WO2010109529A1 - アップウインド型風車 - Google Patents

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WO2010109529A1
WO2010109529A1 PCT/JP2009/001360 JP2009001360W WO2010109529A1 WO 2010109529 A1 WO2010109529 A1 WO 2010109529A1 JP 2009001360 W JP2009001360 W JP 2009001360W WO 2010109529 A1 WO2010109529 A1 WO 2010109529A1
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WO
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angle
blade
attack
wind turbine
blades
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PCT/JP2009/001360
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English (en)
French (fr)
Inventor
森本正史
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0236—Adjusting aerodynamic properties of the blades by changing the active surface of the wind engaging parts, e.g. reefing or furling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/76—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades the adjusting mechanism using auxiliary power sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/79—Bearing, support or actuation arrangements therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to an upwind wind turbine that operates to retract a wing to the leeward side in a strong wind.
  • An upwind wind turbine is a type of horizontal axis wind turbine, and its blades are directed to the windward during power generation.
  • the corning angle is approximately 0 degrees and the blades rotate in a substantially vertical plane, so that the load acting on the blades increases during strong winds.
  • Patent Document 1 when the wind speed exceeds a threshold value, the rotation of the blades is stopped and the normal posture in which each blade is located in the operating surface is changed to the retracted posture in which the tip of the blade is tilted to the leeward side.
  • the technology to tilt is proposed.
  • the upwind posture is maintained, and the area of the wing seen from the windward side (projected area) is reduced, so that the load acting on the wing during a strong wind is reduced.
  • Japanese Patent No. 4100520 Japanese Patent No. 4100520
  • Patent Document 1 discloses that the angle of attack is changed to reduce the rotational speed of the blades before the blades are in the retracted posture, but the angle of attack after each blade is in the retracted posture is considered. Not done. For this reason, loads such as lift and drag acting on the wing may not be minimized.
  • the up-wind type windmill has the purpose of preventing the tip of the wing deflected by the action of wind pressure from interfering with the strut when each wing rotates at a cornering angle of approximately 0 degrees.
  • the rotation axis of the wing tilts up as it goes from the prop side to the wing side.
  • the upwind type windmill may be installed near the top of the mountain in order to easily receive the wind. In that case, the wind blown up along the slope of the mountain reaches the windmill.
  • the tilt angle of the rotation axis of the blade and the vertical component of the wind direction can be parameters related to the angle of attack after each blade is in the retracted posture.
  • Patent Document 1 does not consider such a situation.
  • an object of the present invention is to further reduce the load acting on the upwind wind turbine.
  • an upwind wind turbine includes a plurality of blades rotatable around a substantially horizontal rotation axis, a pitch angle changing mechanism for changing the pitch angle of each blade,
  • An up window comprising: a tilting mechanism that changes a corning angle of the wing; and a control device that stops the rotation of each wing and drives the tilting mechanism to tilt the wing toward the leeward side to a retracted posture.
  • the control device drives the pitch angle changing mechanism so that the angle of attack of each blade in the retracted posture becomes an optimum angle of attack for minimizing a load acting on the blade. Then, the control for adjusting the pitch angle of each blade is executed.
  • the pitch angles of the plurality of blades are individually changed by the pitch angle changing mechanism.
  • the optimum angle of attack is preferably set according to the tilt angle of the rotation axis, and may be set according to the wind blowing angle. Further, the optimum angle of attack is preferably set according to the azimuth angle of each blade stopped to be in the retracted position, and according to the coning angle of each blade when the retracted position is reached. Are preferably set.
  • the optimum angle of attack may be set so that the lift and drag acting on each wing are substantially zero.
  • the optimum angle of attack may be set such that the resultant force of the lift acting on each wing and the lift direction component of gravity of each wing and the drag acting on each wing are substantially zero.
  • the optimum angle of attack can be set within a range of ⁇ 16 degrees to +16 degrees.
  • FIG. 1 is a front view of an upwind wind turbine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the windmill shown in FIG.
  • FIG. 3 is a front view showing the internal structure of the hub shown in FIG.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of FIG.
  • FIG. 5 is a hydraulic circuit diagram showing the configuration of the drive unit shown in FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the wind turbine control system shown in FIG.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the angle of attack.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram of the angle of attack of the blade immediately after the pitch angle of the blade is changed to approximately 90 degrees in the process of the wind turbine shifting from the power generation state to the retracted posture.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of an example of installation of the windmill shown in FIG. 1, (a) is an explanatory diagram when the windmill is installed along the sea, and (b) is an explanatory diagram when the windmill is installed near the summit. .
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the angle of attack, the lift coefficient, and the drag coefficient.
  • the windmill 1 shown in FIG.1 and FIG.2 has the support
  • a rotor 4 that can rotate based on wind power is provided at the end of the nacelle 3, and the windmill 1 is configured to generate power based on the rotational driving force of the rotor 4.
  • This windmill 1 is a so-called upwind type horizontal axis windmill in which the rotor 4 is directed to the windward by the yaw turning of the nacelle 3 in a power generation state by wind power.
  • the windward side where the rotor 4 is positioned with respect to the support column 2 may be described as “front side” and the opposite side as “rear side”.
  • the rotor 4 includes a hub 5 attached to the front end of the nacelle 3, and three blades 6 (6a, 6b, 6c) extending radially from the hub 5.
  • the hub 5 is rotatable around a substantially horizontal rotation axis 7.
  • the blades 6 a, 6 b, 6 c are arranged 120 degrees apart from each other around the rotation axis 7 and rotate integrally with the hub 5.
  • the pitch angle and the coning angle of the blade 6 are variable.
  • the “pitch angle” is a rotation angle around the chord line 8 of the wing 6, and the “corning angle” is an angle formed by a line perpendicular to the rotation axis 7 and the chord line 8 of the wing 6.
  • the angle formed by the axis 7 and the chord line 8 is a value obtained by subtracting from 90 degrees.
  • the wind turbine 1 In the power generation state, the wind turbine 1 is in a normal posture in which the cornering angle is adjusted to approximately 0 degrees, and the blades 6a, 6b, 6c directed to the windward side are disposed on a substantially orthogonal plane of the rotation axis 7 (FIG. 2). (See solid line). Further, the pitch angle is adjusted so that the angle of attack of each blade 6a, 6b, 6c becomes a predetermined value. Thereby, each wing
  • the rotation axis 7 is tilted up with respect to the horizontal line 9 as it goes forward. For this reason, the distance from the wing 6 having the azimuth angle of 180 degrees to the support column 2 is larger than in the case where the rotation axis is horizontally oriented. Therefore, the blade 6 does not interfere with the support 2 even if it is bent to the leeward side by the action of the wind pressure.
  • the “azimuth angle” is the angle of the blade in the plane orthogonal to the rotation axis 7.
  • the azimuth angle of the blade 6a shown in FIG. 1 is 0 degree (360 degrees)
  • the azimuth angle of the blade 6b is 120 degrees
  • the azimuth angle of the blade 6c is 240 degrees.
  • the hollow box-shaped nacelle 3 includes a yaw turning device for yawing the nacelle 3 with respect to the support column 2 and a yaw braking device for braking the yaw turning of the nacelle 3. Is provided.
  • the windmill 1 is provided with a tilting device 10.
  • the tilting device 10 includes a tilting mechanism 11 that connects the blade 6 to the hub 5 so as to be tiltable, and a drive unit 12 (see FIGS. 4 and 5) that drives the tilting mechanism 11.
  • the tilting mechanism 11 has three sets of brackets 13 projecting radially from the rotation axis 7 side in the outer peripheral direction. Each bracket 13 is fixed to a cylindrical base 14 attached to the main shaft 38. A joint 15 connected to the base end portion of the wing 6 is pivotally supported by each set of brackets 13. With this configuration, the blade 6 can swing with respect to the hub 5 around the pivot axis of the bracket 13 and the joint 15.
  • the drive unit 12 has a hydraulic cylinder 16.
