(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーによって支持されたナセルと、
風の力を受けるブレードが設けられ、前記ブレードが風を受けて回転するロータと、
前記ロータに接続され、前記ナセルによって回転可能に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトの回転力により電力を生成する発電機と、
前記ロータシャフト及び前記タワーの少なくとも何れか一方の内周面又は外周面に、前記発電機が作動中に発生する振動、又は前記ロータシャフトの回転力を前記発電機に伝達するためのドライブトレインが設けられる場合は該ドライブトレインが作動中に発生する振動の周波数に対応して設定された間隔で、前記振動の伝搬方向に向けて少なくとも２つ設けられる剛性向上部と、を備え、
前記間隔をＬ、前記発電機又は前記ドライブトレインが作動中に発生する振動の波長をλと定義すると、前記剛性向上部の間隔Ｌは、整数ｎを用いて下記の関係式を満たすように設定されている
ことを特徴とする風力発電装置。
【数１】
0006017012.tif 000005
【請求項２】
前記剛性向上部は、前記内周面又は前記外周面に設けられるリブ部材、前記ロータシャフトの軸受部、及びフランジ部の少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記ドライブトレインは、
前記ロータシャフトの回転によって駆動されるように構成される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプで生成された圧油によって駆動され、前記発電機を発電可能とする油圧モータと、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、所定の高さを有するタワーの頂部に発電機や増速機を備えるナセルが設置され、このナセルに風力で回転するブレードが取り付けられ、当該ブレードの回転力を駆動源として発電機を作動させて発電する。【０００３】
風力発電装置において、発電機や増速機が作動中に生ずる振動がタワーの壁面に波として伝播することによって、壁面が振動板となって騒音が生じることがある。かかる振動伝搬による固体伝搬音を低減させる従来技術として、特許文献１には、タワーに複数のブロッキングマスを設ける技術が開示されている。ブロッキングマスは、その大きさ等の性状に応じた周波数の振動の伝搬を低減し、もって、動作音を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３４２１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ブロッキングマスは、振動の伝搬を低減する手段として有効であるが、回転体に適用する場合、回転軸が偏心しないようにするために、ブロッキングマスの形状を如何にするかという問題が生じる。【０００６】
本発明の少なくとも一つの実施形態の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、より簡素な構成で特定周波数の振動伝搬による固体伝搬音を低減させることの可能な、新規かつ改良された風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電装置は、タワーによって支持されたナセルと、風の力を受けるブレードが設けられ、前記ブレードが風を受けて回転するロータと、前記ロータに接続され、前記ナセルによって回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの回転力により電力を生成する発電機と、前記ロータシャフト及び前記タワーの少なくとも何れか一方の内周面又は外周面に、前記発電機が作動中に発生する振動、又は前記ロータシャフトの回転力を前記発電機に伝達するためのドライブトレインが設けられる場合は該ドライブトレインが作動中に発生する振動の周波数に対応して設定された間隔で、前記振動の伝搬方向に向けて少なくとも２つ設けられる剛性向上部と、を備える。【０００８】
上記風力発電装置では、少なくとも２つの剛性向上部の間隔に応じて、低減すべき振動の周波数を選択することができる。そして、剛性向上部の間隔は、発電機が作動中に発生する振動やドライブトレインが作動中に発生する振動の周波数に対応して設定されているので、剛性向上部によって、発電機が作動中に発生する振動やドライブトレインの振動により発生する曲波の伝搬が低減され、当該曲波の伝搬によるブレードやタワーからの固体伝搬音を低減できる。【０００９】
本発明の一実施形態では、前記間隔をＬ、前記発電機又は前記ドライブトレインが作動中に発生する振動の波長をλと定義すると、前記剛性向上部の間隔Ｌは、整数ｎを用いて下記の関係式を満たすように設定されている。
【数２】
0006017012.tif 000002
