JP5207074B2 - Wind turbine blade abnormality determination method, abnormality determination device, and abnormality determination program - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電風車において風を受けて回転するブレードの異常判定方法、異常判定装置、並びに異常判定プログラムに関するものである。   The present invention relates to an abnormality determination method, an abnormality determination device, and an abnormality determination program for a blade that rotates by receiving wind in a wind turbine.

風力発電用の風車は、見通しのよい立地に60m〜100m程度の高さで建設されるため、落雷によるブレードの破損に対するリスクが大きい。落雷を誘導するための方法として、風車のブレード先端にレセプターと呼ばれる小さな金属板を取り付け、雷電流を安全に大地へ流す方法が行われている。   A wind turbine for wind power generation is constructed at a height of about 60 m to 100 m in a location with good visibility, and therefore there is a high risk of blade damage due to lightning strikes. As a method for inducing lightning strikes, a method is used in which a small metal plate called a receptor is attached to the tip of a blade of a windmill so that a lightning current can flow safely to the ground.

しかしながら、このレセプターで対応できるのはある程度までの落雷に留まるものであって、まれに起きる大きな落雷あるいは小規模な落雷の繰り返しにより、ブレードの損傷、あるいは、レセプター自身が溶融する障害が発生している。レセプター自身が溶融した場合には、以後に発生する落雷に対応することができない場合があり、ブレードに直接落雷することでブレードの損傷につながる。   However, this receptor can only handle lightning strikes to a certain extent, and infrequent occurrences of large or small lightning strikes may cause blade damage or damage to the receptor itself. Yes. When the receptor itself melts, it may not be able to cope with lightning that occurs thereafter, and lightning strikes the blade directly, leading to damage to the blade.

一般に落雷によるブレードの損傷が、即時に致命的な損傷となることは少ないが、落雷による小さな損傷(開き)が、ブレードの回転によって働く空気抵抗などの力で破断が進行しブレードの致命的な損傷となる。致命的なブレードの損傷は、ブレードの交換、並びに交換期間における売電機会逸失により多大な金額の被害が生じる。   Generally, damage to blades due to lightning strikes is rarely a fatal damage, but small damage (openings) due to lightning strikes can cause fatal damage to blades due to breakage due to the force of air resistance and other factors caused by blade rotation. It will be damaged. The fatal blade damage causes a great amount of damage due to the replacement of the blade and the loss of power sales opportunities during the replacement period.

風車への落雷は避けることができないが、落雷によって生じたブレードの損傷を早期・小規模な段階で発見することは、風力発電におけるリスク回避として事業者からの要望が高い。現状では、双眼鏡を使った定期的な目視検査で損傷を発見する対応が取られているが、熟練を要する作業であって誰でも簡単にできる方法ではない。   Although lightning strikes on windmills are inevitable, the discovery of blade damage caused by lightning strikes at an early and small stage is highly requested by businesses as a risk avoidance in wind power generation. At present, measures are taken to detect damage by periodic visual inspection using binoculars, but this is a work that requires skill and is not a method that anyone can easily do.

特許文献1には、翼回転機構と発電機を収納したナセル部と、ナセル部を指示するタワー部とで構成される風力発電装置において、風車の各風車翼に振動を検出する振動センサを取付け、これら振動センサから得られる振動パターンを比較判定する判定手段を備えた風車翼破損検知装置が開示されており、この風車翼破損検知装置により風車翼(ブレード)の破損を初期段階に検知し翼の折損飛散を防止することが提案されている。   In Patent Document 1, in a wind power generator composed of a nacelle section that houses a blade rotation mechanism and a generator, and a tower section that indicates the nacelle section, a vibration sensor that detects vibration is attached to each windmill blade of the windmill. In addition, a wind turbine blade breakage detection device having a determination means for comparing and determining vibration patterns obtained from these vibration sensors is disclosed. The windmill blade breakage detection device detects breakage of a windmill blade (blade) at an initial stage. It has been proposed to prevent breakage and scattering.

特開2001−349775号公報JP 2001-349775 A

しかしながら、この特許文献1に開示される風車翼破損検知装置では、各風車翼(ブレード)に対して振動センサを設ける必要があり、その導入コストは高額となる。また、風車翼の微少振動検出による破損検出には限界があり、ごく初期段階における異常を検出することができない。   However, in the wind turbine blade breakage detection device disclosed in Patent Document 1, it is necessary to provide a vibration sensor for each wind turbine blade (blade), and the introduction cost is high. Moreover, there is a limit to the detection of breakage by detecting minute vibrations of the wind turbine blade, and an abnormality in the very initial stage cannot be detected.

このように風力発電用風車を稼働、運用する現場においては、ブレードの異常を検出する方法として、作業者の熟練を必要とせず、低コストで早期に、そして確実に検出できる方法が望まれている。   In the field where wind turbines for wind power generation are operated and operated in this way, a method that can detect the abnormality of the blades at low cost and early and reliably without requiring the skill of the operator is desired. Yes.

そのため、本発明の風力発電風車ブレードの異常判定方法は、ブレード下方にて音響信号を収音し、収音した音響信号を周波数軸および時間軸にわたって解析し、音響信号の解析結果中に、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分の存在を検出することで、ブレードの異常を判定することを特徴としている。   For this reason, the abnormality determination method for a wind turbine blade of the present invention collects an acoustic signal below the blade, analyzes the collected acoustic signal over the frequency axis and the time axis, It is characterized in that the blade abnormality is determined by detecting the presence of a Doppler shift component in which a frequency component having a high sharpness changes with the change.

さらに、本発明の風力発電風車ブレードの異常判定方法において、尖鋭度が高い周波数成分の時間推移が所定の傾きを有する場合を、ブレードの異常として判定することとしている。   Furthermore, in the wind power generation wind turbine blade abnormality determination method of the present invention, a case where a time transition of a frequency component having a high sharpness has a predetermined inclination is determined as a blade abnormality.

さらに、本発明の風力発電風車ブレードの異常判定方法において、ドップラーシフト成分の存在を検出するための所定の傾きは、風車の回転数によって変更されることとしている。   Furthermore, in the wind power generation wind turbine blade abnormality determination method of the present invention, the predetermined inclination for detecting the presence of the Doppler shift component is changed by the rotational speed of the wind turbine.

