JP5832343B2

JP5832343B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP5832343B2
Application number: JP2012060599A
Authority: JP
Inventors: 文乃杉山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP2013194557A

Description

本発明は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置に関する。

近年の環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギへの需要が高まっている。そのようなクリーン・エネルギを代表するもののひとつに風力発電がある。風力発電では、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない。

風力発電装置は一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則な風エネルギを動力として稼動するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動するトルクがかかる。このようなトルクの変動は風力発電装置の構成要素の寿命を縮めうる。
そこで従来では、例えば風車ブレードの角度を変えるピッチ制御によって衝撃の軽減が図られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１には、翼の回転を摩擦伝動増速機を介して発電機に伝え上記発電機の出力に基づいて翼のピッチ角を制御して発電する風力発電装置において、上記摩擦伝動増速機と上記発電機との間に介装され押し付け力の調整装置により伝達トルクが制御される摩擦式クラッチと、該摩擦式クラッチにおける滑り率に基づいて上記翼のピッチ角を上記滑り率が小さくなる方向に制御する手段とを備えたことを特徴とする風力発電装置が開示されている。この風力発電装置では、過大な負荷トルクが発生した場合でも、摩擦式クラッチに滑りを生じさせることにより摩擦伝動増速機の損傷を防止しようとしている。

特開平８−３１２５２３号公報特開平１１−５０９４５号公報国際公開第０３／０５８０６２号パンフレット

しかしながら、一般に摩擦式クラッチの摩耗は比較的速いので、摩擦式クラッチを使用する風力発電装置においては摩擦式クラッチを高い頻度で修理・交換する必要がある。また、特許文献１に記載の風力発電装置では、摩擦式クラッチは動力伝達系の一部となっているので、摩擦式クラッチの修理・交換は比較的大規模で煩雑な作業となりうる。すなわち、特許文献１に記載されるような摩擦式クラッチを使用する風力発電装置においては、高い頻度で大規模、煩雑な作業が発生しうるので、メンテナンス性や稼動効率の面で不利である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、メンテナンス性や稼動効率への悪影響を抑えつつ、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクによる構成要素への機械的負荷を低減できる風力発電装置の提供にある。

本発明のある態様は風力発電装置に関する。この風力発電装置は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置であって、風車ブレードから発電機に至る動力伝達系と、風向に対する風車ブレードの姿勢を変えることで、動力伝達系にかかるトルクを低減するよう動作する第１トルク低減手段と、動力伝達系の支持に関与するアクチュエータを駆動することで、動力伝達系にかかるトルクを低減するよう動作する第２トルク低減手段と、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が所定のしきい値を上回る場合、第１トルク低減手段および第２トルク低減手段を並行して動作させる制御部と、を備える。

この態様によると、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が所定のしきい値を上回る場合、第１トルク低減手段および第２トルク低減手段は並行して動作する。

本発明の別の態様もまた、風力発電装置である。この装置は、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置であって、風車ブレードから発電機に至る動力伝達系と、動力伝達系にかかるトルクを所定の第１時定数で低減するよう動作する第１トルク低減手段と、動力伝達系にかかるトルクを、第１時定数よりも小さい第２時定数で低減するよう動作する第２トルク低減手段と、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が所定のトルクしきい値を上回る場合、第１トルク低減手段を動作させ、第１トルク低減手段が動作する場合かつ風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報の変動率が所定の変動率しきい値を上回る場合、第２トルク低減手段を動作させる制御部と、を備える。

なお、以上の要素の任意の組み合わせや、本発明の要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、メンテナンス性や稼動効率への悪影響を抑えつつ、風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクによる構成要素への機械的負荷を低減できる。

