【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車発電装置等に適用され、複数の翼に風力を作用させ該翼の回転力をロータヘッドを介して出力側の風車軸に伝達するように構成された風車において、前記翼を傾斜せしめることにより風の翼通過面積を変化可能にした翼通過面積調整装置を備えた風車及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平５−６００５３号公報
【特許文献２】特開平１０−２５２６３９号公報
【０００３】
ロータに支持された複数の翼に風力を作用させて回転力を発生せしめる風車によって発電機を駆動するようにした風車発電装置を多数併設することにより高出力の発電能力を備えた風力発電設備は、丘陵上や山上等の高所あるいは洋上等の高風速が得られる場所に設置されている。
かかる風車発電装置や種々の動力源に適用される風車装置は、例えば特許文献１（特開平５−６００５３号公報）及び特許文献２（特開平１０−２５２６３９号公報）に示されるように、出力軸を構成する風車軸に固着されたロータヘッドの外周に複数の翼を固着し、風力により発生する翼の回転力を該ロータヘッドを経て風車軸に伝達するように構成されており、稼動時におけるエネルギーや消費電力（必要発電電力）に対応して風車軸に連結される翼のピッチを変化させ、風速に応じた翼ピッチの最適点を探して運転制御することにより所要の発電電力を保持するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、かかる風車装置において風（空気流）による風車の動力（エネルギー）は、該風車における風の通過面積即ち翼の外周円と翼根の内周円との間に形成される環状面の面積Ｓに比例する。即ち、翼根の内周円の半径をｌ、外周円の半径をＬとすると、前記環状面の面積つまり翼の通過面積Ｓは、
Ｓ＝π（Ｌ２―ｌ２） （１）
となり、風車の動力を増大するには、翼の外周円の半径Ｌを大きくするか、あるいは翼の外周円と翼根の内周円との差つまり翼長を長くすることを要する。
【０００５】
また、かかる風車の出力Ｐは、風速をＶ、翼の通過面積をＳとすると、
Ｐ＝ｋ・Ｓ・Ｖ３ （２）
即ち風車の出力Ｐ、つまり風車発電装置であれば、発電量は風車設置場所の気象状態よって左右される風速Ｖの増大には限度があることから、翼の通過面積Ｓを増加することにより増大可能となる。
【０００６】
然るに、前記風車の出力Ｐを増大するために翼の通過面積Ｓを増加した場合、気象状態の変化に伴う突風の発生等によって風速Ｖが過大になった際には、前記風車の出力Ｐが増大する一方で、過大風速の作用により翼及びロータヘッド等の回転部材が疲労破壊を起こし易くなる。
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１，２等にあっては、風車軸よりもやや大径のロータヘッドに翼が直接固着された構造であるため、翼の外周円の半径Ｌを大きく採り難いことから風車出力Ｐの増大には限界があり、また前記外周円の半径Ｌを最大限に採って翼の通過面積Ｓを大きくした場合には、気象状態の変化に伴う突風の発生等によって風速Ｖが過大になった際には翼及びロータ等の回転部材が疲労破壊を起こし易い、
等の問題点を有している。
【０００８】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、風速に対応して翼の通過面積を変化可能として、風車の出力を疲労破壊の発生を回避し得る範囲で最大限に保持することを可能とする翼通過面積調整装置を備えた風車及びその運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、ロータヘッドに支持された複数の翼に風力を作用させ、該翼の回転力を前記ロータヘッドを介して出力側の風車軸に伝達するように構成された風車において、前記翼を前記ロータヘッドの軸心方向に傾斜せしめて翼通過面積を変化せしめる翼傾斜機構を備えてなることを特徴とする翼通過面積調整装置を備えた風車を提案する。
【００１０】
請求項２記載の発明は前記翼通過面積調整装置の制御手段に係り、請求項１に加えて、前記翼に作用する風速を検出する風速検出器と、該風速検出器から風速の検出信号が入力され該風速の検出値に基づき単位時間毎の平均風速を算出し、該平均風速に対応する前記翼の傾斜度を算出して該傾斜度になるように前記翼傾斜機構を駆動するコントローラとを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１，２の翼通過面積調整装置を備えた風車の運転方法に係り、ロータヘッドに支持された複数の翼に風力を作用させ、該翼の回転力を前記ロータヘッドを介して出力側の風車軸に伝達するように構成された風車の運転方法において、前記翼に作用する風速を検出し、該風速の検出値に基づき単位時間毎の平均風速を算出し、該平均風速に対応して設定された翼通過面積を算出し、前記翼を前記ロータヘッドの軸心方向に傾斜可能に構成して該翼の傾斜角を翼通過面積がこれの前記算出値になるように調整することを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、風速検出器により翼に作用する風速を検出してコントローラに入力し、該コントローラにおいて、前記風速の検出値に基づいて単位時間毎の平均風速を算出し、予め設定された平均風速と風車出力との関係から前記平均風速算出値に対応する風車出力を求めて該風車出力に基づき翼通過面積を算出する。
しかして、前記風車は翼をロータヘッドの軸心方向に傾斜せしめて翼通過面積を変化する翼傾斜機構を備えており、前記コントローラにおいては前記のようにして算出された翼通過面積に相当する翼のロータヘッド軸心方向の傾斜度即ち傾斜角を算出して前記翼傾斜機構のアクチュエータに出力する。
