JP6025869B2 - 風車及びその運転方法 - Google Patents

Description

本開示は、風車及びその運転方法に関する。

近年、風力発電装置（風車）は、発電出力の向上の観点から大型化が進められている。特に、洋上風車市場の活性化によって、風車の大型化は急激に加速している。

風車が大型化すると、暴風時において風車に作用する風荷重も増大する。そのため、従来から、暴風時における風荷重を抑制する技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、特許文献１には、暴風時にブレードのピッチ制御によって風を受け流すようにした３枚翼風車が開示されている。

また、風車の大型化に伴い、風車のドライブトレインにおけるトルクは増大し、この大きなトルクを前提としてドライブトレインの設計を行う結果、ドライブトレインが収納されるナセルの重量が大幅に増加する。
さらに、風荷重対策の一つとして、ブレードを細くしてブレードに作用する風荷重を低減するというブレードの設計思想もあるが、この設計思想はブレードの剛性確保が困難な状況を招く。すなわち、ブレードの剛性を確保しようとすればブレードの重量が増加してしまうので、ブレードの重量増加を抑制しながら剛性を確保することが難しい。
加えて、風車の大型化によって、ブレードを含む風車部品の輸送コストや、風車の建設コストが上昇する。

このような事情の下、現時点で主流を占める３枚翼風車以外にも、２枚のブレードがハブに取り付けられた２枚翼風車の開発も進められている。
２枚翼風車は、高周速で運転効率が最大になる特性を有するから、同一出力の３枚翼風車に比べてドライブトレインにおけるトルクは小さく、ナセルの重量軽減に寄与しうる。また、２枚翼風車の場合、３枚翼風車に比べてブレードが太いため、ブレードの剛性確保が比較的容易である。さらに、３枚翼風車に比べて２枚翼風車は、ブレード数が少ないため、ブレードを含む風車部品の輸送コストや、風車の建設コストを低減しうる。

特許文献２には、暴風時又は暴風が予想される時、一方のブレードのピッチ角と他方のブレードのピッチ角とを異ならせる制御を行うようにした２枚翼風車が開示されている。
具体的には、この２枚翼風車では、一方のブレードのピッチ角は風向の変化に対する感度が良い角度（例えば０度）に設定され、他方のブレードのピッチ角は風を受け流す角度（例えば９０度。所謂、“フェザー”の位置。）に設定される。このように一方のブレードのピッチ角を風向変化に対する感度が良い角度に設定することで、ロータが風向変化に追従してヨー旋回し、風車に作用する風荷重を抑制するようになっている。

特開２００８−１８４９３２号公報 国際公開第０１／７１１８３号

しかしながら、風車のさらなる大型化によって風荷重を低減することの必要性はますます高まっており、特許文献１及び２記載の公知の手法に代替しうる新規な風荷重抑制技術の開発が望まれている。暴風時における風荷重が小さくなれば、風車各部の設計クライテリアが下がり、風車各部の重量を軽減するとともにコストを削減することができる。
中でも、ロータ及びナセルを支持するタワーの基部には暴風時の風荷重に起因した突発的な最大荷重が加わり、タワーの設計を難しくする要因の一つになっている。特に、浮体式洋上風車では、暴風時の風荷重に起因した突発的な最大荷重に加えて、暴風時の波浪による浮体の動揺に起因した慣性力荷重がタワー基部に作用するから、暴風時の風荷重を低減することの必要性が高い。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、暴風時における風荷重を効果的に低減しうる風車及びその運転方法を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風車の運転方法は、
２本のブレードと、前記２本のブレードが取り付けられるハブとを含むロータを備えた２枚翼風車の運転方法であって、
暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿うように、前記２本のブレードのピッチ角を調節するピッチ角調節ステップと、
暴風時において、前記２本のブレードが水平方向に沿うアジマス角に前記ロータを保持するロータ保持ステップとを備える。

上記風車の運転方法によれば、暴風時において、２枚翼風車の２本のブレードのコードがロータ回転面の直交方向に沿うように各ブレードのピッチ制御が行われるので、ロータ正面からの風を受け流すことができる。また、暴風時において、各ブレードが水平方向に沿うアジマス角にロータが保持されるので、ロータ正面からずれた方向からの横風に起因した揚力を減少させることができる。よって、暴風時における風荷重を効果的に低減することができる。
これに対し、３枚翼風車の場合、ロータのアジマス角調節によって３本のブレードのうち１本を水平方向に沿わせると、残り２本は水平方向に沿わせることができない。すなわち、３枚翼風車では、幾何学的な理由から、３本のブレードのうち少なくとも２本は水平方向に沿わせることができないため、ロータ正面からの風を受け流すように各ブレードのピッチ角を調節しても、横風に起因した揚力が不可避的に生じてしまう。よって、特許文献１記載の３枚翼風車のピッチ制御技術では、ロータ正面からの風を受け流すことはできても、ロータ正面からずれた方向から吹く横風に起因した風荷重を抑制することは難しい。

