JP5156028B2 - 風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置に関する。

風力発電装置に用いられる風車には、風車翼のピッチ角が固定された風車と、ピッチ角が可変の風車とが知られている。
上述の風車翼のピッチ角を変更させる機構としては、たとえば、特許文献１に示されるように、油圧シリンダにおけるロッドの直線移動を、風車翼の軸線回りの回転に変換する機構が知られている。また、たとえば、特許文献２に示されるように電動操作機を用いてロッドを軸線方向に直線移動させ、その移動により風車翼を軸線回りの回転させるものが提案されている。

その他、特許文献３に示されるように、翼旋回輪の周囲に歯車を設け、この歯車と噛み合うピニオンギアを電動モータで回転させ、翼旋回輪を回転させ風車翼の軸線回りの回転に変換する機構が提案されている。この場合、歯車を用いる替わりにベルトを用いるものも提案されている。

特開２００３−１４８３２１号公報 特開昭６３−１２４８７４号公報 特開２００３−５６４４８号公報

ところで、特許文献１に示されるように油圧シリンダを用いるものでは、油圧シリンダの制御油は、通常ナセルに配置された油圧ポンプから主軸や増速機内を経由してロータヘッド側へ供給される。また、特許文献２に示されるものでは、ナセルに配置された電動操作機の動作を伝達するロッドが主軸や増速機内を通るように設けられている。このため、主軸や増速機内に油圧配管あるいはロッドを設置する必要があり、それらの構造が複雑になる。
また、風力発電装置を現地で組み立てる際、別体で組み立てたナセルとロータヘッドとが合体されることになる。このとき、油圧配管の場合には、ナセル側の油圧配管とロータヘッド側の油圧配管とを接続することになる。この接続作業中に、油圧配管内に異物が混入すると、たとえば、油圧系統のシールが損傷する等によりピッチ駆動機構の長期にわたる信頼性が損なわれる可能性がある。
また、接続作業中に、油が漏れて周囲の環境に影響を与える恐れがある。このため、油圧配管の接続作業は細心の注意を払って行う必要がある。

特許文献３に示される歯車式のピッチ駆動機構では、旋回輪に設けられた歯車とピニオンギアとが常時噛み合っている。構造的に潤滑油を循環させることができないので、グリースを塗布した潤滑を行うことになる。
通常、ロータヘッドの１回転中におけるピッチ角の調整量は微小、たとえば、大きくても±０．５度以内（普通±０．１〜０．２度以内）であるので、歯車とピニオンギアとの噛み合いは歯車１個同士に限られる。このように、微小動作を伴う接触が局所に集中するので、歯面の油膜切れによるフレッチング損傷が発生する恐れがある。
旋回輪の周りに取り付けられた歯車が損傷すると、歯車を交換するために風車翼およびロータヘッドを取り外す必要がある。このため、歯車の強度をピニオンギアよりも強くして損傷がピニオンギア側に起きるように配慮した設計を試みるが、フレッチング損傷はその発生時期および場所等を設計時に予測することが不可能である。
このため、ピッチ駆動機構の長期にわたる信頼性が損なわれる可能性がある。

また、ベルト式の場合、張力を作用させるためにベルトは風車翼の外側に配置することになるので、システムが大掛かりとなる。そして、ベルトの寿命は短いので、頻繁に交換を行う必要がある。
このため、十分なメンテナンス作業を行わないと、ピッチ駆動機構の長期にわたる信頼性が損なわれる可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、主軸や増速機に影響を及ぼさない構造とするとともに信頼性が損なわれることを防止できる風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１態様は、翼根元部がロータヘッドに対して翼長方向回りに回動可能に取り付けられた風車翼と、出力軸が前記翼長方向に延在するように設置され、前記出力軸の軸線中心が前記風車翼の軸線中心と離隔した位置に配置された電動駆動部材と、前記出力軸に固定して取り付けられ、前記出力軸に交差する方向に延在するレバーと、前記出力軸に交差する方向に延在するように配置され、前記風車翼の駆動位置および前記レバーを連結するように、それらに対しそれぞれ前記翼長方向回りに回転可能に取り付けられている連結棒と、を備えている風力発電装置のピッチ駆動装置である。

