JP5806280B2 - 浮き基礎を持つ部分ピッチ風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、最上部と底部とを有する風力タービンタワーと、風力タービンタワーの最上部に設置されたナセルと、ナセルに回転可能に取り付けられたローターハブと、ローターハブに取り付けられた１枚以上の風力タービン翼であって、風力タービン翼が回転体平面を形成する、風力タービン翼と、風力タービンタワーの底部に取り付けるように構成された上側区分を有する浮き基礎であって、浮き基礎が浮揚体を有し、設定水深を有する洋上に設置するように構成される、浮き基礎と、を備える風力タービンに関する。

また、本発明は、風力タービンを制御する方法に関する。風力タービンは、ローターハブに取り付けられた１枚以上の風力タービン翼を備え、ローターハブは風力タービンタワーの最上部に設置されたナセルに回転可能に取り付けられ、風力タービンタワーは浮揚体を有する浮き基礎に据え付けられ、風力タービン翼は、第１風速を上回る平均風速のときピッチングされる。

典型的には集団で配列することによって、風力タービンが可能な限り大きいエネルギーを生産できるようにする沿岸又は洋上の場所に風力タービンを設置することは知られている。近年、風力タービンの高さ及びサイズは増大しており、それと共にこのような大型風力タービンによって生産できる最大電力出力が増大している。電力出力は風力タービン翼のサイズ及び長さに比例するので、風力タービン翼のサイズ及び長さも、風力タービンタワーの高さと同様増大した。今日、騒音の制限及びその他の要因により、このような大型風力タービンを洋上に配置する要求が高まっている。

洋上の風力タービンは、通常、海底に打ち込まれたモノポールによってまたは重力又は海底に配置された三脚基礎によって海底に固定された洋上基礎（ときに、沿岸基礎と呼ばれる）上に設置される。しかし、この種の基礎は高価であり、約４０ｍ以下の水深を持つ水の中でしか使用できない。もっと深い水には、通常１つ以上の浮揚室を有する浮き基礎が使用される。しかし、このような浮き基礎は、典型的には非常に高価であり、風力タービンのために安定したプラットフォームを提供する必要があるので、しばしば非常に大きく嵩がある。回転体平面に対して作用する風の推力（時にウィンドスラスト又はロータースラストと呼ばれる）は、到来する風の密度に左右され、この種の浮き基礎すなわち浮き要素のサイズ及び重量を決定する際推力は重要な要素である。

洋上風力タービンは、陸上のウィンドプロファイルとは異なるウィンドプロファイルの影響を受ける。洋上ウィンドプロファイルは、陸上ウィンドプロファイルより一定でありかつしばしばこれより高い平均風速を有する。洋上ウィンドプロファイルは、しばしば、平均風速を減少させるウィンドシア（wind shears）及び乱流を経験する。さらに、浮き基礎は、海流及び波の運動による推力及び基礎の浸水部に対して作用する静水学的推力の影響を受ける。構造体に対して作用する様々な推力によって風力タービンを振動させる原因となる風力タービンの傾斜又は角度の回転は、１０〜１４ｍ／ｓ例えば１２ｍ／ｓを超える風速（定格出力rated powerとも呼ばれる）のとき主要な問題となる。

失速調節式風力タービン（stall regulated wind turbine）は、夏季と冬季に変化する到来風の密度に敏感であり、特定の風速のときの定格出力において翼の風上側に乱流が生じて、失速を誘発し、それによって、負荷及び振動量が増大する。従って、この種の風力タービンは、洋上で使用するには非常に大型で、重量があり、高価な解決策であり、従って解決策として好ましくない。さらに、この種の風力タービンに対して作用する風から受ける推力又は荷重は、定格出力状況に影響を与え、風力タービン翼の回りに乱流を生じる可能性がある。これは、風力タービンに大きな暴風荷重及び応力を与えて、風力タービンを故障させる。極端に高い風速又は突風のとき、風力タービンが受ける荷重及び応力は、指数関数的に増大する。このため、風力タービンがこのような高い荷重及び応力に耐えられるように重力タービンを構成し定格化する必要がある。ＩＥＣ（International Electrotechcal Commission）が規定したこの定格要件を満たすために、風力タービン製造者は、典型的には、補強材料を追加しかつ／又は構造体の様々な部品のサイズ及び強度を増大する。このことが、また、この種の風力タービンの生産コストを増大する。この種の風力タービンでは、風力タービンの効率性を制御できない。

洋上用のピッチ調節式風力タービンは、通常、定格出力状況において相対的一定電力出力を維持するように、風力タービン翼全体を風の中で（pitch into the wind）又は風から外してピッチング（pitch out of the wind）する。風力タービン翼が風から外してピッチングされたとき、ローターハブに対して作用する推力は減少し、風力タービン翼が風の中でピッチングされたとき、推力は増大する。これによって、風力タービンは構造体の重心に対して繰り返し傾斜又は角度回転し、これが、風力タービンが浮き基礎の上に配置された場合の大きな問題となる。風力タービンが風に向かって傾斜する時、付加的な風を誘発するので、回転体平面に衝突する相対風を増大する。風力タービンが風から離れて後方へ傾斜するとき、風と一緒に移動するので、回転体平面に衝突する相対風を減少する。すなわち、風力タービンが浮き基礎の上に配置される場合、到来風の風速が一定であっても、風力タービンに衝突する相対風が繰り返し変化する。このような負の減衰振動は、風力タービンに対して著しい自己エンハンスメント効果（self-enhancing effect）を与える可能性があり、構造体を転覆させたり、構造体に故障を引き起こしたりする可能性がある。

