(57)【要約】【課題】高性能風力タービン構造のための方法及び装置を提供する。【解決手段】風力タービンシステムは、調節可能な帆と、風速捕捉エンベロープを拡大する翼状マストとを含む可変ブレードアセンブリを含む。上記ブレードアセンブリは、油圧ポンプを回転させ、上記油圧ポンプは、流体を加圧し、加圧された流体をサポートタワー内のチャンバ内に蓄積する。加圧された流体は、電気的に制御可能な比例弁を通って、発電機に結合されている油圧モータへ流される。コンピュータ制御モジュールは、上記比例弁を作動させて、上記油圧モータへの圧力を調節し、発電機の回転速度を維持し、矛盾しない出力周波数を電力網へ供給する。高圧タンク内に蓄積されたエネルギーは、風がなくなった後に発電機の動作を継続するために用いられる。上記高圧タンク内に保たれている残留圧力は、電力網エネルギー損失ではなく油圧を介した動作の再始動を可能にする。【選択図】      図１
2009503339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードアセンブリと、
このブレードアセンブリに結合された油圧ポンプと、
加圧下で、前記油圧ポンプによって出力された油圧流体を蓄積するように、前記油圧ポンプに結合された高圧タンクと、
この高圧タンクに結合された流体インレットを有する油圧モータと、
この油圧モータに結合された発電機と、
を具備する風車アセンブリ。
【請求項２】
前記油圧モータへ供給される油圧流体の量と圧力との少なくとも一方を制御するように、前記高圧タンクと前記油圧モータとの間に配置された比例値をさらに具備する、請求項１に記載の風車アセンブリ。
【請求項３】
前記高圧タンク内の油圧流体の圧力の関数として前記比例値を制御するコンピュータ制御モジュールをさらに具備する、請求項２に記載の風車アセンブリ。
【請求項４】
サポートタワーをさらに備え、前記高圧タンクの少なくとも１つの壁部が前記サポートタワーの一体部である請求項３に記載の風車アセンブリ。
【請求項５】
風速を検知する風センサと、
前記高圧タンクの出力を前記油圧ポンプの入力に結合する値と、
この値を制御して、加圧下で油圧流体を前記油圧ポンプに供給する、前記コンピュータ制御モジュール内の制御モジュールと、
をさらに具備する請求項３に記載の風車アセンブリ。
【請求項６】
前記制御モジュールは、前記風センサが少なくとも所定の速度を示した後、前記値を開かせて、前記油圧ポンプを、前記ブレードアセンブリの始動回転を誘導する駆動モータとして機能させるコンピュータ実行可能命令を含む、請求項５に記載の風車アセンブリ。
【請求項７】
前記ブレードアセンブリは、複数のブレードを含み、これらブレードのうちの少なくともいくつかは格納可能な帆アセンブリを含む、請求項３に記載の風車アセンブリ。
【請求項８】
前記コンピュータ制御モジュールは、電力を継続的に発生させるのに不十分な風速を前記風速センサでモニタし、所定量の不十分な風速の後にアラームを発生させ、このアラームは、前記高圧油圧流体から電力を発生させる能力が将来停止することが予想されることを示す、請求項３に記載の風車アセンブリ。
【請求項９】
前記油圧モータの出力に結合された低圧流体タンクをさらに具備し、この低圧流体タンクは、低圧流体タンクの上部において、加圧不活性ガスを含む、請求項８に記載の風車アセンブリ。
【請求項１０】
前記高圧タンクと低圧流体タンクとの少なくとも一方の中に配設された電気蓄積キャパシタをさらに具備し、このキャパシタは、前記高圧タンクと低圧流体タンクとの前記少なくとも一方に蓄積された油圧流体にさらされる、請求項９に記載の風車アセンブリ。
【請求項１１】
前記油圧モータと発電機アセンブリとは、地表面に配設されており、前記油圧ポンプは、サポートタワーの上部に配置されたメインドライブハウジング内に設けられている、請求項１に記載の風車アセンブリ。
【請求項１２】
前記発電機は、前記油圧モータに直接結合されており、前記油圧モータと同じ速度で回転する、請求項１１に記載の風車アセンブリ。
【請求項１３】
前記コンピュータ制御モジュールは、風速の関数として帆展開の量を制御する、請求項３に記載の風車アセンブリ。
【請求項１４】
前記ブレードアセンブリは、マスト及びブームを含み、前記帆アセンブリは、格納状態のときに、前記ブームの内側に巻かれる、請求項１３に記載の風車アセンブリ。
【請求項１５】
前記コンピュータ制御モジュールは、検知された風速の変化に応じて、帆展開の量を動的に変化させる、請求項１４に記載の風車アセンブリ。
【請求項１６】
帆駆動モータと、この帆駆動モータに結合されたギアアセンブリとをさらに具備し、前記帆駆動モータの回転は、前記ギアアセンブリの回転方向に応じて、前記ギアアセンブリに前記帆を広げさせまたは巻き取らせる、請求項１５に記載の風車アセンブリ。
【請求項１７】
風から電力を発生させる方法であって、
風力駆動油圧ポンプを作動させて、加圧下の油圧流体を第１の蓄積タンク内に送り込むことと、
加圧されている油圧流体を前記第１の蓄積タンクから油圧モータへリリースすることと、
前記油圧モータを作動させて発電機を駆動することと、
前記発電機によって発生された電流を出力することと、
を具備する方法。
【請求項１８】
前記第１の蓄積タンク内の圧力が変化した際に、一定の期間に一定の回転速度を維持するように、前記油圧モータへの油圧流体のリリースを制御することをさらに具備する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
風によって駆動されるブレードアセンブリを作動させて、前記油圧ポンプを回転させることと、
前記第１のタンク内の圧力及び風速をモニタリングすることと、
前記風速が、電力出力を維持するのに十分なレベル以下に低下した場合に、警告信号を発生させることと、
をさらに具備する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記電流の出力を維持するのに不十分な風速により、電流を出力することが停止すると予測されるまでの時間を示す、前記モニタされた圧力及び前記風速の関数としての信号を発生させることをさらに具備する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記電流を出力するステップを実行する前に、
前記加圧下の第１のタンクから出力される油圧流体を用いて前記ブレードアセンブリを駆動し、それによって、初期の非回転状態からのブレード回転を容易にすることをさらに具備する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記一定の回転速度を維持するように、前記油圧モータへの油圧流体のリリースを制御することは、コンピュータを用いて、前記油圧モータへ油圧流体を供給するのに用いられる比例値を制御することをさらに備え、前記コンピュータは、前記比例値をどのくらい開くかを判断する際に、前記第１のタンク内の圧力を示す情報を用いる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記油圧モータから出力される油圧流体を第２の蓄積タンク内に蓄積することと、
前記第２の蓄積タンク内に、前記第１の蓄積タンク内の圧力よりも低い圧力下で維持されているガスを含むことと、
をさらに具備する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ブレードアセンブリがその上に備え付けられるタワーの上部に、前記油圧ポンプを備え付けることと、
前記第１の蓄積タンク及び前記第２の蓄積タンクのうちの少なくとも一方を前記タワー内に含むことと、
