JP2010523880A - 風力タービンにおける改良又は風力タービンに関する改良 - Google Patents

Abstract

風力タービンシステムは、風力タービンと、回生駆動システムと、局所的な風速を測定する風速センサと、制御器とを備えている。風力タービンは、回生駆動システムに機能的に接続された電動機・発電機システムを備えている。電動機・発電機システムは、回生駆動システムにより電動機として動作させられて風力タービンの回転速度を上昇させることができる。さらに、電動機・発電機システムは、回生駆動システムにより発電機として動作させられて風力タービンの回転速度を低下させることができる。制御器は、風速センサと回生駆動システムとに機能的に接続されている。また、制御器は、回生駆動システムの動作を制御するように動作し、これにより風速センサから受け取った局所的な風速の突発的な変化を示す信号に応答して、風力タービンの回転速度を制御する。

Description

本発明は、風力タービンの改良に関するものであり、とくには突風が吹く環境（gusty wind environment）に配置された風力タービンにおけるエネルギ変換を最適化するためのシステムに関するものである。

風のエネルギを電気エネルギに変換する能力を有する風力タービンはよく知られている。風力タービンのエネルギ出力を増加させるために、一般的な実用形態では、風力タービンの全体的な寸法を大きくすることにより風力タービンの掃引面積を大きくし、あるいは風力タービンを平均風速が大きい場所に配置するようにしている。しかしながら、これらの方策は、風力タービンのエネルギ出力の最適化を図る上においては適切でない。なぜなら、風力タービンを配置する場所によっては、全体的な寸法が制限され、あるいは乱れが大きい風の状態、すなわち突風が吹く風の状態に遭遇するからである。例えば、都会の環境に配設された風力タービンでは寸法が制限される。

図３に、実際に測定された風の状態の見本の一例を示す。（ａ）のグラフは、２００秒のスナップ期間（snapshot）における、風速Ｕの時間に対する変化特性を示している。（ｂ）のグラフは、上記と同一のスナップ期間における風の方位角方向（azimuthal direction）の時間に対する変化特性を示している。図３から分かるように、風速は大きく変化する。風速は、絶対値のレベル（absolute level）では、４ｍ／秒から１４ｍ／秒の範囲で変化している。

風力タービンの単位掃引面積当たりの理論的な仕事率（power）は、下記の等式で表される。
Ｐ／Ａ＝（１／２）ρＵ^３ ［Ｗ／ｍ^２］

この等式によれば、仕事率は風速の３乗に比例するといった関係があることが分かるであろう。この等式と図３のデータとを結び付ければ、平均の風速で得られるエネルギに比べて、突風の吹く風の状態ではかなり多くのエネルギが得られるということが分かるであろう。

例えば、図３に示す２００秒のスナップ期間を含む１時間の期間では、測定された平均風速は７．６ｍ／秒であったが、これは得られる単位掃引面積当たりの仕事量（power）が２５９ｋＷｈｒ／ｍ^２であることを意味する。時々刻々の風速を利用して得られる仕事量（power）の合計を求めれば、得られる単位掃引面積当たりの仕事量（power）は３２０ｋＷｈｒ／ｍ^２となり、得られる仕事量は２４％増加する。

英国特許第２４０４２２７号明細書

このような結果に鑑み、本発明は、突風の吹く状態において、風力タービンの掃引面積に単純に依存することなく、風力タービンのエネルギ出力の増加に寄与する風力タービンシステムを提供することを目的とする。

本発明は、風力タービン（wind turbine）と、回生駆動システム（regenerative drive system）と、局所的な風速を測定する風速センサ（wind-speed sensor）と、制御器（controller）とを備えている風力タービンシステムを提供する。ここで、風力タービンは、回生駆動システムに機能的に接続された（operatively connected）電動機・発電機システム（motor-generator system）を備えている。電動機・発電機システムは、回生駆動システムにより電動機として動作させられて（drivable）、風力タービンの回転速度を上昇させることができる。また、電動機・発電機システムは、回生駆動システムにより発電機として動作させられて（operable）、風力タービンの回転速度を低下させることができる。制御器は、風速センサと回生駆動システムとに機能的に接続されている（operatively connected）。制御器は、回生駆動システムの動作を制御するように動作し、これにより風速センサから受け取った局所的な風速の突発的な変化（gusting changes）を示す信号に応答して、風力タービンの回転速度を制御する。