【００１０】
この構成によれば、発電機やドライブトレインの振動の波長に基づいて剛性向上部の間隔を的確に設定することができ、発電機やドライブトレインからの振動により発生する曲波の伝搬をより的確に低減できる。【００１１】
本発明の一実施形態では、前記剛性向上部は、前記内周面又は前記外周面に設けられるリブ部材、前記ロータシャフトの軸受部、及びフランジ部の少なくとも何れかを含む。【００１２】
この構成によれば、リブ部材、ロータシャフトの軸受部及びフランジ部の何れかを利用することによって、簡単な構成にて、発電機やドライブトレインの振動により発生する曲波の振動伝搬を低減できる。特に、ロータシャフトの軸受部やフランジ部を利用すれば、追加する部材の数を低減することができ、より簡単な構成で、発電機やドライブトレインの振動により発生する曲波の振動伝搬を低減できる。【００１３】
本発明の一実施形態では、前記ドライブトレインは、前記ロータシャフトの回転によって駆動されるように構成される油圧ポンプと、前記油圧ポンプで生成された圧油によって駆動され、前記発電機を発電可能とする油圧モータと、を備える。【００１４】
この構成によれば、油圧ポンプや油圧ドライブの振動により曲波が発生したとしても、曲波の振動伝搬を低減できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、より簡素な構成で特定周波数の振動伝搬による固体伝搬音を低減させることの可能な、新規かつ改良された風力発電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の詳細な構成例を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の剛性向上部の構成例を示した図である。
【図４】剛性向上部を節とした場合の曲波の例を示す図である。
【図５】剛性向上部を腹とした場合の曲波の例を示す図である。
【図６】実施例と比較例における周波数と減衰定数との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の他の一実施形態に係る風力発電装置の詳細な構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、実施形態として以下に記載され、あるいは、実施形態として図面で示された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、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。
【００１８】
まず、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示した図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の詳細な構成例を示した図である。
【００１９】
一実施形態では、風力発電装置１００は、風を受けて回転するロータ１０２と、ロータ１０２のシャフト１０６を回転自在に支持するナセル１０５と、ロータシャフト１０６の回転を増速するドライブトレイン１０７と、ナセル１０５を支持する略円筒形状のタワー１１１と、電力を生成する発電機１１４とを備える。なお、ナセル１０５は、タワー１１１に対してヨー旋回可能となっている。
【００２０】
ロータ１０２は、少なくとも一本のブレード１０３と、ブレード１０３が取り付けられるハブ１０４とで構成される。ハブ１０４には、ロータシャフト１０６が取り付けられ、ブレード１０３が受けた風の力によって、ロータ１０２がロータシャフト１０６と共に回転し、ロータシャフト１０６を介して、ドライブトレイン１０７に回転が入力される。なお、ハブ１０４は、ハブカバー１０４ａによって覆われていてもよい。
【００２１】
ドライブトレイン１０７は、ロータシャフト１０６の回転を増速して発電機１１４に入力するための増速機である。一実施形態では、ドライブトレイン１０７は、ロータシャフト１０６に連結された油圧ポンプ１１０と、発電機１１４に連結された油圧モータ１１２と、油圧ポンプ１１０及び油圧モータ１１２間に設けられる油の循環ラインとを有する。循環ラインは、油圧ポンプ１１０の吐出側と油圧モータ１１２の吸込側とを接続する高圧油ライン１１６、及び油圧ポンプ１１０の吸込側と油圧モータ１１２の吐出側とを接続する低圧油ライン１１８により構成されている。
【００２２】
油圧ポンプ１１０は、ロータシャフト１０６によって駆動されて高圧の作動油を生成する。この高圧の作動油は、高圧油ライン１１６を介して油圧モータ１１２に供給され、該高圧の作動油によって油圧モータ１１２が駆動される。このとき、油圧モータ１１２に連結された発電機１１４が駆動され、発電機１１４において電力が生成される。油圧モータ１１２から吐出された作動油は、低圧油ライン１１８を介して油圧ポンプ１１０に供給され、油圧ポンプ１１０において再び昇圧されて油圧モータ１１２に送られる。
