(57)【要約】【課題】  アップウインド状態のカットアウト風速以上の風が吹いていても、発電を継続する。【解決手段】  タワー２に、垂直軸の回りに回転自在にナセル４を支持し、ナセル４に水平軸の回りに回転自在に、ブレード６ｂを有するロータ６を支持している。ナセル４を垂直軸回りにヨー駆動装置５が駆動し、ブレード６をピッチ駆動装置８が駆動する。ブレード６ｂの回動範囲が、ブレード６ｂの表面が、アップウインド状態とダウンウインド状態とで風を受ける範囲に設定され、アップウインド状態及びダウンウインド状態とで発電可能である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、
このタワーに、このタワーの長さ方向の回りに回転自在に支持されたナセルと、
このナセルに、前記タワーの長さ方向にほぼ垂直な方向の回りに回転自在に支持されたロータと、
このロータに、このロータが回転自在な方向にほぼ垂直な方向の回りに回動可能に設けられたブレードと、
前記ナセルを前記タワーの長さ方向の回りに駆動するヨー駆動装置と、
前記ブレードを駆動するピッチ駆動装置とを、
備えた風車において、
前記ブレードの回動範囲を、前記ブレードの表面が、アップウインド状態とダウンウインド状態とで風を受ける範囲に設定し、
前記アップウインド状態及び前記ダウンウインド状態とで発電可能としたことを特徴とする風車。
【請求項２】
請求項１記載の風車において、風速計を備え、この風速計で計測された風速が、アップウインド状態のカットアウト風速に達したときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えられることを特徴とする風車。
【請求項３】
請求項１記載の風車において、風速計を備え、この風速計で計測される風速が、アップウインド状態のカットアウト風速付近に達したときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えられることを特徴とする風車。
【請求項４】
請求項１記載の風車において、風速計を備え、風速計で計測される風速がダウンウインド状態において発電が最適な範囲のとき、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えられることを特徴とする風車。
【請求項５】
請求項１記載の風車において、風速計を備え、風速計で計測される風速がアップウインド状態において発電が最適な範囲のとき、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えられることを特徴とする風車。
【請求項６】
請求項１記載の風車において、風速計を備え、この風速計で計測される風速が、ダウンウインド状態で発電が最適な範囲より小さくなったときに、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えられることを特徴とする風車。
【請求項７】
請求項１記載の風車において、ロータ回転数検出器を備え、このロータ回転数検出器によって計測されたロータ回転数が、過回転または過回転のおそれがあるときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えられることを特徴とする風車。
【請求項８】
請求項１記載の風車において、前記ピッチ駆動装置が、
前記ブレードに固定されたブレード用リングギアと、このリングギアに噛み合わされたピニオンと、このピニオンに連結された駆動機構とから
構成されていることを特徴とする風車。
【請求項９】
請求項１記載の風車において、風車が傾斜地に設置され、
吹き下ろしの風のときに、アップウインド状態に切り換わることを特徴とする風車。
【請求項１０】
請求項１記載の風車において、風車が傾斜地に設置され、
吹き上げの風のときに、ダウンウインド状態に切り換わることを特徴とする風車。
【請求項１１】
請求項１記載の風車に用いられる制御部であって、
