JP2004162652A

JP2004162652A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2004162652A
Application number: JP2002331285A
Authority: JP
Inventors: Takahito Tanigawa; 貴仁谷川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】装置全体を大型化することなく、一定の発電量を常に安定的に供給することができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風を受けて回転するロータ２と、このロータ２の回転力によって駆動する発電機６とを備えた風力発電装置において、ロータ２と発電機６との間にトロイダル型無段変速機４と遊星歯車機構３０とで構成される無断変速装置３２が配置され、ロータ２の回転がこの無断変速装置３２によって変速されて発電機６に伝達される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力により風車を回転させて発電機を駆動する風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自然エネルギを利用した風力発電が、環境問題を考慮した発電方法として利用されている。この発電方法は、自然の風力を利用するため、発電機を駆動させる風車の回転が一定しない。そのため、変速機を用いて風車の回転数を変速させることにより、一定量の電力を安定供給できるようにする技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）。
【特許文献１】
特開平６−２００８６４号公報
【特許文献２】
特開平２００２−１４７３３４号公報
【特許文献３】
特開平２−１５７４８３号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の変速機を用いた風力発電技術をもってしても、一定しない風力から安定した発電量を得ることは難しい。特に、風速が小さい時に、必要とされる最大の電力を発電しようとすると、風力発電装置自体が大型化してしまうという問題がある。
【０００４】
また、大型の風車に変速機を適用すると、変速機も大型化してしまい、装置全体が益々大型化してしまう。
【０００５】
また、発電した電力を、一旦、電池に貯蔵して、電池から電力を供給することにより、安定した電力供給を行なえるようにすることも考えられるが、発電機の充電電圧が電池の充電電圧を越えるまで充電することはできないため、風速が小さい時には、エネルギ利用効率が低くなってしまう可能性がある。
【０００６】
本発明は、前記事情に着目してなされたものであり、装置全体を大型化することなく、一定の発電量を常に安定的に供給することができる風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された風力発電装置は、風を受けて回転するロータと、このロータの回転力によって駆動する第１の発電機とを備えた風力発電装置において、前記ロータと前記第１の発電機との間に無段変速装置が配置され、前記ロータの回転軸と前記無段変速装置の入力軸とが回転自在に連結されるとともに、前記無段変速装置の出力軸と前記第１の発電機の駆動軸とが回転自在に連結され、前記無段変速装置は、入力側ディスクおよび出力側ディスクを備えたトロイダル型無段変速機と、遊星歯車機構とを組み合わせることによって構成され、前記遊星歯車機構は、太陽歯車と、この太陽歯車の周囲に配置されたリング歯車と、前記太陽歯車と前記リング歯車との間に位置してこれらの歯車に噛合され且つ太陽歯車と同心を成す回転可能なキャリアに回転自在に支持された遊星歯車とを備え、前記ロータの回転力は、前記トロイダル型無段変速機を介して動力を伝達する第１の動力伝達系と、前記トロイダル型無段変速機を介さないで動力を伝達する第２の動力伝達系とによって伝達され、これら２つの動力伝達系は、前記太陽歯車、前記リング歯車、前記キャリアのうちの２つの部材にそれぞれ結合され、前記太陽歯車、前記リング歯車、前記キャリアのうちの残る１つの部材には前記出力軸が結合され、前記第１および第２の動力伝達系を同時に使用することにより前記ロータの回転力が前記第１の発電機に伝達されることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載された発明においては、トロイダル型無段変速機と遊星歯車機構とで構成される変速装置を利用することにより、トロイダル型無段変速機に入力されるトルクを軽減することができるため、トロイダル型無段変速機の小型軽量化が可能になり、変速装置の小型化が可能となる。
