(57)【要約】【課題】ブレードにかかった応力又は歪みのデータを累積でき、余寿命を予測できる構成のブレードを提供することを目的とする。また、これにより、ブレードの交換時期を予測できる風車を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による風車用ブレードは、風力による応力のかかるブレードと、前記ブレードに埋め込まれた応力測定用の抵抗線とを備える。また、本発明による風車は、前記風車用ブレードと、前記抵抗線の抵抗値の変化に基づいて、前記ブレードの寿命を予測する演算装置とを備える。また、前記演算装置は、前記ブレードにかかる応力又は歪みの累積データと前記ブレードの寿命との関係を保存する応力／寿命関係データに基づいて余寿命を求める。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力による応力がかかるブレードと；
前記ブレードに埋め込まれ、前記応力を測定する応力測定用又は前記応力に起因するブレードの歪みを測定する歪み測定用の抵抗線とを備える；
風車用ブレード。
【請求項２】
前記抵抗線は前記ブレードの表面側と裏面側に対になるように埋め込まれた、請求項１に記載の風車用ブレード。
【請求項３】
前記抵抗線はブリッジを構成するように配線接続されている、請求項１又は２に記載の風車用ブレード。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風車用ブレードと；前記抵抗線の抵抗値の変化に基づいて、前記ブレードの寿命を予測する演算装置とを備えた；
風車
【請求項５】
前記演算装置は、前記抵抗値の変化からブレードにかかる応力又は歪みを演算する応力・歪み演算部を有する；
請求項４に記載の風車。
【請求項６】
前記演算装置は、各ブレードについて前記ブレードにかかる応力又は歪みの累積データと前記ブレードの寿命との関係を示す応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データを保存するデータ保存部と；
前記データ保存部に保存された前記応力／寿命関係データ又は前記歪み／寿命関係データに基づいて余寿命を求める余寿命演算部とを有する；
請求項４に記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車のブレード及び風車に関わる。詳しくは、ブレードにかかる歪みの累積データに基づいて、自己の寿命を診断可能なブレード及び当該ブレードを備えた風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電用等の風車において、ブレードは、風力エネルギーを受けて発電機用モータ等を回転させる回転エネルギーに変換する機能を有する部分で、風による応力をもろに受ける。ブレードはこの風況の変化に対応できるよう柔軟性に富んだ材料で構成される。完全剛体であれば風の衝撃で折損することもありうるため、一般には軟体構造としている。
【０００３】
例えばパルサ材等の軽量木材とＦＲＰ（強化プラスチック）等の積層材を組み合わせた複合有機材料とからなっている。このような柔軟性に富んだ材料で構成されるため、風力によって、伸縮、曲がり、捻じれ等の歪みを生じ、無風になれば、原状に復元する。しかし、歪みが累積して、疲労や劣化が進行すれば復元力が低下する。さらに、疲労や劣化が進行すれば、変形や破損を招くことにもなる。
【０００４】
これまで、ブレードは半消耗品と考えられ、適当な時期に交換されており、現状では、疲労や劣化の自己診断機能を有するブレードは無い。一方、風況は常時変化しており、また風車が設置される場所によっても異なるので、各ブレードの劣化状態は、それぞれ異なることが予想される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
