ヨーシステム
風力タービンの ヨーシステムは、風力タービンのローターを風の方向に向ける役割を担うコンポーネントです。
歴史
歴史的な風車において、ローターを風に向かわせるという課題は既に複雑なものでした。風に「向き合う」ために回転する最初の風車は18世紀半ばに登場しました。[ 1 ]回転可能なナセルは、動物の脂肪で潤滑された原始的な木製の滑走軸受けを使用して、風車の主構造に取り付けられていました。必要なヨートルクは、動物の力、人力、あるいは風力（ファンテイルと呼ばれる補助ローターの設置） によって生み出されました。
垂直軸風力タービン（VAWT）は、垂直ローターがどの方向からの風にも向き合うことができ、その自己回転によってのみブレードに空気の流れの明確な方向を与えるため、ヨーシステムを必要としません。[ 1 ]しかし、水平軸風力タービン（HAWT）は、ローターを風の方向と反対に向ける必要があり、パッシブまたはアクティブヨーシステムによってこれを実現します。
水平軸風車（HAWT）は、受動型または能動型のヨーシステムを採用しています。受動型と能動型のどちらにも長所と短所があり、風力タービンのサイズ、コスト、運用目的に応じて最適な設計を見つけるために、様々な設計ソリューション（受動型と能動型の両方）が検討されています。
種類
アクティブヨーシステム
アクティブヨーシステムには、風向センサーからの自動信号または手動作動（制御システムのオーバーライド）に基づいて、風力タービンのナセルを固定タワーに対して回転させることができる何らかのトルク生成デバイスが装備されています。アクティブヨーシステムは、いくつかの例外（Vergnetなど）を除き、すべての最新の中型および大型風力タービンの最先端技術であると考えられています。最新のアクティブヨーシステムのさまざまなコンポーネントは設計特性に応じて異なりますが、すべてのアクティブヨーシステムには、ナセルとタワー間の回転可能接続手段（ヨーベアリング）、ローター方向のアクティブ変更手段（ヨードライブ）、ナセルの回転を制限する手段（ヨーブレーキ）、および風向センサー（風向計など）からの信号を処理し、作動機構に適切なコマンドを与える制御システムが含まれます。
アクティブヨーシステムの最も一般的なタイプは次のとおりです。
- ローラーヨーベアリング- 電動ヨー駆動装置- ブレーキ：ナセルはローラーベアリングに取り付けられており、方位回転は複数の強力な電動駆動装置によって実現されます。方向転換が完了すると、油圧ブレーキまたは電動ブレーキがナセルの位置を固定します。これにより、バックラッシュによる風力タービン部品の摩耗や高い疲労負荷を回避します。この種のシステムはほとんどの風力タービンメーカーで採用されており、信頼性と効率性が高いと考えられていますが、同時に非常に大きく高価です。
- ローラーヨーベアリング- 油圧ヨー駆動：ナセルはローラーベアリング上に搭載され、方位角回転は複数の強力な油圧モーターまたはラチェット油圧シリンダーによって実現されます。油圧駆動によるヨーシステムの利点は、高いパワーウェイトレシオや高い信頼性など、油圧システム本来の利点に関係しています。しかし、油圧システムには、作動油の漏れや高圧油圧バルブの詰まりといった問題が常につきものです。油圧ヨーシステムでは、多くの場合（システム設計によって異なりますが）、ヨーブレーキ機構を廃止し、遮断弁に置き換えることも可能です。
- グライディングヨーベアリング- 電動ヨー駆動：ナセルは摩擦ベースのグライディングベアリング上に搭載され、方位回転は複数の強力な電動駆動装置によって実現されます。ヨーブレーキは不要となり、ヨーシステムのサイズ（すなわち風力タービンのサイズ）によっては、グライディングベアリングコンセプトにより大幅なコスト削減が実現します。
- グライディングヨーベアリング- 油圧ヨー駆動：ナセルは摩擦ベースのグライディングベアリングに取り付けられ、方位角回転は複数の強力な油圧モーターまたはラチェット式油圧シリンダーによって実現されます。このシステムは、前述のグライディングベアリングシステムと油圧モーターシステムの特徴を兼ね備えています。
