JP2009539020A - 風力エネルギー変換システムを実施する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
‐設置場所における典型的な風速、大気圧および気温などの気候変数。
‐相対湿度、単位体積あたりの含水量、および、風力タービンの近傍における雲を形成する水滴に関する平均直径などの天候変数。
(a)ブレード、着氷防止システム、着氷防止システムを調整するための手段を備えた風車ローターをあらかじめ準備するステップ(ステップ100)。
(b)あらかじめ準備された風車ローターを、テスト場所に設置するステップ(ステップ102)。
(c)好ましくは、WECSが設置される予定の場所における危険な着氷状況(critical icing conditions)において、少なくとも1回の風車ローターの動作テストを実行するステップ(ステップ104)。
(d)ブレード上における氷の有無を判断するために有用な、および/または、テスト中における現象学を構築するために有用なパラメータ(例えばブレード表面の温度および湿度)を、当該技術分野で既知のセンサを使用して検出するステップ(ステップ106)。
(e)氷が検出された場合に(ステップ108)、調整手段を用いて着氷防止システムを調整するステップ(ステップ112)。
(f)テスト場所に設置されたブレード表面に氷が存在しないことを示すパラメータが検出されるまで、上記のステップ104、106、108および112を繰り返すステップ(ステップ110)。
・設計ターゲットの割り当て(ステップ201)。入力パラメータは、以下の通りである。
o着氷防止策(例えば、濡れた表面上における計算を決定する、いわゆる「ランニング ・ウェット(running wet)」策)の割り当て
o外表面の最小温度
o最小化されるコスト関数
・外部の環境状況の割り当て(ステップ203)。入力パラメータは、以下の通りである。
o外気の静圧
o外気の静温度
o風速分布(平穏なもの)
oワイブルの形状パラメータ
oワイブルのスケールパラメータ
o外気の含水量
o外気の相対湿度
o平均水滴サイズ
o温度事象、含水量事象および平均水滴サイズ事象の合成確率
・タービンにおける機能的な特性および動作上の特性の割り当て(ステップ205)。入力パラメータは、以下の通りである。
o風速ごとの回転速度
oカットイン速度
o定格回転数
oカットアウト速度
o出力曲線
o発電機の効率
oピッチおよび回転速度の調整曲線
oブレードの数
・ブレード形状の割り当て(ステップ206)。入力パラメータは、以下の通りである。
o長さ
oブレードの外形の種類
o平面形状(planform;半径の関数としてのコードの分布、外形の厚さの分布)
o半径の関数としての迎え角度
o半径の関数としての結合角度
o半径およびコードの関数としての壁の厚さ
o内部のレイアウト
o材料
o絶対的な幾何学的制約。
・幾何学的な離散化についての決定(ステップ207)
・ブレードの外形の周囲におけるモーションフィールドの決定(ステップ209)
・この外形に衝突する水の量、および、濡れた領域の範囲についての決定(ステップ211)。
・孔のサイズおよび表面分布の割り当て(ステップ216)。入力パラメータは、以下の通りである。
o孔の開始半径の位置(hole start radial station)
o孔の列数
o孔の総数
o孔の直径
o半径に沿った間隔の関係
o曲線座標系に応じた間隔の関係
o主加熱空気の流速
o主加熱空気の圧力
o主加熱空気の温度
・壁に対して流出する加熱質量流についての決定(ステップ217)
・壁に対する質量流および熱流の決定(ステップ219)
・進化アルゴリズムを用いた最小化関数による(ステップ223)、流出システムの特性の更新(ステップ221)。
・壁に対する質量流および熱流の決定(ステップ214)。
・着氷防止熱流の計算(ステップ225)
・システム設計パラメータの生成(ステップ227)。
・孔の総数
・孔の直径
・孔の表面分布
・孔を通る空気の流速
・主熱空気流速
・供給圧力
・供給温度
・外ブレード表面における温度分布
・熱出力。
