JP2006016984A

JP2006016984A - 水平軸風車およびその待機方法

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Publication number: JP2006016984A
Application number: JP2004193271A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshida; 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19
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Abstract

【課題】暴風時の待機状態においてブレードに作用する設計荷重を低減することが可能な水平軸風車を提供することを目的とする。
【解決手段】ハブ７と少なくとも２枚以上のブレード６とを有するロータ５と、前記ハブ７に接続された回転軸４を介して前記ロータ５を軸支するナセル３と、前記ナセル３を支持するタワー２と、前記ブレード６のピッチ角をそれぞれ独立に駆動制御可能な独立ピッチ制御手段とを有して構成される水平軸風車１において、前記独立ピッチ制御手段は、運転可能な風速値以上の風速時に前記ブレード６の全てがフルフェザーの状態になるようにピッチ角を制御し、その後前記各ブレード６のピッチ角が１枚ずつ順次反転されるように制御し、さらにその後前記全てのブレード６のピッチ角が反転された全翼反転フルフェザーの状態で待機するように制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は水平軸風車およびその待機方法に関し、特に、ダウンウィンド型の水平軸風車と、その暴風時の待機方法に関する。

従来より、風力発電では様々な種類の風車が実用化されているが、商業用に実用化されている一般的な風車としては、断面形状が翼型に形成された少なくとも２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された回転軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルを回動自在に支持するタワーとを有して構成された、いわゆる水平軸風車が代表的である。なお、一般的な水平軸風車は、ナセルの回動運動であるヨー運動を自在に駆動制御可能なヨー駆動手段と、このヨー運動を制動するヨーブレーキと、ロータの回転を制動する回転軸ブレーキとを有して構成される。

この水平軸風車の一つであるダウンウィンド型の水平軸風車は、タワーよりも風下側に配置されるように構成されたロータがブレードに受けた風の力によって回転され、その回転力が回転軸に伝達されることによって回転軸に接続された発電機が起動されて発電されるようになっている。なお、タワーの風上側に配置されたロータが回転されることにより発電可能に構成された水平軸風車はアップウィンド型と呼ばれ、商業用風車として最も多く実用化されている。

ここで、風力発電システムの発電量（定格出力）は、水平軸風車のロータ半径（ブレード長）の２乗に概ね比例する。例えば、長さ「２０ｍ」のブレードを有する水平軸風車は「５００ｋW」級の定格出力を有するのに対し、長さ「４０ｍ」のブレードを有する水平軸風車は「２０００ｋW」級の定格出力を有することとなり、大きな電力需要に応え得る。このため、現在では水平軸風車の大型化が進められている。

かかる風車の大型化に伴い、ブレードの翼根部やタワーの頂部には従来よりも大きな負荷や荷重が作用する傾向にある。また、風車設計における荷重条件が厳しくなる一方で、信頼性の向上・軽量化・低コスト化を図ることは重要であり、合理的な手法による風荷重の低減が望まれている。

そして、このような風車の設計強度は、例えば、台風などの暴風に晒された状況下で受ける荷重に大きく影響される。

水平軸風車には、ロータの回転面とブレード断面翼弦とのなす角であるピッチ角を、１枚ずつそれぞれ独立に制御可能に構成されたものが実用化されており、暴風時には水平面内でのナセルの向きを駆動制御（以下、ヨー制御という）することにより、ロータの回転面を風向きに対して垂直に配置させるとともに、モータや油圧アクチュエータによって、風向きに対してブレードが平行となるフルフェザーの状態で保持することより、暴風がタワーに及ぼす荷重を軽減し、かつ、ロータの回転速度が過度に増加することを防止しながら待機する方法が適用されている。

しかし、暴風時には停電により付近一帯の電力供給が遮断される場合が予測されるため、暴風が終息するまでの間、ヨー制御やピッチ角制御などによって、ロータの向きやピッチ角を風向きの変化に応じて随時制御することは、各制御系統に供給される電力が遮断された状況下においては必ずしも安全であるとは言えない。そのため、この水平軸風車では、暴風と停電が同時に発生する最悪の状況を考慮した設計強度が要求される。

