JP2014181705A - 分散制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】圧力に基づく荷重測定のためのシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】システムおよび方法は、エーロフォイルの少なくとも1つの圧力差を測定し、少なくとも1つの圧力差に関連する少なくとも1つの空気力学的な荷重を決定する。決定された少なくとも1つの荷重を使用し、エーロフォイルの特徴を変更し、効率を上昇させ、および/または、損傷を回避する。決定された少なくとも1つの空気力学的な荷重がさらに利用され、エーロフォイルにおける荷重のバランスを取ること、および/もしくは、エーロフォイルにおける荷重を最適化することが可能であり、エーロフォイルについての他のメトリクスを導き出すために使用される、エーロフォイルに沿った荷重分配を推測することが可能であり、ならびに/または、決定された少なくとも1つの空気力学的な荷重が分散制御システム内で使用され、効率を上昇させ、および/もしくは、例えば、1つまたは複数の風力タービンに対する損傷を低減させることが可能である。
【選択図】なし

Description

本態様は、風力タービンのための分散制御システムに関する。
機械的なおよび電子的なデバイスにおける荷重の測定は、性能を最適化するために使用されることが多い。
過度の荷重は、システムを歪ませ、損傷、または、より低い効率を結果として生じさせる可能性がある。空気力学的な分野では、例えば、ブレードまたは翼は、空気流の方向および大きさに起因して過剰な荷重を受けやすい可能性がある。同様に、流体力学では、水流から受けた荷重も、効率に影響を及ぼし、損傷の可能性を増加させる可能性がある。荷重を測定するために、圧力計、歪み計、力センサ(例えば、変換器)などを含む、様々なタイプのセンサを使用することが可能である。場合によっては、様々なセンサの配置が、荷重測定の精度に影響を及ぼす可能性がある。
本概要は、詳細な説明において以下にさらに説明される、選ばれた概念を簡単化した形式で導入するために提供されている。本概要は、特許請求されている主題の重要な特徴または必須の特徴を特定することは意図されておらず、また、特許請求されている主題の範囲を限定するために使用することも意図されていない。
本明細書で説明されている態様は、デバイス上のセンサの様々な配置に基づいてデバイスに対する荷重を決定または推測することに関する。1つの例では、タービンブレードまたは航空機翼に対する空気力学的な荷重を決定することは、気圧(すなわち、大気圧力)、大気温度、ロータ速度、ブレードピッチ角度、センサの半径方向の位置、および、ブレード捩じり角度を特定することを含む。これらの要因を使用して、空気力学的な荷重は、ブレード内に含まれている所定の数のセンサを使用して計算することが可能である。例えば、2つの圧力センサを使用し、圧力差を決定することが可能である。2つのセンサの圧力差、および、上述の要因のうちの1つまたは複数に基づいて、ブレードに対する空気力学的な荷重を決定することが可能である。
本開示のいくつかの態様によれば、空気力学的な荷重支持部材に対する空気力学的な荷重を決定または推測することは、単に、空気力学的な荷重支持部材に2つの圧力センサを配置することだけでよい可能性がある。空気力学的な荷重を計算するために使用される他のデータ入力は、ブレードに装着されている、そうでなければまたは、ブレード内に含まれている圧力センサまたは他のセンサから、決定することが可能である。例えば、大気温度は、ロータ、ナセル、またはタワーに装着されている温度計を使用して計算することが可能である。
本開示の他の態様によれば、空気力学的な荷重を決定または推測することは、風力タービンのブレードに対する荷重のバランスを取るために使用することが可能である。例えば、2つの圧力検知オリフィスを風力タービンのそれぞれのブレードに設け、圧力差を決定することが可能である。圧力差、および、上記にリストアップされている他の要因を使用して、それぞれのブレードにおいて荷重を推測することが可能である。それぞれのブレードにおける荷重が比較され、ブレードの間で荷重のバランスが取れているかどうか、および/または、それぞれのブレードにおける荷重が最適範囲内にあるかどうかを決定することが可能である。
本開示の他の態様によれば、空気力学的な荷重支持部材に対する空気力学的な荷重を決定または推測することは、部材に沿った荷重分配を決定または推測するために使用され得る。空気力学的な荷重支持部材に沿って荷重分配を決定することは、例えば、荷重支持部材の変位、荷重支持部材の速度、荷重支持部材の加速度、および、荷重支持部材に作用するモーメントを含む、部材に関連する他のメトリクス(metrics)を決定するために使用することが可能である。
本開示の他の態様によれば、風力タービン内で、または、複数の風力タービンの間で、分散制御システムを使用することが可能である。これらの分散制御システムは、1つまたは複数の風力タービンに関連する荷重を推測することに応答して、それぞれの風力タービンの1つまたは複数の特徴を変更することが可能である。一実施形態では、複数の制御装置は、所望の変更を行い、それぞれの制御装置が、別の故障が起きた場合の代替またはフェイルセーフ機構としての役割を果たすことが可能であるようになっている。別の実施形態では、制御装置は、関連の風力タービンにおける荷重を推測する、関連の風力タービンにおける制御装置に応答して、特徴を変更することが可能である。
本発明の前述の概要、および、例示目的の実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と伴せて読むと、より良好に理解され、添付の図面は、特許請求されている発明に関する例として含まれており、限定として含まれているのではない。
本開示の一実施形態による風力タービンの斜視図である。 本開示の一実施形態による圧力に基づく荷重測定システムを含むエーロフォイルの断面図である。 本開示の一実施形態による、垂直抗力係数対圧力差係数を示すグラフである。 本開示の一実施形態による、接線力係数対圧力差係数を示すグラフである。 本開示の一実施形態による、空気力学的な荷重支持部材に作用する例示的な力を示す図である。 本開示の一実施形態による、力係数と圧力差係数との間の関係、ならびに、ロータ速度および/またはブレードピッチ角度と風速との間の関係を決定するための方法のフローチャートである。 本開示の一実施形態による、エーロフォイルに作用する荷重を決定することに応答して1つまたは複数のエーロフォイル特徴を制御するための方法のフローチャートである。 本開示の一実施形態による、風力タービンブレードの1つまたは複数の特徴を変更することを示す図である。 本開示の一実施形態による、ブレードをバランシングする、および/または、風力タービンに対する荷重を最適化する方法のためのフローチャートである。 本開示の一実施形態による、エーロフォイルに対する荷重分配を決定する制御システムを示す図である。 本開示の一実施形態による、風力タービンブレードに対する例示的な荷重分配を示す図である。 本開示の一実施形態による、風力タービンブレードに対する別の例示的な荷重分配を示す図である。 本開示の一実施形態による、複数の制御装置を含む例示的な風力タービンを示す図である。 本開示の一実施形態による、複数の制御装置を備える複数の風力タービンの例示的なシステムを示す図である。
様々な例示目的の実施形態の以下の説明では、添付の図面が参照され、図面は、説明の一部を形成しており、図面に示されているものは、例示目的として、本発明が実行され得る様々な実施形態である。他の実施形態を利用することが可能であり、構造的なおよび機能的な変更例を本発明の範囲を逸脱することなく作製することが可能であることは理解されるべきである。
図1は、ナセル8を支持するタワー6を備える基礎4上の風力タービン2を図示している。1つまたは複数のブレード10が、ボルトフランジ14を介してハブ12に取り付けられている。ハブ12は、ナセル8内のドライブトレイン(図示せず)に接続されている。1つの構成では、ブレード10は、ルート部分16および先端部分18を有する一定の長さのロータブレードであることが可能である。別の構成では、ブレード10は、ルート部分16および先端部分18を有する可変長さのブレードであることが可能である。可変長さのブレードは、所与の特定の条件で伸長および収縮するように構成され得る。可変長さのブレードを制御するための様々なモードを使用し、そのようなブレード、および/または、ブレードが取り付けられている風力タービン2などのようなタービンの有効性を、最適化、そうでなければまたは、増加させることが可能である。スクリュドライブ、ピストン/シリンダ、または、プーリ/ウィンチ構成などのような、任意の所望のドライブシステムを使用して、ルート部分16に対して先端部分18を移動させることが可能である。そのようなドライブシステムは、「Telescoping Wind Turbine」という名称の2002年6月4日に出願された米国特許第6,902,370号に説明されており、それは、参照により本説明に組み込まれている。風力タービン2は、ヨードライブおよびヨーモータをさらに含み、かつ、ピッチ制御システム(図示せず)を含むことが可能である。代替的にまたは追加的に、ブレード10は、可変長さのロータブレードおよび一定の長さのロータブレードの混合を含むことが可能である。
