JP2005054752A - 水平軸風車及び水平軸風車の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素かつ安価な構成を有しながら冗長的な風向・風速計測機能を有し、風向計又は風速計の故障に起因する発電動作の停止を未然に防ぐことができる水平軸風車を提供する。
【解決手段】 １つの風向計と、略水平方向に延在する回転軸Ｘを中心に回転するロータ４と、を有し、風向に応じてロータ４の回転軸Ｘが略水平面内で回動する水平軸風車において、ロータ４の回転中心部分に配置され、ロータ４の回転軸Ｘに平行な方向及び鉛直方向に延在する板状部材５と、板状部材５を挟んで相対する位置に配置された２つの風速計Ａ、Ｂと、これら２つの風速計Ａ、Ｂにより計測された風速の差又は比に基づいてロータ４のヨー角Φを制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水平軸風車及び水平軸風車の制御方法に関する。

近年、自然風から電力を得る目的で水平軸風車が提案され、実用化されている。かかる水平軸風車は、ロータに吹き付ける風の速度（風速）を計測する風速計や、ロータに吹き付ける風の向き（風向）を計測する風向計を備えている。そして、水平軸風車の制御装置は、風速計で計測された風速の値が所定値を超えた場合にロータの回転を開始させるとともに、風向計で計測された風向にロータが正対するようにロータの回転軸を略水平面内で回動させている。

ところで、水平軸風車の制御装置は、風速計や風向計が故障して風速や風向が計測不可能になると、発電動作を自動的に停止させるようにロータを制御する。一般的に、水平軸風車は遠隔地に設置されるため、このように風速計や風向計が故障した場合には、復旧までに多くの時間やコストを要することとなる。また、発電動作停止期間が長期化すると、その期間における発電電力量の損失が甚大となる。

このため、従来は、風速計や風向計を各々複数設けることにより、一の風速計（又は風向計）の故障に備えていた（例えば、非特許文献１参照。）。
Nordex AG、"Products & Service Onshore N50"、［online］、Nordex AG、［平成15年7月4日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nordex-online.com/#e/produkte#und#service/onshore/n50/N50#info#engl.html＞

しかし、前記したように風速計や風向計を各々複数設けると、その分のコストが嵩んでしまう。このため、余分な風速計や風向計を用いることなく低コストで発電動作の停止を防ぐための技術が切望されていた。

本発明の課題は、簡素かつ安価な構成を有しながら冗長的な風向・風速計測機能を有し、風向計又は風速計の故障に起因する発電動作の停止を未然に防ぐことができる水平軸風車を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、１つの風向計と、略水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータと、を有し、風向に応じて前記ロータの前記回転軸が略水平面内で回動する水平軸風車において、前記ロータの回転中心部分に配置され、前記ロータの前記回転軸に平行な方向及び鉛直方向に延在する板状部材と、前記板状部材を挟んで相対する位置に配置された２つの風速計と、これら２つの風速計により計測された風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ロータの回転軸に平行な方向及び鉛直方向に延在する板状部材が、ロータの回転中心部分（ハブ）に配置されており、この板状部材を挟んで相対する位置に２つの風速計が配置されている。このため、ロータが風向に正対していない場合に、２つの風速計で計測される風速に差を設けることができる。

そして、制御手段は、このように２つの風速計で計測された風速の差又は比に基づいて、ロータのヨー角（ロータの回転軸の方向と風向とのなす角度）を制御する。例えば、２つの風速計で計測された風速の差又は比に基づいてロータのヨー角を推算し、このヨー角を約０degに収束させるように（ロータが風向に正対するように）ロータの回転軸を回動させることができる。

従って、風向計が故障した場合においても、２つの風速計を使用して、ロータを風向に正対させることができる。また、２つの風速計を採用しているため、何れか一方の風速計が故障した場合においても、他方の風速計で風速を計測することができる。この結果、簡素かつ安価な構成でありながら、風向計及び風速計を２つずつ設けた場合と同様の効果を奏することができ、風向計又は風速計の故障に起因する発電動作の停止を未然に防ぐことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、前記制御手段は、前記２つの風速計で計測した風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を約０degに収束させるように前記ロータの回転軸を回動させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水平軸風車を制御する方法であって、前記２つの風速計で計測した風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を約０degに収束させるように前記ロータの回転軸を回動させることを特徴とする。

請求項２又は３に記載の発明によれば、２つの風速計により計測された風速の差又は比に基づいてロータのヨー角を推算する。そして、この推算したヨー角を約０degに収束させるように（すなわちロータを風向に正対させるように）ロータの回転軸を移動させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、前記２つの風速計で計測した風速の差が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記風速の差が前記閾値を超える場合に、高い風速を計測した風速計側に前記ロータの回転軸を回動させ、前記風速の差が前記閾値以下に達した時点で前記ロータの回転軸の回動を停止させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、２つの風速計により計測された風速の値を使用したきわめて簡易な制御則で、ロータのヨー角制御を実現させることができる。

