JPWO2013042385A1 - 再生エネルギー型発電装置及び該再生エネルギー型発電装置の操作方法 - Google Patents

Abstract

本発明の再生エネルギー型発電装置１は、ブレード２Ａと、該ブレード２Ａが取り付けられたハブ２Ｂと、該ハブと共に回転する主軸２Ｃと、主軸の回転によって駆動される発電機６と、主軸２Ｃの回転トルクを出力する駆動源１５２、並びに、該駆動源１５２及び主軸２Ｃ間に配置され、ターニング状態と非ターニング状態とを選択的に切換可能な切換機構１５４を含んでなるターニング装置１５０とを備えたことを特徴とする。

Description

本発明は、ロータの回転エネルギーを発電機に伝達して発電を行う再生エネルギー型発電装置及びその操作方法に関する。尚、再生エネルギー型発電装置は、風、潮流、海流、河流等の再生可能なエネルギーを利用した発電装置であり、例えば風力発電装置、潮流発電装置、海流発電装置、河流発電装置等を挙げることができる。

近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置や、潮流、海流又は河流を利用した発電装置を含む再生エネルギー型発電装置の普及が進んでいる。再生エネルギー型発電装置では、風、潮流、海流又は河流の運動エネルギーをロータの回転エネルギーに変換し、更にロータの回転エネルギーを発電機によって電力に変換する。

再生エネルギー型発電装置は、ブレードの保守交換作業や、装置各部のメンテナンス作業や、作業員の輸送のためのヘリコプターが再生エネルギー型発電装置にアクセスする場合など、安全上の理由からロータを減速及び停止させることがある。このようなロータの減速及び停止は、主としてブレードのピッチ角調整（ピッチ制御）によってロータで受け取る再生エネルギーを減少させることで行われるのが一般的である。尚、回転角のピッチ角調整は、油圧シリンダや電動モータ等のアクチュエータを用いて行われる。

しかし、既存のピッチ駆動機構によるピッチ角の変化速度は３ｄｅｇ／ｓｅｃ〜５ｄｅｇ／ｓｅｃ程度であり、応答性がそれほど良くないから、ピッチ制御のみによってロータを所望の角度位置で停止させることは難しい。これは、再生エネルギー減からロータに加わるトルクが再生エネルギーの流速の変動の影響を大きく受けるため、応答性に劣るピッチ制御だけでは、ロータの停止位置を上手く調整できないからである。

そこで、ブレーキ機構による制動力を利用してロータの減速及び停止を行うと共に、停止したロータの角度位置を調整するターニング装置を用いた技術も提案されている。
例えば特許文献１には、ロータの回転を増速して発電機に伝達する増速機を備えた再生エネルギー型発電装置が開示されており、増速機と発電機とを連結する高速軸に設けられたブレーキディスク及びブレーキシューを有してなるブレーキ機構を用いてロータを減速及び停止している。ブレーキディスクの外縁には、ターニング装置が有するターニング歯車を係合可能な外歯車が形成されており、ターニング装置が有するギアモータから出力される回転トルクがブレーキディスクを介して高速軸に伝達されるようになっている。
高速軸に伝達された回転トルクは、増速機を介して減速されてロータ側の低速軸に伝達される。そのため、ロータをターニング操作するために必要な回転トルクが大きい場合であっても、増速機による減速作用によって、ターニング装置から出力される回転トルクは比較的小さくて済む。

また特許文献２では、ロータと共に回転する主軸に設けられたブレーキディスクを用いて減速及び停止した後、該ブレーキディスクに回転手段（ターニング装置）を連結して駆動することにより、ターニング動作を行っている。該回転手段が連結されるブレーキディスクはロータと共に回転する主軸に設けられている。そのため、主軸をターニング操作するために必要な回転トルクが大きくなることから、ターニング装置として高トルクを容易に出力可能な油圧シリンダを用いている。

この種のターニング装置は他にも様々な方式が開発されており、例えば特許文献３及び４がある。

米国特許第８０２８６０４号明細書 国際出願公開第２０１０／１０３０８６号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１９４１１４号明細書 国際出願公開第２００５／０９０７８０号明細書

しかしながら、特許文献１及び２記載の技術では、ターニング装置を主軸に設けられたターニングディスク（ブレーキディスク）に取り付ける際には、作業員がナセル内部に侵入して作業を行う必要があり、作業効率的に好ましくない。すなわち、上記各文献におけるターニング装置は、ターニング操作を必要としない平常時には、再生エネルギー型発電装置本体から取り外されており、必要に応じて作業員が取り付け作業を行う必要がある。特に洋上に建設された風力発電装置のようにアクセスが困難な場合には、作業員の作業負担の軽減が望ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、煩雑な操作を伴うことなく、減速及び停止されたロータを任意の角度位置に調整可能なターニング装置を備えた再生エネルギー型発電装置及びその操作方法を提供することを目的とする。

本発明に係る再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーを利用して発電を行う再生エネルギー型発電装置であって、ブレードと、該ブレードが取り付けられたハブと、該ハブに連結されることにより前記ハブと共に回転する主軸と、前記主軸の回転によって駆動される発電機と、前記主軸を回転させるための回転トルクを出力する駆動源、並びに、該駆動源及び前記主軸間に配置され、前記駆動源から出力された回転トルクを前記主軸に伝達して回転させるターニング状態と前記駆動源及び前記主軸間のトルク伝達を遮断する非ターニング状態とを選択的に切換可能な切換機構を含んでなるターニング装置とを備えたことを特徴とする。
この再生エネルギー型発電装置によれば、切換機構によってターニング状態と非ターニング状態とを選択的に切換可能とすることで、煩雑な作業員によるターニング装置の取り付け作業を行うことなく、切換制御によって減速及び停止されたロータを任意の角度位置に容易にターニング操作することができる。

