JP2013181499A - Wind power generation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind turbine generator that converts wind energy into electrical energy.
自然界において無限に得ることができる風の力を利用し、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する所謂風力発電装置の開発が進められている。風力発電装置は、比較的大きな立体物であり設置場所が制限されるので、少数で所望の発電量を賄えるよう1台あたりの発電量の増大が望まれている。このような大量の発電を担う発電機は、他の電源、例えば商用電源から励磁電流の供給を要す。 Development of so-called wind power generators that convert wind energy into electrical energy using wind power that can be obtained indefinitely in nature has been underway. Since the wind power generator is a relatively large three-dimensional object and the installation location is limited, it is desired to increase the power generation amount per unit so that the desired power generation amount can be provided with a small number. A generator responsible for such a large amount of power generation requires supply of an excitation current from another power source, for example, a commercial power source.
しかし、停電等により商用電源からの電力の供給が断たれると、発電機に励磁電流が供給されなくなり、発電不能となってしまう。そこで、停電時において発電機に別途励磁電力を供給する技術が公開されている(例えば、特許文献1)。 However, if the supply of power from the commercial power supply is interrupted due to a power failure or the like, the exciting current is not supplied to the generator, and power generation becomes impossible. Therefore, a technique for supplying excitation power to the generator separately at the time of a power failure is disclosed (for example, Patent Document 1).
ただし、停電時には、商用電源が停止しているので、同時同量制により、その商用電源に追加する意味での発電は必要ない。しかし、商用電源が供給されなくなった場合、風力発電装置は、発電を停止するのみならず、風力発電装置自体の安全性を確保しなければならない。 However, since the commercial power supply is stopped at the time of a power failure, it is not necessary to generate power in the sense that it is added to the commercial power supply by the same amount system. However, when the commercial power supply is not supplied, the wind turbine generator must not only stop power generation but also ensure the safety of the wind turbine generator itself.
そのため、風力発電装置には、UPS(無停電電源装置)等のエネルギー蓄積装置が設けられることが多い。しかし、蓄積されたエネルギー量が有限のエネルギー蓄積装置では、ロータやナセルを自然回転させることなく、長時間その姿勢を維持するのに必要な電力を十分に供給できない可能性がある。 For this reason, wind power generators are often provided with energy storage devices such as UPS (uninterruptible power supply). However, in an energy storage device with a finite amount of stored energy, there is a possibility that the electric power necessary to maintain the posture for a long time cannot be sufficiently supplied without naturally rotating the rotor or nacelle.
そこで本発明は、このような課題に鑑み、商用電源から電力を受電できない場合であっても、補助発電機を通じて電力を継続的に供給し、停電時等における安全性および信頼性を確保することが可能な風力発電装置を提供することを目的としている。 Therefore, in view of such problems, the present invention continuously supplies power through an auxiliary generator even when power cannot be received from a commercial power source, and ensures safety and reliability in the event of a power failure or the like. It aims at providing the wind power generator which can be.
上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、ハブと、ハブから放射方向に延伸する複数のブレードとを有するロータと、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する主発電機を有するナセルと、ナセルに回転自在に支持された羽根車、他から励磁電力の供給を受けることなく羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する補助発電機、および、電気エネルギーを蓄積し、停電時に少なくともロータの自然回転を抑制するための電力を供給する予備電源を有する補助発電ユニットと、ナセルを支持するタワーと、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a wind turbine generator according to the present invention includes a rotor having a hub, a plurality of blades extending radially from the hub, and a main generator that converts rotational energy of the rotor into electrical energy. A nacelle, an impeller rotatably supported by the nacelle, an auxiliary generator that converts the rotational energy of the impeller into electric energy without receiving excitation power from others, and accumulates electric energy, An auxiliary power generation unit having a standby power supply for supplying electric power for suppressing the natural rotation of the rotor, and a tower for supporting the nacelle are provided.
羽根車は、抗力型であってもよい。 The impeller may be a drag type.
羽根車は、回転軸の両端が、ナセルの架台を含むナセルフレームに回転自在に支持されてもよい。 The impeller may be rotatably supported at both ends of the rotation shaft by a nacelle frame including a nacelle frame.
羽根車は、ナセルの鉛直下部に設けられ、鉛直上部がナセルカバーに覆われるとしてもよい。 The impeller may be provided in the vertical lower portion of the nacelle, and the vertical upper portion may be covered by the nacelle cover.
風力発電装置は、タワーが、ロータが風下に位置するようナセルを鉛直軸中心に回転自在に支持するダウンウィンドロータ型であってもよい。 The wind power generator may be a downwind rotor type in which the tower rotatably supports the nacelle about the vertical axis so that the rotor is located leeward.