をさらに具備する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記油圧モータ及び前記発電機を、前記タワーのベース付近の地表面に備え付けることをさらに具備する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記コンピュータを作動させて、風速の関数としてブレード表面積の量を制御することであって、前記コンピュータは、前記ブレード表面の少なくとも一部を構成する帆表面積を、検知された風速の関数として拡大または引き戻させることをさらに具備する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、代替エネルギー源に関し、より具体的には、高性能風力タービン構造のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の風力タービン構造は、典型的には、風力タービンシャフトに結合された直接駆動発電機または歯車駆動発電機を用いている。このような構造においては、風速が変化するにつれて、発電機の出力周波数も変化することになるという特有の問題がある。しかし、発電機出力が電力網によって使用可能となるために、その出力信号は、米国において６０Ｈｚであり、また、ヨーロッパにおいて５０Ｈｚである電力網の周波数に適合するように変換する必要がある。典型的には、可変風力タービン発電機出力周波数から一定の電力網周波数に変換するために、追加的な周波数変換段が用いられる。このような追加的な周波数変換段は、インバータおよび／または他の位相補正回路を含むことができる。そのような変換段は、実施し、維持するのに費用がかかりかつ複雑になる可能性がある。加えて、エネルギー損失を生じる周波数変換プロセスをもたらす固有の効率の悪さがある。風力タービン構造のための新たな方法及び装置が、追加的な周波数変換段を要することなく、電力網周波数に適合するように制御される発電機出力周波数をもたらすことが所望される。
【０００３】
電力網に接続される現在の風力タービン構造は、不利な風の状況による出力の損失の警告を発しないか、またはほとんど発しない。発電機出力の損失は、タービンを駆動し続けるのに不十分な風力エネルギーをもたらす低風力状況または無風状況による可能性がある。また、発電機出力の損失は、風力タービンの動作を続行できるようになっており、それに伴って、上記風力タービンが典型的には、上記風力タービンに対するダメージを防ぐために、検出された高風力の間隔中に故意にオフラインにされて、上記風力タービン要素に過度にストレスを与える可能性がある高風力状況による可能性もある。風力タービン発電機出力レベルと急速なカットオフの不一致は、電力網管理の観点からバランス問題を生じる。このような状況下で、電力網は、カスタマのエネルギー要求を満たすためにおよび／または許容可能なサービス品質を維持するために、上記電力網をバランスさせ、電圧レベルを許容可能範囲内に調節し、ライン電圧低下／ノイズを防ぐのを継続するための代替電源を配設する時間が非常に少ない。風力タービン構造のための新たな方法及び装置が、風の状況の変化に関係なく、より均一な電力出力レベルを発生させるように制御される風力タービン発電機出力をもたらすことが所望されるであろう。また、風力タービン構造の新たな方法及び装置が、エネルギー出力レベルの緩やかな低下を実現でき、および／またはより迅速な警告を、出力電力の迫り来る損失の電力網に与えることが有益であろう。
【０００４】
運転停止の後、現在の風力発電タービンは、典型的には、上記電力網からの電気／電力を用いて再初期化し、運転中に戻す必要がある。多くの場合において、低速風は、風力タービンの回転を開始するのに十分なエネルギーを与えないため、モータを駆動して回転を開始するのに、電力網からの電力が必要である。風力タービン始動エネルギー要件は、電力網に対して追加的な負荷をかける。ほぼ同じ風状況にある同じ地域内で多数の同様のまたは同一の風力タービンにつながっている電力網においては、これらの風力発電タービンのほとんどにとって、ほぼ同時に始動しようと試みられ、その結果、実質的に短期間、追加的な負荷が上記電力網にかけられることは異常なことではないであろう。上記のことに照らして、風力タービン発電機が、風の状況による中断の後に、上記発電機自体の電力の下で始動できるようにし、それによって、上記電力網からエネルギーを引き出して電力網の電力バランス管理をかく乱する傾向がある、上記電力網にかけられる始動負荷を取り除く方法及び装置が開発されることが有利であろう。
【０００５】
現在の風力タービンが直面する別の問題は、エネルギー吸収幅が典型的にはかなり狭いということである。現在のほとんどの風力タービンは、低速すぎるか、または高速すぎる風速で運転停止になる。現存する風力タービンシステムの場合の典型的な風速幅は、約９ｍｐｈ〜２５ｍｐｈである。新たな風力タービン構造の方法及び装置が、エネルギー吸収幅を拡大して、上記風力タービンが、現在のシステムよりも低速および／または高速の風速に対して風力エネルギーを吸収し続けることを可能にし、それによって、長期にわたって平均的により多くの風力エネルギーを得ることが有益であろう。
【０００６】
現在の風力タービンは、９ｍｐｈ〜２５ｍｐｈ幅のエネルギーを発生させるように設計されているタービンブレードを有する。低速風でエネルギーを発生させるために、このブレードは、可変ピッチブレードとすることができ、このことが、低風速でのエネルギーの捕捉を可能にする。低速の風力エネルギーを捉えて上記タービンを作動させることができるようにするために、このタービンブレード面積は、十分に大きくなければならない。しかし、比較的低速の風速で風力エネルギーの捕捉に適応するように設計された大きなタービンブレード面積を実施することは、大きなサイズのブレードは、高速の風速において、潜在的な構造上の欠陥の可能性が増加するため、比較的高速の風速において、風力エネルギーの捕捉を妨害する。そのため、このような大きなサイズのタービンブレードを用いて、低速の風速からエネルギーを得る実施の場合、上記風力タービンは、潜在的な構造的損傷を防ぐために、下端の上方の風速限界で運転停止にすることが必要である。上記のことに照らして、風力タービン構造の新たな方法及び装置が、低速及び高速の両端において、固有の構造要件に対応するように適応できることが有利であろう。
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【０００７】
現在の風力タービンは、非常に限られたエネルギー蓄積能力を有し、またはエネルギー蓄積能力を有していない。エネルギー吸収幅内での有利な風状況による高風力エネルギー捕捉時間の間隔は、典型的には、顧客の電力レベル要求に一致していない。余分なエネルギーは、典型的には、廃棄され、例えば、上記風力タービンの電力消費活動によって消費され、または、別のエネルギー源からのエネルギー入力を調節する、例えば、上記風力エネルギー源からのエネルギー増加に対応するために、化石燃料発電所におけるエネルギー出力を低下させる電力網出力管理によって上記電力網に放出される。風力タービンのほんの小さな改良でも、著しいエネルギー効率およびそれに応じた環境保全上の利点をもたらす可能性がある。従って、風力タービンが有効なエネルギー蓄積能力を含むような風力タービンの方法及び装置が開発されることが有利であろう。加えて、出力を発生させるのにタービンを用いることのできる風速の範囲を拡げることができることが望ましいであろう。
(課題を解決するための手段）
【０００８】
本発明は、高性能の風力タービン構造、制御及びエネルギー蓄積の方法及び装置に注力する。本発明の様々な特徴は、単独でまたは組合わせて展開することができる。
【０００９】
