１０５ａ、および補修した第２の層１０６ａからなる。
露出部１６を検知した後に補修作業を行う場合、表面保護層１５を新品状態と同等の状態に戻すことは、現地作業や目視作業では困難である。
そこで、本実施例では、補修部１８の構成を新品と異なる状態とした例であり、補修した第１の層１０５ａおよび補修した第２の層１０６ａと、第１の層１０５と第２の層１０６とは、それぞれ板厚が異なっていても良く、補修した第１の層１０５ａは新品の第１の層１０５と異なる材質でも良い。また、表面保護層１５の層数も限定されるものではなく、保護層を設ける基材も本実施例のブレードに限定されるものではないので、タワーなど他の部位に適用しても同様の効果を得ることができる。
このような構成とすることで、補修個所の履歴を記録してデータベース化することで、損傷を起こしやすい部位の傾向を把握することができる。このような傾向を設計者にフィードバックすることで風力発電設備の弱点を明確化し、次機種で強化を施すなどして更に信頼性を高めることができる。
図１５および図１６を参照して、基材表面損傷検知システムの実施形態の概要について説明する。図１５は基材表面損傷検知システム１４（１４ａ，１４ｂ）を備えた風力発電設備を示している。また、図１６は基材表面損傷検知システム１４の詳細な構成を示している。
本実施例における基材表面損傷検知システムは、図１６に示すように、損傷を検出する損傷検出部１４１、画像処理を行う画像処理装置１４２、画像を表示する画像表示装置１４３、画像処理データを記録する記録装置１４４、外部へ画像処理データを送信する送信部１４５、送信部１４５すなわち基材表面損傷検知システム１４を外部の設備や機器と接続する通信用ケーブル１４６などを備えている。
損傷検出部１４１は、基材上に配置された表面保護層１５の層数や各層の種類、各層の膜厚に応じて、ＣＣＤカメラや赤外線カメラ、色彩色差計を備えたカメラのいずれかが備えられる。
なお、色彩色差計は画像処理装置１４２に組み込まれていても良い。また、図１６では、通信用ケーブル１４６を用いて送信部１４５と外部の設備や機器とを接続する例を示しているが、送信部１４５などに無線通信手段を設け、外部の設備や機器へのデータの送信を無線方式としても良い。
本実施例においては、図１５に示すように、風力発電設備１のナセル１３に設けられた基材表面損傷検知システム１４（１４ａ，１４ｂ）によって、基材表面に生じた露出部１６（損傷部）を、実施例１乃至実施例７で説明したいずれかの手段によって検出する。
画像処理装置１４２には、基材表面が損傷したことを検知するための閾値の入力部があり、風力発電設備の稼働時に予め設定した閾値を超えた場合、保守担当者に補修が必要な損傷部位を知らせる。補修を行った部位の履歴や全体の補修回数などを記録装置１４４に記録し、補修位置の傾向や頻度を記録・分析することで、補修計画の適正化が行うことができる。また、設計担当者にフィードバックすることにより次機種の設計時に強化を施し、高信頼化を図ることができる。
このときの閾値は、損傷領域の大きさ（面積）や発光強度の大きさ、色彩の差（色差）などとし、画像処理装置によって行われた画像処理により抽出された露出部１６（損傷部）の損傷定量値（損傷度合）をもって閾値と比較する。
なお、基材表面損傷検知システム１４を設置する場所は、風力発電設備１の基材を監視できる部位であれば良く、高さや取り付け位置を制限するものではなく、例えば、タワー１１などに取り付けても良い。
図１７を用いて、基材表面損傷検知システムの別の実施形態について説明する。図１７は、構造表面損傷検知システム１４を備えた集合型風力発電設備（ウィンドファーム）１９である。図１７の詳細な構成は実施例８の形態とほぼ同様であり、損傷検出部１４１に遠距離でも撮影可能な高解像度な損傷検出装置を用いるのが好ましい。
本実施例では、図１７に示すように、ウィンドファーム１９の基材表面損傷検知システム１４を遠隔地すなわち各風力発電設備から離間した場所に設置する。
本実施例によれば、陸上や海岸（沿岸）、或いは洋上に風力発電設備を設置した場合、遠隔地から風力発電設備或いは複数台の風力発電設備からなるウィンドファーム１９の状態を監視することができるため、基材表面損傷検知システム１４の設置数を減らすことができる。
なお、上記の各実施例において、主に風力発電設備の例を用いて本発明に係る構造材を説明したが、風力発電設備と同様に、屋外の過酷な環境下に曝される鉄道車両や自動車の車体、航空機の機体、各種プラント設備に使用される圧力容器などに適用しても同様に効果を得ることができる。
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…風力発電設備、２…Ｌ＊ａ＊ｂ*表色系、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…ブレード、１１…タワー、１２…回転軸、１３…ナセル、１４，１４ａ，１４ｂ…基材表面損傷検知システム、１５…基材の表面保護層、１６…基材表面の損傷による第１の層の露出部、１７…溶接による不連続部、１８…表面保護層の補修部、１９…集合型風力発電設備（ウィンドファーム）、２１，２１ａ…第１の層の色、２２…露出した第２の層の色、２３…Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系による色彩の差（色差）ΔＥ＊ａｂ、１００…ブレード基材、１００ａ…前側外皮、１００ｂ…後側外皮、１０１…端部、１０１ａ…先端部、１０１ｂ…後端部、１０２，１０２ａ、１０２ｂ…接着接合部、１０３，１０３ａ，１０３ｂ…ウェブ、１０４，１０４ａ，１０４ｂ…桁部材、１０５…第１の層、１０５ａ…補修した第１の層、１０６…第２の層、１０６ａ…補修した第２の層、１０７…第３の層、１１０…平滑部、１１０ａ，１１０ｂ…タワー円筒、１１１，１１１ａ，１１１ｂ…タワー組立て部、１１２，１１２ａ，１１２ｂ…フランジ部、１１３，１１３ａ，１１３ｂ…長手溶接部、１１４，１１４ａ，１１４ｂ…周方向溶接部、１４１…損傷検出部、１４２…画像処理装置、１４３…画像表示装置、１４４…記録装置、１４５…送信部、１４６…通信ケーブル。
Claims (15)
- 主に屋外環境下で使用される構造物の構造材であって、
前記構造材は、当該構造材の基盤となる基材と、
