(57)【要約】【課題】本発明は、風力タービン１１０の部品の温度を制御する方法に関する。【解決手段】該方法は、風力タービン１１０の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔを設定するステップと、部品１０１の実温度Ｔｃを求めるステップと、設定した目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと求めた実温度Ｔｃとを比較するステップと、を備える。一実施形態では該方法は、設定した目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと求めた実温度Ｔｃとを比較した結果に基づいて、風力タービン１１０の出力電力Ｐを制御することにより、部品１０１の実温度Ｔｃを制御するステップをさらに備える。【選択図】図１
2011080467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１１０）の部品（１０１）の目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）を設定するステップと、
前記部品（１０１）の実温度（Ｔｃ）を求めるステップと、
設定した前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）と求めた前記実温度（Ｔｃ）とを比較するステップと、
設定した前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）と求めた前記実温度（Ｔｃ）とを比較した結果に基づいて、前記風力タービン（１１０）の出力電力（Ｐ）を制御することにより前記部品（１０１）の実温度（Ｔｃ）を制御するステップと、
を備える、ことを特徴とする風力タービン（１１０）の部品（１０１）の温度を制御する方法。
【請求項２】
前記風力タービン（１１０）の最大可能出力電力（Ｐ，ｍａｘ）を設定するステップと、
実出力電力（Ｐ）を求めるステップと、
設定した前記最大可能出力電力（Ｐ，ｍａｘ）と求めた前記実出力電力（Ｐ）とを比較するステップと、を備え、
前記実出力電力（Ｐ）を制御するステップは、設定した前記最大可能出力電力（Ｐ，ｍａｘ）と求めた前記実出力電力（Ｐ）とを比較した結果を考慮するステップをさらに備える、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記部品（１０１）は、前記風力タービン（１１０）の発電機、および、前記風力タービン（１１０）のギアボックスのいずれかから選択される、ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記風力タービン（１１０）の前記出力電力（Ｐ）を制御するステップは、前記風力タービン（１１０）のロータブレードのピッチングを調整するステップを備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記風力タービン（１１０）の前記出力電力（Ｐ）を制御するステップは、前記部品（１０１）の動作を制御するための電力制御信号（ｕＰ）を生成するステップを備え、
前記電力制御信号（ｕＰ）は、求められた前記実温度（Ｔｃ）と設定された前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）とを比較した結果を表す、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記風力タービン（１１０）の前記出力電力（Ｐ）を制御するステップは、前記実温度（Ｔｃ）が設定した前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）と所定期間にわたって異なるときに行われる、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）は、最大可能部品（１０１）温度（Ｔｍａｘ）から所定の安全温度値（ｄＴｃ，ｓ）を減算した値に設定される、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記部品（１０１）の前記実温度を制御するステップは、冷却制御信号（ｕＱ）により冷却システム（１０３）の冷却電力（Ｑ）を制御するステップをさらに備え、
前記冷却制御信号（ｕＱ）は、前記部品（１０１）の前記実温度（Ｔｃ）を表す、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記部品（１０１）の前記実温度（Ｔｃ）を求めるステップは、前記冷却システム（１０３）の冷却流体温度を測定するステップを備え、
前記冷却流体温度は、前記部品（１０１）の前記実温度（Ｔｃ）を表す、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却制御信号（ｕＱ）により前記冷却システム（１０３）の冷却電力（Ｑ）を制御するステップは、最大冷却電力（Ｑ，ｍａｘ）に達するまで行われ、
