洋上風力発電普及のための風車ブレード雷撃損傷痕可視化手法の開発

为了推广海上风力发电，开发风力涡轮机叶片雷击损伤可视化方法

• 批准号: 22K04571
• 负责人: 藤本 修平
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04571/
• 关键词: 洋上風力発電; 風車ブレード; 落雷損傷; 損傷検知; 可視化技術; 保守管理; サーモクロミック; グリーン関数

本研究は，洋上風力発電の稼働率に重大な悪影響を及ぼすことが危惧されている，風車ブレードの落雷損傷を迅速に検知するための可視化技術の開発を目的としている．2022年度には主として理論的基礎検討や可視化用塗料の試作を実施した．理論的基礎検討では，風車ブレード上へ落雷があった場合に生じるジュール発熱が（ブレード表面上を）周囲に伝播していく現象を簡易的な物理モデルを用いて表すことを考えた．ブレード表面上への雷撃による瞬間的な熱の発生を，局所的かつ局時的に熱量が与えられるものとモデル化した．具体的にはブレード上のある位置に空間的にも時間的にもピンポイントで熱が発生し，その後はその熱が周囲に伝わっていく状況を考えた．このとき熱発生時刻以降のブレード上の各位置（熱発生箇所を中心とした同心円状）での温度分布は，2次元熱伝導方程式のグリーン関数として与えられる．過去（本科研費研究の実施以前）に実施した模擬雷撃実験時に計測した模擬雷撃による強化プラスチック平板上の熱発生および周囲への熱伝導の結果を用いて理論モデルを検証した．検証用の（過去の）実験データは，サーモグラフィで計測したプラスチック平板の表面温度分布の時間的な変化である．検討の結果，理論モデルと実験データはよく一致しており，理論モデルの妥当性が確認できた．また，模擬雷撃実験の結果を実際のブレード落雷現象にまで拡張して考えていくための基礎として，次元解析による（現象を支配する）無次元パラメータを算出した．可視化用塗料の試作では，不可逆性の感温変色色素（一定以上の温度になると色素が変色し，常温にもどった後も変色は維持される色素）をFRP成型用のゲルコートに混ぜ込み，FRP製風車ブレードに施工できる材料を検討した．以上の成果に基づき，2023年度は模擬雷撃実験や可視化用塗料の耐久性実験などを実施する予定である．

这项研究旨在开发可视化技术，以快速检测到风力涡轮机叶片的雷电损害，这肯定会对海上风能发电率产生严重的不利影响。在2022财年，我们主要进行了理论基础检查和原型可视化油漆。在理论基础研究中，我们考虑使用一个简单的物理模型来表达当闪电敲击在绕过的风力涡轮机刀片上（在刀片表面上）时产生的焦耳热的现象。由叶片表面上的雷击引起的瞬时产生的热量被建模为局部，并局部施加热量。具体而言，我们考虑了在空间和时间上都在刀片上的一定位置生成热的情况，然后将热量传播到周围区域。此时，在给热产生时间后，刀片上每个位置的温度分布（围绕热量产生位置的同心圆）作为二维热传导方程的绿色功能。使用热量产生和热传导的结果验证了理论模型，以在过去进行的模拟雷击实验中测得的增强塑料板的周围（在实施主要科学研究研究之前）。用于验证的（过去）实验数据是通过热量计学测量的塑料板的表面温度分布的时间变化。调查的结果是，理论模型和实验数据非常吻合，并确认了理论模型的有效性。此外，通过维度分析，计算了将模拟闪电实验扩展到实际叶片闪电现象的基础，无量纲参数（主导现象）。在可视化油漆的原型中，不可逆的温度敏感性变色色素（当温度超过一定水平时变色的染料，即使在返回室温后，也将其变色）被混合成凝胶涂层，以进行FRP造型，并检查可将其应用于FRP风能的材料。基于上述结果，我们计划在2023财年中进行模拟的雷击实验和可视化油漆的耐用性实验。