JP2006077747A - 複式一枚羽根風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 風力発電装置の高出力化とともにタワ−風車の上部に装着する回転翼と発電機構等の大型化による高塔化が進み、タワ−の載荷重量が逓増するため、これを支持する塔体の強化が必要となり、設備コストの高騰化によって発電コストがアップする。
【解決手段】 載荷重量の軽減化による塔体８の強度の効率化と風車１の高速回転による発電効率の向上を図るため、回転翼１の羽根０１が一枚よりなる風車１をタワ−８の風上と風下側に対偶的に配設し、両風車１の羽根０１を回転位相角が１８０°をなすよう同一回転軸２に軸着する。ナセル６内の風車１の回転軸２に傘歯車４０よりなる歯車機構４を装設し、別途、タワ−８内に回転自在に軸支されて垂設した伝動回転軸３の先端に軸着した傘歯車４０とを噛合してナセル６内の水平回転軸２を９０°偏向するとともにその回転力を伝動回転軸３により下部の基礎体９上に設置した発電機Ｇの回転軸２に伝達して発電機Ｇを駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水平軸型風車の羽根の回転により発電機を駆動して風力エネルギ−を電気エネルギ−に変換するプロペラ型の風車装置であって、詳しくは、プロペラの羽根が一枚の風力発電装置に関する。

従来のプロペラ型の風力発電装置（以下、プロペラ型風車という）は、図４に示すように基礎地盤の上に建立した支持塔（タワ−）の頂部に風向追従用架台のヨ−駆動装置を載置し、その上に回転翼（プロペラ）の羽根（ブレ−ド）が３枚よりなる風車と、その回転軸（ロ−タ軸）に直結する発電機構を収納した機関室（ナセル）とを載設し、塔上の風力により回転する風車の回転力を直接、塔上に設置した発電機の回転軸（シャフト）に伝達、駆動して発電する水平軸型風車構造のタワ−式風力発電装置が一般的に普及している。

上記のように羽根が３枚よりなる重い回転翼と発電機構とをタワ−の頂部に載設する水平軸型風車構造の軽量化に関する公開技術として、図５〜図７に示すように、風車に直結した発電機等を含む諸装置をナセルから切離して、そこに歯車機構（複合差動）を載設するとともにタワ−内に伝動回転軸（被駆動軸）を垂設し、ナセル内の歯車機構を介して風車の水平回転軸の方向を９０°偏向して回転力を伝動回転軸に伝達し、その伝動回転軸と下方に設置した大型の発電機のシャフトとを軸承、連結して発電機を駆動する機構のプロペラ型『風力発電装置』（図５）が開示されている。

また、図６に示すように、頂部のナセル内にギアボックスを載設するとともに別途、タワ−内に伝動回転軸を垂設し、ギアボックスを介して風車の回転軸の方向を９０°偏向して、回転力を伝動回転軸に軸承、伝達し、伝動回転軸上に延設した複数の小型の発電機とタワ−の下部に設置した発電機とを駆動する機構のプロペラ型『発電システム』のほか、
図７に示すようにナセル内に歯車機構を載設して軽量化と風車の風向追従性の向上を図るため、ナセルの風上側に大型風車を風下側に小型風車を対偶、配設して両風車の回転軸を直結し、風下側の回転軸に垂直尾翼を添設するとともにタワ−内に別途、伝動回転軸を垂設する。ナセルの歯車機構を介して風車の回転軸の方向を９０°偏向して両風車の回転力を伝動回転軸に伝達し、これと下方に設置した大型発電機のシャフトとを連結して複数の発電機を駆動させる機構の二重プロペラ型『風力発電装置』が開示されている。

また、プロペラ型風車の回転翼の羽根の軽量化と風車ロ−タ軸の高速回転を図るため、図８に示すようなハブ（回転翼のロ−タ軸への付け根）の一方に羽根を取付け、片一方に重錐（平衡翼錘）を取付けてなる一枚羽根風車（モノプロテス）が開発されている。
特開２００３−２７８６３９号公報 特開２００２−３３９８５２号公報 特開２００１−１８６７４０号公報

