JP3978186B2 - アップウィンド型風車及びその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車発電装置等に適用され、支柱上に旋回可能に支持されたナセルの前方部位に風力により回転せしめられる複数の翼を設け、該翼の回転力により主軸を介して発電機等の被駆動機械を駆動するように構成されたアップウィンド型風車及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の翼に風力を作用させて回転力を発生せしめ、該回転力により主軸を介して発電機を駆動するようにした風車発電装置を多数併設することにより高出力の発電能力を備えた風力発電設備は、丘陵上や山上等の高所あるいは洋上等の高風速が得られる場所に設置され、通常、稼動時における風速エネルギや消費電力（必要発電電力）に対応して主軸に連結される翼のピッチを変化させ、所要の発電電力を保持するように制御されている。
かかる風車発電装置に用いられる風車は、支柱上に支持されたナセルの前方部位つまりアップウィンド（風上）側に複数の翼を設けたアップウィンド型風車が多く用いられている。
このようなアップウィンド型風車は特開平５−６００５３号にすでに開示されており、風車翼により回転するロータを、主軸（風車軸）を介して支持するナセル（風車ロータ支持体）を有し、前記ナセルは前記主軸の回転を発電機等のエネルギ変換装置とともに該変換装置に伝達する駆動伝達部を内蔵し、地上や船上等の接地面より垂直に立設された支柱に水平方向に旋回自在に支持されている。
そして、かかる風車発電装置においては、複数の翼が固定されたロータに直結される主軸を回転自在に支持するナセルを風向きに応じて旋回させ、前記翼を常時風の方向に向けて風力を効率よく翼に作用させるように風車翼、ロータ、主軸及びナセルを含む風車本体を水平方向に所定角度旋回制御させるヨー制御（方位制御）手段が用いられ、該ヨー制御手段を備えた風車は、例えば特許文献１（特開平８−８２２７７号）に示されるように、風向きに応じて旋回させているナセルを台風等の強風作用時に制動するヨーブレーキ３を備えている。
該ヨーブレーキ３は、具体的には第１３図及び第１３図のＺ部詳細を示す第１４図のように、支柱１０６上に配設され翼１０１、ロータ１０５、主軸及びナセル１０２からなる風車本体１００Ａの固定用として使用されており、支柱１０６上面と該支柱１０６上部に配置した風車本体１００Ａとの間に、回動座軸受３１２を介在させ、該軸受３１２を介して前記支柱１０６と該軸受３１２との間にブレーキ板３０４を取付け、該ブレーキ板３０４を挟んで上下に対向して、油圧シリンダ３０１ａ、３０１ｂ及びブレーキキャリパ３０８を備えた油圧駆動式ディスクブレーキ装置３１０を配設し、該油圧駆動式ディスクブレーキ装置３１０で前記ブレーキ板３０４を挟圧することにより、前記風車本体１００Ａの支柱１０６に対する相対回転を制止するように構成されている。
そして前記ヨー制御手段及びヨーブレーキを備えたアップウィンド型風車発電装置においては、通常運転時にはヨー制御手段によって風車本体を風向きに応じて旋回させ、翼を常時風の方向に向けるように制御しているが、台風等の突風や強風発生時に発電装置の不作動により停電が発生した場合にはヨー制御が不能となるため、前記ヨーブレーキを作動させて風車本体の旋回をロックしている。
前記のように、アップウィンド型風車発電装置においては、一般に突風や強風作用時に停電が発生した場合には、前記特許文献１等の従来技術に示すように、ヨーブレーキを作動させて風車本体の旋回をロックして待機させている。このため、かかる従来技術にあっては、前記風車本体の旋回をロックしての待機時に強風が斜め方向から翼に作用した場合には、翼に斜め方向の過大な偏荷重が作用して、翼の破損の発生をみることが多々ある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、アップウィンド型風車において、強風作用時に停電が発生した場合においても、翼に斜め方向荷重等の変則的な過大荷重が作用するのを回避して、翼の破損の発生を防止し得る為に、風車翼により回転するロータを支持するナセル（風車ロータ支持体）を有し、前記ナセルは前記ロータの回転を発電機等のエネルギ変換装置とともに該変換装置に伝達する駆動伝達部を内蔵し、地上や船上等の接地面より垂直に立設された支柱に水平方向に旋回自在に支持されて構成されたアップウィンド型風車及びその運転方法を提供することを目的とする。
特に風車を用いた風力発電は大型化の一途を辿っており、今後も風車単機容量の増加は続く。その中で風車の軽量化低コスト化の為には、空力荷重の低減が必須である。
【０００４】
そこで本発明の他の目的は、風車の翼により回転するロータを支持するナセルを備えた風車本体を、地上や船上等の接地面より垂直に立設された支柱に水平方向に旋回自在に支持されている水平方向旋回自在型風車の水平方向旋回自在の特性を生かして、台風や突風等で生じたクリテイカルな荷重（強度的に問題となる臨界点の荷重）を低減できるアップウィンド型風車及びその運転方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そして、本発明はかかる課題を解決するもので、その第１発明は、地上や船上等の設置面より垂直に立設された支柱上に、水平旋回方向に旋回自在に支持されたナセルと、該ナセルの前方部位に風力により回転せしめられる複数の翼を備えたロータとからなる風車本体を設け、前記翼の回転力により前記ロータを介して発電機等の被駆動機械を駆動するように構成されたアップウィンド型風車であって、前記支柱とナセル間に設けられた風車本体の回動駆動機構と、風速若しくはロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号及び被駆動機械よりの異常信号の内の少なくとも１の異常信号を受けて、前記翼を備えたロータがアップウィンド（風上）側から翼の回転面が支柱よりも風下側のダウンウィンド（風下）側に待機するように、前記風車本体を、アップウィンドの原位置からダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回制御させる制御装置とを備え、
前記制御信号が、前記翼が受ける風速が前記カットアウト風速以上を検知した信号と、風車本体がアイドリング状態になった事を検知する信号と、前記風速検知により得られたカットアウト風速以上の風車本体の強度より設定された第３の風速（いわゆる臨界風速で、ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速：（風車本体が強度的に許容される臨界強度より３〜４σ程度マイナスされた強度許容値に対応する風速））を検知する信号の組み合わせであることを特徴とするアップウィンド型風車を提案する。
尚、本出願前の平成１３年３月２０日制定の当業者自明の「日本工業規格ＪＩＳ Ｃ１４００−１（風力発電システム第１部：安全要件）」によれば「アップウインド：主たる風ベクトルと反対の方向、ダウンウインド：主たる風ベクトルの方向」と夫々定義されていることからダウンウィンド（風下）の方向は、前記風車本体を９０°から２７０°の範囲の任意角度（前記ＪＩＳの定義からして９０°とは２７０°の角度方向は除かれる。）、好ましくは風下直下の略１８０°の方位位置である。
かかるに発明において好ましくは、前記風速若しくはロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号が、風速増加により風車本体への過大荷重に対応して設定されるカットアウト風速以上の風速を検知した信号と前記検知信号を受けて風車本体がアイドリング状態になっている事を検知する信号の組み合わせにより構成される。
【０００６】
尚、当業者自明の前記「日本工業規格ＪＩＳ Ｃ１４００−１（風力発電システム第１部：安全要件）」によれば「（風車）のアイドリング：電力を発生しないで、低速回転している風力タービンの状態、カットアウト風速（Ｖout）：風車が利用可能な動力を生むハブ高さにおける最大の平均風速（ハブ高さも風車ロータ中心の地表高さ）」夫々と定義されている。
【０００７】
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体をダウンウィンド位置からアップウィンドの原位置に復帰させる復帰信号が、風車本体への過大荷重に対応するカットアウト風速以上の臨界風速（ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速）以下であることを確認する信号により構成される。
また、かかる発明において好ましくは、前記翼が受ける風速を検出する風速検出器と、前記ロータの回転数を検出する風車回転数検出器とを備え、前記制御装置が、前記風速検出器からの風速検出値と設定されたカットアウト風速とを比較する風速比較手段と、該風速比較手段により前記風速検出値がカットアウト風速以上の場合に回転数に基づいて風車本体がアイドリング状態になっている事を検知するアイドリング検知手段とを備える。
