JP2020098207A - 風力タービンコーティング監視システム及びその運用方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】様々な洋上風力発電設備の構造腐食のためのリアルタイム監視システムを完成させること。【解決手段】表面に少なくとも１つのコーティングを有する監視対象と、前記監視対象に接続され、信号生成装置を備えた微小電気機械システムと前記微小電気機械システムに接続されたプリント回路基板とを含み、前記監視対象のコーティングインピーダンス測定値を測定するためのコーティング監視モジュールと、前記監視対象及びコーティング監視モジュールに接続され前記監視対象の実際のコーティングインピーダンス値を計算するためのポテンショスタットと、前記コーティング監視モジュールに接続され、前記実際のコーティングインピーダンス値に基づき前記コーティングインピーダンス測定値を校正するためのコンピューティングデバイスと、を含む。また、風力タービンコーティング監視システムの運用方法も提案される。【選択図】図８
Description
本発明は、風力タービンコーティング監視システム及びその運用方法に関し、特に、様々な洋上風力発電設備に適用される風力タービンコーティング監視システム及びその運用方法に関する。
腐食性環境における物体（地中埋設管、海上作業構台、風力発電機、橋梁の鋼構造又は船体）の腐食状況を知るため、肉眼で観察する必要がある。ただし、海底にある物体（例：海上作業構台の鋼構造等）である場合、探査作業を行うために人員を海底に潜らせる必要があり、ダイバーにとってリスクが高く且つ費用も高かった。金属腐食性の監視は、腐食しやすい環境（例：海中又は地中）で頻繁に使用され、様々物体の腐食状態を監視して、物体が深刻な損傷を受ける前に交換できるようにすることである。
しかしながら、腐食向け測定技術の多くは実験室規模にのみ適用され、最も主要な理由はこれらの腐食測定技術が一般的な電気化学インピーダンス測定などの多数かつ複雑な機器の使用を必要とするためである。被測定物以外に、測定過程で超大型電源供給装置、参照電極、補助電極及びビーカーなどを一緒に架設して測定することができる。
したがって、これらの腐食測定技術を洋上風力タービンに適用する場合、如何にして多くの測定機器の要件を克服するかが難題であった。さらに、これらの腐食測定技術は、現在現場で手作業による実行に依存しているが、ほとんどの洋上風力タービンは無人構造に属し、同時に洋上風力発電所が航路から離れておち、検査及び保守員が頻繁に現場に赴くことができない。これにより、如何にして腐食監視に遠隔制御及び遠隔伝送の機能を与えることが重要な課題である。
これに鑑み、本発明の目的は、システム構造の簡素化を目指し、様々な洋上風力発電設備の構造腐食のためにリアルタイム監視システムを完成させ、保守員に風力タービンの状態を早期発見させ、直ちに修理や補強することができる風力タービンコーティング監視システムを提案することである。一方、監視システム自体のために保護メカニズムを実施し、データの信頼性を確保しながら、監視システム自体の腐食状況も本発明の考慮事項である。
本発明の風力タービンコーティング監視システムは、表面に少なくとも１つのコーティングを有する監視対象と、前記監視対象に接続され、信号生成装置を備えた微小電気機械システムと前記微小電気機械システムに接続されたプリント回路基板とを含み、前記監視対象のコーティングインピーダンス測定値を測定するためのコーティング監視モジュールと、前記監視対象及びコーティング監視モジュールに接続され前記監視対象の実際のコーティングインピーダンス値を計算するためのポテンショスタットと、前記コーティング監視モジュールに接続され、前記実際のコーティングインピーダンス値に基づき前記コーティングインピーダンス測定値を校正するためのコンピューティングデバイスと、を含む。
また、本発明は、風力タービンコーティング監視システムの運用方法を更に提案し、前記運用方法は信号生成装置が信号電圧を出力するステップ（Ａ）と、コーティング監視モジュールを通じて監視対象の表面コーティングのコーティングインピーダンス測定値を測定するステップ（Ｂ）と、ポテンショスタットを通じて前記監視対象の表面コーティングの実際のコーティングインピーダンス値を測定するステップ（Ｃ）と、コンピューティングデバイスが実際のコーティングインピーダンス値に基づき前記コーティングインピーダンス測定値を校正するステップ（Ｄ）と、を含む。