そして、該翼傾斜機構は、前記翼を駆動し前記翼通過面積の算出値に相当する傾斜角になるようにして該翼を整定せしめる。
【００１３】
即ち、前記コントローラにおいては、前記平均風速が設定された一定風速以下の低風速時においては前記翼の傾斜角を大きくして翼通過面積を拡大し、風力エネルギーを最大限に風車の出力軸（風車軸）に取り出す。この場合、低風速であるので、翼通過面積を拡大し風力エネルギーを増大しても翼及びロータ等の運動部材に疲労破壊が発生することはない。
【００１４】
また、前記平均風速が設定された上限風速以上の高風速時においては前記翼の傾斜角を小さくして翼通過面積を縮小し、前記運動部材における疲労破壊の発生を回避する。
さらに、前記低風速と高風速との間の中風速時においては、翼の傾斜角を変化させることにより翼への風力エネルギーを調整し、風車出力と前記運動部材への疲労荷重とを考慮した最適運転条件にて風車を運転する。
これにより、前記翼に作用している風速に対して翼及びロータ等の運動部材に疲労破壊の発生を回避し得る範囲で風車の出力が最大になるような翼通過面積に相当する傾斜角に該翼を整定して運転することができる。
【００１５】
請求項３ないし５記載の発明は前記翼傾斜機構の具体的構成に係り、請求項３記載の発明は請求項１において、前記翼傾斜機構は、前記ロータヘッドに固定されて出力ロッドが該ロータヘッドの軸心方向に伸縮する流体圧アクチュエータと、前記ロータヘッドに取り付けられた支持軸回りに回動可能に設けられて一端側が前記流体圧アクチュエータの出力ロッドに連結されるとともに他端側に前記翼が連結された翼リンクとを備え、前記流体圧アクチュエータの往復動により前記翼リンクを前記支持軸回りに回動して前記翼の傾斜角を変化せしめるように構成されてなることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は請求項１において、前記翼傾斜機構は、前記ロータヘッドに固定されるとともに、回転駆動される出力軸及び該出力軸に螺合されて該出力軸の回転により往復動するナットを備えたサーボモータと、前記ロータヘッドに取り付けられた支持軸回りに回動可能に設けられて一端側が前記サーボモータのナットに連結されるとともに他端側に前記翼が連結された翼リンクとを備え、前記サーボモータのナットの往復動により前記翼リンクを前記支持軸回りに回動して前記翼の傾斜角を変化せしめるように構成されてなることを特徴とする。
【００１７】
請求項３、４のように構成すれば、１組の流体圧アクチュエータ（請求項３）あるいは１組のサーボモータ（請求項４）により複数の翼を同期して同一傾斜角に調整できるので、翼傾斜機構の構造が簡単であり、また流体圧アクチュエータあるいはサーボモータの出力端から翼まではリンク結合であるので、各翼間に傾斜角のばらつきが少なく高精度の翼傾斜角制御が可能となる。
【００１８】
請求項５の発明は請求項１において、前記翼傾斜機構は、前記ロータヘッドに取り付けられた支持軸回りに回動可能に設けられて端部側に前記翼が連結された翼リンクと、前記ロータヘッドの中心部に設けられた支持部と翼リンクとの間に架設されて出力ロッドの伸縮により前記翼リンクを介して前記翼のロータヘッド軸心方向の傾斜角を変化せしめる流体圧アクチュエータとを翼毎に備えてなることを特徴とする。
【００１９】
請求項５のように構成すれば、流体圧アクチュエータにより翼毎に独立して傾斜角を変化せしめ翼通過面積を調整することが可能となり、各翼の傾斜角を風車出力と前記運動部材への疲労荷重とを考慮した最適状態に設定することが可能となる。
【００２０】
以上のように、かかる発明によれば、特許文献１，２のように風車出力を増大するため翼の外周円半径を最大限に採って翼通過面積を大きくすると、突風の発生等によって風速が過大になった際には翼及びロータ等の回転部材が疲労破壊を起こすというような不具合の発生を回避でき、翼に作用する風速の検出値に基づき翼の傾斜角を変化させ翼通過面積を調整することにより、該翼に作用している風速に対して翼及びロータ等の運動部材に疲労破壊の発生を回避し得る範囲で風車の出力が最大になるような翼通過面積に整定して風車を作動させることができる。
【００２１】
従って本発明によれば、翼及びロータ等の運動部材に疲労破壊の発生を回避しかつ風車の出力が最大になる最適翼通過面積となるように、翼の傾斜角を常時自動的に制御して風車を作動させることができ、翼及びロータ等の運動部材の疲労寿命を長く保持して風車出力を最大出力、風車発電装置であれば最大発電量にて風車の運転を行うことができる。
尚、前記流体圧アクチュエータとしては、以下の実施例における油圧アクチュエータ、空気圧を利用した空気圧アクチュエータを用いるのがよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例に係る風車における翼通過面積調整装置の要部側面構成図（図２のＢ―Ｂ矢視図）、図２は図１のＡ―Ａ矢視図である。図３は第２実施例を示す図１対応図、図４は第３実施例を示す図１対応図である。図５は本発明が適用されるダウンウインド型風車の概略側面図である。図６の（Ａ）は本発明に係る翼通過面積調整手段の制御ブロック図、（Ｂ）は風車の出力線図である。
【００２４】
本発明が適用されるダウンウインド型風車を示す図５において、５０はロータヘッドで、外周に複数個（この例では３個）の翼１０１が円周方向等間隔に公知のピッチ角制御装置１０２を介して取り付けられ、該翼１０１とともに回転するようになっている。１０５は支柱、１０４は該支柱１０５上に公知のヨー制御装置１０６を介してナセル回転中心１０５ａ廻りに回転可能に支持されたナセルで、該ナセル１０４内には発電機１０７が収納されている。１０８は前記ロータヘッド５０と発電機１０７とを連結する風車軸、１０９は該風車軸１０８を前記ナセル１０４に軸支する軸受である。