前記風力タービン（１１０）の前記出力電力（Ｐ）を制御するステップは、前記冷却システム（１０３）が最大冷却電力（Ｑ，ｍａｘ）で動作するときに行われる、ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記部品（１０１）の前記実温度（Ｔｃ）は、前記冷却制御信号（ｕＱ）により前記冷却システム（１０３）の前記冷却電力（Ｑ）を制御することにより最大冷却電力（Ｑ，ｍａｘ）に達するまで一定に維持され、
前記部品（１０１）の前記実温度（Ｔｃ）は、前記冷却システム（１０３）が最大冷却電力（Ｑ，ｍａｘ）で動作するとき、前記風力タービン（１１０）の出力電力（Ｐ）を制御することにより、一定に維持される、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
風力タービン（１１０）の部品（１０１）の目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）を設定するための入力部（１１１）と、
前記部品（１０１）の実温度（Ｔｃ）を求めるための決定部（１１２）と、
設定した前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）と求めた前記実温度（Ｔｃ）とを比較するための比較部（１１３）と、
設定した前記目標温度（Ｔｃ，ｓｅｔ）と求めた前記実温度（Ｔｃ）とを比較した結果に基づいて、前記風力タービン（１１０）の出力電力（Ｐ）を制御することにより、前記部品（１０１）の実温度（Ｔｃ）を制御するための制御部（１１４）と、
を備えることを特徴とする、風力タービン（１１０）の部品（１０１）温度を制御するための制御装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の制御装置と、
部品（１０１）と、を備え、
前記制御装置は、前記部品（１０１）の温度を制御するように構成されている、
ことを特徴とする風力タービン（１１０）。
【請求項１４】
コンピュータに、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンの部品の温度を制御するための方法、風力タービンの部品の温度を制御するための制御装置、風力タービン、および、風力タービンの部品の温度を制御するためのコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機器、電力コンバータ、キーボックスなどの風力タービンの一般的な部品は、動作時に発生する熱を放散させるために冷却する必要がある。冷却システムは、予め設定した最大部品温度を下回る温度に冷却するために風力タービンの部品温度を維持する冷却電力を生成するよう設計されなければならない。
【０００３】
風力タービンの冷却システムの現在における実際の設計は、特別に設定される、例えば、３５℃または４０℃の最大可能周囲大気温度に基づく。冷却システムは、機械的および電気的損失の結果として生じる熱放散が最大となる最大電力出力においても、関連部品の温度を予め設定した最大部品温度より低く維持するよう設計される。
【０００４】
周囲大気温度か最大可能値を超えており、しかも、機械的および電気的損失の結果として生じる熱放散が最大となる最大電力出力でタービンが動作する場合、冷却システムは、予め設定した最大部品温度より低い値に部品温度を維持することができない場合がある。この状態では、適切な対応が必要となる。
【０００５】
ＥＰ１９１８５８１Ａ２では、上記周囲大気温度を制御入力として用いている。周囲大気温度が最大可能周囲大気温度を超える場合、冷却を行って部品の過熱を防止するため、風力タービンは停止される。部品自体の温度や冷却システムの能力などの他のパラメータは考慮されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＥＰ１９１８５８１Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
周囲大気温度以外にも、部品温度は、部品の生成した出力電力量、風速、冷却システムの冷却能力、塵埃や虫による冷却器の閉塞などの他の種々のパラメータによって影響される。従来の冷却システムでは、風力タービンの部品の適切な冷却のために、これらのパラメータは十分に考慮されていなかった。
【０００８】
本発明は、高温条件下で風力タービンの適切な電力出力を維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、独立請求項にかかる、風力タービンの部品の温度を制御するための方法、風力タービンの部品の温度を制御するための方法、風力タービン、および、風力タービンの部品の温度を制御するためのコンピュータプログラムにより解決可能である。
【００１０】
本発明によれば、風力タービンの部品の温度を制御する方法が提供される。該方法は、風力タービンの部品の目標温度を設定するステップを備える。さらに、部品の実温度が求められる。設定した目標温度と求めた実温度とが互いに比較される。次いで、該方法によれば、部品の実温度は、部品の実温度が部品の目標温度未満に維持されるように、設定した目標温度と求めた実温度とを比較した結果に基づいて、風力タービンの出力電力を制御することにより制御される。
【００１１】
