JP2019183806A - 風車ブレード及び風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバセンサの配置位置を最適化し、風車ブレードが長翼化しても撓みとひずみを高精度に推定できること。【解決手段】本発明の風車ブレードは、上記課題を解決するために、少なくとも主桁と後縁補強部及び外皮（シェル）から成るブレードに、１つ以上の光ファイバセンサが設置されている第１及び第２の光ファイバケーブルを備えている風車ブレードであって、前記第１の光ファイバケーブル上の前記光ファイバセンサは、前記主桁に設置されて前記ブレードのｘ軸（フラップ）方向の変形による歪を計測し、前記第２の光ファイバケーブル上の前記光ファイバセンサは、前記後縁補強部若しくは前記シェルに設置されて前記ブレードのｙ軸（エッジ）方向の変形による歪を計測するものであることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は風車ブレード及び風力発電システムに係り、特に、ブレードのひずみを検出する光ファイバセンサを備えているものに好適な風車ブレード及び風力発電システムに関する。

近年、地球温暖化問題などの環境保全の観点から、再生可能エネルギーを利用する風力発電システムの需要が拡大されている。風力発電システムを構成する風車のブレードは、時々刻々と変化する風を受け、曲げ変形並びに捩じり変形を受ける。また、風の変動やロータの回転周期に応じてブレードは振動し、疲労損傷が蓄積する。加えて、落雷によって損傷することもある。

また、近年、発電効率を向上させるために風力発電システムを大型化する傾向があり、ロータの回転直径が１００ｍを超える巨大な風力発電システムも実用化されつつある。

従って、大型の風力発電システムでは、ロータの受風面積が拡大するため、ブレードは大きな変形を受け、風車ブレードの長翼化に伴ってブレードの変形量は増大する。これにより、ブレードがタワーと衝突する可能性が高まる。更に、風力発電システムの大型化に伴って、ロータの地上からの高度も大きくなるため、ブレードなどのシステムへの落雷のリスクが増加する。

そこで、ブレードの健全性を維持するため、ブレードの変形挙動を常時監視し、ブレードの損傷やタワー衝突の未然防止及び損傷した場合の適切な補修が必要である。

従来は、ブレードの撓みや捩じりなどの変形量を検出するために、ブレードの内表面若しくは外表面に電気式ひずみセンサを貼り付けてひずみを測定してきた。しかし、電気式ひずみセンサは、落雷により破損するリスクが大きく、加えて周囲の計器類が発する電磁ノイズが計測データに混入しやすいという問題がある。

このような問題点を解決するための先行技術文献としては、特許文献１を挙げることができる。この特許文献１には、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ;Fiber Bragg Grating）センサなどの光ファイバセンサをブレードに設置し、ブレードのひずみを検出する方式の風力発電装置が記載されている。特許文献１に記載のＦＢＧセンサなどの光ファイバセンサは、電気式ひずみセンサよりも落雷により破損しにくく、計測データに周囲の計器類からの電磁ノイズが混入しない利点がある。

特開２００４−３６６１２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の風力発電装置では、ブレードの長手方向に沿った光ファイバセンサの配置位置の決定手法には言及していない。

特に、上述した如く、風車ブレードの長翼化に伴ってブレードの変形量は増大する。従って、ブレードの撓みとひずみを精度良く推定することが求められ、光ファイバセンサの配置位置の最適化が必要である。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、光ファイバセンサの配置位置を最適化し、風車ブレードが長翼化しても撓みとひずみを高精度に推定できる風車ブレード及び風力発電システムを提供することにある。

本発明の風車ブレードは、上記目的を達成するために、少なくとも主桁と後縁補強部及び外皮（シェル）から成るブレードに、１つ以上の光ファイバセンサが設置されている第１及び第２の光ファイバケーブルを備えている風車ブレードであって、前記第１の光ファイバケーブル上の前記光ファイバセンサは、前記主桁に設置されて前記ブレードのｘ軸（フラップ）方向の変形による歪を計測し、前記第２の光ファイバケーブル上の前記光ファイバセンサは、前記後縁補強部若しくは前記シェルに設置されて前記ブレードのｙ軸（エッジ）方向の変形による歪を計測するものであることを特徴とする。