計算コードは、特定の工業製品によって採用されている、ブレード5における全ての類型論に関して実行される。これら工業製品は、典型的には、一群の外形(例えば、5桁のNACA型、あるいはSERI型)を利用し、複数のパラメータ(例えば、ブレードの長さ、反り、半径に沿った厚さの分布)に関して、幾何学的に互いに異なっている。これらのブレード5のそれぞれは、通常は2枚あるいは3枚のブレードによって構成される1セットを形成しており、これが、特定の機能的状況(例えば、回転速度あるいは、回転速度ごとの外形迎え角度)に関連する風車ローターを創出する。
レベル1の結果に基づいて、各ローターに関する「マスター」ブレード5が製造される。このブレードは、最も危険な環境状況においても氷の発生のないことを確保することのできるブレードである。上記の「マスター」ブレード5には、必要とされる熱出力およびブレード5における空気供給圧力に応じて計算コードによって規定される幾何学的特性を有する、孔12が設けられる。この時点で、それぞれの設置場所における異なる大気状況に適した、孔の設けられたブレード5の一群を得ることが可能となる。
特定の場所に設置される特定の風力タービンを必要とする一般的な作業命令(work order)に関しては、得られる大気データの質を変更する必要がある。このデータが十分に正確である場合には、計算コード、特にTREWICEプログラムを、この詳細なプロジェクトに関しても再び利用することが可能である。これにより、この特定の場合について(すなわち、WECSの動作する予定の特定の場所について)、「マスター」ブレード5のどの領域を孔12を用いてあらかじめ準備しておくべきであるのか、を規定することが可能となる。特に、計算コードは、レベル1によって規定された一般的なセットの中におけるサブセットを構成する、幾何学的および機能的な着氷防止システムの特性を特定する。したがって、「マスター」ブレード5は、いくつかの孔12をシールすること、および、他の孔12を開けたままにしておくことによって、あらかじめ準備されることになる。現場のデータを入手できなかった場合、レベル3は省略され、「マスター」ブレード5は、できるだけ一般的な構造で、現場に搬送されることになる。
レベル3においてあらかじめ準備されたブレード5は、WECSのローターに適用され、事前的なサイズ決定のパラメータの有効性を評価するために、しばらくの間、現場においてテストされる。もしも計算コードが流出保護を設けていなかった領域に着氷が生じた場合、いくつかのシールを除去し、これによって空気流出を促すことによって、現場において必要な測定を実施することが可能である。また、後述するように、該当表面が着氷のリスクのないことを典型的に明示する物理的な状況を示している場合には、いくつかの孔12をシールすることも可能である。
レベル4の処理の最後に、あらかじめ設定された着氷防止システムの取り付けられた特定のWECSにおけるブレード5の最終的な構造が定められ、その特定の設置場所に適合されるか、あるいは、この場所に関してカスタマイズされる。その結果として、最終的なブレード5を製造することが、あるいは、上記したレベル3あるいは4にしたがう「マスター」ブレードを適合させることが可能となる。
本発明に係る方法の実施形態における実施例、より詳細には、計算コード(特にTREWICEプログラム)を用いて、上記したさまざまな処理レベルを経ることによってこの方法の一部を実施することに関する実施例を、以下に示す。
設計ターゲットの割り当て(ステップ201)
・着氷防止策の割り当て:「ランニングウェット」
・外表面の最低温度:+1℃
・最小化されるコスト関数:ターゲットF=min(Ta,Test>Tmin)
外部の環境状況の割り当て(ステップ203)
・外気の静圧:10,000Pa
・外気の静温度:271K
・風速分布(平穏なもの):0〜20m/s
・ワイブルの形状パラメータ(K):1.6(無次元)
・ワイブルのスケールパラメータ(C):8m/s
・外気の含水量:0.4g/m3
・外気の相対湿度:0.98(無次元)
・平均水滴サイズ:20μm
タービンにおける機能的な特性および動作上の特性の割り当て(ステップ205)
