JP2018003785A - 風力発電装置および風力発電装置の保守方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ナセルを大型化することなく、メンテナンス時のナセル内の作業空間を拡大することができる保守補修性に優れた風力発電装置とその保守方法を提供する。【解決手段】風を受けて回転するロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーを備える風力発電装置であって、前記ナセルは、当該ナセルの上部を覆うナセルルーフと、前記ナセルルーフを上昇させるナセルルーフ上昇手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図2
Description
本発明は、風力発電装置のナセル構造に関し、特に、ナセル内に設置された機器のメンテナンス時に適用して有効な技術に関する。
太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの導入拡大は、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大きな期待が寄せられている。風力発電システムの設計においては、発電効率向上、風力発電設備の大型化、建設工法の合理化、工期短縮、保守修理や点検の簡易化により、発電コストを低減し、発電事業として成立し易くする検討が進められている。
風力発電装置は、稼働部が多くメンテナンスの重要性は高い。特に、発電機や増速機、動力伝達軸(主軸)、ブレーキ装置などの主要な機器が格納されるナセル内のメンテナンスの高効率化は、主要部品の信頼性向上と共に、風力発電装置の稼働率を向上するうえで重要な課題である。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、「地上または洋上とナセルとの間において発電機の交換部品を運搬するウィンチをナセル内に設けることで、低コストで信頼性の高い保守補修が可能な風力発電設備」が開示されている。
ところで、ナセル内のメンテナンス効率を向上するには、ナセルを大型化して内部の作業空間を拡大するのが有効であるが、ナセルを大型化するとナセル重量が増加してしまい、それを支えるタワーの補強が必要となり、タワーを地上に設置する際の基礎工事や洋上に設置する際の浮体工事の費用も上昇するため、発電コストの上昇に繋がる。
また、ナセル内のメンテナンス作業は数日間に渡って行われる場合も多く、その作業期間中は風力発電装置の稼働を停止しなければならないため、できるだけ短期間に作業を終わらせることが望ましい。
そこで、本発明の目的は、ナセルを大型化することなく、メンテナンス時のナセル内の作業空間を拡大することができる保守補修性に優れた風力発電装置とその保守方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、メンテナンス期間中ナセル内の作業空間を拡大した状態を維持することでメンテナンス効率を向上させ、メンテナンス期間の短縮が可能な風力発電装置とその保守方法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、風を受けて回転するロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーを備える風力発電装置であって、前記ナセルは、当該ナセルの上部を覆うナセルルーフと、前記ナセルルーフを上昇させるナセルルーフ上昇手段と、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、風力発電装置の保守方法であって、ナセル内に設置された機器のメンテナンスを行う際、前記ナセルの上部を覆うナセルルーフを前記ナセル本体とは独立して上昇させることで、前記ナセル内のメンテナンス領域を広げることを特徴とする。
本発明によれば、ナセルを大型化することなく、メンテナンス時のナセル内の作業空間を拡大することができる保守補修性に優れた風力発電装置とその保守方法を実現することができる。
また、本発明によれば、メンテナンス期間中ナセル内の作業空間を拡大した状態を維持することでメンテナンス効率を向上させ、メンテナンス期間の短縮が可能な風力発電装置とその保守方法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。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。
