JP2016020663A

JP2016020663A - 風力発電設備

Info

Publication number: JP2016020663A
Application number: JP2014144863A
Authority: JP
Inventors: 育男飛永; Ikuo Tobinaga; 康太石黒; Kota Ishiguro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: JP6371146B2; TWI575155B; EP2975262A1; EP2975262B1; TW201602453A

Abstract

【課題】
ハブおよびナセルの小型化、軽量化が可能で、経済性および保守補修性に優れた風力発電設備を提供する。
【解決手段】
地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、前記ハブは、当該ハブに対する前記複数のブレードの各々の角度を変える複数のピッチ駆動手段を内部に備え、前記複数のピッチ駆動手段は、前記ハブ内の障壁に設けられた開口を貫通するように各々設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電設備のハブおよびその周囲構造に関する。

風力発電は、従来の火力発電や原子力発電と比べて、二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しない、放射能による環境汚染や被曝の危険性が無いなど、環境に優しく、リスクの少ない発電方法として近年注目を集めている。

その一方で、風は、風向きや風速が絶えず変動し、安定していないといった特徴がある。風向きの変動に対しては風車の向きを制御（ヨー制御）することにより、また、風速の変動に対してはブレードの取り付け角度を制御（ピッチ制御）することで、安定かつ効率良く発電できるようにコントロールしている。

また、風力発電設備の導入費用やメンテナンス費用などのコストが高く、安全性を確保しながら、より一層のコスト低減が求められている。

風力発電設備のコスト低減には、その構造部材の軽量化による材料費の低減が効果的であり、特に、ブレードおよびハブ、ピッチ駆動装置（ピッチアクチュエータと旋回軸受）で構成されるロータの重量削減は、それらを支持するナセルやナセルを支持するタワーの軽量化にも寄与するため、重要度が高い。

さらに、主軸や増速機のドライブシステムで構成されるナセルも、軽量化によって支持構造物であるタワーや基礎の軽量化につながり、コスト低減の効果が大きい。従って、風力発電設備の開発においては、ハブやナセルの小型化、軽量化といった取り組みがなされている。

ところで、ハブやナセル内の主軸は、主軸軸受と呼ばれる軸受でハブを回転支持する構造となっているが、回転側が外輪か内輪かによって、外輪駆動型と内輪駆動型に分けられる。

内輪駆動型の風力発電設備においては、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「ハブ及び該ハブにピッチ変更自在に支持された複数のブレードを備えたロータがナセルに回転自在に支承された水平軸型風車のピッチ制御機構において、上記各ブレードに対応して各々ハブ内に配設されて上記対応する各ブレードのピッチを独立して可変制御する複数のピッチ可変手段と、上記各ブレードのピッチ可変範囲を各々フルフェザー位置とフルフラット位置との間に規制するピッチ規制手段と、上記各ブレードを各々上記フルフェザー位置側に付勢するピッチ付勢手段とを備え、上記各ピッチ可変手段のピッチ制御系統の異常時には、該対応するブレードのピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする水平軸型風車のピッチ制御機構」が開示されている。

また、外輪駆動型の風力発電設備では、例えば、特許文献２のような技術がある。特許文献２には、「タワーと、前記タワーの上端に設けられている、発生用の機構および構造を収容するゴンドラと、前記ゴンドラに搭載されている、複数の集風ブレードを含む回転設備とを備え、前記回転設備は、前記ゴンドラに固定されている内側ステータと、前記内側ステータの周囲を取り囲む外側ロータを含む発電部と、発電用の磁極および巻線であって、前記内側ステータおよび前記外側ロータの内部に目立たないように配置されている巻線および磁極と、前記複数の集風ブレードの１つ毎に１つ設けられている複数の支持カップであって、前記発電部の前記外側ロータ内に等距離に固定されている複数の支持カップと、前記複数の支持カップのそれぞれの内部に１つずつ回転可能に搭載されている複数のブレードピッチ調整ハブとを有し、前記複数の集風ブレードはそれぞれ、前記複数のブレードピッチ調整ハブのいずれか１つに接続されている発電用の風力駆動機械」が開示されている。

