JP2010025116A - 風力タービンブレードのピッチ調整のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、風力タービンブレードのピッチ制御または調節のための方法および装置を改善することである。
【解決手段】この課題は、風力タービンによって使用されるブレードのピッチを調節するための方法において、前記ブレードの圧力側と負圧側において圧力が測定され、測定された圧力は、前記ブレードに作用する風の実際の仰角を決定するために使用され、該仰角は、前記風力タービンのパフォーマンスを最適化するために、前記ブレードのピッチを調節するために使用される、ことを特徴とする方法によって解決される。
【選択図】図５

Description

本発明は、風力タービンによって使用されるブレードピッチの制御方法に関する。

定格出力以下においてピッチ制御される風力タービンに作用する風荷重は、理想的なピッチストラテジに依存している。定格出力以下においてピッチ制御される風力タービンの発電量もまた、最適なピッチストラテジに依存している。風力タービンのブレードはこのピッチストラテジのためにデザインされており、一方でブレードの翼型は理想的なＣｐ値のためにデザインされている。Ｃｐは、出力係数（power coefficient）である。これは、風において有効な全ての力に対する、風から取り出される出力の比率である。理想的な風力タービンのための理論最大Ｃｐは、"ベッツの限界"である１６／２７であり、これは約５９％である。

ＧＢ２０６７２４７Ａは、ブレードピッチを調整するためにロータブレードの表面に取り付けられた圧力プローブが使用されるピッチ制御を開示している。この圧力プローブは、ブレードの先端部分の近くに取り付けられている。

この従来技術によるピッチ調整は、通常、汚れのないロータブレードを仮定しており、風力タービンの発電出力に基づいてピッチ角度を決定する。

局地的なウィンドシアが既知であれば、荷重と出力に関連して風力タービンの効率を高めるために、方位角に依存したピッチ制御計画を最適化することが可能である。

したがってこのような調整は、ウィンドシアが既知であるという仮定に基づいているのである。ウィンドシアに関するこの仮定が誤っている場合には、調整は失敗する。

ウィンドシアは風力タービンの周囲環境に依存しており、また経時的にも変化する。したがって確実なウィンドシアを仮定すると、間違った結果を導くこととなる。

ＧＢ２０６７２４７Ａ

本発明の課題は、風力タービンブレードのピッチ制御または調節のための方法および装置を改善することである。

この課題は、請求項１記載の、風力タービンによって使用されるブレードのピッチを調節するための方法において、前記ブレードの圧力側と負圧側において圧力が測定され、測定された圧力は、前記ブレードに作用する風の実際の仰角を決定するために使用され、該仰角は、前記風力タービンのパフォーマンスを最適化するために、前記ブレードのピッチを調節するために使用される、ことを特徴とする方法、および、請求項５記載の、ブレードのピッチを調節するための装置において、風力タービンのブレードを備えており、該ブレードは、前記風力タービンのパフォーマンスを最適化するためにピッチ制御され、ピッチ制御を備えており、該ピッチ制御は、最適化のためにブレードに作用しており、前記ブレードは、複数の圧力センサを有しており、該複数の圧力センサは、前記ブレードの圧力側と負圧側における圧力を測定するために使用され、測定された圧力は、前記ピッチ制御の際に、前記ブレードに作用する風の実際の仰角を決定するために使用され、該仰角は、前記ブレードのピッチを調節するために使用される、ことを特徴とする装置によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、風力タービンによって使用されるブレードのピッチが調節される。ブレードの圧力側と負圧側（a suction side）で圧力が測定される。測定された圧力は、ブレードに作用する風の実際の仰角を決定するために使用される。仰角は、ブレードピッチを調節し、風力タービンのパフォーマンスを最適化するために使用される。

本発明のピッチ制御は、局地的な仰角の決定に基づく。フロー条件の確率的性質により、ブレードに作用する実際のウィンドシアは未知である。しかし風力タービンブレードのスウィーピング（sweeping）領域にわたって仰角を追跡することによって、実際のウィンドシアプロファイルを決定することが可能となる。

ウィンドシアについての情報は、風力タービン制御部の付加的入力として使用される。この制御部は、ブレードのピッチおよびヨーを最適化することができ、風力タービンの発電を改善する。

このピッチ制御の改善は、有利な実施形態においては、ブレードにおける空気失速（air-stall）の検出にも基づく。

"空気失速（air-stall）"は、ブレードに作用する空気が、ブレードのある特定の領域で急止することを意味する。このことは、乱流、汚れ、水、氷等のような周囲の状況によって発生する。

したがって空気失速の発生が検出されると、この情報は、制御部によってブレードのピッチおよびヨーを最適化するために付加的に使用される。

このようにして制御部はさらなる有利な情報を入手し、ブレードを失速から遠ざけ、最適な発電へと導く。

有利な実施形態においては、例えばブレードが汚れているか否か、または塩等により覆われているか否かを示す付加的なセンサが使用される。汚れ、塩等は空気失速および仰角にも影響を与えるので、この付加的な情報はピッチ制御の際に考慮される。

このセンサは、テスト機器の導電率を検出するセンサとすることができる。導電率は、汚れや塩などによって覆われると変化する。

本発明によれば、翼型またはブレードの表面に配置される圧力センサが設けられる。これらのセンサによって、ブレードに作用する空気の局地的な仰角を検出することが可能である。

ブレードの一部分に生じる空気失速を検出することもまた可能である。

このような付加的な知識によって、方位角による速度場を走査することが可能となり、したがってウィンドシアを推定することができ、また相応するピッチ制御計画を利用することが可能となる。

