TW201928196A - 離岸風機支撐結構監測系統及其運作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種離岸風機支撐結構監測系統及其運作方法，包含一離岸風電機、至少一狀態偵測模組、一資料擷取模組、一資料儲存模組、一網路傳輸模組以及至少一使用端。使離岸風電機的維運情況能夠直接且即時的被監測，達到預估維護時機、調整最佳運維策略及節省成本等功效。

Description

離岸風機支撐結構監測系統及其運作方法
本發明提供了一種離岸風機支撐結構監測系統及其運作方法，尤指一種透過多種感測器設置於離岸風電機結構上特定區域之位置，以達到資料統整並使其維運策略最佳化的離岸風機支撐結構監測系統及其運作方法。
離岸風力發電設備，以現行的技術而言主要以離岸風電機為主。現有的離岸風電機大部分包含水面上的運轉結構及水面下的支撐結構、基樁或基座等部分。離岸風電機可能被設置於淺水海域，也可能被設置於200公尺深的深水海域。
不論設置位置的深淺，離岸風力發電設備長時間落坐於無人駐守的水域中，受到波浪、海流、地震、狂風、海床鬆動、爆炸與撞船等因素影響，離岸風力發電設備不僅維護難度高，每次出航進行檢查與維護的成本也高，尤其是預期之外的維護作業也會增加成本或停機產生的營運損失，因此必須有效率地進行維運作業。
隨著離岸風電機營運時間的增長，其結構完整性自然隨之下降，其影響因子包含來自外部的風波流地震、內部的風機運轉，此些因素 造成支撐結構發生振動、應力集中、傾斜等現象，以上都是判斷離岸風電機結構「健康狀態」的指標。
此外，針對離岸風電機水面下的支撐結構、基樁或基座等部分，也與腐蝕相關聯，如應力腐蝕、結構損傷造成腐蝕環境條件改變等；甚至可以追朔到海面上飛濺帶的腐蝕情況。因此，對於離岸風電機的維運而言，目前仍缺乏能夠針對結構安全性之長時間運作、硬體配置的位置最佳化和管理的整合方案。
為解決先前技術中所提及的問題，本發明提供了一種離岸風機支撐結構監測系統及其運作方法。該離岸風機支撐結構監測系統包含一離岸風電機、至少一狀態偵測模組、一資料擷取模組、一資料儲存模組、一網路傳輸模組以及至少一使用端。
其中該至少一狀態偵測模組裝設於該離岸風電機上，該資料擷取模組與該至少一狀態偵測模組連接，該資料擷取模組與該至少一狀態偵測模組連接，而該資料儲存模組與該資料擷取模組連接。該網路傳輸模組與該資料擷取模組連接，而該至少一使用端與該網路傳輸模組連接。
此外，本發明更提供了一種離岸風機支撐結構監測系統的運作方法，主要包含五個步驟。首先，執行步驟(a)提供一離岸風機支撐結構監測系統，接著執行步驟(b)至少一狀態偵測模組偵測一離岸風電機之至少一即時參數。再執行步驟(c)一資料擷取模組統合該至少一即時參數，並將該至少一即時參數儲存至一資料儲存模組，形成至少一歷史參數。
另執行步驟(d)該資料擷取模組將該至少一參數或該資料 儲存模組中之該至少一歷史參數傳送給一網路傳輸模組，最後再執行步驟(e)該網路傳輸模組傳送給至少一使用端。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
10‧‧‧離岸風機支撐結構監測系統
100‧‧‧離岸風電機
101‧‧‧葉片
102‧‧‧機艙
103‧‧‧塔架
104‧‧‧平台
105‧‧‧套管結構
1051‧‧‧支撐腳
1052‧‧‧斜撐元件
106‧‧‧基樁模組
200a~200f‧‧‧狀態偵測模組
300‧‧‧資料擷取模組
400‧‧‧資料儲存模組
500‧‧‧網路傳輸模組
600‧‧‧使用端
701~705‧‧‧區間
S‧‧‧水平面
B‧‧‧海床
X‧‧‧軸線
(a)~(e)‧‧‧步驟
圖1係本發明實施例之系統結構圖。
圖2係本發明實施例之離岸風電機結構圖。
圖3係本發明實施例整合水平面位置暨離岸風電機結構圖。
圖4係本發明實施例之運作流程圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：請參照圖1，圖1係本發明實施例之系統結構圖。如圖1所示，本實施例之離岸風機支撐結構監測系統10包含離岸風電機100、至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)、資料擷取模組300、資料儲存模組400、網路傳輸模組500以及至少一使用端600。
其中至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)裝設於離岸風電機100上，資料擷取模組300與至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)連接，而資料儲存模 組400與該資料擷取模組300連接。網路傳輸模組500與該資料擷取模組300連接，而至少一使用端600與該網路傳輸模組500連接。
