JP4914294B2 - 水平軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、水平軸風車の待機制御に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が商業用に広く実用化されている。一般的な水平軸風車は、少なくとも２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。
加えて、ナセルのヨー回転を自在に駆動制御可能なヨー駆動手段、ヨー回転を制動するヨーブレーキ、ロータの回転を制動する主軸ブレーキ等の制御手段を水平軸風車に設けることも従来行われている。また、ブレードのピッチ角を制御する手段を有した水平軸風車も利用されている。

通常、風車の設計強度は暴風中の待機状態の際に受ける荷重に大きく影響を受ける。暴風時の風車荷重は停電も併発することを想定して設定する必要がある。また、通常の水平軸風車は、暴風時には発電を停止し待機する。
ある従来のアップウィンド・ピッチ制御機では、全翼のフェザーを確保した後に、ナセル方位角をヨー制御により約180deg反転させ、弱いヨーブレーキで保持して暴風時に待機する（例えば、非特許文献１参照）。これにより、暴風時にはロータが風下に靡き、タワーへの荷重を軽減することができる。
柴田昌明、林義之、「設計荷重低減のための新コンセプト」、風力エネルギー利用シンポジウム、平成１５年１１月２０日、ｐ．２２５−２２７

上記従来技術を含む今日の一般的な風車は、ピッチ角を制御するピッチ制御風車である。この種の風車は一般に、ピッチ角をフェザーとし、ロータを遊転させて暴風待機する。ヨー制御については、ヨー制御をアクティブに行うもの、パッシブに行うもの、行わない（ヨーブレーキ・ヨーウォームギアで固定する）ものがある。
ヨー制御可能ないずれの風車においても、ヨー制御に必要な電源が遮断される場合や、ヨー制御に関するいずれかの機器に故障が生じた場合は、全方位からの暴風を受ける可能性がある。したがって、全方位からの暴風を想定して設計する必要がある。
風車が大型化すると失速フラッタが発生しやすくなる。全方位からの暴風を想定すると、ナセルに対する特定の風向において失速フラッタが大きく発生し、大きな荷重を発生させる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、ナセルに対するあらゆる風向の風に対してもヨーを制御することなくフラッタ、ひいては風車にかかる荷重を低減することができる水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブとブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを備え、
風速が所定値以上の場合に、前記ナセルのヨー角を固定し、前記ナセルに対する風向のヨー角に応じて前記ブレードのピッチ角を制御して前記ロータを遊転させる水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、風速が前記所定値未満の場合に、すべての前記ブレードをフェザーに制御する請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、風速が前記所定値以上の場合に、負荷荷重の集中を避けるように前記ブレードのピッチ角を制御する請求項１又は請求項２に記載の水平軸風車である。

請求項４記載の発明は、前記ブレードが３枚であり、
風速が前記所定値以上の場合に、前記ナセルに対する風向のヨー角＝±４５degに対するピッチ角の制御目標値から、同ヨー角＝±１３５degに対するピッチ角の制御目標値までをピッチ角の制御目標値の範囲とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の水平軸風車である。

請求項５記載の発明は、風速が前記所定値以上の場合に、前記ナセルに対する風向のヨー角＝±４５degに対するピッチ角の制御目標値を制御目標値の最小値とし、同ヨー角＝±１３５degに対するピッチ角の制御目標値を制御目標値の最大値とする請求項４に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、風速が所定値以上の場合に、ナセルのヨー角を固定し、ナセルに対する風向のヨー角に応じてブレードのピッチ角を制御してロータを遊転させることにより、ナセルに対するあらゆる風向の風に対してもヨーを制御することなくフラッタ、ひいては風車にかかる荷重を低減することができるという効果がある。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

本実施形態の水平軸風車は、ダウンウィンド型の水平軸風車で、風力発電装置に利用されているものである。図２に本水平軸風車の平面模式図を示す。本水平軸風車は、ハブと３枚のブレードとを有するロータ１と、ハブに接続された主軸を介してロータ１を軸支するナセル２と、ナセル２をヨー回転自在に支持するタワー（図示せず）とを備える。また、本水平軸風車は、風速計、風向計及び制御装置を備え、ブレードのピッチ角を制御可能な水平軸風車である。ブレードのピッチ角をブレード毎に独立して制御可能なものでも適用できるが、すべてのブレードを一括して制御可能なもので足りる。

風速計は、当然に本水平軸風車が受ける風の風速を計測するものである。風向計は、ナセル２に備えられ、ナセル２に対する風向のヨー角を計測するものである。風速計、風向計の形態は問わない。例えば、風向計は、ヨートルクから計測するもの、ナセル及びタワーの歪みから計測するもの、ブレード・ハブ・主軸の歪みとロータアジマス角の双方から計測するものなど、手段は問わない。