また、本発明の風力発電システムは、上記目的を達成するために、タワーと、水平面内で回転駆動できるように前記タワーの上部に設置されたナセルと、該ナセルに接続され、少なくとも１枚の風車ブレード及びハブで構成されるロータとを備えた風力発電システムであって、前記風車ブレードは、上記構成の風車ブレードであることを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバセンサの配置位置を最適化し、風車ブレードが長翼化しても撓みとひずみを高精度に推定できる風車ブレード及び風力発電装置を得ることができる。

本発明の風力発電システムの実施例１を示す外観斜視図である。 本発明の風車ブレードの実施例１を示す１枚のブレードの模式図である。 図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の風車ブレードの実施例１におけるブレードとブレードのひずみを検出するひずみ検出系の構成を示す模式図である。 図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 本発明の風車ブレードの実施例１における正規化したブレード長とブレードのフラップ方向の１次と２次モード形のひずみの関係を示す特性図である。 本発明の風車ブレードの実施例１における正規化したブレード長とベクトル{ε_ｆａ}と{ε_ｆｂ}の角度差θ_fの関係を示す特性図である。 本発明の風車ブレードの実施例１における正規化したブレード長とブレードのエッジ方向の１次と２次モード形のひずみの関係を示す特性図である。 本発明の風車ブレードの実施例１における正規化したブレード長とベクトル{ε_ｅｃ}と{ε_ｅｄ}の角度差θ_eの関係を示す特性図である。 本発明の風車ブレードの実施例１におけるブレードとブレードのひずみを検出する検出系の他の構成を示す模式図である。 本発明の風車ブレードの実施例２におけるブレードとブレードのひずみを検出する検出系の構成を示す模式図である。 図１０のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の風車ブレード及び風力発電システムを説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

また、下記はあくまでも実施の例であって、本発明の適用対象を下記具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。

図１に本発明の風力発電システムの実施例１を示す。

図１に示すように、風力発電システム１は、タワー２と、水平面内で回転駆動できるようにタワー２の上部に設置されたナセル３と、ナセル３に接続され、３枚のブレード４ａ、４ｂ及び４ｃ及びハブ５で構成されるロータ６とにより概略構成されている。上記ロータ６は、図示しない主軸を介してナセル３に回転可能に支持されている。なお、３枚のブレード４ａ、４ｂ及び４ｃは例示的であり、ブレードの枚数は、それ以外も採り得ることは言うまでもない。

図２（ａ）及び図２（Ｂ）は、３枚のブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうちの１枚のブレード４ａと、その断面の構造を示している。

該図に示すように、ブレード４ａは、負圧側の主桁１５と、負圧側の外皮（シェル）１９と、負圧側の後縁補強部１７と、正圧側の主桁１６と、正圧側のシェル２０と、正圧側の後縁補強部１８と、前縁１１側のウェブ２１と、後縁１２側のウェブ２２とを含んで構成されている。負圧側の主桁１５と正圧側の主桁１６及び負圧側の後縁補強部１７と正圧側の後縁補強部１８は、繊維強化樹脂(ＦＲＰ;Fiber Reinforced Plastic)の積層によって形成されている。

一般的に、ブレードに用いられるＦＲＰの繊維にはガラス繊維や炭素繊維が使用され、母材樹脂にはエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂が使用される。一方、負圧側のシェル１９と正圧側のシェル２０及び前縁１１側のウェブ２１と後縁１２側のウェブ２２は、ポリ塩化ビニルなどの発泡材やバルサなどの木材をＦＲＰの表皮で挟んだサンドイッチ材で形成されている。

本実施例では、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃにはＦＲＰの組成にガラス繊維とエポキシ樹脂、負圧側のシェル１９と正圧側のシェル２０の芯材にはバルサ及び前縁１１側のウェブ２１と後縁１２側のウェブ２２の芯材にはポリ塩化ビニルを想定している。ただし、下記する実施例は、上記したＦＲＰや芯材の材料組成（バルサやポリ塩化ビニル）に限定されるものではない。

