JP2018123762A - 風力発電装置及び風力発電施設の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードの後流の影響を受けていない風向風速の測定値に基づいて風力発電装置の運転を制御する。【解決手段】ブレード２を放射状に支持するハブ８と、ハブ８の一端部に固定された略円錐状のノーズコーン１１と、を有するロータ３と、ロータ３をロータ軸Ａ回りに回転可能に支持するナセル４と、ナセル４を水平方向に旋回させるためのヨー駆動部６と、ノーズコーン１１を風上に向けるべくヨー駆動部６を制御する制御部１４と、を備える。ノーズコーン１１には、第１の圧力測定部１６と第２の圧力測定部１７とが設けられる。第１の圧力測定部１６は、ノーズコーン１１の先端部１１ａに設けられ、第２の圧力測定部１７は、先端部１１ａからハブ８側に離間させてノーズコーン１１に設けられる。制御部１４は、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７による圧力測定値に基づいてヨー駆動部６を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、風力発電技術に関し、より詳細には、風力発電装置及び風力発電施設の運転制御方法に関する。

近年、再生可能エネルギーの一つとして風力を利用した風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、風の運動エネルギーをブレードを含むロータの回転エネルギーに変換し、さらにこの回転エネルギーを発電機にて電力に変換する。

従来の風力発電装置について図１４を用いて説明する。風力発電装置４０は、複数のブレード４１が取付けられたロータ４２を回転可能に支持するナセル４３の上部に風向風速計４４を備えている。この風向風速計４４により、風力発電装置４０の設置面４５に対して水平方向の風向風速が測定され、その測定値に基づいて、ロータ４２が風上に向くようにナセル４３を水平方向に旋回させるヨー制御や、最も揚力が発生するようにブレード４１のピッチ角を制御するピッチ角制御がなされる。

また、風力発電装置の前方の風向風速をレーザ式風向風速計で測定することで、風力発電装置に到達する風向風速を予測し、風力発電装置の発電効率の向上を図る技術が提案されている。そこでは、風力発電装置４０の前方に存在するエアロゾル（空気中の塵）の風向風速をレーザ式風向風速計で測定し、その測定データから風力発電装置４０が数秒乃至数十秒後に利用する風の状況を予測し、その予測結果に基づいてナセル４３のヨー制御やピッチ角制御を実施している。

特開２００４−２８５８５８号公報

従来のナセル４３の上部に設置されたレーザ式風向風速計等の風向風速計は、回転するブレード４１の後流の影響を少なからず受けることになる。そのため、別途風向風速計用のタワーを建てるなどして、風車ブレード４１の後流の影響を全く受けない位置にレーザ式風向風速計を設けることも考えられるが、風力発電装置４０の建設コスト及び運用コストの大幅な増大を招くことになり実用的ではない。

また、ナセル４３の上部に設置された風向風速計では風力発電装置４０の設置面４５に対して垂直方向の風速を測定することができないため、地形の影響等で地面側から吹き上がる風や逆に地面側に吹き下ろす風が発生した場合でも、その風速成分を検知することができない。このため、地面側から吹き上がる強風などが発生した場合に、風力発電装置４０の故障や破損を未然に防止するべく、ロータ３の回転を停止させたり回転速度を減じたりする予防保全制御を行うことができない。

さらに、レーザ式風向風速計は、エアロゾルにレーザ光を照射し、その反射光を検出することにより風向風速を測定するものであるため、風向風速の測定精度がエアロゾルの存在状況によって左右されるという課題がある。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、風向風速をブレードの後流の影響を受けることなく測定し、その測定値に基づいて予防保全制御を含む運転制御を行うことができる風力発電装置及び風力発電施設の運転制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る風力発電装置は、ブレードを放射状に支持するハブと、当該ハブの一端部に固定されたノーズコーンと、を有するロータと、前記ロータをロータ軸回りに回転可能に支持するナセルと、前記ナセルの方向を制御するための制御部と、前記ノーズコーンの先端部及び周面部にそれぞれ設けられた第１の圧力測定部及び第２の圧力測定部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る風力発電施設の運転制御方法は、本発明の実施形態に係る風力発電装置を少なくとも１以上有する風力発電施設の運転制御方法であって、前記風力発電装置に設けられた第１の圧力測定部及び第２の圧力測定部で測定された風向風速データに基づいて、前記風力発電施設の全ての風力発電装置の運転を制御することを特徴とする。

