JP2005036727A - 風速計及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のナセルの上部に設置した風速計では翼車の鉛直方向からの風速のみを正確に計測できないという問題がある。本発明はこの問題を解決し、翼車の鉛直方向からの風速を正確に測定可能な風速計、及び該風速計を具備し、該風速計で測定した測定値を最大出力制御に反映できる風力発電装置を提供すること。
【解決手段】水平のシャフト３を中心に回転する翼車１を有する風力発電装置において、翼車１を固定するハブ２及びこれを支えるシャフト３の中心に通風孔８を形成し、該通風孔８を通る風の風速を測定する風速計１５を設けた。風速計１５は、通風孔８の端部から吹き出る風又は放射状に設けた孔９から吹き出る風の風速及び温度によって抵抗値が変化する抵抗線センサー１５−１と該風の温度によって検出値が変化するシース抵抗線センサー１５−２を設け、抵抗線センサー１５−１とシース抵抗線センサー１５−２の検出値から風速を測定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に水平軸を中心に回転する翼車を有する風力発電装置の翼車が受ける風の風速計に特徴を有する風速計及び該風速計を具備する風力発電装置に関するものである。

風力発電装置とは風力によって翼車を回転させ、この回動力を発電機に伝達し、発電機を稼働させて電力を発電し、供給可能としたものである。

一般に風力発電装置は、高層建造物に相当するタワー頂部にナセルと称する筐体を配設し、この筐体内に発電機を設置している。この発電機の回転シャフトの先端には翼車を有するハブを配設し、風力により翼車を回転せしめて翼車の回転に比例する回転力を発電機に伝達し、いわゆる風速により発電する設備である。なお、翼車の回転数と発電機の回転数をマッチングさせるために発電機の回転シャフトとハブの間にギア等の変速機を介在させる場合もある。

ここで単位面積Ａ（ｍ²）あたりに通過する風速Ｖ（ｍ／ｓ）の風のエネルギーＰ（Ｗ）は空気密度をρ（ｋｇ／ｍ³）とすると次式で表せる。
Ｐ＝１／２（ｍＶ²）＝１／２（ρＡＶ）Ｖ²＝１／２（ρＡＶ³）
従って、風力エネルギーは翼車の受風面積に比例し、風速の３乗に比例する。

更に、翼車の回転数に対する出力は風速によって異なることも、例えば非特許文献１等により知られている。図５は翼車の回転数に対する出力の関係を示す図である。図示するように、風速Ｖを一定とすれば、回転数Ｎ（ｒｐｍ）を増加させることによって出力Ｐ（Ｗ）も上昇し、ある回転数で最大出力を示すがこの回転数を超えると出力が低下する。このことはそれぞれの風速において最大出力を示す回転数は決まっており、この回転数より少なくとも又多くとも最大出力を得ることができないことが知られている。

従来の発電装置は、図１に示すように、タワー１１の頂部に風向きによって翼車１の位置を変える垂直軸に回転自在なナセル７を配設し、このナセル７の内部には図２に示すように発電機６が配設されている。該発電機６の回転シャフトは変速ギア５に連結し、変速ギアシャフト先端にはカップリング４を介してシャフト３が連結され、該シャフト３の先端には翼車１を取付けるハブ２が連結されている。また、シャフト３は軸受１２で回転自在に支持されており、発電機６、変速ギア５、軸受１２はナセル７内に固定された架台１３に取付けられている。そして、ナセル７内は軸受１４によりタワー１１の垂直軸回りに回転自在に支持されている。

ここで風速計１０及び風向計は翼車前方に取付けることが望ましいものの、風速計１０の支持構造を含め翼車１の回転に支障があるため、ナセル７の後部の上部に取付けられている。翼車１が感知する風速と風速計１０における風速とは翼車１の回転における乱流の発生で必ずしも一致するものではないが、翼車１に受ける風力とナセル７の後部における風速計１０との相関関係を導いておくことで翼車１における風速の実測値を比較的精度良く推定することができる。

