(57)【要約】【課題】雷撃電流による損傷検出システムの故障リスクを低減しながら、導電性複合材の損傷状態を監視可能な風力発電装置及びその運転制御方法を提供する。【解決手段】風力発電装置は、少なくとも一部が導電性複合材１２により構成される風車翼１と、導電性複合材１２に取り付けられた複数の計測用電極２０ｉと、各計測用電極２０ｉに第１開閉器２２ｉを介して接続される抵抗計測器２４を備える。風力発電装置を通常運転モードにより運転する際、第１開閉器２２ｉを開いて抵抗計測器２４を計測用電極２０ｉから切り離す。また、風力発電装置の運転モードが通常運転モードから損傷検出モードに切替えられたとき、第１開閉器２２ｋ，２２ｌを閉じて抵抗計測器２４を一対の電極２０ｋ，２０ｌに導通させ、この状態で一対の電極２０ｋ，２０ｌ間の電気抵抗を抵抗計測器２４により計測する。そして、抵抗計測器２４の計測結果に基づいて、導電性複合材１２の損傷を検出する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が導電性複合材により構成される風車翼と、前記導電性複合材に取り付けられた複数の計測用電極と、各計測用電極に第１開閉器を介して接続される抵抗計測器を備えた風力発電装置の運転制御方法であって、
前記第１開閉器を開いて前記抵抗計測器を前記計測用電極から切り離した状態で、前記風力発電装置を通常運転モードにより運転するステップと、
前記風力発電装置の運転モードが前記通常運転モードから損傷検出モードに切替えられたとき、前記第１開閉器を閉じて前記抵抗計測器を前記計測用電極のうち一対の電極に導通させるステップと、
前記第１開閉器を閉じて前記抵抗計測器を前記一対の電極に導通させた状態で、前記一対の電極間の電気抵抗を前記抵抗計測器により計測するステップと、
前記電気抵抗の計測値に基づいて、前記導電性複合材の損傷を検出するステップとを備えることを特徴とする風力発電装置の運転制御方法。
【請求項２】
前記風力発電装置は、前記導電性複合材に取り付けられた一対の加熱用電極と、前記加熱用電極に第２開閉器を介して接続される電圧印加器とをさらに備え、
前記風力発電装置の運転モードとして前記損傷検出モードが選択されたとき、前記第２開閉器を閉じて前記電圧印加器を前記加熱用電極に導通させて、前記導電性複合材をジュール熱により加熱するステップをさらに備え、
前記通常運転モードでは、前記第２開閉器を開いて前記電圧印加器を前記加熱用電極から切り離した状態を維持することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項３】
前記導電性複合材は前記風車翼の翼長方向に延在し、異なる翼長方向位置に３個以上の前記計測用電極が取り付けられており、
前記電気抵抗を計測するステップでは、複数組の前記一対の電極について前記電気抵抗をそれぞれ計測し、
前記損傷を検出するステップでは、各組の前記電気抵抗に基づいて、前記導電性複合材の損傷箇所を特定することを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項４】
前記導電性複合材に埋め込まれた光ファイバに光を入射するステップと、
前記光ファイバに入射された前記光の散乱光又は透過光を検出するステップとをさらに備え、
前記損傷を検出するステップでは、前記電気抵抗の計測値および前記散乱光又は透過光に基づいて前記導電性複合材の損傷を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項５】
前記散乱光に基づいて、前記導電性複合材の損傷箇所を特定することを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項６】
前記導電性複合材の損傷が検出された場合、前記風力発電装置の停止および警報出力の少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項７】
前記導電性複合材は炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項８】
少なくとも一部が導電性複合材により構成される風車翼を備えた風力発電装置であって、
前記導電性複合材に取り付けられた複数の計測用電極と、
前記計測用電極に第１開閉器を介して接続される抵抗計測器と、
前記第１開閉器を開閉制御する第１開閉制御部と、
前記抵抗計測器を制御する計測器制御部と、
前記抵抗計測器の計測結果に基づいて、前記導電性複合材の損傷を検出する損傷検出部と、
前記風力発電装置の運転モードとして、通常運転モードおよび損傷検出モードの何れか一方を選択する運転モード選択部とを備え、
前記運転モード選択部によって前記通常運転モードが選択されたとき、前記第１開閉制御部は、前記抵抗計測器を前記計測用電極から切り離した状態を維持するように前記第１開閉器を開き、
前記運転モード選択部によって前記損傷検出モードが選択されたとき、前記第１開閉制御部は、前記抵抗計測器が前記計測用電極のうち一対の電極に導通するように前記第１開閉器を閉じるとともに、前記計測器制御部が前記抵抗計測器により前記一対の電極間の電気抵抗を取得し、前記損傷検出部が前記電気抵抗の計測値に基づいて前記導電性複合材の損傷を検出することを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
