(57)【要約】【課題】風力発電装置の風速計および／または風向計への氷雪付着または風速計および／または風向計の氷結を抑制する。【解決手段】風力発電装置１は、風速計１０および風向計１２と、風速計１０および風向計１２のそれぞれに取り付けられ、風速計１０、風向計１２それぞれを強制的に動作させる第１強制回転モータ、第２強制回転モータと、を備える。第１強制回転モータは、風速計１０の風速計シャフトに連結され、風速計シャフトを強制的に回転させる。第２強制回転モータは、風向計１２の風向計シャフトに連結され、風向計シャフトを強制的に回転させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風速計および／または風向計と、
前記風速計および／または風向計に取り付けられ、前記風速計および／または風向計を強制的に動作させる駆動源と、を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記駆動源は、前記風速計および／または風向計のシャフトに連結され、当該シャフトを強制的に回転させるモータであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記シャフトを強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値に基づいて異常か否かを判定する異常判定部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記駆動源は、前記異常判定部において異常と判定された場合、前記風速計および／または風向計を異常強制動作モードで強制的に動作させ、前記異常強制動作モードで動作させない場合は前記異常強制動作モードとは異なる通常強制動作モードで前記風速計および／または風向計を強制的に動作させることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記駆動源は、風速が所定値未満の場合に前記風速計および／または風向計を強制的に動作させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記駆動源は、前記風速計および／または風向計を間欠的に強制動作させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風速計および／または風向計を備える風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギへの需要が高まっている。そのようなクリーン・エネルギを代表するもののひとつに風力発電がある。風力発電では、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない。
【０００３】
我が国には、降雪地域や外気温度が氷点下となりうる地域などの降雪寒冷地域が比較的多く存在する。降雪寒冷地域に風車などの風力発電装置を設置する場合、風力発電装置の運転制御にとって比較的重要なセンサのひとつである風速計・風向計に氷雪が付着したり、風速計・風向計が氷結しうる。氷雪付着や氷結が発生すると、正常な風速・風向測定ができなくなる虞がある。風向計・風速計の内部にヒータを有する風力発電装置もあるが、ヒータによる融雪・融氷では一般的に時間がかかり、風速計・風向計の復帰に時間がかかることとなる。また、内部ヒータだけでは融雪・融氷しきれない場合もある。
【０００４】
風速計・風向計に氷雪が付着している場合、それらのセンサにおける検出値は正常な値ではない可能性がある。風速計・風向計の検出値の異常は、カットアウト（強風のため風力発電装置を停止する処理）や風向追従などの風力発電装置の運転制御に悪影響を及ぼしうる。したがって、融雪・融氷が完了するまでは基本的に風力発電装置の運転を停止する必要がある。すなわち、融雪・融氷処理に時間がかかると、その分風力発電装置の稼働率が低下する。
【０００５】
氷雪付着や氷結への対処法としては、ヒータの設置の他にも例えば特許文献１に記載されるような手法が知られている。この手法では、ナセル上部に風向風速計の方向へ向けて開口するナセル内冷却風の吹出口を設け、ナセル内冷却風を氷結した風向風速計に当てることにより融雪・融氷を行う
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８６１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の手法では、吹出口を出たナセル内冷却風はナセルの外を所定距離進んでから風向風速計に当たる。したがって、ナセルの外を進んでいる間にナセル内冷却風の温度が下がり、十分な融雪・融氷効果が得られない可能性がある。
