JP4589633B2 - 水平軸風車及び水平軸風車の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水平軸風車及び水平軸風車の制御方法に関する。

近年、自然風から電力を得る目的で水平軸風車が提案され、実用化されている。この水平軸風車は、ロータに吹き付ける風の向き（風向）を計測する風向計を備えている。そして、水平軸風車の制御装置は、風向計で計測された風向にロータが正対するように、換言すればヨー角（ロータの回転軸の方向と風向とのなす角度）を０度に収束させるように、ロータを略水平面内で旋回させる「ヨー制御」を行っている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２８９１４９号公報（第２頁、第１図）

ところで、現在用いられている商業的水平軸風車の大半は、図４に示すように、風上側にロータ１００が配置されるアップウィンド型風車である。かかるアップウィンド型風車の風向計２００は、ナセル３００の上部のロータ回転軸方向略中央部から後方部に設置されるのが一般的である。

しかし、国内の風力発電システムは地形が複雑な地点に設置される場合が多く、かかる地形においては吹上風が多く発生するため、図４に示すようにナセル３００の上部に風向計２００が設置されると、ナセル３００の影響を受けて、風向及びヨー角φの計測精度が著しく低下してしまう。この結果、風向計２００によって計測されるヨー角φの値と実際のヨー角φの値との間に誤差が生じてしまい、ロータ１００のヨー制御が正確に行われなくなるという問題がある。

図５は、このような吹上角に起因するヨー角の計測誤差を示すものであって、図４に示すようにナセル３００の上部に風向計２００を設置した場合におけるヨー角の計測値の風洞試験結果を示すグラフである。図５においては、吹上角０度の場合におけるヨー角φの値（以下、「真ヨー角値」という）を横軸にとり、吹上角０度〜＋３０度の場合に風向計２００で計測されたヨー角φの値と、吹上角０度の場合におけるヨー角φの値と、の差（以下、「ヨー角計測誤差」という）を縦軸にとっている。

例えば、吹上角＋３０度の吹上風がロータ１００に吹き付けた場合には、真ヨー角値（横軸）が０度から＋１０度まで＋１０度変化するのに対応して、ヨー角計測誤差（縦軸）は約−３０度から約＋１０度まで約＋４０度変化している（図５：曲線Ｅ参照）。すなわち、実際のヨー角φの値が＋１０度変化したのに対し、風向計２００で計測されたヨー角φの値は約＋５０度変化したように計測されることとなるため、風向の変化がわずかであるにもかかわらずロータ１００のヨー制御が繰り返されてしまうこととなる。

このような吹上角に起因するヨー角の計測誤差は、風向計２００をナセル３００の影響の及ばない高い位置に設置することにより若干低減させることができる。しかし、かかる手段を講じると、風向計２００を支持する支柱２１０がきわめて長くなるため、風向計２００が振動し易くなる上に強度が低下し、なおかつコストも嵩むという問題がある。

本発明の課題は、吹上風が多く発生する地点に設置されるアップウィンド型の水平軸風車において、正確なヨー制御を実現させることである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータを備え、風向に応じて前記ロータが水平面内で旋回するアップウィンド型の水平軸風車において、前記回転軸を含み鉛直方向に延在する仮想平面を挟んで対称の形状を有するナセルと、前記ナセルの両側部の前記仮想平面を挟んで相対する位置に設置された２つの風速計と、これら２つの風速計により計測された風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を０度に収束させるように前記ロータのヨー角を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ロータの回転軸を含み鉛直方向に延在する仮想平面を挟んで対称の形状を有するナセルと、このナセルの両側部の前記仮想平面を挟んで相対する位置に設置された２つの風速計と、を備えるので、ロータが風向に正対していない場合には、吹上角の有無に関わらず、２つの風速計で計測される風速に差が発生する。そして、制御手段は、このように２つの風速計で計測された風速に基づいて、ロータのヨー角を制御する。例えば、２つの風速計で計測された風速の差又は比に基づいてロータのヨー角を推算し、このヨー角を０度に収束させるように（ロータが風向に正対するように）ロータを水平面内で旋回させることができる。

