JP5550756B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風車翼のピッチ角を制御する電動ピッチ駆動装置を備えた風力発電装置に関する。

風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして駆動される発電機により発電する装置である。
上述したロータヘッドは、風車用タワー上に設置されてヨー旋回可能なナセルの端部に取り付けられ、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能となるように支持されている。

このような風力発電装置は、風速に応じて出力を制御するため、風車翼の角度を変えるピッチ制御を行っている。
従来のピッチ駆動装置としては、油圧を用いた油圧ピッチ駆動装置や、電動機を用いた電動ピッチ駆動装置（たとえば、特許文献１参照）が知られている。

米国特許第７７１７６７３号公報

従来の電動ピッチ駆動装置は、駆動源となる電動機と、電動機の駆動力で減速機を介して回動するピニオンギアとを備え、ロータヘッド側に固定支持されている。一方、風車翼は、ピニオンギアと噛合するリングギアを備えており、その基端部（根元）側が軸受を介してロータハブに取り付けられている。従って、風車翼は、ピニオンギアの回動量に応じて、ピニオンギアと噛合するリングギアと一体に風車翼全体がロータハブに対して回動するので、風車翼のピッチ角を所望の値に変化させることができる。

このようなピッチ駆動機構は、たとえばリングギアの歯が損傷した場合など、風車翼全体を交換する必要があった。この際、クレーン等の機材を用いた高所作業が必要である。

上述した高所作業は、クレーンの手配等に多大なコストを要するだけでなく、作業時間も長くなるという問題を有している。特に、洋上や山間部等に設置されている風力発電装置は、クレーン等の機材が容易に近づけないことも多く、高コストの高所作業に加えて、長時間の運転停止による損失も大きな問題となる。

一方、本発明者等は、電動ピッチ駆動機構の動作を検証したところ、ピッチ角の頻度は一部分に集中しており、９５度以上動かすことはないとの知見を得た。すなわち、ピッチ角制御時にピニオンギアと噛合するリングギアの噛合範囲は、リングギアの歯が風車翼の全周（３６０度）にわたって設けられているにもかかわらず、実際には略１／４程度になる９５度程度の角度範囲しか使用されていないことになる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、風車翼の全周にわたって設けられているリングギアの歯を有効利用することにより、リングギアの歯が損傷してもクレーン等を用いた高所作業の回数を低減できる電動駆動ピッチ制御装置を備えた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、下記の手段を採用した。
本発明の風力発電装置は、風車翼側のリングギアと噛合するピニオンギアを電動機により駆動してピッチ角を制御する電動ピッチ駆動装置を備えている風力発電装置において、前記ピニオンギアとピッチ角制御時に噛合する前記リングギアのピッチ角制御時噛合範囲を変化させる噛合範囲可変機構を設け、前記リングギアは上端部側にフランジ部を備え、前記風車翼は風車翼本体と連結リングとを備え、前記噛合範囲可変機構は前記リングギアの前記フランジ部と前記風車翼の前期連結リングとの間に設けた固定／固定解除切替手段であることを特徴とするものである。

このような本発明の風力発電装置によれば、ロータヘッド側に固定支持されて回動するピニオンギアとピッチ角制御時に噛合するリングギアのピッチ角制御時噛合範囲を変化させる噛合範囲可変機構を設けたので、リングギアの歯が損傷した場合には、通常３６０度の範囲に形成されているリングギアと噛合するピニオンギアとの噛合範囲を変化させ、リングギアのピッチ角制御時噛合範囲を損傷のない領域に移動させることができる。すなわち、リングギアの歯が損傷しても、噛合範囲可変機構により９５度程度しか使用しないピッチ角制御時噛合範囲を周方向に移動させて変化させれば、噛合範囲を損傷のない領域に変化させることができ、リングギアを交換しなくても必要なピッチ角制御を行うことが可能になる。
また、リングギアが破損する前にピニオンギアとの噛合範囲を変化させることにより、リングギアの設計寿命を短縮することも可能である。

そして、本発明の風力発電装置は、リングギアが上端部側にフランジ部を備え、風車翼が風車翼本体と連結リングとを備え、噛合範囲可変機構がリングギアのフランジ部と風車翼の連結リングとの間に設けた固定／固定解除切替手段であるから、リングギアの歯が損傷した場合には、固定／固定解除切替手段によりリングギアと風車翼との間の固定を解除し、リングギア自体を周方向に回転させると、固定側のピニオンギアと噛合するピッチ角制御時噛合範囲を損傷のない領域に変化させることができる。

この場合の固定／固定解除切替手段としては、たとえば風車翼に対して複数のボルト・ナットを用いてリングギアを固定する構造があり、リングギアの固定を解除した状態でピニオンギアを回転させれば、風車翼に対してリングギアを回転させることができる。
なお、通常の風車翼は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製であるから、ボルト・ナットでリングギアを固定する風車翼側には、金属製の連結リングを設けておくことが望ましい。

