JPWO2020054460A1 - 風力タービンおよびその異常検出システム - Google Patents

Abstract

本開示では、構造物であって、上記構造物の外形を形成するとともにその内部に空間を形成する基材１５の内面を覆う応力発光層１６と、上記基材１５によって形成された内部の空間に設けられ、上記応力発光層からの光を検知する検知手段２１と、上記検知手段によって取得したデータを当該構造物の異常を検出する異常検出装置３０に送信する送受信部３２と、を備える上記構造物が提供される。構造物の異常検出システム２０も開示する。

Description

本発明は、内部空間を有する構造物およびその異常検出システムに関し、特に風力タービンの回転翼のダメージや破損を検出する技術に関する。

風力発電は発電コストが低く経済性に優れている点で再生可能エネルギーの一つとして設置・運用が進められており、日本では、設備容量が約３５０万ｋＷ、風力タービン（風力発電装置）は２２００基を超えている。

風力タービンは、大型のプロペラ式の場合、高さが約１００ｍ、回転翼（ブレード）の長さが６０ｍに達する。構造物の異常および危険検知は、従来、打音検査、Ｘ線や超音波を用いた欠陥検知手法が用いられていたが、風力タービンの場合、高所での作業となるため危険が伴い、また、検査のため、ブレードを停止しなければならない。

本願発明者は、外力により発光する応力発光体を、外側から直接見ることのできない構造物に塗布等して、構造物の欠陥とその危険レベルを応力発光体の発光強度分布を利用して可視化する技術の研究を行っている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

特許文献４には、風力発電設備のブレード等の基材の表面に応力発光材を含む第１の層を形成し、第１の層の表面に高分子材料からなる第２の層を形成して、第２の層の摩耗や剥離によって露出した第１の層からの発光を風力発電設備のナセル上や外部に設置したカメラにより外部から検出することが開示されている。

特許第３６１１０８３号明細書 特許第５００７９７１号明細書 特許第５００７９７８号明細書 特開２０１６−１４２２３７号公報

特許文献２では、ブレードが回転している場合は応力発光材の発光を検知することは容易ではない。また、太陽光の反射等の応力発光材以外の光がブレードを反射することもあり、そのようなノイズの影響により異常の検知は困難であるという問題がある。ブレードを停止して検査することもできるが、風力発電設備の稼働率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するもので、新規で有用な構造物および構造物の異常検出システムを提供する。

本発明の一態様によれば、構造物であって、上記構造物の外形を形成するとともにその内部に空間を形成する基材の内面を覆う応力発光層と、上記基材によって形成された内部の空間に設けられ、上記応力発光層からの光を検知する検知手段と、上記検知手段によって取得したデータを当該構造物の異常を検出する異常検出手段に送信する送信手段と、を備える上記構造物が提供される。

上記態様によれば、構造物の外形を形成する基材の内面に形成された応力発光層からの光を、構造物の内部の空間に設けられた検知手段により検知することで、応力発光層からの光以外の光の悪影響を低減して、応力変化が発生する破損等の異常が生じた箇所を容易に検出できる。さらに、検知手段が構造物の内部の空間に設けられているので、構造物が回転や動きがある場合でも、検知手段と構造物とは相対的な位置関係は変化しないので、応力発光層の発光している箇所を容易かつ正確に検知できる。

本発明の他の態様によれば、構造物の異常検出システムであって、上記構造物の外形を形成するとともにその内部に空間を形成する基材の内面を覆う応力発光層と、上記基材によって形成された内部の空間に設けられ、上記応力発光層からの光を検知する検知手段と、上記検知手段によって取得したデータを送信する送信手段と、上記データを受信して上記構造物の異常を検出する異常検出手段と、を備える上記異常検出システムが提供される。

上記他の態様によれば、異常検出システムは、構造物の外形を形成する基材の内面に形成された応力発光層からの光を、構造物の内部の空間に設けられた検知手段により検知して、異常検出手段にデータを送信することで、異常検出手段が応力発光層からの光以外の光の悪影響が低減されたデータに基づいて応力変化が発生する破損等の異常が生じた箇所を容易に検出できる。さらに、検知手段が構造物の内部の空間に設けられているので、構造物が回転や動きがある場合でも、検知手段と構造物とは相対的な位置関係は変化しないので、構造物の外部から応力異常を検知する場合よりも、発光している応力発光層の箇所を容易かつ正確に検知できる。

