JP2005526207A - 風力タービン - Google Patents

Abstract

本発明は風力タービンに関し、特に、沖合にこのような風力タービンを設置することに関する。風力タービンが従来公知の方法で設置される場合、風力タービンのタワーが先ず初めに作製される、ここでタワーはスチール製のタワー、コンクリート製のタワーまたは格子作りのタワーである。タワーが組み立てられた後、機械室がタワーの頂部に設けられ、そのとき該機械室はナセル全体と発電機とローターと他の部品より成る。このような、ローターの羽根が取り付けられ、発電機が接続された機械室のことを、以後、ローターユニットと呼ぶ。本発明の目的は、波の高さが小さい即ち穏やかであるときでも、ほとんどどのような天候でも沖合風力タービンを設置することを可能にする技術的方法を提供することである。風力タービンは、回転可能に搭載された支持部を支えるタワーを有し、支持部は、タワーから外れた同一平面内にある少なくとも１つ、好ましくは、複数個のローターを保持し、支持部は複数個のローターの中心がタワーの頂部より低くなるような位置に配置されている。

Description

本発明は風力タービンに関し、また、特に、沖合におけるこのような風力タービンの設置に関する。

風力タービンが従来公知の方法で設置される場合、風力タービンのタワーが先ず初めに作製される、ここでタワーはスチール製のタワー、コンクリート製のタワーまたは格子作りのタワーである。タワーが組み立てられた後、機械室がタワーの頭頂部に設けられ、該機械室は次にナセル全体と発電機とローターと他の部品を備える。このような、ローターの羽根が取り付けられて発電機が接続された機械室のことを、以後、ローターユニットと呼ぶ。

ローターユニットがタワーの頭頂部に固定され、電力の送電に必要なすべてのケーブルが配置された後、風力タービンは基本的に動作を開始することが可能であり、最適なタービン動作を確実にするために、されにいくらかの初期調整が必要である。

それはすでに提案されたものであり、例えば、ドイツ特許DE 44 13 688 またはエリッヒハウ(Erich Hau)著「風力タービン」第２版、３０ページ、図２．６、即ち、風力タービンタワーは１つだけのローターユニットだけでなく数個のローターユニットを収容することができる、との記載からすでに公知である。風力タービンのタワーは、異なる複数個のローターユニットが取り付けられた支持体構造の形状で設けられている。

ドイツ特許DE 44 13 688 号 エリッヒハウ(Erich Hau)著「風力タービン」第２版、３０ページ

このような風力タービンを建設工事用クレーンを使用して陸上に安全に設置できることは明らかであるが、このような風力タービンを沖合に設置することは殆ど不可能である、なぜなら、海面上６０ｍ以上のかなりの高さがある場合、実質的に波のない天候状態が、設置を実行するために基本的に必要なことであるためである。しかし、このような天候状態は沖合の領域では非常にまれであり、即ち、高い波浪上にあり、また非常にあてにならないので、本発明の目的は、殆どどのような天候でも、たとえ波の高さが小さく穏やかであるときでさえも、風力タービンを沖合に設置することを可能にする技術的方法を提供することである。

本発明は、請求項１の特徴を有する構成的方法を用いて前記目的を達成する。好都合な展開は従属項において記載されている。

本発明に係る風力タービンにおいて、支持体構造がタワー上またはタワーの頭頂部に回転可能に搭載され設置されている。上記支持体構造は、今や、支持体の端部と風力タービンのローターユニットが配置された船との間の距離が可能な限り最小となるまで、海水の方向に回転可能である。このことは非常に高いクレーンはもはや必要ないことを意味している。

また、風力タービン自体がローターユニット用の巻揚げギアを有し、それを用いて船上に配置された風力タービンのローターユニットが巻揚げられる場合は、ローターユニット全体、即ち、羽根が取り付けられ、必要に応じて機械室が接続されたローターは、支持体の先端に案内されてそこに固定されることができる。その後、支持体全体が所望の位置に揺動されることができる。

風力タービン全体が複数の支持アームより構成される支持体構造を有する場合は、風力タービン全体はまた複数のローターユニットを収容できる。このことは前述の従来技術から原理的に公知であったが、このような構成を現実に設置することが、非常に便利な方法で今や可能となる。