さらなる他の態様によれば、ブレード10は、ブレード10の表面から伸長させることによって空気流を変更するように構成されている1つまたは複数の展開可能な空気デフレクタを含むことが可能である。他の実施形態では、追加的な特徴(図示せず)および/または方法を使用し、ブレードに沿って空気流を変更することが可能である。例えば、空気流を変更するために、ブレードピッチを変更することが可能であり、1つまたは複数のプラズマアクチュエータを作動させることが可能であり、風力タービンが能動的な吸い込み/吹き込みを利用することが可能であり、ブレード上に設置されている1つまたは複数のフラップを作動させることが可能である。空気流の変更は、揚力の増加、および/または、荷重の減少を結果として生じさせることが可能である。したがって、制御装置は、展開可能な空気デフレクタを使用して、発電出力、効率、荷重などを変更することが可能である。展開可能な空気デフレクタの例が、「Wind Turbine with Gust Compensation Air Deflector」という名称の2008年5月16日に出願された米国特許出願第12/122,584号に説明されており、それは、参照により説明に組み込まれている。
図2は、本開示と関連して使用されるような航空機翼、風力タービンブレードなどのエーロフォイルの1つの例示的な断面を図示している。エーロフォイルは、前縁部22と、後縁部24と、上部表面26と、底部表面28とを含む。翼弦線cは、エーロフォイル20の前縁部22と後縁部24との間の線として定義することが可能である。図2に示されているエーロフォイル20は、単に、1つの例示目的の断面設計であり、無限の断面変形例を本発明の一部として使用することが可能であることが認識される。エーロフォイル20は、ファイバーグラスおよび/または炭素繊維などのような、任意の適切な構成および材料から作製することが可能である。
さらに図2を参照すると、ブレード20は、2つの圧力検知位置(P1およびP2)においてオリフィスを含む。P1は、ブレード20の底部表面28に位置し、P2は、ブレード20の上部表面26に位置する。圧力変換器30が、2つの圧力検知位置の間の圧力差を測定するために設けられている。位置30a、30bは、それぞれの点P1と点P2との間の圧力差を決定するための圧力変換器ダイヤフラムの両側を示している。代替的な構成では、複数の圧力変換器を使用することが可能である。図2に示されているP1およびP2の位置は、単に、それぞれのオリフィスの1つの例示的な位置を示すものである。P1およびP2の位置は、一般的に、ブレード20または翼の断面形状に依存し得る。1つの例では、圧力センサおよびポートの位置は、圧力表面および吸い込み表面上において、それぞれ、0.125cおよび0.150cに対応することが可能であり、ここで、cは翼弦長を表している。いくつかの例では、この範囲は、誤差を特定の閾値(例えば、7%)内にまで低減させるために好ましい可能性がある。いくつかの実施形態では、P1およびP2は、例えば、翼弦cの長さの5%から70%の間に設置することが可能であり、いくつかの実施形態では、例えば、翼弦cの長さの10%から60%の間に設置することが可能である。
とPとの間の圧力差を使用して、制御装置は、揚力の荷重、垂直抗力の荷重、接線力の荷重、面内の(動力生成)荷重、および、ロータ垂直荷重を含む、ブレードの様々な荷重を決定することが可能である。より具体的には、ブレードのスパンに沿って発生させられる空気力学的な力およびモーメントは、エーロフォイル表面上の2つの点の間の圧力の差に比例する。決定された局所的な動圧、および、測定される圧力差(すなわち、PとPとの間の圧力の差)を使用して、ブレードに作用する荷重を容易に決定することが可能である。一般的に、局所的な動圧(または、その推測された値)は、以下の式を使用して決定することが可能である。
ここで、ρは、大気密度に対応しており、νestは、圧力センサにおける、推測された局所的な空気速度に対応している。風力タービンに関して、風の空気速度の推測値は、式2に定義されているように、ロータ速度および風速を使用して得ることが可能である。
すなわち、圧力センサの近辺の局所的な空気速度の推測された値(νest)は、既知のロータ速度(ωrotor)、圧力センサの半径方向位置(rsensor)、および風速(νwind,est)を使用して計算することが可能である。場合によっては、風速は、直接的に測定可能でない可能性がある(例えば、センサは、風速を測定するために、ブレードまたはタービン内で使用されないか、または、ブレードまたはタービン内に含まれない可能性がある)。そのような場合には、風速は、風力タービンを風速計として使用して、経験的に決定することが可能である。以下の1組の式は、ブレードのピッチ角度(β)に依存するロータ速度に基づいて、風速を推測する。
ここで、κω#およびκp#は、経験的に決定される係数を表しており、βは、最小のβminを有するブレードピッチを表している。異なる領域は、異なる荷重プロファイルを有する可能性があり、したがって、様々なデータ入力によって与えられる、推測荷重を決定するための異なるアルゴリズムまたは公式を必要とする。3つのEUROS(登録商標)ブレードから構成される48mロータを備える750kW ZOND(登録商標)タービンに関してシミュレーションが行われた1つの特定の例として、以下の領域IIおよび領域IIIの係数が決定された。
局所的な動圧が計算されると、それは、測定された圧力差を無次元化するために使用され、式4に記載されるように圧力差係数(CΔP)を結果として生じさせる。
経験的に決定される定数とともに、この圧力差係数を使用して、ブレードに関連するそれぞれの荷重を推測することが可能である。具体的には、一実施形態では、測定された圧力差に基づいて、上述の荷重(例えば、揚力の荷重、垂直抗力の荷重、接線力の荷重、面内の荷重)のうちのいずれかを計算するために、それぞれの荷重に対応するそれぞれの力に関する係数が、決定された圧力差係数を使用して計算される。式5、6、および7は、それぞれ、揚力係数(Cl,est)、垂直抗力係数(Cn,est)、および接線力係数(Ct,est)を計算するための例示的な公式である。いくつかの構成では、これらの係数は、実際の係数または値というよりも、推測される係数または値を表し得る。
式5、6、および7では、κl#、κn#およびκt#は、それぞれ、局所的なブレードセクション形状および圧力オリフィス設置位置に依存し得る経験的な係数を表している。式5、6、および7によって示されているように、圧力差係数は、揚力係数および垂直抗力係数のそれぞれと一次関数の関係にあり、接線力係数と二次関数の関係にある。経験的な係数のそれぞれを決定するために、一次または二次関数の関係を、ブレードのタイプ(例えば、ブレードセクション形状)、および/または、圧力センサ設置位置に関して収集された経験的なデータ、または、計算されたデータに適合させることが可能である。
図3Aは、特定のブレードのタイプおよびセンサ設置位置に関する経験的なデータに基づく、圧力差係数(CΔp)と垂直抗力係数(C)との間の例示的な一次関数適合(linear fit)を図示している。例えば、圧力センサがセンサ設置位置に位置する特定のタイプのブレードについて、シミュレーションおよび/またはテストを行うことが可能である。次いで、テストおよび/またはシミュレーションの結果が解析され、CΔpとCとの間の一次関数の関係を特定することが可能である。いくつかの構成では、最良適合のアルゴリズム(例えば、最小二乗法)を使用し、圧力差係数と、他の係数のそれぞれとの間の関係をコンピュータで計算することが可能である。
同様に、図3Bは、圧力差係数(CΔp)と接線力係数(C)との間の例示的な二次関数の関係を図示している。繰り返しになるが、経験的な検討および解析を通して収集されたデータを使用し、特定のタイプのブレードおよび/または圧力センサ設置位置に関して、二次関数の関係を導き出すことが可能である。
図4は、例示的な風ベクトル403とともに、ロータブレード401に作用する例示的な力を図示するダイアグラムである。図示されている力には、合力(R)、揚力(f)、抗力(f)、垂直抗力(f)、接線力(f)、ロータ垂直抗力(F)、およびロータ接線力(F)が含まれる。例えば、ロータ垂直抗力Fは、ロータ平面407に直交しており、一方、垂直抗力fは、ロータブレード401の翼弦線405に垂直である。ロータ平面407に垂直な力を使用してルート部曲げモーメントを決定することが可能であり、ルート部曲げモーメントは、ブレードに対する応力に寄与する。したがって、ルート部曲げモーメントを最小化するため、または、発電出力を最適化するために、制御が実施される。1つの例では、発電出力を最適化することは、面内の電力生成荷重を最大化しながら、ルート部曲げモーメントのバランスを取ることを含む。曲げモーメント、垂直荷重、電力生成荷重、および、他の力の変更は、さらに詳細に以下に説明されるように、ブレードピッチまたはヨーを変化させること、空気デフレクタを展開させること、伸長可能なおよび収縮可能なブレードを伸長/収縮させることなどを含む、様々な方式で制御することが可能である。
(例えば、式5、6、および7によってそれぞれ決定されたような)推測された揚力係数、垂直抗力係数、および接線力係数、ならびに、(例えば、式1によって決定されるような)推測された局所的な動圧を使用して、揚力の荷重(L)、垂直抗力の荷重(η)、および接線力の荷重(τ)を、以下の式に基づいて推測することが可能である。
式8、9、および10は、局所的な翼弦に固定された基準座標系で空気力学的な荷重を推測している。一般に、これらの荷重は、適正な変換角度が既知である場合には、他の基準座標系へ変換することが可能である。例えば、ロータ平面に垂直な荷重は、以下の式に基づいて、局所的な翼弦に固定された基準座標系の決定された垂直抗力および接線力の荷重を使用して計算することが可能である。
