(57)【要約】【課題】センサと風速の情報取得に格別の同期を必要とせず、簡便、かつ高精度にブレード剛性を求めることが可能な風車ブレード変形計測装置及び風車ブレード変形評価システムを提供する。【解決手段】ＧＰＳにより位置情報を取得し風車装置の回転翼であるブレード近傍の空中で停止するホバリング動作を行い、搭載したセンサによりブレードの変形の情報を取得するとともに、自己位置における風速の情報を得る無人航空機で構成されたことを特徴とするブレード変形計測装置。【選択図】図１
2017090145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳにより位置情報を取得し風車装置の回転翼であるブレード近傍の空中で停止するホバリング動作を行い、搭載したセンサにより前記ブレードの変形の情報を取得するとともに、自己位置における風速の情報を得る無人航空機で構成されたことを特徴とするブレード変形計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載のブレード変形計測装置であって、
前記無人航空機は、独立に制御可能な複数のロータを備えており、前記ブレード近傍の空中で停止するホバリング動作中における前記ロータの制御情報を前記風速の情報とすることを特徴とするブレード変形計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のブレード変形計測装置であって、
前記無人航空機に搭載されたセンサは、前記無人航空機と前記ブレード間の距離を計測する距離計であることを特徴とするブレード変形計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のブレード変形計測装置であって、
前記無人航空機に搭載されたセンサは、前記ブレードの表面に施されたパターニングを含む計測領域を連続的に撮影するカメラであることを特徴とするブレード変形計測装置。
【請求項５】
請求項３に記載のブレード変形計測装置であって、
前記無人航空機に搭載されたセンサは、前記ブレードの高さ方向にスキャンされて、前記ブレードの複数点における前記無人航空機と前記ブレード間の距離を計測することを特徴とするブレード変形計測装置。
【請求項６】
請求項３に記載のブレード変形計測装置であって、
前記無人航空機が、前記ブレードの高さ方向に複数台配列されて前記無人航空機の夫々において前記ブレードの変形の情報を取得するとともに、自己位置における風速の情報を得る無人航空機で構成されたことを特徴とするブレード変形計測装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のブレード変形計測装置から、前記ブレードの変形の情報と、前記無人航空機の位置における風速の情報を得るブレード変形評価システムであって、
前記ブレードの変形の情報と前記風速の情報の相関に応じて前記ブレードの剛性を評価することを特徴とするブレード変形評価システム。
【請求項８】
請求項７に記載のブレード変形評価システムであって、
前記無人航空機に搭載されたセンサは、前記無人航空機と前記ブレード間の距離を計測する距離計であり、前記距離は、前記無人航空機の空間的な位置揺動量が差し引かれていることを特徴とするブレード変形評価システム。
【請求項９】
請求項７に記載のブレード変形評価システムであって、
前記無人航空機に搭載されたセンサは、前記無人航空機と前記ブレード間の距離を計測する距離計であり、前記距離は、前記風車装置のナセルの位置変動量が差し引かれていることを特徴とするブレード変形評価システム。
【請求項１０】
請求項７に記載のブレード変形評価システムであって、
前記無人航空機に搭載されたセンサは、前記ブレードの表面に施されたパターニングを含む計測領域を連続的に撮影するカメラであり、前記ブレード表面のひずみ分布を計測することを特徴とするブレード変形評価システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のブレード変形評価システムであって、
前記カメラは、ステレオカメラであることを特徴とするブレード変形評価システム。
【請求項１２】
