JP6643615B2 - 風力発電機のティータ角制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電機、特に、大口径の２枚ブレード風車からなる風力発電機に適した、ティータ角制御装置に関する。

ＣＯ₂排出量の削減を目指す観点で、再生可能エネルギーの活用が急務となっている。
我が国においては、再生可能エネルギーを利用した発電装置として、太陽光発電、地熱発電に加え、風力発電が有力視されている。

風力発電の普及にあたり、年間を通し、効率的な発電が可能な風力が得られ、しかも、騒音、振動等の住民への影響がない立地場所を確保することが前提となる。さらに、設備費用、耐久性、メインテナンス性を含めた総合的なコストに対し、これを上回る発電量を長期にわたり維持することが求められている。

２枚ブレード風車は、多数ブレード風車と比較して、騒音、振動面では不利であるが、設置コストに対し高い発電効率が得られるというメリットがある。
すなわち、１枚当たりのブレードの質量は、剛性確保の観点から増加するものの、ブレードの総重量は、多数ブレード風車と比べて軽減でき、回転数を高速化することで、伝達トルクも減少できる。
さらに、台風等の暴風時にブレードに負荷されるスラストを軽減でき、風車の転倒モーメントも軽減できるので、タワーの軽量化、低コスト化が可能となる。

特に、我が国では、国土が狭く人口密度が高い反面、四方を海に囲まれており、年間を通して十分な風力が得られる箇所が洋上に多数存在している。洋上では、騒音、振動等、周辺住民に与える影響を最小限にとどめることができる。
こうしたことから、大口径２枚ブレードを採用した風力発電機の洋上設置が、我が国の風土に適したものとして評価されている。

しかし、大口径２枚ブレードを採用した場合、回転面が広大となり、風圧分布に大きな偏差が発生しやすい。このような風圧分布の偏差は、ハブに大きな負荷を与えるとともに、発電効率を低下させる原因ともなる。
そこで、ブレード回転面の鉛直面に対する傾斜角度、すなわちティータ軸周りの回転角度(以下、「ティータ角」という。)を可変制御とすることで、ハブに作用する負荷を低減するとともに、発電効率を向上させることが考えられる。

ティータ角は、ブレード回転面における風圧分布、風速、ブレード回転数等、様々なパラメータにより変化するが、ブレード回転面における風圧分布に大きな偏差が発生したような場合、鉛直面に対するブレード先端の振れ幅が大きくなり、特に、ブレードを大口径化した場合、振れ幅が無視できないものとなる。このため、ブレード先端がタワーと干渉することを避けるため、ナセルを長大化せざるを得ず、多額な建造費が必要となり、しかも、重量増に伴い発電効率が低下してしまう。

そこで、特許文献１、２に開示されているように、ブレードの軸方向に対し直交するティータピンにより、ハブをティータ軸周りに傾動自在に支持するとともに、ブレードのピッチ角を上方と下方とで変更し、風圧を上下で均衡させ、回転面が許容範囲を超えて傾動するのを抑止することが提案されている。
このように、ティータ軸周りの傾動角度、すなわち、ティータ角制御を行うことにより、伝達軸に負荷されるトルクを軽減することもでき、伝達軸やその支持部の設計強度を低くすることで、軽量化、コスト低減につなげることもできる。

特許第２５０８０９９号公報 特許第３２４０７４２号公報

しかし、ブレードのピッチ角を調整することにより、ティータ角制御を行うだけでは、例えば、台風等の強風時に２枚のブレードのピッチ角を水平状態に停止して待機させているときに、斜め上向きに吹き上げる強風が発生すると、風圧により下方側のブレードが風下側に大きく傾動し、ブレードや周辺個所を損傷させるおそれがあった。

また、ブレード径１５ｍ以下のいわゆる小形風力発電システムに関しては、ティータ角調整用のダンパースプリングなどの調整装置を設けることで、ティータ角を許容角度内に抑制することも検討されている。
しかし、大口径のブレードを採用した場合、ティータ角が許容角度に達すると、調整装置を介してハブや支持構造に非常に大きな力学的負荷が発生することになる。このため、ブレード径が５０ｍを超えるような大型風力発電システムでは、通常運転時においても、ティータ角が過大になるなどの危険性を排除することが不可能であった。

