JP2011524491A - 可倒式マストを備える風力発電機 - Google Patents

Abstract

風力発電機は、マストの下端（１ａ）と上端（１ｂ）との間に位置する関節部（５）を中心に回動可能に取り付けられた可倒式マスト（１）を備えている。マストは、マストの下端に接続されているラム（Ｖ１）によって駆動される。

Description

本発明は、可倒式マストを備える風力発電機に関する。

本発明は、特に、長手軸に沿って下端から上端まで伸び、マストの下端と上端との間に位置する関節部によって地面に接続され、上記関節部を中心に略直立の位置から略水平に倒れた位置までの間で回動（正逆両方向に円運動）可能に取り付けられたマストであって、上記関節部と上記下端との間に位置する該マストの下部が、上記関節部とナセルとの間に位置する該マストの上部およびナセルのカウンターウエイトを構成するマストと、上記マストの上端で支えられているナセルであって、タービンの支点であるロータを備えるナセルと、上記マストに接続され、上記マストを上記直立の位置から上記倒れた位置までの間で回動させるために設けられた少なくとも１つのメインラムと、を備え、上記カウンターウエイトが上記マストの下端に接続されている風力発電機に関する。

このタイプの風力発電機は、特にサイクロンを生じ易い地域において風が強いときに、上述したように倒すことができる。

また、マストを倒す機能は、風力発電機の最初の組み立て、および、メンテナンスを簡単にする上で有益である。

特許文献１には、関節部がマストの下端に位置するタイプの風力発電機について記載されている。

国際公開第００／３６２９９号

このタイプの風力発電機は特に強力なラムを必要とし、このようなラムが長いストロークを有することを必要とする場合には、ラムによって、風力発電機は高価になり、特に高出力の風力発電機としては技術的に不適合になって信頼性が多少低くなる。

本発明の主な目的は、上述した欠点を軽減することである。

上述の目的を達成するために、本発明の１態様によれば、上記タイプの風力発電機は、上記メインラムが、固定された支持台と上記マストの下部との間で接続されていることを特徴としている。

上記の構成によって、ラムのストロークを従来技術よりも小さくすることができる。したがって、特に複雑な構成を必要とすることなく、ラムの費用を下げ、かつ、信頼性を向上させることができる。

本発明における風力発電機のさまざまな実施形態において、以下の１の構成及び／または他の構成を利用することもできる。

−メインラムは、油圧式である。

−メインラムは、マストの下部の下方から、マストの下端に接続された回動軸まで伸びる。

−メインラムは、水平面に対し３０°未満に傾いた長手方向に伸びる。

−カウンターウエイトは、マストの下部に移動可能に接続されており、また、風力発電機は、可動式のカウンターウエイトをマストに接続する少なくとも１つのアクチュエータであって、カウンターウエイトの重心がマストの長手軸に沿って上記関節部（５）から遠ざかったり上記関節部（５）に近づいたりするように、上記カウンターウエイトを移動させる少なくとも１つのアクチュエータを備えた制御装置を備えている。

−制御装置は、マストの回動と同期してカウンターウエイトを移動することにより、倒れた位置に向けてマストが回動するにつれて重心を関節部から徐々に遠ざけ、マストが直立する位置に向けて回動するにつれて、重心を関節部に徐々に近づける。

−制御装置は、マストが回動している間、重力によってマストに加えられたトルクを少なくとも部分的に相殺するために、マストの傾き角に応じてカウンターウエイトを移動する。

−制御装置は、マストが回動している間、外力によってマストに加えられたトルクを少なくとも部分的に相殺するために、風によってマストに与えられた上記外力に応じてカウンターウエイトを移動する。

−カウンターウエイトは、マストの下端の回動軸に設けられており、また、メインラムは、回動軸に回動可能に接続されている。

−カウンターウエイトは、マストの下端の下方に伸び、さらに、垂直スロットを形成しており、また、メインラムは、マストの下部の下方から回動軸までスロット内を伸びる。

−カウンターウエイトが設けられるマストの下部は、第１の質量を有し、上記マストの上部及びナセルは共に第２の質量を有し、第１の質量は、第２の質量の３０％から３００％までの範囲にあり、好ましくは第２の質量の５０％から１５０％までの範囲にある。

