JP2014533792A - 風力発電装置のロータブレード及び風力発電装置のロータブレードの除氷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置のロータブレードの除氷を改善すること。【解決手段】風力発電装置のロータブレードは、ロータブレード前縁、ロータブレード後縁、風力発電装置のハブにロータブレードを結合するためのロータブレード翼根領域、ロータブレード翼端、ここに、ロータブレードは前記ロータブレード翼根領域から長手方向に沿って前記ロータブレード翼端に延伸するよう構成される、及び前記ロータブレード前縁領域及び／又は前記ロータブレード後縁領域に空気流を導くための、調節要素を有する空気分配ユニットを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置のロータブレード及び風力発電装置のロータブレードの除氷方法に関する。

風力発電装置の設置は、風力発電装置のロータブレードに着氷（アイシング）が形成され得る地方においても増えている。風力発電装置のロータブレードの着氷は、危険であるだけではなく、風力発電装置の発電量も低減する。それゆえ、ロータブレードの着氷を早期に検出するための及びロータブレードの除氷のための多くの方法が知られている。

ＤＥ １０ ２０１０ ０５１ ２９６ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１０ ０５１ ２９７ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１０ ０５１ ２９３ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１０ ０３０ ４７２ Ａ１ ＤＥ １０ ２００５ ０３４ １３１ Ａ１ ＤＥ １９５ ２８ ８６２ Ａ１ ＤＥ ２００ １４ ２３８ Ｕ１

発電量低減は、とりわけ前縁領域（即ちロータブレードの前方の領域）においてロータブレードに着氷が形成される場合に現れる。それゆえ、風力発電装置のロータブレードの前縁領域の除氷のための多くの方法が提案された。

ドイツ特許商標庁は、本願の優先権主張の基礎出願に対し上記の刊行物（特許文献１〜７）を調査した。

それゆえ、本発明の課題は、風力発電装置の改善された除氷を可能にする風力発電装置のロータブレード及び風力発電装置のロータブレードの除氷方法を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の風力発電装置のロータブレードによって及び請求項９に記載の風力発電装置のロータブレードの除氷方法によって解決される。

風力発電装置のロータブレードは、ロータブレード前縁、ロータブレード後縁、風力発電装置のハブにロータブレードを結合するためのロータブレード翼根領域、及びロータブレード翼端を有する。ロータブレードは、ロータブレード翼根領域から長手軸にそってロータブレード翼端に延伸する。ロータブレードは、更に、ロータブレード前縁領域及び／又はロータブレード後縁領域に空気流を導くための、調節要素を備えた空気分配ユニットを有する。

本発明の一側面（一実施形態）によれば、空気分配ユニットは、第１運転モードにおいて、空気流がロータブレード前縁領域に導かれるよう構成される。第２運転モードにおいては、空気分配ユニットは、空気流が少なくとも部分的にロータブレード後縁領域に導かれるよう構成される。空気分配ユニットは、調節要素によって、空気流をロータブレード前縁領域又はロータブレード後縁領域に導くことができ、これによって、ロータブレード又はその部分の狙った通りの（適切な）除氷が可能になる。

本発明の更なる一側面によれば、少なくとも１つの第１部分［翼桁］が、ロータブレードの長手方向に沿ってロータブレード翼根領域からロータブレード翼端に延在する。この少なくとも１つの翼桁によって、ロータブレード内部空間は、別々に加熱可能な複数の空間に分割される。

本発明の更なる一側面によれば、少なくとも１つの翼桁は、空気の流れがロータブレード（翼根）前縁領域において当該少なくとも１つの第１翼桁に沿って又は第１翼桁と第２翼桁の間においてロータブレード翼根領域に戻されることが可能であるように、ロータブレード翼端の領域において構成される。

任意的に、ロータブレード翼端の領域に第１及び／又は第２翼桁の閉鎖可能な開口を設けることも可能であり、これにより、該開口が開放されると、空気流は後縁領域を介してロータブレード翼根領域に戻るよう流動することができ、それにより、後縁領域を加熱することができる。

その代わりに、第１翼桁と第２翼桁の間の空間において又は第１翼桁と後縁領域の間の空間において空気流の形成を可能にするために、ロータブレード翼根領域に複数の閉鎖可能な開口を設けることも可能である。

本発明の更なる一側面によれば、空気分配ユニットは、加熱された空気流を受容するための第１部分、加熱された空気流をロータブレード後縁の領域に導くための第２部分、及び加熱された空気流をロータブレード前縁領域に導くための第３部分を有する。

