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JP7758163B2 - 劣化検知システム、劣化検知装置、及び劣化検知方法 - Google Patents

劣化検知システム、劣化検知装置、及び劣化検知方法

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JP7758163B2
JP7758163B2 JP2024509546A JP2024509546A JP7758163B2 JP 7758163 B2 JP7758163 B2 JP 7758163B2 JP 2024509546 A JP2024509546 A JP 2024509546A JP 2024509546 A JP2024509546 A JP 2024509546A JP 7758163 B2 JP7758163 B2 JP 7758163B2
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Description

本開示は、発電用の風車の劣化を検知する劣化検知システム、劣化検知装置、及び劣化検知方法に関する。
近年、洋上風力発電の開発が進められている。
洋上風力発電では、発電用の風車を洋上に設置し、その風車によって発電を行う。
他方、近年は、光ファイバをセンサとして使用する光ファイバセンシングと呼ばれる技術の開発も進められている。海洋で光ファイバセンシングを行う技術としては、例えば、特許文献1に開示された技術が挙げられる。
特表2020-508464号公報
上述したように、洋上風力発電では、発電用の風車は洋上に設置される。そのため、遠隔監視が可能な光ファイバセンシングによって、陸上等で風車を遠隔監視し、風車の劣化を検知したいという要求がある。
しかし、特許文献1に開示された技術は、海中電力ケーブル又は遠隔通信ケーブルの埋設状態を監視する技術であり、風車の劣化を検知することはできない。
そこで本開示の目的は、上述した課題に鑑み、光ファイバセンシングによって、風車の劣化を検知することが可能な劣化検知システム、劣化検知装置、及び劣化検知方法を提供することにある。
一態様による劣化検知システムは、
発電用の風車に沿って敷設された光ファイバと、
前記光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信部と、
前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知部と、
を備える。
一態様による劣化検知装置は、
発電用の風車に沿って敷設された光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信部と、
前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知部と、
を備える。
一態様による劣化検知方法は、
劣化検知装置による劣化検知方法であって、
発電用の風車に沿って敷設された光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信ステップと、
前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知ステップと、
を含む。
上述した態様によれば、光ファイバセンシングによって、風車の劣化を検知することが可能な劣化検知システム、劣化検知装置、及び劣化検知方法を提供できるという効果が得られる。
実施の形態1に係る劣化検知システムの構成例を示す図である。 実施の形態1に係る対応テーブルの例を示す図である。 実施の形態1に係る劣化検知システムの概略的な動作の流れの例を示すフロー図である。 実施の形態2に係る劣化検知システムの構成例を示す図である。 実施の形態2に係る劣化検知システムの概略的な動作の流れの例を示すフロー図である。 他の実施の形態に係る劣化検知システムの構成例を示す図である。 他の実施の形態に係る劣化検知システムの別の構成例を示す図である。 他の実施の形態に係る対応テーブルの例を示す図である。 他の実施の形態に係る劣化検知装置を実現するコンピュータのハードウェア構成例を示すブロック図である。
以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。なお、以下の記載及び図面は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、以下の各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
<実施の形態1>
まず、図1を参照して、本実施の形態1に係る劣化検知システムの構成例について説明する。
図1に示されるように、本実施の形態1に係る劣化検知システムは、洋上風力発電等で使用される発電用の風車30の劣化を検知するものであり、光ファイバ10、通信部21、及び検知部22を備えている。なお、図1では、通信部21及び検知部22は、分離して設けられていることを想定している。検知部22は、通信部21とは別装置に設けられても良いし、クラウド上に設けられても良い。
図1に示される風車30は、タワー筐体31の上に、ブレード32等が組み上げられた構造である。
