(57)【要約】  本発明は、風力発電装置（１０）を作動させる方法に関する。風力発電装置（１０）は、ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、ロータ（１４）を制動させるための機械的なブレーキ（１９）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを有している。本発明は、さらに、風力発電装置にも関わる。本発明による方法によれば、障害信号（３０）が発生したあとに、前記少なくとも１つのロータブレード（１４）の８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で、ロータ（１２，１３，２２）を角度調整部（２８）を介して制動するステップと、ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータ（１２，１３，２２）を機械的なブレーキ（１９）を介して制動するステップと、ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときに安全システム（１６，２０）を起動させ、その際ロータ（１２，１３，２２）を制動させ、第２の回転数制限値が第１の回転数制限値よりも大きく、機能効率的な風力発電装置（１０）の場合には、３ヶ月に一度の発生確率よりも低い発生確率で発生する極端な突風（３１）との関連で発電機（１０）が負荷制限を受けても、第２の回転数制限値を越えさせないようにするステップとを含んでいる。
2009523208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電装置（１０）を作動させる方法であって、風力発電装置（１０）が、ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、ロータ（１４）を制動させるための機械的なブレーキ（１９）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを有している前記方法において、
−障害信号（３０）が発生したあとに、前記少なくとも１つのロータブレード（１４）の８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で、ロータ（１２，１３，２２）を角度調整部（２８）を介して制動するステップと、
−ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータ（１２，１３，２２）を機械的なブレーキ（１９）を介して制動するステップと、
−ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときに安全システム（１６，２０）を起動させ、その際ロータ（１２，１３，２２）を制動させ、第２の回転数制限値が第１の回転数制限値よりも大きく、機能効率的な風力発電装置（１０）の場合には、３ヶ月に一度の発生確率よりも低い発生確率で発生する極端な突風（３１）との関連で発電機（１０）が負荷制限を受けても、第２の回転数制限値を越えさせないようにするステップと、
を含んでいる前記方法。
【請求項２】
風力発電装置（１０）を作動させる方法であって、風力発電装置（１０）が、ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、ロータ（１４）を制動させるための機械的なブレーキ装置（１９）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを有している前記方法において、
−障害信号（３０）が発生したあとに、前記少なくとも１つのロータブレード（１４）の８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で、ロータ（１２，１３，２２）を角度調整部（２８）を介して制動するステップと、
−ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータ（１２，１３，２２）を機械的なブレーキ（１９）を介して制動させ、その際機械的なブレーキを作動コントロール部（１５，１５’）によって起動させるステップと、
−ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときに安全システム（１６，２０）を起動させ、その際ロータ（１２，１３，２２）を制動させ、第２の回転数制限値が第１の回転数制限値よりも大きいステップと、
を含んでいる前記方法。
【請求項３】
年に一度の発生確率の突風（３１）の場合、第２の回転数制限値を越えさせないことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
障害信号（３０）が、第１の回転数制限値よりも小さな第３の回転数制限値を越えたことを示す信号、発電機（２３）の負荷制限を示す信号、電力網（２５）内のエラー、および／または、少なくとも１つのロータブレード（１６）の角度調整部（２８）でのエラーであることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
障害信号（３０）が発生した後の少なくとも１つのロータブレード（１４）の角度調整率が８゜／ｓよりも小さく、特に６．５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さいことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
作動コントロール装置（１５，１５’）に付設されているレギュレータ装置（１５，１５’）の角度調整率を、または、別個のレギュレータ装置（１７）の角度調整率を調整することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
予め設定可能なブレード角度を越えたときに、少なくとも１つのロータブレード（１０）の角度調整率を、それ以前の角度調整率の半分よりも小さな、特に四分の一よりも小さな角度調整率へ変化させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
第１の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置（１０）の定格回転数よりも１５％以上大きな範囲にあることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
第１の回転数制限値が風力発電装置（１０）の定格回転数よりも２０％ないし３５％、特に２２％ないし２８％大きいことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第２の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置（１０）の定格回転数よりも３５％ないし４５％以上大きな範囲にあることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１１】
第２の回転数制限値が風力発電装置（１０）の第１の回転数制限値よりも５％ないし２０％大きな範囲にあることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
第３の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置（１０）の定格回転数よりも１０％ないし２０％、特に１５％ないし１７％以上大きな範囲にあることを特徴とする、請求項４から１１までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
機械的なブレーキ（１９）を介してのロータ（１２，１３，２２）の制動は、予め設定可能な第４の回転数制限値を下回ったときに終了可能であることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
機械的なブレーキ（１９）を介してのロータ（１２，１３，２２）の制動を、ロータブレード平均角度が予め設定可能な制限値を越え、且つ機械的なブレーキ（１９）を介してのロータ（１２，１３，２２）の制動開始以後、予め設定可能な時間を過ぎたときに、終了させることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
