JP2002349412A - 風力発電用風車及びその制御方法 - Google Patents
風力発電用風車及びその制御方法Info
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Wind Motors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 境界層やポール及び地形の影響で翼車面への
風速が不均一でも、回転角度位置毎にブレードの軸回り
の設定角（ピッチ角）を可変して、翼車一回転中におけ
る発生トルクの変動を平滑化し、且つジャイロ効果によ
る風向制御機構の故障を防止し、更に積極的に上下方向
でのトルク変動をさせることにより風向制御を行うこと
が可能となる風力発電用風車及びその制御方法を提供す
る。 【解決手段】 ハブ１１に取付けた１枚以上の回転翼
（ブレード）１２を具備し、回転軸１８を水平に設置し
た翼車１０を有する風力発電用風車において、ハブ１１
に取付けた回転翼１２の軸回りの設定角を該回転翼が一
回転する間に可変させる設定角可変機構を設けた。
風速が不均一でも、回転角度位置毎にブレードの軸回り
の設定角（ピッチ角）を可変して、翼車一回転中におけ
る発生トルクの変動を平滑化し、且つジャイロ効果によ
る風向制御機構の故障を防止し、更に積極的に上下方向
でのトルク変動をさせることにより風向制御を行うこと
が可能となる風力発電用風車及びその制御方法を提供す
る。 【解決手段】 ハブ１１に取付けた１枚以上の回転翼
（ブレード）１２を具備し、回転軸１８を水平に設置し
た翼車１０を有する風力発電用風車において、ハブ１１
に取付けた回転翼１２の軸回りの設定角を該回転翼が一
回転する間に可変させる設定角可変機構を設けた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はハブに取付けた１枚
以上の回転翼を具備し、回転軸を水平に設置した翼車を
有する風力発電用風車及びその制御方法に関し、特に回
転する回転翼の周方向位置の変化による発生トルクの増
減を緩和して翼車のトルク変動を防止し、且つ風向変動
に対応するために翼車を水平方向（ヨー方向）に転向さ
せる際に、翼車の上下位置での回転翼の発生トルクの差
によるジャイロ効果によって必要以上のヨー方向への回
転トルクが発生しないようにし、または積極的に翼車の
上下方向での回転翼発生トルクを可変させジャイロ効果
を利用することによって風向制御機構を必要としない風
力発電用風車及びその制御方法に関するものである。
以上の回転翼を具備し、回転軸を水平に設置した翼車を
有する風力発電用風車及びその制御方法に関し、特に回
転する回転翼の周方向位置の変化による発生トルクの増
減を緩和して翼車のトルク変動を防止し、且つ風向変動
に対応するために翼車を水平方向（ヨー方向）に転向さ
せる際に、翼車の上下位置での回転翼の発生トルクの差
によるジャイロ効果によって必要以上のヨー方向への回
転トルクが発生しないようにし、または積極的に翼車の
上下方向での回転翼発生トルクを可変させジャイロ効果
を利用することによって風向制御機構を必要としない風
力発電用風車及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転軸を水平に設置したプロペラ形風車
は、現在風力発電用風車の主流である回転翼（ブレー
ド）の軸方向の取付け角、即ちブレードの軸回りの設定
角（ピッチ角）を可変できる風車（可変ピッチ風車）の
技術は公知であるが，このピッチ角の可変制御は翼車へ
の平均風速の変動に対してブレードの迎え角を最適化す
るために用いられている。
は、現在風力発電用風車の主流である回転翼（ブレー
ド）の軸方向の取付け角、即ちブレードの軸回りの設定
角（ピッチ角）を可変できる風車（可変ピッチ風車）の
技術は公知であるが，このピッチ角の可変制御は翼車へ
の平均風速の変動に対してブレードの迎え角を最適化す
るために用いられている。
【０００３】更に、可変ピッチ風車では、定格速度以上
の風速において風速の３乗に比例して増大する風のエネ
ルギーをブレードに対する迎え角を可変してブレード面
で剥離を起してブレードで発生するトルクを制御し、風
車出力を安定化する風車制御法は公知である。
の風速において風速の３乗に比例して増大する風のエネ
ルギーをブレードに対する迎え角を可変してブレード面
で剥離を起してブレードで発生するトルクを制御し、風
車出力を安定化する風車制御法は公知である。
【０００４】プロペラ形風車は、自身のポールに対して
風上側に翼車を持つアップウィンドタイプと、風下側に
持つダウンウィンドタイプがある。ダウンウィンドタイ
プは特別な風向機構が必要ではないが、アップウィンド
タイプは風向（ヨー角）制御機構が必要である。
風上側に翼車を持つアップウィンドタイプと、風下側に
持つダウンウィンドタイプがある。ダウンウィンドタイ
プは特別な風向機構が必要ではないが、アップウィンド
タイプは風向（ヨー角）制御機構が必要である。
【０００５】また、プロペラ形風車の翼車面への風は、
境界層や風車自身のポール及び周辺の地形の影響で一様
な風速では流入しない。翼車面の風速が一様でない場合
は、回転するブレードに対する風の向き（迎え角α）が
１回転で周期的に変動し、それに伴いブレードに発生す
るトルクが変動する。図１は境界層や風車自身のポール
及び周辺地形と風速の例を示す図である。図示するよう
に、平坦な地表面１０１の部分では境界層１０２とな
り、滑らかな地表面１０３の頂部では地表近辺が高風速
部１０４となり、台地１０５の風上端では地表近辺が逆
流部１０６、その上が高風速部１０４となる。
