JP2007032420A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、コンパクトかつ高効率で発電を行うことができる発電装置を備えた風力発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明にかかる風力発電装置は、風力により回転する複数の風車翼２と、風車翼が取り付けられるロータヘッド１と、ロータヘッド１からの回転駆動力が伝達される回転軸３と、回転軸３により回転駆動される発電装置４とを備えた風力発電装置において、発電装置４は、同期発電機と誘導発電機とが固定子を共通として一体に形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。

近年、クリーンなエネルギーによって発電する装置として、風力を用いた風力発電装置が注目を集めている。このような風力発電装置として、例えば、特許文献１に示すように増速機付き同期型風力発電装置が知られている。

この増速機付き同期型風力発電装置によれば、風車翼と同期発電機との間に増速装置を設けることにより、回転軸の回転が増速されて回転子が高速回転し、周速度が速くなる。このため、回転子径を大きくしなくても、所要の発電出力が得られ、同期発電機を大型化することがないという利点がある。

特開２００１−３０４０９４号公報

しかしながら、通常同期発電機は、中空の回転子軸に取り付けられた回転子と、この回転子を取り囲むようにリング状の最外殻に配置された固定子とにより構成されている。このため、同期発電機自体が大径、かつ扁平構造となり、同期発電機の中心付近には空間が形成され、この空間は発電に寄与しないため、空間使用率が悪いという問題がある。

また、近年の風力発電装置の大型化、及び離島などの設置に適した風力発電装置の需要に伴い、輸送が容易、かつコンパクトな発電機、或いはメンテナンス効率の良い発電機を備えた風力発電装置の開発が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑み、コンパクトかつ高効率で発電を行うことができる発電装置を備えた風力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる風力発電装置は、複数の風車翼が取り付けられて該風車翼で風力を受けて回転するロータヘッドと、該ロータヘッドの回転駆動力を受けて駆動される発電装置とを備えた風力発電装置において、前記発電装置は２つの同期発電機を入れ子状に配置し、外側の同期発電機の回転子と内側の同期発電機の回転子との間に両方の同期発電機の固定子を一体的に配置することを特徴とする。

本発明によれば、従来発電に寄与していなかった同期発電機の中心部の余剰空間に、小径の同期発電機を配置し、さらには２つの同期発電機の固定子を、外側の同期発電機の回転子と内側の同期発電機の回転子との間に一体的に配置したので、余剰空間を有効利用して高効率で発電することができる。

また、本発明にかかる風力発電装置において、前記発電装置は、外輪歯車を固定とし、遊星キャリアにはロータヘッドの回転駆動力が入力されると共に前記外側同期発電機の回転子が備えられ、太陽歯車には前記内側同期発電機の回転子が備えられる遊星歯車機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、遊星歯車機構により、ロータヘッドの回転駆動力が遊星キャリアに入力され、遊星キャリアに設けられている外側の同期発電機の回転子は、ロータヘッドの回転と同一の速度で回転して発電を行なう。また、内側の同期発電機の回転子は、外側の同期発電機に比べて小径であるものの太陽歯車に設けられているので、ロータヘッドの回転が増速されて回転し、所要の周速度を得て発電をすることができる。
また、遊星歯車機構部と発電機部とが一体で形成されているため、発電装置の重量を軽減することができる。また、減速歯車装置から発電機までの回転伝達軸が不要となるので、ナセルを回転軸線方向において短くすることができるとともに、振動も減少させることができる。

また、本発明にかかる風力発電装置において、前記発電装置は、前記２つの同期発電機にそれぞれインバータ装置を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、同期発電機にインバータ装置を備えていることにより、それぞれの発電機で発電した電力を外部系統の求める周波数、位相、及び電力の交流（ＡＣ）に調整することができ、発生電力の電圧、電流の変動が小さい安定した出力を確保することができる。
また、発電周波数をインバータで調整すればよくなるので、外部系統の求める周波数に対応させて回転子径を大きくする必要がなくなり、さらには発電機が２つになった分、外側の同期発電機の回転子径を小さくしても所要の発電電力を得ることができ、小型化が可能となる。

本発明の風力発電装置によれば、従来発電に寄与していなかった同期発電機の中心部の余剰空間に小径の同期発電機を配置することで高効率な発電を行なう風力発電装置とすることができる。また、遊星歯車機構部（増速機）を一体とした発電装置とすることにより、発電装置をコンパクトに形成することができ、発電装置の重量を軽減することができる。さらにまた、インバータ装置を備えることで、安定した出力を確保するとともに、更なるコンパクト化が可能となる。

［第１実施形態］
以下に、本発明にかかる第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態における遊星歯車機構を用いた風力発電装置の全体構成を示す側面図である。また、図２は、本実施形態における発電装置の構成を示す正面図である。また、図３は図２の中心線における断面図を示し、図４は、本実施形態における構成を示す模式図である。