・風速ごとの回転速度:ω=f(V)、Hz単位での測定
・カットイン速度:Vcut,in、m/s単位での測定
・定格回転数:Vrated、m/s単位での測定
・カットアウト速度:Vcut,out、m/s単位での測定
・出力曲線:P=f(V)、ワット単位での測定
・発電機の効率:ηel=f(ω)(無次元)
・ピッチおよび回転速度の調整曲線:β=f(ω,P)、「度」単位での測定
ブレード形状の割り当て(ステップ206)
・長さ:30m
・ブレードの外形のタイプ:NACA4414xx=f(R)
・平面形状‐半径の関数としてのコードの分布:C=f(R)、メートル単位での測定
・平面形状‐外形の厚さの分布:t/c=f(R)、メートル単位での測定
・半径の関数としての迎え角度:α=f(R)、「度」単位での測定
・半径の関数としての結合角度:θ=f(R)、「度」単位での測定
・半径およびコードの関数としての壁の厚さ:sp=f(R,s/c)、m単位での測定
・内部のレイアウト:内部次元(internal dimension)
・材料およびそれぞれの物理的な特性:GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic;ガラス繊維強化プラスチック)
・絶対的な幾何学的制約:未記入。
・孔の列数:圧力面5、真空面3
・孔の総数:2,250
・孔の開始半径の位置:80(次元の)
・孔の直径:0.01m
・半径に沿った間隔の関係:0.1m
・曲線座標系に応じた間隔の関係:0.1m
・主加熱空気の流速:1kg/s
・主加熱空気の圧力:101,700Pa
・主加熱空気の温度:315K。
・孔の直径:0.01m
・孔の表面分布。ここで、頭字語「S.P.」は圧力面を示している一方、頭字語「S.D.」は真空面を示している。
o位置179〜180→S.P.
o位置179〜180→S.D.
o位置178→S.P.
o位置178→S.D.
o位置177→S.P.
o位置177→S.D.
o位置174〜176→S.P.
o位置174〜176→S.D.
o位置102〜174→S.P.
o位置102〜174→S.D.
o位置101→S.P.
o位置101→S.D.
・孔の総数:26(179〜180)+21(178)+17(177)+32(174〜176)+936(102〜174)+12(101)=1,044
・孔の開始半径の位置:101
・半径に沿った間隔の関係:0.1m
・曲線座標系に応じた間隔の関係:0.1m
・主な加熱空気の流速/ブレード:0.7Kg/s
・主な加熱空気の圧力:102,000Pa
・主な加熱空気の温度:310K。
5E 外表面
12 孔
50 ホイル
51 クギ
Claims (27)
- 風力エネルギー変換システム(WECS)を実施するための方法であって、
(a)ブレード(5)、着氷防止システムおよび該着氷防止システムを調整するための手段(50、51)を備えた風車ローターをあらかじめ準備するステップと、
(b)あらかじめ準備された前記風車ローターをテスト場所に設置するステップと、
(c)前記WECSが設置される予定の場所における実質的に危険な着氷状況において、少なくとも1回前記風車ローターの動作テストを実行するステップと、
(d)ブレード表面上に存在する温度および湿度など、前記ブレード(5)上における氷の存在を判断するために有用なパラメータを、適切なセンサを用いて検出するステップと、
(e)氷が検出された場合に、前記調整手段を用いて着氷防止システムを調整するステップと、
(f)テスト場所に設置されたブレードの表面に氷が存在しないことを示すパラメータが検出されるまで、上記ステップ(a)〜(e)を繰り返すステップと、を含んでいる方法。 - 前記ステップ(a)が、前記着氷防止システムを構成するための計算、および、前記調整手段(50、51)を規定するための計算を含んでいる、請求項1に記載の方法。
- 前記計算が、WECSが動作することが意図されている場所における場所変数に関連するデータに基づいて実行される、請求項2に記載の方法。
- 前記ステップ(a)が、特定の着氷防止システムの構造を有するサンプルブレードまたはマスターブレードを規定するための操作を含んでおり、前記構成が、着氷の発生に関して最も危険な現場状況に基づいて計算されたものである、請求項1〜3のいずれか1つに記載の方法。
