JP5244715B2 - 水平軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、水平軸風車に係り、タワーの制振に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電等の商業用に広く実用化されている。水平軸風車は、１枚又は２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在した主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。

従来、高層建築物や振動源のある構造物において、チューンドマスダンパや流体ダンパによる制振装置が広く利用されている。
水平軸風車においても、例えば、特許文献１に記載されるように、タワー頂部やナセル内空間を利用して重量物をダンパで支持して設置して構成された制振装置を備えるものがある。
制振技術としては、制振装置の重量物に受動のダンパのみで支持して構成されたパッシブのものと、制振装置の重量物にアクチュエータと振動センサを付設し、振動を減衰させる力をアクチュエータに作用させる制御を行うアクティブのものとがある。

特開２０００−２０５１０８号公報

しかし、以上の従来技術にあっては、制振作用を発するためにダンパで支持されて可動する重量物を付加する必要がある。
このため、水平軸風車のタワー頂部質量を増加させ、タワー自体にもより高い強度・剛性が必要となり、建設コストの上昇の要因となる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、風力発電装置が構成される水平軸風車において、制振専用の重量物を付加することなく、制振装置を構成することができる水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブと１枚又は２枚以上のブレードとを有するロータと、
前記ロータを主軸を介して回転自在に支持するナセルと、
略鉛直方向に設置されるとともに前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ナセルに設置された発電機と、
前記発電機を所定の方向に移動自在に支持する支持機構と、
前記主軸に対して前記発電機を少なくとも前記所定の方向に移動自在にして前記主軸の回転を前記発電機に伝達可能に連結する連結機構とを備え、
前記発電機を制振用の重量物として制振機構が構成された水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記支持機構はレール機構である請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記所定の方向は前記主軸に直交する方向とされ、前記連結機構は前記主軸に直交する方向に前記発電機を移動自在にする自在継手である請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項４記載の発明は、前記所定の方向は前記主軸の軸方向とされ、前記連結機構は前記主軸の軸方向に前記発電機を移動自在にするスプラインである請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項５記載の発明は、前記ロータと前記発電機との間に設けられ前記ロータの回転を増速して前記発電機に伝達する増速機を備え、
前記増速機と前記発電機とを前記連結機構が連結する請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項６記載の発明は、前記制振機構は、前記発電機と前記ナセルとの間に前記所定の方向に伸縮するダンパを備えて構成される請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項７記載の発明は、前記制振機構は、前記所定の方向についての前記ナセルに対する前記発電機の振動を検出するセンサと、前記発電機と前記ナセルとの間に設けられ前記所定の方向について前記発電機に力を作用するアクチュエータと、前記センサの検出値に基づき前記アクチュエータに前記振動を減衰させる力を作用させる制振制御装置とを備えて構成される請求項１に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、風力発電装置が構成される水平軸風車において、風力発電用の発電機を制振用の重量物として制振機構が構成されるので、制振専用の重量物を付加することなく制振装置を構成することができるという効果があり、制振装置を備える風力発電装置としては、タワー頂部の軽量化、それに伴う建設コストの低減が図られるという効果がある。

本発明の第１実施形態に係る水平軸風車の平面模式図(a)及び後面模式図(b)である。 本発明の第１実施形態に係る発電機及びその支持機構の側面模式図である。 従来の一般的なカップリングによる連結構造の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る自在継手による連結構造の平面模式図であってオフセット無しの図(a)及びオフセット有り図(b)と、継手部の斜視図(c)である。 本発明の第１実施形態に係るアクティブ制振制御系の構成図(a)及び伝達関数表示によるブロック線図(b)である。 本発明の第１実施形態に係るアクティブ制振制御の周波数応答図である。 本発明の第１実施形態に係るアクティブ制振制御のステップ応答図である。 本発明の第２実施形態に係る水平軸風車の平面模式図(a)及び側面模式図(b)である。 本発明の第２実施形態に係る発電機及びその支持機構の後面模式図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態につき説明する。
図１に示すように本実施形態の水平軸風車は、ハブと１枚又は２枚以上のブレードとを有するロータ１を備える。さらに本水平軸風車は、ロータ１を略水平の主軸２及び増速機５を介して回転自在に支持するナセル３と、略鉛直方向に設置されるとともにナセル３をヨー回転自在に支持するタワー４と、ナセル３に設置された増速機５及び発電機６と、発電機６をロータ１に対する左右方向Ａに移動自在に支持する支持機構としてのレール機構７と、主軸２に対する直交２軸方向に発電機６を移動自在にして主軸２の回転を発電機６に伝達可能に連結する自在継手８と、ダンパ９とを備えて構成される。本水平軸風車は発電機６が搭載されることにより風力発電装置として構成されている。