ロータ回転検出器または風速計の出力が入力され、このロータ回転検出器または風速計の出力に基づいて、前記ピッチ駆動装置および前記ヨー駆動装置に、アップウインド状態からダウンウインド状態、もしくは、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えるための信号を送出することを特徴とする制御部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車、例えば発電用の風車に関し、特に強風が吹いたときの対策を施したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風車において強風への対策を実施したものとしては、例えば特許文献１に開示されているものがある。特許文献１に開示されている技術では、タワーの上部に、タワーの中心軸の回りに回動可能にナセルが配置されている。このナセル内に発電機が設けられている。この発電機にナセルの外部に設けたロータが結合され、ロータにブレードが形成されている。このロータは風上側に位置しており、そのため、この風車はアップウインド型の風車である。風速が、発電を停止させる必要のあるカットアウト風速以上になると、ロータが風下側に位置するダウンウインド位置になるように、ロータ及びナセルをタワーの中心軸の回りに旋回させる。この場合、ロータが風上側に位置していたときと、ブレードの向きが反対となり、ブレードに揚力は発生しない。また、ブレードの回転面に対して斜め方向からの風がロータの主軸を風向きに合わせるので、ブレードに過大な荷重が作用することなく、ブレードの破損を防止することができる。
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００３／０５８０６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術によれば、カットアウト風速以上の強風が吹いたときに、ブレードが損傷することを防止できる。しかし、ブレードに揚力が発生していないので、発電を行うことができない。
【０００５】
本発明は、発電の効率を向上させることができる風車及びその制御部を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の風車は、タワーを有している。このタワーに、例えばタワーの頂部に、このタワーの長さ方向の回り、例えばタワーの長さ方向の中心軸の回りに回転自在にナセルが支持されている。このナセルの内部には、例えば発電機が収容されている。このナセルに、例えばナセルの外部に、タワーの長さ方向にほぼ垂直な方向の回りに回転自在にロータが支持されている。このロータは、例えば前記発電機に結合され、ロータの回転に従って発電機が回転する。このロータに、このロータが回転自在な方向にほぼ垂直な方向の回りに回動可能にブレードが設けられている。ブレードが風を受けることによってロータが回転し、それに伴い発電機が回転する。ナセルを前記タワーの長さ方向の回りにヨー駆動装置が駆動する。ブレードをピッチ駆動装置が駆動する。前記ブレードの回動範囲を、前記ブレードの表面が、ロータ及びブレードが風上側にあるアップウインド状態とロータ及びブレードが風下側にあるダウンウインド状態とで風を受ける範囲に設定してある。これによって、アップウインド状態及びダウンウインド状態とでそれぞれ発電可能である。
【０００７】
このように構成すると、ヨー駆動装置によってナセルを駆動することができるので、アップウインド状態からダウンウインド状態にナセルを回動させることができる。更に、ピッチ駆動装置によるブレードの回動範囲がアップウインド状態とダウンウインド状態とで風を受ける範囲に設定されているので、ダウンウインド状態にナセルを回動させた後に、ブレードが風を受けるようにピッチ駆動装置によってブレードを回動させることができる。従って、アップウインド型の風車におけるカットアウト風速以上の風速においても、発電することができ、発電効率を向上させることができる。
【０００８】
例えば風速計を設け、その風速計が検出した風速の値が、アップウインド状態のカットアウト風速に達したときに、前記アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えることができる。
【０００９】
例えば、アップウインド状態のカットアウト風速よりも小さい値の切換風速でアップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えるようにすると、頻繁にこの切換風速を越えることがあり、ヨー駆動装置やピッチ駆動装置が頻繁に作動し、これら装置には耐久性の高いものを準備する必要がある。しかし、アップウインド状態のカットアウト風速以上の風速になることは、頻繁には生じないので、アップウインド状態からダウンウインド状態への切換回数は少なく、ヨー駆動装置やピッチ駆動装置の作動回数が少なくなり、これら装置に高い耐久性のものを準備する必要がない。
【００１０】
或いは、風速計で計測される風速が、アップウインド状態のカットアウト風速付近に達したときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えるようにすることもできる。
【００１１】
