JP2016014364A - 風力発電装置及びそのブレードピッチ角調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータロック機構に加わる荷重を低減する風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置は、ハブ３とブレード１０から成るロータ１と、ハブに接続された回転軸を介して、ロータを軸支すると共に、その内部に回転軸に接続された発電機を収納するナセル４と、該ナセルを支持するタワー５と、ブレードのピッチ角を変化させて調整するピッチアクチュエータと、該ピッチアクチュエータに指令値を出力するピッチ制御装置とを備え、ピッチ制御装置で検知したロータの停止指令を、ピッチアクチュエータに出力し、ピッチアクチュエータは、マニュアルステートに移行したのを確認してから、ロータを機械的に固定した後に、ピッチ制御装置からのロータの停止指令に基づいて、ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態のブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は風力発電装置及びそのブレードピッチ角調整方法に係り、風車のロータ固定時にブレードピッチ角を調整するものに好適な風力発電装置及びそのブレードピッチ角調整方法に関するものである。

通常、風力発電装置は、断面形状が翼型に形成された３枚のブレードがハブから放射状に取付けられているロータと、ハブに接続されると共に、略水平方向に延在された回転軸を介してロータを軸支すると共に、その内部に回転軸に接続された発電機を収納するナセルと、略鉛直方向に配置されると共に、ナセルを回転自在に支持するタワーとから概略構成され、ナセルの回転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備えている。

ところで、風力発電装置は、メンテナンス等の際には、ロータを機械的に固定する必要がある（このロータを機械的に固定した状態を、以下、ロータロックという）。このロータロック時は、ロータを機械的に強制的に固定するため、ロータを固定する機構には、過大な荷重がかかる恐れがある。

このロータロック機構への荷重を低減するには、荷重発生の原因であるロータへの風荷重を低減すべきである。

このロータへの荷重を低減するものとしては、例えば、特許文献１及び２に記載されたものがある。

特許文献１には、ブレードのピッチ角の駆動装置に通常の風速やそれによって生じる風速分布においては必要以上の負荷をかけることなく、かつ、強い風を受けた場合に生じる風速分布に対してもブレードに生じる荷重を低減させるために、風力発電装置が受ける風が偏った風速分布であることを示す設定値が予め設定されており、計測手段によって計測された荷重又は荷重に基づいた値が設定値内の場合、所定の制限値内で荷重に応じた指令値を出力し、荷重又は荷重に基づいた値が設定値を超える場合のみ、制限値を超えて荷重に応じた指令値を出力するピッチ角制御手段が記載されている。

また、特許文献２には、強風時にアップウインド姿勢を保持したまま複数のブレードを風下側へ傾動させた退避姿勢に切換えて風荷重を低減し風車の破損を防止するために、風速が予め設定された風速以上であることを示す信号と、回転位相検出用電磁ピックアップで検出された回転位相信号に基づいて、制御ユニットにより、３つのブレードをタワーと干渉せずに退避姿勢に切り換え可能な回転方向位置にロータを停止させるように各ブレードのピッチ角調整機構とロータ制動装置とを作動させ、ロータの回転停止後に傾動駆動手段を作動させて３つのブレードを退避姿勢へ傾動させることが記載されている。

特許第５２３７４５５号公報 特開２００９−１６２０５７号公報

上述した如く、従来の風力発電装置は、ロータロック状態において、ロータが回転するような風荷重を受けることにより、ロータロック機構に過大な荷重がかかる恐れがある。

しかしながら、上述した特許文献１及び２には、ロータロック機構にかかる過大な荷重の低減策については、全く記載されていない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ロータロック機構に加わる荷重を低減することができる風力発電装置及びそのブレードピッチ角調整方法を提供することにある。

本発明の風力発電装置は、上記目的を達成するために、ハブとブレードから成るロータと、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と共に、その内部に前記回転軸に接続された発電機を収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角を変化させて調整するピッチアクチュエータと、該ピッチアクチュエータに指令値を出力するピッチ制御装置とを備え、前記ピッチ制御装置で検知した前記ロータの停止指令を前記ピッチアクチュエータに出力し、前記ピッチアクチュエータは、マニュアルステートに移行したのを確認してから前記ロータを機械的に固定した後に、前記ピッチ制御装置からの前記ロータの停止指令に基づいて、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする。