増速機５は、主軸を支持しており、ロータ１と発電機６との間に設けられる。増速機５は、ロータ１の回転を増速して発電機６に伝達する。増速機５の高速出力軸と発電機６の入力軸とが自在継手８により連結されている。

図２に示すように、レール機構７は、ナセル３内底部に固定設置された架構３ａ上に固定されたレール７ａと、発電機６の底面に固定されレール７ａと摺動可能に連結される脚部７ｂとにより構成される。レール７ａは、水平面内において主軸と直行する方向Ａに延設されている。従って、発電機６は、脚部７ｂを介してレール７ａ上に搭載され方向Ａに滑走可能に支持される。レール７ａにはその上部において左右両側に突出する突出部が設けられ、脚部７ｂには下方に向かって開口する凹部が設けられており、レール７ａの突出部が脚部７ｂの凹部に左右と上下の両側から覆うように嵌合される。
このため、発電機６のロータ１に対する前後方向及び上下方向への移動を阻止してレール７ａからの脱落が阻止される。なお、レール７ａの突出部が脚部７ｂの凹部はそれぞれ方向Ａに向かって連続的に設けられる。

図３に示すように、従来技術にあっては、増速機５の高速出力軸５ａと発電機６の入力軸６ａと連結は、カップリング１０により行われる。カップリング１０を高速出力軸５ａ及び入力軸６ａに板バネ１１を挟んでボルト連結する。増速機５と発電機６との配置上の多少の軸ずれ量は、板バネ１１の変形により補填することができる。
しかし、かかる従来の連結構造では、振動に伴った発電機６の動的な軸ずれ移動を自在にすることはできない。
そこで本実施形態においては、図４に示すように増速機５の高速出力軸と発電機６の入力軸とを連結する連結機構として自在継手８を設ける。
図４(c)に示すように自在継手８は、増速機５との連結部８ａ及び発電機６との連結部８ａのそれぞれに２軸継手が構成されるもので、一般的に利用されているものである。
ロータ１と増速機５との間に自在継手８を設けないのは、ロータ１と増速機５との間に自在継手８を設けると、主軸２を支持するスパンが短くなりすぎる、或いは、そのスパンを十分にとるために増速機５の前方に主軸２を支持するスパンをとると、ナセルが主軸方向に長大化するからである。

本水平軸風車の制振機構は、発電機６を制振用の重量物として利用し、発電機６とナセル３との間にそれらを連結するように方向Ａについて設けられたダンパ９を設けることで構成される。
ダンパ９として、バネダンパ、オイルダンパ、エアーダンパ等を適用し、圧力等が可変制御されないパッシブダンパのみを採用することによりパッシブ制振機構を構成することができる。

一方、アクティブ制振機構を構成するには、図５に示すように構成する。
図５(a)に示すようにアクティブ制振機構は、方向Ａについてのナセル３に対する発電機６の変位ｘを検出するセンサ１２と、発電機６とナセル３との間に設けられ方向Ａについて発電機６に力を作用するアクチュエータ１３と、センサ１２の検出値に基づきアクチュエータ１３に振動を減衰させる力ｆｃを作用させる制振制御装置１４とを備えて構成される。

図５(a)において、発電機６の質量はＭ、発電機６に入力される振動源となる外力はｆ、発電機６の変位はｘ、パッシブダンパの減衰係数はＣ、そのバネ定数はＫである。
重量物としての発電機６の伝達関数を図５(b)の上段ブロック内に、制振制御装置１４の伝達関数Ｇｃを下段ブロック内に示した。図５(b)において、Ｆ(s)は、重量物としての発電機６に入力される外力値、Ｘ(s)は、その結果としての発電機６の変位値、Ｆc(s)は、重量物としての発電機６に入力されるアクチュエータ１３の作用力値である。

制振制御装置１４は、図５(b)のブロック線図に示すようにして、センサ１２で検出される変位値Ｘ(s)からアクチュエータ１３の作用力値Ｆc(s)を算出して、その値の作用力ｆｃを外力ｆと反対方向に入力して発電機６の振動を減衰させる。

