TWI575155B - Wind power generation equipment - Google Patents

Description

風力發電設備

本發明係關於風力發電設備的輪轂其及周圍構造。

風力發電與傳統的火力發電、原子能發電相較，在於不會排放二氧化碳之類的溫室效應氣體、沒有輻射所造成的環境污染、沒有曝露於輻射的危險性的各方面而言，是對於環境比較溫和且風險較少的發電方法，近年來受到許多的注目。

另一方面，風所具有的特徵是：風向和風速隨時都在變動，並不穩定。針對於風向的變動，可藉由控制風車的方向(轉向控制)，而針對於風速的變動，則可藉由控制葉片的安裝角度(俯仰控制)的作法，來進行穩定且可有效率地發電的控制。

又，風力發電設備的導入費用和維修保養費用之類的成本很高，因此，既要確保安全性，又想要求更進一步地降低成本。

想要降低風力發電設備的成本，將其構造部 材予以輕量化所導致的降低材料費的效果是很明顯的，尤其是將由葉片及輪轂、俯仰驅動裝置(俯仰致動器與迴旋軸承)所構成的轉子的重量予以削減的話，對於用來支承這些構件的機艙和用來支承機艙的塔架的輕量化，也很有幫助，因此重要性很高。

此外，由主軸和增速機之類的驅動系統所構成的機艙也會因為輕量化的緣故，而使得作為支承構造物的塔架和基礎也得以輕量化，對於降低成本的效果很大。因此，在進行風力發電設備的開發時，係致力於輪轂和機艙的小型化、輕量化。

而輪轂和機艙內的主軸的構造係製作成：以被稱為主軸軸承的軸承來支承輪轂使其可以進行旋轉，並且依照旋轉側是在外輪或是在內輪的不同，可區分成：外輪驅動型與內輪驅動型。

例如：專利文獻1所揭示的技術，是屬於內輪驅動型的風力發電設備。專利文獻1係揭示出「一種水平軸型風車的俯仰控制機構，其係將具備輪轂以及可改變俯仰角度地被支承於該輪轂的複數個葉片之轉子，可旋轉自如地支承在機艙之水平軸型風車的俯仰控制機構，其特徵為：其係具備：對應於上述各葉片分別被配設在各個輪轂內，可各自獨立地控制上述對應的各葉片來改變其俯仰的複數個俯仰可變機構；將上述各葉片的俯仰可變範圍分別予以規制在完全順 槳位置與完全平槳位置之間的俯仰規制機構；將上述各葉片分別朝向上述完全順槳位置側進行彈推的俯仰彈推機構，當上述各俯仰可變機構的俯仰控制系統發生異常時，就解除該對應的葉片的俯仰軸外圍的旋轉拘束」。

又，例如：專利文獻2所揭示的技術，是屬於外輪驅動型的風力發電設備。專利文獻2係揭示出「一種發電用的風力驅動機械，其係具備：塔架；設在前述塔架的上端，用來收容發電用的機構及構造之纜車；搭載於前述纜車之具有複數個集風葉片的旋轉設備，前述旋轉設備係具有：包含被固定在前述纜車的內側定子、以及圍繞在前述內側定子的周圍的外側轉子之發電部；隱密地配置在前述內側定子及前述外側轉子的內部之發電用磁極及繞線；針對於前述複數個集風葉片，以一對一的方式，並且是以等距離的方式固定在前述發電部的前述外側轉子內之複數個支承罩杯；以一對一的方式可旋轉地搭載於前述複數個支承罩杯的各個支承罩杯內部之複數個葉片俯仰調整輪轂，前述複數個集風葉片係分別連接在前述複數個葉片俯仰調整輪轂的其中任一個」。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2003-56448號公報

〔專利文獻2〕日本特開2014-29154號公報

如上所述，在進行風力發電設備的開發時，係就應如何才可降低設備的導入成本和發電成本，以使發電事業更容易成立的作法加以檢討，乃致力於輪轂和機艙的小型化、輕量化之各種作法。

