JP2011007121A - 水平軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】風速及び吹上角に応じて変化する最適なヨー角にロータを制御する。
【解決手段】本発明の水平軸風車おけるヨー制御手段は、風速計測手段により計測される風速及び吹上角計測手段により計測される吹上角に応じて特定されるヨー角値を制御目標値としてヨー角計測手段により計測されるヨー角に基づきロータのヨー角を制御する。また、ヨー制御手段は、風速及び吹上角の変化に対して不変のヨー角値を制御目標値とする場合よりも、ロータによる仕事効率又は本風車の耐久性を高くするヨー角値変化に従ってヨー角値を特定し、この特定されたヨー角値を制御目標値とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平軸風車に係り、特にヨー角制御に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電等の商業用に広く実用化されている。水平軸風車は、一般に１枚又は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した主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ヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。

ナセルのヨー回転を駆動するヨー駆動装置やヨー制御装置等を備えて、ヨー角を制御する水平軸風車が利用されている。
従来、水平軸風車は性能と耐久性の両面からヨー制御によりロータを風に正対させることが一般的であった。
しかし、特許文献１，２に記載されるように、ナセルに設置された風向計により計測されるヨー角は、流入する気流がロータやナセルの影響を受けるため、正確でないことが知られている。
特許文献１記載の発明にあっては、ナセルの左右に設置された風速計により計測された風速の差又は比に基づき、吹上角の有無に関わらずに正確にロータのヨー角を制御せんとする。
特許文献２記載の発明にあっては、各流入風速において発電出力等をピークとするヨー角にロータを制御せんとする。

特開２００５−２１４０６６号公報 特開２００８−２９１７８６号公報

しかし、本発明者の研究によると、性能や耐久性の観点で最適なヨー角は風速及び吹上角によって異なることがわかった。
したがって、特許文献１記載の発明のように、正確にヨー角を計測する手段を構成しても、ヨー角を０度に収束させるという制御基準だけで運用していては、性能や耐久性の観点で最適なヨー角に制御できるとは限らない。
また、特許文献２記載の発明にあっては、吹上角を考慮していないため、吹上角が生じ易い地形に設置される風車や、浮体式洋上風車のように風車全体が傾倒することにより相対的に吹上角が生じる風車にあっては、吹上角の値によっては最適なヨー角制御にならない場合がある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、風速及び吹上角に応じて変化する最適なヨー角にロータを制御することができる水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ヨー回転自在に支持されたロータと、
前記ロータのヨー角を駆動制御するヨー制御手段と、
本風車に対する風速を計測する風速計測手段と、
本風車に対する風の吹上角を計測する吹上角計測手段と、
風向に対する前記ロータのヨー角を計測するヨー角計測手段とを備え、
前記ヨー制御手段は、前記風速計測手段により計測される風速及び前記吹上角計測手段により計測される吹上角に応じて特定されるヨー角値を制御目標値として前記ヨー角計測手段により計測されるヨー角に基づき前記ロータのヨー角を制御する水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、ヨー制御手段は、風速及び吹上角の変化に対して不変のヨー角値を制御目標値とする場合よりも、前記ロータによる仕事効率又は本風車の耐久性を高くするヨー角値変化に従ってヨー角値を特定し、この特定されたヨー角値を制御目標値とする請求項１に記載の水平軸風車である。さらには、ヨー制御手段は、風速の変化に対して不変のヨー角値を制御目標値とする場合よりも、吹上角の変化に対して不変のヨー角値を制御目標値とする場合よりも、前記ロータによる仕事効率又は／及び本風車の耐久性を高くする風速及び吹上角に対するヨー角値変化に従ってヨー角値を特定し、この特定されたヨー角値を制御目標値とする。

本発明によれば、風速及び吹上角に応じて特定されるヨー角値を制御目標値としてロータのヨー角を制御するので、風速及び吹上角に応じて性能や耐久性を最適にするヨー角値を特定する手段を予め構成しておくことにより、風速及び吹上角に応じて変化する最適なヨー角にロータを制御することができる。

本発明の実施形態に係り、水平軸風車の制御装置を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係り、(a)は吹上角０[deg]における風速に応じたヨー角目標値を示すグラフ、(b)は吹上角８[deg]における風速に応じたヨー角目標値を示すグラフである。 ある共通の２０年間の風況条件に基づき計算した疲労ダメージの風速域毎の値及び合計値を示す棒グラフであり、(a)は吹上角０[deg]の条件における比較例、(b)は吹上角０[deg]の条件における本発明例、(c)は吹上角８[deg]の条件における比較例、(d)は吹上角８[deg]の条件における本発明例に関するものである。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

