WO2017009943A1 - ダウンウィンド型風力発電装置およびダウンウィンド型風力発電装置の制御方法 - Google Patents
ダウンウィンド型風力発電装置およびダウンウィンド型風力発電装置の制御方法 Download PDFInfo
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- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Definitions
- the present invention relates to a wind turbine generator, and more particularly, to a downwind wind turbine generator that can easily control the orientation of a rotor and a control method thereof.
- Patent Document 1 states that “the generator head is supported by a hub fixed to the rotor shaft that drives the generator, each having a predetermined initial Corning angle in between so that the Corning angle changes depending on the wind speed.
- a generator device includes a rotor having elongated blades with flexible flexibility, and control means for controlling the swing rate of the generator head so as to prevent an excessive swing rate. .
- Patent Document 2 states that “the rotation drive mechanism of the wind turbine body provided between the support column and the nacelle, the abnormal signal generated when the wind speed or the rotor rotational speed exceeds a predetermined range, and the driven machine In response to at least one of the abnormal signals, the rotor equipped with the blades waits from the upwind side to the downwind side of the wing side of the wing from the upwind side.
- An upwind type windmill having a control device that controls the turning of the windmill body from the original position of the upwind to the azimuth angle position corresponding to the downwind position is disclosed.
- Patent Document 3 states that, based on the rate of change of the azimuth angle of the nacelle and the azimuth angle of the blade, the pitch angle of the blade is periodically controlled to change the angle, and the torque around the yaw axis is generated in the rotor.
- a horizontal axis wind turbine provided with a control device that suppresses the rate of change of the azimuth angle of the nacelle by the torque is disclosed.
- Patent Document 2 in an upwind type windmill, the rotor is made to stand by on the downwind side (downwind) when a strong wind is applied, and the rotational force of the yaw motor is attenuated by the yaw brake means. In order to suppress this, there still remains a problem in the controllability of the braking force of the yaw brake means.
- an object of the present invention is to reduce the deviation between the direction of the rotating shaft of the rotor and the wind direction with a relatively simple configuration in the downwind type wind power generator, and has the inherent stability of the wind power generator.
- a wind type wind power generator and a control method thereof are provided.
- the present invention provides a rotor that rotates by receiving wind, a nacelle that rotatably supports the rotor, a tower that supports the nacelle so as to be capable of yaw rotation, and a yaw rotation operation of the nacelle.
- the rotor is positioned on the leeward side of the nacelle during power generation operation.
- the present invention is a control method of a downwind type wind power generation apparatus including a rotor positioned leeward than the nacelle during power generation operation, the yaw angle of the nacelle with respect to a tower is detected, the detected yaw angle, and It is a control method for a downwind type wind power generator that adjusts a yaw control amount of the nacelle with respect to the tower based on a vibration attenuation rate of the downwind type wind power generator calculated in advance.
- the deviation between the direction of the rotating shaft of the rotor and the wind direction can be reduced with a relatively simple configuration, and the downwind type has the inherent stability of the wind power generator.
- a wind turbine generator and its control method can be realized.
- the rotor rotation shaft in the downwind type wind power generator, can be stably operated with the wind direction, so that the attitude of the windmill in operation and the yaw control accuracy can be improved. It is possible to improve the power generation efficiency and prevent the apparatus life from being reduced due to fatigue deterioration.
- FIG. 1 It is a figure showing the whole outline of a downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a top view (plan view) of the downwind type wind power generator of FIG. It is a figure which shows operation
- FIG. 1 It is a figure showing the whole outline of a downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a figure showing the whole outline of a downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a figure showing the whole outline of a downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a figure showing the whole outline of a downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the control method of the downwind type wind power generator which concerns on one Embodiment of this invention. It is a figure showing a part of downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a figure showing a part of downwind type wind power generator concerning one embodiment of the present invention. It is a figure which shows the whole outline
- a conventional downwind wind power generator will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
- a tower 4 serving as a column of a wind power generator is installed on a foundation 6 provided on the ground 7.
- a nacelle 3 is supported on the top of the tower 4 so as to be capable of yaw rotation.
- a connecting portion between the tower 4 and the nacelle 3 is provided with a yaw drive mechanism (not shown).
- the yaw drive mechanism includes a yaw bearing, a yaw gear (yaw drive gear), a yaw drive motor, a yaw brake, and the like.
- a rotor that rotates by receiving wind is rotatably supported.
- the rotor includes a plurality of blades 1 that rotate by receiving wind and a hub 2 that holds the plurality of blades.
- a connecting portion between the blade 1 and the hub 2 is provided with a pitch control mechanism (not shown).
- the pitch control mechanism includes a pitch bearing, a pitch gear (pitch driving gear), a pitch driving motor, and the like.
- the wind power generator of FIGS. 14 and 15 is a downwind type wind power generator in which the rotor is positioned on the leeward side of the nacelle at least during power generation operation.