前記風車翼は、前記風車翼の腹側面および背側面にそれぞれ設けられて、翼長方向に延在するスパーキャップと、前記腹側面および前記背側面の前記スパーキャップを接続するスパーとを有し、
前記導電性複合材は前記スパーキャップであり、
前記計測用電極は、前記スパーキャップの内側表面のうち前記スパーとの接合部を除く領域に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置及びその運転制御方法に係り、具体的には、少なくとも一部が導電性複合材により構成された風車翼を有する風力発電装置及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、再生エネルギーとしての風を利用して発電を行う風力発電装置の普及が進んでいる。
【０００３】
従来、風車翼はＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：ガラス繊維強化プラスチック）で構成されるのが通常であったが、風力発電装置の大型化に伴い風車翼の重量や撓みを軽減する必要に迫られ、ＧＦＲＰよりも比強度及び比剛性に優れるＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：炭素繊維強化プラスチック）を風車翼の主要構造部材として採用するケースが増えている。
【０００４】
ところが、風車翼のＣＦＲＰは、雷撃による損傷や飛翔体の衝突による層間剥離を生じて強度低下に至るリスクがあるから、ＣＦＲＰの損傷状態を定期的に把握することが重要である。ＣＦＲＰの損傷状態を把握するには、目視点検が最も簡単であるが、目視点検ではＣＦＲＰ内部の層間剥離を発見するのは困難である。よって、ＣＦＲＰ内部の層間剥離を含むＣＦＲＰの損傷状態を把握しうる損傷検出方法の開発が望まれている。
【０００５】
一般的なＣＦＲＰの損傷検出方法として、特許文献１には、導電性を有する複合材料に設けた電極間の電気抵抗を計測し、その計測結果から複合材料の剥離の位置及び大きさを検出する方法が開示されている。このように、ＣＦＲＰの電気抵抗の変化によりＣＦＲＰの損傷を検出する方法は電気抵抗変化法と称される。
また、非特許文献１には、ＣＦＲＰをジュール熱により加熱し、ＣＦＲＰの温度上昇による電気抵抗の変化率からＣＦＲＰの損傷を検出する方法が開示されている。この方法は、電極の欠損がＣＦＲＰの損傷検出精度に影響し得るという電気抵抗変化法の問題を回避するため、ＣＦＲＰの温度変化による電気抵抗の変化率を利用してＣＦＲＰの損傷を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３１８０７０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】高橋航圭、他２名、「ジュール発熱による電気抵抗変化を利用したＣＦＲＰ構造物の層間はく離検知」、日本機械学会論文集、２００８年１２月、第７４巻、第７４８号、ｐ．８１−８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
風力発電装置は発電効率向上の観点から大型化が進められており、ロータ直径が百数十ｍを超える巨大な風力発電装置も実用化されつつある。そのため、風車翼の先端部はロータ回転時に地表から大きく離れた位置（高所）を通過することになり、風車翼は雷撃の対象になりやすい。そして、導電性を有するＣＦＲＰは、風車翼における雷撃電流の経路になり得る。
したがって、ＣＦＲＰを備えた風車翼に特許文献１や非特許文献１に記載された一般的なＣＦＲＰ損傷検出方法を適用すると、ＣＦＲＰに設けた電極を介して抵抗計測器等の損傷検出システムに雷撃電流が流れ込み、損傷検出システムが故障する可能性がある。
【０００９】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、雷撃電流による損傷検出システムの故障リスクを低減しながら、ＣＦＲＰのような導電性複合材の損傷状態を監視可能な風力発電装置及びその運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る風力発電装置の運転制御方法は、少なくとも一部が導電性複合材により構成される風車翼と、前記導電性複合材に取り付けられた複数の計測用電極と、各計測用電極に第１開閉器を介して接続される抵抗計測器を備えた風力発電装置の運転制御方法であって、前記第１開閉器を開いて前記抵抗計測器を前記計測用電極から切り離した状態で、前記風力発電装置を通常運転モードにより運転するステップと、前記風力発電装置の運転モードが前記通常運転モードから損傷検出モードに切替えられたとき、前記第１開閉器を閉じて前記抵抗計測器を前記計測用電極のうち一対の電極に導通させるステップと、前記第１開閉器を閉じて前記抵抗計測器を前記一対の電極に導通させた状態で、前記一対の電極間の電気抵抗を前記抵抗計測器により計測するステップと、前記電気抵抗の計測値に基づいて、前記導電性複合材の損傷を検出するステップとを備えることを特徴とする。
