JP2023546385A - 垂直軸風力タービンおよびブレードと支柱の結合方法 - Google Patents

Abstract

垂直軸風力タービンであって、風力タービン本体、ブレード、および支柱を備える垂直軸風力タービンに関する。該支柱は、風力タービン本体に結合された第１端と、締結装置を使用してブレードに結合される第２端とを備え、該第２端は、ブレードを支柱の第２端に向けて引き寄せる可撓性締結部材を締結装置において備える。

Description

本発明は、垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）およびＶＡＷＴのブレードを支柱に結合する方法に関する。

垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）には多くの変型が存在し、「ダリウス型」は中央回転軸に接続された湾曲ブレード群を特徴とし、一方、「Ｈ型」は分離した支柱群およびブレード群を利用する。該支柱群は、中央軸から離間したブレード群を支持する。ＶＡＷＴ各種は、各々利点および欠点を有し、「Ｈ型」が持つ欠点の１つは、ブレードと支柱の間に必要な結合である。この結合は、多くの場合ほぼ平角であり、空力抵抗を抑えるため、ブレードと支柱の間の荷重の伝達に利用可能な体積または面積が大きく限られている。同時に、該結合は、回転タービンの最外部分において大きな遠心力を受ける。

いかなる支柱も必要としない水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）との競争に打ち勝つために、該ブレード－支柱間結合に関するさらなる要件として、タービン全体を組み立てるときに取り付けおよび取り外しが容易であること、および結合が高額であってはならないことがある。

この設計上の課題に対する現在の解決策は、典型的に、この機械的問題を解決するための金属製締結具（ボルトおよびナット）の何かしらの変型を利用している。ブレード－支柱間結合が大きな疲労荷重（荷重はＶＡＷＴの回転に応じて変化する）を受けるがゆえに、生み出されるボルト留め設計は、多くの場合非常に多くのボルトを必要とする――ヘビーかつ高額な解決策である。

従って、特にブレード－支柱間結合に改良特性を備える、改良したＶＡＷＴを提供することが望まれている。

先行技術の上述の欠点および他の欠点を考慮し、本発明の目的は、改良したブレード－支柱間結合を有する、改良したＶＡＷＴを提供することである。

本発明の第１の側面によれば、垂直軸風力タービンであって、風力タービン本体と、ブレードと、支柱とを備える垂直軸風力タービンが提供される。該支柱は、風力タービン本体に結合する第１端および締結装置を備える第２端を有し、該締結装置は、ブレードを支柱の第２端に向けて引き寄せる可撓性締結部材を備える。

可撓性締結部材がブレードを支柱の第２端に向けて「引き寄せる」（ｐｕｌｌｉｎｇ）ということは、可撓性締結部材の張力がブレードと支柱の界面において接触力を生ぜしめるように可撓性締結部材が配置されることを意味すると理解される。

本発明は、可撓性締結部材を使用するブレード－支柱間結合は、従来のボルト留め結合よりも軽量かつ疲労破壊を発生しづらい傾向を持ち得るという認識に基づく。さらに、ブレード－支柱間結合の分解が容易になり得るのであって、このことは風力タービン全体を組み立てる手順を単純化し得る。このことは、直径において５０メートルを超える等、非常に大型であり得る洋上配備用の垂直軸風力タービンにとって、特に重要である。

加えて、可撓性締結部材の使用は、ボルト留め結合よりも広い領域にブレード上の荷重を分散した締結装置の設計を可能にし得る。このことは、ブレードが複合材料で作成された垂直軸風力タービンにとって、特に有利であり得る。というのも、そのようなブレードは、軽量かつ高強度という望ましい組み合わせを提示する一方、点荷重に対しては相対的に敏感であるという場合があるからである。

多様な実施形態において、可撓性締結部材は、少なくとも部分的には繊維材料から作成され得る。繊維材料においては、ファイバー、ワイヤー、ストランド、またはバンドが、ウィーブやブレイド、ニットといった繊維形成技法によって結合している。よって、可撓性締結部材は、ファイバーの材料および／または構成の適当な組み合わせ、ならびに繊維形成技法（群）により、所望の性質を備え得る。たとえば、係船設備または帆走設備等における繊維の使用から、繊維材料を用いて作成した締結部材を使用する機械的結合が、従来の金属的結合よりも軽量かつ疲労破壊を発生しづらく形成され得ることが知られている。

繊維材料を用いて作成した可撓性締結部材を使用することは、多くの事例において有利であり得るのだが、実施形態において、繊維材料を用いない別の材料構成を代わりに用いて可撓性締結部材が形成されてもよいことは注意される。たとえば、金属バンドのような、いかなる繊維形成技法によっても結合していない場合がある１つまたは複数のバンドにより、可撓性締結部材が形成されることがある。