ステップ（Ｂ）において、前記コーティング監視モジュールの測定方法は、前記監視対象を既知抵抗と直列に接続し、分圧計算式を通じて前記監視対象のコーティングインピーダンス測定値を計算することである。
ステップ（Ｂ）において、前記コーティング監視モジュールの測定方法は、前記監視対象を容器に接着させた後で塩化ナトリウム腐食溶液に注ぎ、溶液中の参照電極を入れることで、経路が形成された後、前記監視対象の実際のコーティングインピーダンス値を測定する。
上記本発明の概要は、本発明の幾つか態様及び技術的特徴に対し基本的な説明を行うことを目的とする。本発明の概要は、本発明の詳細な説明ではないため、その目的は特別に本発明のキーとなる或いは重要要素を挙げることなく、本発明の範囲を画定するために用いられることはなく、単に本発明のいくつかの概念を簡潔に開示する。
本発明の技術的特徴及び実用効果を理解し、明細書の内容に基づいて実施することができるように、以下、好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
本発明は、洋上風力タービンに用いられるコーティング監視システム及びその運用方法を提案し、システムのサイズを大幅に縮小することで、監視システムを洋上風力タービンの構造に直接取り付けることができるようにし、同時に風力タービン腐食の程度について一定の測定精度を維持させ、また無線伝送機能を備え、測定データを遠隔地の検査員に送信でき、腐食の程度がひどく風力タービンを早期にメンテナンスさせることで、風力タービン構造の損傷のリスクを軽減ことができる。
まず、図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態に係る風力タービンコーティング監視システムを示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の風力タービンコーティング監視システム１００は、表面に少なくとも１つのコーティングを有する監視対象１１０と、前記監視対象１１０に接続され、信号生成装置１３２を備えた微小電気機械システム１３１と前記微小電気機械システム１３１に接続されたプリント回路基板１３３とを含むコーティング監視モジュール１３０と、前記監視対象１１０及び前記コーティング監視モジュール１３０に接続されたポテンショスタット１５０と、前記コーティング監視モジュール１３０に接続されたコンピューティングデバイス１７０と、を含む。上述の各構成要素の測定及び計算により、洋上風力タービンコーティングのインピーダンス値をリアルタイムで取得すると共に風力タービンの腐食の程度を分析でき、保守員に風力タービンの状態を早期発見させ、直ちに修理や補強することができる。
本実施形態では、監視対象１１０は、様々な洋上風力発電設備又は洋上風力発電設備から取り外された部分であってもよい。図２を参照すると、洋上風力発電設備は、海面Ｂの上に設けられた水面上部分及び海面Ｂの下に設けられた水面下部分を備え、一般に水面上部分は風力タービンブレード（４９、５９、６９、７９、８９）、風力タービンナセル（４８、５８、６８、７８、８８）、タワー（４７、５７、６７、７７、８７）及びタワー基部Ａを少なくとも含む。
水面下部分は、基礎又は支持構造の違いによって態様が異なり、例えば、重力式基礎（Ｇｒａｖｉｔｙ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）を備えた構造の場合、よく見られる形態が三角形の基部４０及び洗掘保護装置４１を備え、水面上のタワー４７と水面下の柱４５が結合部４６を介して接合され；モノパイル式（Ｍｏｎｏｐｉｌｅ）構造の場合、水面上のタワー５７と水面下の基礎杭５５が、結合部５６を介して接合され、基礎杭５０が、海床Ｃに取り付けられた部分の構造を表し；ジャケット式（Ｊａｃｋｅｔ）構造の場合、通常海床Ｃの基礎杭６０の上に設けられ、支持構造（例えば支柱６５、対角支柱６４、Ｘ接点６３、Ｋ接点６２で構成できる）と接合し、水面上のタワー６７と水面下の支持構造が主に結合部６６を介して接合されている。
