JP2008151119A - アクティブタワーダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】タワー、ナセル、及び少なくとも１つのロータブレードを有する風力タービンの振動を減衰させる。
【解決手段】ダンパシステムは、風力タービンの振動を減衰させるための質量３１０と、該質量をアクティブに制御するために適合され、風力タービンの一部分及び質量に接続された少なくとも１つのアクチュエータ３２０とを含む。
【選択図】 図３ｂ

Description

本発明は風力タービンに関する。詳細には、本発明は、タワーの振動を低減するためのシステム及びタワーの振動を減衰させる方法に関する。特に、本発明は、風力タービンの振動を減衰させるためのダンパシステム、風力タービンの振動を低減するためのシステム、及び風力タービンの振動を低減するための方法に関する。

風力タービンのサイズ及び風力タービンによって供給される出力は増大している。これにより、風力タービンのタワーなどの構造部材に加わる荷重及び応力もまた増大している。材料強度を付加することによるタワーに加わる荷重を補償すると、材料の必要とされる量、すなわちコストが増大する。従って、荷重に耐えるためにより強度があり且つより多くの材料で荷重の追加を補償することにより、他のエネルギー生成方法と比較して風力タービンの競争力が低下する。
米国特許第６，６９５，５８８Ｂ１号公報 米国特許出願公開第２００６／０１４７３０６Ａ１号公報 "Reducing Dynamic Loading of Towers: Application of Tuned Liquid Column Dampers in Wind Turbines", by Arnold Wilmink and Ferdy Hengeveld, Mecal, The Nethelards, an article from Windtech International, November/December 2006

タワーの振動を減衰させるためのタワーダンパは、応力を低減することができる。その結果、タワーは強度を低下させて建設することができ、材料を節約してコストを低減することができる。しかしながら、風力タービンのサイズ及び出力が増大した結果、タワーの荷重が増大する場合には、受動的なタワー振動減衰に必要な質量が更に増加する。

上記のことを考慮して、一実施形態によれば、タワー、ナセル、及び少なくとも１つのロータブレードを有する風力タービンの振動を減衰させるためのダンパシステムが提供される。ダンパシステムは、風力タービンの振動を減衰させるための質量と、該質量をアクティブに制御するために適合された少なくとも１つのアクチュエータとを含み、該少なくとも１つのアクチュエータは、風力タービンの一部分及び質量に接続される。

別の実施形態、態様、利点、及び特徴は、従属請求項、詳細な説明、及び添付図面から明らかにされる。

更に別の実施形態によれば、風力タービンのタワーの振動を低減するためのシステムが提供される。該システムは、風力タービンのタワーに対して移動可能な質量と、風力タービンのタワーに対する質量の移動をアクティブに制御するための駆動機構とを含む。

更なる実施形態は、本明細書で説明されたダンパシステム及び風力タービンの振動を低減するためのシステムを含む風力タービンに関する。更なる実施形態はまた、複数の風力タービンを含み、該風力タービンが、本明細書で説明されたダンパシステム及び風力タービンの振動を低減するためのシステムを含む、ウインドパークに関する。

別の実施形態によれば、風力タービンの振動を低減するため方法が提供される。該方法は、風力タービンに対する質量の移動を制御する段階を含み、該質量は、風力タービン内部に設置され、該質量は、風力タービンに対して該質量を加速する駆動機構によってアクティブに制御される。

最良の形態を含む、本発明の完全且つ当業者に対して実施可能程度の開示が、添付図面を参照しながら本明細書の残りの部分でより具体的に記載される。

本発明の種々の実施形態について詳細に説明し、その１つ又はそれ以上の実施例が各図において示される。各実施例は、本発明の例証として提供され、本発明を限定するものではない。例えば、一実施形態の一部として図示又は説明される特徴は、他の実施形態で又はこれと連動して使用して別の実施形態をもたらすことができる。本発明は、このような修正及び変更を含むものとする。

最新の風力タービンは、ロータ直径の増大を含めてサイズが増大している。これにより、風力タービンの構成要素に加わる荷重も同様に増大している。これはまた、風力タービン全体の質量の有意な部分を含む、風力タービンのタワーに関連する。結果として、材料をより強化するか又は追加することによって増大する負荷に耐える試みにおいて、タワーは、最大の質量増加を生じている。

