(57)【要約】【課題】  幅広い風速範囲において高効率な発電を実現する。【解決手段】  発電機のメインシャフトの一端側に複数のブレードを設ける。ブレードのピッチ角を変えることによりメインシャフトの回転を制御するピッチアクチュエータ３４ａ〜３４ｆを設ける。周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定し、アクチュエータ３４ａ〜３４ｆを制御してブレードのうちの有効翼枚数のブレードのピッチ角を有効翼角度とする風力発電機制御装置３１を設ける。【選択図】      図３
2006152863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機の回転軸の一端側に設けられた複数のブレードと、これらブレードのピッチ角を変化させるピッチアクチュエータとを備えた風力発電装置であって、
周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定し、前記アクチュエータを制御して前記ブレードのうちの前記有効翼枚数のブレードのピッチ角を有効翼角度とする制御装置を設けたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
制御装置は、ブレード全体のバランスを考慮して選定された特定のブレードのピッチ角を有効翼角度とすることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
風速を検出する風速計と回転軸の回転数を検出する回転数センサとをさらに備え、制御装置は、前記回転軸の回転数と風速とブレードの寸法データとに基づいて周速比を演算することを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
【請求項４】
ピッチ角が可変とされた複数のブレードが発電機の回転軸に設けられた風力発電装置における出力制御方法であって、
周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定し、前記ブレードのうちの前記有効翼枚数のブレードのピッチ角を有効翼角度とすることを特徴とする風力発電装置の出力制御方法。
【請求項５】
ブレード全体のバランスを考慮してブレードを選定し、当該選定されたブレードのピッチ角を有効翼角度とすることを特徴とする請求項４記載の風力発電装置の出力制御方法。
【請求項６】
前記回転軸の回転数と風速とブレードの寸法データとに基づいて周速比を求め、このようにして求められた周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定することを特徴とする請求項４または５記載の風力発電装置の出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力によって発電機を回転させて発電する風力発電装置及びその出力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電機が接続されたメインシャフトの端部にハブを介してブレードを取り付け、風力をブレードに受けることにより上記メインシャフトを回転させて発電する風力発電装置が開発されている。この種の風力発電装置では、その発電出力の制御方法として、ブレードのピッチ角を固定とし、一定以上の風速にて空気特性により失速現象を生じさせて出力制御を行うストール型、ブレードのピッチ角を変化させることにより出力制御を行う可変ピッチ型、あるいはこれらを組み合わせたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２２１１４５号公報
【特許文献２】特開２００２−３４９４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、風力発電装置にはより広い風速範囲で高効率の発電を実現することが要求されるが、風力発電装置の発電効率は、周知のように周速比（風速と翼端回転速度の比）によって一義的に規定されるものであり、よって高発電効率を実現する風速範囲を広げることには限界がある。なお、ブレードの翼端回転速度は遠心力や騒音により実際には最高速度に上限がある。
【０００４】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来より広い風速範囲において高率な発電を実現することが可能な風力発電装置及びその出力制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の風力発電装置は、発電機の回転軸の一端側に設けられた複数のブレードと、これらブレードのピッチ角を変化させるピッチアクチュエータとを備えた風力発電装置であって、周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定し、前記アクチュエータを制御して前記ブレードのうちの前記有効翼枚数のブレードのピッチ角を有効翼角度とする制御装置を設けたことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の風力発電装置は、制御装置がブレード全体のバランスを考慮して選定したブレードのピッチ角を有効翼角度とすることを特徴とする。
【０００７】