前記カメラは、赤外線カメラであることを特徴とするブレード変形評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に用いられる風車装置に係り、特に風車装置の回転翼であるブレードの変形量を評価する風車ブレード変形計測装置及び風車ブレード変形評価システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風車装置とは、風力発電に用いられるエネルギ変換装置である。少なくとも２枚以上のブレードがロータに取り付けられており、ロータは直接あるいはギヤボックスや油圧装置などを介して間接的に発電機に接続されている。ブレードに作用する風力によってロータが回転し、ロータの回転エネルギが発電機によって電力に変換される。また、発電機などを収めた筐体部分をナセルと呼び、ナセルはタワーに取り付けられることが一般的である。このような構成の風車装置はすでによく知られたものである。
【０００３】
風車装置の中で、風力を直接受けるブレードは、比剛性、比強度に優れる繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で構成されることが一般的である。一方で、ＦＲＰは落雷や瞬間的な強風による突発的な自然災害によって損傷を受ける可能性がある。また、恒常的に発生する繰り返し荷重によって疲労損傷が蓄積する可能性もある。
【０００４】
このようなＦＲＰの損傷は、第一段階としてブレードの剛性低下につながる。すなわち、荷重負荷時のブレード変形が増大する。特に、ブレードが風上側を向くアップウィンド型風車では、ＦＲＰの損傷による剛性低下を放置すれば、ブレードとタワーが接触する可能性がある。ブレードが風下側を向くダウンウィンド型風車ではこのような現象は生じにくいが、さらに損傷が進行すると最終的にはブレードの破断に至る可能性があるため、極力早い段階で損傷を検知することが望ましい。
【０００５】
このような背景の下、ブレードの変形計測技術がいくつか報告されている。例えば公知の技術としてＵＳ８１３９３６１Ｂ２（特許文献１）がある。特許文献１には、風車装置のタワーおよびナセルに取り付けられた距離センサにより、ブレードの変形を計測することが記載されている。この方法は、ブレードにセンサ類を搭載する必要がないため、施工性は良好であり、さらにセンサ自身が壊れる可能性も小さい。
【０００６】
また、異なる方式として特開２０１１−１２７６０５号公報（特許文献２）がある。特許文献２には、ブレード先端に取り付けた無線送信機によってブレードの変形を検出する発明が記載されている。またブレードに光ファイバセンサやひずみゲージを取り付けて、ブレードのひずみを直接計測する方法も知られている。
【０００７】
特許文献１、特許文献２に記載の方法によれば、比較的高精度にブレードの変形挙動を計測できるというメリットがあるものの、個々の風車装置に必要な数量のセンサを取り付ける必要がある。またブレードの変形量は外力、すなわち風荷重の大きさに依存する。
【０００８】
したがって、ブレードの絶対的な剛性を評価するためには、変形量と同時に風荷重の大きさも計測しなければならない。一般的な風車装置には、ナセル部分に少なくとも一つの風速計が取り付けられているため、この風速計によって計測された風速値から風荷重を推定することも可能であると考えられる。
【０００９】
ししながら前述の課題を解決するために、風車装置とセンサを別体とした場合には、風車に搭載された風速計で計測された風速データと、変形挙動データの同期を別途行う必要がある。また、大型の風車装置では、ブレード長が５０ｍを越える場合もあり、ナセル部で計測された風速と、ブレード周辺の風速が必ずしも一致するとは限らない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＵＳ８３１９３６１Ｂ２
【特許文献２】特開２０１１−１２７６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
背景技術の欄で説明した通り、いくつかの方式のブレード変形計測手段が公知である。しかし、風車にセンサを搭載する方式では、計測対象となる風車の全てにセンサを搭載する必要がある。常時の計測が必要な場合にはこの方式が望ましいが、例えば１ヵ月間隔程度の定期的な計測で十分である場合には、余分なコストが必要となる。
【００１２】