本発明の様々な実施形態の１つ特徴は、風力タービンシステムが、油圧ポンプに例えば、直接に、ギアボックスを介して、またはトランスミッションアセンブリを介して結合されている風力タービンブレードアセンブリを含んでいるということである。このようないくつかの実施形態においては、上記風力タービンブレードアセンブリおよび／または油圧ポンプがその上に取り付けられているタワーが、中空タワー、例えば、金属スチールチャンバであり、上記チャンバは、上記風力タービンが駆動する油圧ポンプが加圧された油圧流体をその中に送り込む高圧力容器、例えば、リザーバを含む。上記圧力容器は、タワー支持構造の一体部とすることができる。また、上記タワーは、例えば、そのベース部に低圧送給リザーバも含むことができる。いくつかの実施形態において、上記低圧送給リザーバは、独立した構造、例えば、ベース構造または地中タンクの一部とすることができる。上記油圧ポンプの低圧インレット側は、上記タワーの内部または上記タワーに隣接して配設されている送油管を介して上記低圧タンクから送給することができる。上記油圧ポンプからの高圧流体出力は、発電機につながっている油圧モータを作動させるのに用いられる。油圧比例制御弁は、発電機が回転する速度／ｒｐｍを制御する油圧モータが回転する速度／ｒｐｍを制御する。センサからの入力を処理するコンピュータ制御モジュールの指示の下で作動させると、上記比例制御弁は、生成された電気の周波数が電力網の周波数仕様に一致し、その結果、上記生成された電力を直接使用可能にし、およびインバータまたは他の電子的手段が、生成された電力信号を上記電力網周波数に変換する必要性をなくすように、コンピュータ制御される。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態によれば、高圧タンクの容積は、上記油圧モータの動作、および電気の生成が、上記風力タービンブレードが例えば不十分な風速によって回転を停止した後に、時間を延長して継続することができるように、上述したプロセスが、上記高圧タンク内でのエネルギー、例えば、余分な容量エネルギーの蓄積を可能にするようになっている。上記油圧モータは、上記高圧タンク内の圧力レベルがゆっくりと低下している間、発電機の駆動及び電気の生成を続行する。本発明のこの特徴は、風力センサが、高速または低速の風速による電力の切迫した損失を電力網に伝えた後に、この風力タービンシステムからの電力の出力を、ある程度の期間、可能にする。この電気出力の延長期間は、消耗されるエネルギー蓄積媒体となっている風力タービンシステムにおける電力生成損失の上記電力網への通知を可能にする。この早期の通知という特徴は、他の電源、例えば、化石燃料電源の出力レベルを調節する準備をしておくことにより、風力電源の電源網に対する切迫した損失に適応する電力網管理システムを可能にする。上記風力タービンシステムは、様々な実施形態において、上記風力タービンシステムが、上記電力網への電気出力を遮断する場合に先立って、上記電力管理システムに通知することができる。上記風力タービンシステムは、様々な実施形態において、上記風力タービンシステムが、上記電力網に再接続してエネルギーを送る場合に先立って、上記電力管理システムに通知することができる。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の別の特徴によれば、油圧のかたちで蓄積されたエネルギーは、上記風力タービンを再始動するために、加圧された油圧流体内に十分な予備容量が残っていることをセンサが示すポイントまで低減できるようになっているが、そのようなポイントを超えることはない。その結果、風状況が、上記タービンの再始動を可能にする場合は、残っている油圧を用いて上記油圧ポンプを再始動し、上記タービンブレードアセンブリの回転を始動させることによって実施される。蓄積された油圧を用いて上記風力タービンを再始動するという本発明のこのアプローチは、典型的には電力網にかかる負荷要求を取り除いて、風力タービンシステムを再始動させる。風状況が許可され、かつコンピュータ制御システムが再始動動作を始めることを決断すると、予備容量は、上記油圧ポンプが一時的にモータに変化して、上記タービンを最小限必要な速度にするように、上記油圧システムを介して再ルーティングされ、これによってエネルギー生成サイクルを再始動する。高圧流体またはこの高圧流体の調整レベルは、コンピュータ制御のプライマーバルブを介して低圧送給管に再ルーティングすることができる。上記低圧送給管は、高圧の油圧流体が上記低圧リザーバに入るのを防ぐチェックバルブを含むことができる。
【００１２】
上述した風力タービンシステムのいくつかの実施形態において、上記風力タービンシステムの一部として含まれている上記油圧システムは、エネルギーを生成または蓄積するための最小限のロータ速度を何ら必要とせず、すなわち、加圧下で蓄積された流体を、電気を発生させるのに用いることができる。このようないくつかの実施形態において、上記風力タービンシステムは、電力／油圧流体の圧力が再始動蓄積レベルまで下がるまで、上記発電機が作動されるときの高圧において十分になるまで、上記リザーバに油圧流体を送り込む。本発明のいくつかの実施形態において、上記コンピュータ制御システムは、高圧タンク内の圧力を最小再始動レベル以上に維持し、発電機の稼働は、このレベルが上記最小再始動レベル以上であれば作動させることができる。いくつかの実施形態においては、例えば、風力からの余分なエネルギー生成の期間中、上記電力網は、現時点での発電機出力エネルギーのレベルを必要とせず、余分なエネルギーは、例えば、上記高圧タンク内の油圧を増加させおよび／または電気エネルギーを電気蓄積デバイス、例えば、キャパシタおよび／またはバッテリバンクにルーティングすることによって蓄積することができる。いくつかの実施形態において、生成風力のエネルギレベルが、例えば、高圧流体から抽出されるレベルよりも低い期間中は、上記電力網は、風が発生させるのよりも多くの出力エネルギーをその時点で必要とし、エネルギーは、上記高圧タンク内の圧力レベルを低下させる加圧流体から引き出すことができる。
【００１３】
様々な実施形態において、上記風力タービンシステムは、多数の油圧モータおよび／または多数の発電機を用いて実施される。いくつかのこのようなシステムにおいて、各油圧モータは、これ自体の電気的に制御される比例弁及びフィードバック回路によって独立して制御することができる。いくつかのこのような多数の油圧モータおよび／または多数の発電機システムにおいては、負荷要求の変化および／または風状況の変化に対応するために、異なる組合せを、異なる時に作動させることができる。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態の別の特徴は、上記風力タービンシステムのブレードアセンブリにおける調節可能な帆の使用である。いくつかのこのような実施形態において、上記タービンブレードは、ローラ縮帆システムまたはこのバリエーションを有し、それにより、上記ブレード／帆の組合せの面積が可変となる。制御可能な帆部材を含む様々な実施形態において、上記風力タービンシステムは、電子的または油圧で縮帆された帆を備えたハブ上に、マスト、例えば、炭素繊維マストを含む。上記風力タービンシステムは、様々な実施形態において、風速センサおよび／または風向センサを含む。上記風速センサが、低速の風状況を示した場合、可能であれば、油圧および／または電動モータあるいは他の機械的手段を用いて、ローラで縮帆された帆を広げることにより、上記帆の面積を制御可能に増加させることができる。いくつかの実施形態は、上記帆の位置を判断するセンサを含む。風速が増加すると、上記帆は、制御可能に引っ込めるかまたは縮帆することができる。上記帆は、高速の風速時には、上記マスト内に完全に引き出すことができ、この場合、追加的な帆の面積は、上記風力タービンブレードアセンブリに構造上のダメージを与える可能性がある。
