(57)【要約】      （修正有）【課題】落雷毎にダウンコンダクタの各々の位置における最大温度を計測可能とし、ダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供する。【解決手段】ハブと、ハブに支えられる複数のブレードと、ハブを軸支するローター軸と、ローター軸を格納するナセルと、ナセルを支持するタワーと、からなり、前記各ブレードには、レセプタと、レセプタからハブにわたって設けられるダウンコンダクタと、ダウンコンダクタの略全長にわたって平行かつ連続的に配置される複数の温度センサからなるセンサアレイを備えたダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。【選択図】図２
2019039411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブと、
ハブに支えられる複数のブレードと、
ハブを軸支するローター軸と、
ローター軸を格納するナセルと、
ナセルを支持するタワーと、
からなり、
前記各ブレードには、
レセプタと、レセプタからハブにわたって設けられるダウンコンダクタと、
ダウンコンダクタの略全長にわたって平行かつ連続的に配置される複数の温度センサからなるセンサアレイを備えたダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。
【請求項２】
前記ダウンコンダクタの健全性検出システムのセンサアレイの各センサは、温度センサとして、温度情報を取得するための測定用抵抗線を用いる請求項１に記載のダウンコンダの健全性検出システムを有する風車。
【請求項３】
前記センサアレイはブレード内にて絶縁性シースに収納されている請求項１又は請求項２に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。
【請求項４】
前記絶縁性シースは、フレキシブルメタルホースに収納されている請求項３に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。
【請求項５】
前記ダウンコンダクタの健全性検出システムは、
測定用抵抗線の抵抗値情報をブレード内での位置と関連付けて取得する位置付抵抗値取得部と、位置付抵抗値取得部から取得される抵抗値情報に基づく温度情報を前記位置と測定時刻に関連付けた情報である温度変化情報として記録する温度変化情報記録部とをさらに有する請求項２から請求項４のいずれか一に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。
【請求項６】
前記ダウンコンダクタの健全性検出システムは、
ブレードに対する落雷又は、ブレードに対する落雷によって生じた傷の画像又は／及び映像と、時刻情報と、を関連付けた情報であるである落雷ポジション情報を取得する落雷ポジション情報取得部をさらに有する請求項２から請求項５のいずれか一に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。
【請求項７】
前記ダウンコンダクタの健全性検出システムは、
時刻情報入力部と、入力された時刻情報に基づいて温度変化情報と落雷ポジション情報とからなる観察情報を出力する観察情報出力部をさらに有する請求項６に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車。
【請求項８】
請求項１から請求項７に記載のダウンコンダクタの健全性検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、健全性検出システムを有する風車に関し、特に風力発電設備の健全性検出システムを有する風車翼（ブレード）の落雷対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電設備は大きな電力を得るため、健全性検出システムを有する風車を大型化する傾向にある。風力発電設備の高さは、地上に建設される場合でも、高いものでは１００ｍ以上になり、健全性検出システムを有する風車翼（ブレード）の直径も８０ｍ以上にもなる。また、洋上に建設される場合は、風力発電設備の高さが１８０ｍ以上のものも開発されている。
【０００３】
このように風力発電設備の大型化が進み、健全性検出システムを有する風車の地上高（海上高）が高くなることに伴い、ブレードの落雷の被害割合が高くなっている。
【０００４】
ブレードに落雷被害を受けると、電力の発電に直接的な影響があるので、ブレードの落雷対策が必要となる。落雷対策としては、ブレードのサイズに応じて複数のレセプタを設置したり、ブレードの先端部分・エッジ部分にレセプタを配置するなどが行われている。そして、このレセプタで着雷を受けた雷電流を安全に大地に放電できる設備構造のダウンコンダクタ（引き下げ導線）が設けられている。
【０００５】
特にブレードは、ダウンコンダクタが十分に機能していない場合、焼損や折損等の重大な事故となることが多く、ダウンコンダクタの健全性の把握は重要である。しかしながら、ダウンコンダクタの健全性を直接把握できる装置がなく、年に１回程度、高所作業車等によりブレード表面から目視により検査し、状況に応じてブレードを切断しダウンコンダクタの状況を把握している。このため、落雷毎にダウンコンダクタの健全性が把握できる装置が必要とされている。
【０００６】
ブレードの落雷対策の例としては、例えば、特許文献１には、導電性を有するＣＦＲＰ複合材から構成されるブレードの複数箇所に温度センサを設けて、各温度センサによりブレード（ＣＦＲＰ）の所定期間内の温度を計測し、計測した温度情報と閾値（複合材の樹脂材の熱影響を受ける温度に基づいて決定される値）とを比較し、温度情報が閾値以上になった場合に、ＣＦＲＰ（ブレード）が落雷により損傷していると判定する装置が挙げられる。
【０００７】