このように構成すると、風速がアップウインド状態のカットアウト風速よりも前に、ダウンウインド状態に切り換えられるので、ブレードが破損する可能性を低減することができる。
【００１２】
或いは、風速計で計測される風速がダウンウインド状態において発電が最適な範囲のとき、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えることもできる。
【００１３】
このように構成すると、ダウンウインド状態において発電が最適な風速に、アップウインド状態において風速がなると、ダウンウインド状態に切り換えられるので、そのときどきの風速に応じて発電効率のよい状態に切り換えられる。
【００１４】
或いは、風速計で計測される風速がアップウインド状態において発電が最適な範囲のときに、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えることもできる。
【００１５】
このように構成すると、そのときどきの風速に応じて発電効率のよい状態に切り換えられる。
【００１６】
或いは、風速計で計測される風速が、ダウンウインド状態で発電が最適な範囲より小さくなったときに、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えることもできる。
【００１７】
このように構成すると、風速に応じて発電効率のよい状態に切り換えることができる。例えば通常の風が吹いている通常時にダウンウインド状態とし、この通常の風よりも風速が小さい微風状態のとき、アップウインド状態に切り換えるようにすれば、アップウインド状態でカットアウト風速以上になることを低減でき、風車、特にブレードが破損する可能性を低減することができる。
【００１８】
或いは、風速計に代えて、若しくは風速計に加えて、ロータ回転数検出器を設け、このロータ回転数検出器によって計測されたロータ回転数が、過回転または過回転のおそれがあるときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えることもできる。
【００１９】
このように構成すると、ロータが過回転または過回転の可能性がある回転をしているときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えられるので、ロータの回転数に応じて発電効率のよい状態に切り換えることができる。
【００２０】
或いは、前記ピッチ駆動装置を、ブレードに固定されたブレード用リングギアと、このリングギアに噛み合わされたピニオンと、このピニオンに連結された駆動機構、例えばピニオンに連結された減速機と、この減速機に連結されたモータとから構成することもできる。
【００２１】
このように構成すると、簡単な構成で、ブレードを２７０度以上に回動させることができる。また、アップウインド状態とダウンウインド状態とにおいて、ピニオンのリングギアへの接触位置が異なるので、リングギア及びピニオンの耐久性が向上する。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明によれば、アップウインド型風車のカットアウト風速以上の風速が吹いている状態でも、発電を継続することができ、発電効率を向上させることができる。
【００２３】
例えば、風車が傾斜地に設置され、吹き下ろしの風のときに、アップウインド状態に切り換わるように構成することができる。
【００２４】
このように構成すると、吹き下ろしの風の風向きとブレードの長手方向がより直角に近い角度を形成できるから、発電効率を向上させることができる。
【００２５】
例えば、風車が傾斜地に設置され、吹き上げの風のときに、ダウンウインド状態に切り換わるように構成することをできる。
【００２６】
このように構成すると、吹き上げの風の風向きとブレードの長手方向がより直角に近い角度を形成できるから、発電効率を向上させることができる。
【００２７】
本発明の風車の制御部は、ロータ回転検出器または風速計の出力が入力され、このロータ回転検出器または風速計の出力に基づいて、ピッチ駆動装置およびヨー駆動装置に、アップウインド状態からダウンウインド状態、もしくは、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えるための信号を送出する。
【００２８】
