(57)【要約】【課題】風車翼の少なくとも一部が導電性複合材で構成され、導電性複合材を覆う複合材保護導体と導電性複合材とが等電位化されていても、導電性複合材の損傷を高精度に検出可能な風車翼の損傷検出方法及び損傷検出システムを提供する。【解決手段】風車翼１は、導電性複合材１２と、導電性複合材１２を覆うとともに導電性複合材１２と等電位化された複合材保護導体１６を備える。損傷検出システム２０は、風車翼１への着雷時に風車翼１の導電性複合材１２を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得し、この雷撃電流パラメータに基づいて、風車翼１の導電性複合材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】
導電性複合材と、該導電性複合材を覆うとともに前記導電性複合材と等電位化された複合材保護導体とを備えた風車翼の損傷検出方法であって、
前記風車翼への着雷時に該風車翼の前記導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得するステップと、
取得した前記雷撃電流パラメータに基づいて、前記風車翼の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車翼の損傷検出方法。
【請求項２】
前記導電性複合材を有する試験体を用いて、前記試験体の前記導電性複合材に流す試験電流に関する試験電流パラメータと、該試験電流によって前記試験体の前記導電性複合材に生じる損傷の特性データとの相関を予め求めるステップと、
取得した前記雷撃電流パラメータを前記相関に当てはめて、前記雷撃電流によって前記風車翼の前記導電性複合材に生じる損傷の特性データを求めるステップとを備え、
前記損傷を検出するステップでは、前記損傷の特性データを用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に記載の風車翼の損傷検出方法。
【請求項３】
前記相関は、前記試験電流の波形、ピーク値、電荷量、比エネルギーのいずれかである前記試験電流パラメータと、前記試験体の前記導電性複合材の損傷規模、強度低下および温度上昇のいずれかを表す前記損傷の特性データとの関係を示すことを特徴とする請求項２に記載の風車翼の損傷検出方法。
【請求項４】
前記雷撃電流パラメータを取得するステップでは、前記導電性複合材を流れる雷撃電流を選択的に計測し、該計測値から前記雷撃電流パラメータを取得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車翼の損傷検出方法。
【請求項５】
前記雷撃電流パラメータを取得するステップでは、前記複合材保護導体を流れる雷撃電流を計測し、該計測値から前記導電性複合材に流れる前記雷撃電流を推定することで前記雷撃電流パラメータを取得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車翼の損傷検出方法。
【請求項６】
前記雷撃電流パラメータを取得するステップでは、前記導電性複合材および前記複合材保護導体を流れる雷撃電流の総和を計測し、該計測値から前記導電性複合材に流れる前記雷撃電流を推定することで前記雷撃電流パラメータを取得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車翼の損傷検出方法。
【請求項７】
前記導電性複合材は前記風車翼の翼長方向に延在しており、
複数の翼長方向位置における前記雷撃電流パラメータを取得し、
各翼長方向位置における前記雷撃電流パラメータに基づいて、前記風車翼の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乃至６のいずれか一項に記載の風車翼の損傷検出方法。
【請求項８】
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、前記雷撃電流パラメータ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７のいずれか一項に記載の風車翼の損傷検出方法。
【請求項９】
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８に記載の風車翼の損傷検出方法。
【請求項１０】
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９のいずれか一項に記載の風車翼の損傷検出方法。
【請求項１１】
導電性複合材と、該導電性複合材を覆うとともに前記導電性複合材と等電位化された複合材保護導体とを備えた風車翼の損傷検出システムであって、
前記風車翼への着雷時に該風車翼の前記導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得する雷撃電流パラメータ取得部と、