本発明によれば、ブレードの後流の影響を受けることなく風向風速を測定し、その測定値に基づいて風力発電装置及び風力発電施設の運転制御を行うことで、風力発電効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る風力発電装置の概念図。 （Ａ）は第１の実施形態に係る風力発電装置のロータの先端部の構造を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図。 （Ａ）は第２の圧力測定部が第１の圧力測定部に対して水平方向左側に位置した状態を示す正面図、（Ｂ）は第２の圧力測定部が第１の圧力測定部に対して水平方向右側に位置した状態を示す正面図、（Ｃ）は第２の圧力測定部が第１の圧力測定部に対して水平方向上側に位置した状態を示す正面図、（Ｄ）は第２の圧力測定部が第１の圧力測定部に対して水平方向下側に位置した状態を示す正面図。 （Ａ）は第２の実施形態に係る風力発電装置のロータの先端部の構造を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図。 （Ａ）は第２の実施形態の変形例１を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図。 （Ａ）は第３の実施形態に係る風力発電装置のロータの先端部の構造を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図。 （Ａ）は第４の実施形態に係る風力発電装置のロータの先端部の構造を示す正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図。 第５の実施形態に係る風力発電装置のロータの先端部の構造を示す断面図。 第５の実施形態の変形例２を示す断面図。 第６の実施形態に係る風力発電施設の運転制御システムの概念図。 第７の実施形態に係る風力発電施設の運転制御システムの概念図。 第７の実施形態の変形例３を示す概念図。 第８の実施形態に係る風力発電施設の運転制御システムの概念図。 従来の風力発電装置の概念図。

以下、本発明の風力発電装置及び風力発電施設の運転制御方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る風力発電装置を、図１乃至図３を用いて説明する。

（構成）
図１に示すように、風力発電装置１は、ブレード２を備えたロータ３と、ロータ３をロータ軸Ａ回りに回転可能に支持するナセル４と、ナセル４を略水平方向（ヨー角方向）に旋回可能に支持するタワー５と、を有する。ナセル４は、ヨー駆動部６を介してタワー５の上端部に支持されている。タワー５は、設置面７から略鉛直に延びている。タワー５は、陸上であれば基礎に設置され、洋上であれば海底に設置されている基礎に接合、或いは海面付近に浮かんだ浮体基礎等に接合される。

ロータ３は、ブレード２を放射状に支持するハブ８と、ハブ８に連結された主軸９とを有する。ハブ８は、主軸受１０を介してナセル４に支持されている。ハブ８の先端部にはノーズコーン（略円錐状の先端部材）１１が固定されている。

ナセル４は、ロータ３側が高くなるよう所定の角度（チルト角θ）だけ傾いた姿勢に保持されている。ナセル４の内部には、ロータ３の主軸９の回転に伴って駆動される発電機１３と、風力発電装置１の運転を制御する制御部１４と、が設けられている。また、ナセル４の後端側の上部には、従来と同様の風向風速計１５が設けられている。風向風速計１５による風向風速測定データは制御部１４に送信される。

図２に示すように、ノーズコーン１１には、第１の圧力測定部１６と第２の圧力測定部１７とが設けられている。第１の圧力測定部１６は、ノーズコーン１１の先端部１１ａに設けられ、第２の圧力測定部１７は、第１の圧力測定部１６からハブ８側に所定距離離間させてノーズコーン１１の周面部に設けられている。

第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７は、ノーズコーン１１の外面から内部に延在して設けられた圧力導通管１８と、圧力導通管１８の内部側の端部１８ａに設けられた感圧素子１９と、を各々備えている。圧力導通管１８のもう一方の端部１８ｂは圧力導通管１８の外部に開口しており、圧力導通管１８内は外気で満たされている。感圧素子１９は、圧力導通管１８内の圧力値に応じた電気信号を出力する。その電気信号が圧力測定データとして制御部１４に送信される。