本態様によれば、電動駆動部材が作動され、出力軸が回転すると、レバーは出力軸に取り付けられた部分を中心として出力軸、言い換えると、翼長方向と交差する面内を回転する。すなわち、レバーは回転軸を中心として円を描くように移動する。
レバーが移動すると、それに取り付けられている連結棒が翼長方向と交差する面内を移動するので、それに伴い連結棒が風車翼の軸線と交差する面内を移動する。
連結棒が移動すると、それが取り付けられている風車翼の駆動位置が移動するので、風車翼は翼長方向回りに回転される。したがって、風車翼のピッチ角を調整することができる。

本態様では、電動駆動部材は電気で駆動されるので、その電気配線は油圧配管に比較して簡素な構造となるし、かつ、異物混入および油漏れ等のリスクがない。また、微小動作を伴う接触部分が存在しないので、フレッチング損傷を考慮しなくてよい。さらに、ベルトのような寿命の短い部品が存在しないので、頻繁で、煩雑なメンテナンス作業を省略することができる。
これらにより、ピッチ駆動装置の長期的な信頼性が損なわれることを防止できる。

上記態様においては、前記ロータヘッドに取り付けられ、前記出力軸の自由端を回転可能に支持する支持部材が備えられていてもよい。

このように、ロータヘッドに取り付けられ、出力軸の自由端を回転可能に支持する支持部材が備えられているので、出力軸の一方は電動モータで、他方は支持部材で支持されている。すなわち、出力軸は両端が支持されている両持ちであるので、安定した回転を行うことができる。

本発明の第２態様は、風力を受ける複数の風車翼と、該風車翼を前記風車翼の軸線回りに回動可能に支持するとともに、前記風車翼により回転駆動されるロータヘッドと、上記第１態様のピッチ駆動装置と、前記ロータヘッドの回転により発電を行う発電設備と、が設けられている風力発電装置である。

本態様によれば、上記第１態様のピッチ駆動装置を用いることにより、ピッチ駆動装置の信頼性が損なわれることが防止されるので、ピッチ駆動装置に起因して風力発電装置としての信頼性が損なわれることを防止することができる。

本発明によれば、電動モータは電気で駆動されるので、その電気配線は油圧配管に比較して簡素な構造となるし、かつ、異物混入および油漏れ等のリスクがない。また、微小動作を伴う接触部分が存在しないので、フレッチング損傷を考慮しなくてよい。さらに、ベルトのような寿命の短い部品が存在しないので、頻繁で、煩雑なメンテナンス作業を省略することができる。
これらにより、ピッチ駆動装置の長期的な信頼性が損なわれることを防止できる。

本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の全体概略構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係るピッチ駆動装置を示す図１のＸ視図である。 図２のＹ−Ｙ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るロータヘッド４を風上側から見た場合のピッチ駆動装置の配置を示す模式図である。

１ 風力発電装置
４ ロータヘッド
６ 風車翼
７ 発電設備
１１ ピッチ駆動装置
１３ 電動モータ
１５ レバー
１７ 連結リンク
１９ 出力軸
２１ 基部
３９ 軸受
Ｌ 軸線中心
Ｐ 駆動位置

本発明の一実施形態に係る風力発電装置について図１〜図４に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置１の全体概略構成を示す側面図である。
風力発電装置１には、基礎Ｂ上に立設された支柱２と、支柱２の上端に設置されたナセル３と、略水平な軸線回りに回転可能にしてナセル３に設けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４を覆う頭部カプセル５と、ロータヘッド４の回転軸線周りに放射状に取り付けられる複数枚の風車翼６と、ロータヘッド４の回転により発電を行う発電設備７と、が設けられている。

支柱２は、図１に示すように、基礎Ｂから上方（図１の上方）に延びる柱状の構成とされ、たとえば、複数のユニットを上下方向に連結した構成とされている。
支柱２の最上部には、ナセル３が設けられている。支柱２が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル３が設置されている。

ナセル３は、図１に示すように、主軸８によってロータヘッド４を回転可能に支持するとともに、内部にロータヘッド４（すなわち、主軸８）の回転により発電を行う発電設備７が収納されている。
発電設備７としては、主軸８の回転数を増加させる増速機と、ロータヘッド４の回転駆動力が伝達され発電を行う発電機と、発電機により発電された電圧を所定の電圧に変換するトランスと、が設けられているものを挙げることができる。

