JPH0762471B2 - 風力発電塔マスト・トップの方位制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、風のエネルギーを利用して回転する多翼形の
羽根を備えた風力発電塔のマスト・トップの方位制御装
置に関するものである。

従来の技術とその問題点 従来より自然エネルギーを利用した試みは、その経済性
の理由から色々の提案がなされている。太陽光発電装
置、太陽熱発電装置、地熱発電、潮流発電、海水温度差
発電、波浪発電等に加えて、風力発電もクリーン・エネ
ルギー源による発電方法として注目されている。

風力エネルギーを風車によって回転エネルギーに交換せ
しめ、これによって水汲み、臼回転、杵突き等の用途と
して使用することは、古くから実施されてはいるが、最
近は、離島や交通の便の不自由な箇所、あるいは保守頻
度の比較的低い場所での小型エネルギー源としての用途
が開発されつつある。

風力エネルギーの貯蔵方法としては、通常熱貯蔵方式に
よるものと、電気貯蔵方式によるものが知られている。
前者は風車の回転エネルギーをピストンの往復運動に変
換し、この力によって空気を断熱圧縮／膨張せしめるこ
とによりこのエネルギーを熱に変換し、これを温水とし
て保存する方法やあるいはその熱を水素貯蔵合金によっ
て貯蔵する方法も試みられている。

風車の回転エネルギーを発電機に伝え、これによって電
気エネルギーとした場合、これを蓄電池に充電するのが
最も一般的に行われている方法である。この他に風車に
よってポンプを作動し、水を上部のタンクへ揚水して、
風力エネルギーを位置エネルギーに変換して貯蔵するこ
とも可能である。

風力発電に使用される風車は、その回転軸が風向に対し
て垂直形のものと風向に正対、即ち水平形のものに大別
される。

垂直形風車としては、ダリュウス形風車がよく知られて
いる。この風車は回転翼を３〜４枚有し、いずれの方向
からの風に対しても回転する、即ち風車の風向制御が不
要である利点がある反面、自己起動が困難である欠点を
有している。これは風車の初期始動トルクに関するもの
で、停止した状態から回転を開始するに必要な最低風速
（以下これをカット・イン風速と略称する。）が大きい
ことを意味している。

水平形風車としては、プロペラ形のものが一般的であ
る。この方式は単位電力あたりの建設費用が最も安く、
風速に対する回転変換率が高く、従ってこれまでの実績
も最も多く行われた方式である反面、回転数の割りには
力は強くはない点が短所である。

同じ水平形風車ではあるが上記のプロペラ形風車の欠陥
を改善したものに翼の枚数を増やしたり、その翼面積を
増大した多翼形風車もよく知られている。またこの際、
翼の形状についてもエネルギー変換効率の高い方式が試
みられている。

この方式は僅かな風でも回転する、即ちエネルギー変換
効率のよい利点がある反面、風速に対する回転数変換率
が低いのが共通した欠点である。

国内外を通じて見られる大型の回転する羽根を有する水
平形風車を有する風力発電塔は、年間を通じて最も可能
性の高い風向に対して風車塔の向きを設定した、一定方
位の固定形建造物に設置されているのがほとんどであ
る。

回転する羽根を有する風力発電塔のうち、特に羽根を含
めた風に直面する上位の部分をマスト・トップと呼称す
るが、該マスト・トップをその時々に変化する風向に対
応して正対する様に制御すること（以下これをYAW制御
と略称する。）は風力エネルギーを最大に利用する上に
有効であることが自明であるにもかかわらず、主として
経済的理由からこれが実施されることが少なかった。

風向は原理的には時々刻々変化するものではあるが、季
節的あるいは気象上、地形上の理由からもっとも可能性
の高い風向が統計的に割り出され、これが固定形風車塔
のマスト・トップの向きの基準とされてきた。その様な
理由から、風向追尾を自動化する試みについては、技術
の蓄積も少なく、実用化されることも少なかったのであ
る。一部のマスト・トップには、一部可動形のものも見
られるが、しかしそれは人力によって操作されるものが
多く、その調整作業も極めて煩雑で、作業能率の低いも
のであった。