前記主軸に大径に設けられたターニングディスクと、該ターニングディスク及び前記切換機構間に設けられた減速ギアとを更に備え、前記ターニング状態において、前記駆動源から出力した回転トルクは、前記減速ギアを介して前記ターニングディスクに伝達されることにより、前記主軸を回転させてもよい。
従来、増速機を用いた再生エネルギー型発電装置では高速軸側に設けられたターニングディスクに回転トルクを与えることにより、増速機の減速作用を利用して、モータからの出力トルクを低減することができていた。一方で、増速機を用いていない再生エネルギー型発電装置では、このような減速作用を得ることができないため、モータ出力が大幅に増大し、ターニング装置の大型化及びコスト増大が問題となっていた。
この態様では、減速ギアを介して駆動源からの回転トルクを伝達することにより、ハブと共に低速で回転する低速軸である主軸にターニングディスクを設けた場合であっても、当該減速ギアの減速作用を利用して、モータからの出力トルクを低減することができる。これにより、ターニング装置の大型化やコスト負担増を効果的に抑制できる。

制動トルクを出力可能な第１の制動手段を更に備え、前記切換機構は、前記第１の制動手段から出力された制動トルクを前記主軸に伝達するブレーキング状態を更に選択可能であってもよい。
この態様によれば、上述のターニング状態及び非ターニング状態に加えて、主軸に制動力を印加するブレーキング状態を選択することができる。これにより、例えば、運転状態にある再生エネルギー型発電装置におけるロータ回転数の減速及び停止や、メンテナンス時やヘリアクセス時におけるロータの停止状態の維持を安全に行うことができる。

また、前記切換機構は、複数の遊星歯車と、該複数の遊星歯車と噛み合う内歯を有するリング歯車と、前記複数の遊星歯車に囲まれるように配置され、前記遊星歯車と噛み合う太陽歯車とを備えた遊星歯車機構を有してなり、前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段のいずれか一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車のいずれか一つに接続されており、前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段の他の一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車の他の一つに接続されており、前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段の更に他の一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車の更に他の一つに接続されていてもよい。
この態様では、切換機構は遊星歯車機構を有してなり、遊星歯車、リング歯車及び太陽歯車の各々の状態を、駆動源、主軸及び第１の制動手段を制御することによって適宜変更することにより、各種状態の切換動作を実施することができる。このように遊星歯車、リング歯車及び太陽歯車の動作状態を変更することで切換機構の状態を制御できるので、主軸に対してターニング装置を常設することができ、作業員による脱着作業を省くことができる。
特に切換機構として遊星歯車を利用することで、第１の制動手段からの制動力の印加状態に応じて遊星歯車、リング歯車及び太陽歯車の動作を制御できる。これにより、主軸に対する嵌脱動作を行うことなく、実質的にターニング装置にて上記各種状態間の切換動作を実現することができる。そのため、嵌脱動作に伴う歯車の摩耗や、噛み合い不良による歯車の損傷などのリスクを回避し、信頼性の高いターニング装置を備えた再生エネルギー型発電装置を実現することができる。

この場合、前記駆動源は前記太陽歯車に接続されており、前記主軸は前記遊星歯車に接続されており、前記第１の制動手段は前記リング歯車に接続されていてもよい。
このように駆動源、主軸及び第１の制動手段を遊星歯車機構に接続することにより、駆動源から出力された回転トルクを大きな減速比で主軸に伝達できるため、駆動源からの出力トルクをより効果的に抑制することができる。

この態様では更に、前記駆動源を制動制御する第２の制動手段を更に備えていてもよい。
第２の制動手段によって駆動源を制動制御することによって、主軸からの回転トルクの伝達により、不用意に駆動源が駆動されて不具合が生じることを効果的に防止することができる。この種の不具合の一例としては、駆動源がモータである場合に、不用意に駆動されることでモータが発電した電力によって発熱し、焼きつきなどの不具合が生じるおそれがあるが、本態様ではこのような事態を効果的に防止することができ、信頼性を向上することができる。

この場合、前記第２の制動手段による制動力は前記第１の制動手段による制動力に比べて大きく設定されていてもよい。
この態様では、切換手段によってブレーキング状態に切り換えられて主軸が制動された際に、突風発生時のように主軸に過大入力が有った場合に、制動力が小さい第１の制動手段側がスリップすることによって、ターニング装置が破損することを防止できる。特に第１の制動手段側をスリップさせることによって、過大入力時においても、上述したように駆動源が不用意に駆動されることを防止できる。

前記切換機構は、回転軸が互いに平行なピニオン及びギアを含む複数の平行軸歯車と、前記ターニング状態において前記ピニオン及び前記ギアとの係合位置に移動させ、前記非ターニング状態において前記ピニオン及び前記ギアとの非係合位置に移動させる駆動手段とを備えていてもよい。
この態様では、切換機構は平行軸歯車を構成するピニオンギア同士の位置を駆動手段によって変更させることによって、ターニング装置の切換動作を実施することができる。このように駆動手段による切り換え動作によってターニング装置の状態を制御できるので、主軸に対してターニング装置を常設することができ、作業員による脱着作業を省くことができる。