取得した前記雷撃電流パラメータに基づいて、前記風車翼の前記導電性複合材の損傷の有無を判定する損傷判定部とを備えることを特徴とする風車翼の損傷検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車翼の損傷検出方法および損傷検出システムに係り、具体的には、導電性複合材と、該導電性複合材を覆うとともに前記導電性複合材と等電位化された複合材保護導体とを備えた風車翼の損傷検出方法および損傷検出システムに関する。
【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。特に、発電効率の点で有利とされる大型の風力発電装置は急激に開発が進められており、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。
【０００３】
ロータ直径が大きな風力発電装置では、ロータの回転に伴って風車翼の先端が地表から大きく離れた位置（高所）を通過するから、風車翼の耐雷設計が重要である。
【０００４】
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。このような風車翼の耐雷設計として、風車翼の先端に複数個取り付けられたレセプタで雷撃を受け止め、翼内部に設けたダウンコンダクタを介してレセプタからの雷撃電流を翼根部まで導き、さらにハブ、ナセル及びタワー内に設けたアース線を介して雷撃電流を大地まで導くのが一般的であった。
このようなシンプルな耐雷設計が可能なのは、ＧＦＲＰが絶縁体であるため、ほぼ全ての雷撃電流をレセプタにて捕捉可能であり、且つ、ダウンコンダクタが風車翼における唯一の電流経路とみなすことができるからである。
【０００５】
ところが、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。そのため、従来の耐雷設計を見直し、ＧＦＲＰとは異なり導電性を有するＣＦＲＰを備えた風車翼に適した耐雷設計を確立する必要がある。
【０００６】
そこで、ＣＦＲＰを用いた風車翼に適する耐雷設計として、金属メッシュや導電テープ等の導電部材（ＣＦＲＰ保護導体）でＣＦＲＰを覆って、導電性を有するＣＦＲＰへの直接的な雷撃を防止してＣＦＲＰを保護する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、特許文献２〜４には、金属メッシュや導電テープ等のＣＦＲＰ保護導体やダウンコンダクタに雷撃電流が流れる際、これら導電部材とＣＦＲＰとの間にスパークが生じるリスクを低減するために、導電部材とＣＦＲＰとを相互に接続して両者を等電位化する（両者の電位差を無くす）技術が提案されている。
【０００７】
なお、ＣＦＲＰを用いた風車翼を対象とするものではないが、特許文献５には、風車翼をハブに接地する接地線を貫通するように設けたロゴウスキーコイルに発生する誘起電流を検出し、該誘起電流に基づいて風車翼を流れた雷撃電流を求める技術が開示されている。
また特許文献５と同様にＣＦＲＰを用いた風車翼を対象とするものではないが、特許文献６には、風車翼の翼長方向における複数箇所で計測された磁場又は電場に基づいて、雷撃による風車翼の損傷を求める手法が開示されている。この手法では、具体的には、風車翼の外皮（シェル）に埋め込まれた複数の環状ワイヤで計測した磁場又は電場と、風車翼内に設置されて大地に雷撃電流を導くコンダクタに接続された電流センサの検出値とに基づいて、風車翼の損傷のレベル及び程度を見積もるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２９８６５号明細書
【特許文献２】米国特許第７４９４３２４号明細書
【特許文献３】米国特許第７６５１３２０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０１４５２２９号明細書
【特許文献５】特開２００８−１５３０１０号公報
【特許文献６】米国特許第７８０６６５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜４に記載された耐雷設計をＣＦＲＰで少なくとも一部が構成される風車翼に適用して、ＣＦＲＰをＣＦＲＰ保護導体で覆うとともに両者を等電位化しても、雷撃によるＣＦＲＰの損傷を完全に防止することは難しい。これは、ＣＦＲＰ保護導体とＣＦＲＰとを等電位化すると、ＣＦＲＰ保護導体を流れる雷撃電流の一部がＣＦＲＰに不可避的に流れ込むためである。
よって、ＣＦＲＰの損傷状態を監視可能とする観点から、雷撃によるＣＦＲＰの損傷の検出方法及び検出システムを確立することが望まれる。
【００１０】
そこで、ＣＦＲＰをＣＦＲＰ保護導体で覆うとともに両者を等電位化した風車翼において、特許文献５及び６に記載された公知の手法を適用してＣＦＲＰの損傷を検出することが考えられる。
