JP2015203387A

JP2015203387A - 風力発電設備

Info

Publication number: JP2015203387A
Application number: JP2014084158A
Authority: JP
Inventors: 繁永　康; Yasushi Shigenaga; 康繁永; 育男飛永; Ikuo Tobinaga; 貴彦佐野; Takahiko Sano
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-11-16

Abstract

【課題】乱流の影響を抑えて風向や風速を計測でき、かつ風向計や風速計のメンテナンス性が高い風力発電設備を提供することを目的とする。
【解決手段】タワー１と、回転可能にタワー１に対して支持されるナセル２と、ナセル２に回転可能に支持されてハブ３及びブレード４を有するロータと、ナセル２に接続される支持体６と、支持体６に設置される少なくとも風向計７または風速計８のいずれかと、支持体６に備えられ、少なくとも風向計７または風速計８のいずれかの高さを調節する高さ調節機構とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は風力発電設備に関するものであり、特に風向計や風速計の設置構造に関するものである。

信頼性および安全性を備えた風車とするためには、風車の付属機器を適切に設置および機能させる必要がある。水平軸風車のナセルには、付属機器として風車の運転制御のために風向計および風速計が設置されている。

風向計や風速計の設置に関わる従来技術としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、簡素な構成でありながら冗長的な風向および風速の計測機能を備えた水平軸風車について記載されている。ナセル上面に、ロータ回転軸と平行な方向および鉛直方向に延在する平板部材と、平板部材を挟んで相対する位置に２つの風速計を設置することで、風向計または風速計の故障に起因する発電停止を未然に防ぐことができるようにしている。

特開２００５−５４７５２号公報

風車の発電量を増加させることを目的としたとき、一般的には風車を大型化する手段が選択され、それに伴ってナセルも大きくなる。ナセルでは、ナセル自体の影響によって壁面近傍での風の乱れが比較的強くなる傾向にあり、ナセルが大きいほどその乱流領域も広くなってしまう。ナセルに近い位置に設置された風向計や風速計では、ナセルが大きくなることで乱流領域に入り、乱流の影響を受けやすくなる。一方で、乱流の影響を抑えるようにナセルから離すと、メンテナンスのためにアクセスすることが困難になる。

本発明では、乱流の影響を抑えて風向や風速を計測でき、かつ風向計や風速計のメンテナンス性が高い風力発電設備を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明に係る風力発電設備は、タワーと、回転可能に該タワーに対して支持されるナセルと、該ナセルに回転可能に支持されてハブ及びブレードを有するロータと、該ナセルに接続される支持体と、該支持体に設置される少なくとも風向計または風速計のいずれかと、前記支持体に備えられ、少なくとも前記風向計または前記風速計のいずれかの高さを調節する高さ調節機構とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、乱流の影響を抑えて風向や風速を計測でき、かつ風向計や風速計のメンテナンス性が高い風力発電設備を提供することが可能になる。

本発明の第１の実施例に関するダウンウィンド型の水平軸風車の側面概略図。本発明の第１の実施例に関するナセル周りの概略図。本発明の第１の実施例に関する主に発電運転時の支持構造体の概略図。本発明の第１の実施例に関する主にメンテナンス時の支持構造体の概略図。本発明の第１の実施例に関する水平風のナセル上面での流跡線図。本発明の第１の実施例に関する吹上風のナセル上面での流跡線図。本発明の第１の実施例に関するナセル上面での高さ方向乱流エネルギ分布図。本発明の第２の実施例に関する主に発電運転時の支持構造体の概略図。本発明の第２の実施例に関する主にメンテナンス時の支持構造体の概略図。本発明の第３の実施例に関する主に発電運転時の支持構造体の概略図。本発明の第３の実施例に関する主にメンテナンス時の支持構造体の概略図。本発明の第４の実施例に関する支持構造体の概略図。

以下に本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を参照して説明する。尚、下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を限定することを意図する趣旨ではない。本発明は下記実施例以外にも種々の変更等が可能である。

