JP4878722B2 - 風力エネルギー発電システム - Google Patents
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Description
(技術分野)
本発明は、風力エネルギーから発電するためのシステムに関する。
【0002】
(背景技術)
本技術分野では、風力エネルギーシステムとして知られている風からエネルギーを回収するためのシステムは公知であり、下端部が地面、海底、又は浮上プラットフォームに固定されている垂直マストと、該マストの上端部に垂直軸のまわりを回動するように取付けられているナセルとを備えている。本システムの回転部は、実質的に水平、又は水平から僅かに傾いた軸のまわりを回転するようにナセルに取付けられ、ハブと、該ハブに固定されハブ回転軸に対して半径方向に延びる2つ又は3以上のブレードとを備える。ハブは、1つ又は2以上の軸受内でナセルに対して回転する。本システムの回転部によって回収される風力エネルギーを利用して、例えば、交流発電機である発電機によって発電が行われ、交流発電機は、ナセルに固定されている1つ又は2以上のステータと、システムの回転部のハブに固定されている1つ又は2以上のロータとを含むことができる。
【0003】
風力エネルギーシステムの製作業者が直面する問題の1つは、ナセルの寸法に影響を与える発電機の寸法を制限しながら高い電力定格を得る必要性である。従来、ディスク発電機、即ち発電のために協働する磁気部材又は電磁部材が配置された対向環状面を有する、1つ又は2以上のロータと、1つ又は2以上のステータとを備える装置は、比較的大きな作用面領域を小さな容積内で得ることができるので好都合であることが分かっている。このシステムは、特に発電機ロータがシステムの回転部に直接固定されている場合に有利であり、結果的に機械的な増速装置が不要になる。
【0004】
しかしながら、ステータディスクに対する1つ又は複数のロータの位置を維持するために、ロータ回転部に作用する力、特に軸方向の力を阻止及び/又は釣り合わせることができるように回転部及びロータ用回転取付台を設計することは難しいので、前述の技術は、現在まで工業規模では一般的に使用されていない。
【0005】
風力エネルギーシステムの回転部は風が及ぼす力を受けるが、この力は、回転部に作用する軸方向の力を補償するための1つ又は2以上のスラスト軸受が設けられているとしても、特にハブ及びその回転支持手段を曲げる。
【0006】
発電機のロータが風力エネルギーシステムの回転部に固定されている場合、回転部に風が及ぼす力が、発電機に直接伝達されるので、結果的に、1つ又は2以上のステータに向かい合う1つ又は2以上のロータを有するディスク装置では、発電機の空隙の幅を僅小かつ正確な値に保つことが困難になる。
【0007】
また、風力エネルギーシステムの運転時に、システムの回転部、及び特にロータは交互の力及び変形を受けるので、運転中にそれらの構成部品の疲労破壊が引き起こされる。
【0008】
また、本技術分野で公知の風力発電システムは、従来型の半径方向磁束式交流発電機を備え、回転部は、ナセルに固定され、水平から僅かに傾いた軸を有する円筒形シャフトに固定されている転がり軸受等の軸受内でナセルに対して回転する。システム回転部のハブは、円筒形支持部に固定され、支持部は、軸受のアウターレース上で回転すると共に、ブレードを支えるハブと反対側の端部の位置において発電機の半径方向ロータを支える。この場合、風はブレード及びハブを経由して力を及ぼし、この力は、軸受の軸に直交する軸のまわりで、ロータを回転部の軸受に対して回転させる場合もある。
【0009】
軸受に対して片持式で固定されたロータブレードを支えるハブは、軸受及び風力エネルギーシステムの支持構造体に対して大きなトルクを与える。
【0010】
現在では、非常に高性能な永久磁石を容易に入手できるので、永久磁石を支えるロータを含むディスク発電機の製造を検討することができ、発電機の重量及び全長を抑えたディスク装置のロータ及びステータを作ることができる。
【0011】
従って、永久磁石ディスク発電機を使用可能にする構造体を備える風力エネルギーシステムを製造できれば非常に好都合である。
【0012】
(発明の開示)
