WO2012026594A1

WO2012026594A1 - 風力発電装置および風力発電装置の運転方法

Info

Publication number: WO2012026594A1
Application number: PCT/JP2011/069334
Authority: WO
Inventors: 修蔵福留
Original assignee: 株式会社Ｗｉｎｄ－Ｓｍｉｌｅ; エイディシーテクノロジー株式会社
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2012-03-01
Also published as: JP5688250B2; JP2012047091A

Abstract

　風力発電装置は、少なくとも１つの風車と、支持部と、回転速度変動部とを備える。回転速度変動部は、少なくとも１つの風車における回転軸の回転速度を繰り返し変動させる。

Description

風力発電装置および風力発電装置の運転方法

関連出願の相互参照

　本国際出願は、２０１０年０８月２６日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１０－１８９４９２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１０－１８９４９２号の全内容を参照により本国際出願に援用する。

　本発明は、風力発電装置および風力発電装置の運転方法に関し、特に、垂直軸型風車を用いた風力発電装置における着氷や着雪による悪影響の発生を抑制することができる垂直軸型風力発電装置および風力発電装置の運転方法に関する。

　近年の地球環境問題に対する関心の高まりや、化石燃料の枯渇に対する懸念等から、再生可能エネルギを利用した電力の発電装置の開発が盛んになりつつある。その中でも、風力発電装置は、風のエネルギを電力に変換するものであり、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、水力発電装置、地熱発電装置などと並んで、再生可能エネルギを利用した発電装置である。さらに風力発電装置は、発電時に二酸化炭素を排出しない発電装置として注目を浴びている。

　しかしながら、寒冷地域に設置された風力発電装置を用いて発電を行う上で、次に説明する問題が発生する可能性がある。つまり、寒冷地域では冬期になると、低温のため、風車の羽根に氷や雪が付着する場合がある。氷や雪が付着すると、羽根の翼断面は付着した氷や雪によって変化するため、羽根の空力特性が悪化し、風力発電装置の発電効率が低下するおそれがある。その他にも、羽根の空力特性が悪化して風車の回転バランスが崩れて、風車を支持する構造に繰り返し荷重が加えられることにより、風車を支持する構造が疲労破壊するおそれがある。さらに、羽根への氷や雪の付着量が増えると、風が吹いても風車が回転せず、言い換えると風車が起動せず、発電が行えないおそれもある。

　このような問題を解決するために、下記特許文献１は、回転軸が風向に対して水平方向に延びる水平軸型風車において、風車における羽根のピッチ角を変更することにより、羽根に付着した氷や雪を振り落とす技術を提案している。

特開２００４－０８４５２７号公報

　特許文献１に記載された技術では、風車における羽根のピッチ角を変更することにより、風車の羽根に付着した氷や雪を振り落とす加振力を加えている。そのため、特許文献１に記載された技術を、羽根のピッチ角を変更できない風車を備えた風力発電装置には適用できない問題があった。例えば、回転軸が風向に対して垂直方向に延びる垂直軸型風車は、風車における羽根のピッチ角を変更できない風車、例えば、φ‐ダリウス型風車や、Ｈ‐ダリウス型（ジャイロミル型）風車などを用いているため、特許文献１に記載された技術を適用できない。

　また、特許文献１に記載されたように、径が大きな水平軸型風車の場合、風車の回転速度を加速または減速させることにより、羽根に付着した氷や雪に大きな加振力を加えることができ、容易に氷や雪を振り落とすことができる。しかしながら、風車の回転径が比較的小さな垂直軸型風車の場合には、風車の回転速度を加速または減速させるだけでは、羽根に付着した氷や雪に大きな加振力を加えることができず、付着した氷や雪を振り落とすことが難しい問題があった。

　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、羽根に付着した氷や雪による悪影響の発生を抑制することができる風力発電装置および風力発電装置の運転方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の第１局面に係る風力発電装置は、中心軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および、回転軸に取り付けられ、風を受けて回転軸まわりに回転する回転駆動力を発生する複数の羽根を少なくとも有する、少なくとも１つの風車と、少なくとも１つの風車における回転軸および複数の羽を、中心軸線まわりに回転可能に支持する支持部と、少なくとも１つの風車における回転軸の回転速度を繰り返し変動させる回転速度変動部とを備えている。この回転速度変動部を用いて、少なくとも１つの風車における回転軸の回転速度を繰り返し変動させることにより、回転軸に取り付けられた複数の羽根の回転速度も繰り返し変動する。つまり、回転速度変動部を用いて少なくとも１つの風車を振動させることができる。少なくとも１つの風車が振動すると、少なくとも１つの風車、特に羽根に付着した氷や雪に対して加振力が働き、付着した氷や雪を振り落とすことができる。

　さらに、少なくとも１つの風車の回転軸は支持部によって中心軸線まわりに回転可能に支持されており、少なくとも１つの風車の振動が支持部に伝わることで、支持部に付着した氷や雪に対しても加振力が働く。この加振力により、支持部から付着した氷や雪を振り落とすことができる。特に、垂直軸型風車の支持部のように、長尺部材を格子状に組合せて地面に対して立てて配置された回転軸を支持する支持部の場合には、長尺部材に氷や雪が付着しやすい。このような支持部では、少なくとも１つの風車における回転軸等から少なくとも１つの風車の振動が伝わりやすく、長尺部材に付着した氷や雪を振り落としやすい。

　上記第１局面においては、制御部によって、回転軸の回転速度を変動させるタイミング、および、変動した回転速度を維持する期間の少なくとも一方が変更可能とされている第１構成を採用してもよい。このように、回転軸の回転速度を変動させるパターンを変更することにより、少なくとも１つの風車における振動の周期や、振動モードを変更することができる。言い換えると、少なくとも１つの風車、支持部、または、少なくとも１つの風車および支持部を含む構造体における振動の振幅を変更したり、振幅の節および腹となる位置を変更したりすることができる。節の位置と比較して大きな加振力が働く腹の位置を変更できるため、少なくとも１つの風車における回転速度を変動させるパターンが固定された場合と比較して、より広い範囲において付着した氷や雪を振り落としやすくなる。特に、少なくとも１つの風車、支持部、または、少なくとも１つの風車および支持部を含む構造体が共振する周波数で回転軸の回転速度を変動させることが、付着した氷や雪を振り落とす観点から好ましい。