実施の形態に係る風力発電装置の側面図である。風車ブレードのピッチ制御を行わない場合の風力トルクの時系列データを示す図である。図３（ａ）、（ｂ）は、ピッチ制御を説明するための模式図である。風速とピッチ角度との関係の一例を示すグラフである。図１のナセルの内部を示す模式図である。図５の増速機の正面図である。図６の増速機の右側の支持機構の斜視図である。図６の増速機の右側の支持機構の側面図である。図５の制御部の機能および構成を示すブロック図である。図１の風力発電装置における一連の処理の一例を示すフローチャートである。第１トルク低減手段および第２トルク低減手段が実質的に同時に起動された場合のトルク低減効果と起動からの時刻との関係を模式的に示すグラフである。図５の増速機の姿勢制御を説明するための模式図である。第２変形例に係る風力発電装置の増速機の左側の支持機構の断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係る風力発電装置１の側面図である。風力発電装置１は、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、該ナセル３に対して回転自在に組付けられたロータヘッド４と、を備える。ロータヘッド４には、複数枚（例えば、３枚）の風車ブレード（風車翼とも称される）５が取り付けられている。ナセル３の内部には発電機（図１では不図示）が設けられている。風力発電装置１は、風車ブレード５が風を受けることにより生じるトルク（以下、風力トルクと称する）を発電機で電力に変換する。

図２は、風車ブレード５のピッチ制御を行わない場合の風力トルクの時系列データを示す図である。この時系列データでは、比較的長いタイムスパンのトルク変動が見られる。特に図２の破線で囲まれる部分３６、３８、４０では、約１０秒から約２０秒の立ち上がり時間でトルクが増加している。これらの突発的なトルク変動は突風等によるものと考えられる。
風力トルクは、風車ブレード５から発電機に至る動力伝達系を介して発電機に伝達される。風力トルクが変動すると、動力伝達系にかかるトルク（以下、伝達トルクと称する）も変動する。伝達トルクは例えば歯車などの動力伝達系の構成要素にかかるトルクである。

風力発電装置１は、風力トルクが大きくなった場合に、伝達トルクを低減するよう動作する第１トルク低減手段を備える。第１トルク低減手段は、風向に対する風車ブレード５の姿勢を変えることで、風車ブレード５が風を風力トルクに変換する際の効率を低減する。
なお、第１トルク低減手段を動作させない場合よりも動作させる場合のほうが伝達トルクは小さくなるが、第１トルク低減手段を動作させたからといって伝達トルクの絶対値が低下するとは限らない。例えば、風力トルクの上昇が比較的急な場合、第１トルク低減手段のトルク低減動作によっても伝達トルクは上昇を続けるかもしれない。しかしながらそのような場合でも、第１トルク低減手段により伝達トルクの上がり方はより緩やかになる。

（第１トルク低減手段）
第１トルク低減手段は、風車ブレード５のピッチ制御により伝達トルクを低減するよう動作する。
図３（ａ）、（ｂ）は、ピッチ制御を説明するための模式図である。図３（ａ）、（ｂ）は共に風車ブレード５の翼断面を示す。図３（ａ）を参照し、風車ブレード５の断面と風車ブレード５の回転面７０とのなす角度をピッチ角度θｐと呼ぶ。ピッチ角度θｐが大きくなると、風車ブレード５が風７２から受ける揚力は減少する。すると風車ブレード５の回転は失速する。例えば、図３（ｂ）のピッチ角度θｐは図３（ａ）のピッチ角度θｐよりも大きく、したがって、図３（ｂ）の風車ブレード５が風７２から受ける揚力は図３（ａ）の風車ブレード５が風７２から受ける揚力よりも小さい。
なお、第１トルク低減手段は、例えば特許文献１、２に記載される公知のピッチ制御技術を使用して構成されてもよい。

図４は、風速とピッチ角度との関係の一例を示すグラフである。図４の横軸は風速を、縦軸はピッチ角度を、それぞれ示す。実線７４は、風力トルクを略一定に保とうとした場合の風速とピッチ角度との関係を示す。ピッチ角度を動かし始める最小の風速を定格風速７６と呼ぶ。

風車ブレード５の回転速度を略一定に保つために、風速が定格風速７６を上回るとピッチ角度を実線７４に沿って増やすことが考えられる。ピッチ制御に係る時定数が理想的すなわち０であれば、風速が急に変化してもピッチ角度をその変化に十分追従させることができるので、回転速度は略一定に保たれうる。しかしながら現実には、ピッチ制御の時定数は比較的大きい。これは、従来、ピッチ制御は風速が大きい場合の安全性の確保のために使用されることが多かったことからも理解される。したがって、ピッチ制御のみでは、例えば図２の破線で囲まれる部分３６、３８、４０に見られるような突発的なトルクの増加を抑えるのは難しい。