本発明によれば、商用電源から電力を受電できない場合であっても、補助発電機を通じて電力を継続的に供給し、停電時等における安全性および信頼性を確保することが可能となる。 According to the present invention, even when power cannot be received from a commercial power supply, it is possible to continuously supply power through an auxiliary generator and to ensure safety and reliability during a power failure or the like.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
(ダウンウィンドロータ型風力発電装置100)
図1は、ダウンウィンドロータ型風力発電装置100の外観を示す外観図であり、図2は、ダウンウィンドロータ型風力発電装置100の概略的な機能を説明するための機能ブロック図である。図1に示すように、ダウンウィンドロータ型風力発電装置100は、ロータ102と、ナセル104と、タワー106とを含んで構成される。
(Downwind rotor type wind power generator 100)
FIG. 1 is an external view showing an external appearance of a downwind rotor type
図2に示すように、ロータ102は、ハブ112と、ハブ112から放射方向に延伸する複数のブレード114と、ハブ112に連結され、複数のブレード114で構成される面に垂直に延伸するロータ軸116とを有する。かかる複数のブレード114に風が当たると、その揚力によりロータ軸116を中心にしてロータ102が回転する。
As shown in FIG. 2, the
ナセル104は、ナセルフレーム120と、増速機122と、主発電機124と、制御盤126とを有する。ナセルフレーム120は、ナセル104に生じる荷重負荷に耐えるための架台や構造物を含む。増速機122は、ロータ軸116を軸支し、ロータ軸116の回転速度を増速して他の回転軸122aを回転させる。こうして、増速機122とナセルフレーム120とでロータ102を回転自在に支持する。主発電機124は、増速機122によって増速された回転軸122aに接続され、ロータ102の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。制御盤126は、ロータ102のピッチ制御や主発電機124の電力制御を行う。
The
このようにダウンウィンドロータ型風力発電装置100では、風力エネルギーを電気エネルギーに変換するが、その過程で、主発電機124や増速機122のエネルギー損失が熱となる。特に、近年では、発電量の増大が望まれ、その発熱量も増大している。したがって、発熱により発電効率が低下しないように、冷却ユニット130が必要となる。
Thus, in the downwind rotor type
冷却ユニット130では、冷却媒体(気体または液体)が、循環ポンプ132で昇圧されて主発電機124および増速機122に導かれ、主発電機124および増速機122で生じる熱を回収した後、ラジエータ等の熱交換器134に送られる。熱交換器134では、高温の冷却媒体と外気との熱交換が行われ、熱交換後の低温の冷却媒体が循環ポンプ132に帰還する。このような冷却媒体の循環により、主発電機124および増速機122の発熱が抑えられる。
In the cooling unit 130, the cooling medium (gas or liquid) is boosted by the circulation pump 132 and guided to the
また、ナセル104には、停電時において、ロータ102やナセル104の自然回転を回避するブレーキ等の制御系統を動作させるため、制御系統に最低限の電力を供給する補助発電ユニット140が設けられている。補助発電ユニット140は、羽根車142と、増速機144と、補助発電機(PMG)146と、予備電源148とを有する。
The
羽根車142は、ナセル104に回転自在に支持される。増速機144は、羽根車142の回転速度を増速して他の回転軸を回転させる。補助発電機146は、増速機144によって増速された回転軸に接続され、羽根車142の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。予備電源148は、変換された電気エネルギーを蓄積し、停電等の非常時においてロータ102やナセル104のブレーキ等に制御電力を供給する。
The
ここで、補助発電機146は、主発電機124と比較して発電量が小さいので(例えば主発電機124が1000kWであった場合に補助発電機は10kW程度)、他から励磁電力の供給を受けることなく、自己完結的に発電が可能である。かかる補助発電ユニット140については後ほど詳述する。
Here, since the
さらに、ナセル104の外装に相当するナセルカバー150には風の向きおよびその速度を計測する風向風速計152が設けられている。
Furthermore, an
タワー106は、ロータ102とナセル104のほぼ重心位置に連結され、鉛直軸160中心にナセル104を回転自在に支持する。ナセル104にはロータ102が連結され、ロータ102のブレード114が風を受けると、ロータ102がタワー106よりも風下に位置するようナセル104が回転する。このように、ダウンウィンドロータ型風力発電装置100では、風自体のエネルギーを利用し、風向きに合わせて、ロータ102のブレード114で形成される仮想面が風の流れる方向と垂直となるため、風力エネルギーを効率よく取得することができる。
The
(補助発電ユニット140)
一般に、風力発電装置は、停電時には、同時同量制により発電する必要がなくなる。ただし、風力発電装置は、無人運転が為されていることが多いので、主系統が停電したり、何らかの事故が生じ商用電源が供給されなくなった場合には、発電を停止するのみならず、風力発電装置自体の安全性を確保しなければならない。
(Auxiliary power generation unit 140)
In general, a wind power generator does not need to generate power by the same amount system at the time of a power failure. However, since wind power generators are often operated unattended, in the event that the main system loses power or some kind of accident occurs and commercial power is not supplied, not only power generation is stopped, The safety of the power generator itself must be ensured.
