JP4047722B2 - 風力装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、非常に高い風速のときに風力装置を制御する方法に関するものである。ここで、風力装置のロータブレードが第１の所定の状態にあるときに設定される所定の第１の風速が存在する。

さらに、本発明は、とくに方位角駆動部と、少なくとも１つの個別に調整可能なロータブレードを有するロータとを備えている、上記制御方法を実施するための風力装置に関するものでもある。

主請求項の分類部（classifying portion）に記載された風力装置を制御する方法、及び、請求１０の分類部に記載された風力装置は、例えば、ドイツ特許公報ＤＥ１９５３２４０９に開示されている。また、高い風速で風力装置を制御する方法も、エーリッヒ・ハウ（Erich Hau）著、「風力装置（Windkraftanlagen）」、スプリンガー・フェルラーグ（Springer Verlag）、第２版、１９９６年、８９ｆｆページ及び２３５ｆｆページに開示されている。

この技術分野における上記の既知の文献は、主として、非常に高い風速のときに、過負荷から風力装置を保護するようになっている手段（measure）を開示している。ここにおいては、風力装置及び／又は個々の部品へのダメージ（損傷）を避けるために、とくに機械的負荷が考慮されている。

記載されている標準的な手段（measure）は、通常、ロータブレードをいわゆるフェザーポジション（feathered position）にする。しかしながら、この目的を達するために必要な条件は、ロータブレードの迎え角（angle of attack）を変えることができる可能性（いわゆるピッチ調整）をもつということであるということに注意すべきである。もし、この可能性（possibility）がなければ、風力装置の負荷を緩和するために、ロータブレードで流れの停止又は失速状態が引き起こされる。

しかしながら、これらの既知の方法の欠点は、第１の所定の風速を超えて風速が上昇し続けた場合の対応手段を備えていないことである。このため、風力装置は、該風力装置の全面的な破壊と、風力装置のまわりの比較的近い領域における避けることができない重大な危険状態とを防止できるように、適切な大きさとされることできるだけである。

したがって、本発明の目的は、極端な風の状態において、この極端な風に起因して生じる風力装置の機械的負荷を可能な限り低減するための風力装置を制御する方法、及びこの方法を実施するための風力装置を提供することである。

この目的を達成するため、風力装置を制御するためのこの明細書の冒頭に記載された種類の方法が発展させられ、本発明がなされている。この方法においては、第２の所定の風速に達しているときに、マシンハウジングは所定の方位角ポジション（azimuth position）とされる。このようにして、ロータブレードの適切な調整により風力装置を保護するために行われる動作が、風の抵抗がとくに低くなる位置にロータを調整することによりサポート（support）されることが可能となる。

本発明の好ましい実施態様においては、ロータは方位角ポジションの調整により風下に向くように回転させられ、これにより風から遠ざかった、風力装置のパイロン（塔）の側方（side）に位置する。

この方法のとくに好ましい実施態様においては、マシンハウジングの方位角ポジションのほかに、ロータを風下に方向付け、調整可能なロータブレードの迎え角が、それらが風に対する抵抗が可能な限り低くなるレベルとなるように調整される。このようにして風力装置全体の負荷が著しく低減されることができる。この目的を達成するため、ロータブレードは順にフェザーポジションに移動させられる。

本発明にかかる制御方法は、とくに１つ又は複数のロータブレードでの負荷が検出されることができるようになっているのが、とくに好ましい。このような検出は、例えば、ロータブレードでの風速、あるいはロータブレードの変形を測定し、及び／又はその他の適当な方法（ロータブレードまたはロータハブにおける張力または押圧力の測定）により実施されることができる。

本発明の好ましい発展形においては、マシンハウジングの方位角ポジションの調整のための移動の方向を確立するときに、とくにマシンハウジングからパイロンの中に伸び、又はこの逆に伸びるケーブルのねじれが考慮される。このようにして、避けることが可能なダメージが実際に回避されることができる。なお、約２０ｍ／秒のマグニチュードオーダの第１の所定の風速は、通常シャットダウン速度又は限界速度と呼ばれる。この風速、又はこれを少し超える値、例えば２５ｍ／秒の風速で、大半の風力装置は停止される。すなわち、全ロータがブレーキがかけられ、もはや電力は生成されない。

この発明のとくに好ましい発展形においては、方位角ブレーキ及びロータブレーキが解放（ないしはリリース：release）され、これにより風力装置に向かって吹いている風は、風下に向いているロータを調整し、自動的に風の抵抗が最も低い位置に向ける。他方、これと同時に、ロータブレード自体での力は、ロータの可能な回転によって低減されることができ、これにより本発明にかかる方法は、風力装置が可能な限り風の力を逃がすように調整される。

さらに、本発明の有利な実施の形態は従属の請求項によって特徴付けられる。
以下、本発明の例示である実施の形態が、添付の図面を参照しつつより詳細に説明される。

図１は、ロータが風上に向いた状態（形態）、すなわちロータが風に向かってパイロン１０（ないしは塔：pylon）の側方に位置している状態にある風力装置（ないしは風力発電装置：wind power installation）を示している。パイロン１０の先端部には、発電機（図示せず）とロータブレード１４とを有するマシンハウジング１２（ないしは機械室：machine housing）が配設されている。