風力発電装置（１０）を作動させる方法であって、風力発電装置（１０）が、ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、タワー（１１）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを有している前記方法において、
−障害信号（３０）が発生するまで電圧を生成させるため、風力発電装置（１０）を作動コントロール部（１５，１５’）により調整または制御して作動させるステップと、
−障害信号が発生したときに安全システム（１６，２０）を起動させ、次に、タワーの振動期間の半分に相当する時間ないしタワーの全振動期間に相当する時間にわたって検出した、特に初期の、少なくとも１つのロータブレードの６．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で角度調整部（２８）を介してロータ（１２，１３，２２）を制動するステップと、
を含んでいる前記方法。
【請求項１６】
平均角度調整率が６゜／ｓよりも小さく、特に５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さいことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
角度調整率を制御または調整し、ブレード角度を漸次増大させながら、および／または、回転数を減少させながら、回転数調整率を低減させることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
極端な突風（３１）との関連で発電機（１０）を負荷遮断したときに障害信号（３０）が存在し、この場合突風（３１）の発生確率は３ヶ月に一度の発生確率よりも低く、特に年に一度の発生確率よりも低いことを特徴とする、請求項１５から１７までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、ロータ（１２，１３，２２）を制動させる機械的なブレーキ（１９）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを備え、障害信号（２０）が存在しているときに８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率を持った少なくとも１つのロータブレード（１４）の角度調整部（２８）を介してロータ（１２，１３，２２）を制動させる第１の制動装置（１８）が設けられ、ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときにロータ（１２，１３，２２）を機械的に制動させる第２の制動装置（１９）が設けられ、安全システム（１６，２０）は、ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えた場合にロータ（１２，１３，２２）を制動するべく設けられており、第２の回転数制限値は第１の回転数制限値よりも大きく、第２の回転数制限値と風力発電装置（１０）とは、機能効率的な風力発電装置（１０）の場合に、３ヶ月に一度の発生確率よりも低い発生確率で発生する極端な突風（３１）との関連で発電機（１０）が負荷制限を受けても、第２の回転数制限値を越えないようなディメンションに選定されている風力発電装置。
【請求項２０】
ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、ロータ（１２，１３，２２）を制動させる機械的なブレーキ（１９）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを備え、障害信号（２０）が存在しているときに８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率を持った少なくとも１つのロータブレード（１４）の角度調整部（２８）を介してロータ（１２，１３，２２）を制動させる第１の制動装置（１８）が設けられ、ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときにロータ（１２，１３，２２）を機械的に制動させる第２の制動装置（１９）が設けられ、第２の制動装置（１９）は作動コントロール装置（１５，１５’）により起動可能であり、安全システム（１６，２０）は、ロータ（１２，１３，２２）の回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えた場合にロータ（１２，１３，２２）を制動するべく設けられており、第２の回転数制限値は第１の回転数制限値よりも大きい風力発電装置。
【請求項２１】
年に一度の発生確率の突風（３１）の場合、第２の回転数制限値を越えさせないことを特徴とする、請求項１９または２０に記載の風力発電装置。
【請求項２２】
障害信号（３０）が、第１の回転数制限値よりも小さな第３の回転数制限値を越えたことを示す信号、発電機（２３）の負荷制限を示す信号、電力網（２５）内のエラー、および／または、少なくとも１つのロータブレード（１６）の角度調整部（２８）でのエラーであることを特徴とする、請求項１９から２１までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項２３】
障害信号（３０）が存在しているときの少なくとも１つのロータブレード（１４）の角度調整率が８゜／ｓよりも小さく、特に６．５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さく調整可能であることを特徴とする、請求項１９から２２までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項２４】
作動コントロール装置（１５，１５’）に付設されているレギュレータ装置（１５，１５’）の角度調整率が、または、別個のレギュレータ装置（１７）の角度調整率が調整可能であることを特徴とする、請求項１９から２３までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項２５】
予め設定可能なブレード角度を越えたときに、少なくとも１つのロータブレード（１０）の角度調整率は、それ以前の角度調整率よりも小さな角度調整率に、特に半分よりも小さな角度調整率に、特に四分の一よりも小さな角度調整率へ変更可能であることを特徴とする、請求項１９から２４までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項２６】
第１の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置（１０）の定格回転数よりも１５％以上大きな範囲にあることを特徴とする、請求項１９から２５までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項２７】
第１の回転数制限値が風力発電装置（１０）の定格回転数よりも２０％ないし３５％、特に２２％ないし２８％大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の風力発電装置。
【請求項２８】
第２の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置（１０）の定格回転数よりも３５％ないし４５％以上大きな範囲にあることを特徴とする、請求項１９から２７までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項２９】
第２の回転数制限値が風力発電装置（１０）の第１の回転数制限値よりも５％ないし２０％大きな範囲にあることを特徴とする、請求項１９から２８までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項３０】
第３の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置（１０）の定格回転数よりも１０％ないし２０％、特に１５％ないし１７％以上大きな範囲にあることを特徴とする、請求項２２から２３までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項３１】