　なお、回転速度を変動させるタイミングおよび変動した回転速度を維持する期間の変更方法は、予め離散的に定められたタイミングや期間を次々と切り替える方法であってもよいし、タイミングや期間を連続して変更する方法であってもよい。また、タイミングおよび期間を同時に変更してもよいし、タイミングのみを変更して期間を固定してもよいし、タイミングを固定して期間のみを変更してもよい。

　上記第１構成においては、風の風速を測定する風速測定部と、回転軸の回転速度を測定する回転速度測定部と、予め測定された風速および回転速度の関係を記憶する記憶部とがさらに設けられている第２構成にするとよい。風力測定部により測定された風速および回転速度測定部により測定された回転軸の回転速度との関係と、記憶部に記憶された風速および回転速度の関係と、を対比した結果、測定された風速に対する測定された回転速度が、測定された風速と同じ記憶された風速に対する記憶された回転速度よりも低い場合には、制御部によって、回転速度変動部による回転軸における回転速度の変動を行う制御を開始するとよい。このようにすることで、少なくとも１つの風車の羽根に氷や雪などが付着して回転軸の回転速度が遅くなった場合に、少なくとも１つの風車を振動させて、羽根に付着した氷や雪を振り落とすことができる。一般的に、少なくとも１つの風車の羽根に氷や雪が付着すると、羽根の空力特性が悪化して、同じ風速に対する少なくとも１つの風車の回転速度が低下する。そのため、予め取得した、少なくとも１つの風車に氷や雪が付着していない状態における風速と回転速度との関係、または、少なくとも１つの風車における風速と回転速度との理論上の関係と、測定された風速と回転速度との関係とを対比して、同じ風速に対して測定された回転速度が低い場合には、羽根に氷や雪などの異物が付着しているか否かを推定することができる。その結果、羽根に氷や雪が付着している場合にのみ、少なくとも１つの風車を振動させて、羽根に付着した氷や雪を振り落とすことができる。さらに、羽根に氷や雪が付着しているか否かを検出する装置を用いることなく、羽根への氷や雪の付着の有無を判定できる。

　上記第２構成においては、回転速度変動部として、回転軸によって伝達された回転駆動力を用いて電力を発電する発電部を用いるとともに、回転速度測定部として、発電部から出力された電力を測定する出力測定部を用いるようにするとよい。このようにすることで、回転速度変動部と発電部とを別々に備える場合と比較して、風力発電装置を構成する部品の数を減らすことができる。発電部は回転軸の回転駆動力を用いて発電を行う負荷であるため、発電部における発電の有無を制御することにより、少なくとも１つの風車に対する負荷を変動させることができ、回転軸の回転速度を変動させることができる。

　なお、上述のように回転速度変動部は少なくとも１つの風車によって回転駆動される発電部であってもよいし、回転軸の回転速度を機械的に制御するブレーキ部であってもよい。

　上記第１局面では、少なくとも１つの風車が複数の風車を含み、支持部が複数の風車を支持している場合には、複数の風車の各々には、回転軸の回転速度を変動させる回転速度変動部が配置され、制御部によって、回転軸の回転速度を変動させる制御を行う回転速度変動部の数が制御されてもよい。このように回転速度の変動制御を行う回転速度変動部の数を制御することで、複数の風車を支持する支持部における振動の振幅を制御でき、支持部における振動モードを制御できる。つまり、回転速度の変動制御を行う回転速度変動部の数を増やすと、支持部を振動させる加振点の数が増え、支持部における振動の振幅が大きくなる。また、回転速度の変動制御を行う回転速度変動部を選択することにより、支持部を振動させる加振点の位置が選択され、支持部における振動モードを制御できる。

　上記第１局面は、回転軸が鉛直方向に延ばして配置され、複数の羽根が、回転軸の軸線を中心とした、上方から下方に向かって広がる円錐面上に等間隔に、かつ、回転軸とともに回転可能に配置される第３構成を採用してもよい。このように回転軸の前記軸線を中心とした、上方から下方に向かって広がる円錐面上に羽根を配置することにより、羽根は下に向かって互いに遠ざかるように配置される。すると、氷や雪の付着が発生しやすい羽根における回転軸側の面が、常に下方に向いて配置されることとなり、氷や雪の付着が発生しにくくなる。さらに、羽根における回転軸側の面に付着した氷や雪に対して、重力は回転軸側の面から剥がれる方向に働くため、羽根から付着した氷や雪を振り落としやすくなる。

　上記第１局面においては、複数の羽根の各々における回転軸側の面に、前縁と後縁との間から後縁まで、複数の羽根の各々の翼厚を薄くするように切り欠いた凹部と、凹部の面から回転軸に向かって突出するとともに前縁から後縁に向かって延びる補強部と、を設けて、補強部における上端面が、上方から下方に向かって、回転軸側に近づく傾斜面、および、前縁から後縁に向かう傾斜面の一方である第４構成を採用してもよい。このようにすることで、複数の羽根の各々における回転軸側の面に付着した氷や雪が、補強部の上端面に落下しても、氷や雪は上端面に乗ることなく羽根から落下し、再度、羽根に付着することを抑制できる。例えば、上端面が、上方から下方に向かって回転軸に近づく傾斜面である場合、上端面に落下した氷や雪は、上端面を回転軸側に向かって滑り落ちる。また、上端面が、上方から下方に向かって前縁から後縁に向かう傾斜面である場合、上端面に落下した氷や雪は、上端面を後縁側に向かって滑り落ちる。

　上記第３構成、または、第４構成において、複数の羽根の各々における回転軸側の面に太陽光を熱に変換する変換層を設けてもよい。この場合、変換層が設けられていない場合と比較して、羽根における回転軸側の面の温度は高くなりやすい。そのため、羽根における回転軸側の面に付着した氷や雪は溶けやすくなる。

