JP4324425B2 - 水平軸風車及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水平軸風車及びその制御方法に関する。

従来より、略水平方向に延在する回転自在な主軸と、この主軸に取り付けられた回転速度可変のロータと、を備える水平軸風車が提案され、実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。

近年においては、前記した水平軸風車の運転に起因して騒音が発生することが知られている。かかる騒音としては、可聴音である「広域帯騒音」や、窓ガラス等を振動させる等の物理的な影響を与えるとともに、頭痛や圧迫感等の心理的な影響を与える「低周波騒音（２０Ｈｚ未満の超低周波騒音を含む）」等が挙げられる。

これら騒音はロータの回転速度に依存するため、従来は、夜間においてロータの回転速度を低減させる等、昼夜で運転パターンを変化させる方法（以下、「従来技術」という）を採用することによって、騒音を抑制していた。かかる従来技術を採用すると、可聴音である「広域帯騒音」を抑制することが可能となる。
特開２００３−５６４４８号公報

しかし、前記した従来技術においては、低周波騒音の伝播特性を考慮していないため、風車の回転速度を不必要に制限して運転する頻度が高くなり、発電量の損失を招く場合があった。また、前記した従来技術を採用した場合でも、「広域帯騒音」とは伝播特性が異なる「低周波騒音」を抑制することができない場合があった。従って、「低周波騒音」による悪影響が懸念される場合には風車の設置を断念せざるを得ず、風車の設置可能地域が限定されてしまうという問題がある。

本発明の課題は、水平軸風車において、発電量の損失を抑えるとともに低周波騒音を効果的に抑制して、設置可能地域を大幅に拡大することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転速度可変のロータを有し、風向に応じて前記ロータの方位角を変更する水平軸風車において、前記水平軸風車固有の低周波騒音に係る情報と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報と、が記録された記録手段と、ヨー角を計測するヨー角計測手段と、前記ロータの方位角を計測する方位角計測手段と、前記記録手段に記録された情報と、前記ヨー角計測手段で計測されたヨー角と前記方位角計測手段で計測された方位角とから算出される風向と、に基づいて、前記ロータの回転速度を変更する回転速度制御手段と、を備え、前記回転速度制御手段は、前記特定領域がロータの風上側近傍又は風下側近傍に位置する場合に、前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車において、時刻を計測する計時手段をさらに備え、 前記回転速度制御手段は、前記特定領域で低周波騒音を特定時間帯において抑制しようとする場合に、前記計時手段で計測された時刻に基づいて前記特定時間帯においてのみ前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、回転速度可変のロータを有し、風向に応じて前記ロータの方位角を変更する水平軸風車の制御方法において、前記水平軸風車固有の低周波騒音に係る情報と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報と、を入力する情報入力工程と、ヨー角並びに前記ロータの方位角を計測する計測工程と、前記情報入力工程で入力された情報と、前記計測工程で計測されたヨー角と方位角とから算出される風向と、に基づいて、前記ロータの回転速度を変更する回転速度制御工程と、を備え、前記回転速度制御工程では、前記特定領域がロータの風上側近傍又は風下側近傍に位置する場合に、前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水平軸風車の制御方法において、時刻を計測する計時工程をさらに備え、前記回転速度制御工程では、前記特定領域で低周波騒音を特定時間帯において抑制しようとする場合に、前記計時工程で計測された時刻に基づいて前記特定時間帯においてのみ前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする。

請求項１又は３に記載の発明によれば、水平軸風車固有の低周波騒音に係る情報（例えば、方位角毎の低周波騒音の伝播特性、ロータからの距離と低周波騒音のレベルとの相関関係、ロータの回転速度と低周波騒音のレベルとの相関関係、等の情報）と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報（例えば、ロータに対する特定領域の方位、ロータから特定領域までの距離、特定領域で低周波騒音を抑制しようとする時間帯、等の情報）と、測定されたヨー角と方位角とから算出される風向と、に基づいて、ロータの回転速度を変更することができる。

ロータの風上側及び風下側に伝播し易いという低周波騒音の伝播特性に基づき、特定領域がロータの風上側近傍又は風下側近傍に位置する場合にロータの回転速度を低減させて、低周波騒音を効果的に抑制することができる。また、低周波騒音による影響が少ない位置（ロータの風上側遠方又は風下側遠方やロータの外周側）に特定領域が位置する場合には、通常速度でロータを回転させて、発電量の損失を抑えることができる。