本発明の第２の側面によれば、鉛直軸風力タービンのブレードと支柱を結合する方法は、ブレードの結合面が支柱の端と面するようにブレードと支柱を配置するステップと、ブレードの結合面が支柱の端に押し当てられるまで、可撓性締結部材を使用してブレードを支柱の端に向けて引き寄せるステップとを含む。

技術的な要請がある場合を除き、本発明の多様な実施形態による該方法のステップ群はが何らかの特定の順番で実施されることは必ずしも必須ではない。

次に、本発明のこれらの側面および他の側面は、本発明の実施例を示す添付図面に関して、詳細に記述される。

図１は、洋上風力発電所に配置された、本発明の実施例による浮体式垂直軸風力タービンを図示する。 図２は、図１の洋上風力発電所における垂直軸風力タービンの１つの概略的側面図である。 図３Ａは、図２の垂直軸風力タービンにおけるブレードと支柱の間の結合の一拡大図である。 図３Ｂは、図２の垂直軸風力タービンにおけるブレードと支柱の間の結合の他の拡大図である。 図４は、本発明による方法の実施形態を概略的に例示するフローチャートである。 図５Ａは、図４のフローチャートにおける一ステップの概略図である。 図５Ｂは、図４のフローチャートにおける他のステップの概略図である。 図６Ａは、ブレードと支柱の間の結合の構成の一追加例を概略的に示す。 図６Ｂは、ブレードと支柱の間の結合の構成の他の追加例を概略的に示す。 図６Ａは、ブレードと支柱の間の結合の構成のさらに他の追加例を概略的に示す。

図１は、複数の風力タービン３を備える洋上風力発電所１を概略的に示す。該風力タービン３は、本発明の実施形態例による垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）であって、海洋５上に浮体している。これらの浮体するＶＡＷＴ３は、３つのブレード７を各々有するよう示されている。該ブレード７群は、２つの支柱１１ａおよび１１ｂを使用し、風力タービン本体９に各々結合している。各請求項の範囲はこの特定の種類のＶＡＷＴ３に限定されず、たとえば、地上配備されたＶＡＷＴや、有するブレードの数がより少ないまたはより多い、ならびに／またはブレード１つあたりが有する支柱の数がより少ないまたはより多いというＶＡＷＴを追加的に包含することには、注意を要する。

図２においては、図１中のＶＡＷＴ３のうち１つが概略的側面図で示されており、該図は、図１においては水中に沈んでいる部分も含めて、ＶＡＷＴ３全体の実施形態例を明示する。図２において見られるように、支柱１１ａ群および１１ｂ群の各々は、風力タービン本体９に結合した第１端１３ａと、締結装置を使用するブレード７に結合した第２端１３ｂとを有する（図２において、第１端群および第２端群は、図面の煩雑化を避けるため、支柱１１ｂ群のうち１つへの参照符号によってのみ示されている）。

該締結装置は、図２中に見ることはできないが、同図中の指示の通り、図２中のＶＡＷＴ３の拡大図である図３Ａおよび３Ｂに関して記述される。

図３Ａは、部分的側面図であり、同図中では、支柱の第２端１３ｂをブレード７に結合するために使用される上述の締結装置１５の構成の例を示すべく、支柱１１ｂが部分的に切開されている。図３Ａ中に見られるように、該締結装置は、ブレード７を支柱１１ｂの第２端１３ｂに向けて引き寄せる可撓性締結部材１７を備える。図３Ａ中の締結装置１５の構成の例では、可撓性締結部材１７は、ブレード７の外周全体を通る繊維スリングの形態で示される。可撓性締結部材１７が繊維材料で形成される実施形態において、市販されている材料で適当なものを見出すことは、当業者にとっては容易である。たとえば、ＵＨＭＷＰＥおよびケブラー（登録商標）といった様々な種類のポリエステルが、海事分野から知られている。

図３Ａにおいて、引き寄せ力が可撓性締結部材１７に作用して、可撓性締結部材１７がブレード７を支柱１１ｂの第２端に向けて引き寄せる様が、矢印１９により示されている。ブレード７と第２端１３ｂの間の接触面における接触力は、摩擦力を生ぜしめる。

各実施形態において、締結装置１５は、該接触面の構成を包含し、様々な力が接触面における接触力を減ずるように共に作用するおそれがある場合においてさえも、ブレード７と支柱の第２端１３ｂの間の相対運動を抑止するに十分な摩擦力を与えるように、構成されることができる。それら様々な力は、ブレード７に作用する遠心力、風力、そして、特に風および／または波がＶＡＷＴ３の風力タービン本体９の向きを鉛直方向から傾かせているときには、重力の一成分を含む。