本実施形態の水平軸風車は、１枚又は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した主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（従ってロータ）をヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。
また本実施形態の水平軸風車は、図１に示すように、ナセル（従ってロータ）をタワーの軸回りに回転駆動（ヨー回転）させるとともに、その回転にブレーキを付与するヨー駆動手段としてのヨー駆動部１、ヨー駆動部１を駆動制御してロータのヨー角を制御するヨー制御手段としてのヨー制御部２、及び、後述する図２にグラフ化して示すヨー角目標値参照データを記憶保持する記憶部６を備える。

さらに本実施形態の水平軸風車は、ナセルに設置された風速計３及び風向計４を備える。
このナセルに設置された風速計３を、本風車に対する風速を計測する風速計測手段として適用し、このナセルに設置された風向計４を、風向に対するロータのヨー角を計測するヨー角計測手段として適用する。また本実施形態の水平軸風車は、本風車に対する風の吹上角を水平軸を基準として計測する吹上角計測手段を備える。吹上角計測手段としては、三次元風速計５が一般に利用されているので、これを適用する。近時、ブレードのピッチ角やロータ回転数、ブレードに付設した歪センサ等により検出したブレードの変形などから風速や風向、吹上角を推算することが考えられている。将来、そのような手段によりロータに吹き込む風の風速や風向、吹上角をより直接的、正確に計測する手段が構成されれば、これに置き換えて実施しても良い。

ヨー制御部２は、図２にグラフ化して示すヨー角目標値参照データを記憶保持している。
ヨー制御部２は、所定の時間毎に、風速計３により計測される風速を取得するとともに、三次元風速計５により計測される吹上角を取得し、図２に示すヨー角目標値参照データを記憶部６から読み出し参照することによって、取得した風速と吹上角に対応するヨー角の制御目標値を特定する。
次に、ヨー制御部２は、風向計４により計測されるヨー角値が図２に示す下閾値を下回れば、ナセルを正の方向にすなわちナセルを上空から見て時計周りに所定角度（例えば１０[deg]）だけ回転するようにしてロータのヨー角を変角制御する。また、風向計４により計測されるヨー角値が図２に示す上閾値を上回れば、ナセルを負の方向にすなわちナセルを上空から見て反時計周りに所定角度（例えば１０[deg]）だけ回転するようにしてロータのヨー角を変角制御する。これにより、実際のヨー角がヨー角目標値から許容差以上に外れないように制御する。

例えば、吹上角計測値が０[deg]で風速計測値が１０[m/s]であれば、図２(a)よりヨー角目標値０[deg]、上閾値１０[deg]、下閾値−１０[deg]として制御する。
また例えば、吹上角計測値が０[deg]で風速計測値が１５[m/s]であれば、図２(a)よりヨー角目標値−２０[deg]、上閾値−１０[deg]、下閾値−３０[deg]として制御する。
吹上角計測値が８[deg]の場合は、図２(b)より風速によらずヨー角目標値０[deg]、上閾値１０[deg]、下閾値−１０[deg]として制御する。ここで、本実施例では、下閾値と上限値を、風速によらずにヨー角目標値から負の方向或いは正の方向に１０[deg]だけオフセットした値に設定している。

以上の例に倣って、本風車に対して想定される吹上角範囲内の代表的な複数の吹上角毎に風速に応じた最適なヨー角を予め定め、それらの間は線形補完するなどして、想定されるあらゆる風速及び吹上角に応じてヨー角目標値を特定できるようにヨー角目標値参照データを構成する。本実施例では、ヨー角目標値参照データを設定するにあたり、まず、所定の期間における風況条件から図３のような翼根フラップ曲げの疲労ダメージを計算するとともに、主軸やタワーなど各部位の疲労ダメージを計算する。そして、それらの疲労ダメージを風速域毎に総合的に評価することで風車の耐久性を高めるヨー角値を特定する。なお、この例に限らず、ヨー角値を特定する手段は、風速と吹上角の2つの入力値に対して一のヨー角値を算出するあらゆる演算手段を適用して実施してよい。また、ヨー角目標値は、ロータの回転方向とロータのティルト角によって異なる値になる。本実施例の水平軸風車は、ロータの回転方向を風上側から見て時計周りに設定し、ロータが風上側ほど下を向くようにティルト角を水平軸から８[deg]だけ傾けた値に設定している。すなわち、本実施例の水平軸風車では、吹上角が８[deg]の場合にロータの軸と吹上角のアライメントが一致する。

