(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、
前記ロータの回転を増速する増速機と、
前記増速機を介して前記回転エネルギーを電力に変換する発電機と、
前記増速機および前記発電機を固定支持するメインフレームと、を有する風力発電設備であって、
前記増速機は、前記メインフレームと連結する連結部を有し、
前記メインフレームは、前記連結部を介して前記増速機を固定支持する第１のメインフレームと、
前記発電機を固定支持する第２のメインフレームと、を備え、
前記第１のメインフレームは、前記増速機の前記連結部を上面から固定支持する第１の固定支持部と、
前記増速機の前記連結部を下面から固定支持する第２の固定支持部と、を備え、
前記第１の固定支持部と前記連結部が補剛で連結されていることを特徴とする風力発電設備。
【請求項２】
前記連結部は、前記第１のメインフレームの側壁と連結するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
【請求項３】
前記連結部は、前記第１のメインフレームの側壁と一体化して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電設備。
【請求項４】
前記増速機の前記連結部と前記第２の固定支持部とが連結する領域は、前記増速機の前記連結部と前記補剛とが連結する領域よりも広いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風力発電設備。
【請求項５】
前記第１の固定支持部と前記第２の固定支持部との連結部は、前記増速機のロータ側の側面よりも前記ロータ側に近接して設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の風力発電設備。
【請求項６】
前記第２のメインフレームは、前記第１のメインフレームよりも薄肉の素材で形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の風力発電設備。
【請求項７】
風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、
前記ロータの回転を増速する増速機と、
前記増速機を介して前記回転エネルギーを電力に変換する発電機と、
前記増速機および前記発電機を固定支持するメインフレームと、を有する風力発電設備であって、
前記メインフレームは、前記増速機を固定支持する第１のメインフレームと、
前記発電機を固定支持する第２のメインフレームと、からなり、
前記第１のメインフレームは、前記増速機を上下から挟み込むように設けられ、
前記第１のメインフレームの前記増速機の上面側と前記増速機の下面側が補剛で連結されていることを特徴とする風力発電設備。
【請求項８】
前記第２のメインフレームは、前記第１のメインフレームよりも薄肉の素材で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電設備、特に、風力発電設備のナセル構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備は、従来の火力や原子力を用いた発電施設と比較して、二酸化炭素（ＣＯ２）等の温室効果ガスを排出しない、放射能に関する危険性が無い等、環境に優しくリスクの少ない発電方法として近年注目を集めているが、一方で発電コストが高く、安全性を確保しながらより一層のコスト削減が求められている。
【０００３】
風車のコスト削減の為には、風車構造部材の軽量化による材料費削減が効果的であり、最重量物に該当するナセルは、それを支持するタワーやタワーを支持する基礎構造物の軽量化にも寄与する為、重要度が高い。
【０００４】
ナセルにはドライブトレインと呼ばれる、ロータ回転エネルギーを発電機に伝えるシステムが通常搭載されるが、大きく分けてギアボックス（増速機）を有するものと有しないものがある。ギアボックスを用いると発電機を小型化できるメリットがあり、ギアボックスを用いないとギアボックスがない分、構造がシンプルになるメリットがあり、一長一短で今日でも両方の方式が開発・製造されている。
【０００５】
図５Ａおよび図５Ｂに、増速機の一般的な形状を示す。図５Ａは増速機の正面図であり、図５Ｂは増速機の斜視図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、増速機４は一般には図示しない遊星歯車機構を用いる為、円筒状の外観を持ち、トルクの反力を後述のメインフレームで受け持つ為のトルクアーム（図５Ａおよび図５Ｂの符号２１）と呼ばれる突起を有しているのが一般的である。
【０００６】
図６Ａに、増速機４がメインフレームＣ２５を介して風力発電機のタワー６に設置されている状態を示す。また、図６Ｂに、増速機４のトルクアーム２１に増速機マウントケーシング１８が取り付けられた状態を示す。
【０００７】