しかし、最も普及している図４のようなプロペラ型風車は、タワ−の頂部に重い回転翼と発電機等を収納したナセルを載設する機構の支持塔（上端が自由、下端が固定の長柱状の構造物）で、上部に載設した重い荷重（垂直、圧縮）と回転翼の受風圧による水平横荷重（抗力）とが同時に支持塔に作用するのでタワ−が偏重、偏心荷重状態となり、タワ−を風下側に撓ませる曲げ応力が働くため、風車の大型化（発電機の高出力化と回転翼の拡大化）とともにその荷重（圧縮と曲げ）が逓増し、タワ−が座屈し易くなるため、強靱な支持塔が必要となり、これが設備費の高騰化に繁がり、発電コストをアップさせるので、塔体の構成要素の検討とともに風車メカニズムの一層の効率化を図る必要があった。
本発明は、上記のような従来のプロペラ型風車の大型化にともない派生する構造工学上の問題点（回転翼と発電機等の装置を塔頂部に収集、載設した偏重荷重状態の不安定構造）を解析し、これが改変策を創見、創作することを主たる目的とするものである。

支持塔を強靭にする方策については、その構成部材を従来のモノポ−ル（鋼板の単一マスト継柱）から鉄塔（形鋼、鋼管）に変えることも有効な手法であるが、米国において大型風車の支持塔に四角鉄塔（トラス状のタワ−）を使用した実技評価によれば、プロペラの回転によりタワ−の風下に発生する渦流現象によって起きるロ−タ／タワ−連成振動と空力騒音の問題を解決する手法が創見されないため、未だ具体化するに至っていない。

また、これが改変策として、図５〜図７のように発電機を下方に降ろしてナセル内に載設の歯車機構によって回転方向を偏向するとともに風車ロ−タ軸の回転力をタワ−内に垂設の伝動回転軸に伝達することによって塔部の軽量化を図っているが、そのいずれも風車のロ−タ軸を支える軸受ユニットが歯車機構の前後に装設されてないので、両傘歯車が的確に噛み合わず、回転力が円滑に伝達されいことと回転翼の重量とナセル内の歯車機構の重量とが不均衡（偏重）状態で、タワ−に偏心荷重が働くため、塔頂部のヨ−駆動装置の回動機能が円滑に作動しないことのほか風圧によるタワ−の撓みとともに伝動回転軸も撓むので、図６、図７のような歯車機構と発電機のシャフトとを継ぐ伝動回転軸の両端に自在継手が使用されていない機構では回転力が円滑に伝達されないことに問題があった。

また、図６のようにタワ−内に垂設した伝動回転軸に複数の発電機を延設した発電システムにおいても伝動回転軸に自在継手を使わず、摩擦（遠心）クラッチにより複数の発電機を連結しているが、上述と同じ現象の伝動回転軸に撓みが起きた場合、回転力を円滑に下部の発電機に伝達することが困難であることと、回転翼とロ−タ軸と、これを支持するギアボックスとの重量差が大きいのでナセル内のロ−タ軸に軸受ユニットがない場合は、歯車機構と伝動回転軸との噛合が悪く、回転力が円滑に伝達しないことに問題があった。

また、図７のような風上と風下の両側に風車を装置し、風下側に垂直翼を装着し、ナセル内に両風車の回転力を調整する歯車機構を載設した二重プロペラ型風車装置においては、風向追従性は向上するが、頂部に載設する諸装置の軽量化は期待できず、逆に受風面積の拡大による水平横荷重（風抗力）の増加に対する支持塔の強度確保が必要なことと差動歯車装置によって両側風車の回転力の差を調整し、これを垂設の伝動回転軸に伝達することが難しいことのほか、タワ−の撓みによる伝動回転軸の撓みを抑制する自在継手が使用されてないので回転力が発電機に円滑に伝達したいことなどに問題があった。