本発明の一実施形態に係るブレードを有する風力タービンの概略図である。 本発明の一実施形態に係る異常検出システムの概略構成を示す図である。 異常を検知するメカニズムを説明するための図である。 ブレードの内部に設けたカメラおよびエネルギー線照射部の概略配置図である。 本発明の一実施形態に係る異常検出装置の機能構成を示すブロック図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るブレードを有する風力タービンの概略図である。図１を参照するに、風力タービン１０は、タワー１１、ナセル１２、ハブ１３およびブレード１４を有する。風力タービン１０のブレード１４は３枚に限定されず、２枚でもよく、４枚以上でもよい。風力タービン１０は、タワー１１が地上に設置されてもよく、海上に浮上するように設置されてもよく、海底に設置されてもよい。ブレード１４の内部には、図示されていないが、ブレード１４の基材の損傷を検知するためのカメラ等が実装されており、以下詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る異常検出システムの概略構成を示す図である。図２を図１と合わせて参照するに、異常検出システム２０は、ブレード１４内に、ブレード１４の外形を形成する基材１５の内面の少なくとも一部を覆う応力発光層１６と、基材１５の内部空間に配置されたカメラ２１と、応力発光層１６にエネルギー線を照射するエネルギー線照射部２２と、制御部２３と、カメラ２１から撮影した画像データを受け取ってアンテナ２４を介して画像データをブレード１４の外部に送信する送受信部２５とを有する。異常検出システム２０は、ブレード１４の外部、例えば、タワー１１の基部に異常検出装置３０を有する。異常検出装置３０は、画像データをアンテナ３１を介して受信する送受部３２と、ＣＰＵ３３と、メモリ３４と、表示部３５と、ユーザインタフェース３６と、ＩＰ送受信インタフェース３８を有し、互いにバス３９によって接続されている。

ブレード１４は、基材１５によって外形が形成され、その内部に空間が形成される。基材１５は、その内部の後述する桁状部材や梁状部材などの内部構造材によって支持される。基材１５は、ジュラルミン、ガラス繊維強化樹脂や炭素繊維強化樹脂等の軽量で高剛性の材料からなる。

応力発光層１６は、応力発光材料を含む塗料を基材１５の内面に塗布した塗布層でもよく、応力発光材料を含むシートを貼り付けたものでもよい。応力発光層１６は、基材１５の内面の全てに形成してもよく、基材１５の内面の一部、例えば、材料の疲労や損傷が発生しやすい箇所に形成してよい。

応力発光材料は、公知の材料を用いることができる。応力発光材料は、例えば、スタフドトリジマイト構造、三次元ネットワーク構造、スピネル構造、コランダム構造またはβアルミナ構造の応力発光材料、ケイ酸塩、リン酸塩、スズ酸塩の応力発光材料、欠陥制御型アルミン酸塩の高輝度応力発光材料、酸化物、硫化物、酸硫化物、酸窒化物を主成分として構成される高輝度応力発光材料が挙げられる。

応力発光層１６は、粉末の応力発光材料を樹脂材料に分散させて塗料を作成し、基材１５に、スプレー法、スクリーン印刷法等により塗布、硬化させて形成できる。

カメラ２１は、撮像素子に、例えばＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージセンサを用いたものを用いることができ、広角度レンズと組み合わせることで基材の内面を広範囲に撮影することができる。カメラ２１の画像データとブレード内面に設定した座標との関係を予め取得しておくことで、応力発光層１６の発光した箇所の位置情報を取得でき、さらにその形状を取得できる。カメラ２１は、画像データをメモリ（不図示）に保存し、制御部２３によって制御して、送受信部２５からアンテナ２４を介して、異常検出装置３０に送信する。なお、カメラ２１は、応力発光層１６の発光波長を検知できるものであれば特に限定されない。

エネルギー線照射部２２は、応力発光層１６の発光強度を増加させるために応力発光層１６に光を照射する光源を有している。照射する光は、紫外光、可視光および赤外光のいずれでもよい。エネルギー線照射部２２は、連続的に照射してもパルス状に１回あるいは複数回照射してもよく、発光強度を固定してあるいは変化させて複数回照射してもよい。エネルギー線照射部２２の光源としては、ＬＥＤを用いることが低消費電力の点で好ましい。