また、特許文献２として、ブレードの先端部に設けた導電性のレセプタと、レセプタに接続され、落雷により一時的に発生する落雷電流を接地部に導く２本のダウンコンダクタとを設け、１本のダウンコンダクタにパルス電圧を印加し、２本のダウンコンダクタに設けた光ファイバー電流センサによりダウンコンダクタの正常、断線、融着を検出し、ダウンコンダクタの健全性を図る健全性評価システムが開示されている（段落  〜  ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１３９７３４号公報
【特許文献２】特開２０１７−９６１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１では、導電性のＣＦＲＰ複合材料からなるブレードの落雷対策であり、ダウンコンダクタの健全性については考慮されていなかった。
【００１０】
また、特許文献２では、ダウンコンダクタの健全性を、ダウンコンダクタの細かな位置まで確認するような健全性評価は考慮されていなかった。
【００１１】
本発明の目的は、落雷毎にダウンコンダクタの各々の位置における最大温度を計測可能とし、ダウンコンダクタの健全性検出システムを有する健全性検出システムを有する風車を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、ダウンコンダクタのメンテナンス性を向上させるダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明において、以下のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供する。すなわち、第一の発明として、ハブと、ハブに支えられる複数のブレードと、ハブを軸支するローター軸と、ローター軸を格納するナセルと、ナセルを支持するタワーと、からなり、前記各ブレードには、レセプタと、レセプタからハブにわたって設けられるダウンコンダクタと、ダウンコンダクタの略全長にわたって平行かつ連続的に配置される複数の温度センサからなるセンサアレイを備えたダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車（請求項１対応）。
【００１４】
前記特徴に加え、前記ダウンコンダクタの健全性検出システムのセンサアレイの各センサは、温度センサとして、温度情報を取得するための測定用抵抗線を用いる請求項１に記載のダウンコンダクタ健全性検出システムを有する風車（請求項２対応）。
【００１５】
前記特徴に加え、前記センサアレイはブレード内にて絶縁性シースに収納されている請求項１又は請求項２に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車（請求項３対応）。
【００１６】
前記特徴に加え、前記絶縁性シースは、フレキシブルメタルホースに収納されている請求項３に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車（請求項４対応）。
【００１７】
前記特徴に加え、前記ダウンコンダクタの健全性検出システムは、測定用抵抗線の抵抗値情報をブレード内での位置と関連付けて取得する位置付抵抗値取得部と、位置付抵抗値取得部から取得される抵抗値情報に基づく温度情報を前記位置と測定時刻に関連付けた情報である温度変化情報として記録する温度変化情報記録部とをさらに有する請求項２から請求項４のいずれか一に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車（請求項５対応）。
【００１８】
前記特徴に加え、前記ダウンコンダクタの健全性検出システムは、ブレードに対する落雷又は、ブレードに対する落雷によって生じた傷の画像又は／及び映像と、時刻情報と、を関連付けた情報であるである落雷ポジション情報を取得する落雷ポジション情報取得部をさらに有する請求項２から請求項５のいずれか一に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車（請求項６対応）。
【００１９】
前記特徴に加え、前記ダウンコンダクタの健全性検出システムは、時刻情報入力部と、入力された時刻情報に基づいて温度変化情報と落雷ポジション情報とからなる観察情報を出力する観察情報出力部をさらに有する請求項６に記載のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車（請求項７対応）。
【００２０】
請求項１から請求項７に記載のダウンコンダクタの健全性検出システム（請求項８対応）。
【発明の効果】
【００２１】
上述した構成によれば、落雷毎にダウンコンダクタの各々の位置における最大温度を計測可能とし、ダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供することができる。また、ダウンコンダクタのメンテナンス性を向上させるダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の健全性検出システムを有する風車（風力発電設備）の概念図
【図２】実施形態１の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図３】実施形態１の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図４】実施形態１の健全性検出システムを有する風車のブレードにおける温度センサアレイ（測定用抵抗線）配置図
【図５】実施形態１のブレードのダウンコンダクタに落雷（雷撃）を受けたときのダウンコンダクタの溶断を説明するための図
【図６】実施形態１の落雷を受けたときのブレード内位置での温度変化を示す図
【図７】実施形態１におけるダウンコンダクタの健全性検出システムの構成図
【図８】実施形態１に健全性検出システムの配置を説明するための図
【図９】（ａ）（ｂ）健全性検出システムの落雷計測にホイートストンブリッジを用いた例を示す図
【図１０】実施形態１における温度センサアレイの温度計測を説明するための図
【図１１】実施形態１の健全性検出システムのホイートストンブリッジよる落雷計測の概念図
【図１２】実施形態１の健全性検出システムの落雷計測にホイートストンブリッジを用いた他の例（直列接続）を示す図
【図１３】実施形態１のセンサアレイの絶縁性シースの収納例を示す図