機械的なブレーキ（１９）を介してのロータ（１２，１３，２２）の制動を、予め設定可能な第４の回転数制限値を下回ったときに終了させることを特徴とする、請求項１９から３０までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項３２】
機械的なブレーキ（１９）を介してのロータ（１２，１３，２２）の制動は、ロータブレード平均角度が予め設定可能な制限値を越え、且つ機械的なブレーキ（１９）を介してのロータ（１２，１３，２２）の制動開始以後、予め設定可能な時間を過ぎたときに、終了可能であることを特徴とする、請求項２２から３１までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【請求項３３】
ロータ（１２，１３，２２）と、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレード（１４）と、タワー（１１）と、作動コントロール装置（１５，１５’）と、安全システム（１６，２０）とを備え、作動コントロール部（１５，１５’）は、障害信号（３０）が発生するまで電圧を生成させるために風力発電装置（１０）を調整または制御して作動させるために設けられており、障害信号が発生したときおよび／または発生した後に安全システム（１６，２０）が起動可能であり、該安全システム（１６，２０）を用いて、タワーの振動期間の半分に相当する時間ないしタワーの全振動期間に相当する時間にわたって検出した、特に初期の、少なくとも１つのロータブレードの６．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で角度調整部（２８）を介してロータ（１２，１３，２２）を制動する風力発電装置。
【請求項３４】
平均角度調整率が６゜／ｓよりも小さく、特に５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さいことを特徴とする、請求項３３に記載の風力発電装置。
【請求項３５】
角度調整率が制御可能または調整可能であり、ブレード角度を漸次増大させながら、および／または、回転数を減少させながら、回転数調整率をさらに低減可能であることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の風力発電装置。
【請求項３６】
極端な突風（３１）との関連で発電機（１０）を負荷遮断したときに障害信号（３０）が存在し、この場合突風（３１）の発生確率は３ヶ月一度の発生確率よりも低く、特に年に一度の発生確率よりも低いことを特徴とする、請求項３３から３５までのいずれか一つに記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置を作動させる方法であって、風力発電装置が、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させるための機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを有している前記方法に関するものである。本発明は、さらに、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させる機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを備えた風力発電装置にも関わる。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置の作動方法および風力発電装置それ自体は公知である。このため、たとえば非特許文献１を指摘する。風力発電装置の作動および風力発電装置自体はその構成の点で問題があり、特に安全性の観点で問題がある。特に風が強く、風によって生じた空力トルクが発電機による抵抗にあわないような停電の場合には、極端なタワー負荷になり、特にブレード調整がコントロール不能になり、場合によっては安全チェーンが起動することになる。停電または一般的には発電機の負荷遮断により、ロータは風が強いときに加速し始め、加速は風力発電装置のブレーキシステムがロータを制動し始めるまで続行する。制動力の強さに依存して異なる大きさの負荷が風力発電装置に発生する。
【０００３】
【非特許文献１】Siegfried Heier著  教則本「風力発電装置のシステム構成、ネットワークインテグレーション、コントロール」、第４版、B.G.Teubner、２００５年２月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、風力発電装置を作動させるための安全な方法と、これに対応して、極端な負荷を抑止させた安全な風力安全装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、風力発電装置を作動させる方法であって、風力発電装置が、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させるための機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを有している前記方法においては、
−障害信号が発生したあとに、前記少なくとも１つのロータブレードの８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で、ロータを角度調整部を介して制動するステップと、
−ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータを機械的なブレーキを介して制動するステップと、
−ロータの回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときに安全システムを起動させ、その際ロータを制動させ、第２の回転数制限値が第１の回転数制限値よりも大きく、機能効率的な風力発電装置の場合には、３ヶ月に一度の発生確率よりも低い発生確率で発生する極端な突風との関連で発電機が負荷制限を受けても、第２の回転数制限値を越えさせないようにするステップと、
を含んでいる前記方法によにり解決される。
【０００６】
本発明による方法により、極端な突風の場合でも、且つ同時に発電機の負荷制限の場合でも、たとえばタワーベース曲げモーメントまたはロータ曲げモーメントにより大きな負荷が生じないように風力発電装置を作動させることが可能である。
【０００７】
特に、８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率の角度調整を介してロータを制動させる点と、ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに機械的なブレーキ装置を介してロータを制動させる点とを組み合わせれば、他の構成と組み合わせて本発明の利点が得られる。低い角度調整率は、特に、ロータブレードが高速に回転しすぎないようにするために用い、その結果望ましくない逆剪断応力が阻止される。本発明の基本的な認識は、ロータを制動させるための可能な限り緩速な角度調整率は負荷を軽減させるというものである。予測不能な突風の際にロータが過剰回転する危険があるという欠点は、本発明による補助手段（第１および第２の回転数制限値）により本発明にしたがって確実に解消可能である。技術水準では、たとえば負荷遮断のような障害例の場合の低い角度調整率は見逃されていた。というのは、突風の際に発生する過剰回転数状態は受け入れがたいほどの高負荷になるからである。
【０００８】
本発明の範囲内では、平均角度調整率とは、特に角度調整部を介して制動が行なわれる時間にわたっての、特に機械的なブレーキ装置がロータを制動させない間の、角度調整率の平均を意味している。角度調整部を介してロータを制動するための角度調整率は平均して８．５゜／ｓ以下ばかりでなく、常時８．５゜／ｓ以下である。
【０００９】
