(57)【要約】  ハブの製造に要求される機械加工を軽減でき、しかも、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂ単体の重量軽減によりメンテナンス性を向上させたブレードピッチ角制御装置４０を提供する。複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられ、各ブレードのピッチ角度を個別に動作させるブレードピッチ角度制御装置４０が、ブレードの１翼当たりに２本の油圧シリンダ４１Ａ、４１Ｂを用いて動作させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられ、各ブレードのピッチ角度を個別に動作させるシリンダを備えているブレードピッチ角度制御装置であって、
前記ブレードの１翼当たりに２本のシリンダを用いて動作させることを特徴とするブレードピッチ角度制御装置。
【請求項２】
前記シリンダを平行またはハの字状に配設したことを特徴とする請求項１に記載のブレードピッチ角度制御装置。
【請求項３】
前記シリンダをブレード回動軸中心位置よりナセル側に配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のブレードピッチ角度制御装置。
【請求項４】
複数枚のブレードを有し、各ブレードのピッチ角度を個別に動作させる請求項１から３のいずれかに記載のブレードピッチ角度制御装置を備えていることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に係り、特に、風車のブレードピッチ角度を制御するブレードピッチ角度制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電装置に使用されるプロペラ型風車は、ローターヘッドに取り付けられた複数枚のブレード（風車翼）に風を受けて回転する。ローターヘッドの回転は、回転軸に連結された増速機を介して増速された後、発電機を駆動して発電する。
このような風力発電装置においては、風況に応じて所定の回転速度と出力とを得るように、各ブレードのブレードピッチ角度を個別に調整することが行われている。（たとえば、特許文献１参照）【０００３】
上述したブレードピッチ角度（以下、「ピッチ角度」と呼ぶ）の調整を行う従来のブレードピッチ角度制御装置においては、各ブレードを個別に動作させてピッチ角度を調整するため、ブレードを回動させてピッチ角度を変化させる油圧シリンダ等のアクチュエータがブレード毎に設けられている。
すなわち、ローターヘッドに取り付けられるブレードが３枚であれば、個々のブレードに装着されて独立した動作をする油圧シリンダは、各々１本ずつ合計３本設けられている。
【特許文献１】特開２００５−８３３０８号公報
【発明の開示】
【０００４】
ところで、各ブレードを個別に動作させてピッチ角度を調整する従来のブレードピッチ角度制御装置においては、たとえば図９に示すように、ブレード毎に１本の油圧シリンダ４１がローターヘッドを構成するハブ０６側に取り付けられている。この油圧シリンダ４１は、たとえばトラニオンを介してハブ０６に取り付けられているので、ハブ０６に対し点Ｃを中心に揺動可能とされる。
【０００５】
一方、ハブ０６に対して回動可能に支持されているブレード側端面５ａの所定位置には、たとえばスピンドルが任意の点Ｐに取り付けられている。この点Ｐにおいて、油圧で伸縮するピストンロッド４２の先端部をスピンドルに連結することにより、ピストンロッド４２の伸縮に応じて、点Ｐがブレード側端面５ａの中心点ｏを中心にして約９０度（ＰＡ〜ＰＢ）の範囲を回動する。従って、ブレード側端面５ａと一体に回動するブレードが所望の方向に旋回してピッチ角度を変化させるので、ピッチ角度制御を実施することができる。
【０００６】
このように、上述した従来構造では、各ブレードのピッチ角度制御を１本の油圧シリンダ４１により動作させているため、ファイン（通常運転状態）からフェザー（停止状態）までのピッチ角度制御範囲（約９０度）を確保するためには、ストロークの長い油圧シリンダ４１を採用する必要がある。
従って、油圧シリンダ４１の全長も長くなり、ブレード及びピッチ角度制御装置が取り付けられているハブ０６を貫通するように突き刺さった取付構造となり、ハブ０６の形状が複雑になるだけでなく、油圧シリンダ４１を取り付けるトラニオンブラケットも複雑な構造となる。
【０００７】
このため、ハブ自体の製造に要求される機械加工等の工数が増してコストアップの要因となり、さらに、油圧シリンダ単体の重量についても、風力発電装置の大型化に伴って増大することになるので、メンテナンス性が悪化する傾向になるため好ましくない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハブの製造に要求される機械加工を軽減でき、しかも、油圧シリンダ単体の重量軽減によりメンテナンス性を向上させることができるブレードピッチ角制御装置及び風力発電装置を提供することにある。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明のブレードピッチ角度制御装置は、複数枚のブレードを有する風力発電装置に用いられ、各ブレードのピッチ角度を個別に動作させるシリンダを備えているブレードピッチ角度制御装置であって、前記ブレードの１翼当たりに２本のシリンダを用いて動作させることを特徴とするものである。
