JP2019517640A - モジュール式風力タービン - Google Patents

Abstract

本発明は、タワー20と、ローター32、ローター軸受34、好ましくはトランスミッション36、及び発電機38を含むドライブトレイン30と、タワー20の長手方向軸に対して横断方向に延在する長手方向軸を有し、一方の側においてドライブトレイン30のいくつかのセクションを収納する筒状部40と、筒状部40の他方の側を閉鎖するドーム50とを備える、風力タービン10に関する。本発明では、ドライブトレイン30は、ローター32の反対側にあるドライブトレインの端面とドライブトレインの側面との間に冷却空気を通す手段を備え、筒状部40は、内側筒状部42を収納し、内側筒状部42は、筒状部40の内部を外側筒状部中間空間44と内側筒状部内部46とに分割し、ドーム50は、空気対空気熱交換器として設計され、内側筒状部42は、ローター32の反対側にあるドライブトレイン30の端面及びドーム50に連通するように接続し、それにより、閉鎖された冷却回路を形成することを特徴とする。【選択図】図2

Description

本発明は、タワーと、ローター、ローター軸受、該当する場合には駆動装置、及び発電機を含むパワートレインと、タワーの長手方向軸に対して横断方向に延在する長手方向軸を有し、一方の側においてパワートレインの複数のセクションを収容する筒状部と、他方の側において筒状部を閉鎖するドームとを備える、風力タービンに関する。

そのような風力タービンは、例えば、特許文献1から既知である。特許文献1では、この構成の基となる構想は、モジュール式構造と、パワートレインのコンポーネントの交換を容易にする、パワートレインのコンポーネントをタワーに取り付ける単純な方法とによって、修理に要するダウンタイムを低減することである。

しかしながら、この構成に起因して、システムのパワートレインは、最終組立ての間まで完成させることができず、システムの構築が終わるまで試験することができないことが不都合であると思われる。さらに、この従来技術は、パワートレインの受動的な冷却しかもたらさず、これは、現在のシステムにとって不十分である。

通常、風力タービンは、別個の構築方法を用い、ローター軸受、駆動装置、カップリング、及び発電機等の主要コンポーネントが、下方に配置されたメインフレーム上に一連となって配置される。次いで、駆動装置及び制動装置を備える垂直ピボット軸受が、メインフレーム上に配置される。駆動装置を備えない直接駆動型の発電機では、メインフレームは、発電機のステーターに堅固に取り付けられ、発電機の後ろに配置される。次いで、給脂システム、冷却系、及び電気機器等の更なるコンポーネントが、メインフレームに取り付けられ、通常、クラッディングにより、外部の天候の影響から保護される。この構造に対する1つの例は、特許文献2において与えられている。

一方、上記コンポーネントを統合するとともに、負荷伝達のために駆動装置及び発電機のハウジングを用いるパワートレイン構造が存在する。ここでは、このパワートレインは、緩衝ビームに取り付けることができ、この緩衝ビームが、垂直軸受を介してローター負荷をタワーに伝達する。1つの例が、特許文献3に記載されている。全体的に小型に構築されていることから、必要な冷却要素は、緩衝ビームの外部に設けなければならず、軸受構造によってこの緩衝ビームに取り付けられる。

別の構成において、駆動装置及び発電機は、鋳造金属ハウジング内に設置されるとともに、非常に小型に設計される。このような形態は、例えば、特許文献4に見ることができる。油圧系、冷却系等の副次的なコンポーネントは、ピボット軸受又はナセルのクラッディングに別個に取り付けられる。

したがって、この構造は、その構築、メンテナンス、及び修理に大幅な労力及び時間を必要とし、不安定な天候条件及び総じて困難な動作条件に起因して、特に洋上風力タービンにおいては悪影響を有する。