制御部２３は、カメラ２１の撮影タイミングや、複数のカメラ２１の切換えの制御、エネルギー線照射部２２の発光タイミングや発光強度の制御、画像データおよび画像データの位置や撮影時刻等の補助情報等の送信の制御等を行う。

送受信部２５は、カメラ２１あるいはメモリ（不図示）からの画像データをアンテナ２４を介してブレード１４の外部にある異常検出装置３０に送信する。また、送受信部２５は、異常検出装置３０からの撮影タイミングや撮影条件等の制御データを受信し、制御部２３に伝送する。送受信部２５の送信インタフェースは特に限定されないが、例えば、９２０ＭＨｚの送信周波数で、０．０１Ｗ以下の送信出力の無線チップあるいは無線モジュールを使用してもよい。アンテナ２４は、特に限定されないが、無線周波数が９２０ＭＨｚの場合は、ロッドアンテナやワイヤアンテナを使用できる。

ブレード１４内の上述したカメラ２１、エネルギー線照射部２２，制御部２３および送受信部２５の半導体チップへの電力供給は、図示されないバッテリを使用してもよく、あるいは、電力線をロータリーコネクタを介して配線して、ナセル１２側から供給してもよい。

異常検出装置３０は、ブレード１４内のカメラ２１の画像データから応力発光層１６からの発光状態を取得して、予め取得した画像データと比較して新たに発光している箇所や発光強度が大きくなった箇所等の応力変化が発生する破損等の異常が生じている箇所を検出するものである。

異常検出装置３０の送受信部３２の受信インタフェースは、アンテナ３１から供給される無線信号から画像データおよび補助情報等を取出してＣＰＵ３３に送信する。受信インタフェースは、例えば、９２０ＭＨｚの周波数の電波を受信可能な受信チップあるいは受信モジュールである。

ＣＰＵ（プロセッサ）３３は、公知のＭＰＵ（マイクロプロセッサ）を適宜選択できる。ＣＰＵ３３は、異常検出装置３０が有するハードウェアの制御に加え、受信した画像データからブレード１４の異常が生じている箇所の検出や、カメラ２１の撮影のタイミング等の制御情報の送信等を行う。

メモリ３４は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）であり、独立したチップでもよく、ＣＰＵ３３に含まれるメモリでもよい。メモリ３４は、画像データや制御プログラムの保存のために用いてもよく、他の用途に用いてもよい。

表示部３５は、特に限定されず、公知のディスプレイを用いることができる。画像データや異常が生じている箇所を表示できる。

ユーザインタフェース３６は、ユーザの操作用のデバイスのためのインタフェースで、入力用のキーボード（不図示）や操作用のマウス（不図示）等が接続される。

ＩＰ送受信インタフェース３８は、複数の風力タービンのデータを集中的に管理するサーバや、インターネットあるいはその他の通信回線を介して外部に風力タービンの応力異常のデータを送信することができる。

なお、ブレード１４内の送受信部２５と異常検出装置３０の送受信部３２との通信は有線通信でもよい。この場合、配線はブレード１４からハブ１３、ナセル１２およびタワー１１を介して設けられ、回転状態のハブ１３とナセル１２との間の配線の電気的な接続は、ロータリーコネクタやスリップリングを用いることができる。

図３は、異常を検知するメカニズムを説明するための図である。図３では、図２で示した配線は省略して示している。

図３を参照するに、ブレード１４の外側で飛来物１００がブレード１４に衝突してその衝撃で基材１５が変形したり損傷した場合、その基材１５の歪１５ａによって基材１５の内面に形成された応力発光層１６に印加される応力が変化することになる。エネルギー照射手段２２からの照射光が照射されると、歪１５ａが発生した箇所に接する応力発光層１６の部分１６ａが発光ＳＬする。応力が変形や損傷する前に対して応力が変化したことにより、部分１６ａの発光が、例えば発光強度が大きくなる等の変化が生じる。この発光状態をカメラ２１によって撮影し、画像データを取得する。予め、応力発光層１６の発光と応力発光層１６の２次元あるいは３次元の位置の座標と対応付けて画像データを取得しておき、新たに撮影した画像データと比較することで、このような損傷による応力発光の変化を検出して異常を検知できる。予め取得する画像データは、ブレード１４が静止時に取得してもよく、回転時に取得してもよい。なお、ブレード１４の外側からの損傷に加え、基材１５の材料自体の欠陥や製造時の損傷等をきっかけとして基材１５の内部や内側からも損傷が発生することもある。このような場合でも、応力発光層１６に印加される応力が変化するので、異常を検知できる。