また、本発明の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法は、上記目的を達成するために、ハブとブレードから成るロータと、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と共に、その内部に前記回転軸に接続された発電機を収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角を変化させて調整するピッチアクチュエータと、該ピッチアクチュエータに指令値を出力するピッチ制御装置とを備え、前記ピッチ制御装置からの指令値に基づいて前記ピッチアクチュエータで前記ブレードのピッチ角を変化させて調整する際に、前記ピッチ制御装置で検知した前記ロータの停止指令を前記ピッチアクチュエータに出力し、マニュアルステートに移行したのを確認してから前記ロータを機械的に固定した後に、前記ピッチ制御装置からの前記ロータの停止指令に基づいて前記ピッチアクチュエータで、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、ロータロック機構に加わる荷重を低減するができる。

本発明の風力発電装置の実施例１を一部断面して示す概略側面図である。 図１の風力発電装置におけるブレード及びブレードのピッチ角を調整する機器を示す図である。 本発明の風力発電装置の実施例１におけるロータロック機構を一部断面して示す図である。 本発明の風力発電装置の実施例１におけるブレードピッチ角の増加を制限するための構成を示し、ブレードを先端側（図２の右方向）から見たファイン状態の時の図である。 本発明の風力発電装置の実施例１におけるブレードピッチ角の増加を制限するための構成を示し、ブレードを先端側（図２の右方向）から見た通常フェザー状態の時の図である。 本発明の風力発電装置の実施例１におけるブレードピッチ角の増加を制限するための構成を示し、ブレードを先端側（図２の右方向）から見たロータロック時で実現する状態の図である。 本発明の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法の実施例１を示すフロー図である。 本発明の風力発電装置の実施例１で用いるロータロック機構の状態の他の例を説明するための図である。

以下、図示した実施例に基づいて、本発明の風力発電装置及びそのブレードピッチ角調整方法を説明する。なお、各図において、同一構成部品には、同符号を使用する。

図１及び図２に、本発明の風力発電装置の実施例１を示す。該図に示す如く、本実施例の風力発電装置は、ハブ３とブレード１０から成るロータ１と、ハブ３に接続された回転軸（図示せず）を介してロータ１を軸支すると共に、その内部に回転軸に接続された発電機（図示せず）を収納するナセル４と、このナセル４を支持するタワー５と、ブレード１０が受ける風荷重を調整するために、ブレード１０のピッチ角を変化させて調整するピッチアクチュエータ１１と、ピッチアクチュエータ１１を動かす指令値を出力するピッチ制御装置１２と、ナセル４内に格納され、ロータ１を回転しないように機械的に固定するロータロック機構２とから概略構成されている。なお、タワー５内の底部には、各種制御を行う制御盤（図示せず）が設置され、ピッチアクチュエータ１１及びピッチ制御装置１２は、ハブ３内に設置されている。

そして、本実施例では、制御盤からロータ１の停止指令がピッチ制御装置１２に送信され、ピッチ制御装置１２で検知したロータ１の停止指令をピッチアクチュエータ１１に出力し、ピッチアクチュエータ１１では、ピッチ制御装置１２からのロータ１の停止指令により、ブレード１０のピッチ角を減速（回転速度が略０）中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくするようにしたものである。即ち、発電を停止し、ロータ１の回転速度が０になったのを確認すると共に、マニュアルステート（後述する）に移行したのを確認してからロータロック機構２でロータ１を機械的に固定し、その後、ブレード１０のピッチ角を減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくするものである。

以下、これについて説明する。

風力発電装置が発電を止め、かつ、ロータ１の回転を停止させるような指令をピッチ制御装置１２が受けると、ブレードピッチ角をフェザー角まで増加させる。ロータ１の回転速度が０になったのを確認して、風車の各種機器（例えば、ロータロック機構２）を手動で調整できるような状態に移行させる。上記のような手動調整が可能な状態を、以下、マニュアルステートと呼ぶ。

マニュアルステートへの移行方法は複数用意しておき、その内の１つとして、例えば、遠隔操作による移行指令が考えられる。マニュアルステートに移行したのを確認してから、ロータロック機構２を作動させてロータ１を機械的に固定する。