　本発明の第２局面に係る風力発電装置の運転方法は、風車を回転駆動させる風の風速を測定するとともに、前記回転軸によって伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電部から出力される電力を測定した後、予め測定され記憶部に記憶された風車に関する風速および電力の関係と、測定された風車に関する風速および電力の関係と、を対比し、測定された風速に対する測定された電力が、記憶された電力よりも低い場合には、回転軸における回転速度の抑制を行い、風車を振動させる。

　このように、風車の羽根に氷や雪などが付着して回転軸の回転速度が遅くなった場合に、風車を振動させて、羽根に付着した氷や雪を振り落とすことができる。一般的に、風車の羽根に氷や雪が付着すると、羽根の空力特性が悪化して、同じ風速に対する風車の回転速度が低下する。そのため、予め取得した風車に氷や雪が付着していない状態における風速と回転速度との関係、または、風車における風速と回転速度との理論上の関係と、測定された風速と回転速度との関係とを対比して、同じ風速に対して測定された回転速度が低い場合には、羽根に氷や雪などの異物が付着しているか否かを推定することができる。その結果、羽根に氷や雪が付着している場合にのみ、風車を振動させて、羽根に付着した氷や雪を振り落とすことができる。さらに、羽根に氷や雪が付着しているか否かを検出する装置を用いることなく、羽根への氷や雪の付着の有無を判定できる。

　本発明の第１局面に係る風力発電装置、および、第２局面に係る風力発電装置の運転方法によれば、回転速度変動部を用いて回転軸における回転速度を繰り返し変動させて回転速度を繰り返し変動させることにより、風車を振動させることができる。風車が振動すると、風車の羽根に付着した氷や雪に対して加振力が働き、付着した氷や雪を羽根から振り落とすことができ、羽根に付着した氷や雪による悪影響の発生を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の全体構成を説明する模式図である。図１の垂直軸型風車、発電部、および、架台の構成を説明する斜視図である。図２の垂直軸型風車、および、架台の構成を説明する部分拡大図である。図３の主支柱の構成を説明する部分拡大図である。図３の下方支持部の構成を説明する模式図である。本発明の第２の実施形態の風力発電装置における垂直軸型風車の構成を説明する模式図である。図６のブレードにおける翼形を説明する模式図である。図６のブレードにおける正圧面の構成を説明するブレードを正圧面側から見た図である。図９は、図８の抵抗部の構成を説明するブレードを後縁側から見た図である。本発明の第３の実施形態の風力発電装置に係るブレードの構成を説明する模式図である。本発明の第４の実施形態の風力発電装置に係るブレードの構成を説明する模式図である。

１，１０１・・・風力発電装置、１０，１１０・・・垂直軸型風車、１１・・・シャフト、１２，１１２，２１２，３１２・・・ブレード、２０・・・発電部、３０・・・架台、４０・・・出力測定部、５０・・・風速計、６０・・・制御部、７０・・・記憶部、１１３・・・抵抗部、１１４，２１４，３１４・・・補強部、ＬＥ・・・前縁、ＴＥ・・・後縁

〔第１の実施形態〕
　以下、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置について、図１から図５を参照しながら説明する。

　本実施形態の風力発電装置１（以下、「発電装置１」と表記する。）は、図１に示すように、垂直軸型風車１０（本発明における風車の一例であり、以下「風車１０」と表記する。）および発電部（本発明における回転速度変動部の一例）２０の組合せを複数備えている。また、発電装置１は、出力がメガワット（ＭＷ）級の大型水平軸型風車を用いた風力発電装置と比較して小型な装置、例えば、１台あたりの出力が数十ｋＷから十数ｋＷ程度の風車１０および発電部２０の組合せを備えた装置である。発電装置１には、複数の風車１０と、複数の発電部２０と、架台（本発明における支持部の一例）３０と、複数の出力測定部４０（本発明における回転速度測定部の一例であり、以下「測定部４０」と表記する。）と、風速計（本発明における風速測定部の一例）５０と、制御部６０と、記憶部７０と、が主に設けられている。

　風車１０は、風を受けて回転駆動力（以下、「駆動力」と表記する。）を発生させることで、発電部２０に駆動力を供給する。風車１０には、図１および図２に示すように、シャフト（本発明における回転軸の一例）１１と、複数のブレード（本発明における羽根の一例）１２と、複数のアーム１３と、が主に設けられている。

　シャフト１１は、風車１０の中心に配置されており、柱状、より具体的には円柱状に形成されている。シャフト１１は、架台３０によって、その中心線である回転軸線まわりに回転可能に支持されており、シャフト１１を回転可能に支持する部材としては、ベアリングなど公知の軸受け部材を用いることができる。さらに、風車１０のシャフト１１は、その回転軸線が風の流れ方向に対して交差する方向、例えば垂直方向に延びて配置されている。本実施形態では、シャフト１１が鉛直方向に延びて配置されている。

　ブレード１２は、風を受けてシャフト１１を中心として回転する駆動力を発生させるためにシャフト１１に取り付けられている。本実施形態では、ブレード１２の各々は、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード１２は、シャフト１１の回転軸線を中心とした同一の円筒面周上に、互いに等間隔に配置されている。さらに、ブレード１２は、翼形における正圧面がシャフト１１側を向き、負圧面がシャフト１１と反対側を向くように配置されている。本実施形態では、３つのブレード１２，１２，１２が１２０°間隔に配置されている。

　さらに、１本のシャフト１１には、３つのブレード１２の組が２組、合計６つのブレード１２が配置されている。つまり、１本のシャフト１１を長手方向に２分割したうちの一方（言い換えると、シャフト１１の上側部分）に３つのブレード１２の組（以下、「上側組」と称する）が配置され、他方（言い換えると、シャフト１１の下側部分）に他の３つのブレード１２の組（以下、「下側組」と称する）が配置されている。

