JP2008501883A - 受風帯係数及び寸法の変更による風力タービンの電力制御 - Google Patents

Abstract

電力係数及び受風帯寸法の能動的かつ動的な変更による風力タービンの出力電力の制御システムが記述されている。風速が小さいとき、上記タービンは最大受風帯領域及び高出力係数で動作する。風速が大きいとき、ピッチ制御にて補完されたブレードセグメント（Ｓ）の動的な位置決めにより、受風帯領域（Ａ）及び電力係数の縮小がなされる。上記システムは、風力タービンによる電気エネルギーの年間の生成を増加することを目的とする。

Description

本書は、異なる風速の状態下に風力タービンがあるとき、電力係数及び受風帯寸法の能動的な及び動的な変更により、風力タービンの出力電力を制御する新しいシステムの特許を述べている。

上記システムは、タービンの電力制御が要求されるいずれの分野でも使用可能であるが、応用の主な分野は、風力タービンによる電力発電である。そのようなタービンの寸法及び速度は、上記システムを実行するのを技術的に容易にし、追加された複雑さは、風から引き出された増加エネルギーにより補償される。

過去の数十年間、風速の高い変化性に対処する幾つかの制御システムが提案されている。我々は、それらを２つのカテゴリー、つまり能動的な及び受動的なシステムに分類することができる。受動的なカテゴリーでは、ストール制御が広く適用される。制御された受動的なストールで、風力タービンは、固定角度にてハブにボルト止めされたローターブレードを有する。

しかしながら、ローターブレードの側面の幾何学的形状は、瞬間風速が非常に大きくなることを確実にするように空力的に設計されており、このことは、風に面しないローターブレードの側面に乱流を生成する。このストールは、ローターブレードの上昇力がローターに作用するのを妨げる。ストール制御の基本的なメリットは、ローター自身に動作部分を避け、及び複雑な制御システムを避けることである。一方、ストール制御は、非常に複雑な空力設計上の問題、及び風力タービン全体の構造力学における関連の設計の挑戦を意味する。よって、受動的なストール出力制御メカニズムに代えて、大きな風力タービンの数を増やすことが積極的に開発されている。しかしながら、多分今日、大きなタービン用に広く使用される能動的なシステムのほとんどは、ピッチ制御である。出力電力は、ローターブレードのアタック角度により調整される。ローターブレードは、（傾斜するために）その長手軸を回転して、それらの表面上への風力を減じたり増したりする。

提案する技術は、能動的な制御システムである。しかしながら、ピッチ又はフラップにて空力学を制御する代わりに、上記システムは、別の基本的なパラメータ、つまり受風面積にてそれらの力の組み合わせを制御する。風力タービンの出力電力は、以下の式により、非常に簡単な形態にて書くことができる。

Ｐ＝Ｃｐ＊Ａ＊Ｖ^∧３

ここで、Ｃｐは、空力学効率に関する全体の電力係数であり、Ａは、ロータの受風面積であり、Ｖは風速である。現在運転中のシステムは、電力係数Ｃｐを変化させることで出力電力を制御することを意図するが、提案するシステムは、Ｃｐ及びＡの両方を積極的に制御することを意図する。

図１において、ロータブレードは、４つのブレードセグメントＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４により構成されている。各セグメントは、特有の受風帯面積Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４を有する。各セグメントは、特有の形状を有し、よって、それらは異なる電力係数Ｃｐ_１、Ｃｐ_２、Ｃｐ_３、Ｃｐ_４を有する。よって風力タービンの出力電力は、以下にて表すことができる。

Ｐ＝（Ｃｐ_１＊Ａ１＋Ｃｐ_２＊Ａ２＋Ｃｐ_３＊Ａ３＋Ｃｐ_４＊Ａ４）＊Ｖ^∧３

一つのセグメントがその位置を変化させた場合、回転中心までの距離に依存する、それに特有の受風帯面積に変化が生じる。又、他の面積においても寸法が変化する。例えば、セグメントＳ３が中心に近づいたならば、帯面積Ａ３により侵略される面積Ａ２の減少が生じ、Ｓ３及びＳ４の相対的な位置が一定に維持されるならば、帯面積Ａ４が減少する。よって、受風帯面積の合計は減少し、これにより風力タービンの出力電力は、以前よりも少なくなる。

