JP2014029154A - 風力タービン - Google Patents

Abstract

【課題】発電用の風力駆動機械の輸送および組み立てを容易にする。
【解決手段】発電用の風力駆動機械は、分割されると輸送および組み立てが容易になる構造を持ち、タワーと、タワーの上端に設けられるゴンドラと、複数の集風ブレードと、回転設備１１とを備える。回転設備は、ゴンドラに固定されている内側ステータおよび内側ステータの周囲を取り囲む外側ロータを含む発電部と、集風ブレードが固定されている複数の支持カップ２７と、支持カップ内に搭載されているブレードピッチ調整回転ハブとで構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力を利用するために用いられるデバイス、設備および構成に関する。具体的には、好ましくは高出力用の風力駆動機械に関する。当該風力駆動機械は、陸送のサイズ制限または割合を超えない車両を用いて容易に輸送可能な部品に分割される構造を持つ。さらに、当該風力駆動機械の構造によれば、その場で容易且つ短時間での組み立てが可能になっている。

風力駆動機械は、風力駆動タービンまたは単に風力タービンと呼ばれることもあるが、電力および機械力の両方を発生させる技術であって、風力を利用する技術分野では公知の技術である。特に、風力駆動機械は、非常に高さのあるタワーと、タワーの上端に設置されているゴンドラとを備え、ゴンドラの上には、回転機械の集風ブレードまたは集風羽根部が、メインシャフトおよび全てのトランスミッション機構、ブレーキ、レギュレータ、増倍ボックス、および、発生部と共に配置されている。タワーを非常に高くする目的は、風速が早い風を探して、地面からできる限り離してブレードを配置するためである。

上述した部品は、別箇に風力駆動機械を設置する箇所に輸送されるのが普通である。場合によっては、風力駆動機械の部品の一部を、組み立てることが可能であり、または、設置箇所から離れた位置で事前に組み立てることが可能である。この場合、大きなサイズの設備が形成され、一般道路および一部の高速道路等の輸送経路の通常幅を超える可能性がある特別な車両で輸送しなければならない。こういった部品または設備を輸送するには、何より最初に、容積および重量が通常より大きい積荷を配送することが可能な場所を決定するべく、陸送および都市部および配送に関する分析および研究を真剣に実施する必要がある。このため、一部の部品を事前に組み立てることには制限があり、小型および中型のサイズの設備のみが事前に組み立てることが可能であるのが普通であり、工場での作業を大幅に円滑化する機械および道具および製造設備を利用することなく、現場で作業を実行せざるを得ない。

従来の構造の欠点を鑑みれば、配送サイズ制限を超えない車両で輸送可能であり事前に組み立てると小型の設備が製造される機械であって、特別な機械および道具を利用することなく機械の組み立てを短時間で容易に完了させることが可能な、新しい構造の風力駆動機械を提供することは非常に有益であろう。

このため、本発明は、搭載タワーと、ゴンドラと、ゴンドラに回転可能に搭載されている複数の集風ブレードを備える、新型の風力駆動機械を提供することを目的とする。外側発生設備がゴンドラに搭載されており、発生設備は工場で組み立てられ、機械の設置箇所に容易に輸送することができ、残る作業はブレードの接続と設備の強度向上だけとなる。

さらに、本発明は、輸送および組み立てを容易にするよう分割される構造を持つ、発電用の風力駆動機械を提供することを目的とする。当該風力駆動機械は、タワーと、その上端部に設けられるゴンドラと、複数の集風ブレードと、発電部を有する回転設備とを備え、発電部は、ゴンドラに固定されている内側ステータと、内側ステータの周囲を取り囲む外側ロータと、内部にはブレードピッチ調整回転ハブが搭載されている複数の支持カップとによって構成される。ブレードピッチ調整回転ハブには、各集風ブレードが固定されている。

さらに、本発明は、発電用の風力駆動機械を提供することを目的とする。当該風力駆動機械は、タワーを備え、タワーの上端部には、発生用の機構および構造を収容するべくゴンドラが配置されている。その上には、集風ブレードを備える回転設備が搭載されている。この回転設備は、ゴンドラに固定されている内側ステータと、当該内側ステータの周囲を取り囲む外側ロータとを含む発電部を有する。磁極および発電用の巻線はそれぞれ、内側ステータの内部および外側ロータの内部に分からないように配置されており、複数の支持カップが設けられており、ブレード毎に１つの支持カップが対応し、発電部の外側ロータ上に等距離に固定され、ブレードピッチ調整ハブが各支持カップのそれぞれの内部に回転可能に搭載されており、各集風ブレードは、ピッチ調整ハブの１つに固定されている。