一方、ティータ角を制御する専用のアクチュエータを設け、ティータ角をアクティブ制御することも考えられるが、特にブレードが大径の場合、必要な出力トルクが非常に高く、大トルクのモータや、高強度の伝動機構が必要となり、コストアップ、消費電力の増大を招いてしまう。
さらに、ロータ加減速時におけるヨー運動の不安定性、ティータ運動の不安定性(ティータ角可変機構を備える場合)、風向急変時の空力・荷重特性の解明などを含め、２枚ブレード風車により、例えば、１０ＭＷ超級も含めた風力発電システムを実現するため、信頼性が高く、低コストで、しかも、発電効率を最大限に向上させるティータ角制御の実現が求められている。

そこで、本発明の目的は、ティータ角の変動を発電量に変換し、その発電量を制御することにより、専用のアクチュエータや、機構的な制動機構を用いることなく、ティータ角を制御し、低コストで２枚ブレード風車の大径化を可能にするとともに発電効率の向上を実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の風力発電機は、ブレードの基部が取り付けられたハブを、ティータ軸を介して回転自在に支持し、ティータ角を可変とした風力発電機において、前記ティータ軸により駆動される制動力発生用発電機を前記ハブに一体的に取り付け、前記制動力発生用発電機の発電量を制御する制動力制御装置により、発電に伴い発生するトルクを制御して、前記ティータ軸の回動を所定角度範囲内に制御するようにした。

本発明によれば、ブレード周りの流れの不均一に起因するティータ運動を制御アクチュエータの駆動源として制動力発生用発電機による回生機能を利用しているので、新たなエネルギー源を必要とせず、モータ等のアクチュエータを用いて、ティータ角をアクティブ制御する場合と比較して低コストで、しかも、全体の発電効率を低下させることもない。
さらに制動力発生用発電機により発生した電力を蓄電池などに蓄えることにより空調や照明、通信などの所内電力用電源として利用することも可能となる。
また、制動力発生用発電機を、ハブの構成要素であるティータ軸の軸受近傍に装着することから、従来のハブ構造をそのまま用いることができ、付加的な重量増や設計変更に伴う製造コストの上昇を回避することができる。

なお、例えば、風速が２５ｍ／ｓを超えるような強風時、ヨー制御によりブレードの正面を風上に向けて、ピッチ角制御により、風車のブレードの傾きは風と平行になるようにして、風を素通りさせる際(フェザーリング)には、主軸に装着されたアジマス調整装置を用いてブレードを略々水平状態に保持しながら風に正対することになる。
このため、ティータ運動を惹起する風速の不均一の影響は非常に軽微となるが、このような場合でも、制動力発生用発電機によって、ハブがティータストッパに衝撃的に接触するのを回避することができる。

図１は、本発明による風力発電機の全体構成を示す図である。 図２は、ハブ周辺の拡大図である。 図３は、ハブ周辺の垂直断面図である。 図４は、ハブ周辺の垂直断面を斜方から見た図である。 図５は、制動力発生用発電機の制御ブロック図である。

図１は、２枚ブレード風車を備えた風力発電装置の全体構成を示す。
ブレード１は、直径２００ｍ程度の２枚ブレードで構成され、ハブ２に対し、図示しないピッチ制御機構を介して、ピッチ軸周り(矢印ｂ)に回転自在に連結されている。ブレード１とハブ２とでロータが形成され、ブレード１に風が当たると、ハブ２に直結された伝達軸４を回転駆動する。伝達軸４は、タワー３の上端にヨー方向(矢印ｃ)に回転自在に連結されたナセル３ａを貫通し、増速機５を介して発電機６を駆動することで発電を行う。

図２はハブ２周辺の拡大図、図３はハブ２周辺の垂直断面図、図４は、ハブ２周辺の垂直断面を斜方から見た図であり、いずれもブレード１がほぼ水平方向となる回転位置にあるときの状態を示している。
図２において、ハブ２の上面及び下面(ブレード１の軸方向に平行な面)には円形の開口が設けられており、円錐状に拡開するティータ軸７の両端部７ａが両開口から突出し、ベアリング８により、ティータ軸７がハブ２に対し回転自在に支持されている。