図１は、本実施例に係るダウンウィンド型の水平軸風車を側面から見た概略構造を示している。

風車は、ほぼ鉛直方向にタワー１が伸びている。タワー１の下方側の根元は、陸上であれば基礎に設置され、洋上であれば海底から設置されている基礎に接合、或いは海面付近に浮かんだ浮体基礎等に接合される。タワー１の頭頂部にはナセル２がタワー１に対して回転可能に設置されており、ナセル２の風下側には主軸を介してロータ５が繋がっている。ロータ５は回転可能にナセル２に支持される。ナセル２とロータ５は、タワー１の中心を軸として回転することでヨー角を調整している。ロータ５は、ハブ３と各ブレード４で主に構成される。ナセル２には、発電機、電力調整装置、動力伝達機構、冷却装置の全部または一部が備えられる。ナセル２の上面のロータ５と反対側には、風向を計測するための風向計７および風速を計測するための風速計８が、高さ方向に延びる支持構造体（支持体）６に設置されている。

図２および図３は、主に発電運転時にナセル２の周辺をロータ５の反対側の上方から見た概略構造を示している。

本実施例における風車では発電時、主にハブ３と各ブレード４で構成されるロータ５は、風上側から見て時計回りに回転する。無論、風車の回転方向は時計回りに限定されるものではない。風向計７、風速計８、またはその他の設置機器のメンテナンスを行うために、ナセル２の上面に出入口としてハッチ９が設けられている。ハッチ９の風上側には、風向計７および風速計８を支える支持構造体６があり、支持構造体下部６ａがナセル２の上面に接合されている。作業者は、ハッチ９からナセル２の外に出て、風向計７や風速計８のメンテナンスを行う。支持構造体６は、主に、支持構造体下部６ａ、支持構造体下部水平梁６ｂ、支持構造体上部６ｃ、支持構造体上部水平梁６ｄ、支持構造体上部台座６ｅにより構成されている。ナセル２の上で、図２および図３に示す運転時の風向に対して水平左右方向に分かれている下部６ａは、支持構造体下部の水平梁６ｂにより互いに繋がっている。下部６ａはロータ５側に伸延し、ナセル２に支持される脚部を備えている。下部６ａの上側には、高さ方向に延びる上部６ｃが設置され、下部６ａと同様に図２および図３に示す運転時の風向に対して水平左右方向に分かれており、支持構造体上部の水平梁６ｄと支持構造体上部の台座６ｅにより繋がっている。上部台座６ｅには、風向計７および風速計８が設置されている。上部台座６ｅは、平板でなくとも良く、例えば梁またはパイプなどでも良い。

図４は、主にメンテナンス時にナセル２の周辺をロータ５の反対側の上方から見た概略構造を示している。本実施例では、乱流の影響を抑えて風向や風速を計測できると共に、風向計７や風速計８のメンテナンス性を向上させるべく、支持構造体に設けられた風向計７や風速計８の高さを調節する高さ調節機構を備えている。高さ調節の詳細について以下説明する。

下部６ａと下部水平梁６ｂは固定されており、下部６ａの内部を摺動することで上部６ｃは高さ方向に沿って可動する構造となっている。尚、高さ方向に可動するものであれば、外部を摺動するものであっても良い。上部６ｃは駆動装置（図示なし）などにより、人の手で直接動かさずとも可動させることができる。勿論、人の手で可動できるようにしても良いが、風向計７や風速計８はタワー頂部上方、具体的にはナセル２の高い位置に設けられているため、自動式の駆動装置を備えている方が好ましい。上部６ｃ、上部水平梁６ｄ、上部台座６ｅ、風向計７、風速計８は一体で下げることができる。尚、上部６ｃ、上部水平梁６ｄ、上部台座６ｅのそれぞれの一部が、風向計７および風速計８とともに下がる構造となっていても良い。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の内部を通してナセル２の内部へ伸びている。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の外部側に数箇所を留めてナセル２の内部へ伸ばしても良い。

