JP5449111B2 - 風車およびその制振方法 - Google Patents

Description

本発明は、風車およびその制振方法に関するものである。

クリーンエネルギーとして、風のエネルギーを電力に変換して発電する風車が注目されている。風車は、一般に高さが数十ｍとされたタワーの上部に、風車翼、増速機、発電機等の重量物が設置される構造となっているため、風車に流入する風速の変動によって誘起される振動が無視できないものとなっている。このような振動は、風車の構造材の疲労荷重を増大させ、風車の寿命を縮めることになる。

一方、ビル等の高層建築物では、風による振動を減衰させるためにＡＭＤ（Active Mass Damper）が採用されている。しかし、ＡＭＤは、付加質量に加えて付加質量を駆動するためのアクチュエータが必要となり、コストおよび重量が増大する。特に風車に適用する場合には、タワー上部の重量が更に増大することになるので好ましくない。
下記特許文献１には、ＡＭＤに受動ダンパを組み合わせることで付加質量を小さくする発明が開示されている。しかし、依然として付加質量を駆動するためのアクチュエータが必要となるので、重量の増大を根本的に解決するものではない。

下記特許文献２には、風車翼のピッチ角を制御できるピッチ角制御機構を備えた風車に対して、制振のための特別なアクチュエータを設けることなくアクティブ制振する発明が開示されている。具体的には、制振のためのスラスト力を得るようにピッチ角制御機構に対してピッチ角指令を出力する。

米国特許第５４４２８８３号明細書 国際公開第２００５／０８３２６６号

風車の振動は、図１３に示すように、風の乱れ（turbulent wind）による振動、ロータ回転数（１Ｎ，３Ｎ；Ｎは回転数（３Ｎは翼が３枚の場合））に起因する振動、風車自身の固有振動数（１ｓｔ，２ｎｄ）起因する振動が支配的である。この場合、ロータ回転数成分については、風車翼のバランシング等で低減し、風の乱れ成分やタワー固有振動成分については、アクティブ制振や受動ダンパで低減することが考えられる。
しかし、同図に示したように、風車では制振する必要のある周波数帯域が広いため、以下のような問題がある。すなわち、図１３に示すように、一般に、制振効果の高いピークレベルと制振効果を発揮する周波数帯域とは反比例の関係にあるため、大きな制振効果を得ようとすれば狭い周波数帯域とせざるを得ず（曲線Ｌ１参照）、逆に広い周波数帯域を得るためにはピークレベルが低くなってしまう（曲線Ｌ２参照）。したがって、風車に特有な振動の周波数帯域の全てで大きな制振効果を得ることは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、風車特有の広い周波数帯域で大きな制振効果を発揮することができる風車およびその制振方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の風車およびその制振方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる風車は、風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、風車に流入する風の乱れの変動周波数および／または風車翼の回転数のｎ次（ｎは自然数）周波数における振動を減衰するように調整された能動ダンパと、該能動ダンパの制振周波数を調整する能動ダンパ用制御部とを備えていることを特徴とする。

風車の固有振動数は風車の形状や体格によって一義的に決まるので、当該固有振動数における振動は、特定の周波数に固定して減衰を調整できる受動ダンパによって減衰させることとした。
一方、風車に流入する風の乱れの変動周波数は、天候や季節、時刻等に応じた風況によって変動する。また、風車翼の回転数のｎ次周波数についても、風車翼の回転数によって変動する。したがって、これらの周波数における振動に対しては、能動ダンパ用制御部によって制振周波数を動的に変化させることができる能動ダンパ（例えばＡＶＣ；Active Vibration Control）を用いることとした。
このように、能動ダンパと受動ダンパとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしたので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。

さらに、本発明の風車では、前記能動ダンパは、風車翼のピッチ角を変更することによって制振力を得ることを特徴とする。

風車翼のピッチ角を変更することによって風のエネルギーを用い、減衰作用を発揮する能動ダンパを採用する。この場合、有限な風のエネルギーを制振力として用いることになる。本発明では、能動ダンパを所定の周波数に集中させて減衰させることとしているので、風のエネルギーを有効に用いて制振力を発揮させることができる。

