JP6043501B2 - 風車方位制御装置、風力発電装置及び風車方位制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、風車方位制御装置、風力発電装置及び風車方位制御方法に関する。

現在、温室効果ガスの排出量の増加や化石燃料の枯渇などの問題から、自然エネルギーである風力を利用した風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、一般的な構造として、支柱の先端部に取り付けられた風車のロータ部が回転することで生じる動力（回転力）によって発電機を駆動する。風力発電装置は、動力の発生に燃料を使用しないので、化石燃料の使用量を削減、すなわち二酸化炭素の排出量を低減することが可能であり、また構造が比較的簡単なので据付が容易である等の特徴を有している。このような風力発電装置では、風力エネルギーを効率良く回収して発電するために、風車が風向に正対するようにその方位が制御される（例えば、下記特許文献１）。風向の算出方法としては、風向計の所定時間内の測定結果に基づいて風向の平均値を求め、当該平均値を風向として算出することが行われている。

特開２０１０−１５６３１７号公報

ところで、自然界では、短時間の間に風向が激しく変化することがある。例えば、風向の変化が激しく、短時間の間に風向が１８０度変化することもある。上記従来技術の風向算出方法は、このような風向の変化が激しい状況である場合に、激しく変化する風向の中間値、すなわち本来存在しない風向を平均値として算出する可能性が高い。本来存在しない風向が平均値として算出されると、当該平均値に正対するように風車が制御されるので、風力から効率良く発電することができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、風力から効率良く発電することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、風車方位制御装置に係る第１の解決手段として、水平軸風車の風車ロータ部の方位を変位させる駆動手段と、風の方位を測定する風向計と、前記風車ロータ部を中心とする全方位を所定角度に分割して得られるブロック各々における風の発生回数を、所定の集計時間の間、前記風向計の測定結果に基づいて集計する風発生回数集計手段と、前記風発生回数集計手段の集計結果に基づいて前記ブロック各々を中心とする連続した複数の前記ブロックにおける風の発生回数の総和を、中心となった前記ブロック（中心ブロック）の総和として算出する総和算出手段と、前記総和が最大となった前記中心ブロックの方位を風向方位として算出する風向方位算出手段と、前記風向方位に前記風車ロータ部が向くように前記駆動手段を制御する制御手段とを具備するという手段を採用する。

また、本発明では、風車方位制御方法に係る第１の解決手段として、水平軸風車の風車ロータ部の方位を制御する風車方位制御方法であって、風の方位を測定する第１の工程と、前記風車ロータ部を中心とする全方位を所定角度に分割して得られるブロック各々における風の発生回数を、所定の集計時間の間、前記第１の工程の測定結果に基づいて集計する第２の工程と、前記第２の工程の集計結果に基づいて前記ブロック各々を中心とする連続した複数の前記ブロックにおける風の発生回数の総和を、中心となった前記ブロック（中心ブロック）の総和として算出する第３の工程と、前記総和が最大となった前記中心ブロックの方位を風向方位として算出する第４の工程と、前記風向方位に前記風車ロータ部を向けさせる第５の工程とを具備するという手段を採用する。

本発明によれば、ブロック各々を中心とする連続した複数のブロックにおける風の発生回数の総和を算出し、総和が最大となるブロックの方位に風車ロータ部を向けさせる。このように、本発明は、風の発生回数に基づいて風向方位を判断するので、風の発生が実際に多い方位に風車ロータ部を向けさせることができる。このため、本発明は、風力から効率良く発電することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る風車方位制御装置を備える風力発電装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る風車方位制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る風車方位制御装置のブロックｂｋ１〜ｂｋ９０を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る風車方位制御装置の動作の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る風車方位制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る風車方位制御装置のアラーム対応処理３１ａを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る風車方位制御装置のアラーム対応処理３１ｂを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る風車方位制御装置Ａは、風力発電装置Ｓにおける風車ロータ部３の方位を制御するものである。まず、風車方位制御装置Ａを備える風力発電装置Ｓの全体構成について説明する。風力発電装置Ｓは、風力によって前記水平軸風車に発生する動力（回転力）を利用した発電装置であり、図１に示すように、タワー１、発電機２、風車ロータ部３、ナセル４、二次電池Ｂ及び風車方位制御装置Ａを備える。