また、風車装置周辺の風速を計測する手段としては、風車装置のナセルに搭載された風速計がある。しかしながら、センサを移動式とした場合には、別途風速データと変形データの同期を図る必要があり、さらに大型風車を想定した場合には、各ブレードあるいは１枚のブレードの位置によっても負荷される風速は異なることが考えられるため、ブレードに負荷される風荷重分布を考慮した評価を実施する上では本構成は不十分である。
【００１３】
以上のことから本発明においては、センサと風速の情報取得に格別の同期を必要とせず、簡便、かつ高精度にブレード剛性を求めることが可能な風車ブレード変形計測装置及び風車ブレード変形評価システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「ＧＰＳにより位置情報を取得し風車装置の回転翼であるブレード近傍の空中で停止するホバリング動作を行い、搭載したセンサによりブレードの変形の情報を取得するとともに、自己位置における風速の情報を得る無人航空機で構成されたことを特徴とするブレード変形計測装置。」である。
【００１５】
また「ブレードの変形の情報と、無人航空機の位置における風速の情報を得るブレード変形評価システムであって、ブレードの変形の情報と風速の情報の相関に応じてブレードの剛性を評価することを特徴とするブレード変形評価システム。」である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、センサと風速の情報取得に格別の同期を必要とせず、簡便、かつ高精度にブレード剛性を求めることが可能な風車ブレード変形計測装置及び風車ブレード変形評価システムを提供することができる。
【００１７】
本発明の実施例によれば、無人航空機に搭載られた変形計測手段によってブレードの変形量を取得し、さらに同時にされた風速計測手段によって近傍の風速を取得する。この構成を採用したことにより、変形計測手段として用いるセンサは無人航空機によって移動が可能となるため全ての風車装置に搭載する必要はなく、さらに空間的に任意の位置で風速を計測できるため、ブレードに負荷される風速の分布をより詳細に考慮した上でブレードの損傷度を評価することができる。また、全ての計測を無人航空機に搭載されたセンサで完結させることができるため、各データの同期が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係る風車ブレード変形計測装置のハードウェア構成を示す図。
【図２】本発明の実施例１に係る風車ブレード変形評価システムにおける信号処理の説明図。
【図３】実施例１を運転中の風車装置に適用した際の計測データの模式図。
【図４】実施例１の一連の処理の全体手順を示したフロー図。
【図５】ブレード高さ方向における変形量を示す図。
【図６】本発明の実施例２に係る風車ブレード変形計測装置のハードウェア構成を示す図。
【図７】実施例２の一連の処理の全体手順を示したフロー図。
【図８】本発明の実施例３に係る風車ブレード変形計測装置のハードウェア構成を示す図。
【図９】実施例３の一連の処理の全体手順を示したフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２０】
実施例１の説明のために図１から図５を使用する。図１は本発明の実施例１に係る風車ブレード変形計測装置のハードウェア構成図、図２は本発明の実施例１に係る風車ブレード変形評価システムにおける信号処理の説明図、図３は実施例１を運転中の風車装置に適用した際の計測データの模式図、図４は、実施例１の一連の処理の全体手順を示したフロー図、図５はブレード高さ方向における変形量を示す図を表している。
【００２１】
図１に示す実施例１の風車ブレード変形計測装置では、無人航空機５を利用する。無人航空機５は、風車装置１のブレード２に接近して、無人航空機５とブレード２の間の距離を計測する。なお、風車装置１は、タワー３、ナセル４、ブレード２を主たる構成要素としており、典型的な例ではブレード２の径は数メートルから数十メートルであり、無人航空機５は数メートルの位置まで接近するのがよい。
【００２２】
なお無人航空機５は、一般には独立に制御可能な複数のロータを備えており、各ロータの調整により、任意の方向への移動が可能であり、また空中の所定位置に連続して停止するいわゆるホバリングを行うことが可能である。
【００２３】
