JP2006336555A

JP2006336555A - 風力発電設備用の円筒部材

Info

Publication number: JP2006336555A
Application number: JP2005162754A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kondo; 弘之近藤
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】
風力発電設備の風車部などで発生する振動を減衰する作用を有する円筒部材を提供する。
【解決手段】
風力発電設備の風車部や発電機等を支持する円筒部材２１は、第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとを備え、第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとの間隙ｃに粘弾性樹脂２１ｃを充填する。風車部等で発生した振動は、粘弾性樹脂２１ｃが剪断変形することにより減衰される。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転加振力を発生する機械装置（特に風力発電設備用の風車）を固定支持するための支持部材（ポール）の構造に関する。

従来の風力発電設備の一例を図４に従って説明すると、金属材料であるポール５０を地面に対して垂直に設け、その一端には垂直回転型の風車部５１が取り付けられ、他端には台座５２が溶接され基礎コンクリート５３に対してアンカーボルト５４で固定されるよう、構成されている。また、ポールの根元の剛性を高めるために、適宜リブ５５が溶接されて設けられている。
ここで、図４に示す風力発電設備は、風車部の質量とポールのバネ定数からなる１質点系として把握することができ、この風車部には、風そのもののみならず、風車部自体が風を受け回転することに起因して加振力が働き、曲げ振動が発生する。そして、前記のうち特に風車の回転に基づく振動はその周波数が広域に及ぶので、上記の１質点系の固有振動数と一致し易く、共振のおそれが大きくなると言える。
この点、図４の構成では、風車部を固定支持し、応力の集中し易い部分であるポールの根元部分にリブを溶接していることから、その設計疲労強度が大きく低下（一般的に１／１０程度）している。
従って、図４の風力発電設備において上述したような共振が起こると、その変位は通常の振動による変位の数十〜数百倍になるので、ポールの根元部分が簡単に疲労破壊を起こし、ポールの折損の原因となっている。

該共振を防止するためには、例えば、風力発電設備の固有振動数を風車部の回転により生じる曲げ振動数よりも十分に大きく設定する（ポールの剛性を高める。）、という対策が考えられる。
具体的には、（１）ポールの径を大きくしたり、（２）リブを徹底的に設けて補強したり、あるいは、（３）ポールの形状をテーパ状にしたり（特許文献１）する等である。
特開２００３−２７８６４０（ポール形状に関して、図３）

しかしながら、前述したとおり風力発電設備は風車部で発生する曲げ振動の振動周波数領域が広範囲にわたり、しかも、特に図４に示すような垂直回転型風車は高回転数で回転するため、発生する振動の振動数は非常に大きい。したがって、共振を回避すべく風力発電設備の固有振動数を前記振動数よりも大きく設定するための（１）のような対策では風力発電設備の美的外観が損なわれ、（２）ではリブのサイズや資材調達に要するコスト等が現実的でなく、（３）ではテーパ状部材の製造コストが大である。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

風力発電設備の風車部を支持する円筒部材において、前記円筒部材は、前記風車部を支持する第一円筒部材と、前記第一円筒部材と同心である第二円筒部材と、を含み、前記第一円筒部材と前記第二円筒部材との間に制振材を設ける。

上記の構成により、風そのものや風車の加振に起因して円筒部材に発生する曲げ振動を、前記制振材の変形に伴う減衰作用によって抑制できる。従って、簡単な構成で共振を回避し、円筒部材の疲労による折損を回避できる。
また、著しい疲労強度低下の原因となる溶接リブ（図４）を省略できるから、リブの疲労破壊のおそれもなくなる。
更には、共振回避のために円筒部材の剛性を特別に高める必要がなくなるから、円筒部材の設計の自由度を増大させることができ、これに伴い、円筒部材等のコストを低減する余地を大きくすることができる。