前記基材の一方の主面上に形成された第１の保護層と、
前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、
前記構造材の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記第２の保護層の状態をモニタすることを特徴とする構造材。 - 前記構造材は、前記第１の保護層および前記第２の保護層の色差、或いは、熱弾性差を検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項１に記載の構造材。
- 前記第１の保護層は、応力により発光する応力発光材をその成分に含み、
前記構造材の表面側から当該応力発光材の発光を検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項１に記載の構造材。 - 前記構造材は、前記第１の保護層および前記第２の保護層の熱弾性差による応力分布の差を赤外線温度計測手段により検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項２に記載の構造材。
- 前記構造材は、前記第１の保護層および前記第２の保護層の間に、前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第３の保護層をさらに備え、
前記第１の保護層および前記第３の保護層は、それぞれ異なる第１の応力発光体および第２の応力発光体をその成分に含み、
前記構造材の表面側から前記第１の応力発光体、或いは、前記第２の応力発光体の発光を検知することにより前記第１の保護層、或いは、前記第３の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項１に記載の構造材。 - 複数のブレードが連結された回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支承するナセルと、
前記ナセルの支柱となるタワーと、を有する風力発電設備であって、
前記複数のブレード、前記回転軸、前記ナセル、前記タワーの各部位うち、少なくとも１つ以上の部位において、表面に保護層が形成された構造材が用いられ、
前記構造材は、当該構造材の基盤となる基材と、
前記基材の一方の主面上に形成された第１の保護層と、
前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、
前記構造材の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記第２の保護層の状態をモニタすることを特徴とする風力発電設備。 - 前記構造材は、前記複数のブレード、前記回転軸、前記ナセル、前記タワーのいずれかの部位の接着接合部、或いは、溶接部に用いられていることを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。
- 前記構造材は、前記複数のブレード、前記回転軸、前記ナセル、前記タワーのいずれかの部位において、前記基材が曲率を有する部分、或いは、前記基材の厚みが変化する部分に用いられていることを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。
- 前記構造材は、前記第１の保護層および前記第２の保護層の色差、或いは、熱弾性差を検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。
- 前記第１の保護層は、応力により発光する応力発光材をその成分に含み、
前記構造材の表面側から当該応力発光材の発光を検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。 - 前記構造材は、前記第１の保護層および前記第２の保護層の熱弾性差による応力分布の差を赤外線温度計測手段により検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項９に記載の風力発電設備。
- 前記構造材は、前記第１の保護層および前記第２の保護層の間に、前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第３の保護層をさらに備え、
前記第１の保護層および前記第３の保護層は、それぞれ異なる第１の応力発光体および第２の応力発光体をその成分に含み、
前記構造材の表面側から前記第１の応力発光体、或いは、前記第２の応力発光体の発光を検知することにより前記第１の保護層、或いは、前記第３の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項６に記載の風力発電設備。 - 風を受けて発電する風力発電設備と、
前記風力発電設備の表面の損傷状態を外部から検出する損傷検出手段と、
前記損傷検出手段により取得したデータの処理を行う表面損傷検知システムと、を備えた風力発電システムであって、
前記表面損傷検知システムは、前記損傷検出手段により取得したデータを画像処理する画像処理装置と、
前記画像処理装置により処理された画像処理データを表示する画像表示装置と、
前記画像処理装置により処理された画像処理データを記録する記録装置と、
前記記録装置に記録された画像処理データを有線通信、或いは、無線通信により外部へ送信する送信部と、を備え、
前記風力発電設備の表面は、基材の表面上に形成された第１の保護層と、
前記第１の保護層を覆うように当該第１の保護層上に形成された第２の保護層と、を備え、
前記風力発電設備の表面側から前記第１の保護層の露出を検知することにより、前記風力発電設備の表面の損傷状態をモニタすることを特徴とする風力発電システム。 - 前記第１の保護層および前記第２の保護層の色差、或いは、熱弾性差を検知することにより前記第１の保護層の露出を検知することを特徴とする請求項１３に記載の風力発電システム。
- 前記記録装置は、前記第１の層が露出した箇所の履歴情報を記憶し、
前記記録装置の履歴情報に基づいて、前記風力発電設備の補修を行うことを特徴とする請求項１３に記載の風力発電システム。
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