JP5097730B2 - 水平軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、ティータドロータを有した水平軸風車のティータ角制御に関する。

従来、１枚翼又は２枚翼のロータにおいてロータ面外方向にシーソー運動を許すティータドロータを採用した水平軸風車が実用化されている。図１１に示すのは２枚翼のティータドロータの例である。このティータドロータ９１は、主軸９２に取付けられるハブ９３と、ハブ９３に取付けられるブレード９４，９４とを備えて構成される。ハブ９３、及びブレード９４，９４は主軸９２とともに回転する。ハブ９３は、主軸９２の回転軸と略垂直に交わるとともにロータ回転面に存在するティータ軸Ａ回りに主軸９２に対し矢印Ｂのようにロータ９１を回動自在にするヒンジを構成し、ダンパー９５を有してティータ軸Ａ回りにロータ９１に加わる荷重に応じた角度の変位を許すものである。この変位をティータ角と呼ぶ。主軸９２は略水平方向に延在してナセル（図示せず）に回転自在に支持される。一般に、主軸は水平に対する角度（ティルト角）を持って設置され、ナセルはタワーによってヨー回転自在に支持される。

一方、ブレードのピッチ角を制御する手段を有した水平軸風車も利用されている。２枚翼以上の場合に、１枚のブレード毎独立してピッチ角を制御する技術も利用されている。特許文献１には、ブレードのアジマス角を検出してブレード毎にピッチ角を制御する技術が記載されている。

特許文献２には、ブレードのピッチ制御装置と、ナセルのヨー角制御装置とを有した水平軸風車が記載されている。同文献記載の風車においては、風向風速計の検出値に基づきピッチ制御装置、ヨー角制御装置を制御する。

特許文献３には、ロータの方位角に応じて主軸のティルト角を変化させる機構を有した水平軸風車が記載されている。

特開２００５−８３３０８号公報 特開２００７−２８５２１４号公報 特開２００３−３５２４９号公報

ティータドロータを採用する場合において、風車が大型化しブレードの撓みが大きくなると、重量バランスが崩れティータ角が大きく変化し、ロータが風下側に傾倒する傾向がある。この場合、吹上風に対するロータのミスアラインメント（風に対する正対からの上下のずれ）が大きくなりロータ回転の効率の低下がもたれされるとともに、翼などの変動荷重の増大をもたらしロータの耐久性が問題となる。
本発明は以上の従来技術に鑑みてなされたものであって、主軸（ナセル）のティルト角制御装置、ブレードのピッチ制御装置を用いることなく、一定の範囲においてロータ回転面の上下角を制御でき、風向の上下角変化に対応することができるティータドロータを有した水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ティータドロータと、
前記ティータドロータを軸支する主軸と
前記ティータドロータのロータ回転面に対して垂直な方向に移動可能に前記ティータドロータに取付けられたカウンタマスと、
前記ティータドロータのアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、
前記ティータドロータのティータ角を計測するティータ角計測手段と、
前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき前記カウンタマスの位置を制御して、前記カウンタマスの自重により生じるティータ軸回りのモーメントを増減させることにより前記ティータドロータのロータ回転面を傾動制御するティータ角制御手段とを備える水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記ティータドロータに進入する風の吹上角を計測する吹上角計測手段と、
前記吹上角計測手段の計測値、前記主軸のティルト角、前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき、風に対する前記ロータ回転面の上下角を算出する演算手段とを備え、
前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角に基づき前記ロータ回転面を傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角を減少させるように前記ロータ回転面を傾動制御する請求項２に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、アジマス角計測値及びティータ角計測値に基づきカウンタマスの位置を制御してカウンタマスの自重により生じるティータ軸回りのモーメントを増減させることによりティータドロータのロータ回転面を傾動制御するので、主軸（ナセル）のティルト角制御装置、ブレードのピッチ制御装置を用いることなく、ロータ回転面が主軸に対して傾動可能な範囲においてロータ回転面の上下角を制御できるという効果がある。これにより傾倒したロータを起すことができる。

風に対するロータ回転面の上下角を検知する構成を搭載することにより、ロータ回転面が主軸に対して傾動可能な範囲において、上下の風向変化にロータ回転面を追従制御することも可能となる。すなわち、主軸（ナセル）のティルト角制御装置を設けなくとも、一定範囲の上下の風向変化であれば、ロータ回転面を主軸に対して上下に傾動させることで、例えば複雑地形における吹上角変化や浮体式洋上風車における風車全体のピッチ角変化に対応してロータ回転面を風に対して正対するように又は正対に近づくように制御することができ、これによりロータの回転効率の向上と疲労荷重の低減を図ることができる。なお、風車全体のピッチ角変化は、風車に搭載される吹上角計測手段の傾き変化を伴うから、吹上角計測手段の計測値に反映される。