特開２００３−５６４４８号公報特開２０１４−２９１５４号公報

上記のように、風力発電設備の開発においては、設備の導入コストや発電コストを低減し、発電事業として成立し易くするための検討が進められており、ハブやナセルの小型化、軽量化といった様々な取り組みがなされている。

特許文献１のような内輪駆動型の風力発電設備は、ハブ内の構造はシンプルに構成できるが、主軸軸受をナセルに設ける必要があり、ナセルの小型化が困難である。

一方、特許文献２のような外輪駆動型の風力発電設備は、主軸軸受をハブ内に設けているため、ナセルの小型化には有利だが、ハブ内において主軸軸受と他の構造物が干渉するのを防ぐ必要があり、ハブの小型化が困難である。

そこで、本発明の目的は、風力発電設備において、ハブおよびナセルの小型化、軽量化が可能で、経済性および保守補修性に優れた風力発電設備を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、前記ハブは、当該ハブに対する前記複数のブレードの各々の角度を変える複数のピッチ駆動手段を内部に備え、前記複数のピッチ駆動手段は、前記ハブ内の障壁に設けられた開口を貫通するように各々設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、前記ハブは、当該ハブに対する前記複数のブレードの各々の角度を変える複数のピッチ駆動手段を内部に備え、前記複数のピッチ駆動手段は、前記ハブ内の複数の構造材の間隙を貫通するように各々設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ハブおよびナセルの小型化、軽量化が可能で、経済性および保守補修性に優れた風力発電設備を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。図１におけるＡ−Ａ’矢視図である。図１におけるＢ−Ｂ’ 矢視図である。従来の内輪駆動型の風力発電設備の一部断面図である。図４ＡにおけるＣ−Ｃ’矢視図である。従来の外輪駆動型の風力発電設備の一部断面図である。図５ＡにおけるＤ−Ｄ’矢視図である。従来の外輪駆動型の風力発電設備の一部断面図である。図６ＡにおけるＥ−Ｅ’矢視図である。一般的な風力発電設備の全体概要を示す図である。一般的な風力発電設備の構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、図７および図８を用いて、一般的な風力発電設備について説明する。図７はアップウィンド型の風力発電設備の全体概要を示し、図８は風力発電設備の各部の構成を示している。なお、本実施例において、地上に設置される風力発電設備および洋上に設置される風力発電設備は同じ構成であるため、地上と洋上の区別なく説明する。

図７に示すように、風力発電設備は、地上或いは洋上に設置されたタワー６の頂部にナセル３が設けられ、ナセル３の内部にはギアボックスすなわち増速機４、発電機５が内蔵されている。

ナセル３の一端には、ハブ２と複数のブレード１から構成されるロータが設けられている。ハブ２は回転軸により増速機４および発電機５と連結されており、複数のブレード１が風を受けてハブ２と共に回転することにより、風力を回転エネルギーに変換し、回転軸および増速機４を介して発電機５へ回転エネルギーを伝えることで、発電を行っている。

図８に示すように、タワー６とナセル３との連結部分には、タワー６に対するナセル３の位置を制御するヨー制御機構９が設けられており、複数のブレード１およびハブ２からなるロータが常に風を最大限に受けるよう、風向きの変化に応じて、風車の向きすなわち複数のブレード１およびハブ２からなるロータの向きを制御する構成になっている。

また、ハブ２とブレード１との連結部分には、各々のブレード毎にハブに対するブレードの取り付け角度（ピッチ角）を独立して制御するピッチ制御機構（ピッチアクチュエータ１０およびピッチ旋回軸受１１）が設けられており、風速の変化に応じて、ハブ２に対する各ブレード１の取り付け角度（ピッチ角）を制御する構成になっている。ピッチアクチュエータ１０は、ハブ２内のピッチ制御装置１２により制御される。

ハブ２は主軸１６と連結し、主軸１６はナセル３内において増速機４と連結している。増速機４は回転軸により発電機５と連結されている。増速機４および発電機５の間には、ロータブレーキ８が設けられ、風力発電設備を停止する際にロータブレーキ８を作動させ、ロータすなわちハブ２および複数のブレード１の回転を停止または減速させる。