この図において、一例として示された風力装置は、通常操作の状態で示され、ロータブレード１４は、矢印２０によって示された風から最大の力を取り出して電気エネルギに変換するように調整されている。

また、図２も、その先端部にマシンハウジング１２を備えた、パイロン１０を有する風力装置を示している。この図は、第１の所定の風速、例えば２０ｍ／秒に達しているときまたはこれを超えているときに、本発明にかかる制御によりもたらされるロータブレード１４の可能なセッティング（ないしは設定：setting）を示している。この後、ロータブレード１４は、それらが最も低いレベルの風の抵抗を受けるように方向付けられる、いわゆるフェザーポジション（ないしは安息位置）まで回転させられる。

このようにして、該装置に向かって吹いている風２０がロータブレード１４により風力装置８、１０、１２、１４に作用する負荷が著しく低減される。さらに、このポジションにおいては、流れは自然にはロータブレード１４に向かわず、このため対応するする力（corresponding force）ないしは揚力（lift force）も生じない。したがって、ロータの回転は起こらない。

ロータブレード１４の迎え角を変化させることが不可能な風力装置の場合、本発明にかかる方法に対応する制御の部分での反作用（reaction）は、例えば、ロータハブ（図示せず）からできるだけ離れたロータブレードの部分、好ましくは外側部分が、ロータブレードでの流れが弱まって回転が停止されるように調整される。

しかしながら、この状態においては、ロータブレード１４とマシンハウジング１２とパイロン１０とに作用する力は、それでも常に比較的大きく、とくに方位角調整装置は、かなりの負荷に耐えなければならない。

それゆえ、ダメージを避けるため、本発明にかかる制御方法は、例えば３０ｍ／秒〜５０ｍ／秒を超える第２の所定の風速に達しているときに、ロータが風下を向くように、すなわち風から遠いパイロン１０の側方に位置するように、マシンハウジング１２の方位角ポジションを調整する。これは、図３に示されている。なお、参考のために述べれば、第２の所定の風速は、強風のストーム（gale-force storm）又はハリケーンのマグニチュードオーダー（order of magnitude）のものである。このような風速においては、従来知られている風力装置では、方位角ブレーキ（azimuth brake）及びロータブレーキ（rotor brake）が両方とも該装置を完全に停止させるので、動くものは何もない。

図３においては、パイロンの先端部のマシンハウジング１２は、風２０がまずパイロン１０を通過して流れ、この後ロータブレード１４を有するロータにのみ達するように位置決めされる。方位角ブレーキとロータブレーキとを解放することにより、風の流入から生じ、とくにロータブレード１４に作用する力が、方位角の取り付け部（mounting）においてマシンハウジング１２を自由に回転移動させることができ、これにより風向が変化してときに風がマシンハウジング１２に「のる（entrains）」結果となる。

図３からわかるように、ロータブレード１４の位置は、風に対して変化せずに維持される。すなわち、ロータブレード１４は、それらの風の抵抗が最も低くなるいわゆるフェザーポジションに維持される。

しかしながら、風力装置１０、１２、１４のマシンハウジング１２は、風上向きの位置から風下向きの位置に回転させられているので、すなわち１８０°回転移動させられているので、ロータブレード１４もまた１８０°回転させられ、これによりそれらは風に対してその位置を維持する。

したがって、ロータブレードの取り付け部及びロータブレード駆動部はこのような回転移動を可能にするものでなければならない。

これに関して、ロータブレード１４の位置を変化させるために、２つの基本的な方法と、これらの間の自然な中間的な変形例とが可能である。まず、１つの可能なものは、ロータが風上向きから風下向きに移動し、この調整移動時にロータブレード１４の位置を変化させずに維持するように、マシンハウジング１２の方位角ポジションを変化させることである。しかしながら、その結果、約９０°の回転移動の後、ロータブレード１４は、それらの全表面積でもって、風に対して横向きに配置され、これにより風がその全面に作用することになる。ここで、一方がロータの水平軸の上方に位置し、他方がこの軸の下方に位置する少なくとも２つのブレードが風による作用を受けるときに、ロータブレーキの解放は限定的にのみ救済することができる

好ましい代替的な実施例は、風に対する相対的なロータブレード１４の位置の連続的な変化により、風に対する相対的なロータブレードの位置を維持するようになっている。これは、方位角位置の調整の間に、マシンハウジング１２に関して（同一の風に対する方向付けでもって）ロータブレード１４の位置の連続的な変化によるものである。かくして、マシンハウジング１２の位置が風２０の向きに対して横方向である場合においても、ロータブレード１４はフェザーポジションにあり、可能な限り低い抵抗となる。