制御器を用いて、測定された風速に応じて風力タービンの回転速度を制御すれば、回転速度を風速に適応させる（match）ことが可能となり、風の流れから抽出されるべき（extracted）エネルギの量をより多くすることが可能となる。

回生駆動システムは、電動機・発電機システムに負荷トルク（load torque）を加えることにより風力タービンの回転速度を低下させるよう動作することができる（operable）ようになっていてもよい。回生駆動システムを用いれば、風力タービンに入力されるべき電気エネルギが風力タービンの回転速度を上昇させることが可能となる。さらに、風力タービンに制動トルクを加えて回生制動を行うことも可能となり、これにより風力タービンの回転速度を低下させるときには、これと同時に風力タービンから出力されるエネルギを増加させることができるといった利点がある。

制御器は、風速センサから受け取った信号に応じて、風力タービンの回転速度を局所的な風速に対して最適化する（optimise）よう動作することができるようになっているのが好ましい。

風速センサが、時々刻々の（instantaneous）風速を測定するよう動作することができるようになっている一方、制御器が、風力タービンの回転速度を、測定された時々刻々の風速に対して最適化するよう動作することができるようになっているのが好ましい。

制御器は、風力タービンの先端速度比λ（tip speed ratio）を予め設定された限界値以内に維持するために、測定された局所的な風速に応じて、風力タービンの回転速度を変更するよう動作することができるようになっているのが好ましい。

風速センサは、２ヘルツ又はこれより高い周波数（frequency）で、時々刻々の風速を測定するよう動作することができるようになっているのが好ましい。風速センサは、４ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の風速を測定するよう動作することができるようになっているのがより好ましい。

制御器は、１ヘルツ以下（up to 1 Hertz）の周波数で、風力タービンの回転速度を変更するよう動作することができるようになっているのが有利である。制御器は、０．５ヘルツから１ヘルツまでの間の周波数で、風力タービンの回転速度を変更するよう動作することができるようになっているのが好ましい。

制御器は、回生駆動システムのエネルギ出力が最適化されるよう風力タービンの回転速度を最適化するよう動作することができるようになっているのが好ましい。

０．５ヘルツないし１ヘルツ付近の周波数で、測定された風速に依存して風力タービンの回転数を調整することを可能にする制御器を用いれば、風力タービンが、突風の吹く風の状態（gusting wind conditions）からより多くの量のエネルギを抽出することが可能となる。非常に短い持続期間の突風、すなわちほんの一瞬（fractions of a second）の突風は、それに伴われるエネルギが非常に小さいので、風力タービンの回転速度を非常に短い突風に適応させよう（match）と試みることは有効とはいえない。しかしながら、０．５ヘルツないし１ヘルツ付近の周波数での回転速度の調整は、抽出されるエネルギの量を顕著に増加させるということが判明した。

風力タービンは縦軸型風力タービン（vertical-axis wind turbine）であるのが好ましい。また、縦軸型風力タービンは、低慣性風力タービン（low-inertia wind turbine）であるのが好ましい。縦軸型風力タービンは、風向の影響を受けず（insensitive）、このため水平軸型の風力タービンに比べて、より迅速に突風に対する調整を行うことができる。なお、水平軸型の風力タービンでは、まず風が吹く方向に回転させなければならない。また、実験により、突風が吹いている間、この突風の風向は通常は変動するということが判明した。さらに、低慣性である風力タービンは、電動機・発電機システムによってより迅速に加速又は減速させることができる。主として平均風速が高い状態を想定して設計された従来の大型の風力タービンは、大抵は大きな慣性を有し、これは平均風速の一時的な低下（lull）が生じているときに、回転を継続することを可能にする（これは、惰行（coasting）として知られている。）。このように慣性が大きい風力タービンは、一般的には、突風が吹く風の状態でエネルギを効率的に抽出する（extract）のに適していない。風力タービンの回転速度を調整することができる周波数（frequency）は、風力タービンの寸法に反比例する。このため、大型の風力タービンは、典型的には、風波数（frequency）が高い突風からエネルギを効率的に抽出することが困難である。

