JP2005519235A

JP2005519235A - 複数の回転翼を備えた風力タービン

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Publication number: JP2005519235A
Application number: JP2003574989A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・イー・ヘロニマス
Original assignee: OCEAN WIND ENERGY SYSTEMS Inc
Current assignee: OCEAN WIND ENERGY SYSTEMS Inc
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2005-06-30
Also published as: AU2003228232A8; WO2003076801A3; WO2003076801A2; ATE480710T1; DK1483501T3; US20030170123A1; US20050019163A1; WO2003076801B1; EP1483501A2; EP1483501B1; DE60334080D1; AU2003228232A1; US6749399B2; ES2351966T3

Abstract

種々の高さに配置された回転翼の配列を備えた風力タービン。各回転翼がその位置される高さに最適化されている。各回転翼の最適化は定格電力、堅固性、先端速度、羽根のテーパー、または回転翼直径の選択を含んでもよい。各回転翼は、それが経験する風速に最適化されて動作可能である。最適化された運用パラメータは羽根のピッチ角または回転翼速度を含んでもよい。

Description

本発明は風力タービン発電機の分野に関する。本発明は特にシステム全体の経済性を改良するために個々に最適化された、１基のタワー上の複数の風力タービン回転翼の配置に関する。

近年、風力タービンは発電のため普及している。世界中に設置された風力タービンの累積容量は、過去１０年間、年間約３２％の割合で増加した。２００１年の終わり時点で、世界中の複数の風力タービンの設置された全部の容量は合計が２００００ＭＷを超える。この産業の将来に成長見込みは明るいが、成長するマーケットのために風力タービン経済性は改良し続けねばならない。現在の風力タービン技術からの経済的利得の将来性が抑制されている兆候がある。

近年、風力タービンの市場が成長すると共にタービンの大きさも増加した。図１は、過去１５年以上の間、ヨーロッパに設置されてきた複数の最先端の風力タービンの典型的な回転翼の直径および定格電力を示す。大部分の風力タービン製造業者は、最近、６６ｍから８０ｍの回転翼直径を備えた、１．５ＭＷから２．５ＭＷの範囲のタービン設計を導入してきた。複数のさらに大きなタービンが、大部分の風力タービン製造業者の計画の段階である。より大きなタービンへの流行は、技術的および経済的改良により部分的には後押しされたが、大部分は、市場の要求により後押しされた。より大きな風力タービンは、主に複数のより大きな機械のより高いタワーの高さにより、より小さい設計よりもより生産力を有することが分かった。また、大きなタービンを支持する規模の経済性がある。より大きなタービンにより増加しない、道路建設、プロジェクト計画、監視制御データ収集システム（ＳＣＡＤＡ）、および運用保守に関連する固定費があるからである。しかし、大きなタービンも、より小さな機械より著しく高価で、規模の経済性は、数メガワット規模の風力タービンへの流行を完全には説明していない。プロジェクトデベロッパーは、少なくとも部分的には認識の問題のために、より大きな風力タービンを要求した。人口密度が合衆国と比較して相対的に高いヨーロッパでは、多数の小さなタービンと比較して少数の大きなタービンの許可を得ることはより簡単である。また、風力タービンが沖合に設置されるので、非常に大きなタービンの使用に対して市場が成長している。

風力タービンの大きさが増すにつれて、風力エネルギーの経済性に不利に影響し、場合によってはタービンの大きさの抑制につながりうる技術的問題がある。基本設計原則は、上記タービンの重量が上記回転翼直径の約３乗で増加することを示す。システムの費用は一般的に上記タービンの重量に比例するので、上記タービンの費用は回転翼直径の約３乗で増加する。上記タービンの重量および費用は、回転翼の直径の２乗で増加するエネルギー取得よりも早く増加する。比較的小さなタービンの大きさでは、タービンの重量および費用の増加よりも重要な他の規模の経済性があるが、大きさの点で約１メガワットを超えるタービンでは規模の経済性が重要である。

大きな風力タービンのもつもう１つの問題は羽根の撓みである。風力タービンの回転翼は、上記羽根が上記タワーの方向の風下に曲がるように、典型的には上記タワーの風上を向いている。タービンの設計者は、上記羽根が上記タワーに衝突し、その結果壊滅的な故障を引き起こさないように注意しなければならない。材料の弾性係数に断面の慣性モーメントを掛けて定義される羽根の剛性すなわちＥＩは、羽根が長くなるにつれて増加する。しかし、撓みの原因となる負荷もより長い羽根では増加する。もし、全ての羽根の寸法、羽根の長さに比例されると、ＥＩは羽根の長さの４乗で増加する一方で、曲げモーメントは羽根の長さの３乗で増加する。これはより長い羽根のより少ない撓みにつながる。しかし、より大きな回転翼において、羽根の翼弦線および厚みが羽根の長さに比較して小さくなるように、工作機械、羽根の重量、材料費用などの実際の検討材料が設計を制約する。これは大きな回転翼にとって高いアスペクト比と低い弦節比の原因となる。上記低い弦節比は優れた空力的性能のためのより速い先端速度を必要とし、上記より速い先端速度は、羽根の撓みを減らす上記羽根の遠心剛性を増加した材料につながる。しかし、騒音の問題が、とても大きい回転翼の遠心剛性が少なくなるように先端速度を抑制する傾向がある。それ故撓みはとても大きな回転翼の設計要因となる。羽根の撓みは、風力タービンのナセルを大きく上に傾けることにより和らげられる。しかし、風力タービンの設計者は、タワーの衝突を避けるために、既に大きい（７°）上への傾け、および負のコーニング（斜角）を使用している。いくつかの羽根は、効果的な負のコーニングさえ組み込んで、湾曲して造られている。羽根の撓みへのこれらの全ては、とても大きい風力タービン回転翼にとって設計基準を限定している。