また、本発明によれば、風力タービンの部品温度を制御するための制御装置が提供される。制御装置は、風力タービンの部品の目標温度を設定するための入力部を備える。さらに、制御装置は、部品の実温度を求めるための決定部を備える。制御部はさらに設定した目標温度と求めた実温度とを比較するための比較部を備える。さらに、制御装置は、部品の実温度が部品の目標温度未満に維持されるように、設定した目標温度と求めた実温度とを比較した結果に基づいて、風力タービンの出力電力を制御することにより、部品の実温度を制御するための制御部を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明の実施形態にかかる風力タービンの構成の概略図である。
【図２】図２は本発明の実施形態にかかる冷却システムの冷却サイクルを示す図である。
【図３】図３は本発明の実施形態にかかる出力電力を制御することによる冷却制御サイクルを示す図である。
【図４】図４は本発明の実施形態にかかる出力電力を制御することによる冷却制御を示す図である。
【図５】図５は本発明の実施形態にかかる冷却制御のフローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の或る実施形態によれば、上記制御装置と部品とを備える風力タービンが提供される。
【００１４】
さらに、データプロセッサにより実行され、上記方法を制御するように構成される、風力タービンの部品の温度を制御するためのコンピュータプログラムが提供される。
【００１５】
上記方法により、風力タービンの部品の実温度を、場合により持続的に、測定し、予め設定した部品の目標温度と比較することが可能である。部品の実温度が目標温度に達し、または、これを超えたとき、実温度が設定温度未満に維持されるように、風力タービンの出力電力は低下される。部品温度は通常風力タービンの出力電力に関連するので、風力タービン、または特に部品自体の、出力電力を低下させたとき、部品の温度も低下させることができる。
【００１６】
したがって、本発明にかかる風力タービンの部品温度の制御は、周囲温度に依存しない。部品温度の制御は、部品温度に直接依存する場合がある。それゆえ、部品温度を入力パラメータとして制御に取り入れることにより、適切な制御方法を提供することができる。特に、部品温度は、電力生成、風速、冷却システムの冷却能力および／または塵埃や虫による冷却器の閉塞などの種々の他のパラメータの指標となる。
【００１７】
部品温度に応じた制御で、風力タービンの出力電力を低下させることにより、部品を有する風力タービンは、過酷な環境条件、例えば高い周囲温度に対処することができる。これは、部品の過熱を防ぐために、周囲温度が所定目標温度を超えたとき、または、部品温度限界を超えたとき、風力タービンの電力生成が停止する従来技術とは異なる。したがって、本発明にかかる上記制御システムにより制御される風力タービンは、高い周囲温度が存在する高温の場所に設置された場合でも、効率的に出力電力を産み出すことができる。従来のシステムでは、高い周囲温度が存在する場合、部品温度の制御が不可能なため、タービンは風速が高くても停止されなければならなかった。本発明によれば、電力生成は、部品温度に合わせることが可能であり、タービンは少なくとも低減された出力電力を生成するので、高温の場所でも風力エネルギを利用することができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンの最大可能出力電力を設定することができる。さらに、実出力電力が求められる。設定した可能出力電力、および、求めた実出力電力は、互いに比較される。実出力電力は、設定した可能出力電力と求められた実出力電力とを比較した結果を考慮することにより、最大可能出力電力未満に維持されるように、さらに制御可能である。このため、この実施形態によれば、出力電力は一方で部品の実温度に従って、他方で最大可能出力電力に従って制御可能である。よって、本発明の実施形態によれば、最大可能出力電力および部品の目標温度に対して効果的な電力生成をもたらす、総合的な制御システムが提供可能である。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、部品は風力タービンの発電機およびギアボックスのいずれかから選択可能である。特に、発電に関わる部品、例えば発電機およびその従属部品例えば風力タービンのギアボックスでは、高い出力電力を生成するときに、部品温度が上昇する。よって、部品の実温度により出力電力を制御するとき、この制御は、風力タービンの発電機およびギアボックスの温度に関連する。
【００２０】
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンの出力電力は、風力タービンのロータブレードのピッチングにより制御することができる。ロータブレードのピッチングとは、ロータブレードが、風力エネルギおよび機械的エネルギを変換するための第１の位置、または、風力エネルギがロータブレードによる機械的エネルギに変換されない、風がロータブレードを通過する第２の位置に回転するように、アクチュエータによりロータブレードをロータブレードの縦軸を中心として回転させることを意味する。これは、付加的な摩擦ブレーキ機構などを必要とすることのない、効果的な出力電力制御となる。さらに、ロータブレードのピッチングにより、出力電力の正確な制御が実現可能であり、よって、部品温度の正確な制御が実現可能である。
【００２１】