在本實施例中，至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)依序為至少二加速度感測器、至少二應變力感測器、至少二結構電阻感測器、至少二塗層阻抗感測器、至少二溫度感測器、至少一傾斜儀或其組合。以本實施例論之，所有種類的至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)皆同時設於同一架離岸風電機100上。
本實施例中，資料擷取模組300可以是工業用計算機、超級電腦或是具有運算、資料轉換功能的設備。而資料儲存模組400可以是硬碟或是雲端硬碟等具有儲存資料功能的軟硬體設備，本發明並不加以限制。
而在可能的實施例中，至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)所獲得的資料可以於資料擷取模組300中透過資料採集與監控系統(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)彙整；而從資料儲存模組400調閱之資料，亦可透過資料採集與監控系統(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)彙整過後，再由網路傳輸模組500傳輸給至少一使用端600。
且每個該至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)更包含一訊號擷取器，訊號擷取器與每個加速度感測器、每應變力感測器、結構電阻感測器、塗層阻抗感測器、二溫度感測器或傾斜儀連接，且每個訊號擷取器與資料擷取模組300連接。在本實施例中，訊號擷取器是類比數位轉換器的統稱。訊號擷取器的主要功能在於將至少一狀 態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)的類比訊號轉為數位訊號後，再傳給資料擷取模組300。
本實施例訊號擷取器之數量不限於必須與至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)的數量相符；亦可依照需求與至少二加速度感測器、至少二應變力感測器、至少二結構電阻感測器、至少二塗層阻抗感測器、至少二溫度感測器或至少一傾斜儀之數量相同，本發明並不加以限制。
如以本實施例為例，狀態偵測模組200a為至少二加速度感測器與訊號擷取器連接之組合。更進一步來說，本實施例之加速度感測器可以採用加速規，如壓電式加速規(Integrated electronic piezoelectric(IEPE)accelerometers)、壓電阻式(Piezoresistance)、電容式微型加速規(Capacitive micro-electromechanical systems(MEMS))、伺服式力平衡加速規(Servo force balance accelerometers)或其組合，用以獲得離岸風電機100的結構振動頻率、模態與阻尼等參數，本發明不加以限制。
而狀態偵測模組200b為至少二應變力感測器與訊號擷取器連接之組合。更進一步來說，本實施例之應變力感測器可採用如電阻式應變規(Electrical resistance strain gauges)、荷重元(Load cells)、振弦應變規(Vibrating wire strain gauges)、光纖式應變規(Fiber optic strain gauges)或其組合，用以取得裝設處的結構應力參數，本發明不加以限制。
而狀態偵測模組200c為至少二結構電阻感測器與訊號擷取器連接之組合。更進一步來說，本實施例之結構電阻感測器可採用電阻探測器(Electrical Resistance Probe)，用以監測離岸風電機100受腐蝕情 形、推估出腐蝕速率。狀態偵測模組200d則為塗層阻抗感測器與訊號擷取器連接之組合。更進一步來說，本實施例之塗層阻抗感測器為塗層阻抗分析儀(Coating Impedance Analysis)，用以偵測離岸風電機100結構塗層是否仍能維持防蝕效果。
狀態偵測模組200e為溫度感測器與訊號擷取器連接之組合，用以偵測環境溫度是否會達到易腐蝕的條件；而狀態偵測模組200f為傾斜儀與訊號擷取器連接之組合。更進一步來說，傾斜儀可以選用傾斜感測晶片或陀螺儀，用以判定離岸風電機100的傾斜程度，本發明並不加以限制。