本発明をより明確にするため、そして、本発明の目的を理解していただくべく、さまざまな図面において本発明を図示している。図面では、本発明は一の好ましい実施形態として示されており、全ては一例に過ぎない。図面は以下の通りである。
風力駆動機械の従来の構造を容易に理解することを目的として、従来の風力駆動タービンに対応する基本図である。 本発明に応じた、ゴンドラに搭載されている発生設備を示す斜視図である。 ゴンドラに搭載されている図２の発生設備を示す断面図である。 本発明の代替例に応じた発生設備を示す断面図である。

図面を参照しつつ説明すると、本発明は、タワーと、タワーの上端部に発生用の機構および構成を収容するために備えられているゴンドラと、ゴンドラの上に搭載されている集風ブレードを含む回転設備とを備える、発電用の風力駆動機械または単に風力タービンに関することが分かる。

図１は、従来の風力駆動機械または風力タービンを示す図である。この風力駆動機械は、利用可能な速度の風を取り込むべく十分な高さを持つタワー１と、通常は閉じているゴンドラ２と呼ばれる筐体とを備える。ゴンドラ２は、タワー１の上端部に搭載されている。ゴンドラ２は、機械の種類およびサイズに応じて、固定型または回転型であってよい。ゴンドラの前方部または突出部分３には、集風回転面が設けられている。当該集風回転面は、ハブ５に固定されている複数のブレードまたは羽根４によって構成されている。ブレードは、ピッチを変更するべく、ブレードの長手幾何学軸シャフトを中心としてブレードを回転させる機構によって、ハブ５に搭載されている。ハブ５は、公知の結合システムによってギアボックス等の増倍ボックス７に接続されているメインシャフトアセンブリ６に回転運動を伝達する。増倍ボックス７は、シャフト６の回転速度を増加させ、回転出力がシャフト部８を介して発電部９に供給される。発電部９で生成される電力は、導電部１０を介して発電ステーションへと供給される。この種類およびさらに最新型の風力駆動タービンの構造は多くの場合、現場での組み立ておよび構築が必要となり、多くの問題が発生して、時間も長くかかる。さらに、製造工場でのみ利用可能でその輸送は高コストである機械および道具が必要になる。より最新型の構造では、一部の部品は工場で事前に製造されて搭載するための設備に輸送されるが、これらの部品は非常に大きいので、一般道または高速道路等の通常の道路で輸送することができず、輸送のためにこれらの構成要素を輸送する車両に合わせて切断する必要がある。

従来の機械とは異なり、本発明では、４Ｍｗを超える高出力の風力駆動機械を提案している。何よりも最初に、発生部の構成に、構造の強度を改善させる特徴がある。発電部の回転部分の構造を、ブレードの支持カップ同士を接続する強度改善クロスバーまたは外側強度改善リングによって閉じることで、強度を改善する。本発明の他の側面によると、当該風力駆動機械は、部品単位に分割した場合に、陸送が可能になることに加えて、高さのある設備の組み立ておよび引き上げが容易になる。高出力の機械であっても通常のサイズの制限を守る。

より詳しく説明すると、本発明によれば、好ましくは４ＭＷを超える高出力の風力駆動機械が提案されている。当該風力駆動機械はさらに、タワーと、ゴンドラと、集風ブレード群とを備える。当該風力駆動機械を部品単位に分割すると、高出力の設備であっても陸送が可能になることに加えて、高さのある設備の組み立ておよび引き上げが容易になる。この風力駆動機械のブレードは、図２、図３および図４において参照番号１１で示す回転設備に搭載されている。このような回転設備１１は、外側ロータと同期している発電部である発電部１２を有する。発電部１２は、ゴンドラに固定されている内側ステータ１３、および、内側ステータ１３の周囲を取り囲む外側ロータ１４によって構成されている。内側ステータ１３は、外周部１６と共に中央部でゴンドラに固定されているディスク形状部１５を有する。より具体的には、ディスク形状部１５は、ネジまたはボルト１７を利用して、ゴンドラ（不図示）の延長部分１８に固く取り付けられている。