図３に、本実施例の風車ブレードにおけるブレード４ａと、このブレード４ａのひずみを検出するひずみ検出系の構成を示す。

該図において、ブレード４ａのひずみを検出するひずみ検出系３１は、広帯域の波長を照射する光源、反射光の波長や強度の検出器及び波長の変化量をひずみに変換する演算装置を備えたインテロゲータ３２と、４つの光ファイバセンサ３５、３６．３７及び３８と、光ファイバセンサ３５とインテロゲータ３２及び光ファイバセンサ３５と３６を接続する第１の光ファイバケーブル３３と、光ファイバセンサ３７とインテロゲータ３２及び光ファイバセンサ３７と３８を接続する第２の光ファイバケーブル３４とで構成されている。そして、ファイバセンサ３５、３６、３７及び３８は、それぞれブレード４ａの根元から距離Ｌ_ａ、Ｌ_ｂ、Ｌ_ｃ及びＬ_ｄの位置にそれぞれ配置されている。

本実施例では、光ファイバセンサ３５、３６、３７及び３８としてＦＢＧセンサを想定しており、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａの長手方向に沿って配置されている。なお、光ファイバセンサの種類は、ＦＢＧセンサに限定されない。ＦＢＧセンサ以外に、例えば、光ファイバ内の散乱光を検知する分布型光ファイバセンサを用いてもよい。

本実施例のブレード４ａのひずみを検出するひずみ検出系３１では、インテロゲータ３２から照射された光が、第１の光ファイバケーブル３３を介して光ファイバセンサ３５に伝達され、光ファイバセンサ３５を透過した光は、第１の光ファイバケーブル３３を介して光ファイバセンサ３６に伝達される。光ファイバセンサ３５と３６は、設置された位置におけるブレード４ａの長手方向のひずみの変化量に対応した波長を有する光を、第１の光ファイバケーブル３３を介してインテロゲータ３２に反射する。

また、インテロゲータ３２から照射された光が、第２の光ファイバケーブル３４を介して光ファイバセンサ３７に伝達され、光ファイバセンサ３７を透過した光は、第２の光ファイバケーブル３４を介して光ファイバセンサ３８に伝達される。光ファイバセンサ３７と３８は、設置された位置におけるブレード４ａの長手方向のひずみの変化量に対応した波長を有する光を、第２の光ファイバケーブル３４を介してインテロゲータ３２に反射する。インテロゲータ３２は、伝達された反射光の波長や強度を検出し、前記波長を対応する長手方向のひずみ量に変換する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図３におけるＢ−Ｂ線に沿った断面とＣ−Ｃ線に沿った断面を表している。

図４（ａ）に示すように、光ファイバセンサ３５と図示していない光ファイバセンサ３６は、ブレード４ａのｘ軸方向（フラップ方向）の変形によるひずみの計測を目的として、負圧側の主桁１５に埋め込まれている。光ファイバセンサ３５と３６を負圧側の主桁１５に埋め込むことによって、ブレード４ａの内側において、剥離した余剰な接着剤などのデブリの衝突があった場合でも、ひずみの誤検知を防止できる。

なお、光ファイバセンサ３５と３６は、負圧側の主桁１５の内側若しくは外側の表面に接着剤で貼付けて固定されてもよい。また、光ファイバセンサ３５と３６を負圧側の主桁１５の表面に貼付ける場合、光ファイバセンサ３５と３６の少なくとも一部をＦＲＰの１層以上の積層で被膜してもよい。この場合、デブリの衝突による光ファイバセンサ３５と３６のひずみ誤検知を防止できる。また、光ファイバセンサ３５と３６は、正圧側の主桁１６に配置してもよい。

一方、図４（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ３８と図示していない光ファイバセンサ３７は、ブレード４ａのｙ軸方向（エッジ方向）の変形によるひずみの計測を目的として、負圧側の後縁補強部１７に埋め込まれている。光ファイバセンサ３７と３８を負圧側の後縁補強部１７に埋め込むことによって、デブリの衝突によるひずみ誤検知を防止できる。

なお、光ファイバセンサ３７と３８は、負圧側の後縁補強部１７の内側若しくは外側の表面に接着剤で貼付けて固定されてもよい。光ファイバセンサ３７と３８を負圧側の後縁補強部１７の表面に貼付ける場合、光ファイバセンサ３７と３８の少なくとも一部をＦＲＰの１層以上の積層で被膜してもよい。また、光ファイバセンサ３７と３８は、正圧側の後縁補強部１８に配置してもよい。

なお、本実施例では、光ファイバセンサ３７と３８を負圧側の後縁補強部１７に配置したが、前縁１１付近または後縁１２付近のシェル１９または２０に光ファイバセンサを配置しても、エッジ方向のひずみ成分を計測できる。この場合は、光ファイバセンサのブレード４ａの中立軸からの距離が増すため、エッジ方向のひずみ成分を高感度で検出できる。

