TW201602456A - 下風型風車及其停止方法 - Google Patents
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Abstract
提供在可使葉片之俯仰角為可變的下風型風車方面藉對於俯仰角之控制下工夫使得可在風車停止的過程中就施加於葉片之負載作減輕的下風型風車及該停止方法。
於將具有可就俯仰角作控制的葉片之下風型風車予以停止時，採取使葉片之俯仰角旋轉於流入角變大之方向使得葉片成為順槳狀態(最後葉片之後緣位於上風側)(負順槳)。此外，於在使風車停止時之葉片的俯仰角(或風速等與俯仰角具有相關關係之狀態量)超過既定值時，係代替負順槳，採取使俯仰角旋轉於流入角變小之方向，歷經流入角為零之狀態而成為順槳狀態(最後葉片之後緣位於下風側)(正順槳)。
Description
本發明係關於下風型風車及其停止方法，尤其關於可使葉片之俯仰角為可變的下風型風車及該停止方法。
風車(風力發電機)，係作為對於環境和善且風險少的發電方法而近年來受到關注，惟在另一方面發電成本為高，要求確保安全性同時進一步削減成本。
要削減風車之成本，係採風車構造構材之輕量化的材料費削減為有效，尤其葉片之質量削減，係亦有助於就其作支撐之機艙、就機艙作支撐的塔台之輕量化，故重要度高。葉片之構造條件係主要依空氣動力特性與設計條件而定，藉將設計負載予以降低，從而謀求葉片構造之輕量化。
歷來，例如，如記載於專利文獻1~3，已提出就俯仰角、偏搖角作控制而對暴風時之待機形態下工夫從而減輕暴風時設計負載。
[專利文獻1]日本發明專利公開2006-336505號公報
[專利文獻2]日本發明專利公開2007-64062號公報
[專利文獻3]日本發明專利公開2007-16628號公報
歷來，係就對暴風時之待機形態等下工夫從而減輕設計負載作檢討，惟於因各種因素而使風車停止時，關於就在風車停止之過程中施加於風車(尤其葉片)的負載作減低之情形並未特別受到考量。亦即，歷來，於使風車停止時，以葉片成為順槳狀態的方式就葉片之俯仰角作控制，採取使俯仰角旋轉於相對流入角(流入葉片的風之相對流入角，以下，單稱作流入角)變小的方向，歷經流入角為零之狀態，而最後葉片成為順槳狀態(最後葉片之後緣位於下風側。)。
依本發明人們之檢討，發現對於使下風型風車停止時之葉片的俯仰角之控制下工夫，使得可就使風車停止時作用於葉片之負載作減低。
本發明之目的，係在於提供於可使葉片之俯仰角為可變的下風型風車方面藉對於俯仰角之控制下工夫使得可在風車停止的過程中就施加於葉片之負載作減低的
下風型風車及該停止方法。
本發明，係於將具有可就俯仰角作控制的葉片之下風型風車予以停止時，採取使葉片之俯仰角旋轉於流入角變大之方向使得葉片成為順槳狀態(最後葉片之後緣位於上風側)。
另外，在本說明書，係採取使葉片之俯仰角旋轉於流入角變大之方向使得葉片成為順槳狀態，將使葉片之後緣位於上風側的俯仰角之控制，稱作負順槳。此外，在本說明書，係將一般之順槳動作，亦即採取使俯仰角旋轉於流入角變小之方向，歷經流入角為零之狀態而成為順槳狀態，使葉片之後緣位於下風側的俯仰角之控制，稱作正順槳。
此外，本發明，係於在使風車停止時之葉片的俯仰角(或風速等與俯仰角具有相關關係之狀態量)超過既定值時，採取非負順槳而是正順槳。
依本發明，即使得可於可使葉片之俯仰角為可變的下風型風車方面就在風車停止之過程中施加於葉片的負載(流體力)作減低。
上述以外的課題、構成及效果，係藉以下之實施形態的說明而進一步明確化。
1‧‧‧葉片
2‧‧‧輪轂
3‧‧‧主軸
4‧‧‧增速機
5‧‧‧發電機
6‧‧‧機艙
7‧‧‧塔台
8‧‧‧俯仰驅動機構
9‧‧‧俯仰控制裝置
10‧‧‧偏搖驅動機構
11‧‧‧轉子制動器
12‧‧‧風向風速計
13‧‧‧轉數感測器
14‧‧‧偏搖角感測器
15‧‧‧風車控制板
16‧‧‧電力控制裝置
17‧‧‧主遮斷器
18‧‧‧緊急停止鈕
19‧‧‧輔機群
[圖1]就應用本發明的風車之機器構成與控制對象作繪示的圖。
[圖2A]上風型風車之配置圖。
[圖2B]下風型風車之配置圖。
