TWI661121B - Wind power equipment - Google Patents

Abstract

以提供可靠性高的風力發電設備為目的，其特徵為，具備：承受風來旋轉的轉動部(5)、將轉動部(5)支撐成可旋轉的艙體(2)、將艙體(2)支撐成可旋轉的塔架(1)、產生使艙體(2)對塔架(1)旋轉之驅動力的舵致動器(8)，具有在既定風速以上之際使轉動部(5)相對於艙體(2)位在下風處的第1模式及使用轉動部(5)的旋轉能量來進行發電的第2模式，第1模式中，在艙體(2)的方位角度與風向角度之間的角度差為第1既定值以上的情況，使用舵致動器(8)的輸出使舵旋轉而讓角度差變小，在角度差為第2既定值以下的情況，停止舵致動器(8)的驅動，角度差為第2既定值以下的情況之艙體(2)與塔架(1)之間的制動力，係比第2模式之艙體(2)與塔架(1)之間的制動力還小。

Description

風力發電設備

本發明係關於風力發電設備，且關於舵控制者。

風力發電設備，在地球溫暖化對策的觀點來看被導入有較多的設備容量，成為主要的自然能量發電設備。而且風力發電設備，係利用風力來進行發電，故成為大幅受到風之影響的構造。因此，有必要在強風時對應承受來自風的荷重。

為了成為在強風時可靠性亦高的風車，有著調整舵之制動力的手段。此外，有著在強風時成為在塔架的下風側配置轉動部的順風形態，藉此不是成為主動地進行舵驅動的主動舵，而是成為被動地使舵旋轉的被動舵的手段。

關於制動力的先前技術，例如有記載於專利文獻1者。於專利文獻1，記載著水平軸風車，係在停電時使舵的電磁制動力比通電運轉時還小，而可在停電時對應強風。

關於被動舵的先前技術，例如有記載於專利文獻2~4者。於專利文獻2，係記載著水平軸風車，其具備：當風車發生異常檢測訊號時成為順風形態，而作為被動舵來自然追隨風向並控制舵旋動速度的功能。於專利文獻3及專利文獻4，係記載著水平軸風車，其具備：在強風待機時成為順風形態而成為被動舵的功能。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本特開2011-127551號公報

專利文獻2：日本特開2007-146858號公報

專利文獻3：日本特表2004-536247號公報

專利文獻4：日本特開2007-64062號公報

如專利文獻1~4般使轉動部受到來自風之力而旋轉之被動的舵驅動，在持續平均地吹拂風的情況，係使艙體沿著風向來面向，藉此使荷重最小化。另一方面，即使平均的風向沒有變化，但因亂流等而局部性使轉動部所承受的風產生左右不平衡的情況，艙體會旋轉，而使艙體的朝向從平均的風向產生偏差。例如，從上風側觀看，位在右側的葉片所受到的風比位在左側的葉片還要大的情況時，轉動部所受到的旋轉力會產生不均，而使得艙體往 消除不均的方向旋轉。此情況時，接著會產生反向不均，且要是沒有產生超越舵制動力之風的話，艙體就不會旋轉回原本的朝向。在這期間，使上述艙體產生旋轉的僅為亂流，平均的風向係從最初的朝向沒有變化。故，在偏離原本朝向的期間，轉動部係成為並非以正面而是以傾斜方向來承受風。此情況時，會對轉動部施加較大的荷重。風力發電設備係20年左右之長期間運用者，故此種荷重的累積係盡可能地減輕為佳。

在此，本發明的目的係提供一種風力發電設備，其可減輕上述般的荷重累積而提升可靠性。

為了解決上述課題之關於本發明的風力發電設備，其特徵為，具備：承受風來旋轉的轉動部、將前述轉動部支撐成可旋轉的艙體、將前述艙體支撐成可旋轉的塔架、產生使前述艙體對前述塔架旋轉之驅動力的舵致動器，具有在既定風速以上之際使前述轉動部相對於前述艙體位在下風處的第1模式及使用前述轉動部的旋轉能量來進行發電的第2模式，前述第1模式中，在前述艙體的方位角度與風向角度之間的角度差為第1既定值以上的情況，使用前述舵致動器的輸出使舵旋轉而讓前述角度差變小，在前述角度差為第2既定值以下的情況，停止前述舵致動器的驅動，前述角度差為第2既定值以下的情況之前述艙體與前述塔架之間的制動力，係比前述第2模式之前 述艙體與前述塔架之間的制動力還小。

