(57)【要約】【課題】ナセルとタワーとの間を接続する導電部材の絡み付きを防止し、耐久性、及びメンテナンス性に優れた風力発電装置を提供する。【解決手段】本発明の風力発電装置１は、タワー１０と、タワー１０の上端部分に旋回可能に設置され、風を受けて回転するロータ３１とロータ３１の回転駆動力を電力に変換する発電機３７とを具備したナセル３０と、を有する。ナセル３０内には、設置面５０ａを有する収容部５０が設置されており、収容部５０内に、一端が発電機３７側に接続され、他端がタワー１０内に設置される送電ケーブル１２に接続される可撓性を有する導電部材６０を巻回して配設したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、
前記タワーの上端部分に旋回可能に設置され、風を受けて回転するロータと前記ロータの回転駆動力を電力に変換する発電機とを具備したナセルと、
有する風力発電装置において、
前記ナセル内に設置面を有する収容部を設置し、
前記収容部内に、一端が前記発電機側に接続され、他端がタワー内に設置される送電ケーブルに接続される可撓性を有する導電部材を巻回して配設したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記導電部材は、その一端が径方向外方に配置された発電機側のコネクタと接続され、前記他端が巻回中心位置に配置されたタワー側のコネクタと接続されている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】
前記導電部材の巻回中心は、前記タワーに対するナセルの旋回中心領域に配置され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。
【請求項４】
前記収容部の設置面には、前記ナセルの旋回に伴って収容部が回転した際、前記導電部材の移動を案内する案内部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記導電部材には、前記収容部の設置面に対して摺動するガイドローラが設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記導電部材は、薄板状の導体で構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関し、詳細には、タワーとナセルを接続する導電部材に特徴を有する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、風力発電装置は、地上や海上に設置されるタワーと、タワーの上端部分に旋回可能に設置されたナセルとを備えた構造となっている。前記ナセル内には、ベアリングを介して主軸が回転可能に設置されており、前記主軸には、ハブによって複数枚のブレード（ロータ）が設けられている。
【０００３】
また、前記ナセル内には、発電機と増速機が収容されており、複数枚のブレードが風を受けて回転した際、その回転駆動力を増速機で増速させ、動力伝達軸を介して発電機に伝えるようになっている。発電機では、動力伝達軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換された電力は、ナセルからタワーに至るケーブル（導電部材）を通じて変圧器などの電気系統に供給される。
【０００４】
前記ナセルは、風向・風速計からの制御信号に基づいて、ヨー機構によって風を効率的に受けるように、タワーに対して旋回駆動可能に設置されている。このため、前記ケーブルは、ナセルが旋回することにより、ナセルからの出口部の固定点と、タワー内の固定点との間でねじれ現象が発生し、ケーブルが損傷等する可能性がある。特に、ナセルの軽量化を図るためにナセル内に昇圧用の変圧器を設置しない構成とした場合、電流値が大きくなるため、太径のケーブルを用いるか、ケーブルの本数を増やす必要がある。なお、太径のケーブルを用いることは、ナセルが旋回した際の撚回性が悪いため、高頻度の繰り返しでは破損等する可能性があり、ケーブルの本数を増やすと、互いが絡み付いて表面が擦れたり、特定のケーブルに負荷が加わって破損等する可能性がある。
【０００５】