ブレード32に風が当たると、ブレード32が回転し、ブレード32の回転軸33を介して、その回転が不図示の増速機に伝達される。増速機では、その回転の回転エネルギーを増幅し、その後、不図示の発電機では、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。このようにして風車30で発電された電力は、上述した発電機に接続される送電ケーブル40を介して、陸上の不図示の電力系統へ伝達される。
ただし、図1に示される風車30の構造は一例であり、風車30の構造は、これに限定されるものではない。
光ファイバ10は、風車30の部分では、風車30のタワー筐体31に沿って敷設される。また、光ファイバ10は、風車30以外の部分では、送電ケーブル40に沿って、海底に敷設又は埋設される。また、光ファイバ10の一端は、通信部21に接続される。
通信部21は、光ファイバ10にパルス光を送信する。すると、そのパルス光が光ファイバ10を伝送されることに伴い、後方散乱光が発生する。通信部21は、その後方散乱光を、光ファイバ10から、光信号として受信する。
検知部22は、通信部21から光ファイバ10にパルス光が送信された時刻と、通信部21で光ファイバ10から光信号が受信された時刻と、の時間差に基づいて、その光信号が発生した位置(通信部21からの光ファイバ10の距離)を特定することが可能である。そのため、検知部22は、光信号が発生した位置を、図2に示されるような対応テーブルと照合することで、風車30で発生した光信号を特定することが可能である。なお、図2の対応テーブルは、不図示のメモリ等に予め記憶させておけば良い。
風車30は、上述したように、発電時には、ブレード32が回転し、その回転の影響を受けて、振動が発生している。風車30で発生した振動は光ファイバ10に伝達される。その結果、光ファイバ10を伝送される光信号は、特性(例えば、波長)が変化する。
そのため、検知部22は、通信部21で受信された光信号のうち、風車30で発生した光信号の特性を分析することにより、風車30の振動を検知可能である。このことから、風車30で発生した光信号には、風車30の振動を示す情報が含まれていることになる。
ここで、風車30で発生する振動の振動状態は、風車30の劣化の有無に応じて異なるものになる。
そこで、検知部22は、通信部21で受信された光信号のうち風車30で発生した光信号に含まれる、風車30の振動を示す情報に基づいて、風車30の劣化を検知する。
以下、検知部22において、風車30の劣化を検知する方法の例について説明する。
風車30は、劣化すると、発電量が所定範囲から外れ、また、風車30で発生する振動の振動数も変動する。ここで、振動数とは、単位時間当たりの振動回数を意味する。そのため、風車30の発電量は、風車30の振動数との相関性が高いと考えられる。
そこで、検知部22は、風車30の発電量とそのときに風車30で発生した振動の振動数とを示す教師データを用いて、風車30の発電量と振動数との対応関係を予め学習しておく。このとき、教師データ用の発電量は、風車30側で測定したものを使用する。また、教師データ用の振動数は、検知部22が、光信号に含まれる、風車30の振動を示す情報を分析することにより導出したものを使用する。なお、検知部22は、上述した学習に際して、例えば、畳み込みニューラルネットワーク(CNN:Convolutional Neural Network)による学習モデルを使用しても良い。この場合、学習モデルは、不図示のメモリ等に予め記憶させておけば良い。
検知部22は、風車30の劣化を検知するに際しては、まず、風車30で発生した光信号に含まれる、風車30の振動を示す情報に基づいて、風車30で発生した振動の振動数を導出する。次に、検知部22は、導出された振動数に対応する発電量を、予め学習した対応関係から導出する。次に、検知部22は、導出された発電量が所定範囲を外れているか否かを判断し、所定範囲を外れている場合に、風車30が劣化したと判断する。
続いて、図3を参照して、本実施の形態1に係る劣化検知システムの概略的な動作の流れの例について説明する。
図3に示されるように、まず、通信部21は、光ファイバ10にパルス光を送信し(ステップS11)、そのパルス光に対する後方散乱光を、光ファイバ10から、光信号として受信する(ステップS12)。
その後、検知部22は、通信部21で受信された光信号のうち風車30で発生した光信号に含まれる、風車30の振動を示す情報に基づいて、風車30の劣化を検知する(ステップS13)。このとき、風車30の劣化を検知する方法としては、上述したように、風車30の発電量と振動数との対応関係を用いる方法を使用すれば良い。
上述したように本実施の形態1によれば、通信部21は、光ファイバ10にパルス光を送信し、そのパルス光に対する後方散乱光を、光ファイバ10から、光信号として受信する。検知部22は、通信部21で受信された光信号に含まれる、風車30の振動を示す情報に基づいて、風車30の劣化を検知する。これにより、光ファイバセンシングによって、陸上等で風車30を遠隔監視し、風車30の劣化を検知することが可能となる。
<実施の形態2>
続いて、図4を参照して、本実施の形態2に係る劣化検知システムの構成例について説明する。
図4に示されるように、本実施の形態2に係る劣化検知システムは、上述した実施の形態1の図1の構成と比較して、報知部23が追加されている点が異なる。
報知部23は、検知部22により風車30が劣化したと判断された場合に、風車30が劣化したことを所定の報知先に報知する。所定の報知先は、例えば、風車30を管理する電力会社に設置された端末や、電力会社の担当作業員が所持する端末等で良い。また、報知方法は、例えば、報知先の端末のディスプレイやモニタ等にGUI(Graphical User Interface)画面を表示する方法でも良いし、報知先の端末のスピーカからメッセージを音声出力する方法でも良い。