本発明によれば、水平軸風車のロータ回転中心部分に２つの風速計を配置し、これら２つの風速計の間に板状部材を配置することにより、簡素かつ安価な構成で冗長的な風向・風速計測機能を発揮させることができ、風向計又は風速計の故障に起因する発電動作の停止を未然に防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、水平軸風車の例として、図１に示したダウンウィンド型の水平軸風車１を採用している。

まず、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。水平軸風車１は、図１及び図２に示すように、タワー２、タワー２の頂部に略水平面内で回動自在に取り付けられたナセル３、ナセル３に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸、この主軸に回転自在に取り付けられたロータ４、ナセル３の上面に取り付けられた板状部材５、（図示されていない）風向計、板状部材５を挟んで相対する位置に取り付けられた風速計Ａ及び風速計Ｂ、水平軸風車１全体を統合制御する制御装置、等を備えて構成されている。

板状部材５は、ロータ４の回転軸Ｘの方向（主軸の方向）に沿って、ナセル３の幅方向略中央部に取り付けられており、鉛直方向上方に延在するように配置されている（図１及び図２参照）。板状部材５の厚さや面積は、ナセル３の大きさに応じて適宜決めるものとする。板状部材５は、金属材料や合成樹脂等で製作することができる。

風向計は、水平軸風車１のロータ４の回転中心部分に吹き付ける風の方向（風向）を計測するものであり、ナセル３の上面に１つ取り付けられている。風向計で計測された風向は、ロータ４のヨー角（ロータ４の回転軸Ｘの方向と風向とのなす角度）Φの制御に用いられる。風向計としては、従来から用いられているベーン型のものを採用することができる。

風速計Ａ及び風速計Ｂは、水平軸風車１のロータ回転中心部分に吹き付ける風を複数のカップが受けて回転し、その回転速度から風速を測定する回転型風速計である。風速計Ａ及び風速計Ｂの型式は特に限定されるものではなく、従来から用いられているもの（例えば、Vaisala社製の型式やThies社製の型式）を際限なく採用することができる。

制御装置は、所定のプログラムを実行することにより、風速計Ａで計測された風速の値と風速計Ｂで計測された風速の値との差（以下、「風速差」という）又は比（以下、「風速比」という）の算出処理、後述する風速差相関データや風速比相関データを用いたヨー角Φの推算処理、等を行う。また、制御装置は、風向計が故障していない場合には、風向計で計測された風向に正対するようにロータ４のヨー角Φを制御する。一方、風向計が故障した場合には、風速計Ａ及び風速計Ｂで計測された風速に基づいて、ロータ４のヨー角Φを制御する。すなわち、制御装置は本発明における制御手段である。

次に、本実施の形態に係る水平軸風車１の２つの風速計（風速計Ａ及び風速計Ｂ）で計測された風速の値と、ヨー角Φと、の関係について、図２〜図４を用いて説明する。

水平軸風車１の風速計Ａと風速計Ｂとの間には、板状部材５が配置されているため、ロータ４の斜め前方から風が吹いた場合に、風速計Ａで計測される風速の値と、風速計Ｂで計測される風速の値と、に差が設けられる。

例えば、ヨー角Φの正負を図２のように定義すると、ヨー角Φが正（＋）の場合すなわち風がロータ４の回転軸Ｘの左側（板状部材５の左側）から吹いた場合には、板状部材５の影響により、風速計Ａで計測される風速の値が、風速計Ｂで計測される風速の値よりも高くなる。一方、ヨー角Φが負（−）の場合すなわち風がロータ４の回転軸Ｘの右側（板状部材５の右側）から風が吹いた場合には、板状部材５の影響により、風速計Ａで計測される風速の値が、風速計Ｂで計測される風速の値よりも低くなる。

このため、風速計Ａで計測された風速の値と風速計Ｂで計測された風速の値との差（風速差）又は比（風速比）と、ヨー角Φと、の間に一定の相関関係が構築されることとなる。本実施の形態においては、風速差とヨー角Φとの相関関係に係るデータ（風速差相関データ）、及び、風速比とヨー角Φとの相関関係に係るデータ（風速比相関データ）を地上実験により予め取得しておく。そして、これら風速差相関データ及び風速比相関データをナセル３内の（図示されていない）メモリに記録させておく。

風速差相関データとしては、図３に示した風速差とヨー角Φとの相関関係を示すグラフを採用することができる。図３のグラフにおいては、縦軸に「風速」をとり、横軸に「ヨー角Φ（deg）」をとっている。なお、図３における縦軸の「風速」の値は、風車の影響を受けない一様流の流速に対する計測値の比（無次元値）である。

