(57)【要約】【課題】風速プロファイルに応じてハブ高さを最適化し、発電効率の向上や発電運転の継続を可能にした風力発電装置を提供する。【解決手段】風車翼５に風力を受けて回転するロータヘッド４がナセル３の内部に設置された発電機を駆動して発電し、ナセル３が基礎上に立設されたタワー２の上端部にヨー旋回可能に設置されている風力発電装置１が、タワー２の高さを可変とするタワー高さ調整機構１０と、風力発電装置１の外表面または近傍に設置された風況検出部２０と、風況検出部２０から入力される風況情報に基づいてタワー２の高さを最適化する制御信号をタワー高さ調整機構１０に出力する制御部３０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部にヨー旋回可能に設置されている風力発電装置において、
前記タワーの高さを可変とするタワー高さ調整機構と、風力発電装置の外表面または近傍に設置された風況検出部と、前記風況検出部から入力される風況情報に基づいて前記タワーの高さを最適化する制御信号を前記タワー高さ調整機構に出力する制御部とを備えていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記ナセルにタワー振動検出部を設けてタワー振動を監視し、前記タワー振動検出部の検出値から共振現象の有無を判断して共振回避処置が実施され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】
前記タワー振動検出部で検出したタワー振動最大値の書き込み及び読み出しが可能な記録部を備えていることを特徴とする請求項２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、運転中の風況に応じてタワー高さを調整する風力発電装置に係り、特に、ウインドファームへの設置に好適な風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして駆動される発電機により発電する装置である。
上述したロータヘッドは、風車用タワー（以下、「タワー」と呼ぶ）上に設置されてヨー旋回可能なナセルの端部に取り付けられ、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能となるように支持されている。
このような風力発電装置は、サイト内に多数設置して大規模な風力発電をするウインドファームとして運用されることが多い。
【０００３】
また、特許文献１の風力発電装置には、風力計の信号に基づいて、タワーの高さをモータや油圧装置によりスライド調整することが開示されている。この場合の高さ調整は、運搬時や設置時及びメンテナンス時のコスト低減、台風等の強風時の倒壊や崩壊の防止を目的とするものであり、風力発電装置の運転時については、タワーを最大限に高くすることが記載されている。すなわち、特許文献１には、運転中にタワー高さを調整することに関する記載はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７８６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、風力発電装置の集合体であるウインドファームを建設する山岳地や丘陵地等では、季節によって、あるいは一日の中でも風速プロファイル（風況）が変動し、かつ、その変動が無視できない程度の長時間に及ぶこともある。このような風速プロファイルの変動は、風力発電装置及びウインドファーム全体の発電効率を低下させる原因となる。
また、ウインドファームの建設サイトでは、建設前に代表箇所にポールを設置して風況調査を行い、この調査結果に基づいて建設の適否を判断している。しかし、通常は調査地点が数カ所に限定されるため、特に山岳地や丘陵などでは、多数設置される風力発電装置の中に、風速プロファイルと適合しないハブ高さの風力発電装置が存在してしまうことが懸念される。なお、ハブ高さはロータヘッドの回転軸線高さを意味しており、従って、ハブ高さはタワーの高さに応じて変化する。
【０００６】
さらに、風力発電装置は、風速プロファイルの変動により風速偏差が大きくなりすぎた場合、荷重バランスが崩れて運転中断を余儀なくされる可能性もある。