これは、出力電力を制御する強力な方法であるが、提案するシステムは、まだ別の方法を有する。上述の例において、他のセグメント（例えばＳ４）が、Ｓ３が中央へ動く量と同じ量にて中央へＳ３の方へ移動することを想定する。一つの移動は、受風帯面積の一方及び総計が変化しないことを補償する。又、風力タービンの全部のロータ直径が同一であることを維持するが、風力タービンの出力電力は変化する。受風帯面積を異なって配分することもある。全受風面積が変化せず、出力電力の変化があれば、それは全部の電力係数Ｃｐの変化を意味する。さらに、セグメントが隣接する他の受風帯面積に移動するとき、新しい電力係数を有する結合帯（merging band）が現れる。

この係数のより直接的な変化は、いずれかの特別のブレードセグメント、又は一群のセグメントに、ピッチ制御を適用して実行可能である。考慮すべきことは、第１のセグメント（Ｓ１）のピッチが次のセグメント（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）のピッチに影響を与えることである。第２のセグメント（Ｓ２）のピッチは、その次のセグメント（Ｓ３、Ｓ４）等に影響を与える。別に考慮すべきことは、あるセグメントのピッチ角度は、形状幾何学により、いくつかの位置に関して非常に限られた範囲を有するということである。そして最後に、上記係数は、いくつかの負の受風帯面積を全出力電力に加えて、負の値にまで達することができる。

受風帯の寸法変化は、動的なセグメント対によりなされる。動的なペアは、２種類のセグメント、つまりカバーセグメント(covering segment)及び取消可能セグメント（cancelable segment）により構成される。図１のブレードは、３つの動的なペア、つまりＤ１、Ｄ２、Ｄ３を有する。第１の動的なペアにおいて、Ｓ２はカバーセグメントであり、Ｓ１は取消可能セグメントである。第２の動的なペアにおいて、Ｓ３はカバーセグメントであり、Ｓ２は取消可能セグメントである。最後に、第３の動的なペアにおいて、Ｓ４はカバーセグメントであり、Ｓ３は取消可能セグメントである。カバーセグメントは、風が来る位置にいる観測者が他方のセグメントに対して前方に見るセグメントである。それは、それらの相対的なサイズについてのいずれのものごとを意味しない。実際に、最後のセグメントＳ４は、第３の動的なペア（Ｄ３）ではカバーセグメントであり、図１に示すように、それは、そのパートナーの取消可能セグメントＳ３よりも小さい。動的なペアにおいて、どちらがカバーセグメントでどちらが取消可能セグメントであるかは、タービンの空力学設計に依存し、それらの相対的なサイズ、及び全ての方向におけるそれら間の相対的な距離と同様に、自由に選択可能である。図２には、選択された例として、動的なペアの分配とともに、気流方向（Ｆ１）に関してセグメントの得られた間隔位置が示されている。

動的なペアの受風帯面積の合計の減少は、ペアの他方のセグメント上で一方のセグメントを滑動させることにより得られる。それは結合帯を増加させる。一方、受風帯面積の合計の増加は、結合帯を減少させることにより得られる。重要な考察は、正味の空力学を最適化するためにセグメントは、通常、翼の形状とともにブレードの部分であるが、しかしそれらは時々むしろ支持構造材であり、それらの形状又は外側カバーは、気流への妨害を低くするように設計されるということである。

セグメント間の相対的な移動は、モータ又はアクチュエータによって行なわれる。通常、このルールに合わないいくつかの種類の実施形態があるが、セグメントの各動的ペアに関し、一つの双方向（２方向）アクチュエータが存在する。モータ及びアクチュエータは、他の動的なセグメント対と無関係に制御される。したがって、それらは、いかなる時間にあっても異なる相対的な位置を有することができた。これに対し、セグメントの相対的な位置に関連したシステムの重要な特徴がある。つまり、インターブレードセグメント協調制御である。２つ以上のブレードを有する風力タービンに関し、一つのブレードのセグメントの受風帯面積は、他のブレードの受風帯面積と結合される。もしいずれのセグメントの相対的な位置が独立して制御されるならば、異なるブレードのセグメントの位置の組み合わせによって全システムの出力電力を最適化することは可能である。さらに、この制御は、発振を補償するため、ロータの重心又は空力学の分配を動的に修正可能なように強力にすることができる。

