TWI606353B - Remaining life or fatigue of calculation systems, wind power systems, or windmills Calculation method of damage amount - Google Patents

Description

演算系統、風力發電系統、或風車的剩餘壽命或疲勞 損傷量的算出方法

本發明係有關演算系統、風力發電系統、或風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法。

為了風車的穩定的運轉，在風車係主要實施3種類的計測。該3種類的計測分別稱作控制計測(SCADA,Supervisory Control And Data Acquisition)、狀態監視(CMS,Condition Monitoring System)及構造物監視(SHM,Structural Health Monitoring)。在控制計測(SCADA)，係以掌握風車的環境條件、運轉狀態等而適當控制風車為目的，而計測風速、風向、發電量、發電機的轉數、溫度等各種的物理量。在狀態監視(CMS)，係以針對風車的故障的預兆進行檢測，而將故障所致的受害抑制成最小限度為目的而進行計測。另外在構造物監視(SHM)，係以評價風車的葉片等的健全性為目的，而計測構造物的形變。

在專利文獻1，係基於如風向、風速或從此轉 換而獲得、或等價置換的有關運轉環境的參數而求出累積應力。

此外，在專利文獻2，係針對加於葉片的應力或形變進行測定，從此等累積資料推測葉片的壽命。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

[專利文獻1]特開2010-79685號公報

[專利文獻2]特開2004-301030號公報

如上所述，在專利文獻1，係基於如風向、風速或從此轉換而獲得、或等價置換的有關運轉環境的參數而求出累積應力。然而，有關運轉環境的參數係一般而言資料的取樣頻率低的情形多等，而欲基於該資料推定剩餘壽命等時難以充分達成高精度化。另一方面，如記載於專利文獻2，亦已揭露針對施加於葉片的應力或形變進行測定，從此等累積資料推測葉片的壽命的技術。所謂形變的資料係資料的取樣頻率比有關運轉環境的參數高等，而適於高精度的剩餘壽命等的推定。然而，在既有風車未必取得形變等之資訊的情形亦多。優選上係在相關的情況下亦可從運轉資訊‧環境資訊如同形變資訊而高精度地推定剩餘壽命等。

在本發明，係目的在於提供可從運轉資訊‧環境資訊而高精度地推定剩餘壽命等的演算系統、風力發電系統、或風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法。

為了解決上述問題，採用例如記載於申請專利範圍之構成。本案係含有複數個解決上述課題之手段，惟舉其一例時，一種演算系統，求出受風而旋轉的風車的剩餘壽命或疲勞損傷量，並具備求出前述風車的運轉資訊或環境資訊與前述風車所包含的既定構材的剩餘壽命或疲勞損傷量的關係的運算裝置，且在求出前述關係時，使用前述風車的形變資訊。

此外，一種風力發電系統，具備上述演算系統及上述風車。

再者，一種受風而發電的風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法，具有利用前述風車的形變資訊，而求出前述風車的運轉資訊或環境資訊與前述風車所包含的既定構材的剩餘壽命或疲勞損傷量的關係的程序。

依本發明時，變得可提供可從運轉資訊‧環境資訊高而精度地推定剩餘壽命等的演算系統、風力發電系統、或風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法。上述以外的課題、構成及效果，係由以下的實施形態之說明而 更加清楚。

1‧‧‧塔台

2‧‧‧葉片

3‧‧‧機艙

4‧‧‧輪轂

5‧‧‧發電機

6‧‧‧增速機

7‧‧‧主軸

8‧‧‧傳動系統

11‧‧‧形變資訊監控裝置

12‧‧‧形變計測用感測器模組

13‧‧‧形變計測用資料記錄器

14‧‧‧剩餘壽命推定裝置

15‧‧‧風車構造資料

20‧‧‧環境‧運轉資料與剩餘壽命的關係解析部

21‧‧‧計測值與未計測值的關係解析部

22‧‧‧基於環境‧運轉資料的剩餘壽命演算部

23‧‧‧基於形變資訊的剩餘壽命演算部

24‧‧‧顯示裝置

30‧‧‧形變資訊監控期間

31‧‧‧環境‧運轉資料監控期間

40‧‧‧集中荷重

41‧‧‧塔台的彎矩分布

42‧‧‧塔台剖面

50‧‧‧分布荷重

51‧‧‧葉片的彎矩分布

52‧‧‧葉片剖面(根部)

53‧‧‧葉片剖面(從根部分離的位置)

54‧‧‧翼樑蓋

100‧‧‧風力發電裝置

[圖1]針對本發明的實施形態共同的風力發電裝置的構造物整體進行繪示的透視圖。

[圖2]針對本發明的實施形態共同的風力發電裝置的機艙內的構造物進行繪示的示意圖。

[圖3]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中尤其剩餘壽命推定所需之裝置、資料庫、其等之關係等進行繪示的方塊圖。