【図１４】実施形態１の絶縁性シースのフレキシブルメタルホース収納例を示す図
【図１５Ａ】実施形態２の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図１５Ｂ】実施形態２の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図１６Ａ】実施形態におけるブレード内で取得した取得情報の光空間通信の機能ブロック図
【図１６Ｂ】実施形態におけるブレード内で取得した取得情報の光空間通信の機能ブロック図
【図１７】実施形態２の位置付き抵抗値取得部のインタフェース例を示す図
【図１８】実施形態２の温度変化情報記録部のインタフェース例を示す図
【図１９Ａ】実施形態３の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図１９Ｂ】実施形態３の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図２０】実施形態３の赤外線カメラによるブレードの撮影健全性検出システムを有する風車を収納した家具の例を示す図
【図２１】実施形態３の落雷ポジション情報取得部のインタフェース例を示す図
【図２２】実施形態３の落雷ポジション情報取得部のインタフェースの他の例を示す図
【図２３Ａ】実施形態４の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図２３Ｂ】実施形態４の健全性検出システムを有する風車の機能ブロック図
【図２４】実施形態４の観察情報出力部のインタフェース例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施しうる。
＜実施形態１＞
＜実施形態１  概要＞
【００２４】
本願発明は大型風車等の落雷電流を接地させるためのダウンコンダクタの健全性を検出するシステムであり、具体的には、各ブレードのダウンコンダクタに沿って各位置に応じて多数の温度検出センサを並べることで、ダウンコンダクタの全長にわたって落雷によるダウンコンダクタの破損状況を把握可能とするものである。
＜実施形態１  構成＞
【００２５】
図１に示すように、風車は構成されている。まず、本件発明を説明する前提として風車の全体構成を説明する。本実施形態１の健全性検出システムを有する風車は、例えば風力発電設備０１００において、３枚のブレード０１０１からなる健全性検出システムを有する風車ブレード、ブレード０１０１の回転中心に備えられた先端ハブ０１０２、ローター軸０１０３に動力伝達軸０１１２を通じて増速機０１０４、ブレーキ装置０１０５、発電機０１０６が備えられている。ここで、ローター軸０１０３と、動力伝達軸０１１２と、増速機０１０４と、ブレーキ装置０１０５と、発電機０１０６とをナセル０１０７に備えられている。ブレード０１０３の羽根の部分に風が当たると、ブレードが回転し、増速機０１０４のギヤで回転数を上げ、回転速度を速めて、発電機０１０６で発電する。この発電された電気はタワー０１０８を通って変圧器０１０９で昇圧され、系統連系保護装置０１１０や電力系統０１１１から送電線や配電線を通じて電気（電力）が供給される。
以下では、ブレードの長さは、約４０ｍ程度のものを想定して説明するが、当然これも限定されるものではない。
【００２６】
図２は、本件発明の機能ブロック図である。図２に示すように、実施形態１のダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車０２００は、ハブ０２０３と、複数のブレード０２０１、０２０２と、ローター軸０２０５と、ナセル０２０４と、タワー０２０６と、からなり、前記各ブレード０２０１、０２０２には、レセプタ０２０７、０２０８と、ダウンコンダクタ０２１１、０２２１と、複数の温度センサからなるセンサアレイ０２１２、０２２２を備えている。このブレードに備えられている部分が主にダウンコンダクタの健全性検出システム０２１０を構成する。また、温度センサは、測定用抵抗線であってもよい。抵抗値の変化で温度の変化を測定するのである。
【００２７】
図３はこれを示したものであるが、相違点は、ブレードに備えられている温度センサアレイが具体的に測定用抵抗線である点であり、その他の点は図２のものと共通である。以下の構成の説明では、図２を中心に説明することとし、適宜図３の測定用抵抗線０３１２を参照して説明する。
＜実施形態１  構成の説明＞
＜実施形態１  構成  ハブ  全体＞
【００２８】
「ハブ」０２０３は、内部には複数の温度センサからなるセンサアレイに接続された信号集約装置が備えらえている。センサアレイのセンサ数は一つのブレードでも数十に及ぶために、その各配線をハブからさらにナセル内に配線することは煩雑になるからである。信号集約装置は、半導体による電気回路切り替えスイッチや、プリント基板上に構成されるスイッチ回路でよく、例えばマルチプレクサが該当するがこれに限定されるものではない。また、ハブには、電気回路の切り替えスイッチの他に、信号をデジタル化するアナログデジタル変換回路を有していることが好ましい。アナログ信号の温度情報への変換はこのハブ内に備えられた素子で変換することが好ましい。一例としてはホイートストンブリッジを用いることが考えられるがこれに限定されるものではない。
＜実施形態１  構成  ブレード＞
【００２９】
「ブレード」０２０１、０２０２は、ハブ０２０３に支えられた羽根であり、風の力を回転力に変換する役割を担う。ブレードは、一般には風の強さに応じて迎え角を変更できるように構成されており、風の力を有効に回転力に変換する多くの工夫がなされている。ブレードの表面素材は強化プラスティック等であり、非導電材である。またブレードは大きな応力を受けるために構造的に強固に作られており、炭素繊維強化や、ガラス繊維強化がなされている。
【００３０】
ブレードの問題点は落雷に弱い点であり、通常落雷電流を接地するためにダウンコンダクタがブレードの長手方向にわたって組み込まれている。材料は導電性のよい材料であり、銅合金が一般的である。銅合金の構造としては、落雷が多い地域では、電荷量が３００クローンに耐える仕様を満足するものとする。ただし、導電性がよいので融点は低く、落雷の昇温によって構造的に弱くなるリスクが常に付きまとう。