図３、図４に示されるように、ナセル３ａの先端に形成された垂直方向の開口面には、円錐状支持部材９の底面部が固定されており、伝達軸４の先端部４ａは、円錐状支持部材９の先細側端部を介して、ティータ軸７の中央部に形成された、水平方向に延びる連結部７ｂに連結されている。
連結部７ｂの外周側には、ハブ２と一体的に回転する主軸１０が固着されており、この主軸１０は、ナセル３ａの垂直方向開口面に向けて円錐状に拡開し、図３に示されるように、主軸ベアリング１１、１２を介して、円錐状支持部材９に対し回転自在に支持されている。

伝達軸４は水平方向に延びてナセル３ａを貫通し、増速機５を介して、支持板３ｂ上の発電機６に連結されている。なお、ナセル３ａとタワー３の上端部は、ヨーベアリング３ｃにより回転自在に連結されており、増速機５及び発電機６は、ナセル３ａに取り付けられた、水平方向に延びる支持板３ｂに固定されている。

図２に示されるように、ティータ軸７の両端部外周には、ギア７ａが形成されており、ハブ２に回転自在に取り付けられたピニオンギア１３と噛み合っている。ピニオンギア１３は、ハブ２の上面、下面に取り付けられた増速機１４を介して、制動力発生用発電機１５に連結され、ティータ軸７の矢印ａ方向の回転に伴い、発電を行う。また、ギア７ａには、ティータ軸７の回転角度を検出するティータ角センサ１６が連結されている。
この実施例では、ピニオンギア１３、増速機１４、制動力発生用発電機１５からなるティータ角制御ユニット１７が上面に４セット、下面に４個セット、計８セット設けられている。

図３に示されるように、ナセル３ａに水平方向に取り付けられた支持板３ｂには、制動力発生用発電機１５の発電量を制御する制動力制御装置１８が取り付けられている。制動力制御装置１８と制動力発生用発電機１５(８個)、そして、ティータ角センサ１６は、それぞれ、スナップリング式のロータリコネクタ１９を介して、信号ライン２０(一点鎖線)、信号ライン２１(破線)により電気的に接続されている。
ハブ２側に取り付けられたティータ角センサ１６の検出値も、ロータリコネクタ１９を介して制動力制御装置１８に入力される。
さらに、制動力制御装置１８には、増速機５に設けられたロータ回転数センサ２２の検出値が入力されている。

図５のブロック図に示すように、制動力制御装置１８には、ティータ角センサ１６の検出値を入力し、８個の制動力発生用発電機１５−１〜１５−８のそれぞれに対し、発電量制御信号を出力する。
制動力制御装置１８によるティータ角制御は、基本的には、ティータ角センサ１６の検出値と、これを微分して得た角加速度の変化に基づき、ティータ角が目標値(０°を含む)に収束し、許容値を超えないように、制動力発生用発電機１５−１〜１５−８の発電量を調整し、フィードバック制御を行う。なお、この実施例では、制動力発生用発電機１５−１〜１５−８が発電した電力は、電力消費用抵抗２４により消費される。
なお、ティータ角は、風速の変化、特にブレード回転面における風速分布の変化、風向の変化、種々のパラメータの影響を受けて変化し、短い周期で増大方向、減少方向に振動する。制動力制御装置１８は、いずれの方向でも発電を行うが、ティータ角を減少方向に制御する場合は、ティータ角が増大方向に変化する際の発電量を増大させ、減少方向に変化する際の発電量を減少させることで、増大方向の制動力を高め、ティータ角が許容値を超えないように収束させる。

この実施例では、ティータ角センサ１６の検出値に基づいて、ティータ角を目標値(０°を含む)、あるいは、許容値を超えないよう制御しているが、増速機５に設けられたロータ回転数センサ２２の検出値(ロータの回転数が高いほど、遠心力が強くなり、ティータ角を減少させる。)や、支持板３ｂに取り付けた風速計２３の検出値に基づいて、予測制御を行ったり、フィードバック制御の応答性などを変化させるようにしてもよい。