  • the cylinder 16 is a double rod type return cylinder, and includes a head 17 and first and second rods 18 and 19.
  • the first rod 18 is fixed to the base 14 and pivotally supported by a bracket 20 disposed in the inner circumferential space.
  • the joint 15 is provided with a lever 21 extending toward the base 14 side.
  • the base end portion of the lever 21 is fixed to the joint 15, and the joint 15 is pivotally supported by the bracket 13.
  • the tip of the lever 21 is divided into two forks.
  • the tip of the lever 21 is located in the hub 5 and is pivotally supported by the head 17 of the cylinder 16.
  • the axis of the cylinder 16 is slightly tilted up with respect to the rotation axis 7 as it moves forward. ing.
  • the head 17 is located at the rear end of the movable range, and the tip end of the lever 21 is located on the rear side.
  • the connection between the swing fulcrum of the lever 21 with respect to the head 17 and the swing fulcrum of the joint 15 with respect to the bracket 13 is substantially perpendicular to the axis of the cylinder 16.
  • the coning angle of the blade 6 becomes approximately 0 degrees.
  • FIG. 5 shows the overall configuration of the drive unit 16.
  • the cylinders 16 (16a, 16b, 16c) are individually provided on the blades 6a, 6b, 6c.
  • Each cylinder 16a, 16b, 16c has two oil chambers 22 (22a, 22b, 22c), 23 (23a, 23b, 23c) across the piston, and the hydraulic pressure in the first oil chamber 22 is the second.
  • the piston When the operating oil pressure in the oil chamber 23 is exceeded, the piston operates to reduce the second oil chamber 23, and the first rod 18 (18a, 18b, 18c) extends to the second rod 19 (19a, 19b, 19c).
  • Contracts are individually provided on the blades 6a, 6b, 6c.
  • Each cylinder 16a, 16b, 16c has two oil chambers 22 (22a, 22b, 22c), 23 (23a, 23b, 23c) across the piston, and the hydraulic pressure in the first oil chamber 22 is the second.
  • the piston When the operating oil pressure in the oil chamber 23 is exceeded,
  • the first oil chambers 22a, 22b, 22c of the pistons 16a, 16b, 16c communicate with the second oil chambers 23a, 23b, 23c of the other pistons 16a, 16b, 16c via the oil passages 24a, 24b, 24c. ing.
  • On-off valves 25a, 25b, and 25c are interposed on the oil passages 24a, 24b, and 24c.
  • the on-off valves 25a, 25b, and 25c are normally open types.
  • a 4-port 3-position type directional switching valve 28 is connected in parallel to one of the three oil passages 24a, 24b, 24c (the oil passage 24b in the illustrated example) via the oil passages 26, 27.
  • the oil passage 26 communicates with the oil passage 24b in a portion between the on-off valve 25b and the first oil chamber 22a of the cylinder 16a, and is connected to the A port of the direction switching valve 28.
  • the oil passage 27 communicates with the oil passage 24b in a portion between the on-off valve 25b and the second oil chamber 23b of the cylinder 16b, and is connected to the B port of the direction switching valve 28.
  • the T port and P port of the direction switching valve 28 are connected to a pump 30 driven by an electric motor 29.
  • the direction switching valve 28 is a closed center type, and includes a blocking position where all ports are blocked, a first offset position where the P and A ports are connected and the T and B ports are connected, and a connection between the P and B ports and the T and B It switches between the second offset positions where the A port communicates.
  • the direction switching valve 28 is configured such that its position becomes the cutoff position when not energized.
  • reference numerals 31a, 31b, and 31c are variable throttles interposed on the oil passages 24a, 24b, and 24c.
  • the wind turbine 1 is provided with a pitch angle changing device 33.
  • the device 33 includes a pitch angle changing mechanism 34 that rotatably connects the blade 6 to the joint 15 around the chord line 8, and a motor 35 provided around the mechanism 34. When the motor 35 is driven, the rotational driving force is transmitted to the pitch angle changing mechanism 34, and the blade 6 rotates to change the pitch angle.
  • the pitch angle changing device 33 is provided for each blade 6 individually, and the pitch angles of the blades 6a, 6b, 6c can be changed independently of each other.
  • a generator 36 that generates electric power based on the rotation of the rotor 4 and a transmission mechanism 37 that transmits the rotation of the rotor to the generator are provided.
  • the illustrated power transmission mechanism 37 includes a main shaft 38 connected to the rear ends of the hub 5 and the base 14, a transmission 39 that changes the rotation of the main shaft 38 and transmits the rotation to the output shaft 40, and the output shaft 40 as a generator.
  • a shaft coupling 41 connected to 36 input shafts 42 is provided.
  • a rotor braking device 43 that brakes the rotation is provided on the output shaft 40, and the rotation of the rotor 4 can be stopped by the operation of the rotor braking device 43.
  • a rotary joint 45 for connecting a pipe connected to the cylinder 16 is provided at the rear end of the box 44 that accommodates the transmission 39.
  • the rear end of the rotary joint 45 has an annular shape with gear tooth-like irregularities.
  • a detected portion (not shown) is formed.
  • an electromagnetic pickup 46 for detecting the rotational phase (that is, the azimuth angle) of the rotor 4 is provided at a position facing the detected portion from behind.
  • An anemometer 47 for detecting the wind speed and an anemometer 48 for detecting the wind direction are provided on the outer surface of the rear end portion of the nacelle 3.
  • the windmill 1 is provided with a control device 50 that comprehensively controls its behavior.
  • the control device 50 includes a CPU 51, a memory 52, and an input / output interface 53, and operates by receiving power supply from the power system, the generator 36, or the battery 54.
  • An electromagnetic pickup 46, anemometer 47, and anemometer 48 are connected to the control device 50 via an input / output interface 53.
  • the control device 50 is connected to an actuator 56 of a yaw turning device, an actuator 57 of a yaw braking device, a motor 35 of a pitch angle changing device 33, an actuator 58 of a rotor braking device 43, a pump 30 (see FIG.
  • the CPU 51 executes a control program stored in advance in the memory 52 and controls the behavior of the windmill 1 according to the wind speed.
  • a control program stored in advance in the memory 52 and controls the behavior of the windmill 1 according to the wind speed.
  • the control device 50 determines whether or not the wind speed detected by the anemometer 47 is equal to or higher than a predetermined wind speed stored in the memory 52 in advance.
  • the predetermined wind speed is set to, for example, a cutout wind speed or a wind speed slightly higher than the cutout wind speed.
  • the windmill 1 When the wind speed is less than the predetermined wind speed, the windmill 1 is set to the normal posture. That is, the position of the direction switching valve 28 is set to the first offset position, the on-off valve 25b is closed, the on-off valves 25a, 25c are opened, and the first rod 18 of each cylinder 16 is contracted. Thereafter, the position of the direction switching valve 28 is switched from the second offset position to the cutoff position so that this state is maintained, and the on-off valve 25 is closed. As a result, the coning angle of each blade 6 of the wind turbine 1 becomes approximately 0 degrees.
  • the tilting mechanism 11 may be used in combination with a locking device (not shown) such as a pin provided in the tilting device 10 or a fixing device (not shown) such as a brake in order to ensure the maintenance of the cornering angle. .
  • a locking device such as a pin provided in the tilting device 10
  • a fixing device such as a brake
  • the motor 56 of the yaw turning device is driven based on the wind direction detected by the anemometer 48 and the actuator 57 of the yaw braking device is stopped, so that the nacelle 3 is turned yaw so that the rotor 4 faces the windward side.
  • the rotor 4 rotates based on the wind blown to the windmill 1, and the generator 36 generates power based on the rotational driving force of the rotor 4.