一般に、ダウンウィンド型の水平軸風車では、斜め風または横風によりロータに発生する偏揺れモーメントによって、特別な制御手段を要することなく受動的にロータが風下側に配置されるという風車特性を有するため、従来のダウンウィンド型の水平軸風車では、暴風時に全てのブレードをフルフェザーに保持し、ナセルのヨー運動を自由に開放したフリーヨーの状態、あるいは、ヨーブレーキを弱めに設定することにより、斜め風あるいは横風を受けたときロータが常に風下に靡き、翼根部およびタワーに作用する荷重を逃がすようになっている。

また、従来のアップウィンド型の水平軸風車では、ヨーブレーキでロータの向きを固定し、さらに、フルフェザーが可能な風車ではフルフェザーの状態でロータを遊転させることにより、ブレードおよびタワー頂部に作用する最大荷重を低減できるように構成されている。また、フルフェザーができない風車では、回転軸をブレーキで固定して待機するようになっている。

さらにまた、フルフェザーを確保した後、ナセルを反転させ、弱いヨーブレーキで保持することにより、暴風時にはロータが風下に靡きタワーへの荷重を低減することが可能となるように構成されたアップウィンド型の水平軸風車が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
柴田昌明、林義之、「設計荷重低減のための新コンセプト」、風力エネルギー利用シンポジウム、平成１５年１１月２０日、ｐ．２２５−２２７

しかしながら、上記従来技術によるダウンウィンド型の水平軸風車では、ヨー運動を固定して待機する従来のアップウィンド型の水平軸風車と比べて、暴風時にタワー頂部に作用する荷重を軽減することはできるが、ブレードに作用する荷重を軽減するには大きな効果が得られないという問題があった。

また、上記非特許文献１に示されるようなアップウィンド型の水平軸風車では、ブレードに作用する負荷が、ロータの回転面を風上側（０／３６０度）を向けた状態で最小となり、次に小さな負荷となる位置である風下側（１８０度）にナセルを反転させる途中、±３０度付近において最大の負荷が作用するため、強固な設計強度が要求され、採算性、コスト面を考慮すると、必ずしも十分な技術であるとは言えなかった。

そこで、本発明の課題は、ブレードの暴風時設計荷重を軽減することができる水平軸風車を提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動制御可能な独立ピッチ制御手段とを有して構成される水平軸風車において、前記独立ピッチ制御手段は、所定値以上の風速時に、前記ブレードの全てがフルフェザーの状態になるようにピッチ角を制御し、その後前記各ブレードのピッチ角が１枚ずつ順次反転されるように制御し、さらにその後全ての前記ブレードのピッチ角が反転された全翼反転フルフェザーの状態で待機するように制御可能となって構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ハブと少なくとも１枚以上のブレードとを有するロータと、前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動制御可能な独立ピッチ制御手段とを有して構成される水平軸風車において、例えば、台風などの暴風時に、前記独立ピッチ制御手段によって全てのブレードがフルフェザーの状態になるように制御される。その結果、風によってブレードに作用する抗力が軽減され、さらにはタワーに作用する荷重が軽減される。

その後、前記独立ピッチ制御手段により各ブレードが１枚ずつ順次反転されるように制御される。全てのブレードを同時に反転させる場合、反転途中で大きな回転トルクが発生する領域があるが、一枚ずつ反転させてブレード及びタワーに作用する荷重を抑えながら、全ブレードを反転した状態に移行できる。

さらにその後、全てのブレードの後縁が風上側に向けられた全翼反転フルフェザーの状態で待機することにより、翼前縁が風上側に向けられた場合に比べて風によって作用する揚力が大幅に低減される。その結果、暴風時の待機姿勢として、ブレード及びタワーに最も荷重がかからない状態で待機できる姿勢が整う。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記タワーは前記ナセルを前記ロータよりも風上側で支持するように構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、前記タワーが前記ナセルを前記ロータよりも風上側で支持するように構成された請求項１に記載の水平軸風車において、例えば、台風などの暴風時に、前記独立ピッチ制御手段によって全てのブレードがフルフェザーの状態になるように制御される。その結果、風によってブレードに作用する荷重が軽減され、さらにはタワーに作用する荷重が軽減される。

その後、前記独立ピッチ制御手段により各ブレードが１枚ずつ順次反転されるように制御される。その結果、全てのブレードを一度に反転させる場合に比べてブレード及びタワーに作用する荷重が大幅に低減される。