なお、風向風速計１５は適宜省略可能であるが、第１及び第２の圧力測定部１６、１７と併用し、例えば、風向風速計１５は基本的な風向風速データの取得のために利用し、ブレードの後流の影響を受けない第１及び第２の圧力測定部１６、１７は垂直流や精密な風向風速データの取得に利用するようにしてもよい。

（作用）
上記のように構成された風力発電装置１は、風の運動エネルギーを、ブレード２を備えたロータ３の回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーを発電機１３にて電力に変換することにより発電を行う。

その際、ナセル４が正面から受ける風の圧力値が第１の圧力測定部１６により測定され、第１の圧力測定部１６よりも少し下流側の風の圧力値が第２の圧力測定部１７により測定される。第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７はブレード２の上流側に位置しているため、これらによる測定値はブレード２の回転に伴う後流の影響を受けない、本来測定されるべき風の圧力測定値である。

また、第２の圧力測定部１７は、ノーズコーン１１とともにロータ軸Ａ回りに回転するため、その感圧素子１９の中心の回転軌跡が描くノーズコーン１１の円周Ｃ上の所定位置における圧力を測定し、その値に基づいて風向を検知することができる。

例えば、第２の圧力測定部１７が第１の圧力測定部１６に対し水平方向左側（図３（Ａ）参照）及び右側（図３（Ｂ）参照）に位置したときの二つの圧力測定値に基づいて、ナセル４のヨー角に対する風向を検知できる。また、第２の圧力測定部１７が第１の圧力測定部１６に対し垂直方向上側（図３（Ｃ）参照）及び下側（図３（Ｄ）参照）に位置したときの二つの圧力測定値に基づいて、ナセル４のチルト角θに対する風向（吹き上げ角、吹き下ろし角）を検知することができる。

このように、第１の圧力測定部１６によるノーズコーン１１の先端部１１ａにおける圧力測定値と、第２の圧力測定部１７によるノーズコーン１１の左右及び上下位置における四つの圧力測定値と、に基づいて、風力発電装置１の設置位置における複数方向からの風向風速を算出することができる。

また、ノーズコーン１１の先端及び上下左右の四つの圧力値と風向風速との関係を予め評価したデータベースを作成しておき、第２の圧力測定部１７がノーズコーン１１の左右及び上下に位置した各々の時点での第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７による圧力測定値に対応する風向風速を当該データベースから逐次読み出すことにより、複雑な計算を要することなく、風力発電装置１の設置位置における複数方向からの風向風速を取得することができる。
制御部１４は、上記のようにして得られた風向風速に基づいて、ナセル４のヨー角及びピッチ角を適切な値に制御する。

（効果）
第１の実施形態に係る風力発電装置１によれば、ノーズコーン１１の先端部及び周面部に圧力測定部１６、１７を設けることにより、ナセル４に対して正面方向、水平方向及び垂直方向の風速成分をブレード２の後流の影響を受けることなく測定することが可能となり、これにより風のエネルギーを効率良くロータ３の回転エネルギーに変換し得るように運転制御を行うことができる。

また、ナセル４に対して垂直方向の風向を検知することができるので、過大な風速の垂直成分を検知した場合に、ロータ３を停止させたり、ロータ３の回転速度を減じたりする制御をより正確に行うことが可能となる。よって、風力発電装置１の故障や破損を未然に防止することができる。

また、ノーズコーン１１の左右位置及び上下位置における圧力を、ノーズコーン１１の周面部に設けた一つの第２の圧力測定部１７により測定可能としたことにより、ブレード２の回転に伴う後流の影響を受けることなく風向風速を測定するためのシステム構成を単純なものとすることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る風力発電装置を、図４（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。風力発電装置の全体的構成については、図１に示したものと同様であるので、以下説明を省略する。また、既に説明した構成要素と共通の構成要素については同一符号を付してその説明を適宜省略する（以下同様）。

（構成）
上述した第１の実施形態では、一つの第２の圧力測定部１７がノーズコーン１１の周面部に設けられているが、この第２の実施形態では、二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2がノーズコーン１１の周面部に、ロータ軸Ａに関して１８０度で回転対称となるように設けられている。第２の圧力測定部１７-1、１７-2の構成は、図２に示した第２の圧力測定部１７の構成と同様である。