以上の構成による本実施例に係るダウンウィンド型の水平軸風車の機能及び動作について説明する。

図５は、ロータ５の回転軸方向とほぼ同じ風向で風が流れている状況を表している。

ナセル２の上面側を通過する風は、風上側から流れてきてナセル２を避けるように流れ、ナセル２の壁面近傍では流れが大きく屈折している。風の流れの屈折に伴い、ナセル２の上面付近では風の乱れも強くなる傾向にある。発電量増加のために、風車を大型化すればナセル高さＨｎも大きくなってしまう。ナセル高さＨｎが大きくなると、風の流れの屈折する範囲も大きくなり、ナセル２の上面付近において風の乱れが比較的強い領域も広がる（高くまで及ぶ）ことになる。比較的強い乱流領域に風向計７および風速計８が設置されてしまうと、計測値の変動が増えるとともに計測器自体の故障リスクが高くなる恐れがあるため、ナセル２の上面においては比較的強い乱流領域を避ける必要がある。故に、風車の大型化に伴ったナセル２の大型化による乱流領域の拡大に対応できるように、風向や風速の計測時は支持構造体６を高くして、支持構造体６に設置される風向計７や風速計８の計測結果に対する乱流の影響を減らせるようにしている。計測値の変動が増えるとともに計測器自体が故障してしまう可能性も高くなるが、上記のように高さ調節を可能にすることで、比較的強い乱流領域から外れた安定した風の流れの中に風向計７および風速計８を設置することができ、計測値の変動抑制や故障リスク低減を行うことが可能となる。これにより、データ自体の信頼性向上や計測器の信頼性維持を実現できる。データ自体の信頼性向上は、風車制御の精度向上に直接繋がるため、長期間に渡り高精度の計測を行えるようにすることは意義深い。

また、本実施例では更に、ナセル２の上面に固定された支持構造体下部６ａに対し、支持構造体上部６ｃを摺動させ、風向計７および風速計８を一時的に降下・上昇させることで、計測値から各位置（高さ）における風の乱れの状態を知ることができる。その場合、各位置（高さ）での風の乱れの状態を知るために、高さ方向に段階的にあるいは連続的に位置を変化させ、風向計７や風速計８の駆動軌道上における所定位置もしくは高さで保持するような高さ調節機構とする。例えば、図５の風向を水平風とし、少し上方向へ風が流れている図６の風向を吹上風とした場合、仮に図中の破線Ａの位置における風の乱れの程度を表すと図７のようになっている。図７において、横軸は乱流エネルギの比を表しており風車周辺での標準的な乱流エネルギで「１」とし、縦軸はナセル２の上面から上方向への高さの比を表しておりナセル高さＨｎで「１」としている。図７から分かるように、水平風と吹上風とでは高さ方向の風の乱れの傾向が異なる。故に、風向計７および風速計８の計測値により各位置（高さ）での風の乱れの程度を判定し、その傾向から吹上風の吹上角を求めることも可能となる。

乱流の影響を抑えた計測を行うには、風向計７や風速計８をナセル２から離隔して配置するのが望ましい。一方で、風車の大型化が進むと、乱流の影響を充分に回避するための風向計７および風速計８の設置位置はかなり高くなり、一般的な人の身丈では届かない範囲となってしまう。本実施例によれば、風向計７や風速計８の高さを調節する高さ調節機構を備えており、メンテナンスなどの際には、ナセル２の上面に固定された支持構造体下部６ａに対し、支持構造体上部６ｃを摺動させることで風向計７および風速計８を下げることができる。故に、出入口となるハッチ９からナセル２の上面を経て、安全かつ簡単に風向計７および風速計８に接近することが可能となる。

実施例２について、図８および図９を用いて以下説明する。尚、実施例１と重複する内容については随所に説明を省略している。

図８は主に発電運転時、図９は主にメンテナンス時の状態を表しており、それぞれナセル２の周辺をロータ５の反対側の上方から見た概略構造を示している。

支持構造体６は、主に、支持構造体下部６ａ、支持構造体下部水平梁６ｂ、支持構造体上部６ｃ、支持構造体上部水平梁６ｄ、支持構造体上部台座６ｅにより構成されている。下部６ａと支持構造体下部の水平梁６ｂは固定されており、下部６ａの外部を摺動することで上部６ｃは可動する構造となっている。本実施例でも、上部６ｃは駆動装置（図示なし）などにより、人の手で直接動かさずとも可動させることができる。尚、実施例１と異なり、本実施例では下部６ａの脚部に沿って上部６ｃが摺動する。下部６ａの脚部はロータ５側に向かって高さ方向に対して斜めに伸延しており、従って本実施例における上部６ｃは高さ方向に対して斜めに摺動する。上部６ｃ、支持構造体上部の水平梁６ｄ、支持構造体上部の台座６ｅ、風向計７、風速計８は一体で下げることができる。尚、上部６ｃ、上部水平梁６ｄ、上部台座６ｅのそれぞれの一部が、風向計７および風速計８とともに下がる構造となっていても良い。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の内部を通してナセル２の内部へ伸びている。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の外部側に数箇所を留めてナセル２の内部へ伸ばしても良い。

本実施例でも、風車の大型化に合わせて（具体的には乱流の影響範囲に合わせて）支持構造体６の高さを高くすることで、比較的強い乱流領域から外れた安定した風の流れの中に風向計７および風速計８を設置することができ、計測値の変動と故障リスクを抑制することが可能となる。