タワー１は、例えば地面に立設されており、地表からの高さが数十メートル程度の円柱状の固定構造物である。タワー１は、中空構造であり、その内部に二次電池Ｂを収容する。なお、図１では、風車方位制御装置Ａは、タワー１の外に描かれているが、実際には、タワーから離れて設けられた制御盤の内部に収容されている。
発電機２は、ナセル４に収容され、駆動軸に風車ロータ部３が接続されている。発電機２は、ケーブルを介して二次電池Ｂと電気的に接続され、発電した電力を二次電池Ｂに出力する。

風車ロータ部３は、発電機２の駆動軸端部に設けられた風車ロータヘッドを有しており、風車ロータヘッドには、図１に示すように例えば３枚のブレードが設けられている。発電機２の駆動軸は地面に水平となるようにナセル４内部に収容されており、このような発電機２に軸結合する風車ロータ部３は、その駆動軸の鉛直面を回転面とする水平軸の風車ロータ部である。

ナセル４は、発電機２を収容するケーシングであり、タワー１上部にヨー軸（垂直軸）を中心に回転可能に取り付けられている。このナセル４は、風車ロータ部３が効率良く風力を受ける方向を向くように、風車方位制御装置Ａの制御の下、ヨー軸を中心に回転する。
二次電池Ｂは、リチウムイオン二次電池、鉛蓄電池またはＮＡＳ電池（ナトリウム硫黄二次電池）などであり、タワー１の内部に収容され、発電機２によって発電された電力を蓄電する。

風車方位制御装置Ａは、風力発電装置Ｓが効率良く電力を発電できるように、風向に応じて風車ロータ部３の方位を制御するものであり、図１に示すように、風向計１１、ＰＬＣ（programmable logic controller）１２、モータドライバ１３及びモータ１４を備える。なお、ＰＬＣ１２は、本実施形態における風発生回数集計手段、総和算出手段、風向方位算出手段及び制御手段である。また、モータドライバ１３及びモータ１４は、本実施形態における駆動手段である。

風向計１１は、ナセル４の上部に取付けられ、設置場所における風向及び風速を測定し、当該測定結果（データ）を風測定信号としてＰＬＣ１２に出力する。
ＰＬＣ１２は、マイクロプロセッサ及びメモリなどから構成され、メモリに記憶されているプログラム及び風向計１１から入力される風測定信号に基づいて演算を行い、演算結果に基づいてモータドライバ１３へ位置指令を出す。なお、ＰＬＣ１２が実行する処理の詳細については、以下に風車方位制御装置Ａの動作として説明する。

モータドライバ１３は、インバータ回路などから構成され、ＰＬＣ１２から入力されるパルス制御信号に基づいてスイッチングすることにより、モータ駆動電力を生成してモータ１４に供給する。
モータ１４としてのロータがナセル４に接続され、モータドライバ１３から供給されたモータ駆動電力に基づいてロータを回転させ、ナセル４をヨー軸中心に回転させる。つまり、モータ１４は、ナセル４を回転させることで、風車ロータ部３の方位を変位させる。
なお、ＰＬＣ１２とモータドライバ１３は、制御盤に収容されており、風向計１１と、ＰＬＣ１２と、モータドライバ１３と、モータ１４とは、それぞれ有線または無線で接続されている。

次に、上記構成の風車方位制御装置Ａの動作について説明する。なお、後述するステップＳ１は本発明の第１の工程に対応し、ステップＳ２〜６は本発明の第２の工程に対応し、ステップＳ７は本発明の第３の工程に対応し、ステップＳ８及びステップＳ９は本発明の第４の工程に対応し、さらに、ステップＳ１０及び１１は本発明の第５の工程に対応する。

風車方位制御装置Ａにおいて、常時、風向計１１は、風向を測定し、図２に示すように、当該測定結果を風測定信号としてＰＬＣ１２に出力する（ステップＳ１）。
続いて、ＰＬＣ１２は、風向計１１から入力される風測定信号を所定のサンプリング周期でサンプリングして、風向情報を取得する。そして、ＰＬＣ１２は、風車ロータ部３を中心とする全方位を所定角度に分割して得られるブロック各々における風の発生回数を、所定の集計時間の間、風向情報に基づいて集計する。