パッシブヨーシステム
パッシブヨーシステムは、風力を利用して風力タービンのローターの向きを風向に調整します。最もシンプルな形態では、タワーとナセルを繋ぐシンプルなローラーベアリングと、ナセルに取り付けられたテールフィンで構成され、テールフィンはナセルに「補正」トルクを与えることで風力タービンのローターを風向に向けます。したがって、風力によってローターの回転とナセルの向きが決まります。一方、ダウンウィンド型タービンの場合は、ローター自体がナセルを風向に向けることができるため、テールフィンは必要ありません。斜めの風が吹く場合、受風面にかかる「風圧」によってタワー軸（Z軸）周りのヨーモーメントが発生し、ローターの向きが調整されます。[ 1 ]
テールフィン（または風向計）は、低コストで信頼性の高いソリューションであるため、小型風力タービンで広く使用されています。しかし、大型風力タービンのナセルをヨーイングするために必要な大きなモーメントには対応できません。一方、ダウンウィンド型タービンローターの自動配向は、大型風力タービンにも適用可能なコンセプトです。フランスの風力タービンメーカーであるVergnetは、中型および大型の自動配向ダウンウィンド型風力タービンを複数製造しています。
パッシブヨーシステムは、ジャイロスコープ負荷の増加を回避するため、ナセルが急激な風向変化に追従して過度のヨー角運動を起こさないように設計する必要があります。さらに、ローター回転中の慣性モーメントの変化によって周期的に発生する低振幅ヨー角により、低摩擦のパッシブヨーシステムでも大きな動的負荷がかかります。この影響は、ブレード枚数の減少に伴いさらに顕著になります。
最も一般的なパッシブ ヨー システムは次のとおりです。
- ローラーベアリング（フリーシステム）：ナセルはローラーベアリングに取り付けられており、どの方向にも自由に回転します。必要なモーメントは、テールフィンまたはローター（ダウンウィンド型風力タービン）から供給されます。
- ローラーベアリングブレーキ（セミアクティブシステム）：ナセルはローラーベアリングに取り付けられており、どの方向にも自由に回転しますが、必要な方向に到達すると、アクティブヨーブレーキがナセルの回転を停止します。これにより、制御不能な振動が防止され、ジャイロスコープ負荷と疲労負荷が軽減されます。
- グライディングベアリング／ブレーキ（受動システム）：ナセルはグライディングベアリングに取り付けられており、どの方向にも自由に回転します。グライディングベアリングの固有の摩擦により、準能動的な動作が実現されます。
コンポーネント
ヨーベアリング
ヨーシステムの主要コンポーネントの一つはヨーベアリングです。ヨーベアリングシステムは、ブレードを風向に合わせる役割を果たします。このシステムは、リングギア、ヨーモーター、ヨーベアリングクランプアセンブリで構成されています。[ 2 ]
ヨーベアリングはローラー型またはグライディング型で、風力タービンのタワーとナセル間の回転可能な接続部として機能します。ヨーベアリングは非常に高い荷重に耐えられる必要があり、ナセルとローターの重量（数十トン単位）に加え、風の運動エネルギーを取り出す際にローターによって発生する曲げモーメントも含まれます。
ヨードライブ
ヨー駆動装置はアクティブヨーシステムにのみ搭載され、風力タービンナセルを能動的に回転させる手段です。各ヨー駆動装置は、強力な電動モーター（通常はAC ）とその電動駆動装置、そしてトルクを増大させる大型のギアボックスで構成されています。最大のヨー駆動装置の最大静的トルクは200,000Nmで、ギアボックスの減速比は2000:1です。[ 3 ]そのため、現代の大型タービンのヨー回転は比較的遅く、360°回転するのに数分かかります。
ヨーブレーキ
