JP5627301B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に発電量を変動させることなくブレードのピッチ角制御による制振が可能なものに関する。

自然風を利用して発電を行う風力発電装置は、複数のブレードを放射状に配置したロータと、ロータによって回転駆動される発電機とを備えている。ロータの支持機構や発電機等を収容するナセルは、例えば地盤から立接されたタワーの上端部に取り付けられる。
このような風力発電装置においては、風力（風速）の変動でロータに作用するスラスト力が変動することによって、ナセルがロータ回転軸方向に振動する場合がある。
このような振動が増大すると、装置の耐久性などに懸念が生じる。これに対し、構造を強固にして振動を抑制したり、制振用のデバイス等を付加することも考えられるが、装置の重量増、複雑化、コストアップ等が問題となる。

風力発電装置の風速変動への対応に関する従来技術として、例えば、特許文献１には、過風速時に装置を保護することを目的として、ブレード先端側を下流側に傾斜させるフラップ動作を行うとともに、ピッチ角を変化させて揚力及び抗力をともに低減させるものが記載されている。

特開２００１−２２１１４５号公報

しかし、特許文献１に記載された技術では、風力に応じてブレードのピッチ角等を変化させると、発電量も同時に変化することになる。
例えば、風速が高くスラスト力が過大な場合に、各ブレードのピッチ角を浅くすればスラスト力は減少し、振動の発生等は防止することができるが、この場合同時に発電量が低下して発電効率が損なわれてしまい好ましくない。
本発明の課題は、発電量を変動させることなくブレードのピッチ角制御による制振が可能な風力発電装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、ピッチ角を変更可能な複数のブレードを放射状に配置し、所定の回転軸回りに回転するロータと、前記ロータによって駆動される発電機が収容されるナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記複数のロータの前記ピッチ角を制御するピッチ制御手段とを備える風力発電装置であって、前記複数のブレードは、前記ピッチ角が最大揚力角以下の領域内となるように制御される第１群のブレードと、前記ピッチ角が最大揚力角以上の領域内となるように制御される第２群のブレードとを有し、前記ピッチ制御手段は、前記ロータの回転軸方向における風速の変動に応じて前記第１群のブレード及び前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに増加させ又はともに減少させ、かつ、前記ピッチ制御手段は、前記第１群のブレードと前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに増加させ又はともに減少させる際に、前記第１群のブレードが発生する揚力と前記第２群のブレードが発生する揚力との和がほぼ一定となるように各群のブレードの前記ピッチ角を制御することを特徴とする風力発電装置である。
なお、本発明において、第１群及び第２群のブレードは、それぞれ複数枚のブレードであっても１枚のブレードであってもよい。

請求項２の発明は、前記ピッチ制御手段は、前記風速の増加に応じて前記第１群のブレードと前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに減少させ、前記風速の減少に応じて前記第１群のブレードと前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに増加させること
を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置である。

ブレードの翼部は、非失速状態においてはブレードの取付角度であるピッチ角（仰角）の増加とともに、ロータの回転トルクを主に発生する揚力が増加するが、ピッチ角が所定の最大揚力角以上となると失速（ストール）が生じ、それ以上ピッチ角を増加させた場合は、ピッチ角の増加とともに揚力は減少する。
これに対し、ロータのスラスト力を主に発生する抗力は、非失速領域、失速領域に関わらず、ピッチ角の増加とともに増加する。
本発明によれば、複数のブレードを、ピッチ角が最大揚力角以下の非失速領域で制御される第１群、及び、最大揚力以上の失速領域で制御される第２群に分けて、風速の変動に応じてこれらのピッチ角をともに増減させる構成としている。
このような構成とすることによって、スラスト力が過大である場合には、第１群、第２群のピッチ角をともに減少させることによって抗力を低減し、スラスト力を低下させることができる。このとき、第１群の揚力は低下するが、第２群の揚力は増加するため、ロータ全体としてのトルク変動は抑制され、発電量の変化を防止することができる。
また、スラスト力が過小である場合には、第１群、第２群のピッチ角をともに増加させることによって抗力を増加させ、スラスト力を増加させることができる。このとき、第１群の揚力は増加するが第２群の揚力は低下するため、ロータ全体としてのトルク変動は抑制され、発電量の変化を防止することができる。
以上説明したように、本発明によれば、発電量を変動させることなくブレードのピッチ角制御による制振が可能な風力発電装置を提供することができる。

