JP2017025881A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上可能な風力発電システムを提供する。【解決手段】風を受けて回転するロータを支持するナセル３と、ナセル３を回転可能に支持するタワー４と、タワー４に対するナセル３の位置を変化させる複数のヨー駆動装置１０と、複数のヨー駆動装置１０のうち、少なくとも一つのヨー駆動装置１０の異常を検出する異常検出手段と、異常検出手段が異常を検出した場合、指令により異常が検出されたヨー駆動装置１０の駆動力の伝達を解除する解除手段を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電システムに関するものであり、特にヨー駆動装置の異常対応に関する。

安定したエネルギー資源の確保や地球温暖化防止といった観点から、風力発電の導入が進んでいる。風力発電システムでは、ヨー駆動装置（以下、ヨーアクチュエータとも言う）を用いてタワーに対するナセルの位置を変化させることで、ナセルに支持されるロータの位置を風向きに応じて変化させる。

風力発電システムの方式としてロータがタワーやナセルよりも風上に位置して発電するアップウインド型と、ロータがタワーやナセルよりも風下に位置して発電するダウンウインド型がある。そして、いずれの方式でもロータの回転面が風向きに垂直になる様にヨー制御され、ヨー駆動装置が異常を来たすと、ロータの位置を風向きに応じて変化させる上で支障が出るため、ヨー駆動装置が異常を来たした場合に備えておくことが望まれる。

ここで、本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。特許文献１には、風車用駆動装置が記載されており、出力軸からピニオンギアまでにおける駆動力が伝達される経路である駆動力伝達経路に設けられ、所定の大きさ以上のトルクが作用したときに駆動力伝達経路の連結を切り離す切断機構として設けられた切欠部を備えている。

また特許文献２には、風車用駆動装置が記載されており、所定の大きさ以上のトルクが作用したときに、駆動力伝達経路を連結させる連結状態から駆動力伝達経路の連結を切り離して解除させる連結解除状態に作動状態が切り替わり、作動状態が連結解除状態に切り替わった後、作用するトルクの大きさが所定の大きさ未満となったときに、連結状態に復帰可能となる作動切替機構を備えている。

特開２０１１−２２６３３９号公報 特開２０１３−８３２４７号公報

風力発電システムでは、ロータが横風を受ける様な場合、風から大きな荷重を受けることになるが、その様な事態が起こりにくい様に、仮にヨー駆動装置が異常を来たしてもヨー制御を継続出来ることが信頼性向上の観点からも望まれる。

ここで、上記両文献には、所定の大きさ以上のトルクが作用したときに駆動力伝達経路の連結を切り離す機構を備える風車用駆動装置が記載されている。当該機構は所定の大きさ以上のトルクが作用したときに、作用するトルクそのものによって自然と切断や切替が生ずるようにしている。この様な機構とすることで、簡素な構造によって前述した故障時の対応が実現できる。ここで、作用するトルクそのものによって自然と切断される場合、確実に切断される様に意図的に強度が弱い部分を設けておく必要があるが、風力発電システムの様に長期間過酷な環境下で使用される機器の場合、経年劣化等が生じることも想定される。また、自然に切替及び復帰を繰り返す機構の場合、異常の原因を解消せずに復帰することで異常が進行する可能性があり、異常の程度を進行させないために、むしろ復帰が自動的に起こらないことが好ましい場合もある。

本発明は上記の点を鑑みなされたものであり、信頼性を向上可能な風力発電システム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システムは、風を受けて回転するロータを支持するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、前記タワーに対する前記ナセルの位置を変化させる複数のヨー駆動装置と、前記複数のヨー駆動装置のうち、少なくとも一つの前記ヨー駆動装置の異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段が異常を検出した場合、指令により異常が検出された前記ヨー駆動装置の駆動力の伝達を解除する解除手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性を向上可能な風力発電システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電システムの全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのタワー頂部近傍を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのタワー頂部近傍を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのギアボックスの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのストッパーを示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのストッパーを示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 従来の風力発電システムのヨーアクチュエータの一部を示す図である。 ヨー駆動部におけるブレーキ機構を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について具体的に説明する。各実施例によれば、ヨー駆動装置に固着等の異常が発生した場合においても、異常検出手段が異常を検出し、指令を受けて解除手段でヨーアクチュエータからタワーまたはナセルに設けたベアリングギアへの駆動力の伝達を解除する様にしている。これにより、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのその後のヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。即ち、ヨーアクチュエータが異常を来たしてもヨー制御を継続出来るので、大きな荷重を受ける要因となる横風等を受けることが無く、信頼性を向上させることが可能になる。横風を受けにくくなれば、必要な強度を維持したままで、例えば荷重を低減した最適設計をすることも可能になる。さらに、ヨー制御を継続することが出来るので、修理や交換が行われるまでの間も運転継続することができ、風力発電システムの稼働率向上を図ることも可能である。これは特にアクセス性に難がある洋上に設置されている場合や山岳地に設置されている場合には一層効果的である。尚、異常の態様については固着に限定されるものでないことは言う迄もない。