ヨーベアリングの回転を安定させるには、ブレーキが必要です。この課題を解決する最も簡単な方法の一つは、ヨー駆動部に一定の小さな反トルクをかけることです。これにより、ギアリムとヨー駆動ピニオン間のバックラッシュが除去され、ローターの回転によるナセルの振動が防止されます。しかし、この動作は電動ヨー駆動部の信頼性を大幅に低下させるため、最も一般的な解決策は油圧式ディスクブレーキの導入です。
ディスクブレーキは、平らな円形のブレーキディスクと、油圧ピストンとブレーキパッドを備えた複数のブレーキキャリパーを必要とします[1] Archived 2009-06-19 at the Wayback Machine 。油圧ヨーブレーキはナセルを所定の位置に固定できるため、ヨー駆動装置の負担を軽減します。しかし、ヨーブレーキのコストに加え、油圧設備（ポンプ、バルブ、ピストン）が必要であり、潤滑油の汚染に敏感なブレーキパッドの近くに設置する必要があるため、しばしば問題となります。
いくつかの利点を持つ妥協案として、電動ヨーブレーキの使用が挙げられます。これは、従来のブレーキの油圧機構を電気機械式ブレーキキャリパーに置き換えたものです。電動ヨーブレーキの使用により、油圧漏れの複雑さと、それがヨーブレーキの作動に及ぼす問題が解消されます。[ 4 ]
いくつかの風力タービン設計・製造企業は、既存システムの欠点を解消し、システムコストを削減するために、代替的なヨーブレーキ方式を試行しています。これらの代替方式の一つは、必要なヨーブレーキモーメントを得るために空気圧を利用することです。この場合、滑走面の一部（通常は軸方向、より広い面積を確保するために）が、ヨーブレーキパッドと空気圧ブレーキ機構を収容するために利用されます。空気圧アクチュエータは、従来の空気圧シリンダー、または加圧空気の供給によって膨張するフレキシブルエアチャンバーのいずれかです。このような装置は、広い有効面積により非常に高い制動力を発揮できます。これは、信頼性が高く低コストなソリューションである、シンプルな工業用空気圧圧縮システム（6～10 bar、600～1,000 kPa、87～145 psi）によって実現されます。さらに、万が一オイル漏れが発生した場合でも、油圧オイル漏れの場合と比較して環境への影響は実質的にゼロです。最後に、ブレーキアクチュエータは軽量プラスチック材料から非常に低コストで製造できるため、システム全体のコストが大幅に削減されます。
ヨーベーン（パッシブシステム）
ヨーベーン（またはテールフィン）は、受動ヨー機構を備えた小型風力タービンにのみ使用されるヨーシステムの構成部品です。これは、長い梁を介してナセルに取り付けられた単なる平面です。フィンの大きな表面積と長い梁の組み合わせにより、ローターの安定化ジャイロ効果にもかかわらず、ナセルを回転させることができる大きなトルクが生成されます。しかし、大型風力タービンをヨーイングさせるにはテールフィンに必要な表面積が非常に大きいため、このような装置の使用は経済的ではありません。
参照
参考文献
- ^ a b c風力発電所、R. ガッシュおよび J. トゥレ、Solarpraxis、ISBN 3-934595-23-5
- ^ https://www.cbmconnect.com/yaw-bearing-system-fault-detected/
- ^ 「Bonfiglioli Power & Control Solutions」 。 2009年4月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年8月7日閲覧。
- ^ Hanning & Kahl GmbH アジムットブレムセン
さらに読む
- 風力発電所、R. Gasch および J. Twele、Solarpraxis、ISBN 3-934595-23-5
- 風力エネルギーハンドブック、T.バートン[他]、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、ISBN 0-471-48997-2
- 風力タービンの作り方 - 軸流風車設計図、H.ピゴット・スコライグウィンド