とても大きな回転翼に関するもう１つの問題は、各羽根に材料問題につながりうる多量の複合材料があることである。統計的に、小さな羽根よりも大きな羽根に欠陥が存在する確率が高い。もし欠陥が羽根の中に作られると、その欠陥は増殖してクラックになり、クラックは結果として羽根の故障につながる。羽根の積層体の厚みが増加すると、材料のひびを検出するのはますます難しくなる。それ故、とても大きな風力タービンの羽根は、多数の小さな羽根よりもより統計的に高い故障の可能性をもつ。

とても大きな風力タービンのもう１つの問題は、輸送の手配および設置の手配である。数メガワットの風力タービンに使用される羽根の長さは、道路の許容能力を超えうる。また、大きな回転翼を支えるために必要なタワーの高さは、容易に入手可能なクレーンの高さを超える。

現在開発中または市販されている大きな風力タービンにより経験されるもう１つの問題は、回転翼がとても大きいので、回転翼は、回転翼の一端からもう一端への風速の大きな差を経験する。中西部での０．４０の垂直風力剪断指数が測定されていて、これは、もし上記タービンが６５ｍのタワー上に取り付けられると、７０ｍの回転翼を横切る風速は下部と上部で６２％異なる。風の負荷の変化はさらに深刻である。なぜなら負荷は、一般的に、風速の２乗に比例するからである。ある例では、回転翼の上部の風による曲げ負荷は、回転翼の下部の風による曲げ負荷よりも２６２％高い。各羽根がこの剪断領域を進むので、極度の疲労負荷条件にさらされる。エネルギーの立場からはこれらはさらに悪い。風のエネルギーは風速の３乗に比例し、これは回転翼の下部の風のエネルギー成分よりも回転翼の上部の風のエネルギー成分が４２５％多い。

全ての羽根が同じ回転速度と同じピッチ角をもつので、回転翼全体は、上記回転翼全体に「当たる」平均の風について最適化されねばならない。回転翼の中央の風速で最良に動作する上記回転速度および上記ピッチ角は、上部および下部の上記回転翼の部分では全く適切に動作できない。それ故少なくとも一部の上記回転翼は、風のシャーが存在する時はいつも準最適状態で運用される。この問題はタービンの回転翼直径が長くなるにつれて悪くなる。

回転翼の各部での異なる風速の問題は、また、与えられた場所での適切にタービンを選択することのための負の意味をもつ。風力タービン製造業者は、一般的に、与えられた電力定格用に対してある範囲の回転翼直径、または、逆に与えられた回転翼直径に対してある範囲の電力定格を備えた装置を提供する。例えば７５０ｋＷのタービンは、高速の風、中速の風、または低速の風の場所用にそれぞれ４６ｍ、４８ｍ、または５０ｍの回転翼のオプションを付けて販売できる。逆に会社は、回転翼の固定された大きさを備えたタービン用の種々の電力定格を備えた種々のパワートレインおよび発電機を提供できる。例えば、４８ｍの回転翼を備えた風力タービンが、低速の風、中速の風、または高速の風用にそれぞれ６００ｋＷ、７００ｋＷまたは８００ｋＷのタービンとして販売できる。風力タービンの回転翼がとても大きくなった時、電力定格を調整することおよび回転翼の直径をその場所に合わせるために調整することはより難しくなる。７０ｍの回転翼直径を備えたタービンは、上記回転翼の下端部で６ｍ／ｓ、ハブの高さで８ｍ／ｓ、および上記回転翼の上端部で１０ｍ／ｓの年間平均風速を経験しうる。上記回転翼の下端部の年間平均風速に基づくと上記タービンは低速の風の場所用に最適化すべきであり、ハブの高さの年間平均風速に基づくと、上記タービンは中速の風の場所用に最適化すべきであり、上記回転翼の上端部の年間平均風速に基づくと、上記タービンは高速の風の場所用に最適化すべきである。どの回転翼が選択されても回転翼の回転領域全体には最適化されない。

風力タービンがとても大きくなると、解決される必要のある数個の問題がある。第１に、上記タービンの重量および費用が、とても大きな回転翼の直径とは不釣り合いに増加する。より小さなタービン設計と同程度の、回転翼の掃引単位面積あたりの重量を備えた、数メガワットの風力タービンを提供することが望ましい。第２に、羽根の撓みが問題になり、とても大きな風力タービンの回転翼設計を制限する。羽根の撓みが問題でない数メガワットの風力タービンを提供することが望ましい。第３に、大きな風力タービンの回転翼は、より小さな風力タービンと比較して羽根の材料欠陥の統計的確率がより大きくなる。材料欠陥のより高い統計的確率につながる、羽根の付け根に大量の材料を必要としない数メガワットの風力タービンを供給することが望ましい。第４に、輸送および建設の手配が複数のとても大きな風力タービンにとって問題となる。容易に輸送および組み立て可能なように、大量の羽根および他の部品を使用しない数メガワットの風力タービンを提供することが望ましい。第５に、少なくとも回転翼の一部が、少なくとも回転翼の一部が、経験している風速に対して準最適状態で動作するように、大きな風力タービンが、回転翼にそって多くの風速変化を経験する。全体の回転翼領域が、それが「当たる」風速に対して最適化された数メガワットの風力タービンを提供することが望ましい。
米国特許第６，０６８，４４６号米国特許第５，５６２，４２０号米国特許第５，４１７，５４８号

従来の大きな回転翼をもった風力タービンは、背景技術に記載した問題がある。

本発明は、従来技術の風力タービンの複数の問題を、１基のタワーに取り付けられた複数のより小さな回転翼を利用することにより解決する。上記回転翼がそれぞれ異なる風速に「当たる」ように上記回転翼はタワー上の種々の高さに位置する。従って各回転翼はそこでの風速に最適化される。