幾つかの実施形態において、前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくともロータブレーキによる前記ロータ又は該ロータとともに回転する回転シャフトへの制動力を用いる。また、幾つかの実施形態において、前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくとも、前記ロータ又は該ロータとともに回転する回転シャフトを前記２枚翼風車の静止部材側に固定するロックピンを用いる。なお、ロータブレーキとロックピンは併用することも可能である。
このように、ロータブレーキ又はロックピンの少なくとも一方を用いて機械的にロータを実質的に不動にすることで、ロータを前記アジマス角に確実に保持することができる。

幾つかの実施形態では、前記２枚翼風車はアップウィンド風車であり、前記２本のブレードの先端部は、負圧面（吸引面）側から正圧面（圧力面）側に向かう方向に曲がっており、前記ピッチ角調節ステップでは、前記２本のブレードの正圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ角を調節し、前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくとも、正圧面が鉛直方向下側を向けられた前記２本のブレードの重力に起因した復元力を用いる。なお、ロータを前記アジマス角に保持する際、２本のブレードの重力に起因した復元力に加えて、ロータブレーキやロックピン等の機械的手法も併用して、ロータを実質的に不動としてもよい。
別の実施形態では、前記２枚翼風車はダウンウィンド風車であり、前記２本のブレードの先端部は、正圧面側から負圧面側に向かう方向に曲がっており、前記ピッチ角調節ステップでは、前記２本のブレードの負圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ角を調節し、前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくとも、負圧面が鉛直方向下側を向けられた前記２本のブレードの重力に起因した復元力を用いる。なお、ロータを前記アジマス角に保持する際、２本のブレードの重力に起因した復元力に加えて、ロータブレーキやロックピン等の機械的手法も併用して、ロータを実質的に不動としてもよい。
これらの実施形態では、ロータが前記アジマス角からずれて回転しようとすれば、２本のブレードの重力に起因した復元力が働いて、ロータを前記アジマス角に戻そうとする。よって、簡単な構成で、ロータを前記アジマス角に保持することができる。

一実施形態において、前記ピッチ角調節ステップでは、前記２本のブレードの前記コードが前記直交方向に対してなす角度を１０度以内とする。
これにより、ロータ正面からの風を各ブレードが効果的に受け流して、暴風時の風荷重をより一層低減できる。

一実施形態において、前記ロータ保持ステップでは、前記２本のブレードの長手方向が前記水平方向に対してなす角度を５度以内とする。
これにより、ロータ正面からずれた方向からの横風に起因した揚力を効果的に減少させ、暴風時の風荷重をより一層低減できる。

幾つかの実施形態では、上記風車の運転方法は、暴風時において前記ロータを下方に移動させるロータ移動ステップをさらに備える。
風は高所ほど風速が高い傾向にあるから、暴風時にロータを下方に移動させることで、風荷重をより一層効果的に低減できる。

一実施形態では、前記２枚翼風車は、洋上に浮かぶ少なくとも一対の浮体と、前記少なくとも一対の浮体上にそれぞれ設置されて前記ロータを共に支持する少なくとも一対のタワーをさらに備えた洋上風車であり、前記ロータ移動ステップでは、前記少なくとも一対の浮体を互いに遠ざけるとともに、前記少なくとも一対のタワーの前記ロータ側の端部を中心として前記少なくとも一対のタワーをそれぞれ回動させ、前記ロータを下方に移動させる。
これにより、タワーを水没させることなくロータの下方への移動が可能になる。

他の実施形態では、前記２枚翼風車は洋上風車であり、前記ロータ移動ステップでは、前記洋上風車のタワーの少なくとも一部を海中に沈めることで、前記ロータを下方に移動させる。
これにより、タワーの構成を複雑化せずに、ロータの下方への移動が可能になる。

少なくとも一つの実施形態に係る風車は、
２本のブレード、および、前記２本のブレードが取り付けられるハブを含むロータと、
前記２本のブレードのピッチ角を調節するためのピッチ調節機構と、
暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿うように前記ピッチ調節機構を制御するためのピッチ制御部と、
暴風時において、前記２本のブレードが水平方向に沿うアジマス角に前記ロータを保持するためのロータ保持機構とを備える２枚翼風車である。
上記風車によれば、暴風時において、２枚翼風車の２本のブレードのコードがロータ回転面の直交方向に沿うように各ブレードのピッチ制御が行われるので、ロータ正面からの風を受け流すことができる。また、暴風時において、各ブレードが水平方向に沿うアジマス角にロータが保持されるので、ロータ正面からずれた方向からの横風に起因した揚力を減少させることができる。よって、暴風時における風荷重を効果的に低減することができる。