図1から図6Bを用いて、本実施例の風力発電装置とその変形例について説明する。図1は、本実施例に係る風力発電装置の概略構成を示している。図2および図3は、メンテナンス時にナセルの上部を覆うナセルルーフ(上部のナセルカバー)を上昇させた際の様子を示しており、図3では増速機やナセル下部の開口部等、より具体的な構成を示している。図4は、図1から図3に示す風力発電装置の変形例を示している。
図5Aは、図1から図3に示す風力発電装置を横方向から示す図であり、タワーおよびブレードを含む風力発電装置全体の概略構成を示している。図5Bは、図5Aのナセルルーフとその上昇機構を示す図である。また、図6Aは、図4に示す変形例の風力発電装置を横方向から示す図であり、図6Bは、図6Aのナセルルーフとその上昇機構を示す図である。なお、本実施例では、地上に設置される風力発電装置および洋上に設置される風力発電装置は基本的に同じ構成であるため、地上と洋上の区別なく説明する。
本実施例における風力発電装置は、図1および図5Aに示すように、基礎(図示せず)を介して、地上または洋上に設置されたタワー4の上に、発電機18や増速機17が内蔵されたナセル3が回転可能に設けられている。ナセル3の一端には、地上または洋上の風を受けて回転エネルギーに変換するハブ2およびブレード1からなるロータ14が設けられている。ロータ14は図示していないが、主軸に接続されており、主軸は更に増速機17に接続される。増速機17で増速した回転エネルギーを発電機18の回転子に伝達し、それによって発電機18が発電を行う。
ナセル3の外壁はナセルカバー15で形成されている。また、ナセル3の上側の外壁で、かつナセル3の長手方向中央部にはナセルルーフ16が配置されている。ナセルルーフ16は、上部のナセルカバー15の一部を構成している。
ナセル3の内部にはナセル3を補強する強度部材であるナセルフレーム12や簡易な保守補修作業に用いる吊上げ手段の一種であるサービスクレーン13が設置されている。本実施例におけるナセルフレーム12は、ナセル3の長手方向(ロータ14の回転軸方向)及び幅方向(ロータ14の回転軸に垂直な方向)に伸びており、略直方体状の枠体を構成している。
ナセル3内には、風力発電装置の保守補修の際に、増速機17や発電機18といった風力発電装置の主要部品の交換部品やその保守部品などのメンテナンス部品8を、地上または洋上からナセル3まで引き上げる上記のサービスクレーン13とは別の吊上げ手段20が備えられており、ナセルの下部側の壁(下部のナセルカバー)に設けられた貫通口を通して、吊り上げ用のワイヤ19が地上または洋上に向かって伸びている。ナセル3は吊り上げ用のワイヤ19が通過する貫通口(開口)以外は、外気や風雨がナセル3の内部に極力侵入しないよう、実質的に密閉された構造となっている。
サービスクレーン13や吊上げ手段20は、上部側のナセルフレーム12に移動可能に接続されており、例えば、ナセル3の長手方向(図1の矢印方向)や短手方向に移動可能である。サービスクレーン13や吊上げ手段20を移動可能に設置することで、メンテナンス部品8を単に吊り上げたり、或いは、吊り下げたりする以外にナセル3内の適切な位置に運搬が可能になる。
次に、図2を用いて、本実施例における風力発電装置のナセル3内での発電機のメンテナンス部品8(交換部品)を運搬、保守、点検する際の作業空間を拡大させるナセルルーフ上昇手段の構成例について説明する。図2は、風力発電装置のメンテナンス時(保守補修作業時)のナセル3の状態を示しており、かつ、ここではナセル3内に吊上げ手段20が設置されている例を示す。
上述したように、ナセル内には、発電機や増速機、動力伝達軸(主軸)、ブレーキ装置などの主要な機器が設置されるが、風力発電装置の信頼性向上や発電コスト(設置コスト)抑制の観点からナセルの小型化・軽量化が求められるため、ナセル内には狭いスペースに多くの機器が設置されることになる。そのため、故障修理や定期的なメンテナンス時に発電機や増速機を交換しようとする場合、作業空間(メンテナンス領域)が狭く、メンテナンス作業効率の低下に繋がる。
そこで、本実施例の風力発電装置では、図2に示すように、ナセル3の上部を覆うナセルルーフ16(上部のナセルカバー)をナセルルーフ上昇手段21によりナセル3本体から独立して上昇させることで、ナセル3の上部側の作業空間(メンテナンス領域)を広げることが可能な構成となっている。