さらにその後、全てのブレードの後縁が風上側に向けられた全翼反転フルフェザーの状態で待機することにより、翼前縁が風上側に向けられた場合に比べて風によって作用する揚力が大幅に低減される。その結果、暴風時の待機姿勢として、ブレード及びタワーに最も荷重がかからない状態で待機できる姿勢が整うものである。

請求項３に記載の発明は、所定値以上の風速時に、全てのブレードのピッチ角を風向きに平行なフルフェザーの状態に保持する第１工程と、前記第１工程の後、各ブレードのピッチ角を一枚ずつ順次反転させる第２工程と、前記第２工程の後、全てのブレードのピッチ角を反転させた全翼反転フルフェザーの状態で保持する第３工程とを含むことを特徴とする水平軸風車の待機方法である。

請求項３に記載の発明によれば、暴風時に、全てのブレードのピッチ角を風向きに平行なフルフェザーの状態に保持する第１工程と、前記第１工程の後、各ブレードのピッチ角を一枚ずつ順次反転させる第２工程と、前記第２工程の後、全てのブレードのピッチ角を反転させた全翼反転フルフェザーの状態で保持する第３工程とを前述の順に行うように制御することにより、ロータが過回転に達することが効果的に防止されるとともにタワー頂部に作用する荷重が大幅に低減される。

請求項１に記載の発明によれば、ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動制御可能な独立ピッチ制御手段とを有して構成される水平軸風車において、例えば、台風などの暴風時に、まず、全てのブレードのピッチ角を風向きに対して平行な全翼フルフェザーの状態にすることにより、各ブレードに作用する風による荷重を低減することができる。その結果、ブレードおよびタワーに作用する荷重を低減することができる。

また、独立ピッチ制御手段によって各ブレードのピッチ角を１枚ずつ順次反転させるため、全ての翼を同時に反転させる場合に比べて、ブレードおよびタワーに作用する荷重の増加を最小限に抑えることができる。その結果、ブレードに過度の抗力および揚力が発生することを防止することができ、ロータの過回転を効果的に防止することができる。

また、ヨー運動を行うことなく常にロータの回転面を風向きにほぼ垂直な状態に保持したままブレードを反転することができるため、暴風時にヨー運動を行う際に、ロータの回転面と風向きが垂直でない角度に位置された場合に生じる荷重の増加を回避することができる。そして、よりいっそう風荷重が軽減されるべく、後縁側が風上側に向けられるようにブレードを反転させることができる。これにより、斜め風、あるいは横風によって翼およびタワーに作用する荷重の増加を防止することができる。

さらにその後、ブレードの後縁側が風上側に向けられた状態でナセルの回動を自由開放したフリーヨーの状態で待機することにより、風向きが変化した場合であっても、ロータが常に風下側に位置するように回動されるため、ブレードやタワーに作用する荷重を逃がしながら荷重を軽減することができる。したがって、例えば、台風などの暴風時においても、風車の姿勢維持のための特別な制御手段を要することなく、常にロータがタワーの風下側に配置され、風によって受ける荷重を最小に抑えることができる。さらに、これによって風車の設計強度を緩和することができ、設計の自由度を高めることができ、コストの軽減を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、特に、前記タワーは、前記ナセルを前記ロータよりも風上側で支持するように構成されているため、斜め風あるいは横風によって発生する風車特性である偏揺れモーメントを、暴風時の待機姿勢制御に有効に活用することができる。その結果、暴風時に、ブレードおよびタワーに作用する荷重が最小限に抑制される風車姿勢で待機することができる。

請求項３に記載の発明によれば、全てのブレードのピッチ角を風向きに対して平行なフルフェザーの状態で保持する工程と、各ブレードのピッチ角を一枚ずつ順次反転させる工程と、全てのブレードのピッチ角を反転させた反転フルフェザーの状態で保持する工程とを前述の順に行うため、例えば、台風などの暴風時にフルフェザーの状態から全てのブレードを一度に反転させる場合に比べて、ロータに作用する回転力を大幅に低減することができる。したがって、この過程でロータが過回転の状態に達することを防止することができ、それと同時にタワー頂部に作用する荷重を大幅に低減することができる。また、これにより水平軸風車の設計荷重を大幅に低減することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳しく説明する。

まず、図１を用いて本実施形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る水平軸風車１は、いわゆるダウンウィンド型の水平軸風車であって、所定位置に設置された略円柱形状のタワー２を有しており、このタワー２の頂部にはナセル３が水平面内において回動自在となって支持されている。