現状の電力制御システムと比較して、受風帯係数及び寸法による、提案する制御は、例えば以下のような幾つかの長所を有する。即ち、
−風力タービンは、最大の受風帯面積及び電力係数にて、低風速にて動作に入ることができる、
−風力タービンは、高い空力学に耐える位置にて、より速い風速までセグメントでフル発電を維持可能である、
−空力設計は、特定の風速での動作のためブレードのセグメント毎に、及び他のセグメントと調整して改善可能である、
−インターブレードセグメント協調制御は、いずれの風速でもタービンの出力電力をさらに最適化可能である。

したがって、特定の場所に設置され決められた電力の風力タービンに関し、これらの利点の集合は、以前のシステムよりも高い電気エネルギーの推定年間生産量につながる。

他の相補的な利点は、ロジスティック及び安全に関する。したがって、セグメントに分けられたロータは、最小寸法に収縮されたとき、輸送用により少ないスペースですむ。この減少された寸法は、また、重要な利点を提供する。即ち、受風帯係数及び寸法制御を有する風力タービンは、他のタイプのタービンよりもより強風に耐えることができる。

好ましい実施形態の説明
当該システムは、一つのブレードに適用することができ、並びに、２又は他の数のブレードにおけるタービンにも適用することができる。図３は、一つのブレードと、３つのブレードとの間のハイブリッドの風力タービンを図示している。主ブレードは、受風帯面積Ａ１、Ａ２をそれぞれ有する２つのセグメントＳ１、Ｓ２を有する。それらは、セグメントＳ１上を滑動するカバーセグメントＳ２を有する動的な一対のセグメントを形成する。Ｓ１は、むしろ低空気抵抗の形状を有する支持構造材である。その動作は、セグメントＳ１への、又は他の位置での、セグメントＳ２の連結構造において、力を伝達するためのケーブルを有する電気モータによって生成される。セグメントＳ１は、支持構造材として、並びに移動ガイドとしても作用する。電気モータの回転は、上記ガイドにより直線運動に変換される。したがって、セグメントＳ２は、上記ガイドに沿って移動する。他の代案は、電気的な線形のアクチュエータ又は油圧で、並びに、空気シリンダをも用いている。これらの場合では、アクチュエータは、セグメントＳ１に沿って存在する。アクチュエータの移動ヘッドは、セグメントＳ２の連結構造に取り付けられる。アクチュエータは、出力電子駆動回路又は流体バルブを有し、風力タービンの出力電力制御システムからの命令を受信する。上記制御システムは、他のいくつかの信号中に、風速、生成された電力、セグメント及びブレードの角度とともに位置により、上記命令を送る。

低風速では、発電は、受風帯Ａ２により支配される。高風速では、他のブレードＢ２、Ｂ３を加えて、セグメントＳ１、Ｓ２の組み合わせによる受風結合帯が存在する。それらのブレードは、単にピッチ制御を有し、高風速での動作用に特に設計され、より小さいものである。それらはまた、安定性を補償するために動作し重要な役割を果たす。

最後に、図３には、全体的な補償及び相補的な支持構造Ｍ１を示す。

この明細書内で用いられる用語は、それらのより広い解釈を制限するものではない。本発明の本質が変更されない限り、要素の材料、形態及び配置は、変更可能である。

図１は、４つのセグメントで、それぞれの受風帯面積が１００％である３つの動的ペアでのタービンブレードを示している。 図２は、気流に垂直な視点から見た同じタービンブレードで、その規定値の約５０％、４０％、３０％及び６０％の受風帯面積を有するタービンブレードを示している。 図３は、セグメントの動的ペア及び２つの追加の標準ブレードを有する主ブレードのタービンを図示している。

Claims (2)

1. 電力係数及び受風帯寸法の能動及び動的な変化による風力タービンの出力制御であって、
   複数のセグメント（Ｓ）を有する少なくとも一つのタービンブレードを備え、
   上記複数のセグメントは、セグメント（Ｓ）の全ての寸法の相対的な大きさに制限が無い状態で、セグメントの少なくとも一つの動的ペア（Ｄ）を形成して分類され、かつ風力タービン制御システムの命令に従い上記ペアの一つのセグメントが上記ペアの他のセグメント上を活動することを特徴とする、
   風力タービンの出力制御。
2. 複数のセグメント及びブレードはピッチ制御機構を有する、請求項１記載の風力タービンの出力制御。

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