【０００８】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、風速計および／または風向計への氷雪付着または風速計および／または風向計の氷結を抑制できる風力発電装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は風力発電装置に関する。この風力発電装置は、風速計および／または風向計と、風速計および／または風向計に取り付けられ、風速計および／または風向計を強制的に動作させる駆動源と、を備える。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、風力発電装置の風速計および／または風向計への氷雪付着または風速計および／または風向計の氷結を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る風力発電装置の側面図である。
【図２】図１の風速計および風向計の正面図である。
【図３】制御部の機能および構成を示すブロック図である。
【図４】図１の風力発電装置におけるダウンタイム中の一連の処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１４】
実施の形態に係る風力発電装置のナセルには風速計および風向計が取り付けられている。風速計、風向計それぞれの回転シャフトはモータに連結されている。無風／弱風時やメンテナンス時やエラー停止時やブレードの回り始め／終わりなど風力発電装置が実質的に発電していないとき（以下、ダウンタイムと称す）、風速計に取り付けられたモータは風速計の回転シャフトを回転させることで風速計を強制的に動作させる。風向計に取り付けられたモータも同様に風向計の回転シャフトを回転させることで風向計を強制的に動作させる。このようなモータによる回転駆動は、ダウンタイム中に間欠的すなわち定期的に実施される。これにより、強制動作前に風速計や風向計に付着していた氷雪を強制動作により振り落とすことができる。また、強制動作中は風速計や風向計への氷雪の付着を抑制でき、あるいは風速計や風向計の氷結を抑制できる。
【００１５】
図１は、実施の形態に係る風力発電装置１の側面図である。風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、該ナセル３に対して回転自在に組付けられたロータヘッド４と、を備える。ロータヘッド４には、複数枚（例えば、３枚）の風車ブレード（風車翼とも称される）５が取り付けられている。ナセル３の内部には発電機（不図示）が設けられている。風力発電装置１は、風車ブレード５が風を受けることにより生じるトルクを発電機で電力に変換する。
【００１６】
風速計１０および風向計１２は、ナセル３の上部後方に取り付けられている。風速計１０は、風力発電装置１における風速を検出する。特に風速計１０は、風車ブレード５周辺での風速を検出する。風向計１２は、風力発電装置１における風向を検出する。特に風向計１２は、風車ブレード５周辺での風向を検出する。風力発電装置１の制御部（図１では不図示）は、風速計１０によって検出された風速および風向計１２によって検出された風向に基づいて、風力発電装置１の運転を制御する。
【００１７】
図２は、風速計１０および風向計１２の正面図である。風速計１０および風向計１２はナセル３に取り付け台２２を介して取り付けられている。風速計１０は、３つの風杯１４と、３つの風杯１４が一端に取り付けられた風速計シャフト１６と、風速計シャフト１６の他端に連結された風速検出部１８および第１強制回転モータ２０と、を含む。
【００１８】
３つの風杯１４、風速計シャフト１６および風速検出部１８は、公知の風杯型風速計と同様に構成されてもよい。例えば、風杯１４は半球殻または円錐殻の羽であってもよい。この風杯１４に風が当たると、凸面よりも凹面の方が空気抵抗が大きいために、凹面が押される方向に風速計シャフト１６が回転する。風速検出部１８は、この回転を歯車式の機構やフォトインタラプタを用いたカウンタなどで検出し、検出結果を数値や電気信号に変換して出力する。
【００１９】
第１強制回転モータ２０は、風速検出のために風速検出部１８に連結される風速計シャフト１６を回転させるように風速計シャフト１６に連結される。第１強制回転モータ２０は後述の制御部によって制御される。特に第１強制回転モータ２０は、制御部からの指示に基づき、風速計シャフト１６を強制的に回転させることで風速計１０を強制的に動作させる。この強制的な回転における回転の向きは、一方向であってもよいし、正逆回転であってもよい。
【００２０】
風向計１２は、矢羽根２４と、矢羽根２４が一端に取り付けられた風向計シャフト２６と、風向計シャフト２６の他端に連結された風向検出部２８および第２強制回転モータ３０と、を含む。
【００２１】
矢羽根２４、風向計シャフト２６および風向検出部２８は、風見鶏と同じ原理を用いる公知のベーン式風向計と同様に構成されてもよい。風向検出部２８は、風向の検出結果を数値や電気信号に変換して出力する。
【００２２】
第２強制回転モータ３０は、風向検出のために風向検出部２８に連結される風向計シャフト２６を回転させるように風向計シャフト２６に連結される。第２強制回転モータ３０は後述の制御部によって制御される。特に第２強制回転モータ３０は、制御部からの指示に基づき、風向計シャフト２６を強制的に回転させることで風向計１２を強制的に動作させる。
【００２３】