さらに、本発明の風力発電装置は、風速を検出する風速計と回転軸の回転数を検出する回転数センサとをさらに備え、制御装置は、前記回転軸の回転数と風速とブレードの寸法データとに基づいて周速比を演算することを特徴とする。
【０００８】
一方、本発明の風力発電装置の出力制御方法は、ピッチ角が可変とされた複数のブレードが発電機の回転軸に設けられた風力発電装置における出力制御方法であって、周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定し、前記ブレードのうちの前記有効翼枚数のブレードのピッチ角を有効翼角度とすることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の風力発電装置の出力制御方法は、ブレード全体のバランスを考慮してブレードを選定し、当該選定されたブレードのピッチ角を有効翼角度とすることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の風力発電装置の出力制御方法は、前記回転軸の回転数と風速とブレードの寸法データとに基づいて周速比を求め、このようにして求められた周速比に基づいて最適な有効翼枚数を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の風力発電装置及び出力制御方法によれば、周速比に基づいて求めた有効翼枚数のブレードのピッチ角を有効翼角度とすることにより、幅広い風速範囲において高い出力効率の発電を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る風力発電装置及び出力制御方法について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係わる風力発電装置の全体構造を示す正面図、図２は本風力発電装置における発電機本体の概略構造を示す断面図である。これら図１及び図２に示すように、風力発電装置１１は、地上に立設されたタワー１２の上端部に設けられた発電機本体１３を有しており、この発電機本体１３が、タワー１２に対して水平面内にて回動可能に支持されている。発電機本体１３は、ナセル１４の先端部に、複数のブレード１５を有するハブ１６を有している。なお、本実施形態では、６枚のブレード１５を備えている。
【００１３】
複数のブレード１５を有するハブ１６は、ナセル１４に回転可能に支持されたメインシャフト（回転軸）１８の先端部に固定されている。メインシャフト１８は、増速機１９を介して発電機２０と連結されており、メインシャフト１８が回転されることにより、その回転が増速機１９によって増速されて発電機２０に伝達され、この発電機２０にて発電される。各ブレード１５は、ハブ１６に対して回動可能に連結されており、それぞれ後述のピッチアクチュエータによってピッチ角が可変とされている。
【００１４】
次に、本風力発電装置１１の制御系について説明する。
図３は、本風力発電装置１１の制御系を示すブロック図である。この図３に示すように、風力発電装置１１は、風力発電機制御装置３１を備えている。この風力発電機制御装置３１には、風速計３２及び回転数センサ３３が接続されている。風速計３２は、例えば発電機本体１３近傍に設けられており、風速を計測して風力発電機制御装置３１に出力する。回転数センサ３３は、メインシャフト１８の回転数を検出して風力発電機制御装置３１に出力する。
【００１５】
発電機制御装置３１は、図４に示す特性データつまり周速比（風速と翼端回転速度の比）と本風力発電装置１１の出力効率との関係を各ブレード１５の枚数毎に示すデータ、及び同一形状に形成された各ブレード１５の形状を示す寸法データを内部に記憶する一方、これら記憶データと上記風速とメインシャフト１８の回転数とに基づいてピッチアクチュエータ３４ａ〜３４ｆを制御するものである。各ピッチアクチュエータ３４ａ〜３４ｆは、各ブレード１５毎に設けられ、各ブレード１５のピッチ角を各々可変設定するものである。
【００１６】
ここで、図４に示されているように、上記周速比と出力効率との関係は、出力効率がブレードの枚数毎に所定の周速比においてピークとなる特性を有している。そして、そのピークは、ブレードの枚数が多くなる程により小さな周速比において与えられる。すなわち、本風力発電装置１１の出力効率が最大値を取る周速比は、ブレードの枚数が多くなる程に小さくなる。
【００１７】
このような特性データは、発電機制御装置３１内に設けられた記憶装置にブレードの枚数毎に記憶されている。また、同一形状に形成された各ブレード１５の形状を示す寸法データも、上記特性データと同様に記憶装置に記憶されている。
【００１８】
次に、このように構成された本風力発電装置１１の動作について詳しく説明する。
風力発電機制御装置３１は、風速計３２及び回転数センサ３３から入力された検出信号に基づいて周速比を演算する。すなわち、上記寸法データにはブレード１５の長さを示すデータが含まれており、風力発電機制御装置３１は、メインシャフト１８の回転数とブレード１５の長さとに基づいてブレード１５の翼端回転速度を求め、さらに当該翼端回転速度と風速計３２から得られた風速とに基づいて周速比を求める。
【００１９】
そして、風力発電機制御装置３１は、このようにして求めた周速比を特性データに当てはめることにより各翼枚数における出力効率を算出し、最も出力効率を与える翼枚数を最適な有効翼枚数として割り出して、ブレード１５の各ピッチアクチュエータ３４ａ〜３４ｆへ制御信号を送信する。例えば周速比が１０であった場合、最も大きな出力効率を与える翼枚数は２枚であるが、周速比が８になった場合には、最も大きな出力効率を与える翼枚数は３枚である。