また、本発明の風力発電風車ブレードの異常判定装置は、ブレード下方にて収音された音響信号を、周波数軸および時間軸にわたって解析する周波数−時間解析部と、周波数−時間解析部での解析結果中に、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分の存在を検出することで、ブレードの異常を判定する判定部を備えたことを特徴としている。   In addition, the abnormality determination device for a wind turbine blade according to the present invention includes a frequency-time analysis unit that analyzes an acoustic signal collected below the blade over a frequency axis and a time axis, and an analysis by the frequency-time analysis unit. It is characterized in that it includes a determination unit for determining blade abnormality by detecting the presence of a Doppler shift component in which a frequency component having a high sharpness changes with time.

また、本発明の風力発電風車ブレードの異常判定プログラムは、ブレード下方にて収音された音響信号を、周波数軸および時間軸にわたって解析する周波数−時間数解析処理と、周波数−時間解析処理での解析結果中に、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分の存在を検出することで、ブレードの損傷を判定する判定処理を実行することを特徴としている。   The abnormality determination program for wind turbine blades according to the present invention includes a frequency-time analysis process for analyzing an acoustic signal collected below the blade over a frequency axis and a time axis, and a frequency-time analysis process. It is characterized in that a determination process for determining blade damage is performed by detecting the presence of a Doppler shift component in which a frequency component having a high sharpness shifts with time transition in the analysis result.

本発明の実施形態において測定対象とした風力発電風車を示す図。The figure which shows the wind power generator windmill made into the measuring object in embodiment of this invention. ブレードからの風切音発生の様子を示す図。The figure which shows the mode of the wind noise generation | occurrence | production from a braid | blade. 本発明の実施形態に係る異常判定方法に利用する測定装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the measuring apparatus utilized for the abnormality determination method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る異常判定方法における収音範囲を示す図。The figure which shows the sound collection range in the abnormality determination method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る異常判定方法におけるブレードに対するマイクロホンの指向特性を示す図。The figure which shows the directional characteristic of the microphone with respect to the blade in the abnormality determination method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る周波数−時間分析結果を示す図。The figure which shows the frequency-time analysis result which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る周波数−時間分析結果を示す図。The figure which shows the frequency-time analysis result which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るドップラー成分の検出を説明するための図。The figure for demonstrating the detection of the Doppler component which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る風力発電風車ブレードの異常判定装置を示す図。The figure which shows the abnormality determination apparatus of the wind power generator windmill blade which concerns on embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る風力発電風車ブレードの異常判定装置を示す図。The figure which shows the abnormality determination apparatus of the wind power generation windmill blade which concerns on other embodiment of this invention.

図1は、本発明の実施形態で計測対象とした風力発電風車について、その側面図と正面図を示した図である。この風力発電風車10は、タワー11、ナセル12、3枚のブレード13a〜13c、ヘッド14、各ブレードに取り付けられたレセプター15a〜15cを備えて構成されたプロペラ型のものであり、その高さを68[m]、ブレード14が回転することで描かれる円の直径を61.4[m]としており、国内でも大型のクラスに属するものである。   FIG. 1 is a diagram showing a side view and a front view of a wind turbine that is a measurement target in the embodiment of the present invention. The wind turbine 10 is of a propeller type including a tower 11, a nacelle 12, three blades 13a to 13c, a head 14, and receptors 15a to 15c attached to the blades. 68 [m], and the diameter of the circle drawn by the rotation of the blade 14 is 61.4 [m], which belongs to a large class in Japan.

ブレード13a〜13cには、軽量で強度が高いGFRP(Glass Fiber Reinforced P
lastic:ガラス繊維強化プラスチック)が用いられているが、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic:カーボン繊維強化プラスチック)を用いることも可能である。これ
ら3枚のブレード13a〜13cは、ヘッド14に接続されている。
GFRP (Glass Fiber Reinforced P) is light and strong.
Lastic: glass fiber reinforced plastic) is used, but CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) can also be used. These three blades 13 a to 13 c are connected to the head 14.

タワー11の上部には、風向きに従って回動可能なナセル12が設置されている。このナセル12内部には、ヘッド14の回転により発電を行う発電機などが設置されている。また、ヘッド14と発電機間には、ヘッド14の回転数を増加させる増速機(増速ギア)を設けることとしても良い。本実施形態の計測対象とした風力発電風車10は、風上側にブレード13a〜13c、風下側にナセル12が配置されたアップウィンド形式を採用しているが、これとは逆の配置関係を有するダウンウィンド形式であってもよい。また、ナセル12上部には落雷から風向風速計を保護するための避雷針が設置されており、落雷時、それに接続された避雷導線を介して大地に電流を流す。   A nacelle 12 that can be rotated in accordance with the wind direction is installed on the top of the tower 11. Inside the nacelle 12, a generator for generating electric power by the rotation of the head 14 is installed. Further, a speed increaser (speed increase gear) that increases the rotational speed of the head 14 may be provided between the head 14 and the generator. The wind power generation wind turbine 10 as the measurement target of the present embodiment employs an upwind format in which the blades 13a to 13c are arranged on the windward side and the nacelle 12 is arranged on the leeward side, but has an arrangement relationship opposite to this. It may be a downwind format. In addition, a lightning rod for protecting the anemometer from lightning strikes is installed at the top of the nacelle 12, and at the time of a lightning strike, a current is passed to the ground via a lightning conductor connected to the lightning.

風力発電風車は、その発電方式によって定回転型と可変速回転型の2つのタイプに分けられる。定回転型は、風速に拠らず風車が一定速度で回転を行うことで発電する方式である。一方、可変速回転型は、風速に応じて最大の出力が得られる任意の回転数で回転する方式である。本実施形態においても同タイプが採用されている。   Wind power generation wind turbines are classified into two types, a constant rotation type and a variable speed rotation type, depending on the power generation method. The constant rotation type is a method of generating electricity by rotating the windmill at a constant speed regardless of the wind speed. On the other hand, the variable speed rotation type is a system that rotates at an arbitrary number of rotations at which the maximum output is obtained according to the wind speed. The same type is also adopted in this embodiment.