実施例１の無人航空機５には、無人航空機５自身の位置とブレード間の距離８を計測するための距離計６が搭載されている。この距離計６はレーザ距離計を用いれば最も簡便に目的を達成しうるが、この構成ではブレード２上の１点と無人航空機５の間の相対距離を計測することしかできない。ブレード２上の複数の位置との距離計測が必要な場合には、レーザ距離計に高さ方向に対するスキャナ機構を搭載してもよい。あるいは、ステレオカメラを搭載して空間的な距離分布を計測する構成としてもよい。ただし、無人航空機５に搭載できるペイロードには制限があるため、搭載する距離計測手段は慎重に選ぶ必要がある。
【００２４】
また無人航空機５は、無人航空機５自身が置かれている位置における風速および風向を計測可能な手段を搭載している。この構成によって、計測対象となるブレード２が曝されている風荷重をより正確に計測することが可能となる。図１において７が風速分布を示している。
【００２５】
なお風速および風向の情報を得るには、格別の装置を新たに搭載するということではなく、無人航空機５自身が備えている機能を利用するのがよい。無人航空機５には、ＧＰＳ等の測位システムの情報を参照して、自身の位置を定位置にとどめるためのホバリング機能が備えられている。無風環境であれば、空間的に定位置でホバリングさせるためには、時間的に各ロータ翼の回転速度を変化させる必要はない。しかし、現実的には風速・風向は時空間的に常に変動するため、ホバリングを実現するためには風況に応じて各ロータ翼の回転速度を変化させる必要がある。換言すれば、各ロータ翼の回転速度の制御量から逆算すれば、無人航空機５の置かれる位置での風速・風向の時間的な変化を取得することが可能である。
【００２６】
この逆算処理は、無人航空機５の内部でリアルタイムに実施してもよいが、ロータの回転速度制御量として無人航空機５内部に記録しておき、計測が終了してから後述する風車ブレード変形評価システム１００を構成する外部の計算機１０１で計算を実施する構成としても問題ない。このようなロータ回転速度制御量からの風速・風向の推定が、無人航空機５に記録できるデータ容量の制限などにより困難である場合には、無人航空機５に別体の風速計を搭載してもよい。
【００２７】
上述した距離計６と風速計測手段を備えた無人航空機５を、ブレード２に極力接近させた状態でホバリングさせながら、ブレード２との距離計測を行う。計測は計測対象一ヶ所ごとに一定時間連続しておこない、計測された風速データと距離データは時刻歴データとして記録していく。前述したとおり、風速データについては、無人航空機５のロータ翼回転速度制御量からの逆算により風速を取得する場合には、ロータ翼の制御量としての記録であってもよい。
【００２８】
距離データについては、無人航空機５がホバリング制御中であったとしても、風速の大きさやその時間変動の大きさによっては、ホバリング制御が追い付かなくなり、無人航空機５の空間的な位置が変動し、距離データの計測に影響を及ぼす可能性もある。したがって、ブレード２との距離データと同時に、無人航空機５の空間的な位置データも同時に記録することが望ましい。この無人航空機５のホバリング位置からの変動量を、距離計によって計測されたブレードと無人航空機５間の距離８から差し引くことによって、風速によって変動したブレードの変形量のみに相当する距離変化を抽出することが可能になる。
【００２９】
また、例えば浮体型の洋上風力装置のように、ブレードの変形量に対して、風速や波高の変動に因るタワー３の変形量や傾斜角の変化が十分に小さいと見なせない場合、ブレード３上の計測対象点の空間的な位置変化には、ブレード自身の変形だけでなく、タワーの変形や傾斜が重畳する可能性がある。
【００３０】
このときは、例えば無人航空機５とナセル４間の位置関係を計測する手段を別に搭載し、ナセル４の空間的な位置が基準となるようにブレード２と無人航空機５間の距離８に対して補正を行ってもよい。このとき、主に問題となるのはタワー３の変形や傾斜によるナセル４の水平方向の位置の変化であり、具体的にはブレードと無人航空機５間の距離８の変化量から、ナセル４の水平方向の位置の変化量を差し引いて補正を行えば、ブレード２の付け根であるナセル４の位置を基準として評価が可能である。
【００３１】
