JP4690829B2

JP4690829B2 - 水平軸風車

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Publication number: JP4690829B2
Application number: JP2005249524A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007064062A

Description

本発明は、アップウィンド型の水平軸風車における暴風時の待機に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が商業用に広く実用化されている。一般的な水平軸風車は、少なくとも２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。
加えて、ナセルのヨー回転を自在に駆動制御可能なヨー駆動手段、ヨー回転を制動するヨーブレーキ、ロータの回転を制動する主軸ブレーキ等の制御手段を水平軸風車に設けることも従来より行われている。
また、今日の商業風車のほぼすべては、アップウィンド型の水平軸風車の構成をとっている。アップウィンド型の水平軸風車は、タワーの風上側に配置されたロータが回転して発電する構成の水平軸風車である。

通常、風車の設計強度は暴風中の待機状態の際に受ける荷重に大きく影響を受ける。暴風時の風車荷重は停電も併発することを想定して設定する必要がある。以下、水平軸風車の待機方法に関する従来技術１〜６について説明する。

〔従来技術１〕
従来技術１は、一般的なアップウィンド・ストール制御風車であり、主軸をブレーキで固定して暴風時に待機するものである。待機時にヨーを固定することが基本である。その中にはヨー制御をしてロータを風向きに平行にして、荷重低減を図るものもある。ヨー制御可能であっても、ヨー制御に必要な電源が遮断される場合や、ヨー制御に関するいずれかの機器に故障が生じた場合は、全方位からの暴風を受ける可能性がある。したがって、全方位からの暴風を想定して設計する必要がある。一般にストール制御機の場合、正面ならびに背面からの暴風時に大きな荷重が発生する。

〔従来技術２〕
従来技術２は、一般的なアップウィンド・ピッチ制御機であり、ロータを遊転、ヨーを固定して暴風時に待機するものである。ピッチ制御機の中には、ヨー制御をしてロータを風上に向け、荷重低減を図るものもあるが、これはヨー制御に必要な電源があるとともに、各機器が故障なく機能していることが前提となる。一般にピッチ制御機の場合、横風ならびに斜め前方/後方から暴風時に大きな荷重が発生する。図３に示すモデルＡは、従来技術２の待機形態に該当する。

〔従来技術３〕
従来技術３は、アップウィンド・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保した後に、ナセル方位角をヨー制御により約180[deg]反転させ、弱いヨーブレーキで保持して暴風時に待機するものである（例えば、非特許文献１参照）。これにより、暴風時にはロータが風下に靡き、タワーへの荷重を軽減することができる。従来技術３の待機形態は外観上、従来技術５と同様である。図３に示すモデルＢは、従来技術３及び５の待機形態に該当する。

〔従来技術４〕
従来技術４は、ダウンウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保し、ロータを遊転させ、フリーヨーとして暴風時に待機するものである。これにより、暴風時には、ロータが風下に靡き、タワー頂部に作用する荷重を低減できる。従来技術４の待機形態は外観上、本発明実施例及び従来技術６と同様である。図３に示すモデルＣは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術４及び６の待機形態もこれに該当する。

〔従来技術５〕
従来技術５は特許文献１に記載され、ダウンウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保したのち、ピッチ角を翼1枚ずつ約180[deg]変角して、フリーヨーで暴風時に待機するものである。翼前縁からの風を受ける場合と比較して、後縁から風を受ける場合は最大揚力係数が大幅に減少し、また、ヨー保持トルクも小さいので、その他の部位に発生する荷重も小さくなる。従来技術５の待機形態は外観上、従来技術３と同様である。図３に示すモデルＢは、従来技術３及び５の待機形態に該当する。

〔従来技術６〕
従来技術６は特許文献２に記載され、アップウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保したのち、ピッチ角を翼1枚ずつ約180[deg]変角して、フリーヨーで暴風時に待機するものである。翼後縁から風を受けることがなくなり、荷重が低減する。超大型機などの低剛性翼の場合に有効である。従来技術６の待機形態は外観上、本発明実施例及び従来技術４と同様である。図３に示すモデルＣは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術４及び６の待機形態もこれに該当する。
特願２００４−１９３２７１特願２００５−１５９８４８柴田昌明、林義之、「設計荷重低減のための新コンセプト」、第２５回記念風力エネルギー利用シンポジウム、平成１５年１１月２０日、ｐ．２２５−２２７