この定回転型の風力発電風車では、メーカーや機種によってその数値は若干異なるものの、概ね3[m/s]〜25[m/s]程度で発電を行うように設計されている。発電が可能となる最低風速をカットイン風速、最大風速をカットアウト風速と呼ぶ。定回転型においては、このカットイン風速〜カットアウト風速間の回転数は一定であり、概ね20[回転/分]程度となっている。機種によっては回転数を複数段階で可変させるものもある。   This constant rotation type wind power generation wind turbine is designed to generate power at about 3 [m / s] to 25 [m / s], although the numerical value varies slightly depending on the manufacturer and model. The minimum wind speed at which power generation is possible is called the cut-in wind speed, and the maximum wind speed is called the cut-out wind speed. In the constant rotation type, the rotation speed between the cut-in wind speed and the cut-out wind speed is constant, and is approximately 20 [rotations / minute]. Some models allow the number of rotations to be varied in multiple stages.

実際の運転では、このカットイン風速となった場合、いきなり風車が回転を開始するのではなく、カットイン風速以下でもある程度の風量があれば、電力の供給を受けて風車を回転させて発電のための待機状態とさせている。一方、カットアウト風速を超えた場合には、発電機などの許容能力を超えた状態となるため風車の回転を停止させる。   In actual operation, when this cut-in wind speed is reached, the windmill does not start rotating suddenly, but if there is a certain amount of air even below the cut-in wind speed, the windmill is rotated by receiving power supply and generating power. For waiting. On the other hand, when the wind speed exceeds the cut-out wind speed, the wind turbine rotation is stopped because it exceeds the allowable capacity of the generator or the like.

各ブレード13a〜13cの先端付近には、落雷による被害を防ぐためのレセプター15a〜15cが設けられている。このレセプター15は、直径20[mm]程度の金属板である。レセプター15に避雷した場合、電流はレセプター15に接続されている避雷導線、ヘッド14の固定部、タワー11の金属部、タワー11下部からの接地導線を介して大地に流され、落雷によるブレード13の損傷を防ぐ。   Receptors 15a to 15c for preventing damage caused by lightning strikes are provided near the tips of the blades 13a to 13c. The receptor 15 is a metal plate having a diameter of about 20 [mm]. When lightning is arrested at the receptor 15, the current is sent to the ground via the lightning conductor connected to the receptor 15, the fixing part of the head 14, the metal part of the tower 11, and the grounding conductor from the bottom of the tower 11, and the blade 13 caused by lightning strike Prevent damage.

図2は、ブレード13で発生する風切音発生の様子を示した図である。風切音の周波数特性は広い帯域にわたったものとして観測される。   FIG. 2 is a diagram showing how wind noise generated by the blade 13 is generated. The frequency characteristics of wind noise are observed over a wide band.

また、風力発電風車の下方などの定位置にマイクロホンを設置して計測を行った場合、風切音の発生源となるブレード13は、その回転により計測位置に近づいた後、遠ざかっていく行程を繰り返し、音の発生源の移動に伴う速度ベクトルの計測位置に対する速度成分が大きくなっていく行程では周波数が上昇し、同速度成分が小さくなっていく行程では周波数が下降する、いわゆるドップラー効果を伴って計測されると考えられる。   In addition, when measurement is performed with a microphone installed at a fixed position such as below the wind turbine, the blade 13 that generates the wind noise approaches the measurement position by its rotation, and then moves away. Repeatedly, with the so-called Doppler effect, the frequency rises in the process of increasing the velocity component relative to the measurement position of the velocity vector accompanying the movement of the sound source, and decreases in the process of decreasing the speed component. Is considered to be measured.

一方、本発明者等は、度重なる計測を行うとともにその計測結果をブレード13の状態と付き合わせることで、ブレード13自身の破損、ブレード13に取り付けられたレセプター14の破損、あるいは、取付不具合などブレード13に異常が生じている場合、その異常部位から通常の風切音とは異なる特有の風切音が発生することを確認した。   On the other hand, the present inventors perform repeated measurements and associate the measurement results with the state of the blade 13 to break the blade 13 itself, break the receptor 14 attached to the blade 13, or mounting failure. When an abnormality occurred in the blade 13, it was confirmed that a specific wind noise different from the normal wind noise was generated from the abnormal portion.

この異常部位からの風切音は、ブレード13全体からの風切音と同様、その指向特性を
ブレード13の移動方向後方に持つことが考えられ、ブレード13全体から発せられる風切音と比較した場合、レベルはより高く、周波数特性は尖鋭度が高いものとして計測される。そして、この異常部位からの風切音は、風車の下方位置で計測した場合には、ブレード13の回転に伴う音源位置の移動によりドップラー効果を伴って計測される。
The wind noise from this abnormal part, like the wind noise from the entire blade 13, may have its directional characteristics behind the moving direction of the blade 13, and compared with the wind noise emitted from the entire blade 13. In this case, the level is higher and the frequency characteristic is measured as having high sharpness. And the wind noise from this abnormal part is measured with the Doppler effect by the movement of the sound source position accompanying the rotation of the blade 13 when measured at the lower position of the windmill.

本発明は、この異常部位から発せられる風切音の特徴に着目したものであり、風車下方にて収音した音響信号を周波数軸および時間軸にわたって解析し、この異常部位からの風切音を判別容易なものに加工した上で、表示装置上での目視、あるいは、判定部や、判定処理にて自動診断することで、熟練者による作業を必要とせず、低コストで簡易に、そして確実に早期段階におけるブレード13の異常を検知できるものである。   The present invention focuses on the characteristics of wind noise emitted from this abnormal part, analyzes the acoustic signal collected below the windmill over the frequency axis and the time axis, and detects wind noise from this abnormal part. After processing into an easy-to-determine product, visual inspection on the display device, or automatic diagnosis by the judgment unit and judgment processing eliminates the need for expert work, and is simple and reliable at low cost. In addition, the abnormality of the blade 13 at an early stage can be detected.