【００１５】
上記風力タービンシステムのいくつかの実施形態の別の特徴は、上記マスト自体が、なだらかな翼形状を有するように形成されているということである。いくつかのこのようなマストは、従来使用されている典型的な固定面積ブレードの風力捕捉上端速度をはるかに超える上限において、風速に耐えることができ、かつ投射される風速においてエネルギーを集めることができるように設計される。例えば、本発明によるマスト構造は、高速上限で使用することができるが、上記帆が威力を増す低風速下限における主風収集ソースに依存する必要はないため、展開された典型的な固定面積ブレードよりも小さな風収集表面積を有することができる。なだらかな翼形状を含むいくつかのこのような実施形態において、上記マスト構造は、ツイストも含む。上記翼形状マストの実施および上記調節可能な帆は、現在のデザインよりもかなり広い風速範囲に対してエネルギー生成を可能にすることにより、長期間にわたって、より多くのエネルギー生成を可能にするであろう。例えば、非常に高い風力レベルにおいて、比較的小さな断面積を有する風形状マストは、高速風力エネルギーを捉えることができるが、非常に低速の風力レベルにおいては、広げられた帆によってもたらされる比較的大きな断面積は、低速風力エネルギーを捉えることができる。その結果、この風速捕捉エンベロープは、本発明のこのような設計上の特徴によって、従来の設計に優る高低両端において、より大きくし、かつ拡げることができる。
【００１６】
上述した高圧油圧流体におけるエネルギー蓄積容量に加えて、本発明のいくつかの実施形態の別の特徴として、ある油圧流体を高エネルギキャパシタ用のタワー構造内において置き換えることができる。例えば、いくつかのこのような実施形態において、３０ＫＷｈ／ｋｇのエネルギー蓄積密度を有するカーボンナノチューブキャパシタが、現場で大量のエネルギー蓄積溶液を提供する、上記タワーと共に配置されたまたは上記タワー付近に配設された流体槽内に組み込まれる。この種の構成要素からなる１万ポンドのキャパシタを含むこのような実施形態において、上記風力タービンシステムは、４ＭＷの風力発電機が、上記油圧モータドライブが停止した後に３４時間、延長出力を継続できるように、エネルギーを蓄積することができる。本発明のこのアプローチは、エネルギー曲線を円滑にし、風力タービンシステムの効率を改善しおよび／または長期にわたって電力網に大量のエネルギーを送ることができるようにする。
【００１７】
上述したシステムは、上記システムのサイズ及び必要性に基づく要件のために変更することのできるセンサ、制御システム、ソフトウェア及びハードウェアを含むことができる。上記の風力タービンシステムは、プロセッサ、例えば、ＣＰＵ、メモリ及びインタフェースを含むコンピュータ制御モジュールを含む。上記メモリは、ルーチン及びデータ／情報を含む。上記プロセッサは、上記ルーチンを実行し、メモリ内の上記データ情報を用いて、上記風力タービンシステムの動作を制御し、および本発明の方法を実施する。上記コンピュータ制御モジュールによって実行されるいくつかのこのような機能は、風速および／または風向のモニタリング、位置のモニタリング及び制御、例えば、上記ブレードアセンブリの方向付け、上記帆の位置のモニタリングおよび帆の展開の制御、上記油圧ポンプのモニタリング及び制御、上記比例弁の制御、上記プライマーバルブの制御、再始動シーケンスの制御、高圧チャンバ及び低圧チャンバ内の圧力のモニタリング、圧力の調節、発電機出力のモニタリング、電力網および／または電気蓄積デバイスへの発電機出力のスイッチング、電気蓄積デバイスから電力網へのエネルギー転送の制御、管理ネットワークに対する通信及び通知、通信プロトコルの実施、複数の油圧モータおよび／または発電機のスイッチング制御、および／または故障検出モニタリング、報知、および／または運転停止の実施を含むことができる。
【００１８】
本発明のシステムは、比較的小さな、例えば、３００フィート以下の直径、および場合によっては、例えば、５０、１００、２００または２５０フィート以下の直径を有していながら、比較的大きな帆（ブレード）表面積を有することができ、上記システムが、公知のいくつかのシステムと比較して、より小さな直径のブレードによって、および／またはより低速の風速で作動することを可能にする。より小さな直径のブレードを使用することの結果として、ブレード先端の速度は、上記ブレードが回転する際に、より大きなブレード径を有する公知のシステムよりも低くすることができる。風車によって発生する騒音は、部分的に、上記ブレードが回転する際の上記ブレード先端の速度の関数であるため、より短いブレード径を有する本発明の実施形態を用いて、かなり大きなブレード径を有する現存するシステムによって発生される騒音よりも少ない騒音を発生することが可能である。騒音は、人々が風車を嫌う理由の１つであるため、本発明の方法及び装置は、公知のシステムと比較した騒音低減に関して有益であることを証明することができる。
【００１９】
本発明の多くの追加的な特徴利点及び実施形態を、以下の詳細な説明で論じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明に従って実施され、および本発明の方法を用いた例示的な風力タービンシステム１００の図である。例示的な風力タービンシステム１００は、ブレードアセンブリ１０２と、メインドライブハウジング１０４と、サポートタワー１０６と、油圧モータ及び発電機ハウジング１０８と、低圧タンク１１０と、コンピュータ制御モジュール１１２とを含む。
【００２１】
ブレードアセンブリ１０２は、ハブ１１４と、帆展開ギアセット１１６と、複数の帆シャフト／ブレード１１８と、複数の引っ込められる帆１２０とを含む。ブレードアセンブリ１０２は、風力エネルギーを捉えるのに用いられる。ブレードアセンブリ１０２は、いくつかの実施形態において、ロール式縮帆システムを含み、それにより、上記帆の面積は、可変的に調節可能である。ハブ１１４に結合された帆シャフト／ブレード１１８、例えば、カーボンファイバーマストは、帆展開ギアセット１１６に取り付けられており、また、帆シャフト／ブレード１１８に取り付けられている帆１２０を広げるかまたは引っ込めるために、回転させることができる。いくつかの実施形態において、帆の位置を検知するために、ブレードアセンブリ１０２内にセンサが用いられている。開かれる帆１２０の量を調節することにより、エネルギー生成に利用可能な風速幅を、現存するシステムよりも拡大することができる。非常に低速の風速においては、帆１２０を完全に広げることができ、風力タービン１００が、９ｍｐｈ以下、例えば、４、５または６マイル／時の風速でエネルギーを捕捉することを可能にする。非常に高速の風速においては、帆１２０は、完全に縮帆することができ、ブレードアセンブリ１０２に対する応力を低減する。帆シャフト／ブレード１１８は、帆１２０が完全に引っ込められた場合に、帆シャフト／ブレード１１８が、高速の風力エネルギーを捕捉することが可能であり、かつ構造上のダメージを伴うことなく、高速の風に耐えることが可能ななだらかな翼形状を有するように構成されている。本発明によれば、このようなデザイン上の特徴を盛り込むことにより、風力タービン１００は、２５ｍｐｈ以上の風速、すなわち、３０、３５または４０マイル／時で風力エネルギーを捉えることが可能である。この可変帆面積という特徴は、翼状の帆シャフト／ブレード１１８と共に、現存するデザインに優るより大きな風速幅を可能にし、その結果、現在のデザインよりも大きな風速幅に関してエネルギー生成を可能にすることにより、長期にわたってより多くのエネルギー生成を可能にする。