上記処理について以下詳細に示す。ＰＬＣ１２は、所定のサンプリング周期（例えば１秒）を経過したか否か判定する（ステップＳ２）。ＰＬＣ１２は、ステップＳ２において『ＹＥＳ』と判定した場合には、すなわちサンプリング周期を経過した場合には、風測定信号をサンプリングして、風測定信号から風向情報を取得する（ステップＳ３）。この際、ＰＬＣ１２は、風向情報として、風向の方位を取得する。

ＰＬＣ１２は、ステップＳ３の後に、風向情報に基づいてブロック毎の風の発生回数を集計する（ステップＳ４）。上記ブロックとは、風車ロータ部３を中心とする全方位が所定角度に分割されたものである。例えば、図３に示すように、風車ロータ部３を中心とする全方位（３６０度）が「４度」毎に９０個のブロックｂｋ１〜ｂｋ９０に分割されている。なお、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０の角度については、小さすぎると、ＰＬＣ１２の計算負荷が高くなり、大きすぎると、後述する風向方位の算出精度が下がってしまう。そのため、ＰＬＣ１２の計算負荷と風向方位の算出精度とを考慮して、上記「４度」という角度に設定されている。また、図３に示す「０度」は、風車ロータ部３の前方、すなわち回転面が向いている方位を示している。

例えば、ＰＬＣ１２は、上記ステップＳ３において、風向情報として「１０度」を取得した場合には、ステップＳ４において、図３に示すブロックｂｋ３（８度〜１２度の範囲）の風の発生回数を１カウントアップする。具体的には、ＰＬＣ１２は、プログラムにおいてブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々に対応した変数Ｂｋ１〜Ｂｋ９０が宣言されている場合に、変数Ｂｋ３に代入されている値をカウントアップ、すなわち「Ｂｋ３＝１」（変数Ｂｋ３に「１」が代入されている）という場合に、「Ｂｋ３＝２」（変数Ｂｋ３に「２」を代入する）という処理を実行し、内部のメモリに記憶する。

図２に戻り、ＰＬＣ１２は、ステップＳ４の後に、サンプリングタイマをリセットし、再びサンプリングタイマによるサンプリング周期の計時を開始する（ステップＳ５）。なお、サンプリングタイマとは、サンプリング周期を計時するためのタイマである。ＰＬＣ１２は、ステップＳ５の後に、所定の集計時間（例えば「１０分」）を経過したか否か判定する（ステップＳ６）。

このように、ＰＬＣ１２は、上記ステップＳ２〜６において、集計時間「１０分」の間、風向情報に基づいてブロックｂｋ１〜ｂｋ９０における風の発生回数のカウントアップを繰り返すことにより、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０毎の風の発生回数を集計する。なお、一般的に、風力発電装置Ｓにおける風車ロータ部３の方位の制御間隔は、モータ１４の消費電力及び劣化を抑えるために、「１０分」という時間に設定されている。本実施形態において、集計時間は、上記時間に基づいて「１０分」に設定されている。

図２に戻り、ＰＬＣ１２は、ステップＳ６において『ＹＥＳ』と判定した場合には、すなわち集計時間を経過した場合には、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々の風の発生回数の集計結果に基づいてブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々を中心とする連続した複数のブロック（例えば９個のブロック）における風の発生回数の総和を、中心となったブロック（中心ブロック）の総和として算出する（ステップＳ７）。すなわち、ＰＬＣ１２は、上記ステップＳ７において、中心ブロックから±１６度（４個のブロック）の範囲の風の発生回数の総和を算出する。

上記ステップＳ７について具体的に説明する。まず、ＰＬＣ１２は、図３に示すブロックｂｋ１を中心ブロックとするブロックｂｋ８７〜ｂｋ５（ブロックｂｋ１を中心とする９個のブロック）の風の発生回数の総和を算出する。例えば、ブロックｂｋ８７の風発生回数が５回（Ｂｋ８７＝５）、ブロックｂｋ８８が６回（Ｂｋ８８＝６）、ブロックｂｋ８９が４回（Ｂｋ８９＝４）、ブロックｂｋ９０が４回（Ｂｋ９０＝４）、ブロックｂｋ１が３回（Ｂｋ１＝３）、ブロックｂｋ２が３回（Ｂｋ２＝３）、ブロックｂｋ３が２回（Ｂｋ３＝２）、ブロックｂｋ４が２回（Ｂｋ４＝２）、ブロックｂｋ５が１回（Ｂｋ５＝１）である場合に、その総和は「３０」になる。ＰＬＣ１２は、変数Ｂｋ８７〜Ｂｋ５の値に基づいて総和「３０」を算出し、プログラムにおいてブロックｂｋ１を中心ブロックとする総和の保存先である変数Ｃｂ１が宣言されている場合には、「Ｃｂ１＝３０」（変数Ｃｂ１に「３０」を代入する）という処理を実行し、内部のメモリに記憶する。