また、少なくとも一つの実施形態に係る風車は、アップウィンド型の２枚翼風車であって、
先端部が負圧面側から正圧面側に向かう方向に曲がった２本のブレード、および、前記２本のブレードが取り付けられるハブを含むロータと、
前記２本のブレードのピッチ角を調節するためのピッチ調節機構と、
暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿い、且つ、前記２本のブレードの正圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ調節機構を制御するためのピッチ制御部とを備えることを特徴とする。
また、他の実施形態に係る風車は、ダウンウィンド型の２枚翼風車であって、
先端部が正圧面側から負圧面側に向かう方向に曲がった２本のブレード、および、前記２本のブレードが取り付けられるハブを含むロータと、
前記２本のブレードのピッチ角を調節するためのピッチ調節機構と、
暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿い、且つ、前記２本のブレードの負圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ調節機構を制御するためのピッチ制御部とを備えることを特徴とする。
これらの風車によれば、暴風時において、２枚翼風車の２本のブレードのコードがロータ回転面の直交方向に沿うように各ブレードのピッチ制御が行われるので、ロータ正面からの風を受け流すことができる。また、この際、アップウィンド型風車の場合には、先端部が負圧面側から正圧面側に向かう方向に曲がった２本のブレードの正圧面が鉛直方向下側を向くようにピッチ制御が行われ、ダウンウィンド型風車の場合には、先端部が正圧面側から負圧面側に向かう方向に曲がった２本のブレードの負圧面が鉛直方向下側を向くようにピッチ制御が行われる。その結果、２本のブレードの重力に起因した復元力によって、各ブレードが水平方向に沿うようなアジマス角でロータの角度位置が安定化される。そのため、暴風時において、各ブレードが水平方向に沿うアジマス角にロータが保持され、ロータ正面からずれた方向からの横風に起因した揚力を減少させることができる。よって、暴風時における風荷重を効果的に低減することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、暴風時において、２枚翼風車の２本のブレードのコードがロータ回転面の直交方向に沿うように各ブレードのピッチ制御が行われるので、ロータ正面からの風を受け流すことができる。また、暴風時において、各ブレードが水平方向に沿うアジマス角にロータが保持されるので、ロータ正面からずれた方向からの横風に起因した揚力を減少させることができる。よって、暴風時における風荷重を効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係る風車を示す図である。 一実施形態に係る風車の発電時におけるロータを示す図である。 図２におけるＡ−Ａ断面図である。 一実施形態に係る暴風時におけるロータを示す図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 一実施形態に係る暴風時における風車を示す斜視図である。 一実施形態に係るロックピンを示す図である。 一実施形態に係る暴風時におけるロータを示す図である。 図８のＣ−Ｃ断面図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、２本のブレードの重力に起因した復元力の発生原理を示す図である。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、一実施形態に係るロータを下方に移動可能な２枚翼風車を示す図である。 一実施形態に係るロータ２を下方に移動可能な２枚翼風車を示す図である。 ２枚翼風車の暴風時における運転手順を示すフローチャートである。 一実施形態に係る暴風時におけるロータを示す図である。 図１５（ａ）は図１４のＤ−Ｄ断面図であり、図１５（ｂ）は図１４のＥ−Ｅ断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の一実施形態に係る風車を示す図である。同図に示す風車１は、２本のブレード２Ａ及び該ブレード２Ａが取り付けられるハブ２Ｂを含むロータ２を備えた２枚翼風車である。一実施形態では、２本のブレード２Ａは、互いに逆方向にハブ２Ｂから放射状に延在している。ロータ２は、一対のブレード２Ａが風を受けることで生じた揚力によって回転するようになっている。幾つかの実施形態では、図１に示すように、ロータ２のハブ２Ｂはナセル３内に収容されたロータシャフト４に連結され、ロータ２とともにロータシャフト４が回転するようになっている。そして、ロータシャフト４の回転エネルギーが増速機５を介して発電機６に入力され、発電機６にて電力が生成されるようになっている。なお、ナセル３はタワー７上に設置される。
また、各ブレード２Ａは、ピッチ制御部８による制御下で動作するピッチ調節機構９によって矢印方向に回動されて、そのピッチ角が調節されるようになっている。
さらに、２枚翼風車１には、ロータ２又はロータ２とともに回転する回転シャフト４に制動力を与えるためのロータブレーキ２０が設けられている。一実施形態では、ロータブレーキ２０は、ロータ２の一部であるハブ２Ｂ又はロータ２とともに回転するロータシャフト４に取り付けられたブレーキディスク２０Ａと、ブレーキディスク２０Ａを把持可能に構成されたブレーキキャリパ２０Ｂとを含む。この場合、ブレーキキャリパ２０Ｂを動作させてブレーキディスク２０Ａを把持することで、ロータ２に制動力が付与される。他の実施形態では、ロータ２とともに回転する増速機５の出力軸（発電機６の入力軸）にロータブレーキ２０が設けられる。

図２は、一実施形態に係る風車の発電時におけるロータを示す図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。
図２に示すように、風車の発電時において、ロータ２は、各ブレード２Ａの正圧面１４が風上側に向き、ロータ回転面内における回転方向上流側に前縁１０が位置した状態で図中の矢印方向に回転するようになっている。なお、図２には発電時にロータ２が風上側を向くように構成されたアップウィンド型風車が一実施形態として示されているが、他の実施形態では、ロータ２は風車発電時に風下側を向くように構成される（ダウンウィンド型風車）。

各ブレード２Ａは、図３に示すように、前縁１０から後縁１２に亘って、正圧面１４と負圧面１６とが延在した翼型を有する。なお、前縁１０と後縁１２とを結ぶ直線１８は、コードと称される。
風車の発電時には、ピッチ制御装置８の制御下で動作するピッチ調節機構９によって、コード１８がロータ回転方向に対して角度ａをなすように各ブレード２Ａは配向される。この角度ａは、コード１８の延長線Ｌ１と、翼回転方向（ロータ回転面）に平行な直線Ｌ２との間の角度であり、ブレード２Ａのピッチ角を意味する。風車の発電時における各ブレード２Ａのピッチ角ａは、典型的には概ね０度である。
なお、本明細書において、ピッチ角ａの正負の符号は、前縁１０が風上側を向いている場合にピッチ角ａを正の値で定義し、前縁１０が風下側を向いている場合にはピッチ角ａを負の値で定義する。