上記発明の参考例となる噛合範囲可変機構には、ロータハブ側のリングギア周方向に複数箇所設けられて選択可能な前記電動ピッチ駆動装置の固定支持部があり、これにより、ピニオンギアをロータヘッドに固定支持する位置を周方向に移動させて、リングギアのピッチ角制御時噛合範囲を損傷のない領域に変化させることができる。
なお、この場合のピニオンギア固定支持部は、周方向に等ピッチで２〜４箇所を予め設けておくことが望ましい。

また、参考例の電動ピッチ駆動装置の噛合方法は、風車翼側のリングギアと噛合するピニオンギアを電動機により駆動してピッチ角を制御する電動ピッチ駆動装置の配置変更方法であって、前記リングギアの歯の損傷時に、前記リングギアと前記風車翼との間の固定を解除し、前記リングギアを周方向に回転し、前記ピニオンギアとピッチ角制御時に噛合する前記リングギアのピッチ角制御時噛合範囲を変更することを特徴とするものである。

このような参考例の電動ピッチ駆動装置の噛合方法によれば、リングギアの歯の損傷時に、リングギアと風車翼との間の固定を解除し、リングギアを周方向に回転し、ピニオンギアとピッチ角制御時に噛合するリングギアのピッチ角制御時噛合範囲を変更することにより、固定側のピニオンギアと噛合するリングギアのピッチ角制御時噛合範囲を損傷のない領域に変化させることができる。

上述した本発明によれば、電動駆動ピッチ制御装置のリングギアに歯の損傷が生じた場合、噛合範囲可変機構によりピッチ角制御時噛合範囲を周方向に移動させて変化させることができるため、クレーン等の機材を用いた高所作業によりリングギア交換しなくても、歯に損傷のない領域を使用してピッチ角制御を行うことが可能になる。すなわち、ピッチ角制御時噛合範囲が９５度程度であるとの知見に基づき、風車翼の全周にわたって設けられているリングギアを有効利用し、低コスト及び短時間で電動駆動ピッチ制御装置を修復できるようにしたので、修復に要するコストや風力発電装置の運転停止による損失を低減できる。
さらに、リングギアが破損する前にピニオンギアとの噛合範囲を変更することも可能であり、この結果、リングギアの設計寿命を短縮してコストダウンを達成できる。

本発明に係る風力発電装置の参考例として、電動駆動ピッチ制御装置の噛合範囲可変機構を備えたロータハブの構成例を示す斜視図である。 電動駆動ピッチ制御装置のピニオンギアがロータハブに固定支持されているピニオンギア周辺構造を示す断面図である。 電動駆動ピッチ制御装置において、ピニオンギアとリングギアとがピッチ角制御時に噛合するピッチ角の頻度を示す図である。 本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、電動駆動ピッチ制御装置の噛合範囲可変機構を備えた風車翼の構成例を示す要部断面斜視図である。 図４における軸受内輪、連結リング及び風車翼本体の連結構造例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の概要を示す側面図である。

以下では、本発明に係る風力発電装置について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図６に示した風力発電装置１は、基礎６上に立設される風車用タワー（以下では「タワー」と呼ぶ）２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３の前端部側に設けられるロータヘッド４Ａとを有している。

ロータヘッド４Ａ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５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４Ａの回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４Ａ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。

上述した風車翼５は、風速に応じて出力を制御するため、たとえば図１及び図２に示すように、風車翼５のピッチ角を制御する電動ピッチ駆動装置１０を備えている。この電動ピッチ駆動装置１０は、ロータハブに固定支持されて、図示しない制御装置からの指令に応じて、風車翼５側のリングギア１１と噛合するピニオンギア１２を電動機１３により回動駆動するものである。
なお、通常の電動ピッチ駆動装置１０は、電動機１３とピニオンギア１２との間に介在する減速機１４を備えており、以下の説明では、電動機１３、減速機１４及びピニオンギア１２を総称してピニオン駆動機構ＰＤと呼ぶことにする。

また、図示の風車は、ロータハブ４に対して、風車翼５が軸受１５を介して回動可能に支持されている。この場合、軸受１５は、外輪１５ａと内輪１５ｂとの間に多数の転動体１５ｃを挟持した構成の転がり軸受とされ、外輪１５ａがロータハブ４側に連結されて固定側となる。これに対し、内輪１５ｂには、ピッチ角制御により回動する風車翼５の基端部（根元）が連結され、さらに、内輪１５ｂの内周面には、リングギア１１が設けられている。