さらに、海流及び波によって浮き基礎に対して作用する流体力及び循環推力も、構造体が、構造体の重心に対して繰り返し傾斜又は角度回転する原因となる可能性がある。これも、海洋の自然の周波数がローターハブに作用する推力の周波数に実質的に一致する場合、構造体に対する自己エンハンスメント効果を持つ可能性がある。風力タービンのこのような振動運動は、構造体に重大な応力及び疲労荷重を引き起こすので、構造強度を高めるように、風力タービン特にタワーを付加的材料で強化する必要がある。このことは、風力タービンの生産コストを増大する。この傾斜の問題を解決する１つの道は、浮き基礎のサイズ及び重量を増大することである。しかし、この解決策は、浮き基礎の生産コストを増大するので、非常に高価な解決策となる。また、この解決策は、浮き基礎のサイズ及び重量が増大するので設置コストも増大する可能性がある。

国際公開第０３／００４８６９（Ａ１）号は、所定数のアンカーケーブルによって海底に固定された浮き基礎の上に設置された、３枚の伝統的風力タービン翼を持つ風力タービンを開示する。浮き基礎は、基礎本体内に形成された浮揚室を備え、基礎が海面近くで浮遊できるようにする。浮揚室は、１つの実施形態において、所定数のバラスト室を備え、バラストは、風力タービンの傾斜を補正するために調節できる。バラスト室のバラストの調節の代わりに、基礎の底部の可動レバーアームに配置された錘又は例えば海底に当接するポールと組み合わされた引っ張りシステムを使用できる。開示される全ての実施形態は、基礎のサイズ及び全体コストを増大する浮き基礎に連結された比較的複雑かつ高価な解決策について説明している。さらに、様々なバラスト室のバラストの調節は、異なるバラスト室間のバラストの移動に時間が掛かり、風力タービンの反復的傾斜と共振（resonate）し始める可能性さえあるので、許容できる解決策とは思われない。

米国特許第７１５６０３７（Ｂ２）号は、３枚の伝統的風力タービン翼を持つ風力タービンが、海底に回動自在に固定された細長い浮揚基礎の上に設置される、別の解決策を開示する。基礎は、部分的に水が充填されたバラスト室を備える。ナセルは、傾斜ジョイントを用いてタワーの最上部に連結され、傾斜ジョイントは、ローター軸が常に水平位置に位置付けられるように、ローターハブの位置を傾斜させる。海底に配置されたプラットフォームに接続された１本のアンカーケーブル又は風力タービンに接続された３本のアンカーケーブルを使用して、風力タービンを安定させる。この解決策は、タワーが後方へ傾斜したときタービンの先端がタワーに衝突する危険があるという不利点を持つ。この形態は、風力タービンの比較的大きい傾斜運動を可能にし、その結果、回転体平面に衝突する相対風速に比較的大きな変化を生じる。さらに、傾斜ジョイントは、故障し易いという弱点を与える。

国際公開第２０１２／０６９５７８（Ａ１）号は、所定数のアンカーケーブルによって海底に固定された浮き基礎の上に設置されたピッチ調節式風力タービンを開示する。基礎は、バラストが部分的に充填された１〜４つの浮揚室と、基礎から外向きに延びる所定数の安定化アームとを備える。回転プロペラが、各浮揚室の底部に配列され、プロペラの作動及び方向を制御する制御システムに結合される。加速計又はＧＰＳ受信機の形式のＧＮＳＳ受信機を用いて風力タービンの振動が測定され、これらのプロペラを用いて、振動を減衰するように反対方向の運動を与える。この解決策は、風力タービンに比較的安定したプラットフォームを与えるためにプロペラシステムを使用する必要があり、浮き基礎の複雑さとサイズを増すので、全体コストが増大する。さらに、この解決策は、海流及び波によって生じる基礎の移動又は回転を補正するために所定数の安定化アーム又は３つ以上の浮揚室の使用を必要とする。

これらの解決策は、風力タービンの反復的傾斜に対抗するために、浮き基礎外部に結合される又は浮き基礎内部に配置される付加的システムの使用を必要とする。

国際公開第２００５／０９０７８１（Ａ１）号は、風力タービンタワーの底部において海底に配置されたアンカーに接続される浮き風力タービンを開示する。風力タービンは、ピッチ制御システムに接続された３枚の伝統的翼を備え、ピッチ制御システムは、タワーの移動に対抗するためにローターハブに対して作用する平均推力に応じて翼のピッチ角度を調節する。制御システムは、構造体の移動に対抗するために風力タービン翼のピッチ角度を調節する。これは、風力タービン翼を風向きに対して非最適位置に置いてしまう。これによって、ローターハブに対して作用する推力が増大し、同時にシステムの効率が低下する。この３枚翼風力タービンのタワーは、強風静止のとき非常に高い荷重を受け、これによって強風静止時にタワーの危険な角度運動を引き起こす可能性がある。

Ｓｏｅｒｅｎ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎの学位論文「風及び波に曝されるバラスト安定化式浮き風力タービンのモデルベースでの制御」は、浮き基礎の上に配置された風力タービンを制御するための様々な制御方法を開示する。制御方法は、円柱ブイ形の基礎の上に配置された、３枚の伝統的翼を持つ５ＭＷ風力タービン（Ｈｙｗｉｎｄと呼ばれる）に基づく。基礎は、テンションワイヤを用いて海底に固定される。この学位論文の「論文Ｃ」は、３枚の翼がローターハブに対して作用する最小推力に応じてピッチングされる制御方法を開示する。しかし、発電機の速度の減少は発電機のトルクを増大するので、主ローター軸及びドライブトレインの構造強さを増強する必要がある。「論文Ｄ」は、翼のピッチ角度を制御するために伝統的な陸上コントローラを使用する別の制御方法を開示する。この制御方法は、プラットフォーム及びシステム全体を安定化するために付加的な制御ループを必要とする。これは、風力タービン構造体の複雑さ及びコストを増大させる。

国際公開第０３／００４８６９（Ａ１）号パンフレッド 米国特許第７１５６０３７（Ｂ２）号明細書 国際公開第２０１２／０６９５７８（Ａ１）号パンフレッド 国際公開第２００５／０９０７８１（Ａ１）号パンフレッド

Ｓｏｅｒｅｎ Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎの学位論文「風及び波に曝されるバラスト安定化式浮き風力タービンのモデルベースでの制御」