しかし、例えばレーザ距離計のような距離計測手段を無人航空機５に搭載しても、図１に記載するようなブレード２、無人航空機５、ナセル４の位置関係では、ナセル４の水平方向の位置変化を計測することは難しい。そこで、例えば無人航空機５にカメラを搭載してナセル４の画像認識処理を行い、ナセル４の空間位置変化の計測を行うことが望ましい。もし、ナセル４上になんらかの画像認識用のマーキングを行うことが可能であれば、より高精度にナセル４の位置変化を抽出することが可能になる。また、風車装置に搭載されたタワー傾斜計やナセル上のＧＰＳ装置によって計測されたデータとの同期を行うことができれば、これらのデータを基にしてナセル４位置の補正を行ってもよい。但し、この場合は、風車装置に搭載されたデータ計測系へ接続が必要となるため、ブレード変形計測システムとしての汎用性は低下する可能性がある。
【００３２】
図１において１００は、計算機１０１とモニタ１０２と入力手段１０３等で構成された風車ブレード変形評価システム１００であって、無人航空機５によりもたらされた風速の時刻歴データ９と距離の時刻歴データ１０を入力している。なお他の入力としては、上記した無人航空機５とナセル４間の位置計測情報を含んでいてもよい。
【００３３】
風車ブレード変形評価システム１００内の計算機１０１では、上記のようにして計測された風速の時刻歴データ９と、距離の時刻歴データ１０を同期させて処理し、必要に応じて補正を行い、その結果としての相関関係の評価を行い、適宜モニタ１０２に表示する。
【００３４】
図２は、風車ブレード変形評価システム１００における信号処理の説明をするための図である。例えば無人航空機５によりもたらされた風速の時刻歴データ９と距離の時刻歴データ１０は、個々にはグラフＧ１に示すような時間変化をしている。なおこの場合の距離の時刻歴データ１０は、ブレード２の所定点と無人航空機５の間の距離についての時刻歴データ１０であり、風速の時刻歴データ９はこのときに無人航空機５がホバリングしている当該位置における風速の時刻歴データ９である。計算機１０１では、風速の時刻歴データ９と距離の時刻歴データ１０について、時刻ｔを特定してその時刻における値を保持している。そのうえで、グラフＧ２に示すように、風速９を縦軸、距離１０を横軸にとった座標平面を考え、各時刻ｔにおける風速９と距離１０のデータを複数点プロットしていく。複数点について、回帰直線１１、傾き１２を求めるものとする。
【００３５】
このとき、風速９はブレード２に作用する風荷重に比例し、距離１０はブレードの変形量に比例するため、風速と距離の比例関係を表す傾き１２はブレード２の剛性を表す。傾き１２は、例えば最小２乗法によって風速と距離の関係を記述する回帰直線１１を求め、その傾きを採用する方式としてもよい。
【００３６】
なおこの場合の距離は、ブレード２の所定点と無人航空機５の間の絶対距離であってもよく、また図６を用いて後述するように無風時の位置から計測時の位置を差し引いたたわみ量を採用してもよい。計測した距離はたわみ量を含む距離であることによる。
【００３７】
前述したとおり、ブレード２の剛性はその損傷度に依存して変化するため、実施例１のハードウェア構成と信号処理によれば、物理法則に則ってブレードの剛性を評価することが可能である。また前述したようにブレード２の剛性は、その損傷度によって変化するため、本システムを用いた計測を定期的に実施してブレード剛性の変化を定期的にチェックすることにより、ブレードの損傷度を評価することができる。また、損傷度評価への適用のみにとどまらず、ブレードの風車装置への取り付け直後に本システムによって剛性計測を行い、設計値と比較することにより、風車装置の完成検査にも応用することができる。
【００３８】
なお、より高精度な剛性評価を行うためには、ブレード２の回転は停止させた状態で計測されたデータを用いることが望ましい。ただし、ブレード２が回転している状態であっても計測にあたって十分な安全性が確保でき、かつ計測精度も保つことができる場合には回転状態で計測を行ってもよい。この場合、図２中に示した距離の時刻歴データ１０は、ブレード２が無人航空機５に搭載された距離計６の計測方向前方を通過したときのみに取得できるため、データとしては断続的な時刻歴データとなるため、剛性評価に必要なデータを収集する時間は増加する可能性がある。
【００３９】
一方で、無人航空機５を定位置にホバリングさせた状態でも、ブレード２が回転しているため、風車装置に搭載された全てのブレードを同時に評価することが可能である。このとき、距離８の時刻歴データ１０は、ブレードが３本搭載された風車装置の場合には、図３に示すがごとく。ブレードＡ→ブレードＢ→ブレードＣ→ブレードＡといった順次繰り返しの計測データとなる。ブレードが通過していないタイミングでは、ブレード２と無人航空機５間の距離８は無限大となるため、通過時と非通過時のデータを区別することは容易であり、この時刻歴データをそれぞれのブレードについてのデータとして分解し、個々のブレードについて剛性を評価することも同時に容易である。
