JP2014070516A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
動揺または傾きを抑制可能な風力発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
上記の課題を解決するために、タワー１０と、タワー１０上に支持されるナセル２０と、ナセル２０に対してハブ３０を介して回転可能に支持される複数枚のブレード４０〜４２と、ブレード４０〜４２が回転することにより発電運転する発電機２２とを備え、タワー１０が鉛直方向から傾いた際には、タワー１０が傾いた、または動揺している側とは反対方向の荷重をブレード４０〜４２が風から受ける様に制御されることを特徴とする風力発電システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は風力発電システムに関するものであり、特にタワーが傾いた際に、タワーを鉛直方向に戻す機構を備える風力発電システムに関する。

風車は風の力あるいは自身の運転によって動揺する。風車は陸上ならびに洋上に基部を固定して設置されるのみならず、洋上の浮体上に設置される場合があるが、係る場合には地上に固定されていない分、一般に動揺は陸上の場合よりも顕著であり、風車の出力や荷重に及ぼす影響も大きくなる。ここで、従来の風力発電装置として例えば特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１には、パイロンに配設され調節可能な少なくとも一つのロータブレードを有するロータを備え、さらに風向きを検出する装置と、方位位置を検出する装置を備えており、検出された風向きと検出された方位位置とのずれに基づいてロータブレードを調節する制御を行い、ナセルの方位角の調節をロータブレードの調節を通じて行う風力装置が記載されている。

特表２００４-５２０５３１号公報

しかしながら、該特許文献１ではそもそも風車の動揺または傾きへの対策は講じられておらず、風向きとナセルの方位位置を一致させることを企図しているものである。

本発明では、動揺または傾きを抑制可能な風力発電システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、タワーと、該タワー上に支持されるナセルと、該ナセルに対してハブを介して回転可能に支持される複数枚のブレードと、該ブレードが回転することにより発電運転する発電機とを備え、 前記タワーが鉛直方向から傾いた際には、前記タワーが傾いた、または動揺している側とは反対方向の荷重を前記ブレードが風から受ける様に制御されることを特徴とする。

本発明によれば、動揺を抑制可能な風力発電システムを提供することが可能になる。

実施例１に係る風力発電システムの水平面内で風向きに対し垂直方向から見た断面図である。 実施例１に係る風力発電システムを風向き方向から見た図である。 風力発電システムの上面図であり、動揺のない場合を示す図である。 実施例１に係る風力発電システムの上面図であり、風向きに対し、右側に動揺した場合を示す図である。 実施例１に係る風力発電システムの上面図であり、時計回りのヨーモーメントが生ずる場合を示す図である。 実施例１に係る風力発電システムの上面図であり、復原力、または減衰力が生ずる様子を示す図である。 実施例１に係るダウンウインド型風力発電システムの上面図であり、時計回りのヨーモーメントが生ずる場合を示す図である。 実施例２に係る風力発電システムの上面図であり、時計回りのヨーイングモーメントが生ずる場合を示す図である。 風上側から実施例２に係る風力発電システムを見た図である。 アジマス角θとアジマス角θに応じた各ブレードの制御内容を示す図である。 実施例２における制御システム２３で行われる処理を表したものである。 実施例３に係る風力発電システムの上面図であり、時計回りのヨーイングモーメントが生ずる場合を示す図である。

以下、本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を用いて説明する。なお、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、本発明を以下の具体的態様に限定することを意図する趣旨ではない。

実施例１について図１ないし図７を用いて説明する。図１及び図２に示すように、本実施例にかかる風力発電システムは、タワー１０と、タワー１０の上部に設けられ、かつタワー１０に支持されるナセル２０と、ナセル２０に支持されるとともに、ナセル２０に対してハブ３０を介して回転可能に支持されるブレード４０〜４２とから概略構成される。
ハブ３０もブレード４０〜４２と共に回転する。