[圖3A]就於上風型風車在停止時採取正順槳之情況下作用於葉片的流體力作說明之圖。
[圖3B]就於下風型風車在停止時採取正順槳之情況下作用於葉片的流體力作說明之圖。
[圖3C]就於停止時採取正順槳之情況下作用於葉片的流體力之產生方向作說明的圖。
[圖4]就在負順槳下作用於葉片之流體力作說明的圖。
[圖5]就本發明之實施例1的控制方塊圖作繪示之圖。
[圖6]就負順槳與正順槳之使用區別作說明的圖。
[圖7]就本發明之實施例2的控制方塊圖作繪示之圖。
[圖8]就本發明之實施例3的控制方塊圖作繪示之圖。
[圖9]就本發明之實施例4的控制方塊圖作繪示之圖。
以下，利用圖式而說明本發明之實施例。
首先，利用圖1，而就應用本發明的風車之機器構成與控制對象的一例作說明。應用本發明的大型之風力發電機(額定輸出100kW以上)，係基本上進行在無人下之自動運轉，所發電之電力係連接至系統。
風車，係具備：複數個葉片1；安裝著葉片1之輪轂2；連接於輪轂2之主軸3；就主軸3之旋轉作增速的增速機4；連接於增速機4並進行發電的發電機5；就主軸3可旋轉地作支撐並將增速機4、發電機5作收容的機艙6；以及就機艙6旋轉自如地作支撐之塔台7。
此外，風車，係具備風向風速計12、就發電機5之轉數作計測的轉數感測器13、及就機艙6之偏搖角作計測的偏搖角感測器14等，此等感測器之輸出，係送至設置在塔台7內的風車控制板15。
風車控制板15，係根據來自外部之控制指令、來自各感測器之輸出，而就風車內之控制對象作控制，進行風車之在無人下的自動運轉。在控制對象方面，係俯仰控制裝置9(俯仰驅動機構8)、偏搖驅動機構10、電力控制裝置16、主遮斷器17、及輔機群19(在輔機方面係例如轉子制動器11，雖省略圖示惟包含油壓單元、冷卻單元等)等。俯仰控制裝置9(俯仰驅動機構8)係就葉片1之角度作變更。偏搖驅動機構10係就機艙6整體之朝向
作變更。電力控制裝置16係就風車之電力(或轉矩)作調整。主遮斷器17係擔負與系統之電連接。
此外，風車係藉各感測器就各部分之狀態作監視，藉風車控制板15而檢知到異常之情況下，或以由風車操作員所為之手動操作(按下緊急停止鈕18而對於風車控制板15停止指令)而中止發電，進行停止動作。本發明，係關於風力發電機之控制，尤其關於在此停止動作中之風車控制板15與俯仰控制裝置9之控制。
接著，就達至本發明之原委使用圖2A~圖4、圖6而詳細作說明。
本發明係就在下風型風車之風車停止時的作用於葉片之流體力作減低者，為了便於理解，亦包含在上風型風車之風車停止時的作用於葉片之流體力的狀況等作說明。
首先，風車(風力發電機)，係依轉子(葉片與輪轂)之位置而可區分為轉子位於比塔台7上風側的上風型風車(圖2A)、及轉子位於比塔台7下風側的下風型風車(圖2B)。一般係採用上風型風車居多，惟於風車大型化時葉片1與塔台7作接的風險少之下風型亦受到注目，一部分被產品化。於任一方式，皆如圖2A及圖2B所示，葉片1係為了保持與塔台7一定之距離，而具有轉子軸之傾斜(傾斜角)、及轉子面之傾斜(錐角)。
接著，利用圖3A~圖3C，而就於風車停止時，如歷來，採取正順槳之情況下作用於葉片的流體力之狀況作說明。
風車之運轉時，上風型風車(圖3A)與下風型風車(圖3B)，係皆轉子(葉片)因風與由於自轉而產生於葉片周圍之升力、阻力之流體力(圖3C參照)，而於旋轉方向與下風方向產生負載。同時，亦同時產生鉛直向下之重力、及往使錐角變淺之方向的離心力。就各個之向量作圖示的情況下，在上風型風車係轉子面外方向之負載向量，流體力(推力)、離心力、重力共同朝向同方向。另一方面，在下風型風車係相對於流體力(推力)離心力朝向相反之面外方向，故此等力被互相抵消。為此，於運轉時係下風型風車作用於葉片之負載較小，在葉片之構造設計方面係有利。
然而，風車停止之情況下係成為相反之關係。一般而言，於風車停止時，係使俯仰角旋轉於相對流入風速變淺之方向(正順槳方向)，使升力產生於正壓面側，從而使流體力之向量，與轉子行進方向相反，且產生於上風側從而予以發生制動(圖3C參照。於葉片之順槳狀態下葉片之後緣位於下風側。)。依此停止時之流體力(推力)的朝向之變化，相對於在上風型風車(圖3A)係流體力與離心力被抵消使得作用於葉片之負載變小，在下風型風車(圖3B)係流體力(推力)與離心力之面外方向之朝向成為同方向，故加算此等使得作用於葉片之負載變大。