ところが、特許文献５に記載された損傷検出方法では、風車翼をハブに接地する接地線を貫通するように設けたロゴウスキーコイルに発生する誘起電流を検出するものであるから、風車翼全体に流れた雷撃電流の総和を特定できるものの、ＣＦＲＰに流れる雷撃電流の大きさは不明である。そのため、ＣＦＲＰとＣＦＲＰ保護導体とが等電位化されて両者が雷撃電流の通過経路となり得る風車翼では、特許文献５に記載された手法を適用してもＣＦＲＰの損傷を正確に評価することができない。
同様に、特許文献６に記載された損傷検出方法においても、風車翼の外皮（シェル）に埋め込まれた環状ワイヤの計測結果および大地に雷撃電流を導くコンダクタに接続された電流センサの検出値からＣＦＲＰの損傷を正確に評価することはできない。よって、ＣＦＲＰで少なくとも一部が構成された風車翼に特許文献６に記載された手法を適用しても、ＣＦＲＰの損傷を正確に検出することは難しい。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、風車翼の少なくとも一部がＣＦＲＰのような導電性複合材で構成され、導電性複合材を覆う複合材保護導体と導電性複合材とが等電位化されていても、導電性複合材の損傷を高精度に検出可能な風車翼の損傷検出方法及び損傷検出システム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】
【００１２】
本発明に係る風車翼の損傷検出方法は、導電性複合材と、該導電性複合材を覆うとともに前記導電性複合材と等電位化された複合材保護導体とを備えた風車翼の損傷検出方法であって、前記風車翼への着雷時に該風車翼の前記導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得するステップと、取得した前記雷撃電流パラメータに基づいて、前記風車翼の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。
【００１３】
この風車翼の損傷検出方法によれば、導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得し、該雷撃電流パラメータに基づいて導電性複合材の損傷を検出するようにしたので、導電性複合材と複合材保護導体が等電位化されているにもかかわらず、導電性複合材に生じる損傷を高精度に検出できる。すなわち、導電性複合材と複合材保護導体との等電位化により両者が雷撃電流の経路になり得る場合であっても、導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを用いることで導電性複合材の損傷を高精度に検出できる。
【００１４】
上記風車翼の損傷検出方法は、前記導電性複合材を有する試験体を用いて、前記試験体の前記導電性複合材に流す試験電流に関する試験電流パラメータと、該試験電流によって前記試験体の前記導電性複合材に生じる損傷の特性データとの相関を予め求めるステップと、取得した前記雷撃電流パラメータを前記相関に当てはめて、前記雷撃電流によって前記風車翼の前記導電性複合材に生じる損傷の特性データを求めるステップとを備え、前記損傷を検出するステップでは、前記損傷の特性データを用いて前記導電性複合材の損傷を検出してもよい。
導電性複合材は電気的異方性および熱的異方性を有するから、雷撃による風車翼の導電性複合材の損傷メカニズムは非常に複雑であり、単純にモデル化することは難しい。そこで、上述のように、導電性複合材を有する試験体を用いて試験電流パラメータと試験体の導電性複合材に生じる損傷の特性データとの相関を予め求めておき、取得した雷撃電流パラメータを前記相関に当てはめることで、風車翼の導電性複合材に生じる損傷の特性データを適切に得ることができる。よって、導電性複合材に生じる損傷をより高精度に検出することができる。
【００１５】
なお、前記相関は、前記試験電流の波形、ピーク値、電荷量、比エネルギーのいずれかである前記試験電流パラメータと、前記試験体の前記導電性複合材の損傷規模、強度低下および温度上昇のいずれかを表す前記損傷の特性データとの関係を示すものであってもよい。
【００１６】
上記風車翼の損傷検出方法において雷撃電流パラメータを取得するには、例えば次のような手法を用いてもよい。
すなわち、前記導電性複合材を流れる雷撃電流を選択的に計測し、該計測値から前記雷撃電流パラメータを取得してもよい。または、前記複合材保護導体を流れる雷撃電流を計測し、該計測値から前記導電性複合材に流れる前記雷撃電流を推定することで前記雷撃電流パラメータを取得してもよい。あるいは、前記導電性複合材および前記複合材保護導体を流れる雷撃電流の総和を計測し、該計測値から前記導電性複合材に流れる前記雷撃電流を推定することで前記雷撃電流パラメータを取得してもよい。
【００１７】
また上記風車翼の損傷検出方法において、前記導電性複合材は前記風車翼の翼長方向に延在しており、複数の翼長方向位置における前記雷撃電流パラメータを取得し、各翼長方向位置における前記雷撃電流パラメータに基づいて、前記風車翼の前記導電性複合材の損傷箇所を特定してもよい。