請求項２又は４に記載の発明によれば、特定領域で低周波騒音を特定時間帯において抑制しようとする場合に、その特定時間帯おいてのみロータの回転速度を低減させるので、発電量の損失を抑えながら低周波騒音を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、水平軸風車固有の低周波騒音に係る情報と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報と、測定された風向又は風向及び時刻と、に基づいてロータの回転速度を変更することができる。この結果、発電量の損失を抑えるとともに低周波騒音を効果的に抑制することができ、水平軸風車の設置可能地域を大幅に拡大することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態においては、本発明に係る水平軸風車の例として、図１に示した水平軸風車１を採用することとする。

まず、図１〜図３を用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。水平軸風車１は、所定位置に設置されるタワー２、タワー２の頂部に取り付けられたナセル３、ナセル３に軸支され略水平方向に延在する（図示されていない）主軸、主軸に取り付けられたロータ４、等を備えて構成されている（図１参照）。

ナセル３の内部には、ロータ４のブレードのピッチを変更するピッチ可変機構、このピッチ可変機構を駆動制御することによりロータ４の回転速度を制御する制御装置、水平軸風車１固有の低周波騒音に係る情報（以下、「低周波騒音情報」という）や、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報（以下、「特定領域情報」という）等が記録された記録手段としてのメモリ、時刻を計測する計時手段としての時計、等が設けられている。

また、ナセル３の外部には、ロータ４のヨー角（平面視におけるロータ４の回転軸の方向と風向とのなす角度）を計測するヨー角計測手段としての（図示されていない）風向計と、ロータ４の方位角を計測する方位角計測手段としての（図示されていない）方位角センサと、が設けられている。

また、ナセル３及びロータ４は、タワー２を中心に略水平面内で一体的に回動するように構成されている。このため、風向計で計測したヨー角と、方位角センサで計測したロータ４の方位角と、に基づいて、ロータ４の回転面が風向に対して常に平面視で略垂直（すなわちヨー角が約０°）になるようにナセル３及びロータ４を回動させることができる。

制御装置は、メモリに記録された情報（低周波騒音情報及び特定領域情報）を読み込む。また、制御装置には、時計により計測された時刻情報と、風向計により計測されたヨー角情報と、方位角センサにより計測されたロータ４の方位角情報と、が入力されるようになっている。制御装置は、前記したヨー角情報及び方位角情報から風向情報を算出する。そして、低周波騒音情報及び特定領域情報と、時刻情報及び／又は風向情報と、に基づいて、ロータ４の回転速度を変更する。すなわち、制御装置は、本発明における回転速度制御手段である。

本実施の形態においては、メモリ内の低周波騒音情報として、低周波騒音の方位特性に係る情報（方位角毎の低周波騒音レベルを示す情報）と、低周波騒音の距離特性に係る情報（距離毎の低周波騒音レベルを示す情報）と、ロータ４の回転速度と低周波騒音レベルとの相関関係に係る情報と、を採用している。

低周波騒音の方位特性を示すグラフを、図２に示した。図２において方位角「０°」は、ロータ４の回転面に対して平面視で垂直な風上側の方向を示しており、方位角「１８０°」は、ロータ４の回転面に対して平面視で垂直な風下側の方向を示している。また、方位角「９０°、２７０°」は、風向に対して垂直なロータ４の外周側の方向を示している。

ロータ４の風上側及び風下側の方向（０°及び１８０°）における低周波騒音レベルと、ロータ４の外周側の方向（９０°及び２７０°）における低周波騒音レベルと、の比は、図２に示すようにほぼ１００：７０とされている。すなわち、低周波騒音は、ロータ４の外周側の方向（９０°及び２７０°）よりもロータ４の風上側及び風下側の方向（０°及び１８０°）に伝播し易いという特性を有している。一方、広域帯騒音は、ロータ４の外周側の方向（９０°及び２７０°）に比較的伝播し易いという特性を有している（図２参照）。

また、ロータ４の回転速度と低周波騒音レベルとの相関関係を示すグラフを、図３に示した。図３（ａ）は、方位角毎の低周波騒音レベル（低周波騒音の方位特性）を示すグラフであり、図３（ｂ）は、方位角０°におけるロータ４からの水平距離と低周波騒音レベルとの関係（低周波騒音の距離特性）を示すグラフである。双方のグラフにおいて、ロータ４の回転速度を１００％及び６７％に設定して、ロータ４の回転速度と、低周波騒音レベルと、の相関関係を明らかにしている。