本発明一実施形態に係る一例の１枚翼式水平軸風車の模式図であって、(a)は全体側面図、(b)は部分詳細側面図、(c)は部分詳細正面図である。 本発明一実施形態に係る他の例の１枚翼式水平軸風車の模式図であって、(a)は全体側面図、(b)は部分詳細側面図、(c)は部分詳細正面図である。 本発明一実施形態に係る一例の２枚翼式水平軸風車の模式図であって、ロータ垂直時における(a)は全体側面図、(b)は部分詳細側面図、(c)は部分詳細正面図である。 本発明一実施形態に係る一例の２枚翼式水平軸風車の模式図であって、ロータ水平時における(a)は全体側面図、(b)は部分詳細側面図である。 パラメータの定義のための回転軸方向から見たティータドロータの模式図である。 パラメータの定義のためのティータ軸方向から見たティータドロータの模式図である。 パラメータの定義のための横から見たティータドロータの模式図である。 パラメータの定義のための横から見たティータドロータの模式図である。 本発明一実施形態に係る水平軸風車に搭載される制御装置の演算・制御内容を示したブロックである。 本発明第２実施形態に係る発明の作用を説明するための風車側面図である。 ２枚翼のティータドロータの中心部の側面図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態について説明する。
図１に示すように本水平軸風車は、ブレード１がハブ２に取付けられてなるティータドロータと、ティータ軸３を介してハブに接続される主軸４と、主軸４によりティータドロータを回転自在に軸支するナセル５と、ナセル５をヨー回転自在に支持するタワー６と、カウンタマス（重り）７と、アクチュエータ８とを備えて構成される。カウンタマス７は、アクチュエータ８を介してハブ２に取付けられている。カウンタマス７は、アクチュエータ８によりティータドロータのロータ回転面に対して垂直な方向Ｂに移動する。

本実施形態においては、ボールねじ式のアクチュエータ８を例示した。他の方式のリニアアクチュエータを適用してもよい。さらに他の例としては、図２に示すような回動式アクチュエータ１０の回動する腕の端部にカウンタマス９を固定し、カウンタマス９を矢印Ｃのように振り子状に前後に移動する構成が挙げられる。
２枚翼の場合は、図３及び図４に示すように、ブレード取付面から主軸４回りに９０度異なった部位に相当する両側部にカウンタマス７，７を、アクチュエータ８，８を介して取付けることで実施することができる。この場合も図１の一枚翼の例と同様、アクチュエータ８，８によりカウンタマス７，７はティータドロータのロータ回転面に対して垂直な方向Ｂに移動する。なお、この両側部にカウンタマス７，７を取付ける構成は、１枚翼風車に対しても適用することができる。

また本水平軸風車は、ティータドロータのアジマス角、ティータ角を計測する手段として、アブソリュートエンコーダやポテンションメータなどを備える。本水平軸風車は、ティータドロータに進入する風の吹上角を計測する吹上角計測手段として三次元超音波風速計などを備える。
さらに本水平軸風車は、各計測装置及びアクチュエータ８に接続される制御装置を備える。制御装置はティータ角制御手段及び演算手段を構成する。

次に、図５から図８を参照して各パラメータにつき説明する。図５は、回転軸方向から見たティータドロータの模式図、図６は、ティータ軸方向から見たティータドロータの模式図、図７及び図８は、横から見たティータドロータの模式図である。

図５〜図８において、ＴＲはティータドロータ、ＤはティータドロータＴＲの回転面を示す。図７及び図８において、ＷＵは吹上風向を示す。図５に示すようにφはティータドロータＴＲのアジマス角である。
図６に示すようにβはティータドロータＴＲのティータ角であり、ＭＡは主軸、ＲＡはティータドロータＴＲの垂直軸である。図７に示すように、ティータ角βがゼロのとき、主軸ＭＡとロータ垂直軸ＲＡは一致する。
図７及び図８に示すように、水平基準線ＴＨは吹上角γがゼロとなる風向き方向を示す。水平基準線ＴＨは原則的に水平線に一致するが、浮体式洋上風車等の非固定式風車にあっては変動する。非固定式風車にあっては、水平基準線ＴＨの変動によっても計測上吹上角γが増減する。
図７に示すように、α_０は主軸ＭＡのティルト角である。
図８に示すように、αは水平基準線ＴＨに対するロータ回転面Ｄの上下角であり、ロータ垂直軸ＲＡが水平基準線ＴＨに一致するとき０と定義する。α_０，αはロータの風を受ける面が下向きのとき負と定義する。Δαは、吹上風向ＷＵに対するロータ回転面Ｄの上下角であり、ロータ垂直軸ＲＡが吹上風向ＷＵに一致するとき０と定義する。

図９は、本水平軸風車に搭載される制御装置の演算・制御内容を示したブロックである。図９においてＷＴＧは、制御装置ＣＴを除く風力発電機の全体を示すブロックであり、ティータドロータの水平軸風車、各計測装置及びアクチュエータ８が含まれる。制御装置ＣＴのみ別ブロックで示す。制御装置ＣＴは、風力発電機ＷＴＧに搭載された計測装置からアジマス角φ、ティータ角β、吹上角γを取得する。