また、かかる発明において好ましくは、前記回動駆動機構に組み込まれた回転駆動体にブレーキ手段を設け、風車本体をアップウィンド側からダウンウィンド側への旋回時に前記ブレーキ手段により回転力を減衰させて駆動させる。
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体のダウンウィンド待機時に該風車本体の回動を制動するヨーブレーキを解除せしめるブレーキ作動制御手段を備える。
また、かかる発明において好ましくは、前記主軸に前記被駆動機械として発電機を直結駆動する風車発電装置を備えるとともに、該風車発電装置の停電を検出する停電検出器を備え、前記制御装置は前記停電検出器から風車発電装置の停電検出信号が入力されたときバッテリーを作動させて前記風車本体を前記アップウィンド位置からダウンウィンド位置に回動せしめるバッテリー制御手段を備える。
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体を前記支柱廻りに回動せしめるとともに該風車本体のヨー制御（方位制御）を行うヨーモータと、該ヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキとを備え、前記制御装置は、前記風車本体をダウンウィンド位置に移行後ヨーモータによるヨー制御を停止し、前記ヨーブレーキを解除するとともに前記ヨーモータブレーキを作動させて前記風車本体を風下方向に自然追従せしめるように構成される。
さらに、かかる発明において好ましくは、前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結する風車発電装置を備えるとともに、該風車発電装置の停電を検出する停電検出器を備え、前記制御装置はアップウィンド位置において前記停電検出器から停電信号が入力されたとき、前記ヨーブレーキを低速度で解除して前記風車本体を前記アップウィンド位置からダウンウィンド位置に旋回せしめるように構成されてなる。
【０００８】
次に本発明の第２発明は、地上や船上等の設置面より垂直に立設された支柱上に、水平旋回方向に旋回自在に支持されたナセルと、該ナセルの前方部位に風力により回転せしめられる複数の翼を備えたロータとからなる風車本体を用意し、前記翼の回転力により前記ロータを介して発電機等の被駆動機械を駆動するようにしたアップウィンド型風車の運転方法において、前記翼が受ける風速、ロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号及び被駆動機械よりの異常信号の内の少なくとも１の異常信号を受けて、前記翼を備えたロータがアップウィンド（風上）側から翼の回転面が支柱よりも風下側のダウンウィンド（風下）側に待機するように、前記風車本体をダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回させ、
前記翼が受ける風速として前記カットアウト風速以上を検知した信号と風車がアイドリング運転状態になった事を検知した後の最大瞬間風速を検知した第３の信号とに基づいて、前記風車本体をダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回させることを特徴とする。
尚、ダウンウィンド（風下）の方向は、前記風車本体を９０°から２７０°の範囲の任意角度（前記ＪＩＳの定義からして９０°とは２７０°の角度方向は除かれる）、好ましくは風下直下の略１８０°の方位位置である。
【０００９】
かかる発明において好ましくは、風速増加により風車本体への過大荷重に対応して設定されるカットアウト風速以上の風速を検知した信号と前記検知信号を受けて回転数に基づいて風車本体がアイドリング状態になっている事を検知する信号とのアンドを取って生成された異常信号により、前記風車本体をダウンウィンド位置（９０°から２７０°の範囲（前記ＪＩＳの定義からして９０°とは２７０°の角度方向は除かれる）の任意の角度までの方位位置）に旋回させる。
また、かかる発明において好ましくは、前記第３の信号が、風車本体が強度的に許容される臨界強度よりマイナスされた強度許容値に対応する最大瞬間風速（ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速）以上を検知する信号である。
また、かかる発明において好ましくは、前記待機位置での最大瞬間風速が、風車本体が強度的に許容される臨界強度よりマイナスされた強度許容値に対応する最大瞬間風速（ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速）以下であることを確認した後、風車本体をアイドリング運転状態でダウンウィンド位置からアップウィンドの原位置に復帰させる。
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体がアイドリング状態になっている事が風車回転数検出信号により検知される。
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体をアップウィンド側からダウンウィンドへの旋回時にブレーキ手段によりヨーモータの回転力を減衰させて駆動させる。
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体のダウンウィンド移行後に、前記風車本体の旋回を制動するヨーブレーキを解除せしめ、前記風車本体が風力に対し揺動自在に待機させる。
また、かかる発明において好ましくは、前記風車本体のダウンウィンド移行後に、風向きに対応して風車本体の向きを変えるヨー制御（方位制御）を行う。
また、かかる発明において好ましくは、前記ヨーブレーキを解除し、前記風車本体を支柱廻りに旋回せしめるとともに該風車本体のヨー制御（方位制御）を行うように構成されたヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキを作動させて前記風車本体をダウンウィンド方向に自然追従せしめる。
また、かかる発明において好ましくは、前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結させたアップウィンド型風車を運転するにあたり、前記発電機の停電検出信号が入力されたとき、バッテリーよりの電力を受けて、前記風車本体を９０°から２７０°（前記ＪＩＳの定義からして９０°とは２７０°の角度方向は除かれる）の範囲の任意の角度までの方位位置に旋回させる。
さらに、かかる発明において好ましくは、前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結する風車発電装置の停電が検知されたとき、前記風車本体の旋回を制動するヨーブレーキを解除するとともに、バッテリーよりの電力を受けて、前記風車本体を支柱廻りに旋回せしめるとともに該風車本体のヨー制御（方位制御）を行うように構成されたヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキを作動せしめる。
【００１０】
したがって本発明によれば、通常運転時には制御装置によって風車本体を風向きに応じて旋回させ、翼を常時風の方向に向けるように制御しており、一方、突風や強風作用時に前記風速検出器から制御装置に入力される風速検出値が該制御装置に予め設定されたアイドル移行時の開始点となるカットアウト風速以上となりかつ風車回転数検出器から入力される風車回転数がアイドリング運転状態になると、該制御装置は風車本体を前記アップウィンド位置から９０°ないし２７０°（前記ＪＩＳの定義からして９０°とは２７０°の角度方向は除かれる）後部側に旋回させてダウンウィンド位置に移行せしめ、該ダウンウィンド位置にて風車を待機させる。
然るに翼の回転面が支柱よりも風下側に位置しているつまりダウンウィンド位置にあるダウンウィンド型風車は、翼の回転面に対して斜め方向からの風が前記翼を備えたロータを風向きに合わせる方向に作用するという機能を備えていることから、かかるアップウィンド型風車を突風や強風作用時に前記のようにして風下側、好ましくは風下直下のダウンウィンド位置に移行せしめて待機させることにより、格別なヨー制御を行うことなく風車を風向きに追従せしめることが可能となる。
これにより、突風や強風作用時に該強風が斜め方向から翼に作用した場合においても、翼が自動的に風向きに追従せしめられることにより、翼に斜め方向の変則的な過大荷重が作用するのが回避され、かかる過大荷重による翼の破損の発生を防止できる。
また、かかる発明によれば、制御装置によって風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行せしめ該ダウンウィンド位置にて風車を待機させた後、該制御装置によってヨーブレーキを解除してブレーキ開放状態とすることにより、風向きの変化に対して風車が自在に追従できて追従性が上昇し、強風が斜め方向から翼に作用した場合における翼への変則的な過大荷重の作用をより確実に回避できる。
