JP2014500929A - 洋上風力タービンの振動を低減する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、１つ以上の推進機を備える洋上風力タービンの振動を低減する方法に関し、本方法は、洋上風力タービンの振動を判断することと、振動が低減されるように１つ以上の推進機を操作することとを含む。本発明は更に、１つ以上の水中推進機と、風力タービンの振動を判断するための振動計測システムと、振動計測システムから受信した信号に応じて水中推進機を操作するための制御システムとを備える洋上風力タービンに関する。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、洋上風力タービンに関し、特に、洋上風力タービンの振動を低減する方法及びこの方法に適合した洋上風力タービンに関する。

現代の風力タービンは、通常、配電網に電気を供給するのに使用されている。この種の風力タービンは、一般に、ロータハブを有するロータ及び複数のブレードを備える。ロータは、ブレードが風の影響を受けて回転し始める。ロータシャフトの回転は、発電機のロータを直接駆動する（「直接駆動」）か、ギアボックスの使用を介して駆動する。

風力タービンは、いわゆるウィンドファーム内に集められることが多い。しかし、陸上でウィンドファームに適した場所を見つけるのがますます難しくなってきている。風力タービンによって生じる騒音及び風力タービンを設置することによる美観的影響を主な理由として、風力タービンの設置に反対する声は非常に多い。更に、風力タービンが効率良く機能するためには、木々や建物などが無い風が当たる空き地が必要であるが、このような場所は必ずしも容易に利用できるわけではない。

様々な理由から、海岸近く（ｎｅａｒ−ｓｈｏｒｅ）又は沖合（「ｆａｒ−ｏｆｆｓｈｏｒｅ」とも呼ばれる）の海上に風力タービン又はウィンドパークを設置するのがより一般的になっている。沖合ではより広い面積を利用することができ、海上では陸上に比べて風が一定で、風速が大きく、一般に、ウィンドシアは低減される。更に、騒音の制約が低減されるので、風力タービンはより高速で回転することができる。

海岸近くに設置する場合、風力タービンは一般に、浅瀬（深さ約２５メートル以下）において、海底の基礎の上に固定して配置することができる。沖合に設置する場合、風力タービンは、浮体式プラットフォームになるように設計し得る。様々な構造の浮体式風力タービンが公知である。浮体式風力タービンは、例えば、静的安定度を実現する方法によって、バラストウェイトを使用する構造、係船策を使用する構造、又は浮力を使用する構造に分けることができる。

バラストを使用して静的安定度を実現するプラットフォームは、一般に、細長い塔状構造体を備え、この塔状構造体は、水線より下にバラストウェイトを備え、ほぼ水線の高さに浮力タンクを備える。図１に例を示す。係船策の張力を使用して静的安定度を実現するプラットフォームの例は、例えば、特許文献１及び特許文献２に示されている。分散された浮力を使用して安定度を実現するプラットフォームは、水線の高さで塔の周囲に分散された複数の浮力タンクを備える。特許文献３には、このタイプのプラットフォームの例が示されている。全ての浮体式プラットフォームには、何らかの形の係留固定手段が設けられる。記載されている浮体式風力タービンの混合形式の構造を使用してよい。

浮体式プラットフォームは、３つの軸に沿って移動及び回転することができる。図２を参照すると、ローカル座標系のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を定義することができる。ｘ軸は一般に、風向によって決まる。ｚ軸は、風力タービンの長手方向軸によって決まる。ｙ軸は、ｘ軸及びｚ軸の両方に対して垂直である。

ｘ軸に沿った線形運動は一般に「サージ」と呼ばれ、ｙ軸に沿った線形運動は一般に「スウェイ」と呼ばれ、ｚ軸に沿った線形運動は一般に「ヒーブ」と呼ばれる。ｘ軸を中心とした回転運動は一般に「ロール」と呼ばれ、ｙ軸を中心とした回転運動は一般に「ピッチ」（長手方向軸を中心とした風力タービンブレードの回転であるブレードのピッチングと混同してはいけない）と呼ばれ、ｚ軸を中心として回転運動は一般に「ヨー」と呼ばれる。