專利文獻1所揭示的這種內輪驅動型的風力發電設備，輪轂內的構造雖然可以比較精簡的結構來構成，但是，必須將主軸軸承設在機艙，難以達成機艙的小型化。

另一方面，專利文獻2所揭示的這種外輪驅動型的風力發電設備，因為是將主軸軸承設在輪轂內，所以對於機艙的小型化比較有利，但是，在輪轂內必須防範主軸軸承與其他構造物彼此發生互相妨礙的情事，因而難以達成輪轂的小型化。

因此，本發明之目的係在於提供：在風力發電設備中，係可達成輪轂及機艙的小型化、輕量化，而且經濟性及維修保養性優異的風力發電設備。

為了解決上述課題，本發明的風力發電設備，是具有： 設置在陸地上或海上之作為發電機的支柱之塔架；設在前述塔架上之用以內藏前述發電機的機艙；設在前述機艙的一端，並且係由可將受風轉變成旋轉動能的輪轂及複數個葉片所構成的轉子；之風力發電設備，其特徵為：前述輪轂係在內部具有：可分別將前述複數個葉片對於該輪轂之各自的角度予以改變的複數個俯仰驅動手段，前述複數個俯仰驅動手段，係分別設置成：貫穿於設在前述輪轂內的障壁上的開口。

又，本發明風力發電設備，是具有：設置在陸地上或海上之作為發電機的支柱之塔架；設在前述塔架上之用以內藏前述發電機的機艙；設在前述機艙的一端，並且係由可將受風轉變成旋轉動能的輪轂及複數個葉片所構成的轉子；之風力發電設備，其特徵為：前述輪轂係在內部具有：可分別將前述複數個葉片對於該輪轂之各自的角度予以改變的複數個俯仰驅動手段，前述複數個俯仰驅動手段，係分別設置成：貫穿於前述輪轂內的複數個構造材的間隙。

根據本發明，係可實現：可達成輪轂及機艙的小型化、輕量化，並且經濟性及維修保養性優異的風力發電設備。

上述以外的課題、構成及效果，將在下述的實施方式的說明中予以說明。

1‧‧‧葉片

2‧‧‧輪轂

3‧‧‧機艙

4‧‧‧增速機(齒輪箱)

5‧‧‧發電機

6‧‧‧塔架

7‧‧‧風向風速計

8‧‧‧轉子制動器

9‧‧‧轉向控制機構

10‧‧‧俯仰致動器

11‧‧‧俯仰迴旋軸承

12‧‧‧俯仰控制裝置

13‧‧‧電力控制裝置

14‧‧‧主斷路器

15‧‧‧風車控制盤

16‧‧‧主軸

17‧‧‧固定主軸軸承

18‧‧‧開口

19‧‧‧固定主軸

20‧‧‧主軸軸承

第1圖係本發明的一種實施方式的風力發電設備的局部剖面圖。

第2圖係第1圖中的A-A’剖面線的箭頭方向視圖。

第3圖係第1圖中的B-B’剖面線的箭頭方向視圖。

第4圖A係傳統的內輪驅動型的風力發電設備的局部剖面圖。

第4圖B係第4圖A中的C-C’剖面線的箭頭方向視圖。

第5圖A係傳統的外輪驅動型的風力發電設備的局部剖面圖。

第5圖B係第5圖A中的D-D’剖面線的箭頭方向視圖。

第6圖A係傳統的外輪驅動型的風力發電設備的局部剖面圖。

第6圖B係第6圖A中的E-E’剖面線的箭頭方向視圖。

第7圖係顯示一般的風力發電設備的整體概要圖。

第8圖係顯示一般的風力發電設備的結構圖。

以下，將佐以圖面來說明本發明的實施例。

〔實施例1〕

首先，使用第7圖及第8圖來說明一般的風力發電設備。第7圖係顯示上風型的風力發電設備的整體概要，第8圖係顯示風力發電設備的各部分的結構。此外，在本實施例中，設置在陸地上的風力發電設備及設置在海上的風力發電設備係相同的結構，因此在進行說明時，並不特別區分是陸地上或海上。