ここで、θsensorは、センサ位置におけるブレード捩じり角度に対応しており、βは、(先に述べたように)ブレードピッチ角度に対応している。一般的に、上部および底部センサは、ブレードの上部表面および底部表面上の対応する半径方向位置に位置することとなる。したがって、ブレード捩じり角度は、同じになる。ブレードに固定された基準座標系で垂直荷重を計算するために、βがゼロに設定される。
同様に、様々な基準座標系に関する接線荷重を、(局所的な翼弦に固定された基準座標系に関して)決定された垂直抗力および接線力の荷重に基づいて、計算することが可能である。例えば、以下の接線荷重の式を適用することが可能である。
繰り返しになるが、ブレードに固定された基準座標系の接線荷重は、ブレードピッチ角度βをゼロに設定することによって計算することが可能である。
図5は、それぞれの荷重係数と圧力差係数との間の関係を経験的に決定するための、ならびに、ロータ速度および/またはブレードピッチ角度と風速との間の関係を経験的に決定するための例示的な方法のフローチャートを図示している。これらの経験的に決定される関係は、より十分に以下に述べられるように、単一の圧力差を使用して風力タービンブレードに対する荷重を決定するときに、後で使用することが可能である。
ステップ500では、コンピューティングシステムは、経験的なテストおよび解析(例えば、稼働中のタービンに関するシミュレーション、フィールドテスト、データなど)に基づいて発生させられた荷重情報を収集するか、受け取るか、そうでなければまたは、決定することが可能である。コンピューティングシステムは、風力タービン、エーロフォイル、エーロフォイル内もしくはエーロフォイル上にあるデバイス、風力タービンなどのセット、および/または、それらの組み合わせの特徴を変更する、そうでなければまたは、設定するための制御装置を含むことが可能である。コンピューティングシステムは、1つまたは複数の例における空気デフレクタデバイスのための制御装置に対応することが可能である。代替的にまたは追加的に、コンピューティングシステムは、ブレード全体のための制御装置に対応することが可能である。さらなる他の例では、コンピューティングシステムは、風力タービン内のデバイスのすべてまたは一部を、制御するように構成することが可能である。さらなる別の例では、コンピューティングシステムは、複数の風力タービンを制御するように構成することが可能である。収集された荷重データを使用して、揚力(C)、垂直抗力(C)、接線力(C)、および圧力差(CΔp)の係数を、ステップ505において、計算する、そうでなければまたは、決定することが可能である。例えば、圧力差係数は、受信された荷重情報から式に基づいて計算することが可能である。
ここで、pは、ブレード表面上で測定される局所的な圧力であり、pは、気圧(すなわち、大気圧力)であり、qは、動圧である。動圧は、以下の式を使用して計算することが可能である。
ここで、ρは、大気密度であり、vは、大気速度である。大気密度は、大気温度(T)、および、乾燥空気に関する気体定数(Rair、それは、287J/(kgK)の値を有する)を使用して、理想気体の法則にしたがって、以下の式にしたがって決定することが可能である。
それぞれの力に関する係数は、受け取られた荷重情報、および、以下の式に基づいて決定された動圧から計算することが可能である。
ここで、Fは、計算される係数に関連する力であり(例えば、揚力、垂直抗力、接線力など)、Aは、力が作用する公称面積(πを公称直径の二乗に掛け、すべてを4で割るというように定義される)である。例えば、揚力に関して、揚力が作用する公称面積は、例えば、ブレード平面面積であることが可能である。
ステップ510において、これらの係数のそれぞれを決定するときに、圧力差係数と、揚力係数、垂直抗力係数、および接線力係数のそれぞれとの間の関係を導き出す、そうでなければまたは、決定することが可能である。上記に述べられているように、ならびに、図3Aおよび図3Bに図示されているように、前述の関係は、例えば、一次関数の関係または二次関数の関係であることが可能であり、最小二乗法などのような最良適合のアルゴリズムを使用して関係を決定することが可能である。1つの例では、揚力係数および垂直抗力係数は、圧力差係数と一次関数の関係を有することが可能であり、一方、接線力係数は、圧力差係数と二次関数の関係を有することが可能である。ステップ515において、決定された関係から生じる定数(例えば、κl#、κn#、およびκt#)を抽出および記憶することが可能である。例えば、定数は、エーロフォイル内、タービン内、または、複数のタービンを制御するように構成されている中央制御装置内の、記憶デバイス内に記憶することが可能である。
ステップ520において、システムは、測定された風速データ(vwind)、検出されたロータ速度情報(ωrotor)、およびブレードピッチ角度(β)を、さらに収集する(例えば、受け取る)、そうでなければまたは、決定することが可能である。いくつかの例では、この情報は、経験的なテストおよび/またはシミュレーションの間に測定することが可能である。収集されたデータを使用して、システムは、ステップ525において、風速データと、ロータ速度およびブレードピッチ角度のうちの1つまたは複数との間の関係を決定する(例えば、計算する)ことが可能である。例えば、第1の関係を、ロータブレードの最小ブレードピッチ角度(βmin)のために定義することが可能であり、一方、第2の関係を、最小ブレードピッチ角度を上回るブレードピッチ角度のために決定することが可能である。様々な関係の例が、セットの式3に示されている。これらの関係(風速と、ロータ速度および/またはブレードピッチ角度との間の関係)は、圧力差係数の関係と同様に、経験的なデータ、および、最小二乗法などのような最良適合のアルゴリズムを使用して決定することが可能である。関係が決定されたときに、風速関係のための定数が、ステップ530において、その後の使用のために、抽出および記憶され得る。
荷重係数と圧力差係数との間の様々な関係、ならびに、ロータ速度およびブレードピッチ角度と風速との間の様々な関係を特定することによって、タービン制御システムは、様々な荷重および荷重条件を補償する、そうでなければまたは、対処することに応答して、ブレードおよびタービン特徴を適正に変更することが可能である。1つの例では、タービン制御システムは、ブレード上の空気デフレクタの展開/収縮、ブレードの先端部分の伸長/収縮、ピッチ角度および/またはヨー角度を変更することなどのような、ブレードまたはタービン特徴を変更することが可能である。場合によっては、タービン制御システムは、さらに詳細に以下に説明されるように、ブレード特徴を変更し、揚抗比を最適化することが可能である。
図6は、本明細書で説明されている態様にしたがってなされるもののように(例えば、単一の圧力差を使用して)、荷重決定に基づいて、1つまたは複数のブレードおよびタービン特徴を制御するための例示的な方法を図示している。1つまたは複数の制御システムを使用し、ブレードおよび/またはタービン特徴を制御することが可能である。(1つまたは複数の)制御システムは、ブレード内、タービン内、または、タービンから遠隔にある制御室内に位置することが可能である。また、制御システムは、単一のデバイス(例えば、単一の空気デフレクタ、単一のロータブレード、単一のタービン)、または、複数のデバイス(例えば、複数の空気デフレクタ、複数のロータブレード、複数のタービン)を制御するように構成することが可能である。ステップ600において、制御システムは、タービンが運転している間に、ブレード上の一対の圧力オリフィスから圧力センサデータを受け取るまたは決定することが可能である。1つの例では、無線で、もしくは、有線接続を通して、および/または、1つもしくは複数の公共ネットワークもしくはプライベートネットワークを使用して、データを提供することが可能である。ステップ605において、制御システムは、2つの圧力検知オリフィス(例えば、図2におけるPおよびP)からの圧力センサ測定値の間の圧力差(Δp)、ロータ速度(ωrotor)、気圧(すなわち、大気圧力)(p)、大気温度(T)、および、ブレードピッチ角度(例えば、フェザリングに向かってプラスのβ)を決定することが可能である。様々な構成では、制御システムは、ロータ速度(ωrotor)、気圧(すなわち、大気圧力)(p)、大気温度(T)、および、ブレードピッチ角度(例えば、フェザリングに向かってプラスのβ)のうちの少なくとも2つを決定することが可能である。他の例では、制御システムは、上述の特徴のうちの1つだけを決定することが可能である。
ステップ610において、制御システムは、局所的な空気速度(vest)を決定することが可能である。局所的な空気速度は、式2に示されているように、推測された風速(vwind,est)、ロータ速度、および、センサの半径方向の位置(rsensor)、および/または、それらの組み合わせのうちの1つまたは複数に基づいて、決定することが可能である。いくつかの構成では、センサの位置を、事前決定および事前記憶することが可能である(例えば、ブレードに設置するときに決定する)。そして、推測された風速は、セットの式3に示されているような、ロータ速度および/またはブレードピッチ角度に基づいて、計算することが可能である。特定の例では、制御システムは、上述のように、ブレードピッチ角度が事前決定された最小ブレードピッチ角度(βmin)を上回るかどうかを決定することが可能である。そのような場合には、第1の決定アルゴリズムまたは公式を使用し、推測された風速を発生させることが可能である。しかし、ブレードピッチ角度が最小値に等しい場合には、制御システムは、推測された風速を発生させるために第2のアルゴリズムまたは公式を適用することが可能である。