図３は、ある共通の２０年間の風況条件に基づき計算した翼根フラップ曲げの疲労ダメージの風速域毎の値及び合計値を示す棒グラフである。すなわち、本風況条件に置かれた風車の疲労ダメージを計算し、風速域毎の累積値、と合計値（図中Σ）を示したものである。
本風況条件における風速は平均が１０[m/s]で時間により変化する。図３(a)(b)は吹上角０[deg]の条件で、図３(c)(d)は吹上角８[deg]の条件であるが、その他は同一風況条件による。
疲労ダメージは、疲労寿命の逆数に相当する値であり、1.0で疲労破壊に達するダメージに相当する。

図３(a)は、図２(b)に示したヨー角目標値、上閾値及び下閾値を適用して制御した場合の計算結果を示すグラフである。
図３(b)は、図２(a)に示したヨー角目標値、上閾値及び下閾値を適用して制御した場合の計算結果を示すグラフである。
これら両グラフの比較にからわかるように、本実施形態の制御による場合（図３(b)の本発明例）の方が疲労ダメージは小さくなった。すなわち、吹上角０では、図２(b)に示すように風速によらずヨー角目標値を０[deg]で一定とするより、図２(a)に示すように風速に応じてヨー角目標値を変化させた方が疲労ダメージは小さくなった。

しかし、吹上角８[deg]の場合は、結果は逆である。
図３(c)は、図２(b)に示したヨー角目標値、上閾値及び下閾値を適用して制御した場合の計算結果を示すグラフである。
図３(d)は、図２(a)に示したヨー角目標値、上閾値及び下閾値を適用して制御した場合の計算結果を示すグラフである。
これら両グラフの比較にからわかるように、本実施形態の制御による場合（図３(c)の本発明例）の方が疲労ダメージは小さくなった。すなわち、吹上角８[deg]では、図２(a)に示すように風速に応じてヨー角目標値を変化させるより、図２(b)に示すように風速によらずヨー角目標値を０[deg]で一定とする方が疲労ダメージは小さくなった。

本発明の実施に当たっては、風車は吹上角が変化する風況条件に置かれる。本実施形態によれば、吹上角が０[deg]に変化すれば、図２(a)に示したヨー角目標値で制御して、図３(b)に示したような低い疲労ダメージを受け、吹上角が８[deg]に変化すれば、図２(b)に示したヨー角目標値で制御して、図３(c)に示したような低い疲労ダメージを受けることで、疲労ダメージの蓄積を抑えて疲労寿命を長期化することができる。

以上のように、風速及び吹上角の変化に対して不変のヨー角値（例えば一律０[deg]など）を制御目標値とする場合よりも、本風車の耐久性を高くするには、目標とするヨー角値を風速及び吹上角の変化に従って変化させることが有効であり、このヨー角値変化を予め求めておき、ヨー制御部２はこのヨー角値変化に従ってヨー角値を特定し制御する。
風速及び吹上角の変化に対して最適なヨー角目標値変化を求めることは、ヨー制御手段の設計段階で行っても良いし、風車に搭載される学習機能によって行わせても良い。また、その両者を実施しても良い。

以上の実施形態にあっては、疲労ダメージを取り上げて、本風車の耐久性を高くするヨー角値を制御目標値として制御したが、本発明はこれに限らず、予めの実験や計算によって取得したデータに基づき、発電効率等のロータによる仕事効率を高くするヨー角値を制御目標値として制御することも可能であり、耐久性及び仕事効率の両者を考慮して耐用年数における仕事量が向上するように制御目標とするヨー角値を決定することが好ましい。

Claims (2)

1. ヨー回転自在に支持されたロータと、
   前記ロータのヨー角を駆動制御するヨー制御手段と、
   本風車に対する風速を計測する風速計測手段と、
   本風車に対する風の吹上角を計測する吹上角計測手段と、
   風向に対する前記ロータのヨー角を計測するヨー角計測手段とを備え、
   前記ヨー制御手段は、前記風速計測手段により計測される風速及び前記吹上角計測手段により計測される吹上角に応じて特定されるヨー角値を制御目標値として前記ヨー角計測手段により計測されるヨー角に基づき前記ロータのヨー角を制御する水平軸風車。
2. ヨー制御手段は、風速及び吹上角の変化に対して不変のヨー角値を制御目標値とする場合よりも、前記ロータによる仕事効率又は本風車の耐久性を高くするヨー角値変化に従ってヨー角値を特定し、この特定されたヨー角値を制御目標値とする請求項１に記載の水平軸風車。

Images