−カウンターウエイトは、マストが直立の位置にあるときに固着装置とかみ合うことにより、マストを直立の位置に固定する。また、制御装置は、カウンターウエイトを、固着装置から外すか固着装置にかみ合わせるかを選択可能になっている。

−カウンターウエイトは、固着装置（３８）と略垂直の方向にかみ合わせることによって協働するような形状をしている。

−マストの下部は第１の高さを有し、また、マストの上部は第２の高さ（Ｌ２）を有し、第１の高さは第２の高さの１０％から５０％までの範囲にあり、好ましくは第２の高さの１５％から２５％までの範囲にある。

マストの下部には発電機が備えられており、ロータは、マストに沿って伸びている伝動装置を通して発電機を駆動する。

メインラムは、５００トンから１０００トンの作動力をかけることができ、また、７から１２ｍの延伸部を有する。

さらに、本発明における、特徴、及び、利点は、添付した図面とともに、下記に示す限定を目的としない例である本発明の２つの実施形態を参照することによって、より容易に理解されるだろう。

マストが直立の位置にある場合の、本発明の実施形態１における風力発電機の概要を示す斜視図である。 図１に示す風力発電機に対する制御を行う装置の部分を示すブロック図である。 より明確にする目的でマストが備える複数のチークプレートのひとつを除外して、直立の位置にある場合における、図１に示す風力発電機を示した立面図である。 倒れる過程にある風力発電機を示す、図３と同様の立面図である。 倒れた位置にある風力発電機を示す、図３と同様の立面図である。 図１に示す直立の位置にある風力発電機のマストの下部を示す斜視図である。 図１に示す直立の位置にある風力発電機のマストの下部を図６とは異なる方向から示す斜視図である。 図６及び図７に示す風力発電機のマストの下部の垂直断面図である。 倒れる過程にある図６から図８に示す風力発電機のマストの下部を示す斜視図である。 倒れた位置にある図６から図８に示す風力発電機のマストの下部を示す斜視図である。 本発明の実施形態２を示す、図３と同様の立面図である。

種々の図面において、同一または類似する要素には同じ参照を示している。

図１から図３に示すように、本発明は、下端１ａから上端１ｂまで伸びている支柱マスト１と、支柱マスト１の上端に垂直軸Ｚを中心に回動可能に取り付けられた（特に交流発電機を備えた）ナセル２と、略水平な軸Ｒを中心に回転するように設けられナセル２によって支えられたロータ３であって、数枚のブレード４ａを備えたタービン４であってナセル２が備える交流発電機を動作させるように設計されたタービン４を支えるロータ３と、を備えた風力発電機に関する。

支柱マスト１は、約５０ｍから１００ｍ程度の高さに亘って伸びてもよく、支柱マスト１の金属構造の重量は、例えば、約５０トン（以下に挙げるバラスト及びカウンターウエイトを除く）であってもよくロータ３とタービン４とを備えるナセル２の重さは、５０トンから７０トンであってもよい。支柱マスト１は、例えば、底辺部分における円形断面またはその他の断面の幅が３ｍから４ｍであるような中空マストであってもよい。ただし、これらは、いかなる制限も意味しない。

マスト１は、例えば単純回動など、マスト１が水平軸Ｙを中心に回動するように関節部５の周囲を回動可能に設けられている。したがって、マスト１は、図１のような直立の位置から図５のような倒れた位置までの間の垂直面ＸＺにおいて回動することができる。

関節部５は、例えば、地面８に固定された（例えばコンクリートまたは金属などの）支持台座７に支えられている２つの垂直側面板６にマスト１を接続するようになっていてもよい。