【０００９】
請求項２に記載された風力発電装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１の動力伝達系の途中に結合された第２の発電機と、この第２の発電機で発電された電力を蓄電する二次電池とを更に備え、前記二次電池に蓄電された電力を前記第１の発電機で発電された電力と共に供給することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載された発明においては、トロイダル型無段変速機と遊星歯車機構とで構成される変速装置と、２台の発電機と、二次電池とを組み合わせて使用することによって、電力の需要量が変動した場合でも安定した電力供給を実現しながら、ロータの設備を小型化することが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示している。図示のように、本実施形態の風力発電装置は、風を受けて回転するロータ（例えば風車）２の回転軸８と発電機６の駆動軸１４との間に、トロイダル型無段変速機４と遊星歯車機構３０とを組み合わせた無段変速装置３２が、動力の伝達方向に沿って直列に組み込まれている。
【００１２】
トロイダル型無段変速機４は、例えば実開昭６２−７１４６５号公報、実願昭６３−６９２９３号（実開平１−１７３５５２号）のマイクロフィルム、特開平１−１６９１６９号公報、特開平１−３１２２６６号公報、特開平１０−１９６７５９号公報、特開平１１−６３１４６号公報等、多数の文献に記載されている従来から広く知られているものである。図示の例では、トロイダル型無段変速機４として、それぞれ２個ずつの入力側ディスク１８，１８と出力側ディスク２０，２０とを、動力の伝達方向に関して互いに並列に配置した、所謂ダブルキャビティ型のものを使用している。
【００１３】
各入力側ディスク１８，１８と各出力側ディスク２０，２０との間にはパワーローラ２９がそれぞれ複数個ずつ挟持されている。ロータ２の回転軸８が回転すると、ローディングカム等の押圧装置の働きにより、各入力側ディスク１８，１８がそれぞれ各出力側ディスク２０，２０に対して押圧されつつ回転する。そして、各入力側ディスク１８，１８の回転が、パワーローラ２９を介して、出力側ディスク２０，２０に伝達される。各出力側ディスク２０，２０の回転は、出力歯車１２から取り出される。
【００１４】
無段変速装置３２は、特開平１−１６９１６９号公報、特開平１−３１２２６６号公報、特開平１０−１９６７５９号公報、特開平１１−６３１４６号公報等に記載されているように、駆動力を遊星歯車機構３０で伝達し、トロイダル型無段変速機４を遊星歯車機構３０の変速比を変えるために利用することにより、トロイダル型無段変速機４に加わるトルクの低減を図る、所謂動力循環型のものである。この無段変速装置３２は、トロイダル型無段変速機４を通過するトルクを小さくして、トロイダル型無段変速機４の各構成部材の耐久性を向上させることができる。
【００１５】
この無段変速装置３２は、ロータ２の回転軸８と入力軸１０とを結合するとともに、入力軸１０の回転に基づく動力を取り出すための出力軸３４を、前記入力軸１０と同心に配置している。そして、これら入力軸１０と出力軸３４との間に、トロイダル型無段変速機４および遊星歯車機構３０を同心に設けている。
【００１６】
また、入力軸１０および出力軸３４の側方には、第１の動力伝達系（経路）３６を構成する第１の伝達軸３８と、第２の動力伝達系（経路）４０を構成する第２の伝達軸４２とが、前記両軸１０，３４と平行に設けられている。このうち、第１の動力伝達系３６は、入力軸１０に入力された動力を、トロイダル型無段変速機４を介して伝達するもので、第１の伝達軸３８の一端部（図１の左端部）に固定された歯車４４がトロイダル型無段変速機４の出力歯車１２に噛合されている。また、第１の伝達軸３８の他端部（図１の右端部）は、歯車４６，４８，５０を介して、遊星歯車機構３０を構成するキャリア５２に結合されている。これにより、入力軸１０の回転時に、キャリア５２がトロイダル型無段変速機４を介して回転駆動される。また、キャリア５２の回転速度は、入力軸１０の回転速度が一定であっても、トロイダル型無段変速機４の変速比を変えることにより調節自在である。
【００１７】