【００４０】
なお、上記ではブレード２上の１か所のみを計測対象としていることを前提としているが、無人航空機５の位置をブレード２の長手方向に沿って移動させて複数点で計測を行えば、各々のブレードについて剛性分布を算出することが可能である。これを定期的に繰り返してブレードの剛性分布変化をモニタし、例えば計測点のうちある点よりブレード先端側の点で剛性が低下している状態が検出された場合には、その計測点近傍でなんらかの損傷が発生したと判断することができ、補修必要個所を早期に発見することが可能となる。
【００４１】
次に、実施例１の場合における風車ブレード変形計測装置および風車ブレード変形評価システムによる一連の処理の全体手順を説明する。図４は、実施例１の一連の処理の全体手順を示したフロー図である。ここでは、風車ブレード変形計測装置である無人航空機５における機能と手順、風車ブレード変形評価システムである計算機１０１における機能と手順が区別されて記載されている。
【００４２】
この表記によれば、風車ブレード変形計測装置である無人航空機５による距離と風速の情報を得る具体手順が明記されている。まず距離の情報を得ることに関して、レーザ変位計（ブロックＢ５１）を備えて、ブロックＢ５２の処理としてブレード上の任意点と無人航空機５間の距離を求める。他方において、ブロックＢ５３に示すように、無人航空機５の空間上の絶対位置を、ＧＰＳなどを用いて求めておく。風車ブレード変形評価システム１００内では、ブレード上の任意点と無人航空機５間の距離と、無人航空機５の絶対位置とから、無人航空機５の揺動量を補正している。静止状態であれば問題はないが、風の影響で無人航空機５が一定位置に定まることができずに、揺動を繰り返しているのであれば、計測したブレード上の任意点と無人航空機５間の距離に揺動を考慮して、距離とすることになる。
【００４３】
風速の情報を得ることに関して、図４には２種類の手法が記載されている。その一つはブロックＢ５４に示した無人航空機５の制御情報に着目したものであり、風車ブレード変形評価システム１００内で、ブロックＢ６３のように無人航空機５の制御量から風速を逆算する。風速の情報を得る他の手法は、風速計を設置（ブロックＢ５５）して、風速を入手（ブロックＢ５６）することである。
【００４４】
風車ブレード変形評価システム１００内のブロックＢ６２では、揺動量を補正した距離の情報からブレードの各点におけるたわみ量を求めている。たわみ量は図５に示された概念であり、例えばブレード２の根元位置を基準として、本来あるべき（製造直後あるいは据え付け直後）ブレード２の形状、そり１３に対して、測定し補正したブレード２の形状、そりが１４のようなものであれば、差分１５がたわみということが言える。なお１３は、シミュレーションによる変形量分布であり、１４は計測による変形量分布ということができる。なお先に説明したように図２の関係を求めるうえで、絶対距離を用いるか、たわみ量とするのかはいずれであってもよい。
【００４５】
風車ブレード変形評価システム１００内のブロックＢ６４では、風速が求められている。ブレード高さ方向における変形量を示す図５において、風速分布は７として例示されており、ブレード２の高さ方向位置に沿って計測された値を示しているが、実施例１の場合には特定高さ位置における風速が利用される。
【００４６】
風車ブレード変形評価システム１００内のブロックＢ６５では、図２のグラフＧ２に示した求めた風速とたわみ量の関係からブレードの剛性を算出し、ブロックＢ６６では、ブレード剛性を評価する。この評価は、設計時の剛性の数値を基準値とする比較であり、さらに経時変化量を加味した基準値との比較である。
【実施例２】
【００４７】
実施例２について、図６、図７を用いて説明する。図６は本発明の実施例２に係る風車ブレード変形計測装置のハードウェア構成図、図７は実施例２の一連の処理の全体手順を示したフロー図を表している。
【００４８】
