特開 2024-126410 風力発電装置および風力発電装置の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126410

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】風力発電装置および風力発電装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F03D 7/04 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

F03D7/04 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034773

(22)【出願日】2023-03-07

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(74)【代理人】

【識別番号】100198029

【弁理士】

【氏名又は名称】綿貫 力

(72)【発明者】

【氏名】平野 俊夫

(72)【発明者】

【氏名】吉水 謙司

(72)【発明者】

【氏名】谷山 賀浩

(72)【発明者】

【氏名】仲村 岳

(72)【発明者】

【氏名】山田 敏雅

(72)【発明者】

【氏名】伊東 亮

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA40

3H178AA43

3H178BB35

3H178DD42X

3H178EE02

3H178EE15

3H178EE23

(57)【要約】

【課題】回転軸を支持する軸受の損傷を防止する。
【解決手段】実施の形態による風力発電装置は、鉛直方向に延びるタワーと、タワーに支持されたナセルと、ナセルに収容された発電機と、ナセルの前方に配置され、風力により回転して回転エネルギを生成するブレードと、ナセルに軸受を介して回転可能に支持され、ブレードにより生成された回転エネルギを発電機に伝達する回転軸と、少なくとも風向を計測する風況計測器と、ナセルをタワーに対してヨー方向に回転させるヨー駆動装置と、ヨー駆動装置を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、ヨー駆動装置を制御して、鉛直方向から見たときに回転軸の回転軸線が風向に対して傾くようにナセルをヨー方向に回転させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉛直方向に延びるタワーと、
前記タワーに支持されたナセルと、
前記ナセルに収容された発電機と、
前記ナセルの前方に配置され、風力により回転して回転エネルギを生成するブレードと、
前記ナセルに軸受を介して回転可能に支持され、前記ブレードにより生成された前記回転エネルギを前記発電機に伝達する回転軸と、
少なくとも風向を計測する風況計測器と、
前記ナセルを前記タワーに対してヨー方向に回転させるヨー駆動装置と、
前記ヨー駆動装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ヨー駆動装置を制御して、前記鉛直方向から見たときに前記回転軸の回転軸線が前記風向に対して傾くように前記ナセルを前記ヨー方向に回転させる、風力発電装置。

【請求項2】

前記風況計測器は、風速も計測し、
前記制御装置は、前記風速に基づいて、前記回転軸線の前記風向に対する傾き角度を決定する、請求項１に記載の風力発電装置。

【請求項3】

前記制御装置は、前記風速が所定風速よりも大きい場合、前記ナセルを前記ヨー方向における第１方向に回転させ、前記風速が前記所定風速よりも大きい場合、前記ナセルを前記ヨー方向における前記第１方向とは反対側の第２方向に回転させる、請求項２に記載の風力発電装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記傾き角度に応じた前記発電機の出力低下量に基づいて、前記傾き角度を決定する、請求項２または３に記載の風力発電装置。

【請求項5】

前記制御装置は、前記風力発電装置の起動時に前記ヨー駆動装置を制御して、前記鉛直方向から見たときに前記回転軸の回転軸線が前記風向に対して傾くように前記ナセルを前記ヨー方向に回転させる、請求項１に記載の風力発電装置。

【請求項6】

前記制御装置は、前記風力発電装置の運転中に前記ヨー駆動装置を制御して、前記鉛直方向から見たときに前記回転軸の回転軸線が前記風向に対して傾くように前記ナセルを前記ヨー方向に回転させる、請求項１に記載の風力発電装置。

【請求項7】

鉛直方向に延びるタワーと、前記タワーに支持されたナセルと、前記ナセルに収容された発電機と、前記ナセルの前方に配置され、風力により回転して回転エネルギを生成するブレードと、前記ナセルに軸受を介して回転可能に支持され、前記ブレードにより生成された回転エネルギを前記発電機に伝達する回転軸と、を備えた風力発電装置の運転方法であって、
風向を計測する風況計測工程と、
前記鉛直方向から見たときに前記回転軸の回転軸線が前記風向に対して傾くように前記ナセルをヨー方向に回転させるナセル回転工程と、を備える、風力発電装置の運転方法。

【請求項8】

前記風況計測工程において、風速も計測し、
前記ナセル回転工程において、前記風速に基づいて、前記回転軸線の前記風向に対する傾き角度を決定する、請求項７に記載の風力発電装置の運転方法。

【請求項9】

前記ナセル回転工程において、前記風速が所定風速よりも大きい場合、前記ナセルを前記ヨー方向における第１方向に回転させ、前記風速が前記所定風速よりも大きい場合、前記ナセルを前記ヨー方向における前記第１方向とは反対側の第２方向に回転させる、請求項８に記載の風力発電装置の運転方法。