- FIG. 1 shows an overall outline of a downwind type wind power generator according to this embodiment.
- 2 is a top view (plan view) of FIG.
- FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the downwind type wind power generator, and shows the manner in which the orientation of the rotor changes from the left side to the right side of the drawing with the passage of time.
- FIG. 4 shows how the deviation angle ⁇ y between the wind direction and the rotation axis of the rotor in FIG. 3 changes with time.
- the downwind type wind power generator in the present embodiment has a tower 4 installed on a foundation 6 provided on the ground 7 as in the downwind type wind power generator of FIG.
- a nacelle 3 is supported on the top of the tower 4 so as to be capable of yaw rotation.
- blade 1 and the hub 2 is rotatably supported by the end of the nacelle 3 is also the same as FIG.
- the downwind type wind power generator according to the present embodiment is different from FIG. 14 in that a shock absorber that relaxes the yaw rotation operation of the nacelle 3 is provided in the vicinity of the connecting portion between the nacelle 3 and the tower 4. ing.
- This shock absorber is composed of an attenuator 5 in which oil 11 is enclosed.
- the downwind type wind power generator of FIG. 1 is different from FIG. 14 in that the blade 1 is attached to the hub 2 with a cornering angle so that the blade 1 is inclined to the leeward side.
- the direction of the blade 1 is directed toward the leeward side of the arrival direction of the wind by the force of the wind, and the tower 1 and the nacelle 3 are arranged so that the blade 1 does not repeat simple vibrations.
- the attenuator 5 and the nacelle 3 installed between them the single vibration of the nacelle 3 is attenuated to be stabilized.
- Oil 11 is sealed in the attenuator 5, and the simple vibration of the nacelle 3 is damped by internal friction of the oil 11.
- the viscosity of the oil 11 that is a viscous fluid and the frictional force between the attenuator 5, the nacelle 3, and the oil 11 are set so as to give a frictional force smaller than the restoring force due to the coning angle of the blade 1.
- Equation 1 As shown in FIG. 3, the force shown in Equation 1 is applied to the left blade from the windward side.
- T Torque due to wind force in the rotational direction of the blade 1 f: Wind force applied to the blade L: Distance from the blade center to the center of the point of action of the wind force applied to the blade ⁇ y: Wind direction and normal of the blade surface Deviation angle ⁇ c of the blade: Corning angle of the blade.
- Equation 3 The torque T in Equation 3 is converted into the following Equations 4 and 5 by the trigonometric addition theorem.
- Equation 5 since 2Lf and sin ⁇ c are constants, the torque T reverses around the point where ⁇ c is 0, and the nacelle 3 repeats a single vibration.
- the restoring force due to the torque T is proportional to the magnitudes of 2Lf and sin ⁇ c. Therefore, if the wind turbines have the same size, the restoring force is increased and the stability is increased by increasing the Corning angle ⁇ c.
- the attenuator 5 is installed between the tower 4 and the nacelle 3 as described above. Oil 11 is sealed inside the attenuator 5, and when the nacelle 3 moves by wind force and makes a simple vibration, the simple vibration can be attenuated by the viscosity of the oil 11.
- the attenuator 5 may have a structure in which, for example, the attenuator 5 is fixed to the tower 4 and the oil 11 is sealed in the gap with the nacelle 3 in addition to enclosing the oil 11 therein. .
- the attenuation state is expressed by the equation (6).
- Equation 7 the relationship between the attenuation constant ⁇ and the logarithmic attenuation rate ⁇ is expressed by Equation 7.
- the downwind type wind power generator gives a coning angle to the blade so that the blade is stably opposed to the wind direction using the force of the wind, so that the nacelle, that is, a single vibration of the blade is applied.
- the main feature is the provision of a structure that provides attenuation.
- the attenuation of the simple vibration of the windmill has been described as a model.
- vibrations other than the single vibration for example, irregular vibrations can also be attenuated (relaxed). Needless to say.
- FIG. 5 shows an example of a floating offshore wind turbine.
- a tower 4 is installed on a floating foundation 8 moored in the ocean or river, and a nacelle 3 is provided on the top of the tower 4 so as to be capable of yaw rotation.
- a rotor composed of a plurality of blades 1 and a hub 2 is rotatably supported.
- an attenuator 9 is installed on the floating base 8.
- the attenuator 9 is obtained, for example, by attaching a fin-shaped member to the floating base 8.
- the attenuator 9 generates friction by stirring the surrounding water, and gives a damping action to simple vibrations and irregular vibrations of the floating foundation 8.
- FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the floating offshore wind turbine of FIG. As the time progresses, the state in which the peristalsis of the entire wind turbine changes from the left side to the right side of the drawing is shown.
- the force shown in Formula 8 is applied to the upper blade.
- the torque T obtained by Equation 3 is applied by the wind force as in the first embodiment.
- the torque T can be obtained by replacing ⁇ y in Equation 3 with ⁇ t, detailed description is omitted.
