JP2019536937A - 風力発電装置、並びに風力発電装置を運転するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】立設場所の大気の条件を考慮し、部分負荷運転時に適切な発電出力の提供を可能とする、風力発電装置を制御するための方法、並びにそれに対応する風力発電装置を提供する。【解決手段】本発明は、風から電力を発生させる風力発電装置を運転するための方法に関し、この際、前記風力発電装置は、ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを有し、前記ロータは、可変ロータ回転数で運転可能である。更に前記風力発電装置は、前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を有する。この際、風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力は、風に依存して設定され、風の現在の空気密度が検知され、各ブレード角度は、ロータ回転数に依存し且つ検知された空気密度に依存して設定される。更に本発明は、風力発電装置に関する。【選択図】図４

Description

本発明は、風力発電装置を運転するための方法、並びにそのような風力発電装置に関する。

風力発電装置は、既知であり、最新式の風力発電装置は、通常、所謂水平軸型風力発電装置に関し、これらの水平軸型風力発電装置において、ロータ軸線は、実質的に水平方向に配置されており、ロータブレードは、実質的に垂直方向のロータ面をカバー（回転による通過被覆）する。本発明は、そのような風力発電装置ないしこのタイプの風力発電装置にも関する。

多くの場合、そのような最新式の風力発電装置は、たいてい３つのロータブレードを有し、それに加えてこれらのロータブレードは、それらのブレード角度について位置調節可能である。この際、ロータブレードは、通常、ほぼ９０度のフラッグ位置から、ほぼ０度の部分負荷運転時の最適な角度に至るまで、又は少なくともゼロ未満の数度に至るまで、位置調節可能である。本発明は、ブレード角度について位置調節可能なロータブレードを備えた風力発電装置にも関する。

ロータブレードの位置調節は、通常、定格風速以降、風速が更に上昇するにつれてロータブレードを風から外すように回転させるため、即ちブレード角度を増加させるために使用される。因みに本発明には、ブレード角度がフラッグ位置に向かって増加されるというブレード角度に関する用語も基礎とされている。

風速がまだ定格風速に達していない部分負荷領域内では、多くの場合、最適なブレード角度が固定的に設定される。部分負荷角度と称することもできるこのブレード角は、空気力学的に最適に選択されている。更にこの部分負荷運転時には、風力発電装置もできるだけ最適な周速比（先端速度率）で運転される。この際、この最適な部分負荷角度は、最適な周速比に対し、即ち風速に対するロータ回転数（ロータスピード）の比率に対して適合されていることを顧慮することができる。

US 2013/0101413 A1 US 2013/0280066 A1 US 2012/0139244 A1 DE 10 2010 054 013 A1

ところで、風力発電装置は、ますます人里離れた地域で立設され、これらの地域は、気候的にも立設高度についても通常の周辺条件とは著しく異なる可能性がある。この際、周辺条件、特に大気の条件が、通常の前提条件とは強く異なるほど、最適な部分負荷角度と最適な周速比の計算を基礎にする想定は、立設場所に対して適合しづらくなる。それに応じ、部分負荷運転時の効率は、少なくとも悪くなる。このことは、むしろ、計画どおりの部分負荷運転が不可能であり、少なくとも比較的不安定な作動となることをもたらすことになる。特に望ましくない流れ剥離（失速）が発生する可能性がある。

この問題の解決策は、各風力発電装置を計画された立設場所へ適切に個々に適合させることにあるだろう。しかしこのことは、少なくとも、そのような個別化された設計がコスト高になり得て、それに加え、計画された立設場所の適切な情報を前提とするという点において問題である。また更に、そのように個別化された風力発電装置が対応の立設場所に運ばれなくてはならないということも顧慮すべきである。また少なくとも、立設場所では正しいパラメータ設定が実行されなくてはならないということも顧慮すべきである。

たとえこれらの問題が克服されるとしても、例えば季節による変動、又は時刻による変動、又は他の変動に起因する問題が発生することがあるだろう。

風力発電装置を制御するための様々な方法が、例えば、上記特許文献１、上記特許文献２、上記特許文献３、上記特許文献４から公知であるが、これらの方法は、全て上述の欠点を少なくとも部分的に示している。