このように構成すると、ロータ回転検出器または風速計に基づいて、風車をダウンウインド状態またはアップウインド状態のいずれかの最適な状態にできるから、発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の１実施形態の風力発電用の風車は、水平軸風車で、図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、タワー２の上端部に、ナセル４を有している。ナセル４は、ほぼ水平に配置されている。このナセル４は、タワー２の長さ方向の軸回りに回転自在に設けられ、ナセル４内に設けられたヨー駆動装置５によって、タワー２の長さ方向の軸の回りに駆動される。ヨー駆動装置では、図示していないが、ナセル４の下部の内周面にリングギアが設けられている。このリングギアに、タワー２内に固定されたピニオンが噛み合っている。このピニオンを、ヨーモータ及び減速機からなる駆動機構が回転させることによって、ナセル４がタワー２の長さ方向の軸回りに駆動される。なお、駆動機構内には、ナセル４を係止するブレーキ機構も含まれている。
【００３０】
ナセル４の一端部に風車のロータ６が設けられている。ロータ６は、ハブ６ａと、このハブ６ａから放射状に伸びた複数、例えば３枚のブレード６ｂを有している。このハブ６ａは、タワー２の長さ方向に垂直な方向、例えば水平に配置された回転軸（図示せず）を有し、これは、ナセル４内において、例えば増速機（図示せず）と発電機（図示せず）とを含む駆動機構に接続されている。従って、ロータ６は、この回転軸の回りに回転可能である。
【００３１】
各ブレード６ｂは、ロータ６の回転軸に垂直な軸の回りに回転自在に設けられ、この軸の回りに回転自在に構成され、ハブ６ａ内に設けられているピッチ駆動装置８によって駆動される。ピッチ駆動装置８は、ブレード６ｂごとに設けられている。ピッチ駆動装置８では、図２に示すようにブレード６ｂのハブ６ａとの接合部の周面に、リングギア１０が設けられている。リングギア１０と噛み合うように、ピニオン１２が、例えばバブ６ａ内に設けられている。ピニオン１２は、ハブ６ａ内の減速機１４に結合され、この減速機１４がハブ６ａ内のモータ１６によって駆動される。減速機１４及びモータ１６が、駆動機構を構成している。各ピニオン１２を各駆動機構によって正転または逆転させることによって各ブレード６ｂが上述したロータ６の回転軸に垂直な軸の回りに３６０度回転する。
【００３２】
図３に示すように、ヨー駆動装置５及びピッチ駆動装置８は、例えばナセル４内に設けられた制御部１８によって制御される。この制御に用いるために、ロータ６の回転数を検出するロータ回転検出器２０、風車に対する風向を検出する風向計２２、風車に対する風速を検出する風速計２４が設けられ、更に、作業員が制御部１８に指示を与えるための指令器２６も設けられている。これらロータ回転検出器２０、風向計２２、風速計２４及び指令器２６の出力は、制御部１８に供給されている。
【００３３】
この風車は、図１（ａ）に示すように、通常にはロータ６が風上側に位置するアップウインド状態で使用される。このアップウインド状態では、各ブレード６ｂは、風上からの風をブレード６ｂの表面が受けて、その結果ロータ６が回転するように、ピッチ駆動装置８によって各ブレード６ｂのピッチが調整されている。
【００３４】
このアップウインド状態は比較的風速が低いときに発電効率が高いが、強風のためにロータ６が過回転するので発電を中止するアップウインドカットアウト風速は、比較的に低く、例えば２０ｍ／秒に設定されている。アップウインド状態で発電を行っているときに、風速計２４によって測定された風速が、アップウインドカットアウト速度以上となると、制御部１８は、ヨー駆動装置５によって図１（ｂ）に示すようにナセル４をタワー２の長さ方向の軸回りに１８０度回転させて、ロータ４が風下側に位置するダウンウインド状態とする。
【００３５】
ダウンウインド状態では、風速が比較的に高いときに発電効率が高く、カットアウト風速は、比較的に高く、例えば３０ｍ／秒に設定されている。但し、ナセル４をアップウインド状態から１８０度回転させた状態のままでは、各ブレード６ｂは、アップウインド状態のときと反対を向いているので、各ブレード６ｂの表面は風を受けても揚力を発生せず、発電が行えない。そこで、制御部１８は、ピッチ駆動装置８によって、図１（ｃ）に示すように各ブレード６ｂのピッチを調整して、各ブレード６ｂの表面が風を受けて、揚力を発生するようにする。これによって、ダウンウインド状態で発電を行うことができる。
【００３６】
即ち、図４（ａ）に示すアップウインド状態では、風上側にハブ６ａが位置しており、ブレード６ｂの風を受ける表面は、風上に面している。そして、同図（ｂ）に示すダウンウインド状態に変更するときには、ヨー駆動装置５によってナセル４を回転させ、ハブ６ａを風下側に位置させる。更に、ピッチ駆動装置８によってブレード６ｂの風を受ける表面を風上側に向ける。