【００２３】
なお、一実施形態では、ドライブトレイン１０７は、上述したような油圧トランスミッションであるが、ドライブトレインは、遊星歯車等により構成されるギア式増速機であってもよい。ただし、近年、風力発電装置１００の大型化が進行しており、増幅機構となるドライブトレイン１０７として、ギア式増幅器よりも軽量化が可能な油圧トランスミッションの方が好ましい。
【００２４】
ロータシャフト１０６は、鉄等の硬質な金属により構成される略円筒形状の中空部材である。一実施形態では、ロータシャフト１０６は、図２に示すように、ロータシャフト１０６の剛性を向上させる剛性向上部１２０として、ロータシャフト１０６の内周面１０６ａにリブ部材１２２が２つ設けられる構成であることを特徴とする。リブ部材１２２は、ドライブトレイン１０７の油圧ポンプ１１０が作動中に発生する振動の周波数に対応して設定された間隔で、当該振動の伝搬方向に向けて少なくとも２つ設けられる。
【００２５】
このように、リブ部材１２２をロータシャフト１０６の内周面１０６ａに取り付けることによって、リブ部材１２２の設置部位の内周面１０６ａが振動しないように固定されるので、油圧ポンプ１１０からの振動伝搬による固体伝搬音を低減させることができる。
【００２６】
なお、図２に示す一実施形態では、ロータシャフト１０６の内周面１０６ａにリブ部材１２２が２つ設けられているが、リブ部材１２２は、少なくとも２つ設けられていればよいので、３つ以上設ける構成としてもよい。
【００２７】
また、剛性向上部１２０として、ロータシャフト１０６の内周面１０６ａに設けたリブ部材１２２の他に、ロータシャフト１０６の外周面１０６ｂの端部に設けられるフランジ部１２６や、ロータシャフト１０６を回転可能に支持する軸受部１２４も適用可能である。すなわち、軸受部１２４やフランジ部１２６は、ロータシャフト１０６の外周面１０６ｂの振動を阻止し得る部材となるので、リブ部材１２２をロータシャフト１０６に取り付けるだけでなく、既設の軸受部１２４やフランジ部１２６も剛性向上部１２０として適用できる。このように、ロータシャフト１０６の軸受部１２４やフランジ部１２６を利用すれば、追加する部材の数を低減して、より簡単な構成で、ドライブトレイン１０７の振動により発生する曲波の振動伝搬を低減できる。
【００２８】
さらに、リブ部材１２２は、ロータシャフト１０６の外周面１０６ｂに設けられていてもよい。すなわち、ドライブトレイン１０７からの振動伝搬による固体伝搬音を低減させるためには、剛性向上部１２０となるリブ部材１２２は、ロータシャフト１０６の内周面１０６ａ及び外周面１０６ｂの少なくとも何れかに２つ以上設けられていればよい。
【００２９】
次に、本発明の一実施形態に係る風力発電装置に備わる剛性向上部の構成について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の剛性向上部の構成例を示した図である。
【００３０】
固体伝搬音の主な振動は、曲波によって発生することから、固体伝搬音を低減させるためには、曲波の伝搬を低減することが効果的である。このため、一実施形態では、図３に示すように、中空円筒部材であるロータシャフト１０６の内周面１０６ａに、所定の間隔Ｌで金属等の硬質材料で構成される環状のリブ部材１２２を追設することによって、特定周波数の曲波の振動伝搬を低減する。リブ部材１２２の取付構造は、環状部材をロータシャフト１０６の内部に挿入して取り付ける構造や、板状部材を曲げて内部に挿入して取り付ける構造や、設置箇所に肉盛り等して取り付ける構造であってもよい。
【００３１】
リブ部材１２２をロータシャフト１０６の内周面１０６ａに所定の間隔Ｌで取り付けることによって、リブ部材１２２の設置部位の内周面１０６ａが振動しないように固定される。このように、リブ部材１２２を設けることによって、リブ部材１２２を節Ｐ１とした振動の曲波Ｗ１は、図４に示すように、通過するが、リブ部材１２２を節とせず、腹Ｐ２とする振動の曲波Ｗ２は、図５に示すように、遮断される。
【００３２】
ドライブトレイン１０７の振動周波数（励起周波数）には、多数の周波数が存在し、各励起周波数の曲波がロータシャフト１０６を伝搬しようとする。しかし、リブ部材１２２は、ロータシャフト１０６の支持部又は固定部を構成しており、リブ部材１２２を節にする曲波は、ロータシャフト１０６を伝搬しやすい一方、リブ部材１２２を節にしない波は、減衰が大きくなり振動低減可能となる。
【００３３】
すなわち、上記低減周波数は、リブ部材１２２の間隔により決定されることから、一実施形態では、振動伝搬を低減させたい曲波の特定周波数で剛性向上部１２０となるリブ部材１２２の間隔Ｌを決めて、リブ部材１２２を追加して設ける。リブ部材１２２の間隔をＬ、ドライブトレイン１０７の油圧ポンプ１１０が作動中に発生する振動の波長をλと定義すると、リブ部材１２２は、整数ｎを用いて下記の関係式を満たすように、間隔Ｌを設定する。