また、図８の一枚羽根風車（モノプテロス）は、製造コストが低廉で、高速回転するが、ロ−タの形状が非対称で、ハブの一方に装着の一枚羽根と片方に装着の平衡翼錘（羽根と同じ重さの重錘）との抗風圧がアンバランスのため、タワ−の後方の渦流現象によるロ−タ／タワ−の連成振動や高速回転による空力騒音が大きいことなどに問題があった。

さらに、上記の諸問題のほか、近年、クリ−ンエネルギ−政策に基づく風エネルギ−利用発電事業の積極的な開発、推進にともない従来の風力発電設備の規模（回転翼、支持塔、発電機出力）の大型化とともに器機材コストならびに建設コストの高騰化が進み、タワ−風車を大型化すれぼするほど発電コスト面では不利となる情勢に鑑み、従来のタワ−式風力発電装置の具有する問題点の改善（載設荷重の軽量、支持塔の強靭、器機材構成要素）による設備機能の効率化とともにコスト面での低減化を図る必要から、その設備機構について抜本的な見直しを行ない、上記の諸問題を解決することが課題である。

このような課題を解決するため、本発明においては、（１）ナセル内に設置する発電機などを切離して下方（地上）に降ろすこと。（２）風車の水平ロ−タ軸の方向を垂直方向に変換するため、ナセル内に歯車機構（複合差動装置）を載設すること。（３）タワ−内に伝動回転軸（被駆動軸）を垂設すること。（４）発電機を地上の基礎体上に設置すること。（５）タワ−内の伝動回転軸に複数の発電機を添設すること。（６）ロ−タの一方にのみ羽根を持つ一枚羽根風車を風上と風下側に対偶、配設すること。（７）両側の一枚羽根を１８０°の回転位相角をもって一本の回転軸に相対的に軸着することなどにより一枚羽根風車（モノプロテス）２台を連動させて発電機を駆動する複式の風力発電装置とすることが主要な手段である。

また、上記のほか、支持塔の強靭化と風下の渦流現象を抑制するため、図９のように支持塔を構成する部材に鋼管、鋼板等を使用し、鋼管で四角鉄塔（トラス状タワ−）を組立てた後、その上半部で塔頂より下方のプロペラ回転半径以上の部分に薄鋼板製のパンザ−マストを嵌挿して、鉄塔とマストを組合せた複合構造体とする手段のほか、図１０に示すように単一マストを継柱するタワ−の各フランジ部に開口付の補強板を装着して竹の節目形の構造とすることも効果的で、塔体の組立、基礎の構築、保守管理等も容易である。

タワ−頂部のナセルに設置していた発電機などの諸装置を下方に降ろすことによる上部載荷重量の軽量化とともに支持塔の綜合荷重の重心を下部に移行することによって支持塔の圧縮荷重の軽減とともに両回転翼（２枚）の水平横荷重による塔体の曲げ荷重も軽減し、支持塔の偏重、偏心荷重が軽減するので、鋼材により構成される従来のタワ−風車の強化とスリム化（軽量化）による支持塔体の製造コストの低減化が可能となる。

支持塔体のスリム化により現場における風車構築作業（運搬、基礎施工、塔体組立等）が容易となるので設備工事費の大幅な低減が可能となる。

発電機を下部（地上やタワ−内）に降ろすことにより塔頂部に設置する発電機より大型の発電機を設置することができるので高出力化が容易となる。

地上やタワ−内に発電機を降ろすことにより発電機等を含む電気設備の配線ならびに点検、補修等の作業が容易に行える。

片側の風車の羽根を一枚とすることによりロ−タの高速回転（弱風力回転）が可能とな、るため、従来の回転翼が３枚よりなる風車に比べて低風速での回転効率が向上する。

一枚羽根風車のロ−タに重錐を取付けず、風上と風下の両風車に共通する駆動軸に同じ重さの一枚羽根風車を軸着して対偶させることにより両側風車の重量バランスが確保されるので風下側に起きる渦流現象によるロ−タ／タワ−振動や空力騒音が抑制される。