　下側組は、上側組と対比して、ブレード１２が配置される位相（言い換えると、ブレード１２の位置）が異なった状態でシャフト１１に取り付けられている。本実施形態では、下側組では、上側組と対比して、位相を６０°異ならせてブレード１２が配置されている。このようにすることで、風車１０の起動性を向上させることができる。つまり、風の吹く方向による風車１０における起動性のばらつきを抑えることができる。

　アーム１３は、シャフト１１とブレード１２との間に配置された棒状の部材であって、シャフト１１の回転軸線を中心に放射状に配置された部材である。アーム１３は、シャフト１１に対してブレード１２を取り付けて固定する部材であり、かつ、風を受けたブレード１２において発生した揚力や抗力などの力をシャフト１１に伝達する部材である。１つのブレード１２に対して２本のアーム１３，１３が用いられている。アーム１３は、ブレード１２に対して、ブレード１２における上端側、および下端側に取り付けられ、シャフト１１に対して、上下方向（言い換えると、回転軸線方向）に位置をずらして取り付けられている。

　発電部２０は、風車１０のシャフト１１によって回転駆動されることにより、電力を発生させる。発電部２０により発電された電力は、発電装置１とつながれた外部の系統に供給されて（言い換えると、売電して）もよいし、発電装置１が設置された地域において消費されてもよい。さらに充電池などに蓄電されてもよく、電力の供給先は、限定されない。発電部２０には、シャフト１１の端部（言い換えると、下端）が駆動力の伝達が可能に接続されている。発電部２０とシャフト１１との間には、回転速度の増速または減速、あるいは、回転トルクの変換を行う複数のギアを組み合わせた変速部（図示せず）が設けられていてもよい。発電部２０としては、公知の発電機を用いてもよく、発電部２０の構成は限定されない。図３は、図２の風車１０および架台３０の構成を説明する部分拡大図である。

　架台３０は、少なくとも風車１０および発電部２０を含む組を、複数組、支持する。また、架台３０は、風車１０および発電部２０の周囲を取り囲むトラス構造またはラーメン構造を有している。本実施形態の架台３０は、４組の風車１０および発電部２０を水平方向に直線状に並べた状態で支持している。架台３０には、図３に示すように、複数の主支柱３１と、複数の副支柱３２と、複数の下方支持部３３と、複数の上方支持部３４と、複数の中央支持部３５と、複数の梁部３６と、複数の筋交い部３７と、が主に設けられている。

　主支柱３１は、地面から架台３０の上端まで、鉛直方向に延びて配置された柱状の部材であり、架台３０の外形を形成するものである。本実施形態の主支柱３１は、地面から１１ｍ上方まで延びている。主支柱３１は、風車１０および発電部２０の質量の大半を支える。また、主支柱３１は、地面から上方へ離れた位置で、風車１０および発電部２０を支える。主支柱３１は柱状の部材であり、１つの風車１０および発電部２０の組を中心として四方に離れた４か所に配置されている。言い換えると、主支柱３１は上方から見て四角形の頂点の位置に配置されている。風車１０および発電部２０の組が隣接し、２本の主支柱３１が重複する場所では、一方の主支柱３１を省略して、残りの１本の主支柱３１が共用される。

　さらに主支柱３１の上端には、図３および図４に示すように、取り付け部３８が設けられている。取り付け部３８は取り付けフランジ状に形成されている。取り付け部３８には、例えば、風車１０よりも小型な垂直軸型風車と小型な垂直軸型風車に駆動される発電部が取り付けられる。

　副支柱３２は、図３に示すように、地面から発電部２０まで、鉛直方向に延びて配置された柱状の部材である。副支柱３２は、主支柱３１および下方支持部３３とともに発電部２０を下方から支持する。副支柱３２は、架台３０を上方から見て、発電部２０が配置された位置、あるいは、シャフト１１が配置された位置に配置されている。

　下方支持部３３は、棒状の部材であり、主支柱３１および副支柱３２とともに風車１０および発電部２０の質量を支える。下方支持部３３は、地面から所望の距離だけ上方に離れた位置において、４本の主支柱３１の間を水平方向に延びて配置されている（本実施形態では、下方支持部３３が地面から約２ｍだけ上方に離れた位置に配置されている）。また、下方支持部３３は、架台３０を上方から見て、４本の主支柱３１を対角線状につなぐように配置されている。より具体的には、下方支持部３３は、図５に示すように、対角線が交差する中心部である発電部２０が配置される位置において、四角い枠を形成するように配置されている。このようにすることで、下方支持部３３の上に発電部２０を安定して設置することができる。さらに、四角い枠の内部に副支柱３２を通して、発電部２０を副支柱３２によって直接支持させることができる。本実施形態では、下方支持部３３として、断面がＩ字状やＨ字状に形成された部材が用いられている。

　上方支持部３４は、棒状の部材であり、シャフト１１の上端を回転可能に支持する。上方支持部３４は、主支柱３１の上端近傍において、４本の主支柱３１の間を水平方向に延びて配置されている。また、上方支持部３４は、架台３０を上方から見て、４本の主支柱３１を対角線状につなぐように配置されている。

　中央支持部３５は、棒状の部材であり、シャフト１１の中央部分を回転可能に支持する。中央支持部３５は、下方支持部３３と上方支持部３４との間であって、上下に並んで配置されたブレード１２の間において、４本の主支柱３１の間を水平方向に延びて配置されている。また、中央支持部３５は、架台３０を上方から見て、４本の主支柱３１を対角線状につなぐように配置されている。上方支持部３４とシャフト１１の上端との間、および、中央支持部３５とシャフト１１との間には、シャフト１１を回転軸線まわりに回転可能に支持するベアリングなどの公知の軸受けが配置されている。

　梁部３６および筋交い部３７は、隣接する主支柱３１の間をつないで架台３０の強度を確保する部材である。
　梁部３６は、棒状の部材であり、上方支持部３４および中央支持部３５が配置された高さにおいて、４本の主支柱３１の間を水平方向に延びて配置されている。また、梁部３６は、４本の主支柱３１を頂点とした四角形の辺を形成するように配置されている。

