JP5055023B2 - 風力発電装置のロータ取付け方法および風力発電装置の建設方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置のロータ取付け方法および風力発電装置の建設方法に関する。

一般に、風力発電装置においてロータをナセルに取り付ける場合には、地上でロータヘッドに複数、例えば３つの回転翼を取り付けてロータを完成させ、この水平に配置されたロータを重機などにより持ち上げ、タワートップのナセルに取り付けていた。
地上で回転翼をロータヘッドに取り付けるときには、ロータは、回転面が略水平となるように置かれている。その一方で、ロータをナセルに取り付けるときには、ロータは回転面が略鉛直に（縦に）起こされている。

従来は、１台の大型重機でロータヘッドにおけるロータの重心位置から外れた位置を保持し、一台の小型重機で１つの回転翼の先端を保持していた。
まず、大型重機と小型重機とが協調することにより、ロータは回転面が略水平な姿勢のまま地上から上空に引き上げられる。ロータを縦に起こしても回転翼が地面と干渉しない位置までロータが引上げられると、小型重機による引上げを停止し、大型重機による引き上げを継続する。すると、大型重機は、ロータヘッドにおけるロータの重心位置から外れた位置を保持しているため、ロータは自重により縦に起こされる。

上述の方法の他にも、先にロータヘッドをナセルに取り付け、その後に回転翼を引上げて順次ロータヘッドに取り付ける方法も提案されている（例えば、特許文献１）。
この方法によれば、ロータを組み立てる場所を地上に確保する必要がないという利点が得られる。特に山間地など、平地の確保が困難な場所で風力発電設備を建設する場合に、上述の利点が生かされている。
特表２００５−５３１７０９号公報

上述の大型重機および小型重機を用いたロータの取り付け方法においては、大型重機および小型重機を用いる必要があり、風力発電設備の建設工事費が嵩むという問題があった。
つまり、大型重機の他に小型重機を用いる必要があるという理由のほかに、大型重機および小型重機を設置する場所の養生をそれぞれ行うことにより工事期間が延びるとともに、建設工事費が嵩むという問題があった。

さらに、回転翼は空力性能の向上を図るため、その後縁はエッジ状に形成されている。この回転翼の先端を小型重機により保持するため、回転翼の後縁かかる応力が過大となり、回転翼が破損する可能性があるという問題があった。

この回転翼の破損を防止するため、プロテクタを介して回転翼の先端を保持する方法も提案されている。このプロテクタは、ロータの縦起こし後に回転翼から取り外されている。取り外しのときには、ロータは上空に引上げられているため、高所作業車が必要となり、建設工事費が嵩むという問題があった。

特許文献１に記載の方法では、回転翼を個別に引き上げロータヘッドに取り付けるため、必要な重機の数を抑えることができた。しかしながら、地上に横向きに置かれた翼を引き上げながら縦向きに起こすため、回転翼に荷重がかかり破損する恐れがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、回転翼の破損を防止するとともに、建設工事費の低減を図ることができる風力発電装置のロータ取付け方法および風力発電装置の建設方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の風力発電装置のロータ取付け方法は、地上でロータヘッドの回転軸線回りに放射状に３枚の風車回転翼を取り付け、ロータを組み立てる組立工程と、前記ロータヘッド上における前記ロータの回転軸上に設けられた第１吊下げ部に第１ワイヤを取り付け、前記ロータヘッド上における前記ロータの前記回転軸から離れた位置に設けられた第２吊下げ部に第２ワイヤを取り付けるワイヤ取付け工程と、１台の重機に吊り下げられた前記第１ワイヤのみにより前記ロータを吊り上げる吊り上げ工程と、前記第１ワイヤを伸ばして前記重機に吊り下げられた前記第２ワイヤにより前記ロータを吊り下げるロータ起こし工程と、前記第２ワイヤにより吊り下げられたロータをナセルに取り付けるロータ取付け工程と、を有していることを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転軸線上に設けられた第１取付け部に取り付けられた第１ワイヤによりロータを吊り上げることにより、ロータは一台の重機で吊り上げられる。このときロータは、地上に置かれていた姿勢と同様に、ロータの回転面が略水平な姿勢、つまり、回転軸線が略鉛直な姿勢となっている。そのため、風車回転翼と地面との干渉が防止される。

その後、一台の重機で吊り下げられた状態で第１ワイヤを伸ばすことにより、ロータは第２取付け部に取り付けられた第２ワイヤにより吊り下げられる。第２取付け部は上述の回転軸線から離れた位置に設けられているため、ロータは、縦に起こされた姿勢、つまり回転軸線が略水平な姿勢となる。