局所的な空気速度を使用して、制御システムは、ステップ615において、例えば、上記に示されている式1にしたがって、局所的な動圧を決定することが可能である。大気密度(ρ)は、気圧(すなわち、大気圧力)(p)、乾燥空気のための気体定数(Rair)、および、大気温度(T)を使用して、理想気体の法則に基づいて、式15にしたがって計算することが可能である。次いで、ステップ600において受け取られた圧力差、および、ステップ615において決定された局所的な動圧を使用して、ステップ620において、圧力差係数を制御システムによって計算することが可能である。例えば、推測される圧力差係数は、式4を使用して決定することが可能である。次いで、ステップ625〜635において、決定された圧力差係数を使用し、所望の荷重を決定することが可能である。具体的には、ステップ625において、制御システムは、図5のフローチャートのステップ515において抽出され、および記憶された、決定された圧力差係数関係に関する様々な荷重係数のそれぞれのために決定された定数を、取り込むことが可能である。次いで、取り込まれた定数、および、係数と係数との関係のタイプを使用して、ステップ630において、制御システムは、例えば、それぞれ式5、6、および7に基づいて、揚力の荷重係数、垂直抗力の荷重係数、および接線荷重係数のそれぞれを推測することが可能である。次いで、ステップ635において、荷重は、係数のそれぞれ、および、局所的な動圧に基づいて導き出すことが可能である。例えば、揚力荷重(L)は、式8に表されているように、局所的な動圧と揚力荷重係数を掛けることによって計算することが可能である。同様に、垂直抗力の荷重(η)、および、接線力の荷重(τ)は、それぞれ、式9および10に表されているように、局所的な動圧と垂直抗力の荷重係数を掛けることによって、および、局所的な動圧と接線力の荷重を掛けることによって、決定することが可能である。また、ロータ垂直荷重(L)およびロータ接線荷重(L)も、例えば、それぞれ、式11および12を使用して、計算することが可能である。
荷重が決定されたときに、制御システムは、ステップ640において、荷重のうちの1つまたは複数を特定の荷重閾値と比較し、荷重が閾値を超えるか、閾値を満足するか、または、閾値を下回るかどうかを決定することが可能である。比較の結果に応じて、制御システムは、ステップ645において、1つまたは複数のブレードまたはタービン特徴を変更することが可能である。例えば、ロータ垂直荷重が、特定の閾値を超える場合には、制御システムは、ブレード上の1つまたは複数の空気デフレクタを展開させ、ブレードに対する応力および歪みを低減させることが可能である。別の例では、ロータ接線荷重が、特定の閾値を下回る場合には、制御システムは、ブレードピッチを変更し、ロータ接線荷重を増加させる(例えば、電力生成を増加させる)ことが可能である。他の例では、制御は、ロータ垂直荷重およびロータ接線荷重の両方など、荷重の組み合わせに基づくことが可能である。とりわけ、制御システムは、ブレード特徴およびタービン特徴を変更し、ロータ接線荷重とロータ垂直荷重との間の比率を最適化することが可能である。
いくつかの構成によれば、推測された荷重プロファイルおよび、単一の圧力差の測定値に基づいて荷重を決定するために使用される様々な係数(例えば、上記に説明されている垂直抗力係数、接線力係数、および揚力係数)は、ブレード特徴またはタービン特徴に応じて、変化することが可能である。例えば、異なる係数、および/または、一次関数もしくは二次関数の相関関係を、異なる組のブレード特徴またはタービン特徴に関して定義することが可能である。特定の例では、第1の組の1つまたは複数の空気デフレクタが展開させられる場合には、第1の相関関係/関係が、定義および使用され、荷重を決定することが可能であり、一方、第2の組の1つまたは複数の空気デフレクタが展開させられる場合には(または、空気デフレクタが展開させられない場合には)、第2の相関関係/関係を定義および使用することが可能である。同様に、異なるピッチまたはヨー(または、それらの組み合わせ)も、荷重を決定するために定義および使用される相関関係/関係に影響を及ぼすことが可能である。したがって、制御システムは、様々な異なる荷重決定の式/関係を記憶することが可能であり、荷重が決定されることとなるときに、現在の既設のブレード特徴および/またはタービン特徴に応じて、適正な関係を自動的に選択することが可能である。
荷重決定のときに使用されることとなる式/関係を選択することは、推測される誤差の量を最小化することに基づいて行うことが可能である。例えば、式または関係が、タービンのパラメータ(例えば、作動させられる(1つまたは複数の)特定のデフレクタ、ピッチ角度もしくはヨー角度、および/または、それらの組み合わせ)の現在の組のために定義される場合には、制御システムは、別の組のタービンパラメータのための関係を選択することが可能であり、それは、現在の組のタービンパラメータに関して推測される最小の誤差の量を結果として生じさせることとなる。第1の組のタービンパラメータのために定義された関係を使用して第2の組のタービンパラメータのための荷重を計算するときの誤差は、経験的なテストをすることを含む、様々な方法を使用して推測することが可能である。
本明細書で説明されているもののような荷重決定技法を使用して、タービン制御システムは、ブレードバランシングおよび/または最適化をさらに行うことが可能である。1つの例では、タービンの1つまたは複数のブレードを、ブレードのすべての間で検出された荷重のバランスを取るために調節することが可能である。したがって、あるブレードが、他のブレードよりも高い荷重を受けている場合には、あるブレードの1つまたは複数の特徴が調節され、他のブレードによって検出されているレベルまで荷重を下げることが可能である。例えば、より高い荷重のブレードのピッチもしくはヨーを調節することが可能であり、および/または、より高い荷重のブレード上の空気デフレクタを展開させることが可能である。他の例では、ブレードが可変長さのブレードである場合には、先端部分が伸長または収縮させられ、有効荷重を変更することが可能である。個々のブレード、または、ブレードのグループ(例えば、すべてよりも少ないブレード、事前決定されたブレードのサブグループなど)を、他のブレードとは別々に制御することが可能である。
また、決定された荷重を使用し、タービンの運転の様々な特徴を最適化することも可能である。例えば、1つまたは複数のブレードの揚抗比が最適化され、発電量を最大化することが可能である。したがって、特定の例では、ブレードのピッチが変更され、揚抗比を増加させ、それによって、発電量を増加させることが可能である。繰り返しになるが、ブレードバランシングと同様に、それぞれの個々のブレードを他のブレードとは別々に制御することが可能である。追加的にまたは代替的に、他のブレード、または、ブレードのサブグループとは別々に、ブレードのサブグループを一緒に定義および制御することが可能である。また、タービン制御は、ブレード経路の一断面の評価も含むことが可能である。したがって、ブレード経路の一断面が、ブレード経路の他の部分よりも高い荷重を受けることとなるように決定される場合には、制御システムは、例えば、タービンのヨーを変更し、荷重を補償し、荷重を均等化することが可能である。
タービン運転のバランシングおよび最適化は、運行中に、または、タービン停止期間中に行うことが可能である。したがって、タービンは、所定の時間において連続的に制御されるか、または、運転中に所定の条件(例えば、揚抗比が特定の閾値よりも低い)を検出したときに制御され、発電量が最大化されること、および/または、他の目的が満足されることを確実にすることが可能である。設置後にブレード特徴のバランスを取り、変更する能力は、性能、バランシング、および、他の調節のために、ブレードを取り外す必要、または、タービンの他の部品を分解する必要を取り除く。
図7は、タービン制御システムがブレードバランシングおよび/または最適化を行う一実施形態を図示している。具体的には、図7は、3つのブレード702a、702b、および702cを含む風力タービン700を図示している。ブレード702a、702b、および702cは、それぞれ、圧力センサ704a、704b、および704cを含む。それぞれの圧力センサ704は、図2に図示されているように、2つのオリフィス(PおよびP)および変換器30を含むことが可能である。したがって、圧力差は、それぞれの圧力センサ704によって、それぞれのブレード702において測定することが可能である。それぞれのブレード702は、様々な制御部、システムなどをさらに含むことが可能であり、それは、それぞれのブレードに作用する荷重を所望のレベルにするために、ブレード702の異なる特徴を変化させることが可能である。例えば、それぞれのブレードは、空気デフレクタ706または先端部分708を含むことが可能であり、空気デフレクタ706を展開または収縮させることが可能であり、先端部分708を伸長または収縮させることが可能である。さらに、検出された荷重に応答してブレードのピッチおよび/またはヨーを調整することができるように、それぞれのブレード702を構成させることが可能である。