図３は、制御部３２の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。
【００２４】
制御部３２は、風速検出部１８、第１強制回転モータ２０、風向検出部２８および第２強制回転モータ３０と接続される。制御部３２は、発電制御部３４と、強制回転制御部３６と、強制回転トルク取得部３８と、異常判定部４０と、を含む。
【００２５】
風車ブレード５の回転数が規定回転数付近となっており発電機の出力が定格出力となっている発電状態において、発電制御部３４は、風速検出部１８から入力される風速の検出結果および風向検出部２８から入力される風向の検出結果に基づいて、風力発電装置１における発電を制御する。例えば、発電制御部３４は、風速の検出結果を継続的に監視し、突風の発生を検知するとカットアウトを実行する。また、発電制御部３４は、風向の検出結果を継続的に監視し、風向の急変を検知すると所定の風向急変対応処理を実行する。このように、発電状態において風速および風向は風力発電装置１の運転を制御するためのパラメータとなっているので、そのようなパラメータの継続的な監視を可能とするため、本実施の形態では発電状態では風速計１０、風向計１２の強制動作は行わない。
【００２６】
発電状態ではない非発電状態において、強制回転制御部３６は、所定のアルゴリズムに基づき第１強制回転モータ２０および第２強制回転モータ３０を使用して風速計１０および風向計１２を強制的に動作させる。非発電状態は例えばダウンタイムに対応する。
【００２７】
強制回転制御部３６は、ダウンタイム中に定期的に、風速の検出値に基づき風速計１０、風向計１２の強制回転を実行すべきか否かを判定する。特に強制回転制御部３６は、風速検出部１８から得られる風速の検出値が所定の弱風値未満の場合、風速計１０および風向計１２の強制回転を実行すべきであると判定する。
【００２８】
強制回転制御部３６は、強制回転を実行すべきであると判定された場合、第１強制回転モータ２０および第２強制回転モータ３０の駆動を開始する。強制回転制御部３６は、駆動開始から所定の強制回転期間が経過すると、各モータを非駆動状態とする。
【００２９】
強制回転トルク取得部３８は、風速計シャフト１６を強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値を取得する。強制回転トルク取得部３８は、第１強制回転モータ２０が風速計シャフト１６を所定の強制回転数で回転させるときの消費電力またはモータ電流を、第１強制回転モータ２０から取得し、取得された電力値または電流値をトルクの検出値に換算してもよい。また強制回転トルク取得部３８は、別途風速計シャフト１６に取り付けられたひずみゲージ（不図示）等のトルク検出部からトルクの検出値を取得してもよい。
【００３０】
異常判定部４０は、強制回転トルク取得部３８によって取得されたトルクの検出値に基づいて、風速計１０に異常が発生しているか否かを判定する。異常判定部４０は、トルクの検出値が正常範囲を外れる場合、風速計１０が凍結状態などの異常状態にあると判定する。トルクの正常範囲は、実質的に無風のときに（氷結も氷雪付着もない風速計１０の）風速計シャフト１６を強制回転数で回転させるために必要なトルクの値を基準に設定される。
【００３１】
なお、風速計シャフト１６の強制的な回転は風が比較的弱いときに発生するので、風速計シャフト１６を強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値に対する風の寄与は比較的小さい。あるいは、弱風値を、そのような寄与が無視できるように設定してもよい。
【００３２】
強制回転制御部３６は、異常判定部４０において凍結状態にあると判定された場合、風速計１０および風向計１２を異常強制動作モードで強制的に動作させる。異常強制動作モードでは、強制回転制御部３６は以下の処理のうちのいずれかまたは組み合わせを実行する。
（１）強制回転を実行すべきか否かを判定する周期（以下、試行周期と称す）を短くする。
（２）強制回転期間を長くする。
（３）強制回転数を高める。
（４）風速計１０や風向計１２にヒータが取り付けられている場合、そのヒータに通電する。
【００３３】
異常判定部４０は、異常強制動作モードにおいて取得されたトルクの検出値が正常範囲に入ると、風速計１０の凍結状態が解消されたと判定する。強制回転制御部３６は、そのように判定されると、異常強制動作モードを解除し、風速計１０および風向計１２を通常強制動作モードで強制的に動作させる。
【００３４】
以上のように構成された風力発電装置１の動作を説明する。
図４は、風力発電装置１におけるダウンタイム中の一連の処理の一例を示すフローチャートである。強制回転制御部３６は、前回の強制回転試行から試行周期が経過したか否かを判定する（Ｓ２０２）。試行周期が経過していないと判定された場合（Ｓ２０２のＮ）、強制回転制御部３６は所定期間待機した後、処理をステップＳ２０２に戻す。試行周期が経過したと判定された場合（Ｓ２０２のＹ）、強制回転制御部３６は不図示の温度計から得られる気温の検出値が摂氏０度より低いか否かを判定する（Ｓ２０４）。気温の検出値が摂氏０度以上である場合（Ｓ２０４のＮ）、強制回転制御部３６は強制回転不要として強制回転の試行を完了し、処理をステップＳ２０２に戻す。気温の検出値が摂氏０度以上で強制回転を不要とするのは、摂氏０度以上では氷結や氷雪付着の可能性は比較的低いからである。