２MWクラスの風車でも、上記の従来技術により、風車のスケールに合わせて上手く設計すれば強度問題は回避できる。しかし、今後、一層大型化が進むと翼の剛性はますます低下し、固有振動数が低くなるため、特に翼後縁付近から暴風を受ける場合にフラッタが発生し翼に大きな荷重が発生しやすくなるという問題が予想される。
以上のような低剛性の翼を持つ場合、従来技術１〜３のアップウィンド型水平軸風車では、暴風時待機形態によらず、翼後縁付近からの暴風を避けることができず、フラッタが発生する可能性が高くなる。発生が予想されるフラッタのモードは下記の二種類である。
失速フラッタ：翼の失速領域では迎角に対する揚力傾斜が負になり、この領域で空力項が負のダンピング効果を与え、不安定傾向を高める。これは捩り剛性の高い翼でも発生する。
曲げ・捩り連成フラッタ：翼は非対称で長大な構造物であるため、曲げに捩りが連成して発生する。特に翼後縁付近からの暴風を受ける場合に翼が荷重を受け曲がるが、これに捩りを連成するため翼に流入する迎角が変化し、不安定傾向になりやすい。これは捩り剛性の高い翼ではほとんど発生しない。

従来技術６のアップウィンド型水平軸風車は、大型化に伴う上記問題に解決を与えたものである。しかし、従来技術６のアップウィンド型水平軸風車は、ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ制御装置ならびに複雑な操舵シーケンスを必要とする。そのため、上記問題の解決は、独立ピッチ制御装置を有し、複雑な操舵シーケンスが可能なアップウィンド型水平軸風車に限定される。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、アップウィンド型の水平軸風車において、ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ制御装置の有無、ならびに、複雑な操舵シーケンスの可否に拘わらず、暴風時にロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁から暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ制御装置と、
前記ナセルのヨー回転を制御するヨー制御装置とを備え、
所定値以下の風速時に前記ヨー制御装置の制御により前記ロータを前記タワーより風上に配置し前記ロータの回転を介して風力を利用する運転モードと、前記所定値を超える風速時に前記運転モードに備えて待機する待機モードとを有するアップウィンド型の水平軸風車において、
（１）前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードをフェザーにする第１ステップと、前記第１ステップ後にすべての前記ブレードを反転フェザーにする第３ステップと、前記第３ステップ後から前記運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持するステップとからなる制御動作を有し、
（２）前記ヨー制御装置は、前記第３ステップに同期して前記ロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内に前記ナセルのヨー角を制御する第２ステップと、前記第２ステップ後から前記運転モードの復帰まで風力により前記ナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御するステップとからなる制御動作を有し、
前記待機モードとして、前記（１）（２）の制御動作を実行することを特徴とする水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記前記所定のヨー角範囲は、風上に対して＋７５〜＋１１０[deg]又は−７５〜−１１０[deg]であることを特徴とする請求項１記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記第３ステップにおいて前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードを同時に反転フェザーにすることを特徴とする請求項１記載の水平軸風車である。

本発明によれば、風速が所定値を超え、発電等のための風車の運転に備えて待機する時に、第１ステップによりすべてのブレードをフェザーにすることにより、暴風による負荷荷重を低減することができる。この第１ステップによりすべてのブレードの後縁がタワー側を向いた状態となり、その後の第３ステップによりすべてのブレードを反転フェザーにすることにより、ブレードの前縁がタワー側を向いた状態となる。
第２ステップにより、第３ステップに同期してロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内にナセルのヨー角が制御されるから、ブレードをフェザーの状態からフルフラットを経て反転フェザーにするピッチ変角過程において、ロータの回転軸が風向から逸れている分、暴風によるロータの過回転、暴風による負荷荷重を抑えることができる。
所定のヨー角範囲は、±９０[deg]を含む範囲であり、暴風を避けるためには±９０[deg]を含みより狭い範囲であることが好ましいが、狭すぎると制御の収束に長い時間を要する。例えば、風上に対して＋７５〜＋１１０[deg]又は−７５〜−１１０[deg]とすることにより実現でき、十分な暴風回避効果を得ることができる。
以上のように第１〜第３ステップの実行により暴風を避けつつ、ブレードの前縁がタワー側を向いた状態となった後は、運転モードの復帰まですべてのブレードを反転フェザーの状態に保持するとともに、風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御する。そのため、強風が続く限り、ナセルが横風又は斜め風を受けその風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクが発生し、ロータがタワーの風下に配置されるようにナセルがヨー回転し、ロータをタワーより風下に靡かせることができる。
ロータがタワーより風下に配置されると、既にすべてのブレードの前縁がタワー側を向いた状態にあり、これを保持しているから、すべてのブレードは前縁から風を受けることとなり、フラッタの発生を避けブレードに負荷される荷重を低減することができる。
以上のようにして暴風を避けつつロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁からの暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができるという効果がある。