本発明の目的は、高作動風速のとき風力タービンの傾斜を減少できる風力タービン形態を提供することである。

本発明の目的は、サイズ及び重量を減少した浮き基礎を提供することである。

本発明の目的は、高風速で作動するピッチング可能なタービン翼のピッチを調節する別の方式を提供することである。

本発明の目的は、作動時に高風速のとき構造体の疲労荷重を減少できるようにする風力タービン形態を提供することである。

本発明の目的は、風力タービン翼が、少なくとも第１空気力学的プロファイルを持つ内側翼区分と第２空気力学的プロファイルを持つ外側翼区分とを備え、内側翼区分がローターハブに取り付けられ、外側翼区分が、第１風速を上回る風速のとき内側翼区分に対して外側翼区分をピッチングするように構成された、少なくとも１つのピッチ接合部によって、内側翼区分に連結される、ことを特徴とする、浮き基礎に据え付けられた風力タービンによって達成される。

これは、深水に適する部分ピッチ風力タービン形態を提供する。２つの翼区分は、翼区分の少なくとも一方例えば外側区分を他方の区分例えば内側区分に対してピッチングできるようにする。ピッチングシステムは、風力タービンの出力性能を改良するためにピッチングを調節しかつ／又はローターハブに対して作用する推力値の相対変動を減少するように構成される。これによって、構造体において誘発される疲労荷重及び応力を減少するので、構造強度、並びに、風力タービン、例えば風力タービンタワー及びヨーベアリングの材料を、最小限に抑えることができ、それによって、風力タービンの生産コストを減少できる。

部分ピッチ風力タービンを使用することによって、構造体の傾斜運動を減少でき、ナセル及び風力タービン翼の、サイズ、並びに、重量のために、構造体において誘発される曲げモーメントを、より線形に制御できるようにする。これは風力タービン翼の１つの区分のみをピッチングすることによって可能になり、それによって、従来のピッチ調節風力タービンより、ローターハブ従ってナセルに対して作用する推力をより一定にできる。これによって、ピッチングのために風力タービンに誘発される大きな負の減衰荷重（減衰しない荷重）及び応力を、排除又は少なくとも著しく減少できる。風力タービンの最大許容傾斜としては、±２°、±１°、±０.５°又はそれ未満が考えられる。内側翼区分に対する外側翼区分のピッチングは、曲げモーメントを減少できる。これによって、風力タービンのためのより安定したプラットフォームを提供するので、浮き基礎のサイズ及び重量を最適化又は減少でき、それによって、浮き基礎の生産コストを減少する。さらに、この形態においては、風力タービンタワーの最上部に制動機構（風力タービンのコストを増大させるであろう）を設置する必要がない。さらに、風力タービン翼を２枚しか使用しないので、３枚翼の使用に比べて、強風静止時に風力タービンタワーが受ける荷重を減少するので、タワーの危険な角度運動のリスクを減少する。

風力タービン翼は、根本端から先端部まで３５ｍ以上の長さ（相対長さ１単位）を持つことができる。翼区分の少なくとも一方のピッチングは、伝統的ピッチ調節式風力タービンより、風力タービン翼において誘発される疲労荷重及び応力の分布をより均等にできる。これによって、ピッチング可能な部分の合計サイズ及び重量が減少するので、ピッチングシステムのサイズ及び重量を最適化又は減少できる。伝統的ピッチ調節式風力タービンにおいては、風力タービン翼全体がピッチングされるので、大型のより強いピッチシステムを必要とする。部分ピッチング可能な風力タービン翼を使用すると、より迅速かつ良好なピッチングの制御が可能になり、風力タービン翼及び構造体において誘発される振動及び応力を小さくできる。

１つの実施形態によれば、内側翼区分は失速制御空気力学的プロファイルを有し、外側翼区分はピッチ制御空気力学的プロファイルを有し、２つの翼区分は、ローターハブに対して作用する合成推力値を形成する。

部分ピッチ風力タービンの使用は、伝統的ピッチ調節式風力タービンより、ローターハブに対して作用する合成推力又は力をより良好かつより効果的に制御できるようにする。これによって、各翼区分の空気力学的プロファイルは、設定された仕様セットに従って最適化できるので、合成推力をより最適に調節できるようにする。２つの翼区分は、同じ空気力学的プロファイルを持つことも、異なる空気力学的プロファイルを持つこともできる。内側翼区分は、風力タービンに対して作用する風速に対して、受動的又は能動的失速制御翼プロファイルの特性を有する推力値を与える失速制御空気力学的プロファイルを、持つように構成できる。外側翼区分は、風力タービンに対して作用する風速に対して、ピッチ制御翼プロファイルの特徴を有する推力値を与えるピッチ制御空気力学的プロファイルを、持つように構成できる。または、２つの翼区分は、同じ空気力学的プロファイル、例えば、失速又はピッチ制御プロファイルを持つことができ、同じ又は異なる仕様セットに従って最適化できる。２つの翼区分は、風力タービン翼全体の合成推力値を形成する。

内側翼区分のプロファイルは、定格風速と遮断風速（cut-off wind speed）との間の風速において合成推力値が実質的に一定であるように、外側翼区分のプロファイルの後に続いて構成できる。これによって推力を受動的に調節できる。

１つの実施形態によれば、内側翼区分は、風力タービン翼の根本端からピッチ接合部（pitch junction）の位置まで延び、外側翼区分は、風力タービン翼の先端部からピッチ接合部の位置まで延び、ピッチ接合部は、根本端に対して０.２０〜０.５０±１０％（「±１０％」とは上限下限それぞれの数値の前後１０％以内のこと。以下同様。）、好ましくは０.３０〜０.４０±１０％の相対長さに位置付けられる。