（作用）
上記のように、第２の圧力測定部１７-1、１７-2が、第１の圧力測定部１６からハブ８側に所定距離離間させて、ノーズコーン１１のロータ軸Ａに関して１８０度で回転対称となる二か所に設けられていることにより、左右二位置若しくは上下二位置の圧力をそれぞれ同時に測定することができる。したがって、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風向風速データを、第１の実施形態と比較して短い周期で取得することが可能となるとともに、風向風速の変化を高精度で測定することができる。

すなわち、第２の実施形態の構成では、二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2は、ロータ３が半回転するために要する時間間隔でナセル４に対して水平及び垂直方向の風向風速を取得することができる。

（効果）
第２の実施形態に係る風力発電装置１によれば、ナセル４に対して水平方向及び垂直方向の風速成分を、第１の実施形態よりも短い周期で測定可能であるので、その測定値に基づいて、風のエネルギーをより効率良くロータ３の回転エネルギーに変換し得るように、ナセル４のヨー角及びブレード２のピッチ角をより適切に調整することができる。

また、垂直方向の風向の検知感度の向上及び検出時間の短縮を図ることができるので、過大な風速の垂直成分を検知した場合に、風力発電装置１の故障や破損の予防保全として、ロータ３を停止させたり、ロータ３の回転速度を減じたりする制御をより迅速にかつ正確に行うことが可能となる。

（変形例１）
上述した第２の実施形態では、ノーズコーン１１の周面部に二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2がノーズコーン１１に設けられているが、本変形例１では、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、四つの第２の圧力測定部１７-1〜１７-4がノーズコーン１１の周面部に設けられている。第２の圧力測定部１７-1〜１７-4の構成は、図２に示した第２の圧力測定部１７の構成と同様である。

この第２の圧力測定部１７-1〜１７-4は、ノーズコーン１１の先端部から等距離で、かつ、ロータ軸Ａに関して９０°で回転対称となるように設けられている。
本変形例１では、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風向風速を、第２の実施形態よりも更に短い周期で取得することが可能となる。

すなわち、第２の実施形態の構成では、ロータ３が９０°回転する毎に二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2により同時に測定される左右二箇所若しくは上下二箇所のそれぞれ二つの圧力測定値に基づいて、設置面７に対して水平方向の風向風速と設置面７に対して垂直方向の風向風速とが交互に取得されるのに対し、この変形例１では、第１の圧力測定部１６に対し上下左右の四箇所の圧力が同時に測定されるため、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風向風速を、ロータ３が９０°回転する毎に一括して取得できる。

したがって、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風向風速を、第２の実施形態と比較して理論上１／２の周期で、第１の実施形態と比較して理論上１／４の周期で取得することが可能となる。

本変形例１によれば、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風速成分を、第２の実施形態よりも更に短い周期で測定可能であるので、風向風速成分の変化を高精度で測定することができる。これにより、風のエネルギーを更に効率良くロータ３の回転エネルギーに変換し得るように運転制御を行うことができる。

また、ノーズコーン１１の上下二箇所の圧力を同時測定される周期が第２の実施形態よりも短いことにより、設置面７に対して垂直方向の風向の検知感度を第２の実施形態よりも更に向上させることができる。したがって、過大な風速の垂直成分を検知した場合に、風力発電装置１の故障や破損の予防保全として、ロータ３を停止させたり、ロータ３の回転速度を減じたりする制御を更に正確に行うことが可能となる。
なお、第２の圧力測定部の数は１、２又は４に限定されず、適宜増減可能である。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る風力発電装置を、図６（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。
（構成）
上述した第２の実施形態では、二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2がノーズコーン１１の先端部１１ａからロータ軸Ａ方向に等距離の位置に設けられているが、この第３の実施形態では、二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2がノーズコーン１１の先端部１１ａからロータ軸Ａ方向に異なった距離の位置に設けられている。

図６（Ａ）に示す例では、一方の第２の圧力測定部１７-1の感圧素子１９の中心の回転軌跡が描く円周Ｃ１の半径ｒ１に対し、もう一方の第２の圧力測定部１７-2の感圧素子１９の中心の回転軌跡が描く円周Ｃ２の半径ｒ２の方が大きくなっている。