なお、風車翼の少なくとも一部を構成する導電性複合材は、樹脂マトリックスを導電性繊維で強化した繊維強化プラスチックであってもよく、例えば炭素繊維強化プラスチックであってもよい。
【００１１】
上記風力発電装置の運転制御方法によれば、損傷検出モードの選択時に第１開閉器を閉じて抵抗計測器を一対の電極に導通させて該一対の電極間の電気抵抗を計測するようにしたので、電気抵抗変化法により導電性複合材の損傷を把握できる。一方、通常運転モード選択時には、第１開閉器を開いて抵抗計測器を計測用電極から切り離すようにしたので、雷撃電流による抵抗計測器（損傷検出システム）の故障リスクを低減できる。
【００１２】
上記風力発電装置の運転制御方法において、前記風力発電装置は、前記導電性複合材に取り付けられた一対の加熱用電極と、前記加熱用電極に第２開閉器を介して接続される電圧印加器とをさらに備え、前記風力発電装置の運転モードとして前記損傷検出モードが選択されたとき、前記第２開閉器を閉じて前記電圧印加器を前記加熱用電極に導通させて、前記導電性複合材をジュール熱により加熱するステップをさらに備え、前記通常運転モードでは、前記第２開閉器を開いて前記電圧印加器を前記加熱用電極から切り離した状態を維持してもよい。
このように、通常運転モード選択時に第２開閉器を開いて電圧印加器を加熱用電極から切り離すことで、非特許文献２のように導電性複合材の温度変化による電気抵抗の変化率を利用して損傷検出を行う場合において、電圧印加器の故障リスクを低減できる。
【００１３】
上記風力発電装置の運転制御方法において、前記導電性複合材は前記風車翼の翼長方向に延在し、異なる翼長方向位置に３個以上の前記計測用電極が取り付けられており、前記電気抵抗を計測するステップでは、複数組の前記一対の電極について前記電気抵抗をそれぞれ計測し、前記損傷を検出するステップでは、各組の前記電気抵抗に基づいて、前記導電性複合材の損傷箇所を特定してもよい。
これにより、翼長方向に延在する導電性複合材の損傷箇所を知ることができ、風車翼のメンテナンスを効率的に行うことができる。
【００１４】
また上記風力発電装置の運転制御方法は、前記導電性複合材に埋め込まれた光ファイバに光を入射するステップと、前記光ファイバに入射された前記光の散乱光又は透過光を検出するステップとをさらに備え、前記損傷を検出するステップでは、前記電気抵抗の計測値および前記散乱光又は透過光に基づいて前記導電性複合材の損傷を検出してもよい。
このように、導電性複合材に取り付けた計測用電極間の電気抵抗だけでなく、導電性複合材に埋め込まれた光ファイバに入射された光の散乱光又は透過光をも考慮することで、導電性複合材の損傷をより高精度に検出できる。
【００１５】
なお、導電性複合材に埋め込んだ光ファイバを導電性複合材の損傷検出に利用する具体的手法として、例えば、光ファイバに入射された光のブリルアン散乱光の周波数シフトから光ファイバの歪み量を求め、該歪み量を所定の閾値と比較して導電性複合材の損傷の有無を判定してもよい。
【００１６】
導電性複合材に埋め込んだ光ファイバを導電性複合材の損傷検出に利用する場合、前記散乱光に基づいて前記導電性複合材の損傷箇所を特定してもよい。例えば、光ファイバの歪み発生部分において周波数がシフトしたブリルアン散乱光が計測器（ＢＯＴＤＲ方式の計測器）に戻るまでの時間から、光ファイバの歪み発生位置（すなわち導電性複合材の損傷箇所）を特定してもよい。
【００１７】
上記風力発電装置の運転制御方法において、前記導電性複合材の損傷が検出された場合、前記風力発電装置の停止および警報出力の少なくとも一方を行ってもよい。
【００１８】
また本発明に係る風力発電装置は、少なくとも一部が導電性複合材により構成される風車翼を備えた風力発電装置であって、前記導電性複合材に取り付けられた複数の計測用電極と、前記計測用電極に第１開閉器を介して接続される抵抗計測器と、前記第１開閉器を開閉制御する第１開閉制御部と、前記抵抗計測器を制御する計測器制御部と、前記抵抗計測器の計測結果に基づいて、前記導電性複合材の損傷を検出する損傷検出部と、前記風力発電装置の運転モードとして、通常運転モードおよび損傷検出モードの何れか一方を選択する運転モード選択部とを備え、前記運転モード選択部によって前記通常運転モードが選択されたとき、前記第１開閉制御部は、前記抵抗計測器を前記計測用電極から切り離した状態を維持するように前記第１開閉器を開き、前記運転モード選択部によって前記損傷検出モードが選択されたとき、前記第１開閉制御部は、前記抵抗計測器が前記計測用電極のうち一対の電極に導通するように前記第１開閉器を閉じるとともに、前記計測器制御部が前記抵抗計測器により前記一対の電極間の電気抵抗を取得し、前記損傷検出部が前記電気抵抗の計測値に基づいて前記導電性複合材の損傷を検出することを特徴とする。
【００１９】
この風力発電装置によれば、損傷検出モードの選択時に第１開閉制御部によって第１開閉器を閉じて抵抗計測器を一対の電極に導通させて該一対の電極間の電気抵抗を計測するようにしたので、電気抵抗変化法により導電性複合材の損傷状態を把握できる。一方、通常運転モード選択時には、第１開閉制御部によって第１開閉器を開いて抵抗計測器を計測用電極から切り離すようにしたので、雷撃電流による抵抗計測器（損傷検出システム）の故障リスクを低減できる。