境界層や風車自身のポール及び周辺の地形の影響で一様
な風速では流入しない。翼車面の風速が一様でない場合
は、回転するブレードに対する風の向き（迎え角α）が
１回転で周期的に変動し、それに伴いブレードに発生す
るトルクが変動する。図１は境界層や風車自身のポール
及び周辺地形と風速の例を示す図である。図示するよう
に、平坦な地表面１０１の部分では境界層１０２とな
り、滑らかな地表面１０３の頂部では地表近辺が高風速
部１０４となり、台地１０５の風上端では地表近辺が逆
流部１０６、その上が高風速部１０４となる。
【０００６】また、図２は翼車面の風速が一様でない場
合のブレードの迎え角αへの影響例を示す図である。翼
車の上端の風速が１６．８ｍ／ｓで迎え角α1＝１２．
３°、翼車の中央の風速が１４ｍ／ｓで迎え角α2＝１
０．３°、翼車の下端の風速が１１．２ｍ／ｓで迎え角
α3＝８．３°となる。なお、ここでは、周速度７７ｍ
／ｓとして計算した。上記のように迎え角αが１回転で
周期的に変動し、ブレードのトルク変動は翼車のトルク
変動となり、つまり風力発電用風車の発生出力の変動と
なる。特に上下位置でのブレード発生トルクの差は、翼
車の回転体としてのジャイロ効果によって左右方向に変
換され風車の風向制御機構（ヨー制御）に必要以上の応
力を与えるため風向制御機構の故障等の問題となる。
合のブレードの迎え角αへの影響例を示す図である。翼
車の上端の風速が１６．８ｍ／ｓで迎え角α1＝１２．
３°、翼車の中央の風速が１４ｍ／ｓで迎え角α2＝１
０．３°、翼車の下端の風速が１１．２ｍ／ｓで迎え角
α3＝８．３°となる。なお、ここでは、周速度７７ｍ
／ｓとして計算した。上記のように迎え角αが１回転で
周期的に変動し、ブレードのトルク変動は翼車のトルク
変動となり、つまり風力発電用風車の発生出力の変動と
なる。特に上下位置でのブレード発生トルクの差は、翼
車の回転体としてのジャイロ効果によって左右方向に変
換され風車の風向制御機構（ヨー制御）に必要以上の応
力を与えるため風向制御機構の故障等の問題となる。
【０００７】また、上記ジャイロ効果による風向制御機
構の故障防止のために、風向制御の際に翼車の回転を止
めるようにした風車もある。
構の故障防止のために、風向制御の際に翼車の回転を止
めるようにした風車もある。
【０００８】上述のように、従来の風力発電用風車で
は、翼車面に流入する平均風速に対してブレードのピッ
チ角を制御するものであり、境界層やポール及び周辺地
形の影響で翼車面に不均一な風速に対する対策は行われ
ていないのが現状である。翼車面への風速の不均一性に
よるブレードは変動トルクを発生するため周期的な翼車
の出力変動が起きる。更にブレード自身及び風車各部の
疲労破壊の原因となる。また風車の機械的故障の多く
が、その風向制御機構にあるのも翼車面への不均一な風
の流れによるジャイロ効果により該風向制御機構に故障
が発生するとも考えられる。
は、翼車面に流入する平均風速に対してブレードのピッ
チ角を制御するものであり、境界層やポール及び周辺地
形の影響で翼車面に不均一な風速に対する対策は行われ
ていないのが現状である。翼車面への風速の不均一性に
よるブレードは変動トルクを発生するため周期的な翼車
の出力変動が起きる。更にブレード自身及び風車各部の
疲労破壊の原因となる。また風車の機械的故障の多く
が、その風向制御機構にあるのも翼車面への不均一な風
の流れによるジャイロ効果により該風向制御機構に故障
が発生するとも考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたもので、境界層やポール及び地形の影響で
翼車面への風速が不均一でも、回転角度位置毎にブレー
ドの軸回りの設定角（ピッチ角）を可変して、翼車一回
転中における発生トルクの変動を平滑化し、且つジャイ
ロ効果による風向制御機構の故障を防止し、更に積極的
に上下方向でのトルク変動をさせることにより風向制御
を行うことが可能となる風力発電用風車及びその制御方
法を提供することを目的とする。
みてなされたもので、境界層やポール及び地形の影響で
翼車面への風速が不均一でも、回転角度位置毎にブレー
ドの軸回りの設定角（ピッチ角）を可変して、翼車一回
転中における発生トルクの変動を平滑化し、且つジャイ
ロ効果による風向制御機構の故障を防止し、更に積極的
に上下方向でのトルク変動をさせることにより風向制御
を行うことが可能となる風力発電用風車及びその制御方
法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、ハブに取付けた１枚以上の回
転翼を具備し、回転軸を水平に設置した翼車を有する風
力発電用風車において、ハブに取付けた回転翼の軸回り
の設定角を該回転翼が一回転する間に可変させる設定角
可変機構を設けたことを特徴とする。
請求項１に記載の発明は、ハブに取付けた１枚以上の回
転翼を具備し、回転軸を水平に設置した翼車を有する風
力発電用風車において、ハブに取付けた回転翼の軸回り
の設定角を該回転翼が一回転する間に可変させる設定角
可変機構を設けたことを特徴とする。
【００１１】上記のように設定角可変機構を設けること
により、ハブに取付けた回転翼の軸回りの設定角を該回
転翼が一回転する間に可変させることができるから、境
界層やポール及び地形の影響で翼面で風速が不均一で
も、ブレードの回転角度位置毎に該ブレードのピッチ角
を可変して、翼車一回転中における発生トルク変動を平
滑化し、且つジャイロ効果による風向制御機構の故障を
防止することができる。また、積極的に翼車の上下方向
でのトルク変動をさせることにより風向制御を行うこと
が可能となる。