これによって、各翼区分の長さ従ってピッチ接合部の位置を最適化できる。翼区分が内側受風領域（inner swept area）及び外側受風領域（outer swept area）を形成するように、合計受風領域は、翼区分の間で配分される。内側翼区分の相対長さは、外側翼区分の長さに対して大きくすることができ、その逆も可能である。内側受風領域に対する外側受風領域の比を大きくしても良い。これによって、第２推力値（後述）が合成推力値により大きく寄与するので、ローターハブに対して作用する合成推力をより動的に制御できる。内側受風領域に対する外側受風領域の比を小さくすることもできる。これによって、第２推力値の合成推力値への寄与が小さくなるので、ローターハブに対して作用する合成推力をより静的に制御することができる。合成推力の制御をさらに改良するために、少なくとも１つの中間翼区分を、２つの接合部を介して２つの翼区分の間に配列できる。中間翼区分は、少なくとも１つのピッチ接合部によって２つの翼区分に連結されたピッチング可能な翼区分として構成できる。２つのピッチング可能翼区分は、同じピッチ制御システム又は２つの別個のピッチ制御システムを介して一緒にかつ／又は相互にピッチングできる。

内側翼区分は、０.２０〜０.８０、好ましくは０.３０〜０.７０の相対長さを持つことができる。外側翼区分は、０.２０〜０.８０、好ましくは０.３０〜０.７０の相対長さを持つことができる。ピッチ接合部の相対長さは、所望の形態次第であり、０.０２以下とすることができる。上記の相対長さは、±１０％、±５％、±２％又は±１％の公差を持つことができる。

１つの実施形態によれば、内側翼区分の空気力学的プロファイルは、この翼区分の負圧側及び正圧側の両方を形成する第１表面領域（surface area）を形成し、外側翼区分の空気力学的プロファイルは、この翼区分の負圧側と正圧側を形成する第２表面領域を形成する。第２表面領域に対する第１表面領域の比は、０.５〜１.５±１０％、好ましくは１±１０％である。

これによって、２つの翼区分の表面領域、従って各翼区分の揚力及び抗力を最適化できる。到来風がより大きな表面領域に衝突して内側翼区分の揚力を増大するように、内側翼区分の表面領域を、外側翼区分に対して増大できる。これによって、より大きな荷重を内側翼区分に伝達でき、その結果生じる風力タービン翼の根本モーメント（root moment）及び応力を減少できる。これによって、減少した根本モーメントに応じて風力タービンの形態及び構造的要件を最適化できる。到来風がより小さい表面領域に衝突して、外側翼区分の揚力及び抗力を減少するように、外側翼区分の表面領域を内側翼区分に対して減少できる。これによって、外側翼区分における荷重及び応力を減少でき、風力タービン翼における根本モーメントを減少できる。

内側翼区分及び／又は外側翼区分の厚み分布（distribution）及び／又は翼弦分布は、この翼区分の表面領域を増大するように最適化又は増大できる。第２表面領域に対する第１表面領域の比は、０.５〜０.７５例えば０.５とすることができ、この値は、風速が遮断風速へ向かって増大するとき合成推力値が比較的小さい負のタンジェントを持てるようにする。前記の比率を０.７５〜１.２５例えば１とすることができ、この値は、風速が遮断風速へ向かって増大するとき、合成推力値が比較的小さい正のタンジェントを持てるようにする。または、この比率を１.２５〜１.５例えば１.５とすることができ、この値は、合成推力値の正のタンジェントを増大できる。上記の比率は、±１０％、±５％、±２％、又は±１％の公差を持つことができる。

１つの実施形態によれば、ピッチ制御システム（ピッチング制御システム）は、設定電力出力に従って外側翼区分のピッチ角度を調節するように構成される。（一般にピッチ制御とは、ピッチ角度（翼の取付角）を変化させる制御である。）

ピッチ制御システムは、漸増電力出力プロファイル、漸減電力出力プロファイル又は一定又は電力出力プロファイルなど選択された電力出力プロファイルに従って外側翼区分のピッチ角度を調節するように構成できる。これによって、風力タービンの効率を増すように、外側翼区分を到来風に対して最適に配置できる。

具体的実施形態によれば、内側翼区分に対して作用する風速は、第１推力値を形成し、外側翼区分に対して作用する風速は、第２推力値を形成し、ピッチ制御システムは、合成推力値が実質的に一定値に維持されるように外側翼区分をピッチングすることによって、第１推力値に対して第２推力値を調節するように構成される。

部分ピッチ風力タービンのピッチングは、ローターハブに対して作用する合成推力値が第１風速を上回る風速のとき実質的に一定値に維持されるように、構成できる。内側翼区分は、外側翼区分のピッチングの基準パラメータとして使用される基準推力値を形成できる。外側翼区分の動的推力値は、合成推力値が実質的に一定値に維持されるように基準値に対して調節できる。外側翼区分のピッチングは、様々な作動風速において曲げモーメントを実質的に最小限に維持できるようにする。外側翼区分をよりに頻繁にピッチングするために、発電された電力の一部を使用するので、この制御方法を使用する電力出力は、上述の制御方法より小さくできる。

合成推力値は、一定値の許容公差例えば±１０％、±５％、±２％。±１％又はそれ未満内に調節できる。一定値は、風力タービンの定格又は公称風速で測定でき、上記風速における合成推力値の８０〜１２０％、好ましくは９０〜１１０％とすることができる。

１つの実施形態によれば、ピッチ制御システムは、風力タービンのその垂直位置に対する傾斜を測定するように構成される、少なくとも１台の測定装置に電気的に結合され、ピッチ制御システムは、測定された傾斜に基づいて、外側翼区分のピッチを調節するように構成される。

これによって、さらに風力タービンの測定された傾斜に基づいて、ピッチングを調節できる。加速計、ＧＰＳ装置、角度センサ又はその他の適切な測定装置など１台以上の測定装置を、ナセル又は浮き基礎に配置でき、ピッチ制御システムに電気的に結合できる。または、１台以上のひずみ計又はその他の適切な荷重センサを構造体例えばタワー又はナセルに配置でき、これを使用して、タワーの傾斜を測定できる。ピッチ制御システムは、ピッチングが構造体と共振しないように、設定周波数帯域でピッチを調節するように構成できる。これによって、風力タービンの振動を許容可能レベルまで減衰又は減少できる。１台以上の測定装置例えば風速計又は気象観測マスト（meteorological mast）、タコメーター又はその他の適切な測定装置をピッチ制御システムに結合し、風速及び／又はドライブトレインのローター速度を測定するように構成できる。ピッチングは、風力タービンが風速によって誘発された推力だけでなく海流及び波によって誘発された推力についても補正するように、風力タービンの傾斜及び／又は回転体平面に衝突する風速に基づいて、調節できる。これによって、１つ以上の測定された荷重パラメータ及び／又は気象学的データに基づいて、ピッチングを調節できる。