図3は、本発明の実施形態の異常判定方法において使用する測定装置の構成を示した図である。測定装置は、マイクロホン、情報処理装置20にて構成される。マイクロホンは、無指向性や単一指向性など適宜タイプのものが利用できる。情報処理装置20には、専用の計測器を用いてもよく、また市販されるパーソナルコンピュータ上でプログラムを実行することで実現することもできる。情報処理装置20にノートパソコンを採用するなど、測定装置は簡易に持ち運びできる大きさで実現可能である。   FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a measurement apparatus used in the abnormality determination method according to the embodiment of the present invention. The measuring device is composed of a microphone and an information processing device 20. As the microphone, an appropriate type such as non-directional or unidirectional can be used. A dedicated measuring instrument may be used for the information processing apparatus 20 or may be realized by executing a program on a commercially available personal computer. The measuring device can be realized in a size that can be easily carried, such as a notebook computer being used as the information processing device 20.

この情報処理装置20は、周波数−時間解析部21と表示部22を主な構成要素として備えている。周波数−時間解析部21は、マイクロホンにて収音された音響信号に対し、時間毎に周波数軸変換を実行し、周波数軸および時間軸上でのレベル分布を示す解析結果を出力する。周波数軸変換にはフーリエ変換を利用することで簡易な処理とすることもできるが、周波数−時間数分解能の高いウェーブレット変換を利用することで、より明確に現象を把握することができる。   The information processing apparatus 20 includes a frequency-time analysis unit 21 and a display unit 22 as main components. The frequency-time analysis unit 21 performs frequency axis conversion for each sound signal picked up by the microphone, and outputs an analysis result indicating a level distribution on the frequency axis and the time axis. Although frequency processing can be simplified by using Fourier transform, the phenomenon can be grasped more clearly by using wavelet transform with high frequency-time resolution.

表示部22は、この解析結果を測定者に対して表示する手段であって、例えば、横軸に時間軸、縦軸に周波数軸をとり、レベル分布を色や輝度の違いで表示する。表示の形態は他にも3次元グラフにて表示するなど各種形態を採用することができる。測定者は、この表示部22に表示される解析結果を目視し、異常部位からの風切音の特徴を判別することでブレード13の異常を判定する。   The display unit 22 is a means for displaying this analysis result to the measurer. For example, the display unit 22 displays the level distribution by the difference in color and brightness, with the horizontal axis representing the time axis and the vertical axis representing the frequency axis. Various other display forms such as a three-dimensional graph can be adopted. The measurer visually determines the analysis result displayed on the display unit 22 and determines the abnormality of the blade 13 by determining the characteristics of wind noise from the abnormal part.

図4は、本発明の実施形態の異常判定方法において好ましい収音範囲、すなわち、マイクロホンの設置可能位置を示した図である。マイクロホンによる収音はブレード13の下方にて行われることになるが、本発明において、音響信号のドップラー効果による周波数の変化を顕著に検出できるようにするため、収音範囲を図示する範囲としている。   FIG. 4 is a diagram showing a preferable sound collection range, that is, a position where a microphone can be installed in the abnormality determination method of the embodiment of the present invention. Sound collection by the microphone is performed below the blade 13, but in the present invention, the sound collection range is shown in the figure in order to make it possible to detect a change in frequency due to the Doppler effect of the acoustic signal. .

具体的には、複数のブレード13の中心に位置するヘッド14の鉛直下方に対する角度αが30[°]以内となる範囲内であって、タワー11後方の所定範囲を除く範囲としている。このような収音範囲とすることで、収音位置に対するブレード13の位置変化を大きくし、風切音のドップラーシフト成分を鮮明にとらえることが可能となる。また、収音範囲からタワー11後方の所定範囲を除くことで、風切音がタワー11により遮られる心配もない。本実施形態の風力発電風車10はアップウィンド形式であるため、タワー11後方の所定範囲としたが、ダウンウィンド形式の場合にはタワー11前方の所定範囲が収音範囲から除外される。   Specifically, the angle α with respect to the vertically lower side of the head 14 positioned at the center of the plurality of blades 13 is within a range of 30 [°], and is a range excluding a predetermined range behind the tower 11. By setting it as such a sound collection range, the position change of the blade 13 with respect to the sound collection position can be increased, and the Doppler shift component of the wind noise can be clearly captured. Further, by removing the predetermined range behind the tower 11 from the sound collection range, there is no concern that the wind noise is blocked by the tower 11. Since the wind power generation wind turbine 10 of the present embodiment is an upwind type, the predetermined range behind the tower 11 is set, but in the case of the downwind type, the predetermined range in front of the tower 11 is excluded from the sound collection range.

ドップラーシフト成分を効率よく収音するための好ましい収音位置(収音最適位置)は、図に示すように、ブレード13a〜13cの回転中心の鉛直下方である。また、ブレード13への接触による危険性、事情から簡易に収音できることを考慮すると、収音位置の高さを地表面から1〜2m程度とするとよい。   As shown in the drawing, a preferable sound collection position (sound collection optimum position) for efficiently collecting the Doppler shift component is vertically below the rotation center of the blades 13a to 13c. In addition, considering the risk of contact with the blade 13 and the fact that sound can be easily collected, the height of the sound collection position is preferably about 1 to 2 m from the ground surface.

図5は、本発明の異常判定方法において好ましいマイクロホンの指向特性を示した図である。回転運動をする発音体のドップラー効果として知られているように、マイクロホンが設置される観測位置とブレード13の回転中心を結ぶ直線とブレード13が描く円弧が交差する点A、Cにおいては、音源が発する本来の周波数f0が観測される。また、D点
に音源があるときにドップラー効果による最高周波数が、そして、B点にあるときにドップラー効果による最低周波数が観測される。
FIG. 5 is a diagram showing the directivity characteristics of a preferred microphone in the abnormality determination method of the present invention. As known as the Doppler effect of a sounding body that rotates, a sound source is generated at points A and C where a straight line connecting the observation position where the microphone is installed and the rotation center of the blade 13 intersect with the arc drawn by the blade 13. The original frequency f0 emitted is observed. Further, the highest frequency due to the Doppler effect is observed when there is a sound source at point D, and the lowest frequency due to the Doppler effect is observed when located at point B.