  • the windmill 1 When the wind speed is equal to or higher than the predetermined wind speed, the windmill 1 is stopped and put into a retracted posture. That is, first, each motor 35 of the pitch changing device 33 is operated, and the pitch angle of each blade 6 is changed so as to increase the air resistance in the rotational direction acting on the blade 6. Thereby, the rotational speed of the rotor 4 falls. After a predetermined time has elapsed, or when the rotational speed of the rotor 4 becomes equal to or lower than the predetermined speed, the rotor braking device 43 is operated with reference to an input signal from the electromagnetic pickup 46, and each blade 6 is moved to a predetermined rotational angular position (ie, Stop at the azimuth angle.
  • a predetermined rotational angular position ie, Stop at the azimuth angle.
  • This rotational angle position is a position where each blade 6 can tilt to the leeward side without interfering with the support 2, that is, a position where the blade 6 does not overlap the support 2 when viewed in the direction of the rotation axis 7 of the rotor 4.
  • the state shown in FIG. 1 can be given as an example.
  • the position of the direction switching valve 28 is held at the shut-off position, and the on-off valve 25 is opened.
  • the valves 25 and 28 are in such a state, the first oil chambers 22a, 22b and 22c of the cylinders 16a, 16b and 16c are connected to the other cylinders 16a, 16b and 16c via the oil passages 24a, 24b and 24c.
  • the second oil chambers 23a, 23b, and 23c communicate with each other, and the oil passage 24b is disconnected from the pump 30. For this reason, the hydraulic oil in the second oil chambers 23a, 23b, 23c flows to the first oil chambers 22a, 22b, 22c based on the load acting on the blade 6 and the dead weight of the blade 6.
  • the first rods 18a, 18b, and 18c extend, the second rods 19a, 19b, and 19c contract, and the wings 6a, 6b, and 6c tilt backward.
  • the amount of oil flowing through the oil passages 24a, 24b, 24c is limited by the variable throttles 31a, 31b, 31c, the operating speed of each cylinder 16a, 16b, 16c is limited.
  • the backward tilting speed of the blade 6 can be limited to a low speed.
  • the rotor braking device 43 continues to operate even when the vehicle is tilted backward, preventing a situation where the rotational position of the rotor 4 is changed and the blades 6 interfere with the support 2.
  • a locking device such as a rotor lock pin may be used in combination.
  • the resultant force center G (see FIG. 2) of the load acting on the blade 6 is Located on the leeward side of the axis. For this reason, even in the power failure state, the nacelle 3 automatically turns based on the load acting on the blade 6 so that the rotor 4 faces the windward side. In such a state, even if a power failure occurs and the motor 56 of the yaw turning device becomes inactive, by setting the actuator 57 of the yaw braking device to inactive or loosening, The nacelle 3 automatically turns smoothly and the upwind posture of the rotor 4 is maintained.
  • each blade 6 when the position of the direction switching valve 28 becomes the shut-off position and the on-off valve 25 is opened, each blade 6 can be tilted backward to be in a retracted posture.
  • the on-off valve 25 is a normally open type, and the position of the direction switching valve 28 is a cutoff position when not energized.
  • the power source for tilting each blade 6 backward is the wind force and the weight of the blade. For this reason, even if it is a power failure state, each wing
  • the tilting mechanism 11 has a locking device (not shown) such as a pin provided in the tilting device 10 and a fixing device (not shown) such as a brake provided in the tilting device 10 in order to ensure the maintenance of the cornering angle during the retracted posture. May be used in combination.
  • the control device 50 receives power supply from the battery 54, drives the motor 35 of the pitch angle changing device 33, and changes the pitch angles of the blades 6a, 6b, 6c, respectively.
  • the pitch angles of the blades 6 a, 6 b, 6 c are changed to reduce the rotational speed of the rotor 4. Since the coning angle is subsequently changed, the angle of attack of each of the blades 6a, 6b, 6c taking the retracted position changes according to the change of the coning angle. Therefore, the control device 50 changes the pitch angle so as to absorb the change in the angle of attack, and executes control to reduce the load acting on each blade 6 as much as possible.
  • this control will be described in detail.
  • FIG. 7A shows the blade 6 immediately after the pitch angle of the blade 6 is changed so as to increase the air resistance in the rotational direction acting on the blade 6 in the process of the wind turbine 1 shifting from the power generation state to the retracted posture. It is explanatory drawing of the angle of attack.
  • the pitch angle set to increase the air resistance is ⁇
  • ⁇ is adjusted to approximately 90 degrees, but at this pitch angle, the chord direction of the blade 6 is parallel to the rotation axis 7 and this In this state, the rotational speed of the rotor 4 decreases.
  • this state is shown by taking as an example a case where the azimuth angle of the blade 6 is 90 degrees during the rotation of the rotor 4, that is, the blade 6 approaches a horizontal state. Yes.
  • the rotation axis 7 is tilted up by a predetermined tilt angle ⁇ (for example, 4 degrees) with respect to the horizontal line 9 toward the windward side.
  • ⁇ for example, 4 degrees
  • the wind itself blown to the windmill 1 may be tilted up by a certain blowing angle ⁇ with respect to the horizon 9 as it goes toward the leeward side.
  • FIG. 8 illustrates the installation location of the windmill 1.
  • FIG. 8A when the windmill 1 is installed along the sea, wind power generation can be performed efficiently because at least the sea side does not block the wind. Since the wind from the sea side is generally directed horizontally, the wind-up angle ⁇ when the windmill 1 is installed along the sea is approximately 0 degrees.
  • FIG. 8B even if the windmill 1 is installed near the top of the mountain, there is nothing to block the wind around it, so wind power generation can be performed efficiently. However, since the wind flowing along the slope of the mountain reaches the windmill 1, the wind-up angle ⁇ when the windmill 1 is installed in the vicinity of the summit is a value corresponding to the inclination angle of the mountain slope.
  • FIG.7 (b) is explanatory drawing of the angle of attack of the blade
  • the pitch angle of the blade 6 shown in FIG. 7B is about 90 degrees, which is the same ⁇ as in FIG. 7A.
  • the azimuth angle is a position where the blade 6 does not interfere with the support 2.
  • the azimuth angle at the stop position of the blade 6b is 120 degrees, and the angle of attack ⁇ 2 of the blade 6b in this state is as shown in FIG.
  • the angle of attack ⁇ 1 in the state shown in FIG. 4 is a value changed according to the change of the azimuth angle from 90 degrees to 120 degrees.
  • each blade 6a, 6b, 6c is approximately 90 degrees, but the azimuth angle differs depending on each blade 6a, 6b, 6c, the blade 6a is 0 degree, and the blade 6b is 120 degrees.
  • the wing 6c is 240 degrees.
  • f ( ⁇ a ), f ( ⁇ b ), and f ( ⁇ c ) are trigonometric functions.
  • FIG.7 (c) is explanatory drawing of the angle of attack of the blade
  • the Corning angle is changed by a predetermined angular displacement with respect to the state shown in FIG. 7B. Therefore, the angle of attack ⁇ 3 of the blade 6 in this state is a value obtained by changing the angle of attack ⁇ 2 in the state shown in FIG. 7B according to the amount of angular displacement of the Corning angle.
  • the angular displacement amount of the coning angle is equal between the blades 6a, 6b, and 6c.
  • the angle of attack ⁇ 3 of each blade 6 taking the retracted posture is the tilt angle ⁇ of the rotation axis 7, the wind blowing angle ⁇ , the pitch angle ⁇ when the rotor is stopped, and the azimuth angle ⁇ a , ⁇ when the rotor is stopped.
  • b and ⁇ c are determined depending on the angular displacement amount ⁇ of the Corning angle when the normal posture is changed to the retracted posture. If the pitch angle is not set in consideration of all these angle data, the value of the angle of attack ⁇ 3 may be excessive or excessive, and the lift force and drag force acting on the blade 6 may be increased.
  • control device 50 optimizes the lift L and the drag D acting on each blade 6 based on the above-described angle data, and can optimize the overall load acting on the blade 6 as much as possible. Control is performed to change the pitch angle of each blade 6 in the retracted posture so that the angle of attack ⁇ 4 is obtained.