【００１１】
また、かかる発明によれば、前記風車本体のダウンウィンド位置への移行後に、アップウィンド位置の場合と同様に、風向きに対応して風車本体の向きを変えるヨー制御（方位制御）を行うことも可能となる。
また、かかる発明によれば、台風等の突風や強風作用時に発電装置の不作動により停電が発生しヨー制御が不能となった場合には、制御装置によりバッテリーを作動させ、該バッテリーの動力によって前記風車本体をアップウィンド位置から９０°から２７０°（前記ＪＩＳの定義からして９０°とは２７０°の角度方向は除かれる）の範囲の風下側、好ましくは風下直下の略１８０°の方位位置に旋回させてダウンウィンド位置に移行せしめ、該ダウンウィンド位置にて風車を待機させ、さらにヨーブレーキを解除せしめるので、台風等の突風や強風作用に伴う停電時においても、既存のバッテリー電源を利用して風車をダウンウィンド位置に移行せしめ、ヨーブレーキを解除することにより、格別な駆動電源を設置することなく、風向きの変化に対して風車を自在に追従させることができ、強風が斜め方向から翼に作用した場合における翼への変則的な過大荷重の作用を回避できる。
しかして、アップウィンド型風車において、翼に作用する風速が前記アイドル状態に移行の基準風速となるカットアウト風速以上の風速になったとき、風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行せしめるようにすると、風速の変動が激しい場合等においては、風速検出値に基づくアイドル状態に移行の基準風速となるカットアウト風速の平均値がカットアウト風速の設定値（平均値）よりも大きくなることが頻繁に起こり易く、その度毎に風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめることを要し、風車の運転効率が大きく低下する。
【００１２】
然るにかかる発明によれば、翼に作用する風速がアイドル状態に移行の基準風速となるカットアウト風速以上の風速である第３の風速設定値を風車強度の最大許容値に対応する瞬時最大風速（臨界風速）に基づき設定し風車回転数がアイドリング運転状態であるときに、前記風速が臨界風速（ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速）以上となった場合に、前記制御装置により前記風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめるとともにヨーブレーキを解除するように構成されている。
即ちかかる発明によれば、風速の変動が激しい場合においても、風車強度許容値（風車本体が強度的に許容される臨界強度より３〜４σ程度マイナスされた強度許容値）に対応する瞬時最大風速の前記臨界風速にて前記風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめるので、実際の風速がアイドル状態ではすぐに移行せずにその後を風車強度許容値に対応する前記瞬時最大風速値を超える場合のみにおいて、前記風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめることが可能となる。
従ってかかる発明によれば、風速の変動が激しい場合においても、ナセルをアップウィンド位置からダウンウィンド位置に頻繁に移動せしめることが回避されて、実際の風速が前記風車強度許容値（風車本体が強度的に許容される臨界強度より３〜４σ程度マイナスされた強度許容値）に対応する瞬時最大風速値を超える場合のみにおいて該風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置にソフトに移動することができ、風車の運転効率が大きく向上する。
【００１３】
また、前記のように、風車のダウンウィンド位置においては、翼の回転面が支柱よりも風下側に位置しているため、翼の回転面に対して斜め方向からの風が、翼が取り付けられたロータの主軸を風向きに合わせる方向に作用するという機能を備えている。
然るに通常運転時において、ダウンウィンド位置に移行後、通常運転時においてはヨー制御を停止し、停電時においてはそのまま前記ナセルを風下方向に自然追従せしめることにより、翼に斜め方向の変則的な荷重が作用しても、格別な制御を要することなく、翼に修正モーメントが発生して翼が自動的に風向きに追従せしめられ、かかる変則的な荷重による翼及び回転部材の破損を防止できる。
しかしながら、強風時等において前記修正モーメントが過大になった場合には、前記ヨーブレーキ及びヨーモータブレーキを解除して風車本体を風下方向に自然追従せしめると、前記修正モーメントが増速された回転力となってヨーモータに作用することから、かかる回転力による過大回転によってヨーモータが破損することがある。
【００１４】
そこで、かかる発明によれば、前記風車本体風下側移行後においては、前記ヨーモータの回転を制動するモータブレーキを作動させ、該ヨーモータの回転を適度に抑制することにより、前記のようなヨーモータの過大回転が回避され、該過大回転によるヨーモータの破損を防止できる。
また、かかる発明によれば、強風作用時している状態において、アップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行時にから徐々にヨーブレーキを解除しながら移行することにより、ヨーモータ等のヨー制御装置に無理な力が掛かることなく、滑らかにダウンウィンド位置に移動することができる。
また、かかる発明によれば、アップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行した後、アップウィンド位置に戻す際に、アップウィンド位置戻し風速を、前記臨界風速とカットアウト風速との中間風速に設定することにより、アップウィンド位置→ダウンウィンド位置→アップウィンド位置の切り換えループにヒステリシスを持たせることができて、僅かな風速変化でナセルが逆方向に戻されることがなく、安定したアップウィンド位置→ダウンウィンド位置間の移行ができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１６】
本発明の第１実施例を示す第１図において、１００はアップウィンド型の風車であり、支柱１０６上に支持されたナセル１０２の前部つまりナセル回転軸心１０４よりも前方部位に風力によって回転せしめられる複数の翼１０１を備えたロータ１０５を設け、該翼１０１の回転力により前記ロータ１０５に直結される主軸１０３を介してナセル１０２に内蔵した発電機等の被駆動機械を駆動するように構成されている。
該アップウィンド型の風車１００において、１０５はロータで、その外周には複数の翼１０１が円周方向等間隔に取り付けられている。そして、該翼１０１は、翼ピッチを変化可能なピッチ制御手段（不図示、風車のピッチ可変機構は特開平５−１４９２３７、特開平７−４３４４等に開示）によって変化可能とされている。
ピッチ可変機構を第１５図に基づいて簡単に説明するに、風力発電装置における中空のロータ１０５の先端中心部にはピッチ制御用のサーボモータ３２１が固定され、ロータ１０５内に向けられているモータ軸３１２ａにはかさ歯車である主歯車３１３ａが取付けられている。前記ロータ１０５には、翼（ブレード）１０１がブレード用軸受３１６を介して取付けられ、翼１０１の基端側にはかさ歯車である副歯車３１４ａが取付けられている。該副歯車３１４ａは、上記主歯車３１３ａに対して直角に配置されている。また該副歯車３１４ａの旋回軸は、翼１０１の中心軸上に配置され、翼１０１は前記ブレード用軸受６の作用によって、ロータヘッド１０５ａに対して旋回可能となっている。
そして前記風車のピッチ可変機構３２０によれば、風車の電力等を制御するため、翼１０１のピッチを可変させる場合は、図示しない制御部の指令によりサーボモータ３１２を駆動させると、主歯車３１３ａが所定方向に回動する。該主歯車３１３ａは翼枚数と同数たとえば３枚の副歯車３１４ａと噛合しているので、同時に、同方向に、同量のピッチだけ副歯車３１４ａが回転する。これにより３枚の翼１０１は同じピッチだけ回転し、翼ピッチを可変することになる。
このように、主歯車３１３ａを３枚の副歯車３１４ａに連動させているので、各翼１０１を同じピッチだけ変位させることができる。
尚、前記ピッチ可変機構は、油圧シリンダとリンクとを組み合わせたもの、あるいは、翼毎に電動モータで駆動させるもの、等も適用可能である。
第１図に戻って、１０３は前記ロータ１０５に直結された主軸でその出力端が図示しない発電機（発電機以外のエネルギ回収用の被駆動体でもよい）に連結されている。１０２は前記主軸１０３や軸受等の運動部分及び前記発電機等が収納されるナセル、１０６は地上や船等接地面より垂直に立設する支柱で、該ナセル１０２は支柱１０６上に水平方向に旋回自在に支持されている。