さらに、本発明の風車では、風車に流入する風の流速を検出する風速計を備え、前記能動ダンパ用制御部は、前記風速計によって検出した流速に基づいて前記能動ダンパを制御することを特徴とする。

風速計によって検出された風速の変動に応じて能動ダンパを制御することとした。このように流入する風速変動に応じて制御するので、実際に風車に生じた振動を加速度センサ等によって得てから制振を行う場合に比べて、応答性良く制振を行うことができる。

さらに、本発明の風車では、前記受動ダンパは、同調型質量ダンパとされ、該同調型質量ダンパは、付加質量として、風車本体に対して相対移動可能とされた風車構成要素を用いることを特徴とする。

受動ダンパとしては、同調型質量ダンパ（ＴＭＤ；Tuned Mass Damper）が好適である。なぜなら、付加質量として、制振目的でなく風車の機能を発揮するために設けられている既存の風車構成要素を選定することにより、特別な付加物を加えることなく受動ダンパを構成することができるからである。これにより、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。
付加質量として選定される風車構成要素としては、例えば、風車本体に対して相対移動可能とされたナセルカバー、トランス、ラダー（昇降はしご）、タワーのプラットフォーム（足場）、ナセルから下方へと吊り下げられるケーブル、ナセルをヨー方向に旋回させる旋回モジュール等が挙げられる。

さらに、本発明の風車では、前記受動ダンパは、同調型液体ダンパとされ、該同調型液体ダンパは、付加質量として風車本体内に貯留された作動油または潤滑油を用いることを特徴とする。

受動ダンパとしては、同調型液体ダンパ（ＴＬＤ；Tuned Liquid Damper）が好適である。なぜなら、付加質量として、風車内に貯留された作動油または潤滑油を選定することにより、特別な付加物を加えることなく受動ダンパを構成することができるからである。これにより、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。
付加質量として選定される作動油または機械油としては、例えば、油圧機器のリザーバタンク内の作動油、増速機の潤滑油等が挙げられる。

また、本発明の風車の制振方法は、風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、能動ダンパとを備えた風車の制振方法であって、風車に流入する風の乱れの変動周波数および／または風車翼の回転数のｎ次（ｎは自然数）周波数における振動を減衰するように前記能動ダンパの制振周波数を制御することを特徴とする。

風車の固有振動数は風車の形状や体格によって一義的に決まるので、当該固有振動数における振動は、特定の周波数に固定して減衰を調整できる受動ダンパによって減衰させることとした。
一方、風車に流入する風の乱れの変動周波数は、天候や季節、時刻等に応じた風況によって変動する。また、風車翼の回転数のｎ次周波数についても、風車翼の回転数によって変動する。したがって、これらの周波数における振動に対しては、制振周波数を動的に変化させることができる能動ダンパ（例えばＡＶＣ；Active Vibration Control）を用いることとした。
このように、能動ダンパと受動ダンパとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしたので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。

能動ダンパと受動ダンパとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしたので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。