　筋交い部３７は、２本の主支柱３１の間を鉛直方向に斜めに延びて配置される。具体的には、筋交い部３７は、一方の主支柱３１と下方支持部３３との接続部と、他方の主支柱３１と中央支持部３５との接続部との間をつなぐか、または、一方の主支柱３１と中央支持部３５との接続部と、他方の主支柱３１と上方支持部３４との接続部との間をつなぐ。

　測定部４０は、発電部２０によって発電された単位時間当たりの電力を計測する。測定部４０は、計測された電力量（例えば、単位時間当たりの電力量）を表す電力信号を生成する。生成された電力信号は制御部６０へ出力されている。風速計５０は、風車１０が設置された領域における風速を測定する。風速計５０は、計測された風速（例えば、単位時間当たりの平均風速）を表す風速信号を生成する。生成された風速信号は制御部６０へ出力されている。測定部４０及び風速計５０としては、公知の計測器を用いることができ、測定部４０及び風速計５０の構成は限定されない。

　制御部６０は、風車１０に氷や雪の付着が発生したか否かを判定するとともに、発電部２０における発電を制御する。記憶部７０は、風車１０に氷や雪が付着していない状態における風速計５０により測定された風速と、測定部４０により測定された電力との関係を記憶する。制御部６０および記憶部７０による制御については後述する。

　次に、上記の構成からなる発電装置１における発電について説明するとともに、風車１０や架台３０などに付着した氷や雪の振り落とし方法について説明する。
　まず、発電装置１における発電について説明する。図１に示すように、発電装置１の風車１０は、風を受けるとシャフト１１を中心として回転する。具体的には、風車１０のブレード１２は、風を受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト１１を中心として回転する。風車１０が回転し始めると、ブレード１２は風に加えて自らの回転による相対的な空気の流れを受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト１１を中心として回転する。

　シャフト１１の回転は発電部２０に伝達され、発電部２０は伝達された駆動力を用いて発電を行う。発電部２０における発電を行うか否かは制御部６０によって制御される。例えば、発電装置１のオペレータによって手動で入力される発電を行うか否かの情報や、発電を行う時期を規定するタイムスケジュールなどによって制御されてもよいし、風速計５０から入力される風速信号に基づいて制御されてもよい。つまり、風速計５０によって測定された風速が、発電装置１における発電が可能な領域である場合、言い換えると、カットイン風速からカットアウト風速の範囲である場合には、発電部２０における発電を行う。それ以外の場合には、発電部２０における発電を停止する制御を行ってもよい。

　発電部２０により発電された電力は、例えば、電圧、周波数などの安定化を図る系統連係部（図示せず）を介して、商用電力系統に供給される。つまり、売電される。その他にも、発電された電力を蓄電池に蓄電してもよいし、例えば、工業設備や商業設備などの電力を消費する設備に供給してもよい。

　次に、本実施形態の特徴である風車１０や架台３０などに付着した氷や雪の振り落とし方法について説明する。
　まず、制御部６０による風車１０や架台３０などに氷や雪が付着しているか否かの判定方法について説明する。氷や雪の付着の有無の判定は、発電装置１において発電されているときに行われ、風速計５０により測定された風速と、測定部４０により測定された電力に基づいて判断される。

　まず、風速計５０により風車１０に当たる風の風力と、測定部４０により発電部２０により発電された電力と、が測定される（本発明における測定ステップの一例）。風速計５０は測定した風速に応じた風速信号を生成し、生成した風速信号を制御部６０に出力する。同様に、測定部４０は測定した電力に応じた電力信号を生成し、生成した電力信号を制御部６０に出力する。

　制御部６０は、記憶部７０に予め記憶された風速と電力との関係と、風速計５０により測定された風速と測定部４０により測定された電力との関係と、を対比して氷や雪の付着の有無の判定を行う（本発明における対比ステップの一例）。ここで、記憶部７０に予め記憶された風速と電力との関係とは、風車１０や架台３０などに氷や雪が付着していない状態における、風速計５０によって測定された風速と、測定部４０によって測定された発電部２０によって発電された電力との関係である。

　氷や雪の付着の有無の判定は、以下のようにして行われる。
　つまり、風速計５０により測定された風速の値に対する、測定部４０により測定された電力の値が、記憶部７０に記憶された電力の値よりも低い場合には、制御部６０は、風車１０や架台３０などに氷や雪が付着している可能性があると判断する。例えば、風車１０や架台３０に氷や雪が付着すると、ブレード１２の周囲における空気の流れが乱れる。空気の流れが乱れると、ブレード１２は氷や雪が付着していない状態の空力特性、言い換えるとブレード１２を設計する際に設定された空力特性を発揮することができない。そのため、風車１０や架台３０に氷や雪が付着していると、同じ風速の風が風車１０に当たっても、風車１０は、氷や雪が付着していない状態と比較して、小さな駆動力しか発生させることができない。すると、風車１０により駆動される発電部２０において発電される電力も、氷や雪が付着していない状態と比較して小さくなる。

　なお、氷や雪が付着している可能性があると判断する場合における、測定部４０により測定された電力の値と、記憶部７０に記憶された電力の値との差は、個々の発電装置１における個体差や、発電される電力の値の時間変動の態様などの影響を考慮して、誤判定がない程度の余裕を持たせるとよい。

　風車１０や架台３０などに氷や雪が付着していると判定されると、制御部６０は、付着した氷や雪を風車１０や架台３０などから振り落とす制御を開始する（本発明における制御ステップの一例）。具体的には、制御部６０は、発電部２０に対して、断続的に発電および発電停止を繰り返す制御、言い換えると発電を断続的に行う制御を開始する。発電部２０による発電は風車１０に対して負荷として働くため、断続的に発電を行うと風車１０に断続的に負荷が働く。つまり、シャフト１１まわり（言い換えると、シャフト１１を中心とした周方向）に働く加振力が、風車１０に対して加えられ、風車１０はシャフト１１まわりに加振される。さらに、風車１０におけるシャフト１１まわりの振動は、架台３０に伝わり、架台３０も加振される。その結果、風車１０および架台３０に付着した氷や雪は、風車１０および架台３０の振動によって、風車１０や架台３０から振り落とされる。