異常検出手段に関して言うと、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着を含めたヨーアクチュエータ１０の故障検出は、例えば、制御盤８等にあるヨーインバータ５０を通じて行う等、駆動モータ１３に流れる電流を検知することで行うことが可能である。駆動モータ１３に流れる電流を検知することには、駆動モータ１３に流れる電流を制御するヨーインバータの電流を検知すること等が含まれる。故障時には、故障したヨーアクチュエータ１０における駆動モータ１３は通常時或いは他の正常なヨーアクチュエータと比較して異なるトルクを生じることになる。即ち、ヨーインバータの定格電流を監視したり、ヨーインバータの電流値に所定のインターロック値を設定する等で駆動モータ１３に流れる電流を検知することで異常を検出できる。具体的には、例えばヨーインバータの電流値が定格電流を超えたり、所定のインターロック値を超えた場合、異常と検出することが考えられる。ヨーインバータは、ヨーアクチュエータ毎に設けられている。無論、これは異常検出の一例であり、自分自身の故障の前後での変化や複数のヨーアクチュエータ１０間の相互比較を行って異常検出を行うものであれば如何なる手段を採用することも可能である。異常検出手段が異常を検出した場合、異常が検出されたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を指令により解除手段が解除することになる。尚、ここで言う指令は、自動制御による指令の場合の他、手動制御による指令として行うことも可能である。指令を出す主体として、異常検出手段自身からの指令による場合は勿論、異常検出手段と指令を出す手段が別の場合であっても良い。異常検出手段は、ヨーアクチュエータ毎に設けられていても良く、また一つの異常検出手段により複数のヨーアクチュエータのそれぞれの異常を検出できるようにしても良い。

また、アクティブ制御に関しては、解除手段による解除後は、正常なヨーアクチュエータ（言い換えるならば解除されていない残りのヨーアクチュエータ）でヨー制御に必要な駆動力を発生させれば良い。この場合、解除手段による解除に連動して正常な各前記ヨー駆動装置に対して正常なヨーアクチュエータの個数に応じて増加した出力指令を送る様にすることが考えられる。そのためには、増加した出力指令に対応できるように個別のアクチュエータの能力を設計することが望ましい。

ナセル３やロータがタワー４に対する位置を風向きに応じて変えるフリーヨー制御（アクティブなヨー制御を行わず、風向きに応じてヨーが自由に動く状態にする制御）は、解除手段による解除後、かつ所定の風速（例えばカットアウト風速）以上または風力発電システムが接続される電力系統の停電時の少なくともいずれかの場合に行うことが例えば可能である。所定の風速（例えばカットアウト風速）以上の様な暴風時は、風から受ける荷重が過大になるので、荷重低減のためにフリーヨー制御にすることが効果的である。また、停電時にはヨーアクチュエータを制御する電源が不足するので、パッシブなフリーヨー制御が有効になる。尚、解除手段による解除後であってもアクティブ制御とパッシブなフリーヨー制御を併用しても良い。例えばカットアウト風速等の所定風速未満の風速領域ではアクティブ制御とすることも可能である。またフリーヨー時は、ヨーアクチュエータ（具体的には、本実施例ではヨーアクチュエータ内における駆動モータ１３）が単に無負荷運転することでも実現できる。

解除手段としては種々のやり方が考えられ、幾つかを実施例として本明細書中で説明しているが、それ以外の手段を用いることも勿論可能である。また、各実施例では自重を利用して解除する場合を主として説明しているが、これは簡素な機構で実現するのに寄与出来る点で有利である。更に、事故の深刻化防止の観点から積極的に復帰出来なくすることにも繋がる。異常が検知されたヨーアクチュエータ１０は、修理や交換等安全性が確認されるまでは、駆動力の伝達を解除されたままとし、修理や交換等安全性が確認された後に復帰する様にすることが考えられる。修理や交換等安全性が確認されるまで復帰しない様に（自重の様に）機械的機構として、或いは制御上のロジックとして担保しておくことは有効である。