個々の回転翼は、複数の小さな回転翼の重量および費用の合計が１基の大きな回転翼の重量および費用よりも少ないという点で、１基の大きな回転翼よりも費用効率が高い。さらに、複数の回転翼が１基のタワーに取り付けられているので、１基の土台、１本アクセス道路、および１本の電気的接続のみが必要とされ、その結果、個々のタワー上の複数のより小さなタービンよりも費用が節約できる。それ故、本発明のタービンは、とても大きなタービンにより得られる規模の経済性を提供するが、大きな回転翼の欠点を避けることもできる。

本発明のもう１つの効果は、複数の回転翼の各々がそれらの個々の風の型に最適化されていることである。各回転翼はその掃引領域に関連する固有の電力定格をもつことができる。この方法で、羽根、ハブ、ピッチアセンブリ、および主軸受けは全ての回転翼において同様であり、予備の部品として交換可能である。しかし、各回転翼の動力伝達および発電機は独特である。各回転翼用に最適化可能な他のパラメータは回転翼の堅固性および先端速度を含むが、もし回転翼が交換可能であるべきならば、上記堅固性は複数の回転翼の間で一致せねばならない。一般的に回転翼は、タワーの最上部へ向ってより高電力定格、より高先端速度、および随意であるが、より低堅固性をもつ。これは、各回転翼に、回転翼が「当たる」風力資源に関して、風から取り出すことの可能なエネルギーの最大量の抽出を可能にする。複数のより小さな回転翼から抽出されるエネルギーは、１基の大きな回転翼から抽出されるエネルギーよりも多い。なぜなら、小さな回転翼はそれぞれその回転翼固有の風力資源に対してより良く調整されるからである。

回転翼の各々は局所的風速（回転翼が影響を受ける）に対して個々に制御される。制御パラメータはカットイン、カットアウト、回転翼速度、および羽根ピッチ角を含んでもよい。各回転翼を個々に制御することにより、上記回転翼が当たる平均風速に基づいて、１基の大きな回転翼を制御することに比較してより高い全体の効率性を達成可能である。最大効率を維持するために、各回転翼は適切な回転翼速度および羽根ピッチ角になるように制御される。これは、下部の回転翼から上部の回転翼までが経験する風速の全体範囲に関し、この全体システムを最大効率で動作可能にする。反対に、１基の大きな回転翼は、ある高さのある風速に関し最大効率で動作するよう制御可能であるのみで、回転翼の多くは低効率で動作する。

本発明は、使用可能性およびメンテナンスの点でさらに利点をもつ。とても大きな風力タービンが稼働中に故障すると全発電量が失われる。対照的に、本発明の回転翼の１基が故障してオフラインになっても、結果として全出力の小部分のみの損失ですむ。例えば、もし１．５ＭＷの風力タービンが、ヒューズの飛びまたはある他の比較的軽微な故障を経験すると、全タービンが遮断され、１．５ＭＷの電力生産の損失が生じる。本発明による比較可能な風力タービンシステムは、各回転翼のハブの高さが垂直配置で、各々１００、２００、３００、または４００ｋＷの出力を備えた１５の回転翼を含むことができる。最上部の回転翼でヒューズまたは他の重要でない部品が故障しても、損失出力は４００ｋＷのみであり、上記システムは３９００ｋＷの全システム定格電力のうち３５００ｋＷを発電し続けられる。

メンテナンスの観点からすれば、本発明の多数の小さな回転翼は、複数の風力タービンのオペレータに予備の部品のより完全な選択を備えておくことを可能にする。例えば、もしオペレータが１．５ＭＷの各定格の２０のタービンから成る３０ＭＷの風力発電施設の責任者とすると、そのオペレータは予備の羽根、発電機またはギアボックスを手持ちで備えていそうにない。もしこれらの部品の１つが故障を経験すると、上記オペレータはその故障したタービンのタービン製造業者がもう１つの部品を提供するのを待たねばならず、タービンは数週間遮断されるかもしれない。それに反して、もしオペレータが本発明による２０のタービンからなる３０ＭＷの風力発電施設の責任者で、各タービンが各々１００ｋＷから４００ｋｗの定格の１５の回転翼をもつとすると、上記オペレータは全体で３００組の運転中の羽根、発電機、およびギアボックスをもつ。上記オペレータは１組の手持ちの予備部品をもつことはより容易に正当化できる。なぜなら、風力発電施設の全体の費用に関連して、上記１組の予備部品の費用はより低いからである。

本発明のもう１つのメンテナンスの利点は、従来技術のタービンが必要とするような大きなクレーンを必要としないことである。１．５ＭＷから２ＭＷの大きさの範囲の今日立てられる複数のタービンは、移動するのにとても費用のかかる５００トン以上の処理能力をもった複数のクレーンを必要とする。比較して、本発明の風力タービン上の小さな回転翼は、地元で入手可能で低料金で移動可能なより小さなクレーンを使用して持ち上げ可能である。もしの風力タービン回転翼の各配列がブームクレーンを含むならば、メンテナンスはさらに容易にすることができる。上記ブームクレーンはタワーの最上部に位置でき、別のクレーンの補助なしにいずれの回転翼をも取り外しおよび取り替え可能である。