具体的には、支持構造の支柱６５の間に対角支柱６４が設けられ、対角支柱６４の設置により、対角支柱６４と支柱６５との接合部にＫ接点６２が形成され、対角支柱６４と隣接する対角支柱６４との間にＸ接点６３が形成され；三脚式（Ｔｒｉｐｏｄ）構造の場合、名前が示すように３本の基礎杭７０を持ち、基礎杭７０と支柱７５との間は通常対角支柱７４で接合され、水面上のタワー７７と水面下の柱７５が結合部７６を介して接合され；より深い海域に設けられた洋上風力タービンは、浮体構造を使用してその水面下構造の設置を変更することもでき、例えばアンカー８０を通じてアンカーチェーン８１と接続し、アンカーチェーン８１の長さが必要性に応じて変更され、アンカーチェーン８１が浮力装置及び支持装置（８２、８５）に接続され、水面上のタワー８７と水面下の支持装置８５が結合部８６を介して接合される。
洋上風力発電設備が腐食性環境と主に接触する領域は、水面上の大気部（海面Ｂ上の風力タービンブレード、風力タービンナセル及びタワー）、飛沫帯部、潮汐部、没水部（海面Ｂ下の水中部分）及び海泥部の五大部分に分けられる。大気部は、海水と直接接触しないため、塩化物イオン濃度と腐食因子の損傷程度が最も低く、十分な耐食性を備えたコーティングが施されている限り、洋上風力タービンの耐用年数を効果的に延ばすことができ；水面下の没水部は、通常陰極防食法で保護され；潮汐部は、コーティングによる保護をメインで、陰極防食をサブとする防食措置が講じられ；腐食が最も著しいのは、潮汐が届かないが波が衝突したり、打ち上がったりする「飛沫帯部」であり、飛沫帯部が最高仕様の防食コーティングに依存しなければならない。前記監視対象１１０のコーティング材料は、単層エポキシ樹脂或いは単層ポリウレタンである。
本実施形態では、コーティング監視モジュール１３０は、洋上風力発電設備（すなわち、前記監視対象）に設けられてもよく、具体的には、コーティング監視モジュール１３０は洋上風力発電設備の大気部、飛沫帯部、潮汐部、海泥部及び没水部の五大領域に設けられてもよく、特に、「飛沫帯部」を本実施形態の主要な測定領域とする。また、前記コーティング監視モジュール１３０は、信号生成装置１３２を備えた微小電気機械システム１３１と、前記微小電気機械システム１３１に接続されたプリント回路基板１３３と、を含む。
具体的には、コーティング監視モジュール１３０は、コーティングインピーダンスアナライザ（Ｃｏａｔｉｎｇ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ、ＣＩＡ）とも呼ばれ、主にＦＰＧＡ微小電気機械システム１３１及びプリント回路基板１３３で構成され、ＦＰＧＡ微小電気機械システム１３１が備える信号生成装置１３２が信号生成の機能を提供し、電源供給及びデータ伝送のため、コンピューティングデバイス１７０に接続されるため、外部機器の使用を大幅に減らすことができる。測定時間を短縮させるため、コーティング監視モジュール１３０は、１Ｈｚの単点周波数で試料を測定して測定性能をテストし；コーティング監視モジュール１３０は、測定原理の変化、及び単点サンプリング周波数の選択により、１回の測定時間を１分未満に短縮でき、測定に必要な時間やコストが大幅に削減される。
また、測定ターゲット（監視対象１１０）のコーティングインピーダンス値は、１０７オーム〜１０９オームの範囲に設定されるので、参照用の既知抵抗値が１０８オームとして選択される。コーティング監視モジュール１３０の動作原理は、電圧分配原理であり、すなわち各負荷に分配された電圧はそのインピーダンスに比例し、したがって、既知抵抗Ｚｒｅｆと監視対象１１０（コーティング）を直列に接続すると共に１０ｍＶ交流電圧を印加して既知抵抗Ｚｒｅｆ及び監視対象１１０（コーティング）を通過した後の両端の電位差を測定すると、電圧分配原理により監視対象１１０コーティングインピーダンス値Ｚｃを推定することができる。以下にコーティング監視モジュール１３０のシステム回路図を参照しながら、さらに説明する。