ナセル３の外部には、風向風速計７が設置されている。風向風速計７により計測した風向きデータおよび風速データは風車制御盤１５に伝送され、風車制御盤１５によりヨー制御機構９およびピッチ制御機構の各々が制御される。ピッチ制御機構は、上述の通り、ピッチ制御装置１２およびピッチアクチュエータ１０、ピッチ旋回軸受１１から構成されている。

発電機５により発電された電力は、タワー６内に設置された電力制御装置１３および主遮断機１４を介して、外部の電力供給系統へ供給される。

次に、図４Ａ乃至図６Ｂを用いて、本発明の課題について詳細に説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、内輪駆動型の風力発電設備におけるハブおよびその周囲構造を示している。図４Ｂは、図４ＡにおけるＣ−Ｃ’矢視図である。

図４Ｂに示すように、ハブ２は主軸１６に連結されている。主軸１６は主軸軸受２０により支承され、主軸軸受２０の内側で回転する。このため、一般的に内輪駆動型と称される。主軸軸受２０はナセル３内に配置される。

図４Ａに示すように、ハブ２の外殻にはピッチアクチュエータ１０が設けられている。図示しないが、各ブレードのピッチ旋回軸受とピッチアクチュエータ１０のピニオンギアとが噛合し、ピッチアクチュエータ１０を駆動することにより、ハブ２に対する各ブレードの角度を変えることができる。

また、ハブ２の外殻には開口１８が設けられており、ピッチアクチュエータ１０の故障や定期交換の際は、この開口１８を介して、ハブ２内からピッチアクチュエータ１０を外部へ搬出する。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、内輪駆動型の風力発電設備は、主軸軸受２０をハブ２の外部に設けているため、ハブ２の内部構造を比較的シンプルに構成することができるが、上述のように、主軸軸受２０をナセル３内に配置する必要があるため、ナセルの小型化、軽量化が困難である。

図５Ａ乃至図６Ｂは、外輪駆動型の風力発電設備におけるハブおよびその周囲構造を示している。図５Ｂは、図５ＡにおけるＤ−Ｄ’矢視図であり、図６Ｂは、図６ＡにおけるＥ−Ｅ’矢視図である。図５Ａ，図５Ｂに示すハブ構造と、図６Ａ，図６Ｂに示すハブ構造との違いは、図５Ａと図６Ａとの比較から分かるように、固定主軸軸受１７とハブ２の外殻とを連結する障壁の有無の相違である。この固定主軸軸受１７とハブ２の外殻とを連結する障壁は、ハブ２内に固定主軸軸受１７を支持固定する支持部として機能している。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、外輪駆動型の風力発電設備のハブ２には、ハブ２内部の中央部付近にハブ２を貫通するように固定主軸１９が設けられており、固定主軸１９は固定主軸軸受１７により支承されている。

固定主軸１９は、中空で筒状に形成されており、固定主軸１９の内部を主軸１６が貫通するように設けられている。

図示しないが、主軸１６はハブ２と連結されており、風を受けてハブ２が回転することにより、主軸１６も回転する。主軸１６は、ナセル３内で増速機４を介して発電機５に連結されており、ハブ２の回転を発電機５に伝達することにより電力を発電する。

なお、ハブ２の外殻には開口１８が設けられており、ピッチアクチュエータ１０の故障や定期交換の際は、この開口１８を介して、ハブ２内からピッチアクチュエータ１０を外部へ搬出する。

図６Ａおよび図６Ｂに示す外輪駆動型の風力発電設備のハブ２についても、上記の構成および動作は同様である。

固定主軸１９はナセル３に固定され、固定主軸軸受１７に支承されたハブ２が固定主軸軸受１７の外側で回転する。このため、一般的に外輪駆動型と称される。

図５Ａ乃至図６Ｂに示す外輪駆動型の風力発電設備では、軸受をハブ２の内部に配置しているため、軸受をナセル３内部に設ける必要がなく、ナセルの小型化、軽量化には有利である。しかしながら、軸受をハブ２内部に設ける必要があるため、ハブ２の小型化、軽量化が困難である。

