(57)【要約】風力エネルギータービンは、大きさ及び出力の設計によって、比較的高価な資本財であり、風力エネルギータービンの約束された高耐用性が達せられるべきならば、風力エネルギータービンの故障のための危害を加える力、損害、又は他の原因に対して保護される必要がある。同時に、常に最大規模のエネルギー収率を実現するために、最大限の出力で風力エネルギータービンを運転することが望ましい。両方の目的(すなわち、高耐用性と最高規模のエネルギー収率)は、部分的に正反対である。基本的に、エネルギー収率を増大するために部分的に過負荷範囲において風力エネルギータービンを運転することができる。しかし、同時に、これは、耐用年数の著しい短縮をもたらす。これに反して、風力エネルギータービンが非常に低速範囲において運転されるならば、タービンは、前記のものよりより良い保護を有するが、そのエネルギー収率は不十分である。本発明の目的は、風力エネルギータービンの故障のための損害又は他の原因に対して風力エネルギータービンを保護する測定及びオプションを提供することであり、同時に最大源のエネルギー収率を実現することである。本発明はまた、風力エネルギータービンのナセルに取り付けられ、風力エネルギータービンのロータの正面の領域からのデータを捉える音波気象探知機システムを有する風力エネルギータービンに関する。
2004537000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電装置の胴体部に取り付けられ、風力発電装置のロータの正面の領域を探知する音波気象探知機システムを有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
上記音波気象探知機が、好ましくは風力発電装置のロータの平面の正面に、好ましくは上記風力発電装置のロータのハブ領域に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
上記音波気象探知機が、ロータの正面の風の状態を測定し、風力発電装置の制御に対応測定データを伝達し、特に望ましくない風の状態が発生する場合には、例えば、突風が発生する場合には、次には、好ましくない負荷及び損害から装置全体を保護するために、ロータブレードの迎え角を適切に変えることを特徴とする前請求項の１つに記載の風力発電装置。
【請求項４】
第１風力発電装置の上記領域において風の状態を測定する手段を有し、測定されたデータが、第１風力発電装置及び／又は上記風力発電装置付近にあるもう１つの第２風力発電装置を制御する制御装置により処理され、上記制御が、特に風に対するロータブレードの迎え角(ピッチ角)の調整を伴い、第１風力発電装置を危険にさらす風の状態が測定されるとすぐに、迎え角の調整がもたらされることを特徴とする風力発電地帯の風力発電装置を保護する早期警戒システム。
【請求項５】
上記風力発電地帯にある第１に風にさらされる第１風力発電装置の測定データが、風の方向に第１風力発電装置の後ろにある少なくとも１つの第２風力発電装置に伝達され、第１風力発電装置の風の影にある第２風力発電装置が、第１風力発電装置の上記領域の風の状態について測定されるデータに依存して制御されることを特徴とする前請求項の１つに記載の複数の風力発電装置を有する風力発電地帯。
【請求項６】
上記風速の先行探知が、第１風力発電装置のためにもたらされ、風力発電装置、特にロータブレードの迎え角の制御が、探知される風速及び／又は風向に依存してもたらされることを特徴とする１つ若しくはそれ以上の風力発電装置を制御する方法。
【請求項７】
上記風力発電装置の全体又は局部的な領域において突風の風を特に探知するために、風速の空間的及び／又は時間的分布を探知することにより特徴付けられる請求項６記載の方法。
【請求項８】
一連の風力発電装置の１つ若しくはそれ以上の所定の風力発電装置に配設される装置を用いて風速を探知することにより特徴付けられる前請求項の１つに記載の方法。
【請求項９】
各個々の風力発電装置が、探知される風速及び／又は風向を考慮する先行状態において制御されることを特徴とする前請求項の１つに記載の方法。
【請求項１０】
上記風力発電装置の制御命令が、風力発電装置自体より、又は中央制御により生じさせられることを特徴とする前請求項の１つに記載の方法。
【請求項１１】
上記風の状態(風速、風向)に関する情報が、無線を使用して又は配線によって風力発電装置間で伝達されることを特徴とする前請求項の１つに記載の方法。
【請求項１２】
風速及び／又は風向の情報を上記風力発電地帯の中の少なくとも１つの別の風力発電装置に伝達したり、上記風力発電地帯の中の少なくとも１つの別の風力発電装置から受信したりする装置により特徴付けられる風力発電装置の上記領域において風の状態を探知する装置を有する風力発電装置。
【請求項１３】
上記風速を探知する装置が、音波を用いて、好ましくは音波気象探知機のように超音波を用いて作動することを特徴とする風の状態を探知する装置を有する風力発電装置。
【請求項１４】