従って、吹上風が多く発生する地点に水平軸風車が設置された場合においても、２つの風速計を使用して、正確なヨー制御を実現させることができる。また、２つの風速計を使用してヨー制御を行うことができるので、風向計が不要となるため、メンテナンスが容易となるとともに、風向計の製造・取付等に要するコストを節減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、前記２つの風速計で計測した風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を０度に収束させるように前記ロータを旋回させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、２つの風速計により計測された風速の差又は比に基づいてロータのヨー角を推算する。そして、この推算したヨー角を約０度に収束させるように（すなわちロータを風向に正対させるように）ロータを水平面内で旋回させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、前記２つの風速計で計測した風速の差が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記風速の差が前記閾値を超える場合に、高い風速を計測した風速計側に前記ロータを旋回させ、前記風速の差が前記閾値以下に達した時点で前記ロータの旋回を停止させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、２つの風速計で計測した風速の差が所定の閾値を超える場合に、高い風速を計測した風速計側にロータを旋回させ、風速の差が前記閾値以下に達した時点でロータの旋回を停止させる。従って、２つの風速計により計測された風速の値を使用したきわめて簡易な制御則で、ロータのヨー制御を実現させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、前記ロータを旋回させ、前記２つの風速計で計測した風速を等しくすることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、ロータを旋回させて２つの風速計で計測した風速を等しくすることにより、ロータを風向に正対させることができる。

本発明によれば、ナセルの両側部に各々風速計が設置されているので、吹上角の有無に関わらず、これら２つの風速計で計測される風速に差が発生する。そして、２つの風速計で計測された風速の差又は比に基づいて、ロータのヨー制御を行うことができる。従って、吹上風が多く発生する地点に水平軸風車が設置された場合においても、２つの風速計を使用して、正確なヨー制御を実現させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。

まず、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、図１に示すように、所定の地点に設置されるタワー２、タワー２の頂部に水平面内で旋回するように取り付けられたナセル３、ナセル３の内部に水平方向に延在するように配置された（図示されていない）主軸、この主軸に取り付けられたロータ４、ナセル３の両側部に設置された風速計Ｌ及び風速計Ｒ、水平軸風車１全体を統合制御する（図示されていない）制御装置、等を備えて構成されている。

ナセル３は、図１に示すように、ロータ４の回転軸Ｘを含み鉛直方向に延在する仮想平面Ｖを挟んで左右対称の形状を有している。また、風速計Ｌはナセル３の左側部に設置され、風速計Ｒはナセル３の右側部に設置されている。そして、これら風速計Ｌ及び風速計Ｒは、前記した仮想平面Ｖを挟んで略相対する位置に配置されている。

本実施の形態においては、風速計Ｌ及び風速計Ｒとして、水平軸風車１のロータ回転中心部分に吹き付ける風を複数のカップが受けて回転し、その回転速度から風速を測定する「回転型風速計」を採用している。風速計Ｌ及び風速計Ｒの型式は特に限定されるものではなく、従来から用いられているもの（例えば、Vaisala社製の型式やThies社製の型式）を際限なく採用することができる。

制御装置は、所定のプログラムを実行することにより、風速計Ｌで計測された風速の値と風速計Ｒで計測された風速の値との差（以下、「風速差」という）又は比（以下、「風速比」という）の算出処理、後述する風速差相関データや風速比相関データを用いたヨー角Φの推算処理、等を行う。また、制御装置は、風速計Ｌ及び風速計Ｒで計測された風速に基づいて、ロータ４のヨー角Φを制御する。すなわち、制御装置は本発明における制御手段である。