【００３５】
気温の検出値が摂氏０度より低い場合（Ｓ２０４のＹ）、強制回転制御部３６は風速の検出値と弱風値とを比較する（Ｓ２０６）。風速の検出値が弱風値以上である場合（Ｓ２０６のＮ）、強制回転制御部３６は強制回転不要として強制回転の試行を完了し、処理をステップＳ２０２に戻す。風速の検出値が弱風値以上で強制回転を不要とするのは、ある程度の風速があれば風速計１０および風向計１２はいずれも動作しており、そのような動作状態では氷結や氷雪付着の可能性は低いからである。
【００３６】
風速の検出値が弱風値より小さい場合（Ｓ２０６のＹ）、強制回転制御部３６は、第１強制回転モータ２０および第２強制回転モータ３０の駆動を開始することで、風速計１０および風向計１２を強制的に動作させる（Ｓ２０８）。強制回転トルク取得部３８は、風速計１０の強制動作に必要なトルクの検出値を取得する（Ｓ２１０）。
【００３７】
異常判定部４０は、トルクの検出値が正常範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ２１２）。トルクの検出値が正常範囲内にあると判定された場合（Ｓ２１２のＹ）、異常判定部４０は、それまで異常強制動作モードであった場合には異常強制動作モードを終了して通常強制動作モードを開始し、それまで通常強制動作モードであった場合にはその通常強制動作モードを継続する（Ｓ２１４）。トルクの検出値が正常範囲を外れていると判定された場合（Ｓ２１２のＮ）、異常判定部４０は、それまで通常強制動作モードであった場合には通常強制動作モードを終了して異常強制動作モードを開始し、それまで異常強制動作モードであった場合にはその異常強制動作モードを継続する（Ｓ２１６）。ステップＳ２１４またはステップＳ２１６が完了し、強制回転期間が経過すると、処理はステップＳ２０２に戻る。
【００３８】
本実施の形態に係る風力発電装置１によると、ダウンタイム中に定期的に、第１強制回転モータ２０および第２強制回転モータ３０が風速計１０および風向計１２をそれぞれ強制的に動作させる。したがって、強制動作前に風速計１０や風向計１２に付着していた氷雪を強制的に振り落とすことが可能となる。また、強制動作中は風速計１０や風向計１２への氷雪の付着や氷結を抑制することができる。
【００３９】
また、風が比較的弱い期間が続く場合、風速計１０や風向計１２に氷雪が付着しやすくなり、また風速計１０や風向計１２の氷結が発生しやすくなる。そこで、本実施の形態に係る風力発電装置１では、風速の検出値が弱風値未満の場合に強制動作が実行される。したがって、より効率的に氷雪の付着や氷結を抑制できる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、風速計１０の強制動作用のモータは風速計１０の風速計シャフト１６に連結され、風向計１２の強制動作用のモータは風向計１２の風向計シャフト２６に連結される。したがって、別途強制動作用のシャフトを設ける必要はなく、部品点数およびコストを削減できる。
【００４１】
また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、強制動作のために必要なトルクを利用して、風速計１０や風向計１２に異常が生じているか否かが判定される。したがって、異常と判定された場合には適切な異常対応処理を行うことができる。特に本実施の形態では、強制動作のモードを異常判定時と通常時とで分け、異常強制動作モードにおいて強制動作のために使用されるエネルギを、通常強制動作モードにおいて強制動作のために使用されるエネルギよりも多くしている。これにより、風速計１０や風向計１２の氷雪の付着具合や氷結の度合いにより即した強制動作が実現される。
【００４２】
ダウンタイム中に継続的に強制動作を行えば氷雪付着や氷結の可能性はより低減されるが、ダウンタイム中の風速が分からなくなるので、いつ風力発電装置における発電を開始すればよいかの指標が得られなくなる。そこで、本実施の形態に係る風力発電装置では、強制動作は間欠的に行われる。したがって、風力発電装置１は、強制動作が行われないときの風速計１０における検出値を参照して、発電を開始すべきか否かを判断できる。
【００４３】
このように、本実施の形態に係る風力発電装置１によると、寒冷地の降雪寒冷環境下においても、風速計・風向計の氷結や氷雪付着を抑制することで、または、氷結した風速計・風向計の復帰に要する時間を短縮することで、風力発電装置１の稼働率の低下を最小限に抑えることができる。また、風速計・風向計の検出結果の信頼性が向上するので、風力発電装置１の運転制御の信頼性が向上する。
【００４４】
以上、実施の形態に係る風力発電装置１について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４５】