　制御部６０は、上述の発電を断続的に行う制御を、予め定められた期間だけ継続すると、発電部２０によって通常の発電を行う制御を再開する。以後、上述の測定ステップに戻り、氷や雪が風車１０および架台３０に付着したか否かの判定を繰り返す。

　なお、制御部６０は、４台の発電部２０のそれぞれに対して個別に上述の制御を行ってもよいし、４台の発電部２０に対して同時に上述の制御を行ってもよい。個別に上述の制御を行う場合には、氷や雪が付着した可能性が高い風車１０や、氷や雪が付着した架台３０に近い風車１０に対してのみ氷や雪を振り落とす制御が行われる。その間、他の風車１０による発電は継続されるため、発電装置１の全体としての発電効率低下が抑制される。また、４台の発電部２０に対して同時に上述の制御を行う場合には、架台３０を振動させる加振源が４つとなるため、個別に上述の制御を行う場合と比較して、架台３０に同時に加えられる加振力が大きくなり、架台３０に付着した氷や雪をより確実に振り落とすことができる。さらに、４台の発電部２０のうち１台から３台の発電部２０を選択し、選択した発電部２０に対して上述の制御を行ってもよい。

　このように上述の制御が行われる発電部２０の台数を制御することにより、複数の風車１０を支持する架台３０における振動の振幅を制御でき、架台３０における振動モードを制御できる。つまり、上述の制御が行われる発電部２０の台数を増やすと、架台３０を振動させる加振点の数が増え、架台３０における振動の振幅が大きくなる。また、上述の制御が行われる発電部２０を選択することにより、架台３０を振動させる加振点の位置が選択され、架台３０における振動モード（言い換えると、振動波における定常波の態様）を制御できる。

　さらに、発電を断続的に行う制御における断続の周期は、予め定められた一定の周期であってもよいし、予め定められた変化する周期であってもよい。予め定められた一定の周期としては、風車１０の固有振動周期や、架台３０の固有振動周期などを例示することができる。予め定められた変化する周期としては、時間の経過とともに間隔が短くなる周期や、間隔が長くなる周期などを例示することができる。

　上記の構成によれば、発電部２０によって、風車１０のシャフト１１における回転速度を繰り返し変動させることにより、シャフト１１に取り付けられた複数のブレード１２における回転速度も繰り返し変動する。つまり、発電部２０によって、風車１０における回転速度を繰り返し変動させて、風車１０を振動させることができる。風車１０が振動すると、ブレード１２に付着した氷や雪に対して加振力が働き、付着した氷や雪をブレード１２から振り落とすことができる。

　さらに、風車１０の振動が架台３０に伝わることで、架台３０に付着した氷や雪に対しても加振力を働かせることができ、付着した氷や雪を架台３０から振り落とすことができる。特に、本実施形態の架台３０のように、主支柱３１や梁部３６や筋交い部３７などの長尺部材を格子状に組合せた構造を有し、地面に対して立てて配置されたシャフト１１を少なくとも２ヶ所で支持するものの場合には、主支柱３１等の長尺部材に氷や雪が付着しやすい。このような架台３０では、風車１０の振動が架台３０に伝わりやすく、主支柱３１等に付着した氷や雪を振り落としやすい。

　さらに、風車１０におけるシャフト１１の回転速度を変動させるパターンを変更することにより、風車１０における振動の周期や、振動モードを変更することができる。言い換えると、風車１０、架台３０、または、風車１０および架台３０からなる構造体における振動の振幅を変更したり、振幅の節および腹となる位置を変更したりすることができる。節の位置と比較して大きな加振力が働く腹の位置を変更できるため、風車１０における回転速度を変動させるパターンが固定された場合と比較して、より広い範囲において付着した氷や雪を振り落としやすくなる。特に、風車１０、架台３０、または、風車１０および架台３０からなる構造体が共振する周波数でシャフト１１の回転速度を変動させることが、付着した氷や雪を振り落とす観点から好ましい。

　発電部２０を用いてシャフト１１の回転速度を変動させることにより、例えば、シャフト１１の回転速度を変動させる回転速度変動部と、発電部２０とを別々に備える場合と比較して、発電装置１を構成する部品の数を減らすことができる。発電部２０はシャフト１１の駆動力を用いて発電を行う負荷である。そのため、発電部２０における発電の有無を制御することにより、風車１０に対する負荷を変動させることができ、シャフト１１の回転速度を変動させることができる。

　なお、上述の実施形態ように、発電部２０を用いてシャフト１１の回転速度を制御して、風車１０を加振してもよい。また、シャフト１１の回転速度を機械的に制御するブレーキ部が風車１０に設けられている場合には、当該ブレーキ部を用いてシャフト１１の回転速度を制御して、風車１０を加振してもよい。このようにすることで、発電部２０を用いてシャフト１１の回転速度を制御する場合と比較して、ブレーキ部を用いるとシャフト１１の回転速度をより急激に変動させることができ、風車１０に対してより大きな加振力を与えることができる。

　〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について図６から図９を参照して説明する。
　本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、垂直軸型風車の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図６から図９を用いて垂直軸型風車の構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

　本実施形態の風力発電装置１０１（以下、「発電装置１０１」と表記する。）における垂直軸型風車１１０（本発明における風車の一例であり、以下「風車１１０」と表記する。）には、図６に示すように、複数のシャフト１１（図６では、１つのシャフトのみが図示されている）と、複数のブレード（本発明における羽根の一例）１１２と、複数のアーム１３ａ，１３ｂと、が主に設けられている。