更に各実施例ではピニオンギア１１とベアリングギア９の噛合いを外すことで、ヨーアクチュエータ１０をヨー駆動力伝達経路から外す場合を例にして説明しているが、ヨー駆動力を生じさせる部材（例えば、電動機であるヨーモータ）からベアリングギア９までの間であれば他の部位でも良い。ピニオンギア１１への異物混入により負荷が大きくなる場合、大きくなった負荷により変速機や駆動モータ１３が損傷につながり、固着することになり得るが、若干他のヨーアクチュエータの負荷は大きくなるものの、他のヨーアクチュエータで負荷を分担することで運転継続は可能になる。負荷の分担の仕方としては、上述の様に、正常なヨーアクチュエータの個数に応じて正常なヨーアクチュエータの負荷を増加させることが例えば考えられる。以下の各実施例では、解除手段の具体的例を中心に説明する。

図１に本発明の一実施例である風力発電システムの全体構成を示す。実施例１における風力発電システムは、図１に示すように、地上または洋上に設置された基礎５および発電機の支柱となるタワー４の上に、増速機６や発電機７などが内蔵されたナセル３が設けられている。ナセル３の一端には、ハブ２および複数のブレード１で構成されるロータが備えられ、ロータは風を受けて回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーをロータに連結された増速機６を介して発電機７に伝え電力を発生する。ナセル３内には風力発電システムの制御に必要な制御機器類や計器類を備えた制御盤８等も設置されている。

タワー４とナセル３の連結部分には、タワー４に設けられたヨーベアリングギア９およびナセル３に取付けられた複数のヨーアクチュエータ１０が設けられており、タワー４に対するナセル３とロータすなわちハブ２および複数のブレード１の位置を制御するヨー駆動装置として機能する。複数のヨーアクチュエータ１０が協同して動作することで、風向きに応じてタワー４に対するナセル３の位置を変化させる。図１は、ナセル３の風下側の端部にハブ２および複数のブレード１からなるロータを設けたダウンウインド型の風力発電システムの例である。ロータがナセル３やタワー４よりも風下に配置されるダウンウインド型の場合、ロータには風見鶏の様に風下に向く力が風から加わるため、アップウインド型と比較して風から受ける荷重を低減することが出来る点で利点がある。さらに、ダウンウインド型であれば、ロータの回転面が風に正対するので強い横風を受けることがなく、停電時に強い横風を受けるおそれのあるアップウインド型と比較して低減された荷重に耐える様に設計することができ、より簡素化された構造で風力発電システムを形成することが本質的に期待できる。

図２および図３に本発明の一実施例である風力発電システムのタワー４の頂部近傍を示す。図２および図３では、タワー４の頂部近傍の様子が分かりやすいようナセル３を透視した形で図示している。タワー４の頂部にはヨー駆動装置の一部となるヨーベアリングギア９が設けられている。ナセル３にはヨー駆動装置の一部となるヨーアクチュエータ１０が複数設けられている。ヨーアクチュエータ１０の設置数は風力発電システムの種類や規模にもよるが、例えば、発電量（出力）が２ＭＷ程度では４基ほど設置されており、５ＭＷ程度の規模では８基ほどタワー４の頂部を取り巻くように設置される。

ヨーアクチュエータ１０は、図３に示すように、ヨー駆動（ヨー旋回）の動力源となる駆動モータ１３、駆動モータ１３の駆動力をピニオンギア１１に伝達するギアボックス（変速機）１２、ヨーベアリングギア９と噛合するよう設けられるピニオンギア１１が連結して構成されている。

実施例１における風力発電システムは、上記のような構成となっており、複数のヨーアクチュエータ１０を駆動させ、ロータすなわちハブ２および複数のブレード１が風を最大限に受けるよう、タワー４に対するナセル３およびロータの位置を制御する。また、タワー４に対するナセル３およびロータの位置は、風力発電システムに設置された風向計などのデータに基づき、制御盤８のヨーインバータ５０等の制御機器により制御される。ヨーインバータ５０には電流検出器５１が接続される。以下の各実施例では、ヨーインバータ５０の電流検出を行う場合を例にしているが、電流検出を行う対象や、異常検出の方法（各実施例では電流検出を例に説明）はこれに限定されない。ヨーインバータについて本実施例では、制御盤８内に収納しているが、設置場所はこれに限定されない。