- 前記マスターブレード(5)が規定された時点で、前記着氷防止システムの調整手段(50、51)の構造が、WECSの設置場所に関連する場所パラメータを評価することによって規定される、請求項4に記載の方法。
- 調整手段を構成するための前記操作が、ローターブレード(5)の外表面(5E)に付随する相互作用部材(50)および/または嵌め込み部材(51)の構築を含んでいる、請求項5に記載の方法。
- 前記ローターブレード(5)における外表面(5E)の少なくとも一部に設けられた複数の孔(12)から流体流を流出する除氷または着氷防止システムに適用され、前記孔(12)が、ブレード(5)からの流体の流出を用いて空気クッションを形成するように配されており、このような空気クッションが、前記外表面(5E)を覆っている流体流と相互作用するように構成されている、請求項1〜6のいずれか1つに記載の方法。
- 調整手段を構成するための前記操作が、前記孔(12)からの空気の流出を妨げるために、前記複数の孔(12)とともに機能する相互作用部材(50)あるいは嵌め込み部材(51)の構築を含んでいる、請求項6または7に記載の方法。
- 前記調整手段(50、51)による着氷防止システムの調整が、前記複数の孔(12)の少なくとも一部を塞ぐ前記相互作用部材(50)または前記嵌め込み部材(51)の少なくとも一部を、除去し、修正し、交換しまたは変形することを含んでいる、請求項8に記載の方法。
- 前記調整手段(50、51)による着氷防止システムの調整が、前記ステップ(c)における現場テストの後、氷の検出された領域に近いということが判明した孔(12)に対して実行される、請求項9に記載の方法。
- 前記調整手段(50、51)による着氷防止システムの調整が、着氷の検出された領域における、上記ブレード(5)の外表面(5E)を覆っている空気の動きに関して上流側にある孔(12)に対して実行される、請求項10に記載の方法。
- 前記ステップ(d)が、着氷のリスクを検出するための操作を含んでいるとともに、このようなリスクがありえないと判断された場合に、前記複数の孔(12)の少なくとも一部を開放するために、前記相互作用部材(50)あるいは前記嵌め込み部材(51)の少なくとも一部のものを、除去し、修正し、交換しまたは変形することを含んでいる、請求項9〜11のいずれか1つに記載の方法。
- 前記着氷のリスクを検出するための操作が、検出システムを用いることによって実行され、
この検出システムが、温度センサ、湿度センサ、圧力センサおよび降雨センサを含むグループから選択される、一対の天候センサを有しており、
この一対の天候センサが、動作状況においてブレードを覆っている流体流に関して孔(12)の上流側であって、対応する外形における前縁の近傍において、互いに近接した状態でブレードの外表面に配置されており、
前記センサが、この孔(12)およびその上流にある他の全ての孔から流出する熱流によって覆われないように配置されている、請求項12に記載の方法。 - 前記温度センサが温度T≧Tcrを読み取るとともに、前記降雨センサが表面における水滴の存在を示したとき、または、T≦Tcrおよび降雨センサが水粒子の存在を検出しないときに、着氷のリスクに対する評価が実行されるようになっており、
前記Tcrが、前記一対のセンサの下流の表面上における着氷の可能性を判断するための、臨界的な閾値温度を示すものである、請求項13に記載の方法。 - 着氷防止システムを構成するため、および、この着氷防止システムを調整するための調整手段(50、51)を規定するための操作が、前記テストおよび設置場所の変数、前記WECSに関連する機械変数、および、混合変数、すなわち、気象状況および機械状況の双方に依存する変数を考慮することによって実行される、請求項1〜14のいずれか1つに記載の方法。
- 前記ステップ(c)にしたがう前記WECSの現場動作テストが、テスト室あるいは風洞において実行され、WECSが縮尺模型として準備される、請求項1〜15のいずれか1つに記載の方法。
- ・設計ターゲットの割り当てステップと、