図３の曲線Ａは、ヨー角Φが「−３０deg」、「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」の場合において風速計Ａで計測された風速の値をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。風速計Ａで計測される風速の値は、ヨー角Φが「−３０deg」の場合に最小となり、ヨー角Φの負から正への移行に伴って漸次増加し、ヨー角Φが約「１５deg」に達したあたりで「１」（一様流）に収束している（図３参照）。ヨー角Φが負の場合には、風速計Ａは板状部材５の後方に位置することとなるため、風が遮られるからである。

図３の曲線Ｂは、ヨー角Φが「−３０deg」、「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」の場合において風速計Ｂで計測された風速の値をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。風速計Ｂで計測される風速の値は、ヨー角Φが「３０deg」の場合に最小となり、ヨー角Φの正から負への移行に伴って漸次増加し、ヨー角Φが約「−１５deg」に達したあたりで「１」（一様流）に収束している（図３参照）。ヨー角Φが正の場合には、風速計Ｂは板状部材５の後方に位置することとなるため、風が遮られるからである。

すなわち、曲線Ａと曲線Ｂとは、「ヨー角Φ＝０（deg）」の直線を中心として線対称のグラフになっている（図３参照）。

図３の曲線Ｃは、ヨー角Φが「−３０deg」、「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」において風速計Ａで計測された風速の値から、風速計Ｂで計測された風速の値を減じた値（風速差）をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。この曲線Ｃにより、風速差とヨー角Φとが対応付けられることとなり、風速計Ａ及び風速計Ｂで風速の値を計測して算出した風速差と、曲線Ｃと、を用いてヨー角Φを推算することができる。例えば、風速差が「０．５」の場合には、ヨー角Φは「約１５deg」と推算される（図３参照）。

なお、設置された風車では、一様流の流速を計測する手段を設けることが困難であるので、風速計Ａ又は風速計Ｂで計測した値を一様流の流速として使用することもできる。かかる場合には、風速計Ａ又は風速計Ｂで計測した値を一様流の流速として使用したデータを、制御装置に記憶させておく。また、図３の縦軸の値（無次元値）を求める際に、風速計Ａ及び風速計Ｂで計測した値のうちいずれか大きい値を、一様流の流速の代わりに用いてもよい。

風速比相関データとしては、図４に示した風速比とヨー角Φとの相関関係を示すグラフを採用することができる。図４のグラフにおいては、縦軸に「風速」をとり、横軸に「ヨー角Φ（deg）」をとっている。なお、図４における縦軸の「風速」の値は、風車の影響を受けない一様流の流速に対する計測値の比（無次元値）である。また、図４の曲線Ａ及び曲線Ｂは、図３の曲線Ａ及び曲線Ｂと同一である（縦軸の縮尺のみ変更）。

図４の曲線Ｄは、ヨー角Φが「−３０deg」、「−１５deg」、「０deg」、「１５deg」、「３０deg」において風速計Ａで計測された風速の値を、風速計Ｂで計測された風速の値で除した値（風速比）をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。この曲線Ｄにより、風速比とヨー角Φとが対応付けられることとなり、風速計Ａ及び風速計Ｂで風速を計測して算出した風速比と、曲線Ｄと、を用いてヨー角Φを推算することができる。例えば、風速比が「２」の場合には、ヨー角Φは「約１５deg」と推算される（図４参照）。

続いて、本実施の形態に係る水平軸風車１の風向計が故障した場合におけるロータ４のヨー角制御方法について説明する。

まず、水平軸風車１の制御装置は、風速計Ａで計測した風速の値と、風速計Ｂで計測した風速の値と、の差（風速差）を算出する（風速差算出工程）。次いで、制御装置は、メモリに記録された風速差とヨー角Φとの相関関係を示すグラフ（図３参照）の曲線Ｃと、風速差算出工程で算出した風速差と、を用いてヨー角Φを推算する（ヨー角推算工程）。

続いて、制御装置は、ヨー角推算工程で推算したヨー角Φに基づいて、ロータ４の回転軸Ｘを回動させる。具体的には、ヨー角Φが正（＋）の場合、すなわち、板状部材５の左側から風が吹いて、風速計Ａで計測した風速の値が風速計Ｂで計測した風速の値より高くなった場合には、ヨー角Φが０degになるようにロータ４の回転軸Ｘを風速計Ａ側に回動させる。そして、ヨー角Φが約０degに達した時点（ロータ４が風向にほぼ正対した時点）でロータ４を停止させる。