まず制御装置ＣＴは、計測装置から入力された（φ，β）に基づきブロックＢ１内に示す数式の通りに計算して、αを算出する。ここで、ティルト角α_０を有さないティータドロータの場合はティルト角α_０を０として計算する。
次に、制御装置ＣＴは、ブロックＢ１で算出したαと、計測装置から入力されたγを用いて、ブロックＢ２内に示す数式の通りに計算して、Δαを算出する。
制御装置ＣＴは、ブロックＢ２で算出したΔαにローパスフィルタＬＰＦを適用する。なお、必要に応じてローパスフィルタＬＰＦに代えてバンドパスフィルタ等、他のタイプのフィルタを用いても良い。
制御装置ＣＴは、ローパスフィルタＬＰＦを通過したΔα_Ｌを用いて、ブロックＢ３内に示す数式の通りに計算して、ＰＩ制御によりカウンタマス７の位置指令値eを算出し、アクチュエータ８に出力する。なお、ＰＩ制御に限らず例えばＰＩＤ制御を適用しても良い。

以上のようにして制御装置ＣＴは、カウンタマス７のアクチュエータ８に指令を与えてカウンタマス７の位置を制御し、カウンタマス７の自重により生じるティータ軸３回りのモーメントを増減させる。これによりティータドロータＴＲのティータ角はサイクリックに動作しロータ回転面Ｄが上下に傾動する。
すなわち、図１(a)においてカウンタマス７をナセル５側に移動させることによって図面上反時計回りのモーメントを発生、増大してロータ回転面Ｄを反時計回りに傾動させることができ、カウンタマス７を反対方向に移動させることによって図面上時計回りのモーメントを発生、増大してロータ回転面Ｄを時計回りに傾動させることができる。
上記位置指令値eを、上記演算により算出された上下角Δαを０とする又は減少させる位置指令として設定することにより、制御装置ＣＴは、風向の上下角に対して正対するように又は正対に近づくようにロータ回転面Ｄを上下に傾動制御する。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。
上記第１実施形態にあっては、吹上角を計測して風向の上下角に対して正対するようにロータ回転面Ｄを上下に傾動制御したが、本実施形態においては、吹上角計測手段を設けず、ロータの倒れを直す場合につき説明する。

ハードウエア構成としては、上記第１実施形態と同じである。但し、吹上角計測手段を使用しないので、これを設ける必要は無い。
制御処理内容としては、図９においてγ＝０とした制御を適用する。
以上により、制御装置ＣＴは、ロータ回転面Ｄが傾くことがあってもロータ回転面Ｄを垂直に直すように上下に傾動制御する。その作用を図１０を参照して説明する。

図１０(a)に示すようにロータに風力荷重Ｆが負荷される。主軸４より上側の風力荷重と下側の風力荷重の不均衡があると、風力荷重Ｆを受けてロータがティータ軸３回りに傾く。そのためティータ角βが増大する。図１０(b)に示すように風力荷重Ｆによりブレード１が撓むと、ブレード１の重心が風下側に移動するため、図１０(c)に示すようにさらにロータの倒れが大きくなりティータ角βがさらに増大する。
以上のような状況が生じたとき、所定大きさ以上のティータ角βが所定時間以上継続すれば、制御装置ＣＴは制御指令をアクチュエータ８に入力する。すると、アクチュエータ８は、図１０(d)の矢印Ｇに示すようにカウンタマス７を風上側に移動させる。カウンタマス７の自重によりティータ軸３回りにロータを起すモーメントＭが発生し、ロータが起される。
以上のようにしてロータ回転面Ｄの倒れを復旧し、ロータ回転面Ｄの倒れを抑制することができる。

１ ブレード
２ ハブ
３ ティータ軸
４ 主軸
５ ナセル
６ タワー
７ カウンタマス
８ アクチュエータ
９ カウンタマス
１０ アクチュエータ
Ａ ティータ軸
ＣＴ 制御装置
Ｄ ロータ回転面
ＬＰＦ ローパスフィルタ
ＭＡ 主軸
ＲＡ ロータ垂直軸
ＴＨ 水平基準線
ＴＲ ティータドロータ
ＷＴＧ 風力発電機
ＷＵ 吹上風向
β ティータ角
γ 吹上角
φ アジマス角

Claims (3)

1. ティータドロータと、
   前記ティータドロータを軸支する主軸と
   前記ティータドロータのロータ回転面に対して垂直な方向に移動可能に前記ティータドロータに取付けられたカウンタマスと、
   前記ティータドロータのアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、
   前記ティータドロータのティータ角を計測するティータ角計測手段と、
   前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき前記カウンタマスの位置を制御して、前記カウンタマスの自重により生じるティータ軸回りのモーメントを増減させることにより前記ティータドロータのロータ回転面を傾動制御するティータ角制御手段とを備える水平軸風車。
2. 前記ティータドロータに進入する風の吹上角を計測する吹上角計測手段と、
   前記吹上角計測手段の計測値、前記主軸のティルト角、前記アジマス角計測手段の計測値及び前記ティータ角計測手段の計測値に基づき、風に対する前記ロータ回転面の上下角を算出する演算手段とを備え、
   前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角に基づき前記ロータ回転面を傾動制御する請求項１に記載の水平軸風車。
3. 前記ティータ角制御手段は、前記演算手段の算出する上下角を減少させるように前記ロータ回転面を傾動制御する請求項２に記載の水平軸風車。

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