【数３】
0006017012.tif 000003
【００３４】
ドライブトレイン１０７の主な振動源は、油圧ポンプ１１０であり、当該油圧ポンプ１１０が作動中に発生する振動周波数は、３００Ｈｚ以上４００Ｈｚ以下の範囲内である。このため、当該範囲内の振動周波数帯の曲波のロータシャフト１０６への振動伝播を低減するために、リブ部材１２２の間隔は、上記関係式から１〜２ｍ程度の値に定まる。特に、このとき、ドライブトレイン１０７からの振動伝搬の低減の効果がでる波長λは、リブ部材１２２を節としない波長であるので、上記効果が得られるように、リブ部材１２２の間隔Ｌを調整する。このように、ドライブトレイン１０７の振動源となる油圧ポンプ１１０の振動周波数に基づいて、リブ部材１２２の間隔Ｌを設定することによって、ドライブトレイン１０７からの振動により発生する曲波のロータシャフト１０６への振動伝搬をより的確に低減できる。
【００３５】
従来の風力発電装置では、増速機や油圧ドライブ等のドライブトレインで大きな振動が発生し、その振動がブレードに伝搬して、当該ブレードの大きな放射面から固体伝搬音が放射することによる動作音が発生していた。特に、ドライブトレインにおける振動は、増速機、油圧ドライブ等の振動がロータシャフト、ローターヘッド等を伝搬してブレード等の各部に伝わるため、動作音の発生源のひとつとなっていた。
【００３６】
このため、一実施形態では、上記動作音を低減させるために、リブ部材１２２をロータシャフト１０６の内周面１０６ａに上記間隔Ｌで、かつ上記振動の伝搬方向に向けて取り付けることによって、リブ部材１２２の設置部位の内周面１０６がドライブトレイン１０７の振動伝搬によって振動しないように固定する。このように、リブ部材１２２を設けることによって、ドライブトレイン１０７からロータシャフト１０６への振動伝搬による固体伝搬音が低減される。これによって、ロータシャフト１０６を経由してから、ブレード１０３を放射面として固体伝搬音を放射することによる動作音を低減できる。
【００３７】
増速機や油圧ドライブ等のドライブトレイン１０７は、特定周波数において振動が発生するため、周波数帯域全域で振動低減する必要はない。このため、一実施形態では、ロータシャフト１０６に剛性向上部１２０となるリブ部材１２２を上述したような特定の間隔で設けることによって、特定周波数の振動レベルを低減して、特定の周波数に対してチューニングが可能な手法を適用している。
【００３８】
このように、ロータシャフト１０６にリブ部材１２２を設けることによって、一実施形態では、低減対象となるドライブトレイン１０７からの振動による特定周波数の振動レベルを低減する。図６は、ロータシャフトにリブ部材を設けた実施例と、リブ部材を設けない比較例における周波数と減衰定数との関係を示すグラフである。
【００３９】
図６に示すように、リブ部材を設けない比較例Ｃ１では、どの周波数帯においても、減衰定数がほぼ一定であるのに対して、リブ部材を設けた実施例Ｅ１では、特定の周波数帯での減衰定数が下がっていることが分かる。このため、一実施形態では、減衰対象となる曲波の特定周波数帯を減衰定数が下がる周波数帯となるように、リブ部材１２２の間隔を調整して設けることによって、ドライブトレイン１０７から発生する振動伝播を低減する。また、一実施形態において、減衰定数が下がる周波数帯である特定周波数帯Ａ１〜Ａ４では、それぞれ５０Ｈｚ程度の周波数幅があるので、リブ部材を設定した間隔に対応する特定周波数から５０Ｈｚ前後の幅の周波数の曲波の周波数が低減可能な周波数帯となる。
【００４０】
次に、本発明の他の一実施形態について、図面を使用しながら説明する。図７は、本発明の他の一実施形態に係る風力発電装置の詳細な構成例を示した図である。
【００４１】
他の一実施形態では、風力発電装置２００は、風を受けて回転するロータ２０２と、ロータ２０２のシャフト２０６を回転自在に支持するナセル２０５と、ロータシャフト２０６の回転を増速するドライブトレイン２０７と、ナセル２０５を支持する略円筒形状のタワー２１１と、電力を生成する発電機２１４とを備える。なお、ナセル２０５は、タワー２１１に対してヨー旋回可能となっている。
【００４２】
ロータ２０２は、少なくとも一本のブレード２０３と、ブレード２０３が取り付けられるハブ２０４とで構成される。ハブ２０４には、ロータシャフト２０６が取り付けられ、ブレード２０３が受けた風の力によって、ロータ２０２がロータシャフト２０６と共に回転し、ロータシャフト２０６を介して、ドライブトレイン２０７に回転が入力される。なお、ハブ２０４は、ハブカバー２０４ａによって覆われていてもよい。
【００４３】
