JP2013221416A

JP2013221416A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2013221416A
Application number: JP2012091763A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Iwata; 健岩田; Norifumi Yanagida; 憲史柳田; Tatsuro Kato; 達朗加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-28
Also published as: US8941257B2; US20130270825A1

Abstract

【課題】
設置サイトや季節によって外部環境の条件が異なる場合であっても、ブラシの摩耗速度に与える湿度の影響を取り除くことができ、広範な設置サイトに適応してブラシの摩耗量を低減すること。
【解決手段】
本発明の風力発電装置は、上記課題を解決するために、支柱の上部にナセルが設置され、該ナセルの前端部側に風車翼が取り付けられたロータヘッドが回転可能に支持されると共に、前記ナセルの内部には、前記ロータヘッドと一体に回転する主軸と、前記風車翼に風力を受けて回転する前記主軸と連結された増速機と、該増速機の軸出力によって駆動される回転子及びブラシとスリップリングを含む発電機と、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度制御を行う湿度管理装置が設置されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は風力発電装置に係り、特に、ナセル内にブラシ及びスリップリング機構を備えている発電機が設置されているものに好適な風力発電装置に関する。

自然エネルギーである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。

この風力発電装置には、ブラシ及びスリップリング機構を備えている発電機等の発電機構がナセル内に設置されているものがある。この種の風力発電装置の場合、ナセル内の発電機などの機器は、運転時に発熱して温度上昇することで損傷する恐れがあるため、換気ファンによるナセル内の吸排気を行うことで冷却されている。

上述のような風力発電装置では、例えば、特許文献１に記載されているように、ナセル外部を流れる気流により負圧が生じるナセル側面に吸気口を設け、この吸気口から吸入される外気量を増やしてナセル内を冷却し、ナセル内部の温度上昇を抑制している。

また、ナセル内の発電機の運転時の発熱により、発電機が稼働を停止した時には、電気部品に結露が生じ故障に至る恐れがあるので、発電機の稼働停止時にファンを駆動制御し、ナセル内の冷却、除湿を行って電気部品の結露を防いでいる風力発電装置が、例えば、特許文献２に記載されている。

特開２０１０−３１７２２号公報特開２００４−３０１０９４号公報

ところで、発電機にブラシ及びスリップリング機構を有する風力発電装置は、設置サイト（海、山、砂漠等）や季節によって外部環境の条件（温度、湿度等）が異なるので、外部環境に依存することなく、広範な設置サイトに適応してブラシ摩耗量を低減することが望まれる。

しかしながら、発電機にブラシ及びスリップリング機構を有する風力発電装置においては、発電機の内部に設置されているブラシ及びスリップリング機構の温度管理は行っていたが、ブラシ及びスリップリング機構の湿度管理までは行っていなかったため、湿度の変化によるブラシの摩耗速度の変化は、管理できていなかった。

特に、ブラシ及びスリップリング機構の湿度が高い場合は、ブラシとスリップリング間でのアーク発生数が増加し接触面が荒れ、また、ブラシ及びスリップリング機構の湿度が低い場合は、ブラシとスリップリングの接触面の潤滑性が悪くなるため、各々が異常摩耗するという問題がある。

また、ブラシは摩耗したら交換するが、このブラシの交換時期は、ブラシが一定量摩耗した時に行われる（メンテナンス時に作業員が目視したり、備え付けのリミットスイッチで摩耗を判断している）が、摩耗速度が変化するとブラシの摩耗量の予測が難しく、メンテナンス頻度を高くする必要がある。即ち、メンテナンスに係る負担が増加するという問題がある。

上述した特許文献１及び２には、ナセル内部の温度上昇を抑制したり、ナセル内の機器の結露を防止するために、ファンを用いてナセル内を通風することは記載されているが、ブラシ及びスリップリング機構の湿度を管理してブラシの摩耗量を把握したり低減することについては、全く記載されていない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、設置サイトや季節によって外部環境の条件が異なる場合であっても、ブラシの摩耗速度に与える湿度の影響を取り除くことができ、広範な設置サイトに適応してブラシの摩耗量を低減することのできる風力発電装置を提供することにある。