次に、光ファイバセンサ３５、３６、３７及び３８の配置位置Ｌ_ａ、Ｌ_ｂ、Ｌ_ｃ及びＬ_ｄの決定方法を述べる。

本実施例においては、フラップ方向のひずみ計測用に２つの光ファイバセンサ３５と３６を設けるため、フラップ方向の１次モードと２次モードの変形に対するひずみ成分の重ね合わせによって、ブレード４ａのフラップ方向のひずみ分布を推定できる。同様に、１次と２次モード形のたわみ成分の重ね合わせによって、ブレード４ａのフラップ方向のたわみ分布を推定できる。

また、本実施例では、エッジ方向のひずみ計測用に２つの光ファイバセンサ３７と３８を設けるため、エッジ方向の１次と２次モード形のひずみ成分及び撓み成分の重ね合わせによって、ブレード４ａのエッジ方向のひずみ分布及び撓み分布を推定できる。

まず、フラップ方向のひずみ分布及び撓み分布の推定手法を述べる。１次と２次モード形を考慮する場合、ブレード４ａのフラップ方向のひずみと撓みは次式で近似できる。

ここで、zはブレード長手方向の任意の位置のz座標、ε_f(z,t)とu_f(z,t)はzにおける時間tのひずみと撓み、ε_f1(z)とu_f1(z)はzにおける１次モード形のひずみと撓み、c_f1(t)は時間tの１次モード形の寄与率、ε_f2(z)とu_f2(z)はzにおける２次モード形のひずみと撓み及びc_f2(t)は時間tの２次モード形の寄与率を表す。

１次モード形に関するε_f1(z)とu_f1(z)及び２次モード形に関するε_f2(z)とu_f2(z)は、ブレード４ａの有限要素法(ＦＥＭ;Finite Element Method)解析によって算出できる。

光ファイバセンサ３５と３６のひずみ計測値から、ブレードの遠心力や自重が寄与する定常成分を補正した値をそれぞれε_f(Ｌ_ａ,t)とε_f(Ｌ_ｂ,t)とおくと、ε_f(Ｌ_ａ)とε_f(Ｌ_ｂ)に対して式（１）に対応する式は、まとめて次のように表せる。

従って、ブレード４ａのフラップ方向の撓みは、ε_f(Ｌ_ａ,t)及びε_f(Ｌ_ｂ,t)と、式（１）及び式（２）より、次式で表せる。

よって、フラップ方向の撓みの推定には、式（３）右辺のz=Ｌ_ａ、Ｌ_ｂにおける各モード形のひずみを成分に有する行列の逆行列が存在すればよい。即ち、ベクトル{ε_ｆａ}≡{ε_ｆ１（Ｌ_ａ）ε_ｆ２（Ｌ_ａ）}と{ε_ｆｂ}≡{ε_ｆ１（Ｌ_ｂ）ε_ｆ２（Ｌ_ｂ）}が１次独立であればよく、Ｌ_ａとＬ_ｂの大きさが異なる場合に撓みを推定できる。

より好ましくは、{ε_ｆａ}と{ε_ｆｂ}が直交、若しくは２つのベクトルの角度差θ_fが９０°に近づくようにＬ_ａとＬ_ｂを選択することで、Ｌ_ａとＬ_ｂにおけるひずみの差が明確になるため、撓みの推定精度を向上できる。

図５は、ＦＥＭ解析により計算した正規化したブレード長とブレード４ａのフラップ方向の１次と２次モード形のひずみとの関係を示す。

ここで、ブレード４ａとしては、定格出力２ＭＷの風車用の長さＬ＝３５〜４５ｍのブレードを想定している。また、横軸は、Ｌを正規化したＬ´で表示している。

図５から明らかなように、Ｌ´＝０．４５付近で、１次モード形のひずみが非零、かつ、２次モード形のひずみが零となっている。

従って、Ｌ_ｂをＬで正規化してＬ_ｂ´とし、Ｌ_ｂ´＝０．４５付近に光ファイバセンサ３６を設けることで、１次のモード形のひずみを感度よく計測できる。また、光ファイバセンサ３５は、{ε_ｆａ}と{ε_ｆｂ}の角度差θ_fが９０°に近づくようにＬ_ａまたは正規化したＬ_ａ´を選択することで、撓みの推定精度を向上できる。