前記ハブの回転によって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプで昇圧された作動油によって駆動されることにより、前記発電機を駆動する油圧モータとを備えていてもよい。
このような油圧トランスミッションを採用した再生エネルギー型発電装置では、ロータと共に回転する低速軸である主軸側に、ターニング動作に必要な回転トルクを与える必要がある。上述したように、この再生エネルギー型発電装置によれば、駆動源からの回転トルクを、切換機構による減速作用によって増幅して主軸側に伝達できる。そのため、ターニング装置の大型化及びコスト増大を伴うことがない。

また、前記主軸が前記発電機の回転軸に直接連結されることにより、前記回転軸と同速度で回転していてもよい。
このように、いわゆるダイレクトドライブ方式の再生エネルギー型発電装置もまた、上述の油圧トランスミッションを採用した場合と同様に、ロータと共に回転する主軸側にターニング動作に必要な回転トルクを与える必要がある。そのため、この再生エネルギー型発電装置によれば、駆動源からの回転トルクを、切換機構による減速作用によって増幅して主軸側に伝達できるので、ターニング装置の大型化及びコスト増大を伴うことがない。

また、前記切換機構の切換動作を制御する制御手段を備えていてもよい。
この態様によれば、作業員による煩雑な作業を伴うことなく、制御手段から出力された制御信号に基づいて切換機構を操作できる。これにより、例えばアクセスが困難な発電装置においても、遠隔操作等を利用してターニング装置を動作することが可能となる。

本発明に係る再生エネルギー型発電装置は、例えば、再生可能エネルギーとして風力を利用して発電する風力タービン発電機である。

本発明に係る再生エネルギー型発電装置の操作方法は、再生エネルギーを利用して、ブレードが取り付けられたハブを回転させることで、該ハブに連結された主軸を回転させて発電機を駆動して発電を行い、駆動源から出力された回転トルクを前記主軸に伝達して回転させるターニング状態と前記駆動源及び前記主軸間のトルク伝達を遮断する非ターニング状態とを選択的に切換可能な切換機構を含むターニング装置を備えた再生エネルギー型発電装置の操作方法であって、前記切換機構は前記駆動源が接続された太陽歯車と、前記主軸が接続された前記遊星歯車と、前記第１の制動手段が接続された前記リング歯車とを備えた遊星歯車機構を含んでなり、前記ターニング状態において、前記第１の制動手段により前記リング歯車を制動して固定すると共に、前記駆動源から回転トルクを出力することによって、前記主軸を回転させることを特徴とする。
この操作方法によれば、遊星歯車機構を有してなる切換機構において、第１の制動手段によってリング歯車が固定されるので、太陽歯車に接続された駆動源から出力された回転トルクは、遊星歯車に伝達される。これにより、遊星歯車に接続された主軸は、当該遊星歯車機構が有する減速作用のもと、駆動源から出力された回転トルクによってターニング操作することができる。

前記切換機構は、再生エネルギー型発電装置は前記駆動源を制動制御する第２の制動手段を更に備えており、前記非ターニング状態において、前記第２の制動手段によって前記駆動源を制動して前記太陽歯車を固定すると共に、前記第１の制動手段からの制動力の印加を禁止することによって、前記リング歯車を空転させてもよい。
これによれば、遊星歯車機構を有してなる切換機構において、第２の制動手段によって駆動源が連結された太陽歯車が固定されると共に、第１の制動手段による制動力の印加を禁止することによって、該第１の制動手段が連結されたリング歯車はフリー状態となる。そのため、主軸の回転によって該主軸が連結された遊星歯車に入力された回転トルクは、リング歯車に伝達される。上述したようにリング歯車はフリー状態となっているので、伝達された回転トルクによってリング歯車は空転する。すなわち、非ターニング状態では、駆動源は主軸側から切り離される。このように、遊星歯車機構を利用することによって、ターニング装置を主軸に対して脱着することなく、切換動作を実現することができる。

更に前記切換機構は、前記主軸を停止させるブレーキング状態を更に選択可能であり、前記ブレーキング状態において、前記第１の制動手段により前記リング歯車を制動して固定すると共に、前記第２の制動手段により前記太陽歯車を制動して固定することによって、前記主軸を停止させてもよい。
この操作方法によれば、遊星歯車機構を有してなる切換機構において、第１の制動手段によってリング歯車が固定されると共に、第２の制動手段によって駆動源が連結された太陽歯車が固定されることによって、遊星歯車もまた固定される。これにより遊星歯車に連結された主軸に対して制動力を与えて、ブレーキング状態を実現することができる。

本発明によれば、切換機構によってターニング状態と非ターニング状態とを選択的に切換可能とすることで、煩雑な作業員によるターニング装置の取り付け作業を行うことなく、切換制御によって減速及び停止されたロータを任意の角度位置に容易にターニング操作することができる。

第１実施形態に係る風力発電装置の構成例を示す図である。 ナセル内部の構造を示す断面図である。 ダイレクトドライブ方式の風力発電装置におけるナセルの内部構造を示す模式図である。 第１実施形態に係るターニング装置の構成例を示す断面図である。 図４におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図４に示すターニング装置における動力の伝達経路を概念的に示した模式図である。 ターニング装置の各状態におけるターニングモータ、第１のブレーキ機構、第２のブレーキ機構の動作状態を示す一覧表である。 第２実施形態に係るターニング装置の構成例を示す平面図である。 図８に示すターニング装置を側面側から示す模式図である。 ターニングディスクに対して複数のターニング装置を設けた場合の設置例である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

以下の実施形態では、再生エネルギー型発電装置の一例として風力発電装置について説明する。ただし、本発明は潮流発電装置、海流発電装置、河流発電装置等の他の再生エネルギー型発電装置にも適用できる。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る風力発電装置１の構成例を示す図である。
風力発電装置１は、主として、風を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション４と、電力を生成する発電機６と、風力発電装置１の各部を制御する制御ユニット３０とを備える。

