WO2020054460A1 - 内部空間を有する構造物およびその異常検出システム - Google Patents

内部空間を有する構造物およびその異常検出システム Download PDF

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WO2020054460A1
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stress
abnormality
blade
abnormality detection
detection system
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阿部　裕幸
徐　超男
哲也 小垣
泰 森川
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a structure having an internal space and an abnormality detection system thereof, and more particularly to a technique for detecting damage or breakage of a rotor of a wind turbine.
  • Wind power is being installed and operated as one of the renewable energies because of its low power generation cost and high economic efficiency.
  • the installed capacity is approximately 3.5 million kW
  • the wind turbine (wind power generator) is Over 2,200 units.
  • the height reaches about 100 m and the length of a rotating blade (blade) reaches 60 m.
  • the detection of structural abnormalities and dangers has been carried out using hammering inspections, defect detection methods using X-rays or ultrasonic waves.However, in the case of wind turbines, work is performed at high altitudes. Also, the blade must be stopped for inspection.
  • the inventor of the present invention applies a stress-stimulated luminous body that emits light by an external force to a structure that cannot be directly seen from the outside, and visualizes the defect of the structure and its danger level using the luminescence intensity distribution of the stress-stimulated luminous body.
  • We are studying technologies that perform such techniques see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • a first layer containing a stress-stimulated luminescent material is formed on the surface of a substrate such as a blade of a wind power generation facility, and a second layer made of a polymer material is formed on the surface of the first layer. It is disclosed that light emission from the first layer exposed due to abrasion or peeling of the second layer is externally detected by a camera installed on or outside a nacelle of the wind power generation facility.
  • Patent Document 2 it is not easy to detect the light emission of the stress-stimulated luminescent material when the blade is rotating.
  • light other than the stress-stimulated luminescent material such as reflection of sunlight may reflect off the blade, and there is a problem that it is difficult to detect an abnormality due to the influence of such noise.
  • the inspection can be performed with the blade stopped, there is a problem that the operation rate of the wind power generation equipment is reduced.
  • the present invention solves the above-mentioned problems, and provides a new and useful structure and a structure abnormality detection system.
  • a stress-emitting layer that covers an inner surface of a substrate that forms an outer shape of the structure and that forms a space therein, and a structure formed by the substrate
  • the structure comprising: a detecting unit that is provided in the space, and detects light from the stress-emitting layer, and a transmitting unit that transmits data acquired by the detecting unit to an abnormality detecting unit that detects an abnormality of the structure. Things are provided.
  • the light from the stress light emitting layer formed on the inner surface of the base material forming the outer shape of the structure is detected by the detection means provided in the space inside the structure, so that the stress light emitting layer is detected.
  • the detection means provided in the space inside the structure, so that the stress light emitting layer is detected.
  • a system for detecting abnormality of a structure wherein the stress-luminescent layer covers an inner surface of a substrate forming an outer shape of the structure and forming a space therein, Detecting means for detecting light from the stress-stimulated luminescent layer, transmitting means for transmitting data acquired by the detecting means, and an abnormality in the structure upon receiving the data. And an abnormality detecting means for detecting the abnormality.
  • the abnormality detection system detects light from the stress-stimulated luminescent layer formed on the inner surface of the base material forming the outer shape of the structure by the detection means provided in the space inside the structure. Then, by transmitting the data to the abnormality detecting means, the abnormality detecting means generates a stress change based on the data in which the adverse effect of light other than the light from the stress light emitting layer is reduced. Can be easily detected. Furthermore, since the detecting means is provided in the space inside the structure, even if the structure rotates or moves, the relative positional relationship between the detecting means and the structure does not change, so that the detecting means is located outside the structure. Thus, the location of the stress-emitting layer that emits light can be detected more easily and accurately than when the stress abnormality is detected.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wind turbine having a blade according to an embodiment of the present invention. It is a figure showing the schematic structure of the abnormality detection system concerning one embodiment of the present invention. It is a figure for explaining the mechanism which detects abnormality.
  • FIG. 3 is a schematic layout diagram of a camera and an energy beam irradiation unit provided inside a blade. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration of an abnormality detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wind turbine having a blade according to an embodiment of the present invention.