次に、図１を参照して制御目標とするピッチ角の設定につき説明する。ナセルに対する風向のヨー角Ｙ（以下「ヨー角Ｙ」という。）に応じた制御目標のブレードピッチ角Ｐ（以下「目標ピッチ角Ｐ」という。）の変化を示すグラフを図１に示す。
図１に示すように、ヨー角Ｙに応じて目標ピッチ角Ｐは変化する。この変化を表すグラフは、ヨー角Ｙ＝０, ±４５,±１３５〔deg〕においてピークを有し、ヨー角Ｙ＝０を基準に線対称に変化している。ヨー角Ｙ＝０のとき目標ピッチ角Ｐ＝８０deg、ヨー角Ｙ＝±４５のとき目標ピッチ角Ｐ＝６０degで最小値をとり、ヨー角Ｙ＝±１３５のとき目標ピッチ角Ｐ＝６０degで最大値をとる。ヨー角Ｙ＝±４５degに対する目標ピッチ角Ｐの値から、ヨー角Ｙ＝±１３５degに対する目標ピッチ角Ｐの値までをピッチ角の制御目標値の範囲としている。

図１に示す目標ピッチ角Ｐは、ヨー角Ｙの各値において最大荷重を小さくするピッチ角の値を選定したものであり、本発明者の計算によって選定したものである。風車各部の破壊や不可逆的変形を避けるためには、特定の箇所の荷重を下げるのではなく、全体的にバランス良く低減するピッチ角を選定する必要がある。そのためには、適度な速度でロータを遊転させるのがよいことが分かっている。ロータの遊転速度が速すぎると動圧（荷重）を上昇させ、逆に、ロータを静止させてしまうと、振動（フラッタ）が起こりやすくなり、荷重の観点からは好ましくないことがわかっている。これらのことを踏まえ、実験又は／及び計算により、３６０deg分のヨー角Ｙに対する目標ピッチ角Ｐを予め定めておく。

図１に示すグラフにおいて、範囲Ａでは目標ピッチ角Ｐを９０degに保つのに対し、ヨー角Ｙ＝０degでは目標ピッチ角Ｐを８０degにし、範囲Ｆではグラフは傾斜しており目標ピッチ角Ｐを一定の値に保たない。これは、ブレードの形状が前後方向で対称ではないモデルを対象に計算したためである。なお、目標ピッチ角Ｐ＝９０degが、必ずしもロータに対するトルクがゼロとなる角度ではない点に留意が必要である。これもブレードによる。

図１に示すグラフにおいて、ヨー角Ｙ＝±９０deg,目標ピッチ角Ｐ＝９０degの点を中心に、範囲Ｄ，Ｅ，Ｆにおけるグラフと範囲Ａ，Ｂ，Ｃにおけるグラフが点対称とはなっていない。これは、計算対象のブレードの形状、ピッチ軸、剛性のいずれも前後対称ではないためである。
前後非対称のブレードは、前縁から風を受けた場合には、揚力は大きくなるが、振動は起こりにくく、逆に、後縁から風を受けた場合には、揚力は小さくなるが、振動が出やすくなるという大局的傾向がある。

範囲Ｂ→Ｃ、範囲Ｄ→Ｅの移り変わりでグラフが極値を形成するのは、ヨー角Ｙ＝±４５deg付近とヨー角Ｙ＝±１３５deg付近とで最大揚力となり、従って最も荷重条件が厳しくなることに起因している。ヨー角Ｙ＝±４５degで負荷荷重を最も分散させるために必要なピッチ角が約６０degであるため目標ピッチ角Ｐを６０degとした。
以上のことから、目標ピッチ角Ｐは、図１に示すとおりとした。
この特性は３枚ブレードの風車であれば、ダウンウィンド風車に限らず、アップウィンド風車でも同様に現れる。２枚ブレードの風車では図１に示すものと異なる。

次に、図２を参照してヨー角Ｙとピッチ角につき補足する。図２(a1)示すように風向ＷＤがロータ１の回転軸３に対して平行であるとき、ヨー角Ｙ＝０とする。図１のグラフに従いヨー角Ｙ＝０のときは、目標ピッチ角Ｐ＝８０degである。目標ピッチ角Ｐ＝８０degに制御されたブレード４の姿勢を図２(a2)に示す。図２中、５はロータ回転面を示す。

図２(b1)に、ヨー角Ｙ＝４５degのときの風車と風向の関係を示す。図１のグラフに従いヨー角Ｙ＝４５degのときは、目標ピッチ角Ｐ＝６０degである。目標ピッチ角Ｐ＝６０degに制御されたブレード４の姿勢を図２(a2)に示す。
以下同様に、ヨー角Ｙ＝９０，１３５，１８０〔deg〕のときの風車と風向の関係を図２(c1)(d1)(e1)に順に示し、各ヨー角に応じた目標ピッチ角Ｐに制御されたブレード４の姿勢を図２(c2)(d2)(e2)に示す。
ヨー角Ｙやブレードピッチ角の基準の定め方は任意であるが、図１に示したグラフは以上の基準に従ったものである。