【００３７】
このダウンウインド状態におけるカットアウト風速（これは、上述したようにアップウインド状態におけるカットアウト風速よりも大きい値である）以上の風速が風速計２２において計測されると、各ピッチ駆動装置８によって各ブレード６ｂの風を受ける表面が風向と平行になるように各ブレード６ｂを回転させる。即ちフェザーリング状態とする。この状態では発電は行われない。
【００３８】
このように構成することによって、アップウインドカットアウト風速よりも大きい風速のときでも、風車の破損を防止しつつ、発電を継続することができ、発電効率を上げることができる。また、アップウインド状態からダウンウインド状態へ、或いはその逆に切り換えられることによって、ピッチ駆動装置８のピニオン１２がリングギア１０と噛み合う位置が変化するので、ピニオン１２やリングギア１０の耐久性が向上する。
【００３９】
ダウンウインド状態において、風速がアップウインド状態におけるカットアウト風速よりも小さくなったと風速計２４の出力に基づいて制御部１８が判断したとき、制御部１８は、ヨー駆動装置５によってナセル４を回転させて、アップウインド状態とし、かつブレード６ｂのピッチをピッチ駆動装置５によって調整させて、ブレード６ｂの風を受ける表面が風向と所定の角度をなすようにする。これによって、再びアップウインド状態で発電することができる。
【００４０】
或いは、アップウインド状態におけるカットアウト風速付近でも、ダウンウインド状態では発電を効率的に継続することができるので、アップウインド状態におけるカットアウト風速よりもかなり低い風速であって、ダウンウインド状態では効率的に発電を行えない風速、例えば１０ｍ／秒以下の風速のときに、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えて、発電効率を高めるようにしてもよい。
【００４１】
なお、指令器２６を設けてあるので、手動または遠隔操作によって指令器２６を操作して、アップウインド状態からダウンウインド状態に、或いはその逆にダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換え、更に各ブレードのピッチを調整することもできる。この指令器２６による調整は、例えば風速計２４に故障が生じた場合に行われる。
【００４２】
また、ロータ回転数検出器２０によって検出されたロータ回転数が、例えばアップウインド状態におけるロータの過回転または過回転のおそれのある回転数になったときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えるようにすることもできる。通常、過回転が生じた場合には、ロータ６の駆動機構中にブレーキを設けて、このブレーキによってロータ６の回転数を減少させているが、ダウンウインド状態に切り換えることによってブレーキを作動させる必要が無くなる。
【００４３】
なお、ダウンウインド状態において、ロータ回転数検出器２０によって検出されたロータ回転数が、アップウインド状態におけるロータの過回転または過回転のおそれのある回転数よりも小さくなったときに、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えることができる。無論、アップウインド状態からダウンウインド状態に或いはその逆に切り換えた後、各ブレード６ｂのピッチ調整が上述したように行われる。
【００４４】
このように構成すると、通常には風速が弱く、時に風速が高くなる地域、例えばアジア地域（この地域では普段は低風であるが、台風の時に風速が高くなる）において、発電効率を上げることができる。
【００４５】
なお、アップウインド状態では、風向計２２の出力に応じて、各ブレード６ｂの風を受ける面が風向と所定の角度をなすように、ヨー駆動装置５によってナセル４が回転させられている。また、ダウンウインド状態では、ヨー駆動装置５の駆動機構に含まれるブレーキを解除して、風向きに応じてナセル４及びロータがタワー２の長さ方向の軸の回りに回転する。このとき、ブレード６ｂの風を受ける面と風向とが直交するので、発電効率が向上する。
【００４６】
上記の実施形態では、アップウインド状態において、アップウインドカットアウト風速以上の風速になったときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えて、ブレード６ｂのピッチを調整したが、アップウインドカットアウト風速付近、例えばアップウインドカットアウト風速よりも幾分低い風速になったときに、アップウインド状態からダウンウインド状態に制御部１８がヨー駆動装置５を制御して切り換えることもできる。無論、ピッチ駆動装置５を制御部１８が制御して、各ブレード６ｂの風を受ける表面が風を受けるように各ブレード６ｂのピッチを調整する。