  • a wind turbine 10 has a tower 11, a nacelle 12, a hub 13 and blades 14.
  • the number of blades 14 of the wind turbine 10 is not limited to three, but may be two or four or more.
  • the wind turbine 10 may have the tower 11 installed on the ground, may be installed so as to float on the sea, or may be installed on the seabed.
  • a camera or the like for detecting damage to the base material of the blade 14 is mounted inside the blade 14, and will be described in detail below.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the abnormality detection system according to one embodiment of the present invention.
  • the abnormality detection system 20 includes a stress-emitting layer 16 that covers at least a part of the inner surface of the base material 15 that forms the outer shape of the blade 14, , An energy beam irradiator 22 for irradiating the stress luminescent layer 16 with energy rays, a controller 23, and image data captured from the camera 21 and received through the antenna 24. And a transmission / reception unit 25 that transmits the data to the outside of the blade 14.
  • the abnormality detection system 20 has an abnormality detection device 30 outside the blade 14, for example, at the base of the tower 11.
  • the abnormality detection device 30 includes a transmission / reception unit 32 that receives image data via the antenna 31, a CPU 33, a memory 34, a display unit 35, a user interface 36, and an IP transmission / reception interface 38. It is connected.
  • the outer shape of the blade 14 is formed by the base material 15 and a space is formed therein.
  • the base material 15 is supported by an internal structural material such as a girder member or a beam member, which will be described later.
  • the base material 15 is made of a lightweight and highly rigid material such as duralumin, glass fiber reinforced resin, carbon fiber reinforced resin and the like.
  • the stress-stimulated luminescent layer 16 may be a coating layer in which a paint containing a stress-stimulated luminescent material is applied to the inner surface of the base material 15 or a sheet including a stress-stimulated luminescent material.
  • the stress-stimulated luminescent layer 16 may be formed on the entire inner surface of the base material 15, or may be formed on a part of the inner surface of the base material 15, for example, at a location where the material is likely to be fatigued or damaged.
  • the stress-stimulated luminescent material includes, for example, a stress-stimulated luminescent material having a stadotridymite structure, a three-dimensional network structure, a spinel structure, a corundum structure or a ⁇ -alumina structure, a silicate, a phosphate, a stannate stress-stimulated luminescent material, and a defect control type.
  • High-luminance stress-stimulated luminescent materials such as oxides, sulfides, oxysulfides, and oxynitrides, are mainly used.
  • the stress-stimulated luminescent layer 16 can be formed by dispersing a powdered stress-stimulated luminescent material in a resin material to prepare a paint, and applying and curing the base material 15 by a spray method, a screen printing method, or the like.
  • the camera 21 can use an image sensor using, for example, a CCD or a CMOS image sensor as an image sensor, and can photograph an inner surface of a base material over a wide area by combining with a wide-angle lens. By acquiring the relationship between the image data of the camera 21 and the coordinates set on the inner surface of the blade in advance, it is possible to acquire the position information of the light emitting portion of the stress light emitting layer 16 and further acquire its shape.
  • the camera 21 stores the image data in a memory (not shown), controls the control unit 23, and transmits the image data from the transmission / reception unit 25 to the abnormality detection device 30 via the antenna 24.
  • the camera 21 is not particularly limited as long as it can detect the emission wavelength of the stress light emitting layer 16.
  • the energy beam irradiation unit 22 has a light source that irradiates the stress light emitting layer 16 with light in order to increase the light emission intensity of the stress light emitting layer 16.
  • Irradiation light may be any of ultraviolet light, visible light and infrared light.
  • the energy ray irradiating unit 22 may irradiate continuously or irradiate one or more times in a pulsed manner, or may irradiate a plurality of times while fixing or changing the luminescence intensity. It is preferable to use an LED as a light source of the energy beam irradiation unit 22 in terms of low power consumption.
  • the control unit 23 controls shooting timing of the camera 21, control of switching of the plurality of cameras 21, control of emission timing and emission intensity of the energy ray irradiation unit 22, image data, and auxiliary information such as the position of the image data and the shooting time. Control of the transmission of the data.
  • the transmission / reception unit 25 transmits image data from the camera 21 or a memory (not shown) to the abnormality detection device 30 outside the blade 14 via the antenna 24.
