風力タービンの電源出力とは何か、それを増やす方法とは

風力タービンの出力は、風力タービンによって生成される電力の量です。この再生可能エネルギーは、風力発電所の実用規模のタービンの場合、通常メガワット（MW）単位で測定されます。風力タービンの出力には、風速度、空気密度、ブレード設計、タービンのコンポーネントの効率など、いくつかの要因が影響します。

風力タービンの出力は、P = 0.5 * ρ * A * Cp * v3 という式で計算できます。ここで、P はワット単位の電力、ρ は空気密度 (kg/m3)、A はメートル単位の受風面積（pi R² または πR² で計算、R はブレードの長さ)、Cp は出力係数、v はメートル/秒単位の風速です。

電力会社規模の風車では、出力容量は大幅に変動する場合があります。ただし、陸上タービンでは 2～5 メガワット（MW）の範囲が一般的であり、オフショアタービンは 8～12 MW の範囲が多く、一部の新世代タービンは最大 26 MW に達します。


設置、試運転して運転した時点で風力タービン発電機の出力を増加させる根本的なメソッドは、ユニットのハードウェアを大幅にアップグレードすることです。多くの風力発電事業者はそのようなことを実行するリソースを持っていない、またはそれがもたらす効果に確信が持てないため、時間と費用がかかる困難なプログラムになりかねません。幸いにも、最新の高度な制御戦略を導入することで、機械部品を変更することなく、風力タービンの電源出力を向上させることができ、効果とコスト効率を大きく高めることができます。

風力タービンの効率向上は、より多くの風力エネルギーが電力に変換されるにつれて、電源出力の増加につながることがよくあります。次の議論では主に、カスタマイズされた高度な制御技術によって、年間発電量（AEP）を増やすことに焦点を当てています。

高度な制御ソリューション - パワーブースト
パワーブーストアルゴリズムは、副定格から移行するにつれて電力設定点を上げることで、電力曲線の定格部分の初期段階を向上させます。瞬間的な上昇は、各移行の AEP を数パーセント増加させ、風の多い状態でより多く見られます。重要なのは、この高度な制御機能を利用するために大きく妥協しなければならないことがないことです。

高度な制御ソリューション - パワーアップレート
パワーアップレートソリューションは、アップレートの最大化と、バランスの取れたアップレートという 2 つの異なるアプローチで風力タービンの電源出力を強化するように設計されています。両方のメソッドは、特定の検討事項や妥協を考慮しても年間発電量が増加することを目指しています。このオプションの重要な機能は、特定の市場や動作条件が機械損耗という妥協への対処において理想的な場合に、この機能を手動または自動で有効にする機能です。それぞれ、増加した出力を処理するために追加の電気的な補助能力が必要になる場合があることに注意してください。 

アップレートの最大化 アップレートを最大化することで、すべての定格レベルの風速に対する定格電力曲線を超えて動作することにより、重要なコンポーネントの温度に付随して電源出力を大幅に増加できます。このメソッドでは、強化された性能を管理するために、機械と電気両方の諸経費が必要になります。このアプローチのメリットは、アップレートの程度や現場の状況によって異なりますが、AEP が最大 7% 上昇し、収益が大幅に増加する可能性があります。しかしこのメソッドは、動作摩耗が増加することにより、タービンの寿命全体が短くなる可能性があります。 バランスの取れたアップレート バランスの取れたアップレートは出力を上げることだけでなく、有効な風速と部品温度に大きな重点を置いています。アップレートの最大化と同じく、このアルゴリズムは定格電力曲線を越えてユニットを作動させますが、選択した風速範囲でのみ動作します。したがって、アップレートの最大化と同じ機械的な妥協をする必要がありません。バランスの取れたアップレートは、アップレートの程度や現場の状況によって異なりますが、AEP が最大 2.5% 上昇し、収益が増加する可能性があります。

高度な制御ソリューション - 拡張カットアウト
拡張カットアウトソリューションは、通常のカットアウト閾値を超える風速でも機能し続けられるようにすることで、風力タービンの動作範囲を広げるように設計されています。これは、通常のカットアウト速度を超える電力曲線を下げることで実現できます。実際には、強風の状態で徐々にユニットの負荷を軽減し、タービンが損傷しないよう保護しながら従来のカットアウト風速を超えて動作を拡張します。

負荷軽減機能の主なメリットの 1 つは、急なカットアウトが無くなり、グリッドの安定性が大幅に向上することです。このスムーズな移行によって、タービンの停止が減り、強風時に起動するため、主要コンポーネントの摩耗が低減されます。そのため、これにより、より安定した信頼性の高い出力が得られます。

また、特に風速が通常のカットアウト制限を頻繁に上回る風の強い土地では、拡張カットアウト機能によって収益が上がる可能性があります。運用範囲を拡張することで、風力タービンはより多くのエネルギーを取り込み、年間発電量を増やすことができます。

しかし、このアプローチに伴う妥協点があることを考慮することが重要です。強風時に動作を延長すると、コンポーネントに追加の負担がかかり、風力タービン全体の寿命が短くなる可能性があります。

ヨー自己校正制御
ヨー自己校正制御アルゴリズムは、静的なヨーのズレを常に特定して調整できるように設計されています。したがって、ナセルが風に向かい、タービンのパフォーマンスが向上します。このようなアルゴリズムは通常、機械学習を利用し、設置後に短い自動校正フェーズが必要になります。風向計やヨーの校正に何らかの変更または劣化が生じた場合、システムは自動的に調整します。これにより、ローターの正確な位置合わせが可能となり、タービン発電機の電源出力が向上し、年間発電量を 3～5% 増加させる可能性があります。

ローター不均衡の自動補正
最新型タービンの高度な制御システムには、ローター不均衡検出アルゴリズムが組み込まれており、ブレードとブレードのずれを特定して修正します。本システムはピッチのズレを検出するとピッチの設定点を自律的に調整し、ブレードが正しく位置合わせされるようにします。この技術は、年間発電量を最大 0.7% 向上させるだけでなく、風力タービンのローターにかかる疲労荷重を軽減します。

運用上のニーズに合わせてタービンの電源出力を調整する
パワーブースト、パワーアップレート、拡張カットアウトといった高度な制御ソリューションと風力タービンの効率技術により、年間発電量を大幅に増加させながら、負荷に対する影響を最小限に抑えることができます。

エマソンは、お客様の運用上のニーズに合わせてタービンの電源出力を向上させるようカスタマイズされた幅広い風力タービン改造ソリューションを提供しています。