本明細書で説明する実施形態によれば、タワーに加わる荷重は、アクティブ質量ダンパをタワーに提供することによって低減することができる。その結果、荷重を低減することができる。これにより、風力タービン又は風力タービン構成要素（例えばタワー）の材料強度は、増大させる必要がなく、むしろ低減することさえできる。

一実施形態によれば、図１に示すように、風力タービン１０５は、基礎２４上に取り付けられたタワー２０を含む。タワー２０の上部にはナセル２２がある。ハブ２６は、ナセルに取り付けられロータブレード２８を保持する。風力タービン１０５は、３つのロータブレード２８を含む。他の実施形態によれば、風力タービンには、１つ、２つ、又は４つのロータブレードを含めることができる。

一実施形態によれば、風力タービン１０５は、図１に示すように水平軸の風力タービンである。しかしながら、他の実施形態によれば、他の種類の風力タービン、例えば垂直軸を有する風力タービンを使用することができる。

図１に示すように、集中質量（a lumped mass）１１０がタワー２０の上部に取り付けられる。矢印１１１及び１１２で示すように、集中質量１１０の位置、速度、及び加速度を効果的に制御するためにアクチュエータが備えられる。アクチュエータは、それぞれ風力タービン及びタワーに対する質量の位置、速度、及び／又は加速度を効果的に制御するための駆動機構を提供する。

一実施形態によれば、質量１１０に接続されたアクチュエータは、油圧式アクチュエータによって質量の移動を制御する。別の実施形態によれば、電気式アクチュエータ又は油圧式及び電気式アクチュエータの組合せが使用される。加えて、別の実施形態によれば、ギア又はレバーを設けて、アクチュエータによって質量の移動をアクティブに制御することができる。しかしながら、レバー又はギアが必ずしも備えられるとは限らない。

質量１１０の移動は、矢印１１１及び１１２で示されるように、質量が風力タービン１０５のタワー２０の振動を低減するようにアクチュエータによって制御される。これにより一実施形態によれば、一般に質量は、タワー振動に反対になるように制御される。

アクティブに制御された集中質量は、タワー振動を減衰又は低減する。これにより、タワー（例えばタワーシェル及び同様のもの）の静的及び動的応力が低減される。結果として、アクティブに制御される減衰質量のない同等サイズの風力タービンと比較して、タワーの重量を低減することができる。

本明細書で説明される実施形態によれば、質量１１０をアクティブに制御することにより、パッシブ質量ダンパと比較して、より小さな質量を配置することが可能である。集中質量がより小さいと、コストの低減、専有スペースの削減、及び質量ダンパの反応時間の向上をもたらす。一方では、質量はアクティブに制御可能である。他方では、小さな質量の慣性はまた、パッシブなダンパと比較して、アクティブに制御された質量ダンパのより迅速な反応を提供する。

一般に、質量は、重りの寸法を過大なものにする必要がないように十分に高密度の材料で作られた重りの形態で提供することができる。これは、コンクリート、石材、鉄、鋼、又は合金鋼などの材料によって実現することができる。別の実施形態によれば、質量は、プレート、シリンダ、又はプレートの形態の規則的な形状とすることができる。代替的に、質量は、突起部、陥凹部、及び開口部を有する不規則的な形状であってもよい。例えば、これは、タワーに梯子などが設けられ、技術者がナセルに到達するために質量の傍を通る必要がある場合に使用することができる。

一実施形態によれば、アクティブに制御された集中質量は、タワー及び／又は風力タービン全体の振動、特に２０ＫＨｚ以下の周波数の振動を低減することができる。別の実施形態によれば、０．１〜１０Ｈｚの範囲の周波数をアクティブに制御された質量ダンパにより低減することができる。