さらに、コーティング監視モジュール１３０には、システム回路が設計されおり、システム回路の設計図は、主にプリント回路基板１３３及び微小電気機械システム１３１の２つの部分に区分され、図３を参照することができる。プリント回路基板１３３の部分では、前記システム回路１３が前記監視対象を既知抵抗Ｚｒｅｆと直列に接続し、前記既知抵抗Ｚｒｅｆの両端に信号電圧の入力端子Ｖ１及び信号電圧の出力端子Ｖ２が設けられ；一方、信号電圧の入力端子Ｖ１は、微小電気機械システム１３１の信号生成装置１３２と接続でき、かつ前記信号生成装置１３２が信号電圧をプリント回路基板１３３に出力する。入力端子Ｖ１の信号電圧及び出力端子Ｖ２の信号電圧を取得した後、既知抵抗Ｚｒｅｆの抵抗値と組み合わせると、下式で表される分圧式の変換を通じて監視対象のコーティングインピーダンスＺｃ測定値を知ることができ；最後に、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によりコーティングインピーダンスＺｃ測定値をデジタル信号に変換して微小電気機械システム１３１に送る。前記既知抵抗Ｚｒｅｆの抵抗値は、１０８オームであり；前記信号生成装置１３２は、１０ｍＶの信号電圧を出力する。また、前記コーティング監視モジュール１３０は、前記微小電気機械システム１３１及び前記コンピューティングデバイス１７０に接続された遠隔伝送装置（図示せず）をさらに含み、前記遠隔伝送装置がコーティング監視モジュール１３０により測定されたコーティングインピーダンス測定値を、無線方式でデータ値を外部に伝送できる。
また、風力タービンコーティング監視システム１００内の監視対象１１０のコーティングの標準精度を測定するため、コーティング監視モジュール１３０で標準的なカラーコードの抵抗に対し精度テストを実施し、ポテンショスタット１５０を標準とし、標準的なカラーコードの抵抗値が１０６オーム〜１．５×１０９オームで、範囲が１０７オーム〜１０９オームの測定ターゲットをカバーする。システム内の監視対象１１０は、ポテンショスタット１５０と接続でき、具体的には、監視対象１１０の部分を取り外して測定し、前記ポテンショスタット１５０は監視対象１１０の実際のコーティングインピーダンス値を測定して標準とし、また前記実際のコーティングインピーダンス値のデータが前記コーティング監視モジュール１３０を経由してコンピューティングデバイス１７０に伝送され、コーティング監視モジュール１３０から伝送されたコーティングインピーダンス測定値とポテンショスタット１５０から伝送された実際のコーティングインピーダンス値を比較分析し、また実際のコーティングインピーダンス値に基づきコーティングインピーダンス測定値のデータを校正する。
前記コンピューティングデバイス１７０は、産業用コンピュータ、パソコン、サーバー又は計算機能及び電源供給を備えた他のデバイスであり得、かつ保守員が監視対象の腐食変化を観察できるように、上記実際のコーティングインピーダンス値及び実際のコーティングインピーダンス値の履歴記録を保存するデータベースをさらに含み得る。データベースの構築は大量の長期的に蓄積された海事ビッグデータを提供でき、当業者或いは研究員が入手してその後の統計分析を実施するのに便利である。
図４を参照すると、もう１つの部分は、風力タービンコーティング監視システム１００内の監視対象１１０コーティングの試料の精度測定を行い、まず監視対象１１０（監視対象の部分）を水道管容器２３０の下方（測定対象面積Ａは約５〜１０ｃｍ２、好ましくは７ｃｍ２）に接着させた後、濃度３．０〜４．０ｗｔ％（好ましくは３．５ｗｔ％）の塩化ナトリウム腐食溶液２５０を容器２３０内に注ぐと共に溶液中に参照電極２１０（グラファイトカーボンロッド）を入れて精度測定のシステムが経路を形成させ、測定環境の温度を室温２５℃に制御する。監視対象１１０のコーティングは、耐食性に優れたコーティングを選択でき、例えば厚さ２００μｍ又は２５０μｍの単層エポキシ樹脂或いは厚さ３０〜５０μｍの単層ポリウレタンなどの材料であり、その交流インピーダンス値が全て１０８オーム以上である。測定の開始時、信号生成装置で出力される交流電位を微小電位（１０ｍＶ）に設定することで、測定過程でコーティングに損傷を与えないよう確保し、この電位で測定されたデータとポテンショスタット１５０で測定されたデータを比較し、コーティング監視モジュール１３０のコーティング交流インピーダンスに対する測定精度を議論する。
本実施形態の監視システム１００の測定方法は、最初の測定對象が監視対象１１０のコーティングのコーティングインピーダンス測定値であり、さらにポテンショスタット１５０で測定された実際のコーティングインピーダンス値のデータを双方向参照として使用する。