図7に示されている実施形態では、ブレード702cは、タービン制御システム714に応答して調節され、タービン制御システム714は、ブレード702cに作用する荷重が、他の2つのブレード702aおよび702bのそれぞれに作用する荷重とのバランスが崩れており、かつ/または、許容荷重の所定の範囲内にないことを検知する。具体的には、タービン制御システム714は、圧力センサ704a、704b、および704cのそれぞれからの圧力差の測定値を受け取る。例えば、上記に説明されている荷重決定技法のうちのいずれかを使用して、タービン制御システム714は、許容荷重の範囲内へ荷重を入れるために、および/または、ブレード702aおよび702bに関連するものとの荷重とののバランスを取るために、ブレード702cの調節が必要であると決定する。したがって、タービン制御システム714は、ブレード702cの1つまたは複数の特徴を調節することが可能である。例えば、タービン制御システム714は、矢印710によって図示されているように、空気デフレクタ706cを展開させることが可能である。代替的にまたは追加的に、タービン制御システム714は、矢印712によって図示されているように、先端部分708cを伸長または収縮させることが可能であり、かつ/または、タービン制御システム714は、矢印714によって図示されているように、ブレード702cのピッチもしくはヨーを変更することが可能である。
したがって、風力タービン700のそれぞれのブレード702から圧力差の測定値を受け取ることによって、タービン制御システム714は、それぞれのブレードに関連する荷重を決定することが可能であり、所定の許容可能範囲内に有効荷重を入れること、および/または、それぞれのブレードの間の荷重のバランスを取ることが必要である場合には、それぞれのブレードの特徴に対する調節をすることが可能である。図7に図示されている実施形態では、ブレード702cだけが、調節を受けるものとして示されているが、しかし、本開示の利益を与えられることがよく理解されることとなるように、それぞれのブレードの間の荷重のバランスを取る、および/または最適化するために、2つ以上のブレード、および/または、それぞれのブレードの2つ以上の特徴を調節することが可能である。例えば、別の実施形態では、それぞれのブレードからの圧力差の測定値を受け取ることに応答して、タービン制御システム714は、ブレード702cの空気デフレクタ706cを展開させること、ブレード702aのピッチを調節すること、および、ブレード702bの先端部分708bを伸長または収縮させることが可能である。所望の荷重分配を実現するために、それぞれのブレードの間の特徴を調節することの任意の他の組み合わせを、本開示の範囲から逸脱することなく容易に用いることが可能である。
図8は、風力タービンのブレードを最適化および/またはバランシングするための例示的な方法のフローチャートを図示している。ステップ800において、圧力センサデータが、制御システムによって決定される。圧力センサデータは、複数のブレード上の複数の圧力センサから決定され得る(例えば、受け取られる、計算される、測定されるなど)。例えば、図7に戻ると、圧力センサデータはそれぞれ、ブレード702a、702b、および702c上の圧力センサ704a、704b、および704cから受け取ることが可能である。ステップ805において、受け取られた圧力センサデータから圧力差を決定することが可能である。例えば、それぞれの圧力センサ704は、(図2におけるPおよびPなどのような)ブレードの底部表面上の圧力オリフィスと、ブレードの上部表面上の圧力センサオリフィスとを含むことが可能である。したがって、ステップ805において、システムは、これらの2つのオリフィスの間の圧力の差を決定することが可能であり、それは、上記に表されているように、ブレードが受けている荷重に比例し得る。
ステップ810において、例えば、上述の方法のいずれかを使用して、これらの荷重を決定することが可能である。いくつかの実施形態では、圧力差に加えて他の特徴を使用し、荷重を決定することが可能である。例えば、システムは、ブレードに作用する荷重を決定するときに、風力タービンのロータ速度、気圧(すなわち、大気圧力)、大気温度、センサの半径方向の位置、風力タービンブレードの捩じり角度、および/または、風力タービンブレードのピッチ角度のうちの1つまたは複数を使用することが可能である。ステップ815において、システムは、荷重のバランスが崩れているかどうかを決定することが可能である。例えば、一実施形態では、風力タービンブレードのうちの第1のものが受ける荷重が、他の風力タービンブレードが受ける荷重と比較され得る。第1のブレードが受ける荷重の、他のブレードが受ける荷重とのバランスが崩れている場合には、方法は、ステップ820に進むことが可能である。しかし、荷重のバランスが崩れていない場合には、システムは、ステップ825に進むことが可能である。ステップ820において、第1のブレードに作用する荷重をバランスの取れた状態に戻すために、ブレードの特徴が変更される。例えば、ブレードが、展開可能な空気デフレクタを装備している場合には、方法は、空気デフレクタを展開させることが可能である。追加的にまたは代替的に、方法は、ブレードのピッチ角度、または、タービンおよび/もしくはブレードのヨー角度を変化させ、荷重のバランスを取ることが可能である。または、方法は、ブレードの先端部分を伸長または収縮させることが可能である。このステップにおける任意の変更は、「リアルタイム」で、すなわち、風力タービンが回転している間、または、タービン停止期間中に、行うことが可能である。したがって、風力タービンが、例えば、停止期間および生産性の損失を回避するように運転している間に、方法は、ブレードをバランスの取れた状態にすることが可能である。
また、システムは、ステップ825において、決定された荷重が、許容可能範囲内にあるかどうかを決定することが可能である。例えば、システムは、ブレードに作用する荷重が高過ぎると決定することが可能であり、したがって、ステップ830において、ブレードに対する損失を回避するために応答して、例えば、上述の特徴のいずれかを変更することが可能である。代替的にまたは追加的に、システムは、例えば、揚抗比が低すぎると決定することが可能であり、ステップ830において、発電量を増加させるために、上述の特徴のいずれかを変更することが可能である。繰り返しになるが、ステップ830における任意の変更は、「リアルタイム」で、例えば、停止期間および生産性の損失を回避するために、またはタービン停止期間中に、行うことが可能である。
本開示のいくつかの実施形態では、上記に説明されているような荷重推測技法のいずれかを使用して、エーロフォイルまたはブレードの長さに沿って、荷重プロファイルを決定するか、または推測することが可能である。例えば、上記に説明されているような荷重推測技法を使用し、例えば、エーロフォイルまたはブレードに沿った複数の位置において、ロータ垂直抗力および/またはロータ接線荷重を決定することが可能である。複数の位置において推測された荷重を使用して、荷重分配を決定することが可能である。エーロフォイルまたはブレードについての追加的なメトリクスを導き出すときに、この荷重分配を使用することが可能である。例えば、荷重分配を使用し、エーロフォイルまたはブレードに作用するルート部曲げモーメントを決定することが可能である。ルート部曲げモーメントが高過ぎる場合には、制御システムは、モーメントを低減させるために1つまたは複数の特徴を変更し、したがって、ロータおよび/またはブレードに対する損失を回避することが可能である。それとは対照的に、ルート部曲げモーメントが低すぎる場合には、制御システムは、モーメントを増加させるために1つまたは複数の特徴を変更し、例えば、発電量を増加させることが可能である。代替的に、荷重分配を使用し、エーロフォイルまたはブレードの変位(例えば、曲げまたは捩じり)を導き出すことが可能である。または、荷重分配を使用し、エーロフォイルまたはブレードに関連する速度および加速度を決定することが可能である。したがって、例えば、上述の技法のいずれかを使用して、風力タービンのための制御システムは、単に、少なくとも1つのタービンのブレードに関連する荷重を推測することによって、風力タービンの制御において使用される多くの有用なメトリクスを導き出すことが可能である。
図9は、風力タービンのブレード902cに対する荷重分配を決定する制御システム906の例を図示している。図9では、風力タービン900は、ハブ908と、3つのブレード902a、902b、および902cとを含む。ブレード902cは、複数の圧力センサ904を装備している。示されている実施形態では、簡単にするために、ブレード902cだけが、圧力センサ904を有するように示されているが、いくつかの実施形態では、2つ以上のブレードが、1つまたは複数の圧力センサを含むことが可能である。圧力センサ904は、図2に示されているように、例えば、2つの圧力検知オリフィス(PおよびP)と変換器30とを含むことが可能である。したがって、制御システム906は、ブレード902cの長さに沿った複数の圧力差に対応するデータを受け取ることが可能である。具体的には、それぞれの圧力センサ904は、P1,n(すなわち、ブレード902cの底部表面)における圧力と、P2,n(すなわち、ブレード902cの上部表面)における圧力とを決定し、2つの位置の間の圧力差を決定することが可能である。したがって、ブレード902cに沿って、それぞれの圧力センサ904が位置するそれぞれの半径方向の位置に関して、制御システム906は、ブレード902cの上部およびブレード902cの底部の圧力の差に関するデータを受け取ることが可能である。次いで、制御システム906は、それぞれの位置において受け取られた圧力差を使用し、例えば、本明細書で説明されている荷重推測技法のいずれかを使用して、ブレード902cに沿う荷重分配を推測することが可能である。
