JP6138633B2 - 風力発電システム - Google Patents

Description

本発明は風力発電システムに関するものである。

風力発電システムは、再生可能エネルギーの柱として広く導入が進んでいる。風力発電システムでは、ブレードを支持するハブの回転を通じて主軸に回転動力を伝え、発電機を回転させることで発電運転を行う。

ここで、従来の風力発電システムとして例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１では、ブレードを支持してブレードと共に回転するハブと、ハブの内径側に配置されると共に、ハブに弾性連結部を介して接続される長い回転主軸と、長い回転主軸に接続される増速機と、増速機を介して増速された回転動力を受ける発電機とがナセル内に配置されている。

なお、該特許文献１ではロータの重量による屈曲応力を支持しないため回転主軸を細長く設計可能としている。

特開２００１−２００７８１号公報

特許文献１に記載された風力発電システムでは、長い回転主軸とハブを可撓性の高い弾性連結部を介して接続しており、ロータ重量に対して弾性連結部と長い回転主軸が柔に変形することによって、回転主軸の屈曲応力と振動を軽減することができる。

ここで、回転主軸と弾性連結部の接続部は部品点数が増加して接続作業の増加、弾性連結部の重量が増加、長い回転主軸を覆うフレームの重量が増加といった課題と、回転主軸と弾性連結部の接続面ですべりが発生する危険性がある。

ここで説明しておくと、回転主軸と弾性連結部の接続面は、ハブと弾性連結部の接続面の内周側に位置するため、回転主軸と弾性連結部の接続面の接合力は、ハブと弾性連結部の接続面の接合力よりも大きくする必要があり、回転主軸と弾性連結部の接続面ですべりが発生する危険性は、ハブと弾性連結部の接続面ですべりが発生する可能性よりも大きく、回転主軸と弾性連結部の接続面の接合を高い信頼性で維持する必要がある。

本発明の目的は、信頼性の高い風力発電システムを提供することにある。

上記の目的に従って、本発明による風力発電システムは、風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの加重を支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーと、前記ブレードを支持しブレードと共に回転するハブと、前記ハブの回転に伴い回転する回転主軸と、前記回転主軸に接続され回転速度を増速する増速機と、前記増速機により増速された回転で駆動する発電機を備えた風力発電システムにおいて、前記回転主軸が前記ハブに直接接続されており、前記回転主軸が変形を許容する可撓部を有し、前記可撓部が、前記ハブとの接続部側に広がるベルマウス形状部であることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性の高い風力発電システムを提供できる。

風力発電システムの外観を示した全体図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブと回転主軸の接続機構を示す断面図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブと回転主軸の接続機構を示す断面図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブと回転主軸の接続機構を示す断面図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブと回転主軸の接続機構を示す断面図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブと回転主軸の接続機構を示す断面図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブと回転主軸の接続機構を示す断面図 本発明に係る一実施例の風力発電システムのうち、ハブの構造の別の例を示す図

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。但し、下記の具体例はあくまで例示に過ぎず、発明内容を限定するものではない。

実施例１について、図１及び図２を用いて説明する。図１において、風力発電システムは、風を受けて回転するブレード１と、ブレード１の荷重を支持するナセル２と、ナセル２を支持するタワー３とから概略構成される。ナセル２は、タワー３に対して略水平面内で回転可能に支持されており、風向きに応じて回転駆動させる。

図２は、ハブと回転主軸の接続機構を説明するための図であり、図１において点線で囲んだ部位に相当する。該図に示す様に、本実施例における風力発電システムは、ブレード１と、ブレード１を支持すると共に、ブレード１と共に回転するハブ４と、ハブ４に接続されると共に、ハブ４の回転に伴って回転する回転主軸５と、回転主軸５に接続されて回転速度を増速させる増速機６と、回転主軸５の外径側に、回転主軸５に対して空隙を設けて配置される固定主軸７と、固定主軸７を支持すると共にタワー３に接続されるフレーム８とを有している。増速機６には、図示していないが発電機が接続されており、増速機６により回転速度を向上させた回転動力で発電機の回転子を駆動させて、発電運転する。そして、回転主軸５はハブ４内部の段差部に直接接続されている。また、回転主軸５には、ハブ内部の電気機器制御用の電線又は配管用に貫通孔９を有している。