可撓性締結部材１７の使用を通じ、ブレード７と支柱１１ｂの間の相対運動を抑止するために必要な実体力は、従来のボルト留め結合と比べ、相対的に広い面積に作用させられ、ブレード７および／または支柱１１ｂ上の圧力を減少させることができる。さらに、可撓性締結部材１７が、疲労に対して剛結よりも相当に強く形成され得る。

図３Ａ中の矢印１９によって表される引き寄せ力は、緊張装置によって与えられ得る。そのような緊張装置の構成の例は、図３Ｂに関して以下で記述される。

図３Ｂで示されるように、緊張装置２１は、可撓性締結部材１７を緊張するために提供される。図３Ｂにおいて、緊張装置２１は、支柱１１ｂの第２端１３ｂから離間した位置２３で支柱１１ｂに接続され、緊張装置２１が上述の引き寄せ力を可撓性締結部材１７に与えることを可能にするよう示されている。

図３Ｂの構成の例において、可撓性締結部材１７を緊張するための緊張装置２１は、スクリューの形をした緊張アクチュエーター２２を備える。スクリューは、様々な適当なものがそれ自体で知られており、ローラーねじ、ボールねじ、リードスクリュー等を含む。しかしながら、特定の装置の要件に応じ、他の種類の緊張アクチュエーターが有益たり得ることは注意される。そのような他の種類の緊張アクチュエーターは、油圧シリンダー、ばね、ボルト等を備える。緊張装置２１は、あるいはブレード７の内部またはブレード７上に配置されることがあることも、注意される。

図４は、本発明による、ブレードをＶＡＷＴの支柱に結合する方法の実施例を概略的に示すフローチャートである。図５Ａおよび５Ｂは、図４のフローチャートにおける異なるステップの概略図である。

図４および５Ａを参照すると、ブレード７および支柱１１ｂは、ステップ１００において、ブレード７の結合面２５が支柱１１ｂの端１３ｂに面するように配置される。図５Ａにおいて概略的に示されるように、ＶＡＷＴ３は、ブレード７と支柱１１ｂの端１３ｂの相対配置を決定するように構成された位置決め機構を備える。図５Ａ中の構成の例において、位置決め機構は、ブレード７の内部に含まれる（図５Ａにおいては参照符号により１つのみが示されている）複数の凹部２７を備える領域２５および支柱１１ｂの端１３ｂにおいて補完的な凸部３１群を備える領域２９として示される。該位置決め機構の提供は、ブレード７と支柱１１ｂの相対配置の決定を容易にし得、かつ、下記図５Ｂに関して示されているように、可撓性締結部材１７を緊張させる際に所望の相対配置を維持する補助もし得る。

当業者に対してはただちに自明であるように、多くの異なる位置決め機構の構成があり得、それらは、ブレード７および／または支柱１１ｂの材料、ならびにブレード７および／または支柱１１ｂの製造に使用される方法といった様々な状況如何によって有益たり得る。代替的な構成の一例としてあり得るものは、ブレード７または支柱１１ｂのいずれか一方に取り付けられるガイドピン、ならびに該ガイドピンに対応する穴であって、ブレード７または支柱１１ｂの他方の内部に形成され、ガイドピンを収容するように配置されている穴である。

図５Ａにおいて、可撓性締結部材１７は、ブレード７を取り巻くように示されている。組立工場およびＶＡＷＴ３のサイズ等次第で、可撓性締結部材１７は、ブレード７と支柱１１ｂの相対位置を決める前に取り付けられることもあれば後に取り付けられることもある。１つの手法によると、まず、ブレード７と支柱１１ｂが図５Ａに示されているように互いに隣接するよう配置され、次に、可撓性締結部材１７がブレード７の周囲で引き寄せられ、可撓性締結部材１７の両端を緊張装置２１に結合するということが可能である。他の手法によると、まず、可撓性締結部材１７が緊張装置２１に結合され、次に、ブレード７が可撓性締結部材１７によって形成された輪の中に挿入され、または該輪がブレード７の縦に沿って動かされ、ブレード７と支柱１１ｂの正しい相対位置へ至ることが可能である。

ブレード７と支柱１１ｂを相互に関連づけながら配置し、可撓性締結部材１７をブレード７の少なくとも一部の周囲に通した後、これがどのように実行されたかによらず、次に、緊張装置２１を動作させることにより、ステップ１０１にあるように、ブレード７を支柱１１ｂの端に向かって引き寄せ、ブレード７の結合面２５を支柱１１ｂの端１３ｂに押し当てることが可能である。緊張装置２１は、可撓性締結部材１７が所定の張力を受けるに至るまで動作させられることがある。この所定の張力は、たとえばシミュレーションを使用して決定されることがあり、またはＶＡＷＴ３が稼働しているときに接触面においてブレード７と支柱１１ｂの相対運動が皆無あるいは限定されたものであることを確実化するように選択されることもある。