この風車は、風（空気流）の導入方向に対してロータヘッド５０及び翼１０１がナセル回転中心１０５ａの風下に位置するダウンウインド型風車に構成されているが、風の導入方向に対してロータヘッド５０及び翼１０１がナセル回転中心１０５ａの風上に位置するアップウインド型風車に構成してもよい。
【００２５】
図１〜２に示す第１実施例において、１０１は前記ロータヘッド５０の外周側に後述する手段で支持された翼で、図２に示されるように、円周方向等間隔に３個（複数個であればよい）設けられている。
１００は翼傾斜機構で、次のように構成されている。
１０３は前記各翼１０１の根本部に前記ピッチ角制御装置１０２を介して取り付けられた翼リンクである。該翼リンク１０３は中間部を前記ロータヘッド５０からフォーク状に突設された支持腕部５１に支軸６を介して回動可能に支持されている。
【００２６】
１は前記ロータヘッド５０に固着された油圧アクチュエータで、これの出力ロッド２が該ロータヘッド５０の回転中心５０ａ方向に伸縮するように設けられている。３は前記出力ロッド２の軸端部に固着されフォーク状に形成されたロータヘッドコネクタで、該ロータヘッドコネクタ３の溝内には前記翼リンク１０３の反翼側端部にピン４を介して回転自在に支持されたローラ５が転接されている。従って、前記各翼１０１及び翼リンク１０３は、前記油圧アクチュエータ１の出力ロッド２がロータヘッド５０の回転中心５０ａ方向に伸縮すると、前記ロータヘッドコネクタ３及びローラ５を介して前記支軸６を支点として回動せしめられることとなる。
【００２７】
２１は前記翼１０１に作用する風速を検出する風速検出器、６０は風速検出器２１からの風速の検出値に基づき前記翼１０１の傾斜角θを算出して後述するアクチュエータ駆動装置２０に出力するコントローラ、２０は該コントローラ６０からの制御信号を受けて前記油圧アクチュエータ１を駆動するアクチュエータ駆動装置、２２は前記油圧アクチュエータへの作動油の油圧源である。
【００２８】
かかる構成からなる翼通過面積調整装置を備えた風車の運転時において、図６に示されるように、風速検出器２１にて検出された翼１０１に作用する風速の検出信号はコントローラ６０の平均風速算出部６１に入力される。該平均風速算出部６１においては、所定の単位時間毎の風速の平均値つまり平均風速Ｖを算出して、風車出力算出部６３に入力する。
【００２９】
６２は風速／出力設定部で、前記（２）式に示されるような平均風速Ｖと風車出力Ｐとの関係が翼通過面積Ｓをパラメータにして設定されている。図６（Ｂ）はかかる設定線図であり、前記風速／出力設定部６２においては、図６（Ｂ）に示すように、平均風速Ｖが低風速Ｖ２以下のときには翼通過面積を最大値つまり翼１０１の傾斜角θ（図１、３、４参照）を最大値である１８０°に保持し、平均風速Ｖが限界風速（高風速）Ｖ１以上のときには翼通過面積を最小値つまり翼１０１の傾斜角θ（図１、３、４参照）を最小傾斜角に保持し、さらに前記低風速Ｖ２と限界風速（高風速）Ｖ１との間の中風速のときには図に変化線で示す最適運転条件になるように翼通過面積つまり翼１０１の傾斜角θを制御するように設定されている。
【００３０】
風車出力算出部６３においては、前記風速／出力設定部６２における図６（Ｂ）の設定線図から、前記平均風速Ｖの算出値に対応する風車出力Ｐを求め、翼面積算出部６４に入力する。該翼面積算出部６４においては、前記風車出力Ｐに対応する翼通過面積Ｓを算出し翼径算出部６５に入力する。該翼径算出部６５においては、前記翼通過面積Ｓに相当する翼１０１の外周径を算出し翼傾斜角算出部６６に入力する。
【００３１】
翼傾斜角算出部６６においては、前記翼１０１の外周径に相当する翼１０１の必要傾斜角θを算出してアクチュエータ駆動装置２０に出力する。該アクチュエータ駆動装置２０は前記油圧源２２から油圧アクチュエータ１に送られる作動油の供給、排出を制御し、出力ロッド２を往復動せしめて、前記翼１０１をその傾斜角θが前記のようにして算出された平均風速検出値に基づく傾斜角になるように回動し整定する。
【００３２】
即ち、前記アクチュエータ駆動装置２０により、油圧アクチュエータ１の出力ロッド２及びこれに固定されたロータヘッドコネクタ３を往復動させると、前記翼リンク１０３及びこれに固定されている翼１０１が支軸６廻りに回動し、該翼１０１が必要傾斜角θに整定される。
【００３３】
前記のように、かかる実施例によれば、前記コントローラ６０において、前記平均風速Ｖが予め設定された一定風速以下の低風速時つまり図６（Ｂ）に示す低風速Ｖ２以下のときには、前記翼１０１の傾斜角θを図１の鎖線のように最大１８０°まで大きくして翼通過面積を拡大し、風力エネルギーを最大限に風車の出力軸である風車軸１０８に取り出す。この場合、低風速であるので、翼通過面積を拡大し風力エネルギーを増大しても翼１０１及びロータヘッド５０等の運動部材に疲労破壊が発生することはない。
【００３４】
また、前記平均風速が予め設定された上限風速以上の高風速時つまり図６（Ｂ）に示す高風速Ｖ１以上のときには、前記翼の傾斜角θを図１の実線のように小さくして翼通過面積を縮小し、前記運動部材における疲労破壊の発生を回避する。
さらに、前記低風速と高風速との間の中風速時においては、翼１０１の傾斜角θを図６（Ｂ）の変化線に沿って変化させることにより翼１０１への風力エネルギーを調整し、風車出力と前記運動部材への疲労荷重とを考慮した最適運転条件にて風車を運転する。
これにより、前記翼１０１に作用している風速に対して該翼１０１及びロータヘッド５０等の運動部材に疲労破壊の発生を回避し得る範囲で、風車の出力が最大になるような翼通過面積に相当する傾斜角θに該翼１０１を整定して運転することが可能となる。
【００３５】
図３に示される第２実施例においては、翼傾斜機構１００を次のように構成している。
