(57)【要約】  本発明は、以下のステップを備えた風力発電設備（１００）の制御方法に関し、降水量センサ（３００）によって風力発電設備（１００）の領域における降水量を検出し、ピッチ角が電力に応じて設定される第１ピッチ角特性に基づいて第１運転モードで、第２ピッチ角特性に基づいて第２運転モードで、風力発電設備を制御するとともに、降水がない場合は、第１運転モードが選択され、降水がある場合は、第２運転モードが選択される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
降水量センサ（３００）によって風力発電設備（１００）の領域における降水量を検出するステップと、
ピッチ角が電力に応じて設定される第１ピッチ角特性に基づく第１運転モード、およびピッチ角が電力に応じて設定される第２ピッチ角特性に基づく第２運転モードで風力発電設備を制御するステップと、
を備え、
前記第２ピッチ角特性は、前記第１ピッチ角特性とは異なり、
前記第１運転モードは、降水がない場合に選択され、前記第２運転モードは、降水がある場合に選択される、
風力発電設備（１００）の制御方法。
【請求項２】
前記第１ピッチ角特性および前記第２ピッチ角特性は、それぞれ、
前記ピッチ角が不変のままである第１部分（ＰＡ１，ＰＢ１）と、
前記ピッチ角が、出力電力の増加とともに大きくなるような勾配を有する第２部分（ＰＡ３，ＰＢ３）と、
を有している、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１ピッチ角特性および前記第２ピッチ角特性のそれぞれの前記第１部分（ＰＡ１，ＰＢ１）の長さは、異なっており、および／または、
前記第２部分（ＰＡ３，ＰＢ３）の前記勾配は、異なっている、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１ピッチ角特性および前記第２ピッチ角特性は、公称電力に達するまでの範囲に対して、それぞれ提供される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２運転モードから前記第１運転モードへの切り替えは、
降水がもはや降っていないことを検出し、および
前記検出から事前設定可能な待ち時間が経過する、
とすぐに有効となる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
それぞれロータブレード根部（１０８ａ）を持ち、そのピッチ角が前記ロータブレード根部（１０８ａ）に係合するピッチモータ（１０１）によって調整される複数のロータブレード（１０８）を有するロータ（１０６）と、
前記風力発電設備の領域における降水量を検出する降水量センサ（３００）と、
第１ピッチ角特性に基づく第１運転モード、および第２ピッチ角特性に基づく第２運転モードで前記風力発電設備の運転を制御する制御ユニット（２００）と、
を備え、
前記制御ユニット（２００）は、前記降水量センサ（３００）の出力信号に基づいて、前記第１運転モードまたは前記第２運転モードを選択し、
前記第１ピッチ角特性および前記第２ピッチ角特性は、それぞれ電力に応じて、ピッチ角を設定し、
前記第２ピッチ角特性は、前記第１ピッチ角特性とは異なる、
風力発電設備。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の方法を実行する、
請求項６に記載の風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電設備の制御方法および風力発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の典型的な風力発電設備は、３つのロータブレードを有しており、その入射角またはピッチ角は、調整可能である。そのため、少なくとも１つのピッチまたは入射角モータが、ロータブレード根部の領域、または風力発電設備のロータブレード根部とハブ領域との間の移行部分に設けられている。ロータブレードのピッチ角または入射角は、ロータの起動によって調整される。特に、風力発電設備がその公称電力出力の範囲内になり風速がさらに上昇すると、ピッチ角または入射角が変化する。ピッチ角を変更することにより、風力発電設備に作用する機械的付加が低減されることを目的とする。風にさらされるロータブレードの領域は、ピッチ角の変更によって減少させることができる。
【０００３】
風力発電設備のロータブレードの寸法は、風力発電設備によって受けた電力損失につながるロータブレードから流れが離脱することを防ぐために、（設備の全ての動作ポイントにおける）設備のロータブレードが流れの分離なしでそれらの周りに流れる風を有してもよいというようなものである。風が流れるロータブレードからの流れの分離の自由度は、全ての気候または気象条件の下で保障されなければならない。
【０００４】
本願の優先権主張出願について、ドイツ特許商標庁は、以下の先行技術文献をサーチした：米国特許出願公開第２０１０／００５４９４０号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０１４３１２１号明細書、国際公開第２００１／０８６１４２号、米国特許出願公開第２００８／０００１４０９号明細書。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００５４９４０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１４３１２１号明細書
【特許文献３】国際公開第２００１／０８６１４２号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０００１４０９号明細書
【発明の概要】
【０００６】
よって、本発明の目的は、異なる気候または気象条件の下で、風力発電設備の効果的な運転を許可する風力発電設備の制御方法を提供することにある。
その目的は、請求項１に係る風力発電設備の制御方法、および請求項５に係る風力発電設備によって、達成される。
【０００７】
このため、風力発電設備の制御方法が提供される。風力発電設備の地域における降水量は、降水量センサによって検出される。風力発電設備は、ピッチ角が電力に応じて設定される第１ピッチ角特性に基づく第１運転モード、およびピッチ角が電力に応じて設定される第２ピッチ角特性に基づく第２運転モードで制御される。第２ピッチ角特性は、第１ピッチ角特性とは異なる。第１運転モードは、降水がない場合に選択され、第２運転モードは、降水がある場合に選択される。
【０００８】
第２ピッチ角特性は第１ピッチ角特性とは異なるため、同一の電力を持つ異なるピッチ角がある。そのため、乾燥した天候でのピッチ角は、降水がある場合のピッチ角と異なっていてもよい。
【０００９】
本発明は、少なくとも２つの異なるピッチ角特性に基づいて風力発電設備を制御する見解に関する。その点で、ピッチ角特性は、供給される電力のピッチ角の値を特定する。２つの特性のどちらが使用されるべきかに関する決定は、降水量があるかどうかに応じて行われる。
【００１０】
第１運転モードでは、ロータブレードのピッチ角は、第１ピッチ角特性に従い、第２運転モードでは、風力発電設備は、第２ピッチ角特性に従って運転される。第１運転モードは、例えば、雨のない通常の運転モードを示しており、一方、第２運転モードは、降水量、例えば、雨や雪が降水量センサによって検出された場合に起動される。第１運転モードでは、例えば、乾燥した天候が優位であって、一方、第２運転モードでは、降水がある。
【００１１】
本発明は、雨の場合または濡れたロータ表面を有する場合に、境界層乱流が存在する可能性があるという認識に基づいている。境界層乱流は、結果的に、風力発電設備のロータブレードの輪郭の周りを風が流れるとき、より小さいブレード入射角が流れの分離につながる可能性がある。これは、特に、ロータブレードの後エッジで発生する可能性がある。ロータブレードが濡れているときの流れの剥離は、乾燥した表面を有するロータブレードの場合よりも小さな入射角で既に起こり得る。乾燥した表面を有するロータブレードの場合、流れが乱流に変化する前に、境界層流の層状構成を前エッジから離して考えられる。例えば、雨のような降水量がある場合、風力発電設備および風力発電設備のロータブレードが運転されると、ロータブレードが乾燥している場合よりも、より小さい有効外形の入射角をロータ半径全体にわたって選択すべきである。よって、降水がある場合には、異なるブレード角を有する運転特性が使用されるべきであることが提案される。したがって、制御ユニットは、検出された降水量に応じて異なる運転特性を選択することができるとともに、それぞれの入射角がそれに応じてロータブレードに沿って変化するように異なるブレード角を設定することができる。
【００１２】
風に対するロータブレードの輪郭の設定またはロータブレードに沿ったそれぞれの位置での好ましい方向を示す入射角と、ブレードの根部に設定されている角度を示すピッチ角と同義で呼ばれるブレード角とは、区別される。