次に、本実施の形態に係る水平軸風車１の２つの風速計（風速計Ｌ及び風速計Ｒ）で計測された風速の値と、ヨー角Φと、の関係について、図１〜図３を用いて説明する。

水平軸風車１の２つの風速計（風速計Ｌ及び風速計Ｒ）は、ナセル３の両側部に設置されているため、ロータ４の斜め前方から風が吹いた場合に、風速計Ｌで計測される風速の値と、風速計Ｒで計測される風速の値と、に差が発生する。これは、吹上角を有する吹上風がロータ４に吹き付けた場合においても同様である。

例えば、ヨー角Φの正負を図１（ａ）のように定義すると、ヨー角Φが正（＋）の場合すなわち風がロータ４の回転軸Ｘの左側から吹いた場合には、ナセル３の影響により、風速計Ｌで計測される風速の値が、風速計Ｒで計測される風速の値よりも高くなる。一方、ヨー角Φが負（−）の場合すなわち風がロータ４の回転軸Ｘの右側から風が吹いた場合には、ナセル３の影響により、風速計Ｌで計測される風速の値が、風速計Ｒで計測される風速の値よりも低くなる。

このため、風速計Ｌで計測された風速の値と風速計Ｒで計測された風速の値との差（風速差）又は比（風速比）と、ヨー角Φと、の間に一定の相関関係ができる。本実施の形態においては、風速差とヨー角Φとの相関関係に係るデータ（風速差相関データ）、及び、風速比とヨー角Φとの相関関係に係るデータ（風速比相関データ）を地上実験により予め取得しておく。そして、これら風速差相関データ及び風速比相関データをナセル３内の（図示されていない）メモリに記録させておく。

風速差相関データとしては、図２に示した風速差とヨー角Φとの相関関係を示すグラフを採用することができる。図２のグラフにおいては、縦軸に「風速」をとり、横軸に「ヨー角Φ（度）」をとっている。なお、図３における縦軸の「風速」の値は、風車の影響を受けない一様流の流速に対する計測値の比（無次元値）である。

図２の曲線Ｌは、ヨー角Φが「−３０度」、「−１５度」、「０度」、「１５度」、「３０度」の場合において風速計Ｌで計測された風速の値をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。風速計Ｌで計測される風速の値は、ヨー角Φが「−３０度」の場合に最小となり、ヨー角Φの負から正への移行に伴って漸次増加し、ヨー角Φが約「１５度」に達したあたりで「１」（一様流）に収束している（図２参照）。ヨー角Φが負の場合には、風速計Ｌはナセル３の後方に位置することとなるため、風が遮られるからである。

図３の曲線Ｒは、ヨー角Φが「−３０度」、「−１５度」、「０度」、「１５度」、「３０度」の場合において風速計Ｒで計測された風速の値をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。風速計Ｒで計測される風速の値は、ヨー角Φが「３０度」の場合に最小となり、ヨー角Φの正から負への移行に伴って漸次増加し、ヨー角Φが約「−１５度」に達したあたりで「１」（一様流）に収束している（図２参照）。ヨー角Φが正の場合には、風速計Ｒはナセル３の後方に位置することとなるため、風が遮られるからである。

すなわち、曲線Ｌと曲線Ｒとは、「ヨー角Φ＝０（度）」の直線を中心として線対称のグラフになっている（図２参照）。

図２の曲線Ａは、ヨー角Φが「−３０度」、「−１５度」、「０度」、「１５度」、「３０度」において風速計Ｌで計測された風速の値から、風速計Ｒで計測された風速の値を減じた値（風速差）をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。この曲線Ａにより、風速差とヨー角Φとが対応付けられることとなり、風速計Ｌ及び風速計Ｒで風速の値を計測して算出した風速差と、曲線Ａと、を用いてヨー角Φを推算することができる。例えば、風速差が「０．５」の場合には、ヨー角Φは「約１５度」と推算される（図２参照）。