  • the transmission / reception unit 25 receives control data such as imaging timing and imaging conditions from the abnormality detection device 30, and transmits the control data to the control unit 23.
  • the transmission interface of the transmission / reception unit 25 is not particularly limited.
  • a wireless chip or a wireless module having a transmission frequency of 920 MHz and a transmission output of 0.01 W or less may be used.
  • the antenna 24 is not particularly limited, but when the radio frequency is 920 MHz, a rod antenna or a wire antenna can be used.
  • the power supply to the semiconductor chip of the camera 21, the energy beam irradiation unit 22, the control unit 23, and the transmission / reception unit 25 in the blade 14 may use a battery (not shown) or connect the power line via a rotary connector.
  • the wiring may be supplied from the nacelle 12 side.
  • the abnormality detection device 30 acquires the light emission state from the stress light emitting layer 16 from the image data of the camera 21 in the blade 14, and newly emitted light spots and light emission intensities are larger than the image data acquired in advance. This is to detect a place where an abnormality such as breakage or the like where a stress change occurs occurs, for example, a broken place.
  • the reception interface of the transmission / reception unit 32 of the abnormality detection device 30 extracts image data, auxiliary information, and the like from the wireless signal supplied from the antenna 31, and transmits the extracted data to the CPU 33.
  • the receiving interface is, for example, a receiving chip or a receiving module capable of receiving a radio wave having a frequency of 920 MHz.
  • the CPU (processor) 33 can appropriately select a known MPU (microprocessor).
  • the CPU 33 performs, in addition to the control of the hardware included in the abnormality detection device 30, the detection of the location where the abnormality of the blade 14 has occurred from the received image data, the transmission of control information such as the shooting timing of the camera 21, and the like.
  • the memory 34 is a RAM (random access memory) or a ROM (read only memory), and may be an independent chip or a memory included in the CPU 33.
  • the memory 34 may be used for storing image data and control programs, or may be used for other purposes.
  • the display unit 35 is not particularly limited, and a known display can be used. It is possible to display image data and a place where an abnormality has occurred.
  • the user interface 36 is an interface for a device for user operation, to which an input keyboard (not shown) and an operation mouse (not shown) are connected.
  • the ⁇ ⁇ ⁇ IP transmission / reception interface 38 can transmit data on stress anomalies of a wind turbine to the outside via a server that centrally manages data of a plurality of wind turbines or the Internet or other communication lines.
  • the communication between the transmission / reception unit 25 in the blade 14 and the transmission / reception unit 32 of the abnormality detection device 30 may be wired communication.
  • the wiring is provided from the blade 14 via the hub 13, the nacelle 12, and the tower 11, and the electrical connection of the wiring between the hub 13 and the nacelle 12 in a rotating state uses a rotary connector or a slip ring. Can be.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a mechanism for detecting an abnormality. 3, the wiring shown in FIG. 2 is omitted.
  • the inner surface of the base material 15 is distorted by the distortion 15 a of the base material 15.
  • the stress applied to the formed stress light emitting layer 16 changes.
  • the portion 16a of the stress light emitting layer 16 in contact with the location where the strain 15a is generated emits light SL.
  • the stress changes before the stress is deformed or damaged the light emission of the portion 16a changes, for example, the light emission intensity increases.
  • the light emission state is photographed by the camera 21 to obtain image data.
  • Such image data is acquired in advance by associating the light emission of the stress light emitting layer 16 with the coordinates of the two-dimensional or three-dimensional position of the stress light emitting layer 16 and comparing the acquired image data with newly captured image data.
  • An abnormality can be detected by detecting a change in stress luminescence due to damage.
  • the image data acquired in advance may be acquired when the blade 14 is at rest or may be acquired when the blade 14 is rotating.
  • damage may occur from the inside or the inside of the base material 15 due to a defect in the material itself of the base material 15 or damage during manufacturing. Even in such a case, since the stress applied to the stress light emitting layer 16 changes, abnormality can be detected.
  • FIG. 4 is a schematic layout diagram of a camera and an energy beam irradiation unit provided inside the blade.
  • the blade 14 is provided with a plurality of girder members 41 that support the base material 15 from the inside in the internal space formed by the base material 15.
  • a beam-shaped member 42 extending across the plurality of spar-shaped members 41 in the longitudinal direction LD of the blade 14 is provided.