風力発電装置の場合、好ましくは、機械的なブレーキ装置は、ドライブトレインの高速回転側にある伝動装置と係合している。この高速回転側には、回転子と呼ばれる回転部材を備えた発電機も設けられている。しかしながら、機械的なブレーキ装置をドライブトレインの緩速側にも配置してよく、すなわち伝動装置とロータブレードとの間の側に配置してもよい。他方、風力発電装置を伝動装置なしで構成し、その結果ブレーキがロータボスの領域または伝動装置回転子の領域に係合してもよい。本発明の範囲内では、ロータという概念は、特にドライブトレイン、高速軸、伝動装置回転子、伝動装置、ロータ軸（＝緩速軸）、ロータボス、ロータブレードという概念でもある。ロータの制動とは特にドライブトレインの制動を意味している。
【００１０】
角度調整部を介してのロータの制動は、機械的な制動装置を介してのロータの制動に加えて行なってよく、或いは択一的に行なってもよい。まず、角度調整部を介してロータを択一的に制動し、次に両制動方法を、すなわち角度調整部を介してのロータの制動と機械的な制動装置を介してのロータの制動とを行なってもよい。
【００１１】
安全システムを起動させた後、ロータは特に好ましくは作動コントロール装置を無視して制動させることができる。しかしながら、作動コントロール装置は安全システムの一部であってよく、或いは、安全システムは作動コントロール装置の一部であってよく、したがって安全システムを起動させた後に制動を行なうために必ずしも作動コントロール装置を無視する必要はない。
【００１２】
突風の形態と強さは標準風プロフィールモデルを用いて算出することができる。この標準風プロフィールモデルはたとえばTony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi, John Wiley & Sons Ltdの教則本"Wind Energy Handbook"、２００２年１１月、第２１４頁から第２１８頁までに記載されている。特にその式（５．１）は重要であり、本発明による３ヶ月に一度以下の発生確率のケースに対しては、３ヶ月の下限値に対し、ほぼ４．６のファクタが設定される。簡単のため、極端な突風（上記文献では"gust"と記載されている）の継続時間に対しては１０秒を想定する。風力発電装置の構成と第１および第２の回転数制限値の大きさとに対しては、風力発電装置の設置場所に応じて、風力発電装置の作動中に或いは該風力発電機が故障していないときに該風力発電装置によって受け取ることができねばならないような、予め設定される、或いは予め設定可能な負荷例を前提とする。このような負荷例をたとえばGermanische Lioydまたは他の安全研究機関が定義している。負荷例の定義に応じて対応するコンピュータプログラムを使用する。このコンピュータプログラムは、たとえばStig Oye氏の"Flex"に対応するもので、或いは、風力発電装置とその作動態様とをシミュレートして、いかなる負荷が作動中の風力発電装置に発生するかを負荷例に応じて見出すために、前記"Flex"から導出されまたはこれを改良したものである。このような負荷は、通常は所定の確率で発生する。たとえば、Tony Burtonらの前記文献"Wind Energy Handbook"では、第２１６頁から第２１８頁までの"load case 1.5"において１年―突風を前提としており、すなわち１年に一度の確率で発生する極端に強い突風を前提としている。
【００１３】
さらに、前記課題は、風力発電装置を作動させる方法であって、風力発電装置が、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させるための機械的なブレーキ装置と、作動コントロール装置と、安全システムとを有している前記方法において、
−障害信号が発生したあとに、前記少なくとも１つのロータブレードの８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で、ロータを角度調整部を介して制動するステップと、
−ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータを機械的なブレーキを介して制動させ、その際機械的なブレーキを作動コントロール部によって起動させるステップと、
−ロータの回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときに安全システムを起動させ、その際ロータを制動させ、第２の回転数制限値が第１の回転数制限値よりも大きいステップと、
を含んでいる前記方法によって解決される。
【００１４】
好ましくは、年に一度の発生確率の突風の場合、第２の回転数制限値を越えさせない。たとえば、Germanische Lioydが報告しているところによると、「１年―突風」のような特定の負荷例の場合、すなわち風力発電装置の設置場所において１年に一度の発生確率で発生する極端な突風の場合、ロータ内の何らかの応力は所定値を越えてはならず、或いは、発生する応力は最大発生応力に比べて所定の安全レベルを有していなければならない。
【００１５】
「１年―突風」の場合に第２の回転数制限値を越えないように該第２の回転数制限値を設定する構成には、「３ヶ月―突風」に設定する構成に比べると、ブレーキが介入することはめったになく、したがってブレーキおよびドライブトレイン全体の磨耗が減少するという利点がある。
【００１６】
好ましくは、障害信号は、第１の回転数制限値よりも小さな第３の回転数制限値を越えたことを示す信号、発電機の負荷制限を示す信号、電力網内のエラー、および／または、少なくとも１つのロータブレードの角度調整部でのエラーである。
【００１７】
さらに安全な作動を可能にするため、障害信号が発生した後の少なくとも１つのロータブレードの角度調整率が８゜／ｓよりも小さく、特に６．５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さく、好ましくは４．５゜／ｓよりも小さい。これらの値は平均値および／または平均なしの実測値と見なすことができる。角度調整率は、作動コントロール装置に付設されているレギュレータ装置または別個のレギュレータ装置によって調整するのが合目的である。この場合、作動コントロール装置は角度調整率を提供し、レギュレータ装置は角度調整率を調整し、或いは、それぞれのロータブレードの角度の調整を行う。
【００１８】
好ましくは、予め設定可能なブレード角度を越えたときに、少なくとも１つのロータブレードの角度調整率を、それ以前の角度調整率の半分よりも小さな、特に四分の一よりも小さな角度調整率へ変化させる。
【００１９】
障害信号が発生した場合、本発明による角度調整率を持つロータブレードの現在のブレード角度調整を起点として、フェザーリングポジションの方向へブレード角度を回転させる。この場合、出発点はロータブレードのゼロ位置である。しかしながら、すでにフェザーリングポジションの方向に前進した位置であってもよい。ゼロ位置は、好ましくは、最適な回転数での作動中に最大電力を得ることができるようなロータブレード位置である。これはしばしば作動位置とも呼ばれる。フェザーリングポジションとは、好ましくは、電力を発生させないような位置である。この場合ロータブレードは羽根のように風で回転する。
【００２０】
好ましくは、第１の回転数制限値は、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも１５％以上大きな範囲にある。定格回転数とは、本発明の範囲内では、風力発電装置が最初に定格電力に達するような回転数である。これに関連する風速が定格風速である。特に、定格風速以上の高い風速で作業回転数が減少するような風力発電装置の場合には、定格回転数という概念は、それぞれの作業点での減少した作業回転数に関わるものであってもよい。定格回転数は、たとえば１．５ＭＷの定格出力を持つ風力発電装置の場合、１８００回転／分（ｒｐｍ）である。この定格回転数は発電機の回転子または伝動装置の高速軸で測定される。しかし他の定格回転数を定義してもよく、すなわち伝動装置が設けられていない場合にロータボスまたは発電機内で支配的な回転数であってもよい。これらの対応する定格回転数は、好ましくは、５ないし２０回転／分、特に好ましくは８ないし１８回転／分である。定格出力とは風力発電装置の最大連続出力であり、すなわち取り出した電力が最適で、同時に風力発電装置の磨耗が可能な限り少ない状態での出力である。定格出力は、特に強風箇所の海洋風力発電装置において、風力発電装置がその全寿命期間にわたって最大総合電力を発生させるような出力である。