低周波騒音レベル（ｄＢＧ）は、ロータ４の回転速度に大きく依存することが知られている。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ロータ４の回転速度を１００％から６７％程度に低減させるだけで、低周波騒音レベルを大幅に低減させることができる。

例えば、ロータ４の回転速度が１００％の場合に、低周波騒音レベルを所定の基準値（例えば９５ｄＢＧ）以下に抑制しようとすると、ロータ４からの水平距離を約１８０ｍ程度確保する必要があるのに対し、ロータ４の回転速度が６７％の場合には、ロータ４近傍においても低周波騒音レベルが前記基準値に達しないことがわかる（図３（ｂ）参照）。

メモリ内の特定領域情報としては、ロータ４に対する特定領域の方位に係る情報、ロータ４から特定領域までの距離に係る情報、特定領域において低周波騒音を抑制しようとする時間帯に係る情報、等を挙げることができる。本実施の形態においては、特定領域情報として、「特定領域Ｂはロータ４に対して東側に位置する」旨の情報と、「ロータ４から特定領域Ｂまでの距離が１５０ｍである」旨の情報と、「特定領域Ｂにおいて低周波騒音を抑制しようとする時間帯は午後９時〜午前６時である」旨の情報と、を採用している。

次に、図４を用いて、本実施の形態に係る水平軸風車１による低周波騒音抑制動作について説明する。

まず、水平軸風車１の制御装置は、メモリに記録された低周波騒音情報を読み込み、ロータ４を通常速度で運転させた場合に低周波騒音レベルが所定の基準値を超える領域（以下、「騒音基準値超過領域」という）を認識する。騒音基準値超過領域Ａの例を、図４（ａ）〜（ｃ）に示した。騒音基準値超過領域Ａは、低周波騒音の伝播特性により、ロータ４の外周側の方向よりもロータ４の風上側及び風下側の方向に大きく広がっている（図４（ａ）〜（ｃ）参照）。

また、水平軸風車１の制御装置は、メモリに記録された特定領域情報を読み込み、ロータ４に対する特定領域の方位、ロータ４から特定領域までの距離、特定領域において低周波騒音を抑制しようとする時間帯、等を認識する。具体的には、「水平軸風車１の設置地点の東側に特定領域Ｂが位置する」旨を認識する（図４（ａ）〜（ｃ）参照）。また、「水平軸風車１から特定領域Ｂまでの水平距離が約１５０ｍ」であり、「特定領域Ｂにおいて低周波騒音を抑制しようとする時間帯が午後９時〜午前６時である」旨を認識する。

次いで、水平軸風車１の制御装置は、風向計により計測されたヨー角と、方位角センサにより計測されたロータ４の方位角と、から風向を算出し、この風向に対してロータ４の回転面が平面視で略垂直（ヨー角約０°）になるように、ナセル３及びロータ４を回転させる。また、水平軸風車１の制御装置は、騒音基準値超過領域Ａと、特定領域Ｂと、時計により計測された時刻と、風向計により計測された風向と、を参照して、ロータ４の回転速度を決定する。

本実施の形態においては、時間帯が午前６時〜午後９時（昼間）である場合に、騒音基準値超過領域Ａ、特定領域Ｂ及び風向に関係なく、ロータ４を通常速度で運転させる。

一方、時間帯が午後９時〜午前６時（夜間）である場合には、騒音基準値超過領域Ａ、特定領域Ｂ及び風向に基づいてロータ４の回転速度を変更する。例えば、風が北から南へと吹く場合には、騒音基準値超過領域Ａは風上側及び風下側である北側及び南側に大きく広がるので、水平軸風車１の東側に位置する特定領域Ｂは騒音基準値超過領域Ａ内に含まれないため、水平軸風車１の制御装置は、ロータ４の回転速度を低減させることなく、運転を続行させる（図４（ａ）参照）。

また、風が西から東へと吹く場合には、騒音基準値超過領域Ａは風上側及び風下側である東側及び西側に大きく広がるので、水平軸風車１の東側に位置する特定領域Ｂは騒音基準値超過領域Ａ内に含まれることとなる（図４（ｂ）参照）。このため、水平軸風車１の制御装置は、ロータ４の回転速度を低減させることによって騒音基準値超過領域Ａを縮小させ、特定領域Ｂが騒音基準値超過領域Ａに含まれないようにする（図４（ｃ）参照）。

以上説明した実施の形態に係る水平軸風車１においては、水平軸風車１固有の低周波騒音に係る情報（低周波騒音情報）と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報（特定領域情報）と、測定された時刻及び風向と、に基づいて、ロータ４の回転速度を変更することができる。