ＰＬＣ１２は、上記処理を終了すると、次にブロックｂｋ２を中心ブロックとするブロックｂｋ８８〜ｂｋ６（ブロックｂｋ２を中心とする９個のブロック）の風の発生回数の総和を算出する。例えば、ブロックｂｋ８８〜ｂｋ５の風発生回数が上述の回数であり、ブロックｂｋ６の風発生回数が２回（Ｂｋ６＝２）である場合に、その総和は「３１」になる。ＰＬＣ１２は、変数Ｂｋ８８〜Ｂｋ６の値に基づいて総和「３１」を算出し、ブロックｂｋ２を中心ブロックとする総和の保存先である変数Ｃｂ２が宣言されている場合には、「Ｃｂ２＝３１」（変数Ｃｂ２に３１を代入する）という処理を実行し、内部のメモリに記憶する。

ＰＬＣ１２は、上記処理を終了すると、次にブロックｂｋ３を中心ブロックとするブロックｂｋ８９〜ｂｋ７（ブロックｂｋ３を中心とする９個のブロック）の風の発生回数の総和を算出する。このように、ＰＬＣ１２は、上記ステップＳ７において、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々を中心ブロックとする９０個の総和を算出し、それぞれの総和を変数Ｃｂ１〜Ｃｂ９０に代入し、内部のメモリに記憶する。

図２に戻り、ＰＬＣ１２は、ステップＳ７の後に、メモリに記憶された各総和に基づいて総和が最大となった中心ブロックの方位を風向方位として算出する（ステップＳ８）。
例えば、ＰＬＣ１２は、総和が最大となった中心ブロックがブロックｂｋ２である場合には、ブロックｂｋ２の中心を風向方位として算出する。

ＰＬＣ１２は、ステップＳ８の後に、集計時間タイマをリセットし、再び集計時間タイマによる集計時間の計時を開始する（ステップＳ９）。上記集計時間タイマとは、集計時間（例えば「１０分」）を計時するためのタイマである。つまり、ＰＬＣ１２は、ステップＳ９において、集計時間タイマをリセットし、再び集計時間を計時しつつ、次回の各ブロックにおける風の発生回数の集計を開始する。ＰＬＣ１２は、上記動作を繰り返すことで、ステップＳ８において集計時間毎に風向方位を算出することができる。

ＰＬＣ１２は、ステップＳ９の後に、現在の風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が角度のしきい値（例えば「１６度」）を超えたか否か判定する（ステップＳ１０）。ＰＬＣ１２は、ステップＳ１０において『ＹＥＳ』と判定した場合には、すなわち現在の風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が角度のしきい値を超えた場合には、パルス制御信号をモータドライバ１３に出力し、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３の方位を風向方位に向けさせる（ステップＳ１１）。上記角度のしきい値とは、風車ロータ部３の方位を風向方位に合わせて変位させるか否か判断するための基準値である。例えば、ＰＬＣ１２は、角度のしきい値が「１６度」である場合に、上記ステップＳ１０において、現在の風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が角度のしきい値「１６度」を超えたと判定すると、上記ステップＳ１１において、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３の方位を風向方位に向けさせる。

図２に戻り、ＰＬＣ１２は、ステップＳ１０において『ＮＯ』と判定した場合には、すなわち現在の風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が角度のしきい値を超えていない場合には、風車ロータ部３の方位を変位させずに、処理を終了する。このように、現在の風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が角度のしきい値を超えていない、すなわち、風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が小さい場合には、モータ１４の稼働を抑制する。

ここで、上記ステップＳ７において、風発生回数の総和を算出する中心ブロックからの範囲を±１６度（４個のブロック）にした理由について説明する。風力発電装置Ｓにおいて、発電に利用できる風力エネルギーは、（風速×ｃｏｓθ）^３に比例する（θは、風車ロータ部３の方位と風向との差）。よって、風力発電において望まれる９０パーセント以上の風力エネルギーを回収するには、θを「１５度」以下にする必要がある。本実施形態では、この「１５度」を基準にして、「１５度」に近似するとともに、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０の角度「４度」の倍数である「±１６度」を風発生回数の総和を算出する範囲に設定している。また、上記ステップＳ１０において、角度のしきい値を「１６度」にしているが、これも、上述したθ「１５度」に近似する値であるとともに、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０の角度「４度」の倍数であることに基づいて設定している。