図６Ａに示すように、通常、トルクアーム２１は増速機４の風車ロータ側の水平位置に左右に出ることになる。また、図６Ｂに示すように、トルクアーム２１は増速機マウントケーシング（図６Ａおよび図６Ｂの符号１８）と呼ばれる金属製のホルダで保持される。防振の為、増速機マウントケーシング１８とトルクアーム２１の間には、増速機マウントと呼ばれる防振ゴム２７を配置するのが一般的である。
【０００８】
ナセル構造は、上記ドライブトレイン構造を支持するためのメインフレームＣ２５を有している。メインフレームの大きな目的は、荷重の伝達であり、伝達すべき荷重は大きいものが二つある。風車ロータからの荷重をタワーに伝達するものと増速機のトルク反力をタワーに伝達するものである。その他としては付属品の支持荷重を伝達するものもある。
【０００９】
増速機を搭載しつつ、ナセルを小型・軽量化する風力発電設備として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼を取り付けたロータヘッドに連結されて一体に回転する主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられた風力発電装置であって、前記主軸から前記増速機を介して前記発電機に至るドライブトレインを前記ロータヘッド内に設置したことを特徴とする風力発電装置」が開示されている。
【００１０】
上記風力発電装置によれば、風車回転翼の長尺化によりロータヘッドが大型化し、ロータヘッド内に大きな設置空間を確保できる大出力の風力発電装置において、ナセルの軸方向長さを容易にコンパクト化して全体の小型・軽量化が可能になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１８８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のように、風力発電機の開発においては、設備の導入コストや発電コストを低減し、発電事業として成立し易くするための検討が進められており、ハブやナセルの小型化、軽量化といった様々な取り組みがなされている。
【００１３】
ところで、増速機を有する風車のナセルを軽量化するにあたり、要求される項目は以下のＡおよびＢである。すなわち、Ａ：メインフレームを軽量化すること、Ｂ：ドライブトレインの全長を短くして、ドライブトレインを軽量化することである。
【００１４】
ここで、従来の風力発電設備は軽量化に関して様々な課題を有している。図７Ａ乃至図１０Ｂに、従来の風力発電設備の一部断面構造を示す。図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａは、風力発電設備の上面側から見た断面であり、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂは、側面側から見た断面である。なお、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂの各図中の矢印は、ロータ荷重の伝達経路を示している。
【００１５】
図７Ａおよび図７Ｂに示す風力発電設備は、ドライブトレインの下方にメインフレームを配置したオーソドックスな例である。この場合、メインフレームすなわち図７Ａおよび図７ＢにおけるメインフレームＣ２５はそれ自体の厚さで荷重の伝達を担う必要があり、厚肉構造になり、重量が増えてしまう。
【００１６】
一方、コンセプトはそのままで形状最適化や分割構造を図ったものが図８Ａおよび図８Ｂに示す風力発電設備である。図８Ａおよび図８Ｂに示す風力発電設備では、メインフレームを２つに分割して構成されている。図８Ｂ中の矢印が示すロータ荷重の伝達経路となる部分すなわちメインフレームＤ２６の部分は厚肉構造であり、主に発電機５が搭載される部分すなわちメインフレームＣ２５は薄肉構造となっている。この構成により、ある程度の構造最適化は図れるが、メインフレームＤ２６は厚肉構造とする必要があり、ナセルの軽量化には不十分である。
【００１７】
また、メインフレームを軽量化するために図９Ａおよび図９Ｂに示すような既存技術がある。この方式は、ロータからタワー６に薄肉円筒を曲げた構造を基本とし、構造は薄肉ながらその円形断面形状により強度剛性を確保すると言うものである。しかしこのメインフレームに増速機を有する場合、増速機トルクアームの支持部を失う為、ナセル全長が長くなるというデメリットがある。
【００１８】
或いは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すような風力発電設備では、メインフレームＤ２６の外殻径を大きくして増速機を内部に収容することで、ナセルの全長を短くすることができるが、外殻が幅広になり、軽量化の効果を発揮しない。
【００１９】
