JP6815970B2

JP6815970B2 - 風力発電装置、及び、風力発電システム、並びに、風力発電装置の制御方法

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Publication number: JP6815970B2
Application number: JP2017209852A
Authority: JP
Inventors: 尚子八谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: EP3477096A1; EP3477096B1; CN109723606A; CN109723606B; JP2019082136A

Description

本発明は、風力発電装置、及び、風力発電システム、並びに、風力発電装置の制御方法に関するものである。

風力発電装置は、一つのタワー部に対して１つのみの風車部が設置された構成（シングルロータ式）が幅広く普及している。一方、一つのタワー部に対して複数の風車部が設置された、いわゆるマルチロータ式風力発電装置も知られている。マルチロータ式を採用することにより、風車部の大型化を図ることなく、風力発電装置の総発電電力量（出力容量）を増大させることができる。

下記の特許文献１には、マルチロータ式風力発電装置特有の高風速時における課題を解決する技術が開示されている。詳しくは、高風速時にタワー部の基部に作用するモーメントを分散させるため、多段に設けられた風車部対のそれぞれのヨー角が等間隔となるように配置する技術が開示されている。

国際公開第２０１６／１２８００５号

マルチロータ式風力発電装置特有の構成に起因する課題は、高風速時におけるタワー部のモーメント集中だけではなく他にも存在する。その一つとして寒冷環境における着氷に起因する課題がある。
外気温度の低下に伴い、空気中の過冷却水滴、又は、水蒸気が風車部の翼等に衝突して凍結が生じることによって、翼等に着氷が生じる。そして、例えば、氷が落下し下段に位置する風車部に影響を及ぼすおそれがある。

そこで本発明は、複数の風車部を備えた風力発電装置における、着氷時の影響を低減することができる風力発電装置、及び、風力発電システム、並びに、風力発電装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１様態は、タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、前記複数の風車部は、少なくとも１つの風車部が他の風車部と配置高さが異なる風力発電装置であって、運転環境が着氷の可能性がある寒冷環境にあるか否かを判定する環境判定手段を備え、前記環境判定手段によって、着氷の可能性がある寒冷環境にあると判定された場合、前記複数の風車部の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、前記複数の風車部を移動する風力発電装置である。

上記のような構成によれば、上段の風車部と下段の風車部とが重なり合わない位置に配置されるため、下段の風車部が受ける、上段の風車部から落下した氷の影響を低減することができる。

上記風力発電装置において、前記複数の風車部は、少なくとも２つの配置高さが同じ風車部を有し、前記配置高さが同じ風車部同士を、同時に、前記タワー部を軸としてＹＡＷ旋回するＹＡＷ旋回部を備え、前記環境判定手段により、着氷の可能性がある寒冷環境にあると判定された場合、前記ＹＡＷ旋回部を駆動することにより前記複数の風車部を移動することとしてもよい。

上記のような構成によれば、ＹＡＷ旋回部を駆動することにより、複数の風車部の位置を効率よく移動することができる。

上記風力発電装置において、前記環境判定手段は、運転を停止する時に、当該風力発電装置の前記運転環境が、前記寒冷環境にあるか否かを判定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、運転を停止した後における、下段の風車部が受ける、上段の風車部から落下した氷の影響を低減することができる。

上記風力発電装置において、前記環境判定手段は、運転を開始する時に、当該風力発電装置の前記運転環境が、前記寒冷環境にあるか否かを判定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、運転を開始後における、下段の風車部が受ける、上段の風車部から落下した氷の影響を低減することができる。

上記風力発電装置において、前記環境判定手段は、温度検知手段、湿度検知手段、降水検知手段、着氷検知手段の少なくとも何れかの検知結果に基づき、寒冷環境にあるか否かを判定することとしてもよい。

上記のような構成によれば、寒冷環境にあるか否かの判定を精度よく行うことができる。

上記風力発電装置において、前記ロータに設けられた翼は、前記ロータの回転軸線周りに放射状に配置された３枚の翼で構成され、前記環境判定手段によって、寒冷環境にあると判定された場合、前記３枚の翼のうちの１つが最下部（アジマス角度が１８０度）に位置する状態で停止することとしてもよい。