[圖4]將依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中裝置的功能展開而繪示的方塊圖。

[圖5]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中解析塔台的計測值與未計測值的關係的方法的一例進行了繪示的圖。

[圖6]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中解析塔台的計測值與未計測值的關係的方法的不同例進行了繪示的圖。

[圖7]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中解析葉片的計測值與未計測值的關係的方法的一例進行了繪示的圖。

[圖8]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中剩餘壽命的推定結果的顯示例作了繪示的 圖。

[圖9]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中剩餘壽命的推定結果的不同的顯示例作了繪示的圖。

[圖10]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中以表格形式顯示了累積疲勞損傷的推定結果之例進行了繪示的圖。

[圖11]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中以表格形式顯示了剩餘壽命的推定結果之例進行了繪示的圖。

[圖12]針對依實施形態的剩餘壽命推定方法及裝置的第1構造例之中使用於剩餘壽命推定的資料的監控期間進行了繪示的圖。

以下，利用圖式說明本發明的實施形態。

首先，利用圖1及圖2，而說明本發明的實施形態下的風力發電裝置的構造物。示於圖1及圖2的風力發電裝置100，係以受風的3個葉片2、機艙3、供於將葉片2安裝於機艙3用的輪轂4、支撐機艙3的塔台1等之主要的構造物而構成。在機艙3的內部，係配置有連結成與輪轂4一體而旋轉的主軸7、連結於主軸7的增速機6、藉增速機6的軸輸出而驅動的發電機5。主軸7與增速機6係擔當將葉片2所生出的動力、旋轉能等傳達至發 電機(省略圖示)等的角色，故有時稱作傳動系統8或動力傳動系統。

在風車所含的構材的具代表性者方面，存在塔台、葉片及動力傳動系統等之構造物。要高精度地評價如此的構造物的剩餘壽命，係以構造物監視(SHM)針對構造物的形變以適切的取樣頻率而計測的手段最有效。在剩餘壽命的評價對象部位安裝形變感測器，以構造物監視針對因風、波等而產生於風車的構造物的形變波形進行計測，從所計測的形變波形算出應力波形而求出剩餘壽命的方法，係可比從其他物理量算出的方法直接地算出剩餘壽命。尤其，運轉開始時期舊的既有風車，係不具備構造物監視用的計測系統的情形多。

另一方面，控制計測(SCADA)係應用於商用上使用的幾乎全部的風車。如前所述，在控制計測，係以掌握風車的環境條件、運轉狀態等而適當控制風車為目的，而計測風速、風向、發電量、發電機的轉數、溫度等各種的物理量。為了如此之目的，控制計測的取樣頻率係1Hz程度，從計測值算出10分鐘的最大值、最小值、平均值及標準差等之統計值而保存於資料記錄裝置的情形多。風速、風向等係一般而言在控制計測方面所計測的項目，故一般而言風速、風向等係取樣頻率1Hz程度的資料。要預測風車的構造物的剩餘壽命，係在構造物監視所採用的20~100Hz程度的取樣頻率為優選，要從作為控制計測的項目的物理量而高精度地推定剩餘壽命係困難的。

依在本實施例說明的內容時，將以比較低的取樣頻率所計測的風車的環境資料、運轉資料等、及以比較高的取樣頻率所計測的形變資訊融合而活用，使得即使為本來僅具有低取樣頻率的計測系統的風車，仍變得能以高精度推定剩餘壽命。發明人係著眼於：作為高取樣頻率的資訊的以形變資訊為代表的資訊係比環境資料、運轉資料等適於高精度的剩餘壽命等的推定。就高精度化的意義而言，以有關運轉環境的參數、比其高取樣頻率的資訊而區分進行考量，係雖非全部，惟為一個的有效的思考方式。有關環境資料與運轉資料，係如在以下的詳細說明亦一併使用般，可將雙方合併使用，亦可另一方係不利用而利用一方的資料。於本來不具有構造物監視的計測系統的風車方面，亦可利用以在某期間實施構造物監視等而取得的風車的形變資訊，而決定相對於以控制計測所得的風車的環境資料、運轉資料的剩餘壽命的關係。決定後，係可僅從環境資料或運轉資料而推定剩餘壽命。換言之，決定相對於環境資料、運轉資料的剩餘壽命的關係後，係變成即使不計測形變資訊仍能以與計測形變資訊的情況同樣的制度推定剩餘壽命。此係亦牽連將形變資訊的計測從每次剩餘壽命推定所需要的工夫解放。利用此關係，使得即使為僅具有低取樣頻率的計測系統的風車，仍變得能以高精度推定剩餘壽命。環境資料或運轉資料的取得，係可從計測直接取得，另外亦可從其他計測值算出從而取得。另外，除形變資訊以外，利用應力雖亦可決定相對於環境資 料、運轉資料的剩餘壽命的關係，惟應力本身係可從形變資訊而轉換者，另外從形變資訊而算出的情形亦多，可謂使用了形變資訊。