これに対して、第２の動力伝達系４０は、入力軸１０に入力された動力を、トロイダル型無段変速機４を介することなく伝達するもので、第２の伝達軸４２の一端部（図１の左端部）に固定された歯車５４が入力軸１０に固定された歯車５６に噛合されている。また、第２の伝達軸４２の他端部（図１の右端部）は、歯車５８，６０および中心軸６２を介して、遊星歯車機構３０を構成するリング歯車６４に結合されている。これにより、入力軸１０の回転時に、リング歯車６４が入力軸１０の回転速度に比例した回転速度で回転駆動される。
【００１８】
遊星歯車機構３０を構成する太陽歯車６６は、出力軸３４の入力側端部（図１の左端部）に固定されている。したがって、出力軸３４は、太陽歯車６６の回転に伴って回転する。この太陽歯車６６の周囲には、リング歯車６４が、太陽歯車６６と同心に且つ回転自在に支持されている。そして、このリング歯車６４の内周面と太陽歯車６６の外周面との間に、複数個（通常は３〜４個）の遊星歯車組６８，６８が設けられている。図示の例では、これら各遊星歯車組６８，６８はそれぞれ、一対の遊星歯車７０ａ，７０ｂを組み合わせて構成されている。これら一対の遊星歯車７０ａ，７０ｂは、互いに噛合すると共に、径方向外側に配置された遊星歯車７０ａがリング歯車６４に噛合され、径方向内側に配置された遊星歯車７０ｂが太陽歯車６６に噛合されている。
【００１９】
このように各遊星歯車組６８，６８をそれぞれ一対の遊星歯車７０ａ，７０ｂによって構成するのは、リング歯車６４の回転方向と太陽歯車６６の回転方向とを互いに一致させるためである。したがって、他の構成部分との関係で、これらリング歯車６４と太陽歯車６６との回転方向を一致させる必要がなければ、単一の遊星歯車をこれらリング歯車６４と太陽歯車６６との両方に噛合させても良い。前述のような遊星歯車組６８，６８は、キャリア５２の片側面（図２の左端部）に回転自在に支持されている。また、このキャリア５２は、出力軸３４の中間部の周囲で、この出力軸３４に対して回転自在に支持されている。
【００２０】
前述した構成の無段変速装置３２を組み込んだ本実施形態の風力発電装置にあっては、入力軸１０が回転すると、この回転力は、第２の動力伝達系４０を構成する第２の伝達軸４２および歯車５６，５４，５８，６０を介して、出力軸３４に伝達される。すなわち、入力軸１０が回転すると、この回転は、第２の動力伝達系４０を介して中心軸６２に伝わり、中心軸６２に固定されたリング歯車６４を回転させる。そして、このリング歯車６４の回転が複数の遊星歯車組６８，６８を介して太陽歯車６６に伝わり、太陽歯車６６に固定された出力軸３４が回転する。
【００２１】
リング歯車６４が入力側となる場合、遊星歯車機構３０は、各遊星歯車組６８，６８が停止している（太陽歯車６６の周囲で公転しない）と仮定すれば、リング歯車６４と太陽歯車６６との歯数の比に応じた変速比で増速を行なう。実際には、各遊星歯車組６８，６８は太陽歯車６６の周囲を公転するため、無段変速装置３２全体としての変速比は、これら各遊星歯車組６８，６８の公転速度に応じて変化する。そこで、トロイダル型無段変速機４の変速比を変えて、遊星歯車組６８，６８の公転速度を変えれば、無段変速装置３２全体としての変速比を調節できる。すなわち、ロータ２により発電機６を回転駆動する場合、各遊星歯車組６８，６８は、リング歯車６４と同方向に公転する。そして、これら遊星歯車組６８，６８の公転速度が遅いほど、太陽歯車６６を固定した出力軸３４の回転速度が遅くなる。例えば、公転速度とリング歯車６４の回転速度（何れも角速度）が同じになれば、リング歯車６４と出力軸３４の回転速度が同じになる。これに対して、公転速度がリング歯車６４の回転速度よりも遅ければ、リング歯車６４の回転速度よりも出力軸３４の回転速度が遅くなる。反対に、公転速度がリング歯車６４の回転速度よりも速ければ、リング歯車６４の回転速度よりも出力軸３４の回転速度が速くなる。したがって、発電機６を回転駆動する際には、トロイダル型無段変速機４の変速比を減速側に変化させるほど、無段変速装置３２全体の変速比は増速側に変化する。このような状態では、トロイダル型無段変速機４に、入力側ディスク１８，１８からではなく、出力側ディスク２０，２０からトルクが加わる。すなわち、ロータ２から入力軸１０に伝達されたトルクは、トロイダル型無段変速機４に組み込んだ押圧装置２２が入力側ディスク１８，１８を押圧する以前に、第２の動力伝達系４０を介して遊星歯車機構３０のリング歯車６４に伝達される。したがって、入力軸１０側から押圧装置２２を介して入力側ディスク１８，１８に伝達されるトルクが殆どなくなる。
【００２２】