本発明の風力発電装置は、上記目的を達成するために、支柱の上部にナセルが設置され、該ナセルの前端部側に風車翼が取り付けられたロータヘッドが回転可能に支持されると共に、前記ナセルの内部には、前記ロータヘッドと一体に回転する主軸と、前記風車翼に風力を受けて回転する前記主軸と連結された増速機と、該増速機の軸出力によって駆動される回転子及びブラシとスリップリングを含む発電機と、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度制御を行う湿度管理装置が設置されていることを特徴とする。

具体的には、前記湿度管理装置は、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度を計測する湿度センサと、該湿度センサで計測された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度値と予め設定された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の最適湿度値を比較し、その比較した湿度値が設定値以下の場合に加湿する加湿器と、比較した湿度値が設定値以上の場合に除湿する除湿器とを備えていることを特徴とする。

本発明の風力発電装置によれば、設置サイトや季節によって外部環境の条件が異なる場合であっても、ブラシの摩耗速度に与える湿度の影響を取り除くことができ、広範な設置サイトに適応してブラシの摩耗量を低減することができる。

本発明の風力発電装置の実施例１の概略構成を示す図である。図１の風力発電装置のナセル内の構造例を示す図である。図２のナセル内の詳細であり、ブラシ及びスリップリング付近に湿度管理装置を設置した場合の構造例を示す図である。本発明の風力発電装置の実施例１に採用されるブラシ及びスリップリングの湿度管理装置における演算部の処理過程の例を示すフローチャートである。本発明の風力発電装置に採用されるブラシ及びスリップリングの湿度管理装置における加湿器へ水を供給する構造例を示す図である。本発明の風力発電装置の実施例２であり、図３の構成に電位測定装置を加えた構造例を示す図である本発明の風力発電装置の実施例２に採用されるブラシ及びスリップリングの湿度管理装置における演算部の処理過程の例を示すフローチャートである。本発明の風力発電装置の実施例３であり、湿度調整シートによる湿度管理装置の場合のブラシ及びスリップリング機構の構造例を示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の風力発電装置を説明する。尚、符号は、各実施例において、同一部品は同符号を用いて説明する。

図１乃至図５に、本発明の風力発電装置の実施例１を示す。図１に示す如く、本発明の風力発電装置１は、支柱２の上部にナセル３が設置され、そのナセル３の前端部側に、風車翼５を取り付けたロータヘッド４が回転可能に支持されて概略構成されている。

図２に示す如く、ナセル３の内部には、ロータヘッド４と一体に回転するよう連結された主軸６と、風車翼５に風力を受けて回転する主軸６と連結した増速機７と、増速機７の軸出力によって駆動される回転子８及び筺体３４内に入っているブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１とが設置されている。

また、ナセル３の内部適所には換気ファン１２が設置されており、この換気ファン１２を駆動することにより、ナセル３の前面に設けてある吸気口３１から導入した外気を、ファン出口に連通する排気口３２からナセル３の外部へ排出して内部の換気冷却を行うものである。

このように構成された風力発電装置１は、風力を回転力に変換する風車翼５を備えたロータヘッド４及び主軸６が回転することで軸出力が発生するので、主軸６に連結された増速機７を介して駆動される発電機１１により、風力を利用した発電を行うことができる。

そして、本実施例では、ナセル３内のブラシ９及びスリップリング１０付近（筺体３４内）に、加湿器１３と除湿器１４から成る湿度管理装置を設置し、この加湿器１３と除湿器１４から成る湿度管理装置でブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１内の湿度制御を行うようにしている。

図３を用いて、ブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１内に、上述した湿度管理装置である加湿器１３と除湿器１４を設置した時の構成例を説明する。

該図に示す如く、発電機１１を構成するブラシ９及びスリップリング１０付近（筺体３４内）に、加湿器１３と除湿器１４及び湿度センサ１５を設置し、加湿器１３には水位計１６が取付けられている。また、加湿器１３と除湿器１４は、ブラシ９及びスリップリング１０付近で、かつ、換気ファン１２による気流の上流側（筺体３４の内部の上流側）に設置されている。