另外，環境資料、運轉資料，係亦可藉例如控制計測(SCADA)以比較低的取樣頻率而計測，形變資訊係藉構造物監視(SHM)以比較高的取樣頻率而計測。

此外，除環境資料或運轉資料、形變資訊外，亦可基於風車的塔台、葉片或傳動系統的構造形狀與材質而推定塔台、葉片、或傳動系統的剩餘壽命，尤其可使用構造形狀與材質的算出值，推定本來不具有構造物監視(SHM)的計測系統的既有風車的塔台、葉片、或傳動系統的剩餘壽命。

另外，剩餘壽命，係不限於達到例如直接稱作故障的水平，亦可與既定的基準對照而作為到達應保養的時期的時間。

〔實施形態〕

以下，利用圖3~12，而說明有關依本發明的實施形態下的剩餘壽命等的推定的具體手法。在下述，係雖尤其在適合於本發明的實施的實施態樣方面以推定剩餘壽命的情況為例而說明，惟非限於此者，使用於與剩餘壽命同樣的目的者，例如(累積)疲勞損傷量等亦為發明所包含。

圖3，係針對在具有推定構造物的剩餘壽命的功能的風力發電裝置中尤其剩餘壽命的推定所需之裝置、 資料庫、其等之關係等示意性進行了繪示的方塊圖。

環境‧運轉資料監控裝置10，係針對風車的環境資料及運轉資料進行計測的裝置。此處在風車的環境資料方面，係包含例如風車的風速、風向等有關風車曝露的環境的資料。設置於海上的風車的情況下，除風速、風向等之風況資料外，亦可使風車的環境資料包含波長、波高等之海況資料。在風車的運轉資料方面，係包含例如風車的發電量、發電機的旋轉速度、方位角、機艙角等有關風車的運轉狀態的資料。風車的環境資料、運轉資料等，係使用於風車的控制，故為在控制計測(SCADA)的範疇所計測的資料項目。因此，當然非限定於其者，亦可將環境‧運轉資料監控裝置10置換而理解為控制計測(SCADA)系統。環境‧運轉資料監控裝置10，係以例如伺服器、監視器、不間斷電源、用戶PC等而構成。在圖3，係雖以有線的配線而連接環境‧運轉資料監控裝置10與剩餘壽命推定裝置14，惟亦可以Wi-Fi(註冊商標)等而無線連接。此外，即使未進行以有線、無線等的連接，仍亦可將環境‧運轉資料經由可攜式HDD等之容易搬運的資訊記憶媒體而輸入至剩餘壽命推定裝置。

形變資訊監控裝置11，係針對圖1的塔台1、葉片2及圖2的傳動系統8等之風車的構造物所發生的形變進行計測的裝置。形變資料係被為了評價風車的構造物的健全性的目的而計測，故為在構造物監視(SHM)的範疇所計測的資料。

在構造物監視(SHM)，係以評價風車的塔台、葉片及傳動系統等之構造物的健全性為目的，而計測構造物的形變。從藉構造物監視而獲得的計測值，求出成為構造物的健全性的指標的參數的值，針對參數值是否為對於風車的穩定的運轉無障礙的程度的值進行監視。尤其，在風車設置於複雜的地形的情況等，係由於風、波使得風車所受的荷重會複雜地變化，故藉構造物監視，針對從構造物的形變所求出的應力的值、從應力所算出的構造的疲勞損傷量、剩餘壽命等是否在設計時的估計的範圍內進行確認為重要。發生於構造物的應力、構造物的疲勞損傷量及剩餘壽命為成為構造物的健全性的指標的參數。要算出構造的疲勞損傷量、剩餘壽命等，係需要以在為了掌握因荷重變動而產生的應力波形方面充分的取樣頻率，而針對形變進行計測。因此在構造物監視，係以20~100Hz的取樣頻率計測構造物的形變的情形多。