により、ハブに取付けた回転翼の軸回りの設定角を該回
転翼が一回転する間に可変させることができるから、境
界層やポール及び地形の影響で翼面で風速が不均一で
も、ブレードの回転角度位置毎に該ブレードのピッチ角
を可変して、翼車一回転中における発生トルク変動を平
滑化し、且つジャイロ効果による風向制御機構の故障を
防止することができる。また、積極的に翼車の上下方向
でのトルク変動をさせることにより風向制御を行うこと
が可能となる。
【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の風力発電用風車において、設定角可変機構は、ヘリコ
プタ回転翼の軸回りの設定角を可変するスウォッシュプ
レート機構と同じ原理により回転翼の軸回りの設定角を
可変する機構であることを特徴とする。
の風力発電用風車において、設定角可変機構は、ヘリコ
プタ回転翼の軸回りの設定角を可変するスウォッシュプ
レート機構と同じ原理により回転翼の軸回りの設定角を
可変する機構であることを特徴とする。
【００１３】上記のようにスウォッシュプレート機構と
同じ原理による設定角可変機構を設けることにより、比
較的簡単な構成で、ブレードの回転角度位置毎に該ブレ
ードのピッチ角を可変して、翼車一回転中における発生
トルク変動を平滑化することができる。
同じ原理による設定角可変機構を設けることにより、比
較的簡単な構成で、ブレードの回転角度位置毎に該ブレ
ードのピッチ角を可変して、翼車一回転中における発生
トルク変動を平滑化することができる。
【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の風力発電用風車において、設定角可変機構は、翼車の
各回転翼のハブ取付け部の根元部を超音波モータ又はサ
ーボモータ又は油圧アクチュエータ又は水圧アクチュエ
ータ又は空気圧アクチュエータ等の駆動機構を用いて軸
回りに回動するように構成し、回転翼が一回転する間に
該回転翼の軸回りの設定角を可変することを特徴とす
る。
の風力発電用風車において、設定角可変機構は、翼車の
各回転翼のハブ取付け部の根元部を超音波モータ又はサ
ーボモータ又は油圧アクチュエータ又は水圧アクチュエ
ータ又は空気圧アクチュエータ等の駆動機構を用いて軸
回りに回動するように構成し、回転翼が一回転する間に
該回転翼の軸回りの設定角を可変することを特徴とす
る。
【００１５】上記のように駆動機構により各回転翼のハ
ブ取付け部の根元部を軸回りに回動するように構成した
設定角可変機構を設けることにより、ブレードの回転角
度位置毎に該ブレードのピッチ角を可変して、翼車一回
転中における発生トルク変動を平滑化することができ
る。
ブ取付け部の根元部を軸回りに回動するように構成した
設定角可変機構を設けることにより、ブレードの回転角
度位置毎に該ブレードのピッチ角を可変して、翼車一回
転中における発生トルク変動を平滑化することができ
る。
【００１６】請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３
のいずれか１項に記載の風力発電用風車の制御方法であ
って、境界層や風車のポールや風車周辺の地形等の影響
によって前記翼車面へ不均一な風の流れが流入した場合
に、回転翼の回転位置において該回転翼が発生する回転
トルクが一様になるように設定角可変機構を介して軸回
りの設定角を制御することを特徴とする。
のいずれか１項に記載の風力発電用風車の制御方法であ
って、境界層や風車のポールや風車周辺の地形等の影響
によって前記翼車面へ不均一な風の流れが流入した場合
に、回転翼の回転位置において該回転翼が発生する回転
トルクが一様になるように設定角可変機構を介して軸回
りの設定角を制御することを特徴とする。
【００１７】上記のように、回転翼の回転位置において
該回転翼が発生する回転トルクが一様になるように回転
翼の軸回りの設定角を制御するので、境界層やポール及
び地形の影響で翼車面への風速が不均一でも、翼車一回
転中における発生トルクの変動を平滑化できる。またジ
ャイロ効果による風向制御機構の故障を防止することも
できる。
該回転翼が発生する回転トルクが一様になるように回転
翼の軸回りの設定角を制御するので、境界層やポール及
び地形の影響で翼車面への風速が不均一でも、翼車一回
転中における発生トルクの変動を平滑化できる。またジ
ャイロ効果による風向制御機構の故障を防止することも
できる。
【００１８】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３
のいずれか１項に記載の風力発電用風車の制御方法であ
って、回転する前記回転翼の軸回りの設定角を翼車の上
方と下方の位置で可変し、該翼車の上方と下方で該回転
翼の発生する回転トルクを可変することを特徴とする。
のいずれか１項に記載の風力発電用風車の制御方法であ
って、回転する前記回転翼の軸回りの設定角を翼車の上
方と下方の位置で可変し、該翼車の上方と下方で該回転
翼の発生する回転トルクを可変することを特徴とする。
【００１９】上記のように積極的に上下方向でのトルク
変動をさせることにより、風向制御機構を用いることな
く風向制御を行うことが可能となる。
変動をさせることにより、風向制御機構を用いることな
く風向制御を行うことが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。図３は現在風力発電用風車とし
て主流であるプロペラ形風車の模式図で、図３（ａ）は
正面図、図３（ｂ）は側面図である。プロペラ形風車の
構成部材は大きく分けて、１枚以上（図では３枚）のブ