従って、本発明の目的は、風力エネルギーから発電するためのシステムを提案することであり、本システムは、支持面に固定されている下端部を有するマストと、マストの上端部に対して垂直軸を中心に回動するナセルと、ハブ及び該ハブに固定されている2つ又は3以上の実質的に半径方向に延びる複数のブレードを含む回転部と、ナセルの回転部がその中で回転し実質的に水平方向に延びる軸を有する軸受と、ナセルに固定されているステータと、回転部の回転軸に実質的に直交する固定部材によって固定されているロータとを有する発電機とを備え、本システムは、小さな容積のナセルにもかかわらず高い設備出力を発生する。
【0013】
前述の目的のため、本発明は、
ロータ及びステータの両方は、各々が向かい合う電磁部材を支えるディスクの形式の作用部をそれぞれ有し、
回転部は、ナセル上で単一の軸受内で回転し、軸受の直径は、ブレードがハブに連結される領域によって形成される表面の回転部の軸に直交する断面に内接する円の直径よりも20%未満だけ小さく、
ロータをハブに固定する固定部材は、軸受の軸方向において軸受に隣接する。
以下に、本発明による発電システムの1つの実施形態を添付の図面を参照して例示的に説明する。
【0014】
(発明を実施するための最良の形態)
図1は、本発明による風力エネルギーシステム1の上側部分を示す。
風力エネルギーシステム1は、図1に、上端部のみが示されている垂直マスト2を有する。
図1に上端部のみが示されているマスト2は、例えば40mから50m程度の非常に背が高い場合があり、マストの下端部は、風力発電所の地上のアンカーブロック、海底、又は沖合施設の場合は浮上プラットフォームに固定される。
【0015】
図1に示すマスト2の上端部には、プラットフォーム3aを含むナセル3が取付けられ、プラットフォーム3aは、マスト2の上端部に転がりリング4内で回動可能に取付けられ、プラットフォーム3aは、ナセル3がマスト2の垂直軸を中心に回動できマスト2の上端部に支持されるように、タイロッドによって固定される。プラットフォーム3aに固定されたリングを中心に配置されているキャリパ6を含むディスクブレーキ5は、駆動ギアモータ6’によってマスト2の垂直軸を中心に回動されるナセルを制動するのに使用される。
【0016】
プラットフォーム3は、ナセル内の風力エネルギーシステムの構成部品を保護するための流線形のエンクロージャ7即ち覆いを有する。
ナセルのプラットフォーム3aは、特に、ナセルのメインフレーム8と、マストの垂直軸を中心にナセルを回動させるためのシステムのブレーキ5及びナセルの回転部10を減速して停止させるための以下に説明するブレーキのための油圧供給装置29と、風力エネルギーシステムの発電機の冷却システムと、風力エネルギーシステムの電子制御装置を収容するキャビネットと、発電機が発電する電気を処理するための電気変換器及び運転時に風力エネルギーシステムを調整するための種々の付属品を収容するキャビネットとを支持する。
【0017】
発電機のステータ17のための支持フレーム9は、切頭円錐の円筒形部材の形態であり、円筒形連結部8aによってナセルのメインフレーム8に固定されている。円筒形連結部8a及び発電機ステータ部のフレーム9は、同軸かつ水平方向から僅かに傾斜するように配置されており、各々は垂直方向から僅かに傾斜する連結面11で連結される。
【0018】
風力エネルギーシステムは、ハブ13を含む回転部10を有し、ハブは、単一の軸受15内で、水平方向から僅かに傾斜すると共にフレーム9及び連結部分8aに共通の軸線を中心に回転可能であり、軸受は、大型転がり軸受であることが好ましい。
風力エネルギーシステムの回転部の、ハブ13に固定されているブレード14への風の力は、システムの回転部を回転させる。
【0019】
図示の実施形態において、ハブ13は、それぞれのブレード14を固定するための3つの環状の平らな領域を有し、ブレードは、ハブ13の3つの平らな面上に略120°で配置され、ハブの表面はプリズム形表面を構成し、回転部10の軸に直交する平面における断面は、ハブの軸に直交する平面において該軸に中心を有する正三角形である。
また、風力エネルギーシステムの回転部10は、システムの発電機12のロータ16を備え、発電機のステータ17は、支持フレーム9の軸に直交する環状フランジ18によって支持フレーム9に固定される。
【0020】