為此，雖然下風型風車係有運轉時之作用於葉片之負載比上風型風車小之傾向，但於停止時係比上風
型風車大之負載產生於葉片，故無法減低葉片之設計負載，有構造上的優點無法發揮之課題。
所以，為了此課題，在本發明，係採取使風車停止時之俯仰角之旋轉方向為相反使得葉片轉移成順槳狀態(負順槳)。利用圖4而就於此負順槳時作用於葉片的流體力作說明。為了便於理解，於正順槳(A)時產生於葉片之流體力亦一併圖示。
在負順槳(B、C)，係邊藉使俯仰角旋轉於流入角變大之方向，從而使葉片失速而使升力降低，另外使阻力增大，從而使流體力產生於下風側之面外方向邊進行制動的方法。流體力產生於下風側之面外方向，故在下風型風車，係依負順槳使風車停止時，流體力(推力)朝向與圖示於圖3B之流體力(推力)相反之下風側。因此，依此停止時之流體力(推力)的朝向之變化，在下風型風車係流體力(推力)與離心力被抵消使得在停止時作用於葉片之負載亦變小。藉此，發揮具有運轉時之作用於葉片之負載變比上風型風車小的構造上之優點的下風型風車之優點，同時於停止時亦可減小作用於葉片之負載，故可就葉片之設計負載作減低。就作用於葉片之負載，於運轉時，於停止時皆可作減低，使得可減低葉片之構造強度，葉片可輕量化。此外，葉片之輕量化係可將就其作支撐的機艙、就機艙作支撐的塔台、及就塔台作支撐之基礎構造物輕量化，結果可非常有助於風力發電設備之成本減低。
另外，在上風型風車，係於停止時採取負順槳時，相反地作用於葉片之負載變大。亦即，在負順槳方面，流體力(推力)之朝向成為下風側時，如可從圖3A知悉，成為與離心力、重力之面外方向之朝向同方向，故加算此等使得作用於葉片之負載變大。因此，本發明可謂之對於下風型風車特有的技術思想。
此外，依本發明人們之檢討，於上述之負順槳之控制係有如下的課題。就此參照圖4之「C負順槳(超過額定風速)」作說明。亦即，風車依風速而以最佳之俯仰角作運轉，惟風速超過風車之額定風速的情況下，為了將發電輸出保持成一定，使俯仰角變化於順槳側(流入角變小之側)，減少流體力而邊放掉風邊進行運轉。從使此俯仰角變大之運轉狀態進行依負順槳的停止動作時，在其停止過程中流體力暫時增加(通過高升力點)，轉矩會增大。此現象於風車之停止動作，係造成引起過度旋轉。
所以，本發明人們，係發現如圖6所示，於使風車停止時的風車之運轉狀態，就負順槳與正順槳之控制作使用區分，從而解決此課題。例如，採取俯仰角淺之情況下，進行負順槳動作，於俯仰角超過既定值的情況下，係進行正順槳動作。
風速超過額定風速之情況下，如上所述，俯仰角被予以變化於順槳側(流入角變小之側)，變得比風速為額定風速以下之俯仰角還大。亦即，在比額定風速充分高之風
速下，係如上所述，為了放掉能量而增大俯仰角。風速係依場所而變並亦依時間而變化，此外依各種之條件，雖不能一概而論，例如，採取在0~7°，係進行負順槳動作，於超過7°之情況下，係進行正順槳動作。換言之，在額定風速附近，係進行負順槳動作，在比額定風速充分高之風速(於進行負順槳使得過度旋轉之問題變嚴重的情況下)係進行正順槳動作。
另外，於此正順槳動作時係風速超過額定風速而成為高風速。為此，即使進行正順槳動作仍風之流入向量相對於轉子面呈大角度。為此，產生於正順槳時的正壓面側之升力之方向係相對於轉子面成為淺角度。為此，正順槳時之流體力負載，係可採取圖6之「A正順槳」，亦即採取比來自歷來之額定風速以下的運轉狀態之在停止的正順槳動作時之負載還小。
此外，俯仰角，係考量風速、風車之轉數下作控制者，亦即，可謂風速、風車之轉數係與俯仰角具有相關關係的狀態量，故亦可採取代替俯仰角而以風速、風車之轉數為指標就負順槳與正順槳之控制作使用區分。
如此進行風車停止時之俯仰角之控制，使得可在俯仰角淺之情況下係以負順槳動作不使作用於葉片之負載增加而使風車停止，此外在超過額定風速而俯仰角變大之情況下係依正順槳動作不予以發生過度旋轉而使風車安全停止。亦即，就作用於葉片之負載，於運轉時，於停止時皆可予以減低，使得可減低葉片之構造強度，葉片可