つまり、風車回転翼を保持することなくロータを引き上げ、ロータの姿勢を縦に起こすことができる。さらに、一台の重機により地上で組み立てられたロータを引き上げ、縦に起こした後に、ロータをナセルに取り付けることができる。

上記発明においては、前記ロータ取付け工程の前に、前記第１ワイヤの長さを調節することにより、前記ロータの姿勢を調節する姿勢調節工程を有していることが望ましい。

本発明によれば、第１ワイヤの長さを調節することにより、ロータの回転軸線の傾きを調節できる。そのため、回転軸線の傾きを、ナセルの取り付け軸線の傾きに合わせるように調節でき、ロータの取付け作業が容易となる。

上記発明においては、前記第１ワイヤには、前記第１ワイヤの長さを調節するワイヤ長調節部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、ワイヤ調節部により第１ワイヤの長さを調節することにより、ロータの姿勢を容易に調節することができる。
なお、ワイヤ調節部としては、ワイヤを巻き取り、巻きだしする巻き取り装置や、送り機構を有するジャッキ装置などを例示することができる。

本発明の風力発電装置の建設方法は、上記本発明の風力発電装置のロータ取付け方法を用いてロータをナセルに取り付けることを特徴とする。

本発明によれば、上記本発明のロータ取付け方法を用いるため、風車回転翼の破損を防止するとともに、風力発電装置の建設工事費の低減を図ることができる。

本発明の風力発電装置のロータ取付け方法および風力発電装置の建設方法によれば、一台の重機を用いて第１ワイヤによりロータを回転軸線が略鉛直な姿勢で吊り上げた後に、第１ワイヤを伸ばして第２ワイヤによりロータを吊下げることにより、ロータは縦に起こされる。このように、風車回転翼を保持しないことから回転翼の破損が防止され、使用する重機の数が一台であるため建設工事費の低減を図ることができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係る風力発電装置１について、図１から図８を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風車の概略構成を説明する模式図である。
風力発電装置１は、図１に示すように、風力発電を行うものである。風力発電装置１には、基礎Ｂ上に立設された支柱２と、支柱２の上端に設置されたナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられたロータ４と、ロータ４の回転により発電を行う発電設備５と、が設けられている。

支柱２は、図１に示すように、基礎Ｂから上方（図１の上方）に延びる柱状の構成とされ、例えば、複数のユニットを上下方向に連結した構成とされている。支柱２の最上部には、ナセル３が設けられている。支柱２が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル３が設置されている。

ナセル３は、図１に示すように、ロータ４を回転可能に支持するとともに、内部にロータ４の回転により発電を行う発電設備５が収納されている。
ナセル３には、ロータ４が取り付けられる取付け軸（図示せず。）が設けられており、この取付け軸は、その軸線が水平方向に対して上方に所定の角度（チルト角）、例えば約５°傾いた状態で設置されている。これに合わせて、ナセル３におけるロータ４と対向する面であって、上述の取付け軸の軸線に対して直交する取付け面も、垂直面から所定の角度だけ傾斜した面となっている。

図２は、図１のロータの構成を説明する部分拡大図である。
ロータ４には、図１および図２に示すように、ロータヘッド１１と、ロータヘッド１１を覆う頭部カプセル１２と、ロータヘッド１１の回転軸線Ｌ回りに放射状に取り付けられる複数枚の風車回転翼１３と、が設けられている。
なお、本実施形態では、３枚の風車回転翼１３が設けられた例に適用して説明するが、風車回転翼１３の数は３枚に限られることなく、２枚の場合や、３枚より多い場合に適用してもよく、特に限定するものではない。

ロータヘッド１１は、風車回転翼１３が取り付けられ、風力を受けた風車回転翼１３に発生する力により回転軸線Ｌ回りに回転するものである。
ロータヘッド１１には、回転軸線Ｌを中心として等間隔に風車回転翼１３が取り付けられる翼受け部２１が設けられ、回転軸線Ｌを挟んで一の翼受け部２１と反対側の位置に、主吊下げ部（第２吊下げ部）２２が設けられている。さらに、ロータヘッド１１における先端側（図２における左側）の面の回転軸線Ｌ上には、補助吊下げ部（第１吊下げ部）２３が設けられている。

主吊下げ部２２は、後述する吊下げブラケット３５が係合離脱可能に取り付けられるものである。主吊下げ部２２は、具体的には、吊下げブラケット３５を間に挟んで保持する一対の板状の突起であって、ロータヘッド１１における先端側およびナセル３側に一対ずつ配置されたものである。