１は前記ナセル１０２の下部に固着された内歯歯車からなるリングギヤ、２は前記支柱１０６に軸受を介して回転自在に支持されて前記リングギヤ１に噛み合うピニオンである。
前記ナセル１０２は、ナセル駆動装置４によって駆動制御されるヨーモータ３０により減速機３１（何れも第１１図参照）を介して該ピニオン２を回転駆動し、該ピニオン２に噛み合うリングギヤ１をナセル回転軸心１０４廻りに回動させることにより、前記ナセル回転軸心１０４廻りに３６０°回動可能となっている。５は前記ナセル１０２内に設置されたバッテリーである。
尚、この例とは反対に、後述する第２実施例のように、支柱１０６頂部にリングギヤを固定し、ナセル１０２側にピニオン２及びヨーモータ３０を取り付けてもよい。
３は前記ナセル１０２の回転を制動するヨーブレーキで、該ヨーブレーキ３は例えば第１４図のように構成され、その構成自体は公知である。即ち、第１４図において、該ヨーブレーキ３は、支柱１０６上に配設され翼１０１、ロータ１０５、主軸及びナセル１０２からなる風車本体１００Ａの固定用として使用されており、支柱１０６上面と該支柱１０６上部に配置した風車本体１００Ａとの間に、回動座軸受３１２を介在させ、該軸受３１２を介して前記支柱１０６と該軸受３１２との間にブレーキ板３０４を取付け、該ブレーキ板３０４を挟んで上下に対向して、油圧シリンダ３０１ａ、３０１ｂ及びブレーキキャリパ３０８を備えた油圧駆動式ディスクブレーキ装置３１０を配設し、該油圧駆動式ディスクブレーキ装置３１０で前記ブレーキ板３０４を挟圧することにより、前記風車本体１００Ａの支柱１０６に対する相対回転を制止するように構成されている。
【００１７】
第１図において、６は前記複数の翼１０１に作用する風速を検出する風速検出器、７は前記主軸１０３の回転数を検出する風車回転数検出器、８は前記風車本体１００Ａ及び発電機を含む風車発電装置の停電（発電機及び発電回路の異常等により回路遮断して停電した場合）を検出する停電検出器、１０は制御装置である。
そして、前記風速検出器６にて検出された風速検出信号、風車回転数検出器７にて検出された主軸１０３の回転数検出信号、及び停電検出器８からの風車発電装置の通電遮断等の停電検出信号は前記制御装置１０に入力され、該制御装置１０は前記各検出信号に基づき後述する制御、演算を行って前記ナセル駆動装置４、ヨーブレーキ３、及びバッテリー５の動作を制御するようになっている。
かかる構成からなるアップウィンド型風車１００において、通常の運転時には、前記ナセル１０２は、前記制御装置１０及びナセル駆動装置４によって、第１図及び第３図の鎖線のように、前記翼１０１が該ナセル１０２の風向き前方部位つまり前記ナセル回転軸心１０４よりも風向き前方部位、即ちアップウィンド位置になるように位置設定されるとともに、風向きが所定偏差を超えた場合に、前記ヨーブレーキ３を開放して該ナセル１０２を風向きに応じて水平方向に回転軸心１０４を中心として所定角度旋回させ、正しい風向き位置にヨー制御（方位制御）する。即ち翼１０１、ロータ１０５及びナセル１０２からなる風車本体１００Ａを常時若しくは所定風向き範囲内で固定し、風向きが所定偏差以上になったときに前記ヨーブレーキ３を開放して風の方向に向けて固定するように制御している。
【００１８】
次に、第２図の制御ブロック図及び第４図の制御基本構成図に基づき、台風等の突風や強風作用時におけるアップウィンド型風車１００の運転方法について説明する。
前記風速検出器６からの風速検出値は制御装置１０の風速比較部１２に入力される。１１はアイドル状態に移行の基準風速となるカットアウト風速設定部で、カットアウト風速即ち該風車１００の発電機への連結を解除してその発電機への駆動運転を停止するロード限界風速（例えば２０〜２５ｍ／ｓ、以下カットアウト風速という）が設定されている。前記風速比較部１２においては前記風速検出値とカットアウト風速とを比較しその比較結果をナセル方位制御部１３に出力する（第４図のステップ（１））。
また、前記風車回転数検出器７からの風車回転数（主軸１０３の回転数）の検出値は前記ナセル方位制御部１３に入力される。
ナセル方位制御部１３においては、前記風速検出値がカットアウト風速以上でかつ前記風車回転数の検出値に基づいてアイドリング状態になっているとき（第４図のステップ（２））、前記ナセル駆動装置４にダウンウィンド位置（翼１０１を有するロータ１０５が風向き前方部位つまりナセル回転軸心１０４の風上側に対向する位置をアップウィンド位置とし、前記ロータ１０５が風向き後方部位つまりナセル回転軸心１０４の風下側（風方向に対し９０〜２７０°好ましくは略１８０°）に対向する位置に対向する位置をダウンウィンド位置とする）への操作指令信号を出力する。
該ナセル駆動装置４においては、前記操作指令信号に従い、第３図に示すように、前記ピニオン２及びリングギヤ１を介してナセル１０２を鎖線で示すアップウィンド位置から略１８０°後部側に回転軸心１０４を中心として水平に回転させて実線で示すダウンウィンド位置に移行せしめる（第４図のステップ（３））。これにより該風車本体１００Ａはダウンウィンド位置に待機することとなる（第４図のステップ（４））。
第２図に戻り、１５はヨーブレーキ作動制御部で、前記ナセル駆動装置４により風車本体１００Ａがダウンウィンド位置に待機せしめられた後、ヨーブレーキ操作装置１６にヨーブレーキ解除の操作信号を出力してヨーブレーキ３を解除せしめる。これによりヨーブレーキ３はブレーキ開放状態となり、ナセル１０２及び翼１０１の向きは風向きに追従して自由に変化可能となる。
【００１９】
従ってかかる実施例によれば、突風や強風作用時に前記動作によって、翼１０１の回転面が支柱１０６よりも風下側つまりナセル回転軸心１０４よりも風下側に位置したダウンウィンド位置に待機させるとともに、ヨーブレーキ３をブレーキ解除（開放）状態としたので、翼１０１の回転面に対して斜め方向からの風が作用しても、該翼１０１を備えたロータ１０５の回転軸が風向きに合わせる方向に動くという機能を発揮し、格別なヨー制御を行うことなく風車を風向きに追従せしめることができる。
これにより、突風や強風作用時に該強風が斜め方向から翼１０１に作用した場合においても、該翼１０１が自動的に風向きに追従せしめられることにより、該翼１０１に斜め方向の変則的な過大荷重が作用するのが回避される。
また、特に風車本体１００Ａをダウンウィンド位置に待機させた後、ヨーブレーキ３をブレーキ解除状態にすることにより、風向きの変化に対して風車本体１００Ａが自在に追従できて追従性が上昇し、強風が斜め方向から翼１０１に作用した場合における翼への変則的な過大荷重の作用をより確実に回避できる。
また、台風、ハリケーン等の突風や強風作用時等において、台風等の突風や強風作用時に発電装置の不作動により停電が発生しヨー制御が不能となった場合には、停電検出器８によって停電が検出され（第４図のステップ（５））、その停電検出信号が、前記制御装置１０のバッテリー制御部１４及び前記ヨーブレーキ作動制御部１５に入力されてこれらを作動させる。
即ち、該バッテリー制御部１４においては停電検出信号によりバッテリー５を作動させて（第４図のステップ（６））、該バッテリー５の動力によって、前記で示したナセル方位制御部１３の動作と同様に、前記ナセル１０２をアップウィンド位置から略１８０°後部側に回転させてダウンウィンド位置に旋回せしめ該ダウンウィンド位置にて風車本体１００Ａを待機させる。
【００２０】
そして、ヨーブレーキ作動制御部１５においては前記風車本体１００Ａの待機後、前記ヨーブレーキ操作装置１６にブレーキ解除の操作信号を出力してヨーブレーキ３を解除せしめる。これによりヨーブレーキ３はブレーキ開放状態となり、ナセル１０２〜翼１０１までの風車本体の向きは風向きに追従して自由に水平旋回して方位が変化可能となる。
従って、かかる実施例によれば、台風等の突風や強風作用時に発電装置の不作動により停電が発生しヨー制御が不能となった場合には、前記バッテリー制御部１４によりバッテリー５を作動させて前記ナセル１０２をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行せしめ、該ダウンウィンド位置にて風車を待機させた後、ヨーブレーキ作動制御部１５及びヨーブレーキ操作装置１６を介してヨーブレーキ３を解除せしめるので、台風やハリケーン等の突風や強風作用に伴う停電時においても、既存のバッテリー電源を利用して風車本体１００Ａをダウンウィンド位置に移行せしめた後、ヨーブレーキ３を解除することにより、格別な駆動電源を設置することなく、風向きの変化に対して風車を自在に追従させることができる。
前記バッテリー５には太陽電池若しくは二次電池を用い、二次電池の場合はナセル１０２に内蔵した発電機の余剰電力を受けて逐次蓄電しておく。
【００２１】
本発明の第２実施例を示す第５図において、１００は前記第１実施例と同様なアップウィンド型の風車で、接地面より垂設された支柱１０６上に水平方向に旋回自在に風車本体１００Ａが取り付けられている。