従って、固定側のロータハブ４及び外輪１５ａに対して、風車翼５及び内輪１５ｂがピニオンギア１２と噛合するリングギア１１とともに回動するので、風車翼５のピッチ角を変化させるピッチ角制御が可能となる。すなわち、ロータハブ４に固定支持されたピニオン駆動機構ＰＤのピニオンギア１２が電動機１３に駆動されて回動すると、ピニオンギア１２と噛合するリングギア１１が軸受１５の内輪１５ｂ及び風車翼５と一体に回動するので、ロータハブ４に対して風車翼５のピッチ角が可変となる。

上述した風力発電装置１の電動ピッチ駆動装置１０に対し、本実施形態の参考例では、ロータハブ４側に固定支持されるピニオン駆動機構ＰＤのピニオンギア１２とピッチ角制御時に噛合するリングギア１１のピッチ角制御時噛合範囲を変化させる噛合範囲可変機構が設けられている。
すなわち、本実施形態の参考例として図１に示す噛合範囲可変機構は、ロータハブ４側に予め複数箇所設けて選択可能としたピニオン駆動機構固定支持部２０の構成例である。図１に示す参考例では、４箇所のピニオン駆動機構固定支持部２０が、ロータハブ４に開口する翼取付穴４ａの内側へ突出した位置に設けられている。

すなわち、上述したピニオン駆動機構固定支持部２０は、リングギア１１の周方向に９０度ピッチで４箇所設けられており、実際にピニオン駆動機構ＰＤの固定支持に使用するのは、適宜選択した一箇所のみである。従って、残る３箇所については、ピニオン駆動機構ＰＤを設置しないピニオンギ駆動機構固定支持部２０となる。
なお、ピニオン駆動機構固定支持部２０は、上述した４箇所に限定されることはなく、たとえば周方向に１８０度ピッチで２箇所や１２０度ピッチで３箇所を予め設けてもよい。

図示のピニオン駆動機構固定支持部２０は、ロータハブ４から翼取付穴４ａ内に突出する設置座面２１を設け、この設置座面２１に取付穴２２を開口させた構成になっているが、このような構成に限定されることはない。
なお、他の構成例としては、たとえばロータハブ４に開口する翼取付穴４ａの周辺を補強するため、翼取付穴４ａを横断するように形成されるリブを利用して取付穴２２を開口させるものがある。

このように、複数のピニオン駆動機構固定支持部２０を予め設けておくと、リングギア１１の歯が部分的に破損した場合や破損の予兆が発見された場合などには、他のピニオン駆動機構固定支持部２０を使用することにより、ピニオンギア１２をロータハブ４に固定支持する位置がリングギア１１の周方向に移動する。たとえば図１に示す位置変更例では、位置変更前のピニオン駆動機構ＰＤａがリングギア１１の周方向へ９０度移動し、位置変更後のピニオン駆動機構ＰＤｂとなる。
なお、ピニオン駆動機構ＰＤの位置変更後には、エンコーダの０点調整を行うキャリブレーションを実施する。

すなわち、リングギア１１の歯が破損し得る領域は、図３に示すように、ピニオンギア１２と噛合してピッチ角制御を行っていた略９５度のピッチ角制御時噛合範囲である。なお、図３において、横軸はピッチ角、縦軸は頻度であり、風力発電装置１の運転時に実施されるピッチ角制御の頻度は、ピッチ角度が概ね１５度〜４５度の範囲及び概ね１１０度周辺の範囲であるから、実際に使用されるリングギア１１は、略９５度（１５度から１１０度まで）の範囲となる。

このため、このピッチ角制御時噛合範囲から９０度ずらして、リングギア１１に損傷のない領域に新たなピッチ角制御時噛合範囲を設定すれば、リングギア１１を交換しなくてもピッチ角制御が可能になる。
なお、リングギア１１の歯がピッチ角制御時噛合範囲の端部付近で破損した場合には、反対側へ９０度または１８０度ずらした位置にあるピニオン駆動機構固定支持部２０を使用し、新たなピッチ角制御時噛合範囲内に破損した歯が入らないようにすればよい。

続いて、本発明に係る風力発電装置１の一実施形態として、電動ピッチ駆動装置１０の噛合範囲可変機構を備えた風車翼５の構成例を図４及び図５に基づいて説明する。なお、上述した参考例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態の噛合範囲可変機構は、リングギアと風車翼との間に設けた固定／固定解除切替手段３０である。

図示の固定／固定解除切替手段３０は、たとえば風車翼５Ａに対して複数のボルト・ナット３１を用いてリングギア１１Ａを固定する構造である。
本実施形態のリングギア１１Ａは、上端部側に形成されたフランジ部１１ａを備えている。このフランジ部１１ａは、ボルト・ナット３１によりリングギア１１Ａを風車翼５Ａに固定するための部分である。