形變資訊監控裝置11，係以形變計測用感測器模組12與形變計測用資料記錄器13而構成。如示於圖3，將形變計測用感測器模組12與形變計測用資料記錄器13的連接，以依照Wi-Fi(註冊商標)、Zigbee(註冊商標)、Bluetooth(註冊商標)等之無線規格的連接而構成，使得於已完成建設的既有的風車亦可輕易地建構形變的計測系統。可進行如此之無線連接的形變計測用感測器模組12，係能以形變感測器與無線通訊機而構成。形變感測器，係可例如使用測定因變形所致的電阻的變化，而 將其換算成形變量的一般的形變感測器，另外亦可使用利用了半導體材料的壓阻效應的高感度、低消耗電力的半導體形變感測器。難對於形變計測用感測器模組12供應外部電源的情況下，在形變計測用感測器模組12係除形變感測器、無線通訊機外，亦可含有電池。在感測器模組12的電源方面使用電池的情況下，利用低消耗電力的半導體形變感測器時，即使為電池仍可構成可進行長期間的計測的形變資訊監控裝置11。

形變計測用感測器模組12與形變計測用資料記錄器13被無線連接的情況下，形變計測用資料記錄器13係能以無線匯集裝置、控制PC等構成。無線匯集裝置，係具有接收從形變計測用感測器模組12所無線發送的計測資料，並將該計測資料以例如有線的配線傳送至控制PC的功能。此外，控制PC係除保存計測資料的功能外，優選上具有變更形變計測用感測器模組12與無線匯集裝置的設定的功能。在圖3，係雖以有線的配線而連接形變資訊監控裝置11與剩餘壽命推定裝置14，惟兩者係亦能以Wi-Fi(註冊商標)等而無線連接，亦可經由可搬運以形變資訊監控裝置11所計測的形變資料的可攜式HDD等之資訊媒體而輸入剩餘壽命推定裝置14。

將形變計測用感測器模組12與形變計測用資料記錄器13以有線的配線而連接的情況下，亦可在形變計測用感測器模組12的附近配置具有CAN通訊的功能的接線盒，以CAN通訊將資料傳送至形變計測用資料記錄 器13。如此之情況下，在形變計測用資料記錄器13方面係使用資料收錄PC。資料收錄PC係具有資料收錄、資料保存、資料收錄所需之各種設定、與形變計測用感測器模組12、前述接線盒等的通訊及控制等之功能。

對剩餘壽命推定裝置14，係除輸入以環境‧運轉資料監控裝置10而計測的環境資料與運轉資料，並藉有線連接或無線連接而輸入以形變資訊監控裝置11而計測的形變資料外，亦輸入塔台1、葉片2、傳動系統8等風車的構造物的構造形狀、材質等。此等風車的構造物的形狀、材質等的資訊，係雖可從例如圖式、規格書等之文件而獲得，惟在為既有的風車而無法從關係文件取得形狀、材質等的細節的情況下，構造形狀、材質等係可藉計測而求出。在圖3，係設想從剩餘壽命推定裝置14所具備的風車構造物的構造形狀、材質的輸入畫面，而輸入構造形狀、材質等的數值，惟亦可為了作成風車構造資料15的資料庫，並從該資料庫對剩餘壽命推定裝置14自動輸入構造形狀、材質等的數值，而將前述資料庫與剩餘壽命推定裝置14連接。

圖4，係將剩餘壽命推定裝置14所具有的功能展開而繪示的方塊圖。剩餘壽命推定裝置14，係具有環境‧運轉資料與剩餘壽命的關係解析部20、計測值與未計測值的關係解析部21、基於運轉‧環境資料的剩餘壽命演算部22及基於形變資訊的剩餘壽命演算部23的4個功能與剩餘壽命推定結果的顯示裝置24。剩餘壽命推 定裝置14，係作用為求出風車的剩餘壽命等的演算系統，而在內部具備一個或複數個運算裝置，藉一個或複數個運算裝置而實現環境‧運轉資料與剩餘壽命的關係解析部20、計測值與未計測值的關係解析部21、基於運轉‧環境資料的剩餘壽命演算部22及基於形變資訊的剩餘壽命演算部23的4個功能。在環境‧運轉資料與剩餘壽命的關聯解析部20，係利用以環境‧運轉資料監控裝置10所計測的環境‧運轉資料、及以形變資訊監控裝置11所計測的形變資訊，而決定環境資料、運轉資料與剩餘壽命的關係。於風車的設計所使用的風車的氣動彈性解析程式，係具有輸入環境‧運轉資料、風車構造資料時，在風車的複數個位置算出荷重，並從荷重算出應力、疲勞損傷量及剩餘壽命等的功能。對剩餘壽命推定裝置14係從形變資訊監控裝置11輸入形變資訊，故活用該形變資訊而針對在風車的氣動彈性解析程式所採用的解析模組所含的不確定性高的參數(例如，風的亂流模式所含的參數等)進行辨識。藉使用了此形變資訊的參數辨識，可使用風車的氣動彈性解析程式而精度佳地演算運轉‧環境資料與剩餘壽命的關係。