風車の発電時、ロータ２は図中の矢印方向に回転している。そのため、各ブレード２Ａには、図３に示すように、ロータ回転面に対して略直角方向から吹き付ける風の速度ベクトルＰと、ロータ２の周速ベクトルｒＷとを合成して得られる相対風速ベクトルＱの風が作用している。その結果、各ブレード２Ａは、相対風速ベクトルＱに垂直な方向の揚力Ｌと、相対風速ベクトルＱに平行な方向の抗力Ｄとを受けるようになっている。
各ブレード２Ａに作用する揚力Ｌ及び抗力Ｄは風速の上昇とともに大きくなり、暴風時にはブレード２Ａに大きな風荷重が加わる。

幾つかの実施形態では、風車１は、暴風時において風荷重を減らすために次のような動作を行う。

図４は、一実施形態に係る暴風時におけるロータを示す図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図６は、一実施形態に係る暴風時における風車を示す斜視図である。
幾つかの実施形態では、図４及び５に示すように、暴風時において、ピッチ制御部８の制御下でピッチ調節機構９を動作させ、ロータ回転面（直線Ｌ２と平行な平面）の直交方向に２本のブレード２Ａのコード１８が沿うように各ブレード２Ａのピッチ角ａを調節する。すなわち、ピッチ調節機構９によって、ピッチ角ａを風車発電時における概ね０度の値から９０度付近の値まで大きくする。一実施形態では、２本のブレード２Ａのコード１８がロータ回転面の直交方向に対してなす角度が１０度以内になるように、ピッチ角ａを８０度以上１００度以下の範囲内に調節する。
これにより、空力的な制動力が各ブレード２Ａに作用して、ロータ２は回転を停止する。ロータ２が回転を停止すると、相対風速ベクトルＱは、ロータ回転面に対して略直角方向から吹き付ける風の速度ベクトルＰに概ね一致する。この場合、相対風速ベクトルＱ（風の速度ベクトルＰ）とコード１８との間の角度である迎え角はほぼゼロになり、揚力係数と抗力係数が大幅に減少するから、揚力Ｌ及び抗力Ｄは低減される。したがって、各ブレード２Ａは、ロータ回転面の直交方向から吹き付ける風を受け流し、風車への風荷重は低減される。

また、幾つかの実施形態では、ロータ回転面の直交方向からの風を受け流す上述のピッチ制御を行った上で、図４に示すように、各ブレード２Ａの長手方向が水平方向に沿うようなアジマス角でロータ２を保持する。一実施形態では、２本のブレード２Ａの長手方向が水平方向に対してなす角度は５度以内である。すなわち、図中右側のブレード２Ａのアジマス角が８５度以上９５度以下であり、図中左側のブレード２Ａのアジマス角は−９５度以上−８５度以下である。
なお、アジマス角とは、ロータ回転面内におけるロータの角度位置を示すパラメータであり、ハブ２から鉛直方向上方に延びる直線Ｌ３に対する角度である。また、直線Ｌ３を基準として時計周りの角度位置を表す際にはアジマス角に正の符号を付し、直線Ｌ３を基準として反時計回りの角度位置を表す際にはアジマス角に負の符号を付すこととする。例えば、図４における直線Ｌ４はアジマス角＋ｂの方位である。図４に示す例示的な実施形態では、図中右側のブレード２Ａはアジマス角が９０度の方位に存在し、図中左側のブレード２Ａはアジマス角−９０度の方位に存在する。

このように、暴風時において、各ブレード２Ａが水平方向に沿うアジマス角にロータ２を保持すれば、図６に示すように、ロータ２の正面からの風Ｐ以外に、ロータ２の正面からずれた方向からの横風Ｐ_１及びＰ_２が各ブレード２Ａに作用しても、横風Ｐ_１及びＰ_２に起因した揚力発生を抑制できる。

幾つかの実施形態では、ロータ２を上述したアジマス角（各ブレード２Ａの長手方向が水平方向に沿うアジマス角）に保持するために、少なくともロータブレーキ２０によるロータ２又はロータ２とともに回転する回転シャフトへの制動力を用いる。また、他の実施形態では、ロータブレーキ２０による制動力に代えて又は該制動力に加えて、ロータ２又はロータ２とともに回転する回転シャフト４を２枚翼風車１の静止部材側に固定するロックピンを用いる。
一実施形態では、図７に示すように、２枚翼風車１の静止部材側の第１穴２２と、ロータ２側の第２穴２４とにロックピン２６を挿入することで、ロータ２を上記アジマス角に保持する。なお、第１穴２２が設けられる静止部材はナセル３の構成部材の一部であってもよい。また、第２穴２４はロータ２と共に回転する部材に設けられていればよく、例えば、ハブ２Ｂや、ハブ２Ｂに連結されたロータシャフト４や、増速機５の出力軸（発電機６の入力軸）にフランジ第２穴２４が設けられる。
このように、ロータブレーキ２０又はロックピン２６の少なくとも一方を用いて機械的にロータ２を実質的に不動にすることで、ロータ２を上述したアジマス角に確実に保持することができる。