該風車本体１００Ａにおいて、１０５はロータで、その外周には複数の翼１０１が円周方向等間隔にかつ該翼１０１の翼ピッチを変化可能に取り付けられている。１０３は前記ロータ１０５に直結された主軸で、その出力端がクラッチ３０１を介して発電機３００（発電機３００以外の被駆動体、例えば圧縮機、ポンプ等の負荷でもよい）に連結されている。１０２は前記主軸１０３や軸受等の運動部分及び前記発電機３００等が収納されるナセル、１０６は支柱で、該ナセル１０２は前記支柱１０６上に水平方向に回転軸心１０４を中心として旋回可能に支持されている。
３は前記ナセル１０２の旋回を制動するヨーブレーキ、５は前記ナセル１０２内に設置されたバッテリーである。
第５図（Ａ）、（Ｂ）において、１は前記支柱１０６頂部に固着された内歯歯車からなるリングギヤ、２は前記ナセル１０２に軸受３２を介して回転自在に支持されて前記リングギヤ１に噛み合うピニオンである。前記ナセル１０２は、ナセル駆動装置４によって駆動制御されるヨーモータ３０により減速機３１を介して該ピニオン２を回転駆動し、該ピニオン２とリングギヤ１との噛み合いにより、該ピニオン２側をナセル回転軸心１０４廻りに公転させることにより、自在な方向つまり前記ナセル回転軸心１０４廻りに３６０°回転可能となっている。
２０は前記ヨーモータ３０の回転を制動するモータブレーキである。
前記ヨーモータ３０、減速機３１及びモータブレーキ２０の詳細は後述する。
尚、この実施例においては、前記ヨーモータ３０を１８０°対称位置に２台設けた例が示されているが、該ヨーモータ３０は１台あるいは３台以上であってもよい。
６は前記複数の翼１０１に作用する風速を検出する風速検出器、７は前記主軸１０３の回転数を検出する風車回転数検出器、８は前記風車本体１００Ａのナセル１０２内に組み込んだ発電機３００を含む風車発電装置の停電を検出する停電検出器、１０は風車本体１００Ａをナセル回転軸心１０４廻りに旋回させることにより、該風車本体１００Ａの旋回を制御する制御装置である。
そして、前記風速検出器６にて検出された風速検出信号、風車回転数検出器７にて検出された主軸１０３の回転数検出信号、及び停電検出器８からの風車発電装置の停電検出信号は前記制御装置１０に入力され、該制御装置１０は前記各検出信号に基づき後述する制御、演算を行って前記ナセル駆動装置４、ヨーブレーキ３を操作するヨーブレーキ操作装置１６、モータブレーキ２０を操作するモータブレーキ操作装置２５に出力するとともに、前記バッテリー５の動作を制御するようになっている。
前記ヨーモータ３０、減速機３１及びモータブレーキ２０等からなるヨーモータ機構の詳細を第１２図に示す。
第１２図において、前記ヨーモータ３０はロータ３０ａ、ステータコイル３０ｂから構成され、３０ｃは該ロータ３０ａに連結された出力軸である。３１は第１段減速機３１ａ及び第２段減速機３１ｂの２段からなる遊星歯車式の減速機である。該減速機３１の出力軸３１ｃは前記ピニオン２に連結されている。
２０ａはモータブレーキ２０のブレーキシュー、２０ｂは電磁コイル、２０ｃは前記ブレーキシュー２０ａをロータ３０ａに押し付ける方向に付勢されたばね、２０ｄは該ばね２０ｃのばね力つまり前記ブレーキシュー２０ａとロータ３０ａとの間の押付力を調整する調整ねじである。電磁コイル２０ｂによる磁界とばね２０ｃ付勢によりブレーキシュー２０ａがロータ３０ａ頂面に圧接若しくは離間してブレーキ機能をなす。
かかるヨーモータ機構において、前記ヨーモータ３０の回転力は第１段減速機３１ａ及び第２段減速機３１ｂの２段遊星歯車式の減速機３１にて所定の回転数まで減速され、出力軸３１ｃからピニオン２を回転せしめる。そして該ピニオン２とリングギヤ１との噛み合いによる該ピニオン２側の公転により、前記ナセル１０２を旋回せしめる。
風車の通常運転時等の、ヨーモータ３０によるナセル１０２回転駆動時には、前記ブレーキシュー２０ａは電磁コイル２０ｂの電磁力により図の上方に引き付けられ、ロータ３０ａから離れてモータブレーキ２０は開放状態となっている。
前記モータブレーキ２０を作動させる場合には、前記電磁コイル２０ｂの通電を遮断し前記電磁力を０にすると、該ブレーキシュー２０ａは前記ばね２０ｃのばね力によって下方に押され、前記ロータ３０ａに押し付けられて、ロータ３０ａの回転が制動される。
次に、第６図ないし第１０図に基づきかかる第２実施例の動作について説明する。
通常の運転時には、ヨーブレーキ３及びモータブレーキ２０を開放及び固定してのヨー制御、即ち、前記翼１０１が該ナセル１０２の風向き前方部位つまり前記ナセル回転軸心１０４よりも風上側即ちアップウィンド位置になるように位置設定されるとともに、風向きを検知する方位計により風向きと風車位置が所定偏差以上になった際に、前記ヨーブレーキ３を開放して該ナセル１０２を風向きに応じて水平方向に回転軸心１０４を中心として所定角度旋回させた後、該ヨーブレーキ３を作動させることにより風車本体を風向き位置に正対させて、ヨー制御（方位制御）即ち翼１０１、ロータ１０５及びナセル１０２からなる風車本体１００Ａを常時風の方向に向けるように制御を行う。
【００２２】
次に台風等の突風や強風作用時において、アップウィンド型風車１００をアップウィンド位置（第７図及び第８図のステップ（１））からダウンウィンド位置に移行する際には次のような制御動作を行う。
前記風速検出器６からの風速検出値は制御装置１０のカットアウト風速比較部１２に入力される（第８図のステップ（１−１）。１１はカットアウト風速設定部で、カットアウト風速即ち該風車１００の主軸１０３と発電機の連結を解除して負荷運転を停止する負荷運転限界風速（例えば２０〜２５ｍ／ｓ）が設定されている。
前記カットアウト風速比較部１２においては前記風速検出値Ｖとカットアウト風速設定値Ｖｃとを比較し、前記風速検出値Ｖが負荷運転からアイドル状態に移行の基準風速となるカットアウト風速設定値Ｖｃよりも大きいとき（Ｖ＞Ｖｃ）、その比較結果信号をアイドリング制御部４１に入力して（第７図及び第８図のステップ（２））、アイドリング制御部０１２からの信号により発電機３００のクラッチ３０１により、主軸１０３と発電機３００の連結を解除してアイドリング運転を行う（第８図のステップ（２−１）。
前記風速検出値Ｖがアイドル状態に移行の基準風速となるカットアウト風速設定値Ｖｃよりも小さいか同じとき（Ｖ≦Ｖｃ）は、アップウィンド位置でクラッチを連結して通常の負荷運転に戻る（第７図及び第８図のステップ（２））。
アイドリングがなされたかどうかの判断は、次のステップにより行う。
即ち、第６図のように、前記風車回転数検出器７からの風車回転数（主軸１０３の回転数）の検出値は前記ナセル方位制御部１３に入力されている（第８図のステップ（２−３）。
ナセル方位制御部１３においては、前記風車回転数の検出値の変化によりアイドリング状態になっているかを確認し（第７図及び第８図のステップ（３））、アイドリング状態になっている場合は、前記風速検出器６よりの信号を前記ＤＷＳＳ風速比較部２１に入力する（第８図のステップ（３−１）。
即ち２２はＤＷＳＳ風速設定部で、前記カットアウト風速設定値Ｖｃよりも大きいＤＷＳＳ風速（ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速）Ｖｄ即ち風車本体が強度的に許容される臨界強度より３〜４σマイナスされた強度許容値に対応する瞬時最大風速値に基づき設定されたＤＷＳＳ風速（例えば２２〜３０ｍ／ｓ）が設定されている。
ＤＷＳＳ風速比較部２１においては、前記風速検出値ＶとＤＷＳＳ風速Ｖｄとを比較し、前記風速検出値ＶがＤＷＳＳ風速Ｖｄよりも大きいとき（Ｖ＞Ｖｄ）、その比較結果信号をナセル方位制御部１３に入力する（第７図及び第８図のステップ（４））。なお、アイドリングを解除した後、再度風速を検出（第８図のステップ（３−１）して前記風速検出値ＶがＤＷＳＳ風速Ｖｄよりも小さいとき（Ｖ≦Ｖｄ）は、通常のヨー制御運転に戻る。
ナセル方位制御部１３においては、前記風車回転数の検出値がアイドリング回転数になっているかを確認し（第７図及び第８図のステップ（３））、前記ＤＷＳＳ風速比較部２１から入力された比較結果つまり風速検出値ＶがＤＷＳＳ風速Ｖｄよりも大きく（Ｖ＞Ｖｄ）なっているとき、前記ナセル駆動装置４にダウンウィンド位置への操作指令信号を出力する。
該ナセル駆動装置４においては、前記操作指令信号に従い、第３図に示すように、前記ピニオン２及びリングギヤ１を介してナセル１０２を鎖線で示すアップウィンド位置から略１８０°後部側に旋回させて実線で示すダウンウィンド位置に移行せしめる（第７図及び第８図のステップ（５））。これにより該風車本体１００Ａはダウンウィンド位置にて制御運転されることとなる（第７図のステップ（６））。
次いで、前記ダウンウィンド位置にて風速Ｖを検出し（第８図のステップ（５−１））、該風速Ｖと前記ＤＷＳＳ風速Ｖｄよりも大きい自然追従風速Ｖｆとを比較し（第８図のステップ（２０））する。
【００２３】
そして、該風速Ｖが自然追従風速Ｖｆを超えるとき（Ｖ＞Ｖｆ）は、次の制御を行う。