図６は、Ｌ_ｂ´＝０．４６とした時の、正規化したブレード長とベクトル{ε_ｆａ}と{ε_ｆｂ}の角度差θ_fの分布を表している。

図６から明らかなように、Ｌ´＝０〜０．３５の範囲で{ε_ｆａ}と{ε_ｆｂ}はほぼ直交する。また、Ｌ´＝０．６５〜０．９９の範囲で角度差θ_fは約７０°以上となる。よって、光ファイバセンサ３６をＬ_ｂ´＝０．５±０．１の範囲に、光ファイバセンサ３５をＬ_ａ´＝０〜０．３５またはＬ_ａ´＝０．６５〜０．９９の範囲に配置することで、フラップ方向の撓みの推定精度を向上できる。

即ち、光ファイバセンサ３６をＬ_ｂ´＝０．５±０．１の範囲に、光ファイバセンサ３５をＬ_ａ´＝０〜０．３５またはＬ_ａ´＝０．６５〜０．９９の範囲に配置することにより、光ファイバセンサ３６の配置の範囲Ｌ_ｂ＝０．５−０．１＝０．４と光ファイバセンサ３５の配置の範囲Ｌ_ａ＝０〜０．３５を比較すると、これらの光ファイバセンサ３５と３６は、０．０５以上離して配置されているし、光ファイバセンサ３６の配置の範囲Ｌ_ｂ＝０．５＋０．１＝０．６と光ファイバセンサ３５の配置の範囲Ｌ_ａ＝０．６５〜０．９９を比較してもこれらの光ファイバセンサ３５と３６は０．０５以上離して配置されているので、フラップ方向の撓みの推定精度を向上できる。

なお、ブレード４ａの構造や製造上の制約で、正規化したブレード４ａの長さＬ´に対してＬ´＝０．５±０．１の範囲の位置に光ファイバセンサ３６を配置できない場合には、Ｌ_ｂまたはＬ_ｂ´をブレード４ａの先端を除いて任意にとってもよい。この場合、光ファイバセンサ３５は、角度差θ_fが約９０°となるような位置Ｌ_ａまたはＬ_ａ´に配置することで、フラップ方向の撓みの推定精度を向上できる。

また、本実施例１では、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａの負圧側の主桁１５の長手方向に２つの光ファイバセンサ３５と３６を配置したが、少なくとも１枚のブレード４ａの負圧側の主桁１５の長手方向に３つ以上の光ファイバセンサを設けてもよい。

光ファイバセンサの数を増やすことで、３次以上のモード形を考慮でき、ブレードのひずみや撓みをより正確に推定できる。この場合、負圧側の主桁１５と正圧側の主桁１６の両方に光ファイバセンサを配置してもよい。

また、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃに配置する光ファイバセンサの数を変えてもよい。例えば、ブレード４ａには２つの光ファイバセンサをそれぞれ根元からＬ_ａ及びＬ_ｂの位置に配置し、ブレード４ｂと４ｃには１つの光ファイバセンサを根元からＬ_ａの位置に配置してもよい。この場合、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａに損傷が生じた場合に、残りの損傷が生じていないブレード４ｂ、４ｃのひずみ計測値の時刻歴と差異が生じるため、速やかに損傷を検知できる。

次に、エッジ方向のひずみ分布及び撓み分布の推定手法を述べる。１次と２次モード形を考慮する場合、ブレード４ａのエッジ方向のひずみと撓みは次式で近似できる。

ここで、ε_e(z,t)とu_e(z,t)は位置zにおける時間tのひずみと撓み、ε_e1(z)とu_e1(z)はzにおける１次モード形のひずみと撓み、c_e1(t)は時間tの１次モード形の寄与率、ε_e2(z)とu_e2(z)はzにおける２次モード形のひずみと撓み及びc_e2(t)は時間tの２次モード形の寄与率を表す。

１次モード形に関するε_e1(z)とu_e1(z)及び２次モード形に関するε_e2(z)とu_e2(z)は、ブレード４ａのＦＥＭ解析によって算出できる。

光ファイバセンサ３７と３８のひずみ計測値から、ブレード４ａの遠心力や自重が寄与する定常成分を補正した値をそれぞれε_e(Ｌ_ｃ,t)とε_e(Ｌ_ｄ,t)とおくと、ε_e(Ｌ_ｃ)とε_e(Ｌ_ｄ)に対して式（４）に対応する式は、まとめて次のように表せる。