【００３１】
ダウンコンダクタは、落雷を意図的に導くためのレセプタという部分と電気的に接続されており、これによってブレードの非導電材料表面への落雷確率を小さくしている。また、このレセプタは一般にブレードの先端部分に配置されるが、非導電性表面への落雷を少しでも少なくする意図でブレードの先端以外の途中部分などに配置される場合もある。
＜実施形態１  構成  ハブ  ダウンコンダクタ健全性システム部分＞
＜センサアレイ＞
【００３２】
各ブレードには、図４に示すように、前述のレセプタと、レセプタからハブにわたって設けられるダウンコンダクタと、ダウンコンダクタの略全長にわたって平行かつ連続的に配置される複数の温度センサからなるセンサアレイを備えている。センサアレイはそれぞれのセンサアレイが信号処理側においてどの位置のセンサであるかを一つ一つ識別可能に設けられている。例えば、何番目のブレードの先端位置から何メートルの位置に備えられたセンサであるかがわかるように信号処理される。
【００３３】
ダウンコンダクタとセンサアレイとは絶縁された状態で構成される。センサアレイに落雷電流の侵入をできるだけ避けるように構成するためである。
【００３４】
センサアレイのセンサは各種の物が利用可能であるが、その一つは測定用抵抗線である。その他に熱電対センサ、半導体温度センサ、赤外画像利用型温度センサなど各種の温度センサが利用可能である。またセンサアレイはダウンコンダクタに沿ってダウンコンダクタと別体で構成することもできるが、ダウンコンダクタ内に管路を設けてそこに絶縁配置することも考えられる。落雷がダウンコンダクタ側でなく、センサアレイ側にあった場合には熱容量が小さいのでセンサアレイ自体が破損してしまう恐れがあるからである。
＜実施形態１  構成  ローター軸＞
【００３５】
「ローター軸」０２０５は、ハブ０２０３を軸支し、ブレードの回転をナセル０２０４内に配置される発電機など（図示省略）に動力伝達を通じて電気を発電する回転エネルギーを出力する。ハブ内で信号処理されたブレードの温度情報はローター軸とは別経路でナセル内に導かれてもよいが、場合によってはローター軸内に管路を設けてローター軸を介してナセル内に導くように構成してもよい。一般にローター軸はブレードからの大きな応力を受けてこれを電力に変換するために発電機に伝達する機能を果たすので構造的に強固に作られていなければならず、ステンレス鋼、強化ステンレス鋼などが利用される。ブレード長が４０メートル程度の場合には、ローター軸径は５０センチメートルから７０センチメートル程度に至る。この径の内部をくりぬくことで先ほどの管路を構成することもできる。
＜実施形態１  構成  ナセル＞
【００３６】
「ナセル」０２０４は、ローター軸を格納する。ナセル０２０４には、風車が風力発電設備の場合には、ローター軸以外に、増速機、ブレーキ装置、発電機などが収納される。風車０２００のメンテナンス時には、作業者がタワー０２０６からナセルまで登り、ナセル内で修理、点検などの作業を行う。例えば、ナセルの高さは、地上用風車の場合は７０ｍ以上にもなる。ナセル内には、センサアレイからの信号を処理した結果を取得する信号処理結果取得装置が設置される。ダウンコンダクタ健全性検出システムのデータは、風車自身で利用される物でなく、ネットワークを介して管理基地で利用される情報であり、ナセル内でより強固な信号構造に変換されることが好ましい。つまり、このダウンコンダクタの健全性システムは落雷などの多発する通信環境の極めて劣悪な状況で特に有用なものなので情報の欠落が大電流ノイズなどによって生じないように多重化され、冗長化されることが好ましい。その処理はできるだけ信号源の近くで行うのがノイズリスクの観点から好ましいのでハブ内又はナセル内で信号の強固化構造への変換が行われるように構成することが好ましい。なお、ナセル内にはフェイルセイフ対策としてセンサアレイが取得した温度情報を蓄積する蓄積部を設けておくことが好ましい。万一送信途上にてセンサアレイからの情報が喪失したとしてもこの蓄積部の蓄積データを利用できるようにするためである。データの蓄積はハードディスクドライブ装置、ＲＯＭ装置、ＤＶＤ記録装置などを利用できる。なお、このセンサアレイからの情報は、単にダウンコンダクタの健全性のみを見るために利用されるのでなく、風車その物の安全性を確認するためにも利用される。例えば火災の発生や、ブレードの崩壊などを情報処理を用いて検出するように構成することが好ましい。このような情報は風車の緊急停止に利用される。
＜実施形態１  その他  ハブとナセル間の情報伝達構造＞
【００３７】
図１６に示すように、ハブとナセルの間の情報伝達は光伝送で行うことが好ましい。その場合に光ファイバー間や、光カプラを用いるのは、相互に回転関係にあるので困難である。そこで、面光源を用いて伝送を行うことが考えられる。ハブ側にはハブ回転中心を中心として円状又はドーナッツ状の光伝送面を設け、その光伝送面は常にすべてのブレードの温度センサの信号、情報を出力するように構成されており、ナセル側でも常に円状又はドーナッツ状のハブ側の面光源の一部から光信号を受信するように受光面を備えるように構成する。
【００３８】
＜実施形態１  構成  タワー＞
【００３９】
「タワー」０２０６は、ナセル０２０４を支持する。６０〜７０ｍ以上もある。ダウンコンダクタの健全性検出システムにおいて、情報収集した温度情報を、光ファイバーケーブルをナセルからタワー内を導いてタワー近傍の地上の制御室や、遠隔の運転管理センターに送信することができる。光ファイバーを用いるのは光ファイバー伝送が雷などで発生する電磁波ノイズに強いためである。
＜実施形態２  概要  センサ＝測定用抵抗線＞
【００４０】
本実施形態２は、実施形態１を基本とする。そして、前記ダウンコンダクタの健全性検出システムのセンサアレイの各センサは、温度センサとして、温度情報を取得するための測定用抵抗線を用いる。例えば、一般的に電熱線などに使用されているニクロム線を用いることができる。他の材料を用いてもよい。例えば、少なくともダウンコンダクタの溶解温度より高い溶解温度を有している材料が良い。また測定用抵抗線はばね状に構成されているものが好ましい。ばね状に構成されていると熱変形に対して柔軟に対応できるため、一気に断線してしまうリスクを少なくできるからである。