幾つかの実施形態では、ロータブレーキ２０やロックピン２６等を用いた機械的手法に代えて又は該機械的手法に加えて、２本のブレード２Ａの重力に起因した復元力を利用して、ロータ２を上記アジマス角に保持する。

図８は、一実施形態に係る暴風時におけるロータを示す図である。図９は、図８のＣ−Ｃ断面図である。図１０（ａ）及び（ｂ）は、２本のブレード２Ａの重力に起因した復元力の発生原理を示す図である。

幾つかの実施形態では、２枚翼風車がアップウィンド型風車（発電時にロータが風上側を向くように構成された風車）である場合において、２本のブレード２Ａの先端部は、負圧面１６側から正圧面１４側に向かう方向に曲がっている。風車発電時には、ロータ２が風上側を向いた状態で各ブレード２Ａの正圧面１４が風上側を向くようにピッチ制御されているが、暴風時には、ピッチ制御部８の制御下でピッチ調節機構９を動作させ、図８に示すように、ロータ回転面の直交方向に２本のブレード２Ａのコード１８が沿うように各ブレード２Ａのピッチ角ａを調節する。この際、一方のブレード２Ａについてはピッチ角ａを９０度付近の値（例えば８０度以上１００度以下の値）に設定し、他方のブレード２Ａについてはピッチ角ａを−９０度付近の値（例えば−１００度以上−８０度以下の値）に設定する。

図８に示す例示的な実施形態では、図中左側のブレード２Ａのピッチ角ａが９０度付近の値であり、前縁１０が風上を向いているのに対し、図中右側のブレード２Ａのピッチ角ａは−９０度付近の値であり、後縁１２が風上を向いている。
一実施形態では、２本のブレード２Ａのコード１８がロータ回転面の直交方向に対してなす角度が１０度以内になるように、一方のブレード２Ａのピッチ角ａを８０度以上１００度以下の範囲内に調節し、他方のブレード２Ａのピッチ角ａを−１００度以上−８０度以下の範囲内に調節する。

上述のピッチ制御の結果、ロータ２全体としては、図８に示すように、２本のブレード２Ａの先端部が同一方向に湾曲したような形状となる。そのため、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、ロータ２の重心Ｇは、ロータ２の回転中心Ｏから正圧面１４側にずれる。したがって、重心Ｇの位置に作用する２本のブレード２Ａの重力ｍｇのうち線分ＯＧの直交方向の成分ｆと、線分ＯＧの長さｌとの積で表されるモーメントＭ（復元力）が生じて、ロータ２を回転させようとする。よって、２本のブレード２Ａの重力に起因した復元力Ｍによって、各ブレード２Ａが水平方向に沿い、且つ、各ブレード２Ａの正圧面１４が鉛直方向下側を向くようなアジマス角でロータ２の角度位置が安定化される。

なお、図８を用いて説明したような湾曲した先端部を有するブレード２Ａとして、アップウィンド風車用のプリベンド翼を使用することができる。アップウィンド風車用のプリベンド翼は、例えば、ブレード２Ａが風荷重によって撓んだ状態でもブレード２Ａとタワー７との接触を防止することを目的として、風車発電時に風上側を向く正圧面１４側に翼先端部が曲げられている。アップウィンド風車用のプリベンド翼を利用すれば、図８を用いて説明したピッチ制御を行うだけで、暴風を凌ぐのに適したアジマス角にロータ２を容易に保持することができる。

幾つかの実施形態では、風荷重をより一層低減するために、暴風時においてロータ２を下方に移動させる。風は高所ほど風速が高い傾向にあるから、暴風時にロータ２を下方に移動させることで、風荷重をより一層効果的に低減できる。

幾つかの実施形態では、２枚翼風車１は、洋上に浮かぶ少なくとも一対の浮体と、少なくとも一対の浮体上にそれぞれ設置されてロータ２を共に支持する少なくとも一対のタワーをさらに備えた洋上風車であり、少なくとも一対の浮体を互いに遠ざけるとともに、少なくとも一対のタワーのロータ２側の端部を中心として少なくとも一対のタワーのそれぞれを回動させ、ロータ２を下方に移動させる。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、一実施形態に係るロータ２を下方に移動可能な２枚翼風車を示す図である。
図１１（ａ）及び（ｂ）に示す例示的な実施形態では、２枚翼風車１は、洋上に浮かぶ第１浮体３０及び第２浮体３２と、浮体３０，３２上にそれぞれ設置され、ナセル３を介してロータ２を支持する第１タワー部７Ａと第２タワー部７Ｂとを含む。第１タワー部７Ａ及び第２タワー部７Ｂのロータ２側の端部（上端部）は連結部３４に回動自在に取り付けられている。
風車発電時には、図１１（ａ）に示すように、第１浮体３０及び第２浮体３２は互いに近接しており、第１タワー部７Ａと第２タワー部７Ｂとは概ね平行になっており、ロータ２は発電に適した高所に位置する。この際、各ブレード２Ａは、正圧面１４が風上を向くようにピッチ制御されている。すなわち、ピッチ角ａ（図３参照）は０度に近い値になっている。
一方、暴風時には、図１１（ｂ）に示すように、第１浮体３０と第２浮体３２とが互いに遠ざけるとともに、第１タワー部７Ａ及び第２タワー部７Ｂはロータ２側の端部（連結部３４）を中心として回動させる。そのため、第１タワー部７Ａと第２タワー部７Ｂとの間の角度ｄが増加する。その結果、ロータ２は、発電に適した高所から暴風を凌ぐのに適した低所に向かって下方に移動する。なお、第１タワー部７Ａ及び第２タワー部７Ｂを回動させる際、第１タワー部７Ａ及び第２タワー部７Ｂ間に設けた任意の駆動装置を用いてもよい。