- the vibration attenuation state in this embodiment the relationship between the attenuation constant ⁇ and the logarithmic attenuation rate ⁇ can be obtained.
- the swing of the floating foundation and the wind turbine generator installed thereon can be attenuated (relaxed). Similarly, effects such as improvement of power generation efficiency and suppression of fatigue life reduction can be obtained.
- the attenuator 5 described in the first embodiment is provided in the vicinity of the connecting portion between the tower 3 and the nacelle 3, thereby providing the floating foundation. 8 and the entire vibration of the wind turbine and the simple vibration of the nacelle 3 can be effectively damped (relaxed).
- an attenuator for attenuating (relaxing) peristalsis of the floating base 8 may be provided on the mooring wire 13.
- an attenuator 14 for attenuating (relaxing) peristalsis of the floating base 8 may be provided on the mooring wire 13.
- the downwind type wind power generator of Example 3 will be described with reference to FIG.
- the downwind type wind power generator shown in FIG. 8 differs from the configuration of the first embodiment in that a hydraulic cylinder 15 and a piston 16 are installed between the attenuator 5 and the nacelle 3.
- the hydraulic cylinder 15 is fixedly supported by the nacelle 3 and the piston 16 is pressed against the attenuator 5.
- a frictional force is generated between the hydraulic cylinder 15, the piston 16 and the attenuator 5 to generate damping.
- the frictional force is set to a range that does not obstruct the rotation of the nacelle 3 by applying a frictional force smaller than the restoring force due to the coning angle by oil (not shown) sealed in the hydraulic cylinder 15.
- the hydraulic cylinder 15, the piston 16, and the attenuator 5 generate a damping action.
- the movement of the nacelle 3 given the attenuation operates in the same manner as in the first embodiment.
- Example 4 The downwind type wind power generator of Example 4 will be described with reference to FIG.
- ball bearings 17 are provided on the tower 4, and the nacelle 3 is held so as to be rotatable around the central axis of the tower 4.
- the ball bearing 17 is supplied with a high-viscosity grease 19 from a greasing tank 18 via a piping loop. Since the ball bearing 17 is filled with the high-viscosity grease 19, the ball bearing 17 attenuates the rotational motion of the nacelle 3.
- the high-viscosity grease 19 is set such that the frictional force generated by its viscosity is smaller than the restoring force due to the coning angle of the blade 1, and the movement of the nacelle 3 given the damping is the same as in Example 1. The same operation is performed.
- FIG. 10 shows an overall outline of the downwind type wind power generator in the present embodiment
- FIG. 11 shows a block diagram of the control system in FIG.
- a yaw angle sensor 20, a yaw drive mechanism 21, and a control device 22 for the yaw drive mechanism 21 that detect the rotation angle of the nacelle 3 around the central axis of the tower 4 are mounted on the nacelle 3, and active yaw control is performed. do.
- the control device 22 incorporates feedback control as shown in FIG.
- transient characteristics of the feedback control system are functions whose parameters are rise time, delay time, maximum overshoot, attenuation rate, settling time, and the like.
- the yaw angle sensor 20 detects the yaw angle of the nacelle 3 relative to the tower 4. Note that an angular velocity sensor may be provided instead of the yaw angle sensor 20 to detect the amount of change in yaw angle per unit time, that is, the angular velocity. Further, the change amount of angular velocity per unit time, that is, the acceleration may be detected by the acceleration sensor.
- the single-vibration attenuation rate of the downwind wind power generator calculated in advance by the method of calculating the detected yaw angle, angular velocity, acceleration, and single-vibration attenuation rate described in the first and second embodiments (see “ The yaw control amount of the nacelle 3 with respect to the tower 4 is adjusted based on “Yaw external attenuation”.
- the settling time can be shortened and the movement of the nacelle 3 can be stabilized more accurately.
- FIG. 12 is a partial cross-sectional view of the yaw control mechanism provided at the connecting portion between the tower 4 and the nacelle 3.
- 23 is a transverse section of the yaw drive gear portion of the nacelle 3.
- An orifice 25 is connected to the gear pump 24 that meshes with the yaw driving gear 23, and a system including the gear pump 24 and the orifice 25 is filled with a viscous fluid such as oil.
- the viscous fluid flows in the system by the gear pump 24.
- the flow of the viscous fluid receives a viscous resistance from the orifice 25, and this resistance force is transmitted to the yaw driving gear 23 via the gear pump 24, thereby dampening (relaxing) the turning motion of the nacelle 3.
- bypass system that bypasses the orifice 25 is connected to both ends of the orifice 25, and the damping force can be adjusted as necessary by opening and closing the bypass valve 26.
- FIG. 13 is a partial cross-sectional view of the yaw control mechanism provided at the connecting portion of the tower 4 and the nacelle 3 as in FIG.
- a generator 27 that meshes with the yaw driving gear 23 is installed, and a variable resistor 28 is connected to the generator 27.