  • the tilt angle of the rotation axis 7 is a design parameter of the wind turbine 1.
  • the wind blowing angle is information that can be known in advance according to the installation environment of the windmill 1.
  • the pitch angle and azimuth angle at the time of the rotor stop and the angular displacement amount of the coning angle are values instructed in the control program executed by the control device 50. That is, the angle of attack ⁇ 3 of each blade 6 at the time of the retracted posture is a value that can be derived in advance at the design stage.
  • FIG. 9 shows an example of the relationship between the angle of attack, the lift coefficient, and the drag coefficient.
  • the lift and drag acting on the wing 6 are proportional to the lift coefficient and drag coefficient, respectively.
  • the lift coefficient is 0 at an angle between -2 degrees and 0 degrees.
  • the lift coefficient simply increases and takes a positive value.
  • the lift coefficient simply decreases. Takes a negative value.
  • the lift coefficient is substantially 0 when the angle of attack is ⁇ 180 degrees, ⁇ 90 degrees, and 90 degrees.
  • the drag coefficient is approximately 0 when the angle of attack is ⁇ 180 degrees and 0 degrees, but takes a maximum value when the angle of attack is ⁇ 90 degrees.
  • the drag coefficient indicates a value in the minus square order of 10.
  • the drag coefficient is minus 3 of 10. Indicates a substantially constant value of the power order. That is, when the angle of attack is in the former angle range, more preferably in the latter angle range, the drag acting on the blade 6 can be reduced as much as possible.
  • the pitch angle adjustment amount ⁇ is also different for each of the blades 6a, 6b, and 6c. Since the pitch angle changing device 33 according to the present embodiment can individually change the pitch angles of the blades 6a, 6b, and 6c, it is possible to cope with the difference in the adjustment amount for each blade. Each angle can be adjusted to an optimum angle of attack.
  • the upwind wind turbine 1 when the wind speed exceeds a predetermined wind speed, the blade 6 is tilted to the retracted posture, and the pitch angle is reduced so that the load acting on the blade 6 is reduced in this posture. Is adjusted. As a result, the load acting on the blade 6 during a strong wind can be significantly reduced. Therefore, the wind pressure resistance of the windmill 1 is improved, and damage to the windmill 1 can be prevented. Further, when the wind load acting on the blade 6 is reduced in this way, the design conditions of the wind turbine are relaxed, and it is not necessary to set the rigidity and strength of the foundation of the blade 6, the support 2, and the support 2 more severely than in the past. The manufacturing cost of the windmill 1 can be reduced.
  • FIG. 7D shows a case where the gravity W of the blade 6 is taken into consideration in setting the optimum angle of attack ⁇ 4 ′. That is, the optimum angle of attack ⁇ 4 ′ is set to an angle such that the resultant force of the lift direction component of the gravity W and the lift acting on the blade 6 is substantially zero and the drag acting on the blade 6 is substantially zero. May be.
  • the lift coefficient is derived according to the angle of attack according to the pitch angle at that time, and the lift L is derived from the lift coefficient.
  • the optimum angle of attack described above is set so that the lift is approximately 0.
  • the optimum angle of attack in this modified example is set so that the lift L cancels the lift direction component W ′ of the gravity W. Is set.
  • the angle of attack when the angle of attack is in the range of ⁇ 16 degrees to +16, the drag coefficient indicates a value in the minus square order of 10.
  • the drag coefficient is Indicates a substantially constant value in the order of 10 minus cube. Therefore, in order to set the optimum angle of attack in consideration of gravity, when changing the angle of attack, the angle of attack ranges from ⁇ 16 degrees to +16 degrees, more preferably from ⁇ 6 degrees so that the drag does not become excessive. It is preferable that the angle range is set to +8 degrees.