レード（回転翼）１を持った翼車２と、翼車の回転軸と
発電機を内包したナセル３と、該ナセル３を支持するポ
ール（塔）４からなっている。なお、図３に示す構成の
風車は、翼車２の翼径６４．０ｍ、ポール４の高さが６
８．０ｍの既存の７５０ｋＷ機用風車の一例である。
面に基づいて説明する。図３は現在風力発電用風車とし
て主流であるプロペラ形風車の模式図で、図３（ａ）は
正面図、図３（ｂ）は側面図である。プロペラ形風車の
構成部材は大きく分けて、１枚以上（図では３枚）のブ
レード（回転翼）１を持った翼車２と、翼車の回転軸と
発電機を内包したナセル３と、該ナセル３を支持するポ
ール（塔）４からなっている。なお、図３に示す構成の
風車は、翼車２の翼径６４．０ｍ、ポール４の高さが６
８．０ｍの既存の７５０ｋＷ機用風車の一例である。
【００２１】また例示した風車において、ブレード１の
先端での周速度が平均風速Ｖ0の５．５倍で周回してい
る状態における各半径方向翼断面（ブレード先端部、７
０％半径位置、３０％半径位置）への流入角β及び流入
流速Ｖ1を図４に示す。図４（ａ）はブレード先端部、
図４（ｂ）は７０％半径位置、図４（ｃ）は３０％半径
位置を示す。なお、図４においてＶは周速度を示す。ブ
レード１の各翼断面への（相対的な）流入流速Ｖ1によ
って揚力Ｌと抗力Ｄが発生する。ちなみに揚力Ｌと抗力
Ｄは流入流速Ｖ1に関し、式１と式２で表される。
先端での周速度が平均風速Ｖ0の５．５倍で周回してい
る状態における各半径方向翼断面（ブレード先端部、７
０％半径位置、３０％半径位置）への流入角β及び流入
流速Ｖ1を図４に示す。図４（ａ）はブレード先端部、
図４（ｂ）は７０％半径位置、図４（ｃ）は３０％半径
位置を示す。なお、図４においてＶは周速度を示す。ブ
レード１の各翼断面への（相対的な）流入流速Ｖ1によ
って揚力Ｌと抗力Ｄが発生する。ちなみに揚力Ｌと抗力
Ｄは流入流速Ｖ1に関し、式１と式２で表される。
【００２２】 Ｌ＝（ρ／２）ＣLｃＶ1 2 （１） Ｄ＝（ρ／２）ＣDｃＶ1 2 （２） なお、ここでρ：空気密度（ｋｇ／ｍ3）、ＣL：揚力係
数、ＣD：抗力係数、ｃ：ブレード１の弦長（ｍ）であ
る。
数、ＣD：抗力係数、ｃ：ブレード１の弦長（ｍ）であ
る。
【００２３】図４より、プロペラ形風車においてブレー
ド１を推進させる力（ブレードを回転するトルクを発生
する力）は、ブレード１の翼車半径方向の全ての断面に
おいてＬｓｉｎβ−Ｄｃｏｓβであることが分る。よっ
てプロペラ形風車は、揚力Ｌと抗力Ｄの比である揚抗比
Ｌ／Ｄが好適な迎え角αとなるように、各半径位置でブ
レード断面の取付け角を設定する。ここで風車の出力Ｐ
（Ｗ）は式（３）で表される。
ド１を推進させる力（ブレードを回転するトルクを発生
する力）は、ブレード１の翼車半径方向の全ての断面に
おいてＬｓｉｎβ−Ｄｃｏｓβであることが分る。よっ
てプロペラ形風車は、揚力Ｌと抗力Ｄの比である揚抗比
Ｌ／Ｄが好適な迎え角αとなるように、各半径位置でブ
レード断面の取付け角を設定する。ここで風車の出力Ｐ
（Ｗ）は式（３）で表される。
【００２４】 Ｐ＝（ρ／２）ＣPＡＶ0 3 （３） なお、ここでＣP：風車効率、Ａ：受風面積（ｍ2）、Ｖ
0：平均風速（ｍ／ｓ）である。
0：平均風速（ｍ／ｓ）である。
【００２５】図３に例示した風車の定格出力は７５０ｋ
Ｗを発生する風速（定格風速）は約１５ｍ／ｓである。
式３より風車出力Ｐは平均風速Ｖ0の３乗で増大するこ
とが分る。よって定格風速以上の風速では、発電機の過
発電を防止するために発生出力を抑制する必要がある。
この風車の出力を抑制する技術として公知なものに、ス
トール制御とピッチ角制御がある。
Ｗを発生する風速（定格風速）は約１５ｍ／ｓである。
式３より風車出力Ｐは平均風速Ｖ0の３乗で増大するこ
とが分る。よって定格風速以上の風速では、発電機の過
発電を防止するために発生出力を抑制する必要がある。
この風車の出力を抑制する技術として公知なものに、ス
トール制御とピッチ角制御がある。
【００２６】ストール制御は、ブレード１の先端付近を
ブレード１の長手方向を中心軸として大きく折り曲げ、
空力的なブレーキ効果を発生させて出力を抑制するもの
である。
ブレード１の長手方向を中心軸として大きく折り曲げ、
空力的なブレーキ効果を発生させて出力を抑制するもの
である。
【００２７】ピッチ角制御は、ブレード１への迎え角α
に対する揚抗比Ｌ／Ｄの変化（ブレード断面の一例とし
て図５参照）を利用し、定格風速以上ではハブ部のブレ
ード取付け角をブレード１の軸回りに可変させ、半径方
向の各ブレード断面への流入角βを制御し揚力Ｌと抗力
Ｄを変化させることによってブレードの発生トルクを制
御し、翼車２の発生トルクを抑制するものである。以上
のように、従来の風車では、ストール制御もピッチ角制
御も定格風速以上の高風速時に、過発電を防止する技術
として用いられている。
に対する揚抗比Ｌ／Ｄの変化（ブレード断面の一例とし
て図５参照）を利用し、定格風速以上ではハブ部のブレ
ード取付け角をブレード１の軸回りに可変させ、半径方
向の各ブレード断面への流入角βを制御し揚力Ｌと抗力
Ｄを変化させることによってブレードの発生トルクを制
御し、翼車２の発生トルクを抑制するものである。以上
のように、従来の風車では、ストール制御もピッチ角制
御も定格風速以上の高風速時に、過発電を防止する技術
として用いられている。
【００２８】ところが、現状の風力発電用プロペラ形風
車の問題点として、地表や水面との境界層、風車自身の
ポール、ウィンドファームにおける他の風車との干渉、
及び周辺地形の影響（図１参照）で翼車２の面全体に一
様な風速の風が流入しない。このように翼車２の面への