【０００９】
このようなブレードピッチ角度制御装置によれば、ブレードの１翼当たりに２本のシリンダを用いて動作させるようにしたので、ストロークが短く軽量のシリンダを使用して所望のピッチ角度制御範囲を確保できる。
【００１０】
上記の発明において、前記シリンダを平行またはハの字状に配設することが好ましく、これにより、シリンダを設置する位置の機械加工を同方向から実施できるので、機械加工工程の簡略化が可能になる。さらに、シリンダを平行またはハの字状に配設すれば、シリンダに接続する油圧配管を同方向に集めて配置することができる。
【００１１】
また、上記の発明において、前記シリンダをブレード回動軸中心位置よりナセル側に配設することが好ましく、これにより、ナセル側からアクセスしてシリンダの動作確認やメンテナンスの作業を実施することができる。
【００１２】
本発明の風力発電装置は、複数枚のブレードを有し、各ブレードのピッチ角度を個別に動作させる請求項１から３のいずれかに記載のブレードピッチ角度制御装置を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
このような風力発電装置によれば、各ブレードのピッチ角度を個別に動作させる請求項１から３のいずれかに記載のブレードピッチ角度制御装置を備えているので、ストロークが短く軽量のシリンダをブレード１翼当たりに２本使用して動作させ、各ブレードに対して所望のピッチ角度制御範囲を確保することができる。
【００１４】
上述した本発明によれば、ローターヘッドを構成するハブの製造に要求される機械加工を軽減でき、しかも、シリンダ単体の重量軽減によりメンテナンス性が向上するブレードピッチ角制御装置及び風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、ブレードピッチ角制御装置の駆動機構を示した図である。
【図２】図１に示した駆動機構の変形例を示した図である。
【図３】ブレードピッチ角制御装置を取り付けるハブ構造の一例を示した要部断面斜視図である。
【図４】本発明に係る風力発電装置の概要を示した図である。
【図５】ナセル周辺の要部を拡大してパワートレイン及びブレードピッチ角制御装置の内部構成例を示した断面図である。
【図６】図５の第１変形例を示した断面図である。
【図７】図５の第２変形例を示した断面図である。
【図８】図５の第３変形例を示した断面図である。
【図９】従来の風力発電装置に設けられているブレードピッチ角制御装置の駆動機構を示した図である。
【符号の説明】
【００１６】
１    風力発電装置
３    ナセル
４    ローターヘッド
５    ブレード（風車翼）
５ａ    端面
６    ハブ
６ａ    滑り軸受
１０    ドライブトレイン
２０    発電機
３０    増速機
４０    ブレード角度制御装置（制御装置）
４１Ａ、４１Ｂ    油圧シリンダ
４２Ａ、４２Ｂ    ピストンロッド
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係るブレードピッチ角制御装置及び風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図４に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるローターヘッド４とを有している。【００１８】
ローターヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（図示の例では３枚）のブレード（風車回転翼）５が取り付けられている。これにより、ローターヘッド４の回転軸線方向からブレード５に当たった風の力が、ローターヘッド４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。
なお、図示の風力発電装置１は、ナセル３の前方で風車回転翼５が回転するアップウインド型と呼ばれるタイプである。【００１９】
上述したブレード５は、図３に示すように、翼根元側となる基部がローターヘッド４を構成するハブ６に取り付けられて放射状に延びるとともに、ハブ６に設けた旋回輪軸受６ａにより回動自在に支持されている。ここで使用する滑り軸受６としては、たとえば転がり軸受が好適である。
なお、図３の符号５ａは、円筒形状としたブレード５の基部に形成された円形の端面（ブレード側端面）であり、後述するブレード角度制御装置（以下、「制御装置」と呼ぶ）４０のリンク機構が設けられる部材である。【００２０】
上述した風力発電装置１は、たとえば図１に示すように、ブレード５のブレードピッチ角度を個別に調整可能な制御装置４０を備えている。
この制御装置４０は、たとえばローターヘッド４のハブ６に取り付けられた３枚のブレード５について、ブレード５の１翼（１枚）当たりに２本の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを用い、各ブレード５のピッチ角度を個別に動作（回動）させるためのリンク機構を構成したものである。【００２１】