  • the adjustment amount ⁇ of the pitch angle is a value that can be determined in advance at the design stage of the wind turbine 1 whether or not it takes gravity into consideration. For this reason, in the above description, the case where the control device 50 performs the control that is obtained each time the adjustment amount ⁇ is stopped is illustrated. However, the adjustment amount ⁇ is stored in the memory 52 of the control device 50 in advance. I can keep it. In this case, the control device 50 is configured to execute control for adjusting the pitch angle based on the information of the adjustment amount ⁇ stored in advance.
  • the configuration in which the base end portion of the blade 6 is tiltably coupled to the hub is illustrated.
  • the blade 6 includes a fixed-side base end portion and a movable-side tip portion,
  • the wing 6 may be bent halfway by connecting to the base end portion so as to be tiltable.
  • the upwind wind turbine according to the present invention has the effect of reducing the load acting on the wing when the posture is changed, and is useful when applied to an upwind wind turbine used for wind power generation.

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Abstract

　本発明は、略水平の回転軸線周りに回転可能な複数の翼と、前記各翼のピッチ角を変更するピッチ角変更機構と、前記各翼のコーニング角を変更する傾動機構と、前記各翼の回転を停止させると共に、前記傾動機構を駆動して前記各翼を風下側へ傾動させた退避姿勢にする制御装置とを備えるアップウインド型風車であって、前記制御装置は、前記退避姿勢時の前記各翼の迎角が該翼に作用する荷重を最小にするための最適迎角となるよう、前記ピッチ角変更機構を駆動して前記各翼のピッチ角を調整する制御を実行することを特徴としている。

Description

アップウインド型風車
　本発明は、強風時に翼を風下側に退避させるよう動作するアップウインド型風車に関する。
　従来、アップウインド型風車を用いた風力発電が行われている。アップウインド型風車は水平軸風車の一種であり、発電時には翼が風上に向けられる。一般のアップウインド型風車では、コーニング角が略０度となって翼が略鉛直面内を回転するため、強風時には翼に作用する荷重が増大する。
　そこで、例えば特許文献１には、風速が閾値を超えると、翼の回転を停止させると共に、各翼が作動面内に位置する通常姿勢から、翼の先端を風下側へ傾動させた退避姿勢へと傾動させる技術が提案されている。これによりアップウインド姿勢を保持し、また風上側から見た翼の見付き面積（投影面積）が縮小し、強風時に翼に作用する荷重が小さくなる。
特許第４１００５２０号公報
　しかし、特許文献１では、翼を退避姿勢とする前に迎角を変更して翼の回転速度を減じさせる点が開示されているが、各翼を退避姿勢とした後の迎角について考慮がなされていない。このため、翼に作用する揚力及び抗力等の荷重が最小化されない可能性がある。
　更には、アップウインド型風車は、略０度のコーニング角で各翼が回転している際に風圧力の作用で撓んだ翼の先端部が支柱と干渉するのを防ぐことを目的として、翼の回転軸線が支柱側から翼側に向かうに連れてティルトアップしている場合がある。また、アップウインド型風車は、風を受け易くするため山頂付近に設置されることがあり、その場合には山の斜面に沿って吹き上がった風が風車に到達する。翼の回転軸線のティルト角や、風向の鉛直成分は、各翼を退避姿勢とした後の迎角に関連するパラメータとなり得るが、特許文献１ではこのような事情についても考慮がなされていない。
　そこで本発明は、アップウインド型風車に作用する荷重を更に低減することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明に係るアップウインド型風車は、略水平の回転軸線周りに回転可能な複数の翼と、前記各翼のピッチ角を変更するピッチ角変更機構と、前記各翼のコーニング角を変更する傾動機構と、前記各翼の回転を停止させると共に、前記傾動機構を駆動して前記各翼を風下側へ傾動させた退避姿勢にする制御装置と、を備えるアップウインド型風車であって、前記制御装置は、前記退避姿勢時の前記各翼の迎角が該翼に作用する荷重を最小にするための最適迎角となるよう、前記ピッチ角変更機構を駆動して前記各翼のピッチ角を調整する制御を実行することを特徴としている。
　このような構成とすることにより、退避姿勢となって通常姿勢からコーニング角が変更されても、このコーニング角の変更に応じた迎角の変化を吸収して各翼の迎角を最適な値に設定することができ、退避姿勢にある翼に作用する荷重を低減することができる。
　前記ピッチ角変更機構により、前記複数の翼のピッチ角が個別に変更されることが好ましい。
　前記最適迎角は、前記回転軸線のティルト角に応じて設定されることが好ましく、風の吹上角に応じて設定されてもよい。また、前記最適迎角は、前記退避姿勢にすべく回転停止された前記各翼のアジムス角に応じて設定されることが好ましく、前記退避姿勢となったときの前記各翼のコーニング角に応じて設定されることが好ましい。
　前記最適迎角は、前記各翼に作用する揚力及び抗力が略０となるよう設定されてもよい。また、前記最適迎角は、前記各翼に作用する揚力と前記各翼の重力の揚力方向成分の合力、及び前記各翼に作用する抗力が略０となるよう設定されてもよい。
　前記最適迎角は－１６度から＋１６度の範囲内で設定され得る。
　本発明によれば、アップウインド型風車に作用する荷重を更に低減することができる。本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
図１は本発明の実施形態に係るアップウインド型の風車の正面図である。 図２は図１に示す風車の側面図である。 図３は図１に示すハブの内部構造を示す正面図である。 図４は図２の部分断面図である。 図５は図４に示す駆動ユニットの構成を示す油圧回路図である。 図６は図１に示す風車の制御系の構成を示すブロック図である。 図７は迎角の説明図であり、（ａ）は風車が発電状態から退避姿勢に移行する過程で翼のピッチ角を略９０度に変更した直後の翼の迎角の説明図、（ｂ）はロータ停止時点での翼の迎角の説明図、（ｃ）及び（ｄ）は退避姿勢をとる翼の迎角の説明図である。 図８は図１に示す風車の設置例の説明図であり、（ａ）が海沿いに風車を設置した場合の説明図、（ｂ）が山頂付近に風車を設置した場合の説明図である。 図９は迎角と揚力係数及び抗力係数との関係を示すグラフである。
符号の説明
１　風車
４　ロータ
６　翼
７　回転軸線
１０　傾動装置
１１　傾動機構
１２　駆動ユニット
３３　ピッチ角変更装置
３４　ピッチ角変更機構
３５　モータ
５０　制御装置
　以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１及び図２に示す風車１は鉛直に延びる支柱２を有し、支柱２の上端部には水平旋回（ヨー旋回）可能にナセル３が設けられている。ナセル３の端部には風力に基づいて回転し得るロータ４が設けられ、風車１はロータ４の回転駆動力に基づいて発電するよう構成されている。この風車１は、風力による発電状態においてナセル３のヨー旋回によりロータ４を風上に向ける所謂アップウインド型の水平軸風車である。以下では、支柱２に対してロータ４が位置する風上側を「前側」、その反対側を「後側」として説明する場合もある。
　ロータ４は、ナセル３の前端部に取り付けられたハブ５と、ハブ５から放射状に延びる３枚の翼６（６ａ，６ｂ，６ｃ）とを備える。ハブ５は略水平の回転軸線７周りに回動可能である。各翼６ａ，６ｂ，６ｃは、この回転軸線７周りに互いに１２０度ずつ離れて配置され、ハブ５と一体回転する。翼６のピッチ角及びコーニング角は可変である。なお「ピッチ角」は、翼６の翼弦線８周りの回転角度であり、「コーニング角」は、回転軸線７に直交する線と翼６の翼弦線８とが成す角であり、回転軸線７と翼弦線８とが成す角を９０度から減じた値となる。