図４は、ブレードの内部に設けたカメラおよびエネルギー線照射部の概略配置図である。図４を参照するに、ブレード１４は、基材１５が形成する内部空間に、基材１５を内部から支持する複数の桁状部材４１が設けられる。さらに、内部空間には、ブレード１４の長手方向ＬＤに複数の桁状部材４１に亘って延在する梁状部材４２が設けられる。梁状部材４２は複数の桁状部材４１を支持する。梁状部材４２は、基材１５を内部から直接支持してもよい。梁状部材４２には、ブレード１４の長手方向ＬＤに垂直な面の両面にカメラ２１およびエネルギー線照射部２２が配置されている。エネルギー線照射部２２は、ブレード１４内面の応力発光層１６に向けてエネルギー線を照射し、応力発光層１６の発光状態をカメラ２１で撮影する。なお、図４ではカメラ２１とエネルギー線照射部２２は別々に配置されているが、カメラ２１とエネルギー線照射部２２とを一体化した複合器としてもよい。複合器のエネルギー線照射部２２は、例えばカメラ２１の本体に内蔵されてもよく、カメラ２１のレンズを囲むように配置されたリング状でもよい。

カメラ２１およびエネルギー線照射部２２は、ブレード１４の長手方向ＬＤに移動可能なように梁状部材４２に支持されていてもよい。これにより、ブレード１４の長手方向ＬＤに亘って応力発光層１６の撮影データを得ることができる。例えば、梁状部材４２に長手方向ＬＤに延びるレールを設け、モータ等の動力源によりレール上をカメラ２１およびエネルギー線照射部２２が移動可能に構成してもよい。なお、レールを用いる場合は、２つのカメラ２１をワイヤで接続し、ブレード１４の基部に駆動用ワイヤの巻き上げ用のモータを設置して一方のカメラがブレード１４の長手方向ＬＤの先端にある場合は他方のカメラがブレード１４の長手方向ＬＤの基部にあるように駆動用ワイヤで曳くことで移動可能にするように構成してもよい。また、レールの代わりに支持用のワイヤに２つのカメラを吊して駆動用ワイヤで移動可能にしてもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る異常検出装置の機能構成を示すブロック図である。図５を参照するに、ＣＰＵ３３の機能は、ＣＰＵ３３内のメモリあるいはメモリ３４に格納されたプログラムおよびデータにより実現される機能である。ＣＰＵ３３は、異常検出部６１、異常通報部６２およびカメラ制御部６３を有する。また、メモリ３４には、カメラ２１が撮影した画像データ６５および画像データ６５の位置や撮影時刻等の補助情報６６が格納されている。異常検出部６１は、予め取得した画像データ６５と新たに取得した画像データ６５を、ブレード１４内の位置毎に比較して応力発光の発光強度や発光位置の変化を比較して、異常箇所を判定する。異常箇所であると判定された場合は、異常通報部６２により、表示部３５への表示や送受信部３８からインターネット等を介して複数の風力タービンを集中管理するサーバに通知する。

本実施形態によれば、ブレード１４の外形を形成する基材１５の内面に形成された応力発光層１６からの光を、ブレード１４の内部空間に設けられたカメラ２１により検知する。これにより、ブレード１４の内部空間に外部から入射する光の強度は小さいため、応力発光層１６からの光以外のノイズとなる光の悪影響を低減して、応力変化が発生する破損等の異常が生じた基材１５の箇所を容易に検出できる。さらに、カメラ２１が、ブレード１４の内部空間に設けられているので、ブレード１４の回転時でも、カメラ２１とブレード１４との相対的な位置関係は変化しないので、応力発光層１６の発光している箇所を容易かつ正確に検知できる。