ナセルルーフ上昇手段21は、ナセル3内のサブフレーム6とナセルルーフ16との間に設置されており、図2ではナセル3の左舷側および右舷側にそれぞれ3個ずつ設けられている例を示している。サブフレーム6は、ナセルフレーム12の一部であり、ナセル3の構造強度を向上するための強度部材である。ナセルルーフ上昇手段21を強度部材であるサブフレーム6に取り付けることで、簡易な構造で、かつ、低コストでナセルルーフ上昇機構を設けることができる。
ナセル3の左舷側のナセルルーフ上昇手段21と右舷側のナセルルーフ上昇手段21を略同程度の上昇速度で同程度の移動量(上昇量)上昇させることで、ナセルルーフ16をほぼ水平に上昇させることができ、ナセル3本体とナセルルーフ16との間に形成されるメンテナンス領域を最大限に広げることができる。
なお、図2では、ナセルルーフ上昇手段21をナセル3の左右両側にそれぞれ3個ずつ設けているが、ナセルルーフ上昇手段21の設置数はこれに限定されるものではなく、例えば、ナセル3の左舷側および右舷側の中央にそれぞれ1つずつ設けてもよい。ナセルルーフ上昇手段21の設置数を減らすことで、可動部品が減るため信頼性が向上する。
また、ナセルルーフ上昇手段21は、サブフレーム6とナセルルーフ16との間に常設して設置してもよく、取り外しが可能なナセルルーフ上昇手段21をメンテナンス時のみサブフレーム6とナセルルーフ16との間に設置(仮設)してもよい。ナセルルーフ上昇手段21をナセル3内に常設した場合、準備するための手間や時間を省略できるため、メンテナンス効率を向上することができる。また、ナセルルーフ上昇手段21をメンテナンス時のみ設置(仮設)する場合、ナセルルーフ上昇手段21を他の風力発電装置と兼用できるため、設備コストを抑制することができる。
次に、図3を用いて、メンテナンス時にナセルルーフ16を上昇させた状態で増速機9の交換部品(メンテナンス部品8)をナセル3内へ吊り上げる方法について説明する。図3は、図2に対し、ナセル3とタワー4の接続部に増速機9が設置されており、ナセル3の下部側(下部のナセルカバー)に開口部10が設けられている例を示す図である。
上述したように、図2、図3に示すナセルルーフ上昇手段21,21aは、一方がナセルフレーム12(またはサブフレーム6)に固定され、他方はナセルルーフ16に固定されている。メンテナンス時(保守補修作業時)にナセル3に搭載されたナセルルーフ上昇手段21,21aによりナセルルーフ16を上昇させる。
風力発電装置では、ナセルを軽量化するために、ナセルをなるべくコンパクトに形成するのが好ましく、従って、ナセル3内は機器類が密集して配置されている。そのため、保守等の作業時に作業空間が充分に確保できないと言った自体にも繋がる。
そこで、本実施例では、ナセル3に搭載されたナセルルーフ上昇手段21,21aによりナセルルーフ16を上昇させることができる様に構成されており、保守等の作業時に作業空間を拡大することができる。なお、ナセルルーフ上昇手段21は、図3に示すように、ナセルルーフ16全体を上昇させる常設のナセルルーフ上昇手段21aであってもよく、もしくは、メンテナンス時など、必要に応じてナセルルーフ16を上昇させる仮設のナセルルーフ上昇手段であってもよい。
ナセルルーフ上昇手段21,21aによりナセルルーフ16を上昇させてナセル3内部の空間を拡大させた後、ナセル3内に予め内蔵してある吊上げ手段20により、ワイヤ19を介して交換部品等のメンテナンス部品8の運搬を行う。ナセル3の下部側のナセルカバー15には、開口部10が設けられており、地上または洋上に配置されたメンテナンス部品8にワイヤ19を固定し、吊り上げ手段20により地上または洋上とナセル3の間を運搬する。なお、開口部10は、タワー4に重ならない様にナセルフレーム12とタワー4の接続部から外れた位置に設けられている。
本実施例における風力発電装置は、保守補修に必要なメンテナンス部品8を地上や洋上からナセル3まで運搬する吊上げ手段20がナセル内に設けられているため、風力発電装置に隣接して部品を吊り上げるための仮設のクレーンを設置する必要がなく、保守補修作業に掛かる費用を抑えることができる。また、ナセル3はワイヤ19が通過する開口(貫通口)以外は、実質的に密閉構造となっているため、外気や風雨がナセル内に入るのを防ぐことができ、発電機や増速機などの内部機器の錆や腐食、絶縁破壊等を防止することができる。
図4は、図1から図3に示すナセルルーフ上昇機構の変形例である。図1から図3の風力発電装置では、ナセルルーフ16がナセル3の上部を覆う一体のナセルカバーで構成されているのに対し、図4のナセルルーフ16は、ロータ14の回転軸方向に並ぶ複数のナセルカバーで構成されている。図4ではナセルルーフ16が2枚のナセルカバーで構成される例を示している。