導電性複合材と複合材保護導体を等電位化した風車翼では、ダウンコンダクタが唯一の電流経路であるＧＦＲＰ翼とは異なり、雷撃電流が通過する経路は必然的に複雑になる。よって、導電性複合材を通過する雷撃電流は翼長方向について一様でない場合があり、一個の雷撃電流パラメータから導電性複合材の損傷箇所を特定することは簡単ではない。
この点、上述のように、風車翼の導電性複合材の各翼長方向位置について取得した複数個の雷撃電流パラメータを用いることで、導電性複合材の損傷箇所を容易に特定できる。
【００１８】
また上記風車翼の損傷検出方法は、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、前記雷撃電流パラメータ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、雷撃電流パラメータだけでなく、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
導電性複合材と複合材保護導体を等電位化した風車翼では、導電性複合材を通過する雷撃電流は翼長方向について一様でない場合があり、一個の雷撃電流パラメータから導電性複合材の損傷箇所を特定することは簡単ではない。
この点、上述のように、導電性複合材に埋め込んだ光ファイバに入射した光の散乱光を用いることで、導電性複合材の損傷箇所を容易に特定できる。
【００２１】
また本発明に係る風車翼の損傷検出システムは、導電性複合材と、該導電性複合材を覆うとともに前記導電性複合材と等電位化された複合材保護導体とを備えた風車翼の損傷検出システムであって、前記風車翼への着雷時に該風車翼の前記導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得する雷撃電流パラメータ取得部と、取得した前記雷撃電流パラメータに基づいて、前記風車翼の前記導電性複合材の損傷の有無を判定する損傷判定部とを備えることを特徴とする。
【００２２】
この風車翼の損傷検出システムによれば、導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを雷撃電流パラメータ取得部によって取得し、該雷撃電流パラメータに基づいて導電性複合材の損傷を検出するようにしたので、導電性複合材と複合材保護導体が等電位化されているにもかかわらず、導電性複合材に生じる損傷を正確に検出できる。すなわち、導電性複合材と複合材保護導体との等電位化により両者が雷撃電流の経路になり得る場合であっても、導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを用いることで導電性複合材の損傷を高精度に検出できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得し、該雷撃電流パラメータに基づいて導電性複合材の損傷を検出するようにしたので、導電性複合材と複合材保護導体が等電位化されているにもかかわらず、導電性複合材に生じる損傷を正確に検出することができる。すなわち、導電性複合材と複合材保護導体との等電位化により両者が雷撃電流の経路になり得る場合であっても、導電性複合材を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを用いることで導電性複合材の損傷を高精度に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る損傷検出システムの適用対象である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実施形態に係る損傷検出システムの構成例を示す図である。
【図４】雷撃電流パラメータを説明するための図である。
【図５】試験電流パラメータと損傷特性データとの相関の例を示すグラフである。
【図６】試験電流パラメータと損傷特性データとの相関の別の例を示すグラフである。
【図７】試験電流パラメータと損傷特性データとの相関のさらに別の例を示すグラフである。
【図８】雷撃電流パラメータの取得手法の別の例を示す図である。
【図９】雷撃電流パラメータの取得手法のさらに別の例を示す図である。
【図１０】第２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１１】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歪み依存性の一例を示すグラフである。
【図１３】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】
【００２５】
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。
【００２６】
［第１実施形態］