ロータ２は、ブレード２Ａと、ブレード２Ａが取り付けられるハブ２Ｂと、ハブ２Ｂに連結された主軸２Ｃとで構成される。これにより、ブレード２Ａが受けた風の力によってロータ２全体が回転し、主軸２Ｃから油圧トランスミッション４に回転が入力される。ロータ２の角度位置（回転変位）は、主軸２Ｃに取り付けられた角度位置検出器２９によって計測され、制御ユニット３０による制御に用いられる。角度位置検出器２９は、例えば、ロータリエンコーダやレゾルバであってもよい。
ここで、ロータ２の主軸２Ｃは、タワー７に旋回自在に支持されたナセル８に収納されている（後述する図２を参照）。なお、ナセル８は、主軸軸受３を介して主軸２Ｃを支持している。

制御ユニット３０は、ブレード２Ａのピッチ角度を制御するピッチ制御部３２と、後述の油圧ポンプ２０を制御するポンプ制御部３４と、後述の油圧モータ２２を制御するモータ制御部３６と、ロータ停止時に該停止したロータ２にターニング動作を行わせるターニング制御部３８とを有する。
尚、該ターニング制御部４０は後述する切換機構による切換動作を制御する制御手段として機能するものである。これにより、作業員による煩雑な作業を伴うことなく、制御手段から出力された制御信号に基づいて切換機構を操作できるので、例えばアクセスが困難な発電装置においても、遠隔操作を介してターニング装置を動作できる。

ロータ２は、ロックピン９によって固定可能に構成されている。ロックピン９は、ロータ２側及びナセル８側にそれぞれ設けられた穴に挿入されて、ロータ２を固定するようになっている。ロックピン９及びこれが挿入される穴の構造は、ロータ２を固定可能であれば特に限定されない。

油圧トランスミッション４は、主軸２Ｃの回転によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ２０と、発電機６に接続された可変容量型の油圧モータ２２と、油圧ポンプ２０と油圧モータ２２との間に設けられた高圧油ライン２４及び低圧油ライン２６を有する。
油圧ポンプ２０の吐出口は、高圧油ライン２４によって油圧モータ２２の吸込口に接続されており、油圧ポンプ２０の吸込口は、低圧油ライン２６によって油圧モータ２２の吐出口に接続されている。油圧ポンプ２０から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油ライン２４を介して油圧モータ２２に流入し、油圧モータ２２を駆動する。油圧モータ２２で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油ライン２６を介して油圧ポンプ２０に流入して、油圧ポンプ２０で昇圧された後、再び高圧油ライン２４を介して油圧モータ２２に流入する。

油圧モータ２２に接続された発電機６は、遮断器２５を介して電力系統２７に連系された同期発電機である。

図２はナセル８内部の構造を示す断面図である。
主軸２Ｃは、ハブ２Ｂに近い側に位置する前方部１１０と、ハブ２Ｂから遠い側に位置する後方部１１２とを有する。前方部１１０と後方部１１２との間には、段差１１３が設けられており、前方部１１０は後方部１１２よりも大径に形成されている。
また、図２に示す例では、主軸２Ｃを軸支する一対の主軸軸受３（３Ａ，３Ｂ）が設けられている。すなわち、前方の主軸軸受３Ａが主軸２Ｃの前方部１１０を軸支するとともに、後方の主軸軸受３Ｂが主軸２Ｃの後方部１１２を軸支している。主軸軸受３（３Ａ，３Ｂ）は、それぞれ、軸受箱１１６に収納されている。そして、各軸受箱１１６は、ロータ２の曲げ荷重等に対する剛性を向上させる観点から、連結フレーム１１７及びナセル８によって連結されている。
また、各軸受箱１１６はナセル８に支持される。例えば、ナセル８が、タワー７に旋回自在に支持されるナセル台板８Ａと、ナセル台板８Ａを覆うナセルカバー８Ｂとで構成される場合、各軸受箱１１６は、ナセル台板８Ａに支持されてもよいし、ナセルカバー８Ｂに支持されてもよい。

主軸２Ｃの前方部１１０は、ハブ２Ｂに近い側の端部が、主軸２Ｃの径方向外方に張り出してフランジ１１１を形成している。前方部１１０のフランジ１１１は、ボルト１１４によってハブ２Ｂと締結される。このとき、ロータ２を固定するためのブレーキディスク１３０が、フランジ１１１及びハブ２Ｂとともに共締めされる。ブレーキディスク１３０はブレーキキャリパー１３４によって挟み込まれることにより、該ブレーキディスク１３０が締結された主軸２Ｃに対して大きな制動力を付与できる。

主軸２Ｃにはターニングディスク１４０が取り付けられている。ターニングディスク１４０の外周には、歯車１４２が形成されている。このターニングディスク１４０は、以下に説明するターニング装置１５０を用いて回転駆動できるように構成されている。これにより、一旦停止したロータ２を目標角度位置まで回転させることができる。
尚、ナセル８の底部にはメンテナンス時に油圧モータなどの部材を地上側と吊り降ろし搬送するためのスペース１４１が開口されている。図２の例では、ターニングディスク１４０は該スペース１４１からずれた位置に配置されているので、スペース１４１から部材を搬送するメンテナンス時においても障害となることがない。これにより、運転時及びメンテナンス時のいずれにおいても、ターニングディスク１４０を駆動するターニング装置を常設することができるようになっている。