例えば、図9に示されているように、制御システム906は、それぞれの半径方向の位置におけるロータ垂直荷重(L)および接線荷重(L)を推測するものとして示されている。他の実施形態では、制御システム906は、例えば、揚力の荷重(L)、垂直荷重(η)、接線荷重(τ)、および/または、任意の他の所望の荷重を推測することが可能である。任意の所望の荷重が決定されると、制御システム906は、ブレード902cに沿って荷重分配を決定し、さらに、荷重分配を使用して、風力タービン900に関連する他のメトリクスを決定することが可能である。例えば、制御システム906は、荷重分配を使用し、ブレード902cの曲げまたは捩じりの量を含む、ブレード902cの変位を決定することが可能である。代替的に、制御システム906は、荷重分配にしたがって、ブレード902cおよび/または風力タービン900の加速度または速度を決定することが可能である。したがって、ブレード902cの半径方向長さに沿って圧力差を測定することによって、制御システム906は、荷重分配を推測し、それにしたがって、他の関連のメトリクスを導き出すことが可能である。
図9に示されているようなそれぞれの推測された荷重LN,nおよびLT,nの大きさは、単に、例示目的のためのものである。他の実施形態では、ブレード902cに沿ってそれぞれの位置において推測された力は、例えば、一次または二次関数の関係を有することが可能である。例えば、一実施形態では、ロータ垂直荷重は、圧力センサ904のハブ908からの半径方向距離に、一次関数的に比例することが可能である。したがって、ロータ垂直荷重は、ハブ908からの半径方向長さに比例して増加することが可能であり、したがって、荷重分配は、図9に示されているものよりも均一に表れることとなる。代替的に、制御システム906は、例えば、ブレード902cの長さに沿った荷重の間で、一次関数および/または二次関数の関係を実現しようと努めることが可能である。したがって、ブレード902cの長さに沿って荷重を推測すると、制御装置906は、荷重が、対応する圧力センサ904のハブ908からの半径方向距離に比例していない(すなわち、荷重のバランスが崩れている)と決定することが可能である。したがって、制御装置906は、荷重をバランスの取れた状態に戻すために、本明細書で述べられているようにブレード902cの1つまたは複数の特徴を調節することが可能である。
図10Aおよび図10Bは、風力タービンブレードに沿ってバランスの取れた荷重分配の2つの例示的な実施形態を図示している。図10Aでは、風力タービン1000は、3つのブレード1002a、1002b、および1002cを含む。簡単にするために、ブレード1002aおよび1002bは、完全には図示されていない。ブレード1002cは、図2に関して上記に説明されている圧力センサ、および/または、図9に関して上記に説明されている圧力センサ904などのような、圧力センサを、その長さに沿って装備することが可能である(図示せず)。ブレード1002cの長さに沿うそれぞれの圧力センサは、その位置で圧力差を測定しており、圧力差は、ブレード1002cの上部表面とブレード1002cの底部表面との間の圧力の差に対応する。例えば、本明細書で述べられているような荷重分配技法のいずれかを使用して、制御システム(図示せず)は、ブレード1002cの長さに沿って荷重を推測することが可能である。例えば、図示されているように、制御システムは、それぞれの位置におけるロータ垂直荷重(L)を計算することが可能である。代替的にまたは追加的に、制御システムは、本明細書で述べられているように、任意の荷重を推測することが可能である。この実施形態では、ロータ垂直荷重の分配は、一次関数的である。したがって、制御装置は、ブレードがバランスの取れた状態であると決定することが可能である。追加的にまたは代替的に、制御システムは、一次関数の分配を使用し、例えば、変位、加速度、速度、および/またはモーメントなどのような、ブレード1002cに対応する他のメトリクスを計算することが可能である。荷重を所望の範囲内へ入れるために、および/または、他のブレードに作用する荷重(例えば、1002aおよび/または1002b)との荷重のバランスを取るために、これらのメトリクスを使用して、制御装置は、例えば、風力タービンブレード1002cの特徴を変更することによって、より効率的に風力タービンを制御することが可能である。
図10Bは、代替的な荷重分配を表しており、それは、制御システムによって推測することが可能であり、かつ/または、それを実現するために、制御システムは、ブレードの特徴を調節することが可能である。図10Bに図示されている実施形態では、荷重分配は、もはや一次関数的ではなく、むしろ、例えば、二次関数または他の非一次関数の関係を有することが可能である。例えば、風力タービンの構成、環境条件、および/または、他の要因に応じて、荷重分配は変化し得る。荷重分配の実際の特徴にかかわらず、制御システムは、ブレードもしくは風力タービンの他のメトリクスを決定するときに、および/または、所望の分配を実現するためにブレード特徴を調節するときに、荷重分配を使用することが可能である。
図10Aおよび図10Bに図示されているように、ロータブレードに沿って離散した点において決定された荷重値は、分配を計算するために使用することが可能である。例えば、一次関数または二次関数の適合が決定され、分配に対応する式を発生させることが可能である。この分配を使用して、他の点(例えば、圧力センサまたは他の検知デバイスが位置しない点)における荷重値を計算する、そうでなければまたは、決定することが可能である。
本開示の他の実施形態では、1つまたは複数の風力タービンは、分配制御システムを含むことが可能である。分散制御システムの一実施形態では、風力タービンは、複数の通信可能に連結されている制御装置を含むことが可能である。例えば、風力タービンは、風力タービンブレードのそれぞれの変更可能な特徴のための特定の機能の制御装置を有することが可能である。したがって、風力タービンは、風力タービンブレードの伸長可能な先端部分を制御する1つの制御装置、風力タービンブレードのピッチを制御する1つの制御装置、風力タービンおよび/もしくは風力タービンブレードのヨーを制御する1つの制御装置、風力タービンブレード上の空気デフレクタを制御する1つの制御装置、および/または、風力タービンブレードの1つもしくは複数の追加的な特徴を制御する1つもしくは複数の制御装置を含むことが可能である。追加的に、風力タービンは、上述の特徴のうちの1つまたは複数を制御することができる中央制御装置を含むことが可能である。そのような実施形態では、それぞれの特定の機能の制御装置は、フェイルセーフ機構としての役割を果たすか、もしくは、中央制御装置の代わりになることが可能であり、および/または、中央制御装置は、フェイルセーフ機構としての役割を果たすか、もしくは、それぞれの特定の機能の制御装置の代わりになることが可能である。例えば、空気デフレクタに関して、中央制御装置および空気デフレクタ制御装置は、空気デフレクタの運転を制御するように構成することが可能である。例えば、中央制御装置が故障した場合においては、風力タービンブレードが調節を必要とするときは、空気デフレクタ制御装置が、空気デフレクタを制御することが可能である。代替的に、空気デフレクタ制御装置が故障した場合において、風力タービンブレードが調節を必要とするときには、中央制御装置が、空気デフレクタを制御することが可能である。したがって、制御装置が故障した場合には、別の制御装置が代替運転を行うことが可能であるので、風力タービンは、損傷および/またはシャットダウンを回避することが可能である。
図11は、複数の制御装置を使用する分配制御システムの一実施形態を図示している。図11では、風力タービン1100は、3つのブレード1104a、1104b、および1104cを含む。例えば、荷重が過度であること、および/または、荷重のバランスが崩れていることを検出したことに応答して、いくつかの特徴を変更することが可能であるように、それぞれのブレード1104および/または風力タービン1100を構成することが可能である。例えば、それぞれのブレード1104は、伸長させるか、または収縮させるように構成されている先端部分を有することが可能である。さらに、それぞれのブレード1104は、展開させるか、または収縮させることが可能な空気デフレクタを有することが可能である。さらに、ブレード1104に作用する荷重を変更するためにそれぞれのブレードのピッチまたはヨーを変更することが可能であるように、それぞれのブレード1104を構成することが可能である。風力タービン1100は、中央制御装置1102を含むことが可能であり、中央制御装置1102は、風力タービン1100および/またはブレード1104の1つまたは複数の特徴を変更するように構成されている。例えば、中央制御装置1102は、それぞれのブレード1104のために、ピッチ角度およびヨー角度のうちの1つまたは複数を変更するように構成されるか、かつ/または、それぞれのブレード1104の空気デフレクタおよび/または先端部分のうちの1つまたは複数を伸長または収縮させるように構成され得る。