ここまで、本発明によるＶＡＷＴ３の実施形態であって、可撓性締結部材１７がブレード７の外周を通ることを含む実施形態が、図示および記述されてきた。しかしながら、可撓性締結部材１７がブレード７を支柱１１ｂの端１３ｂに向けて引き寄せられるように可撓性締結部材１７を配置する手法は、他に多く存在する。これらの他の手法の幾つかは、図６Ａないし６Ｃに関して以下に記述される。

最初に、図６Ａを見ると、ブレード７は、可撓性締結部材１７を収容する内部路３５ａおよび３５ｂを備えるように示されている。図６Ａにおける構成の例において、内部路３５ａおよび３５ｂは、風力タービン本体９に面するブレード７の近位面３７から、風力タービン本体９（図２参照）の外方を向く遠位面へ、ブレード７の内部を通り抜けている。

図６Ｂに概略的に示される他の構成の例によれば、ブレード７は、開口部の両方がブレード７の近位面３７に向いている内部路３５を備えてもよい。

さらに他の構成の例によれば、支柱１１ｂの端部は、可撓性締結部材１７のため、側面に面した開口部４１ａおよび４１ｂを備えてもよい（図６Ｃ参照）。

当業者は、本発明が上述の好ましい実施形態に限定されないことを理解できる。それどころか、添付の特許請求の範囲内で多くの修正および変更が可能である。

各請求項において、「含む」「備える」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）との用語は、他の構成要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞「１つの」（ａ、ａｎ）は、複数を除外するものではない。単一のプロセッサーまたは他のユニットが、各請求項に記載されたいくつかの項目の機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。各請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. 垂直軸風力タービンであって、
   風力タービン本体と、
   ブレードと、
   前記風力タービン本体に結合した第１端および締結装置を使用して前記ブレードに結合した第２端を有する支柱と、
   を備え、
   前記締結装置は、前記ブレードを前記支柱の前記第２端に向けて引き寄せる可撓性締結部材を備え、
   前記可撓性締結部材は、前記ブレードの少なくとも一部の周囲を通る、垂直軸風力タービン。
2. 前記ブレードが、前記可撓性締結部材を収容する内部路を備える、請求項１記載の垂直軸風力タービン。
3. 前記可撓性締結部材が、少なくとも部分的には繊維材料で形成される、請求項１または２のいずれか一項に記載の垂直軸風力タービン。
4. 前記可撓性締結部材が、少なくとも１つのスリングを備える、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の垂直軸風力タービン。
5. 前記締結装置が、前記可撓性締結部材を緊張する緊張装置を備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の垂直軸風力タービン。
6. 前記緊張装置が、前記支柱の前記第２端から離間した位置において前記支柱に接続される、請求項５に記載の垂直軸風力タービン。
7. 前記緊張装置が、緊張アクチュエーターを備える、請求項５または６に記載の垂直軸風力タービン。
8. 前記ブレードと前記支柱の前記第２端の相対配置を決定するように構成された位置決め機構をさらに備える、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の垂直軸風力タービン。
9. 前記位置決め機構が、前記ブレードおよび前記支柱の前記第２端のいずれか一方において少なくとも１つの凹部を備え、前記ブレードおよび前記支柱の前記第２端の他方において少なくとも１つの凸部を備え、前記の少なくとも１つの凸部が、前記少なくとも１つの凹部と相互作用し、前記支柱と前記ブレードの間の相対運動を制限するよう構成される、請求項８に記載の垂直軸風力タービン。
10. 垂直軸風力タービンのブレードを支柱に結合する方法であって、
    可撓性締結部材を前記ブレードの少なくとも一部の周囲に通すステップと、
    前記ブレードの結合面が前記支柱の端に面するように、前記ブレードと前記支柱を配置するステップと、
    前記ブレードの前記結合面が前記支柱の前記端に押し当てられるまで、前記可撓性締結部材を使用して前記ブレードを前記支柱の前記端に向けて引き寄せるステップと、
    を含む、方法。
11. 前記支柱が緊張装置を備え、かつ、
    前記引き寄せるステップが、
    前記可撓性締結部材を前記緊張装置に結合するステップと、
    前記可撓性締結部材が所定の張力を受けるまで、前記緊張装置を動作させるステップと、
    を含む、
    請求項１０に記載の方法。

Images