そこで本実施の形態に係る風力発電装置１は、ピッチ制御の時定数よりも小さな時定数を有する第２トルク低減手段を備える。第２トルク低減手段は、動力伝達系の支持に関与するアクチュエータを駆動することで、伝達トルクを低減するよう動作する。第２トルク低減手段は、風力トルクに作用するのではなく、伝達トルクを低減する向きのトルクをアクティブに発生させることにより、風力トルクの増大による伝達トルクの増大を抑える。
風力発電装置１は、風力トルクが大きくなると、第１トルク低減手段および第２トルク低減手段を並行して動作させる。これにより、ピッチ制御に伴う初動の遅れを第２トルク低減手段によってカバーすることができる。

（第２トルク低減手段）
図５は、ナセル３の内部を示す模式図である。増速機１０は動力伝達系に含まれ、風車ブレード５から発電機２０へのトルクの伝達の経路上に設けられる。ロータヘッド４と増速機１０とは入力シャフト１２によって機械的に接続されており、入力トルクＱｉｎ（＝風力トルク）は入力シャフト１２の回転の形で増速機１０に入力される。伝達トルクは、例えば遊星歯車や太陽歯車などの増速機１０の構成要素にかかるトルクである。

増速機１０と発電機２０とは出力シャフト１４によって機械的に接続されている。増速機１０は出力シャフト１４を、入力シャフト１２を介して入力される入力トルクＱｉｎよりも低い出力トルクＱｏｕｔおよび入力シャフト１２の回転数よりも高い回転数で、回転させる。
発電機２０は、出力シャフト１４の回転を使用して発電する。

入力トルクＱｉｎと出力トルクＱｏｕｔとの差分（Ｑｉｎ−Ｑｏｕｔ）は、増速機１０の本体を入力シャフト１２の周りで回転させようとする本体トルクＱｂを発生させる。したがって、風力発電装置１は、増速機１０をナセル３に対して機械的に支持する支持機構１００を有し、この支持機構１００は本体トルクＱｂに耐える、すなわちナセル３からの反力を増速機１０に伝達する。

支持機構１００は、増速機１０を入力シャフト１２側から見たときに増速機１０の左右にそれぞれ取り付けられている第１アーム１１０および第２アーム１１２と、第１アーム１１０とナセル３との間に直列に設けられた第１ブッシュ１０２および第１アクチュエータ１０４と、第２アーム１１２とナセル３との間に直列に設けられた第２ブッシュ１０６および第２アクチュエータ１０８と、を含む。

第１ブッシュ１０２、第２ブッシュ１０６はいずれも衝撃吸収のためにゴムなどの比較的剛性の低い材料により形成される。
第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は協働して入力シャフト１２に対する増速機１０の姿勢を制御可能に構成される。

風力発電装置１に設けられた制御部１１４は、風車ブレード５、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８と接続される。制御部１１４は、風力トルクに関連する情報が示すトルクの大きさが所定の第１しきい値を上回る場合、第１トルク低減手段および第２トルク低減手段を並行して動作させる。特に制御部１１４は、トルクの大きさが第１しきい値を上回る場合、入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾くよう第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を制御する。第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８はいずれも、油圧シリンダ、空気シリンダなどのリニアアクチュエータであってもよい。

図６は、増速機１０の正面図である。図７は、図６に示される増速機１０の右側の支持機構の斜視図である。図８は、図６に示される増速機１０の右側の支持機構の側面図である。

第１アーム１１０には第１加速度計１２０が取り付けられ、第２アーム１１２には第２加速度計１２２が取り付けられている。第１加速度計１２０、第２加速度計１２２はそれぞれ第１アーム１１０、第２アーム１１２の加速度を測定する。これらの加速度計で測定される加速度は、第１アクチュエータ１０４や第２アクチュエータ１０８からの寄与分を除けば、測定時の風力トルクの大きさを反映した値となる。すなわち、基本的には風力トルクが大きくなると測定される加速度も大きくなり、風力トルクが小さくなると測定される加速度も小さくなる。