【請求項10】

前記ナセル回転工程において、前記傾き角度に応じた前記発電機の出力低下量に基づいて、前記傾き角度を決定する、請求項８または９に記載の風力発電装置の運転方法。

【請求項11】

前記ナセル回転工程は、前記風力発電装置の起動時に実施される、請求項７に記載の風力発電装置の運転方法。

【請求項12】

前記ナセル回転工程は、前記風力発電装置の運転中に実施される、請求項７に記載の風力発電装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、風力発電装置および風力発電装置の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

風力発電装置は、タワーに支持されたナセルと、ナセルに収容された発電機と、ナセルの前方に配置されたブレードと、ナセルに軸受を介して回転可能に支持された回転軸と、を備えている。風力によりブレードが回転することで、その回転エネルギが回転軸を介してナセル内の発電機に伝達され、発電機による発電が行われる。

【0003】

また、一般に、風力発電装置は、風速および風向を計測する風況計測器と、ナセルをタワーに対してヨー方向に回転させるヨー駆動装置とを備えている。ヨー駆動装置によりナセルをヨー方向に回転させることで、回転軸の回転軸線が風向に沿うようにナセルのヨー方向の向きが調整される。

【0004】

上述した風力発電装置では、ロータのブレードとハブがナセルの前方に位置している。このため、回転軸を支持する軸受には、水平軸まわりにロータの自重分のモーメント荷重が作用する。一方、風の乱れにより、ブレードは様々な方向および大きさの力を受ける。このため、軸受にも様々な方向および大きさのモーメント荷重が作用する。この風によるモーメント荷重は、ロータの自重分のモーメント荷重と同じ水平軸まわりの方向にも作用し得る。このとき、軸受には水平軸まわりに大きなモーメント荷重が作用し、軸受は最も過酷な状況に置かれる。この場合、軸受が損傷するおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－０７４０５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、回転軸を支持する軸受の損傷を防止することができる風力発電装置および風力発電装置の運転方法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】

【0007】

実施の形態による風力発電装置は、鉛直方向に延びるタワーと、タワーに支持されたナセルと、ナセルに収容された発電機と、ナセルの前方に配置され、風力により回転して回転エネルギを生成するブレードと、ナセルに軸受を介して回転可能に支持され、ブレードにより生成された回転エネルギを発電機に伝達する回転軸と、少なくとも風向を計測する風況計測器と、ナセルをタワーに対してヨー方向に回転させるヨー駆動装置と、ヨー駆動装置を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、ヨー駆動装置を制御して、鉛直方向から見たときに回転軸の回転軸線が風向に対して傾くようにナセルをヨー方向に回転させる。

【0008】

実施の形態による風力発電装置の運転方法は、鉛直方向に延びるタワーと、タワーに支持されたナセルと、ナセルに収容された発電機と、ナセルの前方に配置され、風力により回転して回転エネルギを生成するブレードと、ナセルに軸受を介して回転可能に支持され、ブレードにより生成された回転エネルギを発電機に伝達する回転軸と、を備えた風力発電装置の運転方法である。風力発電装置の運転方法は、風向を計測する風況計測工程と、鉛直方向から見たときに回転軸の回転軸線が風向に対して傾くようにナセルをヨー方向に回転させるヨー方向回転工程と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本実施の形態によれば、回転軸を支持する軸受の損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施の形態による風力発電装置を示す模式図である。

【図2】図２は、図１の風力発電装置を上方から見た図である。

【図3】図３は、図１の風力発電装置のロータおよび軸受を拡大して示す図である。

【図4】図４は、図３の軸受に作用する水平軸まわりのモーメント荷重を示す図である。

【図5】図５は、ブレードに作用する力を説明するための図であって、ブレードを上方から見たときの断面図である。

【図6】図６は、ヨーミスアライメント発生時に上半部を回転するブレードを上方から見たときの断面図である。

【図7】図７は、ヨーミスアライメント発生時に下半部を回転するブレードを上方から見たときの断面図である。

【図8】図８は、風速８ｍ／ｓ時の各傾き角度における軸受に作用する水平軸まわりのモーメント荷重を示す図である。

【図9】図９は、風速１２ｍ／ｓ時の各傾き角度における軸受に作用する水平軸まわりのモーメント荷重を示す図である。

【図10】図１０は、風速１６ｍ／ｓ時の各傾き角度における軸受に作用する水平軸まわりのモーメント荷重を示す図である。

【図11】図１１は、風速２０ｍ／ｓ時の各傾き角度における軸受に作用する水平軸まわりのモーメント荷重を示す図である。

【図12】図１２は、各風速における傾き角度と軸受に作用する水平軸まわりのモーメント荷重の関係を示す図である。

【図13】図１３は、各風速における傾き角度と発電機の出力低下量の関係を示す図である。

【図14】図１４は、各風速における傾き角度と評価指標値の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による風力発電装置および風力発電装置の運転方法について説明する。