根據本發明可提供能提升可靠性的風力發電設備。

1‧‧‧塔架

2‧‧‧艙體

3‧‧‧軸轂

4‧‧‧葉片

5‧‧‧轉動部

6‧‧‧方位角度

7‧‧‧風向角度

8‧‧‧舵致動器

9‧‧‧小齒輪

10‧‧‧舵軸承

11‧‧‧制動盤

12‧‧‧制動鉗

13‧‧‧電磁制動器

14‧‧‧舵馬達

15‧‧‧風向計

16‧‧‧控制裝置

161‧‧‧舵致動器指令生成部

162‧‧‧制動力演算部

圖1為關於本發明之實施例之順風型之水平軸風車的側面概略圖。

圖2為關於本發明之實施例之艙體周圍的概略圖。

圖3為關於本發明之實施例之順風型之水平軸風車的俯視概略圖。

圖4為關於本發明之實施例之舵致動器驅動狀態的俯視概略圖。

圖5為關於本發明之實施例之被動舵狀態的俯視概略圖。

圖6為說明關於本發明之實施例之舵致動器與制動機構的圖。

圖7為說明關於本發明之實施例之控制裝置的圖。

以下針對實施本發明時所適合的實施例參照圖式進行說明。且，以下僅為實施例，其並非意圖用來限 定本發明的實施態樣。本發明係除了以下實施例以外還可進行各種變更等。

實施例1

圖1為表示從側面觀看關於本實施例之順風型之水平軸風車的概略構造。

風車係於幾乎鉛直方向延伸有塔架1。塔架1之下方側的根部，若為陸地則設置於基礎，若為洋上則接合至從海底所設置的基礎、或是接合於浮在海面附近的浮體基礎等。於塔架1的頭頂部設有艙體2，其相對於塔架1被支撐成可在大致水平面內旋轉，在塔架1與艙體2之間設有舵致動器8，其產生使艙體2相對於塔架1旋轉的驅動力。於艙體2的下風側透過主軸連接有轉動部5，轉動部5係透過主軸而被支撐成可相對於艙體2旋轉。艙體2與轉動部5，係以塔架1的中心為軸來旋轉，藉此調整舵角度。轉動部5，主要係由軸轂3與各葉片4(本實施例中雖為3枚葉片，但是當然不限定於該數量)所構成。於艙體2，具備有在本圖示省略的發電機、電力調整裝置、動力傳達機構、冷卻裝置的全部或一部分。且，於艙體2的上部設置風向計15，可藉此測量風向。

圖2主要為表示從轉動部5之反對側的上方觀看艙體2周邊的概略構造，圖3為表示從上方觀看關於本實施例之順風型之水平軸風車的概略構造。

本實施例中，在發電時，主要由軸轂3與各 葉片4所構成的轉動部5，係以在從上風側觀看時為繞順時鐘旋轉的情況為例進行說明。當然，風車的旋轉方向並不限定於此。在沒發電的待機時，轉動部5基本上係幾乎不旋轉，但從上風側觀看時係繞順時鐘稍微旋轉。但是，亦有因風況而繞逆時計稍微旋轉的情況。在既定風速以上的強風時，停止發電使艙體2往舵旋轉方向旋轉，對應風向而使轉動部5維持成為在塔架1之下風側的狀態。

圖4為表示在既定風速以上的強風停止發電，且藉由舵致動器8主動地進行舵旋轉之主動舵的狀態。方位角度6與風向角度7所夾的角度差(舵誤差)θ，係藉由設置在艙體2的風向計15來測量。只要對照艙體上的風向計15與艙體的位置關係，便可由風向計15直接導出角度差θ。在角度差θ比既定的值(角度差θ係以絕對值來比較，設為α度)還要大的情況，使舵致動器8驅動藉此以塔架1的中心為軸而讓艙體2旋轉，來主動地控制舵角度。具體而言，係往藉由風向計15所測量之角度差θ經處理之結果的值會變小的方向，使艙體2主動旋轉。