次に、図３、図４を参照して制御につき説明する。図３は、基本フローチャートで、図４は待機時のフローチャートである。
本水平軸風車に備わる制御装置は、制御が開始されると（Ｓ１）、本水平軸風車に備わる風速計の計測値を得て待機条件か否か監視し判断し（Ｓ３）、待機条件に当てはまらなければ定格運転する（Ｓ２）。
ここで、待機条件は一例として１０分以上にわたって風速が２５ｍ／ｓ以上であるときとする。定格運転は、ロータに繋がれた発電機により発電することである。
ステップＳ３でＹｅｓの場合、制御装置は待機運転を開始する（Ｓ４）。待機運転では、ナセル２のヨー角をヨーブレーキで固定するとともに、ロータ１を遊転可能な状態とする。すなわち、発電を停止し、主軸ブレーキを解除してロータ１に対する負荷を解除する。

また、待機運転では本水平軸風車に備わる風速計及び風向計の計測値を得て（Ｓ６）、待機運転を継続するか否か（Ｓ５）、風速が所定値以上か否か（Ｓ７）を監視し判断する。
ここで、待機運転を継続するかの条件は、上記待機条件と同じ、すなわち、１０分以上にわたって風速が２５ｍ／ｓ以上であるときとしもよいが、より安全な条件として例えば、１０分以上にわたって風速が２０ｍ／ｓ以上であるときとしてもよい。
また、所定値は、一例として１０分以上にわたって風速が３０ｍ／ｓであるときとする。いずれにしても、上記待機条件より高い条件である。
ステップＳ５でＮｏの場合、図３の基本フローに戻る。
ステップＳ５でＹｅｓでステップＳ７でＮｏの場合、すなわち、風速が所定値未満の場合、制御装置はすべてのブレードをフェザーに制御する（Ｓ８）。
このように、待機運転中で風速が所定値未満の場合は、ヨー角Ｙによらずにすべてのブレードをフェザーに制御する。

ステップＳ７でＹｅｓの場合、すなわち、風速が所定値以上の場合、制御装置はヨー角Ｙに応じてブレードのピッチ角を制御して前記ロータを遊転させる。具体的には、制御装置はすべてのブレードを図１に示した目標ピッチ角Ｐとなるように、ブレードのピッチ角を制御する（Ｓ１０）。そのために、制御装置はメモリ領域に記憶された目標ピッチ角Ｐのデータを参照し、計測したヨー角Ｙに応じた目標ピッチ角Ｐを得る（Ｓ９）。

ここで、特定の風況における本発明例及び従来例のシミュレーション結果を開示する。風況としては図５に示す平均風速が４０m/s、ヨー角Ｙの平均が４５degの乱流を想定した。図５に示す１０分間の風況変化を計算対象とした。同風況において、本発明例は上記実施形態に従ってヨーを固定し、制御周期を１０分としてブレードのピッチ角を６０degに固定した。

一方、従来例としては、同風況においてヨーを固定し、ブレードをフェザーに固定するものとした。
本発明例及び従来例におけるヨートルクの時歴を図６に示す。本発明例のヨートルク２１は従来例のヨートルク２２に対し全時間において約１／８と、大幅に低減している。

本発明例及び従来例におけるロータアジマス角の時暦を図７に示す。従来例でほぼロータが静止していたところ、本発明例では定常的にロータが遊転していることが図７より確認できる。失速フラッタは、ロータがほぼ静止している状況で発生する。本発明により、ピッチ角をヨー角Ｙに応じて制御してロータを定常的に遊転させることができ、それによりピッチ角固定の場合に失速フラッタが発生したヨー角においてもフラッタが回避でき荷重を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る制御目標のブレードピッチ角Ｐの変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る水平軸風車の平面模式図(a1)(b1)(c1)(d1)(e1)及びブレード断面図(a2)(b2)(c2)(d2)(e2)である。 本発明の一実施形態に係る制御の基本フローチャートである。 本発明の一実施形態に係る待機時の制御のフローチャートである。 実施例に係る風況の時間変化を示すグラフである。 本発明例及び従来例におけるヨートルクの時間変化を示すグラフである。 本発明例及び従来例におけるロータアジマス角の時間変化を示すグラフである

符号の説明

１ ロータ
２ ナセル
３ 回転軸
４ ブレード

Claims (5)

1. ハブとブレードとを有するロータと、
   前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
   前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを備え、
   風速が所定値以上の場合に、前記ナセルのヨー角を固定し、前記ナセルに対する風向のヨー角に応じて前記ブレードのピッチ角を制御して前記ロータを遊転させる水平軸風車。
2. 風速が前記所定値未満の場合に、すべての前記ブレードをフェザーに制御する請求項１に記載の水平軸風車。
3. 風速が前記所定値以上の場合に、負荷荷重の集中を避けるように前記ブレードのピッチ角を制御する請求項１又は請求項２に記載の水平軸風車。
4. 前記ブレードが３枚であり、
   風速が前記所定値以上の場合に、前記ナセルに対する風向のヨー角＝±４５degに対するピッチ角の制御目標値から、同ヨー角＝±１３５degに対するピッチ角の制御目標値までをピッチ角の制御目標値の範囲とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の水平軸風車。
5. 風速が前記所定値以上の場合に、前記ナセルに対する風向のヨー角＝±４５degに対するピッチ角の制御目標値を制御目標値の最小値とし、同ヨー角＝±１３５degに対するピッチ角の制御目標値を制御目標値の最大値とする請求項４に記載の水平軸風車。

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