本発明の更なる一側面によれば、本発明のロータブレードは、少なくとも１メガワット（MW）（の定格出力）を有する風力発電装置のために用いられる。

本発明は、更に、風力発電装置のロータブレードの除氷方法に関する。風力発電装置のロータブレードは、ロータブレード前縁、ロータブレード後縁、ロータブレード翼端及びロータブレード翼根領域を含む。第１運転モードにおいては、加熱された空気流は、ロータブレード前縁領域に導かれ、第２運転モードにおいては、加熱された空気流は、少なくとも部分的に風力発電装置の前記ロータブレード後縁領域に導かれる。

本発明は、更に、上述のロータブレードを有する風力発電装置に関する。

本発明は、ロータブレードの前縁領域の着氷だけではなく、後縁領域の着氷をも、風力発電装置の運転の改善のために、減少又は回避するというコンセプトに関する。とりわけロータブレードの全面に亘る着氷は、即ち従ってロータブレード後縁の着氷も、風力発電装置の運転を妨害し得る。例えばハブ［前縁］領域がロータブレードヒータによって当該領域に最早着氷が存在しない程に加熱されている場合であっても、それにも拘らず、ロータブレードリアボックスの領域ないし後縁領域には依然として着氷が存在していることがあり得る。従って、とりわけ（定格出力が１MWを超える）極めて大規模な（風力発電）装置ではロータブレードリアボックスないし後縁領域の面積は大きいため、着氷は全体として莫大な量になり得るため、ロータブレードには氷層によるアンバランスな状態が生じる。これは、とりわけ風速の低速域において認められる。というのは、そのような低速域では、リアボックスにおいても着氷の不都合な影響がはっきりと現れるからである。

従って、本発明は、着氷を回避するために、ロータブレードの前縁領域だけではなく、ロータブレードの後縁領域も加熱するというコンセプトに関する。このことは、数メガワットレベル（即ち＞１メガワット）の風力発電装置の場合、とりわけ重要である。

数メガワットレベルの風力発電装置のロータブレードリアボックスないし後縁領域の容積は大きいため、ロータブレード全体の加熱には非常に大きなコストを要する。

従って、本発明は、暖かいないし加熱された空気が例えばベンチレータ（通風装置）によってロータブレード内部にとりわけ前縁領域に沿って送り込まれる風力発電装置のロータブレードに関する。任意的に、ロータブレードの長手方向に沿って延伸する翼桁（Steg）を設けることも可能である。ロータブレードの後縁領域も加熱可能にするために、前縁領域において又はロータブレード後縁領域にのみ空気の流れを案内することが可能な調節要素を備えた空気案内又は空気分配ユニットが設けられる。このことは、後縁領域を通して加熱された空気を送り込むための独立のベンチレータ（通風装置）及び付加的な加熱用ラジエータ（加熱装置）を不要とすることができるため有利である。後縁領域の加熱は、調節要素の調節によって、必要な場合に限り及び必要される間に限りにも実行可能である。

本発明の更なる側面（実施形態）は従属請求項の対象である。

以下に、本発明の種々の利点及び実施例を図面を参照して詳細に説明する。

第１実施例に応じた風力発電装置のロータブレードの模式図。 第２実施例に応じた風力発電装置のロータブレードの模式図。 本発明に応じた風力発電装置の一例の模式図。

図１は、本発明に応じた風力発電装置のロータブレードの一例の模式図である。ロータブレード１０は、ロータブレード前縁領域１１及びロータブレード後縁領域１２を有する。ロータブレード１０は、更に、ロータブレード翼根領域１４及びロータブレード翼端１３を有する。この場合、ロータブレード１０は、その長手方向にロータブレード翼根領域１４からロータブレード翼端１３に延伸するよう構成される。ロータブレードの長手方向に沿って、任意的に、少なくとも部分的にロータブレードの長手方向に延伸可能に構成される１つ、２つ又は３つ以上の翼桁２００、２１０が設けられる。任意的に、第１及び第２翼桁２１０、２００が、実質的に互いに対し平行にかつロータブレードの正圧面（Druckseite）と負圧面（Saugseite）の間に配設可能である。第１及び第２翼桁２１０、２００によって、ロータブレードの内部空間は３つの空間、即ち、２つの翼桁の間の１つの空間、一方の翼桁とロータブレード前縁領域の間の１つの（第２の）空間及び他方と翼桁とロータブレード後縁領域の間の第３の空間に分割可能である。