【００４７】
このように構成すると、アップウインド状態においてアップウインドカットアウト風速よりも風速が小さい状態で、ダウンウインド状態に切り換えられるので、各ブレード６ｂの破損の怖れを低減できるし、発電効率も向上する。
【００４８】
上記の実施の形態では、アップウインド状態からダウンウインド状態に、或いはその逆のダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えるときの風速をカットアウト風速としたが、これに限ったものではない。例えばアップウインド状態において、風速がダウンウインド状態における発電が最適な範囲、例えばダウンウインド状態の定格風速になったとき、アップウインド状態からダウンウインド状態に切り換えることもできるし、逆にダウンウインド状態において、アップウインド状態における発電が最適な範囲、例えばアップウインド状態の定格風速になったとき、ダウンウインド状態からアップウインド状態に切り換えることもできる。定格風速は、風車によって駆動される発電機が定格出力に達する風速であり、発電効率は、定格風速付近が最も高いので、上述したようなアップウインド状態からダウンウインド状態への切換またはダウンウインド状態からアップウインド状態への切換を行う。例えばアップウインド状態における定格風速は、１２ｍ／秒であり、ダウンウインド状態における定格風速は１８ｍ／秒である。
【００４９】
なお、必ずしも、アップウインド状態における定格風速のとき、またはダウンウインド状態における定格風速のときに切り換える必要はなく、定格風速の前後の或る程度の範囲内の風速となったときに切り換えることもできる。無論、アップウインド状態からダウンウインド状態に或いはその逆に切り換えた後、各ブレード６ｂのピッチ調整が上述したように行われる。
【００５０】
或いは、通常状態をダウンウインド状態とし、風速がダウンウインド状態における定格風速よりも小さな風速になったときに、アップウインド状態に切り換えるようにすることもできる。無論、アップウインド状態からダウンウインド状態に或いはその逆に切り換えた後、各ブレード６ｂのピッチ調整が上述したように行われる。
【００５１】
このように構成すると、風が弱い微風状態のときにアップウインド状態に切り換えられるので、アップウインド状態において、風速がアップウインド状態におけるカットアウト風速以上になる機会が非常に少なくなり、風車の破損が生じる怖れがほとんど無い。
【００５２】
なお、各実施形態において、タワー２の風下側に乱流が発生しており、ダウンウインド状態では、ブレード６ｂが乱流の発生している場所を通過する際に騒音が発生する。このため、ブレード６ｂがタワー２から所定間隔以上離して配置することが望ましい。
【００５３】
図５（ａ）、（ｂ）は、山岳地帯などの傾斜地に風車を設置した場合を示す図である。タワー２は略鉛直方向に配置されている。ブレード６ｂの先端がタワー２から離れるように、ブレード６ｂの長手方向が鉛直方向から若干傾けて取り付けられている。
【００５４】
山岳地帯では、吹き下ろしの風または吹き下げの風が発生する。図５（ａ）のように吹き下ろしの風のときには、風車をアップウインド状態とする。これにより、ブレードの長手方向と風向がより直角に近くなるから、発電効率を向上できる。また、同図（ｂ）に示すように吹き上げの風のときには、風車をダウンウインド状態とする。これにより、ブレードの長手方向と風向がより直角に近くなるから、発電効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の１実施形態の風車のアップウインド状態、ダウンウインド状態及びダウンウインド状態においてブレードのピッチを調整した状態の側面図である。
【図２】図１の風車におけるピッチ駆動装置の概略構成図である。
【図３】図１の風車のブロック図である。
【図４】図１のブレードの状態を示す拡大図である。
【図５】風車を傾斜地斜面に設置した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
２  タワー
４  ナセル
５  ヨー駆動装置
６  ロータ
６ｂ  ブレード
８  ピッチ駆動装置
【図１】
2008232108.tif 000003
【図２】
2008232108.tif 000004
【図３】
2008232108.tif 000005
【図４】
2008232108.tif 000006
【図５】
2008232108.tif 000007