【００２１】
好ましくは、第１の回転数制限値は風力発電装置の定格回転数よりも２０％ないし３５％、特に２２％ないし２８％大きい。特に有利には、風力発電装置の定格回転数よりもほぼ２５％大きい値である。
【００２２】
第２の回転数制限値は、好ましくは、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも３５％ないし４５％以上大きな範囲にある。この第２の回転数制限値は、これを越えたときに安全システムが起動されるような回転数であるが、１．４５ＭＷ以上の発電装置において従来技術水準で慣用されていた回転数制限値よりも大きい。より小型の発電装置では、すなわちより緩動性の少ない発電装置（たとえば６００ｋＷ）の場合には、この回転数制限値はより高く設定される。
【００２３】
好ましくは、第２の回転数制限値は風力発電装置の第１の回転数制限値よりも５％ないし２０％大きな範囲にある。特に、たとえば伝動装置のない非常に堅牢なドライブトレインの場合、回転振動が発生しないので、低範囲は有利である。
【００２４】
特に好ましくは、第３の回転数制限値は、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも１０％ないし２０％、特に１５％ないし１７％以上大きな範囲にある。第３の回転数制限値は比較的低い。すなわち、比較的低い角度調整率により少なくとも１つのロータブレードの角度を調整することによる、空力ブレーキを介しての風力発電装置の制動は、すでに比較的低い回転数制限値で開始する。
【００２５】
好ましくは、機械的なブレーキを介してのロータの制動は、予め設定可能な第４の回転数制限値を下回ったときに終了させる。これは、好ましくは、風力発電装置が安全な装置状態にあるときに行なわれ、すなわち極端な負荷例が終了したときに行なわれる。
【００２６】
平均ロータブレード角度が予め設定可能な制限値を越え、且つ機械的なブレーキ装置を介してロータの制動を開始したあと所定の時間が過ぎたときに、機械的なブレーキ装置を介してのロータの制動を終了させると、特に機械的なブレーキ装置の穏やかな安全な作動が可能である。したがって、特に危険なブレーキ過熱が回避される。
【００２７】
前記課題は、さらに、風力発電装置を作動させる方法であって、風力発電装置が、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、タワーと、作動コントロール装置と、安全システムとを有している前記方法において、
−障害信号が発生するまで電圧を生成させるため、風力発電装置を作動コントロール部により調整または制御して作動させるステップと、
−障害信号が発生したときに安全システムを起動させ、次に、タワーの振動期間の半分に相当する時間ないしタワーの全振動期間に相当する時間にわたって検出した、特に初期の、少なくとも１つのロータブレードの６．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で角度調整部を介してロータを制動するステップと、
を含んでいる前記方法によって解決される。
【００２８】
好ましくは、平均角度調整率は６゜／ｓよりも小さく、特に５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さく、特に４．５゜／ｓよりも小さい。
【００２９】
好ましくは、角度調整率を制御または調整し、ブレード角度を漸次増大させながら、および／または、回転数を減少させながら、回転数調整率を低減させる。
【００３０】
好ましくは、極端な突風との関連で発電機を負荷遮断したときに障害信号が存在し、この場合突風の発生確率は３ヶ月一度の発生確率よりも低く、特に年に一度の発生確率よりも低い。
【００３１】
前記課題は、さらに、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させる機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを備え、障害信号が存在しているときに８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率を持った少なくとも１つのロータブレードの角度調整部を介してロータを制動させる第１の制動装置が設けられ、ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときにロータを機械的に制動させる第２の制動装置が設けられ、安全システムは、ロータの回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えた場合にロータを制動するべく設けられており、第２の回転数制限値は第１の回転数制限値よりも大きく、第２の回転数制限値と風力発電装置とは、機能効率的な風力発電装置の場合に、３ヶ月に一度の発生確率よりも低い発生確率で発生する極端な突風との関連で発電機が負荷制限を受けても、第２の回転数制限値を越えないようなディメンションに選定されている風力発電装置によって解決される。
【００３２】
本発明の範囲内では、障害信号が存在するとは、障害信号が発生したことをも意味する。
【００３３】
前記課題は、さらに、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させる機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを備え、障害信号が存在しているときに８．５゜／ｓ以下の平均角度調整率を持った少なくとも１つのロータブレードの角度調整部を介してロータを制動させる第１の制動装置が設けられ、ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときにロータを機械的に制動させる第２の制動装置が設けられ、第２の制動装置は作動コントロール装置により起動可能であり、安全システムは、ロータの回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えた場合にロータを制動するべく設けられており、第２の回転数制限値は第１の回転数制限値よりも大きい風力発電装置によって解決される。
【００３４】
好ましくは、年に一度の発生確率の突風の場合、第２の回転数制限値を越えさせない。このことは、特に、この種の負荷の発生確率は、比較的低い安全レベルで検証できるほど小さいことを意味している。
【００３５】
好ましくは、障害信号は、第１の回転数制限値よりも小さな第３の回転数制限値を越えたことを示す信号、発電機の負荷制限を示す信号、電力網内のエラー、および／または、少なくとも１つのロータブレードの角度調整部でのエラーである。好ましくは、障害信号が存在しているときの少なくとも１つのロータブレードの角度調整率は８゜／ｓよりも小さく、特に６．５゜／ｓよりも小さく、特に４．６゜／ｓよりも小さく、特に４．５゜／ｓよりも小さく調整可能である。予め設定可能なブレード角度を越えたときに、少なくとも１つのロータブレードの角度調整率は、合目的には、それ以前の角度調整率よりも小さな角度調整率に、特に半分よりも小さな角度調整率に、特に四分の一よりも小さな角度調整率へ変更可能である。レギュレータ装置による調整とは択一的に、適当なソフトウェア装置、たとえば調整駆動部にエネルギーを供給するためのステップバッテリーパックによって調整率を調整するようにしてもよい。
【００３６】
第１の回転数制限値は、好ましくは、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも１５％以上大きな範囲にある。定格回転数が１８００回転／分の場合、第１の回転数制限値は、好ましくは、２０７０回転／分以上の範囲、特に好ましくは２１６０回転／分以上の範囲にある。好ましくは、第１の回転数制限値は風力発電装置の定格回転数よりも２０％ないし３５％、特に２２％ないし２８％大きい。これは、定格回転数が１８００回転／分の場合には２１６０回転／分と２４３０回転／分の間の範囲、特に２１９６回転／分と２３０４回転／分の間の範囲に相当している。
【００３７】
好ましくは、第２の回転数制限値は、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも３５％ないし４５％以上大きな範囲にある。これは、定格回転数が１８００回転／分の場合には２４３０回転／分ないし２６１０回転／分の範囲に相当している。