シミュレーションモデルによる計算では、直径２００ｍの２枚ブレードの場合、発電を行い得る最大風速において、ハブ２に作用するティータ角方向の最大トルクは、１２５０(ＫＮ・ｍ)となる。
一方、ギア７ｂの半径を３ｍ、ピニオンギア１３の半径を０.１５ｍとすると、ティータ角の変動に対し、２０倍の増速がなされ、さらに、増速機１４により、増速比４５０で増速される。
ここで、ハブ２に作用するティータ角方向の最大トルクを１２５０(ＫＮ／ｍ)としたとき、ピニオンギア１３が１２５０(ｋＮ・ｍ)＊３(ｍ)＊［０.１５(ｍ)／３(ｍ)］＝１８７.５ｋＮ・ｍのトルクを発生することで、ティータ角方向のトルクを打ち消すことができる。

最大ティータ角速度を０.０４ｒａｄ／ｓｅｃとしたとき、ピニオンギア１３の回転速度は、０.０４(ｒａｄ／ｓｅｃ)＊［３(ｍ)／０.１５(ｍ)］＝０.８(ｒａｄ／ｓｅｃ)となる。
ピニオンギア１３の回転数は、増速比が４５０であるから、
０.８(ｒａｄ／ｓｅｃ)／２π＊６０＊４５０＝３４３７ｒｐｍとなる。
したがって、ハブ２に定格トルク２００ｋＮ・ｍ程度の制動力発生用発電機１５(市販の発電機では、大きさが１０００＊７１０＊１９１０(ｍｍ)程度)を８基搭載することで、発電時の最大風速に対しティータ角を抑制することが可能となる。
なお、直径２００ｍ程度の２枚ブレードの場合、ハブ２は、おおよそ１辺が１０ｍ程度の略立方体であり、こうした発電機をハブ２に８基搭載することは十分に可能である。

以上の実施例では、制動力発生用発電機１５をハブ２の上面、下面に取り付けたが、ハブ２の内部に収容するようにしてもよい。また、ハブ２の内部に送受信機を設け、制動力制御装置１８との間で無線通信を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、大口径２枚ブレードを採用した風力発電機の利点を損なうことなく、効率性、安全性を高めることができるので、洋上設置を行う風力発電システムなどに広く採用されることが期待できる。

１：ブレード
２：ハブ
３：タワー
４：伝達軸
５、１４：増速機
６：発電機
７：ティータ軸
８：ベアリング
９：円錐状支持部材
１０：主軸
１１、１２：主軸ベアリング
１３：ピニオンギア
１５：制動力発生用発電機
１６：ティータ角センサ
１７：ティータ角制御ユニット
１８：制動力制御装置
１９：ロータリコネクタ
２０、２１：信号ライン
２２：ロータ回転数センサ
２３：風速計
２４：電力消費用抵抗

Claims (5)

1. ブレードと、
   前記ブレードの基部を支持するとともに、ティータ軸の周りに回転可能なハブと、
   前記ハブに設けられ、前記ティータ軸の周りの前記ハブの回転により駆動されて発電を行う制動力発生用発電機と、
   前記制動力発生用発電機の発電量を制御して、その発電により該制動力発生用発電機の駆動側に発生するトルクによって、前記ティータ軸の周りの前記ハブの回動を所定角度範囲内に制御する制動力制御装置と、
   を備える風力発電機。
2. 前記ティータ軸は、その軸方向の両端部を前記ハブから突出させてなり、
   前記両端部に形成したギアにより、前記制動力発生用発電機を駆動する、請求項１記載の風力発電機。
3. 前記ティータ軸は、その軸方向の両端部に向かって拡開して形成されてなる、請求項１または２記載の風力発電機。
4. 前記ティータ軸は、前記両端部の外周部にギアを設けてなり、該ギアが前記制動力発生用発電機の駆動側のギアと噛合してなる、請求項２または３記載の風力発電機。
5. 前記ブレードは２枚からなる、請求項２〜４のうちいずれか一項記載の風力発電機。

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