この場合、メンテナンスが必要な領域に対応するナセルルーフ16(ナセルカバー)に仮設のナセルルーフ上昇手段21bを設けることで、必要な領域のみメンテナンス領域を拡大させることができる。この場合、ナセルルーフ16全体を上昇させるのに比べて、ナセルルーフ(ナセルカバー)の重量も軽量化されてナセルルーフ上昇手段の負荷が低減するため、小型のナセルルーフ上昇手段を仮設で設置してもよい。
図5Aおよび図5Bは、図1から図3のナセルルーフ上昇手段の一例を示している。図5A,図5Bに示す常設のナセルルーフ上昇手段21aには、例えば、X字型のジャッキを用いる。ジャッキの一方をナセルルーフ16に固定し(ルーフ固定22)、他方をサブフレームに固定する(サブフレーム固定23)。このX字型のジャッキをジャッキアップすることで、ナセルルーフ16をナセル3本体から独立して上昇させる。
なお、ナセルルーフ上昇手段として採用するジャッキには、図5A,図5Bに示すX字型のジャッキ以外にも、ラチェット式ジャッキのような他の形式の手動式ジャッキや油圧ジャッキ、エアージャッキなどを用いてもよい。また、図5Bのように、ダンパー24を設けて上下動作時の振動を吸収する構造としてもよい。
図6Aおよび図6Bは、図4のナセルルーフ上昇手段の一例を示している。図6A,図6Bに示す仮設のナセルルーフ上昇手段21bも、図5A,図5Bと同様に、ジャッキを用いることができる。なお、図6Aでは、ナセルルーフ16が3枚のナセルカバーで構成されている例を示しているが、1枚あたりのナセルルーフ(ナセルカバー)がより軽量化されるため、図6Bに示すように、ナセルルーフ上昇手段として採用するジャッキ25も小型のものを選択することができる。この場合も、ナセルルーフ上昇手段であるジャッキ25の一方をナセルルーフ16に固定し(ルーフ固定22)、他方をサブフレームに固定する(サブフレーム固定23)。
以上説明したように、本実施例の風力発電装置によれば、メンテナンス時など、必要に応じてナセル内の作業空間を拡大することができるため、ナセル自体を大型化することなく、ナセル内のメンテナンス効率を向上することができる。
図7および図8を用いて、本発明の別の実施例を説明する。本実施例の風力発電装置は、ナセルルーフ16を上昇させた際、ナセル3本体とナセルルーフ16との間に形成される隙間を覆う保護カバー26が設けられている。なお、図7は図3に保護カバー26を設けた例を示しており、図8は図4に保護カバー26を設けた例を示している。保護カバー26以外の構成については、それぞれ図3,図4と同じであるため、重複する説明は省略する。
保護カバー26は、ナセルルーフ16上昇時のナセル3本体とナセルルーフ16との隙間からの風雨の浸入を防ぐ目的で設置される。この保護カバー26は、例えば、一方をナセルルーフ16に固定しておき、他方をサブフレーム6に固定することで、ナセルルーフ16が上昇する際に上昇動作に追従して広がるロールスクリーン方式としてもよく、もしくは、ナセルルーフ16の上昇完了後に隙間全周を覆うように手動で設置する仮設の保護カバーであってもよい。
本実施例のように、ナセルルーフ16を上昇させた際にナセル3本体とナセルルーフ16との間に形成される隙間を覆う保護カバー26を設けることで、天候(風雨)に影響されずにメンテナンス作業を継続することができ、また、メンテナンス作業が数日間に渡る場合であっても、メンテナンス期間中はナセルルーフ16を上昇させたままの状態を維持できるため、メンテナンス効率を向上させ、メンテナンス期間の短縮に繋げることができる。
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…タワー、6…サブフレーム、8…メンテナンス部品、9,17…増速機、10…開口部、12…ナセルフレーム、13…サービスクレーン、14…ロータ、15…ナセルカバー、16…ナセルルーフ、18…発電機、19…ワイヤ、20…吊上げ手段、21…、21a…常設のナセルルーフ上昇手段、21b…仮設のナセルルーフ上昇手段、22…ルーフ固定、23…サブフレーム固定、24…ダンパー、25…ジャッキ、26…保護カバー。
Claims (15)
- 風を受けて回転するロータを回転可能に支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーを備える風力発電装置であって、
