JP4898917B2

JP4898917B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP4898917B2
Application number: JP2009522261A
Authority: JP
Inventors: 智裕沼尻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: KR20100021559A; CA2668995C; US8242618B2; WO2009150729A1; AU2008326247B2; CN101688522B; CA2668995A1; KR101105180B1; AU2008326247A1; EP2302213A1; US20110095537A1; JPWO2009150729A1; CN101688522A

Description

本発明は、風向に応じてナセル（風車本体）を旋回させるヨーシステムを備えた風力発電装置に関する。

従来、風力で風車を回し、その回転運動を発電機に伝えて電気を起こす風力発電装置には、風向きに応じてナセルを旋回させる（首を振る）ヨーシステムが設けられている。
従来のヨーシステムは、ヨー駆動装置、ヨー旋回輪及びヨーブレーキにより構成され、主要な構成要素がナセル側に配置されている。すなわち、風車及びその回転力で発電するパワートレインを搭載したナセルは、ヨーシステムの動作により支柱上部で旋回し、風向に応じた最適の方向を向いて発電するようになっている。

図８に示す従来例のヨーシステム１０は、固定側となる支柱２に対し、ヨーブレーキ兼用の滑り軸受２０を用いたヨー旋回輪１１を介してナセル３が旋回可能に取り付けられている。なお、図中の符号１２はナセル３を構成するナセル台板であり、このナセル台板１２には、電動機１３及び駆動ギア１４を備えたヨー駆動装置１５が固定設置されている。

上述した滑り軸受２０は、支柱２のフランジ部２ａに固定した固定座２１と、ブレーキパッド２２を保持するブラケット２３とにより構成される。この場合のブラケット２３は略Ｌ字状断面形状の部材であり、上端面がナセル台板１２の下面に固定されている。
このように構成された滑り軸受２０は、ブレーキパッド２２が固定座２１に設けた鍔部２１ａの上下面及び外周面を摺動可能に支持している。

この場合、図中の符号ＣＬが支柱２の軸中心線を示しているので、ヨー駆動装置１５は支柱２の外側に配置された構成例となる。
このヨー駆動装置１５は、駆動ギア１４が固定側のリングギア１６と噛合しているので、電動機１３の回動に応じて、可動側となるナセル（ナセル台板１２及びブラケット２３等）を駆動ギア１４とともに旋回させることができる。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００７−５１５８５号公報

近年、風力発電装置は、益々大型化（大出力化）する傾向にある。このような風力発電装置の大型化に伴って、支柱上部に設置されるナセルやヨーシステムも大型化して重量が増加している。
ところで、上述した従来技術のヨー駆動装置１５は、電動機１３を駆動源として回動する駆動ギア１４がリングギア１６と噛合してナセル３を旋回させるものであるから、ナセル３の大型化に伴ってリングギア１６も大径化している。すなわち、リングギア１６は、ナセル３の大型化に伴って大径化した支柱２の上端部内径と略一致する直径の歯車を製造する必要があるので、機械加工のコストが嵩むという問題を有している。

また、上述した従来構造では、駆動ギア１４とリングギア１６との噛合部においてバックラッシを精度よく管理するためには、固定側となるナセル台板１２側の加工精度も要求されてコストが嵩むこととなる。

このような背景から、風力発電装置のヨーシステムにおいては、大径の歯車を不要とするヨー駆動装置の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヨーシステムのヨー駆動装置において大径歯車が不要となる風力発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る第１態様の風力発電装置は、ヨー駆動装置、ヨー旋回輪及びヨーブレーキを具備し、風向に応じて支柱の上部に設置されたナセルを旋回させるヨーシステムを備えている風力発電装置であって、
前記ヨー駆動装置は、出力軸を前記ナセルの旋回軸と略一致させてナセル台板上に固定設置したヨーモータを備え、前記出力軸と前記支柱の上端部近傍に設けられた固定側支持部材との間が、両端にカップリングを設けた連結軸を介して連結されていることを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、ヨー駆動装置は、出力軸をナセルの旋回軸と略一致させてナセル台板上に固定設置したヨーモータを備え、出力軸と支柱の上端部近傍に設けられた固定側支持部材との間が、両端にカップリングを設けた連結軸を介して連結されているので、ヨー駆動装置の駆動系に大径の歯車が不要となる。