＜実施形態３  概要  センサアレイ  ＩＮ  絶縁性シース＞
【００４１】
実施形態３のダウンコンダクタの健全性検出システムは、上記実施形態１、実施形態２を基本とする。
【００４２】
図１３に示すように、前記センサアレイはブレード内にて絶縁性シース１３０１、１３０２に収納されている。センサアレイは電気信号によって温度情報を伝達するものであるために外部との電気的接触は情報劣化をもたらすためである。絶縁性シースは熱変形が少ない物質であることが好ましく、ガラスファイバー、紙フェノール材料、紙エポキシ材料、ガラスコンポジット材料、ガラスエポキシ材料、テフロン（登録商標）材料、テフロン（登録商標）複合材料（テフロン（登録商標）とガラス、テフロン（登録商標）とエポキシなど）アルミナ（セラミックス）材料（アルミナ粉末を紙に含侵させた材料）などを利用することができる。
＜実施形態４  概要  絶縁性シース  ＩＮ  フレキシブルメタルホース＞
【００４３】
実施形態４のダウンコンダクタの健全性検出システムは、実施形態３を基本とする。
【００４４】
図１４に示すように、前記絶縁性シースは、フレキシブルメタルホース１４０１に収納されていることが好ましい。ブレードの形状やダウンコンダクタの形状は必ずしも直線のみで構成されるものでなく、緩やかなカーブ形状を描く場合もあり、その場合にダウンコンダクタに沿って適切に配置するとともに外来ノイズをメタル材料によって遮蔽するためである。従ってフレキシブルメタルホースに設置されるように構成されていることが好ましい。なお、このフレキシブルメタルホースに代えて、前述のとおり中空型ダウンコンダクタを利用することもできる。この場合でも絶縁性シースは必須となる。
【００４５】
＜実施形態５  ダウンコンダクタの健全性検出システムの細部＞
【００４６】
＜実施形態５  細部の構成＞
【００４７】
図１５に示すように、実施形態５のダウンコンダクタの健全性検出システムは、上記実施形態１から実施形態４を基本とする。このダウンコンダクタの健全性検出システムの細部の構成は、位置付抵抗値取得部１５３１と、温度変化情報記録部１５３２と、をさらに有する。位置付抵抗値取得部１５３１及び温度変化情報記録部１５３２はハブ１５０３の内部に配置されたコンピュータ１５０７内に設けられる。
【００４８】
＜実施形態５  細部の構成  位置付抵抗値取得部＞
【００４９】
「位置付抵抗値取得部」１５３１は、図１７に示すように、センサアレイの各センサが測定用抵抗線１５１２である場合には抵抗値の値をその抵抗値のブレード１５０１、１５０２内で配置されている位置と関連づけて取得する。取得のためには、各測定用抵抗線の両端信号取得線がどのブレードのどの位置の両端信号取得線であるかを信号線集約処理の際に区別して行うように構成する必要がある。つまり、ブレード１５０１、１５０２から集約される各信号線が、どの位置の測定用抵抗線のものであるかを予め定めるように配置するのである。実際にはどの測定用信号線をアクティブにするかのスイッチングの際に、その測定用信号線の信号をセンサの位置情報に関連付けて処理するように構成する。例えばナンバー１の測定用抵抗線の抵抗値、ナンバー２の測定用抵抗線の抵抗値、ナンバー３の測定用抵抗線の抵抗値・・・というように取得し、ナンバー１の測定用抵抗線の位置は、ブレード先端のレセプタから１０センチメートルブレードとハブの接続側に位置する、ナンバー２の測定用抵抗線の位置は、ナンバー１の測定用抵抗線の位置からさらにブレードとハブの接続側に１０センチメートルの位置に位置する、ナンバー３の測定用抵抗線の位置はナンバー２の測定用抵抗線の位置からブレードとハブの接続側にさらに１０センチメートルの位置に位置する、などの情報が予め保持されており、位置付抵抗値取得部は、測定用抵抗線の識別情報（例えば、ナンバー１、ナンバー２、ナンバー３、・・・）を利用することで測定した抵抗値と、その抵抗値が出力された測定位置とを関連付けて処理することができる。なお、基本的に後の温度などに変換する計算処理を簡単にするために、センサアレイのすべてのセンサの物理定数は一定であることが好ましい。例えば、センサが測定用抵抗線である場合にはその抵抗値はすべて一定であることが好ましい。例えば、一つのセンサの測定用抵抗線の抵抗値は、１．０８プラスマイナス０．０５マイクロオームメートル（体積抵抗率）であり、抵抗温度計数は、摂氏２０度から摂氏１０００度の間で１４０（×１０のマイナス６乗／℃）程度である。さらに熱膨張係数は、１８（×１０のマイナス６乗／℃）、融点は１４００℃、密度は、８．４１（グラム・立方センチメートル）である。これはニッケルクロム（ニクロム）線を利用した場合である。またニッケルクロム線を利用した場合には、温度による抵抗増加係数は、２０℃のとき１．００、１００℃のとき、１．００９、２００℃のとき１．０２４、３００℃のとき、１．０３９、４００℃のとき１．０５６、５００℃のとき、１．０７０、６００℃のとき１．０６８、７００℃のとき、１．０６２、８００℃のとき１．０６０、９００℃のとき、１．０６３、１０００℃のとき１．０７０、１１００℃のとき、１．０８０、１２００℃のとき１．０９３程度であると好ましい。また測定用抵抗線は、断面円の抵抗線であってもよいし、断面が矩形の帯状の抵抗線であってもよい。
【００５０】
図１７の位置付抵抗値取得部１５３１のインタフェースについて説明する。位置付抵抗値取得部の取得情報は、「ブレード内位置」、「測定用抵抗線の抵抗値情報」から構成される。  位置付抵抗値取得部が取得する位置付抵抗値は、その測定用抵抗線の抵抗値の絶対値であってもいし、常温の抵抗値との差分であってもよい。また、「抵抗値情報を取得する」とは、一定電流に対する電圧値を取得する、一定電圧値に対する電流値を取得する、のすべてを含む意味であり、この形で取得する電流値、電圧値は、実質的に抵抗値の取得として定義される。