好ましくは、第３ステップにおいてピッチ制御装置は、すべてのブレードを同時に反転フェザーにする。すべてのブレードを迅速に反転フェザーの状態に移行することができるからである。また、独立ピッチ制御装置を有さず、ブレードのピッチ角を一括にしか制御できない風車においても実行可能である。この場合、ピッチ角を1枚ごとに操舵する複雑なシーケンスを必要としない。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。図１は、本実施形態のアップウィンド型水平軸風車を上から見た平面図である。

図１に示すように、本実施形態の水平軸風車は、タワー１と、ナセル２と、ハブ３と、３枚のブレード４ａ〜４ｃを備える。
ナセル２はハブ３に接続された主軸（図示略）を介してハブ３とブレード４ａ〜４ｃからなるロータを軸支する。タワー１は、ナセル２をヨー回転自在に支持する。
また、ナセル２の外面には図示しない風速計及び風向計が取り付けられている。

ナセル２の内側には、図示しない増速機、発電機、および主軸ブレーキなどの動力伝達装置が収納されており、これらの各動力伝達装置には、主軸が連結されている。

主軸は、その先端がナセル２の外部に突出しており、この主軸の先端にはロータが、主軸とともに回転するように取り付けられている。

ロータは、中心部に主軸と連結されたハブ３を有しており、ハブ３の回転方向の周面には、３枚のブレード４ａ〜４ｃが放射状に取り付けられている。なお、ブレード４ａ〜４ｃの翼形は非対称に形成されている。

図２(a)は、本実施形態のアップウィンド型水平軸風車に搭載される制御部の構成のうち、本件に関連のある部分を示すブロック図である。
図２(a)に示すように、本実施形態の水平軸風車の制御部は、風向計１０、風速計１３、制御装置１６、ピッチ駆動装置１１、ヨー駆動装置１４から構成される。制御装置１６には、ピッチ制御装置１２とヨー制御装置１５とが備えられている。

ヨー駆動装置１４は、ナセル２のヨー角を検出し、ヨー回転を駆動するとともに、ヨー回転を制動する図示しないヨーブレーキを備える。ヨー制御装置１５は、ヨー駆動装置１４に制御信号を与えてナセル２のヨー角を制御する。

ピッチ駆動装置１１は、ブレード４ａ〜４ｃのピッチ角を回転駆動する。ピッチ制御装置１２は、ピッチ駆動装置１１に制御信号を与え、ブレード４ａ〜４ｃのピッチ角を制御する。各ブレード４ａ〜４ｃは、少なくとも１８０度自在に制御される。
ブレード４ａ〜４ｃのピッチ制御は、ブレード毎に独立に制御可能なものであっても全ブレード一括にのみ制御可能なものであっても良い。本発明を実施するためには、ブレード毎に独立に制御可能である必要はなく、１８０度回転できれば全ブレードを一括して制御可能であっても足りる。後者の場合は機械及び制御装置の構成が簡素化される。勿論、ブレード毎に独立に制御可能なものであっても本発明を適用できる。
なお、ピッチ角とは、ハブに対するブレードの取り付け角度であり、本稿では、効率が最大となる角度を０［deg］としている。