米国特許第4,527,072号 欧州特許第0821161号 国際公開第2008/113318号 欧州特許第0811764号

したがって、本発明の課題は、迅速かつ容易に設置及び保守できる小型の風力タービンであって、特に、パワートレインのコンポーネントからの熱損失を十分に取り除く能動的な冷却システムが提供される、風力タービンを創出することである。

本発明によれば、この課題は、請求項1に記載の特徴を有する風力タービンによって解決される。従属請求項は、本発明の有利な形態を記載する。

本発明の根底にある構想は、特許文献1に記載の従来技術から既知の「取外し可能」部分を更に発展させ、それにより、機能するパワートレインを収容するように設けられた部分に、機能するパワートレインを挿入することができ、パワートレインと収容部との組合せによって冷却空気の閉回路が形成されるようにすることである。

したがって、本発明の目的は、ローター、ローター軸受、該当する場合には駆動装置、及び発電機を含む、非常に小型で軽量であり、したがってコスト効果的なパワートレインであって、外部負荷がこれらのコンポーネントによって伝達されず、パワートレインがユニットとして筒状部、例えば支持鋼製パイプ内に挿入され、その前方がローター軸受に取り付けられ、それにより、負荷は、この鋼製パイプを介して支持構造、すなわちタワーに伝達することができる、パワートレインを設計することである。

存在する場合、駆動装置は、外部負荷によって僅かにしか影響を受けず、発電機は外部負荷の影響を全く受けない。

パワートレインユニットと筒状部との間の接続は、ローター軸受の外輪の固定ねじを用いてもたらされることが好ましい。発電機の前面は、駆動装置又はローター軸受の後部パネル蓋に直接取り付けられ、それにより、発電機は、駆動装置又はローターギアの変形時に内部負荷を受けることなく自由に動くことができる。

残りの説明として、パワートレインは、発電機を含むことが想定されるが、本発明は、駆動部のない風力タービンに用いることもできる。

筒状部は、ローター軸受の接続部に向かう頂端部にフランジを備える、筒状に巻かれた単純な鋼製パイプとして構成することができる。したがって、複数の板から作製される幾何学的に複雑な溶接構造又は複雜な（再）加工を伴う複雜な鋳造は、必要とされない。

しかしながら、筒状部は、矩形又は六角形等の異なる形状の底面を有することができる。筒状部の長手方向軸は、タワーの長手方向軸に対して横断方向に配置される。すなわち、筒状部の長手方向軸は、タワーの長手方向軸に対して垂直に配置することができるか、又は、特に、タワーの長手方向軸に対する垂直軸から0度〜30度ずらすことができる。

さらに、本発明に係る風力タービンにおいて、発電機及び駆動装置は、外気によって冷却される空気対空気熱交換器によって冷却される。この空気対空気熱交換器は、筒状部のドライブトレインユニットとは反対側の端部に配置される。内部の冷却空気流は、発電機からの熱損失を、空気が流通する発電機のステーター及び／又はローターによって直接吸収する。駆動装置からの熱損失もまた、好ましくは、発電機の上流又は好ましくは下流のいずれかにある油対空気熱交換器によって、この内部空気流へと導かれる。内部空気流は、好ましくはまず筒状部の外側に沿って流れ、すなわち、筒状部の内壁と内側筒状部の外壁との間の空間内を流れ、筒状部の壁を高温レベルにおいて冷却のために使用することができる。次いで、空気は、外部空気流の外側に位置する、ドームによって形成された空気対空気プレート熱交換器を通って流れる。

したがって、筒状部及び内側筒状部は、中空の筒状部として構成される。

筒状部及びドームは、特に、ともに螺合される別個の部材として形成される。ここでは、特に、筒状部は、ドームのテーパー状部分が筒状部内に挿入されるように、ドームの一部分を収容することを想定することができる。

システム全体は、ダウンウィンドタービンとして構成され、それにより、ドームによって形成されたプレート熱交換器が、空気流に対向して延在し、したがって、空気流の供給空気内に直接配置されることが好ましい。

