JP2003035249A - 水平軸風車のティルト角制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータが風向きに垂直になるようにティルト
角が方位角に連動して変位する水平軸風車のティルト角
制御方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 本装置１により、同図に示すような方位
角及びチィルト角に変位させる場合、風車２に取り付け
られた風向き検知器により検知された方位角方向の風向
き情報に基づき駆動モータ９に駆動指令が発せられ、こ
れにより、ナセル４は、ロータ軸５ａがある方位角を向
くように回転する。ナセル４の両端部にはローラ１２，
１３が軸着され、ローラ１２，１３はタワーヘッド台座
３ａ上に載置された外カム軌道１１と内カム軌道１０に
それぞれ当接して回転移動する。外カム軌道１１と内カ
ム軌道１０の高さは、ロータ面に直角に風を入力させる
べくナセル４を傾斜させるように予め設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、水平軸風車のロー
タを風向きに対し垂直にする若しくは垂直に近づけるよ
うにロータの方位角に連動してティルト角を変位させる
ティルト角制御方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に水平軸風車の方向制御は、方位角
制御（ヨー制御）のみである。但し、ティルト角を変位
させるものがあるが、これは、変動荷重を軽減するため
のものであり、積極的にティルト角を制御して風を有効
に利用するものではない。この場合の方位角とは、風車
のロータ軸の、水平面内での変位角であり、ティルト角
とは、上記水平面に垂直な平面内での変位角である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に風は地表に沿っ
て流れる。したがって、斜面での風の流れは、当該斜面
に沿って吹き降し、或いは吹き上げる態様をなす。この
ために、このような流れのある場所に設置された従来の
水平軸風車は、下記のような影響を受ける。即ち、この
ような傾斜角を有する流れの中では、従来の上記風車
は、方位角方向の流れ方向を向くように変位する。しか
し、ティルト角方向の流れ方向を向くようには変位しな
い。この結果、性能低下を招くとともに、回転している
ロータに偏荷重を与える。即ち、上記ティルト角成分方
向の風は、ロータを構成する羽根の流入角・流入速度に
アンバランスを生ぜしめるために、大きな変動荷重をも
たらす。しかも、変動荷重が大きくなると、ヨーイング
モーメントが大きくなる。このような影響を受けるため
に、従来の水平軸風車のうち、尾翼・フリーヨーなどの
パッシブヨー制御の風車では、ヨーイングモーメントが
大きくなるとヨーエラーが非常に大きくなるために、こ
のような流れのある場所に設置することはできない。一
方、アクティブヨー制御の風車では、大きな変動荷重に
より寿命の低下を引き起こすとともに、大きなヨーイン
グモーメントによりヨー制御機構の故障を誘発するため
に、このような流れのある場所での設置は、極めて厳し
い。

【０００４】本発明の目的は、ロータが風向きに垂直に
する若しくは垂直に近づけるようにティルト角が方位角
に連動して変位する水平軸風車のティルト角の制御方法
及びその装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に係る水平軸風車のティルト角制
御方法は、水平軸風車のロータを風向きに対し垂直に近
づけるようにそのロータのティルト角を制御する方法で
あり、ロータのティルト角方向の風向きとロータの方位
角方向の風向きとの関係を予め設定し、ティルト角を方
位角に連動して変位させる方法であり、かかる方法を採
用すれば、ロータが風向きに垂直になるようにティルト
角が方位角に連動して変位するので、傾斜角を有する流
れの中でもパッシブヨー制御の風車を用いることが可能
になり、また、アクティブヨー制御の風車については、
ヨー制御機構に加わる荷重を軽減でき、性能向上及び耐
久性向上が図れる。ここで、上記関係を予め設定すると
は、風車の設置点では、ある方位角方向の風向きのとき
に当該方位角における上下方向の風向角がその地点の地
形データから予想或いは調査により明確にでき、また、
別の方位角方向の風向きのときには当該方位角における
上下方向の風向角が同様に予想或いは調査により明確に
できるので、より多くの風のエネルギーを利用できるよ
うに、方位角毎にティルト角を決定すること、そして、
その変化を滑らかにつなげることを含むものである。