図２(b)は、ヨー角−ピッチ角平面座標上における過回転存在域とこれを回避する制御ステップとを示した図である。図２(b)に示すように、横軸をヨー角、縦軸をピッチ角とした平面座標上に、風速４０[ｍ／sec]の風況下でロータが２０[rpm]以上の回転に達する過回転存在域Ｂ１，Ｂ２が分布する。図２(ｂ)に基づき本実施形態においては、過回転存在域Ｂ１，Ｂ２を避けた＋７５〜＋１１０[deg]又は−７５〜−１１０[deg] をヨー角範囲Ａと定め、下記のように待機モードを実行する。ヨー角範囲Ａ内においては、如何なるピッチ角でも、過回転に達することはない。
なお、ピッチ角９０[deg]ではブレード４ａ〜４ｃの後縁がタワー１側を向き、ピッチ角−９０[deg]ではブレード４ａ〜４ｃの前縁がタワー１側を向く。ヨー角０[deg]では、ロータはタワー１の風上にあり正面から風を受ける。

通常、商業用の風力発電においては、機械的強度、発電効率、および安全面を考慮して、発電に適する風速帯域が存在し、その上限であるカットアウト風速を超える風速領域では発電は行わず、暴風を回避するべく、できるだけ風荷重を軽減できる姿勢で待機するように制御される。以下、本実施形態の水平軸風車の運転モード及び待機モードについて説明する。

〔運転モード〕
発電に適する風速帯域では、風向計１０により検知した風向に基づきヨー制御装置１５が制御してロータをタワー１より風上に配置し、風速計１３により検知した風速やロータ回転数などに基づきピッチ制御装置１２が適度なピッチ角にブレード４ａ〜４ｃを制御しロータが風を受けて回転する。このロータの回転力は、ハブ３に接続された主軸に伝達され、主軸に連結されるとともにナセル２の内部に収納された発電機に伝達されることで、回転運動による運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。ヨー駆動装置１４はヨー制御装置１５からの制御信号を受けてナセル２を回転させるときは、ヨーブレーキを解除するか又は軽くし、ナセル２を一定方向に保持するときは、ヨーブレーキトルクを最大にする。
アップウィンド風車の運転モードにおけるピッチ角、ヨー角の存在域は、およそ図２(b)中における運転領域Ｒにする。

〔待機モード〕
台風などの暴風時に、風速計１３によって風速がカットアウト風速（例えば、２５[ｍ/sec]）を超えたことが検出されると、ピッチ制御装置１２がすべてのブレード４ａ〜４ｃをフェザーにする（第１ステップＳ１）。ロータは停止し、発電は中断される。これにより、ブレード４ａ〜４ｃ及びタワー１に作用する風荷重を軽減する。

次に、ヨー制御装置１５は、ナセル２を回動させてヨー角範囲Ａ内の一定角に変角し、その一定角ナセル２のヨー角をヨーブレーキで保持する（第２ステップＳ２）。
次に、ナセル２のヨー角がヨー角範囲Ａ内に保持された状態にて、ピッチ制御装置１２は、すべてのブレード４ａ〜４ｃを同時に反転フェザーにする（第３ステップＳ３）。
ピッチ制御装置１２は第３ステップＳ３後から上記運転モードの復帰まですべてのブレード４ａ〜４ｃを反転フェザーの状態に保持する。ヨー制御装置１５は第２ステップＳ２後から上記運転モードの復帰まで風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値（制動力）にヨーブレーキを制御する。
この制動値は、ナセル２を一定方向に保持するときの制動値より低く設定する。また、この制動値は、カットアウト風速を超える風を想定したときナセル２が過剰にヨー回転しない程度に高い値とする。この制動値は、ナセル２のヨー回転に応じて変動するものであっても良い。例えば、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクが小さくてもナセル２のヨー回転を許容するために小さくされる一方、ナセル２のヨー回転の角速度を一定以下に制限するために大きくされることにより変動してもよい。

ここで、改めて図１を参照しながら、以上の制御動作の実行及びこれに伴う風車の動作につき説明する。
まず、上記第１ステップＳ１の実行により、図１(a)に示すように、すべてのブレード４ａ〜４ｃがフェザーになり、ロータの回転は停止する。

次に、第２ステップＳ２により、風車は図１(b)に示す姿勢となる。すなわち、ナセル２のヨー角は風向に対してほぼ９０[deg]となり、ロータ回転面が風向にほぼ平行である姿勢となる。この姿勢では、ブレードのピッチを切っても大きな揚力は生じない。第２ステップＳ２においは、ナセル２をどちら側に回転させても良い。図１(b)は、ナセル２を上空から見て時計周りに回転させて＋７５〜＋１１０[deg]のヨー角範囲Ａに収めた状態を示す。時計周りするか反時計回りにするかを予め設定しても良いが、第２ステップＳ２の開始時に最短でヨー角範囲Ａに移行できる回転方向を選んで決定することが好ましい。