ロータ16及びステータ17の各々は、それぞれ2つの部材16a、16b及び17a、17bを備え、それらの作用部分は、向かい合うディスクの形式である。2重ロータ16は、ディスクの形式の2つの作用面(即ち有効面)を有し、一方は部材16a上にあってステータ部材17aの作用面に向かい合い、他方は部材16b上にあってステータ部材17bの作用面に向かい合う。ステータ部材17a及び17bは、フレーム9にステータを固定するためのフランジ18に固定されている支持体の反対側にある。
【0021】
ネオジム−鉄−ボロン(Nd Fe B)等の材料で作ることができる永久磁石19及び19’は、例えば、2重ロータ16の部材16a及び16bの作用面の周縁部に連続的に配置され固定されている。
対応するロータ部材16a及び16bの作用面に向かい合うステータ部材17a及び17bの作用面は、磁性シート金属の巻回ストリップを構成するステータコアのスロット内に挿入されている巻線を備える。
【0022】
ロータの作用面に永久磁石を使用すると、非常に小さな磁極ピッチを有する発電機が可能になる。これにより所定の設備出力を得るための発電機12の重量及び全体寸法が低減する。
2重ロータ16の部材16a及び16bの磁石19及び19’は、ロータ部材16a及び16b自体の全厚に比べて薄く、ロータの質量の大部分は、永久磁石を収容すると共にロータに機械的強度を与える鋼製強度部材にある。
【0023】
ロータ部材16a及び16bの強度部材は、ロータの略環状の外側周縁部に沿って相互に連結されているので、永久磁石19及び19’を支えるロータ部材16a及び16bの各作用面は、ステータ17の全厚よりも大きな間隔でもって相互に向かい合っている。このことは、ステータ17がロータ16のロータ部材16aと16bとの間にある、図示の発電機構造を使用することを可能とする。このことは、ロータの作用面の面積とステータ部材の作用面の面積との合計に対応する作用面の合計面積を有する、小型発電機組立体を可能にする。
【0024】
ロータ部材16aの前側強度部材、即ち、風力エネルギーシステムのハブ13及びブレード14を備える組立体に面する強度部材は、略環状のフランジ20に固定されており、これによってロータ16はハブ13及び軸受15の回転内側部分に固定される。
転がり軸受である軸受15は、支持フレーム9と同軸であり支持フレーム9の前端部分にしっかりと固定されている外側部分又はアウターレースと、アウターレースに対して軸受15の転がり部材上を回転する内側部分又はインナーレースを有する。
【0025】
ハブ13及びロータ16は、フランジ20と軸受15の回転インナーレースとを固定することによって一緒に組み立てられ、例えば、タイロッドによって、完全に同軸な、軸受15、ロータ16、及びブレード14を支えるハブを備える強固な組立体が可能になる。
【0026】
軸受15は大型転がり軸受であり、その直径は、ブレード14をハブ13に連結するための平らな面によって形成されるプリズム形表面の断面を構成する正三角形の内接円の直径に、実質的に等しいか又は僅かに小さい。全ての場合において、軸受の直径、即ち転がり部材の中心を通過する円の直径は、ブレード連結領域によって形成される表面の断面に内接する円より僅かに小さい(20%未満又は好ましくは10%未満)。
【0027】
更に、図示のように、ロータ16の環状連結フランジ20は、軸受15、ロータ16、及びハブ13に共通の軸方向において、ハブ13と軸受15の回転インナーレースとの間で軸受15に隣接する内側部を有する。
ロータ固定部材20は、例えばタイロッドによってハブ13及び軸受15にしっかりと固定される。
【0028】
ナセル内部の風力エネルギーシステムの精密な構成要素を備える組立体は、システムの回転部10に固定されている前側部分7aを有するナセルエンクロージャ7によって保護される。プラットフォーム3aに固定されているナセル整流部とシステムの回転部10に固定されている整流部7aとの間にはシールが設けられている。
風力エネルギーシステムのブレード14は、固定式にハブ13に取付けるか、又は風速及びシステムの回転速度に応じて自動的にブレードのピッチを変更できるように取付けられ、システムの回転速度又は風速が臨界値に達するとピッチが変更される。このことはシステムの作動を全面的に安全にする。
【0029】