また、ブレード13が描く円弧に対して観測点から引いた接線との接点をB、Dとした場合、ブレード13がDからAを経てBを通過する間では、ドップラー効果により観測される周波数は低下していく。一方、ブレード13がBからCを経てDを通過する間では、観測される周波数は上昇していく。しかしながら、実際の計測では、観測位置からの距離が遠いため周波数の上昇成分(B点〜C点〜D点間にて発生)は他の音に埋もれてしまい、周波数の下降成分(下降ドップラーシフト成分)が顕著に計測されることとなる。   Further, when the contact points of the arc drawn by the blade 13 with the tangent drawn from the observation point are B and D, the frequency observed by the Doppler effect is as long as the blade 13 passes from D to A through B. It goes down. On the other hand, while the blade 13 passes from B through C through D, the observed frequency increases. However, in actual measurement, since the distance from the observation position is far, the frequency rise component (generated between points B to C and D) is buried in other sounds, and the frequency fall component (down Doppler shift). Component) will be measured remarkably.

このような関係から、マイクロホンの指向特性は、この下降ドップラーシフト成分の発生範囲を含んだものとすることが望ましい。また、図4に示したように収音最適位置をブレード13の回転中心の鉛直下方とするのは、このような関係上、ドップラー効果による周波数遷移が最も大きくなる位置であることを理由とするものである。   From such a relationship, it is desirable that the directivity characteristics of the microphone include the generation range of the descending Doppler shift component. Further, as shown in FIG. 4, the optimum sound collection position is set to be vertically below the rotation center of the blade 13 because of such a relationship that the frequency transition due to the Doppler effect is the largest. Is.

マイクロホンには無指向性のものを採用することもできるが、このような指向性マイクロホンとブレード13の位置関係を採用することで、周囲で発生する雑音を抑え、ブレード13がマイクロホンから遠ざかることで発生するドップラーシフト成分を確実に収音することが可能となる。   A non-directional microphone can be used. However, by adopting such a positional relationship between the directional microphone and the blade 13, noise generated in the surroundings can be suppressed, and the blade 13 can be moved away from the microphone. It is possible to reliably collect the generated Doppler shift component.

図3を用いて説明した測定装置、図4、図5を用いて説明した測定位置にて実際に収音した音響信号の周波数−時間分析結果を図6、図7に示す。この周波数−時間分析結果では、横軸に時間、縦軸に周波数をとり、レベルの大きさが輝度の違いで示されている。図中、色が白い箇所(輝度が高い)がレベルの高い箇所を、色が黒い箇所(輝度が低い)がレベルの低い箇所を指し示している。   FIG. 6 and FIG. 7 show the frequency-time analysis results of the acoustic signal actually collected at the measurement apparatus described with reference to FIG. 3 and the measurement position described with reference to FIG. 4 and FIG. In this frequency-time analysis result, time is plotted on the horizontal axis and frequency is plotted on the vertical axis, and the magnitude of the level is indicated by the difference in luminance. In the figure, a portion with a white color (high luminance) indicates a high level portion, and a portion with a black color (low luminance) indicates a low level portion.

図6の概観から、約4.5秒毎に3つの大きな縞の繰り返しを確認することができる。この3つの大きな縞は、3枚のブレード13a〜13cによって発生した音響信号によるものであり、ちょうどこの測定時、風車10が13[回転/分]する待機状態であることを
示している。この本実施形態で計測対象とした風力発電風車は定回転型であって、発電時には20[回転/分]程度で定速回転が行われる。
From the overview of FIG. 6, it can be seen that three large stripes repeat approximately every 4.5 seconds. These three large stripes are due to the acoustic signals generated by the three blades 13a to 13c, and indicate that the wind turbine 10 is in a standby state of 13 [rotation / minute] at the time of this measurement. The wind power generation wind turbine measured in this embodiment is a constant rotation type, and rotates at a constant speed of about 20 [rotations / minute] during power generation.

図7は、図6と同じ周波数−時間分析結果を示した図であるが、さらに説明を加え、その一部を拡大した図を添付した図となっている。図6で説明した大きな縞は、大別して2つの成分に分けることができる。1つ目の成分は、図中Aの枠で囲まれた12〜17[kHz]にかけて0.5秒程度の発生時間を有する成分Aであり、これはブレード13がタワー
11近傍を通過する際、その相互作用によって発生する音の成分である。なお、図中A1〜A3の添字は、3枚の異なるブレード13a〜13cによるものであることを示している。
FIG. 7 is a diagram showing the same frequency-time analysis results as in FIG. 6, but with additional explanation, a partly enlarged diagram is attached. The large stripes described in FIG. 6 can be roughly divided into two components. The first component is a component A having a generation time of about 0.5 seconds from 12 to 17 [kHz] surrounded by a frame A in the figure. This is when the blade 13 passes near the tower 11. , The sound component generated by the interaction. In the drawing, the subscripts A1 to A3 indicate that the three different blades 13a to 13c are used.

2つめの成分は、図中Bの枠で囲まれた9〜13[kHz]にかけて1.5秒程度の発生時
間を有する成分である。この成分はブレード13全体から発生するドップラー効果を伴った風切音の成分であって、時間の進行に伴い右肩下がり、すなわち、周波数を低下させながら推移する成分となっている。また、前述の成分Aに対し所定時間遅れて発生する成分となっている。添字で示す数字は同一のブレード13から発生した成分であることを示している。このブレード13全体から発生する風切音の成分は、広い周波数範囲で比較的長
い時間にわたって比較的低いレベルでゆっくりと変化する成分として現れている。
The second component is a component having a generation time of about 1.5 seconds from 9 to 13 [kHz] surrounded by a frame B in the figure. This component is a wind noise component accompanied by the Doppler effect generated from the entire blade 13, and is a component that changes as the time goes down, that is, while decreasing the frequency. Further, it is a component that occurs after a predetermined time with respect to the aforementioned component A. The number indicated by the subscript indicates that the component is generated from the same blade 13. The component of wind noise generated from the entire blade 13 appears as a component that slowly changes at a relatively low level over a relatively long time in a wide frequency range.