他の一実施形態では、前述の一実施形態と剛性向上部の設置部位が異なる。すなわち、図７に示すように、他の一実施形態では、ドライブトレイン２０７からの振動伝搬による固体伝搬音を低減させるために、剛性を向上させる剛性向上部２２０として、タワー２１１の内周面２１１ａにリブ部材２２２が３つ設けられる構成となっている。なお、図７に示す他の一実施形態では、タワー２１１の内周面２１１ａにリブ部材２２２が３つ設けられているが、リブ部材２２２は、少なくとも２つ設けられていればよいので、設置数は、３つに限定されない。
【００４４】
リブ部材２２２の間隔をＬ、ドライブトレイン２０７が作動中に発生する振動の波長をλと定義すると、リブ部材１２２は、整数ｎを用いて下記の関係式を満たすように、間隔Ｌを設定する。
【数４】
0006017012.tif 000004
【００４５】
また、ドライブトレイン２０７が作動中に発生する振動周波数ｆは、３００Ｈｚ以上４００Ｈｚ以下の範囲内であるので、リブ部材２２２の間隔は、１〜２ｍくらいとなる。特に、このとき、ドライブトレイン２０７からの振動伝搬の低減の効果がでる波長λは、リブ部材２２２を節としない波長であるので、上記効果が得られるように、リブ部材２２２の間隔Ｌを調整する。このように、ドライブトレイン２０７の振動周波数に基づいてリブ部材２２２を設定することによって、ドライブトレイン２０７からの振動により発生する曲波のタワー２１１への振動伝搬をより的確に低減できる。
【００４６】
このように、リブ部材２２２をタワー２１１の内周面２１１ａに上記間隔Ｌで取り付けることによって、リブ部材２２２の設置部位の内周面２１１ａが振動しないように固定される。このため、ドライブトレイン２０７からタワー２１１への振動伝搬による固体伝搬音が低減されるので、タワー２１１の外周面２１１ｂを放射面として固体伝搬音を放射することによる騒音を低減できる。
【００４７】
なお、剛性向上部２２０として、タワー２１１の内周面２１１ａに設けたリブ部材２２２の他に、タワー２１１の外周面２１１ｂの端部に設けられるフランジ部２２４も適用可能である。すなわち、フランジ部２２４は、タワー２１１の外周面２１１ｂの振動を阻止し得る部材となるので、リブ部材２２２をタワー２１１の内周面２１１ａに取り付けるだけでなく、既設のフランジ部２２４も剛性向上部２２０として適用できる。
【００４８】
また、リブ部材２２２は、タワー２１１の外周面２１１ｂに設ける構成としてもよい。すなわち、ドライブトレイン２０７からの振動伝搬による固体伝搬音を低減させるために、剛性向上部２２０がタワー２１１の内周面２１１ａ及び外周面２１１ｂの少なくとも何れかに２つ以上設けられる構成となっていればよい。
【００４９】
さらに、他の実施形態では、リブ部材２２２をタワー２１１の内周面２１１ａに設けているが、ロータシャフト２０６の内周面及び外周面の少なくとも何れか一方にも設ける構成としてもよい。このように、リブ部材２２２をタワー２１１の他に、ロータシャフト２０６の内周面及び外周面の少なくとも何れかにも設けることによって、ドライブトレイン２０７の振動がブレード２０３やタワー２１１に伝搬を低減できる。このため、ブレード２０３やタワー２１１の放射面から固体伝搬音が放射することによる騒音を抑制できる。
【００５０】
なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００５１】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、風力発電装置の構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００５２】
さらに、上記の各実施形態では、ロータシャフトの回転をドライブトレインで増速させて発電機に回転動力を伝達する風力発電装置について説明しているが、本発明は、ドライブトレインを備えないギアレス風力発電装置にも適用可能である。すなわち、ロータシャフトの回転を発電機に直接伝達する場合では、発電機からの振動伝搬を低減して、動作音の発生を抑制する。
【符号の説明】
【００５３】
１００        風力発電装置
１０２        ロータ
１０３        ブレード
１０４        ハブ
１０６        ロータシャフト
１０６ａ      内周面
１０６ｂ      外周面
１１０        油圧ポンプ
１１２        油圧モータ
１１４        発電機
１１６        高圧油ライン
１１８        低圧油ライン
１２０        剛性向上部
１２２        リブ部材
１２４        軸受部
１２６        フランジ部
【図１】
0006017012.tif 000006
【図２】
0006017012.tif 000007
【図３】
0006017012.tif 000008
【図４】
0006017012.tif 000009
【図５】
0006017012.tif 000010
【図６】
0006017012.tif 000011
【図７】
0006017012.tif 000012