圖5為表示在既定風速以上的強風停止發電，且因風況而被動地進行舵旋轉之被動舵的狀態(第1模式)，當角度差θ被處理的結果比既定值(角度差θ係以絕對值比較，設為β度)還小的情況，舵致動器8係停止驅動。且，發電時係第2模式。關於使用角度差θ的比較，係比較角度差θ本身亦可，如本實施例般以處理角度 差的結果來比較亦可。在將角度差與既定值比較的情況，係包含這種比較角度差θ本身的情況、以及將處理過之角度差的結果予以比較的情況之任一者。

關於α與β的範圍，例如為25°以下，當然α經常為β以上(α≧β)的值。亦不排除α與β相等的情況。

使用圖6針對舵致動器8與制動機構進行說明。舵致動器8，係具備電磁制動器13與舵馬達14，於舵馬達14之塔架1側的前端，透過輸出軸設有小齒輪9。藉由使舵馬達14旋轉，讓小齒輪9也旋轉，而可改變艙體2的方位角。小齒輪9係與舵軸承10(特別是本實施例中的外輪)咬合。舵軸承10的外輪係透過制動盤11而固定於塔架1，以夾住制動盤11的方式設有制動鉗12。制動鉗12，雖未圖示但相對於艙體2固定。舵軸承10的內輪，係相對於艙體2固定，與小齒輪9一起相對於外輪旋轉。在施加制動時，係藉由制動鉗12夾住制動盤11來進行。其他，亦可使用電磁制動器13。

接著，使用圖7針對關於本實施例之風力發電設備的控制裝置16進行說明。由風向計15所輸出的角度差θ，係與α比較，並將比較結果輸入至舵致動器指令生成部161。舵致動器指令生成部161中，在角度差θ為α以上的情況，係對舵致動器8下達往使角度差θ變小的方向驅動的指令。

由風向計15所輸出的角度差θ，亦與β比 較，並同樣將比較結果輸入至舵致動器指令生成部161。在角度差θ為α以上的情況，舵致動器指令生成部161，係對舵致動器8持續輸出往使角度差θ變小的方向驅動的指令，在角度差θ成為β以下時，停止對舵致動器8的輸出指令。

於控制裝置16，還設有制動力演算部162，於制動力演算部162，除了風力發電設備之發電機(未圖示)的發電輸出力P與風速v之外，亦輸入有舵致動器指令生成部161的輸出。制動力演算部162，係因應發電輸出力的有無與風速v的大小來進行模式的判定。亦即，在沒有發電輸出力，且風速v為既定風速以上的情況，判定為第1模式，在有發電輸出力的情況，判定為第2模式。在沒有發電輸出力，且風速v為既定風速以下的情況，亦可設置其他模式。於制動力演算部162，亦進一步輸入有舵致動器指令生成部161的輸出，在第1模式進一步因應角度差0的大小使輸出至制動鉗12的制動力變化。其他，亦可因應風速v的大小來改變制動力，隨著風速v越大使制動力越大亦可。

於發電時，藉由風使轉動部5旋轉，並透過動力傳達機構使發電機旋轉來發電。為了以高效率來發電，係使舵致動器驅動來使轉動部5正對於風向，並在幾乎正對的時間點對舵旋轉方向施加較大的制動力，成為基本上不會舵旋轉。

在沒有發電的待機時，舵旋轉方向的制動力 係施加比發電時還小的制動力。例如，為發電時之制動力的一半以下。亦即，成為施加緩制動的狀態。藉此，在受到超越緩制動的風之力時，會如風向標那般，使轉動部往下風側移動。此外，比發電時還小，且伴隨著風速使制動力變大。又，在被動地舵旋轉的模式施加適當制動力的理由，係為了抑制艙體之不必要的旋轉，而成為適度的旋轉。且，伴隨著風速使制動力增加的理由，係因為，風速變高時轉動部5受到的風之力也會變大，對應所受到的風之力而使制動力也增加來保持適度的旋轉。