本発明を適用した風力発電装置の実施例１の構成を示す模式的ブロック図である。 実施例１の風力発電装置の模式的外観斜視図である。 風力発電装置におけるブレードに作用する各力を示す図である。 ブレードのピッチ角と揚力係数Ｃｌ、抗力係数Ｃｄとの相関の一例を示すグラフである。 実施例１の風力発電装置における風速と発電電力、目標ピッチ角の相関を示すグラフである。 ロータのスラスト力が過小又は過大な場合における風力発電装置の挙動の一例を示す模式図である。 本発明を適用した風力発電装置の実施例２の模式的外観斜視図である。 本発明を適用した風力発電装置の実施例３の模式的外観斜視図である。 本発明を適用した風力発電装置の実施例５の模式的外観斜視図である。

本発明は、発電量を変動させることなくブレードのピッチ角制御による制振が可能な風力発電装置を提供する課題を、複数のブレードの一部を非ストール領域で制御し、他部をストール領域で制御するとともに、風速の変動に応じて各ブレードのピッチ角をともに増加又はともに減少させることによって解決した。

以下、本発明を適用した風力発電装置の実施例１について説明する。
図１は、実施例１の風力発電装置の構成を示す模式的ブロック図である。
図２は、実施例１の風力発電装置の模式的外観斜視図である。
図１に示すように、風力発電装置は、ロータ１０、発電機２０、ピッチ駆動装置３０、制御装置４０、風力センサ５０等を備えている。
また、図２に示すように、風力発電装置は、ナセル６０、タワー７０等を備えている。

ロータ１０は、風力によって回転駆動されるとともに、図示しない回転軸を介して発電機２０を駆動する風車である。
ロータ１０は、放射状に配置された４枚のブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを備えている。ブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、回転軸先端に取り付けられたハブに、回転軸回りの位相が９０°間隔となるように、風上側から見て時計回りに順次取り付けられている。
ロータ１０の回転中心軸は、装置の通常運転時にほぼ水平となるように配置されている。

発電機２０は、ロータ１０によって回転駆動され、電力を発生するものである。
発電機２０は、その回転中心軸がロータ１０と平行となるように配置されている。

ピッチ駆動装置３０は、ロータ１０の各ブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの取付角度であるピッチ角を、ブレード毎に個別に駆動して変化させるものである。

制御装置４０は、発電機２０、ピッチ駆動装置３０等の風力発電装置の各構成要素を統括的に制御するものである。制御装置４０は、例えばＣＰＵ等の情報処理手段、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を備えて構成されている。

風力センサ５０は、ロータ１０の回転軸方向における風速を検出するものである。風力センサ５０の検出値は、制御装置４０に伝達される。

ナセル６０は、ロータ１０を回転可能に支持する図示しない支持機構、発電機２０、制御盤、冷却装置等を収容する部分である。ナセル６０は、ロータ１０のハブ部から、通常運転時における風下側に伸びて形成されている。

タワー７０は、上下方向に延びて形成され、ナセル６０を支持する支柱である。タワー７０の上端部はナセル６０の下部に接続され、下端部は図示しない地盤や、洋上に浮かべられる浮体等に固定されている。

次に、実施例１の風力発電装置におけるブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのピッチ角制御について説明する。
図３は、風力発電装置におけるブレードに作用する各力を示す図である。
図３に示すように、風の流入方向（気流方向）に対してピッチ角αが与えられたブレード１１には、気流方向に直交する方向の揚力Ｌ、及び、気流方向下流側への抗力Ｄが発生する。
この揚力Ｌと抗力Ｄのベクトル和である合力Ｆを、ロータ回転方向に沿った分力とロータ回転方向に直交する方向の分力とに分解すると、前者はロータ１０のトルクを発生するトルク成分Ｔｑとなり、後者はロータ１０のスラスト力を発生するスラスト成分Ｔｈとなる。
ここで、トルク成分Ｔｑには揚力係数Ｃｌによる影響が大きく、スラスト成分Ｔｈには抗力係数Ｃｄによる影響が大きい。

次に、ブレードにおける揚力係数Ｃｌ及び抗力係数Ｃｄのピッチ角αとの相関について説明する。
図４は、ブレードのピッチ角と揚力係数Ｃｌ、抗力係数Ｃｄとの相関の一例を示すグラフである。
図４に示すように、揚力係数Ｃｌは、ピッチ角αが小さい領域では、ピッチ角αの増加に応じて増加し、所定のピッチ角（最大揚力角・例えば１２°程度）において最大となる。
そして、最大揚力角を超えた領域では、失速が生じてピッチ角αの増加に応じて揚力係数Ｃｌは減少する。
これに対し、抗力係数Ｃｄは、ピッチ角αの増加に応じて、最大揚力角との関係に関わらず、単調に増加する。
例えば、図４の場合には、ピッチ角αが約１０．５°の場合と、約１３°の場合とでは、揚力係数Ｃｌはほぼ同等になるが、抗力係数Ｃｄは約１３°の場合のほうが大きくなることがわかる。