- damping force can be adjusted as necessary by changing the resistance value of the variable resistor 28.
- the generator 27 functions as a generator when the nacelle 3 is passively rotated on the tower 4, and the nacelle 3 is rotated on the tower 4 when the nacelle 3 is actively rotated on the tower 4. It can also function as an electric motor to be driven.
- the turning motion of the nacelle 3 can be attenuated (relaxed) with a simpler structure.
- the downwind type wind power generator according to the first to seventh embodiments described above can stably operate with the rotation axis of the rotor aligned with the wind direction, the posture stability of the windmill in operation and the yaw control accuracy are improved. This makes it possible to improve the power generation efficiency and prevent a reduction in the device life due to fatigue deterioration.
- the method for aligning the rotor rotation axis with the wind direction is not limited to those described in the above embodiments.
- the tower 4 is made of a material that is elastically deformed, and when the blade 1 is rotated by receiving wind, the tower 4 is elastically deformed to the leeward side so that the deviation between the wind direction and the rotation axis of the blade 1 is made. It is also possible to decrease and increase the wind receiving area of the blade.
- this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
- the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
- a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
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Abstract
比較的簡易な構成でロータの回転軸の向きと風向の偏差を軽減することができ、発電効率の高いダウンウィンド型風力発電装置とその制御方法を提供する。風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支承するナセルと、前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと、前記ナセルのヨー回転動作を緩和する緩衝装置と、を備え、前記ロータは発電運転時に前記ナセルよりも風下側に位置することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。
Description
本発明は、風力発電装置に係り、特に、ロータの向きを安定的に制御することが容易なダウンウィンド型風力発電装置とその制御方法に関する。
ダウンウィンド型風車の陸上、着床式洋上、浮体式洋上への設置において、風車のロータが風の力により受動的に風下に位置する特性を利用した運転、いわゆるフリーヨー運転が、電源喪失時や暴風待機時などの運転モードとして、実用に供されている。
ダウンウィンド型風車は、ロータの回転軸と風向の偏差角が生じることを前提に疲労設計上の余裕をもたせているが、更なる信頼性向上のため、風車のロータを風の力により受動的に風下の位置において安定させ、かつ、ロータの回転軸と風向との偏差角をより少なくすることに配慮が必要である。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「発電機頭部に、発電機を駆動する回転子軸に固定のハブに支えられそれぞれ所定の初期コーニング角を間に持ちこのコーニング角が風速により変化するように実質的な柔軟性を持つ細長い羽根を備えた回転子を設け、又前記発電機頭部の首振り割合を過度の首振り割合を防ぐように制御する制御手段を備える発電機装置」が開示されている。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「発電機頭部に、発電機を駆動する回転子軸に固定のハブに支えられそれぞれ所定の初期コーニング角を間に持ちこのコーニング角が風速により変化するように実質的な柔軟性を持つ細長い羽根を備えた回転子を設け、又前記発電機頭部の首振り割合を過度の首振り割合を防ぐように制御する制御手段を備える発電機装置」が開示されている。