増速機１０の右側の支持機構について、第１アーム１１０の一端は増速機１０本体に取り付けられ、他端には入力シャフト１２に沿った方向（以下、主軸方向と称す）に沿って離間した２つの矩形のリング部１１０ａ、１１０ｂが設けられている。矩形のリング状の部材である第１ブッシュ保持部１１６の内周面１１６ａ側には、２つの矩形のリング部１１０ａ、１１０ｂのそれぞれの底辺部分１１０ａａ、１１０ｂａが挿通される。

第１ブッシュ保持部１１６の内周面１１６ａ側において、各底辺部分１１０ａａ、１１０ｂａは、上下２つの第１ブッシュ１０２によって挟まれている。２つの第１ブッシュ１０２は第１ブッシュ保持部１１６の内周面１１６ａに取り付けられている。第１ブッシュ保持部１１６は合計４つの第１ブッシュ１０２を保持する。増速機１０の左側の支持機構についても同様に、合計４つの第２ブッシュ１０６を保持する第２ブッシュ保持部１１８が設けられる。

第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は入力シャフト１２に対して実質的に対称となるよう配置されている。第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、制御部１１４による制御の結果、互いに逆向きに駆動される。すなわち、第１アクチュエータ１０４が第１ブッシュ保持部１１６を鉛直上向きに動かすとき、第２アクチュエータ１０８は第２ブッシュ保持部１１８を鉛直下向きに動かす。この場合、増速機１０は正面から見て入力シャフト１２の周りで反時計回りに傾く。

増速機１０がどちら周りに傾くかは入力シャフト１２の回転の向きにしたがう。すなわち、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は、入力シャフト１２が正面から見て時計回り（反時計回り）に回転する場合は増速機１０を時計回り（反時計回り）に傾かせる。

図７および図８を参照すると、第１アクチュエータ１０４は第１前方アクチュエータ１０４ａと第１後方アクチュエータ１０４ｂとを含み、主軸方向に沿って離間した２箇所で第１ブッシュ保持部１１６を支持する。第１前方アクチュエータ１０４ａは増速機１０の正面側で第１ブッシュ保持部１１６をナセル３に対して支持し、第１後方アクチュエータ１０４ｂは増速機１０の背面側で第１ブッシュ保持部１１６をナセル３に対して支持する。第１ブッシュ保持部および第１ブッシュを第１アームの一部と見ると、第１アームの他端は第１アクチュエータ１０４に取り付けられ、第１アクチュエータ１０４は入力シャフト１２に沿って離間した２箇所で第１アームを支持していると言える。第２アクチュエータ１０８も同様の構成を有する。

（並行動作制御）
図９は、制御部１１４の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、マイコンやコンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

制御部１１４は、測定結果取得部１３０と、変動率演算部１３２と、起動条件判定部１３４と、復帰条件判定部１３８と、ピッチ角度指定部１４０と、傾斜駆動部１３６と、を含む。
測定結果取得部１３０は、第１加速度計１２０および第２加速度計１２２から加速度の測定結果を取得する。測定結果取得部１３０は、測定された加速度から、第１アクチュエータ１０４や第２アクチュエータ１０８による寄与分を除去する。そのように処理された加速度は測定時点での風力トルクに対応する。
変動率演算部１３２は、測定結果取得部１３０によって処理された加速度の時系列データを保持し、その時系列データから加速度の変動率を演算する。

起動条件判定部１３４は、測定結果取得部１３０によって処理された加速度の大きさが所定の第２しきい値を上回る場合、第１トルク低減手段の起動条件が満たされたと判定する。加速度の大きさの第２しきい値は風力トルクの大きさの第１しきい値に対応する。アクチュエータによる寄与分が除去された加速度の大きさが第２しきい値を上回る場合は、風力トルクの大きさが第１しきい値を上回る場合に対応する。

起動条件判定部１３４は、第１トルク低減手段の起動条件が満たされている場合であってかつ変動率演算部１３２によって演算された加速度の変動率が所定の第３しきい値を上回る場合、第２トルク低減手段の起動条件が満たされたと判定する。加速度の変動率の第３しきい値は風力トルクの変動率の所定の第４しきい値に対応する。加速度の変動率が第３しきい値を上回る場合は、風力トルクの変動率が第４しきい値を上回る場合に対応する。