上記特許文献１の技術では、ナセルを小型・軽量化することはできるが、ロータヘッドは大型化してしまうため、風車全体としての小型化、軽量化は困難である。また、ロータヘッドが大型化、重量増となるため、ロータ荷重に対する強度の点では不利である。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、ナセル内に増速機を搭載した風力発電設備において、ロータ荷重に十分耐え得る強度を維持しつつ、ナセルの小型化、軽量化が可能な風力発電設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明は、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、前記ロータの回転を増速する増速機と、前記増速機を介して前記回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記増速機および前記発電機を固定支持するメインフレームと、を有する風力発電設備であって、前記増速機は、前記メインフレームと連結する連結部を有し、前記メインフレームは、前記連結部を介して前記増速機を固定支持する第１のメインフレームと、前記発電機を固定支持する第２のメインフレームと、を備え、前記第１のメインフレームは、前記増速機の前記連結部を上面から固定支持する第１の固定支持部と、前記増速機の前記連結部を下面から固定支持する第２の固定支持部と、を備え、前記第１の固定支持部と前記連結部が補剛で連結されていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよび複数のブレードからなるロータと、前記ロータの回転を増速する増速機と、前記増速機を介して前記回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記増速機および前記発電機を固定支持するメインフレームと、を有する風力発電設備であって、前記メインフレームは、前記増速機を固定支持する第１のメインフレームと、前記発電機を固定支持する第２のメインフレームと、からなり、前記第１のメインフレームは、前記増速機を上下から挟み込むように設けられ、前記第１のメインフレームの前記増速機の上面側と前記増速機の下面側が補剛で連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ナセル内に増速機を搭載した風力発電設備において、ロータ荷重に十分耐え得る強度を維持しつつ、ナセルの小型化、軽量化が可能な風力発電設備を実現することができる。
【００２４】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係る風力発電設備の一部断面図である。
【図５Ａ】一般的な増速機の形状を示す正面図である。
【図５Ｂ】一般的な増速機の形状を示す斜視図である。
【図６Ａ】一般的な増速機の形状を示す正面図である。
【図６Ｂ】一般的な増速機の形状を示す斜視図である。
【図７Ａ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図７Ｂ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図８Ａ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図８Ｂ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図９Ａ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図９Ｂ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図１０Ａ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図１０Ｂ】従来の風力発電設備の一部断面図である。
【図１１】一般的な風力発電設備の全体概要を示す図である。
【図１２】一般的な風力発電設備の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２７】
先ず、図１１および図１２を用いて、一般的な風力発電設備について説明する。図１１はダウンウィンド型の風力発電設備の全体概要を示し、図１２は風力発電設備の各部の構成を示している。なお、本実施例において、地上に設置される風力発電設備および洋上に設置される風力発電設備は同じ構成であるため、地上と洋上の区別なく説明する。
【００２８】
図１１に示すように、風力発電設備は、地上或いは洋上に設置されたタワー６の頂部にナセル３が設けられ、ナセル３の内部にはギアボックスすなわち増速機４、発電機５が内蔵されている。
【００２９】
ナセル３の一端には、ハブ２と複数のブレード１から構成されるロータが設けられている。ハブ２は回転軸により増速機４および発電機５と連結されており、複数のブレード１が風を受けてハブ２と共に回転することにより、風力を回転エネルギーに変換し、回転軸および増速機４を介して発電機５へ回転エネルギーを伝えることで、発電を行っている。
【００３０】