このような問題を解決するために、例えば、特許文献１には、多数のケーブルを設置しても、ケーブル同士が絡みつかないようにした構造の風力発電装置が開示されている。この公知文献に開示されている風力発電装置は、タワー内に、軸方向に延出する弾性材からなるケーブル巻付体を設置し、このケーブル巻付体の周囲に、複数本のケーブルを略等間隔で垂下させており、ナセルが旋回した際、複数本のケーブルを螺旋状にケーブル巻付体に絡ませるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２９８０５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１に開示されている風力発電装置では、タワー内に、軸方向に延出する弾性材からなるケーブル巻付体を配設し、その周囲に所定間隔をおいてケーブルを垂下させる構造であることから、ケーブル巻付体の設置方法や配線構造が複雑であると共に、点検、保守作業など、メンテナンス性が悪いという問題がある。特に、ケーブル巻付体は弾性材で構成されており、その周囲から多数のケーブルによって締め付けられるため、耐久性の面でも劣ってしまう。
【０００８】
また、ナセルを軽量化するために、ナセル内に昇圧用の変圧器を設置しないようにすると、ケーブル数を増やす必要があり、このようなケースでは、ケーブル同士が絡み易くなると共に、ケーブルの表面が擦れて被覆が破れたり、特定のケーブルが引っ張られて切断する可能性もある。この場合、上記したように、ケーブル巻付体は、タワー内で軸方向に延出する構造であることから、メンテナンスを容易に行うことはできない。
【０００９】
本発明は、上記した問題に着目してなされたものであり、ナセルとタワーとの間を接続する導電部材の絡み付きを防止し、耐久性、及びメンテナンス性に優れた風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成するために、本発明に係る風力発電装置は、タワーと、前記タワーの上端部分に旋回可能に設置され、風を受けて回転するロータと前記ロータの回転駆動力を電力に変換する発電機とを具備したナセルと、有しており、前記ナセル内に設置面を有する収容部を設置し、前記収容部内に、一端が前記発電機側に接続され、他端がタワー内に設置される送電ケーブルに接続される可撓性を有する導電部材を巻回して配設したことを特徴とする。
【００１１】
上記した構成の風力発電装置では、ナセルは、ロータが最も効率良く風を受けて回転できる位置に旋回駆動される。ナセル内に設置されている発電機は、ロータの回転駆動を電力に変換し、変換された電力は、ナセル内に設置されている収容部に収容された可撓性を有する導電部材を介してタワー内に設置される送電ケーブルに送電される。前記ナセルの旋回に伴って収容部は一体的に回転するものの、その部分に配設されている可撓性を有する導電部材は、巻回して配設されていることから、ナセルが旋回しても、旋回方向によって径方向に拡がる（巻回数が減少する）か縮む（巻回数が増える）だけであり、相互に絡み付くようなことはない。また、これに伴い、タワー内には、垂直方向に延出するケーブル巻付体のような構造体を設置する必要がなくなるため、構造の簡略化が図れ、耐久性及びメンテナンス性の向上が図れる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ナセルとタワーとの間を接続する導電部材の絡み付きが防止され、耐久性、及びメンテナンス性に優れた風力発電装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に風力発電装置の概略構成を示す図。
【図２】図１に示す風力発電装置のナセル内に設置される収容部の構成を示す図（導電部材の初期位置を示す）。
【図３】図２に示す収容部がＤ１方向に３６０°回転した状態を示す図。
【図４】図２に示す収容部がＤ２方向に３６０°回転した状態を示す図。
【図５】図２から図４に示す導電部材に絶縁部材を被着した状態を示す図。
【図６】図５のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図７】絶縁部材を被着した導電部材を束ねる結束部材の構成を示す平面図。
【図８】（ａ）は、図６に示した収容部と導電部材の配置態様の第１変形例を示す断面図、（ｂ）は、第２変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態について図１から図６を参照して具体的に説明する。  