ロータヘッド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
の風車翼６が取り付けられ、その周囲は頭部カプセル５により覆われている。
これにより、風車翼６にロータヘッド４の回転軸線方向から風が当たると、風車翼６にロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる力が発生し、ロータヘッド４が回転駆動される。

なお、本実施形態では、３枚の風車翼６が設けられた例に適用して説明するが、風車翼６の数は３枚に限られることなく、３枚より少ない場合や、３枚より多い場合に適用してもよく、特に限定するものではない。

図２は、１個のピッチ駆動装置１１を示す図１のＸ視図である。図３は、図２のＹ−Ｙ断面図である。図４は、図１のロータヘッド４を風上側から見た場合のピッチ駆動装置１１の配置を示す模式図である。
ロータヘッド４には、風車翼６の軸線中心（軸線）Ｌ回りに風車翼６を回転させて、風車翼６のピッチ角を変更するピッチ駆動装置１１が各風車翼６に対応して１対１に設けられている。

風車翼６の翼根元側には、ロータヘッド４に旋回輪軸受２３によって回動自在に支持されている基部（翼根元部）２１が備えられている。
旋回輪軸受２３は、２列の転がり軸受で構成されている。なお、旋回輪軸受２３は、転がり軸受に限定されるものではなく、すべり軸受であってもよい。
基部２１は、旋回輪軸受２３の内輪２５の厚み方向の両端部を一対の駆動板２９で挟んで形成されている。駆動板２９は、ドーナツ形状（円環状）をし、内輪２５よりも内側に突出するように設けられている。すなわち、駆動板２９の内径は内輪２５の内径以下となるように構成されている。
旋回輪軸受２３の外輪２７は、ロータヘッド４に固定して取り付けられている。
風車翼６は、旋回輪軸受２３の内輪２５に固定されているので、ロータヘッド４に対して回動可能となる。

ロータヘッド４には、旋回輪軸受２３のロータ回転中心側に略半円形状の支持板３１が設けられている。支持板３１の略中央位置には貫通孔３３が設けられている。
ピッチ駆動装置１１には、減速機１４と、電動モータ１３と、レバー１５と、連結リンク（連結棒）１７とが備えられている。ここで、支持板３１は、ロータヘッド4と同一部材で成型（形成）されたものでもよいし、別部材で形成し、ロータヘッド4にボルト４等で固定するようにしてもよい。

電動モータ１３と減速機１４とは、本発明の電動駆動部材を構成している。電動モータ１３の出力は減速機１４によって減速され、減速機１４の出力軸１９に伝達される。
電動モータ１３および減速機１４は、出力軸１９が貫通孔３３を通って風車翼６側に位置するように、かつ、その軸線中心Ｏが風車翼６の軸線中心Ｌと離隔した位置で略平行となるように配置され、支持板３１の貫通孔３３の内周側に固定されている。

電動モータ１３は電気で駆動されるので、その電気配線は油圧配管に比較して簡素な構造となる。しかも、油圧配管の接続作業がないので、異物混入および油漏れ等のリスクがない。また、微小動作を伴う接触部分が存在しないので、フレッチング損傷を考慮しなくてよい。さらに、ベルトのような寿命の短い部品が存在しないので、頻繁で、煩雑なメンテナンス作業を省略することができる。
これらにより、ピッチ駆動装置１１の長期的な信頼性が損なわれることを防止できる。

レバー１５および連結リンク１７は、それぞれ軸線中心Ｏに略直交する方向、言い換えると、出力軸１９に交差する方向に延在するように設置されている。すなわち、レバー１５および連結リンク１７は、駆動板２９の延在する面に沿って設置されている。

レバー１５の一端は出力軸１９に固定して取り付けられている。レバー１５の他端（自由端）は連結リンク１７の一端にピン３５を介して相互に回転可能に連結されている。レバー１５は、ピン３５の中間部に突起して設けられた球面座に係合され、折れ曲がりを許容されている。

一対の駆動板２９の間にリンクピン３７が装着されている。リンクピン３７の中間部には、突起して設けられた球面座が設けられている。連結リンク１７の他端は、リンクピン３７の球面座に係合し、リンクピン３７に回転および傾斜可能に連結されている。このリンクピン３７が本発明の駆動位置Ｐを形成している。