発明の目的 本発明は容易な手段で時々刻々変化する風向にマスト・
トップを正対させることにより、風力エネルギーをより
有効に活用する風力発電塔マスト・トップの方位制御装
置を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は上記目的を達成すべく、回転する羽根を有する
多翼形水平形風車とそれに連動する発電部からなるマス
ト・トップを360度の全方位に旋回可動成らしめ、加え
て別置する風向／風速計からの電気信号と、方位制御部
から得られる、その時点でのマスト・トップの方位を基
準とする基準値に関する電気信号とを比較し、次にマス
ト・トップを旋回させる方位の制御信号に変換し、この
制御信号に基づいてマスト・トップを旋回させる機械駆
動部によって構成され、一定時間毎に一定の角度でマス
ト・トップを常に風向と正対させる自己修正機構を有す
ることを特徴とするものである。

実施例 本発明をその実施例を示す図面より説明する。第１図は
本発明の風力発電システム全体構成図である。Ａ部は風
車塔を構成するマスト・トップと、風力によって回転す
る風車が回転させる発電機、これによって得られた電気
エネルギーを整流する整流器、これによって得られた直
流電力を貯蔵する蓄電池を有する風車塔の固定部であ
る。

この電気エネルギーは負荷、例えば外部の水汲みポンプ
や街路の照明灯に、更にはカット・イン風速以下の風に
対して風車を駆動すべく、インバータから電力が適宜供
給される。

また風の少ない日に備えて、外部の商用電力が充電器を
介して蓄電池に供給され、蓄電池の自己放電あるいは充
電の不足分を充電する。

また風速が限度を越えて大なる場合に風車の過回転を検
出し自動的にこれを停止させる機構を備え、反対に小さ
過ぎる場合には、風車の回転主軸に連結した駆動モータ
によりクラッチを介してインバータからの電力で回転
し、カット・イン風速以上になった時、風車が自力回転
し易くする様にクラッチを切り離す様になっている。

一方、風車塔やそれに関連する装置を補修する場合やそ
の他必要に応じてブレーキ・モータを駆動して風車にブ
レーキを掛け、風車の回転軸を固定することに加えて、
図示されてはいないが、更に安全性を高めるため固定用
ロック・ピンを主軸回転ブレーキのドラム部に挿入し回
転を安全に停止させる様になっている。これらを作動す
るための電気信号はいずれもシーケンサー・コントロー
ル部Ｅから発信される。

Ｂ部はマスト・トップを旋回させる機械駆動部である。
この装置はマスト・トップの下部にあり、シーケンサ・
コントロール部Ｅから発信された電気信号に基づき相対
するYAWモータを駆動せしめまたブレーキを作動してマ
スト・トップ全体を固定する。

Ｃ部はその時点で設定されていたマスト・トップの方位
の基準値に関する電気信号を送出する方位制御部で、こ
の電気信号とその時入ってきた風向／風速計からの電気
信号とを後述するシーケンサ・コントロール部によって
比較し、マスト・トップが次に旋回すべき方位と旋回す
べき方向を定めるものである。

Ｄ部は風車塔とは別置された風向／風速計で、それに基
づく電気信号を得る変換器が備えられている。ここでの
電気信号はシーケンサ・コントローラ部Ｅのデータ処理
部に入力され本発明の装置全体の作動判断基準となる。

Ｅ部は該風向／風速計の変換信号に基づきYAW制御に必
要な入出力に関する信号指令を行うプロセス制御回路と
これを電力的に制御する制御回路とで形成されるシーケ
ンサ・コントロール部である。このプロセス制御回路お
よび制御回路は実線で示されるパワー・ラインと点線で
示される信号ラインによってそれぞれの機器に接続され
またそこからの電気信号は先述のＡ部からＣ部に適宜送
られ本装置全体を統一された動作を行わしめる基礎とな
るものである。

なおＤ部においては常時風向、風速が計測されてはいる
が、それらは時々刻々変化するため、そのままマスト・
トップの方位制御に利用されるわけではない。即ち通常
は、変換器によってあらかじめ設定された一定時間内で
の風向、風速に関する計測値を積分し、その平均値およ
びその偏差値からその時間内で最も可能性の高い風向が
定められて風の方位に関する電気信号として送出され、
それに基づいて一定時間ごとに次にマスト・トップが採
るべき最適の方向を決めている。

次いでマスト・トップが旋回すべき方向を定め最短時間
で目的とする方位への移動が達成される。

第１図の、スリップ・リングは旋回するマスト・トップ
と固定台の間にあって旋回を容易ならしめるものである
が、マスト・トップは360度の全方位旋回をするため電
気信号は全てこの部分で摺動接合している様子を示した
ものである。従ってスリップ・リングの左側はマスト・
トップ、右側は風車塔の固定部に相当する。