本実施形態に係る風力発電装置１は、地中に埋設された基礎５上に設置されており、タワー１０と、タワー１０の上端部に３６０°に亘って旋回可能に設置されたナセル３０とを備えている。この場合、ナセル３０は、タワー１０に対して３６０°以上に亘って旋回できるように設置されていても良い。
【００１５】
前記タワー１０は筒状に形成されており、その内部には、ナセル３０内に設置されている発電機で生成された電力を、タワー外に設置された電力系統（例えば、トランス、系統保護装置など）２０に送電する送電ケーブル１２が設置されている。この送電ケーブル１２は、タワー内で垂下した状態で設置されており、その上端側は、タワー内に設置された図示しないケーブルホルダ（タワー側固定点）によって保持されている。
【００１６】
前記ケーブルホルダには、後述するナセル３０内に設置される収容部に配設された可撓性を有する導電部材の端部が接続されるコネクタが設けられている。また、送電ケーブル１２の下端側は、前記電力系統２０に接続されている。なお、タワー１０内に設置される送電ケーブル１２の構成については特定のものに限定されることはなく、通常の単相電力用のケーブルや３相電力用のケーブル以外にも、例えば、後述するような平板状の導電部材であっても良い。また、タワー１０内における送電ケーブル１２の敷設方法についても、特定の構造に限定されることはない。
【００１７】
さらに、前記タワー１０内には、上記した送電ケーブル１２以外にも、例えば、電力変換装置（インバータ、コンバータ）、ナセル３０を旋回駆動するヨー駆動装置、ヨー駆動装置などの駆動を制御する制御装置等が設置されている。
【００１８】
前記ナセル３０には、風を受けて回転するロータ３１が設けられている。前記ロータ３１は、ナセル内においてベアリング等を介して回転可能に支持された主軸３１ａの先端部に、ハブ３１ｂによって取り付けられた複数枚のブレード３１ｃを備えており、複数枚のブレード３１ｃが風を受けることで、主軸３１ａを回転させるようになっている。また、ナセル３０内には、主軸３１ａの回転数を増速させる増速歯車装置３５と、増速歯車装置３５で増速された回転動力を電力に変換する発電機３７が設置されている。さらに、ナセル３０には、風向・風速計が設置されており、ここから得られた情報は、前記制御装置に送信され、ヨー駆動装置を介してナセルを最適な位置に旋回駆動させる。
【００１９】
前記ナセル３０内には、設置面５０ａを有する収容部５０が設置されている。以下、図２から図６を併せて参照しながら、ナセル内に設置される収容部５０について詳細に説明する。なお、図２から図６では、設置面５０ａに配設される導電部材６０の構成を示すように、収容部５０は上面が開口しているが、この部分は閉塞される構成であっても良い。
【００２０】
前記収容部５０は、上記したタワー１０の上端位置に隣接するようにして設置されている。収容部５０の形状については特に限定されることはないが、収容部内には、可撓性を有する導電部材６０が、図に示すように巻回して配設されることから、全体として円筒形状に構成することが好ましい。また、前記収容部５０は、導電部材６０が安定して載置されるように、その設置面５０ａがナセルの旋回方向（略水平方向となる）に沿った方向となるように構成されている。この場合、収容部５０は、円筒形状に構成されていることから、設置面５０ａの周囲には円周壁５０ｄが形成されており、動作時において、導電部材６０が落下するようなことはない（図４参照）。
【００２１】
前記収容部５０内に配設される導電部材６０については、可撓性を有するものであれば良く、例えば、網代状に編んだ編組導体のような可撓性に優れたものを用いることが可能であるが、収容部内に予め巻回して配設され、ナセル３０の旋回に伴って径方向に変動することから、薄板状の導体を用いることが好ましい。すなわち、このような薄板状の導体を設置面５０ａに対して垂直にして渦を巻くように巻回配設することで、複数巻回数となるように配置しても、径方向の内側と外側に隣接する薄板状の導体は、動作時に相互に絡み付くようなことはない。具体的に、薄板状の導体については、例えば、厚さが０．５〜１．０ｍｍ程度、幅が１０〜２０ｃｍ程度のものを用いることが可能である（本実施形態では、導体は、ナセル内に昇圧用の変圧器を設置しないように、発電機３７から直接接続することができる３相構造のものが用いられており、後述するように初期位置で３巻回された状態となっている）。