第1模式中，係使舵致動器8之動作中與停止中的制動力不同。具體來說，係使舵致動器8之動作中的制動力比停止中的制動力還要大。這是因為如前述般，在被動地舵旋轉的情況，就防止多次數之艙體旋轉的觀點來看，制動力係以一定程度大為佳，在主動地控制的情況，制動力係成為妨礙舵致動器8之動作者。在本實施例中，在角度差θ為α以上的情況使舵致動器8動作，在角度差θ為β以下的情況使舵致動器8停止，故角度差θ為β以下之情況的制動力比角度差θ為α以上之情況的制動力還大。

在第1模式中使角度差θ為β以下之情況的制動力比第2模式的制動力還小，藉此在第1模式之角度差θ為β以下的情況成為施加緩制動的狀態，而可如風向標那般使轉動部往下風側移動。在施加緩制動的狀態，雖無法完全排除因亂流等而朝向使角度差變大的方向偏差的 可能性，但即使是在此種情況，由於本實施例中係當角度差為α以上的話便使舵致動器8動作，故角度差不會變得過大。在第1模式中角度差θ為β以下的情況，亦可施加例如與發電時的制動力相同程度之大小的制動力，但如本實施例般，在既定以上的角度差以進行舵致動器8之主動控制的方式來進行控制的情況，且在第1模式中角度差θ為β以下的情況，以施加緩制動來容許風向標效果的話，會使風向與轉動部的方向容易一致故較佳。

順風形態的風車，係藉由風向標的原理，在持續被吹強風的情況，設為小制動力的話，會承受到超越制動力的風之力藉此被動地進行舵旋轉。被動的舵旋轉，係卸開強風，可使發生在風車的荷重變得比較小。但是，即使平均的風向沒有變化，但因亂流等而局部性使轉動部5所承受的風之力產生左右不平衡的情況，轉動部5會不正對地從平均的風向偏移，而使角度差θ成為比較大的狀態。例如，從上風側觀看，位在右側的葉片4所受到的風之力比位在左側的葉片4還要大的情況，轉動部5所受到的力會在左右產生不均，而使得艙體2往消除不均的方向旋轉，導致從平均的風向大幅錯開。在轉動部5不正對地從平均的風向錯開之狀態的情況，轉動部5係成為並非正面而是以傾斜方向來承受風，故會對風車施加較大的荷重。假設以不主動控制舵方向的情況，使時間經過的話，能夠預測出艙體2遲早會被動地舵旋轉，而使轉動部5正對風向的機率很高，但是在短暫的時間會藉由來自傾斜方 向的強風來對風車施加比較大的荷重。在角度差θ較大的情況，到角度差θ消失的位置為止的移動距離亦較長，在此期間亦從傾斜方向承受風。因此，在角度差θ大到一定程度的情況，以迅速地使艙體2往消除誤差的方向旋轉較佳。在此，本實施例中，在既定風速以上使轉動部5相對於艙體2位在下風處的模式中，基本上是不主動進行舵致動器8的驅動，但角度差θ的資訊亦通過風向計15而顯示，當角度差θ為α度以上的情況，會驅動舵致動器8來往使角度差θ消失的方向進行控制。在本實施例中，該舵致動器8的驅動係持續到角度差θ成為β度以下為止。α度或β度的設定，自不用說，係因應機種而不同。且，β度只要為α度以下即可。只要主動控制舵方向的話，轉動部5會正對風向，且防止從傾斜方向承受強風，藉此可迴避對風車施加較大荷重的情況。

亦即，根據本實施例，在追隨風向的變化使艙體相對於塔架旋轉的水平軸風車中，係在暴風(待機)時係藉由兼具被動舵與主動舵的舵控制，而將被動舵維持成相對於風向成為最佳狀態，藉此降低風車的發生荷重，可提高可靠性及安全性。

上述的實施例中，係以亦包含發電時經常使轉動部位在艙體之下風處之順風型的水平軸風車為例來進行說明，但即使是發電時的轉動部位在艙體之上風處之所謂逆風型的水平軸風車，只要是在強風時移行至順風模式的話，亦可進行相同的適用。