例えば、下記表１内のコーティング監視モジュールで測定されたデータ（コーティングインピーダンス測定値）をポテンショスタット１５０で測定されたデータ（実際のコーティングインピーダンス値）に対応すると、ポテンショスタット１５０の測定結果と非常に近く、かつターゲットの下限（１０７オーム）よりも1桁低い１０６オームの抵抗を測定する場合でも、精度は良好であり、ターゲットの上限（１０９オーム）の１．５×１０９オームより高い抵抗を測定する場合でも優れた精度が維持されていた。
標準抵抗測定精度テストの予備実験結果は、コーティング監視モジュールが測定できるインピーダンス値は１．５×１０９オームに達することを実証した。実際コーティングに適用される測定性能をテストするため、コーティング監視モジュールを利用してコーティング試料を測定し、更にポテンショスタット１５０からのデータを双方向参照として使用する。図５及び図６を参照すると、図５は監視対象コーティングがエポキシ樹脂試料（２００μｍ）の場合の測定結果比較図であり；図６は監視対象コーティングがエポキシ樹脂試料（２５０μｍ）の場合の測定結果比較図である。図内の黒丸曲線は、ポテンショスタット１５０で測定されたインピーダンスの結果を示し、十字記号曲線がポテンショスタット１５０で測定された位相角の結果を示し、黒四角点がコーティング監視モジュール１３０の測定結果である。
図５は、高インピーダンスコーティングに対するコーティング監視モジュール１３０及びポテンショスタット１５０の測定結果の精度が良好（コーティング監視モジュール１３０で測定されたコーティングインピーダンス測定値は、１．２３×１０９オームで、ポテンショスタット１５０で測定された実際のコーティングインピーダンス値が１．５４×１０９オームであった）を示しており；図６は、他のグループの高インピーダンスコーティングの測定結果精度が低いこと（コーティング監視モジュール１３０で測定されたコーティングインピーダンス測定値は１．２６×１０９オームで、ポテンショスタット１５０で測定された実際のコーティングインピーダンス値が５．３３×１０９オームであった）を示している。ポテンショスタット１５０で測定された２つのコーティング試料の１Ｈｚインピーダンス値は、ほぼ同じであることが２つのグラフから分かるが、位相角曲線から図５の監視対象のコーティング特性が中低周波帯においてコンデンサ（位相角−９０度）から抵抗器（位相角０度）に変換されるため、インピーダンス曲線は低周波帯において斜線から水平線に変わり；図６の試料の位相角は、純粋なコンデンサに近い特性を示し、インピーダンス曲線からも低周波帯での曲線の傾きはあまり変化せず、コンデンサ特性が支配的である場合でも斜線で示していることを観察できる。
以上の結果から分かる通り、異なるコーティングの抵抗値が同じであっても、コーティング特性が異なると、測定精度が低下する可能性がある。その原因は、その理由は、コーティング自体の完全性、コーティングと基材との間の界面などの異なる状況により、抵抗器又はコンデンサなどの電子素子の特性に類似する特性が生じると推測される。１０ｍＶのＡＣ信号を測定対象のコーティングシステムに入力すると、この信号がこれらの電子素子の影響を受け、信号が理想的な抵抗器を通過する場合、出力信号と入力信号との間の位相差は０度であり；信号が理想的なコンデンサを通過した場合、出力信号と入力信号との間の位相差が−９０度で、しかしながら、実際のコーティング監視モジュールは単一の抵抗器或いはコンデンサ素子の特性で構成されず、複数の抵抗器とコンデンサが直列或いは並列に接続されて複雑な回路を形成し得出力信号を遅延させることで位相差を生じさせ、したがって、コーティングを通過する１０ｍＶのＡＣ信号によって生成された分圧を受け取った後、やはり適切な信号処理を行う必要があり、位相シフトを校正してからコーティング監視モジュールで測定されたコーティングインピーダンス値を算出できる。
コーティングの特性を評価する時、監視対象コーティングの等価回路モデルを構築するのは、ＲＣ回路がしばしば使用される。図７を参照すると、本発明の好ましい実施形態に係る監視対象のコーティングの等価回路モデルを示す模式図である。図内のＲｐは、分極抵抗とも呼ばれる電荷移動抵抗を表す。これは原子状態からイオン状態への金属の障害であり；Ｒｓは、溶液インピーダンスを表し；Ｃｄｌは、電気二重層コンデンサを表す。基本的な回路理論からも分かるように、この回路の合計インピーダンス式は、下式で表される。