そこで、本発明の目的は、風速プロファイルに応じてハブ高さを最適化し、すなわち、ハブ高さを風速が最も高い位置、あるいは、風速偏差が所定の閾値に収まる高さに調整することで風況変化に対応し、発電効率の向上や発電運転の継続を可能にした風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る風力発電装置は、風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部にヨー旋回可能に設置されている風力発電装置において、前記タワーの高さを可変とするタワー高さ調整機構と、風力発電装置の外表面または近傍に設置された風況検出部と、前記風況検出部から入力される風況情報に基づいて前記タワーの高さを最適化する制御信号を前記タワー高さ調整機構に出力する制御部とを備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
このような本発明の風力発電装置によれば、タワーの高さを可変とするタワー高さ調整機構と、風力発電装置の外表面または近傍に設置された風況検出部と、風況検出部から入力される風況情報に基づいてタワーの高さを最適化する制御信号をタワー高さ調整機構に出力する制御部とを備えているので、タワーを風況に応じた最適高さに設定し、良好な風によりロータヘッドを回転させて発電することができる。すなわち、風況に応じた最適なハブ高さに調整することにより、風力を有効に利用した発電が可能になるので、風力発電装置の年間発電量を増加させることができる。
【０００９】
上記の風力発電装置においては、前記ナセルにタワー振動検出部を設けてタワー振動を監視し、前記タワー振動検出部の検出値から共振現象の有無を判断して共振回避処置を実施することが好ましく、これにより、タワー及び風力発電装置の破損を防止し、信頼性や耐久性を向上させることができる。また、共振現象を検出した場合に実施する共振回避処置としては、ロータヘッドの回転を停止することや、ピッチ制御等によりロータヘッドの回転数を変化させることが好ましい。
この場合、前記タワー振動検出部で検出したタワー振動最大値の書き込み及び読み出しが可能な記録部を備えていれば、点検要否の判断を容易に実施することができる。すなわち、検出したタワー振動最大値が経年的に増大し、両振幅で所定の閾値を超えた場合に点検要と判断してもよいし、あるいは、記憶しておいた過去のデータとの比較により点検時期を判断してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
上述した本発明の風力発電装置によれば、風況に応じた最適のハブ高さに調整して風力発電装置を運転するので、良好な風力による効率のよい発電が可能になるとともに、発電可能な風力が得られずに運転停止の状態となる時間を低減することもできるので、年間発電量が増加するという顕著な効果が得られる。特に、本発明の風力発電装置をウインドファームに設置すれば、風況に応じてそれぞれの風力発電装置が発電する発電量も増加するので、ウインドファーム全体としての年間発電量を増加させることが可能になる。
また、タワーの共振回避処置を実施することにより、風力発電装置の信頼性や耐久性が向上し、さらに、タワー振動最大値の記憶部を設けることで点検時期の的確な判断が容易になるので、風力発電装置の運転停止期間を最小限に抑えて稼働率を向上させることができ、これによっても年間発電量を増加させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る風力発電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る風力発電装置のタワー高さ調整方法について、一実施形態を示すフローチャートである。
【図３】タワー高さ調整機構の一例を示す縦断面図である。
【図４】図３に示す外筒の横断面図である。
【図５】ウインドファームの概要を示す図で、風力発電装置及び風速計の配置例が示されている。
【図６】丘陵地に建設されたウインドファームにおいて、タワー高さの調整例を示す説明図である。
【図７】風力発電装置の概要を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本発明に係る風力発電装置について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図７は、風力発電装置１の概要を示す側面図である。図示の風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される風車用タワー（以下では「タワー」と呼ぶ）２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３の前端部側に設けられるロータヘッド４とを有している。
【００１３】
ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。
ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計や風向を測定する風向計等が設置されている。
【００１４】
すなわち、風力発電装置１は、風車翼５に風力を受けて略水平な回転軸線周りに回転するロータヘッド４がナセル３の内部に設置された発電機（不図示）を駆動して発電するとともに、ナセル３が鉄筋コンクリート製等の基礎Ｂ上に立設されたタワー２の上端部に設置されて、ヨー旋回可能とされる。この場合、タワー２は鋼製のモノポール式とされ、複数に分割したタワーセクションのフランジ（不図示）を接続することにより、必要な長さ（高さ）を確保した円筒タワーとなる。
【００１５】
このような風力発電装置１は、たとえば図１に示すように、タワー２の高さを可変とするタワー高さ調整機構１０と、風力発電装置１の外表面または風力発電装置１の近傍に設置された風況検出部２０と、風況検出部２０から入力される風況情報に基づいてタワー２の高さを最適化する制御信号をタワー高さ調整機構１０に出力する制御部３０とを備えている。
なお、タワー２の高さを可変とすることは、ロータヘッド４の回転軸線高さであるハブ高さを可変にすることと同じである。
【００１６】
タワー高さ調整機構１０は、たとえば図３に示すように、円筒タワーの適所に設けた伸縮部である。図示の構成例では、下部タワー２ａの上端部側に上部タワー２ｂの下端部側が挿入され、駆動機構１１により上部タワー２ｂが下部タワー２ａの内部を軸方向（上下方向）にスライドしてタワー高さの調整を行うようになっている。なお、タワー２の伸縮部は２段に限定されることはなく、３段またはそれ以上にしてもよい。
【００１７】
下部タワー２ａには、電動機等の回転駆動部１２が固定設置され、この回転駆動部１２を駆動源として回動する外ネジ部１３が上部タワー２ｂ内に設けられた内ネジ部１４と螺合している。図示の構成例では、下部タワー２ａの軸中心位置に１本の外ネジ部１３が鉛直に設置されており、この外ネジ部１３は、回転駆動部１２の回転方向に応じて、時計廻りまたは反時計回りに回転する。
一方、上部タワー２ｂの内部には上下一対の水平部材１５が所定の間隔をもって固定設置され、内ネジ部１４は、両水平部材１５の軸中心位置に開口する円形穴の周面に形成されている。上下一対の内ネジ部１４は、上部タワー２ｂがスライドするストロークの上下両端位置において、外ネジ部１３との螺合を維持できるように配置されている。なお、内ネジ部１４は、上下一対に限定されることはない。
【００１８】
また、下部タワー２ａの上端部及び内部には、上部タワー２の下端部に取り付けたフランジ１７との干渉により、上部タワー２ｂのスライド範囲を規定する上下一対のフランジ１６が取り付けられている。なお、図中の符号１８は、下部タワー２ａの内周面に取り付けられた上下方向のガイド部材であり、上部タワー２ｂが回転することを規制して上下方向へのスムーズなスライドを可能にしている。
【００１９】
風況検出部２０は、たとえばレーザーや音波を用いて風力発電装置１の周辺で風速プロファイルを計測する装置（風速計）である。この風況検出部２０は、たとえば図１に破線矢印Ｗで示すように、風力発電装置１の周辺で風上から吹く風について、高さ方向の風速分布を検出して制御部３０へ出力する。なお、風況検出部２０は、必ずしも風力発電装置１に１台を設置する必要はなく、地形等の条件に応じて複数の風力発電装置１に１台を設置するようにしてもよい。
【００２０】
制御部３０は、風況検出部２０から入力された風速プロファイルに基づいて、タワー２の最適高さを算出する。この制御部３０は、たとえばタワー２の外表面または内部、ナセル３の内部、あるいは風力発電装置１の近傍等に設置されている。
制御部３０で算出されたタワー２の最適高さは、タワー２の高さを最適化する制御信号としてタワー高さ調整機構１０に出力される。
この場合の最適高さは、効率が最大となる高さ（風車翼５の掃引面積と掃引面積内の平均風速と風車翼５のプロファイル性能から決まる回転軸トルクが最大となる高さ）、あるいは、風車翼５の掃引面積内の風速偏差が所定の閾値に収まる高さである。
【００２１】
また、上述した風力発電装置１は、たとえばナセル３の適所にタワー振動検出部となるタワー振動計（不図示）を設け、タワー振動を監視することが望ましい。このようなタワー振動計を設けると、タワー振動計の検出値から共振現象の有無を判断し、タワー２の共振回避処置を実施することができる。
【００２２】