本発明に係る第２態様の風力発電装置は、ヨー駆動装置、ヨー旋回輪及びヨーブレーキを具備し、風向に応じて支柱の上部に設置されたナセルを旋回させるヨーシステムを備えている風力発電装置であって、
前記ヨー駆動装置は、出力軸を前記ナセルの旋回軸と略一致させた状態にして前記支柱の上端部近傍に設けられた固定側支持部材上に固定設置したヨーモータを備え、前記出力軸と前記ナセルとの間が、両端にカップリングを設けた連結軸を介して連結されていることを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、ヨー駆動装置は、出力軸をナセルの旋回軸と略一致させて支柱の上端部近傍に設けられた固定側支持部材上に固定設置したヨーモータを備え、前記出力軸と前記ナセルとの間が、両端にカップリングを設けた連結軸を介して連結されているので、ヨー駆動装置の駆動系に大径の歯車が不要となる。この場合、ヨー駆動装置を支柱側に設置したので、ナセル側の重量を低減することができる。

上記の発明においては、アクティブヨーと組み合わせた構成が望ましく、これにより、単独の場合と比較して、ヨーモータに要求される駆動トルクを低減することができる。

上述した本発明によれば、風力発電装置のヨーシステムにおいては大径の歯車が不要なヨー駆動装置となるので、大径歯車の加工に要していたコストを低減できる。
また、ヨー駆動装置の大径歯車をなくしたことにより、グリスの供給が不要となって支柱の外側にグリスを漏出させる懸念をなくすことができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、支柱の上部及びヨーシステムの構成例を示す要部断面図である。本発明に係る風力発電装置の全体構成例を示す図である。風力発電装置のヨー旋回駆動制御（アクティブヨー）に係るナセル内部の概略構成例を示すブロック図である。図３に示す可変ピッチ機構のピッチ角度制御に関する制御ブロック図である。ｚ，ｙ，ｘ軸の定義を示す図である。図４のヨーまわり制御指令値設定部により実行される処理の手順を示すフローチャートである。ヨーまわり制御指令値テーブルの一例を示す図である。風力発電装置のヨーシステムに係る従来例を示す要部断面図である。

符号の説明

１風力発電装置
２支柱
２ａフランジ部
２ｂ内部フランジ
３ナセル
４ローターヘッド
１０Ａヨーシステム
１２ナセル台板
２０Ａ滑り軸受
２２滑りパッド
２３Ａブラケット
３０ヨー駆動装置
３１電動機（ヨーモータ）
３１ａ出力軸
３２カップリング
３３連結軸

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
図２に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される支柱（「タワー」ともいう。）２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３に設けられるローターヘッド４とを有している。
ローターヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ローターヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ローターヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

さて、上述した風力発電装置１は、支柱２の上端に位置するナセル３を旋回させるヨーシステムを備えている。このヨーシステムは、ナセル３を風向に応じた最適の向きとし、ローターヘッド４を効率よく回転させて発電するための装置である。

図１に示すヨーシステム１０Ａは、ヨー駆動装置、ヨー旋回輪及びヨーブレーキを具備して構成される。
図示の構成例では、固定側となる支柱２の上端部に軸中心方向へ向けた内向きのフランジ部２ａを形成し、このフランジ部２ａを利用して、後述するヨー駆動装置３０により旋回されるナセル３を旋回可能に支持するヨー旋回輪と、ナセル３の旋回を抑制または停止させるヨーブレーキとの機能を兼ね備えた滑り軸受２０Ａが設けられている。

上述した滑り軸受２０Ａは、ナセル３の下面に、具体的にはナセル３を構成するナセル台板１２の下面に、略Ｌ字状断面を有するブラケット２３Ａを介して固定されている。この滑り軸受２０Ａは、ブラケット２３Ａに保持された滑りパッド２２がフランジ部２ａを摺動可能に支持（挟持）するので、支柱２の上部でナセル３を旋回させるヨーシステムのヨー旋回輪として機能する。なお、ブラケット２３Ａは、ナセル台板１２の所定位置にボルト２４で固定されている。
この場合の滑り軸受２０Ａにおいて、好適な滑りパッド２２としては、たとえばポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、アセタール、またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のように、摩擦係数の低い高分子材料がある。

