風力タービンの寿命はどのように延ばすのか？

風力タービンは、試運転からその寿命が尽きるまで、機械的および環境的ストレスに継続的に耐えなければなりません。時間の経過とともに、これらのストレスはユニットの疲労レベルの変化と共に蓄積されます。この場合、風力タービンのライフサイクルで予測されるよりも早くコンポーネントや構造の故障が多く発生します。

しかし、これらのストレスの一部は、アドバンスト制御ソフトウェアを使用することで軽減することでき、それによって多くの場合、風力タービンの寿命が延びるだけでなく、エネルギー生産量が増加します。これらの制御戦略の実装は、タイムリーでない機械的修理やコンポーネントのアップグレードの実施に代わるコスト効率の高い方法です。

負荷軽減 – 推力限界と乱流ベースの軽減

タービンの負荷は主に、風速、方向、コントローラの応答の変化に起因して空気力によって駆動します。これらの負荷によって疲労が加速する可能性がありますが、その場合は、制御システムを介して対処できます。

負荷を緩和する一般的なメソッドの 1 つは、極端な負荷や疲労による負荷の軽減に役立つ推力限界と乱流ベースの軽減アルゴリズム使用があります。

推力リミッタは風速に基づいて推力を見積ります。推力推定値が高いと（これによりタービンの負荷と応力が増加）、ピッチが増加します。これにより、タワーの負荷は最大 5 % 減少しますが、年間エネルギー生産量（AEP）は僅かに減少する可能性があります。

推力リミッタに加えて、乱流目盛付き推力リミッタを使用することができます。このシナリオでは、風の乱れが激しくなるにつれ、推力限界値が低くなります。これにより、静的な推力限界制御と比べると、AEP への影響が小さくなります。

最後に、乱流ベースの負荷軽減システムは、乱流が高い期間に出力を下げることで、負荷による極端なストレスを軽減します。これは、ナセルの加速度と風を予測することで実施します。

負荷軽減 - ドライブトレインの振動の低減

風速の変動、乱流、不適切な位置合わせは、風力タービンのドライブトレインの振動を引き起こす要因の一部です。同様に、これらの振動はドライブトレインの疲労負荷を高めます。

これを修正するために、ドライブトレインダンパーは、その固有の振動数でドライブトレインの振動を抽出します。これにより、制御システムの電源設定点に追加される逆位相振動（またはドライブトレインダンピング電力）が発生します。その結果、ドライブトレインの固有周波数を低下させる発電機トルク設定点が発生します。ドライブトレイン減衰ソリューションを追加すると、ドライブトレインの疲労負荷は最大 10 % 低減します。

負荷軽減 - タワーの振動の低減

乱流、共振、またはブレードの不均衡を引き起こすタワーの振動は、タワーの疲労負荷を増加させ、風力タービンの寿命を短くする可能性があります。ただし、タワーダンパーソリューションはタワーの振動を弱める可能性があります。これは、トランスバーサルと軸方向の両方にタワートップの加速度計測定を用いて行われます。

横方向の場合、このシステムでは、電源設定点に加えられる逆位相電力による振動が発生します。軸方向の場合、ピッチ設定点に追加される逆位相ピッチ振動が発生します。その結果、発電機のトルク設定点とピッチ設定点のタワーの固有振動数が減衰し、疲労負荷が最大 8 % 減少する可能性があります。

タービンの最適化 – Yaw とピッチの調整

Yaw 方向やピッチ方向に生じたずれにより位置決めが不正確になると、風力タービンの疲労負荷が大幅に増加する可能性があります。Yaw 方向のずれは、連続的に Yaw を調整する自己較正 Yaw 制御アルゴリズムによって補正できます。ピッチのずれに関しては、ローターの不均衡を検出するアルゴリズムがピッチの設定点を自動的に補正します。アドバンスト制御ソフトウェアを使用してこれらのいずれかのずれを補正すると、システムの摩耗が軽減され、風力タービンの寿命が延び、エネルギー出力も増加するという利点が得られます。

電力の出力とタービンの摩耗のバランスを取る

Yaw またはピッチのずれや、ドライブトレインやタワーの振動などのストレスを誘発する課題に対処する際に、電力出力に大きなトレードオフはありません。アドバンスト制御技術の活用は、電力出力を低下させることなく、風力タービンの寿命を延ばすことができる実証済みのメソッドです。

推力限界ソリューションを実装する際にはトレードオフが発生する可能性がありますが、タービンの電力出力と極端な疲労負荷軽減の適切なバランスを決定できるのは、アドバンスト制御システムプロセスです。

Emerson は、お客様の運用上のニーズに適した方法でこれらの課題に対処する、風力タービンの改造ソリューションと専門知識のフルスイートを提供します。