一方で、メンテナンスなどの際には、ナセル２の上面に固定された下部６ａに対し、上部６ｃを摺動させることで風向計７および風速計８を下げることができる。故に、出入口となるハッチ９からナセル２の上面を経て、安全かつ簡単に風向計７および風速計８に接近することが可能となる。本実施例に一例として示すように、高さ調節機構による風向計７または風速計８の高さの調節の仕方は、高さ方向に沿って動かす場合のみでなく、異なる動作をしても良い。

実施例３について、図１０および図１１を用いて以下説明する。尚、上記各実施例と重複する内容については随所に説明を省略している。

図１０は主に発電運転時、図１１は主にメンテナンス時の状態を表しており、それぞれナセル２の周辺をロータ５の反対側の上方から見た概略構造を示している。

支持構造体６は、主に、支持構造体下部６ａ、支持構造体下部水平梁６ｂ、支持構造体上部６ｃ、支持構造体上部水平梁６ｄ、支持構造体上部台座６ｅ、支持構造体締結部６ｆにより構成されている。下部６ａと支持構造体下部の水平梁６ｂは固定されており、締結部６ｆによって上部６ｃも固定される構造となっている。本実施例における締結部６ｆはロック機構として働き、以下説明するように回転部の回転をロックし、またはそのロックを解除する。締結部６ｆを摺動させることで、下部６ａと上部６ｃとの締結が外れ、ロックは解除される。締結部６ｆを摺動させて元の位置に戻しヒンジを覆うことで締結され、回転がロックされる。本実施例においてヒンジは回転部に該当する。下部６ａと上部６ｃはヒンジなどで結合されており、ナセル２の上面に固定されている下部６ａに対して、ヒンジなどの結合部を中心に上部６ｃは回転することができる。上部６ｃ、上部水平梁６ｄ、上部台座６ｅ、風向計７、風速計８は回転させて一体で下げることができる。尚、上部６ｃ、上部水平梁６ｄ、上部台座６ｅのそれぞれの一部が、風向計７および風速計８とともに回転させて下がる構造となっていても良い。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の内部を通してナセル２の内部へ伸びている。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の外部側に数箇所を留めてナセル２の内部へ伸ばしても良い。

風車の大型化とともに支持構造体６を高くすることで、比較的強い乱流領域から外れた安定した風の流れの中に風向計７および風速計８を設置することができ、計測値の変動と故障リスクを抑制することが可能となる。

一方で、メンテナンスなどの際には、ナセル２の上面に固定された下部６ａに対し、上部６ｃを回転させることで風向計７および風速計８を下げることができる。故に、出入口となるハッチ９からナセル２の上面を経て、安全かつ簡単に風向計７および風速計８に接近することが可能となる。本実施例で説明したように、高さ調節機構は回転機構を設けて、少なくとも高さ方向に回転して、高さを変化させるものとすることも可能である。

実施例４について、図１２を用いて以下説明する。尚、上記各実施例と重複する内容については随所に説明を省略している。

図１２は、ナセル２の周辺をロータ５の反対側の上方から見た概略構造を示している。

ハッチ９の風上側には、風向計７および風速計８を支える支持構造体６がある。支持構造体６は、主に、支持構造本体６ｇ、支持構造体下部水平梁６ｂ、支持構造体上部水平梁６ｄ、支持構造体上部台座６ｅ、支持構造体梯子形状部６ｆにより構成されている。本体６ｇおよび梯子形状部６ｈがナセル２の上面に接合されている。ナセル２の上で、図１２に示す運転時の風向に対して水平左右方向に分かれている本体６ｇは、下部水平梁６ｂ、上部水平梁６ｄ、上部台座６ｅにより繋がっている。梯子形状部６ｈの上端側は、本体６ｇに接合されている。尚、梯子形状部６ｈは、平板を並べて階段形状としても良い。更に、梯子形状部６ｈ（或いは階段部など）は、その一部または全体が支持構造体６に対して着脱可能になるようにしても良い。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の内部を通してナセル２の内部へ伸びている。風向計７および風速計８からの配線は、支持構造体６の外部側に数箇所を留めてナセル２の内部へ伸ばしても良い。

一方で、本実施例においては、風向計７や風速計８の高さを変化させるのでなく、作業者が容易にアクセスできるようにしている。メンテナンスなどの際には、出入口となるハッチ９からナセル２の上面、梯子形状部６ｈを経て、安全かつ簡単に風向計７および風速計８に接近することが可能となる。