補助吊下げ部２３は、後述する補助ワイヤ３３が取り付けられるものであって、ロータヘッド１１に対して取り付け、取り外し可能に設けられるものである。具体的には、ナセル３にロータ４を取り付けるときに、補助吊下げ部２３はロータヘッド１１に取り付けられ、ロータ４がナセル３に取り付けられた後は、ロータヘッド１１から取り外される。
なお、上述のように、補助吊下げ部２３をロータヘッド１１に対して取り付け、取り外し可能に構成しても良いし、ロータヘッド１１に対して固定して取り付ける構成としてもよく、特に限定するものではない。

図３は、図２に頭部カプセルの構成を説明する斜視図である。
頭部カプセル１２には、図３に示すように、主吊下げ部２２と対向する位置に吊下げ開口部２５が設けられている。吊下げ開口部２５は略矩形状に形成され、その先端側は、ロータ４の回転軸線Ｌを含む位置まで延び、後端側は、吊下げブラケット３５と干渉しない位置まで延びている。

ナセル３にロータ４を取り付けるときには、頭部カプセル１２の吊下げ開口部２５は開口され、ロータ４を吊下げる主ワイヤ３２や、補助ワイヤ３３がロータ４に取り付けられる。一方、ロータ４がナセル３に取り付けられた後は、頭部カプセル１２と一体となり、吊下げ開口部２５を塞ぐ蓋（図示せず。）が配置される。

なお、この蓋としては、頭部カプセル１２と別個に形成されたものであって、頭部カプセル１２の内部から吊下げ開口部２５を塞ぐものであってもよいし、ヒンジ等を介して頭部カプセル１２に回動可能に取り付けられたもの（例えば、観音開きや、片開き可能に取り付けられたもの）であってもよく、特に限定するものではない。

発電設備５としては、例えば、図１に示すように、ロータ４の回転駆動力が伝達され発電を行う発電機と、発電機により発電された電力を所定の周波数の交流電力（例えば、５０Ｈｚや６０Ｈｚの交流電力）に変換するトランスと、が設けられているものを挙げることができる。

次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電方法についてその概略を説明する。
風力発電装置１においては、ロータ４の回転軸線方向から風車回転翼１３に当たった風の力が、ロータ４を回転軸線Ｌ回りに回転させる動力に変換される。

このロータ４の回転は発電設備５に伝達され、発電設備５において、電力の供給対象に合わせた電力、例えば、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が発電される。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風の力を風車回転翼に効果的に作用させ
るため、適宜ナセル３を水平面上で回転させることにより、ロータ４は風上に向けられている。

次に、本実施形態の特徴であるナセル３へのロータ４の取り付けについて説明する。
なお、支柱２の設置方法や、ナセル３の取付け方法等については、公知の方法を用いることができ、特に限定するものではない。
図４は、ナセルへのロータの取り付けを説明するフローチャートである。図５は、図１のロータの組み立てを説明する図である。

まず、図４に示すように、地上においてロータ４の組み立てが行われる（組立工程、Ｓ１）。
具体的には、図５に示すように、地面に設置された架台３１の上にロータヘッド１１および頭部カプセル１２が、先端側を上に、後端側を下にした状態にして配置される。その後、ロータヘッド１１の翼受け部２１にそれぞれ風車回転翼１３が取り付けられることにより、ロータ４の組み立てが行われる。

次に、図４に示すように、ロータ４に主ワイヤ（第２ワイヤ）３２および補助ワイヤ（第１ワイヤ）３３が取り付けられる（ワイヤ取付け工程、Ｓ２）。
主吊下げ部２２には、図５に示すように、吊下げブラケット３５が取り付けられ、吊下げブラケット３５に主ワイヤ３２の一方の端部が取り付けられる。一方、ロータヘッド１１には、補助吊下げ部２３が取り付けられ、補助吊下げ部２３に補助ワイヤ３３の一方の端部が取り付けられる。
なお、このとき、頭部カプセル１２の吊下げ開口部２５は開口されている。

主ワイヤ３２および補助ワイヤ３３の他方の端部は、ロータ４を吊り上げる大型クレーンのフック３６Ｆに取り付けられている。補助ワイヤ３３の一方の端部および他方の端部の間には、補助ワイヤ３３の長さを調節する巻き取り装置（ワイヤ長調節部）３７が設けられている。