風力タービンのある要素は、保守されねばならず、また、ある状況、特に、巨大な負荷が沖合の風力タービンに与えられる場合には、取り替えられねばならないということに留意すべきである。もし船のクレーンがこのような場合にいつも使用される必要がある場合は、風力タービンの要素または部品のこのような維持または取り替えは、ある状況では全く不可能であるかも知れない、なぜなら、安全で信頼できるこのような船のクレーンの使用に必要な天候状態が終了まで数週間続くことはないからである。

これに対して、本発明による風力タービンでは、荒れた天候においても、保守作業を行い、またある状況では、風力タービンが有する巻き揚げギアを使用して保守用の船上に降ろしたり保守用の船から持ち上げたりすることにより、必要に応じて風力タービンの要素またはローターユニット全体を取り替えることが可能である。

これは、好ましくは、ローターユニットが装着された支持アームを６時の位置に移動させ、船（または昇降台、ポンツーン等）と支持体の先端間の間隔をできるだけ小さくすることにより行われる。

支持体構造が３本のアーム構成で星形の支持体であり、該星形の支持アーム間の角度が等しい（１２０°）場合は、各支持アームは連続して６時位置にもってくることができ、先ず最初にそれぞれのローターユニットを装着することができる。

各ローターユニットがローターユニット当たり例えば１．５メガＷ乃至１０メガＷの大電力出力を有する場合は、このような風力タービンは小型または中型サイズの発電所と同等である。タワーの沖合設置のために全く実質的な方策が採用されねばならないが、本発明による風力タービンに対しては、たとえ風力タービン全体が２つ、３つまたはそれ以上のローターユニットを搬送するときでも、それらはただ一度だけ行われる必要があるだけである。これは、各ローターユニットに対して別々にタワーを建てねばならなかった場合よりも遙かに低い費用となる。

風力タービンを設置している間に、支持アームが回転ベアリング上に搭載される場合は、大きなトルク、従って大きな負荷が必然的に発生するであろう。第１の支持アームが搭載された後、例えば、回転ベアリングが他の支持アームを取り付けるための位置に回転されねばならないときは、すでに搭載された支持アームが、該構造により安全に吸収されねばならない復元力を生成するといった他の問題が発生する。

上記発生するトルクに起因するこのような負荷を解消するために、搭載前に支持アームのトルクに等しいトルクを発生する重りを、回転ベアリングに取り付けることができる。３本の支持アーム、即ち、互いに１２０°の間隔で重りを備える支持体の場合は、トルクはそのときゼロとなる。

このためには、風力タービンの建造に使用される方法に応じて異なる重りが必要とされる。支持アームと同じトルクを発生する重りとローターユニットは常に回転ベアリングに取り付けられなければならない。もし支持アームとローターユニットとが回転ベアリングの位置を変えることなしに、連続的に搭載される場合は、これらの重りは設置工程用として不十分である。

しかし、もしすべての支持アームが最初に連続して搭載される場合は、例えばこれらがローターユニットの前に準備されるため、重りはやはり必要である。これらの重りはローターユニットのトルクと等しいトルクを発生し、支持アームに取り付けられる。このようにして、ローターユニットは、支持アームが搭載された後で搭載可能であり、そのため、トルクが発生されないことと同様の結果となる。

本発明の好ましい展開によれば、下降および／または巻き揚げ装置は少なくとも１つの偏向ロール、好ましくは滑車より構成される。このような滑車と、もちろんそれを通るケーブルとを用いて、例えば沖合風力タービン用に、船の甲板上の機械により、そうすることが必要とされる力が与えられる時でさえ、巻き揚げまたは巻き下ろしを行うことが可能である。波に対して補償するために、好ましくは、係留ウインチが使用可能である。このようにして、風力タービン内の駆動部がないときでも作業の実行を可能にする少なくとも１つの緊急用巻き揚げまたは巻き下ろし装置を提供することができる。このように、風力タービンの価格を削減するために、巻き揚げまたは巻き下ろし装置用の駆動部も削除することができる。