プレート熱交換器は、以下では「中央内部空気導管」とも称する内側筒状部の周囲に径方向に配置される、好ましくはステンレス鋼の薄板からなる。これらの薄板は、内側筒状部との通気状態又は外部冷却流に対する閉鎖状態で交互に構成される。このように、内部の冷却空気流は、2枚の板の間で内側筒状部に向けられる。外気は、内部から外部に熱を導くように、2枚の板の間を流れることができる。

内側筒状部は、筒状部に関して上記で説明したように、円形底面を有する円形の筒状部としての構成から逸脱することができ、例えば、矩形又は六角形の異なる底面形状を有することができる。

電力のおよそ3%の熱損失を伝達することを可能にするために、複数の金属板の対が必要とされる。冷却板の総表面積は、予定される出力、効率レベル、外部温度条件、及び許容される最大内部温度に応じる。

この冷却ユニットは、外部からアセンブリとして筒状部に挿入することができ、好ましくは、フランジ接続部によって筒状部に取り付けることができる。しかしながら、最初に、適切な空気流を伴う内側筒状部と、ギア油を冷却する油対空気冷却システムと、空気を循環させる1つ以上のブロワーとを、筒状部にまず設置する。

アセンブリ全体は、浮体式風力タービンの場合のように、例えば、ナセルに風向追尾システムを必要としない場合が特に好ましい。この場合、筒状部は、タワー又は支持構造に直接取り付けることができる。

この構成は、非常に軽量かつ小型であり、外部負荷が駆動装置及び発電機から遠ざけられているだけでなく、外気から気密に閉鎖された閉鎖循環冷却システムも形成する。このことは、特に洋上システムに対して必要とされる。

したがって、本発明は、風力タービンであって、タワーと、ローター、ローター軸受、好ましくは駆動装置、及び発電機を含むパワートレインと、タワーの長手方向軸に対して横断方向に延在する長手方向軸を有し、一方の側においてパワートレインの複数のセクションを収容する筒状部と、他方の側において筒状部を閉鎖するドームとを備え、パワートレインは、ローターの反対側にあるパワートレインの前面とパワートレインの側方領域との間に冷却空気を導く手段を備え、筒状部は、好ましくは同心に配置された内側筒状部を備え、筒状部の内部は、外側筒状部空間と内側筒状部空間とに分割され、ドームは、空気対空気熱交換器として構成され、閉鎖循環冷却システムを形成する内側筒状部は、ローターの反対側に位置するパワートレインの前面及びドームと連通するように取り付けられる、風力タービンに関する。

好ましくは、筒状部は、タワーに回転可能に固定される。特に好ましい一実施形態において、タワーは、風向追尾を補助するレンズ形から水滴型の断面を有する。

特に、冷却システム全体を通して一貫した空気流及び／又は空気流速度が得られるように、内側筒状部の断面積は、筒状部空間の断面積に略相当する。

別の好ましい実施形態によれば、内側筒状部は、パワートレインの方向に円錐状に拡大する部分を含む。この部分は、内側筒状部をパワートレイン、特に発電機に取り付けることをより容易にし、発電機の背面には、整流器等の冷却が必要な更なる要素を配置することができる。

内側筒状部は、ローターの反対側に位置するパワートレインの前面、すなわち、発電機の後壁を構成することが更に好ましい。このために、発電機の外径は、駆動装置の外径よりも小さい場合が好ましい。

駆動装置の外径は、筒状部の外径に略相当する。

空気循環は、発電機自体のファンによってもたらすことができる。しかしながら、特に好ましいのは、内側筒状部内にファンが配置されることである。代替的又は付加的に、1つ以上のファンを筒状部空間内にも設けることができる。