本発明の風車の制振方法の基本的な考え方を示した図である。 風の乱れ成分に応じて制振周波数を変化させる方法を示した図である。 ロータ回転数の変化に応じて制振周波数を変化させる方法を示した図である。 ＡＶＣの構成を示したブロック図である。 ＴＭＤの振動モデルを示した図である。 ＴＭＤの付加質量をナセルカバーとした一実施形態を示した斜視図である。 図６のナセルカバーの取り付け構造を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図である。 ナセルカバーとフレームとの固定部を示した拡大図であり、（ａ）は弾性部材を用いて固定した本発明の構造を示し、（ｂ）は剛部材を用いて固定した一般構造を示す。 ＴＭＤの付加質量をラダーとした一実施形態を示した側面図である。 ＴＭＤの付加質量をプラットフォームとした一実施形態を示した側面図である。 ＴＭＤの付加質量をケーブルとした一実施形態を示した側面図である。 ＴＭＤの付加質量をナセルの下部モジュールとした一実施形態を示した側面図である。 風車に生じる振動を周波数に対して示した図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の基本的な制振の考え方が示されている。同図（ａ）の横軸は周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸は風車のタワーの上部に設置されたナセルにおける振動レベル［ｄＢ］を示す。同図（ａ）に示すように、低周波数側から順に、風の乱れの周波数成分による振動、ロータ回転数（１Ｎ）における振動、風車自身の固有振動数の１次成分（１ｓｔ）における振動、ロータ回転数の３倍の回転数（３Ｎ）における振動、風車自身の固有振動数の２次成分（２ｎｄ）における振動が表れる。なお、ロータ回転数（１Ｎ）における周波数と１次固有振動数（１ｓｔ）との関係は、風車自身の固有振動数によって逆転する場合もある。また、ロータ回転数の３倍の回転数（３Ｎ）に表れる振動は、風車翼が３枚であることに起因するものである。
図１（ｂ）の横軸は周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸は制振装置による減衰量［ｄＢ］を示す。同図に示されているように、本発明では、１次固有振動数（１ｓｔ）に調整して受動ダンパ（具体的にはＴＭＤ）を機能させ、風の乱れの周波数成分（及び／又はロータ回転数の１Ｎ成分）に調整してアクティブ制振（ＡＶＣ；能動ダンパ）を機能させる。
特に、アクティブ制振については、図２に示すように、風の乱れ成分の変動に応じて、周波数帯域を調整することが好ましい。また、アクティブ制振は、図３に示すように、ロータ回転数（１Ｎ）の変動に応じて、周波数帯域を調整することが好ましい。

図４には、上述したアクティブ制振を行う具体的構成が示されている。同図におけるアクティブ制振は、上記特許文献２と同様の方法を用いている。
同図において、風車翼３によって回転させられたロータ４の回転出力は、増速機７へと導かれる。増速機７にて回転数が増大された回転出力が発電システム９へと導かれ電気出力へ変換される。発電システム９からの発電出力は、図示しない系統へと供給される。それぞれの風車翼３には、ピッチ角制御機構１１が設けられている。このピッチ角制御機構によって、風車翼３に流入する風を受けて回転出力を得るファイン側から、風を受け流すフェザー側までの間で、風車翼３のピッチ角が適宜変更されるようになっている。
ピッチ角制御機構１１へ入力されるピッチ角指令値θは、ピッチ角制御部１３にて生成される。ピッチ角制御部１３は、発電システム９から出力される発電出力値Ｐに基づいてピッチ角を設定するピッチ角設定部１５を備えている。このピッチ角設定部１５によって、所望の出力電力値となるように風車翼３のピッチ角が設定される。ピッチ角設定部１５によって設定されたピッチ角は、補正部１７へと送られる。
補正部１７では、風の乱れ情報取得手段１９から得られた風の乱れの周波数に基づいて、ピッチ角を補正し、ピッチ角指令値θとして出力する。風の乱れ情報取得手段１９としては、例えば、風車翼３の荷重変動を得る光ファイバ歪み計測器が挙げられる。あるいは、風車にレーザドップラー流速計または超音波ドップラー流速計を設置し、風車の上流側の風速を計測することによってピッチ角をフィードフォワード制御することとしてもよい。このように、風の乱れ成分を取得することによって、風の乱れ成分の周波数帯域における振動を集中的に減衰させるようにピッチ角を変更する。具体的には、風の乱れ成分によって生じるタワーの振動を打ち消すスラスト力を発生するようにピッチ角を制御する。補正部１７では、風の乱れ成分の周波数帯域が変化した場合であっても、この変化に応じて動的にピッチ角を変更するようになっている。
また、補正部１７には、風車翼３によって回転させられたロータの回転数を取得するロータ回転数取得手段２１からの出力値が入力される。このようにロータ回転数を取得することによって、ロータ回転数（１Ｎ）における振動を集中的に減衰させるようにピッチ角を変更する。具体的には、ロータの回転よって生じるタワーの振動を打ち消すスラスト力を発生するようにピッチ角を制御する。補正部１７では、ロータ回転数が変動した場合であっても、この変化に応じて動的にピッチ角を変更して制振を行う。
なお、本発明のアクティブ制振は、風の乱れ成分のみ、又はロータ回転数（１Ｎ）のみに対応させて制振する。しかし、これらの周波数成分が近い場合、あるいは制振効果のピークレベルを落として広めの制振周波数帯域を許容する場合には、両者に対応させるように制振を行ってもよい。