また、特許文献２には、「支柱とナセル間に設けられた風車本体の回動駆動機構と、風速若しくはロータ回転数が所定範囲を超えた場合に生成される異常信号及び被駆動機械よりの異常信号の内の少なくとも１の異常信号を受けて、翼を備えたロータがアプウィンド（風上）側から翼の回転面が支柱よりも風下側のダウンウィンド（風下）側に待機するように、風車本体を、アップウィンドの原位置からダウンウィンド位置に対応する方位角度位置まで旋回制御させる制御装置を備えるアップウィンド型風車」が開示されている。
また、特許文献３には、「ナセルの方位角の変化率及びブレードのアジマス角に基づき、当該ブレードのピッチ角を周期的に変角制御することによりロータにヨー軸周りのトルクを発生させ、当該トルクにより前記ナセルの方位角の変化率を抑制する制御装置を備える水平軸風車」が開示されている。
上記のように、ダウンウィンド型風車では、電源喪失時や暴風待機時にフリーヨー運転とすることで風車のロータが自然に風を受け流すようになり、ロータやナセル、タワーに過剰な荷重が掛かるのを防ぐことができ、高い安全性を維持できる。
その一方、ロータの回転軸と風向との偏差角が生じた場合、ロータの受風面積の減少により、発電効率の低下してしまう。また、タワー上での水平方向におけるロータの振動、いわゆるロータの首振り運動が生じ、ロータやタワーに異常な荷重が掛かり、ブレードの破損やタワーの倒壊といったトラブルの原因になる恐れもある。
上記特許文献１は、フィンやブレーキ手段を設けることにより首振り運動を抑制するものであるが、フィンの設置によるナセルの重量増加やブレーキ手段の制動力の制御性に課題がある。
また、上記特許文献２は、アップウィンド型風車において、強風作用時にロータをダウンウィンド（風下）側に待機させ、ヨーブレーキ手段によりヨーモータの回転力を減衰させるものであるが、ロータの首振り運動を抑制するには、やはりヨーブレーキ手段の制動力の制御性に課題が残る。
また、上記特許文献３は、ナセルの方位角の変化率とブレードのアジマス角に基づき、ナセルの方位角の変化率を抑制するものであるが、特許文献１や特許文献２と同様に、その制御性に課題がある。
そこで、本発明の目的は、ダウンウィンド型風力発電装置において、比較的簡易な構成でロータの回転軸の向きと風向の偏差を軽減することができ、当該風力発電装置固有の安定性を有するダウンウィンド型風力発電装置とその制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能に支承するナセルと、前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと、前記ナセルのヨー回転動作を緩和する緩衝装置と、を備え、前記ロータは発電運転時に前記ナセルよりも風下側に位置することを特徴とする。
また、本発明は、発電運転時にナセルよりも風下に位置するロータを備えるダウンウィンド型風力発電装置の制御方法であって、タワーに対する前記ナセルのヨー角度を検出し、前記検出したヨー角度、および予め算出した当該ダウンウィンド型風力発電装置の振動の減衰率に基づき、前記タワーに対する前記ナセルのヨー制御量を調整するダウンウィンド型風力発電装置の制御方法である。
本発明によれば、ダウンウィンド型風力発電装置において、比較的簡易な構成でロータの回転軸の向きと風向の偏差を軽減することができ、当該風力発電装置固有の安定性を有するダウンウィンド型風力発電装置とその制御方法を実現できる。
また、本発明によれば、ダウンウィンド型風力発電装置において、ロータの回転軸を風向きに一致させて安定的に運転することができるため、稼働中の風車の姿勢安定、ヨー制御精度の向上が可能となり、発電効率向上と疲労劣化による装置寿命低下を防止できるという利点がある。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、各図面および各実施例において同一又は類似の構成要素については同じ符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。
先ず、図１４および図１５を用いて、従来のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図１４に示すように、地盤７に設けられた基礎６上に風力発電装置の支柱となるタワー４が設置されている。タワー４の頂部には、ナセル３がヨー回転可能に支持されている。タワー４およびナセル３の連結部には、図示しないヨー駆動機構が設けられている。このヨー駆動機構は、ヨーベアリングやヨーギア（ヨー駆動用歯車）、ヨー駆動モータ、ヨーブレーキ等から構成されている。
ナセル３の一端には、風を受けて回転するロータが回転可能に支承されている。このロータは、風を受けて回転する複数のブレード１および複数のブレードを保持するハブ２により構成されている。ブレード１およびハブ２の連結部には、図示しないピッチ制御機構が設けられている。このピッチ制御機構は、ピッチベアリングやピッチギア（ピッチ駆動用歯車）、ピッチ駆動モータ等から構成されている。図１４および図１５の風力発電装置は、少なくとも発電運転時にロータがナセルよりも風下側に位置するダウンウィンド型の風力発電装置である。
図１乃至図４を用いて、実施例１のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図１は本実施例のダウンウィンド型風力発電装置の全体概要を示している。図２は図１の上面図（平面図）である。また、図３はダウンウィンド型風力発電装置の動作を説明する図であり、時間の推移と共に、図面の左側から右側へロータの向きが変化する様子を示している。図４は図３における風向とロータの回転軸との偏差角θｙが時間の推移と共に変化する様子を示している。
図１に示すように、本実施例におけるダウンウィンド型風力発電装置は、図１４のダウンウィンド型風力発電装置と同様に、地盤７に設けられた基礎６上にタワー４が設置されており、タワー４の頂部には、ナセル３がヨー回転可能に支持されている。また、ナセル３の一端には、複数のブレード１およびハブ２からなるロータが回転可能に支承されている点も、図１４と同じである。
