JP5992056B2 - 風力発電プラントのローターブレードを固定するための組立体 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電プラントのローターブレードを固定するための組立体に関する。

現代の風力エネルギープラントは、ローターに加えられる空気力学的な力を変化させることによって、電力およびローター速度の制御を提供する。通常、これは、ローターブレードのピッチを変化させることによって行われる。風力エネルギープラントまたは風力タービンの運転は、２つの状況(regime)に分けることが可能である。第１の状況では、より低い風速において、発電プラントの運転中のピッチ動作は必要でない。ローターブレードは、最適な空気力学的な位置に固定または保持される。第２の状況では、典型的に１２ｍ／ｓを超えるより高い風速において、または、荒れ狂う風の状態において、風力タービンの運転中に、ピッチ動作（すなわち、ローターブレードのピッチ角度の頻繁な調節）が必要である。２つの状況の間の移行が、例えば、強くなる風のために起こることとなる。

しかし、ほとんどの時間、ローターブレードは、２つの固定位置（例えば、より低い風速に関連する位置、および、風力タービンが停止されるときの状態に関連する位置）のうちのいずれかにある。そして、ローターブレードは、ピッチドライブのシャフトに加えられるブレーキ力によって、特定の位置に保持される。次いで、ピッチドライブは、スイッチが切られる。ブレーキは、フェイルセーフのブレーキである。これは、電力が加えられているときにブレーキが開き、電力供給が遮断されているときにはブレーキが閉じているということを意味している。この先行技術の構成の利点は、ギヤおよびギヤ変速比に起因して、小さいブレーキトルクに対して、ブレーキを寸法決めすることが可能であるということである。

この解決策の欠点のうちの１つは、ローターブレードのギヤボックスの駆動かさ歯車と噛み合う軸受の環状ギヤによって引き起こされる遊びによって、ブレーキが最大トルクで閉じられているときでさえも、ローターブレードが移動することが可能となるということである。これは、これらのコンポーネントの望ましくない摩耗および摩滅を結果として生じさせる。

ローターブレードを回転させるためのピッチドライブまたは他のコンポーネントが交換される場合には、先述のブレーキシステムは、機能しなくなり、メンテナンスまたはアフターサービス作業が完了するまで、ローターブレードを固定することができない。

別の欠点は、タービン設計から結果として生じる最大トルクにしたがって、ブレーキは寸法決めされなければならないということである。そして、ブレーキの公称トルクは、ピッチドライブによって実現され得るピークトルクよりも大きくなることが多い。ブレーキが、故障に起因して閉じている場合には、ローターブレードは、もはや回転させることが可能ではなく、ブレードは、故障が起こったときと思われる位置のままである。

この問題を回避するために、ピッチドライブは、さらに大きいトルクを有し、ブレーキ力を圧倒するように構成されなければならない。これは、ピッチドライブに関する寸法およびコストを増加させる。

独国特許出願第ＤＥ１０２００９００８６０７号は、ローターブレードを任意の位置に固定するためのロッキングメカニズムを開示している。しかし、ローターブレードがロックされると、それは、もはや移動させることはできない。

上述の欠点を克服するための他の可能性は、冗長ブレーキシステムであり、冗長ブレーキシステムでは、２つのブレーキが設けられ、そのそれぞれが、最大必要トルクの半分を加える。ブレーキのうちの１つが機能しなくなった場合には、ピッチドライブは、依然として、ローターブレードを回転させることが可能である。しかし、冗長ブレーキシステムは、より多くのコンポーネントを必要とする。

本発明の目的は、風力発電プラントのローターブレードを固定するための組立体、および方法、ならびに、上述の欠点を克服するピッチ角度調節手段を備えた風力発電プラントを提供することである。

本発明の１つの態様では、ローターブレードと、ピッチ調節手段と、ローターブレードのための軸受と、ローターブレード軸受とローターブレードルート部との間に連結されているブレーキディスクとを含む、風力発電プラントのローターブレードを固定する（ローターブレードを特定のピッチ角度に保持する）ための組立体が存在する。組立体は、電気機械的なブレーキをさらに含み、電気機械的なブレーキは、制御されたブレーキ力をブレーキディスクに加えるように構成されており、ブレーキ力は、ローターブレードのピッチ角度の関数である。