ナセル３の外側には風速計１３が設けられている。また、ナセル３とタワー２との連結部には、ナセル３の水平面内における回動運動であるヨー運動を検出・駆動可能であるとともに、ヨー運動を制動する図示しないヨーブレーキを備えたヨー駆動装置１４と、このヨー駆動装置１４を制御するヨー制御装置１５とが備えられている（図２参照）。

ナセル３の内側には、図示しない増速機、発電機、および回転軸ブレーキなどの動力伝達装置が収納されており、これらの各動力伝達装置には、略水平方向に延在した回転軸４が回転自在であるとともに前述した回転軸ブレーキによって制動可能に連結されている。

回転軸４は、その先端がナセル３の外部に突出しており、この回転軸４の先端にはロータ５が、回転軸４とともに回転するように取付けられている。このロータ５は、該ロータ５に斜め風或いは横風を受けてナセル３が回動することにより、風向きに対してタワー２よりも常に風下側に配置されるようになっている。

ロータ５は、中心部に回転軸４と連結されたハブ７を有しており、ハブ７の回転方向の周面には、３枚のブレード６が放射状に取付けられている。なお、本実施形態に係る水平軸風車１に搭載されるブレード６は、長さ「約４０ｍ」の長大ブレードであり、このブレード６を有するロータ５の回転面の直径は「８０ｍ」である。また、ブレード６は断面形状が翼型に形成されており、平常時には翼の前縁が風上側に向けられて配置されるようになっている。

さらに、本実施形態における水平軸風車１には、ロータ５の回転面とブレード断面翼弦とのなす角であるピッチ角を、各ブレード６毎にそれぞれ独立に制御することが可能な独立ピッチ制御手段１２が備えられており、各ブレード６は、それぞれ独立して少なくとも１８０度自在に制御されることが可能となっている。

ここで、この独立ピッチ制御手段１２を含む本実施形態における制御部の構成について詳しく説明する。

図２は、本実施形態における水平軸風車１に搭載される制御部の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態における水平軸風車１には制御部である制御装置１６が備えられており、この制御装置１６には、前述した独立ピッチ制御装置１２とヨー制御装置１５とが備えられている。

独立ピッチ制御装置１２は、風速計１３によって検出された風速が、運転可能な風速領域の上限であるカットアウト風速を超えた場合、それぞれのブレード６を独立して回転駆動可能に設けられたピッチ駆動装置１１を制御して、全てのブレード６が風向きと平行な全翼フルフェザーの状態に制御できるようになっている。

また、独立ピッチ制御装置１２は、前述した全翼フルフェザーの状態を確保した後、各ブレード６のピッチ角を１枚ずつ順次反転させて、全てのブレード６が風上に後縁を向けた全翼反転フルフェザーの状態になるように制御できるようになっている。

そして、独立ピッチ制御装置１２は、風速計１３によって検出される風速がカットアウト風速以上である間、全てのブレード６のピッチ角を、前述の反転フルフェザーの状態に保持するように構成されている。

また、ヨー制御装置１５は、独立ピッチ制御装置によって全てのブレード６が反転フルフェザーの状態になった後、ヨー駆動装置１４を制御することにより、ナセル３のヨー運動に弱いヨーブレーキを作用させた状態で待機するようになっている。

次に、本実施形態に係る水平軸風車およびその待機方法について、前述した独立ピッチ制御手段１２による暴風時の待機方法について図３に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、図１に示すように、本実施形態に係るダウンウィンド型の水平軸風車１は、斜め風あるいは横風を受けることにより発生する風車特性である偏揺れモーメントにより、ロータ５が常にタワー２よりも風下側に配置された状態で風を受けて回転する。

このロータ５の回転力は、ロータ５の中心に配設されたハブ７を介して、このハブ７に接続された回転軸４に伝達され、回転軸４に連結されるとともにナセル３の内部に収納された図示しない発電機に伝達されることで、回転運動による運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。

ここで、通常、商業用の風力発電においては、機械的強度、発電効率、および安全面を考慮して、発電に適する風速帯域が存在し、その上限（カットアウト風速）を超える風速領域では発電は行わず、暴風を回避するべく、できるだけ風荷重を軽減できる姿勢で待機するように制御される。