即ち、１０は前記ロータヘッド５０に固定されたサーボモータで、該サーボモータの出力軸１１にはナット１３がねじ部１２にて螺合されている。そしてかかる実施例においては、該出力軸１１の回転により前記ねじ部１２を介してナット１３が往復動せしめられ、該ナット１３に形成されたフォーク状の溝内に前記翼リンク１０３の反翼側端部にピン４を介して回転自在に支持されたローラ５が転接されており、前記出力軸１１の回転に伴うナット１３の往復動により前記翼リンク１０３を前記第１実施例と同様な支持軸６の回りに回動して翼１０１の傾斜角θを変化せしめるように構成されている。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３６】
図４に示される第３実施例においては、翼傾斜機構１００を次のように構成している。
前記翼１０１が固定されている翼リンク１０３は、前記ロータヘッド５０の外周寄りの２箇所に取り付けられた支軸３２回りに回動可能に支持されて対をなして設けられている。３５は前記ロータヘッド５０の中心部に突設されたブラケットであり、該ブラケット３５の端部に設けられた油圧シリンダ支軸３４と、対をなす前記翼リンク１０３の中間部に設けられたピン３３との間には、油圧アクチュエータ３０が架設されている。
そしてかかる実施例においては、前記対をなす油圧アクチュエータ３０のロッド３１の伸縮により前記翼リンク１０３を介して前記翼１０１のロータヘッド５０軸心方向の傾斜角θを変化せしめる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３７】
かかる第３実施例によれば、翼１０１毎に設けられた前記油圧アクチュエータ３０により翼１０１毎に独立して傾斜角θを変化せしめて、翼通過面積を調整することが可能となり、各翼１０１の傾斜角θを、風車出力と翼１０１、ロータヘッド５０等の運動部材への疲労荷重とを考慮した最適状態に設定することが可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、特許文献１，２のような構成を備えた風車のごとく風車出力を増大するため翼の外周円半径を最大限に採って翼通過面積を大きくすると、突風の発生等によって風速が過大になった際には翼及びロータ等の回転部材が疲労破壊を起こすというような不具合の発生を回避でき、翼に作用する風速の検出値に基づき翼の傾斜角を変化させ翼通過面積を調整することにより、該翼に作用している風速に対して翼及びロータ等の運動部材に疲労破壊の発生を回避し得る範囲で風車の出力が最大になるような翼通過面積に整定して風車を作動させることができる。
【００３９】
従って本発明によれば、翼及びロータ等の運動部材に疲労破壊の発生を回避しかつ風車の出力が最大になる最適翼通過面積となるように、翼の傾斜角を常時自動的に制御して風車を作動させることができ、翼及びロータ等の運動部材の疲労寿命を長く保持して風車出力を最大出力、風車発電装置であれば最大発電量にて風車の運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る風車における翼通過面積調整装置の要部側面構成図（図２のＢ―Ｂ矢視図）である。
【図２】図１のＡ―Ａ矢視図である。
【図３】第２実施例を示す図１対応図である。
【図４】第３実施例を示す図１対応図である。
【図５】本発明が適用されるダウンウインド型風車の概略側面図である。
【図６】（Ａ）は本発明に係る翼通過面積調整手段の制御ブロック図、（Ｂ）は風車の出力線図である。
【符号の説明】
１、３０ 油圧アクチュエータ
２、３１ 出力ロッド
３ ロータヘッドコネクタ
４、３３ ピン
５ ローラ
６、３２ 支軸
１０ サーボモータ
１１ 出力軸
１２ ねじ部
１３ ナット
２０ アクチュエータ駆動装置
２１ 風速検出器
３４ 油圧シリンダ支軸
５０ ロータヘッド
５０ａ 回転中心
５１ 支持腕部
６０ コントローラ
１００ 翼傾斜機構
１０１ 翼
１０２ ピッチ角制御装置
１０３ 翼リンク
１０４ ナセル
１０５ 支柱
１０６ 揺動リンク
１０７ 発電機
１０８ 風車軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is applied to a wind turbine power generator or the like, and applies a wind force to a plurality of blades to transmit a rotational force of the blades to a wind turbine shaft on an output side via a rotor head. The present invention relates to a wind turbine provided with a blade passage area adjusting device capable of changing a blade passage area of wind by inclining the wind turbine and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] JP-A-5-60053 [Patent Document 2] JP-A-10-252639
Wind turbines with a high output power generation capacity are equipped with a large number of wind turbine generators that drive the generator by wind turbines that generate wind power by applying wind to multiple blades supported by the rotor. It is installed in high places such as hills and mountains, or at high wind speeds such as on the sea.