以下、添付の図を参照して発明の実施の形態を説明する。

図２は従来技術による風力タービンを示す。上記タービンは１組の羽根２、１本のハブ４、１基のナセル６、および１基のタワー８を含む。従来のタービンは任意の数の羽根２を含むが、３枚羽根が最も一般的な構成である。上記複数の羽根２は、風上が最も一般的で最も効率的な構成であるけれども、タワー８の風上または風下に向けることが可能である。ナセル６が風向に並ぶように、ヨーシステムは上記ナセル６および上記タワー８の間の回転を可能にするために設けられる。回転翼の直径は羽根２の長さの２倍プラスハブ４の直径として定められる。市販の風力タービンの典型的な回転翼直径は、過去１５年から２０年の間に著しく長くなった。１９８０年代の中頃、市販の風力タービンは約２０メートルの回転翼直径と約１００ｋＷの電力定格をもっていた。２００１年にはドイツで設置された風力タービンの平均的な大きさは１２８４ｋＷであって、アメリカ合衆国の市場は、２００１年には、同様の大きさのタービンを利用していた。より大きなタービンへのこの傾向は継続していて、いつ製造業者が風力タービン設計の大きさの増大を止めるのか明らかでない。

風力タービンの回転翼がより大きなサイズになるにつれて、経済性は逆に影響する。上記タービンの上記複数の羽根２、上記１本のハブ４、および他の部品の重量と費用は、回転翼の直径の３乗に比例する。しかし、回転翼の掃引エリア、つまりエネルギー取得は回転翼の直径の２乗に比例するのみである。それ故、回転翼がより大きくなるにつれて生産されるエネルギーはより高価になる。より大きなタービンにとっていくらかの規模の経済性はある。例えば減少した土台の数および複数のタービンを相互接続するのに必要な電気ケーブルの量などである。しかし、約７５０ｋＷから１ＭＷを超えるタービンにとっては、これらの規模の経済性より勝る。風力タービンの市場では、ヨーロッパでの景観配慮の関心のためにおよび沖合の風力プロジェクトの可能性のためにますます大きな機械が要求されている。この沖合の風力プロジェクトでは固定費がより高く、規模の経済性がより大きなタービンを決定づける。風力タービンが増大し続けるにつれて、その経済性は逆に影響を受けやすい。

図３は本発明の風力タービンの第１の好ましい実施の形態を示す。風力タービンはタワーの種々の高さに取り付けられた複数の回転翼１２を備えたタワー１０を含む。各回転翼１２は支持構造１４で上記タワー１０に取り付けられる。上記タワー１０はチューブ状のタワーとして示されているが、トラス構造型のタワーも動作可能である。上記支持構造１４はトラス構造として示されているが、任意の適切な構造支持も同様に動作し、上記支持構造１４はチューブ状のモノコック型構造であってもよい。上記支持構造１４の１つの重要な点は、回転翼１２を通る風流に対し負に影響してはならないことである。それ故、支持構造１４が比較的小さな側面に維持され、その支持構造１４に使用されている部材が空力的に効率的な形状をもつことが好ましい。

各回転翼１２は、支持構造１４により支えられたナセル１６、上記ナセル１６内に位置される回転翼の主軸に取り付けられたハブ１８、および上記ハブ１８のところで回転するためにハブ１８に取り付けられた複数の羽根２０からなる。回転翼１２の２つの異なる実施の形態が図４および図５に示されている。図４に示された実施の形態は上記ハブ１８に取り付けられた３枚の羽根２０を含み、図５に示された実施の形態は上記ハブ１８に取り付けられた２枚の羽根のみを含む。いずれも構成も十分に動作可能で、好ましい実施の形態はその用途による。例えば景観配慮が懸案事項な場所では図４に示された３枚羽根の回転翼が好まれる。沖合での使用にとっては、景観配慮の懸案事項はそれほど重要でなく、図５に示された２枚羽根の回転翼を使用することが好まれ、この実施の形態では対応する高先端速度および低堅固性も使用する。図５に示された２枚羽根のタービンは可撓性のある羽根２０またはぐらつくハブ１８で作られてもよい。上記２枚羽根２０は、一般的な風力タービン回転翼のように、好ましくはグラスファイバー複合材料構造である。その風力タービン回転翼は風力タービンの羽根における使用に適した任意の翼を使用可能である。上記翼は好ましくは特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載の翼と同様であることが望ましく、これらの文献の明細書は参照により本明細書に組み込まれている。複数の回転翼１２は電力調整のために可変ピッチ角を使用してもよいし、複数の羽根２０は失速制御を提供するよう設計されていてもよい。

本発明の風力タービンは従来技術の風力タービンとは異なるヨーイングをせねばならない。上記タワーに対して上記ナセルを回転させるより、上記タワー１０全体が回転し上記回転翼１２を風の方向へ向ける。上記タワー全体がヨーイングするために、上記タワー全体はその基礎部分でベアリングに取り付けられねばならない。上記ベアリングは上記タワーをそのタワーの土台に対して回転可能にする。好ましい実施の形態では、タワーの基礎部のベアリングは一般的なヨー軌道上に乗った台車、すなわち、重い機械の空気タイヤおよび車輪の形をとる。上記ヨー軌道は円形の形状で上記基礎の周囲に建設された舗装道路であってもよい。上記ヨーシステムは図６を参照してより詳細に記述する。

本発明の上記風力タービンの上記回転翼１２は種々の高さに配置される。図３において参照番号２２で示された上記回転翼は最下部の回転翼である。それらの上には２４で示された１列の回転翼である。回転翼２６は中央の列の回転翼である。回転翼２８は上から２番目の回転翼である。回転翼３０は図３で示された構成の最上部の回転翼である。図３において、各列２２、２４、２６、２８、３０内の上記回転翼は中央の回転翼がその外側の回転翼よりも若干高いように交互交代にされる。しかし、設計選択の問題として、各列内で全て同じ高さの３基の回転翼もつことが好ましいかもしれない。上記回転翼の他の構成と同様に、これらの２つの構成が本発明の範囲であると考えられる。