実施例１においては、単独の無人航空機５を用いてブレード２の所定点における風速およびブレード変形量の評価を行っていた。また実施例１の応用により、前述したように無人航空機５の位置を図１中においてブレード２の長手方向に沿って計測を繰り返せば、ブレード２の剛性分布を取得することが可能である。しかし、ブレード２上の任意の点の変形量は、点に負荷される風荷重によってのみ決定されるものではなく、厳密にはブレードの長手方向の詳細な風速分布７を考慮しなければならない。
【００４９】
この点を鑑み、より高精度なブレード剛性評価を行うためには、図６の実施例２に示すがごとく、複数機の無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄをブレード２の長手方向、すなわちブレード回転面の径方向にホバリングさせ、同時に距離計測と風速計測を実施する構成とすることが有効である。
【００５０】
この場合、距離計測は同時に複数点で実施するため、それぞれの無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄのホバリング位置を変更しながらの計測を行う必要はない。また、風速計測はブレード２の長手方向に渡る複数点で同時に実施され、全ての計測点における風速値を反映した風荷重値を考慮することができる。複数機の無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄを同時に用いる必要が生じるため、計測系としてはより複雑となり、各々の無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄの飛行経路が干渉しないように設定を行う必要があるものの、５０ｍを超えるようなブレードを想定した場合には、１ヶ所で計測された風速を代表値として評価を実施するには限界があるため、実施例２の構成は特に大型の風車装置においては有効な構成である。
【００５１】
実施例１の構成では、無人航空機５の位置における風速のみで風荷重が決定されるという仮定に基づいているため、そのまま風速を風荷重として読み替えてブレードの剛性を求めても差し支えはない。
【００５２】
しかし、実施例２における風荷重は各無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄによって計測された風速分布によって決定されるため、これを十分に活用した評価を行うためには、まずは計測された風荷重分布を外力としたブレードの変形シミュレーションを行い、図５に示すがごとくシミュレーションによる変形量分布１３と、計測された変形量分布１４の比較を行うことが有効である。シミュレーション値と計測値の差分を評価指標とすれば、風荷重分布を考慮しながら、ブレードのいずれの場所で損傷が生じているかをより高精度に検出することが可能となる。
【００５３】
実施例２の場合における風車ブレード変形計測装置および風車ブレード変形評価システムによる一連の処理の全体手順を説明する。図７は、実施例２の一連の処理の全体手順を示したフロー図である。実施例１では、１台の無人航空機５がブレード２の高さ方向の所定点における計測、あるいは高さ方向の複数点で順次計測することを前提としていたが、実施例２では、複数の無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄがブレード２の高さ方向に同時期に配列されて計測を行った結果からの解析である。
【００５４】
このため、実施例２の処理フローは、基本的に図４のそれと同じものであるが、複数の無人航空機５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄが計測した結果を用いている点、これらの結果をブレードの高さ方向の情報として配列した点でのみ相違している。
【実施例３】
【００５５】
実施例３について、図８、図９を用いて説明する。図８は本発明の実施例３に係る風車ブレード変形計測装置のハードウェア構成図、図９は実施例３の一連の処理の全体手順を示したフロー図を表している。実施例３では、ステレオカメラを用いた点において他の実施例と相違している。
【００５６】
実施例１および実施例２では、無人航空機５とブレード間の距離計測に基づいてブレードの変形を評価した。この場合、無人航空機５に搭載すべき計測手段はレーザ距離計などの比較的小型のもので対応可能であり、搭載質量を低減できることが可能であるため、より長時間の連続計測が可能となる。
【００５７】