風の流入流速が一様でない場合に図４に示した流入角β
は、翼車２が一回転する間に周期的に変動することにな
る。ブレード断面に対する迎え角αが変動することにな
り、ブレード１が発生するトルク、つまり翼車２の出力
は一回転中で周期的に変動する。更に回転中ブレード１
には常に変動荷重が掛かることになり、ブレード１自身
及び風車各部の疲労破壊の原因とも考えられる。
車の問題点として、地表や水面との境界層、風車自身の
ポール、ウィンドファームにおける他の風車との干渉、
及び周辺地形の影響（図１参照）で翼車２の面全体に一
様な風速の風が流入しない。このように翼車２の面への
風の流入流速が一様でない場合に図４に示した流入角β
は、翼車２が一回転する間に周期的に変動することにな
る。ブレード断面に対する迎え角αが変動することにな
り、ブレード１が発生するトルク、つまり翼車２の出力
は一回転中で周期的に変動する。更に回転中ブレード１
には常に変動荷重が掛かることになり、ブレード１自身
及び風車各部の疲労破壊の原因とも考えられる。
【００２９】そこでここでは、翼車２の面へ流入する風
速が不均一の場合でも、周方向のいずれの位置でもブレ
ード１の発生トルクが一定となるように、ブレード１が
一回転する間にハブに取付けたブレードのピッチ角（迎
え角）αを可変にするピッチ角可変機構を設けた。
速が不均一の場合でも、周方向のいずれの位置でもブレ
ード１の発生トルクが一定となるように、ブレード１が
一回転する間にハブに取付けたブレードのピッチ角（迎
え角）αを可変にするピッチ角可変機構を設けた。
【００３０】ピッチ角αを可変にする具体的な機構とし
ては、ヘリコプタで実用化されているスウォッシュプレ
ートと同じ原理の機構を用いる。ヘリコプタ（回転翼航
空機）が移動している状態では、ロータが一回転する間
にロータへの相対流入流速は、「ロータ自身の回転する
接線速度±ヘリコプタ自身の移動速度」の範囲で周期的
に変動する。ロータが発生する揚力Ｌは、上記式（１）
より相対流入流速Ｖ1の２乗で大きくなるので、ピッチ
角を一定にしてロータを回転させると、ヘリコプタの機
体は傾いてしまう。
ては、ヘリコプタで実用化されているスウォッシュプレ
ートと同じ原理の機構を用いる。ヘリコプタ（回転翼航
空機）が移動している状態では、ロータが一回転する間
にロータへの相対流入流速は、「ロータ自身の回転する
接線速度±ヘリコプタ自身の移動速度」の範囲で周期的
に変動する。ロータが発生する揚力Ｌは、上記式（１）
より相対流入流速Ｖ1の２乗で大きくなるので、ピッチ
角を一定にしてロータを回転させると、ヘリコプタの機
体は傾いてしまう。
【００３１】そこでヘリコプタでは機体を水平にするた
めに、ロータへの相対流入流速が「ロータの接線速度＋
ヘリコプタの移動速度」の所ではロータへの迎え角αが
小さくなるようにピッチ角を可変し、「ロータの接線速
度−ヘリコプタの移動速度」の所ではロータへの迎え角
αが大きくなるようにピッチ角を可変し、これによって
ロータが発生する揚力Ｌを均一にして機体の水平を保っ
ている。つまりヘリコプタが移動している際には、ロー
タが一回転する間にロータのピッチを周期的に変動させ
る必要がある。そのピッチ角を可変する機構の一例とし
てスウォッシュプレートがある。
めに、ロータへの相対流入流速が「ロータの接線速度＋
ヘリコプタの移動速度」の所ではロータへの迎え角αが
小さくなるようにピッチ角を可変し、「ロータの接線速
度−ヘリコプタの移動速度」の所ではロータへの迎え角
αが大きくなるようにピッチ角を可変し、これによって
ロータが発生する揚力Ｌを均一にして機体の水平を保っ
ている。つまりヘリコプタが移動している際には、ロー
タが一回転する間にロータのピッチを周期的に変動させ
る必要がある。そのピッチ角を可変する機構の一例とし
てスウォッシュプレートがある。
【００３２】図６はスウォッシュプレートと同じ原理の
機構を用いて風力発電用風車のブレード（回転翼）の軸
回りのピッチ角を可変する設定角可変機構の模式図を示
す図である。ここではハブに２枚のブレードを取付けた
翼車を例に説明する。図示するように、翼車１０は２枚
のブレード１２、１２がハブ１１に枢支され、回転軸１
８を中心に回転する構成である。１３は円板状の回転部
材、１４は円板状の非回転部材である。各ブレード１
２、１２にはリンク機構１５、１５及び制御用シャフト
１６、１６を介して回転部材１３に結合されている。ハ
ブ１１は回転軸１８の先端部に取付けられ、該ハブ１
１、ブレード１２、１２、リンク機構１５、１５、制御
用シャフト１６、１６及び回転部材１３は回転軸１８と
一体的に回転するようになっている。
機構を用いて風力発電用風車のブレード（回転翼）の軸
回りのピッチ角を可変する設定角可変機構の模式図を示
す図である。ここではハブに２枚のブレードを取付けた
翼車を例に説明する。図示するように、翼車１０は２枚
のブレード１２、１２がハブ１１に枢支され、回転軸１
８を中心に回転する構成である。１３は円板状の回転部
材、１４は円板状の非回転部材である。各ブレード１
２、１２にはリンク機構１５、１５及び制御用シャフト
１６、１６を介して回転部材１３に結合されている。ハ
ブ１１は回転軸１８の先端部に取付けられ、該ハブ１
１、ブレード１２、１２、リンク機構１５、１５、制御
用シャフト１６、１６及び回転部材１３は回転軸１８と
一体的に回転するようになっている。
【００３３】非回転部材１４は複数本の操作用シャフト
１７、１７、１７を介して回転軸１８の垂直面に対して
傾斜できるようになっている。回転部材１３は該非回転
部材１４に接して回転するようになっている。回転部材