【００２２】
メインドライブハウジング１０４は、メインドライブチューブ１２２と、ポンプドライブギアセット１２４と、油圧ポンプドライブシャフト１２６と、油圧ポンプ１２８と、メインドライブハウジング位置モータ１３０と、帆展開モータ１３２と、帆展開ドライブシャフト１３４とを含む。メインドライブチューブ１２２の一端は、ブレードアセンブリ１０２のハブ１１４に結合されており、一方、メインドライブチューブ１２２の他端においては、メインドライブチューブ１２２に取り付けられたギア１２４ａが、油圧ポンプドライブシャフト１２６に取り付けられたギア１２４ｂとかみ合っている。メインドライブギアセット１２４は、ギア１２４ａ及び１２４ｂを含む。メインドライブチューブ１２２は、サポートベアリングアセンブリによってメインドライブハウジング１０４内に支持されている。油圧ポンプドライブシャフト１２６は、油圧ポンプ１２８に結合されている。ブレードアセンブリ１０２によって風力エネルギーが捉えられると、帆シャフト／ブレード１１８が、ハブ１１４の中心軸周りに回転する。ハブ１１４が回転すると、メインドライブチューブ１２２が回転して、ポンプドライブギアセット１２４の回転と、油圧ポンプドライブシャフト１２６の回転とをもたらす。油圧ポンプドライブシャフト１２６が回転すると、油圧ポンプ１２８が回転して油圧を発生する。
【００２３】
メインドライブチューブ１２２は、帆展開ドライブシャフト１３４が中を貫通して配設されている中空コアを含む。帆展開モータ１３２は、帆展開ドライブシャフト１３４の一端に結合されており、一方、上記帆展開ドライブシャフトの他端は、帆展開ギアセット１１６に結合されている。いくつかの実施形態において、帆展開モータ１３２は電気モータであるが、他の実施形態においては、上記帆展開モータは油圧モータである。帆展開モータ１３２は、係合して回転するように制御された場合、帆展開ドライブシャフト１３４を回転させ、この制御された回転は、帆展開ギアセット１１６を介して伝達され、その結果、帆シャフト／ブレード１１８が回転し、帆１２０が命令どおりに広げられ、または引っ込められる。他の実施形態においては、帆展開モータは、ハブ１１４内に、帆／シャフトブレード１１８内に取り付けられ、および／または帆／シャフトブレード１１８に取り付けられる。
【００２４】
メインドライブハウジング１０４には、風センサ１３６が取り付けられている。風センサ１３６は、風速を、いくつかの実施形態においては風向を検知して測定する。いくつかの実施形態においては、風速及び風向を検知するのに、別々のセンサが用いられる。風速センサ１３６が、低風速状況を検知し示した場合、上記帆の面積は、完全に広げられていない場合には、帆展開制御モータ１３２を制御して、ローラ式で縮帆された帆を制御可能に広げることにより、拡大するように制御することができる。風速センサ１３６が、高風速状況を検知し示した場合、上記帆の面積は、完全に広げられていない場合には、帆展開制御モータ１３２を制御して、ローラ式で縮帆された帆を制御可能に引っ込めるかまたは縮帆することによって上記帆の面積を減らすことにより、縮小するように制御することができる
メインドライブハウジング１０４は、メインドライブハウジング／タワーインタフェースベース１３８を介してサポートタワー１０６に機械的に結合されている。メインドライブハウジング／タワーインタフェースベース１３８は、メインドライブタワー１０４を、有力な風を捕捉し、および／またはブレードアセンブリ１０２を、ブレードアセンブリ１０２に対する最小限の応力を伴う運転停止モードにするように、異なる方向に制御可能に適応できるようにする。メインドライブハウジング位置決めモータ１３０、例えば、電気または油圧モータは、メインドライブハウジング１０４を正しい方向に向けるのに用いられる。
【００２５】
サポートタワー１０６は、高圧タンク１４０と、高圧タンクセンサ１４２と、プライマーバルブ１４４とを含む。高圧タンク１４０は、高圧流体１４６を格納する。いくつかの実施形態において、上記高圧タンクは、ベローズアセンブリも含む。低圧送給管１４８は、高圧タンク１４０を通って、または上記高圧タンクに隣接してルーティングされる。低圧送給管１４８の底部には、低圧流体１５４を上記低圧送給管内に引き入れることができるように、低圧タンク１１０内に位置している低圧インレット１５２がある。いくつかの実施形態においては、加圧下で、不活性ガス、例えば、窒素が低圧タンク１１０内に含まれており、この不活性ガスの圧力は、低圧流体１５４を送給管１４８へ上昇させるのを支援する。サポートタワー１０６の上部においては、油圧スイーベル１５０が、高圧低圧送給管１４８を油圧ポンプ１２８の低圧インレットポートに結合し、また、油圧ポンプ１２８の高圧出力を高圧タンク１４０に結合している。高圧アウトレット１５３は、油圧ポンプ１２８からの高圧流体を高圧タンク１４０内に放出する。
【００２６】
低圧送給管１４８は、チェックバルブ１５６を含む。高圧タンク１４０内に意図的に維持されている十分な再始動レベルの残留圧力によって、風力タービン１００の油圧ポンプ１２８を再始動させる場合には、調整された高圧流体を低圧送給管１４８内に流すようにプライマーバルブ１４４が制御される。チェックバルブ１５６は、加圧された流体が低圧タンク１１０内に入るのを防ぐ。この加圧流体は、ここではブレードアセンブリ１０２の回転を始動する油圧モータとして機能する上記油圧ポンプのインレットに入る。そして、プライマーバルブ１４４は、低圧送給管１４８から高圧チャンバ１４０を遮断密封するように切り替えられて、風力エネルギーは、ブレードアセンブリ１０２を回転させ続け、油圧ポンプ１２８は、油圧モータとして機能するのを止めて、高圧タンク１４０内の圧力を増加させる動作のエネルギー蓄積モードで作動する。
【００２７】
油圧モータ及び発電機ハウジング１０８は、比例弁１５８と、調節出力ライン１６０と、油圧モータ１６２と、カップリングシャフト１６４と、発電機１６６と、出力スイッチ１６８とを含む。比例弁１５８は、高圧インレット１７０を介して高圧タンク１４０に結合されている。比例弁１５８は、油圧モータ１６２を矛盾のない速度で駆動するために、可能であれば、矛盾のない調節された圧力レベルを維持するように圧力レベルを調節する。比例弁１５８の出力は、比例弁１５８を油圧モータ１６２のインレットに結合する調節出力ライン１６０を介して流される。油圧モータ１６２は、低圧流体が中を通って低圧タンク１１０内に放出される放出アウトレット１７２を含み、蓄積されたエネルギーは、油圧モータ１６２が駆動されたときに、加圧流体から引き出される。油圧モータ１６２は、カップリングシャフト１６４を介して発電機１６６に結合されており、上記シャフトも発電機１６６を回転させて電力を発生させる。油圧モータ１６２を一定の制御された速度で回転させることにより、発電機１６６も一定の制御された速度で回転し、その結果、発生した電気信号の周波数を電力網に適合するように制御及び維持する。発電機１６６の出力、例えば、位相出力ラインは、出力スイッチ１６８の入力に結合されている。出力スイッチ１６８の出力は、電力網および／または蓄積装置に結合されている。出力スイッチ１６８は、その間に発電機が許容範囲外の周波数で回転される油圧モータおよび／または発電機の始動及び停止が、問題のある信号を上記電力網に導かないように上記発電機を上記電力網から切断するよう制御することができる。加えて、出力スイッチ１６８は、高圧タンク１４０における不十分な高圧によって油圧モータ１６２が停止する前に、および始動が安定した後に、発電機出力を電力網に再接続するために、上記発電機出力を遮断するのに用いることができる。