このように異常のないブレード13では、このブレード13とタワー11の相互作用による成分Aと、ブレード13全体から発生する風切音による成分Bにより構成されたものとなる。一方、異常が発生しているブレード13においては、これら2つの成分に加えて異なる成分が確認できる。図中、B2枠の左下に際立った輝線として現れる成分が、このブレード13の異常によって発生する成分である。   Thus, the blade 13 having no abnormality is composed of the component A due to the interaction between the blade 13 and the tower 11 and the component B due to wind noise generated from the entire blade 13. On the other hand, in the blade 13 in which an abnormality has occurred, different components can be confirmed in addition to these two components. In the figure, the component that appears as a bright line that stands out in the lower left of the B2 frame is a component that occurs due to the abnormality of the blade 13.

この輝線、すなわち、時間推移と共に尖鋭度が高い周波数成分が推移する現象によって生ずる成分(本発明でいう「ドップラーシフト成分」)は、ブレード13自体、あるいはレセプター15の異常によって生じている成分であり、通常、人間の聴覚で確認することは困難であるが、このように周波数−時間解析することで視覚的に視認容易な現象として顕在化することができる。本計測では、当該成分を発生しているブレード13においてレセプター15の取付不良が確認された。このように、本実施形態における異常判定方法は、ブレード下方にて収音した音響信号を、周波数軸および時間軸にわたって解析し、尖鋭度が高い周波数成分の時間推移の存在を検出することで、容易にブレードの異常を判定することが可能となる。本実施形態のように、信号レベルを画像の輝度で表現した解析結果では、ドップラーシフト成分は輝線として確認することができたが、3次元グラフで表現した場合においては、その急峻な起伏により目視にてその存在を確認することができる。   This bright line, that is, a component generated by a phenomenon in which a frequency component having a high sharpness shifts with time transition (a “Doppler shift component” in the present invention) is a component generated by abnormality of the blade 13 itself or the receptor 15. Normally, it is difficult to confirm with human hearing, but by performing frequency-time analysis in this way, it can be manifested as a phenomenon that is visually easy to visually recognize. In this measurement, the attachment failure of the receptor 15 was confirmed in the blade 13 generating the component. As described above, the abnormality determination method in the present embodiment analyzes the acoustic signal collected under the blade over the frequency axis and the time axis, and detects the presence of time transition of the frequency component with high sharpness, It is possible to easily determine the abnormality of the blade. As in the present embodiment, in the analysis result in which the signal level is expressed by the luminance of the image, the Doppler shift component can be confirmed as a bright line. However, when the signal level is expressed by a three-dimensional graph, it is visually observed due to the steep undulation. The existence can be confirmed.

なお、このブレード13の異常によるドップラーシフト成分は、異常の種類、状態によって、その周波数帯域が異なった状態で現れることとなるが、時間推移に伴う尖鋭度が高い周波数成分の推移について、その時間に対する周波数変化(傾き)を用いることで、さらに精度よくドップラーシフト成分の有無を判別することが可能となる。   The Doppler shift component due to the abnormality of the blade 13 appears in a state where the frequency band differs depending on the type and state of the abnormality. By using the frequency change (slope) with respect to, it becomes possible to more accurately determine the presence or absence of a Doppler shift component.

ドップラーシフト成分の傾きは、ブレード13の移動速度と音響信号の収音位置に依存するため、ブレード13が一定速度で移動を続ける発電中の定回転型風力発電風車の場合、ドップラーシフト成分は所定の傾きを有するものとなる。   Since the inclination of the Doppler shift component depends on the moving speed of the blade 13 and the sound pickup position of the acoustic signal, the Doppler shift component is predetermined in the case of a constant-rotation type wind power generation wind turbine in which power generation continues at a constant speed. It has the inclination of.

図8は、ドップラーシフト成分の検出を説明するための模式図であって、尖鋭度が高い周波数成分を時間軸上に配列した様子が示されている。この図に示すように、例えばその尖鋭度が高い周波数成分のピーク値の射影についての傾き、すなわち、時間変化Aに対す周波数変化B(傾き:B/A)が、ブレード13の速度に依存した所定範囲内にあるか否かを判断することで、当該尖鋭度が高い周波数成分の時間推移がブレード13の異常によって発生しているドップラーシフト成分か否かを容易にかつ厳密に判定することが可能となる。   FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the detection of the Doppler shift component, and shows a state in which frequency components having high sharpness are arranged on the time axis. As shown in this figure, for example, the inclination of the projection of the peak value of the frequency component having a high sharpness, that is, the frequency change B (inclination: B / A) with respect to the time change A depends on the speed of the blade 13. By determining whether or not it is within the predetermined range, it is possible to easily and accurately determine whether or not the time transition of the frequency component having a high sharpness is a Doppler shift component generated due to an abnormality of the blade 13. It becomes possible.

一方、可変速回転型の風力発電風車や、定回転型の風力発電風車においても待機状態の場合のように、風車の回転数が可変する場合には、当該回転数に応じてドップラーシフト成分の傾きは変化することとなる。よって、このような風車の回転数に応じて検出対象とする傾きを可変することで、さらに正確にドップラーシフト成分の有無を検出することが可能となる。風車の回転数は、風車のヘッド14に接続された主軸から検出してもよいが、時間−周波数解析の結果から、例えば、図7に示される成分Aの周期性を割り出すことで検出することもできる。   On the other hand, when the rotational speed of the windmill is variable, such as in a standby state in a variable speed rotating wind turbine or a constant rotational wind turbine, the Doppler shift component of the wind turbine varies depending on the rotational speed. The slope will change. Therefore, it is possible to detect the presence / absence of the Doppler shift component more accurately by varying the inclination to be detected according to the rotational speed of the windmill. The rotational speed of the windmill may be detected from the main shaft connected to the head 14 of the windmill, but is detected by determining the periodicity of the component A shown in FIG. 7 from the result of the time-frequency analysis, for example. You can also.