尚、上記各実施例は発電運転時にロータがナセルより風下に位置するダウンウィンド型風車について説明したが、発電運転時にロータがナセルより風上に位置するアップウィンド型風車に用いることも可能である。水平軸風車において、ナセルの上面付近で風の乱れが比較的強くなる傾向にあるが、発電運転時にロータが風上側に位置するアップウィンド型と、ロータが風下側に位置するダウンウィンド型とでは、風の流れで違う特性となる部分もある。アップウィンド型の水平軸風車では、ロータを通過した後に風がナセルの上面を通過するため、そもそもロータ（ブレード）に起因する風の乱れが、ナセルからの高さに関係なく風向計や風速計に流入してくることになる。一方で、ダウンウィンド型の水平軸風車では、ロータを通過する前に風がナセルの上面を通過するため、ロータ（ブレード）による風の乱れは関係なくナセル自体の影響による風の乱れが支配的となる。故に、本発明は、アップウィンド型の水平軸風車においてもナセルに起因した乱流の影響を減らせる点で効果があるが、ナセル上面での上下方向の乱流分布が比較的顕著であるダウンウィンド型の水平軸風車に適用することは更に効果的である。ダウンウィンド型風車では、ロータ（ブレード）による風の乱れの影響を受けず、より正確な風況データが得られるため、高精度な制御が期待され、更に上記各実施例の内容を始めとし、ナセルの影響による乱流によって計測結果が乱れることを防止することで、一層高精度な制御が可能になる。

１タワー
２ナセル
３ハブ
４ブレード
５ロータ
６支持構造体
６ａ支持構造体下部
６ｂ支持構造体下部水平梁
６ｃ支持構造体上部
６ｄ支持構造体上部水平梁
６ｅ支持構造体上部台座
６ｆ支持構造体締結部
６ｇ支持構造本体
６ｈ支持構造体梯子形状部
７風向計
８風速計
９ハッチ

Claims

タワーと、
回転可能に該タワーに対して支持されるナセルと、
該ナセルに回転可能に支持されてハブ及びブレードを有するロータと、
該ナセルに接続される支持体と、
該支持体に設置される少なくとも風向計または風速計のいずれかと、
前記支持体に備えられ、少なくとも前記風向計または前記風速計のいずれかの高さを調節する高さ調節機構とを備えることを特徴とする風力発電設備。
請求項１に記載の風力発電設備であって、前記高さ調節機構は、自動駆動可能であることを特徴とする風力発電設備。
請求項１または２に記載の風力発電設備であって、前記高さ調節機構は、少なくとも前記風向計または前記風速計のいずれかの高さを段階的に或いは連続的に変化させて、所定の高さで保持することを特徴とする風力発電設備。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、前記高さ調節機構は、少なくとも高さ方向に摺動する、前記支持体の摺動部を備えることを特徴とする風力発電設備。
請求項４に記載の風力発電設備であって、前記摺動部は高さ方向に沿って摺動することを特徴とする風力発電設備。
請求項４に記載の風力発電設備であって、前記摺動部は高さ方向に対して斜めに摺動することを特徴とする風力発電設備。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、前記高さ調節機構は、少なくとも高さ方向に回転する、前記支持体の回転部を備えることを特徴とする風力発電設備。
請求項７に記載の風力発電設備であって、前記回転部の回転をロックし、または該ロックを解除するロック機構を備えることを特徴とする風力発電設備。
タワーと、
回転可能に該タワーに対して支持されるナセルと、
該ナセルに回転可能に支持されてハブ及びブレードを有するロータと、
該ナセルに接続される支持体と、
該支持体に設置される少なくとも風向計または風速計のいずれかと、
前記支持体の下部に備えられる少なくとも梯子部または階段部のいずれかと、を備えることを特徴とする風力発電設備。
請求項９に記載の風力発電設備であって、前記梯子部または前記階段部は、着脱可能な部位を有することを特徴とする風力発電設備。
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
前記ロータは発電運転時に前記ナセルより風下側に位置し、
前記支持体は、前記ロータと反対側で前記ナセルに配置され、
前記支持体の前記ロータ側には、前記ナセル内外に出入りするハッチが備えられることを特徴とする風力発電設備。
請求項１１に記載の風力発電設備であって、前記支持体の下部には、該支持体から前記ロータ方向に伸延し、前記ナセルに支持される脚部を備えることを特徴とする風力発電設備。