請同時參照圖2及圖3，圖2係本發明實施例之離岸風電機結構圖；圖3係本發明實施例整合水平面位置暨離岸風電機結構圖。如圖2所示，本發明實施例用以說明之離岸風電機100包含同時包水上及水下結構，更明確言之，本實施例所定義的離岸風電機100應以基樁模組106、套管結構105、平台104、塔架103以及機艙102整體觀之。
本實施例之機艙102與塔架103連接，且機艙102更與複數個葉片101連接。而塔架103與平台104連接，平台104與套管結構105連接，且平台104設於水平面S之上。至於套管結構105與基樁模組106連接，且套管結構105設於海中，基樁模組106則設於海床上。本實施例中，套管結構105更包含至少三支撐腳1051及複數個斜撐元件1052。本實施例採用四個支撐腳1051，且四個支撐腳1051彼此之間以X字形交叉設置有複數個斜撐元件1052。
在可能的實施例中，離岸風電機100之平台104更設有一資 料收集站，若以本實施例套用之，則資料擷取模組300、資料儲存模組400或網路傳輸模組500更可選擇性地設於前述之資料收集站中，本發明並不加以限制。
本實施例中，狀態偵測模組200a透過五種加速度感測器設置於離岸風電機100不同位置之結構上，以達到最佳化加速度感測的功效。其中，上述五種加速度感測器包含至少一第一加速度感測器、至少一第二加速度感測器、至少一第三加速度感測器、至少一第四加速度感測器與至少一第五加速度感測器。
其中，至少一第一加速度感測器設於靠近機艙102之塔架103的內壁。更進一步來說是塔架103頂端與機艙102銜接高度以下5公尺內的位置。而至少一第二加速度感測器設於介於機艙102及平台104間之塔架103的內壁；更進一步來說是塔架103之中段任意位置。
而至少一第三加速度感測器設於平台104與塔架103銜接處的內壁正負5公尺以內的位置，而至少一第四加速度感測器設於套管結構105上，更精確來說至少一第四加速度感測器是設於套管結構105上且距離平台104 5公尺以內之位置，使之得用以測量平台104以下離岸風電機100結構相對海床B之加速度運動。
在本實施例中，至少一第一加速度感測器、至少一第二加速度感測器及至少一第三加速度感測器設於軸線X上，且軸線X外之該離岸風電機上更設有至少一第五加速度感測器。如此一來，至少一第一加速度感測器、至少一第二加速度感測器及至少一第三加速度感測器便會與至少一第五加速度感測器形成三維空間，以利測得離岸風電機100結構的扭轉運動 幅度。
而本實施例之狀態偵測模組200b透過三種應變力感測器，以即時感測風勢對整體離岸風電機100結構造成的應力變化。所述狀態偵測模組200b包含至少二第一應變力感測器、至少一第二應變力感測器以及至少一第三應變力感測器。
其中，第一應變力感測器設於其中一個支撐腳1051底部，更精確來說是設於支撐腳1051距離海床B 10公尺以內的位置。第一應變力感測器主要設置的支撐腳1051應選用盛行風向之迎風受拉力最大的支撐腳1051。其餘之第一應變力感測器更可選擇盛行風向之背風受力最大的支撐腳1051設置，此處為結構長期受壓縮力最大區域。
而第二應變力感測器可同時設於複數個斜撐元件1052及支撐腳1051上部，更進一步來說是斜撐元件1052及支撐腳1051介於水平面S正負5公尺以內之位置；此位置屬於長年波浪統計方向上迎波之結構，量測波力影響。而第三應變力感測器則可設於塔架103與平台104交接處以上5公尺內的該塔架103內壁上。
上述狀態偵測模組200a及狀態偵測模組200b所述之加速度感測器或應變力感測器需透過結構模擬分析評估監測點位，而所有加速度感測器或應變力感測器皆需參考海氣象觀測統計資料、風機結構設計等，調整確切的裝設位置，本發明並不加以限制。
有鑑於狀態偵測模組200c、狀態偵測模組200d、狀態偵測模組200e之裝設位置與水平面S和水文變化關係密切，因此可參照圖3。圖3中明確定義出一據水平面S作為原點(即0)的狀況下，各距離定義出的水 文區間。本實施例之區間係以國際標準風電機-第三章：離岸風電機的設計要件(International Standard Wind turbines-Part 3：Design requirements for offshore wind turbines,IEC 61400-3)中所規定的水文區間作為準則。
其中，區間701為大氣帶(Atmospheric zone)，區間701通常為提供離岸風電機100動力來源的主要區域。區間702為飛濺帶(Splash zone)，區間702通常會伴隨腐蝕嚴重的區域，針對此區域必須以腐蝕狀況做為監測重點。而區間703為潮汐帶(Tidal zone)，此區間通常是海水潮汐變化的位置，潮汐帶的最高水位及最低水位通常是最高天文潮及最低天文潮。區間704為海中帶(Submerged zone)，即為海流影響甚鉅之處。而區間705為海泥帶(Mud zone)，為最靠近海床B結構的區間。