１３が非回転部材１４に接して回転することにより、回
転部材１３は周期的に傾動することになる。この傾動に
より、制御用シャフト１６、１６が矢印Ａ、Ｂのように
移動する。この移動によりブレード１２、１２はリンク
機構１５、１５を介して回動し、ブレード１２、１２の
それぞれ軸回りの設定角、即ち迎え角αが変わる。図で
は非回転部材１４の上側が左方向に下側が右方向に傾斜
しているから、回転部材１３の上側で制御用シャフト１
６は左側に押され、回転部材１３の下側で制御用シャフ
ト１６は右側に押されるから、ブレード１２、１２は回
転軸１８を中心に一回転する間にその軸回りのピッチ角
αを変えることになる。
１７、１７、１７を介して回転軸１８の垂直面に対して
傾斜できるようになっている。回転部材１３は該非回転
部材１４に接して回転するようになっている。回転部材
１３が非回転部材１４に接して回転することにより、回
転部材１３は周期的に傾動することになる。この傾動に
より、制御用シャフト１６、１６が矢印Ａ、Ｂのように
移動する。この移動によりブレード１２、１２はリンク
機構１５、１５を介して回動し、ブレード１２、１２の
それぞれ軸回りの設定角、即ち迎え角αが変わる。図で
は非回転部材１４の上側が左方向に下側が右方向に傾斜
しているから、回転部材１３の上側で制御用シャフト１
６は左側に押され、回転部材１３の下側で制御用シャフ
ト１６は右側に押されるから、ブレード１２、１２は回
転軸１８を中心に一回転する間にその軸回りのピッチ角
αを変えることになる。
【００３４】上記回転軸１８、リンク機構１５、１５、
制御用シャフト１６、１６、回転部材１３、非回転部材
１４及び操作用シャフト１７、１７、１７は、図３のナ
セル３内に収容され、回転軸１８は発電機が連結されて
いる。
制御用シャフト１６、１６、回転部材１３、非回転部材
１４及び操作用シャフト１７、１７、１７は、図３のナ
セル３内に収容され、回転軸１８は発電機が連結されて
いる。
【００３５】上記のように翼車１０の面への風の流入流
速は境界層やポール及び地形の影響で不均一であるが回
転位置毎にブレード１２のピッチ角αを可変にすること
により、翼車１０の一回転中における各ブレード１２、
１２に発生するトルク変動を平滑化することが可能とな
る。また、トルク変動を平滑化することにより、ジャイ
ロ効果による風向制御機構の故障を防止することができ
る。また、非回転部材１４の傾きを設定し、積極的に翼
車１０の上下方向でのトルク変動をさせることにより風
向制御を行うことが可能となる。
速は境界層やポール及び地形の影響で不均一であるが回
転位置毎にブレード１２のピッチ角αを可変にすること
により、翼車１０の一回転中における各ブレード１２、
１２に発生するトルク変動を平滑化することが可能とな
る。また、トルク変動を平滑化することにより、ジャイ
ロ効果による風向制御機構の故障を防止することができ
る。また、非回転部材１４の傾きを設定し、積極的に翼
車１０の上下方向でのトルク変動をさせることにより風
向制御を行うことが可能となる。
【００３６】なお、上記例では、リンク機構１５、１
５、制御用シャフト１６、１６、回転部材１３、非回転
部材１４及び操作用シャフト１７、１７、１７からなる
設定角可変機構を説明したが、図示は省略するが、ブレ
ード１２のハブ１１の枢支軸部（根元）１２ａを超音波
モータ又はサーボモータ又は油圧アクチュエータ又は水
圧アクチュエータ又は空気圧アクチュエータ等の駆動機
構を用いて、直接又は間接的に回動できるように構成
し、ブレード１２が一回転する間に該ブレード１２の回
転軸１８回りの設定角、即ちピッチ角αを可変するよう
にしてもよい。
５、制御用シャフト１６、１６、回転部材１３、非回転
部材１４及び操作用シャフト１７、１７、１７からなる
設定角可変機構を説明したが、図示は省略するが、ブレ
ード１２のハブ１１の枢支軸部（根元）１２ａを超音波
モータ又はサーボモータ又は油圧アクチュエータ又は水
圧アクチュエータ又は空気圧アクチュエータ等の駆動機
構を用いて、直接又は間接的に回動できるように構成
し、ブレード１２が一回転する間に該ブレード１２の回
転軸１８回りの設定角、即ちピッチ角αを可変するよう
にしてもよい。
【００３７】また、境界層や風車のポールや風車周辺の
地形等の影響によって翼車１０の面へ不均一な流速の風
が流入した場合に、この風の流れを測定、又は予め計算
等により求め、ブレード１２の各回転位置において発生
する回転トルクが一様になるように設定角可変機構を介
して設定角（ピッチ角）αを制御するようにしてもよ
い。これにより、翼車１０の一回転中における各ブレー
ド１２、１２に発生するトルク変動を平滑化することが
可能となる。
地形等の影響によって翼車１０の面へ不均一な流速の風
が流入した場合に、この風の流れを測定、又は予め計算
等により求め、ブレード１２の各回転位置において発生
する回転トルクが一様になるように設定角可変機構を介
して設定角（ピッチ角）αを制御するようにしてもよ
い。これにより、翼車１０の一回転中における各ブレー
ド１２、１２に発生するトルク変動を平滑化することが
可能となる。
【００３８】また、回転するブレード１２の軸回りの設
定角を翼車１０の上方と下方の位置で可変し、該翼車１
０の上方と下方で該回転翼の発生する回転トルクを可変
することも可能である。
定角を翼車１０の上方と下方の位置で可変し、該翼車１
０の上方と下方で該回転翼の発生する回転トルクを可変
することも可能である。
【００３９】なお、図６ではハブ１１に２枚のブレード
１２、１２を枢支した翼車１０を示したが、ブレード１
２は図３に示すように、３枚でもよく、又それ以上でも