他の実施形態では、２枚翼風車１は洋上風車であり、当該洋上風車のタワー７の少なくとも一部を海中に沈めることで、ロータ２が下方に移動可能になっている。
図１２は、一実施形態に係るロータ２を下方に移動可能な２枚翼風車を示す図である。同図に示すように、２枚翼風車１は、暴風時においてタワー７の少なくとも一部が海中に水没可能に構成されている。よって、ロータ２は、発電に適した高所から暴風を凌ぐのに適した低所に向かって下方に移動可能である。
なお、タワー７の少なくとも一部を海中に水没させるため、密閉構造のタワー７の内部にバラスト水（例えば海水）を注入してもよい。

次に、上述の２枚翼風車１の暴風時における運転方法について説明する。図１３は、２枚翼風車１の暴風時における運転手順を示すフローチャートである。なお、同図に示す例示的な実施形態では、ステップＳ４，ステップＳ６及びステップＳ８がこの順で行われるが、各ステップの順番は入れ替えてもよい。

図１１に示すように、最初に、２枚翼風車１に作用する風の風速Ｖがカットアウト風速を超えているか否か判断する（ステップＳ２）。風速Ｖがカットアウト風速を超えていなければ、ステップＳ２を再び繰り返す。これに対し、風速Ｖがカットアウト風速を超えている場合（ステップＳ２のＹＥＳ判定）、ステップＳ４に進んで、ロータ２の回転面の直交方向に各ブレード２Ａのコード１８が沿うように、ピッチ制御部８の制御下でピッチ調節機構９を動作させて２本のブレード２Ａのピッチ角ａを調節する。幾つかの実施形態では、各ブレード２Ａのコード１８がロータ２の回転面の直交方向に対してなす角度を１０度以内とする。一実施形態では、２本のブレード２Ａのピッチ角ａを８０度以上１００度以下の値に設定する。他の実施形態では、一方のブレード２Ａのピッチ角ａを８０度以上１００度以下の値に設定し、他方のブレード２Ａのピッチ角ａを−１００度以上−８０度以下の値に設定する。

続いて、ステップＳ６において、２本のブレード２Ａの長手方向が水平方向に沿うようなアジマス角にロータ２を保持する。
幾つかの実施形態では、上記アジマス角にロータ２を保持するために、ロータブレーキ２０又はロックピン２６の少なくとも一方を用いて機械的にロータ２を実質的に不動にする。
他の実施形態では、ロータブレーキ２０やロックピン２６等を用いた機械的手法に代えて又は該機械的手法に加えて、２本のブレード２Ａの重力に起因した復元力を利用して、ロータ２を上記アジマス角に保持する。具体的には、負圧面１６側から正圧面１４側に向かう方向に２本のブレード２Ａの先端部を予め曲げておき、一方のブレード２Ａについてはピッチ角ａを９０度付近の値に設定する一方で、他方のブレード２Ａについてはピッチ角ａを−９０度付近の値に設定する。これにより、ロータ２全体としては、図８に示すように、２本のブレード２Ａの先端部が同一方向に湾曲したような形状となる。そのため、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、ロータ２の重心Ｇは、ロータ２の回転中心Ｏから正圧面１４側にずれる。したがって、２本のブレード２Ａの重力に起因した復元力Ｍによって、各ブレード２Ａが水平方向に沿い、且つ、各ブレード２Ａの正圧面１４が鉛直方向下側を向くようなアジマス角でロータ２の角度位置が安定化される。

幾つかの実施形態では、風荷重をより一層低減するために、暴風時においてロータ２を下方に移動させる（ステップＳ８）。
一実施形態では、２枚翼風車１は、洋上に浮かぶ少なくとも一対の浮体３０，３２と、前記少なくとも一対の浮体３０，３２上にそれぞれ設置されて前記ロータ２を共に支持する少なくとも一対のタワー７Ａ，７Ｂを備えた洋上風車であり、前記少なくとも一対の浮体３０，３２を互いに遠ざけるとともに、前記少なくとも一対のタワー７Ａ，７Ｂの前記ロータ２側の端部（連結部３４）を中心として前記少なくとも一対のタワー７Ａ，７Ｂをそれぞれ回動させ、ロータ２を下方に移動させる。
他の実施形態では、２枚翼風車１は洋上風車であり、洋上風車１のタワー７の少なくとも一部を海中に沈めることで、ロータ２を下方に移動させる。この際、タワー７の少なくとも一部を海中に水没させるため、密閉構造のタワー７の内部にバラスト水（例えば海水）を注入してもよい。