式中、Ｃｄｌのインピーダンス式は下式で表される。
Ｃｄｌのインピーダンス式を回路の合計インピーダンス式に代入し、式を導出すると、下式で表されるコーティングの合計インピーダンス式を得ることができる。
上式から合計インピーダンスには実部と虚部が含まれることが分かる。実部と虚部は各々抵抗器及びコンデンサによって生じるインピーダンスであり、コンデンサが信号の位相遅をさせ、信号処理及び計算時、この問題を考慮しない場合、コンデンサ特性が顕著なコーティングを測定する時、比較的大きな誤差が生じる場合がある。したがって、本発明は、位相シフトで生じた誤差を校正し、コーティング監視モジュールの測定がより正確になり、洋上風力タービンコーティングの健全性状態の監視により適したものになると期待される。
最後に、本実施形態の監視システム１００及びコーティング監視モジュール１３０は、保守員に風力タービンの構造状態に注意を促すために用いられる；しかしながら、監視システム１００及びコーティング監視モジュール１３０自体が受ける腐食損傷も重要な課題である。このため、本実施形態は、耐塩水噴霧性材料を選択し、かつ、監視システム及びコーティング監視モジュールを保護するハウジングとして気密箱を使用することで、監視システム１００及びコーティング監視モジュール１３０自体の安全を確保し、正常な動作機能を維持する。
具体的な実験方法は、試作した密閉箱を約一週間塩水噴霧環境に置き、箱内の金属片（例：鋼片或いは鉄片）の露出部の腐食を受けた状態をチェックして箱の保護性を確認する。まず、食塩水溶液５ｗｔ％を使用し、塩水噴霧環境の温度を３３〜３７℃に制御し；金属が塩化物イオン腐食の影響を受けやすい特性を考慮して、筐体部分がアクリル製防水ケース及びプラスチック製防水ケースをそれぞれ選択して塩水噴霧試験を行った。アクリル製密閉箱の原料は、サイズが７５０ｃｍ３程度の１５ｍｍのアクリル板を使用し、また船用電気機器の保護筐体の設計を参考にし、気密性を確保するために円形リングを追加し、４隅部をネジで締め付ける場合、不均一な応力により変形することも考慮したため、複数のＭ３ネジを追加で使用し、下方の２つの開口部は、監視システム及びコーティング監視モジュールに必要な作用電極及び補助電極のために準備した外部コネクタである。上記で使用されているネジは、全て耐食性チタン金属製である。
次に、本発明の風力タービンコーティング監視システムの運用方法を説明する。幾つかの実施形態では、風力タービンコーティング監視システムの運用方法は、例えば上記の風力タービンコーティング監視システムを使用してもよい。以下、図６を参照しながら本発明の運用方法を説明し、図６は本発明の好ましい実施形態に係る風力タービンコーティング監視システムの運用方法フローチャートである。
図６のステップに示すように、本実施形態の運用方法は、まずステップ（Ａ）において、コーティング監視モジュール１３０を洋上風力発電設備（或いは前記監視対象１１０）に固設し、監視対象１１０を洋上風力発電設備から一部を取り出した後、コーティング監視モジュール１３０に接続するよう設けてもよい。次に、コーティング監視モジュール１３０内の微小電気機械システム１３１が備える信号生成装置１３２の電源を入れ、前記信号生成装置１３２を通じて信号電圧をプリント回路基板１３３に出力する。
その後、ステップ（Ｂ）において、前記コーティング監視モジュール１３０は、前記監視対象１１０の表面コーティングを測定し、前記監視対象１１０の表面コーティングのコーティングインピーダンス測定値を得る。具体的には、コーティング監視モジュール１３０では、前記微小電気機械システム１３１及びプリント回路基板１３３の測定方法（図３）は、前記監視対象１１０を既知抵抗Ｚｒｅｆと直列に接続すると共に前記既知抵抗Ｚｒｅｆの両端に信号電圧の入力端子Ｖ１及び信号電圧の出力端子Ｖ２が設けられ；一方、信号電圧の入力端子Ｖ１は、信号生成装置１３２と接続でき、かつ前記信号生成装置１３２が信号電圧をプリント回路基板１３３に出力する。入力端子Ｖ１の信号電圧及び出力端子Ｖ２の信号電圧を取得した後、既知抵抗Ｚｒｅｆの抵抗値と組み合わせると、下式で表される分圧式の変換を通じて監視対象のコーティングインピーダンスＺｃ測定値を知ることができ；最後に、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によりコーティングインピーダンスＺｃ測定値をデジタル信号に変換して微小電気機械システム１３１に送る。前記既知抵抗Ｚｒｅｆの抵抗値は、１０８オームであり；前記信号生成装置１３２は、１０ｍＶの信号電圧を出力する。