図４Ａおよび図４Ｂを用いて、実施例１におけるヨーアクチュエータ１０の作用効果を詳細に説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、ヨーアクチュエータ１０を構成するギアボックス（変速機）１２の一部分を示している。ギアボックス１２は、その内部に複数段のギアの組み合せすなわちギアの噛合部を有しており、図４Ａおよび図４Ｂは、ギアボックス１２内に設けられた複数段のギアの噛合部のうち、ピニオンギア１１とヨーベアリングギア９の噛合部側に近いギア（言い換えるならば出力軸１４に近い側のギア）の噛合部の様子を示している。

実施例１のギアボックス１２は、図４Ａに示すように出力軸１４がピニオンギア１１に連結され、ピニオンギア１１がヨーベアリングギア９と噛合している。ギアボックス１２内には出力軸１４を受けるベアリング１５が設けられ、ベアリング１５と接するようにシール材１６が設けられている。ここで、ギアボックス１２の内部はオイルで充填されており、このシール材１６によりオイルがギアボックス１２の外に漏れるのを防いでいる。出力軸１４はピニオンギアと連結する部分の反対側にギア１９を備えており、上述の駆動モータ１３からのヨー駆動力をギア１８から伝達され、出力軸１４を介してピニオンギア１１に伝える。

出力軸１４には、ギアボックス１２内において、支持部１７となる突起が形成されており、ストッパー２０により支持されている。このように出力軸１４に設けられた支持部１７をストッパー２０が支えることにより、ギア１８とギア１９が噛合し、駆動モータ１３からのヨー駆動力を、出力軸１４を介してピニオンギア１１に伝えている。これにより、風向きに応じて、駆動モータ１３を駆動させ、タワー４に対するナセル３およびロータの位置を変えることができる。

ところで、上述のように、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の焼き付きや異物の噛み込みによるヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着が生じた場合、駆動モータ１３のヨー駆動力がピニオンギア１１からヨーベアリングギア９へ上手く伝達できなくなり、ヨー制御（アクティブ制御やフリーヨー制御）が不可能となってしまう。

ヨー制御が出来なくなる影響はアップウインド型並びにダウンウインド型の両方に及ぶことになり、両方式にとって重要である。一方で、その影響はダウンウインド型において一層大きなものとなる。上述の様にロータがナセル３やタワー４よりも風下に配置されるダウンウインド型の場合、アップウインド型と比較して風から受ける荷重を低減することが出来る点で利点があるが、そうした利点をより確実に享受するためには、ヨーアクチュエータに異常を来たした場合でもアクティブ制御およびフリーヨーによるヨー制御が継続出来る必要があるからである。具体的には、ロータの回転面が風向きに実質的に平行になる様な場合、言い換えるならば横風を受ける様な場合、風力発電システムには最大荷重が生ずることになる。その様な条件にならない様に、仮にヨーアクチュエータが異常を来たしてもヨー制御を継続出来ることが、例えば荷重を低減した設計をする上では重要になるからである。横風を受けない様にする利点はアクティブ制御においてはアップウインド型にも共通するが、ダウンウインド型においては風見鶏効果によって風向きにナセルを合わせる力が働くのでヨーアクチュエータによって風向きにナセルを合わせる荷重はアップウインド型に較べて低減できる。

実施例１の風力発電システムでは、図４Ｂに示すように、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着等の異常が生じた場合は、ストッパー２０を支持部１７から外れるように移動させることにより、ピニオンギア１１および出力軸１４、ギア１９が自重によりギアボックス１２の下方に落下する。落下の際、シール材１６は支持部１７のクッション材として機能する。これにより、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の噛合は解放され、ピニオンギア１１からヨーベアリングギア９へのヨー駆動力の伝達が解除される。その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。

図５Ａ乃至図５Ｃを用いて、上述のストッパー２０の動作を説明する。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ストッパー２０には開口（切欠き）が設けられており、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着等の異常が生じた場合に、例えば、押し棒２１のようなストッパー解除手段をストッパー２０の開口（切欠き）に挿入することにより、ストッパー２０が支持部１７から外れるように移動し、ピニオンギア１１および出力軸１４、ギア１９をギアボックス１２の下方に落下させる。これによりギアボックス１２内で出力軸１４と共に回転するギア１９の噛合を外すことができる。図５Ｂは、図５Ａにおけるａ−ａ’平面図である。また、図５Ｃは、図５Ｂにおけるｂ−ｂ’平面図である。図５Ｃに示すように、ストッパー２０は支持部１７をスムーズに支持できるよう支持部１７との接触面の角部に面取りが施されている。