【００３８】
好ましくは、第２の回転数制限値は風力発電装置の第１の回転数制限値よりも５％ないし２０％大きな範囲にある。これは、第１の回転数制限値が２２００回転／分の場合には２３１０回転／分ないし２６４０回転／分の範囲に相当している。
【００３９】
好ましくは、第３の回転数制限値は、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも１０％ないし２０％、特に１５％ないし１７％以上大きな範囲にある。これは、定格回転数が１８００回転／分の場合には１９８０回転／分ないし２１６０回転／分の範囲、特に２０７０回転／分ないし２１０６回転／分の範囲に相当している。好ましくは、機械的なブレーキを介してのロータの制動は、予め設定可能な第４の回転数制限値を下回ったときに、たとえば定格回転数のときに終了させることができる。さらに、好ましくは、機械的なブレーキを介してのロータの制動は、ロータブレード平均角度が予め設定可能な制限値を越え、且つ機械的なブレーキを介してのロータの制動開始以後、予め設定可能な時間を過ぎたときに、終了可能である。
【００４０】
前記課題は、さらに、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、タワーと、作動コントロール装置と、安全システムとを備え、作動コントロール部は、障害信号が発生するまで電圧を生成させるために風力発電装置を調整または制御して作動させるために設けられており、障害信号が発生したときおよび／または発生した後に安全システムが起動可能であり、該安全システムを用いて、タワーの振動期間の半分に相当する時間ないしタワーの全振動期間に相当する時間にわたって検出した、特に初期の、少なくとも１つのロータブレードの６．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で角度調整部を介してロータを制動する風力発電装置によって解決される。
【００４１】
本発明の基本的な認識は、少なくとも、タワーの振動時間の半分の時間の間、有利には振動時間全体に相当する時間の間、障害信号後の初期の角度調整率を６．５゜／ｓ以下の低い値に制限すれば、ロータ剪断応力によるタワー振動の過度な励起を阻止できるというものである。通常のタワー固有振動数は、振動時間が２．５秒と５秒の間であれば、０．２−０．４Ｈｚである。したがって、調整率は、堅牢なタワーの場合には少なくとも１．３秒間前記値に制限され、しなやかなタワーの場合には２．５秒間前記の値に制限される。しかしながら、制限をほぼ２．５秒または５秒間行なって、障害信号後のタワーの最初の振動応力の励起を回避させると、きわめて効果的である。もちろんこのような状況は、より低い固有振動数が期待される将来の大型の風力発電装置では適宜適合されるべきである。
【００４２】
好ましくは、平均角度調整率は６゜／ｓよりも小さく、特に５゜／ｓよりも小さく、特に４．５゜／ｓよりも小さい。
【００４３】
好ましくは、角度調整率は制御可能または調整可能であり、ブレード角度を漸次増大させながら、および／または、回転数を減少させながら、回転数調整率をさらに低減可能である。
【００４４】
好ましくは、極端な突風との関連で発電機を負荷遮断したときに障害信号が存在し、この場合突風の発生確率は３ヶ月に一度の発生確率よりも低く、特に年に一度の発生確率よりも低い。
【００４５】
前記課題は、さらに、風力発電装置を作動させる方法であって、風力発電装置が、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させるための機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを有している前記方法において、
−障害信号が発生したあとに、前記少なくとも１つのロータブレードの６．５゜／ｓ以下の平均角度調整率で、ロータを角度調整部を介して制動するステップと、
−ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータを機械的なブレーキ装置を介して制動するステップと、
−ロータの回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときに安全システムを起動させ、その際第２の回転数制限値が第１の回転数制限値よりも大きく、第１の回転数制限値が、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも１５％以上大きな範囲にあるステップと、
を含んでいる方法により解決される。
【００４６】
好ましくは、第１の回転数制限値は風力発電装置の定格回転数よりも２０％ないし３５％、特に２２％ないし２８％大きい。さらに、好ましくは、第２の回転数制限値は、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも３５％ないし４５％以上大きな範囲にある。好ましくは、障害信号が第３の回転数制限値を含んでおり、第３の回転数制限値は、風力発電装置の定格回転数よりも１０％ないし２０％、特に１５％ないし１７％以上大きな範囲にある。
【００４７】
上記方法に対応して、前記課題は、ロータと、少なくとも１つの角度調整可能なロータブレードと、ロータを制動させるための機械的なブレーキと、作動コントロール装置と、安全システムとを有している風力発電装置において、障害信号が存在しているときに６．５゜／ｓ以下の平均角度調整率を持った少なくとも１つのロータブレードの角度調整部を介してロータを制動させる第１の制動装置が設けられ、ロータの回転数が予め設定可能な第１の回転数制限値を越えたときに、ロータを機械的なブレーキ装置を介して制動する第２の制動装置が設けられ、前記安全システムは、ロータの回転数が予め設定可能な第２の回転数制限値を越えたときにロータを制動するために設けられ、第２の回転数制限値は第１の回転数制限値よりも大きく、第１の回転数制限値は、特に１．４５ＭＷ以上の定格電力を持つ風力発電装置の定格回転数よりも１５％以上大きな範囲にある風力発電装置によって解決される。本発明による風力発電装置の他の有利な構成は以下の説明から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
次に、本発明の普遍的な思想を限定することなく、本発明の実施形態を添付の図面を用いて説明する。なお、本明細書において説明しない本発明の詳細に関しては図面に図示されているので、図面を参照してもらいたい。
図において、同一の構成要素または同種の構成要素或いは対応する部材には同一の符号を付し、したがってこれらの構成要素または部材に関してはその都度改めて説明することはしない。
【００４９】
図１は風力発電装置１０の概略図である。風力発電装置１０はタワー１１とロータ１２とを有している。ロータ１２はロータブレート１４を有し、ロータブレート１４はロータボス１３に装着されている。風が入ってくると、ロータ１２はそれ自体公知の態様で回転する。これによってロータ１２またはロータブレード１３に接続されている発電機により電力が生成され、消費電力網へ放出させることができる。
【００５０】
図２は本発明による風力発電装置１０の主要な構成要素を示している。コントロール部１５（コントロール装置またはコントロールシステムとも言う）は、風力発電装置１０の作動を制御および／または調整する。コントロール部１５には安全監視部１６が並設されている。安全監視部１６は安全チェーン２０と接続されている。安全チェーン２０はたとえば振動検出器、手動の（緊急）スイッチ、回転数切換え継電器を有している。安全チェーン２０は、安全上に関わる重要な現象が存在する場合に、たとえば振動が大きすぎるとか、操作者が緊急スイッチを操作した場合に、風力発電装置を危険のない状態へもたらすために用いる。安全チェーン２０はハードウェアチェーンとして構成されていてよい。安全チェーン２０が作動すると（これを電気構成要素２１に向かう矢印で示唆した）、発電機２３が消費電力網２５から切り離され、ロータ軸９または高速軸２２が、たとえばブレード調整部（縦揺れ制御部）１８を介してまたは機械的ブレーキ１９を介して或いは（図示していないが）縦揺れ制御部１８のような１個または複数個の調整装置または制御装置のバイパスを介して制動される。安全監視部１６は、コントロール部１５をその機能性に監視チェックするように構成されていてもよい。この限りでは、安全監視部１６は有利にはウォッチドッグのごとく構成されている。破線で示したコントロール部１５’は安全監視部１６を含んでいてもよい。この場合、コントロール部１５は安全監視部１６を一体に設けたコントロール部１５’である。