【０００６】また、本発明の請求項２に係る水平軸風車
のティルト角制御装置は、水平軸風車のロータを回転自
在に支持したナセルがタワーヘッド台座上で回動すると
当該ロータの方位角に連動して当該ロータのティルト角
が変動する装置であり、タワーヘッド台座上で揺動自在
に支持されたナセルが、方位角との関係が予め設定され
たティルト角に変位するように形成されて、タワーヘッ
ド台座上に設置されたカム軌道に規制されて傾斜角を変
えながら回動するようにしたものであり、これにより、
ロータが風向きに垂直に若しくは垂直に近づくようにテ
ィルト角が方位角に連動して変位させることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の水平軸風車のティルト角
制御装置に係る実施の形態を図１〜４を参照して説明す
る。本角制御装置１は、本実施の形態では、図１に示さ
れる例では、ダウンウィンド型水平軸風車２に装着さ
れ、同図中の矢印で示す風向きの流れに対し、当該流れ
方向を向くように方位角に連動してティルト角を変位さ
せるものである。ところで、本実施の形態に係る風車２
は、地面に設置されたタワー３に方位角及びティルト角
が変位するようにして支持された略円筒状のナセル４
と、このナセル４に、そのロータ軸５ａ（図２等参照）
が回転自在に支持された３枚羽根のロータ５とを備えて
おり、ロータ５は、ロータ軸５ａに垂直に取り付けられ
ている。したがって、上述の流れ方向を向くように方位
角及びティルト角を変位させるとは、ロータ軸５ａが流
れ方向を向くようにすることであり、また、ロータ５が
当該流れ方向に垂直になるようにすることである。

【０００８】本装置１の具体的構成を図２を参照して説
明する。尚、同図は、風車２に対する風向きが、同図中
の矢印Ｐで示すような風向きのときに、この風向きの流
れ方向を向くように方位角及びティルト角が変位してい
る状態を示す。本装置１は、タワー３に載置されたタワ
ーヘッド台座３ａ上に、ベアリング６を介してタワーヘ
ッド台座３ａのまわりに回動自在に配設されるナセル支
持部材７を備え、このナセル支持部材７は、ナセル４の
略中央を、ピン８を介してタワーヘッド台座３ａに対し
垂直方向に揺動自在に支持している。ところで、ベアリ
ング６において、その内輪側はナセル支持部材７に、ま
た、その外輪はタワーヘッド台座３ａに着設されてい
る。当該ベアリング６の近傍に配設された駆動モータ９
は、ナセル支持部材７を回転駆動するためのものであ
る。尚、ナセル４内には、特に図示しないが、後述のマ
イクロコンピュータや発電機、ロータ５の伝達駆動系部
材などが収納されている。

【０００９】また、本装置１は、タワーヘッド台座３ａ
上に環状に配設された、内カム軌道１０及び当該内カム
軌道１０の外側に外カム軌道１１を備えており、ナセル
４は、これらカム軌道１０，１１上を当該ナセル４の下
部にそれぞれ取り付けられたローラ１２，１３を介して
回転移動できるようになっている。尚、図２では、内カ
ム軌道１０の片側断面（同図では左側部分），外カム軌
道１１の片側断面（同図では右側部分）は省略されてい
る。風車２の設置点としては、年間を通して安定した風
が吹くとともに、地形も遮る物が少ない場所が選定され
るので、ロータ５のティルト角方向の風向きとロータ５
の方位角方向の風向きとの関係を固定して設定すること
ができ、上記内カム軌道１０及び外カム軌道１１の各カ
ム軌道面は、方位角方向の風向きとを関係させて予め設
定されたティルト角方向の風向きに変位するように形成
することができ、換言すれば、ティルト角の大きさが方
位角で異なって形成されており、これにより、本装置１
は、検知された風向きに応じて、ティルト角が方位角に
連動して変位する。

【００１０】次に、本装置１のティルト角制御動作につ
いて説明する。風車２に対する風向きが、図２中の矢印
Ｐで示すような、ある方位角方向の風向きのときにタワ
ー３が設置された地面（図示せず）に平行になる場合
に、風車２に取り付けられた風向き検知器（図示せず）
によって検知された方位角方向の風向き情報がナセル４
内のマイクロコンピュータに供給され、マイクロコンピ
ュータは、この情報に基づき駆動モータ９に駆動指令を
発し、これにより、ナセル４は、ロータ軸５ａがある方
位角方向の流れ方向を向くようにカム軌道１０，１１上
を回転して停止する。図２に示すこの停止位置は、ある
方位角方向の風向きに対応してティルト角方向の風向き
角度が零に設定されているところであり、ロータ軸５ａ
の、タワーヘッド台座３ａ面に垂直な平面内での傾斜角
が零になるように、この停止位置での内カム軌道１０の
断面の高さと外カム軌道１１の断面の高さは等しく形成
されている。このとき、風車２は、ロータ５が風向きの
流れに対し垂直をなす状態になる。