次に、第３ステップにより、図１(c)に示すようにブレード４ａ〜４ｃが同時に反転フェザーに変角する。この過程において大きな揚力は生じず、ロータを過回転させることなく安全に反転フェザーすることができる。

その後上記運転モードの復帰まで、反転フェザーの状態が保持され、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキが制御される。風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクがヨーブレーキトルクより大きければナセル２が回動し、図１(d)に示すようにロータがタワー１の風下側に配置され、ロータがタワー１の風下側に靡く。これにより、ロータ及びブレード４ａ〜４ｃ後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁からの暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができる。
ヨーブレーキの制動値を比較的高く設定することにより、風速がカットアウト風速を超えていても風によるヨートルクの負荷が比較的小さい場合にナセル２をヨー回転せずに待機させることができる。この場合、風向が変わらなければ、図１(c)に示す待機状態が維持される。この場合もロータの過回転は生じず風速が比較的低いことから風車への負荷は小さく抑えられる。ナセル２が風向に追従することなく風向が変わっても、図２(b)を参照すればわかるように過回転存在域Ｂ１，Ｂ２に入ることはないから、ロータの過回転は生じず風速が比較的低いことから風車への負荷は小さく抑えられる。
一方、ヨーブレーキの制動値を比較的低く設定することにより、風速がカットアウト風速を超えていれば、ナセル２が風向に追従する態様で待機させることができる。

風速計１３によってカットアウト風速以下の風速が一定期間検出されると、運転モードに復帰する。ヨー制御装置１５は、ナセル２を回動させてロータを風上に向かせる。例えば、運転モードに復帰する際に風車が図１（d）の状態にあれば、ヨー制御装置１５は、まずナセル２を１８０[deg]回動させてロータを風上に向かせる。また例えば、運転モードに復帰する際に風車が図１（c）の状態にあれば、ヨー制御装置１５は、まずナセル２を反時計周りに９０[deg]回動させてロータを風上に向かせる。

さらに、図２(b)のヨー角−ピッチ角平面座標を参照して説明を加える。
座標（ヨー角，ピッチ角）は、運転モード中はおよそ運転領域Ｒにある。待機モードの第１ステップＳ１の実行により、座標は点Ｐ１又はその周囲に移行する。第１ステップＳ１はロータに対する風負荷を瞬時に低下させることができるので、カットアウト風速の検出を契機に即座に実行することが好ましい。

次に、第２ステップＳ２の実行により、座標は点Ｐ２又はその周囲に移行する。図２(b)を参照すればわかるように、運転領域Ｒから第２ステップＳ２を実行しても過回転存在域Ｂ１から離れることができる。本実施形態では第１ステップＳ１の終了後に第２ステップＳ２を開始する制御フローとしているが、これに拘わらず、第２ステップＳ２もカットアウト風速の検出を契機に即座に実行しても良い。即ち、第１ステップＳ１と第２ステップＳ２とを同時に開始したり、第２ステップＳ２を第１ステップＳ１の完了前に開始したりして、双方が同時に進行する期間があるようにしてもよい。