圧力センサは、負圧側と、ブレードの翼型プロファイルの表面の前半分の圧力側とに設けられる。

圧力信号に基づいて、また風力タービンロータの回転速度の検出に基づいて、実際の仰角を決定することができる。さらに、翼型が失速状態にあるか、もしくは失速しかけている状態にあるか否かを検出することができる。

本発明を、以下の図面を援用して詳細に説明する。

図１は、本発明による圧力センサの位置を示す。 図２は、本発明により検出され、使用される仰角を示す。 図３は、本発明により検出される圧力と仰角との間の線形関係を示す。 図４は、空気失速状態にある翼型プロファイルを示す。 図５は、本発明の第１の実施例による、圧力センサの可能位置を示す。 図６は、本発明の第２の実施例による、圧力センサの可能位置を示す。

図１は、本発明による圧力センサＰ１〜Ｐ４の位置を示す。

ブレードは、第１の側にある前縁（leading edge）と、第２の側にある後縁（trailing edge）とを備える翼型プロファイルとして示されている。圧力センサＰＳ１〜ＰＳ４は、前縁の近くに配置されている。

図２は、本発明により検出され、使用される仰角αを示す。

図１によれば、ブレードの前縁の近くに配置された４つの圧力センサＰＳ１〜ＰＳ４が設けられている。

風が翼型プロファイルに作用している。したがってこれにより、圧力センサＰＳ１とＰＳ２は圧力側に配置されていると仮定されたい。したがって、圧力センサＰＳ３とＰＳ４は負圧側に配置されている。

圧力センサＰＳ１およびＰＳ２は、圧力センサＰＳ３およびＰＳ４よりも高い圧力を検出する。

したがって圧力側と負圧側との間の圧力差を決定し、この値を使用してブレードに作用する風の仰角αを決定することが可能である。

ブレードに作用する風の流線形は、この図面の線によって示されている。

図３は、圧力センサＰＳ１〜ＰＳ４によって検出される圧力と、仰角αと間の線形関係を示す。

水平軸は仰角ＡｏＡを示し、垂直軸は測定された圧力の関数ｆを示す。

図４は、図１および図２に関連して、空気失速状態にある翼型プロファイルを示す。

空気失速によって翼型の負圧側で検出される圧力は著しい影響を受けるが、その一方で、翼型の圧力側で検出される圧力はさほど影響を受けない。

この影響は、図２に示された風の流線形と比較した流線形によって簡単に見て取ることができる。

この圧力の特徴的な反応は、ブレードの失速およびほぼ失速しかけている状態を検出するために使用される。

図５は、本発明の第１の実施例による、圧力センサの可能位置を示す。

この実施例においては、風力タービンのブレードは風上に向いており、したがってブレードを支持するナセルの背面図が示されている。

風力タービンタワー１はナセル２を支持しており、このナセル２は、一般的に３つのブレード３を支持している。１つのブレード３を援用して、前縁４および後縁５が図示されている。

本発明によれば、ブレード３の前縁４の近くには複数の圧力センサ６が配置されている。

図６は、本発明の第２の実施例による、圧力センサの可能位置を示す。

この実施例においては、風力タービンのブレードは風下に向いており、したがってブレードを支持するナセルの正面図が示されている。この概観図はスピナ７によって特徴づけられている。

風力タービンタワー１はナセル２を支持しており、このナセル２は、一般的に３つのブレード３を支持している。１つのブレード３を援用して、前縁４および後縁５が図示されている。

本発明によれば、ブレード３の前縁４の近くには複数の圧力センサ６が位置している。

Claims (6)

1. 風力タービンによって使用されるブレードのピッチを調節するための方法において、
   前記ブレードの圧力側と負圧側において圧力が測定され、
   測定された圧力は、前記ブレードに作用する風の実際の仰角を決定するために使用され、
   該仰角は、前記風力タービンのパフォーマンスを最適化するために、前記ブレードのピッチを調節するために使用される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記測定された圧力は、前記ブレードにおける失速状態または失速しかけている状態を検出するために使用され、
   検出された状態は、前記ブレードのピッチを調節するために付加的に使用される、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記最適化は、前記風力タービンの出力を調節するために実施されるか、または前記風力タービンのブレードに作用する風荷重を調節するために実施される、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. センサによって、前記ブレードが部分的に汚れている状態、または塩によって覆われている状態が検出され、
   検出された状態は、前記ブレードのピッチを調節するために付加的に使用される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の方法を実行するための、ブレード（３）のピッチを調節するための装置において、
   ・風力タービン（１，２）のブレード（３）を備えており、
   該ブレードは、前記風力タービン（１，２）のパフォーマンスを最適化するためにピッチ制御され、
   ・ピッチ制御を備えており、
   該ピッチ制御は、最適化のためにブレード（３）に作用しており、
   ・前記ブレード（３）は、複数（６）の圧力センサ（ＰＳ１〜ＰＳ４）を有しており、
   該複数の圧力センサは、前記ブレード（３）の圧力側と負圧側における圧力を測定するために使用され、
   ・測定された圧力は、前記ピッチ制御の際に、前記ブレード（３）に作用する風の実際の仰角（α）を決定するために使用され、該仰角（α）は、前記ブレード（３）のピッチを調節するために使用される、
   ことを特徴とする装置。
6. 前記圧力センサ（ＰＳ１〜ＰＳ４）は、前期ブレード（３）の前記圧力側と前記負圧側とにおける圧力を検出するために、前記ブレード（３）の前縁（４）に沿って配置されている、
   ことを特徴とする請求項５記載の装置。

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