前記円筒部材の一端が基礎コンクリートに埋設されていてもよい。

上記の構成により、円筒部材の一端（特に、応力の集中し易い部分である根元部）を一層簡単に固定支持できる。また、部品点数を少なくできるので、コストや部品点数を一層低減することができる。
加えて、前記基礎コンクリートは前記円筒部材よりも一般的にヤング係数が低いので、前記円筒部材の根元に発生する応力集中が緩和・分散される。したがって、前記円筒部材の疲労が軽減され破断を防止することができる。

前記第二円筒部材は、前記第一円筒部材の外周側に配置されてもよい。

以上の構成により、前記円筒部材の径が実質的に大きくなるので、前記基礎コンクリートと円筒部材との間で発生する面圧を軽減させることができる。

風力発電設備は、上記の円筒部材を備える。

これにより、上記のように有用な効果を有する風力発電設備を提供できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る風力発電設備用円筒部材の実施の形態について説明する。

ここでは、垂直回転軸型の風車を備えた風力発電設備に適用されている例に関して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る風力発電設備の全体図である。
図２は本発明の一実施形態に係る風力発電設備用円筒部材の部分断面図である。
図３は本発明の他の実施形態に係る風力発電設備用円筒部材の部分断面図である。
図４は従来の風力発電設備の全体図である。

まず、図１に基づいて風力発電設備１００の構成を説明する。

風力発電設備１００は、大きく分けて以下のように構成されている。すなわち、風力により電力を生成する風力発電部１０と、風力発電部１０を地面から所定の距離だけ離隔させた状態で支持する支持部材２０と、支持部材２０を地面に固定する際にその基礎となる基礎コンクリート３０と、から構成されている。

風力発電部１０は以下のように構成されている。すなわち、風を受けて回転する風車部１１と、風車部１１で生じた回転運動エネルギーにより電力を生成する発電機１２と、風車部１１の回転を発電機１２へ伝達する回転軸１３と、から構成されている。

風車部１１は、風を受けて回転するものである。本実施形態では、頻繁な風向きの変化に特別な機構なく対応可能な、垂直回転軸型のジャイロミル型風車を採用している。風車部１１の回転軸は鉛直方向上向きとする。

発電機１２は、風車部１１で生じた回転運動エネルギーから電力を生成するものである。発電機１２は風車部１１の鉛直下方に設けられている。風車部１１と発電機１２は、共通の回転軸である回転軸１３を有しており、これにより、風車部１１の回転は発電機１２へ伝達される。

支持部材２０は以下のように構成されている。すなわち、風力発電部１０を地面から所定の距離だけ離隔させるための円筒部材２１と、円筒部材２１の上端に設けられ、風力発電部１０の回転軸１３を回転自在に支持するための軸支持部材２２と、から構成されている。

円筒部材２１は、風力発電部１０を地面から所定の距離だけ離隔させるためのものである。円筒部材２１のより詳しい構成に関しては後述するものとする。
所定の距離とは、支持する風力発電部１０の風車部１１に十分な風が作用する程度の距離をいう。
ここで、「円筒」とは、中空である筒状のもの、中実である円柱状のもの、の何れかを適宜選択できるものとする。

軸支持部材２２は、円筒部材２１の上端に設けられ、風力発電部１０の回転軸１３を回転自在に支持するためのものである。
軸支持部材２２は、例えば溶接手段やボルト及びナット等の締結手段などから成る固定手段により、円筒部材２１の上端に固定されている。同様に、発電機１２は前記固定手段により軸支持部材２２へ固定されている。また、前記固定手段の代わりに、これらを一体成形しても良い。
軸支持部材２２は、例えば軸支持部材２２に設けられた一の、あるいは複数の軸受などにより回転軸１３を支持している。

基礎コンクリート３０は、支持部材２０を地面に固定する際にその基礎となるものである。円筒部材２１は、その下端（一端）を基礎コンクリート３０に埋設することにより、支持されている。

以下に、図２に基づいて円筒部材２１のより詳しい構成に関して説明する。

円筒部材２１は、上端に設けられた軸支持部材２２を介して風力発電部１０を支持する第一円筒部材２１ａと、第一円筒部材２１ａと同心であって、第一円筒部材２１ａの下方を外周側から覆うように設けられた第二円筒部材２１ｂと、第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとの間に充填されており、減衰作用を奏する制振材である粘弾性樹脂２１ｃと、から構成されている。