Such a wind turbine generator and a wind turbine device applied to various power sources are disclosed in, for example, JP-A-5-60053 and JP-A-10-252639. A plurality of blades are fixed to the outer periphery of the rotor head fixed to the windmill shaft constituting the shaft, and the rotating force of the blade generated by wind power is transmitted to the windmill shaft via the rotor head, and the operation is performed during operation. The required power generation is maintained by changing the pitch of the blades connected to the windmill shaft in accordance with the energy and power consumption (required power generation) at the wind turbine, searching for the optimum point of the blade pitch according to the wind speed, and controlling the operation. It is supposed to.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a windmill device, the power (energy) of the windmill due to the wind (airflow) is the wind passage area of the windmill, that is, the area of the annular surface formed between the outer circumferential circle of the blade and the inner circumferential circle of the blade root. It is proportional to S. That is, assuming that the radius of the inner circle of the blade root is 1 and the radius of the outer circle is L, the area of the annular surface, that is, the passage area S of the blade is
S = π (L 2 −l 2 ) (1)
In order to increase the power of the wind turbine, it is necessary to increase the radius L of the outer circumference of the blade, or to increase the difference between the outer circumference of the blade and the inner circumference of the blade root, that is, the blade length.
[0005]
Further, the output P of the wind turbine is expressed as follows, assuming that the wind speed is V and the passing area of the blade is S.
P = k · S · V 3 (2)
That is, in the case of the output P of the wind turbine, that is, in the case of the wind turbine generator, the amount of power generation is increased by increasing the passage area S of the wing since there is a limit to the increase in the wind speed V which is influenced by the weather condition of the wind turbine installation location. It becomes possible.
[0006]
However, when the passage area S of the wing is increased to increase the output P of the wind turbine, when the wind speed V becomes excessive due to the occurrence of a gust due to a change in weather conditions, the output P of the wind turbine is increased. On the other hand, the rotating members such as the blades and the rotor head are liable to cause fatigue failure due to the effect of excessive wind speed.
[0007]
However, in Patent Documents 1 and 2, etc., since the blades are directly fixed to the rotor head having a slightly larger diameter than the windmill shaft, the windmill is difficult to take a large radius L of the outer circumferential circle of the blades. There is a limit to the increase in the output P, and when the passing area S of the wing is increased by taking the radius L of the outer circumference circle to the maximum, the wind speed V becomes excessive due to the occurrence of a gust due to a change in weather conditions. When it becomes, rotating members such as wings and rotor are apt to cause fatigue failure,
And the like.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the related art, and has a blade capable of changing a passage area of the blade in accordance with a wind speed, thereby maintaining the output of the wind turbine to a maximum as far as the occurrence of fatigue failure can be avoided. An object of the present invention is to provide a windmill provided with a passage area adjusting device and a driving method thereof.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the present invention provides a wind turbine shaft on an output side through the rotor head by applying a wind force to a plurality of blades supported by a rotor head. A wind turbine configured to transmit the air to the rotor head, and a blade inclination mechanism for tilting the blade in the axial direction of the rotor head to change the blade passage area. Suggest a windmill.
[0010]
The invention according to claim 2 relates to a control means of the wing passage area adjusting device. In addition to claim 1, a wind speed detector for detecting a wind speed acting on the wing, and a wind speed detection signal from the wind speed detector. A controller that calculates the average wind speed per unit time based on the input wind speed detection value, calculates the inclination of the blade corresponding to the average wind speed, and drives the blade inclination mechanism so that the inclination becomes the inclination. It is characterized by comprising.
[0011]
The invention according to claim 6 relates to a method for operating a wind turbine provided with the blade passage area adjusting device according to claims 1 and 2, wherein wind force acts on a plurality of blades supported by a rotor head to reduce the rotational force of the blades. In the method of operating a wind turbine configured to transmit a wind turbine shaft on an output side via the rotor head, a wind speed acting on the blade is detected, and an average wind speed per unit time is calculated based on the detected value of the wind speed. Then, a blade passage area set in accordance with the average wind speed is calculated, and the blade is configured to be tiltable in the axial direction of the rotor head, and the inclination angle of the blade is calculated as the blade passage area. It is characterized in that it is adjusted to a value.
[0012]
According to this invention, the wind speed acting on the wing is detected by the wind speed detector and input to the controller, and the controller calculates the average wind speed per unit time based on the detected value of the wind speed, and sets the wind speed in advance. The wind turbine output corresponding to the calculated average wind speed is obtained from the relationship between the average wind speed and the wind turbine output, and the blade passage area is calculated based on the wind turbine output.
Thus, the wind turbine includes a blade inclination mechanism that changes the blade passage area by inclining the blade in the axial direction of the rotor head, and the controller corresponds to the blade passage area calculated as described above. The inclination of the blade in the axial direction of the rotor head, that is, the inclination angle, is calculated and output to the actuator of the blade inclination mechanism.
Then, the wing tilt mechanism drives the wing to set the wing so that the wing has a tilt angle corresponding to the calculated value of the wing passage area.
[0013]
That is, in the controller, at a low wind speed where the average wind speed is equal to or less than the set constant wind speed, the inclination angle of the blade is increased to enlarge the blade passage area, and the wind turbine output shaft ( (Windmill axis). In this case, since the wind speed is low, even if the blade passage area is increased and the wind energy is increased, fatigue failure does not occur in moving members such as the blades and the rotor.
[0014]
When the average wind speed is higher than the set upper limit wind speed, the inclination angle of the blade is reduced to reduce the blade passage area, thereby avoiding the occurrence of fatigue failure in the moving member.
Furthermore, at the time of the middle wind speed between the low wind speed and the high wind speed, the wind energy to the wing was adjusted by changing the inclination angle of the wing, and the wind turbine output and the fatigue load on the moving member were considered. Operate the windmill under optimal operating conditions.
With this, the inclination angle corresponding to the blade passage area such that the output of the wind turbine is maximized within a range in which it is possible to avoid the occurrence of fatigue damage to the moving members such as the blades and the rotor with respect to the wind speed acting on the blades. The wing can be set and operated.
[0015]
The invention according to claims 3 to 5 relates to a specific configuration of the wing tilt mechanism, and the invention according to claim 3 according to claim 1, wherein the wing tilt mechanism is fixed to the rotor head and an output rod is connected to the rotor. A fluid pressure actuator that expands and contracts in the axial direction of the head, and is provided rotatably around a support shaft attached to the rotor head, one end of which is connected to the output rod of the fluid pressure actuator and the other end of which is connected to the output rod of the fluid pressure actuator. A wing link to which the wing is connected, wherein the reciprocating motion of the fluid pressure actuator rotates the wing link around the support axis to change the inclination angle of the wing. I do.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the blade tilting mechanism is fixed to the rotor head, and is reciprocated by the rotation of the output shaft that is screwed to the output shaft that is driven to rotate and the output shaft. A servomotor having a nut, and a blade link rotatably provided around a support shaft attached to the rotor head and having one end connected to the nut of the servomotor and the other end connected to the blade. Wherein the blade link is rotated around the support shaft by the reciprocating motion of the nut of the servomotor to change the inclination angle of the blade.
[0017]
According to the third and fourth aspects, a plurality of blades can be synchronously adjusted to the same inclination angle by one set of a fluid pressure actuator (Claim 3) or one set of a servomotor (Claim 4). The structure of the wing inclination mechanism is simple, and the link from the output end of the fluid pressure actuator or servomotor to the wings is linked, so there is little variation in the inclination angle between the wings and high-precision wing inclination angle control is possible. Become.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the wing tilt mechanism is provided so as to be rotatable around a support shaft attached to the rotor head, and the wing link has the wing connected to an end side; A fluid pressure actuator that is installed between a support portion provided at a center portion of the rotor head and the blade link and that changes the inclination angle of the blade in the axial direction of the rotor head via the blade link by expansion and contraction of an output rod; Is provided for each wing.
[0019]
With this configuration, it is possible to change the inclination angle independently for each blade by the fluid pressure actuator and adjust the blade passage area, and to adjust the inclination angle of each blade to the windmill output and the movement member. It is possible to set the optimum state in consideration of the fatigue load.
[0020]
As described above, according to the invention, when the blade passing area is increased by maximizing the outer circumferential radius of the blade to increase the windmill output as in Patent Documents 1 and 2, the wind speed is increased due to the occurrence of gusts and the like. When it becomes excessive, it is possible to avoid such a problem that the rotating members such as the wings and the rotor cause fatigue failure, and change the inclination angle of the wings based on the detected value of the wind speed acting on the wings to increase the blade passage area. By adjusting, the blade passing area is set such that the output of the wind turbine is maximized within a range where the occurrence of fatigue failure can be avoided in the moving members such as the blade and the rotor with respect to the wind speed acting on the blade. The windmill can be activated.
[0021]
Therefore, according to the present invention, the inclination angle of the blades is always automatically controlled so as to avoid the occurrence of fatigue failure in the moving members such as the blades and the rotor, and to achieve the optimum blade passage area where the output of the wind turbine is maximized. In this way, the wind turbine can be operated, the fatigue life of the moving members such as the blades and the rotor can be maintained long, and the output of the wind turbine can be maximized. In the case of a wind turbine generator, the wind turbine can be operated at the maximum power generation amount.
As the fluid pressure actuator, a hydraulic actuator and a pneumatic actuator utilizing pneumatic pressure in the following embodiments are preferably used.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail using embodiments shown in the drawings. However, unless otherwise specified, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention thereto, but are merely illustrative examples. It's just
[0023]
1 is a side view of a main part of a blade passage area adjusting device in a wind turbine according to a first embodiment of the present invention (a view taken along a line BB in FIG. 2), and FIG. 2 is a view taken along a line AA in FIG. is there. FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 1 showing the second embodiment, and FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 1 showing the third embodiment. FIG. 5 is a schematic side view of a downwind type wind turbine to which the present invention is applied. FIG. 6A is a control block diagram of the blade passage area adjusting means according to the present invention, and FIG. 6B is an output diagram of a wind turbine.
[0024]
In FIG. 5 showing a downwind type wind turbine to which the present invention is applied, reference numeral 50 denotes a rotor head, and a plurality of (three in this example) blades 101 on the outer periphery have a well-known pitch angle control device 102 at equal intervals in a circumferential direction. And rotates together with the wing 101. Reference numeral 105 denotes a support, and reference numeral 104 denotes a nacelle supported on the support 105 so as to be rotatable around a nacelle rotation center 105a via a known yaw control device 106, and a generator 107 is housed in the nacelle 104. Reference numeral 108 denotes a windmill shaft connecting the rotor head 50 and the generator 107, and reference numeral 109 denotes a bearing that supports the windmill shaft 108 on the nacelle 104.
