JP4994944B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギーの風を回転力に変換する風車を用いて発電を行う風力発電装置に関する。

従来、自然エネルギーである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。この種の風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドと、このロータヘッドと一体に回転するよう連結された主軸と、風車翼に風力を受けて回転する主軸を連結した増速機と、増速機の軸出力によって駆動される発電機とを設けたものである。このように構成された風力発電装置においては、風力を回転力に変換する風車翼を備えたロータヘッド及び主軸が回転して軸出力を発生し、主軸に連結された増速機を介して回転数を増速した軸出力が発電機に伝達される。このため、風力を回転力に変換して得られる軸出力を発電機の駆動源とし、発電機の動力として風力を利用した発電を行うことができる。

上述した従来の風力発電装置においては、降雪地帯や外気温度が氷点下の低温となる降雪寒冷環境下に設置される場合がある。このような降雪寒冷環境下では、風力発電装置の運転制御にとって重要なセンサのひとつである風力風速計周りに氷雪が付着し、正常な測定ができなくなる場合がある。このため、従来の風力発電装置においては、融雪装置として風向風速計の内部にヒータを設置している。
風力発電装置における除氷・氷結防止装置としては、ナセルやタワー内の排気を利用してブレード（風車翼）への氷付着を防止するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、風力発電装置においては、ギアレス発電機の冷却風を利用することで風車翼の防氷効果を得るものがある。（たとえば、特許文献２参照）
特表２００６−５１４１９０号公報 特開２００４−２５１２７０号公報

ところで、寒冷地に設置される風力発電装置においては、特に、−４０℃を下回るような極寒の寒冷地等に設置される風力発電装置においては、風車翼の回転が停止しているような風の弱い待機中に、降雪寒冷の環境下で風向風速計の周りに降雪等が付着して氷結することがある。このような設置環境の場合、風向風速計内部に設置されたヒータ単独では融雪等に時間を要することがあり、この間は風力発電装置の安全に支承があるため運転を停止することとなる。
この結果、風向風力計の氷結により測定データを得られない状態になると、風力発電装置の停止により稼働率が低下するので、風況に対して予め設定されている発電量を確保できないという問題が生じてくる。

このような背景から、風向風速計が氷結した場合の運転停止時間を短縮し、風力発電装置の停止による稼働率の低下を最小限に抑えることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、寒冷地の降雪寒冷環境下においても、氷結した風向風速計の復帰に要する時間を短縮して稼働率の低下を最小限に抑えることができる風力発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の風力発電装置は、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結された駆動・発電機構を収納設置しているナセル上部に風向風速計を備えている風力発電装置であって、前記ナセル上部に前記風向風速計の方向へ向けて開口するナセル内冷却風の吹出口を設け、該吹出口が前記冷却風の吹出方向可変手段を備えていることを特徴としている。

このような本発明の風力発電装置によれば、ナセル上部に風向風速計の方向へ向けて開口するナセル内冷却風の吹出口を設け、該吹出口が冷却風の吹出方向可変手段を備えているので、風向風速計の氷結時には、吹出方向可変手段を操作してナセル内冷却風の吹出方向を風向風速計へ向けて吹き出すことができる。

上記の風力発電装置においては、前記風向風速計を複数設けておき、該風向風速計への氷雪付着状況を測定値の比較により判断することが好ましく、これにより、風向風速計の氷結や融雪付着状況に関する把握精度を向上させることができる。

上述した本発明によれば、風向風速計の氷結時において、ナセル上部に風向風速計の方向へ向けて開口するよう設けられたナセル内冷却風の吹出口では、冷却風の吹出方向可変手段の操作によりナセル内冷却風の吹出方向を風向風速計へ向けることにより、風向風速計へ向けてナセル内冷却風を吹き出すことができる。このため、ナセル内冷却風が風向風速計に当たるようになるので、この流れにより着雪及び積雪を防止したり、あるいは、ナセル内を冷却して温度上昇した冷却風の流れにより風向風速計に付着した氷雪を加熱することができる。