  • the beam member 42 supports the plurality of beam members 41.
  • the beam-shaped member 42 may directly support the base material 15 from the inside.
  • the camera 21 and the energy beam irradiation unit 22 are arranged on both sides of a plane perpendicular to the longitudinal direction LD of the blade 14.
  • the energy ray irradiating unit 22 irradiates energy rays toward the stress light emitting layer 16 on the inner surface of the blade 14, and captures the light emission state of the stress light emitting layer 16 with the camera 21.
  • the camera 21 and the energy beam irradiating unit 22 are separately arranged.
  • a composite device in which the camera 21 and the energy beam irradiating unit 22 are integrated may be used.
  • the energy ray irradiation unit 22 of the compound device may be built in, for example, the main body of the camera 21, or may be a ring shape arranged so as to surround the lens of the camera 21.
  • the camera 21 and the energy beam irradiating unit 22 may be supported by the beam member 42 so as to be movable in the longitudinal direction LD of the blade 14. Thereby, the imaging data of the stress light emitting layer 16 can be obtained over the longitudinal direction LD of the blade 14.
  • a rail extending in the longitudinal direction LD may be provided on the beam-shaped member 42 so that the camera 21 and the energy beam irradiation unit 22 can move on the rail by a power source such as a motor.
  • a rail When a rail is used, the two cameras 21 are connected by a wire, a motor for winding up a driving wire is installed at the base of the blade 14, and one camera is located at the tip of the blade 14 in the longitudinal direction LD.
  • the other camera may be configured to be movable by pulling it with a driving wire so that the other camera is located at the base of the blade 14 in the longitudinal direction LD.
  • two cameras may be hung on a supporting wire instead of a rail, and may be moved by a driving wire.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a functional configuration of the abnormality detection device according to one embodiment of the present invention.
  • the function of the CPU 33 is a function realized by a program and data stored in a memory in the CPU 33 or the memory 34.
  • the CPU 33 includes an abnormality detection unit 61, an abnormality notification unit 62, and a camera control unit 63.
  • the memory 34 stores image data 65 photographed by the camera 21 and auxiliary information 66 such as the position of the image data 65 and the photographing time.
  • the abnormality detection unit 61 compares the previously acquired image data 65 with the newly acquired image data 65 for each position in the blade 14 to compare the luminescence intensity of the stress luminescence and a change in the luminescence position, and determines an abnormal portion. judge. If it is determined that the location is abnormal, the abnormality notification unit 62 notifies the server that centrally manages a plurality of wind turbines through the display on the display unit 35 and the transmission / reception unit 38 via the Internet or the like.
  • the camera 21 provided in the internal space of the blade 14. Accordingly, since the intensity of light incident from the outside into the internal space of the blade 14 is low, the adverse effect of noise light other than the light from the stress light emitting layer 16 is reduced, and abnormalities such as breakage in which a stress change occurs are reduced. The location of the generated base material 15 can be easily detected. Further, since the camera 21 is provided in the internal space of the blade 14, the relative positional relationship between the camera 21 and the blade 14 does not change even when the blade 14 rotates, so that the stress-emitting layer 16 emits light. Location can be detected easily and accurately.
  • the abnormality detection device 30 detects the location of the base material of the blade 14 where the stress abnormality has occurred, based on the image data transmitted from inside the blade 14.
  • the image data is captured by a camera 21 provided in the internal space of the blade 14, and the intensity of light incident from the outside into the internal space of the blade 14 is low.
  • the abnormality detection device 30 may be arranged inside the blade 14 so as to notify the outside of the blade 14 whether the blade 14 has an abnormality.
  • the abnormality detection device 30 may be provided not in the wind turbine 10 but in a server connected by a wireless or wired communication line.
  • the camera 21 is provided inside the blade 14, but may be provided inside the tower 11, the nacelle 12, or the hub 13 when detecting an abnormality. Thereby, damage to the tower 11, the nacelle 12, or the hub 13 can be detected from inside.
  • the present invention can be applied to a mobile body having a monocoque structure, for example, an aircraft, a rocket, a railway vehicle, an automobile, and the like.

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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

内部空間を有する構造物およびその異常検出システム
　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。
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