如第7圖所示，風力發電設備，是將機艙3設在被設置於陸地上或海上的塔架6的頂部，在機艙3的內部，內藏著齒輪箱亦即增速機4和發電機5。

在機艙3的其中一端，設置著由輪轂2與複數個葉片1所構成的轉子。輪轂2是藉由旋轉軸來連結於增速機4及發電機5，複數個葉片1受風之後，會與輪轂2一起進行旋轉，如此一來，就將風力變換成旋轉動能，經由旋轉軸及增速機4將旋轉動能傳遞到發電機5，因而進行發電。

如第8圖所示，在塔架6與機艙3的連結部分，設置了用來控制機艙3之相對於塔架6的位置之轉向控制機構9，其係以可讓由複數個葉片1及輪轂2所構成的轉子隨時都受到最大的風壓的方式，因應風向的變化，來控制風車的方向，亦即控制由複數個葉片1及輪轂2所構成的轉子的方向。

又，在輪轂2與葉片1的連結部分，係分別 設置著可分別針對各個葉片，獨立地控制該葉片之相對於輪轂的葉片安裝角度(俯仰角)之俯仰控制機構(俯仰致動器10及俯仰迴旋軸承11)，係可因應風速的變化，來控制各葉片1之相對於輪轂2的安裝角度(俯仰角)。俯仰致動器10係由輪轂2內的俯仰控制裝置12所控制。

輪轂2係與主軸16連結，主軸16係在機艙3內與增速機4相連結。增速機4是利用旋轉軸與發電機5相連結。在增速機4及發電機5之間，設有轉子制動器8，欲使風力發電設備停止的時候，就使轉子制動器8進行作動，將轉子亦即，輪轂2及複數個葉片1的旋轉予以停止或減速。

在機艙3的外部，設置了風向風速計7。由風向風速計7所測量到的風向資料及風速資料係傳送到風車控制盤15，利用風車控制盤15分別控制轉向控制機構9及俯仰控制機構。如上所述，俯仰控制機構係由：俯仰控制裝置12及俯仰致動器10、俯仰迴旋軸承11所構成的。

由發電機5所發電的電力係經由設置在塔架6內的電力控制裝置13及主斷路器14，而供給到外部的電力供給系統。

其次，佐以第4圖A至第6圖B，詳細說明本發明的技術課題。

第4圖A及第4圖B係顯示：內輪驅動型的風力發電設備中的輪轂及其周圍構造。第4圖B係第4圖 A中的C-C’剖面線箭頭方向視圖。

如第4圖B所示，輪轂2係連結於主軸16。主軸16係被主軸軸承20所支承，而在主軸軸承20的內側進行旋轉。因此，一般是被稱為：內輪驅動型。主軸軸承20是配置在機艙3內。

如第4圖A所示，在輪轂2的外殻上，設置了俯仰致動器10。雖然未圖示，但是各葉片的俯仰迴旋軸承與俯仰致動器10的齒條小齒輪係嚙合在一起，藉由驅動俯仰致動器10，即可改變各葉片之相對於輪轂2的角度。

又，開口18是設在輪轂2的外殻，當俯仰致動器10發生故障和進行定期更換的時候，係經由這個開口18，將俯仰致動器10從輪轂2內搬出到外部。

如第4圖A及第4圖B所示，內輪驅動型的風力發電設備，雖然係將主軸軸承20設置在輪轂2的外部，因此可將輪轂2的內部構造製作成比較單純的結構，但是，如上所述，因為必須將主軸軸承20配置在機艙3內，因此，機艙的小型化、輕量化比較困難。