本実施形態における水平軸風車１では、定格運転状態（ステップＳ１）の後、例えば、台風などの暴風時に、まず、風速計１３によって風速がカットアウト風速を超えたことが検出された場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、前述の独立ピッチ制御手段１２によってピッチ駆動装置１１を駆動して全てのブレード６を風向きに平行なフルフェザーの状態（ステップＳ３）にすることにより、ブレード６およびタワー２に作用する風荷重を軽減する。

このときブレード６は、独立ピッチ制御装置１２によって翼前縁を風上側に向けた状態で風向きに平行な角度を保持するように制御されており、ロータ５は、前述の風車特性である偏揺れモーメントによって自動的にタワー２の風下側に配置されることにより、ロータ５の回転面が風向きに対して垂直な位置で安定に配置される。

次に、前述の独立ピッチ制御手段１２により、３枚のブレード６が、１翼ずつ順次反転されて、翼後縁が風上側に向けられた反転フルフェザーの状態に制御される（ステップＳ４）。

そして、全てのブレード６が反転された全翼反転フルフェザーの状態に制御された後、ヨー制御装置１５がヨー駆動装置１４を制御することにより、弱いヨーブレーキが作用された状態で、暴風が終息するまで待機するものである（ステップＳ５）。

ここで、図６に示すように、翼前縁が風上側に向けられたフルフェザーの状態でも、逆に、翼後縁が風上側に向けられた反転フルフェザーの状態であっても、ロータ５の回転速度は２〜３ｒｐｍと、ほぼ停止した状態になるが、その中間の角度である反転途中は、風による抗力を受けることにより大きなトルクが発生するため、例えば、３枚のブレード６を一度に反転させた場合、反転途中の領域においてロータ５は無負荷・過回転に達するため好ましくない。

そこで、本実施形態に係る水平軸風車１では、前述のように独立ピッチ制御手段１２によって３枚のブレード６を１枚ずつ順次反転させることにより、ロータ５が過回転となることを効果的に防止する。このようにした場合、１枚のブレード６が反転されている間、ロータ５は定格運転時の１／３〜１／２程度の回転数で回転されるが、強度的に大きな影響は無く、例えば、同時に３枚反転させる場合と比較して、タワー２の特に頂部に作用する荷重は大幅に減少される。

その後、全てのブレード６が反転された反転フルフェザーの状態で、かつ、ヨーブレーキトルクを４００ｋＮｍに設定することにより、弱いブレーキが効いた滑り状態のままで、風向きの変化に応じてロータ５が常に風下側に配置されるように風荷重を逃がしながら暴風が終息するまで待機する（ステップＳ５）ものである。

このステップＳ５の状態で待機する間にブレード６に作用する翼荷重は大半が揚力によるものであるが、従来のように翼前縁を風上側に向けた状態で待機する場合に比べて、本実施形態のように翼後縁を風上側に向けた状態で待機する場合には最大揚力が大幅に低減する。このため、ブレード６に作用する翼曲げ荷重は大幅に軽減される。その結果、ハブ７に作用する曲げ荷重が大幅に低減され、さらにはタワー２に作用するタワー中心横力も十分に低いレベルに抑制することができるものである。

以上のように、本実施形態に係る水平軸風車１によれば、例えば、台風などの暴風時に、まず、全てのブレード６のピッチ角を風向きに対して平行な全翼フルフェザーの状態にすることにより、各ブレード６に作用する風による抗力を低減することができる。その結果、ブレード６およびタワー２に作用する荷重を低減することができる。

また、独立ピッチ制御手段１２によって各ブレード６のピッチ角を１枚ずつ順次反転させるため、全ての翼を同時に反転させる場合に比べて、ブレード６およびタワー２に作用する荷重の増加を最小限に抑えることができる。その結果、ブレード６に過度の抗力および揚力が発生することを防止することができ、ロータ５が過回転になることを効果的に防止することができる。

また、ヨー運動を行うことなく常にロータ５の回転面を風向きに垂直な状態に保持したままブレード６を反転することができるため、暴風時にヨー運動を行う際に、ロータ５の回転面と風向きが垂直でない角度に位置した場合に生じる荷重の増加を回避することができる。そして、よりいっそう風荷重が軽減されるべく、後縁側が風上側に向けられるようにブレード６を反転させる。これにより、斜め風、あるいは横風によってブレード６およびタワー２に作用する荷重の増加を防止することができる。