１つの実施形態によれば、第１風速は、平均値１０〜１４ｍ／ｓ、例えば１２ｍ／ｓあるいはそれ以上である。

部分ピッチ風力タービンの使用は、平均風速１０〜１４ｍ／ｓ、例えば１２ｍ／ｓあるいはそれ以上において特に効果的になり、この風速のとき、ピッチ調節式外側翼区分を用いて、失速調節式内側翼区分の負の効果を相殺できる。第１風速は、風力タービンの定格出力を規定する。第１風速は、風力タービンがその公称又は定格出力に達する風速として定義できる。風速が、遮断風速（cut-off wind speed）、例えば２５ｍ／ｓ以上を超えたとき、風力タービンはその極限負荷手続を起動する。

本発明の目的は、風力タービン翼の内側翼区分に対して風力タービン翼の外側翼区分のピッチを調節することを特徴とする、風力タービンを制御する方法によっても達成される。

この方法は、伝統的ピッチ調節式風力タービンより、風力タービンに対して作用する推力又は力をより良くかつより効果的に制御できるようにする。これによって、風力タービンの反復的傾斜を排除又は少なくとも著しく減少又は減衰でき、それによって構造体において誘発される疲労荷重及び応力を減少する。風力タービン例えば風力タービンタワーの構造強度及び材料を減少できるので、風力タービンの生産コストを減少できる。この方法は、また、風力タービンが傾斜するとき構造体に誘発される曲げモーメントをより良くかつより効果的に制御できるようにする。これによって、風力タービンの最大傾斜角度がより許容可能なレベルまで減少されるので、曲げモーメントを減少できる。このことは、風力タービンのためのプラットフォームの安定性を増大するので、浮き基礎のサイズ及び重量を最適化又は減少でき、従って浮き基礎の生産コストを減少できる。外側翼区分のピッチングは、風力タービンの傾斜を減少でき、風力タービンタワーの最上部に配置される減衰機構の必要がなくなるので、風力タービンのコストを減少する。部分ピッチ風力タービンの使用は、翼区分の少なくとも１つが少なくとも１つの他の翼区分に対してピッチングされるので、出力性能及び／又はローターハブに対して作用する推力をより精密に調節できるようにする。

１つの実施形態によれば、ピッチングは、設定電力出力に対して調節される。

外側翼区分は、風力タービンの電力出力を調節するように内側翼区分に対してピッチングされる。これは選択された電力出力プロファイルに従って実施できるので、高い効率が維持される。これによって、ピッチジョイント（ピッチ接合部）が平均風速の変化に応じて起動されるので、ピッチング動作も減少する。また、ピッチジョイントの磨耗も減少し、それによって耐用寿命が増大する。

１つの実施形態によれば、内側翼区分は第１推力値を形成し、外側翼区分は第２推力値を形成し、ピッチングは、合成推力値が実質的に一定値に維持されるように第１推力値に対して調節される。

代わりに、外側翼区分は、ローターハブに対して作用する合成推力値が実質的に一定値に維持されるように内側翼区分に対してピッチングできる。内側翼区分は、外側翼区分のピッチングのための制御パラメータとして使用される基準推力値を形成できる。これによって、外側翼区分の動的推力を基準値に対して調節して、実質的に一定値に維持できる。合成推力値を、一定値の許容可能な公差内たとえば±１０％、±５％、±２％、±１％又はそれ未満に調節できる。一定値は、風力タービンの定格又は公称風速で測定でき、この風速における合成推力値の８０〜１２０％、好ましくは９０〜１１０％とすることができる。外側翼区分のピッチングは、さらに、海流及び波による風力タービンの傾斜を補正するために使用できる。外側翼区分は、風力タービンの傾斜従って回転角度がより許容可能なレベル例えばその垂直位置に対して±２°、±１°、±０.５°又はそれ未満に減少又は減衰するように、ピッチングされる。これによって、合成推力値を能動的に調節できる。また、このことは、ピッチジョイントが平均風速の変化並びに海流及び波による動的衝撃の変化に応じて起動されるので、ピッチング動作を増大する。

１つの実施形態によれば、構造体に配置された少なくとも１台の測定装置は、風力タービンの傾斜を測定し、外側翼区分のピッチングは、測定された傾斜に基づいて調節される。

これによって、外側翼区分のピッチングを風力タービンの測定された傾斜に基づいて調節できる。傾斜は、ピッチ制御システムに電気的に結合された加速計、ＧＰＳ装置、角度センサ又はその他の適切な測定装置など１台以上の測定装置を用いて測定できる。又は、１台以上のひずみ計又はその他の適切な荷重センサが、タワーの傾斜を測定できる。ピッチングは、ピッチングが構造体と共振しないように、選択された周波数帯域で実施できる。これによって、風力タービンの振動を許容可能なレベルまで減衰又は減少できる。１台以上の測定装置例えば風速計又は気象観測マスト、タコメーター又はその他の適切な測定装置は、風速及び／又はローター速度を測定できる。これによって、風力タービンが風速の変化だけでなく海流及び波によって誘発された傾斜についても補正できるように、ピッチングを風力タービンの傾斜及び／又は回転体平面に衝突する風速に基づいて調節できる。

本発明について、例としてのみ、図面を参照して説明する。

浮き基礎の上に設置された風力タービンの代表的実施形態を示す。 外側翼区分が内側翼区分に対してピッチングされた状態の、図１の風力タービンを示す。 伝統的ピッチ調節式風力タービンと比較した本発明に係わる風力タービンの、風速と対比したローターハブに作用する推力のグラフである。