このことは予め各風速における最大出力を示す回転数との関係を制御装置のメモリに書き込んでおき、風速計１０により風速を検出し、この時の最大出力を示す回転数になるように制御することで最大出力制御を実施することが可能となる。例えばある風速において検出された回転数が最大出力回転数より低い場合においては、発電機６をモータリングする形で回転数を増加せしめ、一方回転数が最大出力回転数より高い場合においては発電機６の負荷を増加させる形で回転数を低減させることで、ある風速における最大出力回転数を得ることができる。従来の風力発電装置の発電機制御においても最大出力制御を実施する場合においては上記制御に相当した制御がなされている

しかしながらここで計測した風速は必ずしも翼車１に鉛直方向から吹いてくる風速とは限らない。即ち、海上における風速のように風速の変化が非常に少なければ従来の方式では十分な制御ができる。しかし、日本の陸地において風向は常時変化しており、そのためナセル７の上部に設置された風速計１０は翼車１の鉛直方向の風速に限定されず、極端にはナセル７の鉛直方向に吹いていた風がその直後に翼車１の裏側に吹く風に風向きが変化した場合でもその風速を検出してその時点の風速として処理する可能性を有している。

小型風車と発電機の整合性に関する実験的研究：関、牛山、中川、松本、相良、著 平成１０年１１月１９日第２０回風力エネルギーシンポジウム講演資料

上記のように従来のナセル７の上部に設置した風速計１０では最大出力制御を実施するための翼車１の鉛直方向からの風速のみを正確に計測できないという問題がある。本発明はこの問題を解決し、翼車１の鉛直方向からの風速を正確に測定可能な風速計、及び該風速計を具備し、該風速計で測定した測定値を最大出力制御に反映できる風力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、水平軸を中心に回転する翼車が受ける風の風速を測定する風速計であって、翼車を固定するハブ及びこれを支える水平軸の中心に通風孔を形成し、該通風孔を通る風の風速を測定し、翼車が受ける風の風速を測定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、水平軸を中心に回転する翼車を有する風力発電装置において、翼車を固定するハブ及びこれを支える水平軸の中心に通風孔を形成し、該通風孔を通る風の風速を測定する風速計を設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の風力発電装置において、風速計は、水平軸の端部において通風孔の端部から吹き出る風又は該通風孔に連通して放射状に設けた孔から吹き出る風の風速を測定するように構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の風力発電装置において、風速計は、通風孔の端部から吹き出る風又は放射状に設けた孔から吹き出る風の風速及び温度によって検出値が変化する第１のセンサーと、該風の温度によってのみ検出値が変化する第２のセンサーを設け、第１のセンサー及び第２のセンサーの検出値から風速を測定するように構成されたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の風力発電装置において、風速の変化に応じて翼車の出力が最大出力となるように該翼車の回転数を制御する最大出力制御手段を備え、前記風速計で測定した風速に応じて最大出力制御を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ハブ及び水平軸の中心に形成した通風孔を通る風の風速を測定するので、通風孔を通る風は、翼車に鉛直方向から吹いてくる風であるから、翼車に鉛直方向から吹いてくる風の風速を反映することになり、この風速を測定することにより、翼車が受ける風の風速を精度良く測定できる。

請求項２に記載の発明によれば、ハブ及びこれを支える水平軸の中心に通風孔を形成し、該通風孔を通る風の風速を測定する風速計を設けたので、翼車が受ける風の風速を精度良く測定できる風速計を具備する風力発電装置となり、この風速計で測定した風速測定値を最大出力制御に反映できる。

請求項３に記載の発明によれば、風速計は、通風孔の端部から吹き出る風又は該通風孔に連通して放射状に設けた孔から吹き出る風の風速を測定するように構成されているので、翼車に鉛直方向から吹いてくる風の風速を精度良く測定できる。

請求項４に記載の発明によれば、風速計は、風速及び温度によって検出値が変化する第１のセンサーと、温度によって検出値が変化する第２のセンサーを設け、第１のセンサー及び第２のセンサーの検出値から風速を測定するように構成されているので、風の温度をキャンセルし風速の変化のみを精度よく測定することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、最大出力制御手段を備え、風速計で測定した風速で最大出力制御を行うから、精度のよい最大出力制御ができる風力発電装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る風力発電装置のナセル内の構成を示す図である。ナセル７の内部には、発電機６が配設され、該発電機６の回転シャフトに変速ギア５が連結され、変速ギアシャフト先端にカップリング４を介してシャフト３が連結され、該シャフト３の先端には翼車１を取付けるハブ２が連結されている点は、図３に示す従来例と同一である。