　発電状態では、風車１はコーニング角が略０度に調整された通常姿勢となり、風上側に向けられた各翼６ａ，６ｂ，６ｃが回転軸線７の略直交平面上に配置される（図２実線参照）。また、各翼６ａ，６ｂ，６ｃの迎角が所定値となるようピッチ角が調整される。これにより、各翼６ａ，６ｂ，６ｃは、迎角に応じて作用する揚力に基づいて回転軸線７周りに回転し、発電が行われる。他方、強風時には風車１に作用する荷重を低減するため、ロータ４の回転を停止してコーニング角を大きくする（図２鎖線参照）。これにより各翼６ａ，６ｂ，６ｃが風下側へ傾動して風車１が退避姿勢となる。この発電状態から退避姿勢へと移行する際の風車１の挙動、及び退避姿勢での風車１の挙動については、後述する。
　回転軸線７は、前方に向かうに連れて水平線９に対してティルトアップしている。そのため回転軸線が水平に向く場合と比べ、アジムス角が１８０度の翼６から支柱２までの距離が大きくなる。従って、翼６は、風圧力の作用で風下側へ撓んでも支柱２と干渉しない。ここで「アジムス角」は、回転軸線７の直交平面内における翼の角度である。本書では、図１に示す翼６ａのアジムス角が０度（３６０度）、翼６ｂのアジムス角が１２０度、翼６ｃのアジムス角が２４０度としている。
　次に、風車１の挙動に関連する各装置の構成について順に説明する。構造の詳細を図示しないが、中空箱状のナセル３には、支柱２に対してナセル３をヨー旋回させるためのヨー旋回装置と、ナセル３のヨー旋回を制動するためのヨー制動装置とが設けられている。
　図３及び図４に示すように、風車１には傾動装置１０が設けられている。傾動装置１０は、ハブ５に対して翼６を傾動可能に連結する傾動機構１１と、傾動機構１１を駆動する駆動ユニット１２（図４，図５参照）とを備えている。
　傾動機構１１は、回転軸線７側から外周方向に放射状に突出した３組のブラケット１３を有する。各ブラケット１３は、主軸３８に取り付けられた円筒状のベース１４に固定されている。各組のブラケット１３には、翼６の基端部に連結されたジョイント１５が枢支されている。この構成により、翼６はブラケット１３とジョイント１５との枢軸を中心にして、ハブ５に対して揺動可能となる。
　駆動ユニット１２は油圧式のシリンダ１６を有している。このシリンダ１６は両ロッド型の復動シリンダであり、ヘッド１７と、第１及び第２ロッド１８，１９とを有している。第１ロッド１８はベース１４に固定されてその内周側空間内に配置されたブラケット２０に枢支されている。ここで、ジョイント１５には、ベース１４側に向けて延びるレバー２１が設けられている。レバー２１の基端部はジョイント１５に固定され、このジョイント１５がブラケット１３に枢支されている。レバー２１の先端部は二股に分かれている。このレバー２１の先端部はハブ５内に位置し、シリンダ１６のヘッド１７に枢支されている。
　この構成によると、第１ロッド１８のストロークが最小となり第２ロッド１９のストロークが最大となっていると、シリンダ１６の軸線が前方に向かうに連れて回転軸線７に対して僅かにティルトアップしている。そして、ヘッド１７が可動範囲の後端に位置し、レバー２１の先端部が後側に位置する。これにより、レバー２１のヘッド１７に対する揺動支点と、ジョイント１５のブラケット１３に対する揺動支点との間の結線がシリンダ１６の軸線に対して略直交する。これにより翼６のコーニング角が略０度となる。
　第１ロッド１８が伸長して第２ロッド１９が収縮すると、シリンダ１６の軸線の回転軸線７に対するティルト角が上記場合よりも大きくなる。そして、ヘッド１７及びレバー２１の先端部は前方へと移動する。これにより、上記２つの揺動支点間の前後方向成分の距離が拡大し、これら揺動支点間の結線の傾きはシリンダ１６の軸線に近づくように変化する。つまり、ジョイント１５はブラケット１３との枢軸を中心にして図４の時計回りに揺動する。従って、翼６のコーニング角が増加して翼６は後方へと傾倒していく。
　図５は駆動ユニット１６の全体構成を示している。上記のシリンダ１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）は翼６ａ，６ｂ，６ｃに個別に設けられている。各シリンダ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、ピストンを挟んで２つの油室２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ），２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ）を有し、第１油室２２内の作動油圧が第２油室２３内の作動油圧を上回ると、ピストンが第２油室２３を縮小するよう動作し、第１ロッド１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）が伸長して第２ロッド１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）が収縮する。
　各ピストン１６ａ，１６ｂ，１６ｃの第１油室２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、油路２４ａ，２４ｂ，２４ｃを介して別のピストン１６ａ，１６ｂ，１６ｃの第２油室２３ａ，２３ｂ，２３ｃに連通している。各油路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ上には開閉弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃが介在している。この開閉弁２５ａ，２５ｂ，２５ｃはノーマルオープン型である。
　３つの油路２４ａ，２４ｂ，２４ｃのうち一つ（図示例では油路２４ｂ）には、油路２６，２７を介して４ポート３位置型の方向切換弁２８が並列接続されている。油路２６は、開閉弁２５ｂとシリンダ１６ａの第１油室２２ａとの間の部分において油路２４ｂに連通しており、方向切換弁２８のＡポートに接続されている。油路２７は、開閉弁２５ｂとシリンダ１６ｂの第２油室２３ｂとの間の部分において油路２４ｂに連通しており、方向切換弁２８のＢポートに接続されている。方向切換弁２８のＴポート及びＰポートは電動のモータ２９により駆動されるポンプ３０に接続されている。方向切換弁２８はクローズドセンタ型であり、全ポートをブロックする遮断位置、Ｐ及びＡポートを連通させてＴ及びＢポートを連通させる第１オフセット位置、及びＰ及びＢポートを連通させてＴ及びＡポートを連通させる第２オフセット位置の間で切り換わる。方向切換弁２８は、非通電時にその位置が遮断位置となるよう構成されている。
　なお、符号３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、油路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ上に介在する可変絞りである。
　図３及び図４に戻ると、この風車１にはピッチ角変更装置３３が設けられている。該装置３３は、ジョイント１５に対して翼６をその翼弦線８周りに回転可能に連結するピッチ角変更機構３４と、該機構３４の周辺に備え付けられたモータ３５とを備えている。モータ３５が駆動されると、その回転駆動力がピッチ角変更機構３４に伝達され、翼６が回転してピッチ角が変更する。ピッチ角変更装置３３は各翼６に個別に設けられ、各翼６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角は互いに独立して変更され得る。
　図３に示すように、ナセル３内には、ロータ４の回転に基づいて発電する発電機３６と、ロータの回転を発電機に伝達する動伝機構３７とが設けられている。例示する動伝機構３７は、ハブ５及びベース１４の後端部に連設された主軸３８、主軸３８の回転を変速して出力軸４０に伝達する変速機３９、及び出力軸４０を発電機３６の入力軸４２と連結する軸継手４１を備えている。出力軸４０上には、その回転を制動するロータ制動装置４３が設けられており、ロータ制動装置４３の動作によってロータ４の回転を停止させることができる。
　変速機３９を収容するボックス４４の後端には、シリンダ１６に繋がる配管を接続するためのロータリジョイント４５が設けられ、ロータリジョイント４５の後端には、ギヤ歯状の凹凸を有した環状の被検出部（図示せず）が形成されている。ナセル３内には、この被検出部に後方から臨む位置に、ロータ４の回転位相（即ちアジムス角）を検出するための電磁ピックアップ４６が設けられている。また、ナセル３の後端部の外面には、風速を検出するための風速計４７と、風向を検出するための風向計４８とが設けられている。
　図６に示すように、風車１には、その挙動を統括的に制御する制御装置５０が備えられている。制御装置５０は、ＣＰＵ５１、メモリ５２、及び入出力インターフェース５３を有し、電力系統、発電機３６又はバッテリ５４からの電源供給を受けて動作する。制御装置５０には、入出力インターフェース５３を介し、電磁ピックアップ４６、風速計４７、及び風向計４８が接続されている。また、制御装置５０には、入出力インターフェース５３を介し、ヨー旋回装置のアクチュエータ５６、ヨー制動装置のアクチュエータ５７、ピッチ角変更装置３３のモータ３５、ロータ制動装置４３のアクチュエータ５８、ポンプ３０（図５参照）を駆動するモータ２９、開閉弁２５、方向切換弁２８、及び発電機３６が接続されている。ＣＰＵ５１は、メモリ５２に予め記憶された制御プログラムを実行し、風速に応じた風車１の挙動を制御する。以下、この制御内容について説明する。
　制御装置５０は、風速計４７で検出された風速が、メモリ５２に予め記憶された所定風速以上であるか否かを判定する。なお、この所定風速は例えばカットアウト風速、あるいはカットアウト風速より若干高めの風速に設定する。