【００２８】
低圧タンク１１０は、低圧流体１５４を蓄積する。また、低圧タンク１１０は、低圧タンク１１０内の圧力および／または流体レベルを測定する低圧タンクセンサ１５５を含む。いくつかの実施形態において、低圧タンク１１０は、ベローズまたはフロートアセンブリを含む。
【００２９】
コンピュータ制御モジュール１１２は、他のネットワークへのインタフェース、センサへのインタフェース、および制御装置へのインタフェースを含む。コンピュータ制御モジュール１１２は、プロセッサ及びメモリを含む。上記メモリは、ルーチン及びデータ／情報を含む。上記プロセッサ、例えばＣＰＵは、上記ルーチンを実行し、メモリ内のデータ／情報を用いて風力タービンシステム１００の動作を制御し、および本発明の方法を実施する。コンピュータ制御モジュール１１２によって制御される様々な機能は、風測定、ブレードアセンブリ始動操作、帆展開制御、メインドライブハウジング位置決め制御、圧力調節制御、プライマーバルブ動作、比例弁制御、発電機出力モニタリング、発電機出力スイッチング、および状況の変化を管理ネットワークに知らせることを含む。コンピュータ制御モジュール１１２によって受信される様々な信号は、風センサ出力信号１７４、低圧タンクセンサ出力信号１７６、高圧タンクセンサ出力信号１７８及び発電機出力モニタ信号１８０を含む。コンピュータ制御モジュール１１２によって受信される他の信号は、帆展開レベルを示す位置インジケータ信号と、メインドライブハウジング１０４の方向を示す位置インジケータ信号を含むことができる。故障インジケータ信号を、コンピュータ制御モジュール１１２によって受信して処理することもできる。風力タービンシステム１００の動作を制御するのに用いられるコンピュータ制御モジュール１１２によって生成される様々な出力信号は、上記展開制御信号１８２と、ハウジング方向位置決め制御信号１８４と、比例弁制御信号１８６と、プライマーバルブ制御信号１８８と、出力スイッチモジュール制御信号１９０とを含む。また、コンピュータ制御モジュール１１２は、管理ネットワーク１９２への制御ラインを通じた信号を介して、すなわち、コマンドの受信、例えば、風力タービンのオフライン、および通知の送信、例えば、指定時間でオフラインにする風力タービンによって管理ネットワークとインタフェースをとる。
【００３０】
スリップリングが、メインドライブハウジング１０４／メインドライブハウジング／タワーインタフェースベース１３８に設けられている。
【００３１】
出力要求に対応するための不十分な風力エネルギー入力が、エネルギー出力の遮断及び発電機出力の遮断を強いる前に、どのくらい長く動作を続けることができるかを予測するために、コンピュータ制御モジュール１１２によってセンサ１３６からの風測定を実行し、処理し、および用いることができる。高圧センサ出力信号１２０の圧力測定値に基づいて、上記コンピュータ制御モジュールは、残っているエネルギー容量を予測することができる。コンピュータ制御モジュール１１２は、制御ライン１９２を介して上記管理ネットワークに状況を知らせて、電力網へのエネルギー出力が停止する前に、事前通告を与えることができる。
【００３２】
図２は、風力タービンシステム１００の動作及びフローを説明するのに用いられる機能図２００である。機能図２００は、低圧タンク１１０と、高圧タンク１４０と、低圧送給管１４８と、油圧ポンプ１２８と、プライマーバルブ１４４と、チェックバルブ１５６と、電子式比例弁１５８と、油圧モータ１６２と、調節圧力ライン１６０と、戻り配管１７２と、軸継ぎ手１６４と、発電機１６６と、蓄積装置２０２とを含む。蓄積装置２０２は、例えばインバータと、フィルタと、蓄電池群とを含む。図２は、風力エネルギーを捉えるブレードアセンブリ１０２がポンプ１２８を駆動しており、かつ本発明に従って、油圧モータ１６２を駆動するのに十分な蓄積エネルギーが高圧タンク１４０内にある状況下での例示的な風力タービンシステム１００の動作を示す。
【００３３】
ブレードアセンブリ１０２によって捉えられた風力により駆動されるポンプ１２８は、低圧タンク１１０からの低圧流体１５４の吸い上げと、油圧の生成とを交換する。低圧流体１５４は、開いているチェックバルブ１５６を通って低圧送給管１４８を介して引き上げられて、ポンプ１２８の低圧側に入る。これらの記載した動作条件下で、プライマーバルブ１４４は、制御信号１８８を介したコンピュータ制御モジュール１１２の指示の下で閉じられるように制御される。ポンプ１２８は、高圧タンク１４０に結合された上記ポンプの高圧側によって上記流体を加圧する。
【００３４】
電子比例弁１５８は、油圧モータ１６２が、制御された決定回転速度で回転し続けるように油圧モータ１６２への圧力を調節するために、制御信号１８６を介したコンピュータ制御モジュール１１２の指示の下で制御される。いくつかの実施形態においては、軸継ぎ手１６４の回転速度をモニタするために、およびこのような情報を、閉ループ制御動作において用いられるコンピュータ制御モジュール１１２へ送るために、センサを含めてもよい。高圧流体１４６は、電子比例弁１５８に入り、ライン１６０内で調節された圧力の流体になるように調節され、その後、この流体は、軸継ぎ手１６４を回転させて、制御された回転速度で発電機を駆動する油圧モータ１６２を通過する。このことは、発電機１６６に一定の周波数、例えば、６０Ｈｚまたは５０Ｈｚｄｅ電気エネルギーを生成させ、この電気エネルギーは、電力網および／または蓄積装置２０２へ出力される。油圧モータ１６２からの放出流体は、戻り配管１７２を介して低圧タンク１１０へ戻される。
【００３５】
ポンプ１２８が、例えば、有利な風条件により、油圧モータ１６２によって消費されるエネルギーよりも多くのエネルギーを生成している場合、高圧タンク内の圧力は、高圧タンク１４０の安全域内で増加させることができ、その結果、後の使用のために余分なエネルギーを蓄積する。ポンプ１２８が、油圧モータ１６２によって現在消費されているエネルギーよりも少ないエネルギーを生成している場合には、高圧タンク１４０内の圧力は低下することになる。
【００３６】
本発明の様々な実施形態のうちの１つの特徴によれば、高圧タンク１４０内の圧力は、ブレードアセンブリ１０２が停止した後に、油圧ポンプ１２８を再始動させるのに必要な少なくとも極小値に維持される。制御信号１８６を介した制御モジュール１１２の指示の下で電子比例弁１５８は、この極小再始動圧力レベルしきい値を超える前に、油圧モータ１６２へのフローを遮断する。
【００３７】
図３は、風力タービンシステム１００における動作及びフローを説明するのに用いられる機能図３００である。機能図３００は、低圧タンク１１０と、高圧タンク１４０と、低圧送給管１４８と、油圧ポンプ１２８と、プライマーバルブ１４４と、チェックバルブ１５６と、電子比例弁１５８と、油圧モータ１６２と、調節圧力ライン１６０と、戻り配管１７２と、軸継ぎ手１６４と、発電機１６６と、蓄積装置２０２と、チェックバルブ３０２とを含む。図３は、ブレードアセンブリ１０２が回転を止めて、もはや風力エネルギーを捉えていないが、上記高圧タンクは、油圧モータ１６２の動作及び発電機１６６の動作が続行可能な再始動に必要な最小レベル以上に蓄積された十分なエネルギー有している状況下での例示的な風力タービンシステム１００の動作を示す。油圧ポンプ１２８は回転していない。チェックバルブ１５６及び３０２は閉じており、プライマーバルブ１４４も閉じている。制御信号１８６を介したコンピュータ制御モジュール１１２の制御下での電子比例弁１５８は、フローを可能にし続ける。
【００３８】