輕量化。此外，葉片之輕量化係可將就其作支撐的機艙、就機艙作支撐的塔台、及就塔台作支撐之基礎構造物輕量化，結果可非常有助於風力發電設備之成本減低。
接著就本發明之俯仰角控制方法利用示於圖5、圖7~9之控制方塊圖作說明。
於圖5繪示本實施例之控制方塊圖。本實施例，係採取風車停止時，就負順槳與正順槳之使用區分，以各葉片之俯仰角之平均值是否超過既定之閾值而決定者。在本實施例係以具有3個葉片之風車為前提。
風速係空間上及時間上非一樣而會變動。例如，接近地面處之風速一般而言係弱。因此，各葉片係個別被以依風速而成為最佳之俯仰角的方式作控制。在本實施例，係就各葉片之俯仰角作計測，就各俯仰角之平均值作計算。相對於平均值設定既定之閾值(例如7°)，以於停止動作時是否超過閾值，進行負順槳與正順槳之使用區分的條件判斷。平均俯仰角超過既定之閾值時以正順槳動作使風車停止，平均俯仰角為既定之閾值以下時進行負順槳動作。
於圖7繪示本實施例之控制方塊圖。本實施例亦係以具有3個葉片之風車為前提。本實施例，係風車
停止時，就負順槳與正順槳之使用區分，代替平均俯仰角，而以各俯仰角之最大值、或最小值為判斷指標者。另外，此時，例如，俯仰角大之葉片與俯仰角小的葉片混合存在，但無論俯仰角大之葉片還是小的葉片，皆採取根據俯仰角之最大值或最小值進行同控制。原因在於依葉片而就負順槳與正順槳作使用區分時有可能於風車整體發生失衡。
於圖8繪示本實施例之控制方塊圖。本實施例，係採取風車停止時，就負順槳與正順槳之使用區分，代替平均俯仰角，而以風速為判斷指標者。
於圖9繪示本實施例之控制方塊圖。本實施例，係採取風車停止時，就負順槳與正順槳之使用區分，代替平均俯仰角，而以風速之轉數為判斷指標者。風車轉數之情況下，不同於風速之情況，有與俯仰角之相關關係弱的情況。風車轉數之情況下，可有效應用於俯仰角為例如7°程度時成為額定轉數的風車。
另外，本發明係非限定於上述之實施例者，包含各式各樣的變化例。例如，上述之實施例係為了以容易理解的方式說明本發明而詳細說明者，未必限定於具備所說明之全部的構成者。此外，可將某實施例之構成的一
部分置換成其他實施例之構成，另外亦可對於某實施例之構成加入其他實施例的構成。此外，可對於各實施例之構成的一部分，作其他構成之追加、刪除、置換。
Claims (9)
- 一種下風型風車，具有可就俯仰角作控制的葉片，特徵在於：就前述俯仰角作控制的控制裝置，係控制成於使前述風車停止時，使前述葉片之俯仰角旋轉於流入角變大的方向使得前述葉片成為順槳狀態。
- 如申請專利範圍第1項之下風型風車，其中，就前述俯仰角作控制的控制裝置，係控制成以使前述風車停止時之前述葉片的俯仰角或與前述俯仰角具有相關關係之狀態量為判斷指標，於前述俯仰角或前述狀態量超過既定值時，係使前述俯仰角旋轉於流入角變小之方向，歷經流入角為零之狀態而成為順槳狀態。
- 一種下風型風車之停止方法，該下風型風車具有可就俯仰角作控制的葉片，特徵在於：以於使前述風車停止時，使前述葉片之俯仰角旋轉於流入角變大之方向使得葉片成為順槳狀態的方式進行負順槳動作。
- 如申請專利範圍第3項之下風型風車之停止方法，其中，以使前述風車停止時之前述葉片的俯仰角或與前述俯仰角具有相關關係之狀態量為判斷指標，於前述俯仰角或前述狀態量超過既定值時，係以使前述俯仰角旋轉於流入角變小之方向，歷經流入角為零之狀態而成為順槳狀態的方式進行正順槳動作。
- 如申請專利範圍第4項之下風型風車之停止方法，其中，以複數個葉片之俯仰角的平均值為判斷指標而進行前述負順槳動作與前述正順槳動作之使用區分。
- 如申請專利範圍第4項之下風型風車之停止方法，其中，以複數個葉片之俯仰角的最大值為判斷指標而進行前述負順槳動作與前述正順槳動作之使用區分。
- 如申請專利範圍第3項之下風型風車之停止方法，其中，以複數個葉片之俯仰角的最小值為判斷指標而進行前述負順槳動作與前述正順槳動作之使用區分。
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