上記のような構成によれば、最下部に位置しない他の２枚の翼から落下した氷が、例えば、発電機を収容するナセルに衝突する可能性を低減することができる。

本発明の第２様態は、タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、前記複数の風車部は、少なくとも１つの風車部が他の風車部と配置高さが異なる風力発電装置の制御方法であって、運転環境が着氷の可能性がある寒冷環境にあるか否かを判定する環境判定工程と、前記環境判定工程によって、着氷の可能性がある寒冷環境にあると判定された場合、前記複数の風車部の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、前記複数の風車部を移動する移動工程と、を有する風力発電装置の制御方法である。
本発明の第３態様は、複数の風車部を有する風力発電装置が、複数設けられている風力発電システムであって、複数の前記風力発電装置のうちの少なくとも１つは、上記のいずれかに記載の風力発電装置であって、前記環境判定手段によって、前記寒冷環境にあると判定された場合には、すべての前記風力発電装置において、複数の風車部の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、前記複数の風車部を移動する風力発電システムである。

本発明によれば、複数の風車部を備えた風力発電装置における、着氷時の影響を低減することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置が備える機能を示したブロック図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置における運転停止処理のフローチャートを示した図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置における運転停止時の風車部の位置関係を示した図である。

以下に、本発明に係る風力発電装置、及び、風力発電システム、並びに、風力発電装置の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

風車部１０は、ロータ１１、３枚の翼１２ａ〜ｃ、ナセル１３などを有する。ロータ１１にはその回転軸線周りに放射状に３枚の翼１２ａ〜ｃが取り付けられている。ロータ１１は、ほぼ水平な軸線周りに回転可能である。ロータ１１の回転軸線方向から翼１２ａ〜ｃに当たった風の力が、ロータ１１を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力がナセル１３内に設けられた発電機によって電気エネルギーに変換されるようになっている。

ロータ１１の回転は、ナセル１３に設けられているブレーキ装置により停止させることができる。また、ロータ１１は、ブレーキ装置を制御することにより、設定したアジマス角度で停止させることができる。アジマス角度とは、翼１２ａ〜ｃの回転面において、所定の基準と翼１２ａ〜ｃの軸線とのなす角をいい、本実施形態では、翼１２ａ最上部に位置したときを基準としている。従って、翼１２ａが風車の最上部に位置したときのアジマス角度は０度、最下部に位置したときのアジマス角度は１８０度である。翼１２ａ〜ｃは、ピッチ制御用の旋回輪軸受（ピッチベアリング）を介してロータ１１に接続され、翼長方向に延在する翼軸周りに回動可能である。これにより、翼１２ａ〜ｃのピッチ角が調整される。

ナセル１３は、支持部材１４の上部、又は、下部に設置され、支持部材１４に対して略水平面上で旋回して、ロータ１１の方向を風向きに合わせ、翼１２ａ〜ｃの回転面を風向きに正対させる。ナセル１３が略水平面上で旋回することをＹＡＷ旋回という。
発電機などの機器が収容されているナセル１３のカバーは、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）により構成されている。なお、風車部２０、３０、４０についても風車部１０と同様の構成となっている。

ＹＡＷ旋回部５０、６０は、タワー部２に対して支持部材１４、２４、３４、４４を旋回可能とするためのＹＡＷ軸受、及び、ＹＡＷモータを有する。ＹＡＷ軸受は、例えば、転がり軸受やすべり軸受で構成されている。
風力発電装置１は、風車部１０及び風車部２０が上段に、風車部３０及び風車部４０が下段に配置されている。上段の風車部１０は、支持部１４を介してＹＡＷ旋回部５０に接続され、風車部２０は、支持部２４を介してＹＡＷ旋回部５０に接続されている。同様に、下段の風車部３０は、支持部３４を介してＹＡＷ旋回部６０に接続され、風車部４０は、支持部４４を介してＹＡＷ旋回部６０に接続されている。よって、ＹＡＷ旋回部５０を駆動することにより、上段の風車部１０及び風車部２０を、タワー部２を軸としてＹＡＷ旋回させることができる。同様に、ＹＡＷ旋回部６０を駆動することにより、下段の風車部３０及び風車部４０を、タワー部２を軸としてＹＡＷ旋回させることができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置１が備える機能を示したブロック図である。本実施形態に係る風力発電装置１の制御系は、制御部１００、翼センサ１０１、着氷検知部１０２、風向・風速計１０３、降水計１０４、温度計１０５、湿度計１０６、ＹＡＷ駆動部１０７、ピッチ駆動部１０８、ブレーキ駆動部１０９を備えている。
制御部１００は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