此外，亦可採用作成從環境‧運轉資料將荷重、應力、應力的統計量(例如，應力頻度分布)、疲勞損傷量或剩餘壽命等導出的函數式，並以從形變資訊監控裝置11所得的形變資訊而針對前述函數式所含的不確定的參數進行辨識的方法。藉使用採用了以此方式所辨識的 參數的函數式，亦可從環境‧運轉資料而高精度地推定剩餘壽命。

在圖4的計測值與未計測值的關係解析部21，係使用以形變資訊監控裝置11而計測的形變與風車構造資料15而算出在未計測位置的應力。藉計測值與未計測值的關係解析部21的功能，即使沒有風車的環境資料、運轉資料的狀況下，仍可僅從形變資訊推定風車的構造物的剩餘壽命。

〔推定在塔台的未計測位置的應力的具體例〕

圖5，係針對以風車的塔台1為對象，而以計測值與未計測值的關聯解析部21推定未計測位置的應力的方法的一例進行繪示的圖。風車係於3個葉片2受風，故(支撐葉片2的機艙3連接於塔台1)在塔台1的頂部43受到集中荷重40。發明人獲得以下發現：由於此集中荷重40而發生的塔台1的彎矩分布41，係如示於圖5相對於塔台的高度方向而線形地分布。作用於塔台的荷重係集中荷重40為主，故塔台1的頂部43的彎矩Mt0的值係幾乎可視為0。在高度與塔台1的頂部43不同的塔台1的1處(圖5係高度b)安裝形變感測器，在該位置算出彎矩Mtm，利用彎矩線形地分布如此的發明人的發現而將Mt0與Mtm以直線連結，使得可獲得塔台1的高度方向的彎矩分布41。在本實施例，係雖以形變感測器依彎矩的線性在1處即足夠之情況為例作了說明，惟為至少1處即足 夠者，而非排除設複數個者。上述雖係主要著眼於塔台1的頂部43，惟其僅係從風受到荷重的葉片2的往塔台1的連接處為塔台1的頂部43之故，而可置換而解釋為葉片2的荷重的施加於塔台1的支點。

在形變感測器的所安裝的高度b的塔台剖面42，係為了算出彎矩Mtm，在圓周方向的不同位置安裝至少4個的形變感測器S1、S2、S3、S4。形變感測器S1與S3，係以相對於塔台剖面42的中心成為對角的方式，而於圓周方向安裝於180°不同的位置。同樣，形變感測器S2與S4，係於圓周方向安裝於180°不同的位置。使以形變感測器S1~S4所計測的形變為ε1~ε4時，從形變感測器S1與S3所算出的彎矩Mtm1、及從形變感測器S2與S4所算出的彎矩Mtm2係成為下式。

Mtm1=0.5×(ε1-ε3)×E×Zt‧‧‧(1)

Mtm2=0.5×(ε2-ε4)×E×Zt‧‧‧(2)

於此，E係使用於塔台1的材質的縱向彈性係數，Zt係在塔台剖面42的剖面係數。從彎矩Mtm1與Mtm2，能以塔台剖面42的圓周方向的任意的角度，算出圖5的彎矩Mtm。從彎矩Mtm與Mt0求出彎矩分布41時，於塔台1的任意的高度，可算出以與Mtm相同的圓周方向角度而定義的彎矩(在圖5係Mt1、Mt2及Mtn)。再者，能從彎矩Mti(i=1~n)而以下式計算在彎矩Mti的高度位置的應力σti。

σti=Mti÷Zti‧‧‧(3)

於此，Zti係在算出Mti的高度位置的塔台1的剖面係數。在大型風車，係雖在高度方向焊接連接複數個分段從而形成塔台的情形多，惟在塔台1的焊接部附近，且在不會受到因焊接部的形狀變化而起的應力集中的影響的塔台1的高度位置算出應力σti時，可參照應力σti與使用於塔台1的材質的資料，而評價焊接部的疲勞損傷、剩餘壽命等。

此外，在塔台1的凸緣部的高度位置算出彎矩Mti時，可活用彎矩Mti與風車構造資料15所含的凸緣部的形狀、材質的資訊，而算出在使用於該凸緣部的緊固的螺栓所發生的應力。參照在此塔台1的凸緣部的螺栓所發生的應力與螺栓的材質的資料，使得可評價塔台1的凸緣部螺栓的疲勞損傷、剩餘壽命等。