この場合、たとえば制御部３０に記録部（不図示）を設けておき、タワー振動計で検出したタワー振動最大値の書き込み及び読み出しを可能にすることが望ましい。このような記録部を備えていれば、タワー２に関する点検要否の判断を容易に実施することができる。すなわち、タワー振動計で検出したタワー振動最大値が経年的に増大し、両振幅で所定の閾値を超えた場合には、タワー２の点検が必要と判断する。あるいは、記録部に記憶しておいたタワー振動最大値を過去のデータと比較することにより、すなわち、過去のタワー振動最大値及びタワー２の点検結果を現状のタワー振動最大値と比較することにより、現状で点検が必要か否かの判断を含めた点検時期を判断してもよい。
【００２３】
以下では、上述した制御部３０で実施されるタワー高さの最適化制御について、図２のフローチャートを参照して具体的に説明する。
最初のステップＳ１では、風況検出部２０の風速計により、風力発電装置１の周辺における風速プロファイルを計測する。ここで計測する風速プロファイルとは、地上高さ方向と風速との関係を表すものであり、風力発電装置１に入る風速プロファイルを計測することにより、高風速の状態にある地上高さを特定できる。
次のステップＳ２では、たとえば１０分間の計測値（風速プロファイル）から最大風速位置（高さ）を検出する。すなわち、風速プロファイルに基づいて、風力発電装置１により最も効率よく発電できるハブ高さを算出する。
【００２４】
こうして算出されたハブ高さの制御信号は、タワー高さ調整機構１０に出力される。この制御信号を受けたタワー高さ調整機構１０は、次のステップＳ３でタワー高さの伸縮方向に応じて回転駆動部１２を運転し、タワー２を上下方向にスライドさせて所望の高さに変化させるタワー高さ（ハブ高さ）の調整を実施する。
こうしてタワー高さが変更された後には、次のステップＳ４に進み、タワー振動計の検出値に基づいて共振現象の有無を判断する。これは、タワー２の高さ調整により共振条件が変化するので、共振によるタワー２の破損防止を目的として実施するものである。
【００２５】
ステップＳ４で共振が無いと判断された場合には、次のステップＳ５に進んでハブ高さの調整は終了する。この後、再度ステップＳ１に戻り、風速計による風速プロファイルの計測から同様の制御を繰り返すことにより、風況変化に対応して最適化したタワー２の高さを維持することができる。
一方、ステップＳ４で共振が有ると判断された場合には、次のステップＳ６に進んでロータヘッド４の回転を停止するか、あるいは、ピッチ制御等によりロータヘッド４の回転数を変化させる共振回避処置を実施することにより、タワー２の共振条件が変動する。この後、ステップＳ３に戻り、ハブ高さの調整を再度実施する。
なお、共振現象の有無を判断するステップＳ４以降については、タワー２の高さ等によっては省略することも可能である。
【００２６】
このような風力発電装置１によれば、タワー２を風況に応じた最適高さに設定し、良好な風によりロータヘッド４を回転させて発電することができる。すなわち、風況に応じた最適なハブ高さに調整することにより、風力を有効に利用した効率のよい発電が可能になるので、風力発電装置の年間発電量を増加させることができる。
また、風況の改善は、タワー２の高さを所定値まで上げることにより飽和するので、ハブ高さの最適値には上限がある。すなわち、風速は地上からある高さ以上になると飽和して最大となるのが一般的であり、従って、ハブ高さを所定値（風速が飽和する最低値上高さ）に設定すれば発電能力も最大になる。換言すれば、風況に応じた発電能力の増加は、ハブ高さを風速が飽和する最低値上高さまで上げれば飽和するので、ハブ高さは上述した所定値まで上げれば十分である。
【００２７】
そして、本実施形態の風力発電装置１においては、ナセル３にタワー振動計を設けておき、タワー２の高さ（ハブ高さ）を調節する際にタワー振動を監視し、タワー振動計の検出値から共振現象（振動が増大していく現象）の有無を判断する。この結果、共振があると判断された場合には、風力発電装置１を停止する操作、あるいは、ピッチ制御等によるロータヘッド４の回転数を変化させる操作による共振回避処置を実施する。こうして共振を回避することにより、タワー２及び風力発電装置１の共振よる破損を防止し、信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００２８】
また、タワー振動検出部で検出したタワー振動最大値の記録部を設けると、点検要否の判断が容易になる。すなわち、タワー２の高さ調整時及び発電運転時を通じて、タワー振動最大値を記録部に記録しておき、たとえばタワー振動最大値が５００〜８００ｇａｌ程度を超えた場合に点検要と判断する。換言すれば、タワー振動最大値に両振幅で所定の閾値を超える経年的な増大が認められた場合に点検要と判断でき、あるいは、記憶しておいた過去のデータとの比較により点検時期を判断することもできる。