具体的には、前記コーティング監視モジュール１３０の測定方法は、監視対象１１０（監視対象の部分）を水道管容器２３０の下方（測定対象面積Ａは約５〜１０ｃｍ２）に接着させた後、濃度３．０〜４．０ｗｔ％（好ましくは３．５ｗｔ％）の塩化ナトリウム腐食溶液２５０を容器２３０内に注ぐと共に溶液中に参照電極２１０（グラファイトカーボンロッド）を入れて精度測定のシステムに経路を形成させ、測定環境の温度を室温２５℃に制御する。監視対象１１０のコーティングは、耐食性に優れたコーティングを選択でき、例えば厚さ２００μｍ又は２５０μｍの単層エポキシ樹脂或いは厚さ３０〜５０μｍの単層ポリウレタンなどの材料であり、その交流インピーダンス値が全て１０８オーム以上である。測定の開始時、信号生成装置１３２で出力される交流電位を微小電位（１０ｍＶ）に設定することで、測定過程でコーティングに損傷を与えないよう確保し、この電位で測定されたデータとポテンショスタット１５０で測定されたデータを比較し、コーティング監視モジュール１３０のコーティング交流インピーダンスに対する測定精度を議論する。
さらに、ステップ（Ｃ）において、前記監視対象１１０に接続されたポテンショスタット１５０は、前記監視対象１１０の表面コーティングを測定し、前記監視対象１１０の表面コーティングの実際コーティングインピーダンス値を得、コーティング監視モジュール１３０を通じて前記実際コーティングインピーダンス値をコンピューティングデバイス１７０に伝送する。
最後に、ステップ（Ｄ）において、コンピューティングデバイス１７０は、コーティング監視モジュール１３０内の微小電気機械システム１３１で測定されたコーティングインピーダンス測定値及びポテンショスタット１５０で測定された実際のコーティングインピーダンス値を受信し、さらに前記実際のコーティングインピーダンス値に基づいて、位相シフトで生じる誤差を校正でき、コーティング監視モジュールの測定がより正確になり、洋上風力タービンコーティングの健全性状態の監視により適したものになると期待される。
本発明の風力タービンコーティング監視システム及びその運用方法の利点は、システムのサイズを大幅に縮小することで、風力タービンコーティング監視システムを様々な洋上風力発電設備に直接取り付けることができ或いはコーティング監視モジュールを洋上風力発電設備に取り付けた後、無線方式で測定された数値を外部に伝送することができる。また、風力タービンコーティング監視システムは、監視対象の保守コストを削減でき、風力タービン構造の現況をリアルタイムで把握すること及び予知保全の機能を持っていることで、監視費用及び監視対象交換人員の危険性を低減できる。さらに、監視システム及びコーティング監視モジュール自体は、腐食による損傷から保護する機能を持つことでシステム自体の安全性を確保し、正常な動作を維持できる。
ただし、上記は本発明の好ましい実施形態に過ぎず、本発明の実施範囲は、そのような実施形態に限定されるものではなく、すなわち、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に従って行われる簡単な変更や潤飾を加えるものは、本発明の保護範囲内に網羅される。
１００ 風力タービンコーティング監視システム
１１０ 監視対象
１３０ コーティング監視モジュール
１３１ 微小電気機械システム
１３２ 信号生成装置
１３３ プリント回路基板
１５０ ポテンショスタット
１７０ コンピューティングデバイス
１３ システム回路
２１０ 参照電極
２３０ 容器
２５０ 溶液
４０ 基部
４１ 洗掘保護装置
４５、７５ 柱
４６、５６、６６、７６、８６ 結合部
４７、５７、６７、７７、８７ タワー
４８、５８、６８、７８、８８ 風力タービンナセル
４９、５９、６９、７９、８９ 風力タービンブレード
５０、５５、６０、７０ 基礎杭
６２ Ｋ接点
６３ Ｘ接点
６４、７４ 対角支柱
６５ 支柱
８０ アンカー
８１ アンカーチェーン
８２、８５ 支持装置
Ａ タワー基部
Ｂ 海面
Ｃ 海床
ＡＤＣ アナログデジタル変換器
Ｚｒｅｆ 既知抵抗
Ｚｃ コーティングインピーダンス測定値