風のシャーの効果のため、各列の回転翼の異なる風速を経験する。例のためだけだが、各回転翼は直径１９ｍで当たってもよく、最下列の回転翼２２は地上３０ｍの高さに設置されてもよく、複数の上記列は、第２の列２４が地上５０ｍの高さに設置され、第３の列は地上７０ｍで、第４の列は地上９０ｍで、第５の列は地上１１０ｍであるように２０ｍごとに互いに空間をおくことが可能である。回転翼直径の大きさと間隔は設計選択の問題であるが、これらの寸法は図示した例として提供される。アメリカ中西部で計測された典型的な値の風のシャー指数０．４０にとって、風速が最下部の回転翼２２から最上部の回転翼３０まで６８％変化しうる。風の力は最下部の回転翼２２と最上部の回転翼３０との間で４７５％変化しうる。

例を挙げると、回転翼１２の最下列２２は年間平均風速６ｍ／ｓを経験できる。これらの回転翼にとって適切な電力定格は１００ｋＷかもしれない。回転翼１２の最上列３０により経験される平均年間風速は、年間平均風速１０ｍ／ｓを経験でき、３００ｋＷの定格をもつ。中間の複数の列は中間の出力レベルの定格をもつ。例えば、列２４は１５０ｋＷの定格をもちうり、列２６は２００ｋＷ、列２８は２５０ｋＷをもちうる。複数の回転翼の各列の正確な定格は特定の場所の風力特性に基づいて決定するであろう。各列の正確な電力定格の決定は当業者の能力範囲内の設計選択である。

複数の回転翼の各列用に電力定格をカスタマイズすることに加えて、本発明は他の設計パラメータを各列用に選択し、その列の高さの風速に回転翼の性能を最適化することを可能にする。例えば羽根のひねりとテーパーの程度は複数の回転翼の各列用に選択可能である。また、回転翼の堅固性および先端速度は列ごとに変更可能である。各列で使用される翼の型さえその列の回転翼をその列の高さの風速に最適化するよう選択可能である。

各列の回転翼の空力的性能をその高さでの風速に最適化するのに加えて、複数の回転翼の各高さにおける構造強度はそれらの回転翼が経験する風速用にも設計されねばならない。最上列３０は最高風速を経験し、その列の複数の回転翼は最も重くかつ最も強度があらねばならない。最下列２２は最低風速を経験し、その列の複数の回転翼は最上列よりも実質的に軽量に設計可能である。中間の列の強度は各列の高さの風速に適して設計されるべきである。各列の複数の回転翼の強度は、単純にさらに材料を加えることにより（すなわち複数の羽根にさらにガラスの層を、およびシャフトとギアボックスにさらに鋼鉄を）、または異なる材料を使用することにより（すなわち上部の列の複数の羽根に炭素繊維を加えることにより）調整できる。

各列の回転翼の性能を最適化するために、例えば電力定格、堅固性、先端速度、ひねり、テーパーなどの設計パラメータを選択するのに加えて、または選択する代わりに、回転翼１２はそれらの回転翼が経験する風速用に個々に調整可能である。各回転翼１２は、各瞬間の上記回転翼により経験される風速を観測するために上記回転翼のナセル１６の頂部に取り付けられた制御風力計を理想的には含む。各風力計からの信号は各回転翼の羽根のピッチ角を、および感知した風速に基づいて回転翼速度を調整するコントローラへ提供可能である。各回転翼を個々に制御することにより、例え風速が上記最下列２２から最上列３０にかけて劇的に変化しても、それらの回転翼全てが最高効率で動作可能である。個々の回転翼の制御は各回転翼に関する負荷も制御可能である。例えば、最上列の回転翼は、その最上列より低い列の回転翼の風速が定格より遅くても、定格風速を超えるのに十分速い風速を経験する可能性がある。それ故、最上列は電力調整モードで動作するであろうが、他の列は電力出力を最大化するモードで動作される。風速が十分速くて１列以上の上部の列が強風のため停止し、他の列は動作し続け、電力を生産し続ける時さえあるかもしれない。この個々の回転翼の制御は弱風状態でも同様に役立つ。なぜなら風速が、１列以上の上部の列が電力を生産し始めるのには十分速いが、下部の列にはまだ動作しだすよりは遅い時があるからである。

本発明の重大な面のひとつは、従来技術の風力タービンのナセルのみヨーイングするのとは反対に全タワー１０をヨーイングする必要性である。タワーのヨーイングを達成するいくつかの可能な方法がある。図６はタワーヨーシステムの１つの可能な実施の形態を示す。上記タワーは、土台４２に堅く取り付けられた固定された柱４０を含む。上記柱４０は、強風状態の間、上記タワーの基礎部の曲げモーメントの重要な部分を支持するのに十分な強さを備えていなければならない。回転タワー構造４４は上記固定された柱４０のまわりに集中的に配置される。回転翼支持構造１４は上記タワー構造４４へ堅く取り付けられている。タワー構造４４は固定された柱４０に対して垂直ヨー軸のまわりを回転するために取り付けられている。タワー構造４４上の負荷の水平成分はベアリング４６およびベアリング４８を通って柱４０へ伝えられる。タワー構造４４の負荷の垂直成分は台車５０を通って土台４２へ伝えられる。曲げモーメントは２つのベアリング、ベアリング４６およびベアリング４８における水平の力の間の結合を通して取り出される。