本実施例のように油圧トランスミッション４を採用した風力発電装置１では、ロータ２と共に回転する主軸２Ｃ側にターニング動作に必要な回転トルクを与える必要があるが、本発明によれば以下に説明するように、切換機構による減速作用によって増幅した回転トルクを主軸側に伝達できるため、ターニング装置１５０の大型化及びコスト増大を伴うことがない。

尚、本実施形態では油圧トランスミッション４を採用した風力発電装置１について詳述するが、主軸２Ｃが発電機６の回転軸に直接連結されることにより、回転軸と同速度で回転する、いわゆるダイレクトドライブ方式の風力発電装置についても同様に、主軸２Ｃにターニングディスク１４０を設けて本発明を適用することができる。図３はダイレクトドライブ方式の風力発電装置におけるナセル８の内部構造を示す模式図である。図３に示すように、主軸２Ｃが発電機６の回転軸に直接連結されており、該主軸２Ｃに大径にターニングディスク１４０が設けられている。

次に、風力発電装置１のターニング装置１５０の具体的な構成について説明する。図４は、第１実施形態に係るターニング装置１５０の構成例を示す断面図である。図５は、図４におけるＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図６は図４に示すターニング装置１５０における動力の伝達経路を概念的に示した模式図である。

図４に示すように、ターニング装置１５０は、ターニングディスク１４０を回転させるための駆動源であるターニングモータ１５２と、該ターニングモータ１５２から出力された回転トルクをターニングディスク１４０側に減速して伝達する遊星歯車機構１５４と、該遊星歯車機構１５４とターニングディスク１４０との間に介在するピニオンギア１５６とを含んで構成されている。このようにターニングディスク１４０では、ターニングモータ１５２からの回転トルクが、遊星歯車機構１５４及びピニオンギア１５６を介して伝達されることにより、主軸２Ｃを回転できるようになっている。

遊星歯車機構１５４は、キャリヤ１５８と、該キャリヤ１５８に支持される複数の遊星歯車１６０と、該複数の遊星歯車１６０と噛み合うリング歯車１６２及び太陽歯車１６４とを含んで構成されている。尚、複数の遊星歯車１６０は図示を省略しているが、キャリヤ１５８に保持される遊星ピン１５９に取り付けられる軸受１６１を介して、遊星ピン１５９に支持されている。キャリヤ１５８は、複数（本例においては３個）の遊星ピン１５９を保持する保持板であり、複数の遊星歯車１６０を一体的に公転させるようになっている。

遊星歯車機構１５４のうち太陽歯車１６４には、ターニングモータ１５２の回転軸１５５が連結されており、キャリヤ１５８にはターニングディスク１４０と噛み合うピニオンギア１５６が連結されている。ターニングモータ１５２からの回転トルクは、このような遊星歯車機構１５４によって減速されてピニオンギア１５６側に伝達されるため、比較的小さい回転トルクで主軸２Ｃを回転させることができる。

遊星歯車機構１５４のうちリング歯車１６２の内歯車１５７には前述したように複数の遊星歯車１６０が噛み合っている一方で、外歯車１５９にはブレーキギア１６６を介して第１のブレーキ手段１６８が接続されている。第１のブレーキ手段１６８では、ブレーキギア１６６に連結された円盤状のブレーキディスク１７０をブレーキキャリパー１７２で挟み込むことで制動力を発生できるようになっている。

ターニングモータ１５２のモータ回転軸１７４には第２のブレーキ手段１７６が接続されている。第２のブレーキ手段１７６では、モータ回転軸１７４に連結された円盤状のブレーキディスク１７８をブレーキキャリパー１８０で挟み込むことで制動力を発生できるようになっている。

本実施形態に係るターニング装置１５０では、ターニングモータ１５２、第１のブレーキ手段１６８、第２のブレーキ手段１７６の動作を制御することによって、ターニング状態、非ターニング状態、及び、ブレーキング状態をそれぞれ切り換えることができるようになっている。このような状態の切換制御は、ターニング制御部４０（図１を参照）からターニングモータ１５２、第１のブレーキ手段１６８、第２のブレーキ手段１７６に制御信号を送受信することによって行われる。
尚、このようなターニング装置１５０は、ケーシング本体１９０内に収納されてユニット化されている。

尚、本実施形態に示す遊星歯車機構１５４に対するターニングモータ１５２、主軸２Ｃ及び第１のブレーキ手段１６８の接続パターンは様々なパターンが考えられる。すなわち、ターニングモータ１５２、主軸２Ｃ及び第１のブレーキ手段１６８のいずれか一つは、遊星歯車１６０、リング歯車１６２及び太陽歯車１６４のいずれか一つに接続されており、ターニングモータ１５２、主軸２Ｃ及び第１のブレーキ手段１６８の他の一つは、遊星歯車１６０、リング歯車１６２及び太陽歯車１６４の他の一つに接続されており、ターニングモータ１５２、主軸２Ｃ及び第１のブレーキ手段１６８の更に他の一つは、遊星歯車１６０、リング歯車１６２及び太陽歯車１６４の更に他の一つに接続されていてもよい。本実施形態では特に、図４−６に示す上述の接続パターンを採用することにより、ターニングモータ１５２から出力された回転トルクを大きな減速比で主軸２Ｃに伝達できる一例を示したものである。

続いて以上説明した構成を有するターニング装置１５０を切換制御することにより、ターニング状態、非ターニング状態、及び、ブレーキング状態を切り換える具体的な方法について説明する。図７は、ターニング装置１５０の各状態におけるターニングモータ１５２、第１のブレーキ手段１６８、第２のブレーキ手段１７６の動作状態を示す一覧表である。