一方、第２の動力伝達系４０を介して遊星歯車機構３０のリング歯車６４に伝達されたトルクの一部は、各遊星歯車組６８，６８から、キャリア５２および第１の動力伝達系３６を介して出力側ディスク２０，２０に伝わる。このように出力側ディスク２０，２０からトロイダル型無段変速機４に加わるトルクは、無段変速装置３２全体の変速比を増速側に変化させるべく、トロイダル型無段変速機４の変速比を減速側に変化させるほど小さくなる。この結果、発電機６を高速回転させる際に、トロイダル型無段変速機４に入力するトルクを小さくして、このトロイダル型無段変速機４の構成部品の耐久性向上を図れる。また、トロイダル型無段変速機４の寸法を大きくすることなく、大型の発電装置を設計することが可能になる。
【００２３】
以上のように、本実施形態の風力発電装置において、ロータ２の動力は、２つの動力伝達経路３６，４０を経由して遊星歯車機構３０に伝達される。この場合、第１の動力伝達経路３６においては、バリエータ部を経由してダブルピニオン遊星歯車のキャリア５２に動力が伝達され、一方、第２の動力伝達経路４０においては、ダブルピニオン遊星歯車のリング歯車６４に直接に動力が伝達される。そして、この動力の差分として太陽歯車６６が発電機６を駆動する。また、前述したように、このシステムにおいては、バリエータ部をＬＯＷ側にする（パワーローラ２９の周面を、入力側ディスク１８，１８の内径寄り部分と、出力側ディスク２０，２０の外径寄り部分とに当接させ、トロイダル型無段変速機４の変速比を減速側にする）と、太陽歯車６６が高速で回転し、逆に、バリエータ部をＨｉｇｈ側にする（パワーローラ２９の周面を、入力側ディスク１８，１８の外径寄り部分と、出力側ディスク２０，２０の内径寄り部分とに当接させ、トロイダル型無段変速機４の変速比を増速側にする）と、太陽歯車６６が低速で回転する。
【００２４】
従来の特許文献３のようなトロイダル型無段変速機４の利用形態にあっては、モータを一定の回転数にしようとする場合、風速が大きい時には、変速機４に大きなトルクが入力され、入力トルクが変速比によって大きく異なる。しかし、本実施形態のようなトロイダル型無段変速機４の利用形態にあっては、入力トルクが平滑化され、且つ、小さくなるため、トロイダル型無段変速機４を小型化することが可能となる。
【００２５】
図２は本発明の第２の実施形態を示している。なお、本実施形態において、第１の実施形態と共通する構成部分については、以下、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
本実施形態では、第１の動力伝達系（経路）３６の途中（具体的には、第１の伝達軸３８の一端）に、発電機（以下、第１の発電機という）６とは別個の第２の発電機７２がクラッチ７０を介して連結され、第２の発電機７２で発電された電力が二次電池７４に蓄電されるようになっている。それ以外の構成は、第２の実施形態と同一である。このような構成によれば、無風時や、風が弱い時に、第１の発電機６で発電した電力が需要量より不足した場合、二次電池７４に蓄電されている電気を供給することにより、電力供給を安定化させることができる。
【００２７】
本実施形態の場合、風が強い時には、ロータ２の回転数が高いため、トロイダル型無段変速機４をＨｉｇｈ側に変速し、減速して第１の発電機６を駆動させる。一方、第２の発電機７２は、ロータ２の速い回転を無駄にしないように、ロータ２の回転を増速させた出力側ディスク２０からの動力で駆動させる。この時、トロイダル型無段変速機４は、Ｈｉｇｈ側に変速しているため、第２の発電機７２を駆動させる負荷トルクが大きくなる。そのため、ロータ２の回転速度を下げ、ロータ２の回転数が大きくなり過ぎないようにすることができる。
【００２８】
逆に、ロータ２の回転数が低い時（無風時や、風が弱い時）には、トロイダル型無段変速機４をＬＯＷ側に変速し、ロータ２の回転を増速させて第１の発電機６を駆動させる。しかし、ロータ２の回転数が低すぎる場合、第１の発電機６での電力供給が一定の需要に対して対応できない場合がある。その場合には、第２の発電機７２からの電力を貯蔵した二次電池７４から電力供給を補うことが可能である。
【００２９】
第２の発電機７２および二次電池７４が無いと、風速が極小さい場合に、一定量の電力を発電させるには、ロータ２を大型化しなければならない。しかし、本実施形態の場合、第１の発電機６の発電量が不足する時に、二次電池７４から電力を補うことができるため、ロータ２を小型化しても、電力の安定供給が可能である。
【００３０】