【００１３】
本実施形態によれば、第２運転モードから第１運転モードへの切り替えは、もはや降水がないことが検出され、そういう検出から所定の待ち時間が経過するとすぐに有効になる。雨が降っている場合やその他の降水がある場合に、風力発電設備が運転されると、風力発電設備は、第２運転モードで運転する。降水が終わると、風力発電設備は、第１運転モードへ切り戻される。
【００１４】
しかし、特に、濡れたロータブレードが第２運転モードでの運転を適切にすることが認められた。それを考慮すれば、ロータブレードがその待ち時間の間に乾燥され、第１運転モードに戻す前にその待ち時間が最初に観察されるように、待ち時間が観察されることが提案される。待ち時間は、予め決定されてもよい。それは、好ましくは、ロータブレードの乾燥の工程に影響する環境パラメータ、特に、風速および／または外気温に依存して予め決定されてもよい。好ましくは、待ち時間は、５から３０分の範囲である。
【００１５】
第１運転モードから第２運転モードへの切り替えるための待ち時間は必要ない、あるいは、第２待ち時間として著しく短く、例えば、第２運転モードから第１運転モードに切り替えるための第１待ち時間より少なくとも８０％または少なくとも９０％だけ短く選択されてもよい。
【００１６】
本発明の例によるさらなる実施形態は、添付の特許請求の範囲の主題である。
本発明の例による有利な点および実施形態は、図面を参照して以下でより詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る風力発電設備を示す概略図。
【図２】本発明に係る風力発電設備のロータブレードにおける有効な外形入射角度条件を示す概略図。
【図３】本発明に係るピッチ角特性を示すグラフ。
【図４】本発明に係るピッチ角特性を示すグラフ。
【図５】本発明に係るピッチ角特性を示すグラフ。
【図６】本発明に係るピッチ角特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、ピニオン１０２およびポッド１０４を有する風力発電設備１００を示している。ポッド１０４には、スピナ１１０と３つのロータブレード１０８とを有する空力ロータ１０６が配置されている。ロータブレード１０８は、それぞれ、ロータブレード根部１０８ａによってハブに固定されている。ロータ１０６は、動作中に、風によって回転され、そのようにして、ポッド１０４内の発電機（図示せず）を駆動する。ロータブレード１０８ａのピッチ角は、ピッチモータ１０１によって変更または調整することができる。
【００１９】
風力発電設備は、風力発電設備および降水量を検出するセンサ３００の動作を制御する制御ユニット２００をさらに有している。センサは、降水量センサ３００の形態であってもよい。
【００２０】
異なるピッチ特性は、制御ユニット２００内に保存される。制御ユニット２００は、保存されたピッチ特性の１つを選択し、対応する風力発電設備の動作を制御するために、降水量センサ３００の測定結果に基づいて調整される。その点では、制御ユニット２００は、特に、ロータブレード１０８のピッチ角を設定してもよい。
【００２１】
図２は、本発明に係る風力発電設備のロータブレードにおける効果的なピッチ入射角度の概略図を示す。
図２は、異なる気象条件下における本発明に係る風力発電設備のロータブレードにおける外形の異なる有効入射角度を示す。
【００２２】
図２は、乾燥したブレードに対する最大許容外形入射角ＭＡＡ、濡れたブレードに対する最大許容外形入射角ＭＡＢ、相対的な厚み構成Ｄ、第１運転モードＡ（ドライ）における有効な外形入射角度範囲ＥＡＡ、および第２運転モード（ウェット）における有効な外形入射角度範囲ＥＡＢを示している。相対的な厚み構成Ｄは、最大ロータ半径によって標準化され、風力発電設備の半径にわたるロータブレードの相対的な外形厚さの典型的な構成を示している。
【００２３】
図２から分かるように、ウェットコンディション（運転モードＢ）における最大許容外形入射角ＭＡＢは、対応するドライブレード（運転モードＡ）における最大許容外形入射角ＭＡＡよりも小さく、ロータブレードの相対的厚さ（これは相対的な厚み構成Ｄによって示される）が大きいほど、それに対応して、乾燥したブレードを有する最大許容外形ＭＡＡと、濡れたブレード用の最大許容外形ＭＡＢとの差が大きくなる。半径と最大ロータ半径の比ｒ／Ｒが０．６５未満である場合、濡れたブレードの最大許容外形入射角ＭＡＢが著しく低下していること、すなわち、その領域では、濡れたロータブレードの最大許容外形入射角ＭＡＢは、乾燥したロータブレードの最大許容外形入射角ＭＡＡとはかなり異なっている。