実施の形態では、強制回転トルク取得部３８は風速計シャフト１６を強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値を取得する場合について説明したが、これに限られず、強制回転トルク取得部は風向計シャフト２６を強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値を取得してもよい。この場合のトルクの検出方法は風速計シャフト１６に係るトルクの検出方法に準ずる。また、強制回転トルク取得部３８は、風速計シャフト１６を強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値および風向計シャフト２６を強制的に回転させるのに必要なトルクの検出値の両方を取得してもよい。
【００４６】
実施の形態では、風力発電装置１は、ダウンタイム中であり、かつ、弱風時または無風時に風速計１０および風向計１２の強制動作を実行する場合について説明したが、これに限られない。例えば、風力発電装置は、風速の検出値と弱風値との比較により風力発電装置１が発電状態にあるか非発電状態にあるかを判定するよう構成されてもよい。また、風力発電装置は、発電を開始する際に強制動作を実行してもよい。
【００４７】
実施の形態では、風速計１０や風向計１２のシャフトを強制的に回転させることで強制動作を実現する場合について説明したが、これに限られない。例えば、風速計または風向計に振動モータを取り付け、該振動モータを駆動することで強制動作を実現してもよい。この場合の強制動作は、風速計１０または風向計１２の振動である。振動モータは、例えば偏心重りがシャフトに取り付けられた電気モータであってもよいし、リニアモータであってもよい。
【００４８】
実施の形態では、気温が摂氏０度より低い場合に強制動作を実行する場合について説明したが、これに限られず、例えば制御部はインターネットなどのネットワークを介して天気予報の情報を取得し、取得された情報に基づいて強制動作を実行するか否かを決定してもよい。例えば、制御部は、天気予報の情報が降雪の可能性を示す場合に間欠的な強制動作を実行してもよい。
【００４９】
実施の形態では、風速検出部１８と第１強制回転モータ２０とが別体である場合について説明したが、これに限られない。例えば、風速計が発電機により回転の電気信号を取得する形式の風速計である場合、強制動作時には発電機をモータとして使用すればよい。
【００５０】
実施の形態において、制御部３２は、異常強制動作モードにおいては風速計１０および風向計１２における検出値を信頼できない検出値として扱ってもよい。
【００５１】
実施の形態では、気温の検出値が摂氏０度以上である場合、その試行では強制回転もトルクの検出値による異常判定も行わない場合について説明したが、これに限られない。氷雪付着や氷結による異常の場合は基本的には実施の形態の手法でよいが、これら以外にも、風速計や風向計内のベアリングの損傷や錆び、風速計の風杯ひとつの破損、信号線の断線などの機械的な損傷による異常も考えられる。このような機械的な損傷による異常に対して、気温の検出値に依らずに、トルクの検出値による異常判定で対応するようにしてもよい。
【００５２】
例えば、図４に示されるステップＳ２０４を削除してもよい。あるいはまた、ステップＳ２０４をステップＳ２１２の後に移動してもよい。すなわち、ステップＳ２１６やステップＳ２１４を実行する前に、ステップＳ２０４の判定を実行するようにしてもよい。
【００５３】
また、制御部はオペレータに異常を通知してもよい。例えば、図４に示されるループを所定回数繰り返しても異常が解消されない場合に、制御部はオペレータに異常を通知してもよい（ランプを点灯させる、異常信号を出力する、電子メールを送信する、など）。制御部は、気温の条件によってループ回数による判定条件を変えてもよい。例えば、制御部は、気温の検出値が摂氏０度以上である場合、ループ２回（ステップＳ２１２のＮが２回連続で発生）でエラーを通知してもよい。制御部は、気温の検出値が摂氏０度より低い場合、ステップＳ２１２のＹが発生するまでループを繰り返してもよい。あるいはまた、制御部は、ループ回数が３０回等の所定の回数に達したらエラーを通知してもよい。
【００５４】
実施の形態において、制御部は、ステップＳ２０２を実行する際、異常強制動作モードと通常強制動作モードとで試行周期を変えてもよい。特に、異常強制動作モードの場合、トルクが正常に戻ったか否かを速やかに確認するために、制御部は試行周期を短くしてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１  風力発電装置、  ２  支柱、  ３  ナセル、  ４  ロータヘッド、  ５  風車ブレード、  ６  基礎、  １０  風速計、  １２  風向計、  ３２  制御部。
【図１】
2014163265.tif 000003
【図２】
2014163265.tif 000004
【図３】
2014163265.tif 000005
【図４】
2014163265.tif 000006