【００２０】
上記風力発電装置において、前記風車翼は、前記風車翼の腹側面および背側面にそれぞれ設けられて、翼長方向に延在するスパーキャップと、前記腹側面および前記背側面の前記スパーキャップを接続するスパーとを有し、前記導電性複合材は前記スパーキャップであり、前記計測用電極は、前記スパーキャップの内側表面のうち前記スパーとの接合部を除く領域に配置されていてもよい。
これにより、計測用電極の取付けによる風車翼の強度や製造性の低下を防止するとともに、計測用電極が雷撃電流による影響を受けることを避けることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、損傷検出モードの選択時に第１開閉器を閉じて抵抗計測器を一対の電極に導通させて該一対の電極間の電気抵抗を計測するようにしたので、電気抵抗変化法により導電性複合材の損傷状態を把握できる。一方、通常運転モード選択時には、第１開閉器を開いて抵抗計測器を計測用電極から切り離すようにしたので、雷撃電流による抵抗計測器の故障リスクを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】風車翼の構成例を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態に係る風車翼の損傷検出システムの構成例を示す図である。
【図４】計測用電極の取付け位置の例を示す図であり、（ａ）は風車翼の断面図（図２とは異なる翼長方向位置における断面図）、（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ部で示した領域の拡大図である。
【図５】第１実施形態における損傷検出システム及び風車コントローラの構成例を示す図である。
【図６】ＣＦＲＰの加熱終了後の自然冷却中における抵抗変化率ΔＲｃ／Ｒ１の経時変化を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係る風力発電装置の運転制御方法を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態における風車翼の損傷検出システムの構成例を示す図である。
【図９】第２実施形態における損傷検出システム及び風車コントローラの構成例を示す図である。
【図１０】ＢＯＴＤＲ方式の計測器とブラッグ格子センサを併用した光ファイバ計測装置の構成例を示す図である。
【図１１】ブリルアン周波数シフトとブラッグ反射波長シフトの歪み依存性の一例を示すグラフである。
【図１２】ブリルアン周波数シフトとブラッグ反射波長シフトの温度依存性の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は、風車翼の構成例を示す図である。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１に示すように、風車翼１は、風力発電装置のハブに接続される翼根部２から先端部４に亘って翼長方向に延在している。風車翼１は、図２に示すように、内側層１０ａ及び外側層１０ｂを有する外皮（シェル）１０と、翼長方向に延在するように外皮１０の内側層１０ａに設けられたスパーキャップ１２と、背側と腹側のスパーキャップ１２間に設けられたスパー（シアウェブ）１４とを備えている。
【００２５】
外皮１０は、例えばＧＦＲＰやバルサ材等の絶縁体で形成されている。これに対し、強度部材であるスパーキャップ１２はＣＦＲＰ（導電性複合材）で形成されている。そのため、ＣＦＲＰ製のスパーキャップ１２に対する直接的な雷撃を防止する観点から、各スパーキャップ１２はＣＦＲＰ保護導体（複合材保護導体）１６によって覆われている。
なお、ＣＦＲＰ保護導体１６の一端は、先端部４の内部に設けたベースプレート８を介して、レセプタ６と電気的に接続されている。また、ＣＦＲＰ保護導体１６の他端は、翼根部２において不図示の導電部材を介してハブ内のアース線に電気的に接続されている。すなわち、ＣＦＲＰ保護導体１６は、スパーキャップ１２への直接的な雷撃防止に加えて、レセプタ６で捕捉した雷撃電流を翼根部２まで導くダウンコンダクタとしての機能も兼ね備える。このような耐雷設計では、殆んど全ての雷撃がレセプタ６で捕捉され、残りの雷撃は先端部４周辺のＣＦＲＰ保護導体１６によって捕捉され、ＣＦＲＰ１２が直接雷撃を受けることがない。そして、レセプタ６又は先端部４周辺のＣＦＲＰ保護導体１６で捕捉された雷撃電流は、ＣＦＲＰ保護導体１６によって翼根部２に導かれる。
また、ＣＦＲＰ保護導体１６とスパーキャップ１２とは、翼長方向の複数箇所において、導体１８で相互に接続されて等電位化されている。なお、背側のスパーキャップ１２と腹側のスパーキャップ１２を等電位化するために、スパー１４をＣＦＲＰで構成してもよい。
【００２６】