【００２４】
図２は、乾燥運転モードにおける風力発電設備の運転中に発生する有効外形入射角度ＥＡＡと、ウェット運転モードにおける有効外形入射角度ＥＡＢとを示す。これら２つの曲線から分かるように、乾燥したロータブレードと濡れたロータブレードとの間には、かなりの違いがある。図２から分かるように、第１運転モードＡでは、より具体的には、乾燥した状態では、ロータブレードは、濡れたロータブレード、すなわち第２運転モードＢの場合よりも、より大きな外形入射角で運転される。
【００２５】
図３から図６は、本発明に係る異なるピッチ角特性をそれぞれ示している。図示されたピッチ角特性は、風力発電設備がまだその公称電力に到達していない、あるいは全体として事象が図示された特性の最後に到達している、いわゆる部分負荷運転に関する。よって、図示されたピッチ特性は、それぞれ公称電力の達成の範囲に対してそれぞれ提供される。第１運転モード（ドライロータブレード）のピッチ角特性ＰＡは、異なる出力電力Ｐに対して一定のピッチ角を持つ第１部分ＰＡ１を有している。ピッチ特性は、出力電力Ｐ３にポイントＰＡ２を有し、そこから一定の部分ＰＡ１が勾配を持つ第２部分ＰＡ３に移行する。第２運転モードＢ（ウェットまたは降水）において、ピッチ角特性ＰＢは、異なる電力出力Ｐに対して一定のピッチ角を有する第１部分ＰＢ１と、出力電力Ｐ３における遷移ポイントＰＢ２と、勾配を有する、いわゆる出力電力の増加に伴ってピッチ角を増加させる第２部分ＰＢ３も有している。
【００２６】
図３では、ポイントＰＡ２およびポイントＰＢ２は、同じ出力電力Ｐ３においてほぼ同じである。第１部分ＰＡ１，ＰＢ１は、ほぼ同じピッチ角を有している。第２部分ＰＡ３，ＰＢ３は、異なる勾配を含む。
【００２７】
図４に示された実施形態では、ポイントＰＢ２は、ポイントＰＡ２（出力電力Ｐ４２）よりも、より低い出力電力Ｐ４１である。第２部分ＰＢ３，ＰＡ３の勾配は、異なっていてもよい。
【００２８】
図３および図４の実施形態では、第１部分ＰＢ１，ＰＡ１のピッチ角は、ポイントＰＢ２までは同じであり、ピッチ角の値は、より高い出力でのみ互いに異なる。
図５の実施形態では、第１部分ＰＢ１におけるピッチ角は、第１部分ＰＡ１よりも高い。ポイントＰＢ２，ＰＡ２は、出力電力Ｐ５において生じる。
【００２９】
図６の実施形態では、第１範囲ＰＢ１，ＰＡ２は、ポイントＰＢ２までは同じであって、第１ポイントＰＢ３，ＰＡ３の勾配は、そのポイントＰＢ２，ＰＡ２からのみ異なる勾配を含む。出力電力Ｐ６１までは、ピッチ角は、両方の運転モードにおいて、同一かつ一定である。出力電力Ｐ６１と出力電力Ｐ６２との間では、ピッチ角は、出力電力を上げながら低下する。それは、両方の運転モードへ適用される。ポイントＰ６２から、第１および第２特性のピッチ角は、異なる勾配で上昇する。
【００３０】
本発明によれば、制御ユニット２００は、供給される出力電力に応じてロータブレードのピッチ角を制御するための第１または第２ピッチ角特性を使用する。
降水量センサ３００によって、風力発電設備が乾燥した条件下で、あるいは降水がある時に、運転されているか否かが検出される。風力発電設備が乾燥した条件下で運転されている場合、それから、第１運転モードは制御ユニット２００によって適合される。その運転モードでは、風力発電設備は、第１ピッチ特性ＰＡに基づいて運転される。降水量センサが、降水があることを検出すると、それから、制御ユニット２００は、風力発電設備の動作、特に、第２ピッチ角特性ＰＢに従ってピッチ角を制御する。本発明によれば、運転モード間の切り替えは、無段階で実施される。運転モードの切り替え時には、降水の強さも考慮されてもよい。
【００３１】
よって、本発明によれば、第１運転モードＡでは、第２運転モードＢよりも高い出力係数が達成されることが可能であり、より大きな入射角はより高い揚力係数をもたらし、したがって、より高い軸指標要素をもたらす可能性がある。風力発電設備は、降水量があるか否かという本発明による区別によって、時間に関して測定されたより高い出力電力を用いて運転される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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