Ｖ１ 入力端子
Ｖ２ 出力端子
Ｒ 電荷移動抵抗
Ｒｓ 溶液インピーダンス
Ｃｄｌ 電気二重層コンデンサ
（Ａ）〜（Ｄ） ステップ
１１０ 監視対象
１３０ コーティング監視モジュール
１３１ 微小電気機械システム
１３２ 信号生成装置
１３３ プリント回路基板
１５０ ポテンショスタット
１７０ コンピューティングデバイス
１３ システム回路
２１０ 参照電極
２３０ 容器
２５０ 溶液
４０ 基部
４１ 洗掘保護装置
４５、７５ 柱
４６、５６、６６、７６、８６ 結合部
４７、５７、６７、７７、８７ タワー
４８、５８、６８、７８、８８ 風力タービンナセル
４９、５９、６９、７９、８９ 風力タービンブレード
５０、５５、６０、７０ 基礎杭
６２ Ｋ接点
６３ Ｘ接点
６４、７４ 対角支柱
６５ 支柱
８０ アンカー
８１ アンカーチェーン
８２、８５ 支持装置
Ａ タワー基部
Ｂ 海面
Ｃ 海床
ＡＤＣ アナログデジタル変換器
Ｚｒｅｆ 既知抵抗
Ｚｃ コーティングインピーダンス測定値
Ｖ１ 入力端子
Ｖ２ 出力端子
Ｒ 電荷移動抵抗
Ｒｓ 溶液インピーダンス
Ｃｄｌ 電気二重層コンデンサ
（Ａ）〜（Ｄ） ステップ
Claims (10)
- 表面に少なくとも１つのコーティングを有する監視対象と
信号生成装置を備え、前記監視対象のコーティングインピーダンス測定値を測定するための微小電気機械システムと、前記微小電気機械システムに接続されたプリント回路基板とを含み、前記監視対象に接続されたコーティング監視モジュールと、
前記監視対象及び前記コーティング監視モジュールに接続され前記監視対象の実際のコーティングインピーダンス値を計算するためのポテンショスタットと、
前記コーティング監視モジュールに接続され、前記実際のコーティングインピーダンス値に基づき前記コーティングインピーダンス測定値を校正するためのコンピューティングデバイスと、
を含む、風力タービンコーティング監視システム。 - 前記監視対象のコーティング材料は、単層エポキシ樹脂又は単層ポリウレタンである、請求項１に記載の風力タービンコーティング監視システム。
- 前記微小電気機械システムには、システム回路が設計されている、請求項１に記載の風力タービンコーティング監視システム。
- 前記システム回路は、前記監視対象を既知抵抗と直列に接続する、請求項３に記載の風力タービンコーティング監視システム。
- 前記信号生成装置の出力周波数は、１Ｈｚである、請求項１に記載の風力タービンコーティング監視システム。
- 信号生成装置が信号電圧を出力するステップ（Ａ）と、
コーティング監視モジュールを通じて監視対象の表面コーティングのコーティングインピーダンス測定値を測定するステップ（Ｂ）と、
ポテンショスタットを通じて前記監視対象の表面コーティングの実際のコーティングインピーダンス値を測定するステップ（Ｃ）と、
コンピューティングデバイスが前記実際のコーティングインピーダンス値に基づき前記コーティングインピーダンス測定値を校正するステップ（Ｄ）と、
を含む、請求項１に記載の風力タービンコーティング監視システムの運用方法。 - 前記監視対象のコーティング材料は、単層エポキシ樹脂又は単層ポリウレタンである、請求項６に記載の風力タービンコーティング監視システムの運用方法。
- 前記ステップ（Ｂ）において、前記コーティング監視モジュールの測定方法は、前記監視対象を既知抵抗と直列に接続し、分圧計算式を通じて前記監視対象のコーティングインピーダンス測定値を計算することである、請求項６に記載の風力タービンコーティング監視システムの運用方法。
- 前記ステップ（Ｂ）において、前記コーティング監視モジュールの測定方法は、前記監視対象を容器に接着させた後で塩化ナトリウム腐食溶液に注ぎ、溶液中の参照電極を入れることで、経路が形成された後、前記監視対象のコーティングインピーダンス測定値を測定する、請求項６に記載の風力タービンコーティング監視システムの運用方法。
- 前記信号生成装置の出力周波数は、１Ｈｚである、請求項６に記載の風力タービンコーティング監視システムの運用方法。
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2018
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