　ブレード１１２は、第１の実施形態のブレード１２と同様に、風を受けてシャフト１１を中心としてシャフト１１を回転させる駆動力を発生させる。ブレード１１２は、図７に示すように、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード１１２における回転方向前方（言い換えると、図７における左方）には前縁ＬＥが設けられ、回転方向後方（言い換えると、図７における右方）には後縁ＴＥが設けられている。さらにブレード１１２におけるシャフト１１側（言い換えると、図７における下方）には正圧面ＰＳが設けられ、シャフト１１と反対側（言い換えると、図７における上方）には負圧面ＳＳが設けられている。

　ブレード１１２における後縁ＴＥ側の正圧面ＰＳには、図８および図９に示すように、複数の抵抗部（本発明における凹部の一例）１１３が設けられている。抵抗部１１３の各々は、正圧面ＰＳの中ほどから後縁ＴＥにわたって、負圧面ＳＳ側に凹み、ブレード１１２の翼厚を薄くするように切り欠いた形状に形成されている。抵抗部１１３における前縁ＬＥ側には、後縁ＴＥから前縁ＬＥに向かって吹く風を受け止める壁面が設けられ、後縁ＴＥ側は外部に開放されている。抵抗部１１３は、発電装置１０１の起動時に、後縁ＴＥ側から前縁ＬＥ側に向かって吹く風を受け止め、発電装置１０１の起動性を高める。言い換えると、風車１１０は、抵抗部１１３がない場合と比較して、より低い風速で回転し始めることができる。

　さらに、抵抗部１１３には、抵抗部１１３の底面から正圧面ＰＳに向かって突出するとともに、前縁ＬＥ側から後縁ＴＥに向かって延びる補強部１１４が設けられている。補強部１１４は、抵抗部１１３によって翼厚が薄くなったブレード１１２の強度を保つ役割を果たす。

　本実施形態では、ブレード１１２が、シャフト１１の回転軸線を中心とした同一の円錐面周上に、等間隔に配置されている点が、第１の実施形態と異なっている。言い換えると、上方から下方に向かって、ブレード１１２がシャフト１１から離れる方向に傾いて配置されている。そのため、ブレード１１２におけるシャフト１１側の面である正圧面ＰＳが下方を向き、シャフト１１と反対側の面である負圧面ＳＳが上方を向いている。

　アーム１３ａ，１３ｂは、シャフト１１とブレード１１２との間に配置された棒状の部材であって、シャフト１１の回転軸線を中心に放射状に配置された部材である。アーム１３ａは、アーム１３ｂと比較して、長手方向の長さ（言い換えると、図６における水平方向の長さ）が短く形成された部材である。アーム１３ａはブレード１１２の上側に取り付けられ、アーム１３ｂはブレード１１２の下側に取り付けられている。そのため、ブレード１１２は、上方から下方に向かって、シャフト１１から離れる方向に傾いて配置される。

　なお、上記の構成を有する発電装置１０１における発電、および、風車１１０や架台３０などに付着した氷や雪の振り落とし方法については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

　上記の構成によれば、シャフト１１を中心とした、上方から下方に向かって広がる円錐面上にブレード１１２を配置されているため、ブレード１１２は下に向かって互いに遠ざかるように配置される。すると、氷や雪の付着が発生しやすい補強部１１４が設けられた正圧面ＰＳが、常に下方に向いて配置されることとなり、氷や雪の付着が発生しにくくなる。さらに、重力は、ブレード１１２における正圧面ＰＳに付着した氷や雪に対して、正圧面ＰＳから剥がれる方向に働くため、ブレード１１２から付着した氷や雪を振り落としやすくなる。

　さらに、上述の実施形態においてブレード１１２の正圧面ＰＳに、太陽熱を吸収して熱に変換する変換層が設けられてもよい。変換層としては、黒色の塗料の膜や、赤外線を吸収して熱に変換する材料を含む膜等、種々のものを用いることができる。このようにすることで、変換層が設けられていない場合と比較して、ブレード１１２の正圧面ＰＳにおける温度が高くなりやすくなる。そのため、ブレード１１２の正圧面ＰＳに付着した氷や雪は溶けやすくなる。

　〔第３の実施形態〕
　次に、本発明の第３の実施形態について図１０を参照して説明する。
　本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ブレードの構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図１０を用いてブレードの構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

　本実施形態におけるブレード（本発明における羽根の一例）２１２は、第１の実施形態のブレード１２と同様に、風を受けてシャフト１１を中心としてシャフト１１を回転させる駆動力を発生させる（図１参照。）。ブレード２１２は、図１０に示すように、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード２１２における回転方向前方（言い換えると、図１０における紙面奥方向）には前縁ＬＥ（図示せず。）が設けられ、回転方向後方（言い換えると、図１０における紙面手前方向）には後縁ＴＥが設けられている。さらにブレード２１２におけるシャフト１１側（言い換えると、図１０における左方）には正圧面ＰＳが設けられ、シャフト１１と反対側（言い換えると、図１０における右方）には負圧面ＳＳが設けられている。

　ブレード２１２における後縁ＴＥ側の正圧面ＰＳには、負圧面ＳＳ側に凹み、ブレード２１２の翼厚を薄くするように切り欠いた抵抗部１１３が設けられている。さらに、抵抗部１１３には、抵抗部１１３の底面から正圧面ＰＳに向かって突出するとともに、前縁ＬＥ側から後縁ＴＥに向かって延びる補強部２１４が設けられている。補強部２１４における上方に向いた上端面２１４ａは、負圧面ＳＳ側から正圧面ＰＳに向かって、上方から下方に傾斜する傾斜面とされている。なお、図１０に示すように、補強部２１４における上側の面のみを傾斜させてもよいし、補強部２１４を平行板状に形成し、平行板全体を同様に傾斜して配置してもよい。

　なお、本実施形態における発電、および、付着した氷や雪の振り落とし方法については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
　上記の構成によれば、ブレード２１２における正圧面ＰＳに付着した氷や雪が、補強部２１４の上端面２１４ａに落下しても、氷や雪は上端面２１４ａに乗ることなくブレード２１２から落下し、再度、ブレード２１２に付着することを抑制できる。本実施形態のように、上端面２１４ａが、上方から下方に向かってシャフト１１に近づく傾斜面である場合、上端面２１４ａに落下した氷や雪は、上端面２１４ａをシャフト１１に向かって滑り落ちる。

