背 景

German Federal Ministry of Research and Technology and the Industry  [1] に設立された ET 4063 リサーチプロジェクトは、風力エネルギーが我々への安定したエネルギー供給に貢献できることを明確にしました。 写真1 は当時の試験プラントの全景を示しています。

写真1: 3枚のブレードを装着した高速タービン、マストおよび試験計測機器用建屋を含めた全景
写真2:ローターとふげねれーた間の T30FN トルク変換器
写真3: トルク - 風速ダイアグラムTorque-wind speed diagram

1980年代に使用されたトルク変換器

リサーチプロジェクトの過程では、公称(定格)トルク10 kN•mを提供する T30FN トルク変換器 が使用されました。

型式の「F」 は、周波数変調伝送方式から来ています。 これは、例えばエアギャップ偏差といった、継手要素の影響を全く受けない非接触計測信号およびローターのエネルギー供給を意味します。

型式の 「N」 は、磁気式回転計測システムが内蔵されていることを示しています。 ジェネレータ入力量としての機械量は、トルクと回転速度によって決定されます。

写真2 はマストのトップに設置されたトルク変換器です。

写真3風速とトルク間の関係を明確に示しています [2]。 回転速度が不変である間、風の力の増加によりトルクも増加しています。 結果:付加的機械量が生成されています。しかしながら、これはまた、ジェネレータがもっと電力を生産できるということを意味しています。

現状: 風力エネルギーの今日

今日では、未来の市場として魅力的な成長率とともに、風力はメジャーな再生可能エネルギーの一つとなっています。さらに、原子力発電の段階的削減という風潮の結果、代替えエネルギーへの急激な要求と需要が爆発的に高まっています。

1990年初頭、ウィンドタービンの平均定格出力200 kWでした。 今日では。それは 2 MW にまで達しています。 たった15年で定格出力ファクターが10倍超となっているのです。この主な要因としては、 ローターの直径が大きくなったことが挙げられます。ローター直径の倍増は、実行面積を4倍にします。

ウィンドタービンの機械的計測量

回転体の出力The output of a rotating body は、トルクと回転角の生成から得られます。

P = Output in N•m/s (1N•m/s = 1 W = 0.00136 metric hp)
M = Torque in N m
ω = Angular speed in s-1
N = Rotational speed in rpm

変形やそのほかのステップが計測されるべき量であるトルクに関連を与えます。

計算されたトルクは、直接トルクフランジを選択する際に直接使用されてはいけません。なぜなら、これには振動や起動時の動作など、付加的に影響要素となるものが何も計算されていないからです。 トルク計測の一般的解説は、HBMの参考文献内で提供しています [3]。

写真4: Rexroth テストベンチ (Werksbild Bosch Rexroth/Witten) 内のT10FM トルクフランジ

ギアユニット

ウィンドタービンでは、ローターのドライブスピード、制限、例えばピッチスピードによるものや、要求されるジェネレータ回転速度との間に「利害相反」があります。
Two pole pairs においては、1500 rpmの回転速度は、 50 Hzの供給周波数を要求します[4]。

このソリューションはギアユニットが使われます。ギアユニットは回転速度とトルクを変換し高パワーを転送します。
近代的なマルチメガワットウィンドタービン [5] においては、それらはおよそ14 rpm というローターの低回転速度を、ジェネレータシャフトへおよそ1400~1650 rpmの高回転に変換しています。
この変換には、ギア比による高いロータートルクの減少が関係しています。
写真4は HBMのT10FM* トルクフランジ 40 kN•m 公称 (定格) トルクがジェネレータの入力端に使用されているところです。

ウィンドタービンギアユニットは数トンの重さになり、通常のケースは拍車ギアユニットと連結されコンパクト形状です。
今日ではギアユニット無しのウィンドタービンが検討されていますが、十分な電力生成にはローターブレードにより生成されたトルクは常にとても高いものが必要とされるでしょう。

* T10FM トルクフランジは、現在製造が終了し、後継機種  T40FM デジタルトルクフランジが販売されています。

トルク

計測されるトルクはしばしばキロニュートン (kN•m) から数メガニュートン(MN•m) にもなります。これを以下のの例でご説明します。:

ジェネレータ:    P=2 MW
ギアユニット:    1:100

2 MW のジェネレータパワーと 1500 rpm の回転速度により、以下の計算式となります。:

(1)     MD=12.74 kN•m / n=1500 rpm

(2)     MD=1.3 kN•m / n=15 rpm

より低い回転速度を持ったより大きなジェネレータが検討されています。 しかしながら、トルク変換器も同じくその検討範囲に到達します。 写真 51.5 MN 変換器 の実物で、高容量トルク用の設計案です。

写真5: 1.5 MN 変換器の実物と設計案

しかしながら、このように大きなトルクフランジの校正のトレーサビリティは保証されていません。現在のところ、ドイツ Brunswick にある ドイツ物理工学研究所 (PTB)  が世界最大のトルク校正器を保持しています。 これは、1.1 MN トルクまでを 0.1%の計測の不確かさで校正できる試験装置を実現させます [6]。 HBM の現在のトルク校正サービス は、表6で示す範囲を提供しています。

表6: HBMのトルク校正サービス一覧

結 論

この資料では、過去から現在に至るまで、ウィンドタービンにおいてトルク計測が重要となっていることを明確に示しました。回転なくして電力生成はありません。つまり、回転角とトルクなしに電力は無いのです。

参考文献

[1]    Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt, Markt&Technik No. 44 dated October 30, 1981

[2]    MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Issue 2,  Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt

[3]    Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4
    Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt

[4]    http://www.energiewelten.de/

[5]    Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion, http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/

[6]    http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447

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