風力エネルギーシステムの回転部とステータ及び軸受15のための中空支持フレームとを取付けるための、単一の大型軸受を使用すると、例えば、試験又は補修を行なうために、プラットフォーム3a上のオペレータ21は、ブレード14がハブ13に連結されている領域に内側からアクセスできることに留意されたい。
【0030】
風力エネルギーシステムの各々のブレード14は、システム回転部の空力的制動を可能にするために、連結機構によって半径方向の縦軸を中心に自動的に回動可能な先端部14aを有し、先端部14aは、風力エネルギーシステムの全体制御システムの制御の下で風速又は回転部10の回転速度に応じて、又は回転部が超過速度で回転している場合は遠心的にブレードの縦軸のまわりを回転する。
【0031】
また、風力エネルギーシステムは、ディスクブレーキ形式の機械的ブレーキ22を備え、そのディスクはロータと同軸でありロータ16のロータ部材16aに固定される。更に、ディスクブレーキ22は、ナセルの8の連結部分8aの外周部を中心に配置されているキャリパを備え、ロータに固定されているディスクに係合してロータ及び風力エネルギーシステムの回転部を制動し、場合によっては風力エネルギーシステムを停止させる。
【0032】
空力的制動と機械的制動との組合せは、風力エネルギーシステムの作動をより安全する。また、システムの発電機12のロータとディスクブレーキとを一体化すると装置が小型になりナセル内部の空間を節減できる。
更に、ナセルはアンテナを備えており、風力エネルギーシステムの制御のために、正確な風向及び風速を測定するための風見23及び風速計が固定されている。
【0033】
風力エネルギーシステムは、風見23が供給する情報に応じて、ナセルの位置を制御するためのシステムによって風の方向に向けられる。システムの位置と風見が示す風向との間に、所定範囲以上の角度偏差が検出された場合、ナセルの前面が風の方向に向くまで、ナセルはギアモータによりマスト2の垂直軸のまわりを回転する。ナセルの動きは、油圧ディスクブレーキ5、6によって減衰され制動される。ナセルは、自動処理により停止して初期の位置に戻るまで、軸上を1回転の所定の画分、又は例えば3回転である特定の回転数まで回動できるので、ナセル3とマスト2とを接続するケーブルの過度の捩れによる損傷が防止される。
【0034】
風力エネルギーシステムが、その前側が風の向きに向くように作動されている場合に、ブレード14への風の作用は回転部を回転させる。ステータ17の前側で回転するロータ16は、ステータ巻線内に起電力を誘導する回転磁界を発生する。電気が回収され、送電線網に電気が供給されるように電力電子機器によって変換される。システムの発電機の電子制御装置は、システムの回転部の回転速度に関わらず一定周波数の電気が送電線網に供給され且つ発電機の作動が風速及びシステム回転部10の回転数に応じて最適化されるように、電力電子機器の構成部品を制御する。
従って、ブレード14を支えるハブ13に固定されている発電機12のロータ16は、回転部の回転速度で直接駆動されるので、増速歯車等の機械的伝動システムを使用する不要はない。
【0035】
風力エネルギーシステムの回転部10の回転数の変動は、発電機12が供給する電気を変換するための電力電子機器によって補正される。
【0036】
風は、風力エネルギーシステムの回転部を回転させる力のみならず、軸方向の力を及ぼすが、軸方向の力は、システムの回転部の構成部品、特にロータ16の移動及び変形を防止するために吸収する必要がある。
【0037】
ハブ13と軸受15の回転レースとは堅く連結されているので、軸受に作用する軸方向の力は、メインフレーム8及び支持フレーム9を含むナセルの支持構造体によって直接吸収される。従って、ロータの構成部品は軸方向に移動しないので空隙を完全に一定に保つことができる。
【0038】
ロータ部材とステータ部材との間の空隙は、ステータが、軸方向の風の作用を少なくとも部分的に補正する軸方向の磁力をロータへ及ぼすように調整することができる。従って、軸受にかかる応力は最小になる。更に、ハブと軸受15との間のその共通軸に沿う距離は、非常に小さくすることができ、軸受15に隣接するハブ及びブレード14は軸受15に対して僅かに飛び出すことになり、結果的に軸受にかかる応力が更に低減する。