　〔第４の実施形態〕
　次に、本発明の第４の実施形態について図１１を参照して説明する。
　本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ブレードの構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図１１を用いてブレードの構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

　本実施形態におけるブレード（本発明における羽根の一例）３１２は、第１の実施形態のブレード１２と同様に、風を受けてシャフト１１を中心としてシャフト１１を回転させる駆動力を発生させる（図１参照。）。ブレード３１２は、図１１に示すように、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード３１２における回転方向前方（言い換えると、図１１における左方）には前縁ＬＥが設けられ、回転方向後方（言い換えると、図１１における右方）には後縁ＴＥが設けられている。さらにブレード３１２におけるシャフト１１側（言い換えると、図１１における紙面手前側）には正圧面ＰＳが設けられ、シャフト１１と反対側（言い換えると、図１１における紙面奥側）には負圧面ＳＳ（図示せず。）が設けられている。

　ブレード３１２における後縁ＴＥ側の正圧面ＰＳには、負圧面ＳＳ側に凹み、ブレード３１２の翼厚を薄くするように切り欠いた抵抗部１１３が設けられている。さらに、抵抗部１１３には、抵抗部１１３の底面から正圧面ＰＳに向かって突出するとともに、前縁ＬＥ側から後縁ＴＥに向かって延びる補強部３１４が設けられている。補強部３１４における上方に向いた上端面３１４ａは、前縁ＬＥ側から後縁ＴＥに向かって、上方から下方に傾斜する傾斜面とされている。なお、図１１に示すように、補強部３１４の全体を傾斜して配置してもよいし、第３の実施形態と同様に、上端面３１４ａのみを傾斜させてもよい。

　上記の構成によれば、上端面３１４ａが、上方から下方に向かって、前縁ＬＥ側から後縁ＴＥに向かう傾斜面であるため、上端面３１４ａに落下した氷や雪は、上端面３１４ａを後縁ＴＥ側に向かって滑り落ちる。

Claims

　中心軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および、該回転軸に取り付けられ、風を受けて前記回転軸まわりに回転する回転駆動力を発生する複数の羽根を少なくとも有する、少なくとも１つの風車と、
　前記少なくとも１つの風車における前記回転軸および前記複数の羽根を、前記中心軸線まわりに回転可能に支持する支持部と、
　前記少なくとも１つの風車における前記回転軸の回転速度を繰り返し変動させる回転速度変動部と、
が設けられている風力発電装置。
　前記回転速度変動部による前記回転軸の回転速度を変動させるタイミング、および、変動した回転速度を維持する期間の少なくとも一方を変更する制御部が、さらに設けられている請求項１記載の風力発電装置。
　前記複数の羽根を回転させる風の風速を測定する風速測定部と、
　前記回転軸の回転速度を測定する回転速度測定部と、
　予め測定された前記少なくとも１つの風車における前記風速および前記回転速度の関係を記憶する記憶部と、
がさらに設けられ、
　前記制御部は、前記風力測定部により測定された前記風速および前記回転速度測定部により測定された前記回転軸の回転速度との関係と、前記記憶部に記憶された前記風速および前記回転速度の関係と、を対比して、
前記測定された風速に対する前記測定された回転速度が、前記測定された風速と同じ前記記憶された風速に対する前記記憶された回転速度よりも低い場合には、前記回転速度変動部による前記回転軸における回転速度の変動を行う制御を開始する請求項２記載の風力発電装置。
　前記回転速度変動部は、前記回転軸によって伝達された回転駆動力を用いて電力を発電する発電部であり、
　前記回転速度測定部は、前記発電部から出力された電力を測定する出力測定部である請求項３記載の風力発電装置。
　前記少なくとも１つの風車は、複数の風車を含み、
　前記支持部は、前記複数の風車を支持し、
　前記複数の風車の各々には、前記回転軸の回転速度を変動させる前記回転速度変動部が配置され、
　前記制御部は、前記回転軸の回転速度を変動させる制御を行う前記回転速度変動部の数を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
　前記回転軸は、鉛直方向に延びて配置され、
　前記複数の羽根は、前記回転軸の前記軸線を中心とした、上方から下方に向かって広がる円錐面上に等間隔に、かつ、前記回転軸とともに回転可能に配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
　前記回転軸は、鉛直方向に延びて配置され、
　前記複数の羽根は、断面が翼型に形成されるとともに、前記回転軸の前記軸線を中心とした円周上に等間隔に、かつ、前記回転軸とともに回転可能に配置され、
　前記複数の羽根の各々における前記回転軸側の面には、前縁と後縁との間から前記後縁まで、前記複数の羽根の各々の翼厚を薄くするように切り欠いた凹部と、該凹部の面から前記回転軸に向かって突出するとともに前記前縁から前記後縁に向かって延びる補強部と、が設けられ、
　該補強部における上端面は、上方から下方に向かって、前記回転軸側に近づく傾斜面、および、前記前縁から前記後縁に向かう傾斜面の一方である請求項１から４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
　前記複数の羽根の各々における前記回転軸側の面には、太陽光を熱に変換する変換層が設けられている請求項６または７に記載の風力発電装置。
　回転軸まわりに風車を回転駆動させる風の風速を測定するとともに、前記回転軸によって伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電部から出力される電力を測定する測定ステップと、
　予め測定され記憶部に記憶された前記風車に関する前記風速および前記電力の関係と、前記測定ステップにおいて測定された前記風車に関する前記風速および前記電力の関係と、を対比する対比ステップと、
　前記測定された風速に対する前記測定された電力が、前記記憶された電力よりも低い場合には、前記回転速度の回転速度を抑制する回転速度抑制部を用いて前記回転速度の抑制を行い、前記風車を振動させる制御ステップと、
を有する風力発電装置の運転方法。