上記特許文献１は、風力発電装置のピッチ角度を制御するための方法を開示している。風力発電装置は、少なくとも１つのロータブレードを備えたロータを含んでいる。該方法は、決定された空気密度の関数として少なくとも１つのロータブレードの迎角を設定することを含んでいる。

上記特許文献２は、風力発電装置により発生される騒音が予め定義された放出騒音レベルを下回ったままであるように、所定の風力発電装置パラメータの少なくとも１つの目標値に基づいて騒音減少モードで風力発電装置を運転することを含む、風力発電装置を運転するための方法を含んでいる。所定の風力発電装置パラメータの少なくとも１つの目標値に対して補正係数を適用することが考慮されている。補正係数は、空気密度に関連する値に依存して決定される。

上記特許文献３は、複数の運転曲線から第１有効運転曲線を選択すること、及び少なくとも１つの風力発電装置を制御するために第１有効運転曲線を適用することを含む、少なくとも１つの風力発電装置を制御するための方法を開示している。それらの運転曲線は、運転曲線セグメントから構成されていることができる。

最後に上記特許文献４は、その縦軸線の周りで位置調節可能な少なくとも１つのロータブレードと、発電機とを備えた、ピッチ制御される風力発電装置を運転するための方法を開示し、該装置では、発電機又はロータの回転数に依存して発電機モーメントのための目標値が予設定され、この際、部分負荷運転から全負荷運転へ切り替えられる移行点が設けられており、また該方法は、空気密度ρのための値を検出するステップと、移行点における回転数よりも小さいプレピッチ回転数以降ではプレピッチ角度φ_preを設定するステップを有し、この際、空気密度がより小さい場合には、空気密度がより大きい場合よりも大きいプレピッチ角度が設定されるように、プレピッチ角度φ_Preの値は、検出された空気密度ρの値に依存している。

本発明の課題は、上述の問題点の少なくとも１つに対処することである。特に個々の大気の条件を考慮するか、又は少なくとも以前よりもより良く考慮する解決策が提案されるべきである。また少なくとも既知の解決策に対して代替的な解決策が提案されるべきである。

本発明により、請求項１に記載の風力発電装置を運転するための方法が提案される。

以下、発明を実施するための形態について説明する。

上記のように本発明は、ブレード角度が位置調節可能な複数のロータブレードを有する空気力学的ロータを備えた風力発電装置から出発する。基本的には１つのロータブレードのみを備えたロータを使用することもできるが、好ましくは３つのロータブレードを備えた空気力学的ロータが提案される。更にロータは、可変ロータ回転数で運転可能である。つまりロータ回転数は、例えば風速に依存し、特に部分負荷運転の範囲内で変更されることが可能である。

空気力学的ロータは、発電出力（アウトプット出力）を発生させる発電機と連結されている。従って出力損失を無視すると、発電機は、風から得られる出力を発生させる。

風が弱いために風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力は、風に依存し、即ち風速に依存して設定（ないし調節）される。つまり部分負荷運転は、弱すぎる風が原因で風力発電装置がまだその最大発電出力に達することのできない運転であり、即ち風力発電装置が特にまだその定格出力に達することのできない運転である。通常、定格出力は、風速が定格風速に達した場合に達せられることができる。それに対応し、部分負荷運転は、定格風速に至るまでの風力発電装置の運転にも該当する。

さて、風の現在の空気密度、即ち風力発電装置を取り囲む（外部の）大気の現在の空気密度が検知されることが提案される。

次いで、各ブレード角度が、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ検知された空気密度に依存して設定されることが提案される。

従って、部分負荷運転時には各ロータブレードのブレード角度が設定されることが提案される。このことは、それらのロータブレードが互いに同期して同じ値で設定されることを意味することもできる。従って部分負荷運転の全範囲にわたって一定のブレード角度が設けられるのではなく、ブレード角度は、変更される。この変更は、発電出力又はロータ回転数に依存して行われる。従って発電出力又はロータ回転数は、ブレード角度のこの設定のための入力量を構成する。この際、発電出力ないしロータ回転数が直接的に検知されてブレード角度のこの設定のために使用されるか、又は、規格化に基づいて０から１までに達する、例えば発電出力又はロータ回転数に対して比例する値のような、発電出力又はロータ回転数に対して等価の値が使用されることが考慮される。