図７は下部のベアリング４６の内部を示す。上記タワー４４は８角形の形状で示されるが、円形の形状またはトラスタイプの構造をしていてもよい。上記タワー構造４４に堅固に取り付けられているのは複数の支柱５２である。各支柱５２上にローラー５４がある。上記ローラー５４は柱４０の側部を支え、その柱４０へ水平の力を伝える。上記ローラー５４の回転は上記タワー構造４４が上記柱４０のまわりを滑らかにヨーイングすることを可能にする。上記ローラー５４は好ましくは市販の空気タイヤである。上記ローラー５４の間に挟まれて複数のブレーキ装置５６がある。上記複数のブレーキ装置５６の各々は、支柱５８とブレーキパッド６０を含む。上記支柱５８は伸長性がありかつ収縮性があるように建設される。上記支柱５８の伸長性および収縮性は、水圧または空気圧のシリンダ、または他の適切なアクチュエータにより達成可能である。上記支柱５８が伸長されると上記ブレーキパッド６０が上記柱の構造４０の側部と係合する。上記ブレーキパッド６０および上記柱４０の間の摩擦は上記タワー４４のヨーイングを防ぐ。上記支柱５８が収縮されると、上記ブレーキパッドは上記柱４０の側部との接触を失い、ヨーイングが可能となる。柱４０の最上部において、上部のベアリング４８は、上部の負荷を伝える３組の上部のベアリング４８があること以外は、下部のベアリング４６と同様な構造をしている。上記下部のベアリング４６に備わった上記ブレーキ装置５６が上記下部のベアリング自体に関するヨーイングを防ぐのに十分強ければ、上記ブレーキ装置５６は最上部のベアリング４８から任意に省略できる。

図８は図６の線８−８にそった風力タービンの断面図を示す。上記上部のベアリング４８は、全部で１６本の支柱５２と１６個のローラー５４を含むことがわかる。上記上部のベアリング４８は１組のブレーキ装置５６も含むが、これらのブレーキ装置は上部のベアリングステーションで任意に省略可能である。上記上部のベアリングステーション４８において３組のベアリングがある。上記上部のベアリングステーションの追加のベアリングの組は、上記柱の最下部に比較して、上記柱４０の最上部に加わるより強い力を伝えるべきである。図８に示されているように、上記回転翼支持構造１４は上記回転翼１２を適切な位置で支持するトラス構造である。代わりに、上記支持構造１４は管状のモノコック構造であってよい。１基の回転翼１２は上記タワー４４の前部に位置し２基の回転翼１２はタワー４４の側部に位置する。これは中央の回転翼が側部の回転翼のある程度前にあるジグザグ配列を構成する。上記回転翼のこのジグザグ配列は、側部の回転翼を通る風の流れを増やすことにより、全システムの空力的性能を向上させる。

図９は図６の線９−９に沿った風力タービンの断面図を示す。上記下部のベアリング４６は、より少ない数のベアリングが柱４０の最下部の水平の力を伝えるのに必要とされる以外は、上記上部のベアリング４８と同様な構造をしている。図９は上記土台４２へ垂直の力を伝える上記台車５０をより詳細に示す。好ましくは上記土台４２は通常の路面と同様にアスファルト舗装された上面を含む。複数の上記台車５０はボディ５８から構成され、その各ボディ５８は上記タワー４４に取り付けられ上記タワー４４のための支持を提供する。各台車ボディは複数の車輪６０の上に支えられている。上記台車の上記車輪６０は土台４２のアスファルト舗装表面上に乗る。数の上記台車５０は、互いに連結され、円形形状の列を形成する。上記台車５０がそれらの車輪６０の上に乗っているので、タワー４４をヨーイングすることが可能となる。これはとても強く、とても単純な、そしてとても安価なヨーベアリングである。このヨーシステムは、通常の設計の大きな数メガワットの風力タービンのヨー駆動に必要な極端に大きな超精密ローラーベアリングよりかなり優れていると期待される。上記台車５０の上記ボディ５８はバラスト材料６２で満たされる。上記バラスト材料６２はコンクリートブロック、スラリー、または比較的高密度の任意の他の安価な材料であってもよい。上記台車５０内の上記バラスト材料６２の重量はタワー４４の横転モーメントに対抗する反作用モーメントを提供し、このタワー４４の横転モーメントは回転翼１２を押す力により生じる。もし十分なバラスト材料６２が上記台車５０内に提供され、台車５０の円形の列の直径が十分大きければ、上記台車５０により提供される反作用モーメントは上記タワー４４の全ての横転モーメントに耐えるのに十分であろう。もし上記横転モーメントが上記台車５０の重量により十分に反作用されなければ、上記モーメントのいくらかは柱４０上の複数のベアリング４６および４８の水平反作用力により支持される。

図１０は本発明のもう１つの実施の形態を示す。この実施の形態では、９列に配置された２７基の回転翼がある。回転翼の数が異なることに加えて、各列内の上記回転翼は高さにおいてジグザグになっていない。しかし、図３および図６に示されているように上記回転翼をジグザグにすることにより、回転翼の隙間のない配置を達成可能にする。上記回転翼の変更された配置に加えて、上記タワー構造が管状のタワーよりもトラス構造のタワーであるという点で、図１０に示された実施の形態は図６から図９に示された実施の形態とは異なる。上記回転翼１２は骨組６３により支持され、その骨組み６３は複数の伸張圧縮部材６４からできている。上記伸張圧縮部材６４の大きさ、形、数、および配置は、静的および動的負荷用の適切な支持を提供するよう設計されるべきであり、この静的および動的負荷は上記回転翼１２を働かせる。上記トラス構造のタワーの正確な詳細はここでは与えられていないが、適切なタワーの骨組みを設計する当業者の能力の範囲内である。

上記トラス構造のタワーの骨組６３は台車６６により支持されている。上記台車は構造および機能の点で図９を参照して記載した台車と同様である。上記台車６６は土台６８上の空気タイヤの上に乗っている。上記台車は骨組み６３からの力の水平成分および垂直成分の両方を支持する。図１０に示された実施の形態は中央の静止柱構造または中央のベアリングを含まないので、上記台車は横転モーメントに対する単なる反作用力も提供する。上記台車６６は横転モーメントに対する全ての反作用力を提供せねばならないので、上記台車にとって十分に重いことは重要である。