なお、このドップラーシフト成分の傾きは収音位置、すなわち、マイクロホンの設置位置も関係するため、収音位置を変更する場合には、この収音位置を考慮して検出対象とする傾きを変更することとしてもよい。マイクロホンの設置位置を予め決められた箇所とすることや、検出対象とする傾きの検出範囲に余裕を持たせるなどすることで、風車の回転数のみによってもドップラーシフト成分の検出を行うことはできるが、風車の回転数と収
音位置を考慮することで更に正確な検出を行うことが可能となる。
The inclination of the Doppler shift component is also related to the sound collection position, that is, the microphone installation position. Therefore, when changing the sound collection position, the inclination to be detected is changed in consideration of the sound collection position. It is good as well. The Doppler shift component can be detected only by the number of revolutions of the windmill by setting the microphone installation position in advance or providing a margin for the detection range of the inclination to be detected. However, more accurate detection can be performed by considering the rotational speed of the windmill and the sound collection position.

また、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分か否かを判断する基準として、同じブレード13上で繰り返しが生じているか否かを用いることとしてもよい。複数のブレード13上で異常が同時に発生する確率は低いと考えられる。したがって、同じブレード13で、尖鋭度が高い周波数成分の時間推移が繰り返し生じていることを判断の条件に加えることで、簡易に判断の精度を高めることができる。図7のドップラーシフト成分についても、複数の領域B2内にて同じ尖鋭度が高い周波数成分の時間推移が繰り返し発生していることが確認できる。   Moreover, it is good also as using whether the repetition has arisen on the same braid | blade 13 as a reference | standard which judges whether the frequency component with high sharpness changes with time changes is a Doppler shift component. It is considered that there is a low probability that abnormality will occur simultaneously on the plurality of blades 13. Therefore, it is possible to easily increase the accuracy of the determination by adding to the determination condition that the time transition of the frequency component having a high sharpness is repeatedly generated with the same blade 13. Also for the Doppler shift component of FIG. 7, it can be confirmed that the time transition of the frequency component having the same sharpness is repeatedly generated in the plurality of regions B2.

図9は、本発明の実施形態に係る異常判定装置を示した図である。この異常判定装置は、これまで説明してきた異常判定方法を装置として実現したものであって、本実施形態では、情報処理装置20にて構成される。より具体的には、周波数−時間解析部21、判定部23、表示部22、通信部24などを備えて構成される。また、この情報処理装置20を汎用のパーソナルコンピュータなどを用いた場合には、当該情報処理装置20で実行されるプログラムとして実現することができる。   FIG. 9 is a diagram illustrating an abnormality determination device according to an embodiment of the present invention. This abnormality determination apparatus implements the abnormality determination method described so far as an apparatus, and is configured by the information processing apparatus 20 in the present embodiment. More specifically, it includes a frequency-time analysis unit 21, a determination unit 23, a display unit 22, a communication unit 24, and the like. Further, when the information processing apparatus 20 is a general-purpose personal computer or the like, it can be realized as a program executed by the information processing apparatus 20.

図3の測定装置では、周波数−時間解析結果を表示部22に表示し、測定者の目視によってブレード13の以上を判定したのに対し、この異常判定装置では判定部23において自動判定が行われる点で異なったものとなっている。判定部23における判定は、異常判定方法と同様の各種手法によって実行される。このように、判定部23によって自動診断を行う異常判定装置によれば、人間の判断を介在させることなくブレード13の異常判定を行うことが可能となる。   In the measurement apparatus of FIG. 3, the frequency-time analysis result is displayed on the display unit 22 and the above determination of the blade 13 is made by visual observation of the measurer, whereas in this abnormality determination apparatus, the determination unit 23 performs automatic determination. It is different in point. The determination in the determination unit 23 is executed by various methods similar to the abnormality determination method. As described above, according to the abnormality determination device that performs automatic diagnosis by the determination unit 23, it is possible to determine the abnormality of the blade 13 without human intervention.

判定部23における判定結果は、情報処理装置20の表示部22に表示して告知してもよいが、情報処理装置20に備えられた通信部20から通信網を介して、管理者が所持する情報処理端末装置にメール、あるいは、音声メッセージで告知するようにしてもよい。このように、自動診断に通信手段を組み合わせることで遠隔管理を行うことも可能となり風力発電風車の維持管理コストを削減を図ることができる。   Although the determination result in the determination unit 23 may be displayed on the display unit 22 of the information processing device 20 and notified, the administrator possesses the communication unit 20 provided in the information processing device 20 via the communication network. The information processing terminal device may be notified by e-mail or voice message. Thus, remote management can be performed by combining communication means with automatic diagnosis, and the maintenance management cost of the wind turbine can be reduced.

図10は、他の実施形態に係る風力発電風車ブレードの異常判定装置を示す図である。図9で説明した異常判定装置とは、複数の風力発電風車10a〜10cを1つの情報処理管理装置20にて管理する点、通信網を介して音響信号を送信している点において相違したものとなっている。各マイクロホンM1〜M3で収音された音響信号A1〜A3は、通信網を介して情報処理装置20に送信される。情報処理装置20では、周波数−時間解析部21にて各音響信号毎に解析が行われ、判定部23にて各風力発電風車10a〜10c毎の異常が判断される。なお、各風力発電風車10、あるいは、複数の風力発電風車10を撮影する撮影部を設け、音響信号A1〜A3のみならず、動画あるいは静止画といった画像情報を同時に送信することとしてもよい。   FIG. 10 is a diagram illustrating an abnormality determination device for a wind turbine blade according to another embodiment. The abnormality determination device described in FIG. 9 is different in that a plurality of wind turbines 10a to 10c are managed by one information processing management device 20 and an acoustic signal is transmitted through a communication network. It has become. The acoustic signals A1 to A3 collected by the microphones M1 to M3 are transmitted to the information processing apparatus 20 via the communication network. In the information processing apparatus 20, the frequency-time analysis unit 21 performs analysis for each acoustic signal, and the determination unit 23 determines abnormality for each of the wind turbines 10 a to 10 c. In addition, it is good also as providing the imaging | photography part which image | photographs each wind power generation windmill 10 or several wind power generation windmills 10, and transmitting simultaneously not only acoustic signal A1-A3 but image information, such as a moving image or a still image.