本発明の他の実施形態によれば、部品の動作を制御するための電力制御信号が生成されてもよい。電力制御信号は、求めた実温度と設定した目標温度とを比較した結果を表す。電力制御信号は、特に、部品の電力生成を制御するための制御値を含む。例えば、電力制御信号は、０〜１の範囲の値が可能であり、ここで０の値は部品の電力生成の停止をもたらし、１の値は部品の最大の電力生成をもたらす。例えば、値０．１または０．２の値は部品の１０％または２０％の電力生成をもたらす。電力制御信号の値は、実温度と目標温度との比較により設定可能である。特に、部品の実温度が目標温度を超えるとき、電力制御信号はその値を１から０．９まで変化させ、出力電力の９０％だけが部品により生成されるようにする。９０％の電力生成が部品の実温度を目標温度未満に低下させるのに十分であれば、電力制御信号は０．９に維持される。部品の実温度が依然として目標温度を超えるのであれば、電力制御信号は再度低下され、部品の実温度が目標温度未満まで低下するように電力制御信号の値が設定される。このため、出力電力の制御された低下が実現され、部品温度に関して最大出力電力が常に生成されるように、最大可能値が定められる。このとき、部品の実温度は目標温度以下である。従来のシステムでは、例えば周囲温度が再び所定目標温度未満まで低下するまで、部品の出力電力は０へ低下される。これは、電力生成の無駄を生じる。一方、本発明によれば高い周囲温度および部品温度においても電力生成は少なくとも低下した電力生成で未だ可能である。
【００２２】
本発明の他の実施形態によれば、風力タービンの出力電力は、部品の実温度が所定期間内に目標温度と異なったとき、例えば、異なった時はじめて、制御される。本実施形態によれば、部品の実温度は所定期間の間に、所定の目標温度を超えるか、または、下回る。例えば、風速は急速に変化した場合には、部品の出力電力も同様に急速に変化し、よって、部品の温度も急速に変化し、揺らぐ。よって、部品温度が短い期間しか目標温度を超えない場合、例えば過熱に起因する部品の損傷が部品の寿命または品質に大きく影響しないので、部品温度を下げるために部品の出力電力を低下させる必要がない場合がある。つまり、出力電力の制御および低減を急いで行う必要はない。特に、所定期間内に部品温度が再び目標電圧に適合する場合があるので、出力電力の急速な変化は必要ではない場合がある。所定の待機時間を設ければ、全体の電力生成は制御システムによりほとんど影響されない、出力電力の不必要な変化を低減できる。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、目標温度は部品の最大可能温度から所定の安全温度値を減算することにより設定される。部品の最大可能温度は、この温度を超えたときに部品の故障、すなわち、風力タービンの故障をもたらしうる温度として設定される。目標温度を、部品の最大可能温度に対して所定の安全温度値だけ差を有する温度未満に設定すると、過熱のリスクは低減される。
【００２４】
本発明の他の実施形態によれば、部品の実温度の制御は、冷却制御信号による冷却システムの冷却電力の制御を含む。冷却制御信号は、部品の実温度の指標となる。本発明の実施形態によれば、出力電力ならびに冷却電力を制御して部品を冷却することができる。従って、部品の実温度の指標となる冷却制御信号が得られる。例えば、冷却制御信号は０と１の間の値に設定され、値０は冷却システムの停止を定義し、値１は冷却システムの最大冷却能力での動作を定義する。例えば、冷却制御信号が０．１の場合、１０％の冷却電力が生成される。
【００２５】
本発明の他の実施形態によれば、部品の実温度の測定は、冷却システムの冷却流体の温度を測定するステップを含み、冷却流体の温度は部品の実温度の指標となる。冷却流体は通常冷却回路を、冷却すべき部品および熱交換機へと流れる。冷却流体が部品を通過するとき、熱は冷却流体により吸収され、部品は冷却される。熱交換機を通過するとき、冷却流体は再度冷却される。部品を通過した後の冷却流体の温度から、部品温度を測定することができる。部品が熱せられるほど、冷却流体が熱せられる。冷却流体の温度を測定することにより、各部品に温度センサを設ける必要は無くなる。さらに、冷却巡路が冷却すべき複数の部品の間を巡っている場合、部品を通過した後の冷却流体の温度は、各部品の平均温度表すものとすることができる。
【００２６】
本発明の他の実施形態によれば、冷却システムの冷却電力の制御は、最大冷却能力に達するまで、冷却制御信号により行われる。冷却システムが最大冷却能力で動作する場合、および／または、部品の実温度が所定温度値を超える場合、風力タービンの出力電力の制御が行われる。よって、２段階の冷却レベルを有する合理的な冷却システムが提供される。第１のレベルでは、周囲温度が変化し、特に上昇する場合でも、電力出力は一定であり、冷却システムは冷却電力または冷却制御信号を制御するだけで、部品を冷却することができる。最大出力電力に達し、周囲温度が高く、部品温度が所定温度値、例えば部品の目標温度を超えるときは、部品の実温度が、冷却システムでの冷却に加えてまたはその代わりに、部品の出力電力の制御により維持される。よって、適切な冷却電力を提供するための、および、同時に部品温度に関して可能な最大出力電力を提供するための、異なる動作レベルに適合する、柔軟な冷却および制御システムが提供される。