各ブレードの劣化状態は、それぞれ異なるので、ブレードの寿命もそれぞれ異なる。したがって、適当な時期に一律交換を行なうことは、まだ当分使えるはずのブレードを破棄する無駄が生じる。他方、適当な時期まで交換を待つということは、寿命の迫ったブレードをそのまま放置することにもなりかねない。もし、使用中のブレードの劣化の様子を診断し、寿命を予測することができれば、これらの無駄を省き、また、ブレードの変形や破損を未然防止できる。このため、ブレードの劣化の様子を診断し、余寿命を予測できる自己診断機能を有するブレードの実現が期待されていた。
【０００６】
そこで、本発明は、ブレードにかかる応力又は歪みを時系列的に測定し、余寿命を予測できる構成のブレードを提供することを目的とする。また、これにより、ブレードの交換時期を予測できる風車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の風車用ブレードは、風力による応力のかかるブレード１と、前記ブレード１に埋め込まれ、前記応力を測定する応力測定用又は前記応力に起因するブレード１の歪みを測定する歪み測定用の抵抗線１ａ、１ｂとを備える。
このように構成すると、ブレード１にかかった応力又は歪みの累積データから、余寿命を予測でき、また、ブレード１の交換時期を判断できる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る請求項１に記載の風車用ブレードにおいて、前記抵抗線１ａ、１ｂは前記ブレード１の表面側と裏面側に対になるように埋め込まれる。このように構成すると、風上側である表面側と風下側である裏面側の応力又は歪みを対比測定できる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明に係る請求項１又は２に記載の風車用ブレードにおいて、前記抵抗線１ａ、１ｂはブリッジを構成するように配線接続されている。このように構成すると、ブレード内における応力又は歪みの不均衡を簡易かつ高精度に検出できる。
【００１０】
また、請求項４に記載の風車は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風車用ブレード１と、前記抵抗線１ａ、１ｂの抵抗値の変化に基づいて、前記ブレード１の寿命を予測する演算装置１ｈとを備える。このように構成すると、ブレード１にかかった応力又は歪みの累積データから、余寿命を予測でき、また、ブレード１の交換時期を判断できる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明に係る請求項４に記載の風車において、前記演算装置１ｈは、前記抵抗値の変化からブレード１にかかる応力又は歪みを演算する応力・歪み演算部１ｍを有する。このように構成すると、抵抗値の変化からブレード１の応力又は歪みを効率的に求められる。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明に係る請求項４に記載の風車において、前記演算装置１ｈは、各ブレード１について前記ブレード１にかかる応力又は歪みの累積データと前記ブレード１の寿命との関係を示す応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データを保存するデータ保存部１ｋと、前記データ保存部１ｋに保存された前記応力／寿命関係データ又は前記歪み／寿命関係データに基づいて余寿命を求める余寿命演算部１ｎとを有する。このように構成すると、各ブレード１について、応力又は歪みの累積データから余寿命を効率的に演算することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１に本実施の形態によるブレードの概念図を示す。図１（ａ）にブレードの平面図を、図１（ｂ）にブレードのＡ−Ａ’断面図を示す。ブレード１は、軽量で柔軟性を持たせるために、パルサ材等の軽量木材とＦＲＰ等の積層材を組み合わせた複合有機材料とから構成され、積層材の間に抵抗線１ａ，１ｂが埋め込まれている。ブレード長は例えば、３０〜５０ｍ、ブレード厚みは例えば１〜３００ｃｍである。ブレードは風圧を受けて撓み、これにより、ブレードの表面側及び裏面側にはそれぞれ伸縮力が作用して、ブレードに埋め込まれた抵抗線が伸縮するために、抵抗値が変化する。本実施の形態では、その抵抗値の変化から、ブレードにかかる応力又は歪みを測定し、これらの累積データからブレードの寿命を推測する。
