JP2018003785A - 風力発電装置および風力発電装置の保守方法 - Google Patents

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。

特開２０１５−１１０９２７号公報

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。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇時の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇時の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇時の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇時の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のナセルルーフ上昇時の様子を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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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