・現場状況あるいは野外の環境状況の割り当てステップと、
・タービンおよびブレード(5)の形状における機能的特性および動作上の特性の割り当てステップと、
・ブレード(5)の幾何学的な形状の離散化についての決定ステップと、
・ブレード(5)の翼型の周囲におけるモーションフィールドの決定ステップと、
・ブレード(5)の外形に衝突する水の量の決定、および、濡れた領域の範囲の規定ステップと、
・不浸透性の壁に関する操作の実施ステップであって、
−この壁に対する質量流および熱流の決定ステップと、
−着氷防止熱流の計算ステップと、
−不浸透性のブレード表面壁に関する着氷防止システム設計パラメータの規定ステップと、を含む不浸透性の壁に関する操作の実施ステップと、
・浸透性の壁、すなわち、ブレード(5)の外表面(5E)からの空気の流出をともなう壁に関する操作の実施ステップであって、
−孔(12)のサイズおよび表面分布の割り当てステップと、
−壁に対して流出する加熱質量流についての決定ステップと、
壁に対する質量流および熱流の決定ステップと、
−流出システムの特性の更新、すなわち、ターゲット関数を最小化することによる、孔(12)における新しいサイズおよび表面分布の割り当てステップと、
−着氷防止熱流の計算ステップと、
−ブレード(5)における浸透性の外表面壁(5E)に関するシステム設計パラメータの規定ステップと、を含む浸透性の壁に関する操作の実施ステップと、
を含む請求項2または7に記載の方法。 - 前記流出システムの特性における更新(すなわち、ターゲット関数を最小化することによる、前記孔(12)における新しいサイズおよび表面分布の割り当て)に関する前記操作が、進化アルゴリズムを用いることによって実施される、請求項17に記載の方法。
- 少なくとも1台のコンピュータのメモリに読み込むことが可能であるとともに、請求項1〜18のいずれかに記載の処理を実施するためのコンピュータプログラムの一部を含んでいるコンピュータプログラム製品。
- 着氷防止システム、特に着氷防止および除氷システムが取り付けられたWECSのローターブレードであって、請求項1〜18のいずれかに記載の方法を実施するための着氷防止システム調整手段(50、51)を含んでいることを特徴とするローターブレード。
- 前記調整手段が、ローターブレード(5)の外表面(5E)に付随する相互作用部材(50)および/または嵌め込み部材(51)を備えている、請求項20に記載のローターブレード。
- 前記相互作用部材(50)および/または嵌め込み部材(51)が、少なくともいくつかの孔(12)を塞いでいることを特徴とする、請求項20または21に記載のローターブレード。
- 前記相互作用部材(50)および/または嵌め込み部材(51)が、ローターブレード(5)の外表面(5E)に付着するように構成されたシートあるいはホイルを備えており、これらシートあるいはホイルが、いくつかの孔(12)に対して堅固にはめ込まれるように構成されたクギ(51)を有していることを特徴とする、請求項22に記載のローターブレード。
- 前記嵌め込み部材(51)が、孔(12)に注入されて凝固し、これによりいくつかの孔(12)を充填してローターブレード(5)の外表面(5E)における連続性を形成する樹脂を有している、請求項21または22に記載のローターブレード。
- 請求項20〜24のいずれか1つに記載の、WECSのための着氷防止システム、および、ローターブレード(5)の外表面(5E)に付随する相互作用部材(50)および嵌め込み部材(51)を調整するための手段。
- 前記ローターブレード(5)の外表面(5E)に付着するように構成されたシートあるいはホイル、および、いくつかの孔12に対して堅固にはめ込まれるように構成されたクギ、を有している、請求項25に記載の調整手段。
- 前記嵌め込み部材(51)が、孔(12)に注入されて凝固し、これによりいくつかの孔(12)を充填してローターブレード(5)の外表面(5E)における連続性を形成する樹脂を有している、請求項25に記載の調整手段。
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