さらにその後、ブレード６の後縁側が風上側に向けられた状態でナセル３の回動を自由開放したフリーヨーの状態で待機することにより、風向きが変化した場合であっても、ロータ５が常に風下側に位置するように回動されるため、ブレード６やタワー２に作用する荷重を逃がしながら負荷を軽減することができる。したがって、例えば、台風などの暴風時においても、水平軸風車１の姿勢維持のための特別な制御手段を要することなく、常にロータ５がタワー２の風下側に配置され、風によって受ける荷重を最小に抑えることができる。さらに、これによって水平軸風車１の設計強度を大幅に緩和することができ、設計の自由度を高めることができ、コストの軽減を図ることができる。

また、この場合において、前記タワーを、前記ナセルを前記ロータよりも風上側で支持するように構成することにより、斜め風あるいは横風によって発生する風車特性である偏揺れモーメントを、暴風時の待機姿勢制御に有効に活用することができる。その結果、暴風時に、ブレードおよびタワーに作用する荷重が最小限に抑制される風車姿勢で待機することができる。

さらに、本実施形態における水平軸風車１の待機方法によれば、全てのブレード６のピッチ角を風向きに対して平行なフルフェザーの状態で保持する工程と、各ブレード６のピッチ角を一枚ずつ順次反転させる工程と、全てのブレード６のピッチ角を反転させた反転フルフェザーの状態で保持する工程とを前述の順に行うため、例えば、台風などの暴風時にフルフェザーの状態から全てのブレード６を一度に反転させる場合に比べて、ロータ５に作用する回転力を大幅に低減することができる。したがって、ロータ５が過回転の状態に達することを防止することができ、それと同時にタワー２の頂部に作用する荷重を大幅に低減することができる。また、これにより水平軸風車１の設計荷重を大幅に低減することができ、設計の自由度を高めることができる。

次に、図面を参照して本発明を具現化した実施例について詳しく説明する。
なお、本実施例は、（１）ロータ位置がダウンウィンド型、（２）ヨーブレーキトルクが
４００ｋＮｍ、（３）ロータ直径が８０ｍ、（４）ブレード枚数が３枚、（５）各ブレードが独立ピッチ制御可能、（６）待機ピッチ角が−８６度であることを条件として、図３に示す平均風速５０ｍ／ｓｅｃの変動風（最大瞬間風速７０ｍ／ｓｅｃ強）を風向・風速モデルとしたシミュレーション結果（ケース番号（i））を、通常のダウンウィンド型であり、かつ、独立ピッチ制御手段を備えた水平軸風車と同様にピッチ角を−８６度（反転フルフェザーの状態）にした場合（ケース番号（ii））と、通常のアップウィンド型であり、かつ、独立ピッチ制御手段を備えた水平軸風車の場合（ケース番号（iii））と比較対比した結果を示すものである。以上説明した水平軸風車の待機方法に関する解析結果の概要を表１に示す。なお、表１において、翼根曲げ率およびロータ曲げ率は、それぞれにおいて記録された最大値と比較した場合の割合を示したものである。

図４に示すように、本実施形態に用いた風向・風速モデルは、平均風速５０ｍ／ｓｅｃ（最大瞬間風速７０ｍ／ｓｅｃ）の変動風であり、計測時間は６０秒である。

この風向・風速モデルを用いた解析の結果、ロータ５の方位角の推移は図５に示すように、アップウィンド型・固定ヨーの状態で待機するケース（ケース番号（iii））では当然ながらナセルの向きに変化はなく、それ以外の場合ではヨーに滑りが生じ、風向き（図４参照）の変化に応じて風向きとロータ５の回転面が垂直に対向されるようにナセル３の方位角が変化している。

また、ロータ５の回転速度は、図６に示すように、アップウィンド型・固定ヨー・フルフェザーの状態（ケース番号（iii））では−３〜３ｒｐｍと殆ど回転されず、ダウンウィンド型・フリーヨー・フルフェザーの状態（ケース番号（ii））では１〜３ｒｐｍである。
ダウンウィンド型・フリーヨー・反転フルフェザーの状態（ケース番号（ｉ））では−４〜−１ｒｐｍであり、（ii）の場合と比べてピッチ角を反転させているため、（ii）の場合と逆向きに回転される。各ケースともブレード６で発生する揚力が最小になるようにピッチ角を制御されたフルフェザーまたは反転フルフェザーの状態にあるため、回転速度は殆ど増加しない。