圖6，係針對以風車的塔台1為對象，而在以形變計測位置與未計測位置的關聯解析部21推定未計測位置的形變的方法方面，與圖5係不同的一例進行繪示的圖。在圖5，係在形變資訊監控裝置11將形變感測器安裝於塔台1的高度方向的1處，惟在圖6係示出在塔台1的高度方向的不同的2處(圖6的高度b與c)安裝形變感測器之例。在此例，係根據從安裝於塔台1的高度b與c的形變感測器的值而算出的在高度b與c的彎矩Mtmb與Mtmc，求出彎矩分布41。在本實施例，係雖以將彎矩的形變感測器設置2處的情況為例進行說明，惟並非排除進一步設置其以上者。

從以上的觀點，在塔台1安裝形變感測器的情況下，係考量以下的(1)-(3)時尤佳。

(1)在與葉片2的荷重的施加於塔台1的支點係不同的高度而安裝形變感測器。藉此，變得可在彎矩的值大的位置進行測定。

(2)在高度方向上焊接連接複數個分段而形成的塔台1的焊接部附近安裝形變感測器。更具體而言，在不易受到因焊接部的形狀變化而起的應力集中的影響的塔台1的高度方向位置安裝形變感測器為優選。

(3)在塔台1的凸緣部的高度方向位置安裝形變感測器。此情況下，活用該凸緣部的形狀、材質的資訊，而可算出在使用於該凸緣部的緊固的螺栓所發生的應力。參照在此塔台1的凸緣部的螺栓所發生的應力與螺栓的材質的資料。

〔推定在葉片的未計測位置的應力的具體例〕

圖7，係針對以風車的葉片2為對象，而以計測值與未計測值的關係解析部21推定未計測位置的應力的方法的一例進行繪示的圖。作用於葉片2的風係分布於長度方向(或長邊方向)，故因該分布荷重50而產生於葉片2的彎矩分布51，係成為接近葉片長度的2次函數的分布。尤其，作用於葉片2的風的分布在長邊方向上一樣的情況下，分布荷重50係成為相同分布荷重，故彎矩分布51係成為葉片長度的2次函數。彎矩分布51為葉片長度 的2次函數、或接近2次函數的分布時可使彎矩分布51以葉片長度的2次函數而近似。要求出2次的彎曲模式分布51，係需要在葉片2的長度方向上的不同的3點的彎矩。葉片的前端(圖7的a)的彎矩Mb0的值係0，故需要另外算出在長度方向的不同2點的彎矩。在葉片2的長度方向位置不同的至少2個位置安裝形變感測器，而算出彎矩時，可獲得葉片2的彎矩分布51。在圖7，係在葉片2的根部(圖7的b)、及從根部朝葉片前端方向分離一定距離的位置(圖7的c)安裝形變感測器，而算出彎矩Mmb與Mmc之例。如此獲得在葉片長度方向上位置不同的3點的彎矩Mb0、Mmb及Mmc時，可從此等求出彎矩分布51。

為了算出葉片2的根部的彎矩Mmb，在葉片根部剖面52的圓周方向的不同位置安裝至少4個的形變感測器S1、S2、S3、S4。從形變感測器S1~S4的圓周方向的安裝位置、形變的計測值算出彎矩Mmb的方法，係可採用與在塔台1安裝形變感測器而算出彎矩的情況同樣的方法。在葉片2的根部，係為了控制葉片2的俯仰角度，而有時安裝採用了光纖的形變感測器。如此之情況下，從採用了光纖的形變感測器的輸出，求出葉片2的根部的彎矩Mmb即可。從葉片2的前端在葉片2的長邊方向上不同的位置安裝形變感測器時，變得可測定大的彎矩。

為了算出葉片2的長度位置c的彎矩Mmc， 在葉片剖面53的翼樑蓋54安裝至少1個的形變感測器S5。使用依葉片2的材質與構造形狀而定的常數C，彎矩Mmc係能以下式算出。

Mmc=C×S5‧‧‧(4)

獲得葉片2的彎矩分布51時，在葉片2的任意的長度方向位置求出彎矩Mbi，從彎矩Mbi以下式求出發生於葉片2的應力。

σbi=Mbi÷Zbi‧‧‧(5)

於此，Zbi係在算出Mbi的葉片長度位置的葉片2的剖面係數。此葉片2的剖面係數，係風車構造資料15的一種。從彎矩分布51顯然得知，於葉片2的根部係作用大的彎矩。利用作用於葉片2的根部的彎矩Mmb、及於風車構造資料15所含的葉片根部的螺栓緊固部的資訊時，可算出在使用於葉片根部的螺栓緊固部的螺栓所發生的應力。