　風速が所定風速未満である場合には、風車１を通常姿勢にする。即ち、方向切換弁２８の位置を第１オフセット位置とすると共に開閉弁２５ｂを閉に、開閉弁２５ａ，２５ｃを開にし、各シリンダ１６の第１ロッド１８を収縮させる。その後この状態が保持されるよう方向切換弁２８の位置を第２オフセット位置から遮断位置へと切り換えると共に開閉弁２５を閉にする。これにより風車１の各翼６のコーニング角が略０度となる。なお、傾動機構１１はコーニング角の保持を確実にするため、傾動装置１０内に設けたピン等のロック装置（図示せず）やブレーキなどの固定装置（図示せず）を併用してもよい。そして、風向計４８により検出される風向に基づいてヨー旋回装置のモータ５６を駆動するとともにヨー制動装置のアクチュエータ５７を停止し、ロータ４が風上側に向くようにナセル３をヨー旋回させる。これにより、風車１に吹き付ける風に基づいてロータ４が回転し、ロータ４の回転駆動力に基づいて発電機３６が発電する。
　風速が所定風速以上である場合には、風車１を停止し、退避姿勢にする。即ち、まず、ピッチ変更装置３３の各モータ３５を作動させ、翼６に作用する回転方向の空気抵抗を増大させるよう各翼６のピッチ角を変更する。これによりロータ４の回転速度が低下する。所定時間が経過した後、あるいはロータ４の回転速度が所定速度以下になると、電磁ピックアップ４６からの入力信号を参照してロータ制動装置４３を作動させ、各翼６を所定の回転角度位置（即ちアジムス角）で停止させる。この回転角度位置は、各翼６が支柱２と干渉することなく風下側へと傾倒可能な位置、即ちロータ４の回転軸線７方向に見て翼６が支柱２と重ならないような位置であり、図１に示す状態などを例として挙げることができる。尚、所定の回転角度位置での回転の停止に際し、発電機３６に電源を供給してモータとして作動させ、この回転を制御することにより停止回転角度位置を調整することも可能である。
　次いで、方向切換弁２８の位置が遮断位置で保持されると共に開閉弁２５が開とされる。両弁２５，２８がこのような状態にあると、各シリンダ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの第１油室２２ａ，２２ｂ，２２ｃは油路２４ａ，２４ｂ，２４ｃを介して別のシリンダ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの第２油室２３ａ，２３ｂ，２３ｃに連通し、また油路２４ｂはポンプ３０と遮断される。このため、翼６に作用する荷重及び翼６の自重に基づき、第２油室２３ａ，２３ｂ，２３ｃ内の作動油が第１油室２２ａ，２２ｂ，２２ｃへと流れていく。これにより、第１ロッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃが伸長して第２ロッド１９ａ，１９ｂ，１９ｃが収縮し、各翼６ａ，６ｂ，６ｃが後傾していく。なお、油路２４ａ，２４ｂ，２４ｃを流れる油量は、可変絞り３１ａ，３１ｂ，３１ｃで制限されるため、各シリンダ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの作動速度が制限される。これにより、翼６の後傾速度を低速に制限することができる。また、この後傾時にもロータ制動装置４３は継続して作動しており、ロータ４の回転位置が変更して翼６が支柱２と干渉する事態を防いでいる。なお、このロータ制動装置４３の制動をバックアップするための更なる安全装置として、ロータロックピン等のロック装置（図示せず）などを併用してもよい。
　各シリンダ１６ａ，１６ｂ，１６ｃの第１ロッド１８ａ，１８ｂ，１８ｃのストロークが最大となって翼６が退避姿勢をとると、翼６に作用する荷重の合力中心Ｇ（図２参照）が支柱２の軸心よりも風下側に位置する。このため、停電状態であっても、ナセル３は、翼６に作用する荷重に基づき、ロータ４が風上側に向くよう自動的に旋回する。このような状態においては、たとえ停電状態になってヨー旋回装置のモータ５６が非作動の状態となっても、ヨー制動装置のアクチュエータ５７を非作動、または制動を緩めた状態とすることにより、ナセル３は円滑に自動旋回してロータ４のアップウインド姿勢が保持される。
　本風車１では、方向切換弁２８の位置が遮断位置になり開閉弁２５が開になると各翼６が後傾して退避姿勢となり得る。開閉弁２５はノーマルオープン型であり方向切換弁２８の位置は非通電時に遮断位置となる。また、各翼６を後傾させるための動力源は風力及び翼の自重である。このため、停電状態であっても、バッテリ５４の電力を消費することなく各翼６を自動的に後傾させることができる。
　また、原理を詳細図示しないが、翼６を退避姿勢にすると、翼６の自重に基づき各翼６にモーメントが発生する。図１に示す回転角度位置でロータ４を停止して翼６を退避姿勢にした場合、アジムス角が０度の翼６ａにはコーニング角を大きくする方向のモーメントが作用し、アジムス角が１２０度及び２４０度の２枚の翼６ｂ，６ｃにはそれぞれコーニング角を小さくする方向のモーメントが作用する。回転軸線７が水平に向いていれば３つのモーメントが釣合うが、回転軸線７は前述したようにティルトアップしている。ティルト角の増加に応じて、翼６ａに作用するモーメントは大きくなり、翼６ｂ，６ｃに作用するモーメントは小さくなる。このため、退避姿勢となった各翼６はその姿勢を自己保持する。なお、傾動機構１１は、この退避姿勢時のコーニング角の保持を確実にするため、傾動装置１０内に設けたピン等のロック装置（図示せず）やブレーキ等の固定装置（図示せず）を併用してもよい。
　更に、制御装置５０は、バッテリ５４からの電源供給を受け、ピッチ角変更装置３３のモータ３５を駆動し、各翼６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角をそれぞれ変更する。前述したように風車１が発電状態から退避姿勢へ移行するに際し、各翼６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角はロータ４の回転速度を減じるために変更されている。その後コーニング角が変更されるため、退避姿勢をとる各翼６ａ，６ｂ，６ｃの迎角は、コーニング角の変更に応じて変化してしまう。そこで、制御装置５０は、この迎角の変化を吸収するようピッチ角を変更し、各翼６に作用する荷重を可及的に低減する制御を実行する。以下、この制御の詳細について詳細に説明する。
　図７（ａ）は、風車１が発電状態から退避姿勢に移行する過程で、まず、翼６に作用する回転方向の空気抵抗を増大させるように翼６のピッチ角を変更した直後の翼６の迎角の説明図である。ここで、空気抵抗を増大させるために設定したピッチ角をγとすれば、γは略９０度に調整されるが、このピッチ角では翼６の翼弦方向が回転軸線７と平行となり、この状態でロータ４の回転速度が低下することとなる。図７（ａ）では、説明が平易になる姿勢として、ロータ４の回転中に翼６のアジムス角が９０度、すなわち、翼６が水平状態にさしかかったときを例にしてこの状態を示している。回転軸線７は前述したように風上側に向かうに連れて水平線９に対して所定のティルト角α（例えば４度）だけティルトアップしている。また、風車１に吹き付ける風自体が、風下側に向かうに連れて水平線９に対して或る吹上角βだけティルトアップしていることもある。
　図８には風車１の設置箇所を例示している。図８（ａ）に示すように、風車１を海沿いに設置すると、少なくとも海側には風を遮るものがないため、風力発電が効率良く行われ得る。そして、海側からの風は一般に水平に指向しているため、風車１を海沿いに設置した場合の吹上角βは略０度となる。他方、図８（ｂ）に示すように、風車１を山頂付近に設置しても、その周囲には風を遮るものがないため、風力発電が効率良く行われ得る。但し、山の斜面に沿って流れた風が風車１に到達するため、風車１を山頂付近に設置した場合の吹上角βは、山の斜面の傾斜角に応じた値となる。
　図７（ａ）に戻り、従って、ピッチ角が前述したようにγに調整された際に、アジムス角が９０度の位置に翼６が来ると、その翼６の迎角θ１は、ティルト角α及び吹上角βの和となる（θ１＝α＋β）。
　図７（ｂ）は、ロータ停止時点での翼６の迎角の説明図である。図７（ｂ）に示す翼６のピッチ角は、図７（ａ）と同じγの略９０度となっているが、ロータ停止時点では、アジムス角は翼６が支柱２と干渉しない位置となる。ここでは、特に翼６ｂを例に考えて図７（ｂ）を見ると、翼６ｂの停止位置のアジムス角は１２０度であり、この状態における翼６ｂの迎角θ２は、図７（ａ）に示す状態での迎角θ１が、アジムス角が９０度から１２０度へと変化したことに応じて変更された値となる。
　すなわち、ロータ停止時点では、各翼６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角γは共に略９０度であるが、アジムス角は各翼６ａ，６ｂ，６ｃによって異なり、翼６ａが０度、翼６ｂが１２０度、翼６ｃが２４０度となる。これらを夫々δａ，δｂ，δｃとすれば、ロータ停止時点での翼６ａの迎角６ａの迎角θ２ａは、式：θ２ａ＝θ１・ｆ（δａ）で表され、翼６ｂの迎角θ２ｂは、式：θ２ｂ＝θ１・ｆ（δｂ）で表され、翼６ｃの迎角θ２ｃは、式θ２ｃ＝θ１・ｆ（δｃ）で表される。なお、ｆ（δａ）、ｆ（δｂ）及びｆ（δｃ）はそれぞれ三角関数である。
　図７（ｃ）は、退避姿勢をとる翼６の迎角の説明図である。図７（ｃ）に実線で示す翼６は、図７（ｂ）に示す状態に対し、コーニング角が所定の角度変位量だけ変更されている。そのため、この状態における翼６の迎角θ３は、図７（ｂ）に示す状態での迎角θ２が、コーニング角の角度変位量に応じて変更された値となる。このコーニング角の角度変位量は各翼６ａ，６ｂ，６ｃの間で互いに等しい。このコーニング角の角度変位量をεとすれば、翼６ａの迎角θ３ａは、式：θ３ａ＝θ２ａ・ｆ（ε）で表され、翼６ｂの迎角θ３ｂは、式：θ３ｂ＝θ２ｂ・ｆ（ε）で表され、翼６ｃの迎角θ３ｃは、式：θ３ｃ＝θ２ｃ・ｆ（ε）で表される。なお、ｆ（ε）は三角関数である。