この加湿器１３と除湿器１４は演算部２０に接続され、一方、湿度センサ１５と水位計１６は入力部１８に接続されており、入力部１８の信号は、湿度設定部１９Ａの信号と共に演算部２０に入力されるようになっている。また、除湿器１４に取り込まれた水は、給水管２５を通じて加湿器１３に送られ、加湿器１３で再利用されるようになっている。

尚、これら加湿器１３と除湿器１４の電源には、発電機１１で発電した電力を、電力供給線１７を介して給電している。

次に、本実施例の湿度管理装置におけるブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１内の湿度制御について説明する。

先ず、湿度センサ１５からの発電機１１内の湿度と水位計１６からの加湿器１３の水位の値が入力部１８に入力され、一方、湿度設定部１９Ａでは、最適な発電機１１内の湿度値が予め設定されている。そして、演算部２０では、入力部１８からの湿度センサ１５で計測された発電機１１内の計測値（湿度）と、湿度設定部１９Ａからの予め設定された発電機１１内の最適な湿度の設定値を比較し、加湿器１３及び除湿器１４の動作を決定する。

図４に、上述した演算部２０における処理過程のフローチャートを示す。

該図に示す如く、ステップＳ１の「風車は発電中か？」で、風車が停止中と判断した場合は、加湿器１３及び除湿器１４は動作しない。風車が発電中と判断した場合、湿度データを取り込む（ステップＳ２）。

次に、湿度データを予め定められた発電機１１内の最適な湿度の設定値と比較し、その比較した湿度値が設定値以下の場合は（ステップＳ３）加湿器１３が動作し（ステップＳ４）、比較した湿度値が設定値以上の場合は（ステップＳ５）除湿器１４が動作する（ステップＳ６）。また、湿度データが最適な湿度値の設定値範囲内の場合は（ステップＳ５）最適な環境になっているので、加湿器１３及び除湿器１４は動作しないで待機状態になっている（ステップＳ７）。

図５に、本実施例の湿度管理装置における加湿器１３へ水の供給する場合の一例を示す。

該図に示す如く、水位計１６から加湿器１３の水位が低いと判断した場合は、支柱２内に設置されているポンプ２１を動作させ、このポンプ２１と接続されている貯水槽２２から水をくみ上げ、ナセル３内の加湿器１３へ供給するようにしている。

また、風力発電装置１が洋上に設置される洋上風力発電の場合は、貯水槽２２は設置せず、海からポンプで海水をくみ上げることにより、加湿器１３へ水を補給することでもよい。いずれの場合も、水をくみ上げるポンプの電源は、風力発電装置１で発電した電力を、電力供給線１７を介して給電するものである。

このような本実施例の風力発電装置１とすることにより、設置サイトや季節によって外部環境の条件が異なる場合であっても、湿度センサ１５でブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１内の湿度を計測し、この計測された発電機１１内の湿度データを、湿度設定部１９Ａに予め設定された発電機１１内の最適な湿度設定値と比較し、その比較した湿度値が設定値以下の場合は加湿器１３を動作させ、比較した湿度値が設定値以上の場合は除湿器１４を動作させるものであるから、ブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１内の湿度を一定範囲に保つことができる。

また、ブラシ９の摩耗速度に与える湿度の影響を除くことができるため、ブラシ９の異常摩耗のリスクが回避でき、ブラシ摩耗速度が一定になるため、ブラシ交換計画が容易になり、メンテナンスの負担が軽減できるという効果がある。

従って、本実施例の風力発電装置によれば、設置サイトや季節によって外部環境の条件が異なる場合であっても、ブラシの摩耗速度に与える湿度の影響を取り除くことができ、広範な設置サイトに適応してブラシの摩耗量を低減することができる。

次に、本発明の風力発電装置の実施例２について、図６及び図７を参照して説明する。

図６及び図７に示す本実施例は、実施例１で説明したブラシ９及びスリップリング１０を含む発電機１１内の湿度だけではなく、ブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位差もフィードバック対象に付加したものである。

図６は、実施例２におけるブラシ９及びスリップリング１０を示す構成例であり、図３に示した実施例１の構成図のうち、既に説明した図３に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