本実施例のダウンウィンド型風力発電装置は、図１に示すように、ナセル３とタワー４の連結部近傍にナセル３のヨー回転動作を緩和する緩衝装置を備える点において、図１４とは異なっている。この緩衝装置は、内部に油１１が封入された減衰器５で構成されている。
また、図１のダウンウィンド型風力発電装置は、ブレード１が風下側に傾斜するように、コーニング角を有してハブ２に取り付けられている点においても、図１４とは異なる。
本実施例のダウンウィンド型風力発電装置は、ブレード１の方位を風の力で風の到来方位の風下側に向けるようにし、ブレード１が単振動を繰り返さないように、タワー４とナセル３の間に設置した減衰器５とナセル３との相対運動により、ナセル３の単振動に減衰を与えることで安定させる。減衰器５には油１１が封入されており、油１１の内部摩擦により、ナセル３の単振動を減衰する。
なお、粘性流体である油１１の粘性、および減衰器５、ナセル３、油１１の相互の摩擦力は、ブレード１のコーニング角による復元力よりも小さな摩擦力を与えるように設定されている。
ここで、図３を用いて、ナセル３およびナセル３の風下側に設けられるロータの動作を説明する。
図３に示すように、風上側から向かって左側のブレードには数１に示す力が加わる。
Ｔ：ブレード１の回転方向の風の力によるトルク
ｆ：ブレードに加わる風の力
Ｌ：ブレード中心からブレードにかかる風の力の作用点の中心までの距離
θｙ：風向とブレード面の法線との偏差角
θｃ：ブレードのコーニング角
である。
数３のトルクＴは、三角関数の加法定理により、次の数４、数５に変換される。
本実施例のダウンウィンド型風力発電装置においては、上述の通り、タワー４とナセル３の間に減衰器５が設置される。減衰器５の内部には油１１が封入されており、ナセル３が風力で動き単振動した場合に、油１１の粘性により単振動に減衰を与えることができる。
なお、減衰器５は、その内部に油１１を封入する以外にも、例えば、減衰器５をタワー４に固定し、ナセル３との間隙に油１１を封入するような構造であってもよい。
減衰が与えられたナセル３の単振動は、図4に示すように、対数減衰率δに応じて収束する。
減衰の状況は、数６の式で示される。
Ｉ：慣性モーメント
ｔ：時刻
ｋ：トルクＴで定まるバネ定数
ω：角速度
α：減衰定数
δ：対数減衰率
である。
以上説明したように、本実施例のダウンウィンド型風力発電装置は、ブレードが風の力を利用して風向きと安定的に正対するようにブレードにコーニング角を与え、ナセルすなわちブレードの単振動に減衰を与える構造を設けたことを最も主要な特徴としている。
これにより、ブレードのコーニング角を利用してダウンウィンド風車のロータを風向きに一致させ安定的に運転し、ダウンウィンド風車の姿勢安定、ヨー制御精度の向上と疲労寿命低下を抑制するという利目的を、最小の部品点数で、ダウンウィンド型風車の固有の安定性を損なわずに実現することができる。
なお、本実施例においては、風車の単振動の減衰をモデルに説明したが、本実施例の構成により、単振動以外の振動、例えば、不規則な振動も減衰（緩和）することができるのは言うまでもない。
図５および図６を用いて、実施例２のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図５は浮体式洋上風車の例である。図５に示すように、海洋や河川に係留された浮体式基礎８上に、タワー４が設置されており、タワー４の頂部にはナセル３がヨー回転可能に設けられている。ナセル３の風下側には、複数のブレード１およびハブ２からなるロータが回転可能に支承されている。
本実施例においては、浮体式基礎８に減衰器９が設置されている。この減衰器９は、例えば、浮体式基礎８にフィン形状の部材を取り付けたものである。浮体式基礎８が揺動すると減衰器９が周辺の水を攪拌することで摩擦を発生し、浮体式基礎８の単振動や不規則な振動に減衰作用を与える。
図６は、図５の浮体式洋上風車の動作を説明する図である。時間の推移と共に、図面の左側から右側へ風車全体の前後方向への搖動が変化する様子を示している。
図６に示すように、上側のブレードには数８に示す力が加わる。
以上説明したように、本実施例によれば、浮体式洋上風力発電装置において、浮体式基礎およびその上に設置される風力発電装置の搖動を減衰（緩和）することができ、実施例１と同様に、発電効率の向上や疲労寿命低下の抑制などの効果を得ることができる。
なお、図５に示すように、浮体式基礎８に減衰器９を設けるのに加え、実施例１で説明した減衰器５をタワー３とナセル３の連結部近傍に設けることで、浮体式基礎８および風車全体の搖動とナセル３の単振動の両方を効果的に減衰（緩和）することができる。
また、図７に示すように、浮体式基礎８の搖動を減衰（緩和）する減衰器を、係留ワイヤ１３に設けてもよい。係留ワイヤ１３に設けた減衰器１４により海流の揺らぎに摩擦を与えることで、浮体式基礎８の搖動を抑制することができる。
図８を用いて、実施例３のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図８に示すダウンウィンド型風力発電装置は、減衰器５とナセル３の間に油圧シリンダ１５とピストン１６が設置されている点において、実施例１の構成と異なっている。
油圧シリンダ１５はナセル３に固定支持され、ピストン１６は減衰器５に押し付けられている。ブレード１が受ける風の力によってナセル３が向きを変えると、油圧シリンダ１５、ピストン１６と減衰器５の間に摩擦力を生じ、減衰を発生させる。
この摩擦力は、油圧シリンダ１５に封入される油（図示せず）により、コーニング角による復元力よりも小さな摩擦力を与え、ナセル３の回転を妨げない範囲に圧力が設定されている。
本実施例では、油圧シリンダ１５、ピストン１６、減衰器５により減衰作用を発生している。減衰を与えられたナセル３の動きは、実施例1と同様の動作をする。
図９を用いて、実施例４のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図９に示すダウンウィンド型風力発電装置は、玉軸受１７がタワー４上に設けられており、ナセル３をタワー４の中心軸周りで回転可能な形で保持する。