【００２７】
本発明の他の実施形態によれば、最大冷却電力に達するまで、冷却制御信号により冷却システムを冷却する冷却電力を制御することにより、部品の実温度は一定に維持される。次いで、冷却システムが最大冷却電力で動作する場合、部品の実温度は風力タービンの出力電力を制御することにより、一定に維持される。材料の疲労をもたらしうる、変化熱膨張が発生しないため、部品温度を一定に維持することは部品の寿命を延ばす。部品の温度を一定に維持するため、部品温度に関して冷却システムおよび冷却電力を制御するサーモスタットが提供される。
【００２８】
まとめると、本発明によれば、部品、例えば、ギアボックスまたは発電機の温度が設定した最大動作温度限界に達している状態で、風力タービンを動作させることが可能となる。これは冷却システムが最大能力で動作し、周囲温度が高い状況下で動作しているときに起こりうる。設定した目標温度以下に部品の温度を維持するため、風力タービンを停止する代わりに風力タービンの出力電力が低下される。
【００２９】
このような状況は高い周囲温度および高い風力が同時に存在する場所で容易に起こりうる。大きい冷却システムの重量、大きさおよびコストのため、あらゆる周囲温度に対処することは可能ではない。よって、本発明にかかる温度制御方法および装置を用いることにより、高い周囲温度および高い風速が同時に存在する場合でさえも、タービンを、少なくとも低下した出力電力生成の下で、動作させることが可能となる。従来の温度制御システムでは、周囲温度が設定温度を超えるとき、風力タービンは停止されなければならない場合があり、停止の結果、停止期間における出力電力生成全損失がもたらされる。本実施の形態にかかる制御システムによれば、タービンを少なくとも最低の電力生成で動作をさせ続けることができる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、冷却システムをその場所の最高温度未満の周囲温度に設計することにより、冷却システムの大きさを大幅に低減でき、コスト的に最適な風力タービンおよび冷却システムを設計することが可能となる。その一方で、制御によってタービンの出力電力を低下させることにより、部品、例えば発電機、ギアボックスの温度を制御することができるため、冷却システムはさらに極端な温度に対処することができる。換言すれば、部品の冷却は、冷却システムの制御だけでなく、電力生成の制御によっても行われる。
【００３１】
さらに、分析によれば、暑い場所に設置されたタービンが、１つの季節の比較的短い期間、高温および高い風速が同時に重なった状態で動作し、大きくかつコストのかかる冷却システムが不要となり、温度の高い季節の間の出力電力の制御がより効率的となる。
【００３２】
現代の風力タービンにおける電力生成部品、特に、発電機およびギアボックスは、数トンの重量を有する大きな部品であり、熱時定数は比較的長く、発電機の温度上昇に対処する機会がある。部品の温度を測定することにより、部品の温度が最大動作温度、例えば目標温度に達する前に、周囲温度が低下し、または、風が穏やかになれば、長い時定数、例えば、上記の予め設定した期間の利点が得られる。このように、風力タービンの出力電力を低下させることが必要となるまで、長い時定数、すなわち設定した期間が待たれ、これは部品の温度自体が測定される場合にのみ可能である。ＥＰ１９１８５８１Ａ２に記載された周囲温度のみを測定することと比べると、公報記載のやり方で部品温度は制御システムの入力パラメータではないので、上記のようなことは不可能である。
【００３３】
さらに、本発明の実施形態によれば、将来の天候変化をも考慮に入れることができる。今日、タービンは、２０年の寿命で通常設計されるが、大きな温度変化が季節ごとに観察される事実から、今日の天候変化から、その場所の将来の温度、特に周囲温度、風速を予測することは困難である。この点において、２０年は長い時間である。世界のある地域では、熱く、乾燥し、風の強い期間がより多くなっているが、本発明にかかる制御方法を用いるタービンは、これらの変化、特に、周囲温度の変化に耐えることができる。なぜなら、冷却システムが小型にデザインされ、かつ、その最大冷却能力で動作している場合であっても、部品温度が制御可能であるためである。例えば、従来の風力タービンでは、周囲温度が過度に低く設定されている場合、周囲温度が常に設定した周囲温度を超えるために風力タービンがしばしば停止するので、２０年後には従来の風力タービンは１年のうちの長期間動作せず、長期間停止することとなる。
【００３４】
さらに、本発明によれば、虫、塵埃等によるフィルタの閉塞により冷却システムの能力が劣化した場合でも、風力タービンを動作することができる。これは、部品自体の温度を制御のための入力として用い、出力電力の制御により冷却システム以外の部品温度を制御する場合にのみ可能である。フィルタが閉塞された場合、冷却システムの能力が低下してもタービンを動作させ続けることができる。
【００３５】
風力タービンの動作場所の統計的分析によれば、１年間に比較的短期間ではあるが、タービンが高温かつ高い風速で同時に動作しなければならないことが示される。それ故、本方法を用いることの利点は、冷却システムの必要とされる冷却力を低下させて、タービンのコストを低減するか、または、過大な冷却システムを必要とすることなしに、部品温度に関して出力電力を適合化して、年間のエネルギ生成量を増大させることによって、用いられる。