図１１は図１０に示された同じ実施の形態の上面図を示す。上記中央の回転翼が上記側部の回転翼よりもさらに前にあるように回転翼がジグザグであることがわかる。これはいくらかの空力的性能の効果を提供可能である。しかし、構造設計の考慮のためおよび他の理由のため、共通の平面に配置された全ての上記回転翼をもつことが好ましい。上記側部の回転翼はトラス伸張圧縮部材６４の翼により支持され、上記トラス伸張圧縮部材６４の翼は主骨組６３から横へ存在している。

図１２は図１０で示された同じ実施の形態の側面図を示す。複数の支持ケーブル７０が示され、それらの支持ケーブル７０はトラス骨組６３の前後から延在し、上記骨組みからの負荷を前部および後部の上記台車６６へ伝える。前部の上記支持ケーブル７０の張力は横転モーメントに対する主要な反作用力を提供する。

図１０および図１２に示されているように、上記トラス骨組６３の最上部に避雷針７２がある。上記避雷針７２は十分に高いので、全ての上記回転翼１２が避雷針の保護の円錐内にある。上記避雷針はどの近くの雷も引きつけ、電流を安全に骨組６３を通して流し、土台６８を通して地中へ流す。適切な導電体が上記骨組６３および上記土台６８の間に設けられるべきであり、適切に全システムを接地する。風力発電産業の最近の経験は、雷による被害はとても大きな風力タービンに関して重要な問題になりうることが示されている。従来技術の風力タービンは、羽根が常にタービンの一番高い部分であり、容易に雷から保護できないという制約がある。骨組構造に取り付けられた複数の小さな回転翼の使用は、避雷針を最も高い回転翼の最上部より高く位置でき、それにより小さな上記回転翼の適切な保護を与える。

図３は複数のジグザグ列の１５基の回転翼を備えた本発明の実施の形態を示し、図１０は複数のまっすぐな列の１８基の回転翼を備えた本発明の実施の形態を示す。しかし、多くの他の可能な回転翼の数および回転翼の配置の構成がある。例えば、図１３は３基の回転翼のみを備える構成を示す。図１４は８基の回転翼を備える配置である。図１５は２０基の回転翼を備える配置を示す。多くの他の構成が考え出されることが可能で、それらは全て本発明の範囲内と考えられる。回転翼の数と配置は、支持構造を設計する構造技術者の能力によってのみ限定され、その支持構造は適切に回転翼を支持し、システムのヨーイングを提供する。しかし、各構成において、各回転翼が各々経験する風速に最適化されることは重要である。

本発明のもう１つの可能な実施の形態は図１６に示されている。ここでは４つの異なる高さの列に配置された７基の回転翼がある。この回転翼の直径は、複数の各列の回転翼が各々経験する風速に最適化されるように、各列において異なる。回転翼の最下列は最低風速を経験するので、その回転翼は最も大きい。図１６に示された実施の形態では全ての回転翼の電力定格は等しいことが期待される。各列で異なる電力定格をもつタービンを備えるこの実施の形態を設計をしたいと思う人がいるかもしれないが、電力定格を全ての回転翼に関し一定にすることにより、交換可能なギアボックスおよび発電機が使用可能になる。

本発明による上記風力タービンは従来技術に対して数個の追加の利点をもっている。複数の回転翼が異なる回転速度で回転しているので構造の振動励振が１つの周波数に集中されるよりは数個の周波数に拡散される。これは構造的力学による構造的負荷を減らし、低周波疲労故障の可能性を低下させる。本発明のもう１つの利点は、容易に輸送可能であることである。とても大きなメガワット規模の風力タービンは極度に大きな羽根およびナセルをもっていて、その極度に大きな羽根およびナセルは輸送がかなり困難で費用がかかる。これは、もし部品がきついカーブの道または低い高架の遠隔地へ配達せねばならない場合、特に問題となる。本発明の個々の部品は、従来技術の風力タービンの個々の部品よりかなり小さいので、システム全体が標準的な６０フィートの海上コンテナでの輸送用に梱包可能である。

本発明の潜在的にとても魅力的な応用例は風力エネルギーの沖合発電である。タワーをヨーイングするために台車または他のシステムを使用するよりも、タワー全体が水中で胴体上に支持可能である。上記胴体が水中で容易に回転可能であるので、タワーのヨーイングは問題ではない。上記タワーを支持する上記胴体はロープにより固定されるであろう。またそのロープは海底の錨と連結されている。この方法で、とても深い水中に沖合の風力タービンの複数の配列を配置することが可能となるであろう。

本発明がもたらす問題の１つは、個々の回転翼からの電力の回収である。一般的に各回転翼が電力を発電すること、および、各回転翼からの電力を１本の送電線に集めることは、問題ではない。しかし、各回転翼における異なる周波数を６０Ｈｚ（ヨーロッパでは５０Ｈｚ）の電気へ変換するかどうかおよび結果としてできた６０Ｈｚの電力を集めるかどうか、または各回転翼からの異なる周波数の電力をタワーの基礎部の１つの電力変換器へ供給し、全ての電力を６０Ｈｚの電力へ一度に変換するかどうかの問題は依然として存在する。もう１つの可能性は個々の回転翼で直流電力を発電し、６０Ｈｚの交流電力へ変換可能直流電力にまとめることである。電力回収のこれらの方法のいずれもが機能するであろう。また、これらの各々はいくらかの応用例では利点を提供する可能性がある。１つの他の可能性は、上記回転翼の各々からの力学的力が１つの発電機を駆動するために集められるように、機械的動力伝達連結のシステムを提供することだろう。