（作用）
上記のように、ロータ軸Ａ方向における二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2のロータ軸Ａ方向における位置を異ならせることにより、第２の実施形態の構成と比較して、二つの第２の圧力測定部１７-1、１７-2による圧力の測定範囲が広がる。

（効果）
第３の実施形態に係る風力発電装置１によれば、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風速成分を、第２の実施形態よりも広範囲に測定可能であるので、その測定値に基づいて、風のエネルギーをより効率良くロータ３の回転エネルギーに変換し得るように、ナセル４のヨー角及びブレード２のピッチ角をより適切に調整することができる。
また、設置面７に対して垂直方向の風速成分の測定範囲が拡大したことにより、より大きな風向変化に対しても、その垂直方向の風速成分を測定することが可能となる。

したがって、本実施形態の風力発電装置１は、地形の影響等で地面側から吹き上がる風や逆に地面側に吹き下ろす風が急に発生したり、その風向きが急に変化したりすることが想定される地点への設置に適している。
なお、本第３の実施形態を上記変形例にも適用できることはもちろんである。

［第４の実施形態］
本実施形態では、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７の近傍にそれぞれ温度センサを配置することを特徴とする。この構成例を、図５に示す風力発電装置に適用した例について、図７を用いて説明するが、他の実施形態に係る風力発電装置にも適用することができることはもちろんである。

（構成）
図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、一つの第１の圧力測定部１６及び四つの第２の圧力測定部１７-1〜１７-4がノーズコーン１１に設けられ、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７-1〜１７-4のそれぞれの近傍に温度センサ２１が配置されている。温度センサ２１には熱電対などが用いられる。温度センサ２１による温度測定データは制御部１４に送信される。

（作用）
制御部１４は、各温度センサ２１による温度測定データに基づいて、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７-1〜１７-4による圧力測定値を補正する。そして、補正した圧力測定値に基づいて、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風向風速を取得する。

（効果）
第４の実施形態に係る風力発電装置１によれば、設置面７に対して水平方向及び垂直方向の風速成分を、季節や天候などによる温度変化の影響を受けることなく高精度に測定し、その測定値に基づいて的確な運転制御を行うことができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る風力発電装置を、図８を用いて説明するが、上述した他の実施形態の風力発電装置にも適用できることはもちろんである。

（構成）
図８に示すように、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７のそれぞれの圧力導通管１８内に粘着性の流体２３が充填されている。粘着性の流体２３として、高粘度の油やグリスなどが用いられる。

（作用）
圧力導通管１８内に粘着性の流体２３を充填したことにより、感圧素子１９が外気と非接触状態となるため、雨水や砂塵などから感圧素子１９を保護することができるため、感圧素子１９を長期的に使用することができる。一方、ノーズコーン１１外部の風向風速は流体２３を介して感圧素子１９に伝わることになるため、充填する流体の量は、感圧素子１９による圧力測定感度が必要な値となるように選択される。

（効果）
第５の実施形態によれば、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７の感圧素子１９が雨水や砂塵などから保護されるので、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７の寿命を延ばし、これらの何れかの故障に起因する風向風速の誤検知の発生リスクを低減することが可能となる。

［変形例２］
本変形例２では、図９に示すように、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７に充填された粘着性の流体２３を覆うように弾性変形可能な封止体２５を設けたことを特徴とする。

封止体２５として、圧力応答性に優れた薄いゴム製のダイヤフラムや蛇腹式ダイヤフラムが用いられる。
封止体２５を設けたことにより、圧力導通管１８内からの流体２３の漏出が防止されるため、感圧素子１９が雨水や砂塵などから長期間安定的に保護されるとともに、流体２３の経年劣化を防止することができる。

ノーズコーン１１外部の風向風速は封止体２５及び流体２３を介して感圧素子１９に伝わることになるため、封止体２５の厚み及び充填する流体２３の量は、感圧素子１９による圧力測定感度が必要な値となるように選択される。