追加的に、ブレード角度の設定のための依存性として、検知された空気密度が考慮される。従ってブレードの角度は、空気密度に直接的にも依存する。それにより運転中に変化する空気密度も考慮されることができ、この考慮は、ここではブレード角度の対応の設定を介して行われる。

従って、様々な空気密度値を考慮することを可能にする解決策が提案される。それにより通常の空気密度値とは著しく異なる平均的な空気密度値を有する場所に対して風力発電装置の運転を適合させることが可能である。しかしまた、変動する空気密度値の考慮も可能である。従って強い空気密度変動を受ける場所で風力発電装置の良好な運転を実現することもできる。

この際、特に低い空気密度値は、ロータブレードにおける有効迎角の増加をもたらすことが認識された。空気密度に依存したブレード角度の位置調節（当業者はピッチングとも称する）により、そのように増加された有効迎角を再び（更に）補償することができる。

この際、仰角とは、ロータブレードと、見かけ上の風との間の角度、即ちロータブレードと、運転中に実際に流れてくる空気の流れの方向との間の角度であり、つまりロータブレードの運動が考慮されている。迎角は、有効迎角と称することもできる。

好ましくは、空気密度を検知するために、風力発電装置の外部（ないし外方）であるが風力発電装置の近傍の気圧と気温が測定され、それから空気密度が決定され、特にそれから空気密度が計算される。従って気圧は、現在の測定値により直接的に検知され、それにより空気密度の変化（ないし変動）も直ちに認識され、場合によりそれに応答することができる。

一実施形態により、ブレード角度の設定は、１つのピッチ特性曲線に依存して行われることが提案される。このピッチ特性曲線は、部分負荷運転に対し、発電出力又はロータ回転数の関数として、設定すべきブレード角度を定める。この際、ピッチ特性曲線は、更に（追加的に）空気密度に依存することが提案される。つまりブレード角度の設定は、ピッチ特性曲線を介して簡単に行われることができる。発電出力は、多くの場合、制御技術的な量（パラメータ）として、使用されるプロセス計算機内で利用可能であるので、発電出力に依存する設定は、良好に実現（変換）できる。ロータ回転数が入力量として使用される場合には、ロータ回転数が測定され、そのような入力量として同様に、使用されるプロセス計算機内で利用可能である。それに加え、発電出力とロータ回転数は、多くの場合、所定の固定的な関係にある。

また出力制御の動特性（ダイナミクス）は、ピッチ制御の動特性よりもはるかに速いことも顧慮することができ、それにより一方の出力制御と他方のピッチ制御との間における万一の振動問題も回避される。

好ましくは、複数のピッチ特性曲線が保存（記憶）されており、保存されたこれらのピッチ特性曲線から、検知された空気密度に依存し、対応の空気密度に適合する１つのピッチ特性曲線、ないし対応の空気密度に対して保存された１つのピッチ特性曲線が選択されることが提案される。次いでこのピッチ特性曲線は、ブレード角度の設定のために使用される。つまりピッチ特性曲線は、そのようなピッチ特性曲線としてブレード角度とロータ回転数の間の関係のみを定めるものとし、しかし空気密度依存性は、複数のピッチ特性曲線、つまり特に一群のピッチ特性曲線が保存され、それぞれの空気密度に適合するピッチ特性曲線が選択されることを介して取り込まれることにより、簡単にピッチ特性曲線を介して空気密度を考慮することができる。

好ましくは、空気密度が減少するにつれてブレード角度が増加されることが提案される。特にそれにより、空気密度の減少により上昇する有効迎角に対して対抗作用することができる。空気密度が減少するにつれてブレード角度を増加させることにより、有効迎角が増加することが回避され、従って流れ剥離（失速）が回避されることが分かった。

従って、特に比較的空気密度が小さい場合には、流れ剥離が発生する可能性があるが、このことは、今や回避される。

一実施形態により、本方法は、発電出力の設定が動的に第１時定数で行われ、ロータブレード角度の設定が動的に第２時定数で行われることにより特徴付けられていることが提案される。この際、第１時定数は、第２時定数よりも小さく選択され、好ましくは少なくとも１０倍分小さいように選択されることが提案される。つまり発電出力がより高い動特性で設定されることが提案される。特にここでは、動特性（ダイナミクス）として、一次の遅れ要素の動特性、又は二次の遅れ要素の動特性を用いることができ、それに加え、時定数は、一般的に通常の定義により決定されることができる。この際、１次の遅れ要素に対しては、振幅１を有するインプットステップ（Eingangssprung）に関し、遅れ要素のステップ応答（Sprungantwort）が０.６３の値をとるという時間を時定数と見なすことができる。