具体的には、特定領域Ｂが、ロータ４の風上側近傍又は風下側近傍に位置する場合（図４（ｂ）参照）に、ロータ４の回転速度を低減させて、低周波騒音を効果的に抑制することができる（図４（ｃ）参照）。また、特定領域Ｂが、低周波騒音による影響が少ないロータ４の外周側に位置する場合（図４（ａ）参照）には、通常速度でロータ４を回転させて、発電量の損失を抑えることができる。

また、本実施の形態においては、低周波騒音を抑制しようとする時間帯（特定時間帯：午後９時〜午前６時）においてのみロータ４の回転速度を低減させているので、低周波騒音を抑制するとともに発電量の損失を抑えることができる。

なお、以上説明した低周波騒音抑制動作の結果を、表１に示した。

従来の定速水平軸風車（表１：（ａ））を用いた場合には、ロータの回転速度が時間帯によって変化しないため、設備利用率は高い（３０％）。しかし、低周波騒音を抑制しようとするには、風車から約１８０ｍの距離（クリアランス）を設ける必要がある。

一方、夜間においてロータの回転速度を低減させる従来の可変速水平軸風車（表１：（ｂ））を用いた場合には、クリアランスを設けることなく低周波騒音を抑制することができる。しかし、夜間においてロータの回転速度を低減させるため、設備利用率が低下する（２６％）という問題がある。

これらに対し、本実施の形態に係る水平軸風車１（表１（ｃ））を採用すると、クリアランスを設けることなく低周波騒音を抑制することができ、しかも、夜間において風向が特定方位の場合にのみロータ４の回転速度を低減させるため、設備利用率の低下を抑える（２８％）ことができる。

なお、以上説明した実施の形態においては、ピッチ可変機構によりブレードのピッチを変更させてロータの回転速度を変更する機構を採用したが、発電機の極数変換等によりロータの回転速度を２段階に設定できる２段定格方式を採用することもできる。

本発明の実施の形態に係る水平軸風車の概念図である。 図１に示した水平軸風車のメモリに記録された低周波騒音情報（低周波騒音の方位特性を示すグラフ）の一例である。 図１に示した水平軸風車のメモリに記録された低周波騒音情報（ロータの回転速度と低周波騒音レベルとの相関関係を示すグラフ）の他の例である。 図１に示した水平軸風車による低周波騒音抑制動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 水平軸風車
２ タワー
３ ナセル
４ ロータ
Ａ 騒音基準値超過領域
Ｂ 特定領域

Claims (4)

1. 回転速度可変のロータを有し、風向に応じて前記ロータの方位角を変更する水平軸風車において、
   前記水平軸風車固有の低周波騒音に係る情報と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報と、が記録された記録手段と、
   ヨー角を計測するヨー角計測手段と、
   前記ロータの方位角を計測する方位角計測手段と、
   前記記録手段に記録された情報と、前記ヨー角計測手段で計測されたヨー角と前記方位角計測手段で計測された方位角とから算出される風向と、に基づいて、前記ロータの回転速度を変更する回転速度制御手段と、を備え、
   前記回転速度制御手段は、
   前記特定領域がロータの風上側近傍又は風下側近傍に位置する場合に、前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする水平軸風車。
2. 時刻を計測する計時手段をさらに備え、
   前記回転速度制御手段は、
   前記特定領域で低周波騒音を特定時間帯において抑制しようとする場合に、前記計時手段で計測された時刻に基づいて前記特定時間帯においてのみ前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
3. 回転速度可変のロータを有し、風向に応じて前記ロータの方位角を変更する水平軸風車の制御方法において、
   前記水平軸風車固有の低周波騒音に係る情報と、低周波騒音を抑制しようとする特定領域に係る情報と、を入力する情報入力工程と、
   ヨー角並びに前記ロータの方位角を計測する計測工程と、
   前記情報入力工程で入力された情報と、前記計測工程で計測されたヨー角と方位角とから算出される風向と、に基づいて、前記ロータの回転速度を変更する回転速度制御工程と、を備え、
   前記回転速度制御工程では、
   前記特定領域がロータの風上側近傍又は風下側近傍に位置する場合に、前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
4. 時刻を計測する計時工程をさらに備え、
   前記回転速度制御工程では、
   前記特定領域で低周波騒音を特定時間帯において抑制しようとする場合に、前記計時工程で計測された時刻に基づいて前記特定時間帯においてのみ前記ロータの回転速度を低減させることを特徴とする請求項３に記載の水平軸風車の制御方法。

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