次に、各ブレード６の翼根部に作用する曲げ荷重について、図７〜９を用いて詳しく
説明する。なお、本実施形態に係る水平軸風車１には３枚のブレード６が備えられており、図７〜９は各ブレード６をそれぞれブレード６−＃１〜３として、それぞれのブレード６に作用する曲げ応力を示したものである。

ここで、設計上どのブレード６に作用する曲げ荷重が大きいかは条件に依存する。例えば、本実施形態における風速はハブ７高さ位置での風速を示したものであるが、風速はかならずしも一定ではなく、ロータ５の回転面内の各点において不均一である。そのため、各ブレード６に作用する風による曲げ荷重はその時点での風の状況に依存する。また、特にダウンウィンド型の水平軸風車の場合は、タワー後流の影響を受けるため、このブレード６とタワーの中心軸とのなす角であるアジマス角によっても各ブレード６に作用する荷重には差が生じるものである。

図７〜９に示すように、本実施形態に係る水平軸風車１に搭載されるブレード６の場合、アップウィンド型・固定ヨー・フルフェザーの場合はブレード６−＃２、ダウンウィンド型・フリーヨー・フルフェザーの場合はブレード６−＃１、ダウンウィンド型・フリーヨー・反転フルフェザーの場合はブレード６−＃３においてそれぞれ曲げ荷重の最大値が記録される。ここで、図７〜９から分かるように、ケース番号（i）のダウンウィンド・フリーヨー・反転フルフェザーの状態で待機する場合の各ブレード６に作用する曲げ荷重がおしなべて低く、荷重低減の効果を有することが明確に現れていることがわかる。

また、図１０に示すように、ブレード６が取付けられているハブ７に作用するハブ曲
げ荷重は、ダウンウィンド・フリーヨー・反転フルフェザーの状態で待機した場合に、荷
重が低減されている。

さらに、図１１に示すように、タワー２の頂部に作用する水平方向の中心横力は、ダ
ウンウィンド・フリーヨー・フルフェザーの状態で待機する場合に比べるとやや劣るものの、アップウィンド・固定ヨー・フルフェザーの状態で待機する場合と比較すると、著しく低減されていることがわかる。

このように、本実施形態に係る水平軸風車およびその待機方法によれば、フリーヨーかつ反転フルフェザーの状態（（i）の状態）で待機することにより、暴風時にブレード６およびタワー２に作用する荷重を最も低く抑制することができる。

本実施形態に係る水平軸風車の全体構成を示す概略図である。本実施形態における独立ピッチ制御手段の制御ブロック図である。本実施形態における動作手順を示したフローチャートである。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析に適用した風向・風速モデルである。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析における方位角の履歴である。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析におけるロータ速度の履歴である。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析における翼根荷重（ブレード６−＃１）の変動履歴を示すグラフである。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析における翼根荷重（ブレード６−＃２）の変動履歴を示すグラフである。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析における翼根荷重（ブレード６−＃３）の変動履歴を示すグラフである。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析におけるハブの曲げ応力の履歴を示すグラフである。本実施形態に係る水平軸風車の待機方法の解析におけるタワー中心横力の履歴を示すグラフである。

符号の説明

１水平軸風車
２タワー
３ナセル
４回転軸
５ロータ
６ブレード
７ハブ
１２独立ピッチ制御手段

Claims

ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に駆動制御可能な独立ピッチ制御手段とを有して構成される水平軸風車において、
前記独立ピッチ制御手段は、所定値以上の風速時に、前記ブレードの全てがフルフェザーの状態になるようにピッチ角を制御し、その後前記各ブレードのピッチ角が１枚ずつ順次反転されるように制御し、さらにその後全ての前記ブレードのピッチ角が反転された全翼反転フルフェザーの状態で待機するように制御するように構成されていることを特徴とする水平軸風車。
前記タワーは、前記ナセルを前記ロータよりも風上側で支持するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
所定値以上の風速時に、全てのブレードのピッチ角を風向きに平行なフルフェザーの状態に保持する第１工程と、前記第１工程の後、前記各ブレードのピッチ角を一枚ずつ順次反転させる第２工程と、前記第２工程の後、前記全てのブレードのピッチ角を反転させた全翼反転フルフェザーの状態で保持する第３工程とを含むことを特徴とする水平軸風車の待機方法。