復帰条件判定部１３８は、測定結果取得部１３０によって処理された加速度の大きさが所定の第５しきい値を下回る場合、第１トルク低減手段および第２トルク低減手段の復帰条件が満たされたと判定する。加速度の大きさの第５しきい値は第２しきい値よりも小さい。加速度の大きさの第５しきい値は風力トルクの大きさの所定の第６しきい値に対応する。風力トルクの大きさの第６しきい値は第１しきい値よりも小さい。アクチュエータによる寄与分が除去された加速度の大きさが第５しきい値を下回る場合は、風力トルクの大きさが第６しきい値を下回る場合に対応する。

ピッチ角度指定部１４０は、起動条件判定部１３４において第１トルク低減手段の起動条件が満たされたと判定された場合、測定結果取得部１３０によって取得される測定結果に基づいて、現在のピッチ角度よりも大きなピッチ角度を演算する。この演算には例えば図４の実線７４で示される関係性と同様な関係性が使用されてもよい。ピッチ角度指定部１４０は、演算されたピッチ角度を示す電気信号を風車ブレード５に送信する。あるいはまた、ピッチ角度指定部１４０は、起動条件判定部１３４において第１トルク低減手段の起動条件が満たされたと判定された場合、最大のピッチ角度を示す電気信号を風車ブレード５に送信してもよい。
風車ブレード５は電気信号を受け取ると、風車ブレード５のピッチ角度を受け取った電気信号に示されるピッチ角度とするための動作を開始する。

ピッチ角度指定部１４０は、復帰条件判定部１３８において復帰条件が満たされたと判定された場合、ピッチ角度を元に戻すすなわち基準値（例えば０°）とするための処理を行う。ピッチ角度指定部１４０はピッチ角度の基準値を示す電気信号を風車ブレード５に送信する。風車ブレード５はその電気信号を受け取ると、風車ブレード５のピッチ角度を基準値とするための動作を開始する。ピッチ角度を基準値に戻すことは、次にピッチ角度を増加させるための準備であると言える。すなわち、復帰条件が満たされたと判定された場合、ピッチ制御に係る第１トルク低減手段は、次のトルク低減動作のための準備が行われるピッチ準備状態とされる。ピッチ角度を基準値に戻している間すなわちピッチ準備状態にある間は、第１トルク低減手段は伝達トルクの低減にあまり寄与しない。

傾斜駆動部１３６は、起動条件判定部１３４において第２トルク低減手段の起動条件が満たされたと判定された場合、第１加速度計１２０および第２加速度計１２２によって測定された加速度の向きから入力シャフト１２の回転の向きを特定する。傾斜駆動部１３６は、特定された回転の向きにしたがうよう（「入力シャフト１２の回転の向きと同一方向に増速機１０が傾くように」、あるいは「トルクが低減される方向に」と言い換えることもできる）、第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８それぞれの駆動の向きを決定する。例えば、特定された入力シャフト１２の回転の向きが増速機１０の正面から見て時計回り（反時計回り）の場合、第１アクチュエータ１０４の駆動の向きを鉛直下向き（鉛直上向き）、第２アクチュエータ１０８の駆動の向きを鉛直上向き（鉛直下向き）、に決定する。傾斜駆動部１３６は、各アクチュエータを決定された向きに所定の速さで駆動する。第１アクチュエータ１０４の駆動の速さは第２アクチュエータ１０８の駆動の速さと同等に設定される。

なお、風車ブレード５の回転の向きが決まっている場合、傾斜駆動部１３６は回転の向きを都度特定する必要はない。この場合、傾斜駆動部１３６はそのように決まっている回転の向きにしたがうよう、第１アクチュエータ１０４、第２アクチュエータ１０８それぞれの駆動の向きを決定してもよい。

各アクチュエータには伸縮量の限界値に基づく伸縮量の上限値が設定されている。傾斜駆動部１３６は、第１アクチュエータ１０４の伸縮量および第２アクチュエータ１０８の伸縮量のうちの少なくとも一方が対応する上限値に達すると、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を、そのときの伸縮量が維持されるよう制御する。

