風力タービンの電源出力とは？
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。
どうすれば風力タービンの電源出力を増やすことができるか？
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を改善すると、風のエネルギーがより多く電力に変換されるため、発電量の増加につながることが多くあります。 次の議論では、主に調整されたアドバンスト制御技術を介して、年間のエネルギー生産（AEP）を増やすことに焦点を当てています。
アドバンスト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、定格出力未満の状態から定格出力に移行する際に、出力設定値を増やすことによって、電力曲線の定格部分のフロントエンドを向上させます。 この一時的な出力増加は、各移行において AEP の割合を増加させ、風の強い状況でより顕著に現れます。 重要なことは、このアドバンスト制御機能を利用することによる大きなトレードオフがないことです。
アドバンスト制御ソリューション - 電力のアップレート
電力アップレートソリューションは、最大限の出力向上を目指す「最大化アップレート」とバランスの取れた出力向上を目指す「バランス型アップレート」という 2 つの異なるアプローチを通じて、風力タービンの電力出力を強化するように設計されています。 どちらの方法も年間エネルギー生産量の増加を目指していますが、それぞれに特有の考慮事項やトレードオフが存在します。 このオプションの重要な特徴は、特定の市場状況や運用条件が、機械的摩耗とのトレードオフを解消するのに理想的な場合、この機能を手動または自動で有効にできることです。 なお、いずれの場合も、増加した出力を処理するために、追加の電力補助設備が必要になる可能性があります。
最大化アップレート
最大化アップレートにより、全ての定格レベルの風速において定格出力曲線上で動作することで、主要コンポーネントの温度に応じて電力出力を大幅に増加できます。 このメソッドでは、性能強化を実現するために、機械的および電気的両方のオーバーヘッドが発生します。 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ため、タービンの全体的な寿命を縮める可能性があります。
バランス型アップレート
バランス型アップレートも出力を上げることに重点を置いていますが、これは卓越風の速度とコンポーネントの温度に基づいて行われます。 最大化アップレートと同様に、このアルゴリズムは定格出力曲線を超える出力でユニットを運転しますが、特定の風速範囲内でのみ動作します。 したがって、最大化アップレートの様な機械的トレードオフを必要としません。 バランス型アップレートによる収益増加の可能性は、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 % 上昇する可能性があります。
アドバンスト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超高速でも機能し続けることで、風力タービンの動作範囲を強化す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た領域で動力曲線を減らすことによって実現します。 これは、実質的に、風速が高い状況下でユニットの出力を徐々に低下させることで、タービンを潜在的な損傷から保護しつつ、従来のカットアウト風速を超えて運転を継続できるようにするものです。
ディレーティング機能の主な利点の 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り、高速風速時における停止と再始動の回数が減るため、主要コンポーネントの摩耗と破れが軽減されます。 その結果、より安定した信頼性の高い出力が得られます。
さらに、特に風の速度が通常のカットアウト制限を頻繁に上回る高風地では、拡張カットアウト機能が収益の増加につな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捉え、年間のエネルギー生産を増加させることができます。
ただし、このアプローチに伴うトレードオフがあることを考慮することが重要です。 風速が高い状態で長時間運転すると、コンポーネントに追加の歪みが生じ、風力タービンの全体的な寿命が短くなる可能性があります。
自己校正 Yaw 制御
自己校正 Yaw 制御アルゴリズムは、静的な Yaw のずれを常に特定して調整できるように設計されており、ナセルが風に向くようにすることによって、タービンの性能を向上させます。 機械学習を利用したこれらのアルゴリズムは、通常、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 Yaw 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自己調整を行います。 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修正
最新のタービンに搭載されているアドバンスト制御システムには、ローターの不均衡を検出するアルゴリズムが組み込まれており、ブレード間のずれを特定して修正します。 ピッチのずれを検出すると、システムは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。
運用要件に合わせたタービン電源出力の調整
パワーブースト、出力向上、カットアウト範囲の拡大といったアドバンスト制御ソリューションは、風力タービンの効率化技術と組み合わせることで、負荷への影響を最小限に抑えつつ、年間のエネルギー生産を大幅に増加させます。
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。