第一円筒部材２１ａの上端には軸支持部材２２を介して風力発電部１０を支持し、下方には基礎コンクリート３０に埋設されている埋設部２１ｄを有する。支持する風力発電部１０の風車部１１に十分な風が作用するよう、第一円筒部材２１ａは所定の長さを有している。第一円筒部材２１ａは、一般的に鉄鋼材料から形成される。

第二円筒部材２１ｂは、第一円筒部材２１ａと同心であって、少なくとも第一円筒部材２１ａの埋設部２１ｄを外周側から覆うように設けられたものである。第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとの間には間隙ｃが形成されている。
第二円筒部材２１ｂの長さは、第一円筒部材２１ａの設置時における地上露出部分の長さの１／３に埋設部２１ｄの長さを加えた程度である。したがって、本実施形態においては、円筒部材２１の設置時において、その地上露出部分は、長手方向の１／３が二重構造となっている。
第二円筒部材２１ｂも、一般的に鉄鋼材料から形成される。

粘弾性樹脂２１ｃは、第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとの間に形成された間隙ｃに充填されており、その粘弾性の性質により減衰作用を奏するものである。
前記減衰作用は、風力発電部１０等で発生した振動を減衰させるためのものである。風力発電設備１００の設置場所が寒冷地であっても適度の減衰を発揮できるガラス転移温度が得られるように、粘弾性樹脂２１ｃの主剤は、例えばエポキシ・ウレタン・シリコン・液状ゴム・アスファルト等であって、必要に応じてシリカ・マイカ・ゼオライト・テフロン(登録商標）・鉛粉末等が添加されている。

以上のように、風そのものや風車部１１の加振に起因して円筒部材２１に発生する曲げ振動を、粘弾性樹脂２１ｃ（制振材）の変形に伴う減衰作用によって抑制できる。従って、簡単な構成で共振を回避し、円筒部材２１の疲労による折損を回避できる。
また、著しい疲労強度低下の原因となる溶接リブ（図４）を省略できるから、リブの疲労破壊のおそれもなくなる。
更には、共振回避のために円筒部材２１の剛性を特別に高める必要がなくなるから、円筒部材２１の設計の自由度を増大させることができ、これに伴い、円筒部材２１等のコストを低減する余地を大きくすることができる。

次に、図１及び図２に基づいて、風力発電設備１００の組立て工程に関して説明する。

まず、第一円筒部材２１ａ・第二円筒部材２１ｂ・粘弾性樹脂２１ｃから成る円筒部材２１の製造工程に関して説明する。

所定の長さと所定の剛性を有する中空（中実でも良い）の第一円筒部材２１ａを用意する。
所定の長さとは前述の通り、風車部１１に十分な風が作用する程度の長さである。
円筒部材２１に軸支持部材２２をボルトやナット等の締結手段により固定する場合は、予め前記締結手段に用いられる孔を円筒部材２１に適宜穿孔しておく。

所定の長さと所定の剛性を有する中空の第二円筒部材２１ｂを用意する。
本実施形態における所定の長さとは、前述の通り、埋設部２１ｄの長さに円筒部材２１の設置時露出部分の長さの１／３を加えた程度とする。

所定の粘弾性と所定のガラス転移温度を硬化後に有する液状の粘弾性樹脂２１ｃを用意する。
所定の粘弾性とは、振動等により剪断変形が生じるとその振動を熱エネルギー等に変換する性質をいい、また、風力発電設備１００の設置場所の周辺雰囲気（温度等）等において最良の減衰を発揮できる性質とする。
所定のガラス転移温度とは、前記雰囲気等（特に寒冷地）で適度な弾性を発揮するよう定められた性質とする。
粘弾性樹脂２１ｃは、まず液状となるよう製造され、好適な硬化剤、あるいは単に雰囲気との化学反応により硬化し、前述した所定の粘弾性と所定のガラス転移温度が得られるものとする。

