本開示は、風力エネルギー・システム、および風力エネルギー・システム用のヨー・ベアリング・システムに関する。

風力エネルギー・システムのドライブ・トレインから風力エネルギー・システムのタワーに伝わる力およびモーメントは、大きなヨー・ベアリングを経由して案内される。 ヨー・ベアリングは通常、歯の付いた１つの大きなホイールを有し、歯は、ヨー・ドライブの箇所に応じて外側または内側を向いている。 ヨー・ドライブを用いて、ドライブ・トレインを伴う装置ナセルを、タワーに対して配向する。

風力エネルギー・システムのナセルは、内部に台板が固定されている。 台板はヨー・ベアリングに接続されている。 現時点での台板デザインではおそらく、疲労問題が、特に力およびモーメントが最大となるヨー・ベアリングの付近で、認められる。 その結果、保証費用が高くなり、顧客満足が低くなることが考えられる。

したがって、風力エネルギー・システムのタワーに対するナセルの接続を改善して疲労問題を軽減することを、特に将来の大型風力タービンに対して行なわければならない。

以上のことを考慮して、風力エネルギー・システムが提供され、風力エネルギー・システムは、タワーと、装置ナセルと、下部ヨー・ベアリングと、上部ヨー・ベアリングと、を有し、下部ヨー・ベアリングおよび上部ヨー・ベアリングは、前記装置ナセルを風力エネルギー・システムのタワーに旋回可能に接続するように配置されている。

別の態様によれば、風力エネルギー・システムにおいて用いるヨー・ベアリング・システムが提供され、ヨー・ベアリング・システムは、下部ヨー・ベアリングと、上部ヨー・ベアリングと、を有し、下部ヨー・ベアリングおよび上部ヨー・ベアリングは、ナセルを風力エネルギー・システムのタワーに旋回可能に接続するように適合されている。

さらなる態様によれば、風力エネルギー・システムが提供され、風力エネルギー・システムは、タワーと、装置ナセルと、装置ナセルに対して回転可能に固定されたハブと、を有し、タワーおよび装置ナセルは少なくとも２つのヨー・ベアリングによって接続され、ヨー・ベアリングの一方は風力エネルギー・システムのハブの回転軸よりも上方に配置されている。

さらなる態様によれば、ナセルおよびタワーを伴う風力エネルギー・システムを動作させる方法が提供され、ナセルおよびタワーは少なくとも２つのヨー・ベアリングによって接続され、本方法は、少なくとも２つのヨー・ベアリングを回転させて前記ナセルをタワーに対して相対的に配向するステップを含んでいる。

本明細書で説明する実施形態と組み合わせることができるさらなる態様、優位性、詳細、および特徴が、従属請求項、説明、および添付図面から明らかとなる。

本発明の完全で実施可能な程度の開示が、そのベスト・モードも含めて、当業者に向けられ、本明細書の残りの部分において、添付図を参照することも含めて、より詳細に説明されている。

本明細書で説明する実施形態による風力エネルギー・システムの概略図である。

図１による風力エネルギー・システムの概略図面であり、図２ではさらなる部品を示している。

風力エネルギー・システムの別の実施形態の部品を概略的に示す立面図である。

図３の実施形態のさらなる部品を概略的に示す別の図である。

風力エネルギー・システムのさらなる実施形態の部品を概略的に示す図である。

一実施形態による図５に例示した風力エネルギー・システムの部品のワイヤ・フレーム・モデルを示す図である。

本開示によるヨー・ベアリング・システムおよび風力エネルギー・システムの典型的な実施形態の部品を概略的に示す図である。

風力エネルギー・システムのさらなる実施形態を概略的に示す図である。

風力エネルギー・システムのさらなる実施形態を概略的に示す図である。

次に、本発明の種々の実施形態について詳細に述べる。 実施形態の１または複数の実施例を図に例示する。 各実施例は、本発明を説明する目的で示されており、本発明を限定するものではない。 たとえば、一実施形態の一部として例示または説明した特徴を、他の実施形態に対してまたはそれらとともに用いて、さらなる実施形態を与えることができる。 本発明にはこのような変更および変形が含まれることが意図されている。

以下の図面の説明において、同じ参照番号は同じ構成要素を指す。 一般的に、個々の実施形態に対する違いのみについて説明する。 図面に示す構造は、縮尺に従って示されているわけではなく、むしろ実施形態のより良好な理解に役立つものである。