上記風速を検出する装置が、風速発電装置の胴体部の上記領域の少なくとも一部に配設されることを特徴とする請求項１３記載の風力発電装置。
【請求項１５】
上記風速を３次元的に探知する装置が、上記風速を探知することを特徴とする請求項１４記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
風力発電装置は、それぞれの大きさ及び出力の設計に応じて、比較的高価な設備投資項目であり、上記装置は、風力発電装置について約束された高耐用性が達せられるべきならば、風力発電装置の故障を引き起こす破壊、損害、又は他の原因から保護されるべきである。同時に、風力発電装置に関して、最大規模のエネルギー収率(energy yield)を実現することもまた可能であるように、常にそれらを最大限の出力において稼動したいという望みがある。両方の目的、すなわち、一方においては高耐用性と、他方においては可能な限り最高のエネルギー収率とは、部分的にまったく正反対の関係にあるが、結局広く認められるように、基本的に風力発電装置はまた、部分的に過負荷範囲において作動されることが可能であり、それにより、そのエネルギー収率が増加されるが、同時に、これはまた耐用年数に著しい短縮をもたらす。対照的に、風力発電装置が、かなり低い風速範囲においてのみ作動されるならば、上記装置は、確かに前記のものよりより良く保護されるが、エネルギー収率の観点からすれば不十分である。
【０００２】
本発明の目的は、風力発電装置の故障を引き起こす損害又は状況から風力発電装置を保護し、同時に、最大限のエネルギー収率がまた実現され得る測定及び可能な方法を提供することである。
【０００３】
上記目的は、請求項１又は請求項２に記載されている特徴を有する本発明により達せられる。有利な展開が、付随する請求項に記載されている。
【０００４】
本発明は、従来のように、風速計により風力発電装置において風の状態を測定するだけでなく、風の方向に第１の風力発電装置の後ろに配置されている風力発電装置のためにそれらの測定結果を使用することの実現に基づいており、例えば、突風又はスコール(squall)が起こる場合には、必要に応じて、上記装置が、突風又はスコールが風力発電装置に衝突する前のまだ良好な間にそのブレード(blade)の取付け角に関して変更を行うことができ、突風又はスコールが風力発電装置に衝突する場合には、負荷は、損害を生じさせるほど大きくはない。
【０００５】
本発明に係る早期警戒システムは、２つの部分的に異なる解決手段(アプローチ：approach)に基本的に基づいており、それらはまた共に結合され、お互いに補足し得る。
【０００６】
１つの実施可能な手段は、風力発電装置自体に、好ましくはその胴体部(ポッド：pod)に、例えば、回転翼(ロータ：rotor)の正面のフロントハブ(front hub)領域に、いわゆる音波気象探知機システム(ソーダーシステム：SODAR system)(例えば、http://aku100.physik.uni-oldenburg.de/Schallausbreitung/sodar1参照)を取り付けることを伴う。上記の音波気象探知機システム(音波の探知及び測距)は、風力発電装置の正面の所望の方向において(風の方向において)風の状態を(オンラインで)３次元的に探知可能である。従って、音波気象探知機システムが、風力発電装置の胴体部に取り付けられ、風力発電装置のロータの正面の上記領域の方へ向けられるならば、(音波気象探知機システムが胴体部とともに常に主な風向きの方向に向きを合わせられるように)あらゆるその後の調整は必要なく、突風又はスコールが起こるかどうかを確かめるために、風力発電装置のロータの正面の上記領域を観測することができる。
【０００７】
音波気象探知機システムは、確かに基本的に今まで知られているが、これまでそれらは、固定して組み立てられるのみ、又はトレーラー上の移動装置の形で移動され、それから所定の領域において風の分布(プロファイル：profile)の１回限りの測定に役立つのみである。
【０００８】
本発明に基づいて、上記の音波気象探知機システムは、風力発電装置にそのままにしておかれ、一回固定して据え付けられるだけではない。その結果、風力発電装置の好ましくない過負荷をもたらし得る突風又はスコールが近づく場合には、良好な間に探知され、ロータブレードは、突風又はスコールがまだ風力発電装置に衝突する前である時に適切に調整され、それにより、突風又はスコールが風力発電装置に加える負荷は、調整されていないロータブレードよりも著しく小さい。
【０００９】
音波気象探知機システムが、風力発電地帯に立てられた１つの(又は複数の)風力発電装置に取り付けられるならば、及び、風力発電装置が、近づいてくる風が第１に衝突する風力発電地帯の縁部の領域に立てられるならば、音波気象探知機システムにより測定されるデータは、音波気象探知機システムを備えている上記風力発電装置だけでなく、風の方向に音波気象探知機システムを備えた風力発電装置の後ろにあるすべての別の風力発電装置によっても処理され、それにより、風力発電装置が適切に風の方へロータブレードを向け、スコール又は突風、又は他の損害を与える風の状態について強い影響を与えられないならば、通過する突風又はスコール、又は他の弊害をもたらす風の状態はまた、少しも損害を引き起こすことができない。