電動機・発電機システムは、電動機と発電機とを備えている。電動機及び発電機は、好ましく単一のユニット（single unit）を備えていてもよい。このようにせず、電動機と発電機とを、協働して電動機・発電機システムとして機能する個別の部品としてもよい。

電動機・発電機システムは、同期電動機・発電機を備えているのが好ましい。電動機・発電機システムは、永久磁石同期電動機・発電機（permanent magnet synchronous motor-generator）を備えているのが好ましい。

回生駆動システムは、４象限回生駆動システム（four-quadrant regenerative drive system）を備えているのが好ましい。４象限回生駆動システムは、正方向（positive direction）又は負方向（negative direction）のいずれかに、正トルク（positive torque）又は負トルク（negative torque）を加えることができるようになっているのが有利である。

回生駆動システムは、外部電力源（external power source）に接続することができるようになっているのが好ましい。

風速センサは超音波風速計（ultrasonic anemometer）を備えているのが好ましい。超音波風速計は、周波数（frequency）が高いときでも、風速を正確に測定することができる。

制御器はコンピュータを備えていてもよい。

コンピュータは、マイクロプロセッサとメモリとを備えていてもよい。この場合、メモリは、測定された局所的な風速に応じて風力タービンの回転速度を最適化するための、マイクロプロセッサにより実行される処理コード（processing code）を備えているのが好ましい。

制御器は、回生駆動システムと分離されていてもよい。あるいは、制御器は、回生駆動システムの一部をなすものであってもよい。

本発明はまた、風力タービンと、電動機・発電機システムと、回生駆動システムと、風速センサと、制御器とを備えている形式（type）の風力タービンシステムを制御する方法も提供する。この方法は、風速センサから局所的な風速を示す信号を受け取るよう制御器を操作するステップと、受け取った風速を示す信号に応じて回生駆動システムを制御するよう制御器を用いるステップとを有している。ここで、回生駆動システムは、風力タービンの回転速度を上昇させるよう電動機・発電機システムを電動機として動作させる操作と、風力タービンの回転速度を低下させるよう電動機・発電機システムを発電機として動作させる操作とを組み合わせることにより、風力タービンの回転速度を制御する。これにより、制御器は、局所的な風速の突発的な変化（gusting changes）に適応する（adapt）よう風力タービンの回転速度を変更する。

風力タービンの回転速度を、電動機・発電機システムに負荷トルクを加えることにより低下させるようにしてもよい。

風速センサは、時々刻々の局所的な風速を測定するのが好ましい。

風速センサは、２ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の局所的な風速を測定するのが好ましい。風速センサは、４ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の局所的な風速を測定するのがより好ましい。

制御器は、測定された局所的な風の状態に応じて、風力タービンの回転速度を最適化する（optimise）のが好ましい。

制御器は、風力タービンの先端速度比λを予め設定された限界値以内に維持するために、測定された局所的な風速に応じて、風力タービンの回転速度を変更するのが好ましい。

制御器は、１ヘルツ以下（up to 1 Hertz）の周波数で、風力タービンの回転速度を最適化するのが好ましい。

制御器は、０．５ヘルツから１ヘルツまでの間の周波数で、風力タービンの回転速度を最適化するのがより好ましい。

回生駆動システムを外部電力源（external power source）に接続し、回生駆動システムの動作時に、外部電力源に電力（power）を供給するとともに、外部電力源から電力が引き出す（draw）のが好ましい。