以上説明したように、本発明の少なくとも一実施形態によれば、暴風時において、２枚翼風車１の２本のブレード２Ａのコード１８がロータ２の回転面の直交方向に沿うように各ブレード２Ａのピッチ制御が行われるので、ロータ２の正面からの風を受け流すことができる。また、暴風時において、各ブレード２Ａの長手方向が水平方向に沿うようなアジマス角にロータ２が保持されるので、ロータ２の正面からずれた方向からの横風に起因した揚力を減少させることができる。よって、暴風時における風荷重を効果的に低減することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。例えば、上述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

例えば、図８及び９に示す例示的な実施形態では２枚翼風車がアップウィンド型風車である場合を前提としているが、他の実施形態では、２枚翼風車がダウンウィンド型風車の場合において同様なピッチ制御を行う。
図１４は、一実施形態に係る暴風時におけるロータを示す図である。図１５（ａ）は図１４のＤ−Ｄ断面図であり、図１５（ｂ）は図１４のＥ−Ｅ断面図である。
幾つかの実施形態では、２枚翼風車がダウンウィンド型風車である場合において、２本のブレード２Ａの先端部は、正圧面１４側から負圧面１６側に向かう方向に曲がっている。風車発電時には、ロータ２が風下側を向いた状態で各ブレード２Ａの正圧面１４が風上側を向くようにピッチ制御されているが、暴風時には、ピッチ制御部８の制御下でピッチ調節機構９を動作させ、図１４に示すように、ロータ回転面の直交方向に２本のブレード２Ａのコード１８が沿うように各ブレード２Ａのピッチ角ａを調節する。すなわち、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、暴風時には、風車発電時において符号４０で示すように配向されていたブレード２Ａを回動させて、翼回転方向４２に平行な直線Ｌ２に直交する方向にコード１８を沿わせる。この際、一方のブレード２Ａについてはピッチ角ａを９０度付近の値（例えば８０度以上１００度以下の値）に設定する一方で、他方のブレード２Ａについてはピッチ角ａを−９０度付近の値（例えば−１００度以上−８０度以下の値）に設定する。

図１４に示す例示的な実施形態では、図中左側のブレード２Ａのピッチ角ａが−９０度付近の値であり、鋼線１２が風上を向いている（図１５（ａ）参照）。これに対し、図１４における右側のブレード２Ａのピッチ角ａは９０度付近の値であり、前縁１０が風上を向いている（図１５（ｂ）参照）。
一実施形態では、２本のブレード２Ａのコード１８がロータ回転面の直交方向に対してなす角度が１０度以内になるように、一方のブレード２Ａのピッチ角ａを８０度以上１００度以下の範囲内に調節し、他方のブレード２Ａのピッチ角ａを−１００度以上−８０度以下の範囲内に調節する。

上述のピッチ制御の結果、ロータ２全体としては、図１４に示すように、２本のブレード２Ａの先端部が同一方向（鉛直方向下方）に湾曲したような形状となる。そのため、２本のブレード２Ａの重力に起因した復元力によって、各ブレード２Ａが水平方向に沿い、且つ、各ブレード２Ａの負圧面１６が鉛直方向下側を向くようなアジマス角でロータ２の角度位置が安定化される。

なお、図１４を用いて説明したような湾曲した先端部を有するブレード２Ａとして、ダウンウィンド風車用のプリベンド翼を使用することができる。ダウンウィンド風車用のプリベンド翼は、例えば、ブレード２Ａが風荷重によって撓んだ状態でもブレード２Ａとタワー７との接触を防止することを目的として、風車発電時に風下側を向く負圧面１６側に翼先端部が曲げられている。ダウンウィンド風車用のプリベンド翼を利用すれば、図１４を用いて説明したピッチ制御を行うだけで、暴風を凌ぐのに適したアジマス角にロータ２を容易に保持することができる。

１ ２枚翼風車
２ ロータ
２Ａ ブレード
２Ｂ ハブ
３ ナセル
４ ロータシャフト
５ ドライブトレイン
６ 発電機
７ タワー
８ ピッチ制御部
９ ピッチ調節機構
１０ 前縁
１２ 後縁
１４ 正圧面
１６ 負圧面
１８ コード
２０ ロータブレーキ
２０Ａ ブレーキディスク
２０Ｂ ブレーキキャリパ
２２ 第１穴
２４ 第２穴
２６ ロックピン
３０ 第１浮体
３２ 第２浮体
３４ 連結部

Claims (12)