そのため、風力発電装置には、UPS(無停電電源装置)、バッテリー、アキュムレータ、コンデンサ等のエネルギー蓄積装置が設けられることが多い。しかし、上述した有限のエネルギー蓄積装置では、ロータ102やナセル104を自然回転させることなく、長時間その姿勢を維持するのに必要な電力を十分に供給できない可能性がある。
For this reason, wind power generators are often provided with energy storage devices such as UPS (uninterruptible power supply), batteries, accumulators and capacitors. However, in the above-described finite energy storage device, there is a possibility that the electric power necessary to maintain the posture for a long time cannot be sufficiently supplied without naturally rotating the
一方、近年、洋上風力発電装置等、人が簡単にアクセスすることができない場所に風力発電装置が設置されることもあり、その位置によっては人が介入しようとしても風力発電装置に長時間アクセスできない事態も生じうる。 On the other hand, in recent years, wind power generators are sometimes installed in places where people cannot easily access them, such as offshore wind power generators. Things can happen.
本実施形態では、風さえあれば電力を無限に供給可能な補助発電ユニット140をナセル104に設けることで、商用電源から電力を受電できない場合であっても、他から励磁電力の供給を受けることなく補助発電機146が電力を生成および供給できる。したがって、ロータ102やナセル104の自然回転を抑制するブレーキ等の制御系統に継続して電力を供給することができ、停電時等における安全性および信頼性を確保することが可能となる。
In the present embodiment, by providing the
図2を用いて説明したように、補助発電ユニット140は、羽根車142と、増速機144と、補助発電機146と、予備電源148とを含んで構成される。
As described with reference to FIG. 2, the auxiliary
(羽根車142)
図3は、ナセル104を鉛直下方から見た斜視図である。本実施形態の羽根車142は、図3に示すように、ナセル104の先端部分の鉛直下部、かつ、熱交換器134より風下に設けられる。例えば、アップウィンドロータ型の風力発電装置では、羽根車を設置したとしても、ロータの下流に位置することとなるので、羽根車は、ロータの干渉により、ロータが受けた風力エネルギーの例えば50%程度に減衰した風を受けることとなり、十分な発電効率を得ることができなかった。これに対し、ダウンウィンドロータ型風力発電装置100では、羽根車142が、ナセル104の風上側において風力エネルギーを受けることができるので、風力エネルギーが減衰することもなく、発電効率の向上を図ることが可能となる。
(Impeller 142)
FIG. 3 is a perspective view of the
図4は、羽根車142の配置を説明するための説明図である。ナセル104の鉛直下側には、図4で示したように、ナセルフレーム120が配されているため、別途の固定部材を要することなく、羽根車142を回転自在に支持することができる。したがって、ナセル104自体を低コストかつ軽量に構成することが可能となる。ここで、羽根車142をナセル104の鉛直下部ではなく、側部に設けることも考えられるが、その場合、ナセル104の方向(回転角度)によって、ナセル104の側部が障壁となり、羽根車142が受けることができる風量(風力)が変わってしまう。また、羽根車142をナセル104の鉛直上部に設けるとすると、ナセル104の鉛直上方に生じる風の流れを乱してしまい風向風速計152の計測精度が低下するおそれがある。また、風向風速計152より風下に設置すると、風向風速計152の干渉により風力エネルギーが減衰し、十分な発電効率を得られない可能性がある。したがって、羽根車142はナセル104の鉛直下部に配置するのが望ましい。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the arrangement of the
図5は、補助発電機146の発電効率を説明するための説明図である。本実施形態では、抗力型の羽根車142が用いられている。抗力型の羽根車142を用いた場合の回転速度に対する発電効率210は、揚力型の羽根車の発電効率212に比べ、低速回転時からある程度の発電効率を得られることが知られている。したがって、弱風であっても所望の発電効率を得ることができる。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the power generation efficiency of the
また、抗力型の羽根車142は、その原理から風速以上の高速回転を得ることができず、所定の風力エネルギーを越えると、回転速度の増加が抑制される。ここでは、風力エネルギーが高い場合においても回転速度が高くならない抗力型の特性を敢えて利用し、回転速度を抑制するための別途の機構を要することなく、台風等の強風時においても、羽根車142に過大な負荷を与えることなく安全性を確保しつつ、安定した発電を行うことができる。
Further, the
本実施形態では、上述した抗力型の羽根車142を用いるべく、回転軸が風向きに対して垂直となる垂直軸風車(サボニウス型やクロスフロー型等)が採用される。ここでは、羽根車142の回転軸がナセル104の水平面幅方向に位置するように配されている。したがって、羽根車142の回転軸はロータ軸116と直交する。
In the present embodiment, in order to use the
通常、垂直軸風車のような回転軸が風向きに対して垂直になる羽根車142を、回転軸が水平方向となるように配置すると、垂直軸風車のメリットである風向に依存しない特性が失われる。しかし、ダウンウィンドロータ型風力発電装置100は、ロータ102のブレード114が風を受けると、ロータ102がタワー106よりも風下に位置するよう回転するので、ナセル104が風向変化に対応し、羽根車142に十分な風力を供給することが可能となる。