従って、ブレード４ａのエッジ方向の撓みは、光ファイバセンサ３７と３８で計測されたひずみε_e(Ｌ_ｃ,t)及びε_e(Ｌ_ｄ,t)と、式（４）及び式（５）より、次式で表せる。

よって、エッジ方向の撓みの推定には、式（６）右辺のz＝Ｌ_ｃ、Ｌ_ｄにおける各モード形のひずみを成分に有する行列の逆行列が存在すればよい。即ち、ベクトル{ε_ｅｃ}≡{ε_ｅ１（Ｌ_ｃ）ε_ｅ２（Ｌ_ｃ）}と{ε_ｅｄ}≡{ε_ｅ１（Ｌ_ｄ）ε_ｅ２（Ｌ_ｄ）}が１次独立であればよく、Ｌ_ｃとＬ_ｄの大きさが異なる場合に撓みを推定できる。

より好ましくは、{ε_ｅｃ}と{ε_ｅｄ}が直交若しくは２つのベクトルの角度差θ_eが９０°に近づくようにＬ_ｃとＬ_ｄを選択することで、Ｌ_ｃとＬ_ｄにおけるひずみの差が明確になるため、撓みの推定精度を向上できる。

図７は、ＦＥＭ解析により計算した正規化したブレード長とブレード４ａのエッジ方向の１次と２次モード形のひずみの関係を示す。

図７から明らかなように、Ｌ´＝０．３付近で、１次モード形のひずみが非零、かつ、２次モード形のひずみが零となっている。

従って、Ｌ_ｃをＬで正規化してＬ_ｃ´とし、Ｌ_ｃ´＝０．３付近に光ファイバセンサ３７を設けることで、１次のモード形のひずみを感度よく計測できる。また、光ファイバセンサ３８は、{ε_ｅｃ}と{ε_ｅｄ}の角度差θ_eが９０°に近づくようにＬ_ｄまたは正規化したＬ_ｄ´を選択することで、撓みの推定精度を向上できる。

図８は、Ｌ_ｃ´＝０．３とした時の、正規化したブレード長とベクトル{ε_ｅｃ}と{ε_ｅｄ}の角度差θ_eの分布を表している。

図８から明らかなように、Ｌ´＝０．４５〜０．９９の範囲でベクトル{ε_ｅｃ}と{ε_ｅｄ}はほぼ直交する。また、Ｌ´＝０〜０．１５の範囲で角度差θ_eは約７０°以上となる。よって、光ファイバセンサ３７をＬ_ｃ´＝０．３±０．１の範囲に、光ファイバセンサ３８をＬ_ｄ´＝０〜０．１５またはＬ_ｄ´＝０．４５〜０．９９の範囲に配置することで、エッジ方向の撓みの推定精度を向上できる。

即ち、光ファイバセンサ３７をＬ_ｃ´＝０．３±０．１の範囲に、光ファイバセンサ３８をＬ_ｄ´＝０〜０．１５またはＬ_ｄ´＝０．４５〜０．９９の範囲に配置することにより、光ファイバセンサ３７の配置の範囲Ｌ_ｃ´＝０．３−０．１＝０．２と光ファイバセンサ３８の配置の範囲Ｌ_ｄ´＝０〜０．１５を比較すると、これらの光ファイバセンサ３７と３８は、０．０５以上離して配置されているし、光ファイバセンサ３７の配置の範囲Ｌ_ｃ´＝０．３＋０．１＝０．４と光ファイバセンサ３８の配置の範囲Ｌ_ｄ´＝０．４５〜０．９９を比較しても、これらの光ファイバセンサ３７と３８は０．０５以上離して配置されているので、フラップ方向の撓みの推定精度を向上できる。

なお、ブレード４ａの構造や製造上の制約で、正規化したブレード４ａの長さＬ´に対してＬ´＝０．３±０．１の範囲の位置に光ファイバセンサ３７を配置できない場合には、Ｌ_ｃまたはＬ_ｃ´をブレード４ａの先端を除いて任意にとってもよい。この場合、光ファイバセンサ３８は、角度差θ_eが約９０°となるような位置Ｌ_ｄまたはＬ_ｄ´に配置することで、エッジ方向の撓みの推定精度を向上できる。