第２図はマスト・トップをYAW制御する制御構成図であ
り、１は風向／風速計、２はアナログ信号を電気的に変
える変換器、３は風の方位を検出しその値をその時のマ
スト・トップの基準方位と比較を行う方位基準比較制御
部、４は風向の方位出力信号によりYAWを旋回させるた
めの旋回方向の判断とYAW制御機構、５はマスト・トッ
プの旋回始動および旋回を停止するための指令信号のた
めの回路である。

第３図は本発明による風車塔の一例である。６は発電機
等を収納した機械室で、この部分と風車の羽根を含めて
マスト・トップが構成される。７はマストトップを旋回
するための電動ロール機構、８は該電動ロール機構が旋
回するレールである。９は展望室、10はシーケンサ・コ
ントロール部Ｅおよび整流器、充電器、蓄電池を収納す
るシーケンサ、コントロール部Ｅ室、11は風向／風速計
の台、12は支柱である。

第４図は機械室を360度旋回させるために開発されたYAW
制御部の機構図である。13はメイン・ローラ、８は固定
レール、14は旋回用サイクロ減速電動機、15は該減速電
動機に直結している歯車、16は旋回用の固定ピン、17は
マスト・トップ支柱架台であり、18は固定レール８を支
持する鉄骨固定台である。

その運動機構を説明すれば、シーケンサ・コントロール
部Ｅからの制御信号により旋回用サイクロ減速電動機14
が起動すると、歯車15に減速された回転が加わり固定ピ
ン16のガイドラインに沿ってマスト・トップが旋回す
る。

第５図は第４図を上部から眺めたYAW制御機構の平面説
明図である。その運動機構を説明すれば、固定レール８
の内周に設置された旋回用固定ピン16に当接しつつサイ
クロ減速電動機14に直結された旋回用歯車15は固定レー
ルの内側を回転する。この時前記マスト・トップ支柱架
台17に取り付けられた、メインローラ13は主たる軌道保
持のために固定レール８の上面を回転し、サイドローラ
19は側面の位置を保持するために固定レール８の内周縁
を回転し、浮き上がり防止ローラ20は上下の位置を保持
するために固定レール８の裏面を回転しつつマスト・ト
ップの旋回を容易ならしめるように作動する。

風力発電により負荷に電力を供給するとともに余剰電力
を蓄電池にたくわえる発電装置にあって、その風力エネ
ルギーの利用効率を高めるためにはあまねく方向の風を
利用せねばならないが、それにはマスト・トップを風向
と正対させる必要があるが本発明はそれを可能ならしめ
たものである。

発明の効果 上述したごとく、本発明は回転する羽根を有する多翼形
風力発電塔において、そのマスト・トップを一定時間ご
とに検出された最適風向に正対させることによって僅か
な風力でも電気エネルギーに変換できる長所を有し、そ
の工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の概略構成図、第２図はマスト・トップ
をYAW制御する制御構成図、第３図は本発明による風車
塔の例、第４図はYAW制御構成図、第５図はYAW制御構成
図の上部説明図である。 １……風向／風速形、６……機械室、９……展望室、13
……メイン・ローラ、15……歯車、19……サイド・ロー
ラ、24……サイクロ減速電動機収納ケース

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多翼形の羽根を備えた風車を有し、マスト
   ・トップ支柱架台に固定されてなるマスト・トップ、こ
   のマスト・トップの下部に設けられ、前記マスト・トッ
   プ支柱架台を360度旋回させる機械駆動部およびマスト
   ・トップの方位の基準値に関する電気信号を送出する方
   位制御部を備えた風車塔と、前記風車塔とは別置され、
   風の方位に関する電気信号を一定時間ごとに送出する風
   向／風速計とからなる風力発電塔マスト・トップの方位
   制御装置であって、前記機械駆動部はマスト・トップ支
   柱架台に設けられた旋回用サイクロ減速電動機と、この
   旋回用サイクロ減速電動機に直結された歯車と、この歯
   車を当接させて前記マスト・トップ支柱架台を旋回させ
   る固定レールとからなり、かつ前記方位制御部からの電
   気信号と前記風向／風速計からの電気信号とを一定時間
   ごとに比較し、次にマスト・トップを旋回させる方位の
   制御信号に変換するプロセス制御回路と、このプロセス
   制御回路からの制御信号に基づいてパワーを送出する制
   御回路とを有するシーケンサ・コントロール部を備え、
   このシーケンサ・コントロール部の制御回路からのパワ
   ーを前記旋回用サイクロ減速電動機および方位制御部に
   送出して一定時間ごとに前記マスト・トップを常に風向
   と正対せしめるように方向修正することを特徴とする風
   力発電塔マスト・トップの方位制御装置。