よい。また、更にブレードを１枚とするものであっても
よい。
１２、１２を枢支した翼車１０を示したが、ブレード１
２は図３に示すように、３枚でもよく、又それ以上でも
よい。また、更にブレードを１枚とするものであっても
よい。
【００４０】
【発明の効果】以上、説明したように各請求項に記載の
発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００４１】請求項１に記載の発明によれば、設定角可
変機構を設けることにより、ハブに取付けた回転翼の軸
回りの設定角を該回転翼が一回転する間に可変させるこ
とができるから、境界層やポール及び地形の影響で翼面
で風速が不均一でも、ブレードの回転角度位置毎に該ブ
レードのピッチ角を可変して、翼車一回転中における発
生トルク変動を平滑化し、且つジャイロ効果による風向
制御機構の故障を防止することができる。また、積極的
に翼車の上下方向でのトルク変動をさせることにより風
向制御を行うことが可能となる。
変機構を設けることにより、ハブに取付けた回転翼の軸
回りの設定角を該回転翼が一回転する間に可変させるこ
とができるから、境界層やポール及び地形の影響で翼面
で風速が不均一でも、ブレードの回転角度位置毎に該ブ
レードのピッチ角を可変して、翼車一回転中における発
生トルク変動を平滑化し、且つジャイロ効果による風向
制御機構の故障を防止することができる。また、積極的
に翼車の上下方向でのトルク変動をさせることにより風
向制御を行うことが可能となる。
【００４２】請求項２に記載の発明によれば、ヘリコプ
タ回転翼の軸回りの設定角を可変するスウォッシュプレ
ート機構と同じ原理による設定角可変機構を設けること
により、比較的簡単な構成で、ブレードの回転角度位置
毎に該ブレードのピッチ角を可変して、翼車一回転中に
おける発生トルク変動を平滑化することができる。
タ回転翼の軸回りの設定角を可変するスウォッシュプレ
ート機構と同じ原理による設定角可変機構を設けること
により、比較的簡単な構成で、ブレードの回転角度位置
毎に該ブレードのピッチ角を可変して、翼車一回転中に
おける発生トルク変動を平滑化することができる。
【００４３】請求項３に記載の発明によれば、駆動機構
により各回転翼のハブ取付け部の根元部を軸回りに回動
するように構成した設定角可変機構を設けることによ
り、ブレードの回転角度位置毎に該ブレードのピッチ角
を可変して、翼車一回転中における発生トルク変動を平
滑化することができる。
により各回転翼のハブ取付け部の根元部を軸回りに回動
するように構成した設定角可変機構を設けることによ
り、ブレードの回転角度位置毎に該ブレードのピッチ角
を可変して、翼車一回転中における発生トルク変動を平
滑化することができる。
【００４４】請求項４に記載の発明によれば、回転翼の
回転位置において該回転翼が発生する回転トルクが一様
になるように回転翼の軸回りの設定角を制御するので、
境界層やポール及び地形の影響で翼車面への風速が不均
一でも、翼車一回転中における発生トルクの変動を平滑
化できる。またジャイロ効果による風向制御機構の故障
を防止することもできる。
回転位置において該回転翼が発生する回転トルクが一様
になるように回転翼の軸回りの設定角を制御するので、
境界層やポール及び地形の影響で翼車面への風速が不均
一でも、翼車一回転中における発生トルクの変動を平滑
化できる。またジャイロ効果による風向制御機構の故障
を防止することもできる。
【００４５】請求項５に記載の発明によれば、積極的に
上下方向でのトルク変動をさせることにより、風向制御
機構を用いることなく風向制御を行うことが可能とな
る。
上下方向でのトルク変動をさせることにより、風向制御
機構を用いることなく風向制御を行うことが可能とな
る。
【図１】境界層や風車自身のポール及び周辺地形と風速
の例を示す図である。
の例を示す図である。
【図２】翼車面の風速が一様でない場合のブレード抑え
角αへの影響例を示す図である。
角αへの影響例を示す図である。
【図３】現在風力発電用風車として主流であるプロペラ
形風車の模式図である。
形風車の模式図である。
【図４】ブレードの各半径位置における流入流速とブレ
ード断面が発する揚力及び抗力を示す図である。
ード断面が発する揚力及び抗力を示す図である。
【図５】ブレードのピッチ角αに対する揚力係数ＣL、
抗力係数ＣD、揚抗係数比ＣL／ＣD等の変化を示す図で
ある。
抗力係数ＣD、揚抗係数比ＣL／ＣD等の変化を示す図で
ある。
【図６】本発明に係る風力発電用風車のブレードの軸回
りのピッチ角を可変する設定角可変機構の模式図であ
る。
りのピッチ角を可変する設定角可変機構の模式図であ
る。
１ ブレード ２ 翼車 ３ ナセル ４ ポール １０ 翼車 １１ ハブ １２ ブレード １３ 回転部材 １４ 非回転部材 １５ リンク機構 １６ 制御用シャフト １７ 操作用シャフト １８ 回転軸
Claims (5)
- 【請求項１】 ハブに取付けた１枚以上の回転翼を具備
し、回転軸を水平に設置した翼車を有する風力発電用風
車において、 前記ハブに取付けた回転翼の軸回りの設定角を該回転翼
が一回転する間に可変させる設定角可変機構を設けたこ
とを特徴とする風力発電用風車。 - 【請求項２】 請求項１に記載の風力発電用風車におい
て、 前記設定角可変機構は、ヘリコプタ回転翼の軸回りの設
定角を可変するスウォッシュプレート機構と同じ原理に
より前記回転翼の軸回りの設定角を可変する機構である
ことを特徴とする風力発電用風車。 - 【請求項３】 請求項１に記載の風力発電用風車におい
て、 前記設定角可変機構は、前記翼車の各回転翼の前記ハブ
