JP2014181706A - 様々なセンサの位置を使用して荷重を決定すること - Google Patents

様々なセンサの位置を使用して荷重を決定すること Download PDF

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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、様々なセンサの位置を使用して荷重を決定することに関する。
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。
Ｐ１とＰ２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、Ｐ１とＰ２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（Ｃｎ）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Ｃｎ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（Ｃｔ）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（ｆｌ）、抗力（ｆｄ）、垂直抗力（ｆｎ）、接線力（ｆｔ）、ロータ垂直抗力（ＦＮ）、およびロータ接線力（ＦＴ）が含まれる。例えば、ロータ垂直抗力ＦＮは、ロータ平面４０７に直交しており、一方、垂直抗力ｆｎ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（Ｃｌ）、垂直抗力（Ｃｎ）、接線力（Ｃｔ）、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Ｐ１およびＰ２）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（ＬＮ）およびロータ接線荷重（ＬＴ）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（Ｐ１およびＰ２）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Ｐ１およびＰ２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（Ｐ１およびＰ２）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９０４ｎ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９０４ｎ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（ＬＮ）および接線荷重（ＬＴ）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９０４ｎ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９０４ｎ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（ＬＮ）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. エーロフォイル制御デバイスによって、エーロフォイルの第１の圧力の位置と第２の圧力の位置との間の圧力差を決定するステップと、
    前記エーロフォイル制御デバイスによって、前記エーロフォイルの回転速度、大気圧力、大気温度、および、前記エーロフォイルのピッチ角度のうちの少なくとも２つを決定するステップと、
    前記圧力差、ならびに、前記エーロフォイルの前記回転速度、前記大気圧力、前記大気温度、および、前記エーロフォイルの前記ピッチ角度のうちの前記少なくとも２つに基づいて、前記エーロフォイル制御デバイスによって、前記エーロフォイルに関連する空気力学的な力を決定するステップと
    を含む、エーロフォイルに関連する空気力学的な力を決定する方法。
  2. 前記エーロフォイルに関連する前記空気力学的な力を決定する前記ステップが、前記エーロフォイルの前記回転速度、前記大気圧力、前記大気温度、および、前記エーロフォイルの前記ピッチ角度のうちの少なくとも２つに基づいて、前記エーロフォイルにおける局所的な動圧を推測するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記エーロフォイルにおける前記局所的な動圧を推測する前記ステップが、前記エーロフォイルにおける局所的な空気速度を推測するステップを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記エーロフォイルの前記局所的な空気速度を推測する前記ステップが、前記エーロフォイルにおける風速を推測するステップを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記エーロフォイルにおける前記風速を推測する前記ステップが、前記エーロフォイルの前記ピッチ角度が最小ピッチ角度よりも大きいかどうかを決定するステップを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記エーロフォイルの前記ピッチ角度が最小ピッチ角度よりも大きくないときに、前記エーロフォイルにおける前記風速を推測する前記ステップが、前記ロータの前記回転速度に基づいて行われる、請求項５に記載の方法。
  7. 前記エーロフォイルの前記ピッチ角度が最小ピッチ角度よりも大きいと決定することに応答して、前記エーロフォイルにおける前記風速を推測する前記ステップが、前記エーロフォイルの前記ピッチ角度に基づく、請求項５に記載の方法。
  8. 前記エーロフォイルに関連する前記空気力学的な力を決定するステップに応答して、前記エーロフォイルの少なくとも１つの特徴を変更するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記エーロフォイルの前記少なくとも１つの特徴を変更する前記ステップが、前記エーロフォイルの前記ピッチ角度を変化させること、前記エーロフォイルのヨー角度を変化させること、少なくとも１つの空気デフレクタを展開させること、前記少なくとも１つの空気デフレクタを収縮させること、前記エーロフォイルの先端部分を伸長させること、および、前記エーロフォイルの前記先端部分を収縮させることのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
  10. ハブと、
    制御装置と、
    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、を含み、
    前記複数の風力タービンブレードのうちの少なくとも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、および、
    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を含み、前記第１の圧力検知オリフィスおよび前記第２の圧力検知オリフィスは、前記制御装置が、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、前記ハブの回転速度、大気圧力、大気温度、および、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、前記少なくとも１つの風力タービンブレードによって発生させられる空気力学的な荷重を決定することを可能にするように構成されている、風力タービン。
  11. 前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記空気力学的な荷重の決定が、前記ハブの前記回転速度、前記大気圧力、前記大気温度、および、前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記ピッチ角度に基づいて、前記少なくとも１つの風力タービンブレードにおける局所的な動圧を決定することを含む、請求項１０に記載の風力タービン。
  12. 前記制御装置が、前記少なくとも１つの風力タービンブレードにおける風速および局所的な空気速度を推測することによって、前記局所的な動圧を決定するように構成されている、請求項１１に記載の風力タービン。
  13. 前記制御装置が、前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記ピッチ角度が最小ピッチ角度よりも大きいかどうかを決定するように構成されており、かつ、前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記ピッチ角度が、前記最小ピッチ角度よりも大きくないと決定することに応答して、前記ハブの前記回転速度を使用して、前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記風速を推測するように構成されている、請求項１２に記載の風力タービン。
  14. 前記制御装置が、前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記ピッチ角度が最小ピッチ角度よりも大きいかどうかを決定し、かつ、前記少なくとも１つの風力タービンブレードの前記ピッチ角度が、前記最小ピッチ角度よりも大き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ピッチ角度を使用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風速を推測する、請求項１２に記載の風力タービン。
  15. 圧力差をエーロフォイルにおける空気力学的な力に関連付ける方法であって、
    制御装置によって、エーロフォイルの表面における局所的な空気圧力を決定するステップと、
    前記制御装置によって、前記エーロフォイルの表面から離れた大気圧力を決定するステップと、
    前記制御装置によって、圧力差を決定するステップであって、前記圧力差は、前記局所的な空気圧力と前記大気圧力との間の差である、ステップと、
    前記制御装置によって、前記エーロフォイルに関連する空気力学的な力を決定するステップと、
    前記制御装置によって、前記空気力学的な力と前記圧力差との間の関係を決定するステップと
    を含む、方法。
  16. 前記空気力学的な力と前記圧力差との間の前記関係を決定する前記ステップが、
    圧力差係数を決定するステップと、
    空気力学的な力の係数を決定するステップと、
    前記圧力差係数と前記空気力学的な力の係数との間の関係を導き出すステップと
    を含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記圧力差係数と前記空気力学的な力の係数との間の前記関係を導き出す前記ステップが、前記圧力差係数と前記空気力学的な力の係数との間の一次関数の関係を決定するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記圧力差係数と前記空気力学的な力の係数との間の前記関係を導き出す前記ステップが、前記圧力差係数と前記空気力学的な力の係数との間の二次関数の関係を決定するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記圧力差係数を決定する前記ステップ、および、前記空気力学的な力の係数を決定する前記ステップが、前記エーロフォイルにおける動圧を決定するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記圧力差係数が、前記局所的な空気圧力と前記大気圧力との差を前記動圧によって割ったものであり、前記空気力学的な力の係数は、前記空気力学的な力を、前記動圧と前記空気力学的な力が作用する公称面積との積で割ったものである、請求項１９に記載の方法。
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