上述したブレード５の基部は円筒形状とされ、全周にわたって半径方向外向きに突出するよう形成された鍔状のフランジ部（不図示）を備えている。このフランジ部は、ハブ６側に設けた旋回輪軸受６ａによって回動自在に支持されているので、ブレード５の全体がハブ６に対して回動自在となる。
上述したブレード５は、後述する基本位置において平行に配設した左右一対の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを動作させることにより、端面５ａの円中心点ｏを回動中心にして、通常運転位置となるファイン位置から停止状態となるフェザー位置まで制御角度α（通常は９０度程度）の範囲を回動する。このため、ブレード５は、ピッチ角度を個別に動作させて調整可能なピッチ角度制御が可能となる。【００２２】
油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂは、図示の場合のｘ軸と略平行もしくはハの字になる位置を基本位置（図１の状態）とし、ピストンロッド４２Ａ，４２Ｂを伸縮させるシリンダ本体の動作側端部と反対側の固定側端部が点Ｃ１，Ｃ２でハブ６側に支持されている。すなわち、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂは、たとえばシリンダ本体の固定側端部がトラニオン等を介してハブ６に支持されることにより、固定側端部の点Ｃ１，Ｃ２を支点とする動作側端部の揺動を許容するように設置されている。【００２３】
上述した油圧シリンダ４１Ａのピストンロッド４２Ａは、最も縮んだ位置のＡ１から最も伸びた位置のＢ１まで伸縮するストロークを有している。同様に、油圧シリンダ４１Ｂのピストンロッド４２Ｂは、最も縮んだ位置のＡ２から最も伸びた位置のＢ２まで伸縮するストロークを有している。
上述したピストンロッド４２Ａ、４２Ｂの先端は、端面５ａの所定位置に固定されたスピンドルと揺動可能に連結されている。なお、端面５ａに対するスピンドルの固定位置については、たとえば制御角度α等諸条件に応じて適宜設定すればよい。【００２４】
従って、上述した制御装置４０によりリンク機構を動作させてブレード５のピッチ角度を制御する場合には、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂに対して、同じ圧力が供給される場合もある所定の油圧が供給される。ここで供給される油圧は、たとえば図示しない風力発電装置１の制御部において、風速等の諸条件から算出されたブレード５のピッチ角度に応じたものとなる。【００２５】
図１に示す構成例では、一方の油圧シリンダ４１Ａ（４１Ｂ）のピストンロッド４２Ａ（４２Ｂ）が最も縮んだＡ１（Ａ２）の場合、他方の油圧シリンダ４１Ｂ（４１Ａ）のピストンロッド４２Ｂ（４２Ａ）が最も伸びたＢ２（Ｂ１）の位置にある。そして、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂに各々逆向きの力を発生する油圧を供給することにより、油圧シリンダ４１Ａ（４１Ｂ）側では、ピストンロッド４２Ａ（４２Ｂ）が伸びる（縮む）ことにより、図中に想像線で示すように、点Ａ１（Ｂ２）から点Ｂ１（Ａ２）まで外向きに膨出する円弧状の軌跡を描いてスピンドルとの連結点Ｐ１（Ｐ２）が移動する。【００２６】
この結果、スピンドルが端面５ａの所定位置に固定されるとともに、滑り軸受６ａに回動自在に支持されているブレード５は、油圧シリンダ４１Ａ及び油圧シリンダ４１Ｂの両方から時計回り（反時計回り）方向の旋回力を受けて回転する。すなわち、固定側のハブ６に支持されている油圧シリンダ４１Ａ（４１Ｂ）がブレード５を押し込み、かつ、他方の油圧シリンダ４１Ｂ（４１Ａ）がブレード５を引き込むことにより、ブレード５を時計回り（反時計回り）に回転させることができる。
このように、１翼当たりに一対の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを用いてブレード５を旋回させ、ピッチ角度を所望の値に調整する制御装置４０は、ピストンロッド４２Ａ，４２Ｂのストロークを短くした油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを採用しても、従来と同様に略９０度のピッチ角度制御範囲を得ることができる。【００２７】
すなわち、上述した２本シリンダの構成は、端面５ａの直径や制御角度α等の諸条件が図９に示した従来例と同じであれば、回動中心となる円中心点ｏから連結点Ｐ１，Ｐ２までの距離（円弧状となる軌跡の半径）について、１本シリンダの場合（図９の半径ｒ）より小さく設定した配置が可能となるため、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂに必要となるストロークを短くすることができる。