【００１０】
しかし、風力発電地帯の場合には、１つの風力発電装置に取り付けられている前記風速計及び負荷測定装置が、風速計又は負荷測定装置を備えている上記風力発電装置に重要であるデータを供給するために使用され得るだけでなく、また風速計を備えた上記風力発電装置の後ろの風向きのために使用するために据えられるかぎりにおいて、早期警戒システムの可能な代替形態がまた存在する。例えば、風速計が非常に強い風の強さを測定するならば、対応する情報項目が、風の方向において風力発電装置の後ろに位置する別の装置に伝えられ、それらの別の装置がまた、危険な負荷を伴う好ましくない風の状態の発生前の良好な間に、ロータブレードを調整することができる、或いは、例えば、完全に装置を停止する等の他の手段をとることができ、それにより、弊害をもたらす風の状態により引き起こされる負荷、ひいては起こり得るあらゆる損害ができるだけわずかとなり、好ましくは完全に回避される。
【００１１】
風の方へロータブレードを向けることは、一般に、風にさらされるロータブレードの表面積を減少させることを意味しており、また、ある状況下では、電気出力の減少もまたもたらし得る。しかし、過負荷の回避とともに、それらが引き起こす損害を回避することができるならば、その不利な点が受け入れられる。結局、ごくわずかの過負荷の状況でさえ装置全体の耐用年数を著しく縮め得るので、風力発電装置の全体的な耐用年数を考慮するならば、一時的に下げられた出力レベルは、ほとんど重要ではない。
【００１２】
１つの風力発電装置において測定されるデータ(風及び負荷のデータ)がまた、他の風力発電装置のために使用され得る本発明に係る早期警戒システムは、風力発電地帯の風力発電装置間の通信ネットワークを前提としており、その点において、データ送信が、無線を使用して、或いはまた配線で接続されたシステムによりもたらされてもよく、既に知られているネットワーク技術が、伝達自体のために使用されてもよい。
【００１３】
この場合には、データ通信は、１つの装置からもう１つの装置に行われてもよく、また中央制御(central control)を経由して行われてもよい。中央制御は、上記装置で測定される風の状態に関する情報項目を風力発電地帯のすべての、又は選択された風力発電装置(例えば、所定の装置の‘風の陰’にある装置)に順番に伝え、及び／又は、必要とされる制御信号を順番に与え、それぞれの風力発電装置にそれらを伝達し得る。当然のことながら、伝達が、一方では１つの装置からもう１つの装置に、他方では、例えば、エラー修正を可能にする情報の冗長が存在するように中央制御によって行われるように、探知手段を評価する音波気象探知機と風速計との組み合わせを考えることもまた可能である。正確性(plaubility)の調査はまた、例えば、風力発電装置のための中央制御からの制御命令が、１つの装置からもう１つの装置に伝達される風速又は風向データに基づいて調査され、正確性が確かめられる場合のみ実行されるようにして達せられ得る。
【００１４】
他方では、当然のことながら、各々の装置が、装置間で伝達されるデータに基づいてそれぞれの制御装置において適切な制御をもたらすこともまた可能であり、中央制御装置は、対応する監視処置を実行する。
【００１５】
風力発電地帯の個々の風力発電装置間の距離が一定であるとき、損害を与える風の状態が起こる場合には、既知の風速に基づいて、例えば、突風又はスコール等のそれ相応に弊害をもたらす風の状態が上記装置に達する場合には、かなり確実に(事前に)計算することが可能である。従って、例えば、必要とされる調整(風に対するロータブレードの迎え角)を行うために、装置が必要とする風速依存性の準備期間を計算することが可能である。代わりに、或いは更に、準備期間のために修理された構成部品を導入することが可能である。
【００１６】
個々の風力発電装置間の距離と風速によってもたらされる事前警戒時間は、通常よい時(ピッチ角速度が約４〜８度／秒の間である)にブレードの角度を変えるのに十分であるべきである。
【００１７】
上記のように、風力発電装置で測定される風の状態に関する情報項目を確かめる操作は、基本的に、風力発電地帯のすべての風力発電装置でもたらされ得る。別の手段が、風向きに依存する情報通信であってもよく、その場合には、少なくとも一直線に風の通り道のそばにある装置に情報を伝達するために、広がり角度(spread angle)を設定することができる。その角度は、再び調整され得る、又は風の方向の変動に依存して選択され得る。
【００１８】
当然のことながら、情報通信の過程で、純粋な風速及び風向データに加えて、送信及び目標風力発電装置の識別、エラー訂正符号、又は同様の情報項目のような更なるデータを伝達することもまた可能である。
【００１９】