高圧流体１４６は電子比例弁１５８に入り、ライン１６０内で調節された圧力の流体になるように調節され、その後、上記流体は、軸継ぎ手１６４を回転させて、制御された回転速度で発電機を駆動する油圧モータ１６２を通過する。このことは、発電機１６６に、一定の周波数、例えば、６０Ｈｚまたは５０Ｈｚで電気エネルギーを生成させ、この電気エネルギーは、電力網および／または蓄積装置２０２へ出力される。油圧モータ１６２からの放出流体は、戻り配管１７２を介して低圧タンク１１０へ戻される。この動作モードの間、上記高圧流体の圧力レベルは、徐々に低下する。再始動に必要な最小圧力以上の一定のレベルにおいて、上記電子比例弁は、制御信号１８６を介して、油圧モータ１６２を通るフローを停止させ、それによって上記高圧タンク内の圧力レベルを維持するように制御される。
【００３９】
図４は、風力タービンシステム１００における動作及びフローを説明するのに用いられる機能図４００である。機能図４００は、低圧タンク１１０と、高圧タンク１４０と、低圧送給管１４８と、油圧ポンプ１２８と、プライマーバルブ１４４と、チェックバルブ１５６と、電子比例弁１５８と、油圧モータ１６２と、調節圧力ライン１６０と、戻り配管１７２と、軸継ぎ手１６４と、発電機１６６と、蓄積装置２０２と、チェックバルブ３０２とを含む。図４は、ブレードアセンブリ１０２の再始動動作中の例示的な風力タービンシステム１００の動作を示す。最初は、油圧ポンプ１２８は回転していない。プライマーバルブ１４４は、制御信号１８８を介してコンピュータ制御モジュール１１２によって開くように制御され、高圧流体または調節されたレベルの流体が低圧送給管１４８に入ることを可能にする。チェックバルブ１５６が閉じられて、高圧流体が低圧タンク１１０に入るのを防ぐ。プライマーバルブ１４４を通過する高圧流体は、ポンプ１２８のインレット側に入り、このとき、上記ポンプは、油圧モータとして機能している。ポンプ１２８のインレット側での圧力は、ポンプ１２８を始動して回転させ、このことが、ポンプ１２８が機械的に接続されているブレードアセンブリ１０２を回転させる。ブレードアセンブリ１０２の回転が始まると、風力エネルギーは、ブレードアセンブリ１０２の回転を保ち続ける。プライマーバルブ１４４は、制御信号１８８を介して遮断するように制御され、上記油圧ポンプは、ポンプ１２８がチェックバルブ１５６を介して低圧流体１５４を引き込んでいる状態で風力エネルギーの下で回転を続け、上記チェックバルブはこのとき開いて上記流体を加圧しており、また、上記高圧流体は、このとき開いているチェックバルブ３０２を通って高圧タンク１４０内に入る。このとき風力エネルギーの下で作動している油圧ポンプ１２８はポンピングし続け、高圧タンク１４０内の圧力を増加させる。検出されたある高い圧力レベルにおいて、コンピュータ制御モジュール１１２は、圧力が油圧モータ１６２の動作を再開するのに十分に高いことを判断する。電子比例弁１５８は、信号１８６を介して開いて、調節された圧力を油圧モータ１６２へ送るように制御される。一旦、安定化した回転動作が実現されると、上記発電機の出力を電力網／蓄積装置２０２に再接続するように出すことができる。
【００４０】
図５は、本発明による例示的なブレードアセンブリ５００における構成要素を示す図である。例示的なブレードアセンブリ５００は、図１の例示的な風力タービン１００のブレードアセンブリ１０２とすることができる。中心ハブ５０２は、帆展開ギアセット１１６を含むハブ１１４とすることができ、一方、マスト５０４及びブーム５０６は帆／シャフトブレード１１８とすることができ、帆５０８は、図１の帆１２０とすることができる。ブレードアセンブリ５００は、マスト５０４、ブーム５０６及び帆５０８からなる複数の、例えば４つのセットを含む。マスト５０４は、内部マストシャフト５１０を含み、ブーム５０６はブームシャフト５１２を含む。マスト５０４、ブーム５０６及び帆５０８からなる所定のセットの場合、その構造は、帆５０８が広げられており、または縮帆されている場合に、上記帆が他のシャフトに沿って滑動する状態で、帆５０８を、内部マストシャフト５１０のうちの１つの周りに回転させることができるようになっている。帆５０８は、シャフト、例えば、内部ブームシャフト５１２または内部マストシャフト５１０上で巻き取ることができるフレキシブルな帆材料で構成されている。いくつかのマスト５０４および／またはブーム５０６は、帆５０８が巻き取られたときに退避することの出来る、スロットを含む。いくつかのマスト５０４および／またはブーム５０６は、広げられ、または縮帆されたときに、帆５０８または帆アンカーがそれに沿って滑動するスロットを含む。いくつかの実施形態において、各帆５０８は、１つのシャフト、例えば、ブームシャフト５１２に沿って巻き取られ／展開され、他のシャフト、例えば、マストシャフト５１０が引き下ろされ／引き上げられる。いくつかの実施形態において、帆５０８のいくつかは、内部マストシャフト５１０に沿って巻き取られ／展開され、帆５０８のいくつかは、内部ブームシャフト５１２に沿って巻き取られ／展開される。
【００４１】
図５は、帆５０８が完全に広げられている状況を示す。
【００４２】
図６は、適切な位置に、ある程度縮帆されている帆を示すことを除いて、図５の例示的なブレードアセンブリを示す図６００である。
【００４３】
図７は、本発明のいくつかの実施形態による例示的なマストまたはブーム／インナーシャフト／帆構造を示す図７００である。マストまたはブーム７０４は、上記軸上で帆７０２を巻き取ったり拡げたりすることができるインナーシャフト７０６を含む。いくつかの実施形態において、マストおよび／またはブーム７０４は、上記帆が完全に縮帆されている場合であっても、上記風力タービンが風力エネルギーを捉えることを可能にする翼形状を有する。マストまたはブーム７０４は、図５のマスト５０４またはブーム５０６とすることができ、インナーシャフト７０６は、図５の内部マストシャフト５１０または内部ブームシャフト５１２とすることができ、帆７０２は、図５の帆５０８とすることができる。
【００４４】
図１０は、本発明の様々な実施形態による例示的なマストまたはブーム／インナーシャフト／帆構造１０００を示す図である。例示的な構造１０００は、マストまたはブーム１００２と、インナーシャフト１００４と、溝付きガイド／ベアリング１００６と、カラーアセンブリ１００８と、帆固定リング１０１６と、帆１０１８とを含む。インナーシャフト１００４は、ねじ外側部１０１０を含む。カラーアセンブリ１００８は、ねじ内側部１０１２と、帆アタッチメント部１０１４とを含む。上記インナーシャフトのねじ外側部１０１０は、上記カラーアセンブリのねじ内側部１０１２とかみ合っている。上記カラーアセンブリは、マストまたはブーム１００２の溝付きガイド／ベアリング１００６に対して制限されている。インナーシャフト１００４が帆展開動作の一部として回転すると、上記カラーアセンブリは、シャフト１００４に沿って移動する。帆１０１８は帆固定リング１０１６に取り付けられており、上記帆固定リングは、上記カラーアセンブリの帆アタッチメント部１０１４に取り付けられている。カラーアセンブリ１００８がインナーシャフト１００４に沿って移動すると、上記帆の端部が引っ張り出される。
【００４５】
図１１は、別の角度から見た、図１０の例示的な構造１０００に含まれるいくつかの構成要素を示す図１１００である。帆１０１８は、部分的に縮帆された状態で図示されている。
【００４６】