従って、部分負荷運転時の優先的な制御は、発電出力の設定により実行されることを達成することができる。この優先的な制御は、特に風速の変動が小さい場合、従ってロータ回転数の変動が小さい場合には、実質的に発電出力の制御の応答へ限定されることができる。この際、好ましくは、ブレード位置調節は、より低い頻度で、又は少なくとも比較的より小さい振幅で実行される。

更なる一実施形態により、部分負荷運転時には、発電出力は、１つの運転特性曲線を用いて設定されることが提案される。この運転特性曲線は、ロータ回転数に依存し、設定すべき発電出力を定める。つまりそのような運転特性曲線は、上述の１つのピッチ特性曲線、又は上述の複数のピッチ特性曲線と同様に保存（記憶）されていることが可能である。

またそれに加え、発電出力は、検知された空気密度に追加的に依存することが提案される。このことは、特に様々な空気密度を考慮するために複数の運転特性曲線が保存され、これらの運転特性曲線が空気密度に依存して選択されるようにして実現されることができる。それ故、ここでも、１つの運転特性曲線群を保存することができ、この際、各１つの運転特性曲線は、それぞれ１つの空気密度に割り当てられ、検知された空気密度に依存し、対応して割り当てられた運転特性曲線が選択される。

また好ましくは、運転特性曲線が直接的に空気密度に依存しない場合、つまり空気密度がブレード角度の設定を介してのみ考慮される場合、又は特にブレード角度の設定を介して考慮される場合にも、発電出力を設定するための運転特性曲線の使用が提案される。

本発明は、風から電力を発生させる風力発電装置にも関し、そのような風力発電装置は、ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを含み、この際、ロータは、可変ロータ回転数で運転可能である。該風力発電装置は、空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機も有する。これらの風力発電装置は、上述のように定義されている部分負荷運転により運転可能であるように準備（構成）されており、この際、風の現在の空気密度を検知し、各ブレード角度を、ロータ回転数又は発電出力に依存し、それに加え、検知された空気密度に依存して設定するように準備（構成）されている。

つまりここでも部分負荷運転時には、風に依存して発電出力が設定される。この際、このことは、必ずしも風に直接的に依存して行われるのではなく、つまり必ずしも風の測定に依存して行われるのではなく、好ましくはロータ回転数に依存して発電出力を設定することにより行われる。この際、好ましくは、安定した動作点が見つけられ、この動作点では、風速が変化しない限りロータ回転数も変化しないように、設定された発電出力が設定されている。つまりそれにより発電出力は、結果として、その瞬間に占める風速（瞬時の風速）に対して設定されている。

風力発電装置は、特にプロセス計算機、又は全体的に風力発電装置内に設けられているプロセス管理機構或いはプロセスガイド技術が、とりわけ空気密度を検知する状態にあることにより、ロータ回転数又は発電出力に依存し且つ検知された空気密度に依存したブレード角度の設定に対して準備されていることができる。そのためには、例えば、気圧を測定するためのセンサと、それに加え、気温を測定するためのセンサを設けることができる。代替的には、対応のデータ入力部（ないし手段）が考慮される。更にブレード角度と空気密度の間の対応の所望の関係が離散的に又は関数として保存（記憶）されている対応のデータメモリを設けることができる。特に一群のピッチ特性曲線を記憶するデータメモリを設けることが考慮され得る。

好ましくは、ロータ回転数に依存して発電出力を設定するために準備されている出力制御手段が設けられている。該制御手段は、特に外部励磁式の同期発電機のために外部励磁の設定機構を設けることができる。そのために、例えば、特にロータ回転数に依存して制御することのできる、励磁電流を調整（制御）するための対応の電流調整器（Stromsteller）が設けられていることができる。