なお、設置された風車では、一様流の流速を計測する手段を設けることが困難であるので、風速計Ｌ又は風速計Ｒで計測した値を一様流の流速として使用することもできる。かかる場合には、風速計Ｌ又は風速計Ｒで計測した値を一様流の流速として使用したデータを、制御装置に記憶させておく。また、図２の縦軸の値（無次元値）を求める際に、風速計Ｌ及び風速計Ｒで計測した値のうちいずれか大きい値を、一様流の流速の代わりに用いてもよい。

風速比相関データとしては、図３に示した風速比とヨー角Φとの相関関係を示すグラフを採用することができる。図３のグラフにおいては、縦軸に「風速」をとり、横軸に「ヨー角Φ（度）」をとっている。なお、図３における縦軸の「風速」の値は、風車の影響を受けない一様流の流速に対する計測値の比（無次元値）である。また、図３の曲線Ｌ及び曲線Ｒは、図３の曲線Ｌ及び曲線Ｒと同一である（縦軸の縮尺のみ変更）。

図３の曲線Ｂは、ヨー角Φが「−３０度」、「−１５度」、「０度」、「１５度」、「３０度」において風速計Ｌで計測された風速の値を、風速計Ｒで計測された風速の値で除した値（風速比）をグラフ上に点でプロットし、これらの点を近似曲線で結んだものである。この曲線Ｂにより、風速比とヨー角Φとが対応付けられることとなり、風速計Ｌ及び風速計Ｒで風速を計測して算出した風速比と、曲線Ｂと、を用いてヨー角Φを推算することができる。例えば、風速比が「２」の場合には、ヨー角Φは「約１５度」と推算される（図３参照）。

続いて、本実施の形態に係る水平軸風車１のヨー制御について説明する。

まず、水平軸風車１の制御装置は、風速計Ｌで計測した風速の値と、風速計Ｒで計測した風速の値と、の差（風速差）を算出する（風速差算出工程）。次いで、制御装置は、メモリに記録された風速差とヨー角Φとの相関関係を示すグラフ（図２参照）の曲線Ａと、風速差算出工程で算出した風速差と、を用いてヨー角Φを推算する（ヨー角推算工程）。

続いて、制御装置は、ヨー角推算工程で推算したヨー角Φに基づいて、ロータ４を略水平面内で旋回させる。具体的には、ヨー角Φが正（＋）の場合、すなわち、ナセル３の左側から風が吹いて、風速計Ｌで計測した風速の値が風速計Ｒで計測した風速の値より高くなった場合には、ヨー角Φが０度になるようにロータ４の回転軸Ｘを風速計Ｌ側に回動させる。そして、ヨー角Φが約０度に達した時点（ロータ４が風向にほぼ正対した時点）でロータ４を停止させる。

一方、ヨー角Φが負（−）の場合、すなわち、ナセル３の右側から風が吹いて、風速計Ｒで計測した風速の値が風速計Ｌで計測した風速の値より高くなった場合には、ヨー角Φを０度に収束させるようにロータ４の回転軸Ｘを風速計Ｒ側に回動させる。そして、ヨー角Φが約０度に達した時点でロータ４を停止させる（ヨー角制御工程）。

なお、風速差算出工程に代えて、風速計Ｌで計測した風速の値と風速計Ｒで計測した風速の値との比（風速比）を算出する工程を採用することもできる（風速比算出工程）。かかる場合には、制御装置は、メモリに記録された風速比とヨー角Φとの相関関係を示すグラフ（図３参照）の曲線Ｂと、風速比算出工程で算出した風速比と、を用いてヨー角Φを推算する。

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、ロータ４の回転軸Ｘを含み鉛直方向に延在する仮想平面Ｖを挟んで対称の形状を有するナセル３と、このナセル３の両側部の仮想平面Ｖを挟んで相対する位置に設置された２つの風速計（風速計Ｌ及び風速計Ｒ）と、を備えるので、ロータ４が風向に正対していない場合には、吹上角の有無に関わらず、２つの風速計で計測される風速に差が発生する。そして、制御装置は、このように２つの風速計で計測された風速の差又は比に基づいてロータ４のヨー角φを推算し、このヨー角φを約０度に収束させるように（ロータ４が風向に正対するように）ロータ４を略水平面内で旋回させることができる。