図５(b)のブロック線図に基づき、フィードバック制御無しの場合、センサ１２で検出される振動の加速度に対するフィードバック制御をした場合、センサ１２で検出される振動の速度に対するフィードバック制御をした場合、センサ１２で検出される振動の変位に対するフィードバック制御をした場合のそれぞれにつき周波数応答、ステップ応答を解析し、図６、図７に示した。
なお、伝達関数Ｇｃの式においてＫａ＝Ｋｖ＝Ｋｐ＝０とすれば、フィードバック制御無し、Ｋｖ＝Ｋｐ＝０とすれば、加速度に対するフィードバック制御、Ｋａ＝Ｋｐ＝０とすれば、速度に対するフィードバック制御、Ｋａ＝Ｋｖ＝０とすれば、変位に対するフィードバック制御となる。
図６において縦軸の「振幅比」は、外力Ｆｆの振幅に対する変位ｘの振幅の比である。図７において縦軸の「変位」は、発電機６の変位ｘである。

図６、図７に示すように、センサ１２で検出される振動の速度に対するフィードバック制御をした場合、及び変位に対するフィードバック制御をした場合において、振動減衰効果が得られ、速度に対するフィードバック制御をした場合において最も高い振動減衰効果が得られた。
本発明の適用により制振専用の重量物を付加せずに制振装置を構成でき、振動減衰効果が得られるため、仮にタワー高さ６０ｍで、定格出力２ＭＷの風車の場合、構造減衰比を0.5%から10%に増加させることにより、質量約８tを低減できる。これは、30万円/tを想定すると、１機あたり240万円のコスト低減効果に相当する。地震時に、共振点付近で加振する風車に本発明を適用すると効果的である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態につき説明する。
本実施形態の水平軸風車は、上記第１の実施形態に対して発電機を移動自在にする所定の方向を主軸２の軸方向Ｂに変更した形態であり、その他は同様の構成を有する。上記第１実施形態と同一の要素に同一の符号を付する。

本実施形態における連結機構は、主軸２の軸方向Ｂに移動自在にするスプライン１５である。スプライン１５は、例えば軸方向に溝が切られたスプライン軸に外嵌される外筒軸を軸方向に直線動作させる構造による直線運動機構であって、トルクを伝達できるものであり、既に回転伝達軸として一般に利用されている。
増速機５の高速出力軸と発電機６の入力軸との連結にスプライン１５を適用し、レール機構７の案内方向及びダンパ９の適用方向を軸方向Ｂとすることにより、ロータ１に対する前後方向の振動を制振する制振機構を構成することができる。
その他の制御構成等は上記第１実施形態と同様のものが適用できる。

１ ロータ
２ 主軸
３ ナセル
４ タワー
５ 増速機
６ 発電機
７ レール機構
８ 自在継手
９ ダンパ

Claims (7)

1. ハブと１枚又は２枚以上のブレードとを有するロータと、
   前記ロータを主軸を介して回転自在に支持するナセルと、
   略鉛直方向に設置されるとともに前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
   前記ナセルに設置された発電機と、
   前記発電機を所定の方向に移動自在に支持する支持機構と、
   前記主軸に対して前記発電機を少なくとも前記所定の方向に移動自在にして前記主軸の回転を前記発電機に伝達可能に連結する連結機構とを備え、
   前記発電機を制振用の重量物として制振機構が構成された水平軸風車。
2. 前記支持機構はレール機構である請求項１に記載の水平軸風車。
3. 前記所定の方向は前記主軸に直交する方向とされ、前記連結機構は前記主軸に直交する方向に前記発電機を移動自在にする自在継手である請求項１に記載の水平軸風車。
4. 前記所定の方向は前記主軸の軸方向とされ、前記連結機構は前記主軸の軸方向に前記発電機を移動自在にするスプラインである請求項１に記載の水平軸風車。
5. 前記ロータと前記発電機との間に設けられ前記ロータの回転を増速して前記発電機に伝達する増速機を備え、
   前記増速機と前記発電機とを前記連結機構が連結する請求項１に記載の水平軸風車。
6. 前記制振機構は、前記発電機と前記ナセルとの間に前記所定の方向に伸縮するダンパを備えて構成される請求項１に記載の水平軸風車。
7. 前記制振機構は、前記所定の方向についての前記ナセルに対する前記発電機の振動を検出するセンサと、前記発電機と前記ナセルとの間に設けられ前記所定の方向について前記発電機に力を作用するアクチュエータと、前記センサの検出値に基づき前記アクチュエータに前記振動を減衰させる力を作用させる制振制御装置とを備えて構成される請求項１に記載の水平軸風車。

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