マスト１は、例えば、マスト１を上述した台座７に接続する１つまたは複数の油圧式メインラムなどのアクチュエータＶ１によって回動される。

このラムＶ１は、例えば、風力発電機の近くまたは遠くに位置する制御局１０から、制御装置によって制御することができる。この制御装置は、特に、図２に示すように、スクリーン１３やキーボード１４等の通常のインターフェースを備えたマイクロコンピュータ１２等であって、例えば、自身でラムＶ１を制御するコントローラ１５（Ａ）を制御するマイクロコンピュータ１２等を備えていてもよい。

ラムＶ１の制御の油圧式部分は図示されていないが、当業者には容易に理解されるだろう。

図１及び図３に示すように、本発明によれば、関節部５は、関節部５と下端１ａとの間に位置するマストの下部が、関節部５とマストの上端１ｂとの間に位置するマストの上部とナセルとのカウンターウエイトを構成するように、マスト１の下端１ａと上端１ｂとの間のどこかに位置している。

マストの下部の高さｌ１とマストの上部の高さｌ２との間の比（すなわち、高さ１１を高さ１２で割った値）は、例えば、１０から５０％の間、特に１５から２５％の範囲であってもよい。

マストの下部は、例えば鋳鉄、コンクリート、クリンカー、砂等といった密度の高い材料を主成分とするカウンターウエイト２７によって加重されているのが好ましい（密度の高い金属が、例えば砂またはクリンカーなど、凝集性のない材料である場合、当該密度の高い材料は、スチールなどでできた、硬いケースに収容される）。カウンターウエイト２７は、例えば、状況によって３０トンから３００トンの範囲の質量を有していてもよい。すなわち、ナセル２及びマストの上部の質量の約３０％から３００％であってもよく、好ましくは、マスト１の上部によって示される質量および質量１２の約５０％から１５０％が好ましい。より一般的に、カウンターウエイト２７を有するマスト１の下部は、第１の質量を有し、マスト１の上部及びナセル２は共に第２の質量を有している。第１の質量は、第２の質量の約３０％から約３００％までの範囲にあるが、第２の質量の５０％から１５０％までの範囲にあることがより好ましい。

図１及び図３に示す実施形態において、カウンターウエイト２７は、重心Ｇの関節部５からの距離を可変に定めることが可能な可動カウンターウエイトである。特定の例において、可動カウンターウエイト２７は、マスト１の下端１ａの関節部２８の周囲で回動可能に取り付けられている。

可動カウンターウエイト２７は、例えば油圧ラムのような、可動カウンターウエイトをマスト１に接続しているアクチュエータＶ２によって動作することができる。アクチュエータＶ２は、（図２において）上述した制御装置１１に組み込まれ、また、上述したコントローラ１５によって制御される。

図６から図８に示すように、マスト１の下部２５は、マストに固定され、また、例えば鋳鉄、コンクリートまたは第１の実施形態において上述したような他の密度の高い材料で作られたバラストを形成してもよい。バラストの重心は、マストが直立の位置にある場合における関節部５の下に位置している。

マストの下部２５は、側面拡張部２６によって、ラムＶ１の反対側に伸びていてもよい。可動カウンターウエイト２７は、側面拡張部２６の下端（すなわち、マスト１の下端１ａ）に、回動軸２８によって回動可能に備えられている。

ラムＶ１のステムは、回動軸２８に回動可能に接続されていてもよく、バラスト２５の下から、関節部３０の周囲を回動可能に設けられているラムＶ１のシリンダーの支柱２９の方向に伸びる。支柱２９は、マスト１のＸ方向の側方であって回動軸２８と反対側に設けられている。

カウンターウエイト２７は、例えば、平面ＸＺに平行に伸びている２つの垂直側面板３１であって、その中間に垂直スロット３２を画定する２つの垂直側面板３１を含む。ラムＶ１は、回動軸２８まで垂直スロット３２の中を伸びる。

各垂直側面板３１は、例えば、支点２９に向かって水平方向に突き出している前方部３４と、支点２９の反対側において回動軸２８が接続されている後部に向かって伸びているアーム３５と、の間にあってＸ方向に伸びている中心主要部３３を含んでいる。