この際アップウィンド位置では風向き正対でヨーブレーキがかかって運転されている為に、ヨーブレーキ作動制御部１５では、前記ナセル方位制御部１３により前記ナセル駆動装置４にダウンウィンド位置への操作指令信号が出力されると、前記ヨーブレーキ３を解除する指令信号をヨーブレーキ操作装置１６に出力する。これを受けて該ヨーブレーキ操作装置１６は前記ヨーブレーキ３を解除せしめる（第７図及び第８図のステップ（７））。
また２４はモータブレーキ作動制御部で、前記ナセル方位制御部１３により前記ナセル駆動装置４にダウンウィンド位置への操作指令信号が出力されると、前記ヨーモータ３０の回転を制動するモータブレーキ２０を作動させる指令信号をモータブレーキ操作装置２５に出力する。
これを受けて該モータブレーキ操作装置２５は、第１２図に示すように、前記モータブレーキ２０の電磁コイル２０ｂへの通電を遮断して、電磁コイル２０ｂによるロータのブレーキ力の解除状態から、ブレーキシュー２０ａをばね２０ｃのばね力によってロータ３０ａに押し付け力によって該ロータ３０ａの回転を抑制する（第８図のステップ（８））。
かかるモータブレーキ２０の作動状態にて、ダウンウィンド位置での自然追従運転を行う（第７図、第８図のステップ（９））。
この場合、前記モータブレーキ２０のブレーキ力は、後述するように前記ナセル１０２をダウンウィンド（風下）方向に自然追従せしめ得るような大きさで、かつ前記自然追従運転時に強風等によって翼１０１に作用する変則的な荷重に対して発生する修正モーメントによってヨーモータ３０が破損しない程度の大きさになるように、前記調整ねじ２０ｃにより前記ブレーキシュー２０ａとロータ３０ａとの間の押付力を調整する（第１２図参照）。
即ち、強風等によって翼１０１に作用する変則的な荷重に対して発生する修正モーメントが過大になった場合には、前記ヨーブレーキ３及びモータブレーキ２０を解除してナセル１０２をダウンウィンド方向に自然追従せしめると、前記修正モーメントが増速された回転力となってヨーモータ３０に作用することから、かかる回転力による過大回転によってヨーモータが破損することがある。
【００２４】
そこで、かかる実施例においては、前記ヨーモータ３０の回転を制動するモータブレーキ２０を作動させ該ヨーモータ３０の回転速度や回転角を適度に抑制することにより、前記のような該ヨーモータ３０の過大回転を回避して、該過大回転による該ヨーモータ３０の破損を防止する。
また、ナセル１０２をダウンウィンド位置に旋回後において、前記風速Ｖが自然追従風速Ｖｆ以下のとき（Ｖ≦Ｖｆ）は、次のように、アップウィンド位置と同様なヨー制御を行う。
即ち該ヨー制御においては、第８図に示されるように、所定時間ごとに風向きを検知する（第８図のステップ（２１））。該風向きが所定偏差を超えた場合に（第８図のステップ（２２））、前記ヨーブレーキ３を解除して、該ナセル１０２を風向きに応じて水平方向に回転軸心１０４を中心として所定角度旋回させ、正しい風向き位置に正対させ（第８図のステップ（２４））、その位置でヨーブレーキ３を固定するヨーブレーキ制御を行う（第８図のステップ（２３））。
以上のように、かかるヨー制御においては、翼１０１、ロータ１０５及びナセル１０２からなる風車本体１００Ａを常時若しくは所定風向き範囲内で固定し、風向きが所定偏差以上になったときに前記ヨーブレーキ３を開放し、前記風車本体１００Ａを風の方向に向けて固定するように制御している。
一方、発電機や発電側の電気回路の損傷等によって停電が発生しヨーモータ３０の回転によるヨー制御が不能となった場合には（第７図及び第８図のステップ（１０））、停電検出器８によって停電が検出されて前記制御装置１０のバッテリー制御部１４に入力される。
そして、該バッテリー制御部１４からのバッテリー電力入力信号はバッテリー５側のスイッチに伝送されて該スイッチオンによりバッテリー５の動力を制御装置側に入力して（第７図及び第８図のステップ（１１））、該バッテリー５の動力によって、前記ナセル方位制御部１３の動作と同様に、前記ナセル駆動装置４を介してナセル１０２をアップウィンド位置から１８０°後部側に旋回させてダウンウィンド位置に移行せしめる（第７図及び第８図のステップ（５））。
また停電であるので、前記のようにして、モータブレーキ２０が自動的に作動する。
以上の動作により、風車本体１００Ａは、ダウンウィンド移行時には、前記ヨーブレーキ３が開放された状態で且つ前記モータブレーキ２０により前記修正モーメントによってヨーモータ３０が破損しない程度の適度なブレーキ力を付与されている為に、風向きに自然追従した運転がなされる。
【００２５】
以上のように、かかる第２実施例によれば、翼１０１に作用する風速が、前記カットアウト風速Ｖｃ以上の風速である場合に、風車のアイドリング運転を行い、その後に、翼１０１に作用する風速が瞬時最大風速の許容値（風車本体が強度的に許容される臨界強度より３〜４σ程度マイナスされた強度許容値に対応する瞬間最大風速））に基づき設定されたＤＷＳＳ風速Ｖｄ以上となった場合に、前記制御装置１０によりナセル駆動装置４を介してナセル１０２をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめるとともにヨーブレーキ３を解除してモータブレーキ２０の適度のブレーキ力により回転を抑制するものである。
従って、風速Ｖの変動が激しい場合においても、先ず前記カットアウト風速Ｖｃ以上の風速である場合に、風車のアイドリング運転を行い、その後に瞬時最大風速の前記強度許容値に基づき設定された前記ＤＷＳＳ風速Ｖｄにて前記ナセル１０２をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめるので、実際の風速Ｖの変動が激しい場合に、ナセル１０２を頻繁にアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめる必要がない。
これにより、風速Ｖの変動が激しい場合においても、ナセル１０２をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に頻繁に移動せしめることが回避されて、実際の平均風速前記瞬時最大風速の許容値を超える場合のみにおいて該ナセル１０２をアップウィンド位置からダウンウィンド位置にソフトに移動することができ、風車本体１００Ａの運転操作性が大きく向上する。
第９図は、ダウンウィンド位置に移行したナセル１０２をアップウィンド位置に戻す際の制御フローチャートを示す。
第９図において、前記のようにダウンウィンド位置において風向きに自然追従運転がなされている（第９図ステップ（９））風車本体１００Ａをアップウィンド位置に戻す際には、風速を検出し（第９図のステップ（１０））、検出風速Ｖが予め設定されたアップウィンド位置戻し風速Ｖｅよりも小さいとき（Ｖ≦Ｖｅ）（第９図のステップ（１１））、ヨーブレーキ３を解除するとともに（第９図のステップ（１２））、モータブレーキ２０を解除し（第９図のステップ（１３））、前記ナセル１０２を旋回せしめて前記ダウンウィンド位置からアップウィンド位置に移行せしめる（第９図のステップ（１２））。
そして、前記アップウィンド位置に戻した後は、前記モータブレーキ２０を解除して所定時間間隔毎の風向き検知と前記ヨーブレーキ３の解除と固定を繰り返しながら、通常のヨー制御運転を行う。
即ち、かかるヨー制御において、第９図に示されるように、所定時間ごとに風向きを検知する（第９図のステップ（２１））。該風向きが所定偏差を超えた場合に（第９図のステップ（２２））、前記ヨーブレーキ３を解除して、該ナセル１０２を風向きに応じて水平方向に回転軸心１０４を中心として所定角度旋回させ、正しい風向き位置に正対させ（第９図のステップ（２４））、その位置でヨーブレーキ３を固定するヨーブレーキ制御を行う（第９図のステップ（２３））。
この場合に、アップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行した後、アップウィンド位置に戻すアップウィンド位置戻し風速Ｖｅは前記ＤＷＳＳ風速Ｖｄとカットアウト風速Ｖｃとの中間風速以下に設定している。
これにより、アップウィンド位置→ダウンウィンド位置→アップウィンド位置の切り換えループにヒステリシスを持たせることができて、僅かな風速変化でナセル１０２が逆方向に戻されることがなく、安定したアップウィンド位置→ダウンウィンド位置間の移行が可能となる。
【００２６】
第１０図は、アップウィンド位置での運転時に停電が発生した際における、アップウィンド位置からダウンウィンド位置への移行制御の、他の例の制御フローチャートを示す。
第１０図において、アップウィンド位置での運転時（第１０図のステップ（１））に、停電検出器８から停電信号が入力されると（第１０図のステップ（１５））、バッテリー５を作動させた後（第７図、第１０図のステップ（１１））、該バッテリー５により風速をみて（第１０図のステップ（２６））、次の何れかの制御方法を選択する。