固定されている内側ステータ１３は、外側ロータ１４の内部に封入されている。外側ロータ１４の円筒状周壁１９は、前方円形壁２０および後方円形壁２１の両方ならびに前方円形壁２０から延在しており円筒状外壁１９と同心円状に配置されている中間翼２２に固く取り付けられている。発生部の能動部分、つまり、磁界を発生させる磁極、および、電力を発生させる巻線は、内側ステータ１３および外側ロータ１４の内部に目立たないように配置されている。具体的には、磁極および発電用の巻線は、一方がステータの周辺翼１６内に配置され、他方が円筒状周壁１９の内部およびロータの中間翼２２の内部に配置される。磁界を発生させる磁極２３は、永久磁石で構成されるとしてもよいし、または、超伝導材料で構成される螺旋を巻き回した突起状の棒でもよい。発生部のステータ部分は、伝導性物質を材料とする巻回数が１回または２回のコイル２４で構成されるとしてよい。これに代えて、超伝導物質を材料とするとしてもよい。伝導性のコイルの場合には、冷却は、巻線から熱を取り出して、交換機を介して外囲環境に伝達させることに適した液体を用いて行われる。超伝導性のコイルの場合には、冷却は、液体窒素、または、超電導物質を最大作業温度未満に維持することができるその他の製品に基づいて実行されるとしてよい。ステータ１４は、例えば、この種類の機械の負荷に耐えるように用意された任意の公知の種類の回転設備２５、２６を用いて、ゴンドラの突出部分１８に回転可能に搭載される。

また、本発明によると、複数の支持カップが設けられている。ブレード毎に１つずつ設けられており、発生部の外側ロータ１４に等距離に固定されている。本発明の一例では、機械が備えるブレードが３つであるので、３つの支持カップ２７が設けられる。これらのブレードは、以下で説明するように、各カップ２７に接続される。支持カップ２７は、円錐の上部分を切り落とした形状を持ち、円錘の小さい方の底面２８は、外側ロータ１４の周壁１９に固定されている。小さい方の底面２８は、図３に示すように、追加部分として構成されているとしてもよいし、または、円錐の一部であってもよい。また、切り落とした円錐の大きい方の底面２９は、径方向に外向きに開いており、接続フランジ３０を持つことが好ましい。図２を参照されたい。支持カップ２７は、発生部の周囲に角度方向に等距離に分散して設けられており、３つのブレードが設けられている場合には、１２０度毎に配置される。支持カップ２７は、強度改善クロスバー３１によって互いに固く接続されている。強度改善クロスバー３１は、例えば、ボルトによって、接続フランジ３０の端縁３２に固定されている。これは、風によって発生する力に耐えるべく、機械の回転部において高い構造強度を持つ閉じた構造である。

ブレードのピッチを変更できるようにするべく、ブレードピッチ調整ハブ３３が設けられている。ブレードピッチ調整ハブ３３は、図３が最も分かりやすいが、各支持カップ２７の内部に回転可能に搭載されている。ピッチ調整ハブ３３は、概して円錐形状の本体を持つことが好ましい。当該本体は、対応する支持カップ２７の内部に挿入され、カップ２７と同様に、概して円錐形状の本体を持ち、小さい方の底面３４がカップ２７の底部に収容され、大きい方の底面３５が支持カップ２７の大きい方の開いた底面２９より高い位置にある。全てのハブ３３の大きい方の底面３５は、複数のブレードに接続されるものとする。より詳細には、各ブレード３６は、例えば、関連技術分野で公知の名称である「Ｔボルト」３７等の種類のネジ、ボルトまたはピンを用いて大きい方の底面３５に固定される。

ピッチ調整ハブ３３は、カップ２７の内部に回転可能に搭載されており、ブレード３６を長手幾何軸を中心として回転させて、風に当たる面の角度位置を変更、簡単に言うと、螺旋ピッチを変更することができる。このため、ハブ３３は、外側３８および内側３９の潤滑ローラまたは滑動パッドを用いて搭載されている。潤滑ローラ３８および３９は、ハブ３３の小さい方の底面３４および大きい方の底面３５の外周に配置されている。駆動機構は、概略的且つ総合的に参照番号４０で示しているが、ローラでハブ３３を回転させ、固定されたカップ２７に対して回転運動を発生させる。この円錐形状のデバイスによって、サイズが大きいために谷径が重要になるブレード３６を固く保持することが出来るようになる。