　結果として、退避姿勢をとる各翼６の迎角θ３は、回転軸線７のティルト角α、風の吹上角β、ロータ停止時点のピッチ角γ、ロータ停止時点でのアジムス角δａ，δｂ，δｃ、通常姿勢から退避姿勢に変更した際のコーニング角の角度変位量εに依存して決まる。これら全ての角度データを考慮してピッチ角を設定しなければ、迎角θ３の値が過大又は過少となり、翼６に作用する揚力及び抗力が大きくなる可能性がある。
　そのため、制御装置５０は、前述の角度データに基づき、各翼６に作用する揚力Ｌ及び抗力Ｄが最適化されて、翼６に作用する全体的な荷重を可及的に低減し得る最適な迎角θ４となるよう、退避姿勢をとる各翼６のピッチ角を変更する制御を実行する。
　ここで、回転軸線７のティルト角は風車１の設計パラメータである。また、風の吹上角は、風車１の設置環境に応じて予め知り得る情報である。ロータ停止時点のピッチ角及びアジムス角と、コーニング角の角度変位量とは、制御装置５０が実行する制御プログラムにおいて指示される値である。即ち、退避姿勢とした時点での各翼６の迎角θ３は設計段階において予め導出可能な値である。
　図９には迎角と揚力係数及び抗力係数との関係の一例を示している。翼６に作用する揚力及び抗力は、揚力係数及び抗力係数に夫々比例する。
　この例では、揚力係数は、迎角が－２度から０度の間の或る角度で０となる。そして、迎角がこの角度から＋１４度の角度範囲にあるときには揚力係数は単純増加して正の値をとり、迎角がこの角度から－１２度の角度範囲にあるときには揚力係数は単純減少して負の値をとる。また、揚力係数は、迎角が±１８０度、－９０度、及び９０度のときに略０となる。
　抗力係数は、迎角が±１８０度、及び０度のときに略０となるが、迎角が±９０度のときに最大値をとる。迎角が－１６度から＋１６の角度範囲にあるときには抗力係数は１０のマイナス２乗オーダーの値を示し、迎角が－６度から＋８度の角度範囲にあるときには抗力係数は１０のマイナス３乗オーダーの略一定値を示す。つまり、迎角が前者の角度範囲にあるとき、より好ましくは後者の角度範囲にあるとき、翼６に作用する抗力を可及的に低減することができる。
　このようなことから、迎角が揚力係数を０にする－２度から０度の間の或る角度になっているとき、翼６に作用する揚力及び抗力の両方が略０なり、可及的に低減されることとなる。
　そこで制御装置５０は、図７（ｃ）に示すように、上記の角度を最適迎角θ４とし、退避姿勢をとる翼６の迎角θ３がこの最適迎角θ４となるために必要なピッチ角の調整量φだけピッチ角が変更するようピッチ角変更装置３３のモータ３５を駆動する。このようにすれば、各翼６に作用する揚力及び抗力の両方が略０となり、各翼６に作用する全体的な荷重を大幅に低減することができる。
　各翼６ａ，６ｂ，６ｃの最適迎角の値は同じであっても、ピッチ角調整前における各翼６ａ，６ｂ，６ｃの迎角θ３ａ，θ３ｂ，θ３ｃはロータ停止時点のアジムス角の相違により互いに異なっているため、ピッチ角の調整量φも翼６ａ，６ｂ，６ｃごとに相違する。本実施形態のピッチ角変更装置３３は各翼６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角を個別に変更可能となっているため、この翼ごとの調整量の違いに対応することができ、各翼の迎角をそれぞれ最適迎角となるように調整可能である。
　以上説明したアップウインド型の風車１によれば、風速が所定風速以上になると、翼６を退避姿勢まで傾動させるようにし、更にこの姿勢において翼６に作用する荷重が低減されるようにピッチ角が調整される。その結果、強風時に翼６に作用する荷重を格段に低減することができる。そのため、風車１の耐風圧性が向上し、風車１の破損を防止することができる。また、このように翼６に作用する風荷重が低減すると、風車の設計条件が緩和され、翼６や支柱２、及び支柱２の基礎の剛性や強度を従来よりもシビアに設定する必要がなくなり、風車１の製作コストを低減することができる。
　図７（ｄ）には、最適迎角θ４′の設定に翼６の重力Ｗを考慮に入れた場合を示している。つまり、最適迎角θ４′が、重力Ｗの揚力方向成分と翼６に作用する揚力との合力が略０となると共に、翼６に作用する抗力が略０となるような角度に設定されてもよい。
　重力Ｗの揚力方向成分Ｗ′は、回転軸線のティルト角、翼のピッチ角、アジムス角、及びコーニング角に基づいて決まる鉛直線と翼弦線とが成す角ωに依存して導出される（Ｗ′＝Ｗcosω）。同時に、そのときのピッチ角に応じた迎角に従い揚力係数が導出され、該揚力係数より揚力Ｌが導出される。前述した最適迎角は揚力が略０になるようにして設定されたが、この変更例の最適迎角は、揚力Ｌが重力Ｗの揚力方向成分Ｗ′をキャンセルするよう値になるようにして設定される。
　図９を参照すると、これを達成するためには、前述した場合に比べ、揚力係数が増大するようにして最適迎角を設定する必要がある。前述したように、迎角が－１６度から＋１６の角度範囲にあるときには抗力係数は１０のマイナス２乗オーダーの値を示し、迎角が－６度から＋８度の角度範囲にあるときには抗力係数は１０のマイナス３乗オーダーの略一定値を示す。従って、重力を考慮した最適迎角を設定するために、迎角を変更するにあたっては、抗力が過大とならないよう、迎角が－１６度から＋１６度の角度範囲、より好ましくは－６度から＋８度の角度範囲に設定されることが好ましい。このような角度範囲に最適迎角が設定されることにより、重力Ｗの揚力方向成分Ｗ′と翼６に作用する揚力Ｌとの合力が略０となると共に、翼６に作用する抗力Ｄが略０となり、各翼６に作用する全体的な荷重を低減することができる。
　上記説明からわかるとおり、ピッチ角の調整量φは、重力を考慮に入れる場合であってもなくても、風車１の設計段階で予め決め得る値である。そのため、上記の説明では、制御装置５０が調整量φを停止状態にするたびに求めるような制御を実行する場合を例示したが、制御装置５０のメモリ５２にはこの調整量φを予め記憶させておくことができる。この場合、制御装置５０は、予め記憶した調整量φの情報に基づいてピッチ角を調整する制御を実行する構成となる。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。例えばコーニング角を変更するため翼６の基端部をハブに傾動可能に連結する構成を例示したが、翼６を固定側の基端部と可動側の先端部とから構成し、先端部を基端部に対して傾動可能に連結することによって翼６を中折れ構造にしてもよい。
　従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　本発明に係るアップウインド型風車は、姿勢変更時の翼に作用する荷重を低減することができるという作用効果を奏し、風力発電に利用されるアップウインド型風車に適用すると有用である。

Claims (9)

  1. 　略水平の回転軸線周りに回転可能な複数の翼と、
    　前記各翼のピッチ角を変更するピッチ角変更機構と、
    　前記各翼のコーニング角を変更する傾動機構と、
    　前記各翼の回転を停止させると共に、前記傾動機構を駆動して前記各翼を風下側へ傾動させた退避姿勢にする制御装置と、を備えるアップウインド型風車であって、
    　前記制御装置は、前記退避姿勢時の前記各翼の迎角が該翼に作用する荷重を最小にするための最適迎角となるよう、前記ピッチ角変更機構を駆動して前記各翼のピッチ角を調整する制御を実行することを特徴とするアップウインド型風車。
  2. 　前記ピッチ角変更機構により、前記複数の翼のピッチ角が個別に変更されることを特徴とする請求項１に記載のアップウインド型風車。
  3. 　前記最適迎角は、前記回転軸線のティルト角に応じて設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアップウインド型風車。
  4. 　前記最適迎角は、風の吹上角に応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアップウインド型風車。
  5. 　前記最適迎角は、前記退避姿勢にすべく回転停止された前記各翼のアジムス角に応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアップウインド型風車。
  6. 　前記最適迎角は、前記退避姿勢時の前記各翼のコーニング角に応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアップウインド型風車。
  7. 　前記最適迎角は、前記各翼に作用する揚力及び抗力が略０となるよう設定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアップウインド型風車。
  8. 　前記最適迎角は、前記各翼に作用する揚力と前記各翼の重力の揚力方向成分との合力、及び前記前記各翼に作用する抗力が略０となるよう設定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアップウインド型風車。
  9. 　前記最適迎角が、－１６度から＋１６度の範囲内で設定されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアップウインド型風車。
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