図１２に示すように、タワー６とナセル３との連結部分には、タワー６に対するナセル３の位置を制御するヨー制御機構９が設けられており、複数のブレード１およびハブ２からなるロータが常に風を最大限に受けるよう、風向きの変化に応じて、風車の向きすなわち複数のブレード１およびハブ２からなるロータの向きを制御する構成になっている。
【００３１】
また、ハブ２とブレード１との連結部分には、各々のブレード毎にハブに対するブレードの取り付け角度（ピッチ角）を独立して制御するピッチ制御機構（ピッチアクチュエータ１０およびピッチ旋回軸受１１）が設けられており、風速の変化に応じて、ハブ２に対する各ブレード１の取り付け角度（ピッチ角）を制御する構成になっている。ピッチアクチュエータ１０は、ハブ２内のピッチ制御装置１２により制御される。
【００３２】
ハブ２は主軸１６と連結し、主軸１６はナセル３内において増速機４と連結している。増速機４は回転軸により発電機５と連結されている。増速機４および発電機５の間には、ロータブレーキ８が設けられ、風力発電設備を停止する際にロータブレーキ８を作動させ、ロータすなわちハブ２および複数のブレード１の回転を停止または減速させる。
【００３３】
ナセル３の外部には、風向風速計７が設置されている。風向風速計７により計測した風向きデータおよび風速データは風車制御盤１５に伝送され、風車制御盤１５によりヨー制御機構９およびピッチ制御機構の各々が制御される。ピッチ制御機構は、上述の通り、ピッチ制御装置１２およびピッチアクチュエータ１０、ピッチ旋回軸受１１から構成されている。
【００３４】
次に、図１Ａおよび図１Ｂを用いて、実施例１における風力発電設備のナセル構造を説明する。図１Ａは、風力発電設備の上面側から見た断面であり、図１Ｂは、側面側から見た断面である。なお、図１Ｂ中の矢印は、ロータ荷重の伝達経路を示している。
【００３５】
本実施例における風力発電設備のナセル構造は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ナセルカバー３内に増速機４および発電機５が設けられている。なお、ナセルカバー３は、内部構造が分かり易いように点線で示している。
【００３６】
地上または洋上に設置された風力発電設備のタワー６の頂部には、メインフレームＡ１９が設けられ、メインフレームＡ１９上には増速機４が設置されている。増速機４はトルクアーム２１および増速機マウントケーシング１８を介して、メインフレームＡ１９により固定支持されている。なお、トルクアーム２１と増速機マウントケーシング１８の間には、上記で説明したように、図示しない防振ゴムが設けられている。
【００３７】
メインフレームＡ１９は、図１Ｂに示すように、タワー６の頂部に沿う方向およびタワー６の頂部と直交する方向にそれぞれ延在するように設けられている。メインフレームＡ１９の上部側には補強部（補剛）２２の一方が図示しない固定ボルトによって連結されている。補強部（補剛）２２の他方は、やはり図示しない固定ボルトにより増速機マウントケーシング１８の上部に連結されている。
【００３８】
増速機４は、主軸１６およびメインベアリング１７を介して、ロータすなわちハブ２および複数のブレード１と連結されている。また、増速機４の反対側は回転軸を介して、発電機５と連結されている。発電機５は、メインフレームＢ２０上に発電機マウント２３を介して、固定支持されている。
【００３９】
ここで、メインフレームＢ２０はナセルを軽量化するため、メインフレームＡ１９よりも薄肉の素材により形成されている。
【００４０】
図１Ｂ中の矢印で示すように、本実施例の風力発電設備のナセル構造とすることにより、ロータ荷重の伝達経路を２系統とすることができる。つまり、ロータ荷重の一部をメインフレームＡ１９を介してタワー６へ伝達する一方、メインフレームＡ１９の上部側で連結される補強部（補剛）２２および増速機マウントケーシング１８を介してロータ荷重の一部をタワー６へ伝達することができる。
【００４１】
以上説明したように、本実施例における風力発電設備のナセル構造によれば、
ロータ荷重の伝達経路を２系統とすることができ、ナセルの強度を維持しつつ、増速機をよりロータ側に近接して設置することが可能となる。これにより、ナセルの小型化、軽量化を図ることができる。
【００４２】
なお、上記で説明した増速機マウントケーシング１８をメインフレームＡ１９の側壁（外殻）と連結するように形成してもよい。或いは、増速機マウントケーシング１８をメインフレームＡ１９の側壁（外殻）と一体で形成してもよい。つまり、増速機マウントケーシング１８をメインフレームＡ１９の側壁（外殻）と同じ表面にし、メインフレームの荷重伝達の一部を担うような構成とする。これにより、ナセルの幅方向において、より小型化が可能となる。
【実施例２】
【００４３】
図２Ａおよび図２Ｂを用いて、実施例２における風力発電設備のナセル構造を説明する。図２Ａは、風力発電設備の上面側から見た断面であり、図２Ｂは、側面側から見た断面である。また、図２Ｂ中の矢印は、ロータ荷重の伝達経路を示している。