また、本実施例では、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａの負圧側の後縁補強部１７の長手方向に２つの光ファイバセンサ３７と３８を配置したが、少なくとも１枚のブレード４ａの負圧側の後縁補強部１７の長手方向に３つ以上の光ファイバセンサを設けてもよい。

光ファイバセンサの数を増やすことで、３次以上のモード形を考慮でき、ブレードのひずみや撓みをより正確に推定できる。この場合、負圧側と正圧側の後縁補強部１７と１８の両方に光ファイバセンサを配置してもよい。

また、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃに配置する光ファイバセンサの数を変えてもよい。例えば、ブレード４ａには２つの光ファイバセンサをそれぞれ根元からＬ_ｃ及びＬ_ｄの位置に配置し、ブレード４ｂと４ｃには１つの光ファイバセンサを根元からＬ_ｄの位置に配置してもよい。この場合、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａに損傷が生じた場合に、残りの損傷が生じていないブレード４ｂ、４ｃのひずみ計測値の時刻歴と差異が生じるため、速やかに損傷を検知できる。

風車ブレードの撓みは、フラップ方向とエッジ方向の成分の二乗和の平方根によって次のように計算できる。

推定したブレード４ａの撓みu(z,t)が、ブレード４ａの設計強度やタワー２との位置関係に依存して決まる閾値uを超えた場合、ブレード４ａのｚ軸まわりの回転角（ピッチ角）を制御することで、ブレード４ａの損傷やタワーへの衝突を未然防止できる。

なお、本実施例では、光ファイバセンサ３５と３６を第１の光ファイバケーブル３３で、光ファイバセンサ３７と３８を第２の光ファイバケーブル３４で個別に接続したが、光ファイバセンサ３５、３６、３７及び３８を直列に接続してもよいし、図９に示すように、光ファイバセンサ３６と３８を第３の光ファイバケーブル３９で接続してもよい。

このように光ファイバセンサを直列接続することで、第１の光ファイバケーブル３３と第２の光ファイバケーブル３４のうち一部が損傷した場合であっても、ひずみの計測を継続できる。

以上説明したように、本実施例によれば、光ファイバセンサの配置位置を最適化し、風車ブレードが長翼化しても撓みとひずみを高精度に推定できる。

本発明の風車ブレードの実施例２について、図１０及び図１１を用いて説明する。

上述した実施例１では、ブレードのフラップ方向とエッジ方向の撓みの成分を個別に推定したが、撓みは成分分解せず直接推定することもできる。

図１０に示すように、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち、少なくとも１枚のブレード４ａの長手方向に沿って光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４を配置し、これらは、第１の光ファイバケーブル３３を介して直列に接続されている。

図１１に示すように、光ファイバセンサ４４と図示していない光ファイバセンサ４１、４２及び４３は、負圧側のシェル１９に埋め込まれている。光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４を負圧側のシェル１９に埋め込むことによって、デブリの衝突によるひずみの誤検知を防止できる。

なお、光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４は、負圧側のシェル１９の表面に接着剤で貼付けて固定されてもよい。光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４を負圧側のシェル１９の表面に貼付ける場合は、光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４の一部をＦＲＰの１層以上の積層で被膜してもよい。この場合、デブリの衝突による光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４のひずみ誤検知を防止できる。また、光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４は、正圧側のシェル２０に配置してもよい。

光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４の配置位置Ｌ_ｅ、Ｌ_ｆ、Ｌ_ｇ及びＬ_ｈの決定方法は実施例１で述べたように、各モード形のひずみを成分に有するベクトルの直交性が最大となる位置の検索により決定する。

なお、本実施例では、４つの光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４を設けるため、フラップ方向の１次と２次モード及びエッジ方向の１次と２次モードの合計１〜４次のモード形のひずみ成分及び撓み成分の重ね合わせによって、ブレード４ａのひずみ分布及び撓み分布を推定できる。

また、本実施例では、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａの負圧側のシェル１９に４つの光ファイバセンサ４１、４２、４３及び４４を配置したが、少なくとも１枚のブレード４ａの負圧側のシェル１９に長手方向に５つ以上の光ファイバセンサを設けてもよい。