図３に、ロータロック機構２を示し、このロータロック機構２は、ロータ１に接続された円形の板で複数の穴を円周上に有するロックディスク２２と、ロックディスク２２の円周上に分布する穴に挿入するロックピン２１と、ロックピン２１を格納したり、或いはロックディスク２２に挿入させたりするロックピン筐体２３とから構成される。

マニュアルステートに移行した後、ロックピン筐体２３に格納されているロックピン２１を、図３の右方向にロックピン筐体２３から出して、ロックディスク２２に形成されている穴に挿入する。ロックピン２１をロックディスク２２の穴に挿入した後、フェザーの角度を更に大きく、即ち、ブレード１０のピッチ角を減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくする。このフェザー角度の増加は、機種により異なるが、例えば、減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角を、例えば、８５度から９０度まで変化させることが考えられる（理想的には９０度）。

次に、図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）を用いて、ブレードピッチ角の増加を制限するためのブレードピッチ角増加制限装置の構成を説明する。

該図に示す如く、本実施例でのブレードピッチ角増加制限装置は、ブレード１０と、ピッチアクチュエータ１１と、ピッチ制御装置１２と、ブレード１０のピッチ角が通常許容される最大位置よりも大きくならないよう制限をかけるための通常フェザー用リミッタスイッチ３０と、ブレード１０のピッチ角回転と同じ方向に回転移動し通常フェザー用リミッタスイッチ３０を叩いて作動させる役目を持つリミッタスイッチ作動板３１と、通常フェザー用リミッタスイッチ３０の作動解除及びロータロック状態において、ブレードピッチ角増加を制限するためのロータロック用リミッタスイッチ３２とから構成される。

なお、リミッタスイッチ作動板３１は、ブレード１０に設置されてブレード１０と共に回転し、通常フェザー用リミッタスイッチ３０及びロータロック用リミッタスイッチ３２は、ブレード１０の根本付近に設置されてブレード１０と共には回転しない。

発電中のブレード１０の位置は、図４（Ａ）のファイン状態（ピッチ角０）の位置にある。図４（Ａ）の位置をファイン状態と呼ぶ。

ロータ１の回転を停止させるために、ピッチアクチュエータ１１により、ブレード１０は回転されて自身のピッチ角が増加しフェザーの状態になる。しかし、ピッチ角は無限に増加させることはできず、通常はブレード１０のピッチ角は、通常フェザー用リミッタスイッチ３０の位置によって制限されるフェザー位置(以下、「通常フェザー位置」という)までしか回転できない。

即ち、リミッタスイッチ作動板３１が、通常フェザー用リミッタスイッチ３０を叩くことにより、ピッチアクチュエータ１１が動作を停止し、ブレード１０が通常フェザー位置よりも先には回転しないようになる。そのような状態が図４（Ｂ）に示す通常フェザー状態（減速中のフェザー状態でピッチ角９０度付近）である。

上記のように、ブレード１０を通常フェザー位置に持ってきても尚、ブレード１０にはロータ１を回転させるような風荷重を受けてしまう。それ故、ロックピン２１がロックディスク２２に入っている「ロータロック状態」の場合、ロックピン２１とロックディスク２２とで大きな荷重が発生し、両者を始め風車部品の寿命の低下を招きかねないことになる。

マニュアルステートにおいて、ロータロック状態での疲労荷重や静荷重を低減するには、ロータ１を回転させるような風荷重を減らすように、ブレード１０を通常フェザー位置よりも更にピッチ角を大きくする必要がある。即ち、図４（Ｃ）のようなロータロック時で実現する状態にすべきである。そのためには、通常フェザー位置よりもピッチ角を増加させぬよう制限している通常フェザー用リミッタスイッチ３０の作動が、一時的に解除される必要がある。

以上を踏まえ、ロータロック状態でのブレードピッチ角の調整に関する一連のフローは、図５のように説明できる。

まず、停止指令によりピッチアクチュエータ１１がブレード１０のピッチ角を通常フェザー位置まで持っていく。この時、リミッタスイッチ作動板３１もブレード１０と共に動いて通常フェザー用リミッタスイッチ３０を叩くことで、ピッチアクチュエータ１１が作動を停止する。