第5圖A至第6圖B係顯示：外輪驅動型的風力發電設備中的輪轂及其周圍構造。第5圖B係第5圖A中的D-D’剖面線箭頭方向視圖，第6圖B係第6圖A中的E-E’剖面線箭頭方向視圖。第5圖A、第5圖B所示的輪轂構造與第6圖A、第6圖B所示的輪轂構造的不同點，可從第5圖A與第6圖A的比較得知兩者的差異 係在於：有沒有用來連結固定主軸軸承17與輪轂2的外殻之障壁。這種用來連結固定主軸軸承17與輪轂2的外殻之障壁，係具有：可作為將固定主軸軸承17予以支承固定在輪轂2內的支承部來使用的功能。

如第5圖A及第5圖B所示，在外輪驅動型的風力發電設備的輪轂2上，設置著固定主軸19，其係在輪轂2內部的中央部附近貫穿輪轂2，固定主軸19係被固定主軸軸承17所支承。

固定主軸19係形成中空筒狀，主軸16是設置成貫穿過固定主軸19的內部。

雖然未圖示，但主軸16係與輪轂2相連結，當輪轂2受風而進行旋轉的話，主軸16也一起進行旋轉。主軸16是在機艙3內經由增速機4而連結於發電機5，藉由將輪轂2的旋轉傳遞到發電機5，可進行電力的發電。

此外，在輪轂2的外殻也設置了開口18，當俯仰致動器10發生故障和進行定期更換的時候，可經由這個開口18，從輪轂2內將俯仰致動器10搬出到外部。

針對於第6圖A及第6圖B所示的外輪驅動型的風力發電設備的輪轂2，也是同樣地具有與上述相同的結構及作動。

固定主軸19係被固定在機艙3，被支承於固定主軸軸承17的輪轂2則是在固定主軸軸承17的外側進行旋轉。因此，一般是被稱為外輪驅動型。

第5圖A至第6圖B所示的外輪驅動型的風力發電設備，因為是將軸承配置在輪轂2的內部，因此不必將軸承設在機艙3內部，對於謀求機艙的小型化、輕量化比較有利。但是，卻必須將軸承設在輪轂2內部，因此，輪轂2的小型化、輕量化比較困難。

尤其是如第6圖A所示的這種將障壁或固定主軸軸承17的支承部之類的構造物設在輪轂2內的情況下，若想要謀求輪轂2的小型化的話，輪轂2內的障壁或固定主軸軸承17的支承部之類的構造物，將會與俯仰致動器10互相妨礙，無法讓輪轂2達成小型化。

茲佐以第1圖至第3圖來說明本發明的一種實施方式。第1圖係顯示本實施例的風力發電設備的輪轂及其周圍構造。第2圖係第1圖中的A-A’剖面線箭頭方向視圖，第3圖係第1圖中的B-B’剖面線箭頭方向視圖。

如第1圖所示，被固定在輪轂2的外殻上之複數個俯仰致動器10，在輪轂2內係被配置成：貫穿障壁或固定主軸軸承17的支承部之類的構造物。換言之，在障壁或固定主軸軸承17的支承部之類的構造物上，係分別設有開口18，而俯仰致動器10則是被配置成貫穿該開口18。

又，如第1圖所示，輪轂2的外殻係形成大致上呈正三角形狀。亦即，在與主軸16或固定主軸軸承17、固定主軸19正交的剖面中，輪轂2的外殻係大致呈 正三角形狀。

各個俯仰致動器10，在輪轂2內，係被設置成：被主軸16或固定主軸軸承17、固定主軸19與大致呈正三角形狀的輪轂的外殻互相相鄰的兩個邊所包圍。

又，輪轂2內的障壁或固定主軸軸承17的支承部之類的構造物，係設置於：連結於輪轂2的複數個葉片之互相相鄰的葉片與葉片的中間位置附近的輪轂的外殻處。

藉由製作成上述的這種輪轂2的內部構造，在輪轂2的內部，複數個俯仰致動器10、主軸16或固定主軸軸承17、固定主軸19、障壁或固定主軸軸承17的支承部之類的構造物就彼此不會妨礙，可盡量地將輪轂2形成緊緻化。