光ファイバセンサの数を増やすことで、５次以上のモード形を考慮でき、ブレードのひずみや撓みをより正確に推定できる。この場合、負圧側１３及び正圧側１４のシェル１９及び２０の両方に光ファイバセンサを配置してもよい。

また、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃで配置する光ファイバセンサの数を変えてもよい。この場合、ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃのうち少なくとも１枚のブレード４ａに損傷が生じた場合に、残りの損傷が生じていないブレード４ｂ、４ｃのひずみ計測値の時刻歴と差異が生じるため、速やかに損傷を検知できる。

このような本実施例の構成であっても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

なお、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易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を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…風力発電システム、２…タワー、３…ナセル、４ａ、４ｂ、４ｃ…ブレード、５…ハブ、６…ロータ、１１…前縁、１２…後縁、１３…負圧側、１４…正圧側、１５…負圧側の主桁、１６…正圧側の主桁、１７…負圧側の後縁補強部、１８…正圧側の後縁補強部、１９…負圧側の外皮（シェル）、２０…正圧側の外皮（シェル）、２１…前縁側のウェブ、２２…後縁側のウェブ、３１…ひずみ検出系、３２…インテロゲータ、３３…第１の光ファイバケーブル、３４…第２の光ファイバケーブル、３９…第３の光ファイバケーブル、３５、３６、３７、３８、４１、４２、４３、４４…光ファイバセンサ。

Claims (8)

1. 少なくとも主桁と後縁補強部及び外皮（シェル）から成るブレードに、１つ以上の光ファイバセンサが設置されている第１及び第２の光ファイバケーブルを備えている風車ブレードであって、
   前記第１の光ファイバケーブル上の前記光ファイバセンサは、前記主桁に設置されて前記ブレードのｘ軸（フラップ）方向の変形による歪を計測し、前記第２の光ファイバケーブル上の前記光ファイバセンサは、前記後縁補強部若しくは前記シェルに設置されて前記ブレードのｙ軸（エッジ）方向の変形による歪を計測するものであることを特徴とする風車ブレード。
2. 請求項１に記載の風車ブレードであって、
   少なくとも１枚の前記ブレードに、該ブレードのひずみを検出するひずみ検出系を備え、
   前記ひずみ検出系は、広帯域の波長を照射する光源、反射光の波長及び／又は強度の検出器及び波長の変化量をひずみに変換する演算装置を備えたインテロゲータを備え、前記第１及び第２の光ファイバケーブルは、前記インテロゲータに接続されていることを特徴とする風車ブレード。
3. 請求項１又は２に記載の風車ブレードであって、
   前記ブレードの前記主桁に設置された前記第１の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．５±０．１)Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置されていることを特徴とする風車ブレード。
4. 請求項１又は２に記載の風車ブレードであって、
   前記ブレードの前記後縁補強部に設置された前記第２の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．３±０．１)Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置されていることを特徴とする風車ブレード。
5. 請求項１又は２に記載の風車ブレードであって、
   前記ブレードの前記主桁に設置された前記第１の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．５±０．１）Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置され、
   前記ブレードの前記後縁補強部に設置された前記第２の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．３±０．１）Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置されていることを特徴とする風車ブレード。
6. 請求項１又は２に記載の風車ブレードであって、
   前記ブレードの前記シェルに設置された前記第２の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．３±０．１)Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置されていることを特徴とする風車ブレード。
7. 請求項１又は２に記載の風車ブレードであって、
   前記ブレードの前記主桁に設置された前記第１の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．５±０．１）Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置され、
   前記ブレードの前記シェルに設置された前記第２の光ファイバケーブルは２つの光ファイバセンサを備え、
   ２つの前記光ファイバセンサの一方は、前記ブレードの根元から前記ブレードの正規化した長さＬ´に対して（０．３±０．１)Ｌ´の範囲に配置され、
   ２つの前記光ファイバセンサの他方は、一方の前記光ファイバセンサから長手方向に０．０５Ｌ´以上離して前記ブレードに配置されていることを特徴とする風車ブレード。
8. タワーと、水平面内で回転駆動できるように前記タワーの上部に設置されたナセルと、該ナセルに接続され、少なくとも１枚の風車ブレード及びハブで構成されるロータとを備えた風力発電システムであって、
   前記風車ブレードは、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風車ブレードであることを特徴とする風力発電システム。

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