上で説明したように、質量ダンパのアクティブな制御を用いて、集中質量のサイズを低減することができる。一実施形態によれば、質量は、１００ｋｇ〜３０００ｋｇとすることができる。別の実施形態によれば、質量は、２００ｋｇ〜４００ｋｇとすることができる。一般的に、集中質量のサイズは、風力タービンのサイズによって決まる。これにより、一実施形態によれば、集中質量は、風力タービンの出力当たりにつき１００ｋｇ／ＭＷ〜１０００ｋｇ／ＭＷとすることができる。例えば、質量はまた、２００ｋｇ／ＭＷ〜５００ｋｇ／ＭＷの範囲とすることができる。

図１の中で、質量１１０は、タワー２０の上部に備えられる。質量は通常、タワーの上部近くに設けられる。別の実施形態によれば、図２に示すように、アクティブに制御された質量１１０はナセル２２に設けられる。図１に関して説明したように、風力タービン１０５のナセル２２は、タワー２０上に取り付けられる。ロータブレード２８は、ハブ２６を介してナセルに接続される。

図１に関して説明した実施形態と同様に、図２に関連して説明される実施形態はまた、アクティブに制御された集中質量１１０によって風力タービン、特にタワー２０の振動を低減するのに使用することができる。矢印１１１及び１１２は、アクチュエータ又は同様のものによる質量１１０の移動のアクティブな制御を示す。

更に別の実施形態によれば、アクティブに制御された質量はまた、風力タービン内の別の位置に備えることができる。これは、例えば、タワー２０の中心部分、タワーの他の部分、又はナセル２２の別の場所とすることができる。

図３ａの中で、別の実施形態によるアクティブ制御質量減衰システムの別の実施形態を説明する。質量３１０は、タワー２０内に設けられる。４つのアクチュエータ３２０が質量３１０とタワーのシェルとに接続される。これにより、質量３１０は、タワーに対してアクティブに移動することができる。アクチュエータ３２０の各々は、コントローラ３３０に接続される。一実施形態によれば、コントローラ３３０は、複数のアクチュエータ３２０を制御し、図３ａに示す断面の平面内での質量３１０の任意の移動を可能にする。異なる実施形態によれば、各アクチュエータは、個々のコントローラによって制御される。これにより、個々のコントローラは、マスターコントローラによって同期化することができる。

アクチュエータの形態の質量についてのコントローラ及び／又は駆動機構は、５０ｍｓ以下の反応時間を可能にする。別の実施形態によれば、コントローラ及び／又は駆動機構は、μｓ程度、通常１０〜１０００μｓの反応時間を有する質量の位置、速度、及び／又は加速度に従って動作する。これにより、質量のアクティブな制御を効果的に利用することができ、パッシブな質量ダンパと比較した質量の低減を短い反応時間により更に改善することができる。

一般に、風力タービン又は風力タービンのタワーの振動は、風の方向に沿うか又は風の方向に垂直な速度成分を有することができる。しかしながら、風の方向は時間と共に変わる可能性があるので、これによりナセルは、風力タービンを変化する風方向に適合するように回転し、風力タービンの運転時に任意の振動方向を発生する可能性がある。

タワー２０の振動を矢印３０１及び３０２で示す。タワー２０の振動を低減するために、質量３１０は、矢印３１２及び３１１に沿ってアクティブに移動する。これにより、質量３１０の移動がタワー２０の振動に反対になる。これは矢印３１１及び３１２で示される。

一実施形態によれば、図３ａに示すように、質量３１０の移動方向に適合するために４つのアクチュエータ３２０が設けられる。上述の変化する風方向又は振動方向に影響を及ぼす可能性のある他の作用に照らして、４つのアクチュエータを使用して、任意の方向で質量の移動をアクティブに制御することができる。他の実施形態によれば、図３ａに示した断面の平面内の移動を利用するために、３つのアクチュエータを設けることができる。

更に、例えば、アクティブ制御質量減衰システムによって一定方向の振動を減衰させる必要がある場合には、１つ又は２つのアクチュエータを設けることが可能である。タワーに対して任意の質量移動がもたらされることになる場合でさえも、この移動がタワーに対して回転可能な場合には、一次元の質量移動を用いることができる。従って、一実施形態によれば、タワーに対して任意の方向での減衰質量のアクティブな制御は、タワーに対する質量移動用に１つのアクチュエータと、減衰システムの回転用に１つのアクチュエータとによって実現することができる。或いは、質量移動に対し２つ又はそれ以上のアクチュエータを使用してもよい。アクチュエータは、風力タービンとタワーとに対してそれぞれ質量の位置、速度、及び／又は加速度をアクティブに制御するための駆動機構を提供する。