特に、図６Ａのように、ハブ２内に障壁や固定主軸軸受１７の支持部のような構造物が設けられている場合、ハブ２を小型化しようとすると、ハブ２内の障壁や固定主軸軸受１７の支持部のような構造物がピッチアクチュエータ１０と干渉してしまい、ハブ２を小型化することができない。

図１乃至図３を用いて、本発明の一実施形態について説明する。図１は本実施例における風力発電設備のハブおよびその周囲構造を示している。図２は、図１におけるＡ−Ａ’矢視図であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ’矢視図である。

図１に示すように、ハブ２の外殻に固定されている複数のピッチアクチュエータ１０は、ハブ２内において、障壁や固定主軸軸受１７の支持部のような構造物を貫通するように配置されている。つまり、障壁や固定主軸軸受１７の支持部のような構造物には、それぞれ開口１８が設けられており、その開口１８をピッチアクチュエータ１０が貫通して配置されている。

また、ハブ２は、図１のように、その外殻が略正三角形状に形成されている。すなわち、ハブ２は、主軸１６や固定主軸軸受１７、固定主軸１９と直交する断面において、その外殻が略正三角形状となっている。

各々のピッチアクチュエータ１０は、ハブ２内において、主軸１６や固定主軸軸受１７、固定主軸１９と、略正三角形状のハブの外殻の互いに隣接する二辺により囲まれるように設けられている。

また、ハブ２内の障壁や固定主軸軸受１７の支持部のような構造物は、ハブ２に連結される複数のブレードの互いに隣接するブレード同士の中間位置付近のハブの外殻に設けられている構成となっている。

上記のようなハブ２の内部の構成とすることにより、ハブ２の内部において、複数のピッチアクチュエータ１０、主軸１６や固定主軸軸受１７、固定主軸１９、障壁や固定主軸軸受１７の支持部のような構造物が互いに干渉することなく、可能な限りハブ２をコンパクトに形成することができる。

図２を用いて、本実施例におけるハブ２を別の方向から見た構成を説明する。

図２に示すように、ハブ２内において、ハブ２と主軸１６との連結部がハブ２の端部よりも中心寄りに設けられている。また、ハブ２の外殻やハブ２内の障壁、固定主軸軸受１７の支持部のような構造物には各々開口１８が設けられている。ピッチアクチュエータ１０の故障や定期交換の際は、これらの開口１８を介して、ハブ２内からピッチアクチュエータ１０を外部へ搬出することができる。

なお、図２において、主軸１６とハブ２の連結部のハブの外殻の板厚は、補強のため、他の箇所のハブの板厚よりも厚く形成し、他の箇所の外殻の板厚を薄く形成することもできる。これにより、主軸１６とハブ２との連結部の強度を維持しつつ、ハブ２を可能な限り軽量化することができる。

図３を用いて、本実施例におけるハブ２をさらに別の方向から見た構成を説明する。上記で説明したように、ナセル２の内部において、固定主軸１９の端部および固定主軸軸受１７は、ハブ２の端部よりも中心寄りに設けられている。また、ハブ２の外殻や内部の障壁には開口１８が設けられている。

そのため、ハブ２内において、ピッチアクチュエータ１０をハブ２内部の障壁と干渉することなく設けることができ、さらに、ピッチアクチュエータ１０の故障や定期交換の際は、これらの開口１８を介してハブ２の外部へ搬出することができる。

以上説明したように、本発明のハブおよびその周囲構造を用いることにより、ナセルの小型化、軽量化に有利な外輪駆動型のハブを採用しつつ、ハブの小型化、軽量化も可能となり、ナセルおよびハブの小型化、軽量化を両立することができる。その結果、ナセルおよびハブのコスト低減が可能となる。

また、ピッチアクチュエータの故障や定期交換の際に、ハブの外殻やハブ内の構造物の開口１８を介してピッチアクチュエータ１０を外部へ容易に搬出することができるため、保守補修性も向上する。

なお、上記の実施例では、主に外輪駆動型の風力発電設備のハブを用いて本発明の特徴を説明したが、内輪駆動型の風力発電設備のハブに用いることもできる。例えば、内輪駆動型の風力発電設備のハブ内に配置される構造物に開口を設け、ピッチアクチュエータをその開口を貫通するように設けることで、ハブ内の構造物とピッチアクチュエータが互いに干渉することなく、可能な限りハブを小型化することができる。