まずターニング装置１５０によって、停止させた主軸２Ｃを回転させるターニング状態における動作例について説明する。ターニング状態では、第１のブレーキ手段１６８をＯＮに設定することにより、該第１のブレーキ手段１６８が連結されたリング歯車１６２を制動して固定する。また、第２のブレーキ手段１７６をＯＦＦに設定すると共にターニングモータ１５２をＯＮに設定して回転トルクを出力する。このように、第１のブレーキ手段１６８によってリング歯車１６２が固定されるので、太陽歯車１６４に接続されたターニングモータ１５２から出力された回転トルクは、遊星歯車１６０に伝達される。これにより、遊星歯車１６０に伝達された回転トルクはキャリヤ１５８を介してピニオンギア１５６からターニングディスク１４０に伝達される。その結果、ターニングディスク１４０が設けられた主軸２Ｃは、遊星歯車機構１５４が有する減速作用のもと、ターニングモータ１５２から出力された回転トルクによって回転される。

このようにターニングディスク１４０及びターニングモータ１５２間に設けられた遊星歯車機構１５４は減速ギアとして機能する。ターニングモータ１５２から出力される回転トルクは遊星歯車機構１５４によって減速されて主軸２Ｃに伝達されるので、ターニング操作時にターニングモータ１５２から出力すべき回転トルクは比較的小さくて済む。

続いて、ターニング装置１５０によって、例えば風力発電装置１の通常運転時などのように、主軸２Ｃが回転している際に、ターニング装置１５０を主軸２Ｃ側から切り離す非ターニング状態における動作例について説明する。非ターニング状態では、ターニングモータ１５２をＯＦＦに設定することにより無駄な動力の出力を禁止すると共に、第２のブレーキ手段１７６をＯＮに設定することにより、停止させたターニングモータ１５２が主軸２Ｃ側から伝達された回転トルクによって駆動されることを防止する。これにより、停止状態にあるターニングモータ１５２が不用意に駆動されることによって故障すること（例えば、ターニングモータ１５２が駆動されることで発電された電力によって発熱し、焼きつき等の不具合が発生すること）を防止することができる。

一方、非ターニング状態では第１のブレーキ手段１６８をＯＦＦに設定することにより、該第１のブレーキ手段１６８が連結されたリング歯車１６２への制動力の印加を禁止する。これにより、主軸２Ｃの回転トルクがターニングディスク１４０及びピニオンギア１５６を介して遊星歯車機構１５４に伝達された場合であっても、制動力が印加されていないリング歯車１６２が空転するため、ターニングモータ１５２が連結された太陽歯車１６４側には回転トルクは伝達されない。すなわち、非ターニング状態ではリング歯車１６４はフリー状態となっているので、ターニングモータ１５２は主軸２Ｃ側から切り離される。このように、遊星歯車機構１５４を利用することによって、ターニング装置１５０を主軸２Ｃに対して切り離すことなく、非ターニング状態を実現することができる。

続いて、ターニング装置１５０によって、例えば風力発電装置１のメンテナンス時や建設時のように停止状態を維持するブレーキング状態における動作例について説明する。ブレーキング状態では、ターニングモータ１５２をＯＦＦに設定することにより無駄な動力の出力を禁止すると共に、第１のブレーキ手段１６８及び第２のブレーキ手段１７６をＯＮに設定する。これにより、遊星歯車機構１５４を構成する各歯車を固定して、ピニオンギア１５６を介して連結されたターニングディスク１４０に制動力を付与して、主軸２Ｃを停止状態に維持することができる。

このように、ターニング状態及び非ターニング状態に加えて、ターニング操作の対象である主軸２Ｃを停止状態に維持するブレーキング状態を選択することができる。これにより、ターニング装置１４０を用いるメンテナンス時やヘリアクセス時における安全性を高めることができる。

ここでブレーキング状態では遊星歯車機構１５４自体が固定されているため、突風発生時などのように主軸に過大入力が有った場合の破損が問題となる。本実施例では特に、第２のブレーキ手段１７６による制動力が第１のブレーキ手段１６８による制動力に比べて大きくなるように設定されている。これにより、ブレーキング状態において主軸に過大入力が有った場合に、制動力が小さい第１のブレーキ手段１６８側がスリップすることによって、ターニング装置１５０の破損を防止している。
特に第１のブレーキ手段１６８側をスリップさせることによって、過大入力時においても、ターニングモータ１５２が不用意に駆動されることを防止できる。これにより、主軸２Ｃからの回転トルクの伝達により、不用意にターニングモータ１５２が駆動されて不具合が生じることを効果的に防止することができる。この種の不具合の一例としては、ターニングモータ１５２が不用意に駆動されることで発電した電力によって発熱し、焼きつきなどの不具合が生じるおそれがあるが、本実施形態ではこのような事態を効果的に防止することができ、信頼性を向上することができる。

このように第１実施形態では、切換機構を遊星歯車機構１５４を用いて構成することにより、主軸２Ｃに対してターニング装置１５０を常設することができ、作業員による脱着作業を省くことができる。また、駆動源であるターニングモータ１５２からの回転トルクを遊星歯車機構１５４が有する適切な減速比で主軸に伝達できるため、比較的小さな回転トルクでターニング動作を実現できるので、ターニング装置１５０の大型化を回避することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る風力発電装置１のターニング装置２００の具体的な構成について説明する。図８は、第２実施形態に係るターニング装置２００の構成例を示す平面図であり、図９は図８に示すターニング装置２００を側面側から示す模式図である。