傾斜駆動部１３６は、復帰条件判定部１３８において復帰条件が満たされたと判定された場合、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を制御しない。すなわち傾斜駆動部１３６は第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８を無制御状態とする。この無制御状態では、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８は平衡位置すなわち伸縮量がゼロの位置に戻ろうとする。アクチュエータを平衡位置に戻すことは、次にアクチュエータを駆動するための準備であると言える。すなわち、復帰条件が満たされたと判定された場合、アクチュエータ制御に係る第２トルク低減手段は、次のトルク低減動作のための準備が行われるアクチュエータ準備状態とされる。アクチュエータを平衡位置に戻している間すなわちアクチュエータ準備状態にある間は、第２トルク低減手段は伝達トルクの低減にあまり寄与しない。

以上のように構成された風力発電装置１の動作について説明する。
図１０は、風力発電装置１における一連の処理の一例を示すフローチャートである。制御部１１４は、風力トルクの大きさと第１しきい値とを比較し（Ｓ２０２）、それらの大小関係を判定する。制御部１１４は、風力トルクの大きさが第１しきい値以下である場合（Ｓ２０２のＮ）、所定の待機時間待機し、再度ステップＳ２０２における比較、判定を行う。制御部１１４は、風力トルクの大きさが第１しきい値よりも大きい場合（Ｓ２０２のＹ）、ピッチ角度の上昇を開始させる（Ｓ２０４）。すなわち、制御部１１４は、伝達トルクを軽減させる方向へのピッチ制御を開始させる。制御部１１４は、風力トルクの変動率と第４しきい値とを比較し（Ｓ２０６）、それらの大小関係を判定する。制御部１１４は、風力トルクの変動率が第４しきい値以下である場合（Ｓ２０６のＮ）、後述のステップＳ２０８をスキップし、処理を後述のステップＳ２１０に渡す。制御部１１４は、風力トルクの変動率が第４しきい値より大きい場合（Ｓ２０６のＹ）、アクチュエータ１０４、１０８の駆動を開始させる（Ｓ２０８）。すなわち、制御部１１４は、アクチュエータ１０４、１０８の、伝達トルクを軽減させる方向への伸縮を開始させる。
ステップＳ２０４およびステップＳ２０８の両方が実行された場合、ピッチ制御および増速機の姿勢制御が並行して行われるすなわち実質的に同時に進行する状態が実現される。

制御部１１４は、風力トルクの大きさと第６しきい値とを比較し（Ｓ２１０）、それらの大小関係を判定する。制御部１１４は、風力トルクの大きさが第６しきい値以上である場合（Ｓ２１０のＮ）、所定の待機時間待機し、再度ステップＳ２１０における比較、判定を行う。制御部１１４は、風力トルクの大きさが第６しきい値よりも小さい場合（Ｓ２１０のＹ）、アクチュエータ１０４、１０８の復帰を開始させる（Ｓ２１２）。すなわち、制御部１１４は、伸縮したアクチュエータ１０４、１０８の元の長さへの復帰を開始させる。制御部１１４は、ピッチ角度の下降を開始させる（Ｓ２１４）。制御部１１４は、所定の終了指示の有無を判定する（Ｓ２１６）。終了指示が無い場合（Ｓ２１６のＮ）、処理はステップＳ２０２に戻る。終了指示が有る場合（Ｓ２１６のＹ）、制御部１１４は処理を終了する。

制御部１１４における上記処理により、風力トルクは第６しきい値から第１しきい値の範囲内に収まるよう調整される。第１しきい値は過大トルクにならないよう設定され、第６しきい値は発電量が定格以下にならないよう設定される。したがって、ピッチ角度は、過大トルクが生じないような、かつ、発電量が定格以下にならないような最適な角度に近づくよう制御される。

図１１は、第１トルク低減手段および第２トルク低減手段が実質的に同時に起動された場合のトルク低減効果と起動からの時刻との関係を模式的に示すグラフである。図１１の縦軸は伝達トルクの低減効果の度合いを任意の単位で示す。横軸は起動からの時刻を示す。破線８０は、ピッチ制御によるトルク低減効果を示す。一点鎖線８２は、増速機１０の姿勢制御によるトルク低減効果を示す。実線８４は、風力発電装置１におけるトータルのトルク低減効果を示す。破線８０で示されるように、起動直後のピッチ制御のトルク低減効果は低い。また、一点鎖線８２で示されるように、姿勢制御のトルク低減効果は起動直後から比較的高いが、所定時間が経過するとアクチュエータの伸縮量が上限値に達し、そのトルク低減効果を失う。実線８４で示されるように、風力発電装置１はそれら２つの制御を併用することにより、それぞれの制御の弱点を補っている。