また、ハブ内に配置される構造物に開口を設ける代わりに、複数の構造物の間隙を貫通するようにピッチアクチュエータを設けることにより、同様にハブ内の複数の構造物とピッチアクチュエータが互いに干渉することなく、可能な限りハブを小型化することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ブレード、２…ハブ、３…ナセル、４…増速機（ギアボックス）、５…発電機、６…タワー、７…風向風速計、８…ロータブレーキ、９…ヨー制御機構、１０…ピッチアクチュエータ、１１…ピッチ旋回軸受、１２…ピッチ制御装置、１３…電力制御装置、１４…主遮断機、１５…風車制御盤、１６…主軸、１７…固定主軸軸受、１８…開口、１９…固定主軸、２０…主軸軸受。

Claims

地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、
前記ハブは、当該ハブに対する前記複数のブレードの各々の角度を変える複数のピッチ駆動手段を内部に備え、
前記複数のピッチ駆動手段は、前記ハブ内の障壁に設けられた開口を貫通するように各々設けられていることを特徴とする風力発電設備。
前記風力発電設備は、前記ハブ内部において、前記ハブの外殻に固定された軸受を介して前記ハブと前記ナセルとを連結する筒状の固定主軸と、
前記固定主軸の内部を貫通して設けられ、前記ハブと前記発電機とを連結する主軸と、を備える外輪駆動型の風力発電設備であって、
前記障壁は、前記ハブの外殻に前記軸受を固定する軸受支持部であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
前記ハブ内において、前記ハブと前記主軸との連結部が前記ハブの中心寄りに設けられ、
前記ハブの端部および前記ハブと前記主軸との連結部との間の前記ハブの外殻に、前記ピッチ駆動手段を前記ハブの外部に搬出する搬出口が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電設備。
前記軸受支持部に前記ピッチ駆動手段を前記ハブの外部に搬出する搬出口が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電設備。
前記軸受支持部は、互いに隣接するブレード同士の中間位置付近のハブの外殻に設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の風力発電設備。
前記ハブは、前記固定主軸と直交する断面において、その外殻が略正三角形状に形成され、
前記複数のピッチ駆動手段の各々は、前記固定主軸および前記略正三角形状のハブの外殻の互いに隣接する二辺により囲まれるように設けられていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の風力発電設備。
地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、を有する風力発電設備であって、
前記ハブは、当該ハブに対する前記複数のブレードの各々の角度を変える複数のピッチ駆動手段を内部に備え、
前記複数のピッチ駆動手段は、前記ハブ内の複数の構造材の間隙を貫通するように各々設けられていることを特徴とする風力発電設備。
前記風力発電設備は、前記ハブ内部において、前記ハブの外殻に固定された軸受を介して前記ハブと前記ナセルとを連結する筒状の固定主軸と、
前記固定主軸の内部を貫通して設けられ、前記ハブと前記発電機とを連結する主軸と、を備える外輪駆動型の風力発電設備であって、
前記複数の構造材は、前記ハブの外殻に前記軸受を固定する軸受支持部であることを特徴とする請求項７に記載の風力発電設備。
前記ハブ内において、前記ハブと前記主軸との連結部が前記ハブの中心寄りに設けられ、
前記ハブの端部および前記ハブと前記主軸との連結部との間の前記ハブの外殻に、前記ピッチ駆動手段を前記ハブの外部に搬出する搬出口が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の風力発電設備。
前記軸受支持部に前記ピッチ駆動手段を前記ハブの外部に搬出する搬出口が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の風力発電設備。
前記軸受支持部は、互いに隣接するブレード同士の中間位置付近のハブの外殻に設けられていることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の風力発電設備。
前記ハブは、前記固定主軸と直交する断面において、その外殻が略正三角形状に形成され、
前記複数のピッチ駆動手段の各々は、前記固定主軸および前記略正三角形状のハブの外殻の互いに隣接する二辺により囲まれるように設けられていることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の風力発電設備。