ターニング装置２００は、ターニングモータ２０２及び複数の平行軸歯車を有してなる減速ギア機構を有する。この減速ギア機構は、回転軸が互いに平行なピニオン及びギアである、第１歯車２０６、第２歯車２０８及び第３歯車２１０により構成される。第１歯車２０６は、ターニングモータ２０２の出力軸２０４に取り付けられている。第２歯車２０８は、回転軸２１２に取り付けられており、第１歯車２０６と噛み合っている。第３歯車２１０は、軸受によって回転可能に支持された回転軸２１２に取り付けられており、ターニングディスク１４０の歯車１４２と噛み合っている。
ターニングモータ２０２から出力されたトルクは、第１歯車２０６、第２歯車２０８及び第３歯車２１０によって減速されて、ターニングディスク１４０に入力される。

このようにターニングディスク１４０及びターニングモータ２０２間に設けられた第１歯車２０６、第２歯車２０８及び第３歯車２１０は減速ギアとして機能する。ターニングモータ２０２から出力される回転トルクはこれらの歯車によって減速されて主軸２Ｃに伝達されるので、ターニング操作時に、ターニングモータ２０２から出力すべき回転トルクは比較的小さくて済む。

ターニングディスク１４０に噛み合う第３歯車２１０は駆動手段として機能するアクチュエータによって、第３歯車２１０が連結された出力軸２０４を中心として図中の矢印Ａ方向に回転移動可能に構成されている。これにより、ターニング装置２００の第３歯車２１０をターニングディスク１４０の歯車１４２から離脱させたり、ターニング装置２００の第３歯車２１０をターニングディスク１４０の歯車１４２に噛み合わせたりすることができる。
尚、このようなアクチュエータによる嵌脱動作に代えて、これらの平行軸歯車間にクラッチを設けて動力伝達状態を切り換えるようにしてもよい。

従って、ロータ２のターニング操作を行うとき、ターニング装置２００の第３歯車２１０をターニングディスク１４０の歯車１４２に噛み合わせて（係合位置に移動）、ターニングモータ２０２のトルクをターニングディスク１４０に伝達することができる。それ以外のときは、ターニング装置２００の第３歯車２１０をターニングディスク１４０の歯車１４２から離脱させておけばよい（非係合位置に移動）。
尚、ターニング装置２００の第３歯車２１０のターニングディスク１４０の歯車１４２に対する嵌脱は、遠隔地からの指令に従って行われるようにしてもよい。

本実施形態によれば、切換機構は平行軸歯車を構成するピニオン及びギア同士の位置をアクチュエータによって移動させることによって、ターニング装置２００の切換動作を実施することができる。このようにアクチュエータによる切り換え動作によって切換機構の状態を制御できるので、主軸２Ｃに対してターニング装置２００を常設することができ、作業員による脱着作業を省くことができる。

尚、図１０に示すようにターニング装置２００は、ターニングディスク１４０に対して複数設けてもよい。これによって、より大きなトルクをターニングディスク１４０に入力できる。

以上説明したように、本実施形態に係る再生エネルギー型発電装置では、切換機構を含んでなるターニング装置によって、主軸を回転させることができる。切換機構はターニング状態と非ターニング状態と、更にはブレーキング状態との間を切換可能であるため、煩雑な操作を伴うことなく、減速及び停止されたロータを任意の角度位置にターニング操作することができる。

１ 風力発電装置
２ ロータ
２Ａ ブレード
２Ｂ ハブ
２Ｃ 主軸
３ 主軸軸受
４ 油圧トランスミッション
６ 発電機
７ タワー
８ ナセル
９ ロックピン
２０ 油圧ポンプ
２２ 油圧モータ
２４ 高圧油ライン
２６ 低圧油ライン
３０ 制御ユニット
４０ ターニング制御部
８０ オイルタンク
８４ ポンプ
１４０ ターニングディスク
１５０ ターニング装置（第１実施形態）
１５２ ターニングモータ
１５４ 遊星歯車機構
１５６ ピニオンギア
１５９ 遊星ピン
１６０ 遊星歯車
１６２ リング歯車
１６４ 太陽歯車
１６６ ブレーキギア
１６８ 第１のブレーキ機構
１７０ ブレーキディスク
１７２ ブレーキキャリパー
１７４ モータ回転軸
１７６ 第２のブレーキ機構
１７８ ブレーキディスク
１８０ ブレーキキャリパー
１８２ 回転軸
１９０ ケーシング
２００ ターニング装置（第２実施形態）
２０２ ターニングモータ
２０４ 出力軸
２０６ 第１歯車
２０８ 第２歯車
２１０ 第３歯車
２１２ 回転軸

本発明に係る第１の再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーを利用して発電を行う再生エネルギー型発電装置であって、ブレードと、該ブレードが取り付けられたハブと、該ハブに連結されることにより前記ハブと共に回転する主軸と、前記主軸の回転によって駆動される発電機と、前記主軸を回転させるための回転トルクを出力する駆動源、並びに、該駆動源及び前記主軸間に配置され、前記駆動源から出力された回転トルクを前記主軸に伝達して回転させるターニング状態と前記駆動源及び前記主軸間のトルク伝達を遮断する非ターニング状態とを選択的に切換可能な切換機構を含んでなるターニング装置とを備え、前記切換機構は、複数の遊星歯車と、該複数の遊星歯車と噛み合う内歯を有するリング歯車と、前記複数の遊星歯車に囲まれるように配置され、前記遊星歯車と噛み合う太陽歯車とを備えた遊星歯車機構を有してなり、前記駆動源、前記主軸及び制動トルクを出力可能な第１の制動手段のいずれか一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車のいずれか一つに接続されており、前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段の他の一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車の他の一つに接続されており、前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段の更に他の一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車の更に他の一つに接続されていることを特徴とする。
この再生エネルギー型発電装置によれば、切換機構によってターニング状態と非ターニング状態とを選択的に切換可能とすることで、煩雑な作業員によるターニング装置の取り付け作業を行うことなく、切換制御によって減速及び停止されたロータを任意の角度位置に容易にターニング操作することができる。