中央制御装置1102に加えて、風力タービン1100は、風力タービン1100および/またはブレード1104の様々な特徴を変更するように構成されている特定の機能の制御装置をさらに含むことが可能である。具体的には、それぞれのブレードは、ピッチおよび/もしくはヨー制御装置1106、空気デフレクタ制御装置1108、ならびに/または、可変長さ制御装置1110を含むことが可能である。したがって、ブレード1104のそれぞれの特徴は、特定の機能の制御装置を使用して変更することが可能である。さらに、それぞれの特定の機能の制御装置は、例えば、中央制御装置1102とともに冗長性があることが可能である。例えば、中央制御装置1102および可変長さ制御装置1110は、荷重を変更するために、および/または、荷重をバランスの取れた状態にするために、1つまたは複数のブレード1104の長さを変更するように構成することが可能である。したがって、ブレード1104の長さを変更するときに、中央制御装置1102または可変長さ制御装置1110のいずれかを使用することが可能である。もし制御装置のうちの1つが故障した場合には、他の制御装置は、荷重が過度であること、および/または、荷重のバランスが崩れていることに応答して、所望の変更をさらに行うことが可能である。したがって、例えば、1つまたは複数の制御装置が故障した場合でも損傷を回避するために、風力タービン1100の特徴を変更することが可能であるので、それぞれの制御装置は、フェイルセーフ機構を提供している。
分散制御システムの別の実施形態では、複数の風力タービンの間の複数の制御装置は、通信可能に連結されており、効率的に運転を提供し、かつ/または、過度の荷重による損傷を回避することが可能である。例えば、一実施形態では、複数の風力タービンを互いに近くに配置することが可能である。それぞれの風力タービンは、それぞれの風力タービンの1つまたは複数の特徴を変更するように構成されている1つまたは複数の制御装置を含むことが可能である。例えば、それぞれのタービンは、1つまたは複数の制御装置を含むことが可能であり、1つまたは複数の制御装置は、そのブレードの先端部分を伸長または収縮させ、そのブレードのピッチ角度を変更し、風力タービンおよび/またはそのブレードのヨー角度を変更し、かつ/または、そのブレード上の空気デフレクタを展開させるか、または収縮させる。制御装置は、互いに通信することが可能であり、それにしたがって特徴を調節することが可能である。例として、第1の風力タービンにおける制御装置は、例えば、上述の荷重推測技法のいずれかを使用して、タービンにおける過度の荷重を検出することが可能である。次いで、第1の風力タービンは、例えば、過度の荷重によって引き起こされたタービンに対する損傷を防止するために、任意の数の特徴を調節することが可能である。追加的に、風力タービンにおける1つまたは複数の制御装置は、次いで、他の風力タービンに位置する1つまたは複数の制御装置と通信することが可能である。したがって、他の風力タービンにおける制御装置は、第1の風力タービンの荷重決定に応答して、1つまたは複数の特徴を調節することが可能である。したがって、他のタービン内で損傷を低減させることが可能であり、および/または、他のタービンをより効率的に運転することが可能である。
図12は、一実施形態を図示しており、複数の制御装置が通信可能に連結されており、複数の風力タービンの間に分散制御システムを提供するようになっている。具体的には、ウィンドファーム1200は、複数の風力タービン1202を含み、複数の風力タービン1202は、制御システム1208を通して互いに通信可能に連結されている。それぞれの風力タービン1202は、有線通信または無線通信を含む任意の周知の方法を使用して、互いに通信することが可能である。それぞれの風力タービン1202の特徴(例えば、ピッチ、ヨー、ブレードの長さ、空気デフレクタが展開されるかまたは展開されないか)は、例えば、それぞれのタービン1202に作用する荷重が過度であり、および/または、バランスが崩れているという決定に応答して、変更されるように構成されている。荷重を推測するための方法、および/または、1つもしくは複数の特徴を変更するための方法は、例えば、本明細書で提供されている方法のいずれかを使用して行うことが可能である。それぞれの風力タービン1202はさらに、グループとして整えることが可能である。例えば、風力タービン1202a〜1202fをグループ1204として整えることが可能であり、風力タービン1202g〜1202kをグループ1206として整えることが可能である。それぞれの風力タービン1202は、1つまたは複数の制御装置(図示せず)をさらに含み、それぞれの風力タービン1202の1つまたは複数の変更可能な特徴を制御することが可能である。
それぞれの風力タービン1202における制御装置、および/または、制御システム1208は、例えば、任意の本明細書で説明されている荷重推測/決定技法のいずれかを用いて、過度の荷重を推測することが可能である。例えば、風力タービン1202gは、急な突風1208にさらされる可能性がある。例えば、風力タービン1202gの現在の構成に応じて、突風1208は、風力タービン1202gに対する過度の荷重を引き起こす可能性がある。それに応答して、風力タービン1202gにおける1つまたは複数の制御装置は、1つまたは複数の特徴を変更することが可能である。例えば、制御装置は、風力タービン1202gのヨーを変更することが可能であり、風力タービンが突風に真っ直ぐ向かい合うようになっている。追加的にまたは代替的に、制御装置は、1つまたは複数のブレードのピッチまたはヨーを調節することが可能であり、1つまたは複数のブレード上の空気デフレクタを展開もしくは収縮させることが可能であり、および/または、1つまたは複数のブレードの先端部分を伸長または収縮させることが可能である。さらに、風力タービン1202gを、例えば、制御システム1208を介して、他の風力タービン1202a〜1202kの制御装置の1つまたは複数に通信可能に連結することが可能である。したがって、他の風力タービン1202は、例えば、突風1208に備えて特徴を変更するために、風力タービン1202gからの荷重推測もしくは決定、および/または、特徴変更データを使用することが可能である。例えば、1202gが突風1208にさらされ、突風1208が過度の荷重を引き起こし、したがって、風力タービン1202gが、それに応答して風力タービン1202gのヨー角度を変更する場合には、他の風力タービン1202のうちの1つまたは複数は、突風1208に備えてそのそれぞれのヨー角度を調節することが可能である。したがって、例えば、1202hおよび1202e(それらは、風力タービン1202gから遠く風下に位置し得る)などのような風力タービンは、そのような突風がそれぞれのタービンに到達する前に、突風1208を補償することが可能である。したがって、この実施形態では、複数の風力タービンにわたって分配されている制御装置を使用し、1つまたは複数のタービンからのフィードバックを使用して、効率を上昇させ、および/または、風力タービン1202の故障を低減させることが可能である。
ウィンドファーム1200は、例えば、グループ1204および1206などのような、風力タービンのグループ化をさらに含むことが可能である。したがって、それぞれのタービン1202の特徴は、例えば、同じグループ内の他のタービンが変更されたときにだけ、変更することが可能である。例えば、風力タービン1202a〜1202fは、一般的に、例えば、尾根(ridge)上のそれらの位置に起因して、互いに同じ環境条件を経験すると決定することが可能であり、一方、風力タービン1202g〜1202kは、通常、互いに同じ環境条件を経験するが、それは、風力タービン1202a〜1202fによって経験されるものとは典型的に区別される。したがって、風力タービン1202a〜1202fは、グループ1204にグループ分けすることが可能であり、風力タービン1202g〜1202kは、グループ1206にグループ分けすることが可能である。したがって、風力タービン1202gが、例えば、突風1208を受けると、風力タービン1202gは、上記に説明されているような任意の数の特徴を調節することが可能であり、風力タービン1202gとともにグループ1206にグループ分けされている他のタービン(すなわち、風力タービン1202h〜1202k)は、同様に特徴を調節し、予期される増加荷重を補償することが可能であり、一方、グループ1204内の風力タービン(すなわち、風力タービン1202a〜1202f)は、それに応答して任意の特徴を変更することは可能でない。したがって、本開示のいくつかの態様では、分散制御システムを使用し、効率を上昇させ、典型的に同様の環境条件に露出される風力タービン1202のグループ化の失敗を減少させることが可能である。
本明細書で記載されている方法および特徴は、コンピュータ可読命令を記憶することができる任意の数のコンピュータ可読媒体を通して、さらに実施することが可能である。使用され得るコンピュータ可読媒体の例には、RAM、ROM、EEPROM、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、CD−ROM、DVDまたは他の光学的ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気記憶装置などが含まれる。
本発明の様々な態様を具現化する、本明細書で説明されているような例示目的のシステムおよび方法が示されているが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことが当業者によって理解されることとなる。修正例が、とりわけ、先述の教示を参照して、当業者によって作製され得る。例えば、上述の実施形態の要素のそれぞれは、単独で、または、他の実施形態の要素と組み合わせて、もしくは、部分的に組み合わせて、利用することが可能である。また、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、修正例が作製され得ることが認識および理解されることとなる。したがって、本明細書の記載は、本発明を制限する代わりに、例示目的として認識されるべきである。