更に、第１実施例に応じた風力発電装置のロータブレードは、空気流分配ユニットないし空気流案内ユニット５００を有する。任意的に、ロータブレードはディフューザ３００及び加熱用ラジエータ４００を有することができる。ディフューザ３００には、ディフューザ３００と加熱用ラジエータ４００を貫通通過して流れることができる空気流を生成可能なベンチレータ６００が接続可能である。この場合、空気分配ユニット５００は、ロータブレードを除氷するために、加熱された空気流をロータブレード前縁領域１１に沿って及び／又はロータブレード後縁領域１２に沿って案内するために利用される。

図２は、第２実施例に応じた風力発電装置のロータブレードの模式図である。ロータブレード１０は、ロータブレード前縁領域１１、ロータブレード後縁領域１２、ロータブレード翼端１３及びロータブレード翼根領域１４を有する。ロータブレードは、その翼根領域１４によって風力発電装置のハブ９０に結合可能である。ロータブレード１０は、その長手方向にロータブレード翼根領域１４からロータブレード翼端１３に延伸するよう構成される。ロータブレードは、ロータブレード前縁領域１１とロータブレード後縁領域ないしロータブレードレアボックス領域１２を有する。ロータブレード１０の長手方向に沿って、任意的に、第１及び第２翼桁２００、２１０が、少なくとも部分的にロータブレード１０の長手方向に配設可能であり、それによって、ロータブレードの内部空間は３つの空間に分割可能である。ロータブレード翼根領域１４は、閉鎖ユニット７００によって閉鎖可能である。ロータブレードは、ロータブレード翼根領域１４に、ディフューザ３００、加熱用ラジエータ４００、空気流分配ユニット５００を有する。空気流分配ユニット５００は、加熱用ラジエータ４００と連結可能な第１部分５１０を有することができる。空気流分配ユニット５００は、更に、第２部分５２０及び第３部分５３０を有する。第２部分５２０は、加熱された空気流をロータブレード後縁１２の領域に案内するために利用される。空気流分配ユニット５００の第３部分５３０は、加熱された空気を少なくとも部分的にロータブレード前縁１１に沿って進むよう方向付けるために利用される。空気分配ユニット５００は、更に、第２及び／又は第３部分を介した空気流６１０、６２０を可能にするために、第２又は第３部分５２０、５３０を開閉可能にする調節要素５４０を有する。その代わりに、調節要素は、空気流が前縁領域でも後縁領域でも流動可能にするために、部分的に開放されることも可能である。

ロータブレード翼根１４の領域には、任意的に、空気流をディフューザ３００内に送り込むことが可能なベンチレータ８００を設けることも可能である。ベンチレータ８００は、風力発電装置のハブ９０にも設けることができる。

本発明は、風力発電装置のロータブレードの除氷のための既存の構成要素を、ロータブレード前縁領域の除氷のためだけではなく、ロータブレード後縁１２の除氷のためにも使用するという思想に基づく。これは、加熱された空気が空気分配ユニット５００によってロータブレード前縁領域１１だけではなくロータブレード後縁の領域にも又はロータブレード後縁の領域のみに案内可能であるよう構成されることによって行われる。

かくして、風力発電装置の制御は、加熱された空気流によってロータブレード後縁ないしロータブレード後縁の領域をも除氷するために、使用されることができる。このために、空気流方向変更ユニットないし調節要素５４０を備えた空気分配ユニット５００が専ら使用される。風力発電装置の制御は、第１運転モードにおいて、加熱された空気流をロータブレード前縁領域１１に導くことができる。第２運転モードにおいて、加熱された空気流は、空気分配ユニットによって、ロータブレード前縁領域の代わりに、ロータブレード後縁１２の領域に導かれることができる。かくして、第１運転モードから第２運転モードに切り替えることによって、リアボックスも加熱され、以て、除氷されることができる。

従って、風力発電装置の本発明に応じた制御によって、ロータブレード後縁もまた、必要に応じて除氷することができる。ロータブレード後縁の除氷の必要がない場合は、風力発電装置の制御は第１運転モードにとどまり、加熱された空気はロータブレード前縁領域に送り込まれる。