翼センサ１０１は、翼１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃの状態を検知するセンサであり、例えば、歪センサにより構成される。
着氷検知部１０２は、翼センサ１０１に出力などに基づき、翼１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃの着氷量を検知する。
風向・風速計１０３は、ロータ１１、２１、３１、４１の向きに対する主風向の向き、及び、ロータ１１、２１、３１、４１又はナセル１３、２３、３３、４３における風速を検出する。
降水計１０４は、風力発電装置１における降水量を検知する。
温度計１０５は、風力発電装置１における外気温を検知する。
湿度計１０６は、風力発電装置１における湿度を検知する。

ＹＡＷ駆動部１０７は、ＹＡＷ旋回部５０、６０を制御するように構成されている。
ピッチ駆動部１０８は、翼１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃのピッチ角を制御するように構成されている。
ブレーキ駆動部１０９は、ロータ１１、２１、３１、４１の回転を停止/固定するためのブレーキ装置を制御するように構成されている。ブレーキ駆動部１０９により、ロータ１１、２１、３１、４１の回転停止時におけるアジマス角度を制御することができる。

次に、本実施形態に係る風力発電装置１の制御系において実行される運転停止時の処理について図３を参照して説明する。図３に示すフローは、風力発電装置１に対する運転停止の指令が出されるごとに実行される。
まず、風力発電装置１は、当該風力発電装置１の運転環境が着氷の可能性のある寒冷環境にあるか否かを判定する（Ｓ１０１）。詳しくは、所定の寒冷環境条件を満たすか否かを判定する。
寒冷環境条件として、例えば、以下の条件がある。これらの条件を単独で設定するようにしてもよいし、組み合わせて設定するようにしてもよい。
・着氷検知部１０２によって、風力発電装置１に対する着氷が検知された場合。
・予め、風力発電装置１に対して寒冷地モードが設定されている場合。
・温度計１０６により所定値（例：５℃）以下の温度が検知された場合。
・湿度計１０５により所定値（例：６０％）以上の湿度が検知された場合。
・降水計１０４により所定値（例：５０ｍｍ／日）以上の降水量が検知された場合。
・湿度計１０５により所定値（例：６０％）以上の湿度が検知され、かつ、温度計１０６により所定値（例：５℃）以下の温度が検知された場合。
・降水計１０４により所定値（例：５０ｍｍ／日）以上の降水量が検知され、かつ、温度計１０６により所定値（例：５℃）以下の温度が検知された場合。

風力発電装置１の運転環境が寒冷環境にないと判定された場合（Ｓ１０１；Ｎ）、風力発電装置１は、通常モードの運転停止処理に従い風力発電装置１の運転を停止し（Ｓ１０２）、処理を終了する。
詳しくは、制御部１００は、ピッチ駆動部１０８により、運転を停止する風車部１０、２０、３０、４０の翼１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃのピッチ角をフェザー側に制御して風力発電装置１を停止させる。ピッチ角をフェザー側に制御することで、ロータ１１、２１、３１、４１は、空力制動力が付与されるため、回転数が減速する。そして、ロータ１１、２１、３１、４１の回転数が十分に減速した時点で、ブレーキ駆動部１０９により完全に回転を停止させる。通常モードの運転停止処理においては、ＹＡＷ駆動部１０７による制御は行われない。

一方、風力発電装置１の運転環境が寒冷環境にあると判定された場合（Ｓ１０１；Ｙ）、風力発電装置１は、寒冷地モードの運転停止処理に従い風力発電装置１の運転を停止し（Ｓ１０３）、処理を終了する。
詳しくは、はじめに、通常モードの運転停止処理と同様に、ピッチ駆動部１０８により、翼１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃのピッチ角をフェザー側に制御して、ロータ１１、２１、３１、４１の回転数を減速させ、その後、ブレーキ駆動部１０９により完全に回転を停止させる。
さらに、寒冷地モードでは、ＹＡＷ駆動部１０７により、ＹＡＷ旋回部５０、６０を制御し、図４に示すように、上段の風車部１０、２０と下段の風車部３０、４０の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、風車部１０、２０、３０、４０を移動させる。ここでは、一例として、上段のＹＡＷ旋回部５０と下段のＹＡＷ旋回部６０のＹＡＷ角がα°ずれた位置となるように設定されている。なお、上段と下段のＹＡＷ角のずれ量α°は、段の風車部１０、２０と下段の風車部３０、４０の水平面への垂直投影像が重ならない範囲において任意に設定することができる。
このような位置に風車部１０、２０、３０、４０を移動させることにより、上段の風車部１０、２０から落下した氷が下段の風車部３０、４０に衝突する可能性を低減することができる。