また、上述した滑り軸受２０Ａは、ブラケット２３Ａに保持された滑りパッド２２が、フランジ部２ａの上下両面及びフランジ部２ａの内周面に接するように設けられている。そして、フランジ部２ａの３面に接する滑りパッド２２には、それぞれに対して適宜予圧が与えられている。この結果、滑り軸受２０Ａは、滑りパッド２２とフランジ２ａとの間に摩擦力が作用するので、ナセル３の旋回に対する定負荷のブレーキ力を与えるヨーブレーキとしても機能する。
なお、上述した予圧については、たとえば油圧シリンダ（不図示）等により滑りパッド２２を加圧して摺動面に押圧するなど、周知の予圧付与手段を採用すればよい。

この場合のヨー駆動装置３０は、旋回するナセル３側に固定設置されている。具体的には、電動機（ヨーモータ）３１がナセル台板１２に固定設置され、その出力軸３１ａは、支柱２の軸中心位置ＣＬと略一致している。換言すれば、電動機３１の出力軸３１ａは、上述した滑り軸受２０Ａの軸中心位置と略一致するヨー旋回中心位置にある。なお、電動機３１の内部には、図示しないクラッチ、ダンパ、及び／またはブレーキが設けられてもよい。

電動機３１の出力軸３１ａは、ヨーシステム１０Ａにおいて固定側支持部材となる支柱２の内部フランジ２ｂと、上下両端に一対のカップリング３２を設けた連結軸３３を介して、ヨー旋回中心位置で連結されている。ここで使用するカップリング３２については、内部フランジ２ｂの軸中心位置と、ヨー駆動装置３０の軸中心位置との間に生じる軸オフセットを許容するとともに、内部フランジ２ａに対するナセル３の旋回を許容するものであれば特に限定されることはない。
なお、内部フランジ２ｂについては、必要に応じて建設時やメンテナンス時等に使用するマンホール（不図示）を設けておくことが好ましい。

上述した構成のヨーシステム１０Ａは、ヨー駆動装置３０の電動機３１を駆動することにより、出力軸３１ａが所望の方向へ回転しようとする。しかし、出力軸３１ａの他端側がカップリング３２及び連結軸３３を介して内部フランジ２ｂに固定されているので、電動機３１を固定設置したナセル３側が支柱２に対して回転することとなる。このとき、滑り軸受２０Ａは、ナセル３を旋回可能に支持するヨー旋回輪として機能する。

このように構成されたヨー駆動装置３０は、ナセル３の旋回軸と略一致する出力軸３１ａが、一対のカップリング３２及び連結軸３３を介して支柱２の内部フランジ２ａに固定される構造としたので、リングギア１６のような大径歯車を用いなくてもナセル３を旋回させることができる。すなわち、本発明のヨー駆動装置３０は、支柱２の上端部径と略同じ直径になって機械加工コストの嵩む大径歯車が不要になるので、ヨー駆動装置３０及びこれを備えた浮力発電装置１のコストを低減することができる。
また、駆動ギア１４及びリングギア１６のような噛合部がない本発明のヨー駆動装置３０は、噛合部に対するグリス供給が不要になるので、支柱２の外部へグリスが漏出するようなこともない。

また、大径歯車によりナセル３を旋回駆動する構造では、噛合部のバックラッシを精度よく管理するため、ナセル台板１２の固定面にも加工精度が要求される。しかし、噛合部のない本発明の構造では、バックラッシを管理する必要がないため、電動機３１を固定設置する部分に要求されるナセル台板１２側の加工精度を緩和してコスト低減が可能となる。

また、上述した実施形態では、電動機３１がナセル台板１２に固定設置されているが、電動機３１とハブ３２ａとの位置関係を逆にして、電動機３１を内部フランジ２ｂ側に固定する構造としてもよい。
すなわち、ヨー駆動装置３０は、電動機３１が出力軸３１ａをナセル３の旋回軸と略一致させて支柱２の上端部近傍に設けられた内部フランジ２ｂ上に固定設置され、出力軸３１ａとナセル３との間が、両端にカップリング３２を設けた連結軸３３を介して連結される構成としてもよい。このような構成を採用すれば、ヨー駆動装置３０の駆動系に大径の歯車が不要となり、しかも、ヨー駆動装置３０が支柱２側に設置されたことにより、ナセル３側の重量を低減できるので、搬送時及び建設時に必要となるクレーンのキャパシティ低減に有効である。