従って、着雪量及び積雪量が低減され、さらに、風向風速計内部のヒータ加熱にナセル内冷却風の加熱が加わることで氷雪の溶解が促進される。この結果、氷雪の溶解時間が短縮されるので、風向風速計の氷結による風力発電装置の運転停止時間も短縮され、特に、降雪寒冷環境下に設置される風力発電装置においては、運転停止による稼働率の低下を最小限に抑えることができる。
また、風力発電装置のナセル上部に風向風速計を複数設けておき、風向風速計への氷雪付着状況を測定値の比較により判断するようにしたので、風向風速計の氷結や融雪付着状況に関する把握精度が向上し、寒冷地における風向風速計の氷結等に起因する風力発電装置の運転トラブルを確実に防止することができる。

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
風力発電装置１は、図２に示すように、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。
ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車翼５が取り付けられている。この結果、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

ナセル３の外周面適所（たとえば上部後方等）には、周辺の風向及び風速値を測定する風向風速計７と、避雷針８とが設置されている。なお、図示の構成においては、風向風速計７及び避雷針８がそれぞれ所定の間隔で隣接するように一対設けられている。
ナセル３の内部には、たとえば図３に示すように、ロータヘッド４と同軸の増速機１０を介して連結された発電機１１を具備してなる駆動・発電機構が収納設置されている。すなわち、風力発電装置１は、ロータヘッド４の回転を増速機１０で増速して発電機１１を駆動することにより、発電機１１より発電機出力Ｗが得られるようになっている。
また、ナセル３の内部には、各種の運転制御を行うためにナセル制御装置２０が設置されている。

ナセル３の前端部側となる上部には、風向風速計７を設置した方向（ナセル後方）へ向けて開口する吹出口１２が設けられている。この吹出口１２は、図示省略の導入口からナセル３の内部に外気を吸い込み、ナセル３の内部を循環することで換気及び冷却したナセル内冷却風を外部へ放出するための出口開口である。すなわち、風力発電装置１の運転により、ナセル３の内部に設置されている増速機１０、発電機１１及びナセル制御装置２０等が発熱して内部温度を上昇させるので、外気を導入して循環させる換気を行うことにより、ナセル３の内部温度はナセル制御装置２０等の電気制御機器類等に設定されている運転温度範囲内に維持されている。

上述した吹出口１２は、図３に示すように、ナセル内冷却風を外部へ放出する出口に、冷却風の吹出方向可変手段として排気フラップ１３を備えている。
この排気フラップ１３は、ナセル換気ファン１４の運転により導入口から吸引された外気がナセル３の内部を循環したナセル内冷却風について、その吹出方向を所望の方向に変化させる機能を有している。このような換気運転時には、ナセル３の内部を換気したナセル内冷却風の吹出方向が、通常の排気位置（図３（ｃ）参照）と、氷結防止対策として風向風速計７に向けて吹き出す寒冷時排気位置（図４（ｂ）参照）とのいずれか一方を選択し、所望の吹出方向を選択して切り換え可能とされる。
すなわち、排気フラップ１３は、ナセル制御装置２０の制御信号を受けて動作する電動機等の駆動手段（不図示）を備え、降雪寒冷環境下等の運転状況に応じて、その角度を選択切換して変化させることができる。

この結果、たとえば風力発電装置１の運転時や停止からの時間経過が少ない場合には、ナセル３の内部を換気するナセル内冷却風が温度上昇して外気温と比較して高温となる。このナセル内冷却風は、ナセル制御装置２０の制御信号を受けて排気フラップ１３の吹出方向（角度）を寒冷時排気位置に変化させることにより、比較的高温のナセル内冷却風が風向風速計７へ当たるようにして吹き出されるので、風向風速計７の氷結防止や氷雪の溶解が促進されて溶解時間を短縮することができる。また、風力発電装置１の運転停止時間が長く、ナセル３の内部温度と外気温との間に温度差がないような場合においては、加熱能力はないものの、ナセル内冷却風の流れが風向風速計７への着雪を妨げる。