また、ストロークの短い油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂは、油圧シリンダ自体が小型化するので、重量も減少して軽量化されたものとなる。このため、油圧シリンダ４１Ａ、４１Ｂをハブ６の内部に収納する設置が可能となり、従来必要だったシリンダ用の貫通孔等が不要になり、さらに、トラニオン部並びにトラニオンブラケット構造等も簡略化するので、ハブ６の全体形状及び構造を単純化することができる。このようなハブ６の単純化は、機械加工の工数低減などコスト面で有利になる。【００２８】
また、上述した一対の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂについては、たとえば図２に示すように、いずれか１本の油圧シリンダのみを逆向きに配設する変形例を採用してもよい。このような変形例の構成としても、上述した実施形態と同様のリンク機構を得ることができる。
すなわち、図２の変形例では、一方の油圧シリンダ４１Ｂ′が左右逆向きとされ、ピストンロッド４２Ｂの先端部がハブ６側に固定されて揺動可能に支持された点Ｃ２となる。さらに、シリンダ本体の固定側端部については、端面５ａの所定位置に固定されたスピンドルと揺動可能に連結されて連結点Ｐ２となる。【００２９】
上述した実施形態では、一対の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを略平行に配置しているが、ハの字状に配置する構成としてもよい。
このような油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂの配置は、シリンダ設置位置に要求される機械加工を同方向から実施できるので、機械加工工程の簡略化が可能になる。すなわち、２箇所の加工面を同方向から機械加工できるので、余分な作業工程を低減して加工作業が容易になり、加工時間も短縮することができる。
さらに、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを平行またはハの字状に配設した構成は、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂに接続する油圧配管を同方向に集めて配置することができる。このため、配管長が低減され、しかも、配管経路を簡略化することができる。【００３０】
また、上述した油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂは、ブレード５の回動軸中心位置となる端面５ａの円中心点ｏよりナセル３側に配設されている。すなわち、図１においては、紙面右側にナセル３が存在しているので、シリンダ４１Ａ，４１Ｂの動作確認やメンテナンスを実施する際には、ナセル３側から容易にアクセスして作業を実施することができる。
以下、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂの具体的な設置例について、図５から図８を参照して説明する。【００３１】
図５は、ナセル３の前方に配置されているローターヘッド４と、ローターヘッド４の前方に配設されているドライブトレイン１０について、ローターヘッドカバー（不図示）を取り外した状態の内部構成例を示す要部の拡大断面図である。
本実施形態のドライブトレイン１０は、ローターヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達する増速機３０を備えている。この場合の増速機３０はスター型の１段増速機であり、図中の符号３１が太陽歯車、符号３２が遊星歯車である。スター型増速機３０における遊星歯車３２は、固定側の主軸１１に支持されて回転自在であり、外周側でローターヘッド４と一体に回転するケーシング３３の内周面に形成されたギア部３３ａと噛合している。【００３２】
このドライブトレイン１０は、発電機２０が増速機３０よりナセル３側に配置された構成とされる。そして、図示の構成例では、発電機２０の少なくとも一部がローターヘッド４の内部に位置しており、この結果、ドライブトレイン１０の重心位置がナセル３側（主軸受となる軸受１２Ａ側）に近づけられている。
なお、図中の符号１２は軸受、１３はフレキシブルカップリング、２１は固定子、２２は回転子である。【００３３】
このように構成されたローターヘッド４の内部には、各ブレード５のピッチ角度を独立して制御する制御装置４０が設けられている。そして、ブレード５を旋回駆動させる一対の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂは、ローターヘッド４を構成するハブ６のナセル３側に配設されている。
従って、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂに関するメンテナンス等の作業を実施する際には、支柱２を通って容易に到達できるナセル３側からアクセスすることが可能になる。【００３４】
また、図６に示す第１変形例のドライブトレイン１０Ａでは、発電機２０が増速機３０よりナセル３側に配置されることに加えて、発電機２０と増速機３０の一部とがローターヘッド４の内部に配設されている。すなわち、第１変形例の構成は、図５に示した実施形態のドライブトレイン１０をできるだけナセル３側へ移動させ、発電機２０の全体及び増速機３０の大部分をローターヘッド４の内部に配置することにより、ドライブトレイン１０Ａの重心位置をより一層ナセル３側に近づけたものである。【００３５】