所謂最高天文潮係指排除氣候影響狀況下，純粹以天文潮的極限漲潮水位作為最高天文潮；反之，所謂最低天文潮則係指排除氣候影響狀況下，純粹以天文潮的極限退潮水位作為最低天文潮。
本實施例之狀態偵測模組200c透過至少二結構電阻感測器設於離岸風電機100區間704海中帶靠近區間703之潮汐帶處，更精確來說是介於水平面S最低天文潮以下0~-10公尺處，用以感測結構的腐蝕情況，其餘視需求再增加量測點位，本發明並不加以限制。
而狀態偵測模組200d則透過至少二塗層阻抗感測器設於離岸風電機100區間702飛濺帶處，更精確來說是介於水平面S最高天文潮以上0~5公尺處。此處為腐蝕發生最嚴重的區域之一。其餘視離岸風電機100結構需求再增加量測點位，本發明並不加以限制。
狀態偵測模組200e則構過兩種二溫度感測器運行之，包含至少一第一溫度感測器及至少一第二溫度感測器。其中至少一第一溫度感測器設於該岸風電機100介於水平面S以下之結構。而至少一第二溫度感測器設於離岸風電機100介於水平面以上之結構。更精確的定義為至少一第一溫度感測器必須設於區間704之海中帶。而至少一第二溫度感測器必須設於區間704之大氣帶中。最後，狀態偵測模組200f透過將至少一傾斜儀設於該平台上或該塔架內部，用以偵測整體結構的傾斜狀況。
請參照圖4，圖4係本發明實施例之運作流程圖。圖4中之實施例提供了一種離岸風機支撐結構監測系統的運作方法，主要包含五個步驟。首先，執行步驟(a)提供一離岸風機支撐結構監測系統，接著執行步驟(b)至少一狀態偵測模組偵測一離岸風電機之至少一即時參數。再執行步驟(c)一資料擷取模組統合該至少一即時參數，並將該至少一即時參數儲存至一資料儲存模組，形成至少一歷史參數。
另執行步驟(d)該資料擷取模組將該至少一參數或該資料儲存模組中之該至少一歷史參數傳送給一網路傳輸模組，最後再執行步驟(e)該網路傳輸模組傳送給至少一使用端。
在步驟(a)中，本實施例所提供之離岸風機支撐結構監測系統係如圖1~3所示實施例之離岸風機支撐結構監測系統10。而步驟(b)中，至少一狀態偵測模組(200a、200b、200c、200d、200e、200f)可以偵測複數種資料，將之由類比訊號轉化為數位訊號的即時參數。
本實施例所提之即時參數包含至少一加速度參數、至少一應變力參數、至少一結構電阻參數、至少一塗層阻抗參數、至少一溫度感測 器參數、至少一傾斜度參數或其組合。在可能的實施樣態中，每種即時參數是可以用量化的方式作為監測的手段。
例如將即時參數之總分設為100。當至少一加速度參數、至少一應變力參數、至少一結構電阻參數、至少一塗層阻抗參數、至少一溫度感測器參數或至少一傾斜度參數之總分加起來達到60時開始發出立即警告。亦可將各個至少一加速度參數、至少一應變力參數、至少一結構電阻參數、至少一塗層阻抗參數、至少一溫度感測器參數或至少一傾斜度參數獨立計算其訊號評分，並將評分以顏色顯示於螢幕上。
換言之，該實施例的螢幕上會呈現離岸風電機100之墨線架構圖。透過上述的獨立計算訊號評分，會賦予相應離岸風電機100結構的部分顏色的變化。例如，在塔架103該加速度感測器設置的部位做為中心點，以該中心點出發分上段及下段以不同顏色顯示其緊急狀況或需維運的情況。如超過50分，則以黃色顯示，超過75分表示達到警戒狀態，以橘色顯示，超過90分表示達緊急狀態，需立即馬上給予維護。
在步驟(c)中，資料擷取模組300會將步驟(b)中的至少一即時參數儲存至資料儲存模組400，形成至少一歷史參數。更精確的定義來說，本實施例所指至少一歷史參數是將至少一即時參數積分後的結果。亦即每個至少一即時參數都是整個離岸風機支撐結構監測系統10瞬時點產生的狀態，透過時間軸的建立，將每個至少一即時參數串於時間軸上，變會形成至少一歷史參數。
而當有於維運中心或平台以外之部分取用資料時，自然可進行步驟(d)，由資料擷取模組300將至少一即時參數即時地傳給網路傳輸模 組500，或是將資料儲存模組400中某時點或是某段間期的至少一歷史參數調閱給網路傳輸模組500，再如步驟(e)所述，網路傳輸模組500將之發送給至少一使用端600。
在本實施例中，網路傳輸模組500可以是路由器或是伺服器等據有收發或無線傳輸功能之設備。而至少一使用端600可以是通訊設備、行動裝置、筆記型電腦或是個人電腦等能作為終端收發的設備，本發明並不加以限制。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (13)