第１の実施形態と同様の方法によってカウンターウエイト２７の回動を制御するために、各垂直側面板３１の中心主要部３３は、側面板の間をＹ方向に伸びているアッパーブリッジ３６によって互いに接続されている。油圧ラムＶ２は、例えば、ブリッジ３６とマストの下部２５との間に接続されていてもよい。ラムＶ２は、例えば、マストの下部２５にくりぬかれている窪み４０に収納されていてもよい。

加えて、カウンターウエイト２７の各垂直側面板３１はさらに、互いに対応するように配置され、台座７に付属している対応する横断リブ３８に合わせることによってかみ合うように設けられた、２つの切り込み３７を含んでいる。この横断リブ３８は、例えば、コンクリートリブであってもよいし（特に、台座７自体がコンクリートで出来ている場合）、側面板３１の切り込み３７がかみ合う金属プロファイル３９によって覆われていてもよい。

風力発電機は、次のように作動する。

図１、図３及び図６〜図８に示すように、マスト１が直立の位置にある場合、カウンターウエイトの切り込み３７が横断リブ３８とかみ合わった状態を維持するために、カウンターウエイトは、ラムＶ２によって下向きに押され、これによって、マスト１は直立の位置に固定される。横断リブ３８は、このようにして、かみ合わせによってカウンターウエイト２７と協同して、マスト１が直立しているときにマストを直立の位置で固定する固着装置を構成する。

マスト１を倒す必要がある場合、ラムＶ２は最初に、カウンターウエイトの切り込み３７を横断リブ３８から外すためにカウンターウエイト２７を持ち上げ、ラムＶ１は、図５及び図１０に示すようにマスト１が水平な位置に完全に倒れるまで、図４及び図９に示すようにマスト１を下向きに回動する。

この処理の間中、ラムＶ２は、マストが回動している間にカウンターウエイト２７を回動させるために、マスト１が倒れる位置に向かって下向きに回動しているときに、カウンターウエイト２７の重心Ｇがマストの長手軸Ａに沿って関節部５から遠ざかるように徐々に動くように制御される。このようにして、カウンターウエイト２７は、（図５及び図１０に示すように）マストが倒れた位置になるとき、関節部５から最も遠い位置まで回動される。

マスト１が再び持ち上げられたとき、カウンターウエイト２７は、マストの下部２５に向かって、すなわち、重心Ｇが関節部５に最も近くなる位置に向かって、徐々に回動される。

このようにして、カウンターウエイト２７の動作は、マスト１の傾きに応じて制御されてもよく、上記動作によって、マスト１が傾けられたとき、マスト１、ナセル２、ロータ３及びタービン４によって生み出されるトルクを少なくとも部分的に補う。カウンターウエイト２７の動作は、マスト１の傾きに基づいて、マイクロコンピュータ１２及び／またはコントローラ１５によって算出され、また、コントローラ１５は、次に、カウンターウエイトを動かすようにラムＶ２を制御し、それによって、必要な動作を得ることができる。

さらに、カウンターウエイト２７の動作は、マスト１の傾きによるばかりでなく、マストの回動動作の間中風力発電機に加えられる外部の力によって制御されてもよい。この外部の力としては、例えば、風によって加えられる作動力が挙げられる。そのようにして加えられた外部の力は、ラムＶ１に加えられた作動力を通して測定されてもよく、または、さまざまなセンサ（例えば、図示しない風力計など）の出力から算出されてもよい。この場合、カウンターウエイト２７の動作は、マスト１の傾き及び上記加えられた外部の力に基づいて、マイクロコンピュータ１２及び／またはコントローラ１５によって算出される。また、コントローラ１５は、次に、カウンターウエイトを動かすようにラムＶ２を制御し、それによって、必要な動作を得ることができる。