図３は、風車翼の損傷検出システムの構成例を示す図である。同図に示す損傷検出システム１００では、ＣＦＲＰ（スパーキャップ）１２に複数の計測用電極２０ｉ（ｉ＝１，２，…ｍ。ただし、ｍは２以上の整数。）が取り付けられ、これら計測用電極２０ｉにはそれぞれ対応する第１開閉器２２ｉを介して抵抗計測器２４が接続されている。また、ＣＦＲＰ１２の両端部には加熱用電極２６Ａ及び２６Ｂが取り付けられており、各加熱用電極２６Ａ，２６Ｂには第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを介して電圧印加器２９が接続されていてもよい。
なお、損傷検出システム１００の各部（第１開閉器２２ｉ、第２開閉器２８Ａ，２８Ｂ、抵抗計測器２４及び電圧印加器２９）は風車コントローラ３０の制御下で動作する。風車コントローラ３０の詳細については後述する。
【００２７】
図４は計測用電極２０ｉの取付け位置の例を示す図であり、図４（ａ）は風車翼１の断面図（図２とは異なる翼長方向位置における断面図）、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ部で示した領域の拡大図である。
ＣＦＲＰ１２の外側表面１２Ｂ（図４（ｂ）参照）に計測用電極２０ｉを取り付けると雷撃電流の影響を受けやすいだけでなく、外皮１０のしわの原因になる。また、ＣＦＲＰ１２の側面１２ＣはＧＦＲＰやバルサ材等で形成された外皮１０の内側層１０ａとの境界であるから、風車翼１の製造性の観点からＣＦＲＰ１２の側面１２Ｃは計測用電極２０ｉの取付け位置として望ましくない。さらに、ＣＦＲＰ１２の内側表面１２Ａのうちスパー１４との接合部１３は、風車翼１の強度を確保する上で重要な箇所であるから、計測用電極２０ｉの取付け位置として望ましいと言えない。
そこで、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、計測用電極２０ｉは、ＣＦＲＰ（スパーキャップ）１２の内側表面１２Ａのうちスパー１４との接合部１３を除く領域に取り付けることが好ましい。これにより、計測用電極２０ｉの取付けによる風車翼１の強度や製造性の低下を防止するとともに、計測用電極２０ｉが雷撃電流による影響を受けることを避けることができる。
なお、加熱用電極２６Ａ及び２６Ｂについても、計測用電極２０ｉと同様にＣＦＲＰ（スパーキャップ）１２の内側表面１２Ａのうちスパー１４との接合部１３を除く領域に取り付けることが好ましい。
【００２８】
図５は、損傷検出システム１００及び風車コントローラ３０の構成例を示す図である。同図に示すように、風車コントローラ３０は、風力発電装置の運転モードを選択する運転モード選択部３８と、第１開閉器２２ｉを開閉制御する第１開閉制御部３１と、抵抗計測器２４を制御する計測器制御部３２と、第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを開閉制御する第２開閉制御部３３と、電圧印加器２９を制御する電圧印加制御部３４と、ＣＦＲＰ１２の損傷の有無を判定する損傷検出部３６とを備える。
【００２９】
運転モード選択部３８は、風力発電装置の運転モードとして、通常運転モードおよび損傷検出モードの何れか一方を選択する。ここで、通常運転モードはＣＦＲＰ１２の損傷検出を行わず発電のみを目的とした運転モードであり、風速がカットイン風速以上である場合に発電を行い、風速がカットイン風速未満の場合には待機する運転モードである。これに対し、損傷検出モードはＣＦＲＰ１２の損傷検出を行う運転モードである。なお、損傷検出モードの選択時、風力発電装置は発電を行ってもよいし、発電を行わずに待機してもよい。
【００３０】
運転モード選択部３８は、定期検査時、雷雨や台風などの悪天候時、または、雷撃監視装置により風車翼１への落雷が検知されたときに、通常運転モードから損傷検出モードに切り替えてもよい。なお、運転モード選択部３８による運転モードの切替えは自動又は手動によって行われる。例えば、ウィンドファーム制御室からの指令に応じて運転モード選択部３８が運転モードを自動で切り替えてもよい。あるいは、メンテナンス員が、風力発電装置内の制御盤を手動で直接操作したり、遠隔地から無線又は有線を介して遠隔操作したりして、運転モード選択部３８による運転モードの切替えを行ってもよい。
【００３１】
第１開閉制御部３１は、通常運転モード選択時に、抵抗計測器２４を計測用電極２０ｉから切り離した状態を維持するように全ての第１開閉器２２ｉ（ｉ＝１，２，…ｍ。ただし、ｍは２以上の整数。）を開く。これにより、通常運転モード選択中における風車翼１への着雷に起因した雷撃電流の抵抗計測器２４への流入を防止できる。
同様に、第２開閉制御部３３は、通常モード選択時に、電圧印加器２９を加熱用電極２６Ａ，２６Ｂから切り離した状態を維持するように第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを開く。これにより、通常運転モード選択中における風車翼１への着雷に起因した雷撃電流の電圧印加器２９への流入を防止できる。
【００３２】
これに対し、損傷検出モード選択時には、第１開閉制御部３１は一対の第１開閉器２２ｋ，２２ｌを閉じて、これらに対応する電極２０ｋ，２０ｌを抵抗計測器２４に導通させる。この状態で、抵抗計測器２４は、計測器制御部３１の制御下で、一対の電極２０ｋ，２０ｌ間の電気抵抗を計測する。そして、損傷検出部３６は、抵抗計測器２４により計測した電極２０ｋ，２０ｌ間の電気抵抗を、既知であるＣＦＲＰ損傷前の電極２０ｋ，２０ｌ間の電気抵抗と比較することで、電極２０ｋ，２０ｌ間におけるＣＦＲＰ１２の損傷の有無を判定する。