実施例１においては、ロータ１０のブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのうち、ブレード１１ａ、１１ｃについては、ピッチ角αが最大揚力角以下の領域で、非失速状態となる制御（ピッチ制御）を行うピッチ翼とする。
また、ブレード１１ｂ、１１ｄについては、ピッチ角αが最大揚力角を超えた領域で、失速状態となる制御（ストール制御）を行うアクティブストール翼とする。

ピッチ翼においては、ピッチ角を増加させると、揚力係数Ｃｌ及び抗力係数Ｃｄはともに増加する。
これに対し、アクティブストール翼においては、ピッチ角を増加させると、揚力係数Ｃｌは減少し抗力係数Ｃｄは増加する。
このような特性を利用すると、例えば風速が過度に高くなった場合に、ピッチ翼及びアクティブストール翼のピッチ角をともに減少させると、各翼の抗力係数Ｃｄがともに減少するので、ロータ１０が発生するスラスト力を低減することができるが、揚力係数Ｃｌに着目すると、ピッチ翼での減少とアクティブストール翼での増加が相殺され、ロータ１０全体としては実質的にトルクが変化しないように制御することが可能となる。

図５は、風速と発電電力、目標ピッチ角の相関を示すグラフである。
図５において、横軸は風速を示し、縦軸は発電電力及び目標ピッチ角を示している。ピッチ駆動装置３０は、各ブレードのピッチ角がこの目標ピッチ角に近づくようにピッチ制御及びストール制御を実行する。
図５に示すように、発電電力は、風速が比較的小さい領域では風速の増加とともに増加し、所定の風速以上の領域では一定となる。

また、ピッチ翼とアクティブストール翼の目標ピッチ角は、風速が比較的小さい領域では、それぞれ一定値とされている。この目標ピッチ角は、ピッチ翼では最大揚力角よりも小さく設定され、アクティブストール翼では最大揚力角よりも大きく設定されている。
また、風速が比較的大きい領域では、ピッチ翼の目標ピッチ角は、風速の増加に応じてリニアに減少するように設定され、アクティブストール翼の目標ピッチ角は、風速の増加に応じてリニアに増加するように設定されている。
これらの目標ピッチ角の変化率（グラフにおける傾き）は、目標ピッチ角の変更時に、ピッチ翼とアクティブストール翼との揚力係数Ｃｌの変化量が実質的に等しくなり、ロータ１０のトルク変化が生じないように設定されている。