上述したマスト１の動作の制御をするために、ラムＶ１は、例えば、５００トンから１０００トンの作動力（effort）を及ぼすことができるようになっていてもよく、（マスト１が直立であるときに）ラムのステムは７ｍから１２ｍの最大延伸になるようになっていてもよい（すなわち、延伸位置にあるステムは、格納位置に到るまでに７ｍから１２ｍラムＶ１の長手方向に移動される）。このようにマスト１の下部にラムを接続することによって延伸位置から格納位置までの間で必要なステムの延伸を制限することができる。したがって、既存のハイパワーのラムを使用することができ、ひいては、ラムの延伸を合理的な値に制限することによって、コストを制限することができる。

マスト１が動作している間中、ラムＶ１の水平面に対する傾きは、常に３０°未満にとどまっている。

変形例（図示しない）では、油圧ラムＶ２は、適切な場合、ケーブルと関連したウインチによって取り代えてもよい。ウインチは、例えば、マスト１に固定され、また、ケーブルの自由端は可動カウンターウエイト２７に固定される。（また反対に、ウインチは可動カウンターウエイトに固定され、ケーブルの自由端はマスト１に固定されてもよい）。

加えて、他の変形例（図示しない）において、カウンターウエイト２７は、マスト１の下端に回動可能に設けられる代わりにマスト１に固定されてもよく、この場合には、ラムＶ２、横断リブ３８及びプロファイル３９が含まれないようにすればよい。

図５に示すように、マスト１が倒れた位置にあるとき、適切である場合には、マスト１は地面に固定された支柱台１７の上に停止してもよい。そして、タービンのブレード４ａもまた適切である場合には地面に固定された支え１８の上に停止していてもよい。これらのタービンのブレード４ａを受け付けるための支え１８は、適切である場合には、タービンの羽根４ａへの損傷を回避するために、柔らかい材料で作られたり、支持領域が柔らかい材料で作られたりしてもよい。い。タ 都合のよいことに、台座７は、地面に掘られたくぼ地９に作られてもよい。風力発電機の風抵抵抗を小さくし、また、倒れた位置にあるときに視覚的な景観を損ねないように、くぼ地は、一度風力発電機を倒れた姿勢にすれば、風力発電機の形状に略完全に合うような形状をしている。

本発明の第２の実施形態は、図１１に示すように、構造及び動作において第１の実施形態と類似しており、したがって、ここでは詳細な説明を省略している。第２の実施形態は、ナセル２が発電機４５を備えておらず、発電機４５はマストの下部のバラスト２６に含まれる点において第１の実施形態と区別される。

ロータ３は、マストに沿って伸びている伝動装置４２、４３を通して上述した発電機４５を駆動する。そのような伝動装置は、例えば、マスト１に沿って発電機４５まで伸びている垂直ロータリーシャフト４３にロータ３を接続するアングルトランスミッション４２を含んでいる。シャフト４３は、マスト１の内側のベアリング４４によって支えられている。

発電機は、シャフト４３によって駆動されるギアボックス４６と、ギアボックスによって同様に駆動されるオルタネータ４７とを含んでいる。

Claims (15)