該図に示す如く、本実施例では、ブラシ９及びスリップリング１０間の電位を測定する電位測定装置２３が、発電機１１を構成するブラシ９及びスリップリング１０付近（筺体３４内）に設置されている。この電位測定装置２３での測定データは、入力部１８に入力される。

即ち、本実施例では、電位測定装置２３での測定データを、湿度センサ１５及び水位計１６からの出力と共に入力部１８に入力し、湿度・電位設定部１９Ｂでは、ブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位差も考慮した最適な発電機１１内の湿度を設定する。そして、演算部２０では、入力部１８からの計測値と湿度・電位設定部１９Ｂからの設定値を比較し、加湿器１３の加湿及び除湿器１４の除湿の動作を決定する。

図７に、風力発電装置の実施例２に採用されるブラシ９及びスリップリング１０の湿度管理装置における演算部の処理過程の例を示すフローチャートを示す。該図に示すステップＳ１〜ステップＳ６までは、実施例１と同様なので説明は省略する。

本実施例におけるブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位差も、下記に述べる理由でブラシ９の摩耗状態の指標として用いることができる。

即ち、本実施例では、電位測定装置２３で計測したブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位差が高い場合は、酸化皮膜量が多く接触抵抗が高くなるため、発熱によりブラシ９の摩耗量が増加する。また、電位測定装置２３で計測したブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位差が低い場合は、酸化皮膜量が少ないため、ブラシ９及びスリップリング１０間の潤滑性が悪くなり、ブラシ９の摩耗量が増加すると考えられる。

従って、ブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位差についても、上述した湿度同様、最適な範囲が存在する。そのため、図７のステップＳ８以降は、以下のように動作する。

図７において、比較した発電機１１内の湿度が設定値の範囲内の場合は（ステップＳ５）、電位測定装置２３からの電位データの取り込みを行う（ステップＳ８）。その電位データが、湿度・電位設定部１９Ｂからの設定値と比較し、その比較した電位値が設定値以下の場合は（ステップＳ９）、ブラシ９及びスリップリング１０間に、ブラシ摩耗を低減する役割のある酸化皮膜が少ないと判断され、加湿器１３を動作させる（ステップＳ１０）ことで、酸化皮膜の生成を促進させる。

一方、比較した電位値が設定値以上の場合は（ステップＳ１１）、酸化皮膜が過剰と判断して除湿器１４を動作させて（ステップＳ１２）、酸化皮膜を減少させる。また、比較した電位値が設定値と比較して設定範囲内の場合は（ステップＳ９）、最適な環境になっていると判断されるので、加湿器１３及び除湿器１４は動作しないで待機状態となっている（ステップＳ７）。

このような本実施例によっても、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、ブラシ９及びスリップリング１０の接触界面の潤滑性を良好にすることができ、確実にブラシ摩耗量を低減できる効果がある。また、ブラシ９及びスリップリング１０間の接触電位測定装置を設置することで、上記実施例１で説明した湿度管理装置と二重のフィードバック制御が可能となり、より最適な湿度状態を保つことができる。

次に、本発明の風力発電装置の実施例３について、図８を参照して説明する。

図８に示す実施例３の湿度管理装置は、実施例１及び２で説明した加湿器１３及び除湿器１４に代えて、ブラシ９及びスリップリング１０付近に湿度調整シート２４を設置したものである。

即ち、ブラシ９及びスリップリング１０と吸気口３３の間の空間に、合成ゴムに高吸水ポリマーを配合して成る湿度調整シート２４を設置したものである。

本実施例の湿度調整シート２４は、湿度が高ければ水分を吸着し、湿度が低ければ水分を放出することができるので、設置サイトや季節によって外部環境の条件が異なる場合であっても、ブラシの摩耗速度に与える湿度の影響を取り除くことができ、広範な設置サイトに適応してブラシの摩耗量を低減することができる。