【００３３】
ところで、電極２０ｋ，２０ｌ間の電気抵抗は、計測用電極２０ｋ，２０ｌの欠損状態にも依存する。そこで、計測用電極２０ｋ，２０ｌの欠損によるＣＦＲＰ１２の損傷検出精度の低下を避けるため、ＣＦＲＰ１２の温度変化による電極２０ｋ，２０ｌ間の電気抵抗の変化率を用いてＣＦＲＰ１２の損傷を検出してもよい。この際、ＣＦＲＰ１２に温度変化を付与するために、電圧印加器２９を用いてＣＦＲＰ１２をジュール熱で加熱してもよい。すなわち、運転モード選択部３８によって損傷検出モードが選択されると、第２開閉制御器３３が第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを閉じて電圧印加器２９を加熱用電極２６Ａ，２６Ｂに導通させて、電圧印加制御部３４の制御下で電圧印加器２９がＣＦＲＰ１２に電圧を印加してもよい。
なお、ＣＦＲＰ１２の損傷検出は、ＣＦＲＰ１２の温度上昇時における抵抗変化率に基づいて行ってもよいし、ＣＦＲＰ１２の温度低下時における抵抗変化率に基づいて行ってもよい。例えば、ＣＦＲＰ１２の加熱開始時における電極２０ｋ，２０ｌの電気抵抗をＲ０とし、ＣＦＲＰ１２の加熱中における電気抵抗の変化ΔＲｈとしたとき、抵抗変化率ΔＲｈ／Ｒ０の挙動からＣＦＲＰ１２の損傷を検出してもよい。あるいは、ＣＦＲＰ１２の加熱終了時の電極２０ｋ，２０ｌの電気抵抗をＲ１とし、ＣＦＲＰ１２の加熱終了後の自然冷却中における電気抵抗の変化ΔＲｃとしたとき、抵抗変化率ΔＲｃ／Ｒ１の挙動からＣＦＲＰ１２の損傷を検出してもよい。
【００３４】
図６は、ＣＦＲＰ１２の加熱終了後の自然冷却中における抵抗変化率ΔＲｃ／Ｒ１の経時変化を示すグラフである。
同図に示すように、ＣＦＲＰ１２の損傷の有無を問わず、いずれ場合にも自然冷却中のＣＦＲＰ１２の温度低下に伴い電気抵抗が回復して増加するが、電気抵抗の増加速度及び最終的な電気抵抗の増加量はＣＦＲＰ１２に損傷がある場合はＣＦＲＰ１２に損傷がない場合に比べて小さい。これに対し、電極２０ｋ，２０ｌの欠損は、抵抗変化率ΔＲｃ／Ｒ１に殆んど影響しないことが分かっている。そのため、抵抗変化率ΔＲｃ／Ｒ１の挙動からＣＦＲＰ１２の損傷を高精度に検出できる。
【００３５】
また、損傷検出モード選択時、複数組の電極間の電気抵抗を抵抗計測器２４で計測し、各組の電気抵抗に基づいてＣＦＲＰ１２の損傷箇所を特定してもよい。例えば、翼長方向に複数の計測用電極２０ｉ（ｉ＝１，２，…ｍ。ただし、ｍは３以上の整数。）を設けておき、複数組の隣接する電極２０ｊ−１，２０ｊ間の電気抵抗Ｒｊ（ｊ＝２，…ｍ。）からＣＦＲＰ１２の損傷箇所を特定してもよい。
【００３６】
次に、本実施形態の風力発電装置の運転制御方法について説明する。図７は、本実施形態の風力発電装置の運転制御方法を示すフローチャートである。
【００３７】
最初に、ステップＳ２において、運転モード選択部３８によって風力発電装置の運転モードとして通常運転モード及び損傷検出モードのいずれか一方が選択される。例えば、定期検査時、雷雨や台風などの悪天候時、または、雷撃監視装置により風車翼１への落雷が検知されたときに、通常運転モードから損傷検出モードに切り替えてＣＦＲＰ１２の損傷検出を行ってもよい。
そして、風力発電装置の運転モードとして通常運転モードが選択された場合（ステップＳ４のＮＯ判定）、第１開閉制御器３１が全ての第１開閉器２２ｉを開いて抵抗計測器２４を計測用電極２０ｉから切り離すとともに（ステップＳ６）、第２開閉制御器３３が第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを開いて電圧印加器２９を加熱用電極２６Ａ，２６Ｂから切り離し（ステップＳ８）、この状態で風力発電装置の運転を行う。その後、ステップＳ２に戻って風力発電装置の運転モードの選択を再度行う。
一方、風力発電装置の運転モードとして損傷検出モードが選択された場合（ステップＳ４のＹＥＳ判定）、ステップＳ１０において第２開閉制御器３３が第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを閉じて電圧印加器２９を加熱用電極２６Ａ，２６Ｂに導通させる。そして、電圧印加制御部３４の制御下で電圧印加器２９がＣＦＲＰ１２に電圧を印加して、ジュール熱によりＣＦＲＰ１２を加熱する。そして、ステップＳ１４に進んで、計測用電極２０ｉ（ｉ＝１，２，…ｍ。ただし、ｍは３以上の整数。）のうち一対の電極２０ｊ−１，２０ｊが抵抗計測器２４に導通するように、第１開閉制御部３１によって第１開閉器２２ｊ−１，２２ｊを閉じる。この状態で抵抗計測器２４は、ＣＦＲＰ１２の温度変化中における電極２０ｊ−１，２０ｊ間の電気抵抗Ｒｊを計測する（ステップＳ１６）。ステップＳ１８では、計測予定の全ての電極２０ｊ−１，２０ｊの組合せについて電気抵抗Ｒｊが計測されたか否かが判定され、計測予定の全ての電極組についての計測が終了していない場合（ステップＳ１８のＮＯ判定）、計測対象の電極を異ならせてステップＳ１０〜Ｓ１６を繰り返す。計測予定の全ての電極組についての計測が終了したら（ステップＳ１８のＹＥＳ判定）、損傷検出部３６は、抵抗計測器２４から取得したＣＦＲＰ１２の温度変化による電気抵抗Ｒｊの変化率に基づいてＣＦＲＰ１２の損傷検出と損傷箇所の特定を行う（ステップＳ２０）。そして、ＣＦＲＰ１２に損傷が有ると判断された場合（ステップＳ２２のＹＥＳ判定）、ステップＳ２４に進んで、風力発電装置の停止および警報出力の少なくとも一方を行う。これに対し、ＣＦＲＰ１２に損傷が無いと判断された場合（ステップＳ２２のＮＯ判定）、ステップＳ２に戻って風力発電装置の運転モードの選択を再度行う。