【0012】

まず、図１を用いて、本実施の形態による風力発電装置について説明する。風力発電装置は、地上に設置されていてもよいし、洋上に設置されていてもよい。

【0013】

風力発電装置１は、風力により発電を行うように構成されている。図１に示すように、風力発電装置１は、タワー２と、ナセル３と、ロータ４と、発電機５と、を含んでいる。

【0014】

タワー２は、ナセル３を下方から支持する支持体である。タワー２は、鉛直方向に延びている。タワー２は、例えば、細長の円柱状に形成されていてもよい。タワー２は、地上またはその他の基礎構造物に設置されていてもよい。

【0015】

ナセル３は、タワー２に支持されている。ナセル３は、筐体として機能する。ナセル３には、ロータ４の回転軸４ｃ、軸受６、変速機構７および発電機５が収容されている。ナセル３は、鉛直方向に垂直な方向に長手方向を有している。ナセル３は、鉛直方向に垂直な面内で回転可能に構成されている。より具体的には、ナセル３は、後述するヨー駆動装置９により制御されて、タワー２に対してヨー方向（鉛直方向まわりの方向）に回転するように構成されている。また、ナセル３は、ロータ４を回転可能に支持している。より具体的には、ナセル３は、軸受６を介してロータ４の回転軸４ｃを回転可能に支持している。

【0016】

ロータ４は、ナセル３に回転可能に支持されている。ロータ４は、複数のブレード４ａと、ハブ４ｂと、回転軸４ｃと、を含んでいる。ブレード４ａは、ナセル３の前方に配置されている。ハブ４ｂは、ナセル３の前方に配置され、ブレード４ａを支持している。ブレード４ａは、ハブ４ｂの周りに放射状に配置されていてもよい。回転軸４ｃは、ナセル３に軸受６を介して回転可能に支持されている。回転軸４ｃの一端はハブ４ｂに接続され、回転軸４ｃの他端は変速機構７に接続されている。回転軸４ｃは、変速機構７を介して発電機５に接続されている。

【0017】

ブレード４ａは、風力により回転して回転エネルギを生成する。より具体的には、ブレード４ａは、ハブ４ｂおよび回転軸４ｃと一体に回転し、風力から得られた流体エネルギを回転エネルギに変換する。回転軸４ｃは、ブレード４ａにより生成された回転エネルギを発電機５に伝達する。より具体的には、回転エネルギは、回転軸４ｃによって、変速機構７を介して発電機５に伝達される。変速機構７は、回転速度を増速して発電機５に回転を伝達する。なお、ダイレクトドライブ方式のように、変速機構７を介さずに、発電機５に回転を直接伝達してもよい。発電機５は、伝達された回転エネルギを用いて発電を行う。

【0018】

また、図１に示すように、風力発電装置１は、風況計測器８と、ヨー駆動装置９と、制御装置１０と、を含んでいる。

【0019】

風況計測器８は、ナセル３の上部に配置されていてもよい。風況計測器８は、少なくとも風向を計測する。風況計測器８は、風速も計測してもよい。風況計測器８は、風向および風速を計測する風向風速計であってもよい。風況計測器８が検出する風向は、風況計測器８が位置する水平面において風速が最大となる方向である。その方向に沿う風速と風向が風況計測器８により検出される。風況計測器８は、所定時間の間、風向および風速を断続的に計測し、所定時間内の平均値としての風向および風速を計測してもよい。

【0020】

ヨー駆動装置９は、タワー２とナセル３との接続部に配置されている。ヨー駆動装置９は、タワー２またはナセル３に取り付けられていてもよい。ヨー駆動装置９は、ナセル３をタワー２に対してヨー方向（鉛直方向まわりの方向）に回転させるように構成されている。ヨー駆動装置９は、制御装置１０により制御される。

【0021】

制御装置１０は、図１に示すように、タワー２内に配置されていてもよい。制御装置１０は、ナセル３内に配置されていてもよいし、タワー２およびナセル３の外部に配置されていてもよいし、その配置場所は任意である。制御装置１０は、ヨー駆動装置９を制御する。すなわち、制御装置１０は、ヨー駆動装置９を制御して、ナセル３をタワー２に対してヨー方向に回転させる。制御装置１０は、風力発電装置１の起動時にヨー駆動装置９を制御してもよい。制御装置１０は、風力発電装置１の運転中にヨー駆動装置９を制御してもよい。