【００２９】
このように、上述した本実施形態によれば、風況に応じた最適のハブ高さに調整して風力発電装置１を運転するので、良好な風力による効率のよい発電が可能になるとともに、発電可能な風力が得られずに運転停止の状態となる時間を低減することもできる。この結果、風量発電装置１においては、年間の発電量を増加させることができる。
【００３０】
また、タワー２の共振回避処置を実施することにより、風力発電装置１の信頼性や耐久性が向上する。さらに、タワー振動最大値の記憶部を設けることにより、点検時期の的確な判断が容易になる。この結果、風力発電装置１の運転停止期間を最小限に抑え、稼働率を向上させることができるので、これによっても年間発電量が増加する。
【００３１】
また、上述した風力発電装置１のようなタワー高さ制御は、たとえば図５に示すようなウインドファームに設置された全ての風力発電装置１に適用することが望ましい。図示の構成例では、各風力発電装置１に専用の風況検出部２０を設けてあるが、たとえば隣接する２台の風力発電装置１で１台の風況検出部２０を共用することや、風況が略同じ複数台の風力発電装置１で１台の風況検出部２０を共用することも可能であり、この結果、風況検出部２０の台数を低減して初期の設備投資を抑制することができる。すなわち、風速プロファイルを計測する風況検出部２０を間引いて、風況プロファイルを推定補完する運用の採用により設備投資の初期費用を削減できる。
【００３２】
このようにウインドファーム内に設置された全ての風力発電装置１でタワー２の高さ制御を行えば、風力発電装置１の年間発電量を増加させることができ、特に、風力発電装置１をウインドファームに設置すれば、風況に応じてそれぞれの風力発電装置１が発電する発電量も増加するので、ウインドファーム全体としての年間発電量を増加させることができる。
【００３３】
さらに、丘陵地等の地形に設置されているウインドファームは、たとえば図６に示すように、高低差等の地形に起因して風速プロファイルが異なる。このため、タワー２の高さについては、風況に応じて各風力発電装置１の最適値に調整する制御を行うことにより、ウインドファーム全体の年間発電量を増加させることができる。すなわち、多数設置された風力発電装置１のハブ高さを風況に応じて個々に制御すれば、風力発電装置１毎にロータヘッド４の風車翼５に風を受ける面積（投影面積）を増加させることができるので、この結果、風力を有効に利用して発電量を増すことができる。なお、投影面積を増加させることは，風上に位置する風力発電装置１によって乱された風を受けたり、地形の影響で乱された風を受けたりする風力発電装置１の数が減り、ウインドファーム内に設置された全ての風力発電装置１が発電能力増加に寄与する風を受けることを意味している。
【００３４】
上述した風力発電装置１によれば、風況に応じた最適のハブ高さに調整して風力発電装置１を運転するので、良好な風力による効率のよい発電が可能になり、さらに、発電可能な風力が得られずに運転停止の状態となる時間を低減することも可能になるので、風力発電装置１の年間発電量が増加するという効果が得られる。
特に、上述した風力発電装置１をウインドファームに設置すれば、風況に応じてそれぞれの風力発電装置１が発電する発電量も増加するので、ウインドファーム全体としての年間発電量を増加させることが可能になる。
【００３５】
また、タワー２の共振回避処置を実施することにより、風力発電装置１の信頼性や耐久性が向上し、さらに、タワー振動最大値の記憶部を設けることで点検時期の的確な判断が容易になる。この結果、風力発電装置１の運転停止期間を最小限に抑えて稼働率を向上させることができ、これによっても年間発電量を増加させることが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばタワー高さ調整機構の構造など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１    風力発電装置
２    タワー
２ａ    下部タワー
２ｂ    上部タワー
３    ナセル
４    ロータヘッド
５    風車翼
１０    タワー高さ調整機構
２０    風況検出部
３０    制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011169239.tif 000007
【図６】
2011169239.tif 000008
【図７】
2011169239.tif 000009