制御器は、局所的な風の状態（local wind conditions）に応じて風力タービンの回転速度を最適化して、外部電力源に供給される電力を最大化する（maximise）のが有利である。

外部電力源は、電力伝達系統（electricity power transmission grid）であってもよい。

風力タービンは縦軸型風力タービンであるのが好ましい。

本発明に係る風力タービンシステムの模式図である。 図１に示す風力タービンシステムで用いるための風力タービンの斜視図である。 （ａ）は風速と時間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は方位角方向と時間の関係を示すグラフである。 図２に示す風力タービンのためのＣｐ電力係数曲線（Cp power co-efficient curve）を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明するが、この実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

図１に示すように、風力タービンシステムは、縦軸型風力タービン１と、４象限回生駆動部２（four quadrant regenerative drive）と、制御器３と、超音波風速計４と、外部の電力伝達系統５（external electricity power transmission grid）への接続部とを備えている。

回生駆動部２は、風力タービン１と電力伝達系統５と制御器３とに接続されている。制御器３はまた、風速計４にも接続されている。

図２に示すように、風力タービン１はシャフト１０（shaft）を備えている。シャフト１０には、支持部材１２（struts）により３つの成形されたブレード１１（shaped blades）が取り付けられている。風力タービン１は、本発明にとって有利な低慣性（low inertia）の仕様のものである。特許文献１（英国特許第２４０４２２７号明細書）には、適切な縦軸型の風力タービンの一例がより詳細に記載されている。しかしながら、本発明は、これと異なる仕様の風力タービンにも適用することができる。なお、かかる風力タービンの詳細な仕様の記載は省略する。風力タービン１にはまた、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）６の形態の電動機・発電機も設けられている。ＰＭＳＭ６は、風力タービン１の一部として形成されたものであってもよく、また風力タービン１に取り付けられ風力タービンシステムの組立体を構成する分離型のユニットであってもよい。

制御器３は、メモリと処理手段とを備えたコンピュータである。制御器３は、使用時には、風速計４から時々刻々の局所的な風速を示す信号を受け取り、そのプログラム（programming）に基づいて指令信号（command signals）を回生駆動部２に送り、回生駆動部２を、ＰＭＳＭ６を用いることにより風力タービン１の回転速度が上昇し又は低下するよう動作させる。

制御器３は、ＰＭＳＭ６を用いることにより、風力タービン１の回転速度を維持し、ひいては風力タービン１の先端速度比λを予め設定されたしきい値の範囲内に維持することを試みるように組まれたプログラムを備えている。例えば図４から分かるように、図１及び図２に示す風力タービン１についての最も効率的なエネルギの抽出は、先端速度比がほぼ３．５であるときに実現される。そこで、制御器３においては、先端速度比を３．５から４．５までの間の値に維持するようプログラムが組まれている（この種の風力タービンの先端速度比は、典型的には、低い先端速度比で急激に減少する（drop off）ということが注目される）。仕様が異なる各風力タービンに対するＣｐ曲線（Cp curve）は互いに異なり、したがって制御器３に組み込まれるプログラムの実際のしきい値は、風力タービンの仕様に応じて異なるであろうということに注目すべきである。

使用時には、風力タービン１は、風の流れの中で回転しており、したがってＰＭＳＭ６を介してエネルギを生成する。このエネルギは、回生駆動部２の接続部を経由して電力伝達系統５に供給される（生成された電力を電力伝達系統に供給せず、局所的に消費してもよいのはもちろんである。）。風速計４は、２ヘルツないし４ヘルツの周波数で時々刻々の風速を測定し、この情報は制御器３に送られる。制御器３は、予め設定されたしきい値に対して、風力タービン１が遭遇している実際の先端速度比を計算する。この比較に基づいて、制御器３は、先端速度比がしきい値の範囲内であれば風力タービンシステムをそのままにしておくが、先端速度比がしきい値の範囲外であれば風力タービン１の回転速度を変更する。風力タービン１の加速は、電力伝達系統５から電力を引き抜いて（draw）、回生駆動部２及びＰＭＳＭ６を電動機として用い、風力タービン１を高速となるよう駆動することにより実現される。風力タービン１の減速は、風力タービン１を減速するために、回生駆動部２を回生ブレーキとして用いてＰＭＳＭ６に負荷トルクを加えることにより実現される。