抵抗値の変化を常温の際の抵抗値との差分として把握する手法の一つに例えばセンサである測定用抵抗線をホイートストンブリッジに接続してブリッジ部分の電位を検出する場合がある。この場合にはホイートストンブリッジの４つの抵抗の内、３つは常温状態の測定用抵抗線と同等の抵抗値を有する抵抗であり、残りの１つがブレードのセンサの抵抗となる。この場合にはセンサの抵抗値の増分がブリッジ部分の検出電位として把握されるが、この増分が測定用抵抗線の抵抗値情報となる。また、抵抗値情報として、常温時の抵抗値との差分を含んでもよい。
図では、常温からの抵抗値は変化分（ΔＴ）、温度情報も変化分（ΔＴ）を示している。ブレード内位置の「１」は、例えばハブから一番遠い位置（ブレード先端）を示し、順にナンバリングされる。抵抗値の「０」は常温であることを示し、夏期であれば３０度以上になり、冬季であれば場所によって異なるが、例えばマイナスの数値が入るべきである。しかし、本件発明での課題はダウンコンダクタの健全性を知ることである。落雷を受けたときの温度情報が重要であり、常温時の情報は問題がない。従って、常温時の抵抗値のデータを「０」にしている。温度情報が「０」とは落雷時（雷撃時）の温度情報が０であることを示す。すなわち、落雷が発生しておらず、雷撃も受けていないということである。積極的に収集したい温度情報の範囲は、２００度〜６００度である。本実施形態５の風車が風力発電設備に適用された場合は、例えば２００度であれば継続運転可能、３００度であれば運転設備の点検必要、６００度であれば運転非常停止などの情報活用が考えられる。
【００５１】
取得した情報は、コンピュータ１５０７のハードディスクなどの不揮発性記録媒体に記録されており、所定期間（１秒間、１分間、１時間、１日間、１週間、１月、半年毎）にバッチ処理でコンピュータ１５０７が接続された光空間送信ユニット（図示省略）からナセル内にある光空間受信ユニット１５０８へ送信し、光通信ケーブルを経由して制御所（運転監視センタ）などに送信するように構成してもよい。また、ナセル内でメンテナンス作業者が光空間受信ユニット１５０８へ光ＵＳＢメモリなどを接続してコンピュータ１５０７のデータをダウンロードしてメンテナンス用のパソコンに取り込んで解析に利用してもよい。また定期的なバッチ処理以外に、落雷があったと判断される場合、すなわちセンサの抵抗値が急激に上昇したような場合にはリアルタイムで情報を送信するように構成してもよい。これは、位置付の抵抗値情報のみでなく後述する温度変化情報記録部にて記録された温度変化情報についても同様である。
【００５２】
図１６（ａ）（ｂ）に光空間通信システムの概略構成図を示す。図１６（ａ）に示すように、ブレード回転体側のローターに３分割して空間配置された光空間送信ユニットの光信号照射面が３つ配置され、それぞれが３つのブレードにの情報すべてを出力するように構成されている。各光信号照射面は、図１６（ｂ）に示すように、ブレードの回転に同期してリアルタイムに情報を光送信できるように構成し、受光側はナセル内に全周をカバーしない受光面が設置されている。落雷情報はその瞬時の情報が重要であるので、このような光空間通信をできる構成を採用するのが望ましい。また、これとは逆に、ローター側にドーナッツ状の受光面を設け、ハブの送信側には全周をカバーしない光照射面を設けるように構成してもよい。  
【００５３】
＜実施形態５  細部の構成  温度変化情報記録部＞
【００５４】
「温度変化情報記録部」１５３２は、図１８に示すように、位置付抵抗値取得部１５３１から取得される抵抗値情報に元づいて温度情報を前記位置と測定時刻に関連付けた温度変化情報として記録する。
「温度情報」は、同じセンサ（例えば測定用抵抗線）の常温測定値（落雷によって昇温する前の測定値：落雷前の測定値）との差分が利用される。落雷前の測定値は春、夏、秋、冬、で異なるが、落雷直近の測定値を用いることで、常温測定値の季節変動や時刻変動誤差をなくするようにする。あるいは、温度と抵抗値との関係を示す校正情報を保持しておき、外部の温度計から落雷時刻における落雷がなかったとした場合の抵抗値を利用して抵抗値の差分を算出し、利用するように構成してもよい。落雷は天候の急変を伴う場合が多く、天候の急変によって外気温、ひいては測定用抵抗線の抵抗値も急変する場合があるからである。また、すべてのブレードのすべてのセンサの抵抗値と諸物性を同一にしておけば、ブレードの中から落雷のないブレードや落雷のないセンサ部分を検出し、その部分のセンサの抵抗値を常温での抵抗値として利用することが考えられる。落雷のないブレードや、落雷のないセンサは経時的な抵抗変化を分析して選び出す。あるいは、すべてのセンサの抵抗値を集めて、最も多い抵抗値を常温の抵抗値として選出することもできる。
記録される温度変化情報は、常時ネットワークを介して監視システムに送信されてもよいし、温度変化情報が落雷を示しているかを判断するための判断基準を別途有し、その判断基準に照らして落雷があったと判断された際にのみ温度変化情報をネットワークを介して送信するように構成してもよい。この場合には落雷後の情報のみならず落雷前の情報を含んで送信するように構成することが好ましい。また判断基準は落雷との判断のみでなく、落雷兆候の判断をして、落雷兆候があった場合に、その周辺時間の温度変化情報をネットワークを介して送信するように構成してもよい。なお、温度変化情報の時間分解能としては、０．１秒から１秒程度のものが好ましい。落雷は瞬間的に起こるものなので時間分解能が高くないと正確なダウンコンダクタの状況分析が困難だからである。
【００５５】
図１８の温度変化情報記録部１５３２のインタフェースについて説明する。温度変化情報記録部の記録情報は、「日付」、「測定時刻」、「ブレード内位置」、「温度情報」から構成される。落雷情報は、雷撃を受けたとき急峻な温度情報変化が発生し、その後時間と経過とともになだらかになっていく。温度変化情報は同一時刻の前後（上下）の情報も併せて記録することにより、落雷情報の解析に利用できるようになる。
【００５６】
＜実施形態６  ダウンコンダクタの健全性検出システム  画像の利用＞
＜実施形態６  画像の利用  構成＞
【００５７】