続いて、図5を参照して、本実施の形態2に係る劣化検知システムの概略的な動作の流れの例について説明する。
図5に示されるように、まず、上述した実施の形態1の図3のステップS11~S13と同様のステップS21~S23の処理が行われる。
ステップS23において、検知部22により風車30が劣化したと判断された場合(ステップS23のYes)、報知部23は、風車30が劣化したことを所定の報知先に報知する(ステップS24)。
上述したように本実施の形態2によれば、報知部23は、検知部22により風車30が劣化したと判断された場合に、風車30が劣化したことを所定の報知先に報知する。これにより、風車30が劣化したことを、風車30を管理する電力会社等に知らせることができる。
その他の効果は、上述した実施の形態1と同様である。
<他の実施の形態>
上述した実施の形態では、通信部21及び検知部22が分離して設けられているが、これには限定されない。通信部21及び検知部22は、同一の装置に設けられても良い。図6は、劣化検知装置20の内部に通信部21及び検知部22を設けた劣化検知システムの構成例を示している。なお、図6に示される劣化検知システムは、上述した実施の形態2のように、劣化検知装置20の内部に報知部23を追加しても良い。
また、上述した実施の形態では、監視対象の風車30が1つであったが、監視対象の風車30は複数であっても良い。図7は、2つの風車30A及び風車30Bの各々の劣化を検知する劣化検知システムの構成例を示している。図7に示される劣化検知システムの場合、検知部22は、図8に示されるような対応テーブルを照合することで、風車30A及び風車30Bで発生した光信号をそれぞれ特定可能である。そのため、検知部22は、風車30Aで発生した光信号に含まれる、風車30Aの振動を示す情報に基づいて、風車30Aの劣化を検知し、また、風車30Bで発生した光信号に含まれる、風車30Bの振動を示す情報に基づいて、風車30Bの劣化を検知すれば良い。なお、図8の対応テーブルは、不図示のメモリ等に予め記憶させておけば良い。また、図8に示される劣化検知システムも、劣化検知装置20の内部に報知部23を追加しても良い。
また、上述した実施の形態では、光ファイバ10は、風車30以外の部分では、送電ケーブル40に沿って、敷設又は埋設される。そのため、送電ケーブル40で発生した振動も光ファイバ10に伝達される。そのため、送電ケーブル40に沿った位置で発生した光信号には、送電ケーブル40の振動を示す情報が含まれている。また、検知部22は、図2や図8に示されるような対応テーブルを照合することで、送電ケーブル40に沿った位置で発生した光信号を特定することが可能である。また、送電ケーブル40で発生する振動の振動状態も、送電ケーブル40の劣化の有無に応じて異なるものになる。そこで、検知部22は、送電ケーブル40に沿った位置で発生した光信号に含まれる、送電ケーブル40の振動を示す情報に基づいて、送電ケーブル40の劣化を検知しても良い。
例えば、検知部22は、送電ケーブル40で発生する振動の振動数の正常範囲を予め導出しておく。検知部22は、送電ケーブル40の劣化を検知するに際しては、まず、送電ケーブル40に沿った位置で発生した光信号に含まれる、送電ケーブル40の振動を示す情報に基づいて、送電ケーブル40で発生した振動の振動数を導出する。次に、検知部22は、導出された振動数が、予め導出した正常範囲を外れているか否かを判断し、正常範囲を外れている場合に、送電ケーブル40が劣化したと判断する。
<実施の形態に係る劣化検知装置のハードウェア構成>
続いて、図9を参照して、上述した他の実施の形態(図6)に係る劣化検知装置20を実現するコンピュータ50のハードウェア構成例について説明する。
図9に示されるように、コンピュータ50は、プロセッサ51、メモリ52、ストレージ53、入出力インタフェース(入出力I/F)54、及び通信インタフェース(通信I/F)55等を備えている。プロセッサ51、メモリ52、ストレージ53、入出力インタフェース54、及び通信インタフェース55は、相互にデータを送受信するためのデータ伝送路で接続されている。
プロセッサ51は、例えばCPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等の演算処理装置である。メモリ52は、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等のメモリである。ストレージ53は、例えばHDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、又はメモリカード等の記憶装置である。また、ストレージ53は、RAMやROM等のメモリであっても良い。
ストレージ53には、プログラムが記憶される。このプログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、上述した劣化検知装置20における1又はそれ以上の機能をコンピュータ50に行わせるための命令群(又はソフトウェアコード)を含む。上述した劣化検知装置20における構成要素は、プロセッサ51がストレージ53に記憶されたプログラムを読み込んで実行することにより実現されても良い。また、上述した劣化検知装置20における記憶機能は、メモリ52又はストレージ53により実現されても良い。