【００３６】
本明細書中、コンピュータプログラムについての参照は、上述した方法の実行に調和するためのコンピュータシステムを制御するための指示を含むプログラム要素および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体の参照と同等であると意図される。
【００３７】
コンピュータプログラムは、例えば、ＪＡＶＡ、Ｃ＋＋のような任意の適したプログラム言語のコンピュータ読み取り可能な指示コードとして組み込まれてもよく、コンピュータ読み取り可能な媒体（リムーバブルディスク、揮発性または不揮発性メモリ、組込メモリ／プロセッサ等）に格納されていてもよい。指示コードは、コンピュータまたは意図された機能を実行するための任意の他のプログラム可能な装置のプログラムに動作可能である。コンピュータプログラムは、Ｗｏｒｌｄ  Ｗｉｄｅ  Ｗｅｂなどの、ダウンロード可能なネットワークから、入手可能であってもよい。
【００３８】
本発明は、コンピュータプログラムソフトウェアにより実現されてもよい。しかし、本発明は、１または複数の特定の電子回路ハードウェアにより実現されてもよい。さらに、本発明は、ハイブリッドの形態、すなわち、ソフトウェアモジュールとハードウェアモジュールの組み合わせにより実現されてもよい。
【００３９】
本発明の実施形態は、異なる対象について記載されたものであることは留意すべきである。特に、ある実施形態は装置型の請求項を参照して記載され、他の実施形態は方法型の請求項を参照して記載される。しかし、当業者は、上記および以下の記載から、他に指摘しない限り、一方の型の対象に属する特徴の任意の組み合わせだけでなく、異なる対象に関連する特徴の任意の組み合わせ、特に、本願に開示されると考えられる、装置型の請求項の特徴と方法型の請求項の特徴との組み合わせから理解するであろう。
【実施例】
【００４０】
本発明の上記実施態様および他の態様は、以下に示す実施例から明らかとなり、実施例を参照して説明される。本発明は、実施例を参照して以降詳細に説明されるが、本発明はこれに限定されない。
【００４１】
図面中の表示は概略的なものである。異なる図面中、同様または同一の要素には同一の参照符号が付される。
【００４２】
図１は、風力タービン１１０の概略構成図を示す。風力タービン１１０は、風力タービン１１０の部品１０１の温度を制御するための制御装置１００を備える。制御装置１００は、風力タービン１１０の部品１０１の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔを設定するための入力部１１１を備える。制御装置１００は、部品１０１の実温度Ｔｃを求めるための決定部１１２を備える。制御装置１００は、設定された目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと求められた実温度Ｔｃとを比較する比較部１１３を備える。制御装置１００は、設定された目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと求められた実温度Ｔｃとを比較した結果に基づいて風力タービン１１０の出力電力Ｐを制御することにより、部品１０１の実温度Ｔｃが部品１０１の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔ未満か、または、当該温度に一定に維持されるように、部品１０１の実温度Ｔｃを制御する制御部１１４を備える。
【００４３】
図１に示すように、部品コントローラ１０２は、部品１０１の設定された目標温度Ｔｃ，ｓｅｔおよび実温度Ｔｃを入力パラメータとして受け取る。部品１０１の実温度Ｔｃは、風力タービン１１０の出力電力Ｐを制御することにより、部品１０１の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔ未満に部品１０１の実温度Ｔｃが維持されるよう、制御可能である。図１からわかるように、例えば、部品１０１の設定された目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと実温度Ｔｃとを比較することにより、部品１０１の動作、ひいては、部品１０１の温度を制御するため、部品コントローラ１０２は電力制御信号ｕＰを出力する。
【００４４】
部品１０１は、例えば、風力タービン１１０の発電機、風力タービン１１０のギアボックス、または、発電が部品温度に影響する他の部品を含んでよい。図１に示すように、風速Ｖおよび周囲温度Ｔａは、部品１０１の温度Ｔｃに対して直接に、または電力生成による温度変化に起因して間接に、影響する。また、他のパラメータ、例えば、塵埃や、冷却器を閉塞する他の閉塞要素が、部品１０１の実温度Ｔｃに影響しうる。
【００４５】
また、図１に示すように、冷却システム１０３は冷却コントローラ１０４により制御されるように設けられていてもよい。冷却システム１０３は、部品１０１の実温度Ｔｃを下げるための、設定された冷却電力Ｑを提供することができる。
【００４６】
冷却システム１０３の冷却電力Ｑは、以下の式により設定される。
Ｑ＝ＵＡ・（Ｔｃ−Ｔａ）
式中、ＵＡは冷却システムの熱容量、Ｔｃは部品温度、Ｔａは周囲大気または他の冷媒の周囲温度を示す。