ここで従来例と相違する点は、ハブ２及びシャフト３の中央に通風孔８を形成したことである。通風孔８は翼車１が回転するのに必要な鉛直方向の受風面積の中央部に位置し、翼車１の鉛直方向に相当する風のみを通すことができる。通風孔８を通った風はシャフト３の端部のカップリング４の隙間、又は該端部に通風孔８と連通させて放射状に設けた孔９から吹出す。この吹出した風の風速と翼車１に受ける風の風速とを比較校正しておくことで翼車１の受風面積に対して鉛直方向分の風速を精度よく推定することが可能となる。

カップリング４の隙間又は放射状に設けた孔９から吹出した風の風速の測定には、抵抗線センサーによる風速計１５を採用する。ここで用いた抵抗線センサーの風速計とはカップリング４の外周部に該カップリング４の回転に支障の無い位置に風速によって抵抗値が変化する抵抗線を配設し、該抵抗値の変化から風速を測定するものである。

なお、測定精度を上げるためには、図４に示すように抵抗線センサーを２本用い、１本の抵抗線センサー１５−１は抵抗線ａをそのまま配設し、他の１本の抵抗線センサーは抵抗線ａをシースｂで覆ったシース抵抗線センサー１５−２を配設する。そしてこの抵抗線センサー１５−１、シース抵抗線センサー１５−２をあたかも１本であるかのようにしてカップリング４の外周に配設する。ここで抵抗線センサー１５−１は検出する風速の変化と共にこの風の温度によって抵抗値が変化する。一方、シース抵抗線センサー１５−２はシースで覆われているため風速の変化には変化することなく、風の温度によってのみ抵抗値が変化する。この抵抗線センサー１５−１とシース抵抗線センサー１５−２をホイートストンブリッジに組み込み、該ホイートストンブリッジのバランスをとることで風の温度の影響をキャンセルして風速の変化のみを精度良く測定することが可能となる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、通風孔８を通る風の風速を検出する手段としては、通風孔８を通る風の風速を直接測定するセンサーを設け、測定した測定値を電波等で出力するようにしてもよいし、通風孔８の端部から吹き出る風の風速を測定するようにしてもよい。

従来の風力発電装置の構成例を示す図である。 従来の風力発電装置のナセル内の構成例を示す図である。 本発明に係る風力発電装置のナセル内の構成例を示す図である。 図３のカップリング及び風速計部分の拡大図である。 水平軸風車の出力特性を示す図である。

符号の説明

１ 翼車
２ ハブ
３ シャフト
４ カップリング
５ 変速ギア
６ 発電機
７ ナセル
８ 通風孔
９ 孔
１０ 風速計
１１ タワー
１２ 軸受
１３ 架台
１４ 軸受
１５ 風速計
１５−１ 抵抗線センサー
１５−２ シース抵抗線センサー

Claims (5)

1. 水平軸を中心に回転する翼車が受ける風の風速を測定する風速計であって、
   前記翼車を固定するハブ及びこれを支える前記水平軸の中心に通風孔を形成し、該通風孔を通る風の風速を測定し、前記翼車が受ける風の風速を測定することを特徴とする風速計。
2. 水平軸を中心に回転する翼車を有する風力発電装置において、
   前記翼車を固定するハブ及びこれを支える前記水平軸の中心に通風孔を形成し、該通風孔を通る風の風速を測定する風速計を設けたことを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項２に記載の風力発電装置において、
   前記風速計は、前記水平軸の端部において前記通風孔の端部から吹き出る風又は該通風孔に連通して放射状に設けた孔から吹き出る風の風速を測定するように構成されたことを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置において、
   前記風速計は、前記通風孔の端部から吹き出る風又は前記放射状に設けた孔から吹き出る風の風速及び温度によって検出値が変化する第１のセンサーと、該風の温度によってのみ検出値が変化する第２のセンサーを設け、
   前記第１のセンサー及び第２のセンサーの検出値から風速を測定するように構成されたことを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
   風速の変化に応じて前記翼車の出力が最大出力となるように該翼車の回転数を制御する最大出力制御手段を備え、
   前記風速計で測定した風速に応じて最大出力制御を行うことを特徴とする風力発電装置。

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