電気機械的なブレーキは、ローターブレードの第１の位置において、第１の制御されたブレーキ力をブレーキディスクに加えるように構成することが可能であり、ローターブレードの第２の位置において、第２の制御されたブレーキ力を加えるように構成することが可能である。制御されたブレーキ力は、機械的なブレーキングトルクであり、機械的なブレーキングトルクは、ブレーキディスクに加えられ、それによって、ローターブレードに加えられる。このことは、任意の時間に、および、ローターブレードの任意のピッチ角度で、最適なブレーキ力が加えられることを可能にする。

ピッチ調節手段は、電気式の、機械式の、もしくは液圧式の、または、これらの概念の組み合わせであることが可能である。

ピッチ調節手段は、ピッチドライブ、および、ピッチドライブのためのギヤを含むことが可能である。ピッチ調節手段は、単一のピッチドライブ、または、複数のピッチドライブを含むことが可能である。

ブレーキディスクは、ローターブレード軸受とローターブレードルート部との間に連結することが可能である。

ブレーキディスクは、ローターブレードの一体型のコンポーネントであることが可能である。これは、実質的に簡単化された構成であり得る。

しかし、ローターブレードルート部の中に位置付けされている別々のブレーキディスクが、ローターブレードルート部を安定化させるのに有用である可能性がある。

別の実施形態では、ブレーキディスクおよび電気機械的なブレーキは、ローターブレードルート部の外側に位置付けすることが可能である。

ブレーキディスクは、風力発電プラントのハブに連結することが可能である。

電気機械的なブレーキは、ローターブレードルート部の上に装着することが可能である。電気機械的なブレーキおよびブレーキディスクは、両方とも、風力発電プラントのハブの外側に位置付けすることが可能である。

本発明の態様による組立体は、ある位置（あるピッチ角度）において、常時オフ型のブレーキ（ポジティブブレーキとも称される）として、および、別の位置（別のピッチ角度）において、常時オン型のブレーキ（フェイルセーフブレーキまたはネガティブブレーキとも称される）として、電気機械的なブレーキを制御するように構成することが可能である。

２つの位置またはピッチ角度は、第１および第２の位置、または、換言すれば、第１および第２のピッチ角度であることが可能である。

第１の位置（ピッチ角度）において、ピッチドライブによって提供されるトルクがブレーキ力を圧倒可能に、ブレーキ力を構成することが可能である。

換言すれば、第１の位置において、結果として生じるブレーキトルクが、ピッチ調節手段によって提供され得る最大トルクよりも低くなるように、ブレーキ力が構成され得るということが有利である。

第１の位置は、有利には、通常運転位置または作用位置（すなわち、ローターブレードの対応するピッチ角度）であることが可能である。通常運転位置または作用位置は、有利には、ブレードの最適な空気力学的な位置（ピッチ角度）であることが可能である（そのために、ブレードは設計されている）。

ある実施形態では、第１の位置（ピッチ角度）は、０°の位置であることが可能である。そして、０°の位置は、通常運転位置であることが可能である。

第２の位置（ピッチ角度）において、ピッチドライブによって提供されるトルクがブレーキ力を圧倒可能でないように、ブレーキ力を構成することが可能である。

換言すれば、第２の位置において、結果として生じるブレーキトルクが、ピッチ調節手段によって提供され得る最大トルクよりも高くなるように、ブレーキ力が構成され得るということが有利である。

有利には、第２の位置（ピッチ角度）は、９０°の位置またはフェザリング（ピッチを変更して空気抵抗を減らす）位置であることが可能である。これは、風力タービンの緊急シャットダウンにおいて、有利である可能性がある。そのような場合には、ローターは、可能な限り早く止められなければならず、したがって、ローターブレードは、フェザリング位置、または、９０°のピッチ角度へ移動させられ、最大の風の抵抗を発生させ、かつ、ローターを減速させる。また、この９０°ピッチ角度は、「フェザリング位置」または「フェザー位置」とも称される。また、フェザリング位置は、アフターサービスおよびメンテナンスのためのものとも考えられる。この位置において、ローターブレードは、もはや回転させることはできない。