Claims (20)

  1. ハブと、
    前記ハブに接続されており、前記ハブの周りに配置されている複数の風力タービンブレードと、
    複数の制御装置のうちの第1の制御装置が、前記複数の風力タービンブレードの少なくとも1つの風力タービンブレードの第1の特徴を変更するように構成されており、かつ、複数の制御装置のうちの第2の制御装置が、前記少なくとも1つの風力タービンブレードの前記第1の特徴を変更するように構成されている、複数の制御装置と、
    を含む、風力タービン。
  2. 前記少なくとも1つの風力タービンブレードが、
    前記少なくとも1つの風力タービンブレードの底部表面上に配置されている第1の圧力検知オリフィスと、
    前記少なくとも1つの風力タービンブレードの上部表面上に配置されている第2の圧力検知オリフィスであって、前記第1の制御装置が、前記第1の圧力検知オリフィスの位置と前記第2の圧力検知オリフィスの位置との間の圧力の差に基づいて、前記少なくとも1つの風力タービンブレードに関連する少なくとも1つの空気力学的な力を決定するようにさらに構成されており、前記第1の制御装置が、前記少なくとも1つの空気力学的な力を決定することに応答して、前記第1の特徴を変更するように構成されている、第2の圧力検知オリフィスと、
    を含む、請求項1に記載の風力タービン。
  3. 前記第1の制御装置が、受け取られた前記少なくとも1つの風力タービンブレードの回転速度、受け取られた大気圧力、受け取られた大気温度、および、受け取られた前記少なくとも1つの風力タービンブレードのピッチ角度に基づいて、前記空気力学的な荷重を決定するようにさらに構成されている、請求項2に記載の風力タービン。
  4. 前記第2の制御装置が、
    前記第1の制御装置が前記少なくとも1つの風力タービンブレードの前記第1の特徴を変更したかどうかを決定し、かつ、
    前記第1の制御装置が前記少なくとも1つの風力タービンブレードの前記第1の特徴を変更していないと決定することに応答して、前記少なくとも1つの風力タービンブレードの前記第1の特徴を変更するようにさらに構成されている、請求項1に記載の風力タービン。
  5. 前記第1の制御装置が、前記少なくとも1つの風力タービンブレードの第2の特徴を変更するようにさらに構成されており、前記第2の特徴が前記第1の特徴とは異なる、請求項1に記載の風力タービン。
  6. 前記第1の特徴および第2の特徴のそれぞれが、前記少なくとも1つの風力タービンブレードのピッチ角度、前記風力タービンのヨー角度、前記少なくとも1つの風力タービンブレードの先端部分の位置、および、前記少なくとも1つの風力タービンブレード上の空気デフレクタの位置のうちの1つである、請求項5に記載の風力タービン。
  7. 第1の風力タービンにおける制御装置から第2の風力タービンにおける制御装置によって、前記第1の風力タービンにおけるブレードに関連する推測された空気力学的な荷重を、受け取るステップであって、前記第1の風力タービンにおける前記制御装置が、前記第1の風力タービンにおける前記ブレードの第1の圧力の位置と第2の圧力の位置との間の決定された圧力差に基づいて、前記第1の風力タービンにおける前記ブレードに関連する前記空気力学的な荷重を推測する、ステップと、
    前記第1の風力タービンにおける前記ブレードに関連する前記推測された空気力学的な荷重を受け取る前記ステップに応答して、前記第2の風力タービンにおける前記制御装置によって、前記第2の風力タービンの特徴を変更するステップと
    を含む、風力タービンを制御するための方法。
  8. 前記第1の風力タービンにおける前記制御装置が、受け取られた前記第1の風力タービンにおける前記ブレードの回転速度、受け取られた大気圧力、受け取られた大気温度、および、受け取られた前記第1の風力タービンにおける前記ブレードのピッチ角度に基づいて、前記第1の風力タービンにおける前記ブレードに関連する前記空気力学的な荷重をさらに推測する、請求項7に記載の方法。
  9. 前記第1の風力タービンにおける前記制御装置が、前記第1の風力タービンにおける前記ブレードに関連する前記空気力学的な荷重を推測することに応答して、前記第1の風力タービンの特徴を変更する、請求項7に記載の方法。
  10. 前記第1の風力タービンの前記特徴が、前記第1の風力タービンのヨー角度であり、前記第2の風力タービンの前記特徴が、前記第2の風力タービンのヨー角度である、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1の風力タービンの前記特徴が、前記第1の風力タービンの前記ブレードのピッチ角度であり、前記第2の風力タービンの前記特徴が、前記第2の風力タービンのブレードのピッチ角度である、請求項9に記載の方法。
  12. 前記第1の風力タービンの前記特徴を変更することが、前記第1の風力タービンの前記ブレードの空気デフレクタを展開させることを含み、前記第2の風力タービンの前記特徴を変更することが、前記第2の風力タービンのブレード上の空気デフレクタを展開させることを含む、請求項9に記載の方法。
  13. 前記第1の風力タービンの前記特徴を変更することが、前記第1の風力タービンの前記ブレードの先端部分を伸長させることを含み、前記第2の風力タービンの前記特徴を変更することが、前記第2の風力タービンの可変長さ部分を伸長させることを含む、請求項9に記載の方法。
  14. 風力タービンを制御するためのシステムは、
    複数のグループに整えられている複数の風力タービンと、
    前記複数の風力タービンのそれぞれにおける制御装置であって、それぞれの制御装置が、対応する風力タービンの少なくとも1つの特徴を変更するように構成されている、制御装置と、
    を含み、
    前記システムは、
    前記複数のグループのうちの第1のグループ内の前記複数の風力タービンのうちの第1の風力タービンのブレードに関連する空気力学的な荷重を、前記第1の風力タービンの前記ブレードの第1の圧力の位置と第2の圧力の位置との間の決定された圧力差に基づいて、推測し、かつ、
    前記第1の風力タービンの前記ブレードに関連する前記空気力学的な荷重を推測することに応答して、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける前記制御装置によって、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンの特徴を変更するように構成されている、システム。
  15. 決定された前記第1の風力タービンの前記ブレードの回転速度、決定された大気圧力、決定された大気温度、および、決定された前記第1の風力タービンの前記ブレードのピッチ角度に基づいて、前記第1の風力タービンの前記ブレードに関連する前記空気力学的な荷重を推測するようにさらに構成されている、請求項14に記載のシステム。
  16. 前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおいて変更される前記特徴が、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンのヨー角度である、請求項14に記載のシステム。
  17. 前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおいて変更される前記特徴が、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける少なくとも1つのブレードのピッチ角度である、請求項14に記載のシステム。
  18. 前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおいて変更される前記特徴が、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける少なくとも1つのブレード上の空気デフレクタを展開させること、および、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける前記少なくとも1つのブレード上の前記空気デフレクタを収縮させることのうちの1つである、請求項14に記載のシステム。
  19. 前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおいて変更される前記特徴が、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける少なくとも1つのブレードの先端部分を伸長させること、および、前記第1のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける前記少なくとも1つのブレードの前記先端部分を収縮させることのうちの1つである、請求項14に記載のシステム。
  20. 第2の風力タービンの前記ブレードの第1の圧力の位置と第2の圧力の位置との間の決定された圧力差に基づいて、前記複数のグループのうちの第2のグループ内の前記複数の風力タービンのうちの前記第2の風力タービンのブレードに関連する空気力学的な荷重を推測し、かつ、
    前記第2の風力タービンの前記ブレードに関連する前記空気力学的な荷重を推測することに応答して、前記第2のグループ内のそれぞれの風力タービンにおける前記制御装置によって、前記第2のグループ内のそれぞれの風力タービンの特徴を変更するようにさらに構成されている、請求項14に記載のシステム。
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