上記発明は、沖合いの位置に設けられた風力装置にとくに適している。それがまさに沖合いにおける操作である場合、すなわち風力装置が外海に配置されている場合は、あるときにはそれらは最も強いストームにさらされることが予測される。しかし、これと同時に該装置に対するダメージが小さい場合には、それらは実質的に即時に回復されることができる。本発明は、該装置の部品に対する大きい又は小さいダメージが単純に起こらないことを確実にする。なぜなら、フェザーポジションへのロータブレードの調整、及び風下位置へのマシンハウジングの調整は、風力装置全体及びその部品（とくにパイロン）への風の負荷が可能な限り低いものとなるからである。

通常操作時における風力装置を示す図である。 第１の風速に達した後、本発明にかかる方法により調整された風力装置を示す図である。 第２の所定風速に達したときにおける、本発明にかかる方法により調整された風力装置を示す図である。

符号の説明

１０ パイロン
１２ マシンハウジング
１４ ロータブレード
２０ 風。

Claims (17)

1. マシンハウジングと、ピッチ調整が可能な少なくとも１つのロータブレードを有し通常操作時には風上に向くロータとを備えている風力装置を制御する方法であって、
   上記少なくとも１つのロータブレードを、２０ｍ／秒より速い第１の風速に達しているときには、該ロータブレードが最も低いレベルの風の抵抗を受ける状態となるフェザーポジションに配置し、
   マシンハウジング（１２）を、上記第１の風速より速い第２の風速に達しているときには、ロータがパイロンの風下側に位置する状態となる風下向き方位角ポジションに配置し、
   かつ、マシンハウジングが上記風下向き方位角ポジションに移動しているときには、同時に上記少なくとも１つのロータブレードを、その位置が主たる風の方向に対して実質的に変化しないように調整することを特徴とする方法。
2. 上記少なくとも１つのロータブレードに作用する負荷を、負荷検出手段によって上記少なくとも１つのロータブレード（１４）で検出することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 上記風下向き方位角ポジションへのマシンハウジング（１２）の移動の方向を確立するときに、マシンハウジング（１２）内のケーブルのねじれを考慮することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 風の向きが急速に変化する場合は平均の風の向きを究明し、マシンハウジング（１２）の移動の方向を確立するときに、究明された上記平均の風の向きを考慮することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. マシンハウジング（１２）の移動の方向に影響を及ぼすパラメータが複数である場合、該パラメータの重み付けを行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 上記第１の風速を超える風速に達しているときに、マシンハウジング（１２）の回転にブレーキをかけるための方位角ブレーキを解放することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 上記第２の風速に達しているときに、上記方位角ブレーキを解放することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. マシンハウジング（１２）がその風下向き方位角ポジションに位置しているときに、ロータの回転にブレーキをかけるためのロータブレーキを解放することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法を実施するための風力装置であって、
   方位角駆動部と、ピッチ調整が可能な少なくとも１つのロータブレードを有し通常操作時には風上に向くロータと、制御装置とを備えていて、
   上記制御装置は、風速の値を検出し、風速の検出値に応じて、停止しているロータに対して、上記少なくとも１つのロータブレード（１４）の迎え角を変化させ、同時にマシンハウジング（１２）の方位角ポジションを変化させるように構成され、
   これにより、マシンハウジングをロータがパイロンの風下側に位置する状態となる風下向き方位角ポジションに移動させる操作の間に、上記少なくとも１つのロータブレードが、常時実質的に、主たる風の方向に対してフェザーポジションに配置されるようになっていることを特徴とする風力装置。
10. 上記制御装置内に、少なくとも１つのマイクロプロセッサが設けられていることを特徴とする、請求項９に記載の風力装置。
11. 上記制御装置が、上記少なくとも１つのロータブレードに作用する負荷を、負荷検出手段によって上記少なくとも１つのロータブレード（１４）で検出するようになっていることを特徴とする、請求項９に記載の風力装置。
12. 上記制御装置が、上記風下向き方位角ポジションへのマシンハウジング （１２）の移動の方向を確立するときに、マシンハウジング（１２）内のケーブルのねじれを考慮するようになっていることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の風力装置。
13. 上記制御装置が、風の向きが急速に変化する場合は平均の風の向きを究明し、マシンハウジング（１２）の移動の方向を確立するときに、究明された上記平均の風の向きを考慮するようになっていることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１つに記載の風力装置。
14. 上記制御装置が、マシンハウジング（１２）の移動の方向に影響を及ぼすパラメータが複数である場合、該パラメータの重み付けを行うようになっていることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１つに記載の風力装置。
15. 上記制御装置が、上記第１の風速を超える風速に達しているときに、マシンハウジング（１２）の回転にブレーキをかけるための方位角ブレーキを解放するようになっていることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１つに記載の風力装置。
16. 上記第１の風速を超える上記風速が上記第２の風速であることを特徴とする、請求項１５に記載の風力装置。
17. 上記制御装置が、マシンハウジング（１２）がその風下向き方位角ポジションに配置されているときに、ロータの回転にブレーキをかけるためのロータブレーキを解放するようになっていることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれか１つに記載の風力装置。

Images