浮体式プラットフォームは、例えば突風、乱流風、ウィンドシア、ブレードの着氷による非対称性、波、及び潮流の影響下で複雑な運動パターンをとり得る。浮体式風力タービンプラットフォームに運動又は振動を引き起こす可能性のある負荷を引き起こす別の原因は、風力タービンブレードのピッチ制御である。可変速度風力タービンのピッチ制御システムの一般的な制御方式は、ブレードを公称風速以下の風速では所定の「小さいピッチ角のピッチ位置」に維持することである。前記初期のピッチ位置は一般に、０°のピッチ角に近い位置であってよい。公称速度を超えると、ブレードは、ローラによって生じる空力トルクを実質的に一定に維持するように回転される。正確なカットイン風速、公称風速、及びカットアウト風速は、タービンの位置、タービンの設計などに応じて決まる。

図３は、可変速度による制御方式を示した図である。公称速度までは、ピッチ角は変更されず、０°に等しいか、又は０°に近い。公称速度を超えると、ピッチ角を変えて、空力トルクを一定に維持する。また同時に、ブレードのピッチ角（及び迎え角）を変えることにより、風力タービンの推力（図２に示されるように、ｘ軸方向）は、公称風速を超えると小さくなる。

風速が公称風速を超えると、ピッチ角を絶えず調整する必要がある。この調整により、風力タービンの推力を常に変えることができる。振動推力は、風力タービンを前後に振動させる可能性がある。これらの振動は、サージング振動（ｘ軸方向の変位）又はピッチング運動（ｙ軸を中心とした回転）となる場合がある。陸上の風力タービン又は海中の基礎に固定された沿岸の風力タービンでも同様のことが生じる。ピッチ角の変化及びそれに伴う推力の変化により、陸上風力タービンにも前後の振動が生じる恐れがある。

特定の状況では、このような前後振動では風力タービンの共振が問題となる場合がある。生じる可能性のある前後振動の種類及び前後振動により引き起こされる問題は、例えば、タービンプラットフォームの構造、係船策の張力、浮力タンクの構造などによって異なる。

風力タービンの前後振動を低減する周知の方法の１つは、共振を防ぐことができるようにピッチ制御を変えることである。この方法の不利な点は、理想的なピッチ角が採用されないので、風力タービンの最大可能出力が得られないということである。次に、場合によっては、このような代替のピッチ制御が陸上に設置された風力タービンにうまく適用されても、洋上でうまく適用できるとは限らないということである。これは、振動が一般に、特に共振の危険性のある低周波の振動であるためである。

従って、洋上風力タービンの前後振動を低減する効果的な方法及びその方法に適した洋上風力タービンを提供する必要がある。

上述した前後振動以外に、大気条件や波の影響下で、洋上風力タービンに横向きの振動（例えば、スウェイング振動又はローリング振動）又はヨーイング振動を生じる可能性もある。洋上風力タービンにおけるこのような種類の振動を低減する方法及びその方法に適した洋上風力タービンも必要である。

国際公開第２００９／０８７２００号パンフレット 欧州特許第１３４８８６７号明細書 独国特許第１０２１９０６２号明細書

本発明の目的は、上述の必要性を少なくとも部分的に満たすことである。

第１の態様では、本発明は、１つ以上の水中推進機を備える洋上風力タービンの振動を低減する方法であって、洋上風力タービンの振動を計測することと、振動が低減されるように１つ以上の推進機を操作することとを含む方法を提供する。

この態様によれば、水中推進機（例えば、プロペラ）は、風力タービンに設置されて、風力タービンの振動を抑えるように操作される。水中推進機を使用することで、風力タービンブレードのピッチ制御に影響することはなく、出力が大幅に低下することがない。また、水中推進機を使用することより、危険な共振状態を確実に防ぐことができる。

いくつかの実施形態では、振動を計測することは、振動の速度を計測することを含む。他の実施形態では、振動の速度を、例えば計測位置から決定してよい。風力タービンの瞬時位置又は傾きは、必ずしも水中推進機の制御にとって最重要の要因とは限らない。瞬時速度は、場合によっては、水中推進機を使用して振動及び振動に対する必要な反応を決定するのにより適している場合がある。

いくつかの実施形態では、減衰させられる又は低減される振動は、実質的に前後振動（ピッチング振動又はサージング振動）であってよい。他の実施形態では、減衰させられる又は低減される振動は、実質的に横向きの振動（例えば、ローリング振動又はスウェイング振動）であってよい。更に他の実施形態では、減衰させられる又は低減される振動は、実質的にヨーイング振動であってよい。更に別の実施形態では、減衰させられる又は低減される振動は、上述の振動のいずれかを組み合わせた振動であってよい。

この意味では、振動は、純粋なピッチング振動、純粋なサージング振動、純粋なローリング振動若しくは純粋なスウェイング振動、又は純粋なヨーイング振動であるとは限らないことを理解されたい。実際に、振動は、例えば、ピッチング振動である主成分と、サージング振動である副成分とを含み得る。この場合、この振動は、実質的にはピッチング振動と見なされる（又は実質的には、前後振動と見なされる）。

別の態様では、本発明は、１つ以上の水中推進機と、風力タービンの振動を計測するための振動計測システムと、振動計測システムから受信した信号に応じて水中推進機を操作するための制御システムとを備える洋上風力タービンを提供する。

いくつかの実施形態では、振動計測システムは、少なくとも１つの加速度計を備える。この加速度計は、三軸加速度計であってよく、塔の上のナセル又は浮体式プラットフォーム上のナセル内に配置することができる。

代替形態では、振動計測システムは、少なくとも１つの全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機を備える。このシステムの一例としてＧＰＳがあり、別の例としては、例えば、ＧＬＯＮＡＳＳ又はＧａｌｉｌｅｏがある。しかし、非グローバル測位システムが使用される可能性もある。また、拡張ＧＮＳＳを使用してよい。

ＧＰＳ受信機（又は同様の受信機）は、受信機の位置を判断することができる。風力タービンの様々な位置から、風力タービンの運動を判断することができるので、風力タービンが受ける可能性のあるどんな振動も判断することができる。

いくつかの実施形態では、洋上風力タービンは、風力タービン塔に対して様々な向きに配向されるように設計された１つ以上の水中推進機を備えてよい。この種類の推進機は、向きを変えることで様々な方向の推力を発生させる構造にすることができる。代替形態では、風力タービン塔に対して一定の向きに配向された複数の水中推進機を使用してよい。

本発明のさらなる目的、利点、特徴は、以下の説明を読めば当業者に明らかになる、又は、本発明の実施によって理解されるであろう。

本発明の特定の実施形態を、非限定的な例として添付図面を参照しながら説明する。

図１は、先行技術による浮体式洋上風力タービンの一実施例を示す図である。 図２は、洋上風力タービンの運動を説明するための座標系を示す図である。 図３は、可変速度風力タービンの一般的なピッチ制御方法及び推力に対する効果を示した図である。 図４ａは、本発明の洋上風力タービンの実施形態の概略図である。 図４ｂは、本発明の洋上風力タービンの実施形態の概略図である。 図４ｃは、本発明の洋上風力タービンの実施形態の概略図である。

図４ａは、本発明の第１の実施形態の洋上風力タービンを示す図である。浮体式風力タービン１０は、風力タービン塔１１と、前記塔の先端に配置されるナセル１２と、複数のブレードを有するロータとを備える。水位は、参照番号２０で概略的に示されている。

風力タービン塔１１は、浮力体とバラストウェイトとを備える。海底３０につながれた係船策２５は、実質的に風力タービンを定位置で維持し、浮体式風力タービンを少なくとも部分的に安定させる働きをする。係船策２５を固定アーム１８に繋ぐ。図４ａの側面図でははっきりわからないが、固定アーム１８と係船策とは、必ずしも前後方向に、又は前後方向のみに設置されるわけではない。実施形態では、固定アームは、例えば、タービン塔から半径方向に延在してよい。他の実施形態では、固定アームは、風力タービン塔の周囲に形成される円、正方形若しくは長方形、又は更に他の形であってよい。

上述したように、変動負荷（特に、公称風速を超えた時のブレードのピッチングにより、更には波や突風により生じる可能性がある）により、浮体式風力タービンは、振動し始める、例えば、ピッチングし始める場合がある。

風力タービン塔の底部に、水中プロペラ４０を設ける。この実施形態では、水中プロペラ４０は、風力タービン塔の延長部を形成するシャフト４１に取り付けられる。シャフト４１は回転することができ、それによってプロペラは塔１１に対する向きを変えることができる。

風力タービンが望ましくない形で振動していることが観測された場合、水中プロペラを作動して振動を軽減する推力を発生させることができる。プロペラの向きを変えることで、必要に応じて、前方又は後方の推力、更には横向きの推力を発生させることができる。また、状況によっては、プロペラの種類に応じて、プロペラの速度及び／又はプロペラブレード４２の角度、ひいては推力量も調整することができる。

一例として、前後振動では、プロペラを実質的に同じ向きで維持してよく、パルス式に操作してよい。別の例として、プロペラの向きを連続的に、又はかなり頻繁に変えてよい。

いくつかの実施形態では、プロペラブレードの回転方向を調節できるプロペラを設けてよい。これらの実施形態では、プロペラブレードが第１の方向に回転する場合に、プロペラに対して後方の推力が得られる。また、ブレードが第２の方向に回転する場合には、プロペラに対して前方の推力が得られる。これらの実施形態では、発生される推力の方向を変えることができるようにプロペラの向きを変える必要はない。

このように、異なる方向の振動を減衰させるのに適したシステムを設ける。振動を計測するために、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機、例えば、ＧＰＳ受信機を風力タービンに取り付けてよい。このような受信機は、例えば、ナセル内又は塔内に取り付けられる。この受信機の変動する位置を判断することによって、振動を計測することができる。それに従って、プロペラ４０がこの振動を減衰させるように作動される。受信機の瞬時位置（ひいては、風力タービンの瞬時位置及び／又は向き）を考慮してよい。

本発明の実施形態では、受信機の変動位置を使用して振動速度を決定することができ、振動速度を考慮しながらプロペラを作動させることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、拡張ＧＮＳＳシステムを使用することができる。これらの実施形態では、風力タービンの位置は、正確な位置がわかっている基準点に対して判断される。この基準点は、ウィンドファーム自体又はそれ以外の場所に位置付けることができる。

代替形態では、１つ以上の三軸加速度計を風力タービンに取り付けてよい。計測される加速度は、振動の有無及び振動速度を決定するのに使用される。これらの測定値に応じて、プロペラ４０を作動することができる。

振動を減衰させるために、必ずしもブレードのピッチ制御に影響が及ぶとは限らないことに留意されたい。従って、風力タービンの電気出力に悪影響を及ぼすとは限らない。

図４ｂは、本発明の第２の実施形態の浮体式風力タービン１０’を示す図である。同じ部品又はコンポーネントを指すのに、同じ参照符号を使用している。この例では、風力タービン１０’は、風力タービン塔１１が設置されるプラットフォーム１６を備える。プラットフォーム１６は、複数の浮力タンク１５によって支えられている。図４ｂの側面図には、２つの浮力タンクのみが示されている。本発明の実施形態では、風力タービンは、プラットフォーム１６を囲んで、２つ、３つ、４つ、又はそれ以上の浮力タンクを備えてよい。２つの水中プロペラ４０が浮力タンク１５の底部に取り付けられる。両方のプロペラは、回転可能なシャフト４１に取り付けられているので、向きを変えることができる構造である。動作原理は、上述した例の原理と同じであり、振動に応答してプロペラが作動される。プロペラの向き及び／又は推力は、状況に合わせて変えることができる。また、２つのプロペラは、同時に作動されてもよいし、同時に作動されなくてもよい。

複数の浮力タンクを備える実施形態では、１つ以上の浮力タンクが上述の推進機を備えてよい。推進機が正確に作動することによって、サージング、ピッチング、スウェイング、ローリングを含む様々な種類の振動運動を効果的に減衰させることができる。

また、これらの種類の浮体式風力タービンでは、固定プロペラ及び／又は回転方向を変えることができるプロペラを使用することができる。

図４ｃは、本発明の更に別の実施形態を示す。海底の基礎３０に固定された風力タービン塔を備える洋上風力タービン１０’’が示されている。この種類の洋上風力タービンは、浮体式風力タービンが受けるのと全く同じ運動を受けない。しかし、状況によっては、固定風力タービンも、例えば、ピッチ角の変動に応じて前後方向に、振動し始める場合がある。

この実施形態では、２つの固定水中プロペラ５０が設けられている。計測された振動に応じて、水中プロペラが作動される。２つの固定プロペラの向きは、特に、前後振動の減衰に適している。振動の設定は、上述したのと実質的に同じようにしてよい。

他の実施形態では、単一固定プロペラ５０を設けてよい。この単一固定プロペラは、状況によっては、パルス式作動を使用して十分に振動を減衰させることができる。別の実施形態では、回転方向（ひいては、推力の方向）を変えることができる単一固定プロペラを使用してよい。更に別の実施形態では、様々な方向の振動を減衰させるのに、例えば、３つの固定プロペラを使用することも考えられる。場合によっては、全てのプロペラが塔の同じ高さに配置されるわけではない。

全ての実施形態において、プロペラに代わりに、例えば、ウォータージェットのような代替の推進機を設けてよい。

本明細書は本発明の複数の特定の実施形態及び実施例について開示しているが、当業者であれば、本発明には他の代替形態及び／又は用途、更に本発明の明白な変更及び同等物が可能であることを理解するであろう。また、本発明は、上述した特定の実施形態の全ての可能な組み合わせを含めるものとする。従って、本発明の範囲は、特定の実施形態によって制限されるべきではないが、以下の請求項の公正な解釈によってのみ決定されるべきである。

Claims (17)

1. １つ以上の水中推進機を備える洋上風力タービンの振動を低減する方法であって、
   前記洋上風力タービンの振動を計測することと、
   振動が低減されるように前記１つ以上の推進機を操作することと
   を含む方法。
2. 振動の速度を決定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記風力タービンの風力タービンブレードのピッチ制御方法は、前記１つ以上の推進機の操作から独立している、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記振動は実質的に前後振動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記振動は実質的にピッチング振動である、請求項４に記載の方法。
6. 前記振動は実質的にサージング振動である、請求項４に記載の方法。
7. 前記振動は実質的に横向きの振動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記振動は実質的にヨーイング振動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記風力タービンは浮体式風力タービンである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. １つ以上の水中推進機と、
    風力タービンの振動を計測するための振動計測システムと、
    前記振動計測システムから受信した信号に応じて前記水中推進機を操作するための制御システムと
    を備える洋上風力タービン。
11. 前記風力タービンは浮体式洋上風力タービンである、請求項１０に記載の洋上風力タービン。
12. 前記風力タービンは固定式洋上風力タービンである、請求項１０に記載の洋上風力タービン。
13. 前記振動計測システムは少なくとも１つの加速度計を備えている、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の洋上風力タービン。
14. 前記振動計測システムは少なくとも１つのＧＮＳＳ受信機を備えている、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の洋上風力タービン。
15. 前記制御システムは、前記振動計測システムの測定値から振動の速度を決定するように設計されている、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の洋上風力タービン。
16. 風力タービン塔に対して様々な向きに配向されるように設計された１つ以上の水中推進機を備えている、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の洋上風力タービン。
17. 風力タービン塔に対して一定の向きに配向された複数の水中推進機を備えている、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の洋上風力タービン。

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