好適な固定手段（例えば、把持手段）等により、第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとが同心となるよう固定する。その際、第一円筒部材２１ａの端部と第二円筒部材２１ｂの端部とが一致し、第二円筒部材２１ｂが第一円筒部材２１ａの埋設部２１ｄを覆うようにする。この結果、間隙ｃが筒状に形成される。

この間隙ｃへ液状の粘弾性樹脂２１ｃを充填し、好適な硬化剤、あるいは単に雰囲気との化学反応により硬化させ、粘弾性樹脂２１ｃの性質を前述した所定の粘弾性と所定のガラス転移温度とする。
以上により、円筒部材２１の製造工程が完了する。

次に、製造された円筒部材２１を風力発電設備１００の設置場所へ固定する工程を説明する。

風力発電設備１００の設置場所に、所定の形状を有する凹部を備えた基礎コンクリート３０を予め形成しておく。
所定の形状とは、例えば略円筒形状であって、その径は第二円筒部材２１ｂよりも大とし、その深さは埋設部２１ｄと同じ、若しくは比して大とする。

前記凹部に円筒部材２１の一端側（第二円筒部材２１ｂにより覆われている側）を埋設部２１ｄの長手方向長さだけ貫入する。
円筒部材２１を垂直状態に固定し、第二円筒部材２１ｂと前記凹部との間にコンクリートを充填する。
これにより、円筒部材２１が基礎コンクリート３０に固定される。

以上のように、円筒部材２１の一端（特に、応力の集中し易い部分である根元部）を一層簡単に固定支持できる。また、部品点数を少なくできるので、コストや部品点数を一層低減することができる。
加えて、基礎コンクリート３０（ヤング率：２．４×１０⁴Ｎ／ｍｍ²）は円筒部材２１よりも一般的にヤング係数が低いので、円筒部材２１の根元に発生する応力集中が緩和・分散される。したがって、円筒部材２１の疲労が軽減され破断を防止することができる。
また、円筒部材２１の径が実質的に大きくなるので、基礎コンクリート３０と円筒部材２１との間で発生する面圧を軽減させることができる。

さて、円筒部材２１の他端に軸支持部材２２を前述の締結手段等により固定する。
軸支持部材２２に設けられた軸受（図示せず）により回転軸１３を回転自在に支持し、回転軸１３の下端には発電機１２を、上端には風車部１１を取り付ける。発電機１２は軸支持部材２２に別の固定手段により固定される。

発電機１２で生成された電力を各施設等に配給するために、発電機１２と各施設等とを好適なインバータ等を介して電力ケーブルにより接続する。
また、必要に応じて、手動ブレーキ操作盤などを設ける。
以上により、風力発電設備１００の組立て工程が完了する。

次に、図１に基づいて、風力発電設備１００の発電方法に関して説明する。

垂直回転軸型のジャイロミル型風車である風車部１１が風を受けることにより、回転軸１３が回転し、その回転を利用して発電機１２で電力が生成される。生成された電力は発電機１２と各施設等との間に設けられた電力ケーブルにより各施設等に配給される。

次に、本実施形態に係る風力発電設備用の円筒部材２１の作用を図１及び図２に基づいて説明する。
具体的には、風車部１１が回転し発電機１２において電力が生成される前記発電工程において発生する振動と、その振動の減衰過程に関して説明する。

前記振動の振動数や振幅は、風車部１１が受ける風の風速によって変化し、また、風力発電部１０及び軸支持部材２２等の加工精度なども関連している。

前記振動と、風力発電設備１００と、が共振するのを防止するよう、円筒部材２１は好適な減衰作用を有している。
すなわち、前記振動により第一円筒部材２１ａが曲げ変形すると、粘弾性樹脂２１ｃが剪断変形する。粘弾性樹脂２１ｃは、剪断変形するとその加えられたエネルギーを熱エネルギーへ変換する性質を有する。これにより第一円筒部材２１ａの振動を熱エネルギーに変換することで、前記振動を減衰させることができる。
以上により、前記発電工程において発生する振動は、風力発電設備１００と共振することなく、好適に減衰される。