本発明の別の実施形態によると、図４に示すように、発生部は、図２および図３の実施形態と同一または同様の構成要素で構成されているので、同じ参照番号を引き続き用いる。図４では、発生部のステータ巻線が一重になっている。図３では、二重巻線になっている。支持カップについては、形状が変更されており、この場合には、支持カップ４１が外側ロータ１４の周囲にボルトで取り付けられている。ブレード３６は、可動構造４２を用いて支持カップまたは円錐部４１に固定されている。可動構造４２には、「Ｔボルト」という名称で知られるボルト４３を用いてブレード３６が固定されている。ブレード３６を回転させてピッチを変更するべく、電動モータ４５で駆動される変更機構４４が設けられる。変更機構４４は、図示されていない水圧回路で駆動することもできる。

本発明で提案される分割可能な構成によって、一部分のみ完成した発生部を引き上げて、タワーの端部に搭載されているゴンドラに固定することができるようになる。ゴンドラには、複数のブレード３６が個別に接続されており、支持カップおよびピッチ調整ハブ、さらには、高い強度を持つ閉じた構造を実現するための強度改善クロスバーも共に接続されている。

このように分割した構成は、引き上げを容易にすることに加え、流通の際の通常のサイズ制限を満たし、陸送が可能になる。このため、競争力が高くなるという利点がある。

最後に、タワーは、このように巨大なサイズの機械に加えられる巨大な力に耐えることができ、全体がポストテンショニングされたコンクリートの部品で形成されているか、または、一部分が、上部に金属部分を持つコンクリートで形成される。タワーのコンクリート部分は、タワーの構成要素の輸送を容易になるよう、風力発電場の現場で形成されるとしてよい。

本発明の好ましい実施形態を図示および説明したが、特許請求の範囲で定義されている本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな点を変更および変形し得ることは当業者には明らかであろう。

Claims (9)

1. タワーと、
   前記タワーの上端に設けられている、発生用の機構および構造を収容するゴンドラと、
   前記ゴンドラに搭載されている、複数の集風ブレードを含む回転設備とを備え、
   前記回転設備は、
   前記ゴンドラに固定されている内側ステータと、前記内側ステータの周囲を取り囲む外側ロータを含む発電部と、
   発電用の磁極および巻線であって、前記内側ステータおよび前記外側ロータの内部に目立たないように配置されている巻線および磁極と、
   前記複数の集風ブレードの１つ毎に１つ設けられている複数の支持カップであって、前記発電部の前記外側ロータ内に等距離に固定されている複数の支持カップと、
   前記複数の支持カップのそれぞれの内部に１つずつ回転可能に搭載されている複数のブレードピッチ調整ハブと
   を有し、
   前記複数の集風ブレードはそれぞれ、前記複数のブレードピッチ調整ハブのいずれか１つに接続されている
   発電用の風力駆動機械。
2. 前記内側ステータは、周辺翼を持つディスク形状部分を含み、前記ディスク形状部分は、中央部分が前記ゴンドラに固定されている請求項１に記載の発電用の風力駆動機械。
3. 前記発電部の前記外側ロータは、円筒状周壁、前方円形壁および後方円形壁、ならびに、前記円筒状周壁と同心円状に配置されている中間翼を含む請求項２に記載の発電用の風力駆動機械。
4. 発電用の前記磁極および前記巻線はそれぞれ、前記内側ステータの前記周辺翼、ならびに、前記円筒状周壁および前記外側ロータの前記中間翼のうち一方に配置されている請求項３に記載の発電用の風力駆動機械。
5. 前記複数の支持カップは、先端を切り落とした円錐の形状を持ち、前記円錐の小さい方の底面は、前記外側ロータの円筒状周壁に固定されており、大きい方の底面は径方向に外向きに開いている請求項３に記載の発電用の風力駆動機械。
6. 前記複数のブレードピッチ調整ハブはそれぞれ、前記複数の支持カップのうち対応する支持カップの内部に挿入されている概して円錐形状の本体を持ち、前記概して円錐形状の本体は、大きい方の底面が、前記対応する支持カップの開いた前記大きい方の底面の上方に位置している請求項５に記載の発電用の風力駆動機械。
7. 前記複数の集風ブレードは、前記複数のブレードピッチ調整ハブの前記大きい方の底面に固定されている請求項６に記載の発電用の風力駆動機械。
8. 前記複数の支持カップは、強度改善クロスバーによって互いに接続されている請求項５に記載の発電用の風力駆動機械。
9. 前記強度改善クロスバーは、前記複数の支持カップのそれぞれの開いた前記大きい方の底面のフランジに固定されている請求項８に記載の発電用の風力駆動機械。

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