上述のように、本明細書で説明された実施形態では、集中質量を移動させるためのアクチュエータは、油圧式又は電気式或いはこれらの組合せとすることができる。

上述のように、アクティブに制御された集中質量は、例えば２０Ｈｚ以下の周波数のタワー及び／又は風力タービン全体の振動を低減することができる。他の実施形態によれば、アクティブに制御された質量ダンパを用いて０．１〜１０Ｈｚの範囲の周波数を低減することができる。

上述のように、アクティブ制御質量ダンパシステムの低減された質量は、１００ｋｇから３０００ｋｇとすることができる。別の実施形態によれば、質量は、２００ｋｇから４００ｋｇとすることができる。一般に、集中質量のサイズは、風力タービンのサイズに応じて決まる。これにより、一実施形態によれば、集中質量は、２００ｋｇ／ＭＷ〜５００ｋｇ／ＭＷとすることができる。

図３ｂは、ナセル２２及びハブ２６並びにこれらの間に接続されたロータブレード２８の部分の断面図である。ナセル２２内に保持部分３１６が設けられる。図３ｂの中には２つの保持部分が示されている。他の実施形態によれば、全てのアクチュエータ３２０は、ナセル２２のシェル部分ではなく保持部分に接続することができる。保持部分３１６は通常、質量３１０’の移動を風力タービンに転送するために風力タービンのベースプレートに固定される。図３ｂに関連して説明した実施形態によれば、質量３１０’は、アクチュエータ３２０によってアクティブに移動される。これにより、図３ａに関連して説明したような対応する実施形態を実現することができる。

図４内では、タワー２０の一部分とナセル２２の一部分が示される。ナセル２２内にベースプレート４４０が設けられる。アクチュエータ４２０は、ベースプレートに取り付けられ、接続部分４４４を介して集中質量４１０に接続される。質量４１０は、ナセル２２の下に位置付けられ、ナセルによって支持される。アクチュエータ４２０が移動されると、質量１１０は、例えば、図４において左右方向内でシフトされる。

上述のように、一実施形態によれば、水平面に対して任意の方向で質量１１０を移動させるために、追加のアクチュエータ（図４には示していない）を設けることができる。更に別の実施形態によれば、質量値、周波数値、アクチュエータの種類、質量の種類などの他の実施形態に関連して開示された態様は、図４に関して説明された実施形態と組み合わせることができる。

図５は、風力タービンのアクティブ制御質量ダンパシステムの一構成による更なる実施形態を示す。ナセル２２は、タワー２０に取り付けられる。質量５１０は、保持部分５４４に吊下される。保持部分は、例えばフランジ５４０に固定される。これにより、質量５１０は、タワー２０に対して移動可能である。アクチュエータ５２０は、タワーのシェルと質量５１０とに取り付けられる。従って、質量は、アクチュエータ５２０によってタワーに対してアクティブに制御することができる。更に別の実施形態によれば、質量値、周波数値、アクチュエータの種類、質量の種類などの他の実施形態に関連して開示された態様は、図５に関連して説明された実施形態と組み合わせることができる。

図６は、風力タービンのアクティブ制御質量減衰システムの別の実施形態を示す。ナセル２２はタワー２０上に設けられる。フランジ６４０により示されるように、タワー２０は、複数のセクションで提供される。１つのセクションは、フランジにより隣接セクションに接続される。図６中で、集中質量６１０及びアクチュエータ６２０はフランジ６４０に接続される。これにより、アクティブ制御質量減衰システムは、タワー２０内の複数の位置に設けることができる。図６では、質量減衰システムは、タワーの中心位置近くに設けられる。

質量６１０、アクチュエータ６２０、これらの制御装置、及び本明細書の他の実施形態に関連して説明された他の特徴は、図６に示されるアクティブ制御質量減衰システムに対して修正され、風力タービンのタワー２０内に設けられる減衰システムの別の実施形態をもたらすことができる。これにより、アクティブ制御質量減衰システムを取り付けるフランジ６４４を使用することが可能である。他の実施形態によれば、質量減衰システムを取り付けるために追加のフランジを設けることができる。