図１において、ロータヘッド１に、複数の風車翼２が取り付けられている。風車翼２は、図示しないピッチ角可変装置により、風向きに対して最適な角度となるようにピッチ制御可能となっている。回転軸３は、一端がロータヘッド１に連結されており、他端が発電装置４に連結されている。回転軸３内には、風車翼２の図示しないピッチ制御用油圧シリンダが固定配置されている。また、発電装置４は、風車翼２から回転軸３を介して伝達される回転駆動力によって発電する。

これらの回転軸３及び発電装置４は、ナセル５内に設置されている。ナセル５は、風向きに追従して回転可能にタワー６上に設置されている。図示しない発電装置４等の系統ケーブルや制御ケーブル等は、タワー６内部を通って地上に設置された図示しない制御盤に接続されている。
その他、ナセル５には、図示しない風向計、油圧シリンダ制御装置、及び旋回ブレーキ制御装置等が配置されているが、ここでの説明は省略する。

図２及び３に示すように、発電装置４は、遊星歯車機構部７と、発電機部８とにより構成されている。遊星歯車機構部７は、円環の内周側に歯車が形成された外輪歯車９と、この外輪歯車９と係合し回転軸３に遊星キャリアで連結された複数の遊星歯車（第１歯車）１０と、外輪歯車９の中心に配置され、複数の遊星歯車１０と互いに係合して回転駆動される太陽歯車（第２歯車）１１とにより構成されている。なお、外輪歯車９はボルト等の固定手段２１（図１参照）によりナセル５上に固定されている。

遊星歯車１０は、外輪歯車９の中心から１２０度毎に３箇所配置されている。太陽歯車１１は、これら各遊星歯車１０と係合するように、遊星歯車機構部７の中心部に位置している。遊星歯車１０と太陽歯車１１との歯車比は、遊星歯車１０により太陽歯車１１を１０倍程度増速するよう設定されている。

また、図３に示すように発電機部８は、遊星歯車１０により回転駆動される円筒状の外側回転子（第１回転子）１２と、太陽歯車１１により回転駆動される円筒状の内側回転子（第２回転子）１３と、外側回転子１２及び内側回転子１３との間に配置されたスリーブ状の固定子１４とにより構成されている。
外側回転子１２と遊星歯車１０とは、連結シャフト１２ａによりカップリング１８を貫通して連結されている。また、内側回転子１３と太陽歯車１１とは、連結シャフト１３ａにより連結されている。なお、遊星歯車１０の連結シャフト１２ａは、図において左側端部で遊星キャリアを介し回転軸３（図１参照）に連結されている。また、固定子１４は、二点鎖線で示す発電機部８のカバーに取り付けられている。

外側回転子１２の内周面には、複数組の永久磁石１７ａが配置されており、同様に、内側回転子１３の外周面には、複数組の永久磁石１７ｂが配置されている。また、固定子１４の内外周面には、複数の外側コイル１５及び内側コイル１６が配置されている。
外側回転子１２及び内側回転子１３の永久磁石１７ａ及び１７ｂは、Ｎ極とＳ極とを一組として複数組配置されており、多極化されている。本実施形態では、外側回転子１２の外周面に永久磁石１７ａが８極配置され、内側回転子１３の内周面に永久磁石１７ｂが６極配置されている（図２参照）。
なお、外側回転子１２の永久磁石１７ａ及び内側回転子１３の永久磁石１７ｂは、電磁石としてもよい。

図４に示すように、固定子１４の内側コイル１５及び外側コイル１６に接続された系統線により発生電力が取り出され、発電装置４の外部に配置されたインバータ１９に接続されて直流（ＤＣ）に変換される。また、インバータ１９は、変圧器２０に接続されており、この変圧器２０により外部系統の求める周波数、位相、及び電圧の交流（ＡＣ）に調整され外部系統に出力される。

次に、本実施形態における風力発電装置の作用について、図１〜図４を用いて説明する。図１において、風向に対してブレード面が略垂直となるようにナセル５が水平回動され、風車翼２が回転する。このとき、各風車翼２のピッチ角は風向に対して最適なピッチ角となるように図示しない油圧シリンダによりピッチ制御される。これにより、風車翼２が回転し、この回転がロータヘッド１に連結された回転軸３に伝達されて発電装置４が回転駆動されることで、発電が行われる。

図４において、回転軸３からの回転駆動が図示しない遊星キャリアを介して遊星歯車１０に伝達される。これにより、各遊星歯車１０が外輪歯車９と係合しながら回転する。遊星歯車１０の回転により、連結シャフト１２ａで連結される外側回転子１２が回転駆動される。外側回転子１２が回転することにより、永久磁石１７ａ（図２参照）と、固定子１４の外側コイル１５との間で同期発電が行われて電力が発生する。