This windmill is configured as a downwind type windmill in which the rotor head 50 and the wings 101 are located leeward of the nacelle rotation center 105a in the wind (air flow) introduction direction. The head 50 and the wings 101 may be configured as an upwind wind turbine in which the wind turbine is located on the windward side of the nacelle rotation center 105a.
[0025]
In the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, 101 is a wing supported on the outer peripheral side of the rotor head 50 by means to be described later. As shown in FIG. Number is sufficient).
100 is a blade inclination mechanism, which is configured as follows.
103 is a blade link attached to the root of each blade 101 via the pitch angle control device 102. The blade link 103 is rotatably supported via a support shaft 6 at a middle portion thereof by a support arm 51 projecting from the rotor head 50 in a fork shape.
[0026]
Reference numeral 1 denotes a hydraulic actuator fixed to the rotor head 50, and its output rod 2 is provided so as to expand and contract in the direction of the rotation center 50a of the rotor head 50. Reference numeral 3 denotes a fork-shaped rotor head connector which is fixed to the shaft end of the output rod 2. The rotor head connector 3 is rotatable in the groove of the rotor head connector 3 via a pin 4 at the end opposite to the wing side of the wing link 103. A freely supported roller 5 is rolled. Therefore, when the output rod 2 of the hydraulic actuator 1 expands and contracts in the direction of the rotation center 50 a of the rotor head 50, the wings 101 and the wing links 103 support the support shaft 6 via the rotor head connector 3 and the roller 5. Will be rotated.
[0027]
Reference numeral 21 denotes a wind speed detector for detecting a wind speed acting on the wing 101, and reference numeral 60 denotes an inclination angle θ of the wing 101 based on a detected value of the wind speed from the wind speed detector 21 and outputs the calculated inclination angle θ to an actuator driving device 20 described later. A controller 20 is an actuator driving device that drives the hydraulic actuator 1 in response to a control signal from the controller 60, and a reference numeral 22 is a hydraulic source of hydraulic oil to the hydraulic actuator.
[0028]
As shown in FIG. 6, when the wind turbine provided with the blade passage area adjusting device having such a configuration is operated, the detection signal of the wind speed acting on the wing 101 detected by the wind speed detector 21 is the average wind speed of the controller 60. It is input to the calculation unit 61. The average wind speed calculation unit 61 calculates an average value of wind speed for each predetermined unit time, that is, an average wind speed V, and inputs the average value to the wind turbine output calculation unit 63.
[0029]
Reference numeral 62 denotes a wind speed / output setting unit in which the relationship between the average wind speed V and the wind turbine output P as shown in the above equation (2) is set using the blade passage area S as a parameter. FIG 6 (B) is a setting diagram according, in the wind speed / output setting unit 62, as shown in FIG. 6 (B), the average wind velocity V is low wind speed V 2 less than the maximum value of the blade passing area when that angle of inclination of the blades 101 theta holds (see Fig. 1,3,4) to 180 ° is the maximum value, the average wind speed V is a limit wind (high wind speed) minimize blade passing area when V 1 or more values, i.e. wings inclination angle of 101 theta (see Figure 1, 3 and 4) were kept to a minimum inclination angle, further wherein a change line in the figure when the wind velocity in between the low wind speed V 2 and the limit wind (high wind speed) V 1 The blade passage area, that is, the inclination angle θ of the blade 101 is set to be controlled so as to satisfy the optimum operating conditions shown in FIG.
[0030]
The wind turbine output calculation unit 63 obtains a wind turbine output P corresponding to the calculated value of the average wind speed V from the setting diagram of FIG. 6B in the wind speed / output setting unit 62, and inputs it to the wing area calculation unit 64. I do. The wing area calculation unit 64 calculates the wing passage area S corresponding to the wind turbine output P and inputs the calculated wing area S to the wing diameter calculation unit 65. The blade diameter calculating section 65 calculates the outer diameter of the blade 101 corresponding to the blade passing area S and inputs the calculated outer diameter to the blade inclination angle calculating section 66.
[0031]
The wing inclination angle calculation unit 66 calculates the required inclination angle θ of the wing 101 corresponding to the outer diameter of the wing 101 and outputs it to the actuator driving device 20. The actuator driving device 20 controls the supply and discharge of the hydraulic oil sent from the hydraulic pressure source 22 to the hydraulic actuator 1, causes the output rod 2 to reciprocate, and moves the wing 101 so that the inclination angle θ is as described above. Rotate and set to an inclination angle based on the calculated average wind speed detection value.
[0032]
That is, when the output rod 2 of the hydraulic actuator 1 and the rotor head connector 3 fixed thereto are reciprocated by the actuator driving device 20, the wing link 103 and the wing 101 fixed thereto are rotated around the support shaft 6. And the wing 101 is set to the required inclination angle θ.
[0033]
As described above, according to this embodiment, in the controller 60, when the average wind speed V is low wind speed V 2 or less as shown in preset fixed wind speed or lower wind speed during clogging view 6 (B), the The angle of inclination θ of the blade 101 is increased to a maximum of 180 ° as shown by the chain line in FIG. 1 to increase the blade passage area, and wind energy is extracted to the windmill shaft 108 which is the output shaft of the windmill to the maximum. In this case, since the wind speed is low, even when the blade passage area is increased and the wind energy is increased, the moving members such as the blade 101 and the rotor head 50 do not suffer from fatigue failure.