【００４７】
風力タービン１１０の従来の冷却システムは、典型的には３５℃から４０℃の範囲の、所定の最大可能周囲温度Ｔａに基づいて設計される。
【００４８】
全負荷で動作するタービン１１０のため、所定の最大可能周囲温度Ｔａ，ｍａｘを考慮して最大冷却電力Ｑｍａｘが設定される。この入力パラメータからは以下の式に示されるような冷却システムの大きな必要熱容量ＵＡが導出される。
ＵＡ＝Ｑ／（Ｔｃ−Ｔａ）
したがって、所定の高い周囲温度および高い必要冷却電力Ｑのため、大きなサイズの冷却システム１０３を設ける必要があり、冷却システム１０３の投資コストは、周囲温度Ｔａが部品温度Ｔｃに近いときに特に高いものとなる。
【００４９】
さらに、より高効率の風力タービン１１０を実現するため、部品１０１の温度Ｔｃをできるだけ低く維持し、発電機などの部品中の電気コンダクタの電流損失などの損失を低くすべきである。また、永久磁石を有する現代の発電機については、磁石温度は高効率のために、低く維持されるべきであり、典型的には磁石温度は６０℃から８０℃のＴｃ，ｍａｘを超えるべきではない。よって、今日、Ｔｃ−Ｔａにより設定される温度ギャップは低いものが求められている。
【００５０】
したがって、大きなラジエータを有する大きな冷却システムが求められており、大きな冷却システムを風力タービン１１０のナセルに設置しなければならず、このことは、風力タービン１１０のコストを増大させる。
【００５１】
第１の例では、最大周囲温度Ｔａ，ｍａｘは３５℃に設定され、最大部品温度Ｔｃ，ｍａｘまたは目標温度Ｔｃ，ｓｅｔは６０℃に設定される。第２の例では、設定される最大周囲温度Ｔａ，ｍａｘは３５℃から４０℃に上昇するので、冷却システム１０３の必要な熱容量ＵＡを２５％増大しなければならない。
（Ｔｃ，ｍａｘ１−Ｔａ，ｍａｘ１）：（Ｔｃ，ｍａｘ２−Ｔａ，ｍａｘ２）＝（６０−３５）：（６０−４０）＝１．２５＝２５％
【００５２】
これまで、上述の問題を解決するために、高い最大冷却電力Ｑｍａｘが得られるよう、比較的大きな冷却システム１０３を用いていた。部品１０１の温度Ｔｃは、例えば出力電力Ｐ、風速Ｖ、冷却電力Ｑ、周囲温度Ｔａ、周囲大気圧または塵埃や虫による冷却システム１０３の冷却器の閉塞に依存している。
【００５３】
冷却システム１０３の設計段階において、冷却システム１０３の熱容量ＵＡは下記式により設定される。
ＵＡ＝Ｑｍａｘ／（Ｔｃ，ｍａｘ−Ｔａ，ｍａｘ）
式中、最大冷却電力Ｑｍａｘは、最大可能出力電力Ｐｍａｘおよび所定の最大周囲温度Ｔａ，ｍａｘのもとにおける、通常は全負荷での最大必要冷却容量を定義する。
【００５４】
安全のため、実用上は、部品の温度が所定制限を超えると、すなわち、Ｔｃ＞Ｔｃ，ｍａｘの場合には、風力タービン１１０は停止される。
【００５５】
これは特に、周囲温度Ｔａが高く同時に風力タービン１１０が全負荷で、例えば、大きい風速Ｖで動作している場合に発生することがある。その場合、風力タービン１１０が高い周囲温度Ｔａのため、停止される。
【００５６】
周囲温度Ｔａからは、部品１０１の温度Ｔｃ、冷却システム１０３の冷却電力Ｑの容量、さらには部品１０１の熱時定数、すなわち、特定の周囲温度Ｔａのもとで部品１０１が加熱冷却されるのにかかる時間について何も示されないにもかかわらず、従来の冷却方法によれば、周囲大気温度Ｔａだけが風力タービン１１０を停止するための基準として考慮されている。
【００５７】
図２は、冷却プロセスを示す図である。冷却制御信号ｕＱが一方の軸に０〜１の間の値で設定される。値０は冷却システム１０３が停止している状態を表し、値１は冷却システム１０３が最大冷却電力Ｑｍａｘで動作している状態を表している。冷却システム１０３は、所定の部品温度Ｔｃ１が測定されたときに冷却電力Ｑを発生するよう動作開始する。温度Ｔｃ２にて、冷却システム１０３の最大冷却電力Ｑｍａｘが生成され、冷却制御信号ｕＱは値１を有する。部品の実温度Ｔｃが最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘまでさらに上昇する場合には、タービン１１０は故障しており、停止させる必要がある。
【００５８】
図３は本発明の実施例にかかる冷却プロセスの例を示す。所定の部品温度Ｔｃ２に達したとき、冷却システム１０３の最大冷却電力Ｑｍａｘが必要とされる。本発明によれば、部品１０１の所定の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔが設定される。出力電力Ｐは制御可能であり、特に、部品１０１の温度Ｔｃが所定の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔ未満となるまで低減される。
【００５９】
部品１０１の故障を引き起こしうる最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘの超過を防ぐため、部品１０１の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔは、部品１０１の最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘ未満の所定の値に設定される。よって、目標温度Ｔｃ，ｓｅｔは下記式により定義される。