図１は、風力エネルギー・システム１００（風力タービンとも言われる）の概略図である。 風力エネルギー・システム１００は、タワー１１０を備えており、その最上端には装置ナセル１２０が取り付けられている。 そこに、３つのロータ・ブレード１４０を有するハブ１３０が取り付けられている。

ハブ１３０は、装置ナセル１２０の外側端に取り付けられている。 ハブは一般的に、風力エネルギー・システム１００の装置ナセル１２０の内部に配置された発電機（図示せず）に接続されていても良い。 ハブは通常、水平軸の周りに回転可能である。

図２は、さらなる部品を示す図１の風力エネルギー・システム１００の概略図である。 より良好な理解を得るために、図２では、装置ナセル１２０のボディを透明で示す。 さらに、図２には、下部ヨー・ベアリング１７０および上部ヨー・ベアリング１８０を示す。 ヨー・ベアリング１７０および１８０によって、装置ナセル１２０がタワー１１０に接続されている。

本明細書で説明する典型的な実施形態では、２つのヨー・ベアリング、すなわち下部ヨー・ベアリングおよび上部ヨー・ベアリングを設けている。 ２つのヨー・ベアリングを設けることによって、曲げモーメントが２つのヨー・ベアリング上で共有される。 本明細書で説明する実施形態のヨー・ベアリングは、形成される付加的な曲げモーメントが無いか小さいように、またタワーおよびメイン・フレーム構造の負荷が小さくなるように、適合されている。 典型的な実施形態では、偏心荷重伝達の減少が示されるとともに、荷重減少による材料節減が示される。 ヨー・ベアリングは、受ける応力が減り、複雑さが小さくなる。 ヨー・ベアリング当たりの力および曲げモーメントが減少するため、疲労破壊の可能性が低下する。 減少は主に、２つのヨー・ベアリング間の距離によって得られる。 ２つのヨー・ベアリングを設けたことで、タワーと装置ナセルとの間の接続は頑強になって信頼性が高くなる。

典型的な実施形態では、ヨー・ベアリング間の距離は、少なくとも５０ｃｍ、より典型的には少なくとも１ｍ、さらにより典型的には少なくとも１．５ｍである。 距離が長くなると、ベアリングに作用する曲げ力は小さくなる。 １つのヨー・ベアリングに作用する力が小さくなるため、ヨー・ベアリングの直径を小さくすることができる。 本明細書で開示する典型的な実施形態によるヨー・ベアリングの直径は、５．０ｍを下回るか、または４．０ｍを下回るか、または３．０ｍを下回る。 また、本明細書で開示する典型的な実施形態によるヨー・ベアリングの直径は、５０ｃｍを上回るか、または１．０ｍを上回るか、または１．５ｍを上回る。

本明細書で説明する典型的な実施形態では、少なくとも１つのさらなるヨー・ベアリングが含まれる。 一部の実施形態では、３つのヨー・ベアリング、１つの下部ヨー・ベアリング、１つの上部ヨー・ベアリング、および上部および下部の中間の１つのヨー・ベアリングを有する。 通常、中間ヨー・ベアリングは、実質的に上部ヨー・ベアリングと下部ヨー・ベアリングとの間の中間に位置する。 「実質的に」には通常、算術的な中間から＋／−１５％までのずれが包含されると理解すべきである。 ３つのヨー・ベアリングまたはさらに多くのヨー・ベアリングによって、風力エネルギー・システムのタワーと装置ナセルとの間の接続がより頑強になる。

典型的な実施形態では、ロータ・ブレードを伴うハブが、水平回転軸の周りに回転する。 その結果、ブレードによって平面が規定される。 なお、多くの場合にブレードは、「ロータ・ブレード平面」とは正確には位置合わせされていない。 むしろブレードは、この平面に対して約数度（ほぼ０．５°〜５°）だけ傾斜して、鈍角円錐を形成する可能性がある。 通常、ヨーは、ロータ・ブレードの平面が風の方向に対して垂直に位置合わせされるように適合されている。 実施形態では、ロータ・ブレードを伴うハブの回転軸は、ある程度（普通は１０度未満、たとえば５度）傾いている。 本明細書において、用語「本質的に水平方向」には、正確に水平な軸だけでなく、水平線に対して最大で８度、５度、または２度だけ傾いた軸も包含されている。