本変形例２によれば、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７の感圧素子１９及び流体２３が雨水や砂塵などから長期間安定的に保護されるので、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７-1〜１７-4の寿命を更に延ばし、これらの何れかの故障に起因する風向風速の誤検知の発生リスクを更に低減することができる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る風力発電施設の運転制御方法を、図１０を用いて説明する。
（構成）
図１０に示す風力発電施設２６は、本発明の第１〜第５の実施形態のいずれかに係る風力発電装置１と、図１４に示すような従来の風力発電装置２７と、から構成される。この構成例では、本発明に係る風力発電装置１は１基設置され、従来型の風力発電装置２７は複数基設置され、それらの位置関係は任意である。

風力発電装置１は、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７により測定した圧力測定値に基づいて得られた風向風速の情報（風向風速データＤ）を、風力発電施設２６内の他の全ての従来型の風力発電装置２７に送信する機能を有している。

従来型の風力発電装置２７は、本発明に係る風力発電装置１から風向風速データＤを受信する機能と、その受信した風向風速データＤに基づいて自装置のヨー角を制御する機能と、を有する。

（作用）
本発明に係る風力発電装置１は、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７による圧力測定値に基づいて得られた風向風速データＤに基づいて、自装置のナセル４のヨー角等を制御するとともに、当該風向風速データＤを、風力発電施設２６内の全ての従来型の風力発電装置２７に送信する。従来型の各風力発電装置２７は、その風向風速データＤに基づいてナセルのヨー角等を制御する。

（効果）
第６の実施形態によれば、風力発電施設２６内に本発明に係る風力発電装置１を少なくとも１基設置し、当該風力発電装置１が取得した風向風速の情報を風力発電施設２６内の全ての風力発電装置１、２７が共用することで、施設内設備の簡素化と情報処理の効率化を図ることができる。これにより、風力発電施設２６内の全ての風力発電装置１、２７において、風のエネルギーを効率良くロータの回転エネルギーに変換し得るように運転制御を行うことができる。

また、本発明に係る風力発電装置１からの風向風速の情報には、風向風速の急激な変化情報も含むため、他の風力発電装置１、２７においても予防保全制御を早期に行うことが可能となり、故障や破損のリスクを軽減できる。

［第７の実施形態］
第７の実施形態に係る風力発電施設の運転制御方法を、図１１を用いて説明する。
本実施形態では、風力発電施設２８の複数基の風力発電装置が全て本発明に第１〜第５の実施形態のいずれかに係る風力発電装置１であり、これら複数基の風力発電装置１-1〜１-4のうち、最も風上側に位置している１つの風力発電装置１-1が取得した風向風速の情報を他の風力発電機１-2〜１-4が利用する構成としている。

図１１に示すように、複数の風力発電装置のうち最も風上にある風力発電機を１-1とすると、風力発電装置１-1は自装置の第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７により測定した圧力測定値に基づいて得られた風向風速の情報（風向風速データＤ）を、風下側にある他の風力発電装置１-2〜１-4に送信する。

風力発電装置１-2〜１-4は、最も風上側に位置している風力発電装置１-1から風向風速データＤを受信する機能と、その受信した風向風速データＤに基づいて自装置のヨー角等を制御する機能と、を有する。

なお、風力発電施設２８に対する風向の変化により、風力発電施設２８内において最も風上側に位置する風力発電装置は変化することになる。その場合、新たに最も風上側に位置することになった一の風力発電装置が風力発電装置１−1となり、その他の複数の風力発電装置が風力発電装置１-2〜１-4となる。

第７の実施形態によれば、ある時刻において、風力発電施設２８内の最も風上側に位置している風力発電装置１-1を特定し、当該風力発電装置１-1において得られた風向風速の情報に基づいて、風下側にある風力発電施設２８内の全ての風力発電装置１-1〜１-4のナセル４のヨー角等を制御することができる。風力発電装置１-1により得られる風向風速の情報は、ブレード２の回転に伴う後流の影響を受けていない情報であるため、その情報に基づいて風力発電施設２８内の全ての風力発電装置１-1〜１-4のナセル４のヨー角を制御することにより、風力発電施設２８内の全ての風力発電装置１-1〜１-4において、風のエネルギーを効率良くロータの回転エネルギーに変換し得るように運転制御を行うことができる。

また、最も風上側に位置している風力発電装置１-1から風向風速の情報を受ける他の風力発電装置１-2〜１-4は、自装置に対する風向風速の急な変化を事前に把握できるため、ロータ３を停止させたり回転速度を減じたりする予防保全制御を早期に行うことが可能となり、故障や破損のリスクを軽減できる。