茲佐以第2圖來說明從別的方向來觀察本實施例中的輪轂2時所看到的結構。

如第2圖所示，在輪轂2內，輪轂2與主軸16的連結部係設在較之輪轂2的端部更偏靠中心側。而且在輪轂2的外殻上，或在輪轂2內的障壁、固定主軸軸承17的支承部之類的構造物上，分別設有開口18。當俯仰致動器10發生故障和進行定期更換的時候，可以經由這些開口18，從輪轂2內將俯仰致動器10搬出到外部。

又，在第2圖中，位於主軸16與輪轂2的連結部之輪轂的外殻的板厚度，為了補強，而將其厚度形成較之其他地方的輪轂的板厚度更厚，但也可以是將其他地 方的外殻的板厚度形成比較薄。如此一來，既可維持主軸16與輪轂2的連結部的強度，又可盡量地將輪轂2予以輕量化。

佐以第3圖來說明從別的方向來觀察本實施例中的輪轂2時所看到的結構。如上所述，在機艙2的內部，固定主軸19的端部及固定主軸軸承17是設置在較之輪轂2的端部更偏靠中心側。並在輪轂2的外殻和內部的障壁上設置開口18。

因此，在輪轂2內，可將俯仰致動器10設置成不會與輪轂2內部的障壁互相妨礙，再者，當俯仰致動器10故障時或執行定期更換時，可經由這些開口18將其搬出到輪轂2的外部。

如上所述，藉由使用本發明的輪轂及其周圍構造，是既可採用對於機艙的小型化、輕量化有利的外輪驅動型的輪轂，又可導致輪轂的小型化、輕量化，因此可同時兼顧到機艙及輪轂的小型化、輕量化。其結果，可降低機艙及輪轂的成本。

又，當俯仰致動器10故障時或執行定期更換時，可將俯仰致動器10經由輪轂的外殻和輪轂內的構造物的開口18很容易就搬出到外部，因此亦可提昇維修保養性。

此外，在上述的實施例中，主要是使用外輪驅動型的風力發電設備的輪轂來說明了本發明的特徵，但亦可使用於內輪驅動型的風力發電設備的輪轂。例如：藉 由在配置於內輪驅動型的風力發電設備的輪轂內的構造物上設置開口，並將俯仰致動器設置成貫穿於該開口，即可讓輪轂內的構造物與俯仰致動器不會互相妨礙，且可將輪轂盡量地小型化。

此外，可以藉由將俯仰致動器設置成貫穿複數個構造物的間隙的作法，來取代將開口設在被配置在輪轂內的構造物的作法，同樣地亦可讓輪轂內的複數個構造物與俯仰致動器不會互相妨礙，且可將輪轂盡量地小型化。

又，本發明並不侷限於上述的實施例，也包含各種變形例。例如在上述的實施例是為了將本發明說明的讓人很容易理解，所做的詳細說明，並非限定為必須具備所說明過的所有的構成要素。針對於某一實施例的構成要素的其中一部分，亦可置換成其他實施例的構成要素，此外，也能在某一實施例的構成要素加入其他實施例的構成要素。而且針對於各實施例的構成要素的其中一部分，係可做構成要素的追加、削除或置換。

2‧‧‧輪轂

10‧‧‧俯仰致動器

16‧‧‧主軸

17‧‧‧固定主軸軸承

18‧‧‧開口

Claims (8)