はじめに本実施形態の損傷検出システムの適用対象である風車翼の構成例について説明した後、本実施形態の損傷検出システムについて説明する。
【００２７】
図１は、本実施形態の損傷検出システムの適用対象である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。
【００２８】
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。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る風車翼の損傷検出システム２０の構成例を示す図である。同図に示すように、損傷検出システム２０は、雷撃電流パラメータ取得部２２、記憶部２４、損傷特性データ算出部２６および損傷判定部２８で構成されている。
【００３０】
雷撃電流パラメータ取得部２２は、翼長方向の複数箇所について、ＣＦＲＰ（スパーキャップ）１２内の雷撃電流に関する雷撃電流パラメータをセンサ２１Ａ〜２１Ｄから取得する。このように翼長方向の複数箇所において雷撃電流パラメータを取得しておけば、ＣＦＲＰ１２の損傷箇所の特定をすることが可能になる。センサ２１Ａ〜２１Ｄは、ＣＦＲＰ１２の損傷箇所の特定を容易に行えるように、ＣＦＲＰ１２とＣＦＲＰ保護導体１６間で雷撃電流の受け渡しを行う各導体１８を挟むように各導体１８の両側に配置することが好ましい。
なお、センサ２１Ａ〜２１Ｄは、ＣＦＲＰ１２を取り囲む環状のセンサであってもよく、例えばロゴウスキーコイル（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ  Ｃｏｉｌ）や光ファイバ電流計を用いることができる。
【００３１】
図４は雷撃電流パラメータを説明するための図である。雷撃電流パラメータ取得部２２によって取得される雷撃電流パラメータは、例えば、ＣＦＲＰ１２を通過する雷撃電流の電流波形１００、ピーク値１０２、電荷量（電流波形１００で囲まれる面積１０４）、比エネルギーであってもよい。なお、電荷量は雷撃電流の時間積分により算出可能であり、比エネルギーは雷撃電流の二乗の時間積分により算出可能である。
【００３２】
図３に示す記憶部２４には、試験体のＣＦＲＰに流す試験電流に関する試験電流パラメータと、試験電流によって試験体のＣＦＲＰに生じる損傷の特性データとの相関が記憶されている。なお、試験電流パラメータは、例えば、試験体のＣＦＲＰに流す試験電流の電流波形、ピーク値、電荷量、比エネルギーであってもよい。
図５〜７は試験電流パラメータと損傷特性データとの相関の例を示すグラフである。図５に示す例では、試験電流パラメータとＣＦＲＰの損傷規模（損傷面積）との相関を示している。なお、本発明者らの知見によれば電荷量又は比エネルギーがＣＦＲＰの損傷規模と強い相関を有するから、図５の横軸は電荷量又は比エネルギーであることが好ましい。図６に示す例では、試験電流パラメータとＣＦＲＰの温度との相関を示している。なお、本発明者らの知見によれば比エネルギーがＣＦＲＰの温度上昇と強い相関を有するから、図６の横軸は比エネルギーであることが好ましい。図７に示す例では、試験電流パラメータとＣＦＲＰの圧縮強度との相関を示している。なお、本発明者らの知見によれば電荷量又は比エネルギーがＣＦＲＰの圧縮強度と強い相関を示すから、図７の横軸は電荷量又は比エネルギーであることが好ましい。
【００３３】
図３に示す損傷特性データ算出部２６は、風車翼１のＣＦＲＰ１２の雷撃による損傷の特性データを算出する。具体的には、損傷特性データ算出部２６は、雷撃電流パラメータ取得部２２で取得した雷撃電流パラメータ（ＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータ）を、記憶部２４に記憶された試験電流パラメータと試験体のＣＦＲＰの損傷特性データとの上記相関に当てはめて風車翼１のＣＦＲＰ１２の損傷特性データを算出する。
【００３４】
損傷判定部２８は、損傷特性データ算出部２６で算出したＣＦＲＰ１２の損傷特性データを用いてＣＦＲＰ１２の損傷の有無を判定する。例えば、損傷判定部２８は、ＣＦＲＰ１２の損傷特性データを閾値Ｓｔｈ，Ｔｔｈ，Ｃｔｈ（図５〜７参照）を超えたときにＣＦＲＰ１２が損傷したと判断してもよい。なお、温度閾値Ｔｔｈは、ＣＦＲＰ１２の耐熱温度であってもよいし、ＣＦＲＰ１２の耐熱温度からマージンΔＴ（ただし、ΔＴ（℃）は例えば０＜ΔＴ≦５０の関係を満たす。）を差し引いた値であってもよい。
なお、損傷判定部２８によってＣＦＲＰ１２の損傷が生じたと判定された場合、風力発電装置を停止させたり、警告を表示したり、警報を鳴らしたり、メンテナンス員への通知を行ったりしてもよい。
【００３５】