一方、ヨー角Φが負（−）の場合、すなわち、板状部材５の右側から風が吹いて、風速計Ｂで計測した風速の値が風速計Ａで計測した風速の値より高くなった場合には、ヨー角Φを０degに収束させるようにロータ４の回転軸Ｘを風速計Ｂ側に回動させる。そして、ヨー角Φが約０degに達した時点でロータ４を停止させる（ヨー角制御工程）。

なお、風速差算出工程に代えて、風速計Ａで計測した風速の値と風速計Ｂで計測した風速の値との比（風速比）を算出する工程を採用することもできる（風速比算出工程）。かかる場合には、制御装置は、メモリに記録された風速比とヨー角Φとの相関関係を示すグラフ（図４参照）の曲線Ｄと、風速比算出工程で算出した風速比と、を用いてヨー角Φを推算する。

以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、ロータ４の回転軸Ｘの方向及び鉛直方向に延在する板状部材５が、ロータ４の回転中心部分（ハブ）に配置されており、この板状部材５を挟んで相対する位置に風速計Ａ及び風速計Ｂが配置されている。このため、ロータ４が風向に正対していない場合に、風速計Ａ及び風速計Ｂで計測される風速に差を設けることができる。そして、制御装置は、このように風速計Ａ及び風速計Ｂで計測された風速の差（又は比）に基づいてヨー角Φを推算し、このヨー角Φを０degに収束させるように（ロータ４が風向に正対するように）ロータ４の回転軸Ｘを回動させる。

従って、風向計が故障した場合においても、風速計Ａ及び風速計Ｂを使用して、ロータ４を風向に正対させることができる。また、２つの風速計（風速計Ａ及び風速計Ｂ）を採用しているため、何れか一方の風速計が故障した場合においても、他方の風速計で風速を計測することができる。この結果、簡素かつ安価な構成でありながら、風向計及び風速計を２つずつ設けた場合と同様の効果を奏することができるので、風向計又は風速計の故障に起因する発電動作の停止を効果的に防止することができる。

なお、以上の実施の形態においては、風速差及び風速差相関データを用いてヨー角Φを推算し、このヨー角Φを０degに収束させるようにロータ４の回転軸Ｘを回動させる制御則を採用したが、風速計Ａ及び風速計Ｂで計測した風速の値のみを参照してロータ４のヨー角制御を行うこともできる。

例えば、風速計Ａで計測した風速の値と、風速計Ｂ計測した風速の値と、の差（風速差）が所定の閾値以下であるか否かを判定する（風速差判定工程）。そして、風速差がこの閾値以下である場合には、ロータ４が風向に正対していると判断して制御を終了する一方、風速差が前記閾値を超える場合には、高い値を計測した風速計側にロータ４の回転軸Ｘを回動させる。その後、風速差が前記閾値以下に達した場合にロータ４が風向に正対していると判断して、ロータ４を停止させる（ヨー角制御工程）。

かかる制御則を採用すると、風速差相関データや風速比相関データを用いることなく、また、ヨー角推算工程を経ることなく、２つの風速計（風速計Ａ及び風速計Ｂ）により計測された風速の値を使用したきわめて簡易な制御則で、ロータ４のヨー角制御を実現させることができる。

本発明の実施の形態に係る水平軸風車の概略図である。 図１に示した水平軸風車の主要部の構成を説明するための一部拡大上面図である。 図１に示した水平軸風車のメモリに記録される風速差相関データ（風速差とヨー角との相関関係を示すグラフ）を示す図である。 図１に示した水平軸風車のメモリに記録される風速比相関データ（風速比とヨー角との相関関係を示すグラフ）を示す図である。

符号の説明

１ 水平軸風車
４ ロータ
５ 板状部材
Ａ 風速計
Ｂ 風速計
Ｘ ロータの回転軸
Φ ヨー角

Claims (4)

1. １つの風向計と、略水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータと、を有し、風向に応じて前記ロータの前記回転軸が略水平面内で回動する水平軸風車において、
   前記ロータの回転中心部分に配置され、前記ロータの前記回転軸に平行な方向及び鉛直方向に延在する板状部材と、
   前記板状部材を挟んで相対する位置に配置された２つの風速計と、
   これら２つの風速計により計測された風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする水平軸風車。
2. 前記制御手段は、
   前記２つの風速計で計測した風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を約０degに収束させるように前記ロータの回転軸を回動させることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
3. 請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、
   前記２つの風速計で計測した風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を約０degに収束させるように前記ロータの回転軸を回動させることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
4. 請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、
   前記２つの風速計で計測した風速の差が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記風速の差が前記閾値を超える場合に、高い風速を計測した風速計側に前記ロータの回転軸を回動させ、前記風速の差が前記閾値以下に達した時点で前記ロータの回転軸の回動を停止させることを特徴とする水平軸風車の制御方法。

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