【００２０】
すなわち、最も大きな出力効率を与える翼枚数つまり最適な有効翼枚数は、周速比に応じて、つまり翼端回転速度は騒音等の関係である値以下に抑えられるので実質的には風速に応じて変化するが、風力発電機制御装置３１は、一定のタイムインターバルで順次連続的に周速比を演算して特性データに当てはめることにより、風速に応じて順次動的に変化する有効翼枚数を決定する。
【００２１】
そして、風力発電機制御装置３１は、各ピッチアクチュエータ３４ａ〜３４ｆを個別に制御することにより、上述したように割り出した有効翼枚数のブレード１５だけのピッチ角を、図５（ａ）に示すように、風の流入方向Ａに対して流体力Ｆｒを有効に利用できる有効翼角度とした有効ブレード１５ａとし、他のブレード１５のピッチ角を、図５（ｂ）に示すように、抗力Ｆｋを極力受けない無効翼角度とした無効ブレード１５ｂとする。
【００２２】
ここで、風力発電機制御装置３１は、ブレード全体のバランスを考慮して選定された特定のブレード１５を有効ブレード１５ａに設定する。すなわち、高周速比域では、図６（ａ）に示すように、対向する２枚のブレード１５だけを有効ブレード１５ａとし、残りの４枚のブレード１５を無効ブレード１５ｂとする。この状態から、周速比が下がるに従って、図６（ｂ）に示すように、有効ブレード１５ａの枚数を３枚とし、その後は、周速比の低下に応じて、図６（ｃ）に示すように、４枚のブレード１５を有効ブレード１５ａとし、さらに図６（ｄ）に示すように、６枚全部のブレード１５を有効ブレード１５ａとしていく。
【００２３】
このように、本実施形態に係る風力発電装置１１では、風力発電機制御装置３１は、各ピッチアクチュエータ３４ａ〜３４ｆを制御してピッチ角を変更することにより、周速比から求めた最適有効翼枚数のブレード１５を有効翼角度とする。これにより、図７に示すように、幅広い風速範囲において高い出力効率（図７中実線で示す）の発電を実現する。すなわち、本風力発電装置１１では、有効ブレード１５ａの枚数を風速に応じて動的に可変設定することにより、従来のようにブレード（有効ブレード）の枚数が固定された風力発電装置よりも広い風速範囲において高効率な発電を実現している。
【００２４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、ブレード１５の有効翼枚数の制御を、回転時のバランスを考慮して、２枚、３枚、４枚、６枚としたが、カウンタウエイトなどによりバランスを調整することにより、有効翼枚数を１枚や５枚とすることも可能である。
【００２５】
（２）上記実施形態では、メインシャフト１８の回転数とブレード１５の長さとに基づいてブレード１５の翼端回転速度を求め、以って周速比を求めたが、翼端回転速度の求め方はこれに限定されるものではない。
（３）また、上記実施形態では、ブレード１５の枚数を６枚としたが、ブレード１５の枚数は６枚に限定されないのは勿論である。
【００２６】
（４）また、本発明は、ロータの回転数を変化できる可変速制御の風力発電機に対しても適用でき、風速に対して最も高率となるような有効翼枚数とロータ回転速度を決定して、ブレードピッチ角と回転数を同時に制御することも可能である。
（５）また、上記実施形態では、無効翼角度を抗力Ｆｋを極力受けない角度としたが、図4に示したように有効翼枚数の違いによって出力効率の谷が発生するので、この谷を埋めるために無効翼角度を抗力Ｆｋを多少受ける中間的な角度に設定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係わる風力発電装置の全体構造を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる風力発電装置における発電機本体の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わる風力発電装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態において、ブレードの枚数毎における周速比と出力効率との関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明の一実施形態において、ブレードのピッチ角の制御の仕方を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態において、ブレードの有効翼枚数の制御状態を示す正面図である。
【図７】本発明の一実施形態において、有効翼枚数の制御時における周速比と出力効率との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１  風力発電装置
１５  ブレード
１８  メインシャフト（回転軸）
２０  発電機
３１  風力発電機制御装置
３４ａ〜３４ｆ  ピッチアクチュエータ
【図１】
2006152863.tif 000003
【図２】
2006152863.tif 000004
【図３】
2006152863.tif 000005
【図４】
2006152863.tif 000006
【図５】
2006152863.tif 000007
【図６】
2006152863.tif 000008
【図７】
2006152863.tif 000009