ナセル２０には、ハブ３０に接続され、ハブ３０と共に回転する主軸２７と、主軸２７に接続される発電機２２が設置されている。また、ナセル２０にはタワー１０に対するナセル２０の回転角（ナセル方位角）を制動するヨーモータ２１と、制御システム２３と、風の向きを軸とした回転方向（ロール方向）加速度を検出して制御システム２３へと伝送するロール加速度センサ２６と、風向きを検出して制御システム２３へと伝送する風向計２４と、タワー１０に対するハブ３０の回転角を検出して制御システム２３へと伝送するアジマス角センサ２５が設置されている。この回転角は制動可能とされている。ハブ３０に対する各ブレードの角度は予め定まっており、ハブ３０の回転角を検出することで、タワー１０に対する各々のブレード４０〜４２の角度を検出することが可能になる。なお、ナセル２０はタワー１０に対して必ずしも回転可能に支持される必要はなく、従ってヨーモータ２１の設置も必須ではない。

本実施例において、ブレード４０〜４２はハブ３０に対して回転可能に支持されており、ブレードは各々ピッチモータ４３〜４５を備えている。各々に備えられるピッチモータを個別制御することで、ブレードのハブ３０に対する回転角（ピッチ角）は個々のブレード毎に制御される。ブレード４０〜４２が風を受けて発生した揚力によって回転し、ハブ３０および主軸２７を介して発電機２２に回転力を伝達することで、発電機２２が発電運転し、電力を発生させる。尚、本実施例では主軸２７の回転速度がそのまま発電機２２に付加されるように構成されているが、主軸２７と発電機２２の間にギアを設けることも無論可能である。ブレード４０〜４２は、ブレード４０〜４２に備えられるピッチモータ４３〜４５を個別制御し、ハブ３０に対する回転角を変化させることで発生電力、及びブレード４０〜４２に付加される荷重の調整が可能である。無論、ピッチ角調節手段は、ピッチモータに限られるものではなく、異なるものであっても良いことは言うまでもない。

ここで図３ないし図６を用いて本実施例に係る風力発電システムの制御の仕方について説明する。ここでは、風上にブレードが配置された状態で発電運転するアップウインド型風力発電システムの場合を例にして説明する。尚、図３は風車が鉛直方向から動揺していることを理解し易くなる様、動揺のない場合の安定位置を参考までに併記したものである。図４のように、風上に向かって右の方向へ風車が傾いた状態を例にとる。ここで、図５のように鉛直から見てタワー１０が傾いた側にナセル方位角を回転させるためのヨー方向モーメント（即ちこの場合時計回りに回転させるためのヨーイングモーメント）を与える。具体的には、ヨーモータ２１を駆動させて、ナセル３０を回転させ、ナセル３０の風向きに対する角度をタワー１０が傾いた側にする。その結果、図６の様にヨー方向と風向にずれが生じ（ミスアラインメント）、風がブレード４０〜４２に及ぼす抗力は風車のロール動揺とは逆方向の成分を持つ。即ち、ブレード４０〜４２を通じて、タワー１０に対し、タワー１０が傾いた側とは反対方向の荷重が加わる。これが復原力となる。

上記は、風車が傾いた状態にある（傾きを有している）場合を説明したが、動揺している（速度を有している）場合も同様に、ロール加速度センサ２６の値から算出したロール方向の速度に応じてヨーモータ２１を駆動させると、これが減衰力となる。即ち、上記の例では風上に向かって右の方向へ風車が傾いた、という「変位」に応じてナセル３０を回転させたが、ここでは風上に向かって右の方向へ風車が傾いている、という「速度」に応じてナセル３０を回転させる。このときナセルの回転は両者同じ方向である。これら復原力や減衰力により、風車の傾きやロール動揺は抑制される。

図６について、詳細に説明する。ブレード４０〜４２はブレード回転面に垂直に（ハブ３０とナセル２０のタワー１０への支持部方向に）スラスト（推力）を発生させる。このスラストを分解すると、タワー１０を風向き方向に押す力と、風向きに垂直な方向に働く力に分解される。このうち、後者の風向きに垂直な方向に働く成分が復原力となる。該復原力ならびに減衰力により、動揺を抑制することが可能になる。

本実施例によれば、タワー１０が鉛直方向から傾いた、または動揺している際にも、タワー１０の動揺とは反対方向の荷重を、ブレード４０〜４２が受けて、該ブレード４０〜４２を通じて、タワー１０に加わることで、動揺を抑制することが可能になる。

また、本実施例ではアップウインド型風車について説明しているが、特にヨー調節手段となるヨーモータ２１を駆動させてナセル２０の風向きに対する角度を調節し、ブレード４０〜４２が、タワーが傾いた側（風上に向かって右の方向へ風車が動揺している本実施例の様な場合、時計回りで、風上に向かって左の方向へ風車が動揺している場合、反時計回り）に回転するようにナセル２０を制御している。ヨー調節手段は、ヨーモータに限られるものではなく、異なるものであっても良いことは言うまでもない。

尚、本実施例においては風上にブレードが配置された状態で発電運転するアップウインド型風車を例にして説明したが、風下にブレードが配置された状態で発電運転するダウンウインド型風車であっても良いことは言うまでもない。但し、この場合、ナセルを回転させる方向は逆になる点は注意する必要がある。ダウンウインド型風車の場合を図７に示してある。図７では、風上に向かって左の方向へ風車が傾いている場合であるが、この場合鉛直から見てタワー１０が傾いた側とは反対側にナセル方位角を回転させるためのヨーイングモーメント（即ちこの場合時計回りに回転させるためのヨー方向モーメント）を与える。その後、復原力が生ずる点については同様である。

実施例２について図８ないし図１１を用いて説明する。実施例１では、ヨーモータ２１を通じたヨー制御によって動揺を抑制していたが、本実施例では、ヨーイングモーメントを各ブレードのピッチ角を制御することにより生み出す場合を説明する。また、本実施例でも風上にブレード４０〜４２が位置した状態で発電運転するアップウインド型風力発電システムを例にして説明する。無論、この場合もダウンウインド型風力発電システムを排除するものではない。以下では実施例１と相違する点についてのみ説明し、重複する点についてはここでの説明を省略する。

図８では、実施例１における図４と同様に風上に向かって右の方向へ風車が動揺している場合、複数枚のブレード４０〜４２のうちで、タワー１０が傾いた側のブレード（図８中では、下側）に生じるスラストをタワー１０が傾いた側とは反対側のブレード（図８中では、上側）に生じるスラストよりも大きくする様に制御をする様子を示している。この様に制御すると、タワー１０が動揺して傾いている側のブレードの方が風から受けるスラストが大きいため、実施例１における図６の様に、タワーが動揺して傾いている側にブレード４０〜４２が回転するように時計回りの力がナセルに働く。よって、図６に示した様な動揺に対する復原力がやはり生ずるようになる。同様に、ロール方向の（変位ではなく）速度に応じて各ブレードを制御することで減衰力が生じる。

図９ないし図１１を用いて各々のブレードの制御の仕方について説明する。図９は、風上側から本実施例に係る風力発電システムを見た図である。該図に示す様に、タワー１０方向に対する各ブレード４０〜４２のなす角（アジマス角）をθとする。

図１０は、アジマス角θとアジマス角θに応じた各ブレードの制御内容を示している。
該図に示す様に、アジマス角θが１８０度よりも小さい場合には、ピッチ角を増加させて揚力を低下させることにより、ブレードが発生させるスラストを減少させる。一方、アジマス角θが１８０度よりも大きい場合には、ピッチ角を減少させることにより揚力を増加させ、ブレードが発生させるスラストを増加させる。尚、上記の制御は風上からみて風力発電システムが左に倒れている場合の制御様式であり、右に倒れている場合には、上記の増加と減少の傾向が逆になる。この結果、ブレード毎に生じるスラストのアンバランスが図８に示すヨーイングモーメントを生じさせる。

図１１はこの際に制御システム２３で行われる処理を表したものである。風の向きを軸とした回転方向（ロール方向）加速度を検出するロール加速度センサ２６の検出値が制御システム２３へと送られ、動揺の大きさと方向を制御システム２３内で判別する。また、制御システム２３には、ロール加速度センサ２６からの検出値と共に、アジマス角センサ２５で検出したアジマス角の情報も送られる。なお、ロール運動の計測方法は、ロール加速度に限らず、ロール角度やロール各速度でもよい。また、横方向の加速度、速度、変位で代替することもできる。

制御システム２３では、各ブレードのアジマス角Φ_n（ｎはブレードの枚数に等しく、本実施例ではｎ＝１，２，３となる）の正弦関数に所定の制御ゲインＫ_aを乗じた各ブレードのピッチ角指令値θ_Dn＝Ｋ_a・ｓｉｎ（Φ_n−Φ₀）を算出する。ここで、Φ₀は、計測系、駆動系、ならびに空力・構造系の遅れの補償値である。係るピッチ角指令値θ_Dnを各ブレードのピッチモータ４３〜４５に送り、ピッチモータ４３〜４５は当該指令値に基づき、各ブレードのピッチ角を制御する。なお、上記はＫ_a、Φn、Φ₀の組み合わせで説明したが、Φ₀を省き、Ｋ_aの代わりにＰＩＤ制御ゲイン等で位相調整しても同様な効果が得られる。その他、同様の制御ができれば必ずしも正弦関数である必要はない。

当該制御により、ヨーイングモーメントが発生し、ナセル２０のヨー角が変化し、ロール方向に復元力あるいは減衰力が発生することになる。そして、ロール方向の変化は再びロール加速度センサ２６に送られ、動揺が収まるまで係る制御を繰り返す。

本実施例では、複数枚のブレード４０〜４２のうちで、タワー１０が傾いた側のブレードに生じるスラストをタワー１０が傾いた側とは反対側のブレードに生じるスラストよりも大きくする様に制御しており、ナセル２０のヨー角が変化し、ロール方向への復原力を生じさせることが可能になる。よって、動揺を抑制することが出来る。

また本実施例では具体的には、各々のブレードが備えるスラストを調節するピッチモータを調節し、上記の様に制御を行っているが、係る手法に限定をするものではないことは勿論である。

また、本実施例ではタワー１０に対する各々のブレードの位置を検出するアジマス角センサ２５を備えており、各々のブレードの角度を、ピッチモータにより、タワー１０に対する各々のブレードの角度を変数とする正弦関数に従って変化させている。これにより、各ブレードの時々刻々と変化するアジマス角に応じて、連続的又は段階的にピッチ角を変化させることが出来、細かな制御が可能になる。

本実施例では実施例１の制御に代えて説明する場合について説明したが、制御の内容は異なるものの、いずれもナセル２０のヨー角を同じ方向に変化させるものであり、併せて用いることが可能である。

尚、本実施例についてもアップウインド型風力発電システムの場合を例にして説明したが、ダウンウインド型風力発電システムにも適用可能である。また、実施例１の様にアップウインド型風力発電システムとダウンウインド型風力発電システムで、風向きに応じて制御を異ならせる必要はなく、同じ制御をすれば、実施例１で説明した方向にナセル２０が回転する。

実施例３について図１２を用いて説明する。実施例１及び２では、複数枚のブレード４０〜４２は、ハブ３０を頂点としてナセル２０に直交する方向に設置されていたが、本実施例ではハブ３０を頂点として風下側に傾いて（コーニング角を有する様に）設置されている。

図１２は特にハブ３０がタワー１０よりも風下側に設置されたダウンウインド型風力発電システムに対応し、該風力発電システムが、風向きに対して右側に動揺している状態を示している。この場合において、風力発電システムから見た風の流入ベクトルは、風力発電システム自体のロール振動速度ベクトルと風速ベクトルが合成され図１２の方向になる。この流入ベクトルに対する各ブレードの投影面積はそのアジマス角によって異なり、ブレードの位置に依存したスラストが生じる。その結果、図１２に示す時計回りのヨー方向モーメントを生じる。これは実施例１のヨー制御で示したものと同様の減衰力であるから、上記各実施例のように動揺を抑制することが可能である。尚、上記は風向きに対して右側に倒れた状態のみを説明したが、左側に倒れた場合にも結局実施例１のヨー制御と同じ方向のモーメントが生じ、やはり動揺を抑制することが可能になる。