しかし、とりわけ、本発明による構成は非常に安価で保守が容易な風力タービンの設置、維持、従って、単一の部品の交換を提供する。

例えば、ローターユニットの部品を修理することが必要な場合、例えば羽根を取り替えまたは修理しなければならないときは、それぞれのローターを６時位置に移動させた後、装置全体を待ち船上に降ろし、船上または陸上で修理を行うことができ、その後、修理されたローターユニットはそれの適当な位置に戻すことができ、これによって修理作業を受けないそれらのローターユニットは、実際、水線より非常に高い水準で動作中のままであり、その結果、残りのローターユニットは完全に通常より強い風にさらされることになる。

支持体全体は、好ましくは、単一の面内にあり、回転可能で、タワーから分枝し、またタワーの周りに揺動できるように取り付けられる。同様に、別々のローターユニットもまた所望の方位角（支持装置周囲の角）を受容できる。このことは、全てのローターユニットが風に関して所望の位置に移動させることができ、常に最適なエネルギー出力が達成される。

本発明について、図面に示す実施の形態を参照して、さらに詳細に説明する。

図１は、タワー２と３つのローターユニット３，４，５を有する沖合用風力タービンの正面図を示す。各ローターユニットは同じ構造を有している。ローターユニットは、それの部品用に、星形の支持部７として形成されてタワー２の頭頂部上に回転可能に搭載された支持部により支持されている。支持部の回転ベアリング８がまた図示されており、支持部全体がヨーベアリング９によりタワーの周りを旋回（回転）可能とされている。支持部をその中心支持軸の周りを回転させ、支持部をタワーの軸の周りに揺動させるためのそれぞれの駆動部は図示されていない。しかし、例えば関連の力率用に設計された電動機駆動部などの標準的なモータ駆動部が、このような駆動部用に使用できる。

各ローターユニット３，４，５は羽根が取り付けられたローターと、また好ましくは、該ローターに取り付けられた発電機（不図示）より構成される。その構造設計はエネルコン（Ｅｎｅｒｃｏｎ）Ｅ−４０またはＥ−６６などの標準的な風力タービンからすでに公知である。されに、各ローターユニットはまたローターユニット全体を動作させる通常の装置を含み、ローターの羽根１１は好ましくは風（ピッチ設定）に関して可変のピッチ角を有し、そのために公知のピッチ調整器（不図示）が使用される。

各ローターユニットにより発生された電力は、特に各ローターに割り当てられた変換器システムまたは中央変換器システム（整流器、中間ＤＣ回路および負荷側上のインバータを有する変換器システム）を介して処理、または、例えば、該発生された電力を所望の電圧レベルに上昇させるための変圧器装置に出力される。

もし図１に示すような風力タービンが従来公知の手段を用いて設置される場合は、各ローターユニットの種々の部品は、クレーン船を用いて、支持アームの先端上またはその上に載置された機械室に配置されねばならないであろう。

しかし、本発明による風力タービンを設置するために、支持部全体は支持部の中心軸１０の周りに回転可能であり、図２に示すように、支持アームは６時の位置（即ち、水面に垂直に下方を指す）に動かされる。このことは、支持アーム７の先端と風力タービンに設置用のローターユニットを搬送する船との間の上昇を可能な最小距離としている。

適当な巻揚げギアを用いることにより、ローターユニットは支持アーム１２の端部に巻揚げ中に案内されることができ、これにより巻揚げギアは好ましくは風力タービン自体の中または上に設けられ、これにより船のクレーンの必要性を不要としている。該巻揚げギアは、例えば、支持アーム７を介して供給される１つ以上のケーブルを有するように適当に構成されたケーブル引っ張りシステムにより構成可能であり、支持アーム７は内部が空洞である。このように、ローターユニット全体またはその主要部分は、巻揚げギアにより船から巻き揚げられたり、または、船上に下降されたりできる。ローターユニットが支持アーム７上に搭載されたとき、後者は（第１のローターユニットの設置後）次の支持アーム７が６時位置に移動されるまで、そしてすべてのローターユニットがそれらの支持アーム上に搭載されるまで、回転されることができる。