風力タービン１の回転速度の調整は、１秒間に数回、好ましくは０．５ヘルツないし１ヘルツ付近の周波数で実現することができるということが重要である。迅速な調整を行うことができるといった性能を有するこの風力タービンシステムは、突風のような風速状態（gusting wind speed conditions）において回転速度を最適化することを可能にする。なお、その他の風力タービンシステムでは、このような風速状態では、余剰のエネルギ（extra energy）を利用するといった効果を発揮することはできない。

したがって、風力タービン１の効率が高くなり、ひいては風力タービン１の総括的なエネルギ出力（overall energy output）をより高くすることができる。これは、主として、突風のような風の状態に対して、より適切な速度でより長い期間にわたって風力タービンを回転させることに起因する。また、回生ブレーキによる風力タービン１の減速における一部のエネルギの回生能力（recovery ability）にも起因する。

１ 風力タービン
２ ４象限回生駆動部
３ 制御器
４ 超音波風速計
５ 電力伝達系統
６ 永久磁石同期電動機
１０ シャフト
１１ ブレード
１２ 支持部材

Claims (36)

1. 風力タービンと、
   回生駆動システムと、
   局所的な風速を測定する風速センサと、
   制御器とを備えている風力タービンシステムであって、
   上記風力タービンが、上記回生駆動システムに動作的に接続された電動機・発電機システムを備えていて、
   上記電動機・発電機システムが、上記回生駆動システムにより電動機として動作させられて上記風力タービンの回転速度を上昇させることができ、
   上記電動機・発電機システムが、上記回生駆動システムにより発電機として動作させられて上記風力タービンの回転速度を低下させることができ、
   上記制御器が、上記風速センサと上記回生駆動システムとに動作的に接続され、
   上記制御器が、上記回生駆動システムの動作を制御するように動作し、これにより上記風速センサから受け取った局所的な風速の突発的な変化を示す信号に応答して、上記風力タービンの回転速度を制御することを特徴とする風力タービンシステム。
2. 上記回生駆動システムが、上記電動機・発電機システムに負荷トルクを加えることにより上記風力タービンの回転速度を低下させるよう動作することができることを特徴とする、請求項１に記載の風力タービンシステム。
3. 上記制御器が、上記風速センサから受け取った信号に応じて、上記風力タービンの回転速度を局所的な風速に対して最適化するよう動作することを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービンシステム。
4. 上記風速センサが時々刻々の風速を測定するよう動作するとともに、上記制御器が上記風力タービンの回転速度を測定された時々刻々の風速に対して最適化するよう動作することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
5. 上記制御器が、上記風力タービンの先端速度比λを予め設定された限界値以内に維持するために、測定された局所的な風速に応じて上記風力タービンの回転速度を変更するよう動作することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
6. 上記風速センサが、２ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の風速を測定するよう動作することを特徴とする、請求項４又は５に記載の風力タービンシステム。
7. 上記風速センサが、４ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の風速を測定するよう動作することを特徴とする、請求項６に記載の風力タービンシステム。
8. 上記制御器が、１ヘルツ以下の周波数で、上記風力タービンの回転速度を変更するよう動作することを特徴とする、請求項６又は７に記載の風力タービンシステム。
9. 上記制御器が、０．５ヘルツから１ヘルツまでの間の周波数で、上記風力タービンの回転速度を変更するよう動作することを特徴とする、請求項８に記載の風力タービンシステム。
10. 上記制御器が、上記回生駆動システムのエネルギ出力が最適化されるよう上記風力タービンの回転速度を最適化するよう動作することを特徴とする、請求項３〜９のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
11. 上記風力タービンが縦軸型風力タービンであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
12. 上記縦軸型風力タービンが低慣性風力タービンであることを特徴とする、請求項１１に記載の風力タービンシステム。
13. 上記電動機・発電機システムが電動機と発電機とを備えていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
14. 上記電動機及び上記発電機が単一のユニットを備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の風力タービンシステム。