図８は、本発明による例示的なハブアセンブリ８００の平面図である。ハブアセンブリ８００は、図１の風力タービンシステム１００に用いることができる。ハブアセンブリ８００は、ハブ８０２と、帆展開ドライブシャフト／マストシャフトギア８１２と、４つのマストシャフトドライブギア８１４と、４つのマストシャフト／ブームシャフトギア８１６と、４つのブームシャフトドライブギア８１８とを含む。マスト８０４及びブーム８０６は、それぞれサポート８２０、８２２を介してハブ８０２に取り付けられている。帆展開ドライブシャフト８２４は帆展開／マストシャフトギア８１２に取り付けられている。ギア８１２が回転すると、４つのマストシャフトドライブギア８１４が回転してマストシャフト８０８を回転させて上記帆を広げるかまたは縮帆する。また、上記マストシャフトが回転すると、マストシャフト／ブームシャフトギア８１６が回転する。ギア８１６は、ブームシャフトギア８１８とかみ合っており、そのため、ブームシャフト８１０も上記マストシャフトの回転と連動して回転し、制御された帆の展開または縮帆を実行する。
【００４７】
図９は、本発明のいくつかの実施形態によるエネルギー蓄積機能を説明する図９００である。風力タービンタワー構造９０２は、高エネルギキャパシタまたはキャパシタ９０４のバンクを含む。キャパシタ９０４は、インタフェース回路９０６に電気的に結合されている。インタフェース回路９０６は、スイッチング、フィルタリングおよび／または変換回路を含むことができ、また、上記風力タービンシステム内のコンピュータ制御モジュール、例えば、図１の例示的なシステムのモジュール１１２の指示の下で作動することができる。また、インタフェース回路９０６は、風力タービン発電機出力９０８及び電力網および／または負荷９１０に結合されている。上記風力タービン発電機出力エネルギー生成が電気エネルギー負荷要求を超える状況下では、追加的なエネルギーを高エネルギキャパシタ９０４に蓄積することができる。上記風力タービン発電機エネルギー出力が上記電気負荷要求を下回るか、または上記発電機出力がゼロである状況下では、蓄積したエネルギーをキャパシタ９０４から引き出して上記負荷へ供給することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態においては、上記高エネルギキャパシタ９０４のために、上記タワー構造内で油圧流体が移動される。高エネルギキャパシタ９０４は、例えば、３０ｋＷ／ｋｇのエネルギー蓄積密度を有するカーボンナノチューブキャパシタである。高エネルギキャパシタ９０４は、いくつかの実施形態において、流体槽内に組み込まれ、または、上記タワーと共に配置される。上記高圧タンク内の高圧流体に蓄積されるエネルギーに加えて、高エネルギキャパシタ９０４によって提供されるこの追加的なエネルギー蓄積容量は、本発明のいくつかの実施形態による風力タービンシステムのための現場でのエネルギー蓄積能力を高めることができる。例えば、重量１万ポンドの３０ｋＷｈ／ｋｇのカーボンナノチューブキャパシタは、高エネルギー出力期間中に充電して、上記発電機がエネルギーを生成できない場合に、４メガワットの風力発電機システムに３４時間の延長出力を与えることができる。このエネルギー蓄積の強化能力は、エネルギー曲線を円滑にし、風力タービンシステムの効率を改善し、その結果、大量のエネルギーを電力網を通じてユーザへ長期間、送ることを可能にする。
【００４９】
帆展開の制御を機械的駆動機構を用いて説明してきたが、電気モータ駆動アプローチは、帆の展開及び引っ込めを制御するのに用いることができる。一つのそのような実施形態において、風速の関数としてコンピュータ制御システムの制御下で生成された電気信号によって制御される電気モータは、各ブレードにおける帆展開を駆動するのに用いられる。一つのこのようなシステムにおいては、１つの電気モータが、各ブレードのためのロータアセンブリの中心付近に備え付けられ、上記ブレードのために上記帆の展開を制御するのに用いられる。通常、互いに対向して取り付けられたブレードに対応する２つのモータは、帆の均一な展開をもたらすように、およびブレードバランスを維持するように制御される。
【００５０】
本明細書に記載されている様々な実施形態の要素は、本発明の一つ以上の方法に対応するステップを実行する一つ以上のモジュールを用いて実施される。すなわち、いくつかの実施形態において、本発明の様々な特徴は、上記モジュールを用いて実施される。このようなモジュールは、ソフトウェア、ハードウェアまたはソフトウェアとハードウェアの組合せを用いて実施することができる。上述した方法または方法ステップのほとんどは、マシン、例えば、追加的なハードウェアを有するまたは有しない汎用コンピュータを制御して、上述した方法の全てまたは一部を例えば１つ以上のノードで実施するための、メモリデバイス、例えばＲＡＭ（登録商標）ディスク等のマシン可読媒体に含まれるソフトウェア等のマシン実行可能命令を用いて実施することができる。従って、本発明は、特に、マシン、例えば、プロセッサ及び検査デバイスの一部であってもよい関連するハードウェアに、上述した方法の１つ以上のステップを実行させるマシン実行可能命令を含むマシン可読媒体に注力する。
【００５１】
上述した本発明の方法及び装置に対する多くの追加的な変形は、本発明の上記の説明に照らして当業者には明白であろう。そのような変形は、本発明の範囲内にあるものと見なすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に従って実施され、および本発明の方法を用いる例示的な風力タービンシステムの図である。
【図２】風力エネルギーを捉えているブレードアセンブリが油圧ポンプを駆動しており、本発明に従って、油圧モータを駆動するために、高圧タンク内に十分に蓄積されたエネルギーがある状況下での例示的な風力タービンシステムにおける動作及びフローを説明するのに用いられる機能図である。
【図３】ブレードアセンブリが回転を停止して、もはや風力エネルギーを捉えていないが、高圧タンクは、本発明に従って、油圧モータ動作及び発電機動作を続行することができるように、再始動に必要な最小レベル以上に蓄積された十分なエネルギーを有する状況下での例示的な風力タービンシステムにおける動作及びフローを説明するのに用いられる機能図である。
【図４】本発明によるブレードアセンブリの再始動動作中の例示的な風力タービンシステムにおける動作及びフローを説明するのに用いられる機能図である。
【図５】本発明による例示的なブレードアセンブリの構成要素を図示する図である。
【図６】適切な位置にある程度縮帆された帆を示すこと以外に、図５の例示的なブレードアセンブリを図示する図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による例示的なマストまたはブーム／内軸／帆構造を図示する図である。
【図８】本発明による例示的なハブアセンブリのヘッドの図である。
【図９】本発明によるいくつかの実施形態によるエネルギー蓄積部材を図示する図である。
【図１０】本発明の様々な実施形態による例示的なマストまたはブーム／内軸／帆構造を図示する図である。
【図１１】別の角度から見た図１０の例示的な構造に含まれるいくつかの構成要素を示す図である。
【図１】
2009503339.tif 000003
【図２】
2009503339.tif 000004
【図３】
2009503339.tif 000005
【図４】
2009503339.tif 000006
【図５】
2009503339.tif 000007
【図６】
2009503339.tif 000008
【図７】
2009503339.tif 000009
【図８】
2009503339.tif 000010
【図９】
2009503339.tif 000011
【図１０】
2009503339.tif 000012
【図１１】
2009503339.tif 000013
【国際調査報告】
2009503339.tif 000014
2009503339.tif 000015