図１２は、増速機１０の姿勢制御を説明するための模式図である。増速機１０の姿勢制御において、入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾くよう、第１アクチュエータ１０４および第２アクチュエータ１０８が駆動される。図１２では入力シャフト１２は時計回りに回転しているので、第１アクチュエータ１０４は所定の速さで縮み第２アクチュエータ１０８は同じ速さで伸びる。その結果、増速機１０は入力シャフト１２を中心として時計回りに傾く。

本実施の形態に係る風力発電装置１は、ピッチ制御と姿勢制御とを併用する。したがって、急に風が強まった場合でも、姿勢制御はそのような急な変化に追従することができるので、伝達トルクの増加を抑えることができる。一方、風が継続的に強まりアクチュエータの伸縮量が上限値に達してしまった場合でも、ピッチ制御により伝達トルクの増加を効果的に抑えることができる。これらの結果、総合的に過大な伝達トルクの発生が抑制されるので、風力発電装置１の信頼性を高め、長寿命化を実現できる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、第２トルク低減手段に動力伝達系の支持に関与するアクチュエータ１０４、１０８を使用する。したがって、例えば風力トルクの伝達の経路上にクラッチなどの滑り部材を設けてトルクの伝達率を調節する場合と比較して、伝達トルク低減のために動力伝達系自体に施す変更は少ない。これにより、動力伝達系の信頼性や堅牢性や効率を高めることができる。また、アクチュエータ１０４、１０８の点検、修理、交換もより容易であるから、メンテナンス性や稼動効率の面で優れる。

また、滑り部材を使用する場合は伝達率を継続的に調節できるが、摩耗の発生により長期間の使用には耐えられない虞がある。これに対して本実施の形態に係る風力発電装置１では、風力トルクの急な増大の最初の部分をアクチュエータによる姿勢制御に担当させ、ピッチ制御が有効に働く程度に時間が経過すると、アクチュエータによる姿勢制御が打ち切られる構成としたので、第２トルク低減手段自体の長寿命化を実現できる。第１および第２トルク低減手段の起動からある程度時間が経過するとピッチ制御が十分有効に作用し、それだけでも伝達トルクの増加を十分抑えることができる、すなわち姿勢制御は不要になることが見込まれる。したがって、そのように姿勢制御が不要な状態ではアクチュエータの駆動を止めることで、アクチュエータ自体の損耗を低減することができる。

なお、この観点で、本実施の形態ではアクチュエータの伸縮量が上限値に達した場合にアクチュエータの駆動を止めることによって、アクチュエータによる姿勢制御を打ち切る場合について説明したが、これに限られない。例えば、制御部は、アクチュエータの起動から所定時間経過するとその伸縮量によらずにアクチュエータの駆動を止めてもよい。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、風力トルクの大きさの第１しきい値は第６しきい値よりも大きくなるよう設定される。したがって、いわゆるシュミットトリガと同様の原理により、しきい値付近での制御のばたつきを抑えることができる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１によると、第２トルク低減手段の起動条件が満たされると、入力シャフト１２の回転の向きにしたがって増速機１０が傾く。これにより、風力トルクの増大による伝達トルクの増大を抑えることができる。その結果、増速機１０の長寿命化を実現できる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、各アクチュエータは入力シャフト１２に沿って離間した２箇所で対応するブッシュ保持部を支持する。したがって、入力シャフト１２の曲げ、特に入力シャフト１２を鉛直面に沿って揺動させようとする外力に対する耐性が向上する。

以上、実施の形態に係る風力発電装置の構成および動作について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、増速機１０の支持機構１００にアクチュエータを導入する場合について説明したが、これに限られない。例えば、いわゆるギアレスの風力発電装置の場合、ロータヘッドと発電機とが入力シャフトで直結される。このような風力発電装置にも本実施の形態の技術的思想を適用できる。第１変形例に係る風力発電装置では、発電機には入力シャフトの回転の形でトルクが入力され、第２トルク低減手段のアクチュエータは発電機の姿勢を制御する。制御部は、風力トルクに関連する情報が示すトルクの大きさがしきい値を上回る場合、入力シャフトの回転の向きにしたがって発電機が傾くようアクチュエータを制御する。本変形例によると、実施の形態に係る風力発電装置１によって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。