本実施形態は以上のように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の技術的思考を逸脱しない範囲において自由に設計することができる。

例えば、第二円筒部材２１ｂの長手方向長さは、実用上、埋設部２１ｄの長さに、円筒部材２１の設置時の地表露出部分の長さの１／３を加えた程度としたが、望ましくは、第一円筒部材２１ａと第二円筒部材２１ｂとが同一長さであって、円筒部材２１が全長に亘って二重構造になっていると良い。
これにより、粘弾性樹脂２１ｃが充填され、前記減衰作用が発揮される面積が増加するので、より一層円筒部材２１にこの減衰作用を発揮させることができる。

また、粘弾性樹脂２１ｃは間隙ｃのすべてに充填されるものとしたが、必要とされる円筒部材２１の減衰作用さえ満足していれば良く、したがって、粘弾性樹脂２１ｃが間隙ｃの一部、あるいは一定の間隔を隔てて、若しくは不規則に散らばって設けられていても良い。

また、第二円筒部材２１ｂに一あるいは複数の孔を穿孔し、前記孔から粘弾性樹脂２１ｃを充填しても良い。これにより、間隙ｃの全面に亘って粘弾性樹脂２１ｃをより均一に充填することができる。また、粘弾性樹脂２１ｃを硬化させるための硬化剤を前記孔から添加することもでき、あるいは、粘弾性樹脂２１ｃを前記孔を介して大気に触れさせることができるので、粘弾性樹脂２１ｃをより均一に硬化させることもできる。

また、本実施例では、減衰作用を有し、間隙ｃに充填されるものとして、粘弾性樹脂２１ｃを採用したが、これに限らず、例えば高粘度の流体であっても良いし、弾塑性変形可能な金属類であっても良い。

また、組み立て工程に関しても、前記の工程に限定されるものではなく、例えば、風力発電部１０及び軸支持部材２２を予め組み立てておいても良い。これにより、風力発電設備１００の組み立て作業現場における作業を軽減することができ、作業効率を向上させることが可能となる。

また、図３に示すように、第二円筒部材２１ｂが第一円筒部材２１ａの内周側に設けられ、間隙ｃを形成していても良い。この構成によっても、本実施形態と同様、円筒部材２１は減衰作用を有する。この場合、第二円筒部材２１ｂは中空であっても中実であっても良い。

また、本実施形態に係る円筒部材２１は垂直回転型風車を備える風力発電設備に適用されているが、これに限らず、水平回転型風車を備える風力発電設備に適用しても当然同等な効果が得られる。

また、本実施形態に係る円筒部材２１は、二つの円筒部材より構成されているが、これに限らず、第三円筒部材・第四円筒部材・・・と、幾重にも重ねて構成することもできる。それにより形成される間隙の各々に粘弾性樹脂２１ｃを設ければ、さらなる減衰作用を発揮することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る風力発電設備の全体図。本発明の一実施形態に係る風力発電設備用円筒部材の部分断面図。本発明の他の実施形態に係る風力発電設備用円筒部材の部分断面図。従来の風力発電設備の全体図。

符号の説明

２１円筒部材
２１ａ第一円筒部材
２１ｂ第二円筒部材
２１ｃ粘弾性樹脂
２１ｄ埋設部
３０基礎コンクリート

Claims

風力発電設備の風車部を支持する円筒部材において、
前記円筒部材は、
前記風車部を支持する第一円筒部材と、
前記第一円筒部材と同心である第二円筒部材と、
を含み、
前記第一円筒部材と前記第二円筒部材との間に制振材を設けることを特徴とする、円筒部材。
請求項１に記載の円筒部材であって、
前記円筒部材の一端が基礎コンクリートに埋設されていることを特徴とする、円筒部材。
請求項２に記載の円筒部材であって、
前記第二円筒部材は、前記第一円筒部材の外周側に配置されることを特徴とする、円筒部材。
請求項１乃至請求項３の何れかの一に記載の円筒部材を備える前記風力発電設備。