従って、吹上風が多く発生する地点に水平軸風車１が設置された場合においても、２つの風速計（風速計Ｌ及び風速計Ｒ）を使用して、正確なヨー制御を実現させることができる。また、２つの風速計を使用してヨー制御を行うことができるので、風向計が不要となるため、メンテナンスが容易となるとともに、風向計の製造・取付等に要するコストを節減することができる。

なお、以上の実施の形態においては、風速差及び風速差相関データを用いてヨー角Φを推算し、このヨー角Φを０度に収束させるようにロータ４の回転軸Ｘを回動させる制御則を採用したが、風速計Ｌ及び風速計Ｒで計測した風速の値のみを参照してロータ４のヨー角制御を行うこともできる。

例えば、風速計Ｌで計測した風速の値と、風速計Ｒで計測した風速の値と、の差（風速差）が所定の閾値以下であるか否かを判定する（風速差判定工程）。そして、風速差がこの閾値以下である場合には、ロータ４が風向に正対していると判断して制御を終了する一方、風速差が前記閾値を超える場合には、高い値を計測した風速計側にロータ４の回転軸Ｘを回動させる。その後、風速差が前記閾値以下に達した場合にロータ４が風向に正対していると判断して、ロータ４を停止させる（ヨー角制御工程）。

かかる制御則を採用すると、風速差相関データや風速比相関データを用いることなく、また、ヨー角推算工程を経ることなく、２つの風速計（風速計Ｌ及び風速計Ｒ）により計測された風速の値を使用したきわめて簡易な制御則で、ヨー制御を実現させることができる。また、ロータ４を旋回させて、風速計Ｌで計測した風速の値と、風速計Ｒで計測した風速の値と、を等しくすることにより、ロータ４を風向に正対させることもできる。かかる制御則は、前記した風速差の閾値を「ゼロ」に設定した場合に相当する。

本発明の実施の形態に係る水平軸風車を示すものであり、（ａ）は上面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は左側面図である。 図１に示した水平軸風車のメモリに記録される風速差相関データ（風速差とヨー角との相関関係を示すグラフ）を示す図である。 図１に示した水平軸風車のメモリに記録される風速比相関データ（風速比とヨー角との相関関係を示すグラフ）を示す図である。 従来のアップウィンド型水平軸風車を示すものであり、（ａ）は上面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は左側面図である。 吹上角に起因するヨー角の計測誤差を示すグラフである。

符号の説明

１ 水平軸風車
３ ナセル
４ ロータ
Ｌ 風速計
Ｒ 風速計
Ｖ 仮想平面
Ｘ 回転軸
φ ヨー角

Claims (4)

1. 水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータを備え、風向に応じて前記ロータが水平面内で旋回するアップウィンド型の水平軸風車において、
   前記回転軸を含み鉛直方向に延在する仮想平面を挟んで対称の形状を有するナセルと、
   前記ナセルの両側部の前記仮想平面を挟んで相対する位置に設置された２つの風速計と、
   これら２つの風速計により計測された風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を０度に収束させるように前記ロータのヨー角を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする水平軸風車。
2. 請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、
   前記２つの風速計で計測した風速の差又は比に基づいて前記ロータのヨー角を推算し、この推算したヨー角を０度に収束させるように前記ロータを旋回させることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
3. 請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、
   前記２つの風速計で計測した風速の差が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記風速の差が前記閾値を超える場合に、高い風速を計測した風速計側に前記ロータを旋回させ、前記風速の差が前記閾値以下に達した時点で前記ロータの旋回を停止させることを特徴とする水平軸風車の制御方法。
4. 請求項１に記載の水平軸風車を制御する方法であって、
   前記ロータを旋回させ、前記２つの風速計で計測した風速を等しくすることを特徴とする水平軸風車の制御方法。

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