図１はナセル制御装置２０の構成例を示すブロック図であり、このナセル制御装置２０には、風向風速計７の他にも、排気フラップ１３、ナセル排気ファン１４及び外気温度計１５等が接続されている。
図示の風向風速計７は、風向風速計本体７ａと、風向風速計７の内部温度を測定する温度計７ｂと、寒冷時に風向風速計７の内部を加熱する電気ヒータ７ｃ等の加熱手段と、風向風速計制御装置７ｄとを具備して構成される。

続いて、上述したナセル制御装置２０による排気フラップ１３の動作制御について、図５のフローチャートを参照して説明する。
最初のステップＳ１において、風力発電装置１のロータヘッド（風車）４は通常の待機中、すなわち風待ちの停止中である。このような停止状態において、次のステップＳ２に進んで一対の風向風速計７から入力される風向及び風速の測定値を比較する。

ステップＳ２において、一対の測定値に所定値以上の差がある不整合を生じた場合、いずれか一方の風向風速計７に何らかの不具合が生じていると考えられる。なお、この場合の所定値は、風向風速計７の許容誤差範囲等を考慮して適宜設定される。
風向風速計７に不具合がある場合、次のステップＳ３に進み、外気温度計１５の測定値から外気温が所定値（たとえば１０℃）以下の低温状態にあるか否かを判断する。この結果、外気温が所定値以下となるＹＥＳの場合には、次のステップＳ４に進み、風向風速計７のヒータ７ｃについてＯＮ動作の有無を検知する。

ステップＳ４でヒータ７ｃのＯＮ動作が確認されたＹＥＳの場合には、次のステップＳ５に進んでナセル排気ファン１４の動作をＯＮとし、ナセル３内の換気を開始する。すなわち、上述した風向風速計７の不具合は、低外気温による着雪や氷結等に原因があると推測されるので、この状況を解消する対策として、風力発電装置１の停止時や、ナセル内温度が低く換気運転の必要がない低外気温時のような状況であっても、排気ファン１４の運転を強制的に開始する。

さらに、排気ファン１４の運転を開始してから次のステップＳ６に進み、排気フラップ１３の角度が上向きとなる寒冷時排気位置に変更する。すなわち、排気フラップ１３の角度が図３に示す通常の排気位置では、フラップ角度がナセル３の上面と略平行の角度に設定され、図中に破線で示すように、ナセル内冷却風は風向風速計７に直接当たることなくナセル上面に沿って真っ直ぐに流れて行く。しかし、通常の排気位置から排気フラップ１３の角度を上向きに変化させて寒冷時排気位置に設定すると、ナセル内冷却風の流れは、図４に破線で示すように、風向風速計７に向かう流れとなる。
こうして風向風速計７にナセル内冷却風が当たるようになると、風向風速計７への着雪を妨げたり、ナセル内冷却風の温度が外気温より高い場合には、ナセル内冷却風による加熱作用も得られるので、ヒータ７ｃによる加熱で着雪や氷結等を防止または除去する不具合解消を助けることとなる。従って、重要なセンサのひとつである風向風速計７の不具合解消に要する時間が短縮されるので、風力発電装置１の正常な運転開始までに要する時間も短縮可能となる。

そして、このように排気フラップ１３を寒冷時排気位置に設定した運転は、次のステップＳ７において、一対の風向風速計７から入力される風向及び風速の測定値が整合することを確認するまで継続される。すなわち、ステップＳ７で風向風速計７の測定値が整合すると判断されたＹＥＳの場合には、風向風速計７の不具合が解消されたものと判断できるので、次のステップＳ８に進んでナセル排気ファン１４を停止（ＯＦＦ）するとともに、排気フラップ１３の角度を通常の排気位置（ナセル上面と平行）に戻す。
このような一連の動作を経て、次のステップＳ９においてロータ４が起動され、ロータ４の回転による風力発電装置１の運転が開始される。