更にピッチ制御手段が設けられており、該ピッチ制御手段は、ロータ回転数と空気密度に依存してブレード角度を設定するために準備されている。従ってこのピッチ制御手段は、例えば各ロータブレードのためにピッチ駆動部を含むことができ、更にこの際、ロータ回転数と空気密度に依存してピッチングを制御する制御プロセッサを設けることができ、ピッチングは、ピッチ駆動部により次いで実現（変換）される。またそれぞれ設定すべきブレード角度の計算の一部は、全てのロータブレードのために、従って全てのピッチ駆動部のために、集中的に（センタで）で行うこともできる。

更にロータ回転数と空気密度に依存してブレード角度設定情報を記憶するために準備（構成）されている記憶手段が提案される。特にここでは、この記憶手段が空気密度に依存したピッチ特性曲線を記憶することが提案される。

好ましくは、風力発電装置は、少なくとも、上述の実施形態の１つによる方法を実行するように準備（構成）されている。特にそのような方法は、風力発電装置内の制御装置上に実装されていることができる。

さて、以下に、添付の図面に関連し、実施形態に基づき、例を使って本発明を詳細に説明する。

一風力発電装置を斜視図として模式的に示す図である。 一特性曲線群を示す図である。 一特性曲線群を示す図である。 発電出力と検知された空気密度とに依存して部分負荷運転時にブレード角度の設定を実行するための簡略化された一制御構造を示す図である。

図１は、本発明による一風力発電装置の模式図を示している。風力発電装置１００は、タワー１０２と、タワー１０２上にナセル１０４を有している。ナセル１０４には、３つのロータブレード１０８と１つのスピナ１１０とを備えた空気力学的ロータ１０６（以下「ロータ」とも称する）が設けられている。空気力学的ロータ１０６は、風力発電装置１００の運転時には風力により回転運動を行い、それにより空気力学的ロータ１０６と直接的に又は間接的に連結されている発電機の電気力学的ロータ又は電気力学的回転子も回転させる。発電機は、ナセル１０４内に配設され、電気エネルギーを発生させる。ロータブレード１０８のピッチ角度は、それぞれのロータブレード１０８のロータブレード付根部に設けられたピッチモータにより変更可能である。

図２及び図３は、基本的に２つの異なる種類の特性曲線群を示している。この際、両方の図２及び図３は、それぞれ、発電出力Ｐに依存し、ピッチまたはピッチ角度とも称することのできるブレード角度αを示している。両方の場合において、先ず小さい出力（の範囲）では、一定のブレード角度αが存在し、このブレード角度αは、固定的に予設定された部分負荷角度α_Ｔの値を有することができる。次いで、発電出力Ｐの増加に伴い、ブレード角度αを増加させることが提案される。この際、空気密度ρに依存し、ブレード角度のために様々な特性曲線が設けられ、従ってこれらの特性曲線は、１つの特性曲線群を構成している。図２及び図３の両方の例としての提案は、その特性曲線群において異なっている。

図２は、空気密度ρがより小さいほど、出力Ｐがより小さいところで（それ以降）ブレード角度が増加されるという推移経過を示している。この際、実線の曲線は、通常の空気密度ρ_０のためのブレード角度の推移経過を示しており、空気密度ρ_０には、１．２２５ｋｇ／ｍ^３の値が基礎とされる。この通常の空気密度において、ブレード角度は、発電出力Ｐ_Ｏ以降、増加する。鎖線の特性曲線は、より小さい空気密度ρ_１に対する推移経過を示し、そして一点鎖線の特性曲線は、更に小さい空気密度ρ_２に対する推移経過を示している。これらの両方の特性曲線によると、ブレード角度は、Ｐ_Ｏよりも小さい発電出力に対して既に増加される。ρ_２の値は、例えば１ｋｇ／ｍ^３、ρ_１の値は、例えば１．１ｋｇ／ｍ^３の値をとることができる。

図２では、図２の特性曲線は、これらの特性曲線が互いにほぼ平行に延在するように選択されたことを見て取れる。

図３の実施形態では、発電出力Ｐ_Ｏ以降、様々な空気密度ρ_０、ρ_１、ρ_２に対してブレード角度を増大させることが提案される。しかしこの際、空気密度がより小さいほど、より急勾配の推移経過となることが提案される。

Ｐ_Ｏ、ρ_０、ρ_１、ρ_２の値は、両方の図２及び図３において同じであるとしてよい。両方の図２及び図３は、ブレード角度特性曲線（複数）の推移経過を示し、従って定格出力Ｐ_Ｎに至るまでの特性曲線群の推移経過も示している。