ところで、上述したヨー駆動装置３０を備えたヨーシステム１０Ａは、以下に説明するヨー旋回駆動制御（「アクティブヨー」ともいう。）と組み合わせて使用することが望ましい。
図３は、風力発電装置に適用されるアクティブヨーに係るナセル内部の構成例を示すブロック図であり、ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計７と、風向を測定する風向計８とが設置されている。さらに、各風車翼５には、それぞれの風車翼５における荷重を計測するための荷重計測センサ（たとえば光ファイバセンサ）９が設けられている。

風向計８は、風向偏差を計測し、風向偏差を計測値として出力するものである。
また、荷重計測センサ９は、たとえば風車翼５の歪みを計測し、この歪み量に応じて荷重を計測するものである。

ナセル３の内部には、ローターヘッド４と同軸の増速機４０を介して連結された発電機４１が設置されている。さらに、ナセル３の内部には、風車の運転制御を行う風車制御装置５０、及び風車制御装置５０からの制御信号を受けて、各風車翼５のピッチ角度を変化させる可変ピッチ機構５１が設けられている。

風車制御装置５０には、各荷重計測センサ９によって計測された各風車翼５の荷重計測値、風向計８によって計測される風向偏差、並びに風速計７によって計測される風速が入力されるようになっている。
風車制御装置５０は、これらの入力情報に基づいて各風車翼５のピッチ角度を設定し、設定したピッチ角度に応じた制御信号を可変ピッチ機構５１に出力する。可変ピッチ機構５１は、風車制御装置５０から与えられる制御信号に基づいて各風車翼５のピッチ角度をそれぞれ変化させる。

図４は、上述した風車制御装置５０が備えるピッチ角度制御に関する制御ブロックを示した図である。
図４に示されるように、風車制御装置５０は、モーメント算出部６１、成分指令値設定部６２、ピッチ角度指令設定部６３、ヨーまわり制御指令値設定部６４を備えている。

モーメント算出部６１は、各荷重計測センサ９によって計測された各風車翼５の荷重Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を座標変換することにより、図５に示されるｚ軸まわりのモーメントＭｚ及びｙ軸まわりのモーメントＭｙを算出する。なお、図５に示されるように、ｚ軸は、支柱２の主軸に平行な軸線であり、ｘ軸はローターヘッド４の回転軸であり、ｙ軸はｚ軸及びｘ軸に直交する軸線である。

モーメント算出部６１は、モーメントＭｙ，Ｍｚを算出すると、これらを成分指令値設定部６２に出力する。成分指令値設定部６２は、モーメント算出部６１によって算出されたモーメントＭｚ，Ｍｙに基づいてｙ軸に関する角度指令値θｙとｚ軸に関する角度指令値θｚとを設定する。

具体的には、成分指令値設定部６２は、ｙ軸まわりのモーメントＭｙを相殺する基準指令値を求め、この基準指令値をｙ軸まわりの角度指令値θｙとする。また、成分指令値設定部６２は、ｚ軸まわりのモーメントＭｚを相殺する基準指令値を求め、さらに、この基準指令値に対してヨーまわり制御指令値設定部６４から入力されるヨーまわり制御指令値Ｍｚ´を加算し、この値をｚ軸まわりの角度指令値θｚ´とする。成分指令値設定部６２は、角度指令値θｙ、θｚ´をピッチ角度指令設定部６３に出力する。

ピッチ角度指令設定部６３は、入力された角度指令値θｙ，θｚ′を座標変換することにより、各風車翼５のピッチ角度指令θ１，θ２，θ３を設定し、これらを可変ピッチ機構５１に出力する。この結果、可変ピッチ機構５１により、各風車翼５のピッチ角度がピッチ角度指令θ１，θ２，θ３に基づいて変化させられる。従って、各風車翼５における荷重が低減されるとともに、ヨーまわり制御指令値Ｍｚ′に応じた量だけ、ナセル３がｚ軸まわりに回動させられることとなる。

次に、上述したヨーまわり制御指令値設定部６４について、図６を参照して説明する。
図６は、ヨーまわり制御指令値設定部６４により実行される処理の手順を示したフローチャートである。なお、図６に示される処理は、所定時間間隔で繰り返し実行されるものとする。