このように複数の風力発電風車10a〜10cを管理する場合には、各音響信号A1〜A3に対し、風力発電風車10を示す識別子を付随させておくことで、情報処理装置20側では、どの風力発電風車10a〜10cのブレード13に異常が生じているかを確認することが可能となる。風力発電風車10を示す識別子としては、識別番号のような情報の他、音響信号に所定の周波数成分を混入することで識別できることも考えられる。このような構成によれば、送信された音響信号を周波数分析する際、同時にどの風力発電風車10a〜10cに異常が生じているかを確認することができる。   When managing a plurality of wind power generation wind turbines 10a to 10c in this way, an identifier indicating the wind power generation wind turbine 10 is attached to each of the acoustic signals A1 to A3. It is possible to confirm whether an abnormality has occurred in the blades 13 of the wind turbines 10a to 10c. The identifier indicating the wind turbine 10 can be identified by mixing a predetermined frequency component in the acoustic signal in addition to information such as an identification number. According to such a configuration, when the frequency of the transmitted acoustic signal is analyzed, it is possible to confirm which wind turbine 10a to 10c has an abnormality at the same time.

さらに、複数枚のブレード13のうち、どのブレード13に異常が生じているかを確認できる構成を採用することとしてもよい。この構成は、マイクロホンで収音した音響信号
にブレード13が所定位置を通過したことを示す同期信号を付随させておくことにより容易に実現することができる。また、風力発電風車10の複数枚のブレード13のうち、少なくとも何れか1枚に笛のような吹鳴部を設け、ブレード13の回転によって所定周波数成分を有する音を発するようにすることで、収音した音響信号からどのブレード13に異常が生じているかを遠隔地においても容易に確認することが可能となる。また、この吹鳴部の所定周波数を、各風力発電風車10で異なったものとすることで、風力発電風車10a〜10cを判別することもできる。
Furthermore, it is good also as employ | adopting the structure which can confirm which blade 13 has abnormality among several blades 13. FIG. This configuration can be easily realized by attaching a synchronization signal indicating that the blade 13 has passed a predetermined position to an acoustic signal picked up by the microphone. Further, at least one of the plurality of blades 13 of the wind power generation wind turbine 10 is provided with a whistle-like sounding portion so that a sound having a predetermined frequency component is emitted by the rotation of the blade 13. It is possible to easily confirm which blade 13 is abnormal from a sound signal that has been sounded even in a remote place. Moreover, the wind power generation windmills 10a to 10c can be discriminated by making the predetermined frequency of the sound blowing unit different for each wind power generation windmill 10.

以上、本発明によれば、風力発電風車におけるブレードの異常を、作業者の熟練を必要とせず、低コストで早期に、そして確実に検出することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to detect an abnormality of a blade in a wind power generation wind turbine early and reliably at low cost without requiring skill of an operator.

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。   Note that the present invention is not limited to these embodiments, and embodiments configured by appropriately combining the configurations of the respective embodiments also fall within the scope of the present invention.

10…風力発電風車、11…タワー、12…ナセル、13…ブレード、14…ヘッド、15…レセプター、20…情報処理装置、21…周波数−時間解析部、22…表示部、23…判定部、24…通信部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Wind-powered windmill, 11 ... Tower, 12 ... Nasser, 13 ... Blade, 14 ... Head, 15 ... Receptor, 20 ... Information processing device, 21 ... Frequency-time analysis part, 22 ... Display part, 23 ... Determination part, 24 ... Communication Department

Claims (5)

ブレード下方にて音響信号を収音し、
収音した音響信号を周波数軸および時間軸にわたって解析し、
音響信号の解析結果中に、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分の存在を検出することで、ブレードの異常を判定することを特徴とする
風力発電風車ブレードの異常判定方法。
The acoustic signal is collected under the blade,
Analyzing the collected sound signal over the frequency and time axes,
An abnormality determination method for wind turbine blades characterized by detecting the presence of a Doppler shift component in which the frequency component having a high sharpness changes with time in the analysis result of the acoustic signal. .
尖鋭度が高い周波数成分の推移が所定の傾きを有する場合を、ブレードの異常として判定する
請求項1に記載の風力発電風車ブレードの異常判定方法。
The method for determining an abnormality of a wind turbine blade according to claim 1, wherein a transition of a frequency component having a high sharpness has a predetermined inclination is determined as a blade abnormality.
ドップラーシフト成分の存在を検出するための所定の傾きは、風車の回転数によって変更される
請求項2に記載の風力発電風車ブレードの異常判定方法。
The wind power generation wind turbine blade abnormality determination method according to claim 2, wherein the predetermined inclination for detecting the presence of the Doppler shift component is changed according to the number of rotations of the wind turbine.
ブレード下方にて収音された音響信号を、周波数軸および時間軸にわたって解析する周波数−時間解析部と、
周波数−時間解析部での解析結果中に、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分の存在を検出することで、ブレードの異常を判定する判定部を備えたことを特徴とする
風力発電風車ブレードの異常判定装置。
A frequency-time analysis unit for analyzing an acoustic signal collected below the blade over the frequency axis and the time axis;
In the analysis result in the frequency-time analysis unit, a determination unit for determining blade abnormality by detecting the presence of a Doppler shift component in which a frequency component having high sharpness changes with time transition is provided. A wind turbine blade abnormality determination device.
ブレード下方にて収音された音響信号を、周波数軸および時間軸にわたって解析する周波数−時間解析処理と、
周波数−時間解析処理での解析結果中に、時間推移とともに尖鋭度が高い周波数成分が推移するドップラーシフト成分の存在を検出することで、ブレードの損傷を判定する判定処理を実行することを特徴とする
風力発電風車ブレードの異常判定プログラム。
A frequency-time analysis process for analyzing an acoustic signal collected below the blade over the frequency axis and the time axis;
In the analysis result in the frequency-time analysis process, the determination process for determining damage to the blade is performed by detecting the presence of a Doppler shift component in which a frequency component having a high sharpness changes with time. Yes Wind power generation wind turbine blade abnormality judgment program.
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