実質的に一定である風向きに加えて、風力発電装置の一部にのみ達する(ことができる)局部的な突風が、いつもさらに発生するという観点から風の方向を特に考慮することは適切であると思われ、収率最適化の観点からすれば、そこで起こる負荷ができるだけ低いという結果になるように上記の突風の行く手を実際にふさぐ風力発電装置のみがまた、適切に制御されなければならない。
【００２０】
図１は、一例として、中央制御２に各々結合される複数の風力発電装置１を有する風力発電地帯の配置を示している。この場合には、中央制御は、個々の装置から測定されるデータを適切に処理し、個々の装置用の適切な制御信号をまた提供し得る。
【００２１】
図２は、一例として、典型的な使用状況を示している。この場合には、風３が、第１に所定の装置４に流れ、測定されたデータが中央制御に又は他の方法(中央制御ではない)で他の装置に順番に伝えられる。装置に衝突する風がまた、上記装置の直接の風の陰(狭い斜線)に配置される装置に衝突することが見込まれる。しかし、部分的に又は完全に斜線範囲に該当するすべての装置において、第１装置の測定結果がまた第１装置の風の陰にある別の装置を制御するために使用され、それにより、別の装置への損害が発生せず、上記装置がまた、第１装置の測定結果の評価によって保護されるように広範な‘風の陰’を規定するために、広がり角度がまた、より広くされることが可能である。
【００２２】
既述されるように、中央制御２の代わりに、もう１つの制御概念を使用することもまた可能である。従って、例えば、その概念はまた、隣接した装置間の又は所定の範囲の風力発電装置間のデータ(無線)通信である上記のものでもよく、そのように測定データがまた、無線を使用して、風力発電装置間の中央制御なしに交換されてもよい。
【００２３】
所定の風の状況が発生する場合、例えば、突風の場合には、調整されるものは、特定の装置だけでなく、その装置のすぐ隣付近にあるすべての装置、又は影響される装置と所定の地理的関係にある装置である。例えば、図２に示されるように、それはまた、風の方向において影響される装置の右側に及び左側に位置する風力発電装置６であり得る。
【００２４】
図２に示されるように、第１装置４が、音波気象探知機を備えているならば、突風が第１風力発電装置に衝突する場合には、その突風は、既に測定されており、適切な予防措置がまた、あらゆる損害を回避するために第１風力発電装置において取られ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
(原文に記載なし)
【国際公開パンフレット】
2004537000.tif 000003
2004537000.tif 000004
2004537000.tif 000005
2004537000.tif 000006
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2004537000.tif 000008
2004537000.tif 000009
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2004537000.tif 000012
2004537000.tif 000013
2004537000.tif 000014
2004537000.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004537000.tif 000016
2004537000.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月10日(2003.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
風力発電装置の胴体部に取り付けられ、風力発電装置のロータの正面の領域を探知する風速を探知する音波システム(音波気象探知機)を有することを特徴とする風力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
風の速度を探知することが、風が風力発電装置に達する前に第１風力発電装置のためにもたらされ、風力発電装置、特に、ロータブレードの迎え角の制御が、探知される風速及び／又は風向に依存してもたらされることを特徴とする１つ若しくはそれ以上の風力発電装置を制御する方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
上記風速を探知する装置が、音波を用いて、好ましくは音波気象探知機のように超音波を用いて作動することを特徴とする請求項１から３及び１２の１つに記載の風の状態を探知する装置を有する風力発電装置。
【国際調査報告】
2004537000.tif 000018
2004537000.tif 000019
2004537000.tif 000020
2004537000.tif 000021
2004537000.tif 000022
2004537000.tif 000023