図５には、風車自身の１次固有振動数（１ｓｔ）における振動を制振するように調整されるＴＭＤ（Tuned Mass Damper）の振動モデルが示されている。
同図において、ｍ１は風車の質量を示し、ｍ２はＴＭＤに用いられる付加質量を示す。また、ｙは振動時の変位方向を示す。
図５の振動モデルを式で表すと以下のようになる。
Ｍｙ”＋Ｃｙ’＋ｋｙ＝Ｆ
ここで、Ｍ，Ｃ，ｋ，ｙ，Ｆは、以下の行列で表される。

本発明では、上式で表された付加質量ｍ２は、制振目的でなく風車の機能を発揮するために設けられている既存の風車構成要素が用いられる。以下に、具体例を挙げて説明する。
図６〜図８には、ナセルカバーの質量を付加質量ｍ２として利用する場合が示されている。図６に示すように、ナセルカバー３０は、タワー２の上端に固定されたフレーム３２に対して変位可能に取り付けられている。
図７には、フレーム３２に対するナセルカバー３０の取り付け構造が示されている。同図（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）の背面図を示す。同図に示されているように、フレーム３２とナセルカバー３０はリニアガイド３４によって接続されており、これにより、フレーム３２に対してナセルカバー３０が往復動できるようになっている。また、フレーム３２とナセルカバー３０との間には、ＴＭＤのバネ要素および減衰要素となる弾性部材（ゴム等）３６が複数設けられている。弾性部材３６は、図８に示すように、フレーム３２とナセルカバー３０との間に挿入されたゴムが好適である。なお、図８（ｂ）には、比較例としての構造が示されており、一般的には金属等の剛部材３８が設けられている。

図９には、風車のタワー２内に設置されるラダー（昇降はしご）４０の質量を付加質量ｍ２として利用する場合が示されている。ラダー４０の上端は、タワー２上端の所定の固定位置４２に回転自由にピン支持される。ピン支持する際には所定の弾性部材（ゴム等）を介在させてＴＭＤのバネ要素および減衰要素を与えるようにする。ラダー４０の下端は、ラダー４０が上端を揺動中心として揺動するように、固定されずに自由端とされている。なお、ラダー４０が揺動した際にタワー２の壁部にラダー４０が衝突しないようにストッパを設けておくことが好ましい。

図１０には、タワー２内のプラットフォーム４４の質量を付加質量ｍ２として利用する場合が示されている。プラットフォーム４４は、作業者の足場として用いられる。同図に示されているように、プラットフォーム４４は、支持部材４５を用いた吊り下げ構造とされている。プラットフォーム４４は、支持部材４５の上端の固定位置４６を中心として揺動するようになっている。支持部材４５の固定の際には、所定の弾性部材（ゴム等）を介在させてＴＭＤのバネ要素および減衰要素を与えるようにする。

図１１には、ナセル５から地上まで延在するケーブル５０の一部の質量を付加質量ｍ２として利用する場合が示されている。具体的には、滑車５２よりも上方のケーブル５０の質量が付加質量ｍ２として利用される。この場合には、ケーブル５０自身の弾性がＴＭＤのバネ要素および減衰要素として利用される。

図１２には、ナセル５を上下の上部モジュール５ａと下部モジュール５ｂに二分割し、下部モジュール５ｂの質量を付加質量ｍ２として利用する場合が示されている。
上部モジュール５ａには、増速機、発電機等が配置されている。下部モジュール５ｂ内には、ナセル５を回頭させるヨー旋回モータおよびヨーブレーキが配置されている。下部モジュール５ｂは、上部モジュール５ａに対して相対移動が可能となっている。また、図示しないが、上部モジュール５ａと下部モジュール５ｂとが相対移動する際にＴＭＤのバネ要素および減衰要素を与えるように弾性部材が配置されている。