  1. 一種離岸風機支撐結構監測系統，包含：一離岸風電機；至少一狀態偵測模組，裝設於該離岸風電機上；一資料擷取模組，與該至少一狀態偵測模組連接；一資料儲存模組，與該資料擷取模組連接；一網路傳輸模組，與該資料擷取模組連接；以及至少一使用端，與該網路傳輸模組連接。
  2. 如請求項1所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該離岸風電機包含：一基樁模組，設於海床上；一套管結構，與該基樁模組連接，且該套管結構設於海中；一平台，與該套管結構連接，且該平台設於水平面之上；一塔架，與該平台連接；以及一機艙，與該塔架連接，該機艙更與複數個葉片連接。
  3. 如請求項2所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少一狀態偵測模組為至少二加速度感測器、至少二應變力感測器、至少二結構電阻感測器、至少二塗層阻抗感測器、至少二溫度感測器、至少一傾斜儀或其組合。
  4. 如請求項3所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中每個該至少一狀態偵測模組更包含一訊號擷取器，該訊號擷取器與每個該至少二加速度感測器、每個該至少二應變力感測器、每個該至少二結構電阻感測器、每個 該至少二塗層阻抗感測器、每個該至少二溫度感測器或每個該至少一傾斜儀連接，且每個該訊號擷取器與該資料擷取模組連接。
  5. 如請求項4所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少二加速度感測器包含：至少一第一加速度感測器，設於靠近該機艙之該塔架的內壁；至少一第二加速度感測器，設於介於該機艙及該平台間之該塔架的內壁；至少一第三加速度感測器，設於該平台與該塔架銜接處的內壁；至少一第四加速度感測器，設於該套管結構上；其中，該至少一第一加速度感測器、該至少一第二加速度感測器及該至少一第三加速度感測器設於一軸線上，且該軸線外之該離岸風電機上更設有至少一第五加速度感測器。
  6. 如請求項4所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該套管結構更包含：至少三支撐腳，與該基樁模組連接；以及複數個斜撐元件，設於該至少三支撐腳之間。
  7. 如請求項6所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少二應變力感測器包含：至少二第一應變力感測器，設於該至少三支撐腳底部；至少一第二應變力感測器，同時設於該複數個斜撐元件及該至少三支撐腳上部；以及至少一第三應變力感測器，設於該塔架與該平台交接處的該塔架內壁。
  8. 如請求項3所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少二結構電阻感測器設於該離岸風電機介於水平面最低天文潮以下0~-10公尺處。
  9. 如請求項3所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少二塗層阻抗感測器設於該離岸風電機介於水平面最高天文潮以上0~5公尺處。
  10. 如請求項4所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少二溫度感測器包含：至少一第一溫度感測器，設於該離岸風電機介於水平面以下之結構上；以及至少一第二溫度感測器，設於該離岸風電機介於水平面以上之結構上。
  11. 如請求項4所述之離岸風機支撐結構監測系統，其中該至少一傾斜儀設於該平台上或該塔架內部。
  12. 一種離岸風機支撐結構監測系統的運作方法，包含：(a)提供如請求項1所述之一離岸風機支撐結構監測系統；(b)至少一狀態偵測模組偵測一離岸風電機之至少一即時參數；(c)一資料擷取模組統合該至少一即時參數，並將該至少一即時參數儲存至一資料儲存模組，形成至少一歷史參數；(d)該資料擷取模組將該至少一參數或該資料儲存模組中之該至少一歷史參數傳送給一網路傳輸模組；以及(e)該網路傳輸模組傳送給至少一使用端。
  13. 如請求項12所述之離岸風機支撐結構監測系統的運作方法，其中該至少一即時參數包含至少一加速度參數、至少一應變力參數、至少一結 構電阻參數、至少一塗層阻抗參數、至少一溫度感測器參數、至少一傾斜度參數或其組合。
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