Ｔｃ，ｓｅｔ＝Ｔｃ，ｍａｘ−ｄＴｃ，ｓ
式中、ｄＴｃ，ｓは所定の安全温度値に設定され、目標温度Ｔｃ，ｓｅｔは、最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘ未満の所定値に設定される。
【００６０】
安全温度値ｄＴｃ，ｓは例えば、１０℃、５℃、または、２℃〜４℃に設定することができる。
【００６１】
図４は、本発明にかかる冷却過程の実施例の概略図である。図４に示されるように、所定の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔが設定され、部品の実温度Ｔｃと比較される。この比較に基づいて、部品コントローラ１０２は、部品１０１を制御する、特に、部品１０１の出力電力Ｐを制御する電力制御信号ｕＰを生成する。電力制御信号ｕＰは、０から１の値に設定される。値０は出力電力Ｐが生成されないことを示し、値１は１００％の出力電力Ｐｍａｘを示す。続いて、部品温度Ｔｃがさらに測定され、再び、目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと比較される。部品温度が例えば目標温度Ｔｃ，ｓｅｔ未満まで下がっていれば、部品コントローラ１０２は部品１０１の出力電力Ｐを増大させることができる。さらなる測定サイクルにおいて、部品の実温度Ｔｃが、再度、目標温度Ｔｃ，ｓｅｔと比較され、別の電力制御信号ｕＰが部品コントローラ１０２により生成される。従って、出力電力Ｐの電力生成は、持続的に部材の実温度Ｔｃに適合化され、これにより、最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘまたは目標温度Ｔｃ，ｓｅｔの値を超過することなく最適な出力電力Ｐが常に生成される。換言すれば、部品１０１の温度を常に制御する本方法により、風力タービン１１０の電力生成を完全に停止することのない、最適な電力生成の達成が可能である。
【００６２】
従来のシステムと比べ、本発明によれば、高い周囲温度Ｔａおよび高い出力電力Ｐの生成が同時に発生する場合に、電力生成がわずかに低下するのみで、最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘは超過されない。
【００６３】
従来のシステムでは、高い環境温度Ｔａ、高い電力生成のため、周囲温度Ｔａが所定値未満に低下するまで、タービン１１０は停止されてしまう。
【００６４】
本発明によれば、部品温度Ｔｃは出力電力Ｐにより制御される。出力電力Ｐの小さな電力低下だけで、比較的大きい部品温度Ｔｃの低下が得られることが、計算により示された。
【００６５】
特に、風力タービン１１０は非常に動的な外部環境、例えば、周囲温度Ｔａおよび風速Ｖの下で動作する。さらに、各部品１０１は、部品１０１が周囲温度Ｔａに適合する速さを表す、熱時定数を有する。換言すれば、熱時定数は、部品１０１がどれだけ早く加熱冷却するかの速度を表す。よって、本方法が、出力電力Ｐの制御が開始されるまで、部品の実温度Ｔｃが所定の目標温度Ｔｃ，ｓｅｔを超えるかまたは異なることを許容する期間が、所定期間として設定される。
【００６６】
図５は風力タービン１１０の冷却過程における４つの状態の例を示す。状態１では、部品温度Ｔｃは、出力電力Ｐが低く、冷却システム１０３が停止している間に測定される。部品温度Ｔｃが設定された第１の部品温度Ｔｃ１を超えた場合、冷却システム１０３が起動される。状態２では、低程度から中程度の電力生成があり、このとき、冷却電力Ｑは部品温度Ｔｃに応じて変化する。部品温度Ｔｃが所定期間ｄＴｃ１の間、第１の部品温度Ｔｃ１を下回る場合、冷却システム１０３は再度停止される。冷却システム１０３の必要供給電圧Ｕが最大供給電圧Ｕｃｍａｘよりも高くなったとき、状態３が始まる。状態３では、冷却システム１０３は最大冷却電力Ｑｍａｘに達するまで冷却電力Ｑを生成する。システムの最大冷却電力Ｑｍａｘに達し、出力電力Ｐが高く、かつ、部品温度Ｔｃが所定の第２の部品温度Ｔｃ２を超える状態となった場合、状態４が始まる。
【００６７】
状態４では、最大冷却電力Ｑｍａｘが生成され、部品の冷却は出力電力Ｐの調整により制御される。
【００６８】
従来の風力タービン１１０においては、部品を冷却すべく、状態４で風力タービン１１０は停止される。ここで、部品の停止は周囲温度Ｔａに依存する。
【００６９】
本発明によれば、状態４では、部品温度Ｔｃが測定され、出力電力Ｐが部品温度Ｔｃに関して調整される。部品温度Ｔｃが所定期間ｄＴｃ２の間、第２の部品温度Ｔｃ２を下回る場合、状態３の過程が再度始まる。出力電力Ｐを制御しても部品温度Ｔｃが最大可能部品温度Ｔｃ，ｍａｘを超える場合、風力タービン１１０は過熱を防ぐため停止される。
【符号の説明】
【００７０】
１００  制御装置、  １０１  部品、  １０２  部品コントローラ、  １０３  冷却システム、  １０４  冷却システムコントローラ、  １１０  風力タービン、  １１１  入力部、  １１２  決定部、  １１３  比較部、１１４  制御部
【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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