【0022】

本実施の形態においては、図２に示すように、制御装置１０は、ヨー駆動装置９を制御して、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向（図２における実線矢印）に対して傾くようにナセル３をヨー方向に回転させる。ここで、回転軸線Ｏとは、回転軸４ｃの回転の中心軸となる直線を意味する。以下、回転軸線Ｏの風向に対する傾き角度を、単に傾き角度θとも表わす。傾き角度θは、正の値および負の値を有し得る。例えば、傾き角度θは、図２に示すように、鉛直方向から見たときに回転軸線Ｏに対して風向が時計回り（正の方向）に傾いたときの角度を正の値とし、反時計回り（負の方向）に傾いたときの角度を負の値としてもよい。

【0023】

上述した風力発電装置１では、図３に示すように、ロータ４のブレード４ａとハブ４ｂがナセル３の前方に位置している。このため、回転軸４ｃを支持する軸受６には、図３に示すように、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａが水平軸まわりに作用する。軸受６の重心点６ｇとロータ４の重心点４ｇとの間の距離をＬとし、ロータ４の重心点４ｇに作用する荷重をＦとしたとき、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａは、以下の（式１）で表される。

【数1】

【0024】

また、風の乱れにより、ブレード４ａは様々な方向および大きさの力を受ける。このため、軸受６にも様々な方向および大きさのモーメント荷重が作用する。この風によるモーメント荷重は、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａと同じ水平軸まわりの方向にも作用し得る。このとき、軸受には水平軸まわりに大きなモーメント荷重Ｍが作用し、軸受は最も過酷な状況に置かれる。

【0025】

図４の（ａ）は、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍであって、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａと風の乱れの影響によるモーメント荷重とを加算した場合のモーメント荷重Ｍを示している。図４において、横軸は時間Ｔ（ｓｅｃ）を示し、縦軸は水平軸まわりのモーメント荷重Ｍ（ｋＮｍ）を示している。図４においては、時間Ｔｐでモーメント荷重Ｍの絶対値が最大値を示しており、軸受６に最も大きなモーメント荷重Ｍが作用している。

【0026】

一方、本発明者らが鋭意検討した結果、図２に示すように、回転軸４ｃの回転軸線Ｏを風向に対して傾けた場合、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍの絶対値を低減し得ることを見出した。以下、回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾いている状態を、ヨーミスアライメントが発生しているともいう。すなわち、本発明者らは、ヨーミスアライメント発生時、軸受６に、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａとは反対方向の水平軸まわりのモーメント荷重Ｍｂが作用する場合があることを見出した。

【0027】

図４の（ｂ）は、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍであって、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａと風の乱れの影響によるモーメント荷重とヨーミスアライメント発生時のモーメント荷重Ｍｂとを加算した場合のモーメント荷重Ｍを示している。図４の（ｂ）の場合、図４の（ａ）の場合よりも全体的にモーメント荷重Ｍの絶対値を低減できており、とりわけ、時間Ｔｐにおけるモーメント荷重Ｍの絶対値の最大値を低減できている。風の乱れの影響を除いた、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍは、以下の（式２）で表される。

【数2】

【0028】

次に、ヨーミスアライメント発生時に、このようなモーメントＭｂが発生する理由について説明する。

【0029】

図５は、上方から見たときのブレード４ａの断面図を示している。図５に示すように、ブレード４ａには、流入速度Ｖ_ｉｎで風が流入する。ここで、ブレード４ａは、回転方向Ｄに周速度Wで回転する。図５に示すように、ブレード４ａに流入する風の相対流入速度Ｕ_ｉｎは、流入速度Ｖ_ｉｎから周速度Ｗをベクトル減算することにより得られる。このとき、ブレード４ａに作用する揚力Ｆ_Ｌおよび抗力Ｆ_Ｄは、それぞれ以下の（式３）、（式４）で表される。

【数3】

【数4】

【0030】

ここで、Ｃ_Ｌは揚力係数、Ｃ_Ｄは抗力係数、ρは流体密度、Ｕ_ｉｎは相対流入速度、Ａは代表面積である。揚力係数Ｃ_Ｌ、抗力係数Ｃ_Ｄおよび相対流入速度Ｕ_ｉｎは、図５に示す迎角αおよび流入角φに依存して変化する。風力発電装置１の通常運転の範囲においては、揚力係数Ｃ_Ｌおよび抗力係数Ｃ_Ｄは、迎角αおよび流入角φが増大するにつれて増大する。

【0031】

また、この揚力Ｆ_Ｌおよび抗力Ｆ_Ｄを座標変換することにより、軸方向に沿う軸方向力Ｆ_ＡＸと接線方向に沿う接線方向力Ｆ_ＴＡＮが得られる。軸方向力Ｆ_ＡＸおよび接線方向力Ｆ_ＴＡＮは、それぞれ以下の（式５）、（式６）で表される。