以上のように、本実施形態では、ブロックｂｋ１〜９０各々を中心とする連続した複数のブロックにおける風の発生回数の総和を算出し、総和が最大となるブロックの方位に風車ロータ部３を向けさせる。このように、本実施形態は、風の発生回数に基づいて風向方位を判断するので、従来技術のように風が本来存在しない方位ではなく、風の発生回数が実際に多い方位に風車ロータ部３を向けさせることができる。これにより、本実施形態は、風車ロータ部３に接続される発電機２に風力から効率良く発電させることができる。つまり、本実施形態を備えた風力発電装置Ｓは、風力から効率良く発電することができる。

また、本実施形態は、単純に風の発生回数に基づいて風向方位を算出するので、例えば、風向計１１により測定された風速に基づいて風力エネルギーを算出し、当該風力エネルギーから風向方位を算出する場合に比べて、ＰＬＣ１２の計算負荷を軽減することができる。さらに、本実施形態では、現在の風車ロータ部３の方位と、風向方位との差が角度のしきい値を超えている場合にのみ、風車ロータ部３の方位を風向方位に変更させる。つまり、風車ロータ部３の方位の変位がわずかである場合、すなわち発電効率が大きく変化しない場合には、モータ１４を稼働させない。これにより、モータ１４の消費電力及び劣化を抑えることができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。
本第２実施形態は、第１実施形態と同一の構成を有する一方、ＰＬＣ１２のメモリに記憶されているプログラムが第１実施形態と異なる。つまり、第２実施形態は、ＰＬＣ１２の動作が第１実施形態と異なる。よって、第２実施形態については、構成に関する説明を省略して、図５及び図６を参照して、動作についてのみ説明する。また、図５におけるステップＳ２１〜２９については、図２におけるステップＳ１〜９と同様であり、さらにステップＳ３２、３３についてはＳ１０、１１と同様であるので、説明を省略する。なお、ＰＬＣ１２は、本実施形態における方位選択手段である。また、後述するステップＳ３０、Ｓ３１ａ（Ｓ３１ｂ）は、本実施形態におけるアラーム対応工程である。

ＰＬＣ１２は、ステップＳ２９の後に、システムアラームを検知したか否か判定する（ステップＳ３０）。なお、システムアラームとは、風車方位制御装置Ａ及び風力発電装置Ｓにおいて各種エラーの発生を通知するために出力されるアラームである。

ＰＬＣ１２は、システムアラームを検知しなかった場合（ＮＯの場合）、ステップＳ３２の処理を実行する。一方、ＰＬＣ１２は、システムアラームを検知した場合（ＹＥＳの場合）、アラーム対応処理３１ａを実行する（ステップＳ３１ａ）。まず、ＰＬＣ１２は、該アラーム対応処理３１ａにおいて、上記ステップＳ２８の処理で算出された風向方位に直交する第１の目標方位（風向方位＋９０度）を算出する（ステップＳ３０１）と共に第２の目標方位（風向方位−９０度）を算出する（ステップＳ３０２）。

そして、ＰＬＣ１２は、ステップＳ３０２の後に、第１の目標方位がヨー軸を中心とする風車ロータ部３の変位（回転）可能な範囲内（第１の目標方位が正のオーバートラベルと負のオーバートラベルの間）であるか否か判定する（ステップＳ３０３）。ここでは、風車ロータ部３がヨー軸を中心に無限回転できないため、第１の目標方位が風車ロータ部３の正転極限と逆転極限との間におさまるか否かについて判定している。なお、上記オーバートラベルとは、ヨー軸を中心とした風車ロータ部３の回転可能範囲のことである。