図４の制御構成（制御ストラクチャ）は、発電機４０１と、ピッチ駆動部４０５を介して位置調節することのできるロータブレード４０３とを具体的に示している。これらの要素は、象徴的に図示されているに過ぎず、例えば、風により駆動されてそれにより発電機４０１を駆動する、それぞれにピッチ駆動部４０５を備えた３つのロータブレード４０３が設けられていることも可能である。

発電機４０１は、ここでは外部励磁式の同期発電機として設けられており、この構成では、励磁電流Ｉ_Ｅを制御する電流調整器４０７を介して駆動制御される。それにより出力制御が行われ、該出力制御は、ここでは簡略化されて示唆されているだけであり、また異なる方式で行うこともできる。他の発電機が設けられていることも可能である。電流調整器４０７は、ここでは他の出力制御方式を代表するものでもある。電流調整器４０７は、予設定値として出力値Ｐを取得し、この出力値Ｐは、特性曲線ブロック４０９に保存されている回転数‐出力‐特性曲線から得られる。特性曲線ブロック４０９は、回転数‐出力‐特性曲線に基づき、ロータブレード４０３が属するロータの回転数ｎに依存して出力値Ｐを出力する。

出力値Ｐは、電流調整器４０７を介して発電機４０１の出力を制御するために電流調整器４０７に入力されるだけではなく、出力値Ｐは、ブレード角度予設定ユニット４１１のための入力量としても使用される。ブレード角度予設定ユニット４１１は、出力Ｐに依存し、設定すべきブレード角度αを決定する。この際、好ましくは、入力量としては、風力発電装置の発電出力（アウトプット出力）が使用され、即ち風力発電装置により実際に放出される出力が使用される。しかしここでは、単純化のため並びに具体化のために、発電出力は、特性曲線ブロック４０９が出力する出力Ｐと同一視され得る。発電出力は、高い動特性（ダイナミクス）で設定され、それによりこの単純化は、具体的な説明にとって信頼性があり、またそれにより一方の出力設定と他方のブレード角度位置調節との間に振動問題又は振動危険性は発生しない。

ブレード角度予設定ユニット４１１は、複数の特性曲線ブロックを有し、これらのうちここでは例として３つの特性曲線ブロックＫ１、Ｋ２、Ｋ３が示されている。これらの特性曲線ブロックの各々は、出力に依存したブレード角度特性曲線を有し、これらのブレード角度特性曲線は、共同で１つの特性曲線群を構成し、ないし選択のために提供する。この際、空気密度ρに応じ、特性曲線ブロックのうちの１つ、従って特性曲線のうちの１つを選択することが提案される。そのために空気密度ρは、例えば測定ユニット４１３により検知可能である。

従って、ブレード角度αは、発電出力Ｐと空気密度ρに依存して設定されることが可能である。そのために発電出力Ｐは、ブレード角度予設定ユニット４１１のための入力量を構成し、空気密度ρは、空気密度ρに依存し、適合された１つの特性曲線が選択されることにより入力される。次いでそのようにして検出されたブレード角度αは、それぞれのロータブレード４０３を対応して設定するために、ピッチ駆動部４０５へ与えられる。

従って、本発明により、従来技術を改善するための解決策が提案されており、従来技術では、ロータブレードは、ρ＝１．２２５ｋｇ／ｍ^３の通常空気密度のもと、風力発電装置の全ての運転点において、剥離のない状態で空気がロータブレードの周りを流れるように設計される。今や、空気密度が部分的には明らかに標準空気密度未満にある設置場所において、ますます風力発電装置が計画されることが認識された。このことは、ロータブレードにおける有効迎角の上昇により流れ剥離が発生し得ることをもたらし、またこのことは、著しい損失出力をもたらすことになる。この際、空気密度がより小さくなるほど、ロータブレードにおける有効迎角がより大きくなり、出力を減少させる流れ剥離（失速）が生じる蓋然性が高くなることが分かった。ロータブレードのピッチングにより、流れの剥離を回避することができる。この際、ロータブレードのピッチングを空気密度に適合させることが提案される。従って設定すべきピッチ角度は、出力電力、即ち発電出力と、空気密度との関数であることが提案される。それにより出力電力の関数だけがブレード角度の設定の基礎とされるのではないことが提案される。従って風力発電装置において気圧と気温を測定し、それから空気密度を計算することが提案され、それにより保存された関数を用いてそれぞれのピッチ角度を決定することができる。