取付け部の根元部を超音波モータ又はサーボモータ又は
油圧アクチュエータ又は水圧アクチュエータ又は空気圧
アクチュエータ等の駆動機構を用いて軸回りに回動する
ように構成し、前記回転翼が一回転する間に該回転翼の
軸回りの設定角を可変することを特徴とする風力発電用
風車。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
風力発電用風車の制御方法であって、 境界層や風車のポールや風車周辺の地形等の影響によっ
て前記翼車面へ不均一な風の流れが流入した場合に、前
記回転翼の回転位置において該回転翼が発生する回転ト
ルクが一様になるように前記設定角可変機構を介して前
記軸回りの設定角を制御することを特徴とする風力発電
用風車の制御方法。 - 【請求項５】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
風力発電用風車の制御方法であって、 回転する前記回転翼の軸回りの設定角を前記翼車の上方
と下方の位置で可変し、該翼車の上方と下方で該回転翼
の発生する回転トルクを可変することを特徴とする風力
発電用風車の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001158681A JP2002349412A (ja) | 2001-05-28 | 2001-05-28 | 風力発電用風車及びその制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001158681A JP2002349412A (ja) | 2001-05-28 | 2001-05-28 | 風力発電用風車及びその制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002349412A true JP2002349412A (ja) | 2002-12-04 |
Family
ID=19002364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001158681A Pending JP2002349412A (ja) | 2001-05-28 | 2001-05-28 | 風力発電用風車及びその制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002349412A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005083308A (ja) * | 2003-09-10 | 2005-03-31 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ブレードピッチ角度制御装置及び風力発電装置 |
| JP2010196520A (ja) * | 2009-02-24 | 2010-09-09 | Fuji Heavy Ind Ltd | 水平軸風車 |
| CN102884315A (zh) * | 2010-04-12 | 2013-01-16 | 乌本普罗帕蒂斯有限公司 | 风能设备方位或变桨驱动装置 |
| US10190574B2 (en) | 2013-12-02 | 2019-01-29 | DOOSAN Heavy Industries Construction Co., LTD | System and method for controlling generation output quantity of a wind power plant using dust detector |
| CN109707563A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-03 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 变桨驱动器重启控制方法、装置及风力发电机组 |
-
2001
- 2001-05-28 JP JP2001158681A patent/JP2002349412A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2013527366A (ja) * | 2010-04-12 | 2013-06-27 | ヴォッベン プロパティーズ ゲーエムベーハー | 風力発電装置−方位角又はピッチ制御装置 |
| US10190574B2 (en) | 2013-12-02 | 2019-01-29 | DOOSAN Heavy Industries Construction Co., LTD | System and method for controlling generation output quantity of a wind power plant using dust detector |
| CN109707563A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-03 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 变桨驱动器重启控制方法、装置及风力发电机组 |
| CN109707563B (zh) * | 2018-12-26 | 2021-06-11 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 变桨驱动器重启控制方法、装置及风力发电机组 |
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