本実施形態によれば、ＣＦＲＰ１２を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得し、該雷撃電流パラメータに基づいてＣＦＲＰ１２の損傷を検出するようにしたので、ＣＦＲＰ１２とＣＦＲＰ保護導体１６が等電位化されているにもかかわらず、ＣＦＲＰ１２に生じる損傷を高精度に検出できる。すなわち、ＣＦＲＰ１２とＣＦＲＰ保護導体１６が導体１８によって電気的に接続されているためにＣＦＲＰ１２及びＣＦＲＰ保護導体１６の両方が雷撃電流の経路になり得る場合であっても、ＣＦＲＰ１２を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを用いることでＣＦＲＰの損傷を高精度に検出できる。
【００３６】
また、ＣＦＲＰ１２は電気的異方性および熱的異方性を有するから、雷撃による風車翼１のＣＦＲＰ１２の損傷メカニズムは非常に複雑であり、単純にモデル化することは難しい。この点、本実施形態のように、ＣＦＲＰを有する試験体を用いて試験電流パラメータと試験体のＣＦＲＰに生じる損傷の特性データとの相関を予め求めておき、雷撃電流パラメータ取得部２２で取得した雷撃電流パラメータを前記相関に当てはめることで、風車翼１のＣＦＲＰ１２に生じる損傷の特性データを適切に得ることができる。よって、ＣＦＲＰ１２に生じる損傷をより高精度に検出できる。
【００３７】
さらに、ＣＦＲＰ１２とＣＦＲＰ保護導体１６を等電位化した風車翼１では、導体１８を介して雷撃電流の一部がＣＦＲＰ１２及びＣＦＲＰ保護導体１６間を行き来し得るから、雷撃電流の経路は必然的に複雑になる。よって、ＣＦＲＰ１２を通過する雷撃電流は翼長方向について一様でない場合があり、一個の雷撃電流パラメータからＣＦＲＰ１２の損傷箇所を特定することは簡単ではない。この点、本実施形態のように、風車翼１のＣＦＲＰ１２の複数の翼長方向位置についてそれぞれ取得した複数個の雷撃電流パラメータを用いることで、ＣＦＲＰ１２の損傷箇所を容易に特定できる。
【００３８】
なお、上述の実施形態では、センサ２１Ａ〜２１Ｄを用いてＣＦＲＰ１２を流れる雷撃電流を選択的に計測し、該計測値から雷撃電流パラメータ取得部２２が雷撃電流パラメータを取得する例を説明したが、雷撃電流パラメータは他の手法で取得してもよい。
【００３９】
図８は雷撃電流パラメータの取得手法の別の例を示す図である。
同図に示すように、ＣＦＲＰ保護導体１６を流れる雷撃電流を計測する複数のセンサ３０Ａ〜３０Ｃが翼長方向に設けられている。各センサ３０Ａ〜３０Ｃは、ＣＦＲＰ保護導体１６を取り囲む環状のセンサであってもよく、例えばロゴウスキーコイルや光ファイバ電流計を用いることができる。
図８において最も左側に位置するセンサ３０Ａは、ベースプレート８に最も近い導体１８−１よりも翼先端側に設けられている。導体１８−１よりも翼先端側では、レセプタ６によって捕捉された全雷撃電流がＣＦＲＰ保護導体１６を流れ、ＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流が存在しないと考えられるため、導体１８−１よりも翼先端側に位置するセンサ３０Ａによって全雷撃電流ｉ０が計測される。全雷撃電流ｉ０が導体１８−１まで到達すると、全雷撃電流ｉ０のうち一部（ｉａ１）は導体１８−１を介してＣＦＲＰ１２に流れ込む。導体１８−１と導体１８−２間においてＣＦＲＰ１２を通過する雷撃電流ｉａ１は、導体１８−１と導体１８−２との間のセンサ３０Ｂによって計測される雷撃電流ｉｂ１を全雷撃電流ｉ０から減算することで推定可能である。また、導体１８−２では、雷撃電流ｉａ１の一部が導体１８−２を介してＣＦＲＰ保護導体１６に還流したり、雷撃電流ｉｂ１の一部が導体１８−２を介してＣＦＲＰ１２に流れ込んだりする。導体１８−２と導体１８−３間においてＣＦＲＰ１２を通過する雷撃電流ｉａ２は、導体１８−２と導体１８−３との間のセンサ３０Ｃによって計測される雷撃電流ｉｂ２を全雷撃電流ｉ０から減算することで推定可能である。
あるいは、ＣＦＲＰ保護導体１８を流れる雷撃電流とＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流との関係を予め実験やシミュレーションで求めておき、この関係にセンサ３０Ａ〜３０Ｃの計測値を当てはめてＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流ｉａ１，ｉａ２，…を推定し、この推定値から雷撃電流パラメータを取得してもよい。
このようにして、ＣＦＲＰ保護導体１８を流れる雷撃電流ｉ０，ｉｂ１，ｉｂ２，…の計測値からＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流ｉａ１，ｉａ２，…を推定することができる。これら雷撃電流ｉａ１，ｉａ２，…の推定値を用いて、雷撃電流パラメータ取得部２２は、ＣＦＲＰ１２を流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータを取得してもよい。
【００４０】
図９は雷撃電流パラメータの取得手法のさらに別の例を示す図である。