従って最終的には、ピッチ制御式で回転数可変の風力発電装置の年間収率の増加も、設置場所の空気密度へ適合されたピッチ特性曲線の提案された使用により達成することができる。

（図１）
１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ 空気力学的ロータ
１０８ ロータブレード
１１０ スピナ

（図２、図３）
Ｐ 発電出力
α ブレード角度
ρ 空気密度

（図４）
４０１ 発電機
４０３ ロータブレード
４０５ ピッチ駆動部
４０７ 電流調整器
４０９ 特性曲線ブロック
４１１ ブレード角度予設定ユニット
４１３ 測定ユニット

ｎ ロータ回転数
Ｐ 出力（出力値）
Ｉ_Ｅ 励磁電流
ρ 空気密度
α ブレード角度

Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ 特性曲線ブロック

本発明により、請求項１に記載の風力発電装置を運転するための方法が提案される。
即ち本発明の第１の視点により、
風から電力を発生させる風力発電装置を運転するための方法であって、
− 前記風力発電装置は、ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを有し、前記空気力学的ロータは、可変ロータ回転数で運転可能であり、
− 前記風力発電装置は、前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を有し、
以下のステップ、即ち、
− 風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力を風に依存して設定するステップ、
− 風の現在の空気密度を検知するステップ、及び、
− 各ブレード角度を、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ更に検知された空気密度に依存して設定するステップ
を含むことを特徴とする方法が提供される。
また本発明の第２の視点により、
風から電力を発生させる風力発電装置であって、
− ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを含み、前記空気力学的ロータは、可変ロータ回転数で運転可能であり、
− 前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を含み、
前記風力発電装置は、
− 風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力を風に依存して発生させ、
− 風の現在の空気密度を検知し、及び、
− 各ブレード角度を、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ更に検知された空気密度に依存して設定するように
構成されていることを特徴とする風力発電装置が提供される。
尚、本願の特許請求の範囲において場合により付記される図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）
風から電力を発生させる風力発電装置を運転するための方法であって、
− 前記風力発電装置は、ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを有し、前記ロータは、可変ロータ回転数で運転可能であり、
− 前記風力発電装置は、前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を有し、
以下のステップ、即ち、
− 風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力を風に依存して設定するステップ、
− 風の現在の空気密度を検知するステップ、及び、
− 各ブレード角度を、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ更に検知された空気密度に依存して設定するステップ
を含むこと。
（形態２）
空気密度を検知するために、前記風力発電装置の外部の気圧と気温が測定され、それから空気密度が決定され、特に計算されること、が好ましい。
（形態３）
ブレード角度の設定は、１つのピッチ特性曲線に依存して行われ、該ピッチ特性曲線は、部分負荷運転に対し、発電出力又はロータ回転数の関数として、設定すべきブレード角度を定め、該ピッチ特性曲線は、空気密度に依存すること、が好ましい。
（形態４）
複数のピッチ特性曲線が保存されており、保存されたこれらのピッチ特性曲線から、検知された空気密度に依存し、１つのピッチ特性曲線が選択され、ブレード角度の設定のために使用されること、が好ましい。
（形態５）
特に空気密度の減少により上昇する有効迎角に対して対抗作用するために、空気密度が減少するにつれてブレード角度が増加されること、が好ましい。
（形態６）
発電出力の設定は、動的に第１時定数で行われ、ロータブレード角度の設定は、動的に第２時定数で行われ、第１時定数は、第２時定数よりも小さく選択され、特に第１時定数と第２時定数は、それぞれ一次の遅れ要素の時定数、又は二次の遅れ要素の時定数であること、が好ましい。
（形態７）
部分負荷運転時には、発電出力は、１つの運転特性曲線を用いて設定され、該運転特性曲線は、ロータ回転数に依存し、設定すべき発電出力を定め、発電出力は、検知された空気密度に追加的に依存し、特に様々な空気密度を考慮するために複数の運転特性曲線が保存されており、空気密度に依存してこれらの運転特性曲線のうちの１つが選択されること、が好ましい。
（形態８）
風から電力を発生させる風力発電装置であって、
− ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを含み、前記ロータは、可変ロータ回転数で運転可能であり、
− 前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を含み、
前記風力発電装置は、
− 風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力を風に依存して発生させ、
− 風の現在の空気密度を検知し、及び、
− 各ブレード角度を、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ更に検知された空気密度に依存して設定するように
構成されていること。
（形態９）
− ロータ回転数に依存して発電出力を設定するように構成されている出力制御手段が設けられており、
− ロータ回転数と空気密度に依存してブレード角度を設定するように構成されているピッチ制御手段が設けられており、
− ロータ回転数と空気密度に依存してブレード角度設定情報を記憶するように、特に空気密度に依存したピッチ特性曲線を記憶するように構成されている記憶手段が設けられていること、が好ましい。
（形態１０）
前記風力発電装置は、前記形態１〜７のいずれか１つに記載の方法を実行するように構成されていること、特に前記風力発電装置は、そのために制御装置を有すること、が好ましい。