本明細書で説明する実施形態によれば、ヨー・ベアリングの一方は、風力エネルギー・システムのハブの回転軸よりも上方に配置されている。 回転の軸よりも上方に配置されるヨー・ベアリングは通常、上部ヨー・ベアリングである。 下部ヨー・ベアリングは通常、風力エネルギー・システムの回転軸よりも下方に配置される。 このような配置によって、ヨー・ベアリングに作用する力が良好に分割される。

図３に、ヨー・ベアリングおよび風力エネルギー・システムの典型的な実施形態の部品を概略的に示す。 図３に、ハブ１３０をダイレクト・ドライブ発電機１９５に接続するシャフト１９０を示す。 なお、図３では明瞭にするために多くの部品が省略されている。 図４に、いくつかのさらなる部品を示す。 図４ではメイン・フレームもハブも示していない。 したがって、図３Ａおよび３Ｂについては一緒に説明する。

本明細書で説明する実施形態によれば、シャフトはダイレクト・ドライブ発電機に接続されている。 ダイレクト・ドライブ発電機は、スペースが限られた装置ナセルに適している。 ダイレクト・ドライブ発電機は、ハブと発電機との間にギア・ボックスがない。 ダイレクト・ドライブ発電機は、装置ナセル内に容易に収まることができる。 なぜならば、ギア・ボックス用の部屋を設ける必要がないからである。

他の典型的な実施形態では、シャフトはギア・ボックスに接続され、ギア・ボックスは発電機に接続されている。 限られたスペースだけを必要とするギア・ボックスを用いることができる。 他の典型的な実施形態では、ギア・ボックスを発電機と小スペースで組み合わせることを用いて、ギア・ボックスおよび発電機に必要なスペースを小さくする。

ヨー・ベアリング１７０および１８０は、メイン・フレーム２００に接続されている。 ヨー・ベアリング１７０および１８０は、メイン・フレーム２００の異なる支柱、すなわち上部および下部支柱に接続されている。 メイン・フレーム２００は、装置ナセル（明瞭にするために図３には示さず）の一部であり、図３に２次元図で示すフレームワークとしてデザインされている。 詳細には、装置ナセルはメイン・フレーム２００の外部支柱に取り付けられている。 またメイン・フレームは、ダイレクト・ドライブ発電機１９５を支持している。

本明細書で説明する典型的な実施形態によれば、メイン・フレームのデザインは、フレームワークとして、たとえば、支柱が節において接続される共通鉄道橋のフレームワークのように行なわれる。 支柱のほとんどは平行に配置されて、メイン・フレームの構造が容易に作製されるようになっている。

さらなる典型的な実施形態では、メイン・フレームはスペース・フレームとしてデザインされ、スペース・フレームの異なる部品における力が小さくなるデザインとなっている。 スペース・フレームは、数個の支柱のみが平行に配置されているか、または平行な支柱が全くない。 スペース・フレームの支柱は主に、スペース・フレームに作用する力の軌跡に従っている。

図４では、下部ヨー・ベアリング１７０と嵌合するヨー・ドライブ２２０を示す。 下部ヨー・ベアリング１７０は、ヨー・ドライブ２２０の歯と嵌合する歯を備えている。 ヨー・ドライブ２２０を用いて、メイン・フレーム２００を伴う装置ナセル１２０をタワー１１０の周りで回転させることができる。 この結果、ロータ・ブレード１４０を伴うハブ１３０の配向を、風力エネルギー・システム１００が風向に対して最適位置になるように行なうことができる。

典型的な実施形態では、１つのヨー・ドライブを用いて、装置ナセル、ハブ、およびロータ・ブレードを位置合わせしている。 １つのヨー・ドライブで、装置ナセルの位置合わせに対して十分とすることができ、風力エネルギー・システム全体のコストを削減することができる。 典型的な実施形態では、単一のヨー・ドライブが下部ヨー・ベアリングと嵌合している。 さらなる典型的な実施形態では、単一のヨー・ドライブが上部ヨー・ベアリングと嵌合している。 ヨー・ドライブの位置は、ナセル内の利用可能なスペースに基づいて選ぶことができる。

本明細書で説明する他の典型的な実施形態では、２つ以上のヨー・ドライブを用いて装置ナセルを位置合わせする。 ２つのヨー・ドライブを用いると、各ヨー・ドライブが受ける力が小さくなる。 通常、１つのヨー・ドライブが、対応するヨー・ベアリング（たとえば、上部ヨー・ベアリングとやり取りするための上部ヨー・ドライブ、および下部ヨー・ベアリングとやり取りするための下部ヨー・ドライブ）の近くに配置される。 本明細書で説明するすべての実施形態と組み合わせることができる可能な実施形態によれば、ヨー・ベアリング当たり複数のヨー・ドライブを設ける。 ヨー・ドライブはたとえば、油圧モータまたは電気モータとすることができる。