【００１４】
ブレードの全域或いは広範囲にわたる疲労をマクロに把握するために、抵抗線はブレードの表面側及び裏面側に長手方向に延びるように積層材の間に埋め込まれる。抵抗変化を大きくするために、複数回往復するように埋め込んでも良い。
【００１５】
図１において、抵抗線１ａはブレード１の表面側に埋め込まれ、抵抗線１ａを構成する抵抗線ａ１、抵抗線ａ３がブレード１の前方、後方に沿って布設され、抵抗線ａ１と抵抗線ａ３との接点ｐ１から導線ａ２がブレード１の中央に沿って布設されている。抵抗線１ｂはブレードの裏面側に埋め込まれ、抵抗線１ｂを構成する抵抗線ｂ１、抵抗線ｂ３がブレード１の前方、後方に沿って布設され、抵抗線ｂ１と抵抗線ｂ３との接点ｐ２から導線ｂ２がブレード１の中央に沿って布設されている。ブレード長が長いので抵抗線は銅線やアルミ線等のリボンで構成できる。導線ａ２，ｂ２には、抵抗を微少にするため、太い導線が使用される。
【００１６】
図２に本実施の形態に係る風力発電装置用風車の構成を示す。１は風力によりほぼ水平な回転軸の回りに回転するブレード、２はブレード１と一体に回転するハブ、３はブレード１とハブ２から成る翼車が取り付けられたナセル、４はブレード１の回転に基づき電力を発生する発電機、５は回転軸の回転を変速するギア、６は翼車を風向きに対向させるためのヨー、７はブレード１とナセル３を支持しほぼ鉛直方向に伸びる柱状のタワー、８は発電機４で発生させた電力を送るケーブル、９はケーブル８により送られた電力を変換する電力変換機、１０はスリップリング、１１は信号ケーブル、１２は風車全体を制御する制御装置、１３は制御装置１２内に設けられた測定ユニット、１４は系統連系であり、電力変換機で変換された電力が供給される。３枚のブレードに布設された抵抗線及び導線はブレード１の根元からスリップリング１０、信号ケーブル１１を介して測定ユニット１３内のブリッジ用電源１ｄの端子と不平衡信号受信装置１ｅの端子に電気的に接続される。測定ユニット１３は、演算装置１ｈを備える。演算装置１ｈは、各ブレードについてブレードにかかる応力又は歪みの累積データとブレードの寿命との関係を示す応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データを保存するデータ保存部１ｋ、抵抗値の変化からブレードにかかる応力又は歪みを演算する応力・歪み演算部１ｍ、データ保存部に保存された応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データに基づいて余寿命を求める余寿命演算部１ｎを備える。
【００１７】
図３に、抵抗線の抵抗変化を測定するためのブリッジ回路の例を示す。図において、１ｃは各ブレードの根元まで延びた抵抗線ａ１、ａ３、ｂ１、ｂ３、導線ａ２、ｂ２の先端を信号ケーブル１１に電気的に接続するスリップリング（１０に設けられる）、１ｄはブリッジ回路に電位を供給するブリッジ用電源、１ｅはブリッジ回路に生じた不平衡電位差を測定する不平衡信号受信装置、１ｆは前記不平衡電位差を増幅する信号増幅装置、１ｇはブレードの歪みと発電機出力とに関するデータを保持し、測定された歪みから発電機出力に関する調整信号を発電機出力調整装置に出力する発電機出力調整データ演算装置、１ｈは演算装置、１ｉは発電機出力調整装置、１ｊは歪み・寿命診断データ出力装置である。
【００１８】