本発明の１つの興味をそそる使用法は、水を電気分解して水素を生成することであろう。次に、上記水素はどこか他の場所での燃料電池内またはガスタービン発電機内または火花点火式エンジン内での使用のために輸送可能である。電力生産のこの方法は沖合および風が特に強力な遠隔地に位置する風力タービンでの使用にとって特に有利になりうる。市場に送り返される製品は気体または液体の水素を含む。これは海水または大気から取り出されたＣＯ₂および電気分解生成水素から化学合成されたメタノールを含んでもよい。上記製品はメタノール、または、大気から蒸留されるＮ₂および水素から化学合成される無水アンモニアのさらなる水素添加（脱水）により生成されるハイオクガソリンを含んでもよい。もし本発明の風力タービンが水を水素へ電気分解するため、または、化学工程を経て他の製品を生成するために使用されると、個々の回転翼からの電力回収の問題は解決される。各回転翼はそれ自体の電気分解装置を含んでもよく、各回転翼で生産される上記水素は単純に集められることが可能でタワーの基礎部でタンクに詰められる可能である。上記タワーの基礎部に置ける組み合わされた直流電力が、そこに位置する電気分解装置に電力を供給するために使用可能である。

本発明の複数の好ましい実施の形態が示され、記述されたが、当業者にとって、本発明の範囲から離れずに種々の変更がこれらの実施の形態に可能である。それ故、本発明は開示された特定の実施の形態に限定されず、本発明の範囲は特許請求の範囲により定義されることが意図される。

近年のより大きな風力タービン回転翼にたいする流行を示す図従来技術の風力タービン図本発明の第１の実施の形態の立面図本発明の３枚羽根型回転翼図本発明の２枚羽根型回転翼図本発明の第２の実施の形態の立面図図６の線７−７に沿った断面図図６の線８−８に沿った断面図図６の線９−９に沿った断面図本発明の第３の実施の形態の正立面図本発明の第３の実施の形態の平面図本発明の第３の実施の形態の側立面図本発明の第４の実施の形態の概略図本発明の第５の実施の形態の概略図本発明の第６の実施の形態の概略図本発明の第７の実施の形態の概略図

符号の説明

２羽根
４ハブ
６ナセル
８タワー
１０タワー
１２回転翼
１４支持構造
１６ナセル
１８ハブ
２０羽根
４０柱
４２土台
４４タワー
４６下部のベアリング
４８上部のベアリング
５０台車
５２支柱
５４ローラー
５６ブレーキ装置
５８支柱
６３骨組
６４伸張圧縮部材
６６台車
６８土台
７０支持ケーブル

Claims

タワーと；
上記タワーの複数の高さに取り付けられ、取り付けられた高さでの風に関し個々に最適化された複数の回転翼
を備える風力タービン。
各上記回転翼が、各上記回転翼が取り付けられた高さでの年間平均風速に基づいて選択される定格電力をもつ請求項１に記載の風力タービン。
各上記回転翼が複数の羽根をもち、各上記回転翼が取り付けられた高さにおいて、上記複数の羽根の平面図形面積の各上記回転翼の掃引面積に対する比は、上記高さでの年間平均風速に基づいて選択される請求項１に記載の風力タービン。
各上記回転翼が、その回転翼が取り付けられた高さにおける年間平均風速に基づいて選択される回転翼直径をもつ請求項１に記載の風力タービン。
さらに上記回転翼の各々に風速センサを備えた上記風力タービンであって、上記風速センサは各回転翼における風速を計測し、各上記回転翼は、計測された風速に対しての最適性能に制御される請求項１に記載の風力タービン。
コントローラをさらに備え、そのコントローラは各上記風速センサからのデータを受信し、上記回転翼における上記計測された風速に基づいて各上記回転翼を制御する請求項５に記載の風力タービン。
上記回転翼における上記計測された風速に基づいて、上記コントローラが各上記回転翼の羽根のピッチ角を調整する請求項６に記載の風力タービン。
上記回転翼における上記計測された風速に基づいて、上記コントローラが各上記回転翼の回転速度を調整する請求項７に記載の風力タービン。
風からエネルギーを抽出する方法であって：
タワーを設けるステップ；
上記タワー上の複数の高さにおいて、複数の回転翼駆動のタービンを支持するステップ；および
上記複数の回転翼駆動のタービンの各々を上記回転翼駆動のタービンが支持される上記高さでの風速に対して最適化するステップ
を含む方法。
上記回転翼駆動のタービンが支持される上記高さにおいて、各上記回転翼駆動のタービンを最適化する上記ステップが、上記高さでの年間平均風速に基づく各タービンのための定格電力の選択を含む請求項９に記載の方法。
上記回転翼駆動のタービンが支持される上記高さにおいて、各上記回転翼駆動のタービンを最適化する上記ステップが、その高さでの年間平均風速に基づいて、各上記回転翼への複数の羽根の供給および上記複数の羽根の平面図形面積の各上記回転翼の掃引面積に対する比の選択を含む請求項９に記載の方法。
上記回転翼駆動のタービンが支持される上記高さにおいて、各上記回転翼駆動のタービンを最適化する上記ステップが、その高さでの年間平均風速に基づいて、回転翼直径を選択することを含む請求項９に記載の方法。
各上記タービンのための風速センサを設けるステップと、各タービンにおける風速を計測して、その計測された風速のための上記最適性能のため、各上記タービンを制御するステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
各上記風速センサからのデータを受信するコントローラを設け、計測された上記風速に基づき、各上記タービンを制御するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
複数の各上記回転翼駆動タービンを制御するステップが、上記コントローラを使用して、上記タービンの位置における計測された風速に基づいて、各上記回転翼の上記羽根のピッチ角を調整するステップを含む請求項１４に記載の方法。
各上記タービンを制御するステップが、上記コントローラを使用して、上記タービンの位置で計測された上記風速に基づいて、各上記回転翼の回転速度を調整するステップを含む請求項１４に記載の方法。