ロータ４に主ワイヤ３２および補助ワイヤ３３が取り付けられると、ロータ４は大型クレーン（重機）３６（図８参照。）により吊り上げられる（吊り上げ工程、Ｓ３）。
ロータ４を吊り上げるときには、補助ワイヤ３３は巻き取り装置３７により巻き取られており、補助ワイヤ３３は張り、主ワイヤ３２は緩んだ状態とされている。言い換えると、補助ワイヤ３３のみによりロータ４が吊り上げられる。

補助ワイヤ３３は補助吊下げ部２３からロータ４の回転軸線Ｌ方向に延び、回転軸線Ｌ上にロータ４の重心があるため、補助ワイヤ３３により吊り上げられたロータ４は、地上に配置された姿勢を保っている。つまり、ロータ４は、ロータ４の回転面が略水平な姿勢、言い換えるとロータ４の回転軸線Ｌが略鉛直な姿勢を保ちつつ、上方へ引上げられる。

ロータ４が上方に引上げられ、ロータ４を縦起こししても、風車回転翼１３が地面と干渉しない高さまで引上げられると、図４に示すように、ロータ４の縦起こしが行われる（ロータ起こし工程、Ｓ４）。
ここで、縦起こしとは、回転軸線Ｌが略鉛直であったロータ４の姿勢を、回転軸線Ｌが略水平になる姿勢に変えることである。より具体的には、回転軸線Ｌが、水平方向となす角度が上述のチルト角と略等しい据付角になる姿勢に変えることである。このような姿勢とすることで、ロータ４の回転面と、ナセル３の取付け面とが略平行となる。

図６は、ロータの縦起こしの過程を説明する模式図である。
ロータ４が上方に引上げられると、図３および図６に示すように、巻き取り装置３７から補助ワイヤ３３が巻きだされ、補助ワイヤ３３の全長が伸ばされる。このとき、巻き取り装置３７の操作は、遠隔操作により行われている。
例えば、地上に設置された電源装置からケーブルを通じて巻き取り装置３７に電力を供給して巻き取り装置３７を駆動するとともに、補助ワイヤ３３の巻きだし、巻き取りを地上から操作したり、バッテリなどにより駆動される巻き取り装置３７を、無線操作したりする例を挙げることができる。

補助ワイヤ３３の長さが長くなると、それまで弛んでいた主ワイヤ３２が徐々に張り始める。
すると、ロータ４の補助吊下げ部２３は下方に下がる一方で、ロータ４の主吊下げ部２２は下がらないため、ロータ４の姿勢が徐々に起き始める。言い換えると、回転軸線Ｌと水平方向との間のなす角度が、上述の据付角度に徐々に近づく。

図７は、縦起こし後のロータを説明する模式図である。
巻き取り装置３７から補助ワイヤ３３が十分に巻きだされると、図７に示すように、主ワイヤ３２が張り、補助ワイヤ３３が弛んだ状態となる。つまり、主ワイヤ３２のみでロータ４が吊下げられた状態となる。
ロータ４および吊下げブラケット３５は、この状態で、回転軸線Ｌと水平方向との間のなす角度が、上述の据付角度になるように設定されている。

しかしながら、ロータヘッド１１や、風車回転翼１３や、吊下げブラケット３５などの個体差により、主ワイヤ３２のみでロータ４の姿勢が、そのままロータ４をナセル３に取り付けられない姿勢の場合には、図４に示すように、ロータ４の姿勢調整が行われる（姿勢調整工程、Ｓ５）。

ロータ４の回転軸線Ｌが、水平方向との間でなす角度が据付角度より小さい場合、巻き取り装置３７により補助ワイヤ３３が巻き取られ、補助ワイヤ３３が張った状態となり、回転軸線Ｌが傾く。補助ワイヤ３３の巻き取り量を調節することにより、回転軸線Ｌと水平方向との間のなす角度が調節され、回転軸線Ｌとナセル３の取付け軸線とが略平行となる。

図８は、ナセルへのロータの取り付けを説明する模式図である。
回転軸線Ｌと水平方向との間のなす角度が、据付角度に略等しくなると、ナセル３にロータ４が取り付けられる（ロータ取付け工程、Ｓ６）。つまり、ロータ４は大型クレーン３６によりさらに上方に引上げられ、ナセル３の取付け面に取り付けられる。

ナセル３にロータ４が取り付けられると、ロータ４から主ワイヤ３２、補助ワイヤ３３、吊下げブラケット３５および補助吊下げ部２３が取りはずされる。その後、頭部カプセル１２の吊下げ開口部２５に蓋が取り付けられる。