〔推定在傳動系統的未計測位置的應力的具體例〕

在傳動系統8方面，係從以形變資訊監控裝置11而收集的葉片2、塔台1等的形變，算出作用於主軸7的荷重(力、彎矩)，並思考傳動系統8的物理模型，從而求出傳動系統8的各部位的應力。如此之以傳動系統8為對象的未計測應力的演算亦為計測值與未計測值的關係解析部21的功能之一。亦即，在計測值與未計測值的關係解析部21，係以塔台1、葉片2及傳動系統8等為對象，而 從形變資訊與風車構造資料求出未計測部位的應力。

〔顯示態樣的具體例〕

如上述而求出的剩餘壽命等係需要以畫面顯示等進行辨識。此處係說明藉本實施例的手法而求出的剩餘壽命等的適合的顯示形態的具體例。其中，顯示態樣係當然不限定於此。

圖8，係針對顯示利用風車的環境資料、運轉資料及形變資訊而推定的剩餘壽命的裝置24的畫面的一例進行繪示的圖。在圖8，係使以基於剩餘壽命推定裝置14的環境‧運轉資料的剩餘壽命演算部22、或基於形變資訊的剩餘壽命演算部23而求出的疲勞損傷量的累積值與剩餘壽命為縱軸，並使從運轉開始的時間為橫軸，而顯示累積疲勞損傷與剩餘壽命的時間變化。雖以風車的塔台1的某焊接部(假設，採焊接部No.7)為對象，而將推定了疲勞損傷量與剩餘壽命的結果排列而以顯示裝置24顯示，惟除累積疲勞損傷與剩餘壽命的時間變化外，排列風車的環境資料(在圖8係風速)的時間變化而顯示，使得可視覺地理解疲勞損傷量、剩餘壽命等與設置風車的環境的關係。非風速而舉例如風車的運轉資料(發電量等)的時間變化與累積疲勞損傷、剩餘壽命等的時間變化排列而顯示於顯示裝置24時，可視覺地理解疲勞損傷量、剩餘壽命等與風車的運轉狀態的關係。

圖9，係針對顯示利用風車的環境資料、運轉 資料及形變資訊而推定的剩餘壽命的裝置的畫面的不同例進行繪示的圖。不僅風車的某構造物的某1個的部位，將在複數個部位的疲勞損傷量、剩餘壽命等的推定結果排列而顯示於顯示裝置24，使得可視覺地確認、比較疲勞損傷的傾向的同一性、疲勞損傷的進行的速度等。

圖10及圖11，係在顯示利用風車的環境資料、運轉資料及形變資訊而推定的累積疲勞損傷與剩餘壽命的裝置24方面，將累積疲勞損傷、剩餘壽命等整理成表格形式而顯示之例。將在風車的構造物所含的複數個部位所推定的累積疲勞損傷、剩餘壽命等，同時以表格形式顯示多數個於顯示裝置24的畫面，使得可容易地比較複數個部位的累積疲勞損傷、剩餘壽命等。

圖12，係針對藉環境‧運轉資料監控裝置10、形變資訊監控裝置11的資料的監控期間的一例進行繪示的圖。為了以剩餘壽命推定裝置14的環境‧運轉資料與剩餘壽命關聯解析部20決定環境資料、運轉資料與剩餘壽命的關係，以1年間的形變監控期間30實施藉形變資訊監控裝置11的形變計測。考量風、海等的狀況具有1年的週期性，在此例雖係使形變監控期間30為1年，惟將形變監控期間30設定為1年以上時，可更高精度地決定環境‧運轉資料與剩餘壽命的關係，故可比1年的情況精度佳地推定剩餘壽命。因費用等之問題使得1年間的形變資訊監控為難的情況下，可考量使形變監控期間30為不足1年。即使形變監控期間30為不足1年的情況 下，仍可藉形變資訊使剩餘壽命的預測精度提升。

在圖12，藉環境‧運轉資料監控裝置10的環境資料、運轉資料的監控期間31，係設定為從風車運轉開始起跨整個將來的全運轉期間。如此能以全運轉期間進行環境‧運轉資料的監控時，可過去至未來，亦即可從運轉開始起跨整個將來，依某時間點的環境資料、運轉資料而推定剩餘壽命。使用了如此之環境資料、運轉資料的剩餘壽命的推定，係以基於示於圖4的剩餘壽命推定裝置14所含的環境‧運轉資料的剩餘壽命演算部22而執行。在基於環境‧運轉資料的剩餘壽命演算部22，係利用以環境‧運轉資料與剩餘壽命的關聯解析部20而決定的風車氣動彈性解析程式的解析模組、關係式等而推定剩餘壽命。於全運轉期間中環境資料、運轉資料的監控難的情況下，仍可於基於剩餘壽命推定裝置14的環境‧運轉資料的剩餘壽命演算部22，活用以監控期間31而取得的環境資料與運轉資料而針對過去、將來等的剩餘壽命進行插補演算。