また、ロータ16を軸受に隣接してハブ13及び軸受の回転部へ固定することは、運転中にロータ16の変形及びそれに作用する疲労応力を著しく制限する。
【0039】
実際には、ロータ16は軸受15に隣接してハブ13に連結されているので、ロータ16は、風がブレード14を介して風力エネルギーシステムの回転部10の回転軸に直交する軸のまわりでハブ13に対して曲げ力を与える場合、ロータ16が受ける変位は僅かである(実際には無視できる)。軸受15は曲げ力を吸収するのでロータ16へは伝達されない。このことは、空隙を変えて疲労によってロータを劣化させるロータの動きを防止する。
【0040】
前述のように、風力エネルギーシステムの回転部10を単一の大径の軸受によって固定部に取付けると共に発電機ロータを軸受に隣接して固定する1つの利点は、風が及ぼす回転部への力が、発電機の構造体を通過することなくナセル3の固定部へ直接伝達されることを可能にするので、発電機は、小さな応力を受けることになり軽量化を図ることができる。また、軸受15を構成する転がり軸受は一定の負荷を受けるので、転がり部材への不適当な負荷による初期損耗の危険を回避できる。
更に、軸受15を構成する単一の転がり軸受の適切な作動は、回転速度に関係なく、常時、転がり軸受の全ての箇所に潤滑剤を確実に供給する自動潤滑システムによって保証される。
【0041】
風力エネルギーシステムの構造は、連結フランジが形成する連結面で連結可能な部分組立体に基づいている。
第1の部分組立体は、プラットフォーム8aに固定され前述の構成部品を取り囲むメインフレーム8を備え、第1の連結面のレベルでマスト2の上側部の垂直軸を中心に回転する。第1の部分組立体は、連結面11においてフランジによって第2の部分組立体に連結される。
【0042】
支持フレーム9と、ステータ17、ロータ16、及び軸受15からなる発電機12とを備える第2の部分組立体は、連結面11においてフランジによって第1の部分組立体に連結されており、軸受15の位置で、回転部10のハブ13及びブレード14に加えて、空力的ブレーキ付属品等の関連構成部品の全てを含む第3の部分組立体に連結される。風が及ぼす第3の部分組立体への力は、第2の部分組立体を経由して第1の部分組立体によって吸収される。
【0043】
また、第1の部分組立体は、変換装置、風力エネルギーシステム制御装置、及び、潤滑及び冷却システム等の構成要素を含んでいる。
風力エネルギーシステムの回転部10は、支持フレーム9の端部に軸受15によって連結され、軸受15のインナーレース及びアウターレースは、それぞれ回転部及び支持フレーム9に取付けられる。
軸受15の位置で回転部に作用する全ての力は、プラットフォームに固定されているナセルの一部によって吸収される。
【0044】
本発明は、説明した実施形態に限定されるものではない。
従って、発電機は、単一のロータ部材及び単一のステータ部材、又は任意の数のロータ部材及びステータ部材を含むことができるが、ロータ部材は、回転部がその中で回転する単一の軸受に隣接する位置で、風力エネルギーシステムの回転部のハブに固定部材によって固定されている。
【0045】
本発明による風力エネルギーシステムは、システムのフェールセーフ動作に必要な任意の制御システム、調整システム、及び安全システムを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による風力エネルギーシステムの上側部分の縦断面図である。
Claims (9)
- 支持面に固定されている下端部を有するマスト(2)と、
前記マスト(2)の上端部の垂直軸を中心に回動可能に取付けられているナセル(3)と、
ハブ(13)と、前記ハブ(13)に固定されている2つ又は3以上の実質的に半径方向に延びるブレード(14)とを備える回転部(10)と、
前記ナセル(3)の前記回転部(10)がその中で回転し、実質的に水平な軸を有する軸受(15)と、
前記ナセル(3)に固定されているステータ(17)と、前記回転部(10)の回転軸に実質的に直交する固定部材(20)によって前記回転部(10)の前記ハブ(13)に固定されているロータ(16)とを有する発電機(12)と、を備える風力エネルギー発電システムであって、
前記ロータ(16)及び前記ステータ(17)の両方は、各々が向かい合う電磁部材(19、19’)を支えるディスクの形式の作用部をそれぞれ有し、