本実施例では、ブレードがハブ３０を頂点として風下側に傾いており、動揺を抑制することが可能になる。尚、本実施例に示す構造においても実施例１及び２と同じ方向にヨー角を変化させることになり、併せて用いることも可能である。

また、ブレードをハブ３０を頂点として風下側に傾けることは、アップウインド型でもダウンウインド型でもいずれでも可能であるが、アップウインド型の場合、タワーにブレードが近付き、衝突してしまうリスクがある。一方で、ダウンウインド型については、タワーから離れる方向となるので、係る衝突リスクは回避でき、好適なものとなる。

尚、上記各実施例で説明した様な動揺の抑制は、特に揺れが大きくなる洋上で用いる場合に効果を発揮し、中でも浮体上に設置される場合には一層顕著なものとなる。

１０ タワー
２０ ナセル
２１ ヨーモータ
２２ 発電機
２３ 制御システム
２４ 風向計
２５ アジマス角センサ
２６ ロール加速度センサ
２７ 主軸
３０ ハブ
４０〜４２ ブレード
４３〜４５ ピッチモータ

Claims (11)

1. タワーと、該タワー上に支持されるナセルと、該ナセルに対してハブを介して回転可能に支持される複数枚のブレードと、該ブレードが回転することにより発電運転する発電機とを備え、
   前記タワーが鉛直方向から傾いた際には、前記タワーが傾いた、または動揺している側とは反対方向の荷重を前記ブレードが風から受ける様に制御されることを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   複数枚の前記ブレードのうちで、前記タワーが傾いた、または動揺している側のブレードに生じるスラストを前記タワーが傾いた、または動揺している側とは反対側のブレードに生じるスラストよりも大きくする様に制御されることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項２に記載の風力発電システムであって、
   各々の複数枚の前記ブレードは、ピッチ角調節手段を備えており、 前記タワーが鉛直方向から傾いた、または動揺している際には、前記ピッチ角調節手段が各々の前記ブレードに生じるスラストを調節することで、複数枚の前記ブレードのうちで、前記タワーが傾いた側のブレードの受風面積が前記タワーが傾いた、または動揺している側とは反対側のブレードに生じるスラストよりも大きくなる様に制御されることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項３に記載の風力発電システムであって、
   更に前記タワーに対する各々の前記ブレードの角度を検出するセンサを備えており、
   各々の前記ブレードに生じるスラストは、前記ピッチ角調節手段により、前記タワーに対する各々の前記ブレードの位置を変数とする制御方法に従って変化させられることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
   複数枚の前記ブレードが、前記ハブを頂点として風下側に傾いた状態で発電運転することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
   前記風力発電システムは、ブレードが風下に位置した状態で発電運転するダウンウインド型風車であることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
   前記風力発電システムは前記ブレードが風上に位置した状態で発電運転するアップウインド型風力発電システムであり、
   複数枚の前記ブレードが、前記タワーが傾いた、または動揺している側に回転する様に、前記ナセルは制御されることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項７に記載の風力発電システムであって、
   前記ナセルは、該ナセルの風向きに対する角度を調節するヨー調節手段を備えており、 前記タワーが鉛直方向から傾いた、または動揺している際には、前記ヨー調節手段が前記ナセルの風向きに対する角度を調節することで、
   複数枚の前記ブレードが、前記タワーが傾いた、または動揺している側に回転する様に、前記ナセルは制御されることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
   前記風力発電システムは前記ブレードが風下に位置した状態で発電運転するダウンウインド型風力発電システムであり、
   複数枚の前記ブレードが、前記タワーが傾いた、または動揺している側とは反対側に回転する様に、前記ナセルは制御されることを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項９に記載の風力発電システムであって、
    前記ナセルは、該ナセルの風向きに対する角度を調節するヨー調節手段を備えており、 前記タワーが鉛直方向から傾いた、または動揺している際には、前記ヨー調節手段が前記ナセルの風向きに対する角度を調節することで、
    複数枚の前記ブレードが、前記タワーが傾いた、または動揺している側とは反対側に回転する様に、前記ナセルは制御されることを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
    該風力発電システムは、浮体上に設置されることを特徴とする風力発電システム。