玉軸受１７は、給脂タンク１８から配管ループを介して高粘性グリース１９の供給を受ける。玉軸受１７内に高粘性グリース１９が満たされるため、玉軸受１７はナセル３の回転運動に減衰を与える。
なお、高粘性グリース１９は、その粘性により発生する摩擦力がブレード１のコーニング角による復元力よりも小さくなるように設定されており、減衰を与えられたナセル３の動きは、実施例１と同様の動作をする。
図１０および図１１を用いて、実施例５のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図１０は本実施例におけるダウンウィンド型風力発電装置の全体概要を示し、図１１は図１０における制御系のブロック図を示している。
図１０に示すように、ナセル３のタワー４中心軸周りの回転角度を検知するヨー角度センサ２０、ヨー駆動機構２１、ヨー駆動機構２１の制御装置２２がナセル３に搭載され、アクティブなヨー制御をする。制御装置２２には、図１１に示すようなフィードバック制御が組み込まれる。
なお、フィードバック制御系の過渡特性は、立ち上がり時間、遅延時間、最大行き過ぎ量、減衰率、整定時間等をパラメータとする関数である。
ヨー角度センサ２０により、タワー４に対するナセル３のヨー角度を検出する。なお、このヨー角度センサ２０に替えて角速度センサを設けることにより、単位時間あたりのヨー角度の変化量、すなわち角速度を検出してもよい。また、加速度センサにより、角速度の単位時間あたりの変化量、すなわち加速度を検出してもよい。
検出したヨー角度や角速度、加速度、および実施例１や実施例２で説明した単振動の減衰率の算出方法により予め算出した当該ダウンウィンド型風力発電装置の単振動の減衰率（図１１の「ヨー外部減衰」）に基づき、タワー４に対するナセル３のヨー制御量を調整する。
本実施例のダウンウィンド型風力発電装置およびその制御方法によれば、減衰率を外部から与えられるので、整定時間を短くし、ナセル３の動きをより精度良く安定させることができる。
図１２を用いて、実施例６のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図１２はタワー４およびナセル３の連結部に設けられるヨー制御機構の一部断面図である。２３はナセル３のヨー駆動用歯車部の横断面である。ヨー駆動用歯車２３と噛合するギアポンプ２４にはオリフィス２５が接続され、ギアポンプ２４とオリフィス２５を含む系統内部には、例えば油のような粘性流体が満たされている。
ヨー駆動用歯車２３が回転するとギアポンプ２４により系統内を粘性流体が流れる。粘性流体の流れはオリフィス２５から粘性抵抗を受け、この抵抗力がギアポンプ２４を介してヨー駆動用歯車２３に伝達され、ナセル３の旋回運動を減衰（緩和）する。
また、オリフィス２５の両端にはオリフィス２５をバイパスするバイパス系統が接続されており、バイパス弁２６を開閉することにより必要に応じて減衰力の調整を行うことができる。
図１３を用いて、実施例７のダウンウィンド型風力発電装置について説明する。図１３は、図１２と同様に、タワー４およびナセル３の連結部に設けられるヨー制御機構の一部断面図である。ヨー駆動用歯車２３と噛合する発電機２７が設置され、発電機２７には可変抵抗２８が接続されている。
ヨー駆動用歯車２３が回転すると発電機２７により可変抵抗２８を含む回路内に電流を生じる。発電機２７により生じた電気エネルギーは可変抵抗２８で熱エネルギーに変換され、放熱される。これによりナセル３の旋回運動を減衰（緩和）することができる。
なお、可変抵抗２８の抵抗値を変えることにより、必要に応じて減衰力の調整を行うことができる。
また、発電機２７をナセル３がタワー４上において受動的に回転する際には発電機として機能させ、ナセル３がタワー４上において能動的に回転する際にはナセル３をタワー４上で回転駆動する電動機として機能させることもできる。
例えば、ヨー制御機構のヨーモータを、本実施例の減衰機構の発電機として用いることで、より簡便な構造でナセル３の旋回運動を減衰（緩和）することができる。
以上説明した実施例１乃至実施例７のダウンウィンド型風力発電装置により、ロータの回転軸を風向きに一致させて安定的に運転することができるため、稼働中の風車の姿勢安定、ヨー制御精度の向上が可能となり、発電効率向上と疲労劣化による装置寿命の低下を防止できる。
なお、ロータの回転軸を風向きに一致させる方法は、上記の各実施例に挙げたものに限定されるものではない。例えば、タワー４を弾性変形する素材で構成し、ブレード１が風を受けて回転する際、タワー４が風下側へ弾性的に変形することにより風向とブレード１の回転軸のなす角度の偏差を減少させ、ブレードの受風面積を増大させることも可能である。
また、説明簡略化のため、コーニング角はブレードの付け根を基点に定めているが、実際には、復元力の元となるトルクはナセルとタワーの接続部を起点に生じずる場合もあるため、本明細書で言うθｃ＝０の場合であっても、復元力は大きくないものの、発生する。よって、この場合も本発明からは除外しない。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…ブレード、２…ハブ、３…ナセル、４…タワー、５，９，１４…減衰器、６…基礎、７…地盤、８…浮体式基礎、１０…水面、１１…油、１２…海底、１３…係留ワイヤ、１５…油圧シリンダ、１６…ピストン、１７…玉軸受、１８…給脂タンク、１９…高粘性グリース、２０…ヨー角度センサ、２１…ヨー駆動機構、２２…制御装置、２３…ヨー駆動用歯車、２４…ギアポンプ、２５…オリフィス、２６…バイパス弁、２７…発電機、２８…可変抵抗。
Claims (15)
- 風を受けて回転するロータと、
前記ロータを回転可能に支承するナセルと、
前記ナセルをヨー回転可能に支持するタワーと、
前記ナセルのヨー回転動作を緩和する緩衝装置と、を備え、