そのため、第１運転モードでは、調節要素５４０は、空気分配ユニット５００において、第１位置をとることができる。即ち、第２部分５２０を介する空気流は回避され、空気流全体が第３部分５３０を介してロータブレード前縁領域に沿ってロータブレード翼端１３にまで流動することができる。次いで、空気流は、第１、第２翼桁１００［２１０］、２００間において、再びロータブレード翼根領域１４に流入することができるため、（空気の）循環が形成できる。この場合、ロータブレードリアボックス領域は、第１翼桁２１０及び調節要素５４０によって、加熱された空気流から隔離されることができるため、ロータブレード前縁領域のみが加熱される。このため、還流する空気のエネルギ損失は最小化され、最大のエネルギが、最大の面積で、ロータブレード前縁領域に供給可能である。

第２実施例に応じ、調節要素５４０は、第２運転モードにおいて、第３部分５３０を介してロータブレード前縁領域に流入する空気流が回避されるよう、調節されることができる。このため、ベンチレータ８００によって及び加熱用ラジエータ４００によって加熱された空気流は、第２部分５２０を介して後方領域にロータブレード翼端１３の方向に流動することができる。空気流が第１、第２翼桁２００、２１０間を流れてロータブレード翼根領域１４に戻ることができるように、ロータブレード翼端の領域において、任意的に、貫通孔ないし開口を翼桁に設けることができる。

本発明は、ロータブレードの除氷が空気分配ユニットを追加的に設けるだけで本質的に改善可能であるため、有利である。空気分配ユニットの調節要素によって、風力発電装置の制御には、新たな自由度が追加的に付与されることができる。本発明に応じたロータブレードは、着氷の危険が著しく大きい地域における使用にとりわけ好適である。本発明に応じ、ロータブレード全体が、必要に応じ及び連続的に、空気流によって加熱されることができる。

ロータブレード翼根付近の領域において、リアチェンバをロータブレード後縁に設けることができる。この種のリアチェンバは、独立の構造要素として、後縁のロータブレード翼根付近の領域に組み込むことができる。リアチェンバが中空に構成される場合、リアチェンバは第２運転モードにおいて加熱されることができるが、この場合、空気分配ユニットの調節要素は、加熱された空気が第２部分５２０を介して後縁領域に流入するよう調節されている。

本発明の一側面に応じ、本発明のロータブレードは、任意的に、ロータブレード翼端の領域の第１及び／又は第２翼桁の中又は側に閉鎖可能な開口９００を有することができる。この閉鎖可能な開口によって、ロータブレード前縁領域に沿って進む空気流６２０は、第１翼桁と第２翼桁の間の空間又は第１翼桁２１０とロータブレード後縁の間の空間内に案内されることができる。閉鎖可能な開口９００が開放されている場合、空気流６２０は第１翼桁２２０［２１０］とロータブレード後縁１２の間の空間を介することによってもロータブレード翼根領域に戻るよう流動するであろう。ロータブレード後縁に沿って流動する空気流は、（該空気流は既にロータブレード前縁領域に沿って流動しているため）既に冷却されているであろうが、それにも拘らず、該空気流はロータブレード後縁の加熱に寄与できるであろう。

本発明の更なる一側面に応じ、任意的に、ロータブレードのロータブレード翼根領域の閉鎖のための閉鎖ユニット７００の中又は際に１又は２の閉鎖可能な開口７１０、７２０を設けることができる。閉鎖可能な開口７１０、７２０の開閉の制御によって、空気流がロータブレード翼端１３から第１、第２翼桁２１０、２００間の空間を介して流動するか又は第１翼桁２１０とロータブレード後縁の間の空間を介して流動するかを制御することができる。開口７１０が開放されている場合、空気流は、第１翼桁２１０とロータブレード後縁１２の間の空間を介して流動することができる。これに対し、第２開口７２０が開放されている場合、空気流は第１、第２翼桁間の空間を介して流れ戻ることができる。

図３は、本発明に応じた風力発電装置の一例の模式図を示す。風力発電装置１００は、タワー１０２及びゴンドラ（ナセル）１０４を有する。ナセル１０４には、３つのロータブレード１０８及びスピナ１１０を有する空気力学的ロータ１０６が配設されている。ロータ１０６は、運転時、風によって回転運動し、それによってナセル１０４内の発電機を駆動する。ロータブレード１０８は、図１及び図２に応じたロータブレード１０に相応し得る。

Claims (10)