【００２２】
上記した導電部材６０は、その一端が前記発電機３７に接続され、その他端がタワー１０内に設置された送電ケーブル１２に接続されている。本実施形態では、収容部５０内に巻回配設された導電部材６０は、その一端が、収容部５０の径方向外方に設置された発電機３７側のコネクタ３７Ａ(ナセル側固定点）と接続され、他端が巻回中心位置に配置された送電ケーブル１２側のコネクタ１２Ａ（タワー側固定点）と接続させている。この場合、コネクタ１２Ａは、前記タワー内に設置されているケーブルホルダ（図示せず）に保持されており、収容部５０の載置面５０ａの中央位置に形成された開口５０ｂから突出している。このため、導電部材６０の一端は、コネクタ３７Ａと接続された状態でナセル３０の旋回に伴って回転し、他端は、巻回中心部分でコネクタ１２Ａと接続されて固定された状態となっている。
【００２３】
次に、収容部５０に配設された可撓性を有する導電部材６０の動作について説明する。導電部材６０は、上記したように、薄板状の導体として構成されており、図２がナセル３０の基準位置となっている。なお、本実施形態では、ナセル３０が基準位置にあるとき、収容部５０の設置面５０ａ上にある導電部材６０は、全体として径方向に多少の隙間のある状態で３巻回されるように、その長さを設定している。
【００２４】
図２に示す基準位置から収容部５０がＤ１方向に３６０°回転すると（ナセルがＤ１方向に３６０°回転する）、導電部材６０は、設置面上で全体として巻かれる状態となって径方向に縮径し、図３に示すような状態となる。このとき、導電部材６０の巻回数は増加し４巻回となる。一方、図２に示す基準位置から収容部５０がＤ２方向に３６０°回転すると（ナセルがＤ２方向に３６０°回転する）、導電部材６０は、設置面上で全体として巻回が解かれる状態となって径方向に拡径し、図４に示すような状態となる。このとき、導電部材６０の巻回数は減少し２巻回となる。
【００２５】
上記した構成によれば、ナセル３０が旋回した際、従来のように、ナセル側固定点とタワー側固定点との間で、ナセルとタワーとの間に配設される接続ケーブルが捩れるようなことはなく、接続ケーブルの絡み付き、破損等が生じることはない。すなわち、ナセル３０の旋回に伴って一体に回転する収容部５０に配設されている可撓性を有する導電部材６０は、巻回した状態で配設されていることから、ナセルが旋回しても、径方向に拡がる（巻回数が減少する）か縮む（巻回数が増える）だけであり、相互に絡み付くことはなく、従って破損等することが防止され、耐久性の向上が図れる。
【００２６】
また、導電部材６０は、上記したように耐久性が向上するため、メンテナンス作業が軽減されると共に、ナセル３０内に円筒状の収容部５０を設置した構成であるため、ナセルとタワーとの間で送電を行う接続ケーブル部分の構造が簡略化され、上記した従来技術と比較しても、メンテナンス作業が容易に行えるようになる。さらに、導電部材６０は、設置面５０ａ上に載置された状態にあるため、下方に落下するようなこともなく、安定した動作が得られると共に、設置スペースも少なくすることが可能となる。
【００２７】
なお、図２から図４に示した構成では、導電部材６０は、薄板状の導体として示しているが、実際には、図５及び図６に示すように、その表面は、絶縁チューブのような絶縁被膜６５で被覆される。この場合、図６で示すように、絶縁被膜６５は、ナセルの旋回に伴う収容部５０の回転により、収容部５０の設置面５０ａ（５０ｃ）との間で摺動抵抗が発生することから、収容部ないしは設置面については、摩擦係数の小さい素材で構成したり、摩擦係数が低くなるような表面処理を施しておくことが好ましい。
【００２８】
或いは、収容部５０の設置面５０ａ（５０ｃ）には、ナセルの旋回に伴って収容部５０が回転した際、導電部材６０の移動を案内する案内部を形成しておくことで、絶縁被膜６５の損傷等を効果的に防止することが可能である。このような案内部は、収容部５０の回転に伴って導電部材６０（絶縁被膜）が移動する軌跡に基づいて形成しておけば良く、例えば、図２から図５に示すように、導電部材６０の径方向外側（コネクタ３７Ａの接続領域）では、収容部５０の回転により、導電部材６０のコネクタ３７Ａの近傍部分は周方向に移動することから、この近傍部分に対応するように、周方向に沿って延出する案内溝５０ｇを形成している。なお、このような案内溝５０ｇ内には、以下に詳述する結束部材６８を位置付けたり、ガイドローラ７０を位置付けるようにしても良い。