ローターブレードに直接的に連結されているブレーキディスクに、ブレーキ力またはブレーキングトルクを加える、連続的に調節可能なブレーキ力（すなわち、調節可能な機械的なブレーキングトルク）を備えるブレーキを使用することによって、先行技術の様々な欠点を克服する。

本発明の有利な実施形態では、ブレーキは、電気的なブレーキドライブと、電気的なブレーキドライブの作用をブレーキシューの運動に変換するためのトランスミッションとを含む、電気機械的なブレーキである。電気機械的なブレーキを使用することは、主要電源が機能しなくなった場合に、非常電源によってブレーキを作動することが可能であるという利点を提供する。風力発電プラントは、通常、非常電源を装備している。

本発明の有利な実施形態では、ブレーキ力は、所定の回転角度に到達すると、最大ブレーキ力を加えるように調節することが可能である。ピッチドライブのための任意の安全メカニズムが機能しなくなった場合には、ローターブレードをブレーキによって固定することが可能である。

また、本発明は、本発明の態様および実施形態による組立体を含む風力エネルギープラントも提供する。

本発明は、本発明の態様による組立体を含む、いくつかの風力エネルギープラントを含む風力発電ファームを提供する。

本発明は、風力発電プラントのローターブレードを固定するための方法をさらに提供する。風力発電プラントは、ローターブレードと、ピッチ調節手段と、ローターブレードのための軸受と、ブレーキディスクとを含む。そして、制御されたブレーキ力をブレーキディスクに加えることが可能であり、ブレーキ力は、ローターブレードのピッチ角度の関数である。

そして、ローターブレードの第１の位置において、第１の制御されたブレーキ力をブレーキディスクに加えることが可能であり、ローターブレードの第２の位置において、第２の制御されたブレーキ力をブレーキディスクに加えることが可能である。

本発明のさらなる態様は、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施形態の以下の説明の結果として生じることとなる。

簡略化された風力エネルギープラントを示す図である。 図１の風力エネルギープラントの簡略化された詳細図である。 本発明の実施形態による風力発電プラントのローターブレード、ローターブレードルート部、および、ハブの一部を通る簡略化された断面図である。 本発明の態様による運転を図示する簡略化されたフローチャートである。

図１は、風力エネルギープラント２の簡略図であり、風力エネルギープラント２は、発電機６を担持する支持構造体４を有し、発電機６は、ローターを有し、ローターは、ローターブレード１０を担持するローターハブ８を備えており、ローターブレード１０は、ピッチ軸線ＰＡの周りに、ピッチ角度αＰだけ回転可能である。

図２は、風力エネルギープラント２の運転中にローター軸線ＲＡの周りに回転するローターハブ８のより詳細な簡略図である。ローターハブ８は、ローターブレード１０を担持しており、ローターブレード１０は、ピッチ軸線ＰＡの周りに、ピッチ角度αＰだけ回転可能である。環状ギヤ１２（環状の軸受を備える）が、ローターブレード１０に固定されている。ピッチドライブＰＤが、ローターハブ８に固定されている。ピッチドライブＰＤは、被駆動シャフトを有する電気モーター１３を含み、被駆動シャフトは、遊星歯車１４の駆動シャフト（ファースト（ｆａｓｔ）シャフト）に装着されている。遊星歯車１４の被駆動シャフトは、環状ギヤ１２と係合する駆動かさ歯車１６に装着されている。ピッチドライブＰＤは、駆動かさ歯車１６を角度αだけ回転させることによって、環状ギヤ１２にトルクＭを加える。