【００１１】また、風車２に対する風向きが、図３中矢
印Ｑで示すような、ある方位角方向の風向きのときに、
タワー３が設置された地面（図示せず）に対し角度αと
なる場合には、マイクロコンピュータは、風向き検知器
からの方位角方向の風向き情報に基づき駆動モータ９に
駆動指令を発し、これにより、ナセル４は、ロータ軸５
ａがある方位角方向の流れ方向を向くようにカム軌道１
０，１１上を回転して停止する。この停止位置は、ある
方位角方向の風向きに対応してティルト角方向の風向き
角度がαに設定されているところであり、ロータ軸５ａ
の、タワーヘッド台座３ａ面に垂直な平面内での傾斜角
がαになるように、この停止位置での内カム軌道１０の
断面の高さは外カム軌道１１の断面の高さより低く形成
されている。このとき、風車２は、ロータ５が風向きの
流れに対し垂直をなす状態になる。尚、図３では、内カ
ム軌道１０の片側断面（同図では左側部分）、外カム軌
道１１の片側断面（同図では右側部分）は省略されてい
る。

【００１２】ところで、片側が斜面をなす小高い高原の
ようなところでは、図４に示す矢印Ｒの風向き（実線で
示す）が矢印Ｓの風向き（破線で示す）に変化するよう
な場合があり、このような場合には、当初、矢印Ｒの風
向き情報に基づき駆動モータ９が駆動され、ナセル４
は、ロータ軸５ａがこの方位角方向の流れ方向を向くよ
うにカム軌道１０，１１上を回転して停止する。この停
止位置は、方位角方向の風向きに対応してティルト角方
向の風向きが零に設定されているところであり、ロータ
軸５ａの、タワーヘッド台座３ａ面に垂直な平面内での
傾斜角が零になるように、この停止位置での内カム軌道
１０の断面の高さと外カム軌道１１の断面の高さは等し
く形成されている。このとき、風車２は、ロータ５が風
向きの流れに対し垂直をなす状態になる。しかるに、上
記矢印Ｒの風向きが、これとは反対の矢印Ｓの風向き
で、しかも、タワー３が設置された地面に対し角度βと
なる場合には、この風向き情報に基づき駆動モータ９が
駆動され、ナセル４は、カム軌道１０，１１上を、実線
で示す状態から破線で示す状態に１８０゜回転して停止
する。この停止位置は、この方位角方向の風向きに対応
してティルト角方向の風向き角度がβに設定されている
ところであり、ロータ軸５ａの、タワーヘッド台座３ａ
面に垂直な平面内での傾斜角がβになるように、この停
止位置での内カム軌道１０の断面の高さは外カム軌道１
１の断面の高さより低く形成されている。このとき、風
車２は、ロータ５が風向きの流れに対し垂直をなす状態
になる。

【００１３】

【発明の効果】本発明の水平軸風車のティルト角制御方
法及びその装置によれば、ロータが風向きに垂直になる
ようにティルト角が方位角に連動して変位するので、傾
斜角を有する流れの中でもパッシブヨー制御の風車を用
いることが可能になり、また、アクティブヨー制御の風
車については、ヨー制御機構に加わる荷重を軽減でき、
性能向上及び耐久性向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の水平軸風車の設置場所の一例を示す
図である。

【図２】 本装置による水平軸風車のティルト角制御動
作の説明図である。

【図３】 本装置による水平軸風車のティルト角制御動
作の説明図である。

【図４】 本装置による水平軸風車のティルト角制御動
作の説明図である。

【符号の説明】

１ ティルト角制御装置 ２ 風車 ３ａ タワーヘッド台座 ４ ナセル ５ ロータ １０ 内カム軌道 １１ 外カム軌道

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水平軸風車のロータを風向きに対し垂直
   にする若しくは垂直に近づけるように前記ロータのティ
   ルト角を制御する方法であって、当該ティルト角方向の
   風向きと前記ロータの方位角方向の風向きとの関係を予
   め設定し、前記ティルト角を前記方位角に連動して変位
   させることを特徴とする水平軸風車のティルト角制御方
   法。
2. 【請求項２】 水平軸風車のロータを回転自在に支持し
   たナセルがタワーヘッド台座上で回動すると当該ロータ
   の方位角に連動して当該ロータのティルト角が変化する
   装置であって、前記タワーヘッド台座上で揺動自在に支
   持された前記ナセルが、前記方位角との関係が予め設定
   された前記ティルト角に変位するように形成されて、前
   記タワーヘッド台座上の設置されたカム軌道に規制され
   て傾斜角を変えながら回動することを特徴とする水平軸
   風車のティルト角制御装置。