以上説明した実施例１によれば、風速の増加に応じてピッチ翼及びアクティブストール翼の目標ピッチ角をともに減少させることによって、各翼の抗力係数Ｃｄを低下させてロータ１０のスラスト力増加を抑制することができる。また、風速が減少した場合には逆の制御を行うことによって、ロータ１０のスラスト力低下を抑制することができる。
これによって、図６（ａ）に示すように、スラスト力が過小となって、ナセル６０が風上側に変位する方向へタワー７０が撓んだり、逆にスラスト力が過大となってナセル６０が風下側に変位する方向へタワー７０が撓んで、装置に振動が生じることを防止できる。
また、このときピッチ翼の揚力係数Ｃｌの変化とアクティブストール翼の揚力係数Ｃｌの変化とが釣り合う（相殺される）ように各翼の目標ピッチ角を設定することによって、ロータ１０が発生するトルクの変化を防止し、スラスト力低減のために発電電力が影響を受けることを防止できる。
また、このような手法によって制振を行う場合、制御及び翼の設計のみによって実現可能であることから、制振専用のデバイス等を追加する必要がなく、追加コストがほとんど発生することがない。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例２について説明する。
なお、以下説明する各実施例においては、上述した実施例１と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図７は、実施例２の風力発電装置の模式的外観斜視図である。
実施例２の風力発電装置は、実施例１のロータ１０に代えて、以下説明するロータ１０Ｂを備えたものである。
ロータ１０Ｂは、６枚のブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆを、回転軸回りの位相が６０°間隔となるように、風上側から見て時計回りに順次配置したものである。
そして、ブレード１１ａ、１１ｃ、１１ｅをピッチ翼として制御し、ブレード１１ｂ、１１ｄ、１１ｆをアクティブストール翼として制御している。
以上説明した実施例２においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例３について説明する。
図８は、実施例３の風力発電装置の模式的外観斜視図である。
実施例３の風力発電装置は、実施例１のロータ１０に代えて、以下説明するロータ１０Ｃを備えたものである。
ロータ１０Ｃは、３枚のブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃを、回転軸回りの位相が１２０°間隔となるように、風上側から見て時計回りに順次配置したものである。
そして、ブレード１１ａをピッチ翼として制御し、ブレード１１ｂ、１１ｃをアクティブストール翼として制御している。
実施例３のような奇数枚のブレードの場合には、ピッチ翼とアクティブストール翼の枚数が異なるため、偶数枚の場合と同様の制御ではスラスト力のアンバランスが発生する。このため、スラスト力の分布が一様となるように各翼の目標ピッチ角を設定する。その結果、トルク分布は不均一となるが、これは構造の強化等によって対応が可能である。
また、スラスト力、トルクの分布の不均一が最小となるように制御を行っても良い。
実施例３においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例４について説明する。
実施例４の風力発電装置は、実施例３と実質的に同様の構成を有し、ブレード１１ｂ、１１ｃをピッチ翼とし、ブレード１１ａをアクティブストール翼として制御するものである。
実施例４においても、上述した実施例３の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例５について説明する。
図９は、実施例５の風力発電装置の模式的外観斜視図である。
実施例５の風力発電装置は、実施例１のロータ１０に代えて、以下説明するロータ１０Ｅを備えたものである。
ロータ１０Ｅは、５枚のブレード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅを、回転軸回りの位相が１２０°間隔となるように、風上側から見て時計回りに順次配置したものである。
そして、ブレード１１ｂ、１１ｅをピッチ翼として制御し、ブレード１１ａ、１１ｃ、１１ｄをアクティブストール翼として制御している。
実施例５においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例６について説明する。
実施例６の風力発電装置は、実施例５と実質的に同様の構成を有し、ブレード１１ａ、１１ｃ、１１ｄをピッチ翼とし、ブレード１１ｂ、１１ｅをアクティブストール翼として制御するものである。
実施例６においても、上述した実施例５の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
風力発電装置各部の詳細な構成等は、上述した各実施例に限定されず、適宜変更することができる。
例えば、各翼の目標ピッチ角の設定についても、実施例１のように風速に応じてリニアに変化させることは一例であって、適宜変更が可能である。
また、各実施例の風力発電装置は、ナセルの風上側にロータが設けられたいわゆるアップウインド型のものであったが、本発明はナセルの風下側にロータが設けられたいわゆるダウンウインド型のものにも適用することができる。
また、各実施例では、風速センサを用いて直接風速を検出しているが、これに代えて、例えばロータのスラスト力によるナセルの変位、タワーのたわみ等を検出し、これらが大きい場合に風速が大きいものと判定して目標ピッチ角を変化させるようにしてもよい。

１０ ロータ １１，１１ａ〜１１ｆ ブレード
２０ 発電機 ３０ ピッチ駆動装置
４０ 制御装置 ５０ 風力センサ
６０ ナセル ７０ タワー

Claims (2)

1. ピッチ角を変更可能な複数のブレードを放射状に配置し、所定の回転軸回りに回転するロータと、
   前記ロータによって駆動される発電機が収容されるナセルと、
   前記ナセルを支持するタワーと、
   前記複数のロータの前記ピッチ角を制御するピッチ制御手段と
   を備える風力発電装置であって、
   前記複数のブレードは、
   前記ピッチ角が最大揚力角以下の領域内となるように制御される第１群のブレードと、
   前記ピッチ角が最大揚力角以上の領域内となるように制御される第２群のブレードとを有し、
   前記ピッチ制御手段は、前記ロータの回転軸方向における風速の変動に応じて前記第１群のブレード及び前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに増加させ又はともに減少させ、かつ、
   前記ピッチ制御手段は、前記第１群のブレードと前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに増加させ又はともに減少させる際に、前記第１群のブレードが発生する揚力と前記第２群のブレードが発生する揚力との和がほぼ一定となるように各群のブレードの前記ピッチ角を制御すること
   を特徴とする風力発電装置。
2. 前記ピッチ制御手段は、前記風速の増加に応じて前記第１群のブレードと前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに減少させ、前記風速の減少に応じて前記第１群のブレードと前記第２群のブレードの前記ピッチ角をともに増加させること
   を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。

Images