本明細書で説明された実施形態では、アクティブ制御質量ダンパシステムを使用することにより、タワーの振動を１／２〜１／５に低減することができる。この説明では、最良の形態を含めて本発明を開示し、更にあらゆる当業者が本発明を実施し利用することを可能にするため実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、請求項によって定義されると共に、他の実施例を含むことができる。

本明細書で定められた実施形態は特に、タワー、ナセル、及び少なくとも１つのロータブレードを有する風力タービンの振動を減衰させるためのダンパシステムを含む。該ダンパシステムは、風力タービンの振動を減衰させるための質量と、質量をアクティブに制御するように適合された少なくとも１つのアクチュエータとを含み、該少なくとも１つのアクチュエータは、風力タービンの一部及び質量に接続される。このダンパシステムは、別の実施形態によれば、１００ｋｇ〜３０００ｋｇの質量によって定めることができる。代替的又はこれに加えて、別の実施形態によれば、風力タービンの出力当たりの質量は、１００ｋｇ／ＭＷ〜１０００ｋｇ／ＭＷとすることができる。更に別の実施形態によれば、他の実施形態のいずれかと組み合わせることができる追加の特徴は、アクチュエータが接続される風力タービンの部分が風力タービンのタワーであることとすることができる。これにより、更なる個々の実施形態によれば、質量は、風力タービンのタワー内に配置することができ、及び／又は、質量は、風力タービンのナセル内でベースプレートによって支持することができる。

更なる実施形態によれば、本明細書で説明された実施形態と組み合わせることができる特徴は、少なくとも１つのアクチュエータが油圧式、電気式、又はこれらの組合せとすることができることである。更なる実施形態によれば、本明細書で説明された他の実施形態と組み合わせることができる特徴は、少なくとも１つのアクチュエータが少なくとも３つのアクチュエータを含むことができることである。別の実施形態によれば、更に少なくとも３つのアクチュエータをコントローラに接続し、質量の位置、質量の速度、及び質量の加速度から成るグループの少なくとも１つの特徴を制御することができ、該コントローラは、５０ｍｓ以下の応答時間で質量を制御するように適合することができる。

更なる実施形態によれば、本明細書で説明された他の実施形態と組み合わせることができる特徴は、減衰システムが２０Ｈｚ以下の周波数で風力タービンの振動を低減するように適合されることである。

本明細書で説明される別の実施形態は、とりわけ風力タービンのタワーの振動を低減するためのシステムを含む。該システムは、風力タービンのタワーに対して移動可能な質量と、風力タービンのタワーに対して質量の移動をアクティブに制御するための駆動機構とを含む。

更なる実施形態によれば、本明細書で説明された他の実施形態と組み合わせることができる特徴は、駆動機構が少なくとも３つの油圧式アクチュエータ、少なくとも３つの電気式アクチュエータ、又は油圧式アクチュエータと電気式アクチュエータの組合せを含むことである。他の実施形態によれば、質量は、１００ｋｇ〜３０００ｋｇ、及び／又は風力タービンの出力に対して１００ｋｇ／ＭＷ〜１０００ｋｇ／ＭＷとすることができる。

更なる実施形態によれば、本明細書で説明した他の実施形態と組み合わせることができる特徴は、質量の位置、質量の速度、及び質量の加速度から成るグループの少なくとも１つの特徴を制御するために駆動機構をコントローラに接続することができ、該コントローラが５０ｍｓ以下の応答時間で質量を制御するように適合されることである。

本明細書で説明される更なる実施形態はとりわけ、風力タービンの振動を低減する方法を含む。該方法は、風力タービンに対する質量の移動を制御する段階を含み、該質量は風力タービン内に配置され、該質量は、風力タービンに対して該質量を加速する駆動機構によってアクティブに制御される。更なる実施形態によれば、本明細書で説明される他の実施形態と組み合わせることができる特徴は、駆動機構が質量を１０ｍｓ以下の反応時間で加速することができることであり、及び／又は駆動機構が風力タービンの振動の振動状態信号を受信するコントローラによって制御されることである。