また、本実施例では、電源を要する機器を付加せずに、発電機内部の湿度調整が可能となり、また、発電機の稼働停止中の結露防止による故障回避の効果もある。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…風力発電装置、２…支柱、３…ナセル、４…ロータヘッド、５…風車翼、６…主軸、７…増速器、８…回転子、９…ブラシ、１０…スリップリング、１１…発電機、１２…換気ファン、１３…加湿器、１４…除湿器、１５…湿度センサ、１６…水位計、１７…電力供給線、１８…入力部、１９Ａ…湿度設定部、１９Ｂ…湿度・電位設定部、２０…演算部、２１…ポンプ、２２…貯水槽、２３…電位測定装置、２４…湿度調整シート、２５…給水管、３１、３３…吸気口、３２…排気口、３４…筺体。

Claims

支柱の上部にナセルが設置され、該ナセルの前端部側に風車翼が取り付けられたロータヘッドが回転可能に支持されると共に、前記ナセルの内部には、前記ロータヘッドと一体に回転する主軸と、前記風車翼に風力を受けて回転する前記主軸と連結された増速機と、該増速機の軸出力によって駆動される回転子及びブラシとスリップリングを含む発電機と、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度制御を行う湿度管理装置が設置されていることを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記湿度管理装置は、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度を計測する湿度センサと、該湿度センサで計測された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度値と予め設定された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の最適湿度値を比較し、その比較した湿度値が設定値以下の場合に加湿する加湿器と、比較した湿度値が設定値以上の場合に除湿する除湿器とから成ることを特徴とする風力発電装置。
請求項２に記載の風力発電装置において、
前記湿度センサで計測された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度値が入力される入力部と、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の最適湿度値を予め設定する湿度設定部と、前記入力部からの前記湿度センサで計測された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度値及び前記湿度設定部で予め設定された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の最適湿度値を比較演算する演算部とを備えていることを特徴とする風力発電装置。
請求項２又は３に記載の風力発電装置において、
前記発電機内のブラシ及びスリップリング間の電位を測定する電位測定装置を備え、前記湿度センサからの出力が所定値内であり、かつ、前記電位測定装置で測定した前記ブラシ及びスリップリング間の電位が所定値以下の場合には前記加湿器を加湿し、前記電位測定装置らの出力が所定値以上である場合には、前記除湿器を除湿することを特徴とする風力発電装置。
請求項４に記載の風力発電装置において、
前記湿度センサで計測された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度値及び前記電位測定装置で測定した前記ブラシ及びスリップリング間の電位が入力される入力部と、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の最適湿度値及び前記ブラシ及びスリップリング間の電位を予め設定する湿度・電位設定部と、前記入力部からの前記湿度センサで計測された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の湿度値と前記湿度・電位設定部からの予め設定された前記ブラシとスリップリングを含む発電機内の最適湿度値、及び前記入力部からの前記ブラシ及びスリップリング間の電位及び前記湿度設定部からの前記ブラシ及びスリップリング間の予め設定された電位を比較演算する演算部とを備えていることを特徴とする風力発電装置。
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
前記加湿器及び除湿器は、前記発電機が停止した場合には、湿度管理を停止することを特徴とする風力発電装置。
請求項２乃至６のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
前記除湿器と加湿器は給水管を介して接続され、前記除湿器が除湿することにより取り込まれた水は、前記給水管を通じて前記加湿器に送られ、該加湿器で再利用されることを特徴とする風力発電装置。
請求項２乃至７のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
前記加湿器及び除湿器は、前記発電機が発電した電力が供給されて動作することを特徴とする風力発電装置。
請求項２乃至８のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
前記加湿器は、貯水槽の水がポンプで供給されるか、或いは海水がポンプで供給されることを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記湿度管理装置は、前記ブラシとスリップリングを含む発電機内に設けられ、該発電機内の湿度が高ければ水分を吸着し、湿度が低ければ水分を放出する湿度調整シートから成ることを特徴とする風力発電装置。
請求項１０に記載の風力発電装置において、
前記湿度調整シートは、合成ゴムに高吸水ポリマーを配合して成ることを特徴とする風力発電装置。
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風力発電装置において、
前記ナセルの内部には換気ファンが設置され、該換気ファンを駆動することにより、前記ナセルの前面に設けてある吸気口から外気を導入し、ファン出口に連通する排気口から前記ナセルの外部へ排出して、前記ナセル内部の換気冷却を行うことを特徴とする風力発電装置。