1. 風力発電装置のロータブレードであって、
   ロータブレード前縁（１１）、
   ロータブレード後縁（１２）、
   風力発電装置のハブにロータブレードを結合するためのロータブレード翼根領域（１４）、
   ロータブレード翼端（１３）、ここに、ロータブレードは前記ロータブレード翼根領域（１４）から長手方向に沿って前記ロータブレード翼端（１３）に延伸するよう構成される、及び
   前記ロータブレード前縁領域（１１）及び／又は前記ロータブレード後縁領域（１２）に空気流を導くための、調節要素（５４０）を有する空気分配ユニット（５００）
   を含む、風力発電装置のロータブレード。
2. 第１運転モードにおいて、前記空気分配ユニット（５００）は、空気流が前記ロータブレード前縁領域（１１）に導かれるよう構成されること、及び
   第２運転モードにおいて、前記空気分配ユニット（５００）は、空気流が少なくとも部分的に前記ロータブレード後縁領域（１２）に導かれるよう構成されること
   を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置のロータブレード。
3. 少なくとも１つの第１翼桁（２００、２１０）が、ロータブレードの長手方向に沿って前記ロータブレード翼根領域（１４）から前記ロータブレード翼端（１３）に延在すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置のロータブレード。
4. 前記少なくとも１つの第１翼桁（２００、２１０）は、空気の流れが前記ロータブレード前縁領域（１１）において当該少なくとも１つの第１翼桁（２００、２１０）に沿って前記ロータブレード翼根領域（１４）に戻されるよう、前記ロータブレード翼端（１３）の領域において構成されること
   を特徴とする請求項３に記載の風力発電装置のロータブレード。
5. 前記空気分配ユニット（５００）は、加熱された空気流を受容するための第１部分（５１０）、該加熱された空気流を前記ロータブレード後縁（１２）の領域に導くための第２部分（５２０）、及び該加熱された空気流を前記ロータブレード前縁領域（１１）に導くための第３部分（５３０）を有すること
   を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の風力発電装置のロータブレード。
6. 少なくとも１MW（の定格出力）を有する風力発電装置のための、請求項１〜５の何れかに記載の風力発電装置のロータブレード。
7. 風力発電装置のロータブレードであって、
   ロータブレード前縁（１１）、
   ロータブレード後縁（１２）、
   風力発電装置のハブにロータブレードを結合するためのロータブレード翼根領域（１４）、
   ロータブレード翼端（１３）、ここに、ロータブレードは前記ロータブレード翼根領域（１４）から長手方向に沿って前記ロータブレード翼端（１３）に延伸するよう構成される、及び
   ロータブレードの長手方向に沿って前記ロータブレード翼根領域から前記ロータブレード翼端に延在する少なくとも１つの第１翼桁（２００、２１０）
   を含み、
   前記ロータブレード翼端の領域における前記少なくとも１つの第１翼桁（２００、２１０）に形成された閉鎖可能な開口（９００）、ここに、該閉鎖可能な開口は、空気流を形成可能に構成される、を含む
   風力発電装置のロータブレード。
8. 風力発電装置のロータブレードであって、
   ロータブレード前縁（１１）、
   ロータブレード後縁（１２）、
   風力発電装置のハブにロータブレードを結合するためのロータブレード翼根領域（１４）、
   ロータブレード翼端（１３）、ここに、ロータブレードは前記ロータブレード翼根領域（１４）から長手方向に沿って前記ロータブレード翼端（１３）に延伸するよう構成される、及び
   ロータブレードの長手方向に沿って前記ロータブレード翼根領域（１４）から前記ロータブレード翼端（１３）に延在する少なくとも１つの第１翼桁（２００、２１０）
   を含み、
   前記ロータブレード翼根領域は、閉鎖ユニット（７００）によって閉鎖可能に構成され、
   前記閉鎖ユニットは、少なくとも１つの閉鎖可能な開口（７１０、７２０）を有し、
   前記少なくとも１つの閉鎖可能な開口が開放されると、空気流が当該少なくとも１つの閉鎖可能な開口を介して流動可能に構成される
   風力発電装置のロータブレード。
9. ロータブレード前縁（１１）、ロータブレード後縁（１２）、ロータブレード翼端（１３）及びロータブレード翼根領域（１４）を含む風力発電装置のロータブレードの除氷方法であって、以下の工程：
   第１運転モードにおいて、加熱された空気流を前記ロータブレード前縁領域に導くこと、及び
   第２運転モードにおいて、加熱された空気流を少なくとも部分的に風力発電装置の前記ロータブレード後縁領域に導くこと
   を含む除氷方法。
10. 請求項１〜８の何れかに記載のロータブレードを少なくとも１つ含むと共に、少なくとも１MWの定格出力を有する風力発電装置。

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