その後、支持体構造全体は回転可能となり、別々のローターユニット３，４，５がすべて図１に示すように海面レベル上の最大高さになる。

図３は図２の配置構成の側面図を示し、３つの支持アーム７が取り付けられた支持部がタワー２から横方向に外れた平面内に位置し、ヨーベアリング９によりタワーの周りを揺動できることがわかる。図３では、ケーブル引っ張りシステムの形成内の巻揚げギアがまた見られる。ケーブル滑車ブロック１４が支持部内に設けられ、その上を動くケーブル１３がそれ自体、ローターユニット３，４，５またはその主要部分を搬送するために、空洞の支持アーム７を通して供給される。各支持アーム７にはそれ自体のケーブルが原理的に装着可能であることは自明であるが、支持アーム７の配置方法により、後者内に下降されることができる単一のケーブル１３が装着された１つだけの単一のケーブルシステムを有することが好ましい。

図示の例では、別々のローターユニット３，４，５は支持アーム７上にそれら自体のヨーベアリングを備えていない、このことは全支持アーム７のヨー調整はその１つのヨーベアリング９を用いて行われることを意味する。しかし、必要に応じて、各ローターユニットは、ローターユニット３，４，５とその支持アーム７間の遷移部においてそれ自体のヨーベアリングを付与されることができる（公知の風力タービンにおける機械室とタワー間のヨーベアリングのように）。

図４は設置されている本発明に係る風力タービンの外観を示す。補助用運搬設備１６を備えた船１５がローターユニット３を受け取る。巻揚げギアが上記ローターユニット３に装着された後、ローターユニット３全体は上方に引き上げられ（必要に応じて所望の角度揺動され）、その後、支持アーム７上に固定されることができる。

保守に関するまたは他の理由により、ローターユニット全体またはその重要な部分を分解検査する必要がある場合は、ローターユニット全体またはその重要な部分は巻揚げギアにより保守用船１５上に降ろされ、その船上では実際に保守作業が行われるか、または該保守用船は分解検査する必要がある部品を上陸させるために帰港する。

保守作業中にローターユニット３が除去される必要がある場合は、そのとき１０時と２時の位置にある他の２つのローターユニットが動作を続けることができ、その結果、最大可能な電流及び電力出力がなお確保される。

本発明は、大電力出力の風力タービンの場合、即ち、例えば８メガワット（ＭＷ）と３０メガワット（ＭＷ）との間の合計電力出力を有する風力タービンを使用する場合に、特に好都合に展開されることができる。

各別々のローターユニットが例えば４メガワット（ＭＷ）乃至５メガワット（ＭＷ）の電力出力を有する場合は、本発明による風力タービンは１２メガワット（ＭＷ）乃至１５メガワット（ＭＷ）の合計電力出力を有した作動ができる。

このような風力タービンが動作中のときは、別々のローター羽根の先端間の最小間隔（それぞれのローター羽根が６時位置にあるとき）は、海面レベル上の最小高さがある値（例えば５０ｍ）以上であることを保証することが重要である。これにより通常の船舶交通における衝突を防止している。

その大きさのため、上記風力タービンは、また、今までの普通の風力タービンおよびタワー内よりもより良い保守及び勤務人員のために必要な部屋を有することができる。沖合風力タービンは動作されるだけでなく、適当な人員によって管理及び維持されねばならないという事実は、容易に見落とされる。このような人員は適当な社会的環境、例えば部屋（共有部屋、台所、寝室、作業場等）を備えなければならない。このような設備は、相対的に小さい径の相対的に小さいタワーよりも非常に大きなタワーに設ける方が遙かに容易である。

単一のタワーの価格は、たとえそれが非常に大きいとしても、３台のタワーを設置する場合よりも、特に、各別々のタワーはそれ自体の基礎をもたねばならず、また同一の沖合タワー（同じ深さ等）が沖合養殖場における異なる風力タービンに使用される可能性はほとんどないため、遙かに低価格である。

支持部の安定性を増すために、支持アームを互いに張力をかけて接続することもまた意味があり得る。

本発明に係る沖合風力タービンの正面図である。 本発明に係る、ローターユニットを取り付けるための位置における、沖合風力タービンの正面図である。 図２の風力タービンの側面図を示す。 ローターユニットを取り付け中の図３の風力タービンを示す。