また、異常検出装置３０は、ブレード１４の内部から送信された画像データに基づいて応力異常が発生したブレード１４の基材の箇所を検出する。画像データは、ブレード１４の内部空間に設けられたカメラ２１により撮影されており、ブレード１４の内部空間に外部から入射する光の強度は小さいため、異常検出装置３０は、応力発光層１６からの光以外のノイズとなる光の悪影響が低減された画像データを取得することで、応力変化が発生する破損等の異常が生じた基材１５の箇所を容易に検出できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上述した実施形態において異常検出装置３０を、ブレード１４の内部に配置して、ブレード１４に異常があるかどうかをブレード１４の外部に通知するようにしてもよい。異常検出装置３０は、風力タービン１０に設置せずに、無線あるいは有線の通信回線で接続されたサーバに設けてもよい。また、カメラ２１はブレード１４内に設けられているが、タワー１１、ナセル１２またはハブ１３の異常を検出する場合は、それらの内部に設けてもよい。これにより、タワー１１、ナセル１２またはハブ１３の損傷を内部から検出することができる。さらに、モノコック構造を有する移動体、例えば航空機、ロケット、鉄道車両、自動車等に本発明を適用できることは言うまでもない。

１０ 風力タービン
１１ タワー
１２ ナセル
１３ ハブ
１４ ブレード
１５ 基材
１６ 応力発光層
２０ 異常検出システム
２１ カメラ
２２ エネルギー線照射部
２３ 制御部
２４、３１ アンテナ
２５、３２ 送受信部
３０ 異常検出装置
３３ ＣＰＵ
３４ メモリ
３５ 表示部
３６ ユーザインタフェース
３８ ＩＰ送受信インタフェース
３９ バス

Claims (13)

1. 構造物であって、
   前記構造物の外形を形成するとともにその内部に空間を形成する基材の内面を覆う応力発光層と、
   前記基材によって形成された内部の空間に設けられ、前記応力発光層からの光を検知する検知手段と、
   前記検知手段によって取得したデータを当該構造物の異常を検出する異常検出手段に送信する送信手段と、を備える前記構造物。
2. 当該構造物は回転可能であり、
   前記検知手段が当該構造物が回転中に前記応力発光層からの光を検知する、請求項１記載の構造物。
3. 前記応力発光層にエネルギー線を照射する照射手段をさらに備える、請求項１または２記載の構造物。
4. 前記応力発光層は、塗膜またはシート状である、請求項１〜３のうちいずれか一項記載の構造物。
5. 当該構造物は、風力タービンのブレードである、請求項１〜４のうちいずれか一項記載の構造物。
6. 前記基材を支持する複数の桁状部材と、
   前記ブレードの長手方向に前記複数の桁状部材に亘って延在し、該複数の桁状部材を支持する梁状部材を備え、
   前記検知手段が前記梁状部材に配置されてなる、請求項５記載の構造物。
7. 前記検知手段を前記ブレードの長手方向に移動可能に前記梁状部材に支持する支持手段をさらに備える、請求項６記載の構造物。
8. 構造物の異常検出システムであって、
   前記構造物の外形を形成するとともにその内部に空間を形成する基材の内面を覆う応力発光層と、
   前記基材によって形成された内部の空間に設けられ、前記応力発光層からの光を検知する検知手段と、
   前記検知手段によって取得したデータを送信する送信手段と、
   前記データを受信して前記構造物の異常を検出する異常検出手段と、
   を備える前記異常検出システム。
9. 前記異常検出手段は、予め取得した第１の状態のデータを記憶する記憶手段を有し、新たに取得した第２の状態のデータと該第１の状態のデータとを比較して異常を検出する請求項８記載の異常検出システム。
10. 前記第１の状態のデータは、静止時に検知されたデータを含む、請求項９記載の異常検出システム。
11. 前記構造物は、風力タービンのブレードである、請求項８〜１０のうちいずれか一項記載の異常検出システム。
12. 前記異常検出手段は、風力タービンのハブ、ナセルまたは支柱に配置される、請求項８〜１１のうちいずれか一項記載の異常検出システム。
13. 前記異常検出手段は、異常を通知する通知手段をさらに備える、請求項８〜１２のうちいずれか一項記載の異常検出システム。

Images