以下の文章において、図面について１つずつ説明し、図面に示される様々な部分及び位置には、様々な図面において同じ番号が付けられる。必ずしも、特定の図面において示される全ての部品及び位置を、その図面と一緒に論じない。

「傾斜」は、少なくとも１つの設定方向の回転点に対する風力タービンの回転移動として定義される。傾斜運動は、ｘ軸（風の方向と平行）の周りの風力タービンのローリング（横揺れ）を意味することができる。その代わりに又はそれに加えて、傾斜運動は、ｚ軸（風力タービンタワーの長手方向に平行）の周りの風力タービンのヨーイング（偏揺れ）を意味することができる。その代わりに又はそれに加えて、傾斜運動は、ｙ軸（風の方向及び風力タービンタワーの長手方向に直交）の周りの風力タービンのピッチング（縦揺れ）を意味することができる。

図１は、浮き基礎２の上に据え付けられた風力タービン１の代表的実施形態を示す。風力タービン１は、基礎２に面する底部と基礎の逆を向く最上部とを有する風力タービンタワー３を具備できる。上下に据え付けられた１つ以上のタワー区分（図示せず）が風力タービンタワー３を形成できる。ナセル４は、風力タービンタワー３の最上部に設置できる。ローターハブ５は、例えばローター軸（図示せず）を介してナセル４に連結できる。ローター軸は、一端においてローターハブ５に取り付けられ、他方の端においてナセル４内部に配列された発電機（図示せず）に取り付けられる。１枚以上の風力タービン翼６はローターハブ５に取り付けられ、風力タービン翼６は回転体平面（rotor plane）を形成する。少なくとも２枚又は３枚の風力タービン翼６が、図１に示すようにローターハブ５に取り付けられることが好ましい。

少なくとも１つのヨーイングベアリングを備える少なくとも１つのヨーイング機構を、風力タービンタワー３の最上部に配列できる。ナセル４をヨーイング機構に連結でき、ヨーイング機構は、回転体平面が風の中に移動する（move into the wind）ように、風力タービンタワー３に対して少なくともナセルを能動的又は受動的にヨーイングさせるように構成できる。これによって、回転体平面は主要な風向きに実質的に直交するように位置付けできる。

浮き基礎２は、水面下に部分的又は完全に沈むように構成された浮揚体７を備えることができる。浮揚体７は、少なくとも部分的にバラスト材料が充填されるように構成されたバラスト室の形式の少なくとも１つの浮揚室９を備えることができる。バラスト材料は、水例えば海水の形の液体又は岩、砂／砂利、コンクリート、金属又はその他の適切な形の固体とすることができる。浮揚体７は、細長くかつ／又は円筒形体の形状を持つことができ、浮揚室９は、浮揚体７の下側区分に配置できる。浮揚体７の上側区分は中空であり、空気、ヘリウム又はその他の適切な気体材料などの気体材料を充填できる。浮揚体７は閉鎖体７を形成でき、浮揚体７内部に、気体材料及び／又はバラスト材料が収容される。浮揚体７は、水面８に面する第１端部と海底１０に面する第２端部とを有する。上側区分１１は、第一端部に設置され、風力タービンタワー３の底部に取り付けられるように構成できる。浮揚体７は、鉄、スチール又はその他の適切な材料で製造できる。

バラスト及び／又は気体材料の量を調節するための手段、例えばポンプシステムを、浮き基礎２に設置できる。これによって、図１に示すように上側区分１１が海面８下に部分的に沈むように、浮き基礎２の浮揚体７を海面８下の設定深さに位置付けできる。または、上側区分１１は、整備又は保守のために海面８上に位置付けるか、又は、例えば嵐、台風など極端な荷重を受けるときの風力タービンの安定性を増すために海面８下に位置付けできる。

浮き基礎２は、水深約４０ｍ以上の洋上に設置するように構成できる。浮き基礎２は、浮揚体７の重心又は中央から測定して海面８下約５ｍ以上に位置付けできる。また、浮き基礎２は、浮揚体７の第一端部が海面８から約５ｍ以下に位置付けられるように位置付けできる。２本、３本又はそれ以上のアンカーケーブル又はその他の適切な錨泊機構又はシステムの形式の１つ以上の錨泊手段１２は、浮き基礎２を従って風力タービン１をその所定の位置に保持するように構成できる。アンカーケーブルは、浮き基礎２及び海底１０に配置又は固定された１つ以上の錨泊支持体（図示せず）に結合できる。

風力タービン１は、図１に示すように部分ピッチ風力タービンとして構成でき、風力タービン翼６の少なくとも１枚は、少なくとも２つの翼区分１３、１４を備える。風力タービン翼６は、ピッチ接合部１５によって外側翼区分１４に連結された内側翼区分１３を備える。内側翼区分１３は、ローターハブ５に面する翼根本１６を備え、ボルト／ナットなどの締結手段によってローターハブ５に取り付けられるように構成される。外側翼区分１４は、ローターハブ５の逆に面する先端部１７を備えることができる。

ピッチ接合部１５は、内側翼区分１３に対して外側翼区分１４をピッチングするように構成できる。機械、水圧又は電気装置の形式のピッチ機構（図示せず）をピッチ接合部１５に配置できる。ピッチ制御システム（図示せず）をピッチ機構に結合して、外側翼区分１４のピッチを調節するように構成できる。これによって、外側翼区分１４を風（風力）の中で又は風（風力）から外してピッチングできる。図１は、非ピッチング位置にある翼区分１３、１４を示し、ピッチ接合部１５における２つの翼区分１３、１４の断面輪郭は、相互に整列する。ピッチ機構は、内側翼区分１３に対して外側翼区分を０°〜９０°ピッチングするように構成できる。

風力タービン翼６は、積層材を形成する繊維強化プラスチック又は複合材料で製造でき、繊維は、ガラス、カーボン又は有機繊維で製造できる。積層材は、外部システム例えば真空注入又はインジェクションシステムによって供給される樹脂例えばエポキシを用いて注入できる。