理解を簡単化するために、この明細書の文脈において、トルクＭは、対応するトルクベクトルによってというよりも、回転の方向によって示されている。この点において、回転の方向は、対応するトルクＭに応答したピッチドライブＰＤの自由な動きに対応している。対応するトルクベクトルは、公知の右手の法則の助けによって、回転の方向から導くことが可能である。したがって、ピッチドライブＰＤによって加えられるトルクは、Ｍによって示されており、Ｍは、駆動かさ歯車１６の回転の角度と同じ方向に方向付けされている。

別の実施形態では、複数のピッチドライブを使用することが可能である。

そのうえ、本発明は、また、ピッチ調節手段を適用し、ピッチ調節手段は、液圧式または機械式のいずれかである。

ブレードトルク（回転の方向ＭＢによって示されている）は、ローターブレード１０の上の空気力学的な力および重力に起因しており、かつ、風力エネルギープラント２の運転中に発生させられる。ピッチ動作が必要でない風の状況において、風力エネルギープラント２の運転中に、ローターブレード１０は、最適なピッチ角度に設定されることが必要である。これは、典型的に、αＰ＝０°または０°の位置と称される。ローターブレード１０は、この最適な位置に固定または保持されなければならない。

本発明の実施形態によれば、ローターブレードは、電気機械的なブレーキによって、この位置に保持することが可能である。そして、電気機械的なブレーキによって加えられるトルクは、ローターブレードを固定するには全く十分な大きさであることが可能であり（しかし、大きすぎない）、１つまたは複数のピッチドライブが、ブレーキングトルクを圧倒可能であるようになっている。

しかし、９０°の位置では、ブレーキングトルクを増加させることが可能であり、ピッチドライブが、ブレーキングトルクまたはブレーキ力を、もはや圧倒できないようになっている。

図３は、本発明の実施形態による、ローターブレード１０、ローターブレードルート部２０、および、ハブ８の一部を通る、簡略化された断面図を示している。電気モーター１３およびギヤ１４から構成されるピッチドライブＰＤが存在しており、ならびに、ローターブレード１０（部分的にだけ見ることができる）を軸線ＰＡの周りに角度αＰだけ回転させるために、環状ギヤ１２（または、軸受）の内側に連結されている駆動かさ歯車１６が存在している。ローターブレード１０は、ローターブレードルート部２０を有しており、ブレーキディスク３１が、ローターブレードルート部２０に連結されている。さらに、電気機械的なブレーキ３５が存在し、電気機械的なブレーキ３５は、機械的なパーツ３３および電気モーター３２を含み、ならびに、ブレーキシュー３４が存在し、ブレーキシュー３４は、機械的なパーツ３３に連結されている。制御ステージＣＮＴＬ（風力発電プラントの中のどこかにある）からのブレーキ制御信号ＢＣに応答して、ブレーキシューによってブレーキディスク３１に加えられるブレーキ力が調節される。

制御ステージは、回転角度αＰに応答して（回転角度αＰの関数として）、必要なブレーキ制御信号ＢＣを発生させることが可能である。次いで、９０°の位置において最大となるように、および、０°の位置において最小または少なくともより小さい値となるように、ブレーキ力を増加させることが可能である。

風力発電ブレードの損傷を回避するために、制御ステージＣＮＴＬは、電気機械的なブレーキを制御するように構成することが可能であり、特定の角度αＰに到達するか、または、超えた場合には、最大ブレーキ力を提供するようになっている。

ブレーキディスク３１は、ローターブレードルート部２０に連結されている別々のコンポーネントであることが可能である。また、それは、ローターブレードの一体型のパーツであることも可能である。

ブレーキディスク３１は、ローターブレードの全内周にわたって（すなわち、３６０°にわたって）、設けることが可能である。しかし、ブレーキディスクは、ローターブレードルート部２０の内周の１２０°に限定することも可能である。