【００４４】
実施例２におけるナセル構造は、増速機マウントケーシング１８の幅を広くし、
補強部（補剛）２２および増速機マウントケーシング１８を介してタワー６へロータ荷重が伝達する領域を広くしている点において、実施例１のナセル構造とは異なる。増速機マウントケーシング１８の幅は、その上面および下面の両方を広くしてもよく、図２Ｂに示すように、下面すなわち増速機マウントケーシング１８とメインフレームＡ１９が連結する領域を、上面すなわちマウントケーシング１８と補強部（補剛）２２が連結する領域よりも広く設けてもよい。
【００４５】
増速機マウントケーシング１８の上面および下面の両方を広くすることにより、ロータ荷重が伝達する領域を広くすることができる反面、増速機マウントケーシング１８の重量は重くなる。また、増速機マウントケーシング１８の下面を上面よりも広くすることにより、増速機マウントケーシング１８の重量が必要以上に増加することを抑えつつ、ロータ荷重が伝達する領域を広くすることができる。
【実施例３】
【００４６】
図３Ａおよび図３Ｂを用いて、実施例３における風力発電設備のナセル構造を説明する。図３Ａは、風力発電設備の上面側から見た断面であり、図３Ｂは、側面側から見た断面である。また、図３Ｂ中の矢印は、ロータ荷重の伝達経路を示している。
【００４７】
実施例３におけるナセル構造は、メインフレームＡ１９と補強部（補剛）２２の連結部すなわちメインフレームの分割線を増速機４のロータ側の側面よりもロータ側に近接して設けている点において、実施例１或いは実施例２のナセル構造とは異なる。
【００４８】
本実施例のようなナセル構造とすることで、実施例１或いは実施例２と同様に、ナセルの強度を維持しつつ、ナセルの小型化、軽量化が可能である。
【００４９】
また、メインフレームＡ１９の上方すなわち増速機４の上方を広く開放した構造とすることで、増速機４をナセル上に搭載する際に障害物が少なく、組み立て作業が容易になるというメリットがある。
【実施例４】
【００５０】
図４Ａおよび図４Ｂを用いて、実施例４における風力発電設備のナセル構造を説明する。図４Ａは、風力発電設備の上面側から見た断面であり、図４Ｂは、側面側から見た断面である。また、図４Ｂ中の矢印は、ロータ荷重の伝達経路を示している。
【００５１】
実施例４におけるナセル構造は、増速機マウントケーシング１８の上面側をいずれの構造物とも連結せずに、ロータ荷重の伝達経路として利用していない。
【００５２】
メインフレームＡ１９を増速機４の上下を挟み込むような構造とし、その上部側と下部側を補強部（補剛）２２により連結するような構造としている。
【００５３】
本実施例のような構造にすることで、補強部（補剛）２２の取り付け対象が架構すなわちメインフレームＡ１９の１つに絞れるため、組み立ての作業性が向上する。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…ブレード、２…ハブ、３…ナセルカバー、４…増速機（ギアボックス）、５…発電機、６…タワー、７…風向風速計、８…ロータブレーキ、９…ヨー制御機構、１０…ピッチアクチュエータ、１１…ピッチ旋回軸受、１２…ピッチ制御装置、１３…電力制御装置、１４…主遮断機、１５…風車制御盤、１６…主軸、１７…メインベアリング、１８…増速機マウントケーシング、１９…メインフレームＡ、２０…メインフレームＢ、２１…トルクアーム、２２…補強部（補剛）、２３…発電機マウント、２４…回転軸、２５…メインフレームＣ、２６…メインフレームＤ、２７…防振ゴム。
【図１Ａ】
0006345093.tif 000002
【図１Ｂ】
0006345093.tif 000003
【図２Ａ】
0006345093.tif 000004
【図２Ｂ】
0006345093.tif 000005
【図３Ａ】
0006345093.tif 000006
【図３Ｂ】
0006345093.tif 000007
【図４Ａ】
0006345093.tif 000008
【図４Ｂ】
0006345093.tif 000009
【図５Ａ】
0006345093.tif 000010
【図５Ｂ】
0006345093.tif 000011
【図６Ａ】
0006345093.tif 000012
【図６Ｂ】
0006345093.tif 000013
【図７Ａ】
0006345093.tif 000014
【図７Ｂ】
0006345093.tif 000015
【図８Ａ】
0006345093.tif 000016
【図８Ｂ】
0006345093.tif 000017
【図９Ａ】
0006345093.tif 000018
【図９Ｂ】
0006345093.tif 000019
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
0006345093.tif 000021
【図１１】
0006345093.tif 000022
【図１２】
0006345093.tif 000023