1. 一種風力發電設備，是具有：設置在陸地上或海上之作為發電機的支柱之塔架；設在前述塔架上之用以內藏前述發電機的機艙；設在前述機艙的一端，並且係由可將受風轉變成旋轉動能的輪轂及複數個葉片所構成的轉子；之風力發電設備，其特徵為：前述輪轂係在內部具有：可分別將前述複數個葉片對於該輪轂之各自的角度予以改變的複數個俯仰驅動手段，前述複數個俯仰驅動手段，係分別設置成：貫穿於設在前述輪轂內的障壁上的開口，前述風力發電設備係具有：在前述輪轂內部，經由固定在前述輪轂的外殻之軸承來將前述輪轂與前述機艙予以連結之筒狀的固定主軸；被設置成貫穿前述固定主軸的內部，用以連結前述輪轂與前述發電機之主軸；之外輪驅動型的風力發電設備，而前述障壁是將前述軸承予以固定在前述輪轂的外殻之軸承支承部，前述輪轂係被形成：在與前述固定主軸正交的剖面中，前述輪轂的外殻係大致呈正三角形狀，前述複數個俯仰驅動手段係分別設置成：受到前述固定主軸與前述大致呈正三角形狀的輪轂的外殻之相鄰的二個邊所包圍。
2. 如請求項1所述的風力發電設備，其中，在前述 輪轂內，前述輪轂與前述主軸的連結部是設在偏靠前述輪轂的中心側，在位於前述輪轂的端部和前述輪轂與前述主軸的連結部之間的前述輪轂的外殻上，設有：用以將前述俯仰驅動手段搬出到前述輪轂的外部之搬出口。
3. 如請求項2所述的風力發電設備，其中，是在前述軸承支承部設有：用以將前述俯仰驅動手段搬出到前述輪轂的外部之搬出口。
4. 如請求項1至3中的任一項所述的風力發電設備，其中，前述軸承支承部是設置在：位於相鄰的葉片與葉片的中間位置附近之輪轂的外殻上。
5. 一種風力發電設備，是具有：設置在陸地上或海上之作為發電機的支柱之塔架；設在前述塔架上之用以內藏前述發電機的機艙；設在前述機艙的一端，並且係由可將受風轉變成旋轉動能的輪轂及複數個葉片所構成的轉子；之風力發電設備，其特徵為：前述輪轂係在內部具有：可分別將前述複數個葉片對於該輪轂之各自的角度予以改變的複數個俯仰驅動手段，前述複數個俯仰驅動手段，係分別設置成：貫穿於前述輪轂內的複數個構造材的間隙，前述風力發電設備係具有：在前述輪轂內部，經由固定在前述輪轂的外殻之軸承來將前述輪轂與前述機艙予以連結之筒狀的固定主軸； 被設置成貫穿前述固定主軸的內部，用以連結前述輪轂與前述發電機之主軸；之外輪驅動型的風力發電設備，而前述複數個構造材是將前述軸承予以固定在前述輪轂的外殻之軸承支承部，前述輪轂係被形成：在與前述固定主軸正交的剖面中，前述輪轂的外殻係大致呈正三角形狀，前述複數個俯仰驅動手段係分別設置成：受到前述固定主軸與前述大致呈正三角形狀的輪轂的外殻之相鄰的二個邊所包圍。
6. 如請求項5所述的風力發電設備，其中，在前述輪轂內，前述輪轂與前述主軸的連結部是設在偏靠前述輪轂的中心側，在位於前述輪轂的端部和前述輪轂與前述主軸的連結部之間的前述輪轂的外殻上，設有：用以將前述俯仰驅動手段搬出到前述輪轂的外部之搬出口。
7. 如請求項6所述的風力發電設備，其中，是在前述軸承支承部設有：用以將前述俯仰驅動手段搬出到前述輪轂的外部之搬出口。
8. 如請求項5至7中的任一項所述的風力發電設備，其中，前述軸承支承部是設置在：位於相鄰的葉片與葉片的中間位置附近之輪轂的外殻上。