出力軸１９の先端（自由端）は、軸受（支持部材）３９に回転可能に支持されている。軸受３９は、支持板３１に立設されたブラケット４１に取り付けられている。
出力軸１９の一方は電動モータ１３によって支えられ、他方は軸受３９によって支えられている。すなわち、出力軸１９は両端が支持されている両持ちであるので、安定した回転を行うことができる。

各風車翼６に対応して設けられたピッチ駆動装置１１は、図４に示されるように、ロータヘッド４の軸線中心、すなわち、主軸８の周りに配置できる。したがって、ロータヘッド４の軸線方向におけるそれと交差する面に設置することができる。

次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電方法についてその概略を説明する。
風力発電装置１においては、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼６に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換される。

このロータヘッド４の回転は、主軸８を経由して発電設備７に伝達され、発電設備７において、電力の供給対象に合わせた電力、たとえば、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が発電される。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風の力を風車翼６に効果的に作用させるため、適宜ナセル３を水平面上で回転させることにより、ロータヘッド４は風上に向けられている。

次に、ピッチ駆動装置１１による風車翼６のピッチ角の制御について説明する。
ロータヘッド４に取り付けられた電動モータ１３が作動されると、出力軸１９が回転する。
出力軸１９が回転すると、レバー１５は出力軸１９の軸線中心Ｏを中心として駆動板２９の延在する面に沿って回転する。このとき、レバー１５および連結リンク１７を連結するピンの軸線中心Ｐ１は、図２に示されるように軸線中心Ｏを中心として軌跡Ｋ１上を移動する。すなわち、軸線中心Ｐ１は円を描くように移動する。

レバー１５および連結リンク１７の連結部である軸線中心Ｐ１が移動すると、連結リンク１７の一端が風車翼の軸線と交差する面内を移動するので、それに伴いリンクピン３７に係合している連結リンク１７の他端が駆動板２９の延在する面に沿って移動する。
連結リンク１７の他端が移動すると、それがリンクピン３７を介して駆動板２９を押したり、引いたりするので、駆動板２９が移動する。このとき、駆動位置Ｐは軌跡Ｋ２に沿って移動する。
駆動板２９の駆動位置Ｐが移動すると、駆動板２９と一体である風車翼６は軸線中心Ｏ回りに回転される。したがって、風車翼のピッチ角を調整することができる。

本実施形態では、たとえば、駆動位置Ｐが図２に示される点Ｃに位置するとき、風車翼６はファインとなり、点Ａに位置するとき、風車翼６はフェザリングとなるようにされている。
駆動位置Ｐが点Ａに位置するとき、軸線中心Ｐ１は点Ｂに位置し、一方、点Ｃに位置するとき、軸線中心Ｐ１は点Ｄに位置する。

このとき、風車翼６のピッチ角の調整範囲、すなわち、駆動板２９が回転する角度ＡＬＣは、略９５度とされている。レバー１５が回転する角度ＢＯＤは、略１８０度とされている。
角度ＡＯＣが略９５度を確保できるように、軸線中心Ｏの位置、レバー１５の長さおよび連結リンク１７の長さは選定される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明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 (3)

1. 翼根元部がロータヘッドに対して翼長方向回りに回動可能に取り付けられた風車翼を動かすピッチ駆動装置であって、
   出力軸が前記翼長方向に延在するように設置され、前記出力軸の軸線中心が前記風車翼の軸線中心と離隔した位置に配置された電動駆動部材と、
   前記出力軸に固定して取り付けられ、前記出力軸に交差する方向に延在するレバーと、
   前記出力軸に交差する方向に延在するように配置され、前記レバーおよび前記風車翼の駆動位置を連結するように、それらに対しそれぞれ前記翼長方向回りに回転可能に取り付けられている連結棒と、
   を備えている風力発電装置のピッチ駆動装置。
2. 前記ロータヘッドに取り付けられ、前記出力軸の自由端を回転可能に支持する支持部材が備えられている請求項１に記載された風力発電装置のピッチ駆動装置。
3. 風力を受ける複数の風車翼と、
   該風車翼を前記風車翼の軸線回りに回動可能に支持するとともに、前記風車翼により回転駆動されるロータヘッドと、
   請求項１または請求項２に記載されたピッチ駆動装置と、
   前記ロータヘッドの回転により発電を行う発電設備と、
   が設けられていることを特徴とする風力発電装置。

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