本明細書で説明される実施形態による、風力タービンのタワーの上部部分にアクティブ制御質量減衰システムを含む風力タービンを示す概略図。 本明細書で説明される実施形態による、風力タービンのタワーのナセルにアクティブ制御質量減衰システムを含む風力タービンを示す概略図。 本明細書で説明される実施形態による、動力振動を低減する質量減衰システムのアクティブに制御された質量を示す概略図。 本明細書で説明される実施形態による、動力振動を低減する質量減衰システムのアクティブに制御された質量を示す概略図。 本明細書で説明される実施形態による、風力タービンのナセルに接続されたアクティブ制御質量減衰システム又はアクティブ制御振動低減システムを含む風力タービンを示す概略図。 本明細書で説明される実施形態による、風力タービンのナセルに接続されたアクティブ制御質量減衰システム又はアクティブ制御振動低減システムを含む風力タービンを示す概略図。 本明細書で説明される実施形態による、風力タービンのタワーを備えたアクティブ制御質量減衰システム又はアクティブ制御振動低減システムを含む風力タービンを示す概略図。

符号の説明

２０ タワー
２２ ナセル
２４ 基礎
２６ ハブ
２８ ロータブレード
１０５ ウィンドタービン
１１０ 質量
１１１ 矢印
１１２ 矢印
３０１ 矢印
３０２ 矢印
３１０ 質量
３１１ 矢印
３１２ 矢印
３１６ 保持部分
３２０ アクチュエータ
３３０ コントローラ
４１０ 質量
４２０ アクチュエータ
４４０ ベースプレート
４４４ 接続部分
５１０ 質量
５２０ アクチュエータ
５４０ フランジ
５４４ 保持部分
６１０ 質量
６２０ アクチュエータ
６４０ フランジ

Claims (10)

1. タワー（２０）、ナセル、及び少なくとも１つのロータブレードを有する風力タービン（１０５）の振動を減衰させるためのダンパシステムであって、該ダンパシステムが、
   風力タービンの振動を減衰させるための質量（１１０、３１０、３１０’、４１０、５１０、６１０）と、
   該質量をアクティブに制御するように適合され、前記風力タービンの一部分と前記質量とに接続された少なくとも１つのアクチュエータ（３２０、４２０、５２０、６２０）と、
   を有するダンパシステム。
2. 前記質量が１００ｋｇ〜３０００ｋｇである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のダンパシステム。
3. 前記風力タービンの出力当たりの質量が、１００ｋｇ／ＭＷ〜１０００ｋｇ／ＭＷである、
   ことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のダンパシステム。
4. 前記風力タービンの一部分が前記風力タービンのタワーである、
   ことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のダンパシステム。
5. 前記少なくとも１つのアクチュエータ（３２０、４２０、５２０、６２０）が、油圧式、電気式、又はこれらの組合せである、
   ことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のダンパシステム。
6. 前記少なくとも１つのアクチュエータが、前記質量の位置、前記質量の速度、及び前記質量の加速度から成るグループの少なくとも１つの特徴を制御するためのコントローラに接続され、前記コントローラが、５０ｍｓ以下の応答時間で前記質量（１１０、３１０、３１０’、４１０、５１０、６１０）を制御するように適合されている、
   ことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のダンパシステム。
7. 前記減衰システムが、２０Ｈｚ以下の周波数で前記風力タービンの振動を低減するように適合されている、
   ことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のダンパシステム。
8. 前記請求項のいずれか１項に記載のダンパシステムを備える風力タービン。
9. 風力タービンの振動を低減するための方法であって、
   前記風力タービンに対する質量（１１０、３１０、３１０’、４１０、５１０、６１０）の移動を制御する段階を含み、
   前記質量を前記風力タービン内に配置し、前記質量を前記風力タービンに対して前記質量を加速する駆動機構（３２０、４２０、５２０、６２０）によってアクティブに制御する、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記駆動機構が、前記風力タービンの振動の振動状態信号を受信するコントローラによって制御される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

Images