【００５１】
コントロール部１５，１５’は適当な電子データ線を介してレギュレータ１７および縦揺れ制御部１８と接続され、さらに機械的ブレーキ１９とも接続されている。縦揺れ制御部１８とは、特に、ロータブレード１４のブレード調整（縦揺れ制御）の用を成すアクチュエータである。これに対応して、機械的ブレーキ１９とは、本実施形態では高速軸２２に作用するアクチュエータである。機械的ブレーキ１９はロータ軸９にも作用することができるが、この点は図示していない。
【００５２】
２６は、ロータブレード１４のロータブレード角度をコントロール部１５または１５’に供給するデータ接続部である。２７は、高速軸２２の実測回転数をコントロール部１５または１５’に供給するデータ接続部である。３０は、本実施形態では電気構成要素２１から出る障害信号をコントロール部１５または１５’に供給するデータ接続部である。
【００５３】
本発明による風力発電装置の作動は以下のとおりである。風が入ってくると、ロータ１２は回転方向２９にしたがって回転する。これによりロータ軸９も回転し、ロータ軸９はたとえば１：１００の伝動率の伝動装置２４により高速軸２２を回転させる。これによって発電機２３に電圧が生成され、この電圧は電気構成要素２１内で調整され、コンバートそれ、および／または交流電圧に変換される。電気構成要素２１の出力部には消費電力網２５への接続部が設けられており、該接続部により消費装置に電圧が供給され、或いは、電気導線が接続される。風力発電装置の調整、コントロールという周知概念は、たとえば前述したSiegfried Heier著  教則本「風力発電装置のシステム構成、ネットワークインテグレーション、コントロール」、第５章に開示されている。
【００５４】
突風３１が発生すると、発電機の負荷遮断のために、特にコンバータ、発電機、変圧器、電力網の機能不全或いは安全チェーンの作動等によって電力網の負荷が突然休止するため、ロータまたは発電機の回転数が非常に危険な高回転数に達し、風力発電機の材料を強く疲労させたり、損傷させたりするので、急停止させる必要がある。
【００５５】
このため、本発明によれば、すでに障害信号が発生した時点で、たとえば比較的低い第３の回転数制限値を越えた時点で、比較的緩速な角度調整部２８を介してロータ１２またはロータ軸９或いは対応的に高速軸２２を停止させる。角度調整率は８．５゜／ｓ以下、特に６．５゜／ｓ以下と比較的小さいため、低負荷の停止が提供される。
【００５６】
突風３１の強度のためにこのような停止でも十分ではなく、ロータ（本発明の範囲内ではパワートレイン、発電機のロータという概念をも含んでいる）の回転数が前記第３の回転数制限値よりも大きな予め設定可能な第１の回転数を越えるような場合には、本発明による制動プログラムを介してコントロール部１５，１５’により機械的なブレーキ１９を起動させる。これら２つの制動例、すなわちブレード調整部１８を介しての空力的な制動と、機械的なブレーキ１９を介しての機械的な制動とが十分でなく、突風３１が第２の回転数制限値を越えるほどの強さである場合にはじめて、安全システム１６，２０を作動させる。
【００５７】
安全システム１６，２０はコントロール部に対し冗長的に制動装置を作動させ、場合によってはコントロール部よりも強い制動作用を生じさせ、たとえばより大きな角度調整率でのブレード調整、および／または、より大きな液圧での液圧ブレーキの付勢を生じさせる。しかしながら、第２の回転数制限値は、発電機の負荷遮断の場合でも、３ヶ月に一度よりも低い確率で発生するような極端な突風の場合にだけ達成されるように設定されている。この特殊な実施形態では、１年に一度よりも低い発生確率の突風を前提にすべきである。安全監視部１６と安全チェーン２０とを含んでいる安全システムを好適に使用するための簡単な実施態様は、前記刊行物"Wind Energy Handbook"の第４７３頁および第４７４頁に記載されている。
【００５８】
図３のａないしｇのグラフは、２つの異なる負荷例に対して本発明を説明するためのものである。図３のａは風速と時間の関係を示すもので、たとえば前記刊行物"Wind Energy Handbook"の第２１５頁の式５．１で算出することができるような通常の突風を示している。突風とは、観測場所において正確に１年に一度の確立で発生するような風である。図３のｄは電力（ｋＷ）と時間との関係を示すもので、２つの例が図示されている。第１の例ではほぼ７．５秒で、すなわち突風が最小になったときと、ほぼ９秒とで、負荷停止が発生する。ほぼ９秒の位置は図３のａにおいて突風の上昇エッジのほぼ中央部の位置に対応している。第２の例は風力発電機にとって危険な例であり、破線で示してある。風力発電機を安全に設計するには、危険な状況が生じないように負荷停止を任意の時点で発生させねばならない。
【００５９】
図３のｂはロータブレード１４の角度調整率（゜／ｓ）を示している。このグラフからまずわかるように、図３のｄの２つの例の場合、突風の形態と、これに伴う風速の低さとのために、ピッチ率または角度調整率は当初負であり、すなわち比較的高いトルクを発生させることができるようにロータブレードを風のなかに設置する。負荷停止の場合、両例とも、コントロール部により角度調整率は比較的迅速に５゜／ｓの範囲に調整される。角度調整率の比較的小さな落ち込みは、角度調整駆動部が短時間過負荷状態になるためである。
【００６０】
突風によって生じる高速軸２２の回転数を図３のｃに示す。回転数信号が波をうっているのは、いかに説明するドライブトレインのねじり振動のためである。第１の危険でない例では、回転数はかろうじて２２００回転／分に上昇し、危険な状態（破線）ではかろうじて２５００回転／分以下に上昇する。この実施例では、第２の回転数制限値は有利には２５００回転／分に設定されている。安全チェーンの起動回転数が２５００回転／分へ上昇することにより、安全チェーンの作動が回避される。したがって風力発電機の負荷を著しく減少させることができる。１．５ＭＷのオーダーの風力発電機における安全チェーンの通常の起動回転数は、たとえば２４００回転／分である。
【００６１】
図３のｅのグラフは、機械的なブレーキの制動モーメントと時間との関係を示している。このグラフからわかるように、第１の例（実線）の場合、機械的なブレーキを作動させない。これは、第１の回転数制限値を越えていないからである。第２の例（破線）ではじめて、２２６０回転／分の第１の回転数制限値を越えたときに機械的なブレーキを作動させると、ほぼ１１．５秒で介入し、わずかなタイムディレイで機械的ブレーキは作用し始める。
【００６２】
図３のｆは両例に対するタワーベースの曲げモーメント（ｋＮｍ）と時間との関係を示している。このグラフからわかるように、タワーベースの曲げモーメントに関しては第２の例（破線）のほうが危険である。また、両例において突風によるタワーの振動が緩衝されることがわかる。
【００６３】
図３のｇはロータトルク（ｋＮｍ）を示している。この場合も、異なる例が実線と破線とで示してある。このグラフからわかるように、両例とも負荷が急激に降下することによってドライブトレインが強いねじり振動を励起させる。これは予め緊張していた回転ばねが急激に弛緩するケースに相当する。第２の例（破線で示した例）では、機械的なブレーキの介入により振動がシフトしていることがわかる。
【００６４】
本発明をより明瞭にするため、図４のａないしｇには、図４のａのような極端な突風（年に一度の突風）の例において発電機が図４のｄのように負荷降下（または負荷遮断）した場合が図示されている。異なるプロセスコントロールが図示されており、すなわち一方のプロセスコントロールは本発明による風力発電機の有利な作動方法（実線）に関わるもので、他方のプロセスコントロールはこれよりも有利性に劣るものの本発明による作動コントロールに関わるものである。後者の作動コントロールは技術水準のものとは異なりすでにブレード調整率が非常に小さく、緊急停止時の値は５゜／ｓまたは６゜／ｓの非常に低い値に設定されたものである。