以後の風力発電装置１の建設方法は、公知の建設方法と同様であるので、その説明を省略する。

上記の構成によれば、ロータ４の回転軸線Ｌ上に設けられた補助吊下げ部２３に取り付けられた補助ワイヤ３３によりロータ４を吊り上げることにより、ロータ４は一台の大型クレーン３６で吊り上げられる。このときロータ４は、地上に置かれていた姿勢と同様に、ロータ４の回転面が地面と略水平な姿勢、つまり、回転軸線Ｌが地面に対して略垂直な姿勢となっている。そのため、風車回転翼１３と地面との干渉が防止される。

その後、一台の大型クレーン３６で吊り下げられた状態で補助ワイヤ３３を伸ばすことにより、ロータ４は主吊下げ部２２および吊下げブラケット３５に取り付けられた主ワイヤ３２により吊り下げられる。主吊下げ部２２および吊下げブラケット３５は上述の回転軸線Ｌから離れた位置に設けられているため、ロータ４は、縦に起こされた姿勢、つまり、回転軸線Ｌが略水平な姿勢となる。

つまり、風車回転翼１３を保持することなくロータ４を引き上げ、ロータ４の姿勢を縦に起こすことができる。さらに、一台の大型クレーン３６により地上で組み立てられたロータ４を引き上げ、縦に起こした後に、ロータ４をナセルに取り付けることができる。

補助ワイヤ３３の長さを、巻き取り装置３７を用いて調節することにより、ロータ４の回転軸線Ｌの傾きを調節できる。そのため、回転軸線Ｌの傾きを、ナセル３の取付け軸線の傾きに合わせるように調節でき、ロータ４の取付け作業が容易となる。

なお、上述の実施形態では、補助ワイヤ３３の長さを調節する手段として、補助ワイヤ３３を巻き取り、巻きだしする巻き取り装置３７を用いる例に適用して説明したが、巻き取り装置３７に限られることなく、送り機構を有するジャッキ装置などを用いて補助ワイヤ３３の長さを調節してもよく、特に限定するものではない。
より具体的には、往復動ウインチであるチルホール（登録商標）や、チルクライマーや、センタホールジャッキや、油圧ジャッキなどを例示することができる。

本発明の一実施形態に係る風車の概略構成を説明する模式図である。 図１のロータの構成を説明する部分拡大図である。 図２に頭部カプセルの構成を説明する斜視図である。 ナセルへのロータの取り付けを説明するフローチャートである。 図１のロータの組み立てを説明する図である。 ロータの縦起こしの過程を説明する模式図である。 縦起こし後のロータを説明する模式図である。 ナセルへのロータの取り付けを説明する模式図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
３ ナセル
４ ロータ
１１ ロータヘッド
１３ 風車回転翼
２２ 主吊下げ部（第２吊下げ部）
２３ 補助吊下げ部（第１吊下げ部）
３２ 主ワイヤ（第２ワイヤ）
３３ 補助ワイヤ（第１ワイヤ）
３７ 巻き取り装置（ワイヤ長調節部）
３６ 大型クレーン（重機）
Ｌ 回転軸線
Ｓ１ 組立工程
Ｓ２ ワイヤ取付け工程
Ｓ３ 吊り上げ工程
Ｓ４ ロータ起こし工程
Ｓ５ 姿勢調整工程
Ｓ６ ロータ取付け工程

Claims (4)

1. 地上でロータヘッドの回転軸線回りに放射状に３枚の風車回転翼を取り付け、ロータを組み立てる組立工程と、
   前記ロータヘッド上における前記ロータの回転軸上に設けられた第１吊下げ部に第１ワイヤを取り付け、前記ロータヘッド上における前記ロータの前記回転軸から離れた位置に設けられた第２吊下げ部に第２ワイヤを取り付けるワイヤ取付け工程と、
   １台の重機に吊り下げられた前記第１ワイヤのみにより前記ロータを吊り上げる吊り上げ工程と、
   前記第１ワイヤを伸ばして前記重機に吊り下げられた前記第２ワイヤにより前記ロータを吊り下げるロータ起こし工程と、
   前記第２ワイヤにより吊り下げられたロータをナセルに取り付けるロータ取付け工程と、
   を有していることを特徴とする風力発電装置のロータ取付け方法。
2. 前記ロータ取付け工程の前に、
   前記第１ワイヤの長さを調節することにより、前記ロータの姿勢を調節する姿勢調節工程を有していることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置のロータ取付け方法。
3. 前記第１ワイヤには、前記第１ワイヤの長さを調節するワイヤ長調節部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置のロータ取付け方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電装置のロータ取付け方法を用いてロータをナセルに取り付けることを特徴とする風力発電装置の建設方法。

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