符号の説明

２ タワー、 ３，４，５ ローターユニット、 ７ 支持アーム、 ８ 回転ベアリング、 ９ ヨーベアリング、 １１ 羽根

Claims (15)

1. 回転可能に搭載された支持部を支えるタワーを有し、前記支持部は、前記タワーから外れた１つの平面内にある少なくとも１つ、好ましくは、複数個のローターを保持し、前記支持部は前記ローターの中心が前記タワーの頂部より低くなるような位置に配置されている風力タービン。
2. 前記支持部は星形であり、回転ベアリング上に配置されて互いに等角度（１２０°）で離間した３つの支持アームを有することを特徴とする請求項１記載の風力タービン。
3. 前記支持部は、各ローターが可能な限り低い地点（前記タワーの頂部に対して６時の位置）に位置できるように配置されていることを特徴とする前記請求項１〜２のいずれか１項に記載の風力タービン。
4. 巻揚げ及び／または下降装置が設けられ、これにより、各ローターユニットが前記支持部から下降され及び／またはそれを同支持部に装着するために前記支持部に引き寄せられることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力タービン。
5. 前記下降及び／または巻揚げ装置は前記支持部の内部に形成されたことを特徴とする請求項４記載の風力タービン。
6. 前記下降及び／または巻揚げ装置は少なくとも１つの偏向ロールを有することを特徴とする請求項４または５のいずれか１つに記載の風力タービン。
7. 前記下降または巻揚げ装置はケーブル引っ張りシステムを有し、各支持アームは内部が空洞であり、ローターユニットを下降または上昇させるときに、前記ケーブルが前記支持アームの内部を移動してローターユニットを前記支持アーム上に移動させることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の風力タービン。
8. 前記支持アームは少なくとも２つの部分より成ることを特徴とする前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力タービン。
9. 各支持アームと各支持アーム部分は前記巻揚げ及び／または下降装置用の取付装置を有することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれか１項に記載の風力タービン。
10. 各支持アームは約５０ｍ乃至８０ｍ（好ましくは７５ｍ）の長さであり、ローターの径は約１００ｍ乃至１４０ｍであることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれか１項に記載の風力タービン。
11. 前記ローターユニットは複数の羽根が装着されたローターを有し、該ローターは、ローターに接続されてローターの回転により駆動される少なくとも１つの発電機を有する機械室に連結されていることを特徴とする前記請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力タービン。
12. 前記支持部を回転するために駆動部が設けられたことを特徴とする前記請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風力タービン。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力タービンを設置するための方法であって、
    前記回転ベアリングのフランジに着脱可能な重りを取り付けるステップと、
    前記回転ベアリングを前記タワーの頂部に装着するステップと、
    前記回転ベアリングを所定位置に配置するステップと、
    前記重りを取り外した後で支持アームを取り付け、その次に前記ローターユニットを取り付けることにより、前記回転ベアリングのフランジ上に配置された前記重りを、支持アームおよびローターユニットと置き換えるステップとを備えることを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力タービンを設置するための方法であって、
    前記回転ベアリングのフランジに第１の着脱可能な重りを取り付るステップと、
    前記支持アームのフランジに第２の着脱可能な重りを取り付けるステップと、
    前記回転ベアリングを前記タワーの頂部に装着するステップと、
    前記回転ベアリングを所定位置に配置するステップと、
    前記第１の重りを取り外した後で、前記支持アームを取り付けることにより、前記回転ベアリングのフランジ上に配置された前記第１の重りを支持アームと置き換えるステップと、
    前記支持アームが取り付けられた前記回転ベアリングを所定位置に配置するステップと、
    前記第２の重りを取り外した後で前記ローターユニットを取り付けることにより、前記支持アームのフランジ上に配置された前記第２の重りをローターユニットと置き換えるステップとを備えることを特徴とする方法。
15. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力タービンを設置するための方法であって、設置の間、支持アームは最初に略６時の位置（即ち、前記支持アームの端部が前記タワーの頂部より相当下方となる位置）に移動され、次にローターユニットが前記支持アームの端部の周囲に案内されてそこに固定され、その次に前記支持アームはその特定の動作位置に揺動されることを特徴とする方法。
    

Images