【数5】

【数6】

【0032】

ヨーミスアライメント発生時、軸方向力Ｆ_ＡＸは、ブレード４ａが上半部を回転する場合と下半部を回転する場合とでその大きさに差異が生じる。図６は、ヨーミスアライメント発生時の上半部を回転するブレード４ａの断面図を示している。図７は、ヨーミスアライメント発生時の下半部を回転するブレード４ａの断面図を示している。図６および図７において、破線で示されるＶ’_ｉｎおよびＵ’_ｉｎは、それぞれヨーミスアライメントがない場合の流入速度および相対流入速度を表している（図５におけるＶ_ｉｎおよびＵ_ｉｎに相当）。一方、図６および図７において、実線で示されるＶ_ｉｎおよびＵ_ｉｎは、それぞれヨーミスアライメント発生時の流入速度および相対流入速度を表している。

【0033】

図６に示すように、ヨーミスアライメント発生時に上半部を回転するブレード４ａでは、ヨーミスアライメントがない場合と比較して、迎角αおよび流入角φが増大する。このため、揚力係数Ｃ_Ｌおよび抗力係数Ｃ_Ｄも増大する。一方、相対流入速度Ｕ_ｉｎは減少する。また、図７に示すように、ヨーミスアライメント発生時に下半部を回転するブレード４ａでは、ヨーミスアライメントがない場合と比較して、迎角αおよび流入角φが減少する。一方、相対流入速度Ｕ_ｉｎは増大する。このため、上記の（式３）、（式４）および（式５）より、ヨーミスアライメント発生時には、ブレード４ａが上半部を回転する場合と下半部を回転する場合とで軸方向力Ｆ_ＡＸに差異が生じる。この結果、ヨーミスアライメントの発生に起因して、軸受６に水平軸まわりのモーメント荷重Ｍｙが作用する。このモーメント荷重Ｍｙの向きおよび大きさは、揚力係数Ｃ_Ｌ、抗力係数Ｃ_Ｄおよび相対流入速度Ｕ_ｉｎによって異なる。

【0034】

本発明者らは、実際の風力発電装置の運転条件を用いて、傾き角度θおよび風速Ｖ（流入速度Ｖ_ｉｎ）をパラメータとした数値シミュレーションを行い、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍを算出した。図８～図１１は、各傾き角度θにおけるモーメント荷重Ｍを示すグラフである。図８は風速８ｍ／ｓ時のグラフであり、図９は風速１２ｍ／ｓ時のグラフであり、図１０は風速１６ｍ／ｓ時のグラフであり、図１１は風速２０ｍ／ｓ時のグラフである。図８～図１１において、横軸は時間Ｔ（ｓｅｃ）を示し、縦軸は軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍ（ｋＮｍ）を示している。図８～図１１において、それぞれ、θａは傾き角度θが－３０度、θｂは傾き角度θが－１５度、θｃは傾き角度θが＋１５度、θｄは傾き角度θが＋３０度、θ０は傾き角度θが０度の場合のグラフを示している。なお、各グラフにおいて、風の乱れの影響は含まれていない。

【0035】

図８～図１１に示す各グラフにおいて、時間Ｔ＝０秒（ｓｅｃ）は風力発電装置１の起動時を示している。各グラフにおいて、モーメント荷重Ｍは、起動後６０秒程度まで変動しており、起動後６０秒以降に定常状態になっている。

【0036】

図８に示すように、風速８ｍ／ｓ時には、定常状態において、傾き角度θａ（－３０度）およびで傾き角度θｂ（－１５度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値が、傾き角度θ０（０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも小さくなっている。傾き角度θａ（－３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値は、傾き角度θｂ（－１５度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも小さくなっている。一方、傾き角度θｃ（＋１５度）および傾き角度θｄ（＋３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値は、傾き角度θ０（０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも大きくなっている。傾き角度θｄ（＋３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値は、傾き角度θｃ（＋１５度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも大きくなっている。図９に示すように、風速１２ｍ／ｓ時にも、定常状態において、上述した風速８ｍ／ｓ時と同じ傾向を示している。

【0037】

一方、図１０に示すように、風速１６ｍ／ｓ時には、各モーメント荷重Ｍは、起動後、定常状態に至るまで大きく変動しており、不安定な挙動を示している。そして、定常状態においては、傾き角度θａ（－３０度）および傾き角度θｃ（＋１５度）場合のモーメント荷重Ｍの絶対値が、傾き角度θ０（０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも小さくなっている。また、傾き角度θｂ（－１５度）および傾き角度θｄ（＋３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値が、傾き角度θ０（０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも大きくなっている。