別の実施形態では、ブレーキディスクをハブの上に装着することも可能であり、電気機械的なブレーキをローターブレードルート部の上に装着することも可能である。

図４は、本発明の態様による運転を図示する簡略化されたフローチャートを示している。本発明による組立体を含む風力発電プラントを初期化した後に、ステップＳ１において、ピッチ調節手段（例えば、ピッチドライブ）を制御することによって、ピッチ角度αＰが調節される。ローターブレードのピッチ角度または回転角度αＰが変化すると、ステップＳ２において、新しい角度が決定される。ピッチ角度αＰの変化に応答して、電気機械的なブレーキのブレーキ力またはブレーキングトルクが調節される。これは、上記に説明されているように、有利に行われる。ステップＳ２においてブレーキ力が調節された後に、システムは、（例えば風速などのような）条件が監視されるループの中に進入する。ピッチ角度αＰの調節を必要とする条件の変化が発生する場合には、ステップＳ１において、ローターブレードが回転させられ、新しい角度αＰが決定され、調節が必要である場合には、ブレーキング力が調節される。一般的に、電気機械的なブレーキのブレーキ力は、ローターブレードのピッチ角度の関数として調節される。

本発明は、特定の実施形態を参照して、上記に説明されてきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、特許請求されているような本発明の範囲内のさらなる代替例を、当業者が考え付くこととなるのは確実である。

２ 風力エネルギープラント
４ 支持構造体
６ 発電機
８ ローターハブ
１０ ローターブレード
１２ 環状ギヤ
１３ 電気モーター
１４ 遊星歯車
１６ 駆動かさ歯車
２０ ローターブレードルート部
３１ ブレーキディスク
３２ 電気モーター
３３ 機械的なパーツ
３４ ブレーキシュー
３５ 電気機械的なブレーキ
ＰＡ ピッチ軸線
ＰＤ ピッチドライブ
ＲＡ ローター軸線
α 角度
αＰ ピッチ角度

Claims (3)

1. 特定のピッチ角度で、風力発電プラントのローターブレードを保持することにより、前記ローターブレードを固定するための組立体であって、前記組立体は、ローターブレードと、ピッチ調節手段（ＰＤ）と、前記ローターブレードのための軸受と、ブレーキディスクとを含んでおり、前記組立体は、電気機械的なブレーキをさらに含み、前記電気機械的なブレーキは、制御されたブレーキ力を前記ブレーキディスクに加えるように構成されており、前記ブレーキ力は、前記ローターブレードのピッチ角度の関数であり、
   前記電気機械的なブレーキが、前記ローターブレードの第１の位置において、第１の制御されたブレーキ力を前記ブレーキディスクに加えるように構成されており、前記ローターブレードの第２の位置において、第２の制御されたブレーキ力を加えるように構成されており、
   前記第１の位置において、前記ブレーキ力は、前記ピッチ調節手段によって提供されるトルクが前記ブレーキ力に圧倒可能なものであり、
   前記第２の位置において、前記ブレーキ力は、前記ピッチ調節手段によって提供されるトルクが前記ブレーキ力に圧倒可能でないものであり、
   前記第１の位置が、０°の位置であり、
   前記第２の位置が、９０°の位置、または、フェザリング位置である、組立体。
2. 請求項１に記載の組立体を含む、風力エネルギープラント。
3. 特定のピッチ角度で、風力発電プラントのローターブレードを保持することにより、前記ローターブレードを固定する方法であって、前記風力発電プラントは、ローターブレードと、ピッチ調節手段と、前記ローターブレードのための軸受と、ブレーキディスクとを含んでおり、前記方法は、ピッチ角度に依存する制御されたブレーキ力を前記ブレーキディスクに加えるように、電気機械的なブレーキを制御するステップと、
   前記電気機械的なブレーキを制御するステップであって、前記ローターブレードの第１の位置において第１の制御されたブレーキ力を前記ブレーキディスクに、前記ローターブレードの第２の位置において第２の制御されたブレーキ力を加えるようにする、制御するステップとを有しており、
   前記第１の位置において、前記ブレーキ力は、前記ピッチ調節手段によって提供されるトルクが前記ブレーキ力に圧倒可能なものであり、
   前記第２の位置において、前記ブレーキ力は、前記ピッチ調節手段によって提供されるトルクが前記ブレーキ力に圧倒可能でないものであり、
   前記第１の位置が、０°の位置であり、
   前記第２の位置が、９０°の位置、または、フェザリング位置である、方法。

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