【００３８】
本実施形態によれば、損傷検出モードの選択時に第１開閉制御部３１によって第１開閉器２２ｋ，２２ｌを閉じて抵抗計測器２４を一対の電極２２ｋ，２２ｌに導通させて該一対の電極２２ｋ，２２ｌ間の電気抵抗を計測するようにしたので、電気抵抗変化法によりＣＦＲＰ１２の損傷状態を把握できる。一方、通常運転モード選択時には、第１開閉制御部３１によって全ての第１開閉器２２ｉを開いて抵抗計測器２４を計測用電極２０ｉから切り離すようにしたので、雷撃電流による抵抗計測器２４の故障リスクを低減できる。
【００３９】
また本実施形態によれば、通常運転モード選択時に第２開閉器２８Ａ，２８Ｂを開いて電圧印加器２９を加熱用電極２６Ａ，２６Ｂから切り離すことで、ＣＦＲＰ１２の温度変化による電気抵抗の変化率ΔＲ／Ｒを利用して損傷検出を行う場合において、電圧印加器２９の故障リスクを低減できる。
【００４０】
また、異なる翼長方向位置に３個以上の計測用電極２０ｉ（ｉ＝１，２，…ｍ。ただし、ｍは３以上の整数。）を取り付け、複数組の電極２０ｊ−１，２０ｊについて電気抵抗Ｒｊをそれぞれ計測し、ＣＦＲＰ１２の損傷箇所の特定に用いるようにしたので、翼長方向に延在するＣＦＲＰ１２の損傷箇所を知ることができ、風車翼１のメンテナンスを効率的に行うことができる。
【００４１】
さらに、ＣＦＲＰ（スパーキャップ）１２の内側表面１２Ａのうちスパー１４との接合部１３を除く領域に計測用電極２０ｉ及び加熱用電極２６Ａ，２６Ｂを取り付けることで、風車翼１の強度や製造性の低下を防止するとともに、雷撃電流による電極への影響を避けることができる。
【００４２】
［第２実施形態］
次に第２実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、ＣＦＲＰ１２に埋め込まれた光ファイバを用いたヘルスモニタリング機能を損傷検出システムに追加的に持たせたことを除けば、第１実施形態の風力発電装置と同様である。よって、ここでは、第１実施形態と同一の箇所については共通の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４３】
図８は、本実施形態における損傷検出システムの構成例を示す図である。図９は、本実施形態における損傷検出システム及び風車コントローラの構成例を示す図である。
【００４４】
図９に示す損傷検出システム１１０は、ＣＦＲＰ１２に埋め込まれた光ファイバ４４及びこれに接続された光ファイバ計測装置４６を第１実施形態における損傷検出システム１００（図３参照）に追設したものである。
【００４５】
光ファイバ４４は翼長方向に沿ってＣＦＲＰ１２の略全長に亘って設けられている。光ファイバ計測装置４６は、光ファイバ４４に光を入射するとともに、その散乱光を検出するようになっている。例えば、光ファイバ計測装置４６は、光ファイバ４４に入射された光の後方散乱光の減少から光ファイバ４４の屈曲を検出するＯＴＤＲ方式であってもよいし、光ファイバ４４に入射された光のブリルアン散乱光の周波数シフトから光ファイバ４４の歪みを検出するＢＯＴＤＲ方式であってもよい。光ファイバ計測装置４６の計測結果は、図９に示すように、風車コントローラ３０の損傷検出部３６に送られて、抵抗計測器２４の計測結果とともにＣＦＲＰ１２の損傷検出に用いられる。
なお、図８に示す光ファイバ計測装置４６に替えて、光ファイバ４４の透過光の光量変化から光ファイバ４４の変形を検出するＭＤＭ方式やＯＳＭＯＳ方式の計測器を用いてもよい。
【００４６】
なお、光ファイバ計測装置４６がＢＯＴＤＲ方式の計測器である場合、ブリルアン散乱光の周波数シフトは歪み変化と温度変化に依存する。よって、ＣＦＲＰ１２が温度上昇する雷撃中に計測を行うのではなく、着雷後から所定時間経過してＣＦＲＰ１２の温度が元に戻った後に、光ファイバ計測装置４６による計測を行ってもよい。
これにより、雷撃による光ファイバ４４の温度上昇の影響を受けずに、ブリルアン散乱光の周波数シフトから光ファイバ４４の歪み量を高精度に検出できる。この歪み量の計測値を損傷判定部４２において所定の閾値と比較することで、ＣＦＲＰ１２の損傷の有無を適切に判定できる。
また、光ファイバ４４の歪み発生部分において周波数がシフトしたブリルアン散乱光が光ファイバ計測装置４６に戻るまでの時間から、光ファイバ４４の歪み発生位置（すなわちＣＦＲＰ１２の損傷箇所）を特定することも可能である。
【００４７】
また、光ファイバ計測装置４６として、ＢＯＴＤＲ方式の計測器とブラッグ格子センサ（ＦＢＧ）を併用し、光ファイバ４４の歪み変化と温度変化を独立して検出してもよい。