しかし、無人航空機５の動力源に余裕がある場合、あるいは電動駆動の無人航空機５で有線電力供給が可能な場合には、より大型のセンサを搭載できる。レーザ距離計では、距離を計測するにすぎず、直接的にブレードの変形量を図ることはできず、実施例１、実施例２で述べたように無人航空機５の自己位置やタワー変形の補正が必要となる。これに対し、直接ブレード表面の変形量分布や、変形によって変化する物理量分布を計測可能な装置を無人航空機５に搭載することが可能であれば、少なくともブレード表面近傍で生じた損傷などを計測値の補正を行わずに実施することが可能になる。
【００５８】
実施例３では例えば一例として、ステレオカメラと画像相関法を組み合わせたひずみ可視化装置の搭載が挙げられる。図８に示すように、ブレード２の表面には予め画像相関法でひずみを検出するためのパターニング１６を施した計測領域を設定しておき、ステレオカメラ１５を搭載した無人航空機５で実施例１記載と同様の方法で風速計測を行いながら、ステレオカメラによるひずみ分布計測を実施する。
【００５９】
この方法によれば、ブレード２の変形状態はひずみ分布という絶対量で計測されるため、無人航空機５の位置ずれ補正などは不要となる。このひずみ量と風速計測によって得られた風荷重の関係から、ブレード表面近傍におけるブレード構成部材の弾性係数分布を得ることが可能となる。
【００６０】
ブレード構成部材が損傷すれば、弾性係数は低下するため、実施例１に記載した内容と同様の概念で損傷度を評価することが可能となる。ステレオカメラ以外にも、変形分布を可視化する方法として、熱弾性効果による温度変化を赤外線カメラによって捉える方法や、ブレードに応力発光塗料を塗布しておき、輝度分布を可視化する方法などが考えられるが、本発明ではいずれの手法を採用してもよい。
【００６１】
実施例３の場合における風車ブレード変形計測装置および風車ブレード変形評価システムによる一連の処理の全体手順を説明する。図９は、実施例３の一連の処理の全体手順を示したフロー図である。
【００６２】
他の実施例１、２では、ブレード２のたわみに着目しているが、実施例３ではゆがみに着目したために、風速側の処理に変更はない。ブロックＢ７１では、無人航空機５にステレオカメラ１５を搭載（ブロックＢ７１）し、ブロックＢ７２においてブレード２の表面のパターニング１６を施した計測領域について、時刻歴連続画像を入手する。
【００６３】
風車ブレード変形評価システム１００内のブロックＢ７３では、求めた時刻歴連続画像に相関法を実行してひずみ分布を計算する。これは同一場所についての入手時刻が相違する２つの画像の差分を求めることでひずみとしたものである。ブロックＢ７４では、ブレード任意位置に置けるひずみの分布を算出する。ブロックＢ７５では、求めた風速とひずみ分布の関係からブレードの剛性を算出している。
【００６４】
なお上記した本発明の説明において、上位概念としての「変形」は、「ひずみ」と「たわみ」を含む概念であるが、「ひずみ」と「たわみ」は区別して使用されることがある。「たわみ」とは、ブレードが風力で反り返ることを意味し、「ひずみ」とはブレードの面上のゆがみを意味するものとして限定的に使用されることがある。区別する必要がないときには、単に変形としている。
【００６５】
本発明においては、無人飛行機によりブレードの変形を示す情報と、風速の情報を入手し、これらからブレード剛性を求めたものである。この場合に、ブレードの変形を示す情報とは、無人飛行機に搭載したセンサである距離計が計測した無人飛行機とブレード間の距離であり、さらにはブレードのたわみ量である。またブレードの変形を示す情報とは、無人飛行機に搭載したセンサであるカメラがブレード表面を時系列的に撮影した画像であり、画像の差分情報として得られたひずみである。
【符号の説明】
【００６６】
１：風車装置
２：ブレード
３：タワー
４：ナセル
５：無人航空機
６：距離計
７：風速分布
８：ブレードと無人航空機間の距離
９：風速の時刻歴データ
１０：ブレードと無人航空機間の距離の時刻歴データ
１１：回帰直線
１２：傾き
１３：シミュレーションによる変形量分布
１４：計測による変形量分布
１５：ステレオカメラ
１６：パターニング
【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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