実施の形態では、各アクチュエータは主軸方向に沿って離間した２箇所で対応するブッシュ保持部を支持する場合について説明したが、これに限られず、１箇所でもよいし、アクチュエータは主軸方向に沿って離間した３箇所以上で対応するブッシュ保持部を支持してもよい。

実施の形態では、第１加速度計１２０、第２加速度計１２２を使用して加速度を測定する場合について説明したが、これに限られず、風力トルクに関連する情報を測定すればよい。例えば、加速度計の代わりに変位計を設けてもよく、またはロードセルなどの荷重センサを設けてもよい。あるいはまた、入力シャフト１２に例えば摩擦型のトルク計を取り付けてもよい。このトルク計により測定される入力トルクＱｉｎは風力トルクそのものまたは風力トルクとの関連性が比較的高い量である。あるいはまた、風力トルクに関連する情報は発電機２０の発電量であってもよい。一般に、風力トルクが大きいほど発電量も多くなる。

実施の形態では、第１アーム１１０に第１加速度計１２０が取り付けられ、第２アーム１１２に第２加速度計１２２が取り付けられている場合について説明したが、これに限られず、加速度計は支持機構の任意の箇所に取り付けられてもよい。

実施の形態では、ブッシュおよびアクチュエータはアームとナセルとの間に直列に設けられる場合について説明したが、これに限られず、例えばブッシュを設けなくてもよく、あるいはまたブッシュおよびアクチュエータはアームとナセルとの間に並列に設けられてもよい。

図１３は、第２変形例に係る風力発電装置の増速機の左側の支持機構の断面図である。図１３の断面は主軸方向に直交する。左側の支持機構は、第２アーム４１２とナセル３との間に並列に設けられた第２ブッシュ４０６および第２アクチュエータ４０８を含む。第２ブッシュ保持部４１８は第２ブッシュ４０６を保持し、第２ブッシュ４０６とナセル３とに介在する。本変形例によると、実施の形態に係る風力発電装置１によって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。

実施の形態では、第１トルク低減手段にピッチ制御を使用する場合について説明したが、これに限られない。第１トルク低減手段は、風向に対する風車ブレードの姿勢を変えることで、伝達トルクを低減するよう動作すればよく、例えば特許文献３に記載されるようなヨー制御を使用してもよい。ヨー制御では、風車ブレード、ロータヘッドおよびナセルを一体として鉛直軸の周りで回動させることにより、風向に対する風車ブレードの姿勢が変更される。

１風力発電装置、２支柱、３ナセル、４ロータヘッド、５風車ブレード、６基礎、１０増速機、１２入力シャフト、２０発電機、１１４制御部。

Claims

風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する風力発電装置であって、
前記風車ブレードから前記発電機に至る動力伝達系と、
風向に対する風車ブレードの姿勢を変えることで、前記動力伝達系にかかるトルクを低減するよう動作する第１トルク低減手段と、
前記動力伝達系の支持に関与するアクチュエータを駆動することで、前記動力伝達系にかかるトルクを低減するよう動作する第２トルク低減手段と、
前記風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が所定のしきい値を上回る場合、前記第１トルク低減手段および前記第２トルク低減手段を並行して動作させる制御部と、を備えることを特徴とする風力発電装置。
前記制御部は、前記風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が、前記しきい値よりも小さい別のしきい値を下回る場合、前記第１トルク低減手段および前記第２トルク低減手段のうちの少なくとも一方を、次のトルク低減動作のための準備が行われる状態とすることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記動力伝達系は、入力シャフトの回転の形でトルクが入力される増速機を含み、前記アクチュエータは前記増速機の姿勢を制御し、
前記制御部は、前記風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が前記しきい値を上回る場合、前記入力シャフトの回転の向きにしたがって前記増速機が傾くよう前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
前記発電機には入力シャフトの回転の形でトルクが入力され、前記アクチュエータは前記発電機の姿勢を制御し、
前記制御部は、前記風車ブレードが風を受けることにより生じるトルクに関連する情報が前記しきい値を上回る場合、前記入力シャフトの回転の向きにしたがって前記発電機が傾くよう前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。