また、図示しないが、ナセル内のトランスをナセル本体に対して相対移動可能としておき、このトランスの質量を付加質量ｍ２として利用してもよい。さらに、上述した以外にも、風車構成要素であって付加質量として適切な重量を有するものであれば、ナセルないしタワーに対して相対移動可能に設置することにより、ＴＭＤの付加質量として用いることができる。

また、図示しないが、ＴＭＤに代えて、ＴＬＤ（Tuned Liquid Damper；同調型液体ダンパ）を用いてもよい。この場合、付加質量としてナセル内に貯留された作動油または潤滑油を用いることが好ましい。具体的には、油圧機器のリザーバタンク内の作動油、増速機の潤滑油等が挙げられる。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
風車の固有振動数は風車の形状や体格によって一義的に決まるので、当該固有振動数における振動は、特定の周波数に固定して減衰を調整できるＴＭＤ（またはＴＬＤ）によって減衰させることとした。
一方、風車に流入する風の乱れの変動周波数は、天候や季節、時刻等に応じた風況によって変動する。また、風車翼の回転数のｎ次周波数についても、風車翼の回転数によって変動する。したがって、これらの周波数における振動に対しては、制振周波数を動的に変化させることができるＡＶＣを用いることとした。
このように、ＴＭＤとＡＶＣとを、それぞれ対応する周波数を分けて負担させることとしので、それぞれのダンパの制振効果を効果的に発揮させることができる。

風車翼３のピッチ角を変更することによって風のエネルギーを用い、減衰作用を発揮するＡＶＣを採用することとした。この場合、有限な風のエネルギーを制振力として用いることになるが、本実施形態では、ＡＶＣを所定の周波数に集中させて減衰させることとしているので、風のエネルギーを有効に用いて制振力を発揮させることができる。

光ファイバ歪み計測器やレーザドップラー流速計等の風速計によって検出された風速の変動に応じてＡＶＣを制御することとした。このように流入する風速変動に応じて制御するので、実際に風車に生じた振動を加速度センサ等によって得てから制振を行う場合に比べて、応答性良く制振を行うことができる。

また、付加質量として、制振目的でなく風車の機能を発揮するために設けられている既存の風車構成要素を選定することにより、特別な付加物を加えることなくＴＭＤを構成することができるからである。これにより、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。

ナセル内に存在する既存の液体を用いることとして、特別な付加物を加えることなくＴＬＤを構成することができるので、制振のために風車の重量を増加させる必要がない。

２ タワー
３ 風車翼
４ ロータ
５ ナセル
７ 増速機

Claims (6)

1. 風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、
   風車に流入する風の乱れの変動周波数および／または風車翼の回転数のｎ次（ｎは自然数）周波数における振動を減衰するように調整された能動ダンパと、
   該能動ダンパの制振周波数を調整する能動ダンパ用制御部と、
   を備えていることを特徴とする風車。
2. 前記能動ダンパは、風車翼のピッチ角を変更することによって制振力を得ることを特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 風車に流入する風の流速を検出する風速計を備え、
   前記能動ダンパ用制御部は、前記風速計によって検出した流速に基づいて前記能動ダンパを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の風車。
4. 前記受動ダンパは、同調型質量ダンパとされ、
   該同調型質量ダンパは、付加質量として、風車本体に対して相対移動可能とされた風車構成要素を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風車。
5. 前記受動ダンパは、同調型液体ダンパとされ、
   該同調型液体ダンパは、付加質量として風車本体内に貯留された作動油または潤滑油を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風車。
6. 風車の固有振動数における振動を減衰するように調整された受動ダンパと、能動ダンパとを備えた風車の制振方法であって、
   風車に流入する風の乱れの変動周波数および／または風車翼の回転数のｎ次（ｎは自然数）周波数における振動を減衰するように前記能動ダンパの制振周波数を制御することを特徴とする風車の制振方法。

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