フレーム８に回転主軸５の一部を内包するように接続される固定主軸７は回転せず、ハブ４と固定主軸７の間には２つの軸受１０ａ、１０ｂが設けられ、ブレード１及びハブ４の重量を支持している。

ハブ４は、回転主軸５の軸方向について増速機６とは反対側に開口部１１を有している。回転主軸５の最大径は、開口部１１の内径よりも小さく、開口部１１より回転主軸５をハブ４の内部に搬入することが可能である。

回転主軸５の内外径は、回転主軸５の軸方向について増速機６側からハブ４との接続面側に広がるベルマウス形状であり、この回転主軸の内外径差からなる回転主軸５の板厚が増速機６側からハブ４との接続面に近づくほど薄くなる。かつ回転主軸５とハブ４のボルト締結部近傍のみ厚肉となる形状である。この回転主軸５のハブ側接続部近傍の柔なベルマウス形状部が局所的に変形することによって、回転主軸５の軸方向と径方向の両方についてのミスアライメントを吸収可能な構造である。なお上記の厚みの設定はこの吸収力をより高めるためのものである。

回転主軸５のベルマウス形状がミスアライメントを吸収するため、前記特許文献１の構造と比較して短い回転主軸形状で回転主軸の屈曲応力と振動を軽減することができ、短い回転主軸を覆うフレームを小型化することによって重量を減らせる効果がある。また、前記特許文献１の弾性連結部が不要な構造のため、弾性連結部の接続作業が無くなる効果と、弾性連結部とその接続部品の重量を減らせる効果と、回転主軸と弾性連結部の接続面が無くなるため、回転主軸と弾性連結部間のすべりの危険性が無くなる効果がある。

これらの効果は、回転主軸５がハブ４に直接接続されていることによるものである。ここで直接とは、別部材としての弾性連結部材を介していないという意味である。例えば回転主軸５とハブ４とをボルトどめする場合に、間にワッシャー等を挟んだものも、ここでいう直接接続に含まれる。

弾性連結部材が不要なのは、回転主軸５が変形を許容する可撓部を有するからである。本実施例ではこの可撓部がベルマウス形状部であるが、あくまで例示でありこれ以外の可撓部でも同種の効果を奏する。

実施例２について図３を用いて説明する。尚、実施例１と重複する構成及び効果について、ここでの説明を省略する。実施例１では、回転主軸５はハブ４内部の段差部に接続されていたが、本実施例で回転主軸５はハブ４内部に突出するハブフランジ１２の増速機６側と反対面の開口部１１側の面と接続されている。回転主軸５のベルマウスの最大径を実施例１よりも小さくすることによって、ハブ４の開口部１１も小さくし、ハブ４を前記実施例１よりも軽量化する効果がある。回転主軸５のベルマウス形状が局所的に変形することによって、回転主軸５の軸方向と径方向の両方についてのミスアライメントも吸収可能な構造である。

実施例３について図４を用いて説明する。尚、実施例２と重複する構成及び効果について、ここでの説明を省略する。実施例２では、回転主軸５はハブ４内部に突出するハブフランジ１２の増速機６側と反対面の開口部１１側の面と接続されていたが、本実施例では回転主軸５はハブ４内部に突出するハブフランジ１２の開口部１１と反対面の増速機６側の面と接続されている。回転主軸５のベルマウスの最大径を固定主軸７の内径（最小径）よりも小さくし、固定主軸７とフレーム８との接続側より、回転主軸５をハブ４の内部に搬入することが可能である。開口部をメンテナンスのための出入り口に必要な寸法まで縮小してハブ４を前記実施例１と実施例２よりも軽量化する効果がある。回転主軸５のベルマウス形状が局所的に変形することによって、回転主軸５の軸方向と径方向の両方についてのミスアライメントも吸収可能な構造である。

実施例４について図５を用いて説明する。尚、実施例１と重複する構成及び効果について、ここでの説明を省略する。実施例１で２つ設置した軸受を１つとし、軸受１３をハブ４の内部に配置した構造である。