同図に示すように、ＣＦＲＰ１２及びＣＦＲＰ保護導体１８に流れる雷撃電流の総和を計測する環状のセンサ３２Ａ〜３２Ｃが風車翼１の周りに複数設けられている。センサ３２Ａ〜３２Ｃは、ＣＦＲＰ１２及びＣＦＲＰ保護導体１８を取り囲む環状のセンサであり、例えばロゴウスキーコイルや光ファイバ電流計を用いることができる。
雷撃電流パラメータ取得部２２は、ＣＦＲＰ１２及びＣＦＲＰ保護導体１８に流れる雷撃電流の総和とＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流との関係を予め実験やシミュレーションで求めておき、この関係にセンサ３２Ａ〜３２Ｃによる計測値を当てはめてＣＦＲＰ１２に流れる雷撃電流を推定し、雷撃電流パラメータを取得してもよい。
なお、図９に示すセンサ３２Ａ〜３２Ｃに替えて、翼根部２におけるＣＦＲＰ保護導体１８の端部が接続されるハブ内のアース線を取り囲む環状のセンサを用いて、ＣＦＲＰ１２及びＣＦＲＰ保護導体１８に流れる雷撃電流の総和を計測してもよい。
【００４１】
［第２実施形態］
次に第２実施形態に係る風車翼の損傷検出システムについて説明する。本実施形態の風車翼の損傷検出システムは、第１実施形態の損傷検出システム２０に、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追加したものである。よって、ここでは、損傷検出システム２０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。
【００４２】
図１０は、本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。同図に示すように、損傷検出システム４０の損傷判定部４２は、損傷特性データ算出部２６で算出したＣＦＲＰ１２の損傷特性データに加えて、ＣＦＲＰ１２に埋め込まれた光ファイバ４４を利用した光ファイバ計測装置４６による計測結果を考慮してＣＦＲＰ１２の損傷の有無を判定する。
【００４３】
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。
なお、図１０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。
【００４４】
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。
【００４５】
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１１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１２参照）と温度に対する依存性（図１３参照）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、損傷検出システム４０の損傷判定部４２に送られて、ＣＦＲＰ１２の損傷の判定に用いられる。例えば、損傷検出システム４０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。
【００４６】
本実施形態によれば、ＣＦＲＰを流れる雷撃電流に関する雷撃電流パラメータだけでなく、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。
【００４７】
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。
【００４８】
例えば、上述の実施形態では、損傷検出システム２０，４０の適用対象がＣＦＲＰ１２を備えた風車翼１である例について説明したが、本発明は導電性の複合材と該複合材を覆うとともに該複合材と等電位化された保護導体とを備えた任意の構成の風車翼に適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
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            スパー
１６            ＣＦＲＰ保護導体
１８            導体
２０            損傷検出システム
２１Ａ〜２１Ｄ  センサ
２２            雷撃電流パラメータ取得部
２４            記憶部
２６            損傷特性データ算出部
２８            損傷判定部
３０Ａ〜３０Ｃ  センサ
３２Ａ〜３２Ｃ  センサ
４０            損傷検出システム
４２            損傷判定部
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】
2013148021.tif 000003
【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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