1. 長手軸（Ａ）に沿って下端（１ａ）から上端（１ｂ）まで伸びているマストであって、該マストの下端と上端との間に位置する関節部（５）によって地面に接続され、上記関節部を中心に略直立の位置から略水平に倒れた位置までの間で回動可能に取り付けられたマストと、
   上記マストの上記上端で支えられているナセル（２）であって、タービン（４）を支えるロータ（３）を備えるナセルと、
   上記マスト（１）に接続され、上記マストを上記直立の位置から上記倒れた位置までの間で回動させるために設けられた少なくとも１つのメインラム（Ｖ１）と、を備え、
   上記関節部と上記下端との間に位置する上記マストの下部が、上記関節部と上記ナセルとの間に位置する上記マストの上部および上記ナセルのカウンターウエイトを構成し、
   上記メインラム（Ｖ１）は、支持台と上記マストの上記下部との間で接続されている、ことを特徴とする風力発電機。
2. 上記メインラム（Ｖ１）は、油圧式である、ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
3. 上記メインラム（Ｖ１）は、上記マストの上記下部の下方から、上記マストの上記下端（１ａ）に接続された回動軸（２８）まで伸びる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電機。
4. 上記メインラム（Ｖ１）は、水平面に対し３０°未満に傾いた長手方向に伸びる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電機。
5. カウンターウエイト（２７）は、上記マストの上記下部に移動可能に接続されており、
   可動式の上記カウンターウエイト（２７）を上記マスト（１）に接続する１つ以上のアクチュエータであって、上記カウンターウエイトの重心（Ｇ）が上記マストの長手軸（Ａ）に沿って上記関節部（５）から遠ざかったり上記関節部（５）に近づいたりするように、上記カウンターウエイトを移動させる１つ以上のアクチュエータ（Ｖ２）を備えた制御装置（１１）を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電機。
6. 上記制御装置（１１）は、上記マストが回動している間、重力によって上記マストに加えられるトルクを少なくとも部分的に相殺するために、上記マスト（１）の傾き角に応じて上記カウンターウエイト（２７）を移動する、ことを特徴とする請求項５に記載の風力発電機。
7. 上記制御装置（１１）は、上記マストが回動している間、重力によって上記マストに加えられるトルクを少なくとも部分的に相殺するために、風によって上記マスト（１）に加えられた外力に応じて上記カウンターウエイト（２７）を移動する、ことを特徴とする請求項６に記載の風力発電機。
8. 上記カウンターウエイト（２７）は、上記マストの下端（１ａ）の回動軸（２８）に取り付けられており、
   上記メインラム（Ｖ１）は、回動可能に上記回動軸（２８）に接続されている、ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の風力発電機。
9. 上記カウンターウエイト（２７）は、上記マストの上記下端の下方に伸びており、
   上記上記カウンターウエイト（２７）は、垂直なスロット（３２）を形成しており、
   上記メインラム（Ｖ１）は、上記スロット（３２）内を上記マストの上記下部の下方から上記回動軸（２８）まで伸びている、ことを特徴とする請求項８に記載の風力発電機。
10. 上記カウンターウエイト（２７）を備える上記マスト（１）の上記下部は、第１の質量を有し、上記マスト（１）の上記上部及び上記ナセル（２）は共に第２の質量を有し、上記第１の質量は、上記第２の質量の３０％から３００％まで範囲にあり、好ましくは上記第２の質量の５０％から１５０％までの範囲にある、ことを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の風力発電機。
11. 上記カウンターウエイト（２７）は、上記マスト（１）が直立の位置にあるときに固着装置（３８）とかみ合うことにより、上記マストを上記直立の位置に固定するようになっており、
    上記制御装置（１１）は、上記固着装置（３８）から上記カウンターウエイト（２７）を外すか上記固着装置（３８）に上記カウンターウエイト（２７）をかみ合わせるかを選択可能に備えられている、ことを特徴とする請求項５から１０のいずれか１項に記載の風力発電機。
12. 上記カウンターウエイト（２７）は、上記固着装置（３８）と略垂直の方向にかみ合わせることによって協働するような形状をしている、ことを特徴とする請求項１１に記載の風力発電機。
13. 上記マストの上記下部は第１の高さ（Ｌ１）を有し、
    上記マストの上記上部は第２の高さ（Ｌ２）を有し、
    上記第１の高さ（Ｌ１）は上記第２の高さ（Ｌ２）の１０％から５０％までの範囲にあり、好ましくは上記第２の高さ（Ｌ２）の１５％から２５％までの範囲にある、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の風力発電機。
14. 上記マストの上記下部（２５）には発電機（４５）を備えられており、
    上記ロータ（３）は、上記マスト（１）に沿って伸びている伝動装置（４２、４３）を通して上記発電機（４５）を駆動する、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の風力発電機。
15. 上記メインラム（Ｖ１）は、５００トンから１０００トンの作動力をかけることが可能になっており、
    上記メインラム（Ｖ１）は、７ｍから１２ｍの延伸部を有する、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の風力発電機。

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