另一方面，只要為形變監控期間30，即能以剩餘壽命推定裝置14的形變計測位置與未計測位置的關聯解析部21算出未計測位置的應力，故以基於剩餘壽命推定裝置14的形變資訊的剩餘壽命演算部23從未計測位置的應力計算疲勞損傷量、剩餘壽命等。在基於形變資訊的剩餘壽命演算部23，係雖無法進行依照過去、將來等的環境資料、運轉資料的疲勞損傷量及剩餘壽命的推定， 惟假定過去、將來等的疲勞損傷傾向與形變監控期間30的疲勞損傷相同，可算出在過去、將來等的時間點的疲勞損傷量、剩餘壽命等。

於環境‧運轉資料與剩餘壽命的關係解析部20，獲得環境資料、運轉資料與在風車的構造物的某部位所發生的荷重、應力等的關係式的情況下，對基於環境‧運轉資料的剩餘壽命演算部22係輸入以計測值與未計測值的關係演算部21而明確化的插補關係。因此，即使為環境資料、運轉資料與荷重或應力的關係式僅可應用於某部位者，藉使用前述插補關係，使得能以期望的部位為對象而推定疲勞損傷量、剩餘壽命等。

10‧‧‧環境‧運轉資料監控裝置

11‧‧‧形變資訊監控裝置

12‧‧‧形變計測用感測器模組

13‧‧‧形變計測用資料記錄器

14‧‧‧剩餘壽命推定裝置

15‧‧‧風車構造資料

Claims (14)

1. 一種演算系統，求出受風而旋轉的風車的剩餘壽命或疲勞損傷量，特徵在於：具備求出前述風車的運轉資訊或環境資訊與前述風車所包含的既定構材的剩餘壽命或疲勞損傷量的關係的運算裝置，並在求出前述關係時，使用前述風車的形變資訊，利用前述關係、前述運轉資訊或前述環境資訊而推定前述風車的剩餘壽命或疲勞損傷量。
2. 如申請專利範圍第1項之演算系統，其在推定前述風車的剩餘壽命或疲勞損傷量時，係未計測前述形變資訊。
3. 如申請專利範圍第1或2項之演算系統，其利用前述風車的構造資訊，而算出前述形變資訊在未計測的位置的形變資訊。
4. 如申請專利範圍第1或2項之演算系統，其中，前述形變資訊，係取得一年以上。
5. 如申請專利範圍第1或2項之演算系統，其具備顯示前述風車剩餘壽命或前述疲勞損傷量的顯示裝置。
6. 一種風力發電系統，具備如申請專利範圍第1至5項中任1項之演算系統及前述風車。
7. 如申請專利範圍第6項之風力發電系統，其中，前述風車，係具備受風而旋轉之葉片、直接或間接地支撐前述葉片的荷重的塔台、及傳達因前述葉片的旋轉而產生的能量的傳動系統， 前述風車的構造資訊，係包含關聯於前述葉片、前述塔台、或前述傳動系統中的至少任一者的形狀或材質的資訊。
8. 如申請專利範圍第7項之風力發電系統，其具備配置在與前述葉片的荷重所施加於前述塔台的支點係不同的高度的形變感測器。
9. 如申請專利範圍第7或8項之風力發電系統，其中，前述塔台係於高度方向焊接連接複數個分段而形成，該風力發電系統係具備配置於前述塔台的焊接部附近的形變感測器。
10. 如申請專利範圍第7或8項之風力發電系統，其中，前述塔台係具備凸緣部，該風力發電系統係具備配置於該凸緣部的形變感測器。
11. 如申請專利範圍第7或8項之風力發電系統，其中，具備在前述葉片的長邊方向上與前述葉片的前端係不同的位置，且在前述長邊方向位置不同的至少2個位置所配置的形變感測器。
12. 一種風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法，其係受風而發電的風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法，特徵在於： 具有利用前述風車的形變資訊，而求出前述風車的運轉資訊或環境資訊與前述風車所包含的既定構材的剩餘壽命或疲勞損傷量的關係的程序，利用前述關係、前述運轉資訊或前述環境資訊而推定前述風車的剩餘壽命或疲勞損傷量。
13. 如申請專利範圍第12項之風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法，其係在推定前述風車的剩餘壽命或疲勞損傷量時，未計測前述形變資訊。
14. 如申請專利範圍第12或13項之風車的剩餘壽命或疲勞損傷量的算出方法，其係利用前述風車的構造資訊，而算出前述形變資訊在未計測的位置的形變資訊。