寒冷地モードの運転停止処理においては、例えば、図１に示すように、停止時の翼１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ、４２ｃのアジマス角度が１８０度となるように、即ち最下部に位置となるように、ブレーキ駆動部１０９を制御するようにしてもよい。このように、停止時の翼１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃをＹ字型に配置することにより、翼１２ｂ、ｃ、翼２２ｂ、ｃ、翼３２ｂ、ｃ、翼４２ｂ、ｃから落下した氷がナセル１３、２３、３３、４３に衝突する可能性を低減することができる。

また、上述した本実施形態に係る風力発電装置１の制御系において実行される、風力発電装置１の運転環境が寒冷環境にあると判定処理を、風力発電装置１の運転開始時に実行するようにしてもよい。詳しくは、本実施形態に係る風力発電装置１の制御系において実行される運転開始時に、風力発電装置１の運転環境が着氷の可能性のある寒冷環境にあるか否かを判定する。風力発電装置１の運転環境が寒冷環境にあると判定された場合、上段の風車部１０、２０と下段の風車部３０、４０の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、風車部１０、２０、３０、４０を移動させた後、通常の運転開始処理（起動処理）を行うようにしてもよい。
運転開始時にこのような位置に風車部１０、２０、３０、４０を移動させることにより、運転開始後に、上段の風車部１０、２０から落下した氷が下段の風車部３０、４０に衝突する可能性を低減することができる。

１：風力発電装置
２：タワー部
１０、２０、３０、４０：風車部
１１、２１、３１、４１：ロータ
１２ａ〜ｃ、２２ａ〜ｃ、３２ａ〜ｃ、４２ａ〜ｃ：翼
１３、２３、３３、４３：ナセル
１４、２４、３４、４４：支持部材
５０、６０：ＹＡＷ旋回部
１００：制御部
１０１：翼センサ
１０２：着氷検知部
１０３：風向・風速計
１０４：降水計
１０５：温度計
１０６：湿度計
１０７：ＹＡＷ駆動部
１０８：ピッチ駆動部
１０９：ブレーキ駆動部

Claims

タワー部と、
ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、
前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、
前記複数の風車部は、少なくとも１つの風車部が他の風車部と配置高さが異なる風力発電装置であって、
運転を停止する時に、運転環境が着氷の可能性がある寒冷環境にあるか否かを判定する環境判定手段を備え、
前記環境判定手段によって、前記寒冷環境にあると判定された場合、前記複数の風車部の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、前記複数の風車部を移動する風力発電装置。
前記複数の風車部は、少なくとも２つの配置高さが同じ風車部を有し、
前記配置高さが同じ風車部同士を、同時に、前記タワー部を軸としてＹＡＷ旋回するＹＡＷ旋回部を備え、
前記環境判定手段により、前記寒冷環境にあると判定された場合、前記ＹＡＷ旋回部を駆動することにより前記複数の風車部を移動する請求項１に記載の風力発電装置。
前記環境判定手段は、温度検知手段、湿度検知手段、降水検知手段、着氷検知手段の少なくとも何れかの検知結果に基づき、前記寒冷環境にあるか否かを判定する請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。
前記環境判定手段は、運転を開始する時に、当該風力発電装置の前記運転環境が、前記寒冷環境にあるか否かを判定する請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記ロータに設けられた翼は、前記ロータの回転軸線周りに放射状に配置された３枚の翼で構成され、
前記環境判定手段によって、前記寒冷環境にあると判定された場合、前記３枚の翼のうちの１つが最下部に位置する状態で停止する請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
タワー部と、ロータと、前記ロータに設けられた翼と、前記ロータの回転力によって発電する発電機とをそれぞれ有する複数の風車部と、前記タワー部と接続され、前記複数の風車部を支持する支持部材と、を備え、前記複数の風車部は、少なくとも１つの風車部が他の風車部と配置高さが異なる風力発電装置の制御方法であって、
運転を停止する時に、運転環境が着氷の可能性がある寒冷環境にあるか否かを判定する環境判定工程と、
前記環境判定工程によって、前記寒冷環境にあると判定された場合、前記複数の風車部の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、前記複数の風車部を移動する移動工程と、
を有する風力発電装置の制御方法。
複数の風車部を有する風力発電装置が、複数設けられている風力発電システムであって、
複数の前記風力発電装置のうちの少なくとも１つは、請求項１から請求項５のいずれかに記載の風力発電装置であって、
前記環境判定手段によって、前記寒冷環境にあると判定された場合には、すべての前記風力発電装置において、複数の風車部の水平面への垂直投影像が重ならない位置に、前記複数の風車部を移動する風力発電システム。