ＰＬＣ１２は、第１の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内である場合（ＹＥＳの場合）、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３を第１の目標方位に向けさせる（ステップＳ３０４）。一方、ＰＬＣ１２は、第１の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内でない場合（ＮＯの場合）、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３を第２の目標方位に向けさせる（ステップＳ３０５）。また、ＰＬＣ１２は、システムアラーム発生時にだけ上記処理を行うのではなく、システムアラーム発生中において風向方位が更新されるたびに、上記処理を実行して、風車ロータ部３の方位を繰り返し設定し直す。上記動作の結果、風車ロータ部３を従来と比較して安全に停止できる。

次に、第２実施形態の変形例について説明する。
第２実施形態の変形例も、ＰＬＣ１２の動作が第１実施形態と異なる。よって、第２実施形態の変形例についても、図５及び図７を参照して、動作についてのみ説明する。また、図５におけるステップＳ２１〜２９及びステップＳ３２、３３についても、同様に、説明を省略する。

ＰＬＣ１２は、ステップＳ２９の後に、システムアラームを検知したか否か判定する（ステップＳ３０）。そして、ＰＬＣ１２は、システムアラームを検知しなかった場合（ＮＯの場合）、ステップＳ３２の処理を実行する。

一方、ＰＬＣ１２は、システムアラームを検知した場合（ＹＥＳの場合）、アラーム対応処理３１ｂを実行する（ステップＳ３１ｂ）。まず、ＰＬＣ１２は、該アラーム対応処理３１ｂ（ステップＳ３１ｂ）において、上記ステップＳ２８の処理で算出された風向方位に直交する第１の目標方位（風向方位＋９０度）を算出する（ステップＳ３１１）と共に第２の目標方位（風向方位−９０度）を算出する（ステップＳ３１２）。続いて、ＰＬＣ１２は、第１の目標方位と現在の風車ロータ部３の方位（現在方位）との差の絶対値｜Δθ１｜（第１の差Δθ１）を算出する（ステップＳ３１３）と共に第２の目標方位と現在方位との差の絶対値｜Δθ２｜（第２の差Δθ２）を算出する（ステップＳ３１４）。

そして、ＰＬＣ１２は、ステップＳ３１４の後に、第１の差Δθ１（｜Δθ１｜）が第２の差Δθ２（｜Δθ２｜）より大きいか否か判定する（ステップＳ３１５）。ここでは、優先的に現在方位に近い方の目標方位に風車ロータ部３を変位させるために、第１の差Δθ１と第２の差Δθ２とを比較している。ＰＬＣ１２は、第１の差Δθ１が第２の差Δθ２より大きい場合（ＹＥＳの場合）、つまり現在方位が第２の目標方位に近い場合、第２の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内（第２の目標方位が正のオーバートラベルと負のオーバートラベルの間）であるか否か判定する（ステップＳ３１６）。ＰＬＣ１２は、第２の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内である場合（ＹＥＳの場合）、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３を第２の目標方位に向けさせる（ステップＳ３１７）。一方、ＰＬＣ１２は、第２の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内でない場合（ＮＯの場合）、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３を第１の目標方位に向けさせる（ステップＳ３１８）。

また、ＰＬＣ１２は、上記ステップＳ３１５において第１の差Δθ１が第２の差Δθ２より小さい場合（ＮＯの場合）、つまり現在方位が第１の目標方位に近い場合、第１の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内（第１の目標方位が正のオーバートラベルと負のオーバートラベルの間）であるか否か判定する（ステップＳ３１９）。ＰＬＣ１２は、第１の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内である場合（ＹＥＳの場合）、ステップＳ３１８において、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３を第１の目標方位に向けさせる。一方、ＰＬＣ１２は、第１の目標方位が風車ロータ部３の変位可能な範囲内でない場合（ＮＯの場合）、ステップＳ１８において、モータドライバ１３にモータ１４を駆動させることで、風車ロータ部３を第２の目標方位に向けさせる。また、ＰＬＣ１２は、システムアラーム発生時にだけ上記処理を行うのではなく、システムアラーム発生中において風向方位が更新されるたびに、上記処理を実行して、風車ロータ部３の方位を繰り返し設定し直す。