ハブ１３０は水平回転軸の周りに回転する。 シャフト１５０および発電機１６０は普通、回転軸と位置合わせされている。 図３Ａおよび３Ｂに示す実施形態では、風力エネルギー・システム１００は、回転軸が水平になるように構成されている。

図３Ａおよび３Ｂに示す実施形態では、タワーは下部ヨー・ベアリング１７０を通って延びている。 下部ヨー・ベアリング１７０および上部ヨー・ベアリング１８０を、中空シャフトによって接続しても良い。 図３Ａおよび３Ｂに、中空シャフトを典型的に中空シャフト２５０として示す。 中空シャフトはタワー１１０の一体部分であっても良い。 したがって、人がタワー１１０を通ってヨー・ベアリング１７０を通って、タワー１１０の下部部分から中空シャフト２５０に入ることができる。

典型的な実施形態では、タワーは下部ヨー・ベアリングを通って延びて、上部ヨー・ベアリングで終わる。 したがって、タワーが、下部ヨー・ベアリングと上部ヨー・ベアリングとの間に中空シャフトを形成する。 本明細書で説明する他の典型的な実施形態では、分離された中空シャフトと、タワーと中空シャフトとの間のフランジ接続部とを用いる。 フランジ接続部は、下部ヨー・ベアリングまたはその近くに配置される。

図３Ｂでは、下部ヨー・ベアリングと上部ヨー・ベアリングとの間の中空シャフト２５０は、出入口２６０を備えている。 出入口２６０を用いて、ナセル１２０に、タワー１１０および中空シャフト２５０から入ることができる。 また中空シャフト２５０を、ナセル１２０の屋根から、屋根出口ハッチ２７０を経由して入れることができる。 屋根出口ハッチ２７０は、上部ヨー・ベアリング１８０の近くの中空シャフト２５０の上端に配置されている。

本明細書で説明する典型的な実施形態では、中空シャフト内に入口または出入口が、タワーからナセルに入るために設けられている。 ナセルに入ることが容易になっている。 他の実施形態においては、単純な開口部を用いてタワーからナセル内に進むことができるようになっている。 中空シャフトとタワーとの間に、マンホール・カバー付きのマンホールを配置することができる。 他の実施形態においては、タワーは単に下部ヨー・ベアリングを貫通しているだけである。 通常、１つのヨー・ベアリングを、タワーからナセルに入るための入口の上方に配置し、１つのヨーを入口の下方に配置する。

典型的な実施形態では、タワー内部の下部ヨー・ベアリングの高さに、タワーを補強するために支柱が設けられている。 下部ヨー・ベアリングの領域では、強い力を取り扱わなければならない。 したがって、支柱があれば、下部ヨー・ベアリングからタワー内に力がより良好に案内される。 本明細書で説明する他の典型的な実施形態では、中空シャフトの内部に補強板を設けて、中空シャフトを下部ヨー・ベアリングの箇所で補強している。 補強板にはマンホールがあっても良い。

典型的な実施形態では、中空シャフトまたは上部ヨー・ベアリングの最上部に屋根出口ハッチを備えている。 屋根出口ハッチがあることによって、オペレータは、タワーおよび中空シャフトを離れて、装置ナセルの最上部に乗ることができる。 他の実施形態では、屋根出口が、装置ナセルの屋根に、中空シャフトから離れて配置されている。 典型的な実施形態では、出口が装置ナセルの側壁の一方に配置されている。

図５に、本開示によるヨー・ベアリングおよび風力エネルギー・システムの典型的な実施形態を概略的に示す。 図５では、図面を明瞭にするために、図３に示す部品の一部が省略されている。 詳細には、ダイレクト・ドライブ発電機と、ハブをダイレクト・ドライブ発電機および何らかの他の部品に接続するシャフトとが省略されている。

図５に示す実施形態が、図３に示す実施形態と異なっている点は、図５に示す風力エネルギー・システムのメイン・フレームが、スペース・フレーム２８０としてデザインされていることである。 スペース・フレーム２８０は、複数の湾曲した支柱を有しており、スペース・フレーム２８０の輪郭を装置ナセルの形の良い外殻が容易に覆えるようになっている。 またスペース・フレーム２８０の支柱は、切欠き応力を最小にして疲労問題を軽減するようにデザインされている。 図５はスペース・フレームの概略的な３次元図である。 図６に、スペース・フレームを、ワイヤ・フレーム・モデルとして、より詳細に例示する。 さらに、図５および６には、内部に配置されたヨー・ベアリング、中空シャフト、および出入口も概略的に示す。

典型的な実施形態では、スペース・フレームをメイン・フレームとして備えている。 典型的な実施形態のスペース・フレームによって、剛性の向上を実現することができる。 典型的な実施形態の２つのベアリングと組み合わせれば、タワー・クリアランスを長くすることができる。 タワー・クリアランスが長くなれば、それほど頑強ではない、したがってより安価なロータ・ブレードを用いることができる。 他の典型的な実施形態では、３次元フレームを用いて剛性の向上を図っている。

図７に、本開示によるヨー・ベアリング・システムおよび風力エネルギー・システムの典型的な実施形態の部品を概略的に示す。 図７に示す実施形態は、台板２９０を備えている。 台板２９０は、下部ヨー・ベアリング１７０および上部ヨー・ベアリング１８０によってタワー１１０に接続されている。 台板２９０は、下部ヨー・ベアリング１７０および上部ヨー・ベアリング１８０に接続されるように適合されている。 やはり、図７では、台板２９０およびヨー・ベアリング１７０、１８０の配置を示すために、風力エネルギー・システム１００の一部の部品が省略されている。

典型的な実施形態では、台板をタワーに接続する２つのヨー・ベアリングは通常、少なくとも２０ｃｍまたは５０ｃｍの垂直距離で配置されている。 さらなる実施形態では、３つのヨー・ベアリングで台板をタワーに接続している。

図８に、風力エネルギー・システム１００の実施形態を概略的に示す。 図８の風力エネルギー・システム１００は、タワー最上部分が前傾している風力エネルギー・システムである。 風力エネルギー・システム１００は、下部ヨー・ベアリング１７０および上部ヨー・ベアリング１８０を備えている。 ２つのヨー・ベアリング１７０、１８０間の距離は、ヨー・ベアリング１７０、１８０上の負荷を減らすように、０．２ｍ〜１．０ｍ、たとえば０．５ｍである。

図９に、風力エネルギー・システム１００の実施形態を概略的に示す。 図９の風力エネルギー・システム１００は、下部ヨー・ベアリング１７０および上部ヨー・ベアリング１８０を備えている。 ヨー・ベアリング間の距離は０．２ｍ〜１．０ｍ、たとえば０．５ｍである。

前傾したタワー最上部分を設ける典型的な実施形態では、２つのヨー・ベアリング間の距離として少なくとも０．５ｍを示す。 他の実施形態での距離は少なくとも１．０ｍである。 距離が長くなるほど、負荷の分割が良好になる。

典型的な実施形態では、前傾したタワー最上部分を設けている。 これらの実施形態では、タワー・クリアランスがより長い。 さらに、タワー・クリアランスが長くなったことで、ロータ・ブレードの剛性を小さくすることができるか、またはロータ・ブレードの長さを長くすることができる。 さらに、円錐角を小さくすることができる。 他の典型的な実施形態では、タワーの最上部の中間位置に配置されたナセルを用いる。 一般的に、典型的な実施形態では、そのヨー・ベアリング・システムによってタワー・クリアランスを長くできる可能性が得られる。 ヨー・ベアリング・システムは、より高い負荷およびより高い曲げモーメントを取り扱うことが、特に傾斜軸に対して可能である。 したがって、典型的な実施形態を、タワー・クリアランスを長くして、風力エネルギー・システムのＡＥＰ（年間発電量）を増加させる処置を講じるために用いることができる。

この書面の説明では、実施例を用いて、本発明を、ベスト・モードも含めて開示するとともに、どんな当業者も本発明を作りおよび用いることができるようにしている。 本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明を請求項の趣旨および範囲内の変更を伴って実施することができる。 特に、前述した実施形態の相互に非排他的な特徴を互いに組み合わせても良い。 本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定められるとともに、当業者に想起される他の実施例を含んでいても良い。 このような他の実施例は、請求項の文字通りの言葉使いと違わない構造要素を有するか、または請求項の文字通りの言葉使いとの差が非実質的である均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内であることが意図されている。