[0034]
Also, the when the average wind speed is high wind speed V 1 or more indicated in preset upper wind velocity or high wind speed during clogging view 6 (B), the inclination angle θ of the wing with small as shown by the solid line in FIG. 1 The blade passage area is reduced to avoid the occurrence of fatigue failure in the moving member.
Further, at the time of the middle wind speed between the low wind speed and the high wind speed, the wind energy to the wing 101 is adjusted by changing the inclination angle θ of the wing 101 along the change line of FIG. The wind turbine is operated under optimum operating conditions in consideration of the wind turbine output and the fatigue load on the moving member.
Accordingly, the blade passing area that maximizes the output of the wind turbine within a range that can prevent the occurrence of fatigue failure in the moving members such as the blade 101 and the rotor head 50 with respect to the wind speed acting on the blade 101 It is possible to set and operate the wing 101 at an inclination angle θ corresponding to.
[0035]
In the second embodiment shown in FIG. 3, the wing tilt mechanism 100 is configured as follows.
That is, reference numeral 10 denotes a servo motor fixed to the rotor head 50, and a nut 13 is screwed to an output shaft 11 of the servo motor by a screw portion 12. In this embodiment, the rotation of the output shaft 11 causes the nut 13 to reciprocate via the screw portion 12, and the fork-like groove formed in the nut 13 causes the end of the blade link 103 on the side opposite to the wing. A roller 5 rotatably supported by a pin 4 via a pin 4 is in rolling contact with the portion, and the wing link 103 is supported in the same manner as in the first embodiment by the reciprocation of the nut 13 accompanying the rotation of the output shaft 11. The wing 101 is configured to rotate around the axis 6 to change the inclination angle θ of the wing 101.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same members are denoted by the same reference numerals.
[0036]
In the third embodiment shown in FIG. 4, the wing tilt mechanism 100 is configured as follows.
The wing links 103 to which the wings 101 are fixed are supported in a rotatable manner about a support shaft 32 attached to two locations near the outer periphery of the rotor head 50 and are provided in pairs. Reference numeral 35 denotes a bracket protruding from the center of the rotor head 50, and a pin provided at an intermediate portion between the hydraulic cylinder support shaft 34 provided at an end of the bracket 35 and the blade link 103 forming a pair. The hydraulic actuator 30 is provided between the hydraulic actuator 33 and the hydraulic actuator 30.
In this embodiment, the inclination angle θ of the blade 101 in the axial direction of the rotor head 50 is changed via the blade link 103 by the expansion and contraction of the rod 31 of the hydraulic actuator 30 forming the pair.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same members are denoted by the same reference numerals.
[0037]
According to the third embodiment, the hydraulic actuator 30 provided for each wing 101 can independently change the inclination angle θ for each wing 101 to adjust the wing passage area. Can be set to an optimum state in consideration of the wind turbine output and the fatigue load on the moving members such as the wing 101 and the rotor head 50.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, if the blade passing area is increased by maximizing the outer circumferential radius of the blade in order to increase the wind turbine output as in the case of the wind turbine having the configuration as in Patent Documents 1 and 2, When the wind speed becomes excessive due to the occurrence of wind, etc., it is possible to avoid the occurrence of such a problem that the rotating members such as the blade and the rotor cause fatigue failure, and the inclination angle of the blade based on the detected value of the wind speed acting on the blade is By changing the blade passage area, the blades are designed so that the output of the wind turbine is maximized within a range in which it is possible to avoid the occurrence of fatigue failure on moving members such as the blades and the rotor with respect to the wind speed acting on the blades. The windmill can be operated with the passage area settled.
[0039]
Therefore, according to the present invention, the inclination angle of the blades is always automatically controlled so as to avoid the occurrence of fatigue failure in the moving members such as the blades and the rotor, and to achieve the optimum blade passage area where the output of the wind turbine is maximized. In this way, the wind turbine can be operated, the fatigue life of the moving members such as the blades and the rotor can be maintained long, and the output of the wind turbine can be maximized. In the case of a wind turbine generator, the wind turbine can be operated at the maximum power generation amount.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a main part of a blade passing area adjusting device in a wind turbine according to a first embodiment of the present invention (a view taken in the direction of arrows BB in FIG. 2).
FIG. 2 is a view as viewed in the direction of arrows AA in FIG. 1;
FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 1, showing a second embodiment.
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 1, showing a third embodiment.
FIG. 5 is a schematic side view of a downwind type wind turbine to which the present invention is applied.
6A is a control block diagram of a blade passage area adjusting means according to the present invention, and FIG. 6B is an output diagram of a wind turbine.
[Explanation of symbols]
1, 30 Hydraulic actuator 2, 31 Output rod 3 Rotor head connector 4, 33 Pin 5 Roller 6, 32 Support shaft 10 Servo motor 11 Output shaft 12 Screw section 13 Nut 20 Actuator drive 21 Wind speed detector 34 Hydraulic cylinder support shaft 50 Rotor head 50a Rotation center 51 Support arm 60 Controller 100 Blade tilt mechanism 101 Blade 102 Pitch angle control device 103 Blade link 104 Nacell 105 Column 106 Swing link 107 Generator 108 Windmill shaft