演算装置１ｈは、応力・歪み演算部１ｍで前記不平衡電位差をブレード１の歪みに換算すると共に前記歪みが計測された回数をカウントする、また、データ保存部１ｋに各ブレードについて、当該ブレードにかかる応力又は歪みの累積データと当該ブレードの寿命との関係を示す応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データを保存する。すなわち、測定された応力・歪みの値と当該応力・歪みの値が計測された回数とブレードの寿命との関係を示すデータを保持する。余寿命演算部１ｎは応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データに基づいてブレードの余寿命を予測する。
【００１９】
図３において、抵抗線ａ１とｂ３はブリッジ用電源１ｄの陽極端子に接続され（スリップリング１ｃ、信号ケーブル１１を介して）、抵抗線ａ３とｂ１はブリッジ用電源１ｄの陰極端子に接続され（同上）、導線ａ２は抵抗線ａ１とａ３の接点ｐ１と不平衡信号受信装置１ｅの第１の入力端子に接続され（同上）、導線ｂ２は抵抗線ｂ１とｂ３の接点ｐ２と不平衡信号受信装置１ｅの第２の入力端子に接続され（同上）、不平衡信号受信装置１ｅは、第１の入力端子と第２の入力端子間の電位差を計測し、その電位差を信号増幅装置１ｆに出力する。信号増幅装置１ｆは電位差を増幅し、発電機出力調整データ演算装置１ｇ及び演算装置１ｈに伝達する。発電機出力調整データ演算装置１ｇは発電機出力調整装置１ｉへの出力信号を出力して、発電機の出力を調整させる。演算装置１ｈは歪み・寿命診断データ出力装置１ｊに測定した応力又は歪み、演算した寿命診断データ等を出力する。
【００２０】
これにより、抵抗線ａ１、ａ３の抵抗比と抵抗線ｂ３、ｂ１の抵抗比が比較され、ブレード前方の抵抗変化と後方における抵抗変化が対比されることとなる。すなわち、ブレード前方の伸縮と後方の伸縮の差が検出されることになる。これにより、ブレード前方の応力又は歪みとブレード後方の応力又は歪みの差が検出される。
【００２１】
抵抗線の結線を換えれば、歪に関する他のデータを取得できる。例えば、抵抗線ａ１とｂ３がブリッジ用電源１ｄの陽極端子に接続され、抵抗線ａ３とｂ１がブリッジ用電源１ｄの陰極端子に接続され、導線ａ２が抵抗線ａ１とｂ１の接点ｐ３と不平衡信号受信装置１ｅの第１の入力端子に接続され、導線ｂ２が抵抗線ｂ３とａ３の接点ｐ４と不平衡信号受信装置１ｅの第２の入力端子に接続された場合には、抵抗線ａ１、ｂ１の抵抗比と抵抗線ｂ３、ａ３、の抵抗比が比較され、ブレードの表面と裏面における抵抗変化が対比されることとなる。すなわち、ブレード表面の伸縮と裏面の伸縮の差が検出されることになる。これにより、ブレード表面の応力又は歪みとブレード裏面の応力又は歪みの差が検出される。
【００２２】
また、ブリッジ回路を使用せずに、各抵抗線の抵抗値を測定しても良い。例えば、測定ユニット１３内に抵抗計を備え、抵抗線ａ１とａ３との接点ｐ１を導線ａ２で接続し、抵抗線ａ１、導線ａ２、抵抗線ａ３をブレード１の根元からスリップリング１０、信号ケーブル１１を介して測定ユニット１３内の抵抗計に電気接続すれば、抵抗線ａ１、ａ３の抵抗、これらを直列接続したａ１＋ａ３の直列抵抗を直接計測可能である。
【００２３】
また、抵抗線ｂ１とｂ３との接点ｐ２を導線ｂ２で接続し、抵抗線ｂ１、導線ｂ２、抵抗線ｂ３をブレード１の根元からスリップリング１０、信号ケーブル１１を介して測定ユニット１３内の抵抗計に電気接続すれば、抵抗線ｂ１、ｂ３の抵抗、これらを直列接続したｂ１＋ｂ３の直列抵抗を直接計測可能である。抵抗線ａ１、ａ３、ｂ１、ｂ３の抵抗変化量は、それぞれ、ブレードの表面前方、表面後方、裏面前方、裏面後方の応力又は歪に対応する。直列抵抗ａ１＋ａ３の抵抗変化量は表面の歪、直列抵抗ｂ１＋ｂ３の抵抗変化量は裏面の歪に対応する。
【００２４】
また、抵抗線ａ１とｂ１の接点ｐ３を導線ａ２で接続し、抵抗線ａ１、導線ａ２、抵抗線ｂ１をブレード１の根元からスリップリング１０、信号ケーブル１１を介して測定ユニット１３内の抵抗計に電気接続すれば、抵抗線ａ１、ｂ１の抵抗、これらを直列接続したａ１＋ｂ１の直列抵抗を直接計測可能である。また、抵抗線ａ３とｂ３の接点ｐ４を導線ｂ２で接続し、抵抗線ａ３、導線ｂ２、抵抗線ｂ３をブレード１の根元からスリップリング１０、信号ケーブル１１を介して測定ユニット１３内の抵抗計に電気接続すれば、抵抗線ａ３、ｂ３の抵抗、これらを直列接続したａ３＋ｂ３の直列抵抗を直接計測可能である。直列抵抗ａ１＋ｂ１は前方の歪、直列抵抗ａ３＋ｂ３は後方の歪に対応する。