また、最も風上側に位置している風力発電装置１-1から風向風速の情報を受ける他の風力発電装置１-2〜１-4は、自装置の第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７による圧力測定処理及びその測定値に基づく風向風速の情報の取得処理を停止しており、それらの処理が省略される分だけ自装置における情報処理量が削減されるので、情報処理の効率化及び予防保全制御の高速化を図ることが可能となる。

（変形例３）
本変形例３では、複数の風力発電装置のうち、風上側にある風力発電装置と風向きに沿ってその背後に位置する風下側の風力発電装置を特定して、ペアを形成し、風上側の風力発電装置で得た風向風速の情報を風下側の風力発電装置が利用することを特徴としている。

以下、具体例を図１２を用いて説明する。
図１２の例では、風力発電施設２９内の複数（この例では６基）の風力発電装置１-1〜１-6のうち、１-1と１-4、１-2と１-5、及び１-3と１-6の風力発電装置が、それぞれ風向に対して風上風下関係にあり、３つの装置ペアＰ１〜Ｐ３が形成されている。

風上側に位置する風力発電装置１-1，１-2，１-3は、自装置の第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７により測定した圧力測定値に基づいて得られた風向風速データＤを、それぞれ風下側に位置する風力発電装置１-4，１-5，１-6に送信する機能を有している。

本変形例３によれば、風力発電施設２９内において風上側の風力発電装置１-1，１-2，１-3それぞれの風下側に位置している風力発電装置１-4，１-5，１-6の制御をそれぞれの風上側に位置する風力発電装置１-1，１-2，１-3の情報に基づいて実施することができるので、場所によって風向風速が異なる風力発電施設２８内の風力発電装置において、風のエネルギーをより高効率かつ高精度でロータの回転エネルギーに変換し得るように運転制御を行うことができる。

また、風下側に位置する風力発電機は、自身で情報処理を行う必要がないので、風力発電施設２９全体として、情報処理の効率化及び予防保全制御の高速化を図ることができる。

［第８の実施形態］
第８の実施形態に係る風力発電施設の運転制御方法を、図１３を用いて説明する。
図１３に示す風力発電施設３０は、複数基（この例では５基）の風力発電装置１-1〜１-5と、これらを制御する集中制御装置３１と、を有している。複数基の風力発電装置１-1〜１-5には少なくとも１以上の本発明の実施形態に係る風力発電装置が含まれる。

風力発電施設３０内の全ての風力発電装置は、自装置の第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７からの測定値又は風向風速計４４の測定値に基づいて得られた風向風速の情報を集中制御装置３１に送信する機能と、集中制御装置３１から風況データを受信する機能と、集中制御装置３１から受信した風況データに基づいて自装置のヨー角等を制御する機能と、を各々有する。

集中制御装置３１は、風力発電施設３０内の全ての風力発電装置から風向風速の情報を受信する機能と、各風力発電装置から受信した風向風速の情報に基づいて、風力発電施設３０内の風況を常時分析し、刻々と変化する風向風速分布を算出することで、風力発電装置の後流の影響や地形の影響などを考慮した風況データを逐次生成する機能と、生成した風況データを風力発電施設３０内の全ての風力発電装置に送信する機能と、を有している。

第８の実施形態によれば、風力発電施設３０内の全ての風力発電装置における風向風速の情報を集中制御装置３１に集約し、その集約した情報に基づいて、風力発電施設３０内の全ての風力発電装置のヨー角等を制御することができる。よって、風力発電施設３０全体としての風のエネルギーの利用効率を最大化しうるように、風力発電施設３０内の全ての風力発電装置を運転制御することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記第１の実施形態において、通常時には、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７による測定値に基づいて運転制御を実施し、第１の圧力測定部１６又は第２の圧力測定部１７に故障などが発生した異常時には、風向風速計１５による測定値に基づいて運転制御を実施するようにしてもよい。その他の実施形態についても同様である。

また、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１では、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７の測定値に基づく風向風速により、ナセル４のヨー制御がなされるとともにブレード２のピッチ角制御がなされる構成としたが、ブレード２のピッチ角制御については、従来と同様に、ナセル４の上部に設置された風向風速計１５により測定した風向風速のみに基づいてなされるようにしてもよい。その他の実施形態についても同様である。