前記ナセルは、当該ナセルの上部を覆うナセルルーフと、
前記ナセルルーフを上昇させるナセルルーフ上昇手段と、を備えることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルは、当該ナセルの強度部材となるフレームを内部に備え、
前記ナセルルーフ上昇手段は、前記ナセルルーフと前記フレームとの間に設けられることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項2に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルルーフ上昇手段は、前記ナセルの左舷側および右舷側のそれぞれに少なくとも1つずつ設けられることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項3に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルの左舷側のナセルルーフ上昇手段と右舷側のナセルルーフ上昇手段を略同程度上昇させることで、前記ナセルルーフを略水平に上昇させることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルルーフは、前記ナセルの上部を覆う一体のナセルカバーで構成され、
前記ナセルルーフ上昇手段は、前記ナセルに常設されていることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項2から4のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルルーフは、前記ナセルの上部を覆う複数のナセルカバーで構成され、
前記ナセルルーフ上昇手段は、前記複数のナセルカバーのうち、上昇させるナセルカバーと前記フレームとの間に設置される仮設の上昇手段であることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルルーフの上昇時に前記ナセル本体と前記ナセルルーフとの間の隙間を覆う保護カバーを備えることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルは、当該ナセル内にメンテナンス部品を吊り上げる吊り上げ手段を備え、
前記ナセルルーフの上昇時に前記ナセルの下部側に設けられた開口を介して、メンテナンス部品を前記ナセル内に吊り上げることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項8に記載の風力発電装置であって、
前記吊り上げ手段は、前記ナセルルーフの上昇時に前記ナセル本体と前記ナセルルーフとの間に形成される空間内を移動可能に設けられることを特徴とする風力発電装置。 - 風力発電装置の保守方法であって、
ナセル内に設置された機器のメンテナンスを行う際、前記ナセルの上部を覆うナセルルーフを前記ナセル本体とは独立して上昇させることで、前記ナセル内のメンテナンス領域を広げることを特徴とする風力発電装置の保守方法。 - 請求項10に記載の風力発電装置の保守方法であって、
前記ナセルルーフを略水平に上昇させることで、前記ナセル内のメンテナンス領域を広げることを特徴とする風力発電装置の保守方法。 - 請求項10または11に記載の風力発電装置の保守方法であって、
前記ナセルルーフは、前記ナセルの上部を覆う一体のナセルカバーで構成され、
前記ナセルカバー全体を上昇させることで、前記ナセル内のメンテナンス領域を広げることを特徴とする風力発電装置の保守方法。 - 請求項10から12のいずれか1項に記載の風力発電装置の保守方法であって、
前記ナセルルーフは、前記ナセルの上部を覆う複数のナセルカバーで構成され、
前記複数のナセルカバーのうち、メンテナンスを行う領域のナセルカバーを上昇させることで、当該メンテナンス領域を広げることを特徴とする風力発電装置の保守方法。 - 請求項13に記載の風力発電装置の保守方法であって、
前記ナセルカバーを上昇させる前に、当該ナセルカバーに仮設の上昇手段を設置することを特徴とする風力発電装置の保守方法。 - 請求項10から14のいずれか1項に記載の風力発電装置の保守方法であって、
前記ナセルルーフを上昇させた際、前記ナセル本体と前記ナセルルーフとの間の隙間を保護カバーで覆うことを特徴とする風力発電装置の保守方法。
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