【0038】

また、図１１に示すように、風速２０ｍ／ｓ時には、定常状態において、上述した風速８ｍ／ｓ時および上述した風速１２ｍ／ｓとは逆の傾向を示している。すなわち、傾き角度θｃ（＋１５度）および傾き角度θｄ（＋３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値が、傾き角度θ０（０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも小さくなっている。傾き角度θｄ（＋３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値は、傾き角度θｃ（＋１５度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも小さくなっている。一方、傾き角度θａ（－３０度）およびで傾き角度θｂ（－１５度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値は、傾き角度θ０（０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも大きくなっている。傾き角度θａ（－３０度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値は、傾き角度θｂ（－１５度）の場合のモーメント荷重Ｍの絶対値よりも大きくなっている。

【0039】

図８～図１１の結果を各風速における傾き角度θとモーメント荷重Ｍの関係としてまとめたグラフを図１２に示す。図１２において、モーメント荷重Ｍの値は、図８～図１１に示すモーメント荷重Ｍの定常状態のうち起動後９５秒～１００秒の間の平均値である。図１２において、それぞれ、Ｖａは風速８ｍ／ｓ、Ｖｂは風速１２ｍ／ｓ、Ｖｃは風速１６ｍ／ｓ、Ｖｄは風速２０ｍ／ｓの場合のグラフを示している。

【0040】

図１２に示すように、風速Ｖａ（８ｍ／ｓ）の場合は、傾き角度θが－３０度～＋３０度の範囲内において、傾き角度θが負の方向に大きいほど、モーメント荷重Ｍの絶対値が小さくなることが分かった。また、風速Ｖｂ（１２ｍ／ｓ）の場合も、傾き角度θ＝－３０度～＋３０度の範囲内において、傾き角度θが負の方向に大きいほど、モーメント荷重Ｍの絶対値が小さくなることが分かった。一方、風速Ｖｄ（８ｍ／ｓ）の場合は、傾き角度θ＝－２０度～＋２０度の範囲内において、傾き角度θが正の方向に大きいほど、モーメント荷重Ｍの絶対値が小さくなることが分かった。そして、傾き角度θが＋２０度～＋３０度の範囲内にある場合に、モーメント荷重Ｍの絶対値が最も小さくなることが分かった。また、傾き角度θとモーメント荷重Ｍの関係の傾向は、が逆転するのは、風速Ｖｃ（１６ｍ／ｓ）付近を境界として逆転していることが分かった。

【0041】

以上の検討結果に鑑み、本実施の形態による制御装置１０は、ヨー駆動装置９を制御して、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３をヨー方向に回転させるようにしている。

【0042】

制御装置１０は、風力発電装置１の起動時にヨー駆動装置９を制御して、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３をヨー方向に回転させてもよい。また、制御装置１０は、風力発電装置１の運転中にヨー駆動装置９を制御して、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３をヨー方向に回転させてもよい。

【0043】

また、制御装置１０は、風況計測器８により計測された風速に基づいて、回転軸線Ｏの風向に対する傾き角度（傾き角度θ）を決定してもよい。例えば、上記の検討結果に鑑み、制御装置１０は、風速が所定風速Ｖｔよりも小さい場合、傾き角度θを負の値に決定し、風速が所定風速Ｖｔよりも大きい場合、傾き角度θを正の値に決定してもよい。換言すると、制御装置１０は、風速が所定風速Ｖｔよりも小さい場合、ナセル３をヨー方向における第１方向（負の方向）に回転させ、風速が所定風速Ｖｔよりも大きい場合、ナセル３をヨー方向における第１方向とは反対側の第２方向（正の方向）に回転させてもよい。この所定風速Ｖｔは、１４ｍ／ｓ以上１８ｍ／ｓ以下の風速であってもよい。

【0044】

また例えば、制御装置１０は、図１２に示すような、各風速における傾き角度θとモーメント荷重Ｍの関係のデータベースを記憶しておいてもよい。そして、制御装置１０は、各風速における傾き角度θとモーメント荷重Ｍの関係を参照して、風況計測器８により計測した風速においてモーメント荷重Ｍが最小となるように傾き角度θを決定してもよい。

【0045】

制御装置１０により決定される傾き角度θの絶対値は、５度以上であってもよく、１０度以上であってもよく、１５度以上であってもよい。制御装置１０により決定される傾き角度θの絶対値は、３０度以下であってもよく、３５度以下であってもよく、４０度以下であってもよい。

【0046】

一方、回転軸４ｃの回転軸線Ｏを風向に対して傾けた場合、発電機５の出力低下が懸念される。本発明者らは、図１２のグラフと同条件下における発電機５の出力低下量Ｐを見積もった。図１３は、各風速における傾き角度θと発電機５の出力低下量Ｐの関係を示す図である。図１３において、それぞれ、Ｖａは風速８ｍ／ｓ、Ｖｂは風速１２ｍ／ｓ、Ｖｃは風速１６ｍ／ｓ、Ｖｄは風速２０ｍ／ｓの場合のグラフを示している。