次に、ロータ１の回転速度が０になったのをモニタ等で確認して、風車の状態をマニュアルステートにし、風車を手動で操作できるようにする。この状態でロックピン２１を動かし、ロックディスク２２の穴に挿入する。この後、仮にロックピン２１がロックディスク２２の穴に入っていなくても、先述の図２を用いて説明した「格納」以外の状態であれば、通常フェザー用リミッタスイッチ３０の作動を解除させるような信号を、タワー５内の制御盤に送る。

するとピッチアクチュエータ１１が一時的に動作可能な状態になり、この状態でブレード１０を、通常フェザー位置から更に回転（増加）させる。但し、回転させる位置は、ロータロック用リミッタスイッチ３２によって制限される。ロータロック用リミッタスイッチ３２によるブレードピッチ角の回転位置の制限方法は、上記で通常フェザー用リミッタスイッチ３０に関して述べた方法と同一である。

なお、フェザーの角度を大きくするのは、ロックピン２１の状態が図６に示す状態にある場合でも良い。即ち、ロックピン２１がロックピン筐体２３に格納された状態以外（図６に示す、ロックピン２１の先端位置が中間、作動の位置の場合）においても、ブレード１０のピッチ角を減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくする。

このことは、ロックピン２１がロックディスク２２の穴に挿入されておらず、ロータ１が固定されていなくても、ブレード１０のピッチ角を減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくさせることで、ロータ１を回転するような風荷重を極力減らし、ロータ１の回転をなるべく小さくすることを意味する。

当然のことながら、ロックピン２１がロックディスク２２の穴に挿入されている状態（以下、このような状態を「ロータロック状態」という）においても、ブレード１０のピッチ角を減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくする。

このような本実施例とすることにより、ブレード１０のピッチ角を減速中のフェザー状態のブレード１０のピッチ角より大きくすることで、ロータ１が回転するような風荷重を小さくすることができ、ロータロック機構２にかかる荷重を低減することができる。

また、ロータロック機構２に加わる荷重を低減することで、ロックディスク２２を小さくしても停止状態を維持することができ、ロックディスク２２に必要なスペースを低減でき、更に、ロックディスク２２のサイズが小さくなるに伴い、ロックピン２１も同様に小さなものとすることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。実施例の構成の一部について、構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ロータ、２…ロータロック機構、３…ハブ、４…ナセル、５…タワー、１０…ブレード、１１…ピッチアクチュエータ、１２…ピッチ制御装置、２１…ロックピン、２２…ロックディスク、２３…ロックピン筐体、３０…通常フェザー用リミッタスイッチ、３１…リミッタスイッチ作動板、３２…ロータロック用リミッタスイッチ。

Claims (12)