【００２５】
演算装置１ｈは不平衡電位差をブレードの歪みに換算する。あるいは、抵抗計で測定された抵抗値の変化量を歪みに換算する。演算装置１ｈは、演算部１ｍとデータ保存部１ｋを有しており、予め不平衡電位差−歪みの関係を示すデータをデータ保存部１ｋに保持し、応力・歪み演算部１ｍは、データ保存部１ｋにアクセスして不平衡電位差−歪みの関係を示すデータを参照し、計測された不平衡電位差から歪みを検出する。又は予め抵抗変化量−歪みの関係を示すデータをデータ保存部１ｋに保持し、応力・歪み演算部１ｍは、データ保存部１ｋにアクセスして抵抗変化量−歪みの関係を示すデータを参照し、計測された抵抗変化量から歪みを検出する。また、データ保存部１ｋは、応力−歪みの関係を示すデータを保持し、応力・歪み演算部１ｍは、データ保存部１ｋにアクセスして応力−歪みの関係を示すデータを参照し、計測された歪みから応力を検出する。
【００２６】
また、演算装置１ｈは、ブレードにかかった歪み又は応力の累積データから、当該ブレードの余寿命を予測する。すなわち、測定された応力・歪みの値と当該応力・歪みの値が計測された回数とブレードの寿命との関係を示すデータ、すなわち応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データをデータ保存部１ｋに保持し、応力・歪み演算部１ｍは、データ保存部１ｋにアクセスして応力／寿命関係データ又は歪み／寿命関係データを参照し、現時点での累積応力又は累積歪みから余寿命を演算する。演算された余寿命のデータは、累積応力又は累積歪みをプロットしたデータと共に、歪み・寿命診断データ出力装置１ｊに出力される。また、歪み・寿命診断データ出力装置１ｊにブレードの交換時期を出力しても良い。
【００２７】
図４に歪み／寿命関係データの例を示す。この図は、各ブレードについての歪みを累積したプロット図を表すものでもあり、各ブレードについての余寿命を予測する図でもある。縦軸（ｙ軸）に歪みＳ、横軸（ｘ軸）に計測回数Ｎを示す。計測は一定間隔で行なわれるので、計測回数は応力印加回数に換算可能であり、応力印加時間にも換算可能である。回数Ｎ及び歪みＳを対数でプロットすると、ブレードの寿命を予測する寿命線は直線ｇで表わされる。一定の歪みが繰り返してブレードに印加される場合、当該歪みの値を表す横線が寿命線ｇと交差する点の計測回数（応力印加回数）がブレードの寿命を表わしている。すなわち、同じ歪みまたは当該歪みに対応する応力であれば、交点の回数までブレードは耐えられることを意味する。なお、所定の値以下の歪み又は応力は計測回数に入れない。
【００２８】
図４のブレードの歪み／寿命関係データにおいて、歪みを積算表示できる。例えば、まず、歪みｓ１が継続的にかかった場合、ｓ１の計測回数分、プロット点（グラフｇ１）は右に進み、点ｑ１で寿命となる。現時点のプロット点をｑ２とすると、ｑ１−ｑ２で表される回数が余寿命である。
【００２９】
歪みがｓ２、ｓ３、ｓ４と変化する場合には、プロット点の軌跡を表すグラフｇ２は、まずｓ２の計測回数分右に進みｑ３に至る。ｑ３と寿命線ｇのｙ軸との交点ｙ１とを結ぶ線上で歪みｓ３になる点ｑ４までプロット点をスライドさせる。この線は歪みの累積値が等価な線である。ついで、ｑ４から歪みｓ３の計測回数分右に進みｑ５に達する。ｑ５と寿命線ｇのｙ軸との交点ｙ１とを結ぶ線上で歪みｓ４になる点ｑ６までプロット点をスライドさせる。この線も歪みの累積値が等価な線である。ついで、ｑ６からｓ４の計測回数分右に進み、ｑ７が現時点でのプロット点である。そのまま右に進み、寿命線との交点をｑ８とすると、ｑ８−ｑ７で表される回数が余寿命である。他の場合でも、計測された歪みでの右方向へのプロットと累積値が等価な線上でのスライドを繰り返して、診断しているブレードの歪みを累積したプロット線を描くことができ、現時点でのプロット点の右方向への延長線と寿命線との交点から余寿命を推測できる。