Normally, if the
また、本実施形態では、羽根車142の回転軸がナセル104の幅方向に水平に取り付けられているので、図4に示すように、回転軸の両端をナセルフレーム120に回転自在に支持させることができる。したがって、羽根車142を強固に固定することができ、信頼性および安定性の高い補助発電ユニット140を構築することができる。
In the present embodiment, since the rotation shaft of the
上記のように羽根車142の回転軸を両端支持すると、羽根車142の鉛直上部の半分は、ナセルカバー150に覆われることとなる。このように構成することで、羽根車142が回転する際に、風上方向に戻る羽根車142の鉛直上部の半分に風が当たらなくなる。即ち、回転方向が風の順方向と一致する部分にのみ風が当たり、回転方向が風の逆方向となる部分には風が当たらない。こうすることで、高効率な発電が実現可能となる。
When the both ends of the rotating shaft of the
さらに、本実施形態では、図3に示すように、熱交換器134が傾斜を有して配されているので、風を羽根車142に誘導し易く、さらに発電効率が良好となる。
Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 3, since the
以上、説明したダウンウィンドロータ型風力発電装置100によれば、商用電源から電力を受電できない場合であっても、ブレーキ等の制御系統に対して長時間継続的に電力を供給することができ、停電時等におけるダウンウィンドロータ型風力発電装置100自体の安全性および信頼性を確保することが可能となる。
As described above, according to the described downwind rotor type
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.
例えば、上述した実施形態では、補助発電ユニット140をダウンウィンドロータ型風力発電装置100に適用する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、アップウィンドロータ型の風力発電装置に適用することもできる。
For example, in the above-described embodiment, an example in which the auxiliary
また、補助発電ユニット140の羽根車142は、抗力型に限らず揚力型を適用してもよいし、垂直型風車に限らず、回転軸が風向きと平行な平行型風車を用いてもよい。
Further, the
また、羽根車142には増速機144を配置している例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、増速機144を配置しなくてもよい。
Moreover, although the example which has arrange | positioned the
さらに、上述した実施形態では、増速機122を配置している例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、増速機122を配置しない形態や、増速機122を配置しないで油圧変速機を設ける形態、増速機122と油圧変速機を共に設ける形態を用いてもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the
本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置に利用することができる。 The present invention can be used for a wind power generator that converts wind energy into electric energy.
100 …ダウンウィンドロータ型風力発電装置
102 …ロータ
104 …ナセル
106 …タワー
112 …ハブ
114 …ブレード
116 …ロータ軸
120 …ナセルフレーム
122 …増速機
124 …主発電機
134 …熱交換器
140 …補助発電ユニット
142 …羽根車
146 …補助発電機
150 …ナセルカバー
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する主発電機を有するナセルと、
前記ナセルに回転自在に支持された羽根車、他から励磁電力の供給を受けることなく該羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する補助発電機、および、電気エネルギーを蓄積し、停電時に少なくとも前記ロータの自然回転を抑制するための電力を供給する予備電源を有する補助発電ユニットと、
前記ナセルを支持するタワーと、
を備えることを特徴とする風力発電装置。 A rotor having a hub and a plurality of blades extending radially from the hub;
A nacelle having a main generator for converting rotational energy of the rotor into electrical energy;
An impeller rotatably supported by the nacelle, an auxiliary generator that converts rotational energy of the impeller into electric energy without receiving excitation power from the other, and accumulating electric energy, An auxiliary power generation unit having a standby power supply for supplying electric power for suppressing the natural rotation of the rotor;
A tower that supports the nacelle;
A wind turbine generator comprising:
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