図１９に示すように、実施形態６のダウンコンダクタの健全性検出システムは、上記実施形態１から実施形態５を基本としつつ、「落雷ポジション情報取得部」１９３３をさらに有する。落雷ポジション情報取得部１９３３はハブ１９０３の背面に配置されたコンピュータ１９０７内に設けられる。
【００５８】
＜実施形態６  画像の利用  落雷ポジション情報取得部＞
【００５９】
「落雷ポジション情報取得部」１９３３は、図２１、図２２に示すように、ブレードに対する落雷又は、ブレードに対する落雷によって生じた傷の画像又は／及び映像と、時刻情報と、を関連付けた情報であるである落雷ポジション情報を取得するように構成されている。この画像情報は、ナセル上部又は側部、下部に取り付けられたカメラ（図２０ではナセルの上部に取付）によって取得され、又は、風車とは別の地上ないしは地上構造物に設置されたカメラによって取得される。カメラは、常時すべてのブレードの画像を取得するように構成することが望ましいが、定期的にそれぞれのブレードの画像を取得するように構成してもよい。ただし、その間隔時間は短いほうが好ましい。またカメラはその画角内にブレードの全体像を映し出すように構成する。このカメラは昼間と夜とでは絞りを変化させ又は電子的に画像感度を変えるようにして鮮明な画像が取得できるように構成することが好ましい。このカメラは落雷の瞬間をとらえ、温度情報と相まってより正確な落雷による影響を把握可能とする。この画像情報は動画であってもよいし、間隔が短い時間である場合には静止画であってもよい。また画像情報は常時ネットワークを介して外部の監視基地に送信されるように構成してもよいし、温度情報や画像情報から落雷があったと判断されるときにのみ送信されるように構成してもよい。さらに画像分析を行うように設計してもよい。画像分析とは落雷の規模、時間、電流量などを画像解析によって求めるものである。
【００６０】
図２１、図２２に落雷ポジション情報取得部１９３３のインタフェースについて説明する。落雷ポジション情報取得部の取得情報は、図２１に示すように、「ブレードＮｏ」、「時刻情報」、「傷画像（ファイル名）」、「サムネイル」から構成されたり、図２１に加えて、「傷映像（ファイル名）」とその「サムネイル」から構成される。傷画像（静止画）のファイルフォーマット形式は、ＪＰＥＧ、Exif、ＧＩＦなどの一般的な標準規格が利用できる。傷映像（動画）のファイルフォーマット形式は、MOV、モーションJPEG、JPEG2000、MPEG4、MPEG2、NTSCなどの一般的な標準的規格が利用できる。
＜実施形態７  ダウンコンダクタの健全性検出システム  温度情報、画像情報のミックス情報の送信＞
＜実施形態７  ミックス情報の利用  構成＞
【００６１】
図２３に示すように、実施形態７のダウンコンダクタの健全性検出システムは、上記実施形態１から実施形態６を基本としつつ、「観察情報出力部」２３４２をさらに有する。
【００６２】
＜実施形態７  ミックス情報の利用  観察情報出力部＞
【００６３】
「観察情報出力部」２３４２は、時刻情報入力部２３４１と、入力された時刻情報に基づいて温度変化情報と落雷ポジション情報とからなる観察情報（図２４）を出力するように構成される。観察情報は、時間軸を共通にして温度変化情報と落雷ポジション情報とを送信するものであり、画像情報と位置付の温度変化情報とを利用可能であるためにより詳細なダウンコンダクタの健全性を分析することができる。
【００６４】
ここで、観察情報出力部２３４２と時刻情報入力部２３４１とで観察部２３４０を構成する。観察部２３４０はタワーの近傍または内部の制御室やネットワーク２３４３を経由して遠隔の監視センター２３４４に設置される。または、メンテナンス時に作業者がナセル内でコンピュータ２３０７の記録データをダウンロードしてメンテナンス用のパソコンで分析する場合も含まれる。
＜落雷計測＞
【００６５】
落雷が発生した場合の、落雷計測について説明する。
【００６６】
図５（ａ）に示すように、ブレードへの落雷時にブレード表面からブレード材料のＦＲＰを貫通してダウンコンダクタへ雷道がつながる。雷撃帰還の大電流による局所温度上昇が発生する。図５（ｂ）はブレードへの落雷時に瞬間的に発かめ生した状態を示す。
【００６７】
そして、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように、局所高温は、時間経過でダウンコンダクタを線形に伝搬波高値は低下しかつ近傍温度が均一化していく。
＜ダウンコンダクタの健全性検出システム＞
【００６８】
図７に示すように、ダウンコンダクタに沿って温度センサ０７０１、０７０２、０７０３、０７０４、０７０５、０７０６・・・・が備えられ、例えば０．５ｍ間隔で温度センサが配置される。これらの温度センサはダウンコンダクタに沿って略全長にわたって備えられている。１つのブレードが４０ｍあれば、０．５ｍごとに温度センサを配置すると、８０チャンネルの測定位置を確保できることになる。しかし、落雷はブレードの先端部分に直撃することが多いので、例えば、ブレードの直径が４０ｍのものであれば、ブレード先端から１／４の範囲で、１０ｍの温度センサアレイ（測定抵抗線）を用いて、０．５ｍごとに温度センサを配置すると、２０チャンネルの測定位置を確保してもよい。また、レセプタはブレード先端、中間など複数配置された場合は、そのレセプタから温度センサを配置して測定することになる。温度センサの端子間から引き出された線は、マルチプレクサ０７１０に接続され、ホイートストンブリッジ回路０７１１を構成し、コンピュータ０７１２の制御によりマルチプレクサのチャンネルごとに切り替えて温度を測定する。これらの測定した温度は、コンピュータのハードディスク毎に記録される。ハードディスクはクラッシュすることもあるので、他の不揮発性メモリに記憶してもよい。
【００６９】
図８に示すように、実際の風車ではブレードが３枚あり、それぞれのブレードごとにダウンコンダクタの健全性検出システムが配置される。例えば、ブレード０８０１ではダウンコンダクタの健全性検出システムが温度センサアレイ（測定抵抗線）０８０５とマルチプレクサ０８０７とホイートストンブリッジ回路０８０７とコンピュータ０８０８とで構成される。図８の図面ではコンピュータ０８０８はハブの背面に配置されている。便宜上外に引き出している。同様にブレード８０２はダウンコンダクタの健全性検出システムが温度センサアレイ（測定抵抗線）０８０９とマルチプレクサ０８１０とホイートストンブリッジ回路０８１１と共通のコンピュータ０８０８とで構成される。