【００６５】
しかしながら、この作動コントロールは作動コントロール部を介してブレーキを作動させるための第１の回転数制限値を有しておらず、単に、回転数が２４００回転／分のときに安全装置を介してブレーキを作動させるにすぎない。まず、この破線で示した作動コントロールプロセスについて説明する。
【００６６】
図４のｄからわかるように、負荷遮断は図４のａの突風の上昇エッジのほぼ中央部で行なわれ、すなわち危険範囲で行なわれる。有利性に劣る本実施形態では、負荷制限の場合、５゜／ｓのブレード調整率が要求される。起動回転数が２４００回転／分を越えると（図４のｃを参照）、安全装置を介して緊急停止を行なう。これよりも高い６゜／ｓのブレード調整率が要求されるが、しかしこれは角度調整装置の構成が簡素であるために一定に維持することができない。同時に機械的なブレーキを作動させるので、この作動態様では、実線で示した有利な実施形態よりも迅速に回転数が減少する。その結果、タワーベースの曲げモーメントは比較的大きい（図４のｆ）。
【００６７】
これに対し、図４のｂで実線で示した本発明による有利な実施形態では、ブレード調整率は４．６゜／ｓ以下に、特に正確に４゜／ｓに調整され、制御される。第１の回転数制限値（ここでは２２７０回転／分）を越えると、図４ｅによれば機械的なブレーキが介入する。すなわち、有利性の点で劣る前記実施形態の場合よりもいくぶん早期に機械的なブレーキが介入する。ブレード調整速度が低いため、総じてロータの減速はそれほど急激ではない。これに対応して、図４のｆによれば、この有利な実施形態の場合（実線）には、有利性の点で劣っている前記実施形態（破線）の場合よりも好都合なタワーベース曲げモーメントが生じる。ロータトルクと時間との関係は図４のｇに図示してある。ここではドライブトレイン負荷の増大が制限されていることが認められるが、これはタワー内での負荷減少に比べれば受け入れることができるものである。というのは、特に、このケースはめったに起こらない負荷例であるからである。
【００６８】
このように、本発明は風力発電機の、特にＤＬＣ１．５（１年に一度の突風用に作動する緊急停止型のDesign Load Case）の構成および作動に関わる。従来の風力発電機では、１０００００ｋＮｍ（安全率を含めて）のタワーベース曲げモーメントが発生することがある。空力的剪断応力（タワーが高ければ高いほど、且つダイナミックであればダイナミックであればあるほど、すなわちタワー固有振動数が低ければ低いほど大きい）を大きくさせれば、タワーの固有ダイナミックスを補助的に増強させることができる。
【００６９】
ブレード調整率をたとえば６゜／ｓから５゜／ｓへ変化させ、且つ安全チェーンの起動回転数を２４００回転／分から２５００回転／分へ高め、さらに第１の回転数制限値（２２００回転／分）を越えたときに機械的なブレーキを介入させることにより、定格電力が２ＭＷである図示した風力発電機の実施形態では、１４％のタワーベース曲げモーメントの減少率を難なく達成させることができる。第１の回転数制限値は、好ましくは、停電の場合に、或いは、突風が発生せずに電力網負荷がなくなった場合に、機械的なブレーキがなくとも確実な作動を保証するうえでブレード調整が十分であるように選定される。機械的なブレーキは、好ましくない時点で付加的に突風が生じた場合にだけ投入する。第１の回転数制限値をたとえば２２３０回転／分または２２７０回転／分へ高めると、２２００回転／分の場合に比べてわずかに高いタワーベース曲げモーメントが生じるにすぎない。このタワーベース曲げモーメントは、図４に図示したように、作動コントロールシステムまたは作動コントロール装置を簡単にパラメータ化するうえで有利であり、たとえば前記回転数制限値がすでに他の作動コントロールプロセスのために設けられている場合に有利である。タワーベース曲げモーメントをさらに減少させるには、ブレード調整率をさらに小さくさせ、たとえば好ましくは４．５゜／ｓ、或いは、図４のｂに示したように４゜／ｓに設定する。
【００７０】
１．５ＭＷの風力発電機の場合、第２の回転数制限値は本発明により通常よりも高く設定でき、たとえば２５７０回転／分または２６６０回転／分に設定することができる。本発明により、図４のｅに図示した機械的なブレーキは従来通常の時点よりも早期に操作される。さらに、たとえば直接アキュムレータを介してブレード調整率を非制御調整する方法を採用することにより、高いブレード調整率が避けられる。この場合、図４のｇに認められるように、ドライブトレイン負荷は著しく悪化しない。好ましくは、風力発電機を作動させるための方法を、平均風速が９ｍ／ｓよりも大きくほぼ２０ｍ／ｓよりも小さな場合にだけ使用する。
【００７１】
以上、本発明を、いくつかの実施形態を互いに関連させて説明するとともに、いくつかの実施形態を別個に切り離して説明した。これら別個の実施形態の組み合わせも可能であることは、当業者にとっては上記の説明から明らかである。特許請求の範囲に記載されている本発明による１つの解決手段の一部分、および／または１つまたはいくつかの実施形態は、本発明による他の解決手段の構成要件でもある。この他の解決手段の場合の構成要件は、前記１つの解決手段との関連で明細書に直接取り上げることはしなかった。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】風力発電装置の概略図である。
【図２】風力発電装置の主要な構成要素のブロック構成図である。
【図３】本発明による風力発電装置において発生する２つの異なる負荷例を示すグラフであり、ａは計算で求めた年一度の突風の風速と時間との関係を示すグラフ、ｂは角度調整率と時間との関係を示すグラフ、ｃは回転数と時間との関係を示すグラフ、ｄは電力と時間との関係を示すグラフ、ｅは制動モーメントと時間との関係を示すグラフ、ｆはタワーベース曲げモーメントと時間との関係を示すグラフ、ｇはロータトルクと時間との関係を示すグラフである。
【図４】２つの風力発電装置の諸々の値を示すグラフであり、実線が本発明によるもの、破線が技術水準によるもので、ａは計算で求めた突風の風速と時間との関係を示すグラフ、ｂは角度調整率と時間との関係を示すグラフ、ｃは回転数と時間との関係を示すグラフ、ｄは電力と時間との関係を示すグラフ、ｅは制動モーメントと時間との関係を示すグラフ、ｆはタワーベース曲げモーメントと時間との関係を示すグラフ、ｇはロータトルクと時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１０            風力発電装置
１１            タワー
１２            ロータ
１３            ロータ軸
１４            ロータブレード
１５            作動コントロール部
１５’          安全監視部を組み込んだ作動コントロール部
１６            安全監視部
１７            レギュレータ
１８            ブレード調整部
１９            機械的なブレーキ
２０            安全チェーン
２１            電気構成要素
２２            高速軸
２３            （回転子と固定子とを備える）発電機
２４            伝動装置
２５            電力網
２６            データ接続部
２７            データ接続部
２８            角度調整部
２９            回転方向
３０            障害信号
３１            突風
【図１】
2009523208.tif 000003
【図２】
2009523208.tif 000004
【図３】
2009523208.tif 000005
【図４】
2009523208.tif 000006
【国際調査報告】
2009523208.tif 000007
2009523208.tif 000008
2009523208.tif 000009
2009523208.tif 000010
2009523208.tif 000011
2009523208.tif 000012