15. 上記電動機・発電機システムが同期電動機・発電機を備えていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
16. 上記電動機・発電機システムが永久磁石同期電動機・発電機を備えていることを特徴とする、請求項１５に記載の風力タービンシステム。
17. 上記回生駆動システムが４象限回生駆動システムを備えていることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
18. 上記回生駆動システムが外部電力源に接続することができることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
19. 上記風速センサが超音波風速計を備えていることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
20. 上記制御器がコンピュータを備えていることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
21. 上記コンピュータがマイクロプロセッサとメモリとを備えていて、
    上記メモリが、測定された局所的な風速に応じて上記風力タービンの回転速度を最適化するための、上記マイクロプロセッサにより実行される処理コードを備えていることを特徴とする、請求項２０に記載の風力タービンシステム。
22. 上記制御器が上記回生駆動システムと分離されていることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
23. 上記制御器が上記回生駆動システムの一部をなすことを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の風力タービンシステム。
24. 風力タービンと、電動機・発電機システムと、回生駆動システムと、風速センサと、制御器とを備えている形式の風力タービンシステムを制御する方法であって、該方法が、
    上記風速センサから局所的な風速を示す信号を受け取るよう上記制御器を操作するステップと、
    上記の受け取った風速を示す信号に応じて上記回生駆動システムを制御するよう上記制御器を用いるステップとを有していて、
    上記回生駆動システムは、上記風力タービンの回転速度を上昇させるよう上記電動機・発電機システムを電動機として動作させる操作と、上記風力タービンの回転速度を低下させるよう上記電動機・発電機システムを発電機として動作させる操作とを組み合わせることにより上記風力タービンの回転速度を制御し、
    これにより、上記制御器が、局所的な風速の突発的な変化に適応するよう上記風力タービンの回転速度を変更することを特徴とする方法。
25. 上記風力タービンの回転速度を、上記電動機・発電機システムに負荷トルクを加えることにより低下させること特徴とする、請求項２４に記載の方法。
26. 上記風速センサが、時々刻々の局所的な風速を測定すること特徴とする、請求項２４又は２５に記載の方法。
27. 上記風速センサが、２ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の局所的な風速を測定することを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
28. 上記風速センサが、４ヘルツ又はこれより高い周波数で、時々刻々の局所的な風速を測定することを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
29. 上記制御器が、測定された局所的な風の状態に応じて、上記風力タービンの回転速度を最適化することを特徴とする、請求項２４〜２８のいずれか１つに記載の方法。
30. 上記制御器が、上記風力タービンの先端速度比λを予め設定された限界値以内に維持するために、測定された局所的な風速に応じて、上記風力タービンの回転速度を変更することを特徴とする、請求項２４〜２９のいずれか１つに記載の方法。
31. 上記制御器が、１ヘルツ以下の周波数で、上記風力タービンの回転速度を最適化することを特徴とする、請求項２９又は３０に記載の方法。
32. 上記制御器が、０．５ヘルツから１ヘルツまでの間の周波数で、上記風力タービンの回転速度を最適化することを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
33. 上記回生駆動システムが外部電力源に接続されていて、上記回生駆動システムの動作時に、上記外部電力源に電力が供給されるとともに、上記外部電力源から電力が引き出されることを特徴とする、請求項２４〜３２のいずれか１つに記載の方法。
34. 上記制御器が、上記の局所的な風の状態に応じて上記風力タービンの回転速度を最適化して、上記外部電力源に供給される電力を最大化することを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
35. 上記外部電力源が電力伝達系統であることを特徴とする、請求項３３又は３４に記載の方法。
36. 上記風力タービンが縦軸型風力タービンであることを特徴とする、請求項２４〜３５のいずれか１つに記載の方法。

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