1. ハブとブレードから成るロータと、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と共に、その内部に前記回転軸に接続された発電機を収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角を変化させて調整するピッチアクチュエータと、該ピッチアクチュエータに指令値を出力するピッチ制御装置とを備え、
   前記ピッチ制御装置で検知した前記ロータの停止指令を前記ピッチアクチュエータに出力し、前記ピッチアクチュエータは、マニュアルステートに移行したのを確認してから前記ロータを機械的に固定した後に、前記ピッチ制御装置からの前記ロータの停止指令に基づいて、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、
   前記ナセル内に格納され、前記ロータを回転しないように機械的に固定するロータロック機構を有し、前記ロータの回転速度が０になったのを確認すると共に、マニュアルステートに移行したのを確認してから前記ロータロック機構で前記ロータを機械的に固定した後に、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくする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、
   前記ロータロック機構は、前記ロータに接続された円形の板で複数の穴を円周上に有するロックディスクと、該ロックディスクに円周上に分布する穴に挿入されるロックピンと、該ロックピンを格納したり或いは前記ロックディスクに挿入させたりするロックピン筐体とから構成され、前記ロータの回転速度が０になったのを確認すると共に、前記マニュアルステートに移行した後で、前記ロックピンを前記ロックピン筐体から出して前記ロックディスクに挿入して前記ロータを機械的に固定し、その後、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくする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、
   前記ロックピンが前記ロックピン筐体に収納され、前記ロックピンが前記ロックピン筐体に格納された状態にある場合以外では、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項４に記載の風力発電装置において、
   前記風力発電装置は、前記ブレードと、前記ピッチアクチュエータと、前記ピッチコントロールボックスと、前記ブレードのピッチ角が通常許容される最大位置よりも大きくならないよう制限をかけるための通常フェザー用リミッタスイッチと、前記ブレードのピッチ角回転と同じ方向に回転移動し、前記通常フェザー用リミッタスイッチを叩いて作動させるリミッタスイッチ作動板と、前記通常フェザー用リミッタスイッチの作動解除及びロータロック状態においてブレードピッチ角増加を制限するためのロータロック用リミッタスイッチとから成るブレードピッチ角増加制限装置を備えていることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項５に記載の風力発電装置において、
   前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくする際には、前記通常フェザー用リミッタスイッチを解除することを特徴とする風力発電装置。
7. ハブとブレードから成るロータと、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と共に、その内部に前記回転軸に接続された発電機を収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーと、前記ブレードのピッチ角を変化させて調整するピッチアクチュエータと、該ピッチアクチュエータに指令値を出力するピッチ制御装置とを備え、前記ピッチ制御装置からの指令値に基づいて前記ピッチアクチュエータで前記ブレードのピッチ角を変化させて調整する際に、
   前記ピッチ制御装置で検知した前記ロータの停止指令を前記ピッチアクチュエータに出力し、マニュアルステートに移行したのを確認してから前記ロータを機械的に固定した後に、前記ピッチ制御装置からの前記ロータの停止指令に基づいて前記ピッチアクチュエータで、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角調整方法。
8. 請求項７に記載の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法において、
   前記ナセル内に格納され、前記ロータを回転しないように機械的に固定するロータロック機構を有し、前記ロータの回転速度が０になったのを確認すると共に、マニュアルステートに移行したのを確認してから前記ロータロック機構で前記ロータを機械的に固定した後に、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角調整方法。
9. 請求項８に記載の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法において、
   前記ロータロック機構は、前記ロータに接続された円形の板で複数の穴を円周上に有するロックディスクと、該ロックディスクに円周上に分布する穴に挿入されるロックピンと、該ロックピンを格納したり或いは前記ロックディスクに挿入させたりするロックピン筐体とから構成され、前記ロータの回転速度が０になったのを確認すると共に、前記マニュアルステートに移行した後で、前記ロックピンを前記ロックピン筐体から出して前記ロックディスクに挿入して前記ロータを機械的に固定し、その後、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角調整方法。
10. 請求項９に記載の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法において、
    前記ロックピンが前記ロックピン筐体に収納され、前記ロックピンが前記ロックピン筐体に格納された状態にある場合以外では、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角調整方法。
11. 請求項１０に記載の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法において、
    前記ブレードと、前記ピッチアクチュエータと、前記ピッチコントロールボックスと、前記ブレードのピッチ角が通常許容される最大位置よりも大きくならないよう制限をかけるための通常フェザー用リミッタスイッチと、前記ブレードのピッチ角回転と同じ方向に回転移動し、前記通常フェザー用リミッタスイッチを叩いて作動させるリミッタスイッチ作動板と、前記通常フェザー用リミッタスイッチの作動解除及びロータロック状態においてブレードピッチ角増加を制限するためのロータロック用リミッタスイッチとから成るブレードピッチ角増加制限装置とを備え
    前記ピッチ制御装置からの停止指令により、前記ピッチアクチュエータが前記ブレードのピッチ角を通常フェザー位置に変更すると共に、前記リミッタスイッチ作動板が前記ブレードと共に動いて前記通常フェザー用リミッタスイッチを叩くことで、前記ピッチアクチュエータが作動停止し、その後、前記ロータの回転速度が０になったのを確認して、風車の状態をマニュアルステートにして風車を手動で操作できる状態にし、この状態で前記ロックピンを動かして前記ロックディスクの穴に挿入し、この後、前記ロックピンが前記ロックピン筐体に収納され、前記ロックピンが前記ロックピン筐体に格納された状態にある場合以外の状態で前記通常フェザー用リミッタスイッチの作動が解除されて前記ピッチアクチュエータが一時的に動作可能な状態になり、この状態で前記ブレードを通常フェザー位置から更に回転させて、前記ブレードのピッチ角を、減速中のフェザー状態の前記ブレードのピッチ角より大きくすることを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角調整方法。
12. 請求項１１に記載の風力発電装置のブレードピッチ角調整方法において、
    前記ブレードのピッチ角を回転させる位置は、前記ロータロック用リミッタスイッチによって制限されることを特徴とする風力発電装置のブレードピッチ角調整方法。

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