異常検出手段について説明する。ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着を含めたヨーアクチュエータ１０の故障検知は、例えば、制御盤８等にあるヨーインバータを通じて行う等により駆動モータ１３に流れる電流を検知することが可能である。駆動モータ１３に流れる電流を検知することには、駆動モータ１３に流れる電流を制御するヨーインバータの電流を検知することが含まれる。故障時には、故障したヨーアクチュエータ１０における駆動モータ１３は通常時或いは他の正常なヨーアクチュエータと比較して異なるトルクを生じる。即ち、ヨーインバータの定格電流を監視したり、ヨーインバータの電流値に所定のインターロック値を設定する等で駆動モータ１３に流れる電流を検知し、ヨーインバータの電流値が定格電流を超えたり、所定のインターロック値を超えた場合、異常と検出することができる。無論、これは異常検出の一例であり、自分自身の故障の前後での変化や複数のヨーアクチュエータ１０間の相互比較を行って異常検出を行うものであってもいずれの手段を採用することも可能である。異常検出手段が異常を検出した場合、異常が検出されたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を指令により解除手段が解除することになる。尚、ここで言う指令は、自動制御による指令の場合の他、本実施例の様に手動制御による指令として行うことも可能である。自動制御については後述の実施例で説明する。手動制御による指令としては、例えば本実施例で示す様に上述の押し棒２１を手動でストッパー２０の開口（切欠き）に挿入し、ストッパー２０による支持部１７の支持を解除するものが考えられる。また、指令を出す主体として、異常検出手段自身からの指令による場合は勿論、異常検出手段と指令を出す手段が別の場合であっても良い。

解除手段としては種々のやり方が考えられ、幾つかを実施例として本明細書中で説明しているが、これ以外の手段を用いることも勿論可能である。また、各実施例では自重を利用して解除する場合を主として説明しているが、これは簡素な機構で実現するのに寄与出来る点で有利である。更に、事故の深刻化防止の観点から積極的に復帰出来なくすることにも繋がる。異常が検知されたヨーアクチュエータ１０は、修理や交換等安全性が確認されるまでは、駆動力の伝達を解除されたままとし、修理や交換等安全性が確認された後に復帰することが出来る。修理や交換等安全性が確認されるまで復帰しない様に（自重の様に）機械的機構として、或いは制御上のロジックとして担保しておくことは有効である。

実施例１の風力発電システムによれば、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着すなわちヨー駆動装置の固着等の異常が発生した場合においても、異常検出手段が異常を検出し、指令を受けて解除手段でギアボックス１２内のストッパー２０による支持部１７の支持を解除する。これにより、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。

図６Ａおよび図６Ｂに、本発明の他の実施例である風力発電システムにおけるヨーアクチュエータ１０の一部を示す。実施例２における風力発電システムについては、実施例１で説明した部分と共通する部分について、その詳細な説明を省略して説明する。

実施例２における風力発電システムのヨーアクチュエータ１０を構成するギアボックス１２は、出力軸１４に支持部１７となる突起が設けられている点において、実施例１と同様の構成となっている。また、支持部１７がストッパー２３により支持されることにより、ギア１８およびギア１９が噛合し、駆動モータ１３からのヨー駆動力を、出力軸１４を介してピニオンギア１１に伝えている点でも実施例１と同じである。

実施例２におけるストッパー２３は駆動モータ２２に連結され、ヨー駆動力の伝達を解除する自動解除手段すなわちストッパー２３を解除手段駆動装置である駆動モータ２２により移動させ、支持部１７の支持を自動で解除する点で実施例１と異なる。ストッパー２３を駆動モータ２２により支持部１７から外れるように移動させることにより、ピニオンギア１１および出力軸１４、ギア１９が自重によりギアボックス１２の下方に落下する。これにより、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の噛合は解放され、ピニオンギア１１からヨーベアリングギア９へのヨー駆動力の伝達が解除される。その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。異常検出については、実施例１と同様に行うことが可能である。

実施例２の風力発電システムによれば、実施例１と同様に、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着すなわちヨー駆動装置の固着等の異常が発生した場合においても、ヨーインバータの電流値の監視等を連動させ、異常を検出し、自動でギアボックス１２内のストッパー２３による支持部１７の支持を解除する。これにより、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。尚、自動解除手段については、本実施例で示した具体的態様に限定されるものではない。

図７Ａおよび図７Ｂに、本発明の他の実施例である風力発電システムにおけるヨーアクチュエータ１０の一部を示す。実施例３における風力発電システムについては、実施例１で説明した部分と共通する部分について、その詳細な説明を省略して説明する。