一方、風車翼５Ａは、ＦＲＰ製の風車翼本体５ａと内輪１５ｂとの間に金属製の連結リング３２を介在させた構成とされる。この連結リング３２は、リングギア１１Ａのフランジ部１１ａと一致する位置に用いられており、ボルト・ナット３１によるリングギア１１Ａの固定は、金属部品である連結リング３２に対して行われるようになっている。
なお、内輪１５ｂ、連結リング３２及び風車翼本体５ａは、たとえば図５に示すように、風車翼本体５ａに埋め込まれた多数の埋込ボルト・ナット３３により連結されている。

このような構成とすれば、リングギア１１Ａの固定を解除した状態でピニオンギア１２を回転させれば、風車翼５Ａに対してリングギア１１Ａを回転させることができる。すなわち、ボルト・ナット３１を取り外した後、ロータハブ４に固定設置されているピニオンギア１２を回転させれば、風車翼５Ａに対してフリーとなったリングギア１１Ａが回転するので、ピニオンギア１２との噛合位置が移動し、リングギア１１Ａの歯が損傷した部分をピッチ角制御時噛合範囲外とすることができる。この場合も、リングギア１１Ａを回転させて、ボルト・ナット３１を取り付けて固定した後には、エンコーダの０点調整を行うキャリブレーションを実施する。
なお、リングギア１１Ａと、連結リング３２及び内輪１５ｂとの接触面には、摩擦力が低減するように表面処理を施したり、給油溝を設けて回転時に給油しておくことなどにより、リングギア１１Ａのスムーズな回転が可能になる。

換言すれば、固定／固定解除切替手段のボルト・ナット３１を設けたことにより、ボルト・ナット３１を取り外してリングギア１１Ａと風車翼５Ａとの間の固定を解除すれば、リングギア１１Ａを周方向に回転させて、固定側のピニオンギア１２と噛合するピッチ角制御時噛合範囲を損傷のない領域に変化させることができる。
なお、上述した連結リング３２は、ＦＲＰ製の風車翼本体５ａにボルト・ナット３１でリングギア１１Ａを固定すると強度面の懸念があるため、風車翼５Ａ側に金属製の部材を設けたものである。

このように、上述した本実施形態及び参考例の風力発電装置１によれば、リングギア１１，１１Ａに歯の損傷が生じた場合、損傷の予兆が発見された場合、あるいは所定の設計寿命が近づいた場合など、噛合範囲可変機構によりピッチ角制御時噛合範囲を周方向に移動させて変化させることができる。このため、クレーン等の機材を用いた高所作業によりリングギア１１，１１Ａを交換しなくても、歯に損傷のない領域を使用してピッチ角制御を行うことが可能になる。

すなわち、風車翼５，５Ａの全周（３６０度）にわたって設けられているリングギア１１，１１Ａの歯を有効利用し、低コスト及び短時間で風力発電装置１の運転を再開することができるので、運転停止による損失も低減できる。
また、リングギア１１，１１Ａが破損する前に噛合位置を変更する場合、損傷の予兆を発見して変更することで、簡単な作業による速やかな処置が可能になるので、運転停止時間を最小限に抑えることができる。

また、リングギア１１，１１Ａが破損する前に噛合位置を変更するようにすれば、リングギア１１，１１Ａの設計寿命を短縮してコストダウンすることも可能である。すなわち、ピニオンギア１２と噛合する領域を分散させることにより、実際にピニオンギア１２と噛合する時間が短くなるので、リングギア１１，１１Ａの設計寿命を半分以下に短縮してコストダウンすることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば軸受の外輪側に歯車を形成してピニオンギアと噛合する構成や、連結リングを用いずに、軸受の内輪に直接リングギアを固定する構成など、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。

１ 風力発電装置
２ 風車用タワー
３ ナセル
４Ａ ロータヘッド
４ ロータハブ
４ａ 翼取付穴
５，５Ａ 風車翼
１０ 電動ピッチ駆動装置
１１，１１Ａ リングギア
１２ ピニオンギア
１５ 軸受
２０ ピニオン駆動機構固定支持部（噛合範囲可変機構）
２１ 設置座面
２２ 取付穴
３０ 固定／固定解除切替手段（噛合範囲可変機構）
３１ ボルト・ナット
３２ 連結リング
ＰＤ ピニオン駆動機構

Claims (1)

1. 風車翼側のリングギアと噛合するピニオンギアを電動機により駆動してピッチ角を制御する電動ピッチ駆動装置を備えている風力発電装置において、
   前記ピニオンギアとピッチ角制御時に噛合する前記リングギアのピッチ角制御時噛合範囲を変化させる噛合範囲可変機構を設け、
   前記リングギアは上端部側にフランジ部を備え、前記風車翼は風車翼本体と連結リングとを備え、前記噛合範囲可変機構は前記リングギアの前記フランジ部と前記風車翼の前期連結リングとの間に設けた固定／固定解除切替手段であることを特徴とする風力発電装置。

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