第１の制御方法において、風速が閾値より小さい場合は、通常のように、ヨーブレーキ３を作動させて（第７図、第１０図のステップ（１６））、風車本体１００Ａをアップウィンド位置にそのまま停止する（第７図、第１０図のステップ（１７））。
第２の制御方法において、風速が閾値より大きい場合は、前記ヨーブレーキ３を一定速度以下の低速度で徐々に解除してから（第７図、第１０図のステップ（１８））、ナセル１０２をダウンウィンド位置に旋回、移行する（第７図、第１０図のステップ（１９））。
このように構成すれば、強風作用時等において、アップウィンド位置から徐々にヨーブレーキ３を解除することにより、ヨーモータ２０等のヨー制御装置に無理な力が掛かることなく、風車本体１００Ａを滑らかにダウンウィンド位置に移動することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、突風や強風作用時に風速が制御装置に予め設定されたカットアウト風速以上となりかつ風車回転数がアイドリング運転状態になると、制御装置により風車本体を通常のアップウィンド位置から１８０°後部側に旋回させてダウンウィンド位置に移行せしめ該ダウンウィンド位置にて風車を待機させるので、翼の回転面がダウンウィンド位置に移行することにより、翼の回転面に対して斜め方向からの風が翼を備えたロータの回転軸を風向きに合わせる方向に作用する機能を発揮し、格別なヨー制御を行うことなく風車を風向きに追従せしめることができる。
これにより、突風や強風作用時に該強風が斜め方向から翼に作用した場合においても、翼が自動的に風向きに追従せしめられることにより、翼に斜め方向の変則的な過大荷重が作用するのが回避され、かかる過大荷重による翼の破損の発生を防止できる。
また本発明によれば、制御装置によって風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行せしめ該ダウンウィンド位置にて風車を待機させた後、ヨーブレーキを解除してブレーキ開放状態とすることにより、風向きの変化に対して風車が自在に追従できて追従性が上昇し、強風が斜め方向から翼に作用した場合における翼への変則的な過大荷重の作用をより確実に回避できる。
また本発明によれば、突風や強風作用時に発電装置の不作動により停電が発生しヨー制御が不能となった場合には、バッテリーを作動させて該バッテリーの動力によって風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移行せしめ該ダウンウィンド位置にて風車を待機させ、さらにヨーブレーキを解除せしめるので、停電時においても既存のバッテリー電源を利用して風車をダウンウィンド位置に移行せしめた後ヨーブレーキを解除することにより、格別な駆動電源を設置することなく、風向きの変化に対して風車を自在に追従させることができ、強風が斜め方向から翼に作用した場合における翼への変則的な過大荷重の作用を回避できる。
【００２８】
また本発明によれば、翼に作用する風速がカットアウト風速以上の風速である瞬時最大風速の許容値に基づき設定された臨界（ＤＷＳＳ）風速（ダウンウィンドソフトサポート移行平均風速）以上となり、かつ風車回転数がアイドリング運転状態であるときに、前記制御装置により前記風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめるとともに、ヨーブレーキを解除するように構成されているので、風速の変動が激しい場合においても、瞬時最大風速の許容値に基づき設定された臨界風速（ＤＷＳＳ風速）にて前記風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめるので、実際の風速が前記瞬時最大風速の許容値を超える場合のみにおいて、前記風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に移動せしめることが可能となる。
従って、風速の変動が激しい場合においても、風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置に頻繁に移動せしめることが回避されて、実際の風速が前記瞬時最大風速の許容値を超える場合のみにおいて該風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド位置にソフトに移動することができ、風車の運転操作性が大きく向上する。
また、ダウンウィンド位置に移行後、通常運転時においてはヨー制御を停止し、停電時においてはそのまま前記風車本体を風下方向に自然追従せしめるので、翼に斜め方向の変則的な荷重が作用しても、格別な制御を要することなく翼に修正モーメントが発生して翼が自動的に風向きに追従せしめられ、かかる変則的な荷重による翼及び回転部材の破損を防止できる。
加えて、ヨーモータの回転を制動するモータブレーキを作動させ前記ヨーモータの回転を適度に抑制することにより、前記修正モーメントに起因するヨーモータの過大回転が回避され、該過大回転によるヨーモータの破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るアップウィンド型風車及び制御装置の側面構成図である。
【図２】 第１実施例における制御ブロック図である。
【図３】 アップウィンド型風車のダウンウィンド位置への移行説明図である。
【図４】 第１実施例における制御基本構成図である。
【図５】 本発明の第２実施例を示し、（Ａ）はアップウィンド型風車及び制御装置の側面構成図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＹ部拡大図である。
【図６】 第２実施例におけるアップウィンド位置とダウンウィンド位置との間の移行制御ブロック図である。
【図７】 第２実施例における制御基本構成図である。
【図８】 第２実施例における制御フローチャート（その１）である。
【図９】 第２実施例における制御フローチャート（その２）である。
【図１０】 第２実施例における制御フローチャート（その３）である。
【図１１】 ヨー制御装置の概略構造を示す斜視図である。
【図１２】 ヨーモータ及びモータブレーキの概略構成を示す断面構成図である。
【図１３】 風車の作動説明図で、（Ａ）は平面概略図、（Ｂ）は正面概略図である。
【図１４】 ヨーブレーキの要部構造を示す斜視図である。
【図１５】 ピッチ制御装置の要部断面図である。

Claims (22)

1. 地上や船上等の設置面より垂直に立設された支柱上に、水平旋回方向に旋回自在に支持されたナセルと、該ナセルの前方部位に風力により回転せしめられる複数の翼を備えたロータとからなる風車本体を設け、前記翼の回転力により前記ロータを介して発電機等の被駆動機械を駆動するように構成されたアップウィンド型風車であって、前記支柱とナセル間に設けられた風車本体の回動駆動機構と、風速若しくはロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号及び被駆動機械よりの異常信号の内の少なくとも１の異常信号を受けて、前記翼を備えたロータがアップウィンド（風上）側から翼の回転面が支柱よりも風下側のダウンウィンド（風下）側に待機するように、前記風車本体を、アップウィンドの原位置からダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回制御させる制御装置とを備え、
   前記制御信号が、前記翼が受ける風速が前記カットアウト風速以上を検知した信号と、風車本体がアイドリング状態になった事を検知する信号と、前記風速検知により得られたカットアウト風速以上の風車本体の強度より設定された第３の風速を検知する信号の組み合わせであることを特徴とするアップウィンド型風車。
2. 風速若しくはロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号が、風速増加により風車本体への過大荷重に対応して設定されるカットアウト風速以上の風速を検知した信号と前記検知信号を受けて風車本体がアイドリング状態になっている事を検知する信号の組み合わせであることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
3. 前記第３の風速が、風車本体が強度的に許容される臨界強度よりマイナスされた強度許容値に対応する最大瞬間風速であるダウンウィンドソフトサポート移行平均風速以上を検知する信号であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
4. 前記風車本体をダウンウィンド位置からアップウィンドの原位置に復帰させる復帰信号が、前記カットアウト風速以上で且つ前記第３の風速以下であることを確認する信号であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