図１０は、ＢＯＴＤＲ方式の計測器とブラッグ格子センサを併用した光ファイバ計測装置４６の構成例を示す図である。同図に示す例では、光ファイバ計測装置４６は、ＢＯＴＤＲ計測器５２と、ＢＯＴＤＲ計測器５２を光ファイバ４４に接続するＷＤＭカプラ５４と、ＷＤＭカプラ５４及びカプラ５５を介して光ファイバ４４に接続される光源５６及び光スペクトルアナライザ５８により構成される。また、光ファイバ４４には、ＦＢＧ計測を行うためのＦＢＧセンサ５０が複数設けられている。
光ファイバ計測装置４６は、ＢＯＴＤＲに対応した１．５５μｍの波長帯のレーザ光と、ＦＢＧに対応した１．３１μｍの波長帯のレーザ光とを一本の光ファイバ４４に入射し、波長多重技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を利用して戻り光の波長帯を分離することで、ＢＯＴＤＲ及びＦＢＧの両方の計測を行うものである。すなわち、ＢＯＴＤＲ計測器５２から出力されたレーザ光（１．５５μｍ帯）と光源５６から出力されたレーザ光（１．３１μｍ帯）とがＷＤＭカプラ５４で合波されて、光ファイバ４４に入射される。一方、光ファイバ４４からの戻り光は、ＷＤＭカプラ５４で２つの波長帯の光に分波されて、それぞれＢＯＴＤＲ計測器５２及び光スペクトルアナライザ５８に導かれるようになっている。そして、ＢＯＴＤＲ計測器５２においてブリルアン周波数シフトが検出され、光スペクトルアナライザ５８においてブラッグ反射波長シフトが検出される。ここで、ブリルアン周波数シフトとブラッグ反射波長シフトとでは、歪みに対する依存性（図１１参照）と温度に対する依存性（図１２参照）が相違する。そのため、ＢＯＴＤＲ計測器５２で検出したブリルアン周波数シフトと、光スペクトルアナライザ５８で検出したブラッグ反射波長シフトとを用いて、光ファイバ４４の歪み変化と温度変化を独立して求めることができる。このようにして得られた光ファイバ４４の歪み変化と温度変化は、風車コントローラ３０の損傷検出部３６に送られて、ＣＦＲＰ１２の損傷の判定に用いられる。例えば、損傷検出部３６は、光ファイバ４４の歪み量を所定の閾値と比較したり、光ファイバ４４の温度を所定の閾値と比較したりすることで、ＣＦＲＰ１２の損傷の有無を判断してもよい。
【００４８】
本実施形態によれば、ＣＦＲＰ１２に取り付けた計測用電極間の電気抵抗だけでなく、ＣＦＲＰ１２に埋め込まれた光ファイバ４４に入射された光の散乱光をも考慮するようにしたので、ＣＦＲＰ１２の損傷をより高精度に検出できる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００５０】
例えば、上述の実施形態では、風力発電装置の風車翼１が図１及び２を用いて説明した構成を有する例について説明したが、本発明において風車翼の構成は特に限定されず、少なくとも一部が導電性複合材により構成される任意の構成の風車翼であってもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１              風車翼
２              翼根部
４              先端部
６              レセプタ
８              ベースプレート
１０            外皮
１０ａ          内側層
１０ｂ          外側層
１２            ＣＦＲＰ（スパーキャップ）
１４            シアウェブ
１６            ＣＦＲＰ保護導体
１８            導体
２０ｉ            計測用電極
２０ｉ            第１開閉器
２４            抵抗計測器
２６Ａ，２６Ｂ  加熱用電極
２８Ａ，２８Ｂ  第２開閉器
２９            電圧印加器
３０            風車コントローラ
３１            第１開閉制御部
３２            計測器制御部
３３            第２開閉制御部
３４            電圧印加制御部
３６            損傷検出部
３８            運転モード選択部
４４            光ファイバ
４６            光ファイバ計測装置
５０            ＦＢＧセンサ
５２            ＢＯＴＤＲ計測器
５４            ＷＤＭカプラ
５５            カプラ
５６            光源
５８            光スペクトルアナライザ
【図１】
2013148022.tif 000003
【図２】
2013148022.tif 000004
【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】
2013148022.tif 000011
【図１０】
2013148022.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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