【００２９】
上記したように、本実施形態では、導電部材を、薄板状で３相構造としており、各導電部材を絶縁被膜６５で覆っていることから、図７に示すように、各導電部材を束ねる結束部材６８を設けることが好ましい。このような結束部材６８は、巻回される導電部材に対し、軸方向に沿って所定の間隔をおいて配設すれば良く、また、収容部５０の回転に伴って各導電部材６０も移動することから、結束部材６８については、図７の矢印で示すように、絶縁被膜６５に対して軸方向に移動可能となって可動範囲を確保しておくことが好ましい。すなわち、このような可動する結束部材６８を設けておくことで、各導電部材同士が絡まったり、或いは接触して擦れることが防止されるようになる。
【００３０】
また、上記したような結束部材６８を配設する位置に応じて、例えば、図８（ａ）に示すように、上下の設置面５０ａ，５０ｃに、導電部材６０の移動方向に沿うように案内部（案内溝）５１ａ，５１ｂを形成しても良い。この場合、案内溝５１ａ，５１ｂの形状については、結束部材６８の移動軌跡に応じて形成することが可能であり、例えば、巻回される導電部材６０の径方向外側については、放射方向に延出するような形状とし、巻回される導電部材６０の径方向内側については、周方向に沿うような形状とすれば良い。このような案内溝５１ａ，５１ｂの形状については、初期位置における導電部材６０の長さ、巻回数、径の大きさ等によって適宜変形することが可能であり、導電部材６０（結束部材６８）の動きに応じて、最適な形状にすれば良い。また、このように案内溝を形成しておくことにより、導電部材を、本実施形態のように３相構造としても、相互に接触して磨耗等することが防止される。
【００３１】
また、導電部材６０の絶縁被膜６５や、或いは、上記した結束部材６８に、収容部５０の設置面に対して摺動するガイドローラ７０を設けても良い。図８（ｂ）は、結束部材６８にガイドローラ７０を設けた例を示しており、このように構成することで、絶縁被膜６５は、設置面との間で摩擦摺動することがなくなるため、損傷等をより確実に防止することが可能となる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されることはなく、種々変形することが可能である。例えば、収容部５０については、ナセル３０内において、いずれかの位置に設置しても良いが、導電部材６０の巻回中心位置（コネクタ１２Ａの位置）が、タワー１０に対するナセル３０の旋回中心領域となるように配置しておくのが好ましい。このような位置に設置しておけば、ナセル３０の旋回動作に関係なく、コネクタ１２Ａは、その巻回中心で固定された状態となることから、導電部材６０の配置態様が最も効率的で簡素な構成とすることが可能となる。
【００３３】
また、収容部５０の大きさ、形状、及び設置面上に配設される導電部材６０の初期位置における弛みの状態や長さ、巻回数については、種々変形することができ、これらを変更することで、ナセル３０が同一方向に旋回する回転角度（回転数）を適切なものに設定することが可能となる。例えば、導電部材６０の初期位置の巻回数については、両方向への回転動作時に、大きな張力が作用しないように多少の遊度を持たせておいても良い。
【００３４】
さらに、上記したように、導電部材６０の絡み付きがなくなることで、導電部材６０を多層構造にすることが可能となるため、ナセル３０内に昇圧用の変圧器を設置する必要がなくなり、ナセル３０を大型化したり、タワー１０の強度を向上する必要性がなくなって設備コストを低減することが可能となる。なお、もちろん、ナセル内に昇圧用の変圧器を設置しても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１  風力発電装置
１０  タワー
１２  送電ケーブル
３０  ナセル
３１  ロータ
３７  発電機
５０  収容部
６０  導電部材
【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】
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【図８】
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