ところで、上述したステップＳ３において、外気温が所定値より高いＮＯの場合には、風向風速計７の不具合が低外気温に起因するものではないから、次のステップＳ１０に進んで風向風速計異常と判断する。そして、このような風向風速計７の異常は、風力発電装置１の正常な運転に支障をきたすものであるから、次のステップＳ１１に進んで風力発電装置１の運転を停止する。
また、上述したステップＳ４において、風向風速計７のヒータ７ｃがＯＮ動作したことを確認できないＮＯの場合についても、次のステップＳ１０に進んで同様に風向風速計異常と判断し、さらに、次のステップＳ１１に進んで風力発電装置１の運転を停止する。

また、上述したステップＳ７において、一対の風向風速計７から入力される測定値が整合しないＮＯの場合には、ステップＳ１２に進んで排気フラップ１３を上向きに変更してから経過した時間を判断する。
この結果、経過時間があらかじめ定めた指定時間以内であるＹＥＳの場合には、排気フラップ１３を寒冷時排気位置にしたままナセル排気ファン１４の運転を継続する。この場合の指定時間は、風力発電装置１の仕様や設置場所等の諸条件に応じて異なるもので、あらかじめ実験やシミュレーション等により得られた不具合解消に要する時間を参照して定められる。
しかし、経過時間が上述した指定時間を超えたＮＯの場合には、通常の不具合解消時間を超えているので、やはりステップＳ１０に進んで風向風速計異常と判断し、さらに、次のステップＳ１１に進んで風力発電装置１の運転を停止する。

このように、上述した本発明の風力発電装置１によれば、風向風速計７の氷結時において、ナセル３の上部に風向風速計７の方向へ向けて開口するよう設けられたナセル内冷却風の吹出口１２では、冷却風の吹出方向可変手段となる排気フラップ１３の操作によりナセル内冷却風の吹出方向を風向風速計７へ向けることができる。このため、風向風速計７へ向けてナセル内冷却風を吹き出すことができるようになり、この結果、ナセル内冷却風が風向風速計７に当たるようになるので、この流れにより着雪及び積雪を防止したり、あるいは、ナセル３の内部を冷却して温度上昇した冷却風の流れにより風向風速計７に付着した氷雪を加熱することができる。

また、本発明の風力発電装置１においては、ナセル３の上部に風向風速計７を複数設けておき、風向風速計７への氷雪付着状況を測定値の比較により判断するようにしたので、風向風速計７の氷結や融雪付着状況に関する把握精度が向上し、寒冷地における風向風速計７の氷結等に起因する運転トラブルを確実に防止することができる。なお、風向風速計７の数については、上述した実施形態の２台に限定されることはなく、３台またはそれ以上としてもよいし、あるいは、把握精度の問題はあるものの、１台としてもよい。

また、吹き出し方向可変手段についても、必要に応じてナセル内冷却風の吹出方向を変化させることができれば、上述した排気フラップ１３に限定されることはない。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態を示す要部のブロック図である。 風力発電装置の全体構成例を示す図である。 図２のナセル周辺を示す拡大図であり、（ａ）はナセル内の内部構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の右側面図、（ｃ）は吹出口に設けられた排気フラップが通常の排気位置にある状態を示す斜視図である。 図２のナセル周辺を示す拡大図であり、（ａ）はナセル内の内部構成を示す断面図、（ｂ）は吹出口に設けられた排気フラップが寒冷時排気位置にある状態を示す斜視図である。 図１のナセル制御装置により行われる制御例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
７ 風向風速計
１０ 増速機
１１ 発電機
１２ 吹出口
１３ 排気フラップ
１４ ナセル排気ファン
２０ ナセル制御装置

Claims (2)

1. 風車翼を取り付けたロータヘッドに連結された駆動・発電機構を収納設置しているナセル上部に風向風速計を備えている風力発電装置であって、
   前記ナセル上部に前記風向風速計の方向へ向けて開口するナセル内冷却風の吹出口を設け、該吹出口が前記冷却風の吹出方向可変手段を備えていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記風向風速計を複数設けておき、該風向風速計への氷雪付着状況が測定値の比較により判断されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。

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