従って、上述したドライブトレイン１０，１０Ａは、ケーシング３３がローターヘッド４と同一回転数で回転し、ケーシング３３のギア部３３ａ、遊星歯車３２及び太陽歯車３１のギア比に応じて太陽歯車３１が増速される。この場合の回転子２２は太陽歯車３１と同軸であるから、この実施形態の発電機２０も、固定子２１とローターヘッド４の回転数から増速されて回転する回転子２２との間に電磁誘導を生じさせて発電するようになっている。
このように構成されたドライブトレイン１０，１０Ａは、発電機２０が増速機３０よりナセル３側に配置され、少なくとも一部がローターヘッド４の内部に配置されているので、ドライブトレイン自体の重心位置をナセル３側に近づけることができる。【００３６】
このため、軸受１２Ａに作用するモーメントが低減され、支持構造を軽量化することができる。すなわち、軸受１２Ａを支持するナセル３の負荷が軽減され、その分だけナセル３の構造を簡略化して軽量化することができる。また、ドライブトレイン１０，１０Ａについても、主軸１１が短くなるなどして軽量でコンパクトな構造とすることができる。【００３７】
また、ドライブトレイン１０，１０Ａのメンテナンスや機器交換を行う場合には、ローターヘッドカバーを取り外すと、増速機３０が端部側に存在している。増速機３０は、発電機２０と比較してメンテナンスの頻度や機器交換の可能性が高いので、発電機２０側をそのままにして作業を実施できる配置はメンテナンス等の作業性向上にも有効である。【００３８】
また、上述したドライブトレイン１０，１０Ａのように、発電機２０を増速機３０よりナセル３側に配置する構成は、たとえば図７に示す第２変形例の増速機３０Ａや図８に示す第３変形例の増速機３０Ｂを採用するなど、増速機や発電機の組合せが限定されることはない。なお、図７及び図８において、上述した実施形態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。【００３９】
図７に示す第２変形例では、スター＋プラネタリ型２段の増速機３０Ａを備えたドライブトレイン１０Ｂが採用されている。この場合、発電機２０及び増速機３０Ａの約半分がローターヘッド４内に配置されているので、重心位置がナセル３側に近づいて軽量化やコンパクト化が可能となる。
また、このドライブトレイン１０Ｂでは、増速機３０Ａが端部側に位置しているので、メンテナンス等の作業性も良好である。【００４０】
さらに、図８に示す第３変形例では、２段の平行歯車を組み合わせて構成された増速機３０Ｂ備えたドライブトレイン１０Ｃが採用されている。この場合も、発電機２０及び増速機３０Ｂの約半分がローターヘッド４内に配置されているので、重心位置がナセル３側に近づいて軽量化やコンパクト化が可能となる。また、このドライブトレイン１０Ｃでは、増速機３０Ｂが先端部側に位置しているので、メンテナンス等の作業性も良好である。【００４１】
このように、本発明の制御装置４０は、ブレード５の１翼当たりに２本の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂを用いて動作させるように構成し、ピストンロッド４２Ａ，４２Ｂのストロークが短く軽量のシリンダ４１Ａ、４１Ｂを使用しても所望のピッチ角度制御範囲を確保できる。このため、本発明の制御装置４０は、大きなストロークの油圧シリンダを必要とするためスペースのない従来構成では実現が困難であったドライブトレインの構成、すなわち、発電機２０及び／または増速機３０の少なくとも一部をローターヘッド４内に収納するドライブトレインの構成（図５から図８を参照）について、実現を容易にする。【００４２】
このように、上述した本発明のブレードピッチ角制御装置は、ローターヘッド４を構成するハブ６の製造に要求される機械加工を軽減でき、しかも、油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂのシリンダ単体重量軽減によりメンテナンス性が向上する。
そして、上述したブレードピッチ角制御装置を備えた風力発電装置１は、ストロークが短く軽量の油圧シリンダ４１Ａ，４１Ｂをブレード１翼当たりに２本使用して動作させ、各ブレード５に対して所望のピッチ角度制御範囲を確保することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、そ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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009150713.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009150713.tif 000011
【国際調査報告】
2009150713.tif 000012
2009150713.tif 000013
2009150713.tif 000014
2009150713.tif 000015