5. 前記翼が受ける風速を検出する風速検出器と、前記ロータの回転数を検出する風車回転数検出器とを備え、前記制御装置が、前記風速検出器からの風速検出値と設定されたカットアウト風速とを比較する風速比較手段と、該風速比較手段により前記風速検出値がカットアウト風速以上の場合に回転数に基づいて風車本体がアイドリング状態になっている事を検知するアイドリング検知手段とを備えたことを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
6. 前記旋回駆動機構に組み込まれた回転駆動体にブレーキ手段を設け、風車本体をアップウィンド位置からダウンウィンド側への旋回時に前記ブレーキ手段により回転力を減衰させて駆動させることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
7. 前記風車本体のダウンウィンド待機時に該風車本体の方位を制動するヨーブレーキを解除せしめるヨーブレーキ作動制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
8. 前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結する風車発電装置を備えるとともに、該風車発電装置の停電を検出する停電検出器を備え、前記制御装置は前記停電検出器から風車発電装置の停電検出信号が入力されたときに、バッテリーよりの電力を受けて前記風車本体を前記アップウィンド位置からダウンウィンド位置に旋回せしめる風車本体旋回手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
9. 前記風車本体を前記支柱廻りに旋回せしめるとともに該風車本体のヨー制御（方位制御）を行うヨーモータと、該ヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキとを備え、前記制御装置は、前記風車本体をダウンウィンド位置に移行後ヨーモータによるヨー制御を停止し、前記ヨーブレーキを解除するとともに前記ヨーモータブレーキを作動させて前記風車本体を風下方向に自然追従せしめるように構成されてなることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
10. 前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結する風車発電装置を備えるとともに、該風車発電装置の停電を検出する停電検出器と、前記風車本体を前記支柱廻りに旋回せしめるとともに該風車本体のヨー制御を行うヨーモータと、該ヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキとを備え、前記制御装置は前記停電検出器から停電信号が入力されたとき前記ヨーブレーキを解除するとともに前記ヨーモータブレーキを作動せしめて前記アップウィンド位置からダウンウィンド位置への旋回速度を抑制可能に構成されてなることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
11. 前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結する風車発電装置を備えるとともに、該風車発電装置の停電を検出する停電検出器を備え、前記制御装置はアップウィンド位置において前記停電検出器から停電信号が入力されたとき、前記ヨーブレーキを低速度で解除して前記風車本体を前記アップウィンド位置からダウンウィンド位置に旋回せしめるように構成されてなることを特徴とする請求の範囲第１項記載のアップウィンド型風車。
12. 地上や船上等の設置面より垂直に立設された支柱上に、水平旋回方向に旋回自在に支持されたナセルと、該ナセルの前方部位に風力により回転せしめられる複数の翼を備えたロータとからなる風車本体を用意し、前記翼の回転力により前記ロータを介して発電機等の被駆動機械を駆動するようにしたアップウィンド型風車の運転方法において、前記翼が受ける風速、ロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号及び被駆動機械よりの異常信号の内の少なくとも１の異常信号を受けて、前記翼を備えたロータがアップウィンド（風上）側から翼の回転面が支柱よりも風下側のダウンウィンド（風下）側に待機するように、前記風車本体をダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回させ、
    前記翼が受ける風速として前記カットアウト風速以上を検知した信号と風車がアイドリング運転状態になった事を検知した後の最大瞬間風速を検知した第３の信号とに基づいて、前記風車本体をダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回させることを特徴とするアップウィンド型風車の運転方法。
13. 風速増加により風車本体への過大荷重に対応して設定されるカットアウト風速以上の風速を検知した信号と前記検知信号を受けて回転数に基づいて風車本体がアイドリング状態になっている事を検知する信号とのアンドを取って生成された異常信号により、前記風車本体をダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回させることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
14. 前記第３の信号が、風車本体が強度的に許容される臨界強度よりマイナスされた強度許容値に対応する最大瞬間風速であるウィンドソフトサポート移行平均風速以上を検知する信号であることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
15. 前記待機位置での最大瞬間風速が、風車本体が強度的に許容される臨界強度よりマイナスされた強度許容値に対応する最大瞬間風速であるダウンウィンドソフトサポート移行平均風速以下であることを確認した後、風車本体をアイドリング運転状態でダウンウィンド位置からアップウィンドの原位置に復帰させることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
16. 前記風車本体がアイドリング状態になっている事が風車回転数検出信号により検知されることを特徴とする請求の範囲第１３項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
17. 前記風車本体をアップウィンド側からダウンウィンドへの旋回時にヨーブレーキ手段によりヨーモータの回転力を減衰させて駆動させることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
18. 前記風車本体のダウンウィンド移行後に、前記風車本体の旋回を制動するヨーブレーキを解除せしめ、前記風車本体が風力に対し揺動自在に待機されていることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
19. 前記風車本体のダウンウィンド移行後に、風向きに対応して風車本体の向きを変えるヨー制御（方位制御）を行うことを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
20. 前記ヨーブレーキを解除し、前記風車本体を支柱廻りに旋回せしめるとともに風向きに対応して風車本体のヨー制御（方位制御）を行うように構成されたヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキを作動させて、前記風車本体をダウンウィンド方向に対応する方位方向に自然追従せしめることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
21. 前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結させたアップウィンド型風車を運転するにあたり、前記発電機の停電検出信号が入力されたとき、バッテリーよりの電力を受けて、前記風車本体をダウンウィンドに対応する方位角度位置まで旋回させることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。
22. 前記ロータに前記被駆動機械として発電機を連結する風車発電装置の停電が検知されたとき、前記風車本体の旋回を制動するヨーブレーキを解除するとともに、バッテリーよりの電力を受けて、前記風車本体を支柱廻りに旋回せしめるとともに該風車本体のヨー制御（方位制御）を行うように構成されたヨーモータの回転を制動するヨーモータブレーキを作動させて前記風車本体をダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回させることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のアップウィンド型風車の運転方法。

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