前記切換機構は、前記第１の制動手段から出力された制動トルクを前記主軸に伝達するブレーキング状態を更に選択可能であってもよい。
この態様によれば、上述のターニング状態及び非ターニング状態に加えて、主軸に制動力を印加するブレーキング状態を選択することができる。これにより、例えば、運転状態にある再生エネルギー型発電装置におけるロータ回転数の減速及び停止や、メンテナンス時やヘリアクセス時におけるロータの停止状態の維持を安全に行うことができる。

Claims (15)

1. 再生エネルギーを利用して発電を行う再生エネルギー型発電装置であって、
   ブレードと、
   該ブレードが取り付けられたハブと、
   該ハブに連結されることにより前記ハブと共に回転する主軸と、
   前記主軸の回転によって駆動される発電機と、
   前記主軸を回転させるための回転トルクを出力する駆動源、並びに、該駆動源及び前記主軸間に配置され、前記駆動源から出力された回転トルクを前記主軸に伝達して回転させるターニング状態と前記駆動源及び前記主軸間のトルク伝達を遮断する非ターニング状態とを選択的に切換可能な切換機構を含んでなるターニング装置と
   を備えたことを特徴とする再生エネルギー型発電装置。
2. 前記主軸に大径に設けられたターニングディスクと、
   該ターニングディスク及び前記切換機構間に設けられた減速ギアと
   を更に備え、
   前記ターニング状態において、前記駆動源から出力した回転トルクは、前記減速ギアを介して前記ターニングディスクに伝達されることにより、前記主軸を回転させることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
3. 制動トルクを出力可能な第１の制動手段を更に備え、
   前記切換機構は、前記第１の制動手段から出力された制動トルクを前記主軸に伝達するブレーキング状態を更に選択可能であることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
4. 前記切換機構は、複数の遊星歯車と、該複数の遊星歯車と噛み合う内歯を有するリング歯車と、前記複数の遊星歯車に囲まれるように配置され、前記遊星歯車と噛み合う太陽歯車とを備えた遊星歯車機構を有してなり、
   前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段のいずれか一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車のいずれか一つに接続されており、
   前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段の他の一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車の他の一つに接続されており、
   前記駆動源、前記主軸及び前記第１の制動手段の更に他の一つは、前記遊星歯車、前記リング歯車及び前記太陽歯車の更に他の一つに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
5. 前記駆動源は前記太陽歯車に接続されており、
   前記主軸は前記遊星歯車に接続されており、
   前記第１の制動手段は前記リング歯車に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の再生エネルギー型発電装置。
6. 前記駆動源を制動制御する第２の制動手段を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の再生エネルギー型発電装置。
7. 前記第２の制動手段による制動力は前記第１の制動手段による制動力に比べて大きく設定されていることを特徴とする請求項６に記載の再生エネルギー型発電装置。
8. 前記切換機構は、
   回転軸が互いに平行なピニオン及びギアを含む複数の平行軸歯車と、
   前記ターニング状態において前記ピニオン及び前記ギアとの係合位置に移動させ、前記非ターニング状態において前記ピニオン及び前記ギアとの非係合位置に移動させる駆動手段と
   を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
9. 前記ハブの回転によって駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプで昇圧された作動油によって駆動されることにより、前記発電機を駆動する油圧モータと
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
10. 前記主軸が前記発電機の回転軸に直接連結されることにより、前記回転軸と同速度で回転することを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
11. 前記切換機構の切換動作を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
12. 再生可能エネルギーとして風力を利用して発電する風力タービン発電機であることを特徴とする請求項１に記載の再生エネルギー型発電装置。
13. 再生エネルギーを利用して、ブレードが取り付けられたハブを回転させることで、該ハブに連結された主軸を回転させて発電機を駆動して発電を行い、駆動源から出力された回転トルクを前記主軸に伝達して回転させるターニング状態と前記駆動源及び前記主軸間のトルク伝達を遮断する非ターニング状態とを選択的に切換可能な切換機構を含むターニング装置を備えた再生エネルギー型発電装置の操作方法であって、
    前記切換機構は前記駆動源が接続された太陽歯車と、前記主軸が接続された前記遊星歯車と、前記第１の制動手段が接続された前記リング歯車とを備えた遊星歯車機構を有してなり、
    前記ターニング状態において、前記第１の制動手段により前記リング歯車を制動して固定すると共に、前記駆動源から回転トルクを出力することによって、前記主軸を回転させることを特徴とする再生エネルギー型発電装置の操作方法。
14. 前記切換機構は、再生エネルギー型発電装置は前記駆動源を制動制御する第２の制動手段を更に備えており、前記非ターニング状態において、前記第２の制動手段によって前記駆動源を制動して前記太陽歯車を固定すると共に、前記第１の制動手段からの制動力の印加を禁止することによって、前記リング歯車を空転させることを特徴とする請求項１３に記載の再生エネルギー型発電装置の操作方法。
15. 前記切換機構は、前記主軸を停止させるブレーキング状態を更に選択可能であり、前記ブレーキング状態において、前記第１の制動手段により前記リング歯車を制動して固定すると共に、前記第２の制動手段により前記太陽歯車を制動して固定することによって、前記主軸を停止させることを特徴とする請求項１４に記載の再生エネルギー型発電装置の操作方法。

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