Claims (10)

1. 風から電力を発生させる風力発電装置を運転するための方法であって、
   − 前記風力発電装置は、ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを有し、前記ロータは、可変ロータ回転数で運転可能であり、
   − 前記風力発電装置は、前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を有し、
   以下のステップ、即ち、
   − 風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力を風に依存して設定するステップ、
   − 風の現在の空気密度を検知するステップ、及び、
   − 各ブレード角度を、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ更に検知された空気密度に依存して設定するステップ
   を含むこと
   を特徴とする方法。
2. 空気密度を検知するために、前記風力発電装置の外部の気圧と気温が測定され、それから空気密度が決定され、特に計算されること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ブレード角度の設定は、１つのピッチ特性曲線に依存して行われ、該ピッチ特性曲線は、部分負荷運転に対し、発電出力又はロータ回転数の関数として、設定すべきブレード角度を定め、該ピッチ特性曲線は、空気密度に依存すること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 複数のピッチ特性曲線が保存されており、保存されたこれらのピッチ特性曲線から、検知された空気密度に依存し、１つのピッチ特性曲線が選択され、ブレード角度の設定のために使用されること
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 特に空気密度の減少により上昇する有効迎角に対して対抗作用するために、空気密度が減少するにつれてブレード角度が増加されること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 発電出力の設定は、動的に第１時定数で行われ、ロータブレード角度の設定は、動的に第２時定数で行われ、第１時定数は、第２時定数よりも小さく選択され、特に第１時定数と第２時定数は、それぞれ一次の遅れ要素の時定数、又は二次の遅れ要素の時定数であること
   を特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 部分負荷運転時には、発電出力は、１つの運転特性曲線を用いて設定され、該運転特性曲線は、ロータ回転数に依存し、設定すべき発電出力を定め、発電出力は、検知された空気密度に追加的に依存し、特に様々な空気密度を考慮するために複数の運転特性曲線が保存されており、空気密度に依存してこれらの運転特性曲線のうちの１つが選択されること
   を特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 風から電力を発生させる風力発電装置であって、
   − ブレード角度が位置調節可能なロータブレードを備えた空気力学的ロータを含み、前記ロータは、可変ロータ回転数で運転可能であり、
   − 前記空気力学的ロータと連結されて発電出力を発生させる発電機を含み、
   前記風力発電装置は、
   − 風が弱いために前記風力発電装置をまだその最大発電出力で運転することのできない部分負荷運転時には、発電出力を風に依存して発生させ、
   − 風の現在の空気密度を検知し、及び、
   − 各ブレード角度を、発電出力又はロータ回転数に依存し且つ更に検知された空気密度に依存して設定するように
   構成されていること
   を特徴とする風力発電装置。
9. − ロータ回転数に依存して発電出力を設定するように構成されている出力制御手段が設けられており、
   − ロータ回転数と空気密度に依存してブレード角度を設定するように構成されているピッチ制御手段が設けられており、
   − ロータ回転数と空気密度に依存してブレード角度設定情報を記憶するように、特に空気密度に依存したピッチ特性曲線を記憶するように構成されている記憶手段が設けられていること
   を特徴とする、請求項８に記載の風力発電装置。
10. 前記風力発電装置は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されていること、特に前記風力発電装置は、そのために制御装置を有すること
    を特徴とする、請求項８又は９に記載の風力発電装置。

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