実施例３における風力発電システムのヨーアクチュエータ１０を構成するギアボックス１２は、出力軸１４に支持部１７となる突起が設けられている点において、実施例１と同様の構成となっている。また、図７Ａ及び図７Ｂには示されていないが、ギアボックス１２に駆動力を入力する入力軸を備えている。入力軸については後述の実施例で示す。さらに、支持部１７がストッパー２４により支持されることにより、ギア１８およびギア１９が噛合し、駆動モータ１３からのヨー駆動力を、出力軸１４を介してピニオンギア１１に伝えている点でも実施例１と同じである。

実施例３における支持部１７およびストッパー２４は、ギアボックス１２内において、出力軸１４と共に回転する各ギア１１，１９よりも入力軸側に設けられている点で実施例１と異なる。ストッパー２４を、実施例１のように手動操作により、或いは実施例２のように駆動モータにより自動で、支持部１７から外れるように移動させることにより、ピニオンギア１１および出力軸１４、ギア１９が自重によりギアボックス１２の下方に落下する。これにより、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の噛合は解放され、ピニオンギア１１からヨーベアリングギア９へのヨー駆動力の伝達が解除される。その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。これにより、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。

図８Ａおよび図８Ｂに、本発明の他の実施例である風力発電システムにおけるヨーアクチュエータ１０の一部を示す。実施例４における風力発電システムについては、実施例１で説明した部分と共通する部分について、その詳細な説明を省略して説明する。

実施例４における風力発電システムは、ギアボックス１２が、その内部に複数段のギアの噛合を有している点では、実施例１と同様である。実施例４のギアボックス１２はその外部にブラケット２５が設けられ、ブラケット２５に出力軸１４を支持するようにストッパー２６が設けられている。ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１に固着等の異常が生じた場合、ギアボックス１２の外部に設けられたストッパー２６を解放することにより、出力軸１４がブラケット２５を突き抜けるようにギアボックス１２の下方に落下し、ピニオンギア１１とヨーベアリングギア９との噛合が解放され、ヨー駆動力の伝達を解除する。その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。ここでは、出力軸１４に設けられたギアを例にして説明しているが、ギアボックス１２内におけるギアであれば、いずれについても同様に適用可能である。

ギアボックス１２の外部に設けられたストッパー２６の解除は、実施例１と同様に、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着等の異常を検出し、動作させる。異常検出については、実施例１と同様に行うことが可能である。異常を検出した場合、指令によりストッパー２６による出力軸１４の支持を解除する。ストッパー２６の解除は、実施例１のように手動操作により、或いは実施例２のように駆動モータにより自動で解除する。ストッパー２６による出力軸１４の支持の解除により、ピニオンギア１１および出力軸１４、ギア１９が自重によりギアボックス１２の下方に落下する。

これにより、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の噛合は解放され、ピニオンギア１１からヨーベアリングギア９へのヨー駆動力の伝達が解除される。その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。これにより、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。

図９Ａおよび図９Ｂに、本発明の他の実施例である風力発電システムにおけるヨーアクチュエータ１０の一部を示す。実施例５における風力発電システムについては、実施例１で説明した部分と共通する部分について、その詳細な説明を省略して説明する。

実施例５における風力発電システムのヨーアクチュエータ１０を構成するギアボックス１２は、その内部に複数段のギアの噛合を有している点では、実施例１と同様である。実施例５におけるギアボックス１２は、その入力軸３３に支持部１７となる突起およびストッパー３２を設けている点において、他の実施例と異なる。ギアボックス１２内において、駆動モータ３４（図３における駆動モータ１３）の側に設けられたギア３１、言い換えるならば入力軸と共に回転するギア３１の噛合を解放することにより、ヨー駆動力の伝達を解除する。

ストッパー３２を、実施例１のように手動操作により、或いは実施例２のように駆動モータにより自動で、支持部１７から外れるように移動させることにより、出力軸３３、ギア３１が自重により下方に落下する。これにより、ギア３０とギア３１の噛合は解放され、ギア３１からギア３０へのヨー駆動力の伝達が解除される。

ストッパー３２の解除は、実施例１と同様に、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着等の異常を検出し、動作させる。異常検出については、実施例１と同様に行うことが可能である。異常を検出した場合、指令によりストッパー３２による支持部１７すなわち入力軸３３の支持を解除する。ストッパー３２の解除は、実施例１のように手動操作により、或いは実施例２のように駆動モータにより自動で解除する。ストッパー３２による支持部１７の解除により、入力軸３３、ギア３１が自重により下方に落下する。