なお、図４に示すように、回転軸３と外側回転子１２とが連結しているため、回転軸３の回転数と外側回転子１２の回転数とが同速となる。このため、外側回転子１２の回転速度が低くなるが、周波数は極数と回転数とに比例するため、極数により回転数を補う必要がある。このため、図２に示すように、外側回転子１２の内面の永久磁石１７ａを複数組（本実施形態では８極）配置し多極化することで、永久磁石１７ａの回転数を補い、効率よく同期発電を行うことができる。

図４において、遊星歯車１０の回転により、各遊星歯車１０と係合する太陽歯車１１は増速されて回転する。太陽歯車１１の回転は、連結シャフト１３ａを介して内側回転子１３に伝達される。内側回転子１３が回転することにより、図２に示すように、永久磁石１７ｂと固定子１４の内側コイル１６との間で同期発電が行われて電力が発生する。内側同期発電機では極数は少ないものの、内側回転子１２は回転軸３の回転数から遊星歯車１０にて増速されているため、所要の周波数の発電電力を得ることができる。

上述したように、外側回転子１２と固定子１４との間、内側回転子１３と固定子１４との間で同期発電が行われるが、外側と内側とで機械的に同一の発電周波数を得ようとすると極数、増速比が制限されてしまう。そこで、図４に示すように、固定子１４の外側コイル１５と内側コイル１６にそれぞれインバータ１９を接続して固定子１４の外面と内面とで発生した交流（ＡＣ）を一端直流（ＤＣ）に変換し、さらにインバータに接続された変換器２０で送電系統の求める周波数、位相、及び電圧の交流（ＡＣ）に調整されて外部系統へ送る構成とする。このようにすることで、系統の要求する周波数に縛られず、極数、増速比を自由に決めることが可能となるので、設計の自由度が増すと共に、更なるコンパクト化も可能となる。

このように、大小二つの同期発電機を入れ子状に組み合わせた発電装置４とすることで、コンパクトかつ高効率な発電装置を備えた風力発電装置とすることができる。

また、発電装置４は遊星歯車機構部（増速機）７と発電部８とが一体に形成され、外側回転子１２と固定子1４との間で同期発電機を形成するため、同期発電機の中心に形成されるスペースを有効に利用することができ、発電装置をコンパクトにすることができる。
これにより、発電装置の重量が軽減されるとともに、輸送、据付け、及び組立てを容易に行うことができ、離島などにおいても適した風力発電装置とすることができる。

［第２実施形態］
次に、図５を用いて本発明の第２実施形態について説明する。第１の実施形態と同様である部分については説明を省略する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に遊星歯車機構を備えるが、回転の入力・伝達が異なっている。即ちロータヘッドの回転は、回転軸３を介し、回転可能にナセルに支持される外輪歯車９に入力される。
外輪歯車９の回転により、回転軸が固定された遊星歯車１０は公転を行なわずに自転のみを行なう。遊星歯車１０の自転は第２の回転軸２１を介して、外側回転子１２が備えられる円筒状の連結体２２を回転駆動し、ナセルに固定されるスリーブ状の固定子１４との間で同期発電を行なう。内側の同期発電機については、第１の実施形態と同様に、内側回転子が設けられている太陽歯車１１が遊星歯車１０により増速回転されて、固定子１４との間で同期発電を行なう。
固定子１４については、ナセルに固定にせずに、連結体２２との間にローラー・歯車等を介して回転子と逆方向に回転する構成としてもよい。回転子と逆回転させることで、相対的な周速度が増大するので、発電機を更に小径にしても所要の周波数で発電することが可能となる。

本発明の第１実施形態における風力発電装置の全体構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態における発電装置を示す平面図である。 本発明の第１実施形態における発電装置を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における風力発電装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における風力発電装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１ ロータヘッド
２ 風車翼
３ 回転軸
４ 発電装置
７ プラネタ歯車部（増速機）
８ 発電機部
１０ 遊星歯車（第１歯車）
１１ 太陽歯車（第２歯車）
１２ 外側回転子（第１回転子）
１３ 内側回転子（第２回転子）
１４ 固定子
１５ 外側コイル
１６ 内側コイル
１７ａ 永久磁石
１７ｂ 永久磁石

Claims (3)

1. 複数の風車翼が取り付けられて該風車翼で風力を受けて回転するロータヘッドと、該ロータヘッドの回転駆動力を受けて駆動される発電装置とを備えた風力発電装置において、
   前記発電装置は２つの同期発電機を入れ子状に配置し、外側の同期発電機の回転子と内側の同期発電機の回転子との間に両方の同期発電機の固定子を一体的に配置することを特徴とする風力発電装置。
2. 前記発電装置は、外輪歯車を固定とし、遊星キャリアにはロータヘッドの回転駆動力が入力されると共に前記外側同期発電機の回転子が備えられ、太陽歯車には前記内側同期発電機の回転子が備えられる遊星歯車機構を有することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記発電装置は、前記２つの同期発電機にそれぞれインバータ装置を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
   

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