実施例５について図６を用いて説明する。尚、実施例２と重複する構成及び効果について、ここでの説明を省略する。実施例２で２つ設置した軸受を１つとし、軸受１３をハブ４の内部に配置した構造である。

実施例６について図７を用いて説明する。尚、実施例３と重複する構成及び効果について、ここでの説明を省略する。実施例１で２つ設置した軸受を１つとし、軸受１３をハブ４の内部に配置した構造である。

実施例７について、図８を用いて説明する。上述の各実施例では、回転主軸５が変形を許容する可撓部を有する例を説明した。本実施例はそれに加え、ハブ４側にも変形を許容する可撓部を設けたものである。

一例を図８（a）に示す。図８（a）で四角に囲った拡大図のように、ハブフランジ１４aを曲面構造とすることで、ハブ４側にも可撓性を持たせることができ、構造全体としてさらに可撓性を向上させることができる。

もう一つの例を図８（b）に示す。図８（b）はハブフランジ１４ｂを回転主軸５の軸方向から見た図である。この図に示すようにハブフランジ１４ｂに空隙１５を設けることにより、ハブ４側にも可撓性を持たせることができる。その結果、構造全体としてさらに可撓性を向上させることができる。本例の場合、ハブ４を軽量化できるという効果もある。

１ ブレード
２ ナセル
３ タワー
４ ハブ
５ 回転主軸
６ 増速機
７ 固定主軸
８ フレーム
９ 貫通孔
１０ａ 軸受
１０ｂ 軸受
１１ 開口部
１２ ハブフランジ
１３ 軸受
１４ａ ハブフランジ
１４ｂ ハブフランジ
１５ 空隙

Claims (8)

1. 風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードの加重を支持するナセルと、
   前記ナセルを支持するタワーと、
   前記ブレードを支持しブレードと共に回転するハブと、
   前記ハブの回転に伴い回転する回転主軸と、
   前記回転主軸に接続され回転速度を増速する増速機と、
   前記増速機により増速された回転で駆動する発電機を備えた風力発電システムにおいて、
   前記回転主軸が前記ハブに直接接続されており、
   前記回転主軸が変形を許容する可撓部を有し、
   前記可撓部が、前記ハブとの接続部側に広がるベルマウス形状部であることを特徴とする風力発電システム。
   
2. 請求項１の風力発電システムにおいて、
   前記回転主軸は貫通孔を有し、
   前記ベルマウス形状部は、前記回転主軸の内外径差である板厚が、前記ハブとの接続面側に近づくほど薄くなる形状であることを特徴とする風力発電システム。
   
3. 請求項１または２の風力発電システムにおいて、
   前記ハブが、前記回転主軸の軸方向について前記増速機とは反対側に開口部を有し、前記回転主軸の最大径が前記開口部の内径より小さいことを特徴とする風力発電システム。
   
4. 請求項３の風力発電システムにおいて、
   前記ハブは内周側に突出するハブフランジを有し、
   前記ハブブランジの、前記回転主軸の軸方向について前記増速機とは反対側の面に前記回転主軸が接続されることを特徴とする風力発電システム。
   
5. 請求項１または２の風力発電システムにおいて、
   前記タワーに接続されるフレームと、
   前記フレームに接続され、前記回転主軸の一部を内包するように設置される固定主軸を有し、
   前記固定主軸の最小径が、前記回転主軸の最大径より小さいことを特徴とする風力発電システム。
   
6. 請求項１から５の何れかの風力発電システムにおいて、
   前記タワーに接続されるフレームと、
   前記フレームに接続され、前記回転主軸の一部を内包するように設置される固定主軸を有し、
   前記ハブと前記固定主軸との間に配置される軸受を有することを特徴とする風力発電システム。
   
7. 請求項１から６の何れかの風力発電システムにおいて、
   前記ハブが変形を許容する可撓部を有することを特徴とする風力発電システム。
   
8. 回転体と回転体とを接続する風力発電システム用の回転主軸において、
   変形を許容する可撓部を有し、
   前記可撓部が、風を受けて回転するブレードを支持し前記ブレードと共に回転するハブとの接続部側に広がるベルマウス形状部であることを特徴とすることを特徴とする回転主軸。