ヨーまわり制御指令値設定部６４は、風向計８から入力される風向偏差の過去所定期間の平均を算出する（ステップＳＡ１）。
続いて、ステップＳＡ１において算出した平均風向偏差が予め設定されている閾値よりも大きいか否かを判定する。この結果、平均風向偏差が閾値以下であった場合には、ナセル３が風向に対して好ましい方向を向いていると判断し、ナセル３のヨー旋回駆動を行わずに、当該処理を終了する。

一方、平均風向偏差が閾値を超えていた場合には、ナセル３が風向に対して最適な方向とされていないと判断し、ステップＳＡ３において、ヨーまわり設定指令値を設定する。具体的には、ヨーまわり制御指令値設定部６４は、予め保有しているヨーまわり制御指令値テーブルを参照し、ステップＳＡ１において算出された平均風向偏差と風速計７から入力される風速とで特定されるヨーまわり制御指令値を取得する。
図７にヨーまわり制御指令値テーブルの一例を示す。図７に示されるように、ヨーまわり制御指令値テーブルには、風速と平均風向偏差との組に対応付けられてヨーまわり制御指令値がそれぞれ設定されている。ヨーまわり制御指設定部６４は、取得したヨーまわり制御指令値を成分指令値設定部６２に出力する。

これにより、風速と風向と応じて設定されたヨーまわり制御指令値がｚ軸まわりの基準指令値に対して加算されることで、ヨーまわり制御指令値に応じた量だけ、ナセル３をｚ軸まわりに旋回させることが可能となる。

このように、上述したアクティブヨーを備えた風力発電装置１によれば、ヨーまわり制御指令値Ｍｚ′に応じた量のモーメントを各風車翼５に発生させ、このモーメントを利用してナセル３を支柱２の主軸まわりに旋回させることが可能となる。このように、各風車翼５のピッチ角度を制御することにより、空気力を利用してナセル３を旋回させるので、ナセル３内に配置されている電動機３１の小型化を図ることが可能となる。また、電動機３１の使用頻度を低減させることが可能となり、消費出力の低減を図ることが可能となる。

なお、上述した説明では、ヨーまわり制御指令値設定部６４が、ヨーまわり制御指令値テーブルからヨーまわり制御指令値を取得することとしたが、これに代えて、平均風向偏差と風速とをパラメータとした演算式をヨーまわり制御指令値設定部３が有しており、この演算式に平均風向偏差および風速を代入することにより、ヨーまわり制御指令値を得ることとしてもよい。

このように、上述した駆動装置３０は、アクティブヨーと組み合わせた構成及び制御を採用することにより、単独の場合と比較して、電動機３１に要求される駆動トルクを低減して小型・軽量化することができる。

また、上述したヨーシステム１０Ａでは、支柱２の上端部に形成したフランジ２ａを有効利用して滑り軸受２０Ａが採用されているので、この滑り軸受２０Ａ自体の部品点数低減による軽量化も可能になる。
さらに、従来別々の構造体であったヨー旋回輪及びヨーブレーキの機能についても、支柱２のフランジ部２ａを利用（共有化）して構成される滑り軸受２０Ａが兼ね備える構造としたので、支柱２の上部に設置されてナセル３を旋回させるヨーシステム全体についても部品点数を低減し、軽量化やコストダウンが可能にしている。

また、支柱２の上部構造体が軽量化されると、支柱２やベースＢの荷重負担や建設時に必要なクレーンの荷重負担が軽減されるという利点もある。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Claims

ヨー駆動装置、ヨー旋回輪及びヨーブレーキを具備し、風向に応じて支柱の上部に設置されたナセルを旋回させるヨーシステムを備えている風力発電装置であって、
前記ヨー駆動装置は、出力軸を前記ナセルの旋回軸と略一致させてナセル台板上に固定設置したヨーモータを備え、前記出力軸と前記支柱の上端部近傍に設けられた固定側支持部材との間が、両端にカップリングを設けた連結軸を介して連結されていることを特徴とする風力発電装置。
ヨー駆動装置、ヨー旋回輪及びヨーブレーキを具備し、風向に応じて支柱の上部に設置されたナセルを旋回させるヨーシステムを備えている風力発電装置であって、
前記ヨー駆動装置は、出力軸を前記ナセルの旋回軸と略一致させた状態にして前記支柱の上端部近傍に設けられた固定側支持部材上に固定設置したヨーモータを備え、前記出力軸と前記ナセルとの間が、両端にカップリングを設けた連結軸を介して連結されていることを特徴とする風力発電装置。