また、上述したプログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されても良い。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、RAM、ROM、フラッシュメモリ、SSD又はその他のメモリ技術、CD(Compact Disc)-ROM、DVD(Digital Versatile Disc)、Blu-ray(登録商標)ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されても良い。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、又はその他の形式の伝搬信号を含む。
入出力インタフェース54は、表示装置541、入力装置542、音出力装置543等と接続される。表示装置541は、LCD(Liquid Crystal Display)、CRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ、モニタのような、プロセッサ51により処理された描画データに対応する画面を表示する装置である。入力装置542は、オペレータの操作入力を受け付ける装置であり、例えば、キーボード、マウス、及びタッチセンサ等である。表示装置541及び入力装置542は一体化され、タッチパネルとして実現されていても良い。音出力装置543は、スピーカのような、プロセッサ51により処理された音響データに対応する音を音響出力する装置である。
通信インタフェース55は、外部の装置との間でデータを送受信する。例えば、通信インタフェース55は、有線通信路又は無線通信路を介して外部装置と通信する。
以上、実施の形態を参照して本開示を説明したが、本開示は上述した実施の形態に限定されるものではない。本開示の構成や詳細には、本開示のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば、上述した実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
発電用の風車に沿って敷設された光ファイバと、
前記光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信部と、
前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知部と、
を備える、劣化検知システム。
(付記2)
前記光ファイバは、前記風車のタワー筐体に沿って敷設されている、
付記1に記載の劣化検知システム。
(付記3)
前記検知部は、
前記風車の発電量と振動数との対応関係を予め学習し、
前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車に発生した振動の振動数を導出し、
前記風車に発生した振動の振動数に対応する発電量が所定範囲を外れた場合に、前記風車が劣化したと判断する、
付記1又は2に記載の劣化検知システム。
(付記4)
前記光ファイバは、前記風車以外の部分では、前記風車に接続された送電ケーブルに沿って敷設されている、
付記1から3のいずれか1項に記載の劣化検知システム。
(付記5)
前記検知部は、前記光信号に含まれる、前記送電ケーブルの振動を示す情報に基づいて前記送電ケーブルの劣化をさらに検知する、
付記4に記載の劣化検知システム。
(付記6)
前記光ファイバは、複数の前記風車に沿って敷設され、
前記検知部は、前記光信号に含まれる、複数の前記風車の各々の振動を示す情報に基づいて、複数の前記風車の各々の劣化を検知する、
付記1から5のいずれか1項に記載の劣化検知システム。
(付記7)
前記検知部により前記風車が劣化したと判断された場合に、前記風車が劣化したことを所定の報知先に報知する報知部をさらに備える、
付記1から6のいずれか1項に記載の劣化検知システム。
(付記8)
発電用の風車に沿って敷設された光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信部と、
前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知部と、
を備える、劣化検知装置。
(付記9)
前記光ファイバは、前記風車のタワー筐体に沿って敷設されている、
付記8に記載の劣化検知装置。
(付記10)
前記検知部は、
前記風車の発電量と振動数との対応関係を予め学習し、
前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車に発生した振動の振動数を導出し、
前記風車に発生した振動の振動数に対応する発電量が所定範囲を外れた場合に、前記風車が劣化したと判断する、
付記8又は9に記載の劣化検知装置。
(付記11)
前記光ファイバは、前記風車以外の部分では、前記風車に接続された送電ケーブルに沿って敷設されている、
付記8から10のいずれか1項に記載の劣化検知装置。
(付記12)
前記検知部は、前記光信号に含まれる、前記送電ケーブルの振動を示す情報に基づいて前記送電ケーブルの劣化をさらに検知する、
付記11に記載の劣化検知装置。
(付記13)
前記光ファイバは、複数の前記風車に沿って敷設され、
前記検知部は、前記光信号に含まれる、複数の前記風車の各々の振動を示す情報に基づいて、複数の前記風車の各々の劣化を検知する、
付記8から12のいずれか1項に記載の劣化検知装置。
(付記14)
前記検知部により前記風車が劣化したと判断された場合に、前記風車が劣化したことを所定の報知先に報知する報知部をさらに備える、