また、第１の発電機６のみを使用して、風速が非常に大きな場合にも対応できるように、変速機４を設計した場合には、変速範囲を非常に広く取る必要があり、変速機４の大型化が避けられない。これに対し、本実施形態では、風速が非常に大きく、第１の発電機６の定格出力を超えるようなエネルギが入力された場合でも、第２の発電機７２を利用することによって、第１の発電機６のみを利用した場合には捨てなければならないエネルギも有効に利用することができる。また、二次電池７４が満充電時には、過充電を避けるため、クラッチ７０を切って第２の発電機７２を第１の動力伝達系３６から切り離すことにより、第２の発電機７２側に動力が入力されないようにすることができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態では、トロイダル型無段変速機４と遊星歯車機構３０とで構成される変速装置３２と、２台の発電機６，７２と、二次電池７４とを組み合わせて使用することによって、電力の需要量が変動した場合でも安定した電力供給を実現しながら、ロータ（風車）２の設備を小型化することが可能になる。
【００３２】
図３は本発明の第３の実施形態を示している。なお、本実施形態において、第２の実施形態と共通する構成部分については、以下、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３３】
本実施形態では、遊星歯車機構３０の太陽歯車６６からの出力によって、第２の発電機７２が駆動される。具体的には、出力軸３４に歯車７６，７８を介して第３の伝達軸８０が結合されており、この第３の伝達軸８０の端部にクラッチ７０を介して第２の発電機７２が結合されている。なお、それ以外の構成は、第２の実施形態と同一である。
【００３４】
このような構成によっても、第１の発電機６からの電力では足りない時に、二次電池７４から電力を供給することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載された発明によれば、トロイダル型無段変速機と遊星歯車機構とで構成される変速装置を利用することにより、トロイダル型無段変速機に入力されるトルクを軽減することができるため、トロイダル型無段変速機の小型軽量化が可能になり、変速装置を小型化することができる。
【００３６】
請求項２に記載された発明によれば、請求項１の発明と同様の作用効果が得られるとともに、トロイダル型無段変速機と遊星歯車機構とで構成される変速装置と、２台の発電機と、二次電池とを組み合わせて使用することによって、電力の需要量が変動した場合でも安定した電力供給を実現しながら、ロータの設備を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。
【符号の説明】
２ロータ
４トロイダル型無段変速機
６発電機
１８入力側ディスク
２０出力側ディスク
３０遊星歯車機構
３２無段変速装置
３６第１の動力伝達系
４０第２の動力伝達系
５２キャリア
６４リング歯車
６６太陽歯車

Claims

風を受けて回転するロータと、このロータの回転力によって駆動する第１の発電機とを備えた風力発電装置において、
前記ロータと前記第１の発電機との間に無段変速装置が配置され、前記ロータの回転軸と前記無段変速装置の入力軸とが回転自在に連結されるとともに、前記無段変速装置の出力軸と前記第１の発電機の駆動軸とが回転自在に連結され、前記無段変速装置は、入力側ディスクおよび出力側ディスクを備えたトロイダル型無段変速機と、遊星歯車機構とを組み合わせることによって構成され、前記遊星歯車機構は、太陽歯車と、この太陽歯車の周囲に配置されたリング歯車と、前記太陽歯車と前記リング歯車との間に位置してこれらの歯車に噛合され且つ太陽歯車と同心を成す回転可能なキャリアに回転自在に支持された遊星歯車とを備え、前記ロータの回転力は、前記トロイダル型無段変速機を介して動力を伝達する第１の動力伝達系と、前記トロイダル型無段変速機を介さないで動力を伝達する第２の動力伝達系とによって伝達され、これら２つの動力伝達系は、前記太陽歯車、前記リング歯車、前記キャリアのうちの２つの部材にそれぞれ結合され、前記太陽歯車、前記リング歯車、前記キャリアのうちの残る１つの部材には前記出力軸が結合され、前記第１および第２の動力伝達系を同時に使用することにより前記ロータの回転力が前記第１の発電機に伝達されることを特徴とする風力発電装置。
前記第１の動力伝達系の途中に結合された第２の発電機と、この第２の発電機で発電された電力を蓄電する二次電池とを更に備え、前記二次電池に蓄電された電力を前記第１の発電機で発電された電力と共に供給することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。