また、支持塔の構成材に鋼管とパンザ−マストを使用した複合構造体あるいはタワ−の各フランジ部に補強板を装着した構造とすることにより支持塔の強度と強靱性が向上し、偏心荷重によるタワ−と伝動回転軸の撓みや風下に起こる渦流現象等が抑制される。

さらに、風下側に設置した一枚羽根風車に働く斜風作用により風向追従性が高まるため、別途、方向制御装置などを塔頂部に取付ける必要がないことなど多くの効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて具体的に説明する。

図１は、この風力発電装置の基本的な構成を示す概要図で、タワ−８の頂部に載設したナセル６の両側に一枚羽根風車１を対偶的に配設し、それぞれの回転軸２を、図３のようにナセル６内に装設の歯車機構４の動力伝達軸２０に軸着し、同伝達軸２０に設けられた２個の大径傘歯車４０と差動する２個の小径傘歯車４０とを噛合して回転軸２を回動、偏向させる、とともに、その回転力を軸継手３０によりタワ−８内の伝動回転軸３に伝達させる機能を具有する歯車機構４を収納したナセル６をタワ−８頂部のヨ−駆動装置７上に配設する。

また、タワ−８内に垂設する伝動回転軸３の取付けにあたっては、同回転軸３を回転自在にするため、伝動回転軸３間の連結には自在継手３０を使用するほか、図２のように中間部など所要箇所には、ころがり軸受（ラジアル軸受０５、スラスト軸受５）を使用する。

タワ−８の下部の基礎体９上に設置した大型発電機Ｇのシャフト２と垂設の伝動回転軸３との連結には自在継手３０を、また、発電機Ｇの下部にはスラスト軸受５を使用する。

図２は、この一枚羽根風車の発電装置の別の実施様態を示すもので、タワ−８の基礎体９上に設置した発電機Ｇのほか、タワ−８のフランジ０８の継柱部材を利用した枠体上に別途、小型の発電機Ｇを２〜３台縦型に設置し、これに別途、タワ−８内に垂設した短尺の伝動回転軸３とをそれぞれ自在継手３０により連結するほか、各発電機Ｇのシャフト２が好適に回動するよう所要箇所にはラジアル軸受０５を使用する。

図９は、支持塔を構成する部材に鋼管１と鋼板を使用した複合構造のタワ−式風力発電装置を示すもので、鋼管１により断面が四角形の鉄塔を建立した後、塔体上半部（風車の回転半径Ｒ以上）に薄鋼板製のパンザ−マストＰを被嵌、装柱することによって支持塔を強化するとともに風車の風下に発生する渦流現象による塔体の振動と騒音を抑制する。

図１０は、タワ−８を構成する単一マストの各継柱部の内向きフランジ０８部に鋼板よりなる円板で、その中心に伝動回転軸３の挿通および昇降用の開口部（丸か四角）を設けた補強板ＣＰ（ガセットプレ−ト）を竹の節目のように継柱金具を利用して装着した場合の構造を示すもので、単一マストを継柱した長柱状の支持塔の支持点間距離を補強板によって区分、短縮することにより継柱部材の座屈応力度を高め、タワ−８の強化とともに強靱化を図るものである。

本発明の複式一枚羽根風力発電装置の概要図。 （ａ） 正面図。 （ｂ） 側面図。 本発明の複式一枚羽根風力発電装置の別の実施様態を示すタワ−構成図。 本発明の歯車機構（複合差動）と伝動回転軸との連結を示す概要面。 従来のタワ−式風力発電装置（３枚翼）の基本構成を示す概要図。 ナセルに歯車機構を設置し、発電機を降ろした風力発電装置の概要図。 タワ−内の伝動回転軸に発電機を複数装着した風力発電構想の概要図。 風上と風下に風車を配設し、発電機を降ろした二重プロペラ型の風力発電装置の概要図。 従来の一枚羽根風力発電装置の概要図。 本発明の一枚羽根風力発電装置の別の実施様態（複合構造）を示す構成図。 （ａ） 塔体上半部の部材構成を示す断面図。 （ｂ） 塔体下半部の部材構成を示す断面図。 本発明の一枚羽根風力発電装置の別の実施様態（塔体補強）を示す概要図とタワ−の部分断面図。