付記8から13のいずれか1項に記載の劣化検知装置。
(付記15)
劣化検知装置による劣化検知方法であって、
発電用の風車に沿って敷設された光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信ステップと、
前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知ステップと、
を含む、劣化検知方法。
(付記16)
前記光ファイバは、前記風車のタワー筐体に沿って敷設されている、
付記15に記載の劣化検知方法。
(付記17)
前記検知ステップでは、
前記風車の発電量と振動数との対応関係を予め学習し、
前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車に発生した振動の振動数を導出し、
前記風車に発生した振動の振動数に対応する発電量が所定範囲を外れた場合に、前記風車が劣化したと判断する、
付記15又は16に記載の劣化検知方法。
(付記18)
前記光ファイバは、前記風車以外の部分では、前記風車に接続された送電ケーブルに沿って敷設されている、
付記15から17のいずれか1項に記載の劣化検知方法。
(付記19)
前記検知ステップでは、前記光信号に含まれる、前記送電ケーブルの振動を示す情報に基づいて前記送電ケーブルの劣化をさらに検知する、
付記18に記載の劣化検知方法。
(付記20)
前記光ファイバは、複数の前記風車に沿って敷設され、
前記検知ステップでは、前記光信号に含まれる、複数の前記風車の各々の振動を示す情報に基づいて、複数の前記風車の各々の劣化を検知する、
付記15から19のいずれか1項に記載の劣化検知方法。
(付記21)
前記検知ステップにより前記風車が劣化したと判断された場合に、前記風車が劣化したことを所定の報知先に報知する報知ステップをさらに含む、
付記15から20のいずれか1項に記載の劣化検知方法。
10 光ファイバ
20 劣化検知装置
21 通信部
22 検知部
23 報知部
30,30A,30B 風車
31 タワー筐体
32 ブレード
33 回転軸
40 送電ケーブル
50 コンピュータ
51 プロセッサ
52 メモリ
53 ストレージ
54 入出力インタフェース
541 表示装置
542 入力装置
543 音出力装置
55 通信インタフェース

Claims (9)

  1. 発電用の風車に沿って敷設された光ファイバと、
    前記光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信部と、
    前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知部と、
    を備え
    前記光ファイバは、前記風車以外の部分では、前記風車に接続された送電ケーブルに沿って敷設されている、
    劣化検知システム。
  2. 前記光ファイバは、前記風車のタワー筐体に沿って敷設されている、
    請求項1に記載の劣化検知システム。
  3. 発電用の風車に沿って敷設された光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信部と、
    前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知部と、
    を備え
    前記光ファイバは、前記風車以外の部分では、前記風車に接続された送電ケーブルに沿って敷設されている、
    劣化検知装置。
  4. 前記光ファイバは、前記風車のタワー筐体に沿って敷設されている、
    請求項3に記載の劣化検知装置。
  5. 前記検知部は、
    前記風車の発電量と振動数との対応関係を予め学習し、
    前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車に発生した振動の振動数を導出し、
    前記風車に発生した振動の振動数に対応する発電量が所定範囲を外れた場合に、前記風車が劣化したと判断する、
    請求項3又は4に記載の劣化検知装置。
  6. 前記検知部は、前記光信号に含まれる、前記送電ケーブルの振動を示す情報に基づいて前記送電ケーブルの劣化をさらに検知する、
    請求項に記載の劣化検知装置。
  7. 前記光ファイバは、複数の前記風車に沿って敷設され、
    前記検知部は、前記光信号に含まれる、複数の前記風車の各々の振動を示す情報に基づいて、複数の前記風車の各々の劣化を検知する、
    請求項3からのいずれか1項に記載の劣化検知装置。
  8. 前記検知部により前記風車が劣化したと判断された場合に、前記風車が劣化したことを所定の報知先に報知する報知部をさらに備える、
    請求項3からのいずれか1項に記載の劣化検知装置。
  9. 劣化検知装置による劣化検知方法であって、
    発電用の風車に沿って敷設された光ファイバに対しパルス光を送信するとともに、前記光ファイバから前記風車の振動を示す情報を含む光信号を受信する通信ステップと、
    前記光信号に含まれる前記風車の振動を示す情報に基づいて前記風車の劣化を検知する検知ステップと、
    を含み、
    前記光ファイバは、前記風車以外の部分では、前記風車に接続された送電ケーブルに沿って敷設されている、
    劣化検知方法。
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