次に、第３ステップＳ３の実行により、座標は点Ｐ３又はその周囲に移行する。このとき、過回転存在域Ｂ１、Ｂ２に入らないようにすることが重要であり、さらには過回転存在域Ｂ１、Ｂ２からできるだけ遠く離れて迂回することが重要である。これを実現するのが第２ステップＳ２と第３ステップＳ３との同期である。本実施形態では、第２ステップＳ２の前半の変角過程でヨー角範囲Ａ内の目標の一定角にナセル２を回動させ、後半の保持過程でその一定角にナセル２の角度をヨーブレーキで固定保持し、この保持過程中に第３ステップＳ３の全部を実行するという制御フローを採用する。第２ステップＳ２は第３ステップＳ３の完了と同時又はその後に終了しヨーブレーキを弱めるものとする。また、ヨー角範囲Ａをピッチ角によらず一定の範囲とする。本実施形態によれば、過回転存在域Ｂ１、Ｂ２から遠く離れて迂回して点Ｐ３又はその周囲に移行することができ、好ましい実施形態である。
これに拘わらず、第２ステップＳ２によるヨー角変化中にも第３ステップＳ３を実行しても良いし、過回転存在域Ｂ１，Ｂ２外の領域（さらにはロータ回転がより弱まる領域）を選ぶようにヨー角及びピッチ角を同時に変角して制御してもよい。また、ヨー角範囲Ａをピッチ角によって広狭が生じるように定めても良い。第２ステップＳ２を第３ステップＳ３の完了のわずか前に終了させヨーブレーキを弱めるようにしてもよい。必要なことは、過回転存在域Ｂ１、Ｂ２を避けて（好ましくはできるだけ遠く避けて）ヨー角及びピッチ角を点Ｐ１又はその周囲の領域から点Ｐ３又はその周囲の領域に移行させることであり、本発明は本実施形態に限定されるものではない。過回転存在域Ｂ１と過回転存在域Ｂ２との間においては、その真中を通すことが好ましい。

その後、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキが制御され、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクがヨーブレーキトルクより大きければ図２(b)中矢印Ｄで示すようにナセル２が回動しロータが風下に配置される。ナセル２を回動させる強風が続くとロータが風下に靡くこととなり、図２(b)上でいえばこの風車の座標はおよそ待機領域Ｗに存し、かかる待機形態で風車は暴風が止むのを待つ。

以上のように本実施形態の水平軸風車によれば、独立ピッチ制御装置、ならびに、複雑な操舵シーケンスがなくても、暴風を避けつつロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁からの暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができる。

暴風時にロータが風下に靡く待機形態となるので、風向きが変化した場合であっても、ロータが風下側に位置するようにナセル２がヨー回転するため、ブレード４ａ〜４ｃやタワー１に作用する荷重を逃がしながら負荷を軽減することができる。したがって、例えば、台風などの暴風時において、水平軸風車の姿勢維持のための特別な制御手段を要することなく、ロータがタワー１の風下側に配置され、風によって受ける荷重を最小に抑えることができる。さらに、これによって水平軸風車の設計強度を大幅に緩和することができ、設計の自由度を高めることができ、コストの軽減を図ることができる。

また、本実施形態の水平軸風車によれば、例えば、台風などの暴風時に、まず、すべてのブレード４ａ〜４ｃのピッチ角をフェザーの状態にすることにより、各ブレード４ａ〜４ｃに作用する風による抗力を低減することができる。その結果、ブレード４ａ〜４ｃおよびタワー１に作用する荷重を低減することができる。

また、ピッチ制御装置１２によってフェザーにしたブレード４ａ〜４ｃを、ロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内に移行した上で、ピッチ角を同時に反転フェザーにするため、このようなヨー制御を行わずにロータが正面風又は背面風を受けてしまう可能性を有した状態ですべてのブレードを同時に反転させる場合に対して、ブレード４ａ〜４ｃおよびタワー１に過大な荷重が作用する危険をより確実に避けることができる。その結果、ブレード４ａ〜４ｃに過度の抗力および揚力が発生することを防止することができ、ロータが過回転になることを効果的に防止することができる。

翼の大型化を想定し待機形態によるフラッタの発生等を検証するため、通常はフラッタの発生しない直径80m（2MW相当）の風車について、翼剛性を大幅に低下させたモデルＡ，Ｂ，Ｃを作成した。モデルＡ，Ｂ，Ｃの条件及び待機姿勢を図３に示す表中に記載した。
モデルＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれに対し、図４に示す風況下でのナセル方位角（図５）、ロータ回転速度（図６）、翼捩れ変位（図７）、翼根フラップ曲げ（図８）、翼根トルク（図９）、ヨートルク（図１０）、ヨー水平力（図１１）を解析し、グラフ出力した。また、解析結果の要点、分布範囲、評価付けを図３に示す表中に記載した。

図３に示す表中にも記載するように、モデルＡは、従来技術２の待機形態に該当する。モデルＢは、従来技術３及び５の待機形態に該当する。モデルＣは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術４及び６の待機形態もこれに該当する。

本発明実施例の待機形態であるモデルＣは、翼のフラップ曲げ/捩りならびにヨー水平力について良好な荷重軽減効果がある。また、ヨートルクに関しても、通常のアップウィンド機（モデルＡ）と比較して大幅に改善している。以下に一項目ずつ評価を試みる。