符号の説明

０１ 羽根（ブレ−ド、翼）
１ 回転翼（プロペラ、風車）
１０ 重錘（平衡翼錘）
０２ ハブ（ロ−タ中心部）
２ 回転軸（ロ−タ軸、シャフト）
２０ 動力伝達軸（駆動軸）
３ 伝動回転軸（被駆動軸）
３０ 自在継手（軸継手、フック継手）
４ 歯車機構（複合差動装置）
４０ 傘歯車
０５ ラジアル軸受（中間部軸受ユニット）
５ スラスト軸受（上下部軸受ユニット）
０６ 増速器
６ ナセル（機関室）
０７ 垂直翼
７ ヨ−駆動装置（架台）
０８ フランジ（管継手部突掾）
８ タワ−（支持塔、塔体）
０９ 電力ケ−ブル
９ 基礎体
Ｐ パンザ−マスト（薄鋼板組立柱）
Ｉ 鋼管（パイプ）
Ｇ 発電機
Ｔ 変圧器
Ｒ 回転半径（プロペラ）
ＧＰ 補強板（ガセット・プレ−ト）

Claims (4)

1. 風車の回転によって風力エネルギ−を電気エネルギ−に変換するタワ−式風力発電装置において、タワ−の先端部に風向追従用架台のヨ−駆動装置を載設し、その装置の上に回転翼とそのロ−タ軸の方向を偏向する歯車機構を収納したナセルとを載設して支持するとともに
   （１）回転翼の羽根が一枚よりなる水平軸型の風車をタワ−の風上と風下側に対偶、配設し、両風車の羽根の回転位相角が１８０°をなすよう両風車の羽根を一本のロ−タ軸に軸着すること
   （２）両風車のロ−タ軸に共通する駆動軸（動力伝達軸）に傘歯車を軸着し、これと被駆動軸側に軸着の傘歯車とを噛合させて駆動軸を差動回転させる歯車機構をナセル内に装置して駆動軸の方向を水平から垂直に偏向し、その動力を下方に伝達させること
   （３）軸継手を使用してタワ−内に被駆動軸（伝動回転軸）を垂設し、その先端に軸着の傘歯車と歯車機構の傘歯車とを噛合させて風車の回転力を下方に伝動すること
   （４）タワ−下部の基礎体上に立設した発電機の回転軸とタワ−内に垂役した伝動回転軸とを軸継手（自在継手、スラスト軸受、ラジアル軸受）を使用して軸承、連結し、発電機を駆動することなどを特徴とする複式一枚羽根風力発電装置。
2. タワ−下部の基礎体上に立設する発電機のほか、タワ−を構成する単一マストの継柱部（内向きフランジ）に装着した枠体上に別途、小型の発電機を立設し、同発電機の回転軸とタワ−内に垂設の短尺の伝動回転軸とを自在継手等を使って軸承、連結し、複数の発電機を駆動することなどを特徴とする請求項１に記載の複式一枚羽根風力発電装置。
3. タワ−を構成する部材に鋼管と薄鋼板を使用し、鋼管により四角鉄塔を組立てた後、塔体の上半部で、塔頂より下方に風車の回転半径以上の部分に別途、薄鋼板よりなるパンザ−マストを被嵌、装着して複合式タワ−を構成することを特徴とする請求項１に記載の複式一枚羽根風力発電装置。
4. 高塔化するタワ−において、タワ−を構成する単一マストの各継柱部の内向きフランジ上に鋼板よりなる円板で、その中心に開口部（被駆動軸の挿通と昇降用）を設けた補強板をフランジ継柱金具を利用してに竹の節目のように装着して支持塔の強靱性を高めることを特徴とする請求項１に記載の複式一枚羽根風力発電装置。

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