前記回転部(10)は、前記ナセル(3)上で単一の軸受(15)内で回転し、前記軸受(15)の直径は、前記回転部(10)の軸に直交する断面内にある、前記ブレード(14)が前記ハブ(13)に連結される領域によって形成される面に内接する円の直径よりも20%未満だけ小さく、
前記ロータ(16)を前記ハブ(13)に固定する前記固定部材(20)は、前記軸受(15)の軸方向において前記軸受(15)に隣接する、
ことを特徴とするシステム。 - 前記ロータ(16)を前記ハブ(13)に連結する前記固定部材(20)は、環状であり、
前記固定部材(20)は、当該固定部材(20)を前記ハブ(13)及び前記軸受(15)の回転インナーレースに連結するための内側部を有し、該内側部は、前記ハブ(13)及び前記軸受(15)の軸方向において、前記ハブ(13)と前記軸受(15)との間に配置され、
前記固定部材(20)は、前記ハブ(13)及び前記軸受(15)の両方に、例えばタイロッドによってしっかりと固定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載システム。 - 前記マスト(2)の上端部上に回転可能に取付けられているメインフレーム(8)を備える第1の部分組立体と、
前記第1の部分組立体に連結面(11)で固定され、支持フレーム(9)と、前記ステータ(17)、前記ロータ(16)、及び前記軸受(15)から構成される前記発電機(12)とを備える第2の部分組立体と、
前記軸受(15)の位置で前記第2の部分組立体に連結され、前記ハブ(13)と、前記回転部(10)の前記ブレード(14)とを備える第3の部分組立体とを備え、
前記3つの部分組立体は、風が前記回転部(10)へ及ぼす力が、前記第2の部分組立体を介して前記第1の部分組立体上で吸収されるようにフランジによって相互に連結され、前記第1の部分組立体は、種々のシステム構成部品を取り囲んでいる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のシステム。 - ディスクの形式である前記ロータ及び前記ステータの作用部は、空隙によって分離され、前記空隙の幅は、風が前記回転部(10)へ及ぼす軸方向の力に対して反対方向の磁力を前記ステータ(17)が前記ロータ(16)及び前記回転部へ及ぼすように調整されている、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のシステム。 - ディスクブレーキから構成される前記回転部(10)のための機械的ブレーキ(22)を更に備え、
前記ブレーキのディスクは、前記発電機(12)の前記ロータ(16)に固定され、
前記ディスクブレーキは、ナセル(3)のフレーム(8)の一部の外周部を中心に配置されているディスク制動用の複数のキャリパを含む、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記ハブ(13)に連結されている前記ブレード(14)の先端部(14a)から構成される空力的制動システムを更に備え、
前記制動システムは、対応する半径方向ブレードの縦軸を中心に回転するように構成され、前記ブレードの先端部(14a)を風速又は前記回転部(10)の回転速度に応じて回転させるシステムに連結されている、
ことを特徴とする請求項5に記載のシステム。 - 前記軸受(15)は転がり軸受であり、前記ナセル(3)は前記転がり軸受(15)を潤滑するためのシステムを含む、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記軸受(15)は、前記システムの前記回転部(10)がナセル(3)のフレーム(8)に短い片持ち梁でもって固定されるように、軸方向において前記ハブ(13)に特に隣接する、
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のシステム。 - ディスクの形式である前記ロータ(16)の作用部は、前記ロータ(16)の前記作用部の円周方向に配置されている永久磁石を有する、
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のシステム。
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