且，雖然將發電時與發電時以外的待機時予以分開說明，但亦可不藉由發電的有無來切換模式，而是以是否成為使轉動部5位在比艙體2還下風處，且藉由風來被動地進行驅動之模式來進行切換。當然，在不進行發電般之暴風的待機狀態中，如本實施例般控制風車的話，就提高可靠性或安全性來說有著極佳的效果。

且，如本實施例般，基本上係因應自然風來保持在減低荷重的位置，並且只有在角度差變大的情況驅動舵致動器，藉此可縮短驅動舵致動器的時間。這樣的話，以本實施例的風力發電設備為例，一併設置不斷電電源裝置或電池等蓄電裝置，在停電時藉由一併設置的蓄電裝置來驅動舵致動器的情況，亦可減少蓄電裝置的消耗，故較佳。

Claims (7)

1. 一種風力發電設備，其特徵為，具備：承受風來旋轉的轉動部、將前述轉動部支撐成可旋轉的艙體、將前述艙體支撐成可旋轉的塔架、產生使前述艙體對前述塔架旋轉之驅動力的舵致動器、在前述艙體與前述塔架之間產生制動力的電磁制動器及制動鉗，具有：在既定風速以上停止發電之際使前述轉動部相對於前述艙體位在下風處的第1模式、以及沒有進行前述舵致動器所致之舵驅動時在前述艙體與前述塔架之間施加前述電磁制動器及制動鉗所產生的制動力T_m2並使前述轉動部旋轉來進行發電的第2模式，前述第1模式中，在前述艙體的方位角度與風向角度之間的角度差為既定值α以上的情況，使用前述舵致動器的輸出使舵旋轉而讓前述角度差變小，在前述角度差為既定值β以下的情況，停止前述舵致動器的驅動，前述角度差為既定值β以下的情況在前述艙體與前述塔架之間由前述電磁制動器及制動鉗所產生的制動力T_m1，係比前述第2模式之前述艙體與前述塔架之間之前述電磁制動器及制動鉗所設定的制動力T_m2還小。
2. 一種風力發電設備，其特徵為，具備：承受風來旋轉的轉動部、將前述轉動部支撐成可旋轉的艙體、將前述艙體支撐成可旋轉的塔架、產生使前述艙體對前述塔架旋轉之驅動力的舵致動器、在前述艙體與前述塔架之間產生制動力的制動鉗，具有：在既定風速以上停止發電之際使前述轉動部相對於前述艙體位在下風處的第1模式、以及沒有進行前述舵致動器所致之舵驅動時在前述艙體與前述塔架之間施加前述制動鉗所產生的制動力T_m2並使前述轉動部旋轉來進行發電的第2模式，前述第1模式中，在前述艙體的方位角度與風向角度之間的角度差為既定值α以上的情況，使用前述舵致動器的輸出使舵旋轉而讓前述角度差變小，在前述角度差為既定值β以下的情況，停止前述舵致動器的驅動，前述角度差為既定值β以下的情況在前述艙體與前述塔架之間由前述制動鉗所產生的制動力T_m1，係比前述第2模式之前述艙體與前述塔架之間之前述制動鉗所設定的制動力T_m2還小。
3. 如請求項1或2所述之風力發電設備，其中，前述第1模式中，在前述舵致動器之驅動停止之際的前述制動力T_m1，係比前述舵致動器驅動之際的制動力T_m1act還大。
4. 如請求項1或2所述之風力發電設備，其中，前述第1模式中，前述角度差為既定值β以下的情況之前述艙體與前述塔架之間的前述制動力T_m1，係比前述角度差為既定值α以上之情況之前述艙體與前述塔架之間的制動力T_m1α還大。
5. 如請求項1或2所述之風力發電設備，其中，前述第1模式中，前述角度差為既定值β以下之情況的前述制動力T_m1，係前述第2模式之際之前述制動力T_m2的一半以下。
6. 如請求項1或2所述之風力發電設備，其中，隨著風速變大，使前述第1模式之際的前述制動力T_m1變大。
7. 如請求項1或2所述之風力發電設備，其中，前述既定值α及前述既定值β為25°以下。