また、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１において、チルト角θを変化させるチルト駆動部を更に備え、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７による圧力測定値に基づいてチルト駆動部を制御するように構成してもよい。その他の実施形態についても同様である。

また、図９に示した変形例２では、第１の圧力測定部１６及び第２の圧力測定部１７のそれぞれの圧力導通管１８内に粘着性の流体２３が充填され、それぞれの圧力導通管１８の外部側の端部１８ｂが弾性変形可能な封止体２５で封止されているが、この構成において流体２３を省略することも可能である。すなわち、圧力導通管１８の外部側の端部１８ｂを弾性変形可能な封止体２５で気密に封止することにより、圧力導通管１８の内部に空気が閉じ込められた状態にしておき、外気圧が封止体２５及び圧力導通管１８内の空気を介して感圧素子１９に作用するように構成することも可能である。この構成によっても、雨水や砂塵などから感圧素子１９を有効に保護することができる。

１…風力発電装置、１−1〜１-6…風力発電装置、２…ブレード、３…ロータ、４…ナセル、５…タワー、６…ヨー駆動部、７…設置面、８…ハブ、９…主軸、１１…ノーズコーン（略円錐状の先端部材）、１２…ピッチ駆動部、１４…制御部、１６…第１の圧力測定部、１７…第２の圧力測定部、１７-1〜１７-4…第２の圧力測定部、１８…圧力導通管、１８ａ…端部、１８ｂ…端部、１９…感圧素子、２１…温度センサ、２３…流体、２５…封止体、２６〜３０…風力発電施設、Ａ…ロータ軸、Ｄ…風向風速データ、Ｇ１…上流側装置群、Ｇ２…下流側装置群

Claims (10)

1. ブレードを放射状に支持するハブと、当該ハブの一端部に固定されたノーズコーンと、を有するロータと、
   前記ロータをロータ軸回りに回転可能に支持するナセルと、
   前記ナセルの方向を制御するための制御部と、
   前記ノーズコーンの先端部及び周面部にそれぞれ設けられた第１の圧力測定部及び第２の圧力測定部と、
   を有することを特徴とする風力発電装置。
2. 前記第２の圧力測定部は、前記ロータの回転軸に関して１８０度で回転対称となる二か所に設けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記第２の圧力測定部は、前記ロータの回転軸に関して９０度で回転対称となる四か所に設けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
4. 前記第１の圧力測定部及び前記第２の圧力測定部は、
   前記ノーズコーンの外部に開口する圧力導通管と、
   前記圧力導通管の端部に設けられた感圧素子と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の風力発電装置。
5. 前記第１の圧力測定部及び前記第２の圧力測定部の近傍に温度センサを設けたことを特徴とする請求項４記載の風力発電装置。
6. 前記圧力導通管内に粘着性の流体が充填されていることを特徴とする請求項４又は５記載の風力発電装置。
7. 前記圧力導通管の開口に弾性変形可能な封止体が設けられていることを特徴とする請求項６記載の風力発電装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の風力発電装置を少なくとも１以上有する風力発電施設の運転制御方法であって、
   前記風力発電装置に設けられた第１の圧力測定部及び第２の圧力測定部で測定された風向風速データに基づいて、前記風力発電施設の全ての風力発電装置の運転を制御することを特徴とする風力発電施設の運転制御方法。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の風力発電装置を複数備えた風力発電施設の運転制御方法であって、
   前記複数の風力発電装置のうち、最も風上側に位置している風力発電装置を特定し、その風力発電装置で得られた風向風速データに基づいて、前記風力発電施設の全ての風力発電装置の運転を制御することを特徴とする風力発電施設の運転制御方法。
10. 請求項１乃至７のいずれかに記載の風力発電装置を複数備えた風力発電施設の運転制御方法であって、
    前記複数の風力発電装置のうち、風向きに対し風上側に位置している風力発電装置と風下側にある風力発電装置を特定し、風上側に位置している風力発電装置で得られた風向風速データを用いて風下側にある風力発電装置の運転を制御することを特徴とする風力発電施設の運転制御方法。
    

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