【0047】

図１３に示すように、風速Ｖａ（８ｍ／ｓ）の場合、傾き角度θの絶対値が大きいほど出力が低下し、傾き角度θが±３０度の場合には約８０ｋＷの出力低下が見られた。また、風速Ｖｂ（１２ｍ／ｓ）の場合も、傾き角度θの絶対値が大きいほど出力が低下し、傾き角度θが±３０度の場合には約２３０ｋＷの出力低下が見られた。なお、図１３においては、風速Ｖｂ（１２ｍ／ｓ）の場合の傾き角度θが－１５度～＋１５度の範囲内、並びに風速Ｖｃ（１６ｍ／ｓ）および風速Ｖｄ（２０ｍ／ｓ）の場合の全域において、出力が低下していない。これは、風速が大きいために風速に余裕があり、元々ピッチ角制御により定格出力を超えないように出力を抑えていたためである。

【0048】

上記を鑑み、制御装置１０は、傾き角度θに応じた発電機５の出力低下量Ｐに基づいて、傾き角度θを決定してもよい。例えば、図１３のグラフを参照すると、傾き角度θの絶対値が２０度を超えると出力低下量Ｐが大きくなる。このため、制御装置１０は、出力低下量Ｐを考慮し、－２０度～＋２０度の範囲内で傾き角度θを決定するようにしてもよい。また例えば、制御装置１０は、出力低下量が所定量（例えば５０ｋＷ）を超えない範囲内で傾き角度θを決定するようにしてもよい。

【0049】

また例えば、制御装置１０は、モーメント荷重Ｍと出力低下量Ｐをパラメータとした評価指標値Ｅに基づいて、傾き角度θを決定してもよい。評価指標値Ｅは、例えば、以下の（式７）により算出される。

【数7】

【0050】

ここで、Ｍは軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重、Ｍ0はヨーミスアライメントがない場合の水平軸まわりのモーメント荷重、Ｐは出力低下量、Ｐ0は定格出力である。また、ｋ_Ｍ、ｋ_Ｐはそれぞれ重み係数である。

【0051】

上記の（式７）から、各風速における傾き角度θと評価指標値Ｅの関係を算出したグラフを図１４に示す。図１４において、それぞれ、Ｖａは風速８ｍ／ｓ、Ｖｂは風速１２ｍ／ｓ、Ｖｃは風速１６ｍ／ｓ、Ｖｄは風速２０ｍ／ｓの場合のグラフを示している。

【0052】

上記の（式７）において、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍおよび出力低下量Ｐは共に小さいほうが望ましい。したがって、評価指標値Ｅも小さいほうが望ましい。このため、例えば、評価指標値Ｅが最小値になるように傾き角度θを決定してもよい。図１４においては、例えば、風速Ｖｂ（１２ｍ／ｓ）の場合、図中に〇で示すように、傾き角度θが約－２０度の場合に評価指標値Ｅが最小値を示している。このため、制御装置１０は、評価指標値Ｅが最小値になる当該角度に傾き角度θを決定してもよい。

【0053】

このように、制御装置１０は、上記の（式７）および図１４に示すような評価指標値Ｅに基づいて、傾き角度θを決定してもよい。制御装置１０は、図１４に示すような、各風速における傾き角度θと評価指標値Ｅの関係の数式やデータベースを記憶しておいてもよい。そして、制御装置１０は、各風速における傾き角度θと評価指標値Ｅの関係を参照して、評価指標値Ｅが最小値になるように傾き角度θを決定してもよい。

【0054】

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用効果について説明する。

【0055】

風力発電装置１の起動時、まず、風況計測工程が実施される。風況計測工程においては、ナセル３の上部に配置された風況計測器８により、風向および風速が計測される。風況計測工程においては、突風等の影響を排除するため、所定時間の間、風向および風速が断続的に計測され、所定時間内の平均値としての風向および風速が計測される。

【0056】

次に、ナセル回転工程が実施される。ナセル回転工程は、風力発電装置１の通常運転前に実施される。すなわち、ナセル回転工程は、風力発電装置１の起動時に実施される。ナセル回転工程においては、制御装置１０によりヨー駆動装置９が制御されて、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３をヨー方向に回転させる。

【0057】

上述したように、ナセル回転工程においては、風況計測工程で計測された風速に基づいて、回転軸線Ｏの風向に対する傾き角度θが決定される。ここで、風速が所定風速Ｖｔよりも小さい場合、ナセル３をヨー方向における第１方向（負の方向）に回転させ、風速が所定風速Ｖｔよりも大きい場合、ナセル３をヨー方向における第１方向とは反対側の第２方向（正の方向）に回転させる。また、上述したように、ナセル回転工程においては、傾き角度θに応じた発電機５の出力低下量Ｐに基づいて、傾き角度θが決定される。