最後に、上述したように、風力エネルギーシステムは、ダウンウィンドタービンとして構成されることが好ましい。

以下、本発明を、添付図面にも示されている特に好ましい例示的な実施形態を用いて説明する。

特に好ましい形態を有する風力タービンの概略側面図である。 図1に示されている風力タービンの分解図である。 図1の風力タービンの側面断面図である。 空気流を概略的に示す、図1の風力タービンの側面断面図である。 特に好ましい形態を有する浮体式洋上風力タービンの全体斜視図である。 特に好ましい形態を有する更なる浮体式洋上風力タービンの全体斜視図である。 1つのローターの領域における、図6に示されている風力タービンの詳細図である。

図1は、特に好ましい形態を有する風力タービンの概略側面図を示している。

風力タービン10は、上側に筒状部40が配置されたタワー20を備える。筒状部40は、タワー20の長手方向軸に対して横断方向に、この例ではおよそ80度の斜角で延在する長手方向軸を有するとともに、パワートレイン30を収容する。パワートレイン30の場所からは、ローター32、ローター軸受34、及び駆動装置36が見て取れる。

パワートレイン30の反対側には、筒状部40を閉鎖するドーム50が設けられている。ドーム50は、空気対空気熱交換器として構成されており、ドーム50の外側冷却フィンが明確に見て取れる。

図1に示されている風力タービンは、特に、浮体式ダウンウィンドタービンとして構成され、ここでは、筒状部40は、タワー20に堅固に取り付けられ、タワー20は、さらに、浮体式基礎に固定されている。このために、特に、固定具は、タワー20ではなく筒状部40に取り付けられることが想定される。

図2は、図1に示されている風力タービンの分解図を示している。

この図は、ローター32、ローター軸受34、駆動装置36、及び発電機38を含む、機能する、また特に事前に試験されるパワートレイン30を、筒状部40の一方の側に機能ユニットとして挿入することができ、筒状部40の他方の側はドーム50によって覆われることを明確に示している。

ここでは、タワー20、パワートレイン30、筒状部40、及びドーム50は、これらのコンポーネント同士が接合されると、周囲環境との物質の交換が起こらない閉鎖空間が形成されるように構成される。

図2は、筒状部40と同心に配置された内側筒状部42が筒状部40内に設けられ、これにより、筒状部40の内部が外側筒状部領域44と内側筒状部領域46とに分割されることも示している。内側筒状部42は、特に、筒状部40の内壁を内側筒状部42の外壁に接続する径方向支持構造によって、筒状部40に取り付けられる。

図3は、風力タービン10の開放した側面図を示しており、パワートレイン30、筒状部40、特に内側筒状部42、及びドーム50の間の機能的相互作用を明らかにしている。

内側筒状部42は、ローター32の反対側に位置するパワートレインの前面、すなわち、発電機38の後壁が、内側筒状部42の一方の側によって構成され、それにより、パワートレイン30の前面が内側筒状部空間46のみと連通し、（外側）筒状部空間44とは直接連通しないように構成される。

他方の側において、内側筒状部42は、空気対空気熱交換器として構成されたドーム50の通気構造と連通するように接続され、それにより、閉鎖された冷却システムがパワートレイン30とドーム50との間に形成される。この冷却システムは、ドーム50から内側筒状部空間46を通ってパワートレイン30へと延在し、また、パワートレイン30から筒状部空間44を通ってドーム50へと延在する。

冷却システムは、図4に示す矢印によって示されている。内部冷却システムは、完全に閉鎖している。ドーム50において、熱損失は、ドーム50に沿って対向流として通過する外気へと散逸する。

最後に、図5は、浮体式基礎上に配置されたタワー20を備える特別に構成された浮体式風力タービン10の斜視図を示している。風力タービン10の上側において、タワー20は、タワー20に回転可能に固定された筒状部40を備え、タワー20は、筒状部40上に設けられた懸架点を介して、基礎に固定されている。

浮体式風力タービン10は、特に、ダウンウィンドタービンとして構成され、タワー20は、少なくとも風向追尾を補助する断面を有する。

パワートレイン30は、図示の例示的な実施形態において、2枚ブレードローターを備え、上記で説明したように、筒状部40内に収容される。筒状部40は、パワートレイン30の反対側に位置する側にあるドーム50によって閉鎖される。