1. ２本のブレードと、前記２本のブレードが取り付けられるハブとを含むロータを備えた２枚翼風車の運転方法であって、
   暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿うように、前記２本のブレードのピッチ角を調節するピッチ角調節ステップと、
   暴風時において、前記２本のブレードが水平方向に沿うアジマス角に前記ロータを保持するロータ保持ステップとを備え、
   前記２枚翼風車はアップウィンド風車であり、
   前記２本のブレードの先端部は、負圧面側から正圧面側に向かう方向に曲がっており、
   前記ピッチ角調節ステップでは、前記２本のブレードの正圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ角を調節し、
   前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくとも、正圧面が鉛直方向下側を向けられた前記２本のブレードの重力に起因した復元力を用いることを特徴とする２枚翼風車の運転方法。
2. 前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくともロータブレーキによる前記ロータ又は該ロータとともに回転する回転シャフトへの制動力を用いることを特徴とする請求項１に記載の２枚翼風車の運転方法。
3. 前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくとも、前記ロータ又は該ロータとともに回転する回転シャフトを前記２枚翼風車の静止部材側に固定するロックピンを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の２枚翼風車の運転方法。
4. ２本のブレードと、前記２本のブレードが取り付けられるハブとを含むロータを備えた２枚翼風車の運転方法であって、
   暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿うように、前記２本のブレードのピッチ角を調節するピッチ角調節ステップと、
   暴風時において、前記２本のブレードが水平方向に沿うアジマス角に前記ロータを保持するロータ保持ステップとを備え、
   前記２枚翼風車はダウンウィンド風車であり、
   前記２本のブレードの先端部は、正圧面側から負圧面側に向かう方向に曲がっており、
   前記ピッチ角調節ステップでは、前記２本のブレードの負圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ角を調節し、
   前記ロータ保持ステップでは、前記ロータを前記アジマス角に保持するために、少なくとも、負圧面が鉛直方向下側を向けられた前記２本のブレードの重力に起因した復元力を用いることを特徴とする２枚翼風車の運転方法。
5. 前記ピッチ角調節ステップでは、前記２本のブレードの前記コードが前記直交方向に対してなす角度を１０度以内とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の２枚翼風車の運転方法。
6. 前記ロータ保持ステップでは、前記２本のブレードの長手方向が前記水平方向に対してなす角度を５度以内とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の２枚翼風車の運転方法。
7. 暴風時において前記ロータを下方に移動させるロータ移動ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の２枚翼風車の運転方法。
8. ２本のブレードと、前記２本のブレードが取り付けられるハブとを含むロータを備えた２枚翼風車の運転方法であって、
   暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿うように、前記２本のブレードのピッチ角を調節するピッチ角調節ステップと、
   暴風時において、前記２本のブレードが水平方向に沿うアジマス角に前記ロータを保持するロータ保持ステップと、
   暴風時において前記ロータを下方に移動させるロータ移動ステップと、を備え、
   前記２枚翼風車は、洋上に浮かぶ少なくとも一対の浮体と、前記少なくとも一対の浮体上にそれぞれ設置されて前記ロータを共に支持する少なくとも一対のタワーをさらに備えた洋上風車であり、
   前記ロータ移動ステップでは、前記少なくとも一対の浮体を互いに遠ざけるとともに、前記少なくとも一対のタワーの前記ロータ側の端部を中心として前記少なくとも一対のタワーをそれぞれ回動させ、前記ロータを下方に移動させることを特徴とする２枚翼風車の運転方法。
9. 前記２枚翼風車は洋上風車であり、
   前記ロータ移動ステップでは、前記洋上風車のタワーの少なくとも一部を海中に沈めることで、前記ロータを下方に移動させることを特徴とする請求項７に記載の２枚翼風車の運転方法。
10. ２本のブレード、および、前記２本のブレードが取り付けられるハブを含むロータと、
    前記２本のブレードのピッチ角を調節するためのピッチ調節機構と、
    暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿うように前記ピッチ調節機構を制御するためのピッチ制御部と、
    暴風時において、前記２本のブレードが水平方向に沿うアジマス角に前記ロータを保持するためのロータ保持機構とを備える２枚翼風車であって、
    前記２枚翼風車は、洋上に浮かぶ少なくとも一対の浮体と、前記少なくとも一対の浮体上にそれぞれ設置されて前記ロータを共に支持する少なくとも一対のタワーをさらに備えた洋上風車であり、
    暴風時において、前記少なくとも一対の浮体を互いに遠ざけるとともに、前記少なくとも一対のタワーの前記ロータ側の端部を中心として前記少なくとも一対のタワーをそれぞれ回動させ、前記ロータを下方に移動させるように構成されたことを特徴とする２枚翼風車。
11. アップウィンド型の２枚翼風車であって、
    先端部が負圧面側から正圧面側に向かう方向に曲がった２本のブレード、および、前記２本のブレードが取り付けられるハブを含むロータと、
    前記２本のブレードのピッチ角を調節するためのピッチ調節機構と、
    暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿い、且つ、前記２本のブレードの正圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ調節機構を制御するためのピッチ制御部とを備えることを特徴とする２枚翼風車。
12. ダウンウィンド型の２枚翼風車であって、
    先端部が正圧面側から負圧面側に向かう方向に曲がった２本のブレード、および、前記２本のブレードが取り付けられるハブを含むロータと、
    前記２本のブレードのピッチ角を調節するためのピッチ調節機構と、
    暴風時において、前記ロータの回転面の直交方向に前記２本のブレードのコードが沿い、且つ、前記２本のブレードの負圧面が鉛直方向下側を向くように前記ピッチ調節機構を制御するためのピッチ制御部とを備えることを特徴とする２枚翼風車。
    

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