以上のように、第２実施形態によれば、システムアラーム発生時に、ヨー軸を中心に風車ロータ部３の方位を変位させることによって風車ロータ部３を風の影響によって回転しない方位、つまり風向方位に対して直交する方位に向けさせる。このような第２実施形態では、システムエラー発生時に、従来から行われている風車ロータ部３のピッチ軸を駆動することによりフェザリングして風を逃がすことに加えて、風車ロータ部３を風の影響によって回転しない方位に向けるので、安全に風車ロータ部３を停止状態にすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記第１、２実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記第１、２実施形態は、中心ブロックを含めて９個のブロック（中心ブロックから±１６度）の範囲の風の発生回数の総和を算出したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、風力発電において望まれる風力エネルギーの回収率が、上述した９０パーセント以上ではなく、６５パーセント以上である場合には、上述のθを「３０度」以下にしなければならない。そのような場合には、本第１、２実施形態において、「３０度」（１５度の２倍）を基準にして、「±３０度」に近似する「±３２度」（中心ブロックを含めて１７個のブロック）を風発生回数の総和を算出する範囲に設定すればよい。

また、風力発電において望まれる風力エネルギーの回収率が、上述した９０パーセント以上ではなく、３５パーセント以上である場合には、上述のθを「４５度」以下にしなければならない。そのような場合には、本第１、２実施形態において、「４５度」（１５度の３倍）を基準にして、「±４５度」に近似する「±４８度」（中心ブロックを含めて２５個のブロック）を風発生回数の総和を算出する範囲に設定すればよい。また、１５度の６倍である「９０度」を基準にする場合であれば、「±９０度」に近似する「±９２度」（中心ブロックを含めて４７個のブロック）を風発生回数の総和を算出する範囲に設定すればよい。さらに、ＰＬＣ１２の計算負荷を軽減する必要がある場合には、「１５度」の半分である「７．５度」を基準にして、「±７．５度」に近似する「±８度」（中心ブロックを含めて５個のブロック）を風発生回数の総和を算出する範囲に設定するようにしてもよい。

（２）上記第１、２実施形態では、上記ステップＳ１０（ステップＳ３２）において角度のしきい値を用いているが、この角度のしきい値を固定ではなく、可変にするようにしてもよい。つまり、ＰＬＣ１２は、風向計１１の測定結果に基づいて風速が速度のしきい値を超えていた場合に、角度のしきい値を小さくするようにしてもよい。上記速度のしきい値とは、角度のしきい値を変えるか否か判断するための風速の基準値である。例えば、ＰＬＣ１２は、速度のしきい値が「１０ｍ」である場合に、風速が速度のしきい値「１０ｍ」を超えたと判定すると、角度のしきい値を「１６度」から「８度」に変更する。上述したように、風力エネルギーは、（風速×ｃｏｓθ）^３に比例しており、風速が上がるほど、風車ロータ部３の方位と風向方位とのずれによる損失が大きくなる。そのため、風速が上がった際に、角度のしきい値を小さくすることで、風力エネルギーの損失を低減することができる。

また、上記第１、２実施形態では、モータ１４の消費電力及び劣化を考慮して、角度のしきい値を設けているが、モータ１４の消費電力及び劣化を考慮しなくてもよい場合には、角度のしきい値を設けず、現在の風車ロータ部３の方位と風向方位とが異なっている場合に、風車ロータ部３の方位を風向方位に変位させるようにしてもよい。

（３）上記第１、２実施形態では、集計時間を「１０分」にしているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、モータ１４の消費電力及び劣化を考慮しなくてもよい場合には、集計時間を「１０分」より短い例えば「１分」にして、「１分」間におけるブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々の風の発生回数の集計結果に基づいて中心ブロック毎の総和を算出し、当該総和から風向方位を算出するようにしてもよい。また、モータ１４の消費電力及び劣化をより考慮しなければならない場合には、集計時間を「１０分」より長い例えば「１５分」にしてもよい。

また、上記第１、２実施形態では、図４（ａ）に示すように、「１０分」の集計時間の間に、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々の風の発生回数を集計し、集計結果に基づいて中心ブロック毎の風の発生回数の総和を算出し、当該総和から風向方位を算出したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、図４（ｂ）に示すように、「１０分」の集計時間は変えずに、過去「１０分」間の集計結果に基づいて「１分」毎に中心ブロック毎の風の発生回数の総和を算出し、当該総和から風向方位を算出するようにしてもよい。つまり、図４（ｂ）に示す方法では、「１分」毎に風車ロータ部３の方位を制御することになる。