図２は、外側翼区分１４が内側翼区分１３に対してピッチングされた状態の風力タービン１を示す。ピッチ制御システムは、選択された電力出力プロファイル又は一定推力値に従って内側翼区分１３に対して外側翼区分１４のピッチを調節するように構成できる。２つの翼区分１３、１４は、構造体において誘発される曲げモーメントをより良く制御できるようにするので、風力タービン１及び／又は浮き基礎２が経験する傾斜運動を減少する。ピッチ制御システムは、１０〜１４ｍ／ｓ例えば１２ｍ／ｓ以上の設定平均風速を超える風速のとき起動できる。これによって、ナセル４及び風力タービン翼６のサイズ及び重量によって構造体において誘発される曲げモーメントをより線形に制御できるようにする。外側翼区分１４は、風力タービン１がその垂直位置に対して±２°以下の傾斜であるようにピッチングできる。

内側翼区分１３は、第１推力値を与える設定仕様セットによって規定された失速制御（ストール制御）空気力学的プロファイルを持つことができる。外側翼区分１４は、第２推力値を与える設定仕様セットによって規定されたピッチ制御空気力学的プロファイルを持つことができる。２つの翼区分１３、１４の第１推力値及び第２推力値は、その結果ローターハブ５に対して作用する推力値を形成できる。ピッチ制御システムは、外側翼区分１４をピッチングすることによって第２推力値を調節するとき、基準パラメータとして第１推力値を使用するように構成できる。

内側翼区分１３は、翼根本１６からピッチ接合部１５の位置まで延びて、内側受風領域を形成できる。外側翼区分１４は、先端部１７からピッチ接合部１５の位置まで延びて、外側受風領域を形成できる。内側及び外側受風領域は、風力タービン翼６が受風する全領域を形成する。２つの翼区分１３、１４の相対的長さは、内側受風領域に対する外側受風領域の比を規定できる。

風力タービン翼６は、根本端１６から先端部１７まで３５ｍ以上の長さ（相対長さ１単位に相当）を持つことができる。ピッチ接合部１５は、根本端１６に対して０.２０〜０.８０±１０％の相対長さに位置付けできる。内側翼区分１３は、０.２０〜０.８０±１０％の相対長さを持つことができる。外側翼区分は、０.２０〜０.８０±１０％の相対長さを持つことができる。

内側翼区分１３の空気力学的プロファイルは、第１表面領域を形成する翼区分の負圧側及び正圧側を形成できる。外側翼区分１４の空気力学的プロファイルは、第２表面領域を形成する翼区分の負圧側と正圧側を形成できる。２つの表面領域は、２つの翼区分１３、１４の揚力及び抗力を形成できる。各翼区分１３、１４の厚み分布及び／または翼弦分布は、第２表面領域に対する第１表面領域の比を規定し、０.５〜１.５±１０％の値が可能である。

加速計、ＧＰＳ装置、角度センサ又はその他の適切な測定装置の形式の少なくとも１台の測定装置（図示せず）をピッチ制御システムに電気的に結合できる。測定装置は、風力タービン１の垂直位置に対する傾斜を測定するように構成できる。ピッチ制御システムは、測定された傾斜に基づいて外側翼区分１４のピッチを調節するように構成できる。その代わりに又はそれに加えて、風速計、気象観測マスト、タコメーター又はその他の適切な測定装置の形式の少なくとも１台の他の測定装置を、ピッチ制御システムに電気的に結合できる。測定装置は、風速及び／又は風力タービン１のドライブトレインのローター速度を測定するように構成できる。ピッチ制御システムは、風力タービン１が風速によって誘発される推力だけでなく海流及び波によって誘発される推力も補正するように、風力タービン１の傾斜及び／又は回転体平面に衝突する風速に基づいて、外側翼区分１４のピッチを調節するように構成できる。

図３は、伝統的ピッチ調節式風力タービンと比較した本発明に係わる風力タービンの、風速に対比したローターハブ５に作用する推力のグラフである。

第１風速Ｗ₁を下回る風速のとき、外側翼区分１４は、その非ピッチ位置（unpitched position）例えばピッチ角度ゼロに位置付けられる。ローターハブ５に対して作用する推力１８、１９は、回転体平面及び風力タービン１に衝突する風速が増すにつれて、増大する。風速が第１風速Ｗ₁を上回ると、ピッチ制御システムはピッチ機構を起動し、ピッチ機構は外側翼区分１４のピッチ角度を調節する。第１風速Ｗ₁は、風力タービン１がその定格電力出力に達するときの風速として規定される。風速が第２風速Ｗ₂を上回る場合、風力タービンはその極限負荷手続を起動して、風力タービン１を高圧送電線網から切断する。第２風速Ｗ₂は、風力タービン１の遮断風速として規定される。第１風速Ｗ₁としては、１０〜１４ｍ／ｓ例えば１２ｍ／ｓ以上が考えられる。第２風速としては２５ｍ／ｓ以上が考えられる。

ピッチ制御システムは、風速タービン翼６が実質的に一定の合成推力値を維持するように、内側翼区分１３に対して外側翼区分１４のピッチを調節する。第１曲線１８は、風力タービン翼全体をピッチングするとき伝統的ピッチ調節式風力タービンに生じる推力値を示す。第２曲線１９は、本発明の風力タービン１に生じる合成推力値を示す。第１点２０は、図３に示すように、風力タービン１が傾斜位置にある位置を示し、第２点２１は、風力タービン１が非傾斜位置のときの位置を示す。第３点２２は、風力タービン１が、推力値１８、１９が第２点２１から第１点２０へ移動／変化するように風向きの中でピッチングされるときの中間位置を示す。