これにより、ギア３０とギア３１の噛合は解放され、ギア３１からギア３０へのヨー駆動力の伝達が解除される。ピニオンギア１１への異物混入により負荷が大きくなる場合、大きくなった負荷により変速機や駆動モータ１３が損傷につながり、固着することになり得るが、若干他のヨーアクチュエータの負荷は大きくなるものの、他のヨーアクチュエータで負荷を分担することで運転継続は可能になる。その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂに、本発明の他の実施例である風力発電システムにおけるヨーアクチュエータ１０の一部を示す。実施例６における風力発電システムについては、実施例１で説明した部分と共通する部分について、その詳細な説明を省略して説明する。

実施例６における風力発電システムのヨーアクチュエータ１０を構成するギアボックス１２は、その内部に複数段のギアの噛合を有している点では、実施例１と同様である。実施例６では、入力軸３３、出力軸１４に加えて入力軸３３及び出力軸１４の間に配置される中間軸を備えている。そして、本実施例におけるギアボックス１２は、ギアボックス内において、中間軸と共に回転するギアの噛合を解放することにより、ヨー駆動力の伝達を解除する。

ギアボックス１２の中段に位置するギア３７およびギア４０を連結するシャフト（中間軸）４４部分に支持部１７となる突起を設け、ストッパー３８で支持している。ストッパー３８の解除は、実施例１のように手動操作により、或いは実施例２のように駆動モータにより自動で、支持部１７から外れるように移動させることにより、ギアボックス１２の中段のギア３７、ギア４０およびそれらを連結するシャフトが自重により下方に落下する。これにより、ギア３６とギア３７、ギア３９とギア４０の噛合は解放され、ギア３９からギア４０へのヨー駆動力の伝達およびギア３７からギア３６へのヨー駆動力の伝達が解除される。

ストッパー３８の解除は、実施例１と同様に、ヨーベアリングギア９とピニオンギア１１の固着等の異常を検出し、動作させる。異常検出については、実施例１と同様に行うことが可能である。異常を検出した場合、指令によりストッパー３８によるギア３７とギア４０を連結するシャフト部分に設けた支持部１７の支持を解除する。

その結果、異常が生じたヨーアクチュエータ１０は風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。これにより、異常を生じたヨーアクチュエータの駆動力の伝達を解除することで、異常を生じたヨーアクチュエータが風力発電システムのヨー駆動の障害とならなくなる。よって、更なるアクティブ制御や風に対してパッシブなフリーヨー制御と言ったヨー制御を継続することができる。

図１２には、上記各実施例に適用可能なヨー駆動に対するブレーキ機構を示している。タワー４の上端はフランジ構造になっており、このフランジ構造の上に旋回ベアリング４５を支持している。そして、旋回ベアリング４５とタワー４の上端の間にブレーキディスク４７を設けている。旋回ベアリング４５、タワー４の上端のフランジ構造、及びブレーキディスク４７はボルトで締結されている。ブレーキディスク４７やブレーキ４９はヨーアクチュエータ１０外部に設けている。旋回ベアリング４５の転動体列を介して内径側には、ナセル３内において発電機７に動力を伝達するドライブトレイン（図示せず）等を支持する架構４６が接続されている。旋回ベアリング４５よりもタワー４の内側で、架構４６の下部にはケーシング４８が設けられており、ケーシング４８の下部にはブレーキ４９が接続されている。架構４６、ケーシング４８、及びブレーキ４９はボルトで締結されている。そして、ブレーキ４９はブレーキディスク４７を上下で挟める構造になっており、ブレーキ指令に応じて、ブレーキをかけることができる。ブレーキの強さに応じてヨー駆動を停止または減速させることが可能である。例えば、フリーヨー制御状態で無負荷のヨー駆動モータの回転数を検出して回転数に応じてブレーキ指令を出すことが可能である。停電時の制御のためには、バッテリー等の補助電源を備えておくことが有用である。

フリーヨーの場合、何らブレーキを設けないと風向きの瞬間的変化に直ちに追従してしまうが、その場合、ヨーアクチュエータ１０内のヨーモータ等の駆動力伝達部には、ギアボックス１２を介して過大なトルクが生じてしまう。この様なトルクはヨーアクチュエータ１０にとって負担となるため、フリーヨー時には瞬間的な素早い位置変化が生じない様にブレーキでヨー駆動を減速または必要に応じて停止することが有効である。