前記ロータは発電運転時に前記ナセルよりも風下側に位置することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記ロータは、複数のブレードが風下側に傾斜するよう、コーニング角を有してハブに取り付けられることを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記緩衝装置は、前記ナセルと前記タワーの連結部近傍に設けられることを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記緩衝装置は、前記ナセルと前記タワーの連結部に設けられた軸受けと、
前記軸受けに封入された粘性流体と、からなり、
前記粘性流体の粘性抵抗により前記ナセルのヨー回転動作を緩和することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記緩衝装置は、構成部品に油圧シリンダを含むことを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記緩衝装置は、前記ナセルと前記タワーの連結部に設けられた軸受けと、
前記ナセルのヨー回転動作に伴い駆動する流体ポンプと、
前記流体ポンプの駆動により前記軸受けに粘性流体を供給する配管ループと、を備え、
前記ナセルのヨー回転動作時に前記軸受けに粘性流体を供給することで、前記ナセルのヨー回転動作を緩和することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記緩衝装置は、前記ナセルのヨー回転動作の加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度センサの信号に基づき前記ナセルのヨー制御を行う制御装置と、を備え、
前記加速度センサにより検出した加速度に応じて、前記ナセルのヨー回転動作を緩和することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記ナセルと前記タワーの連結部に設けられたヨー駆動用歯車と、
前記ヨー駆動用歯車と噛合するギアポンプと、
前記ギアポンプに連結され、粘性流体を内包する配管ループと、を備え、
前記配管ループの一部に設けられたオリフィスにより生じる前記粘性流体の粘性抵抗により前記ナセルのヨー回転動作を緩和することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項８に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記配管ループは、前記オリフィスをバイパスするバイパス系統を有し、
前記バイパス系統に設けられたバイパス弁の開閉により前記粘性流体の粘性抵抗を調節することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記ナセルと前記タワーの連結部に設けられたヨー駆動用歯車と、
前記ヨー駆動用歯車と噛合する発電機と、
前記発電機に電気的に接続された抵抗器と、を備え、
前記ナセルのヨー回転動作に伴い前記発電機により発生する電気エネルギーを前記抵抗器により消費することで、前記ナセルのヨー回転動作を緩和することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１０に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記抵抗器は、抵抗値を変更可能な可変抵抗器であり、
前記抵抗器の抵抗値を変えることにより、前記発電機による前記ナセルのヨー回転動作の制動力を調節することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１０に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記発電機は、前記ナセルが前記タワー上において受動的に回転する際には発電機として機能し、
前記ナセルが前記タワー上において能動的に回転する際には前記ナセルを前記タワー上で回転駆動する電動機として機能することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項１または２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記タワーは、係留ワイヤにより洋上または河川に係留された浮体上に設置され、
前記係留ワイヤおよび前記浮体のうち、少なくともいずれか一方に、当該浮体の搖動を緩和する緩衝装置を備えることを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 請求項２に記載のダウンウィンド型風力発電装置において、
前記タワーは、弾性変形する素材からなり、
前記ブレードが風を受けて回転する際、前記タワーが風下側へ弾性的に変形することにより風向と前記ブレードの回転軸のなす角度の偏差を減少させ、前記ブレードの受風面積を増大させることを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。 - 発電運転時にナセルよりも風下に位置するロータを備えるダウンウィンド型風力発電装置の制御方法であって、
タワーに対する前記ナセルのヨー角度を検出し、
前記検出したヨー角度、および予め算出した当該ダウンウィンド型風力発電装置の振動の減衰率に基づき、前記タワーに対する前記ナセルのヨー制御量を調整するダウンウィンド型風力発電装置の制御方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15898256 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2017528047 Country of ref document: JP Kind code of ref document: A |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15898256 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |