風力タービンの基本構造

風力タービンの主要部品

風力タービンの塔

塔は風力タービンにおいて非常に重要な部分であり、他のすべての部品を支えます。塔はタービンを支えるだけでなく、回転中にブレードの先端が安全な高さになるようにタービンを十分な高さまで上げます。それだけでなく、強力な風を得るために塔の高さを維持する必要があります。塔の高さは最終的には風力タービンの発電容量に依存します。商業用風力発電所のタービンの塔は通常、40メートルから100メートルの範囲です。これらの塔は円筒形の鋼鉄製の塔、格子状の塔、またはコンクリート製の塔である可能性があります。大型風力タービンには円筒形の鋼鉄製の塔を使用します。これらは通常、30〜40メートルの長さのセクションで製造されます。各セクションには穴のあるフランジがあり、これらのセクションは現場でナットとボルトを使って組み立てられます。完全な塔は、より良い機械的安定性を提供するために少し円錐形になっています。格子状の塔は、鋼やGI角パイプなどの異なる部材で組み立てられます。すべての部材は、ボルトや溶接によって必要な高さの完全な塔を形成します。これらの塔のコストは鋼製円筒形塔よりもずっと低いですが、見た目は鋼製円筒形塔ほど良くありません。輸送、組立、メンテナンスは比較的簡単ですが、現代の風力タービンプラントではその見た目のため格子状の塔の使用は避けられています。小型風力タービンに使用される別のタイプの塔としてガイドポール塔があります。ガイドポール塔は、異なる方向からのガイドワイヤーで支えられる単一の垂直ポールです。多くのガイドワイヤーがあるため、塔の基礎部分へのアクセスが困難です。そのため、農地ではこのタイプの塔は避けています。

小型プラントに使用されるもう一つのタイプの風力タービン塔はハイブリッド型塔です。ハイブリッド型塔もガイド型塔ですが、唯一の違いは中央に単一のポールを使用せず、細くて高い格子状の塔を使用することです。ハイブリッド型塔は格子状塔とガイド型塔の両方のハイブリッドです。

風力タービンのナセル

ナセルは、塔の上に設置され、風力タービンのすべての部品を収容する大きな箱またはキオスクです。ナセル内には電気発電機、パワーコンバータ、ギアボックス、タービンコントローラ、ケーブル、ヨウドライブが収められています。

風力タービンのローターブレード

ブレードは風力タービンの主要な機械部品です。ブレードは風エネルギーを有用な機械エネルギーに変換します。風がブレードに当たると、ブレードは回転し、その機械エネルギーがシャフトに移されます。ブレードは航空機の翼のように設計されています。風力タービンのブレードは40メートルから90メートルの長さがあります。ブレードは、嵐のときでも強い風に耐えられるだけの機械的な強度が必要です。同時に、ブレードはできるだけ軽く作られることで、ブレードの滑らかな回転を可能にします。そのため、ブレードはガラス繊維と炭素繊維の層を合成強化材で作られています。

現代のタービンでは、通常、3つの同一のブレードがナットとボルトを使用して中央のハブに取り付けられます。各ブレードは互いに120oずつ配置されます。このプロセスにより、質量の分布が改善され、システムの回転がより滑らかになります。

風力タービンのシャフト

ハブに直接接続されたシャフトは低速シャフトです。ブレードが回転すると、このシャフトは回転するハブと同じRPMで回転します。低速発電機の場合、このシャフトは直接電気発電機に接続されます。しかし、ほとんどの場合、低速主シャフトはギアボックスを通じて高速シャフトと連動しています。このようにして、ローターブレードはその機械エネルギーをシャフトに移し、最終的に電気発電機に入ります。

ギアボックス

風力タービンは高速で回転するのではなく、低速でゆっくりと回転します。しかし、ほとんどの電気発電機は所望の電圧レベルで電力を生成するために高速回転が必要です。したがって、発電機シャフトの高速化を達成するための速度増加装置が必要です。風力タービンのギアボックスはこれを実現します。ギアボックスは速度を大幅に増加させます。例えば、ギアボックス比が1:80で、低速主シャフトのRPMが15の場合、ギアボックスは発電機シャフトの速度を15 × 80 = 1200 RPMに増加させます。

発電機

発電機は、シャフトから受け取った機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機器です。通常、現代の風力タービンでは誘導発電機を使用しています。以前は同期発電機がこの目的で人気がありました。永磁直流発電機もいくつかの風力タービンで使用されています。ギアボックスアセンブリを使用することでシャフトの速度を高くすることができますが、シャフトの速度を一定にすることはできません。風速によってシャフトの速度が変動する可能性があるため、ロータの速度も変動します。この変動は発電電力の周波数や電圧に影響します。これらの問題を克服するために、通常はこの目的に誘導発電機を使用します。

誘導発電機は、ロータの速度に関係なく常に接続されたグリッドに同期して電力を生成します。三相同期発電機を使用する場合、出力電力をDCに整流し、その後インバータ回路を使用して所望の電圧と周波数のACに変換します。同期発電機によって生成される交流電力は、ロータの速度に応じて電圧と周波数が一定ではないためです。同様の理由で、一部のケースではDC発電機を使用します。これらのケースでは、発電機からの出力DC電力をグリッドに供給する前に、所望の電圧と周波数のACに変換します。

パワーコンバータ

風は常に一定ではありませんので、発電機から生成される電気の電位も一定ではありませんが、グリッドに供給するためには非常に安定した電圧が必要です。パワーコンバータは、グリッドに転送される交流出力電圧を安定させる電気機器です。

タービンコントローラ