(1)ナセル方位角（図５参照）
基本的にヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃでは風向に追従している。後縁が風上を向くモデルＢでは、前半部（０〜１５０[sec]）で翼の振動があり、ヨーもこれに振られている。

(2)回転速度（図６参照）
ヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃでは基本的にロータはゆっくり遊転しているが、後縁が風上に向くモデＢでは、前半部（０〜１５０[sec]）で翼の振動があり、ロータもこれに振られている。

(3)翼捩り変位（図７参照）
翼根トルクとほぼ同様の評価が当てはまる。
(4)翼根フラップ曲げ（図８参照）
全般に、ロータ回転に伴う荷重の揺動がある。モデルＢの前半部（０〜１５０[sec]）は短い周期で振動する。

(5)翼根トルク（図９参照）
全般に、ロータ回転に伴う荷重の揺動がある。モデルＢの前半部（０〜１５０[sec]）やモデルＡの２００sec付近など、ロータ後縁から暴風を受けている場合に大きなトルクが発生している。通常、ピッチ機構が捩り戻されることは安全上許容できないので、ピッチ機構並びにブレードの構造はこれに耐えるものとする必要がある。

(6)ヨートルク（図１０参照）
ヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃの場合、ヨートルクの振幅は小さく制限され、これを逸脱する場合には、ヨーが滑ることにより荷重を逃がす。モデルＢ，Ｃでは、ヨー保持のモデルＡの場合と比較して大幅に荷重が低減している。

(7)ヨー水平力（図１１参照）
ヨー水平力はタワーと基礎の設計に大きく寄与する。ヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃでは基本的に荷重を低減する傾向であるが、後縁から風を受けるモデルＢでは大きな振動が発生し、逆に荷重を増やしている。この逆転傾向は、翼剛性が著しく低いときに見られる。

本発明の一実施形態のアップウィンド型水平軸風車を上から見た平面図である。 (a)は、本発明の一実施形態のアップウィンド型水平軸風車に搭載される制御部の構成を示すブロック図である。(b)は、ヨー角−ピッチ角平面座標上における過回転存在域とこれを回避する制御ステップとを示した図である。本発明又は従来技術の待機形態に係るモデルＡ，Ｂ，Ｃの条件及び解析結果を記載した表である。解析の条件に係る風況を示すグラフである。ナセル方位角の解析結果を示すグラフである。ロータ回転速度の解析結果を示すグラフである。翼捩れ変位の解析結果を示すグラフである。翼根フラップ曲げの解析結果を示すグラフである。翼根トルクの解析結果を示すグラフである。ヨートルクの解析結果を示すグラフである。ヨー水平力の解析結果を示すグラフである。

符号の説明

１タワー
２ナセル
３ハブ
４ａ，４ｂ，４ｃブレード

Claims

ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ制御装置と、
前記ナセルのヨー回転を制御するヨー制御装置とを備え、
所定値以下の風速時に前記ヨー制御装置の制御により前記ロータを前記タワーより風上に配置し前記ロータの回転を介して風力を利用する運転モードと、前記所定値を超える風速時に前記運転モードに備えて待機する待機モードとを有するアップウィンド型の水平軸風車において、
（１）前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードをフェザーにする第１ステップと、前記第１ステップ後にすべての前記ブレードを反転フェザーにする第３ステップと、前記第３ステップ後から前記運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持するステップとからなる制御動作を有し、
（２）前記ヨー制御装置は、前記第３ステップに同期して前記ロータに対する正面風及び背面風を避けた所定のヨー角範囲内に前記ナセルのヨー角を制御する第２ステップと、前記第２ステップ後から前記運転モードの復帰まで風力により前記ナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御するステップとからなる制御動作を有し、
前記待機モードとして、前記（１）（２）の制御動作を実行することを特徴とする水平軸風車。
前記前記所定のヨー角範囲は、風上に対して＋７５〜＋１１０[deg]又は−７５〜−１１０[deg]であることを特徴とする請求項１記載の水平軸風車。
前記第３ステップにおいて前記ピッチ制御装置は、すべての前記ブレードを同時に反転フェザーにすることを特徴とする請求項１記載の水平軸風車。