（４）上記第１、２実施形態は、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０が「４度」毎に分割されているが、本発明はこれに限定されない。
ＰＬＣ１２の処理能力が高く、計算負荷を考えなくてもよい場合には、ブロックｂｋ１〜ｂｋ９０各々の角度を「４度」よりも小さい例えば「１度」にして、風向方位の算出精度を上げるようにしてもよい。また、ＰＬＣ１２の計算負荷を低く抑えたい場合には、ブロックの角度を「４度」よりも大きい例えば「８度」（「４度」の２倍）にするようにしてもよい。

（５）上記第１、２実施形態に、ステップＳ２またはステップＳ２２の前処理（ステップＳ１とステップＳ２との間、またはステップＳ２１とステップＳ２２との間の処理）として、「ＰＬＣ１２がモータ１４を駆動しているか否か判定する（ステップＳ０）」処理を追加するようにしてもよい。具体的に、ＰＬＣ１２は、ステップＳ１またはステップＳ２１の後に、上記ステップＳ０を実行し、ステップＳ０において『ＹＥＳ』と判定した場合には、すなわちモータ１４を駆動している場合には、モータ１４の駆動を停止するまで待機し、ステップＳ０において『ＮＯ』と判定した場合には、すなわちモータ１４を駆動していない場合には、ステップＳ２またはステップＳ２２を実行する。風車方位制御装置Ａは、モータ１４駆動時、すなわち、ナセル４回転時には、不正確な風向情報を取得してしまうが、上記ステップＳ０が追加されることで、この不正確な風向情報を排除することができる。なお、上記ステップＳ０は、必ず必要な処理ではないので、必要に応じて搭載すればよい。

Ｓ…風力発電装置、Ｂ…二次電池、Ａ…風車方位制御装置、１…タワー、２…発電機、３…風車ロータ部、４…ナセル、１１…風向計、１２…ＰＬＣ（風発生回数集計手段、総和算出手段、風向方位算出手段、制御手段及び方位選択手段）、１３…モータドライバ（駆動手段）、１４…モータ（駆動手段）

Claims (5)

1. 水平軸風車の風車ロータ部の方位を変位させる駆動手段と、
   風の方位を測定する風向計と、
   前記風車ロータ部を中心とする全方位を所定角度に分割して得られるブロック各々における風の発生回数を、所定の集計時間の間、前記風向計の測定結果に基づいて集計する風発生回数集計手段と、
   前記風発生回数集計手段の集計結果に基づいて前記ブロック各々を中心とする連続した複数の前記ブロックにおける風の発生回数の総和を、中心となった前記ブロック（中心ブロック）の総和として算出する総和算出手段と、
   前記総和が最大となった前記中心ブロックの方位を風向方位として算出する風向方位算出手段と、
   前記風向方位に前記風車ロータ部が向くように前記駆動手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする風車方位制御装置。
2. 前記制御手段は、現在の前記風車ロータ部の方位と、前記風向方位との差が角度のしきい値を超えた場合に、前記風向方位に前記風車ロータ部を向けさせることを特徴とする請求項１に記載の風車方位制御装置。
3. 前記制御手段は、前記風向計の測定結果に基づいて風速が速度のしきい値を超えた場合に、前記角度のしきい値を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の風車方位制御装置。
4. 立設されたタワーと、
   電力を蓄電する二次電池と、
   発電した電力を前記二次電池に出力する発電機と、
   前記発電機の駆動軸に接続される水平軸の風車ロータ部と、
   前記発電機を収容し、前記タワーの上部にヨー軸を中心に回転可能に取り付けられているナセルと、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の風車方位制御装置とを具備し、
   前記風車方位制御装置における前記制御手段は、前記風向方位に前記風車ロータ部が向くように前記ナセルを前記駆動手段によって回転させることを特徴とする風力発電装置。
5. 水平軸風車の風車ロータ部の方位を制御する風車方位制御方法であって、
   風の方位を測定する第１の工程と、
   前記風車ロータ部を中心とする全方位を所定角度に分割して得られるブロック各々における風の発生回数を、所定の集計時間の間、前記第１の工程の測定結果に基づいて集計する第２の工程と、
   前記第２の工程の集計結果に基づいて前記ブロック各々を中心とする連続した複数の前記ブロックにおける風の発生回数の総和を、中心となった前記ブロック（中心ブロック）の総和として算出する第３の工程と、
   前記総和が最大となった前記中心ブロックの方位を風向方位として算出する第４の工程と、
   前記風向方位に前記風車ロータ部を向けさせる第５の工程とを具備することを特徴とする風車方位制御方法。

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