図３に示すように、内側翼区分１３に対する外側翼区分１４のピッチングは、ナセル４及び風力タービン翼６のサイズ及び重量によって構造体において誘発される曲げモーメントをより線形に制御できるようにする。ピッチ制御システムは、外側翼区分１４の推力値のピッチを調節するとき内側翼区分１３の第１推力値を基準パラメータとして使用できる。これによって、ピッチ制御システムは、ローターハブ５に対して作用する合成推力値を実質的に一定値に維持でき、それによって、風力タービン１の傾斜運動が減少するので、構造体において誘発される曲げモーメントを減少する。図３に示すように、伝統的なピッチ調節式タービンにおけるピッチの調節１８は、推力値を著しく変化させて、風力タービンに大きな負の減衰荷重及び応力を生じる。この荷重及び応力は、部分ピッチ風力タービン１を使用することによって少なくとも著しく減少できる。

ピッチ制御システムは、構造体例えば風力タービン１に配置された１台以上の測定装置によって測定された風力タービン１の傾斜及び／又は回転体平面に衝突する風速に基づいて、外側翼区分１４のピッチを調節できる。

合成推力値は、一定値の±１０％以内に調節できる。一定値は、風力タービン１の定格風速例えばＷ₁において測定でき、この風速における合成推力値の８０〜１２０％とすることができる。ピッチングは、風力タービン１がその垂直位置に対して±２°以下の傾斜であるように、ピッチ制御システムによって実施される。

３ 風力タービンタワー
４ ナセル
５ ローターハブ
６ 風力タービンタワー
７ 浮き基礎
１３ 内側翼区分
１４ 外側翼区分
１５ ピッチ接合部

Claims (11)

1. 風力タービンであって、
   −最上部と底部とを有する風力タービンタワー（３）と、
   −前記風力タービンタワー（３）の最上部に設置されたナセル（４）と、
   −前記ナセル（４）に回転可能に取り付けられたローターハブ（５）と、
   −前記ローターハブ（５）に取り付けられた１枚以上の風力タービン翼（６）であって、該風力タービン翼（６）が回転体平面を形成する、風力タービン翼と、
   −前記風力タービンタワー（３）の前記底部に取り付けるように構成された上側区分（１１）を有する浮き基礎（２）であって、該浮き基礎が浮揚体（７）を有し、設定水深を有する洋上位置に設置するように構成される、浮き基礎と、
   −ピッチ制御システムと
   を備え、
   −前記風力タービン翼（６）が、少なくとも第１空気力学的プロファイルを持つ内側翼区分（１３）と第２空気力学的プロファイルを持つ外側翼区分（１４）とを備え、
   前記内側翼区分（１３）が、前記ローターハブ（５）に取り付けられ、
   第１風速（Ｗ1）を上回る風速のとき、前記内側翼区分（１３）に対して前記外側翼区分（１４）をピッチングするように構成された、少なくとも１つのピッチ接合部（１５）によって、前記外側翼区分（１４）が、前記内側翼区分（１３）に連結され、
   前記内側翼区分（１３）に対して作用する風速が第１推力値を形成し、前記外側翼区分（１４）に対して作用する風速が第２推力値を形成し、前記ピッチ制御システムが、前記ローターハブ（５）に対して作用する合成推力値が実質的に一定値に維持されるように前記外側翼区分（１４）をピッチングすることによって前記第１推力値に対する前記第２推力値を調節するように構成されることを特徴とする、
   風力タービン。
2. 前記内側翼区分（１３）が失速制御空気力学的プロファイルを有し、前記外側翼区分がピッチ制御空気力学的プロファイルを有し、前記２つの翼区分（１３、１４）が前記ローターハブ（５）に対して作用する前記合成推力値を形成することを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン。
3. 前記内側翼区分（１３）が、前記風力タービン翼（６）の根本端（１６）から前記ピッチ接合部（１５）の位置まで延び、前記外側翼区分（１４）が、前記風力タービン翼（６）の先端部１７から前記ピッチ接合部の前記位置まで延び、前記ピッチ接合部（１５）が、前記根本端（１６）に対して０.２０〜０.８０±１０％の相対長さに位置付けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン。
4. 前記内側翼区分（１３）の前記空気力学的プロファイルが、該翼区分の負圧側と正圧側の両方を形成する第１表面領域を形成し、前記外側翼区分（１４）の前記空気力学的プロファイルが、該翼区分の負圧側と正圧側の両方を形成する第２表面領域を形成し、前記第２表面領域に対する前記第１表面領域の比率が０.５〜１.５±１０％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力タービン。
5. 前記ピッチ制御システムが、設定電力出力に従って前記外側翼区分のピッチ角度を調節するように構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力タービン。
6. 前記ピッチ制御システムが、前記風力タービン（１）のその垂直位置に対する傾斜を測定するように構成された少なくとも１台の測定装置に電気的に結合され、かつ前記ピッチ制御システムが、前記測定された傾斜に基づいて前記外側翼区分（１４）のピッチを調節するように構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力タービン。
7. 前記第１風速（Ｗ1）が１０〜１４ｍ／ｓの平均値を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力タービン。
8. 風力タービンを制御する方法であって、前記風力タービンが、ローターハブ（５）に取り付けられた１枚以上の風力タービン翼を備え、前記ローターハブが風力タービンタワー（３）の最上部に設置されたナセルに回転可能に取り付けられ、前記風力タービンタワーが浮揚体（７）を有する浮き基礎（２）に据え付けられ、前記風力タービン翼（６）が、第１風速（Ｗ1）を上回る平均風速のときピッチングされる風力タービンを制御する方法において、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載された風力タービンの前記風力タービン翼（６）の内側翼区分（１３）に対する前記風力タービン翼（６）の外側翼区分（１４）の前記ピッチングを、調節するようにしたことを特徴とする、方法。
9. 前記ピッチングが設定電力出力に対して調節されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記内側翼区分（１３）が第１推力値を形成し、前記外側翼区分（１４）が第２推力値を形成し、前記ピッチングが、両者合成推力値が実質的に一定値に維持されるように、前記第１推力値に対して調節されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 前記構造体に配列された少なくとも１台の測定装置が前記風力タービンの傾斜を測定し、前記外側翼区分（１４）のピッチングが前記測定された傾斜に基づいて調節されることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。

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