図6は、浮体式基礎上に配置されたタワー20を備える特別に構成された浮体式風力タービン10の別の例示的な実施形態を示している。タワー20は、垂直断面において分割され、この断面から二股に分岐する2つのアームを有する。2つのアームの端部には、回転可能に固定された筒状部40が配置される。

これらの筒状部40のそれぞれが1つのパワートレイン30を収容するため、合計2つのパワートレイン30を備える浮体式風力タービン10が形成される。この手法は、特に、個々のコンポーネントが非常に小さな寸法を有し、したがって、浮体式基礎に対するより良好な荷重分散を容易にする、全体的に高出力のタービンを構築するのに好ましい。

最後に、図7は、パワートレイン30の領域における固定具の細部を示している。懸吊ロープが支柱管40に取り付けられ、それにより、パワートレイン30の交換は、浮体式風力タービン10全体の安定性を損なわずに実施することができることが明確に示されている。

１０：風力タービン
２０：タワー
３０：パワートレイン
３２：ローター
３４：ローター軸受
３６：駆動装置
３８：発電機
４０：筒状部
４２：内側筒状部
４４：外側筒状部領域
４６：内側筒状部領域
５０：ドーム

Claims (10)

1. 風力タービン（10）であって、
   タワー（20）と、
   ローター（32）、ローター軸受（34）、及び発電機（38）又は
   ローター（32）、ローター軸受（34）、駆動装置（36）及び発電機（38）を含むパワートレイン（30）と、
   前記タワー（20）の長手方向軸に対して横断方向に延在する長手方向軸を有し、一方の側において前記パワートレイン（30）の複数のセクションを収容する筒状部（40）と、
   他方の側において前記筒状部（40）を閉鎖するドーム（50）と、
   を備え、
   前記パワートレイン（30）は、前記ローター（32）の反対側に位置する該パワートレイン（30）の前面と該パワートレイン（30）の側方領域との間に冷却空気を提供する手段を備え、
   前記筒状部（40）は、内側筒状部（42）を収容し、該内側筒状部（42）は、前記筒状部（40）の内部を外側筒状部領域（44）と内側筒状部領域（46）とに分割し、
   前記ドーム（50）は、空気対空気熱交換器として構成され、
   閉鎖された冷却システムを形成する前記内側筒状部（42）は、前記ローター（32）の反対側に位置する前記パワートレイン（30）の前記前面及び前記ドーム（50）と連通するように接続されることを特徴とする、風力タービン。
2. 請求項1に記載の風力タービン（10）であって、前記筒状部（40）は、前記タワー（20）に回転可能に取り付けられることを特徴とする、風力タービン。
3. 請求項1又は2に記載の風力タービン（10）であって、前記筒状部（40）及び前記内側筒状部（42）は、互いに同心に配置されることを特徴とする、風力タービン。
4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、前記内側筒状部（42）の断面積は、前記外側筒状部（44）空間の断面積に相当することを特徴とする、風力タービン。
5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、前記内側筒状部（42）は、前記パワートレイン（30）の方向に円錐状に広がる領域を有することを特徴とする、風力タービン。
6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、前記内側筒状部（42）は、前記ローター（32）の反対側に位置する前記パワートレイン（30）の前記前面を含むことを特徴とする、風力タービン。
7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、前記発電機（38）の外径は、前記駆動装置（36）の外径よりも小さいことを特徴とする、風力タービン。
8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、前記駆動装置（36）の外径は、前記筒状部（40）の外径に相当することを特徴とする、風力タービン。
9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、前記内側筒状部（42）及び／又は前記筒状部（44）空間内に配置されるファン（48）を特徴とする、風力タービン。
10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の風力タービン（10）であって、該風力タービン（10）は、ダウンウィンドシステムとして構成されることを特徴とする、風力タービン。