【００３０】
このようにして、余寿命を推測できれば、寿命になる一定の期間前にブレードの交換を行い、事故を未然に防止することができる。また、疲労が少ないブレードについては長く使用することができる。
【００３１】
なお、本発明のブレード及び風車は、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３２】
例えば、本実施の形態では、抵抗線ａ１、ａ３がブレードの表面側に、抵抗線ｂ１、ｂ３がブレードの裏面側に埋め込まれた例を示したが、抵抗線ａ１’、ａ３’を抵抗線ａ１、ａ３の直ぐ下に埋め込み、抵抗線ｂ１’、ｂ３’を抵抗線ｂ１、ｂ３の直ぐ上に埋め込み、ａ１とａ３との接点ｐ１、ｂ１とｂ３の接点ｐ２の他に、ａ１’とｂ３’の接点ｐ３’、ａ３’とｂ１’の接点ｐ４’を共に作成し、それぞれの接点から導線を引き出して２つのブリッジ回路を同時に或いは交互に測定できるように構成しても良い。また、複数の抵抗線の両端からそれぞれ導線を引き出すことにより、複数の抵抗線の抵抗変化を同時に或いは交互に測定できるように構成しても良い。また、中央の導線ａ２、ｂ２を抵抗線に変え、その抵抗変化を測定しても良い。また、ブレードを複数の部分に分けて、それぞれの部分に抵抗線を埋め込み、これらの抵抗変化を測定しても良い。
【００３３】
また、本実施の形態では、歪みと計測回数とのグラフを作成したが、歪みに代えて応力を用いても良く、また、計測回数に代えて応力又は歪みの加わった印加回数や印加時間を用いても良い。また、寿命に近づいた所定の時期に、警報その他の出力を行なうことも出来る。また、累積歪みが等価な線上でプロット点をスライドできるようにプログラムを作成すれば、累積歪みの自動プロットも可能である。さらに、測定装置はタワー内でなく、タワー外に設けても良い。また、ブレードの内部に長手方向に延びる空洞部を設け、その中に導線をまとめて通しても良い。なお、一連の余寿命の測定方法は、垂直軸風車でも利用できる。又、抵抗線に代えてピエゾ素子を使っても同様のことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、風車用ブレードは、風力による応力のかかるブレードと、前記ブレードに埋め込まれ、前記応力を測定する応力測定用又は前記応力に起因するブレードの歪みを測定する歪み測定用の抵抗線とを備えるので、ブレードにかかる応力又は歪みを測定できる構成のブレードを提供できる。また、これにより、ブレードの交換時期を予測できる風車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態におけるブレードの概念図である。
【図２】本実施の形態における風車の構成を示す図である。
【図３】本実施の形態における抵抗線の抵抗変化を測定する回路の例を示す図である。
【図４】本実施の形態における歪み／寿命関係データの例を示す図である。
【符号の説明】
１    ブレード（１ａ，１ｂ抵抗線）
２    ハブ
３    ナセル
４    発電機
５    変速機
６    ヨー
７    タワー
８    ケーブル
９    電力変換機
１０  スリップリング
１１  信号ケーブル
１２  制御装置
１ａ，１ｂ    抵抗線
１ｃ  スリップリング
１ｄ  ブリッジ用電源
１ｅ  不平衡信号受信装置
１ｆ  信号増幅装置
１ｇ  発電機出力調整データ演算装置
１ｈ  演算装置
１ｉ  発電機出力調整装置
１ｊ  歪み・寿命診断データ出力装置
１ｋ  データ保存部
１ｍ  応力・歪み演算部
１ｎ  余寿命演算部
【図１】
2004301030.tif 000003
【図２】
2004301030.tif 000004
【図３】
2004301030.tif 000005
【図４】
2004301030.tif 000006