【0058】

風力発電装置１の起動後、風力発電装置１の運転中にも、上述した風況計測工程が実施される。すなわち、風況計測器８による風向および風速の計測は、風力発電装置１の起動時から運転中まで断続的に行われる。

【0059】

次に、風力発電装置１の運転中にも、上述したナセル回転工程が実施される。すなわち、ナセル回転工程は、風力発電装置１の起動時から運転中まで断続的に行われ、途中で風向および風速が変化した場合でも、変化後の風向および風速に適した傾き角度θになるように、ナセル３がヨー方向に回転される。

【0060】

このように本実施の形態によれば、制御装置１０によりヨー駆動装置９が制御されて、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３がヨー方向に回転される。このことにより、軸受６に、ロータ４の自重分のモーメント荷重Ｍａとは反対方向の水平軸まわりのモーメント荷重Ｍｂを作用させることができる。このため、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍの絶対値を低減することができる。この結果、回転軸４ｃを支持する軸受６の損傷を防止することができる。

【0061】

また、本実施の形態によれば、風速に基づいて、傾き角度θが決定される。上述したように、本発明者らの検討によって、風速に応じて、傾き角度θに対するモーメント荷重Ｍの増減の傾向が異なることが分かった。このため、風速に基づいて傾き角度θを決定することで、モーメント荷重Ｍの絶対値を効果的に低減することができる。この結果、回転軸４ｃを支持する軸受６の損傷を確実に防止することができる。

【0062】

とりわけ、本実施の形態によれば、風速が所定風速Ｖｔよりも小さい場合、ナセル３がヨー方向における第１方向に回転され、風速が所定風速Ｖｔよりも大きい場合、ナセル３がヨー方向における第１方向とは反対側の第２方向に回転される。上述したように、本発明者らの検討によって、所定風速を境界にして傾き角度θに対するモーメント荷重Ｍの増減の傾向が変化することが分かった。このため、所定風速を閾値としてナセル３の回転方向を変更することで、モーメント荷重Ｍの絶対値を効果的に低減することができる。この結果、回転軸４ｃを支持する軸受６の損傷を確実に防止することができる。

【0063】

また、本実施の形態によれば、傾き角度θに応じた発電機５の出力低下量Ｐに基づいて、傾き角度θが決定される。上述したように、回転軸４ｃの回転軸線Ｏを風向に対して傾けた場合、発電機５の出力が低下し得る。このため、出力低下量Ｐに基づいて傾き角度θを決定することで、発電機５の出力低下を抑制しつつ、回転軸４ｃを支持する軸受６の損傷を防止することができる。

【0064】

また、本実施の形態によれば、制御装置１０により、風力発電装置１の起動時にヨー駆動装置９が制御されて、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３がヨー方向に回転される。すなわち、ナセル回転工程が、風力発電装置１の起動時に実施される。このことにより、風力発電装置１の起動時から運転に至るまでの間および風力発電装置１の運転中においても、軸受６に作用する水平軸まわりのモーメント荷重Ｍの絶対値を低減することができる。このため、回転軸４ｃを支持する軸受６の損傷を効果的に防止することができる。

【0065】

また、本実施の形態によれば、制御装置１０により、風力発電装置１の運転中にヨー駆動装置９が制御されて、鉛直方向から見たときに回転軸４ｃの回転軸線Ｏが風向に対して傾くようにナセル３がヨー方向に回転される。すなわち、ナセル回転工程が、風力発電装置１の運転中に実施される。このことにより、風力発電装置１の運転中に風向および風速が変化した場合においても、変化後の風向および風速に適した傾き角度θになるように、ナセル３をヨー方向に回転させることができる。このため、風力発電装置１の運転中において、モーメント荷重Ｍの絶対値を効果的に低減することができる。この結果、回転軸４ｃを支持する軸受６の損傷を効果的に防止することができる。

【0066】

なお、上述した本実施の形態においては、制御装置１０が、風向および風速に基づいて自動的に傾き角度θを決定し、ナセル３をヨー方向に回転させる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、作業員が、風向および風速に基づいて傾き角度θを決定し、その傾き角度θでナセル３をヨー方向に回転させるように制御装置１０に指示してもよい。出力低下量Ｐについても同様に、作業員が、発電機５の出力低下量Ｐに基づいて傾き角度θを決定し、その傾き角度θでナセル３をヨー方向に回転させるように制御装置１０に指示してもよい。

【0067】

以上述べた実施の形態によれば、回転軸を支持する軸受の損傷を防止することができる。

【0068】

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0069】

１：風力発電装置、２：タワー、３：ナセル、４：ロータ、４ａ：ブレード、４ｂ：ハブ、４ｃ：回転軸、５：発電機、６：軸受、７：変速機構、８：風況計測器、９：ヨー駆動装置、１０：制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】