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…タワー、５…基礎、６…増速機、７…発電機、８…制御盤、９…ヨーベアリングギア、１０…ヨーアクチュエータ、１１…ピニオンギア、１２…ギアボックス、１３，２２，３４…駆動モータ、１４…出力軸、１５…ベアリング、１６…シール材（クッション材）、１７…支持部、１８，１９，２７，２８，３０，３１，３６，３７，３９，４０，４１，４２…ギア、２０，２３，２４，２６，３２，３８…ストッパー、２１…押し棒、２５…ブラケット、２９，３５…シャフト、３３…入力軸、４３…固着部、４４…シャフト、４５…旋回ベアリング、４６…架構、４７…ブレーキディスク、４８…ケーシング、４９…ブレーキ、５０‥ヨーインバータ、５１‥電流検出器。

Claims (15)

1. 風を受けて回転するロータを支持するナセルと、
   前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、
   前記タワーに対する前記ナセルの位置を変化させる複数のヨー駆動装置と、
   前記複数のヨー駆動装置のうち、少なくとも一つの前記ヨー駆動装置の異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段が異常を検出した場合、指令により異常が検出された前記ヨー駆動装置の駆動力の伝達を解除する解除手段を備えることを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、
   前記解除手段による解除後は、正常な前記ヨー駆動装置でヨー制御に必要な駆動力を発生させることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項２に記載の風力発電システムであって、
   前記解除手段による解除後は、正常な各前記ヨー駆動装置に対して正常な前記ヨー駆動装置の個数に応じて増加した出力指令を送ることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記解除手段による解除後、かつ所定の風速以上または前記風力発電システムが接続される電力系統の停電時の少なくともいずれかの場合には、フリーヨーにすることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項４に記載の風力発電システムであって、
   フリーヨー時には前記ヨー駆動装置は無負荷運転することを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項４または５に記載の風力発電システムであって、
   ヨー駆動を停止または減速するブレーキを備え、
   フリーヨー時には前記ブレーキでヨー駆動を減速することを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項６に記載の風力発電システムであって、
   前記ブレーキは前記ヨー駆動装置外に配置されることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
   前記ヨー駆動装置は電動機を備えており、
   前記異常検出手段は、前記電動機に流れる電流を検知して前記ヨー駆動装置の異常を検出することを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項８に記載の風力発電システムであって、
   前記電動機に流れる電流を制御するインバータを備え、
   前記異常検出手段は、前記インバータ内の電流を検知して前記ヨー駆動装置の異常を検出することを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    前記ナセルまたは前記タワーはベアリングギアを備え、
    前記ヨー駆動装置は、前記ベアリングギアと噛合うピニオンギアを備え、
    前記解除手段は、前記異常検出手段が異常を検出した場合、前記ピニオンギアと前記ベアリングギアの噛合いを外すことを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１０に記載の風力発電システムであって、
    前記ピニオンギアに連結された変速機と、
    前記変速機から駆動力を出力する出力軸を備え、
    前記変速機は内部で複数段のギアが噛合っており、
    前記解除手段は、前記変速機内で前記出力軸と共に回転するギアの噛合を外すことを特徴とする風力発電システム。
12. 請求項１１に記載の風力発電システムであって、
    前記変速機に駆動力を入力する入力軸を備え、
    前記解除手段は、前記変速機内で前記出力軸と共に回転する各ギアよりも前記入力軸側に設けられていることを特徴とする風力発電システム。
13. 請求項１０に記載の風力発電システムであって、
    前記ピニオンギアに連結された変速機と、
    前記変速機に駆動力を入力する入力軸と、前記変速機から駆動力を出力する出力軸と、前記入力軸及び前記出力軸の間に配置される中間軸を備え、
    前記変速機は内部で複数段のギアが噛合っており、
    前記解除手段は、前記変速機内で前記中間軸と共に回転するギアの噛合を外すことを特徴とする風力発電システム。
14. 請求項１０に記載の風力発電システムであって、
    前記ピニオンギアに連結された変速機と、
    前記変速機に駆動力を入力する入力軸を備え、
    前記変速機は内部で複数段のギアが噛合っており、
    前記解除手段は、前記変速機内で前記入力軸と共に回転するギアの噛合を外すことを特徴とする風力発電システム。
15. 請求項１０に記載の風力発電システムであって、
    前記ピニオンギアに連結された変速機を備え、
    前記解除手段は、前記変速機の外部に設けられ、前記変速機内におけるギアの噛合を外すことを特徴とする風力発電システム。

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