【００７０】
さらに、ブレード８０３はダウンコンダクタの健全性検出システムが温度センサアレイ（測定抵抗線）０８１２とマルチプレクサ０８１３とホイートストンブリッジ回路０８１４と共通のコンピュータ０８０８とで構成される。
【００７１】
＜温度測定方法＞
【００７２】
以下、ダウンコンダクタに対して温度センサアレイを並列接続し、マルチプレクサで切り替えて温度測定する方法について説明する。
【００７３】
図９（ａ）に示すように、ホイーストンブリッジ回路は、ダウンコンダクタ（１）、温度センサ端子（２）と、温度補償導線端子（３）、（４）と測定検出作動アンプと駆動電源とで構成し、計測温度演算処理・管理装置（コンピュータ）により微小な電流の変化を管理している。
【００７４】
図９（ｂ）に示すように、ダウンコンダクタに対してニクロム線温度センサアレイを並列に接続しており、ダウンコンダクタ温度センサ端子間（（１）〜（１）'＋（２）〜（２）'）の長さと温度補償導線端子間（（３）〜（４））の長さは、温度補償のため、同一の長さを保っている。
【００７５】
ダウンコンダクタに対して温度センサアレイを並列接続してこの並列方式の温度測定動作について説明する。
【００７６】
図１０に示すように、Ｔ0＝16:43:24:000に測定を開始したとする。また、測定回数はT0＝10ｍsec間隔でスキャンするとする。
最初の測定時T1＝0の場合、マルチプレクサの切り替えにより、一番右端の温度センサのスイッチがオンされ、温度測定される。順次1つずつ温度センサをずらし、T2、T3、Ｔ4、T5、T6と10ｍsec単位で温度測定が実行される。
【００７７】
以下、ダウンコンダクタに対して温度センサアレイを直列接続し、マルチプレクサで切り替えて温度測定する方法について説明する。
【００７８】
図１１は１つのホイートストンブリッジ回路とマルチプレクサとを組み合わせて、直列接続のニクロム線温度センサアレイの温度測定の実験回路概念図を示す。本実施形態では、このような簡単な回路構成で、ダウンコンダクタの健全性検出システムを構成する。
【００７９】
図１１に示すように、抵抗Ｒ１、Ｒ２は既知抵抗、測定対象のニクロム線温度センサアレイＨ１、Ｈ２、Ｈ３・・・・、ニクロム線温度センサアレイｌ１−ｌ２端子間の導線と同じ長さの温度補償用導線ｌ１'−ｌ２'を用いる。この補償用導線の材質はニクロム線温度センサアレイのニクロム線と同じとする。ここで、マルチプレクサＭＰＸ１とＭＰＸ２を用いて、ニクロム線温度センサアレイＨ１、Ｈ２、Ｈ３を順次切り替えて温度測定を行う。例えば、ブレードの長さが４０ｍであり、ブレードの先端（ハブから一番遠い位置）から１／４を測定範囲にした場合は、ニクロム線温度センサアレイが１０ｍ配列される。１つのアレイの基本単位長さを０．５ｍとすると、センサアレイは２０アレイとなり２０チャンネルの測定箇所（位置）が測定できることになる。すなわち、この温度測定によって落雷箇所が２０カ所特定できる。そうすると、ブレードの落雷箇所が、細かく位置決めできることになり、損失レベル（損失状態）の判定や修理・交換などのメンテナンス時に必要最小限のブレードの切断で済み、作業者のメンテナンス性が向上する。また、風車ブレードにおける機械的破損被害予知や、防止を図ることができる。上述した例は、１０ｍに２０チャンネル（箇所）を測定しているが、風車の設置場所の雷性状などに応じて、センサアレイの基本単位長さを１ｍ、０．４ｍ、０．３ｍ、０．２ｍ、０，１ｍなど任意に選択をしてもよい。
【００８０】
具体的には、図１２に示すように、８チャンネルのマルチプレクサＭＰＸ１と同型式のマルチプレクサＭＰＸ２を１６チャネル構成としている。１つのマルチプレクサのスイッチ０〜７はチャンネル０〜７が対応している。ニクロム線センサアレイＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６、Ｈ７は１００Ｗ型を使用し、直流抵抗値は約１００オームの実験回路で温度測定試験を行った。この例でも、図１１と同様に、ニクロム線温度センサアレイと同じ長さの温度補償導線を使用し、温度補償導線の材質もニクロム線を使用している。
【００８１】
まず、ニクロム線センサアレイＨ１、Ｈ２、Ｈ３の温度測定について説明する。Ｈ１の温度測定を行う場合は、マルチプレクサＭＰＸ１のＣＨ０をオンし、マルチプレクサＭＰＸ２のＣＨ１をオンすることにより、測定できる。Ｈ２、Ｈ３の場合はこの２つのマルチプレクサを順次切り替えて測定できる。これらのマルチプレクサＭＰＸ１、ＭＰＸ２はＡ６Ｃ操作面に接続されており、操作者がＡ６Ｃの操作面を操作することにより温度測定できる。
【００８２】
以上説明したように、ダウンコンダクタに対してニクロム線温度センサアレイを直列回路または並列回路で構成しても温度測定を行うことは可能となる。
【００８３】
例えば、落雷が発生した場合、落雷毎にダウンコンダクタの各々の位置における最大温度が計測可能となるので、位置情報を活用した機械的破損被害予知が行えるので、ダウンコンダクタの健全性検出システムを実現できる。このような健全性検出システムを風車ブレードに適用することで、風車が風力発電設備で使用される場合は、発電装置の安全性や風力発電設備の稼働率向上にも貢献できる。
【００８４】
このように、本実施形態１〜８によれば、落雷毎にダウンコンダクタの各々の位置における最大温度を計測可能とし、ダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供することができる。また、ダウンコンダクタのメンテナンス性を向上させるダウンコンダクタの健全性検出システムを有する風車を提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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