JP2022522902A - 油圧による速度制御及び空気圧による速度制御を含む油圧式連続可変速度システム並びに使用方法 - Google Patents

Abstract

風力タービン及びジェネレータを接続するための油圧式無段変速機が提供される。油圧式無段変速機がマクロ速度制御のための主パドル・ホイール及び複数の副パドル・ホイールを有する。さらに、マイクロ速度制御のための空気圧パドル・ホイールが提供される。速度制御のために電気負荷設備又は電力線への、ＡＣ電気特性によって特徴付けられる出力を測定する制御装置が含まれる。

Description

本発明は、マイクロ・レベルの速度制御（ｍｉｃｒｏ ｌｅｖｅｌ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ）のための、及び動力装置全体のエネルギー生成を達成した後で電気負荷設備（ｌｏａｄ）／電力線のところのＡＣ電気特性を評価することによりタービン（風力タービン又は水力タービン）からの発電を最適化するための、空気圧による補助を用いる無段変速機を使用するシステムに関する。

無段変速機（ＣＶＴ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）は既知のものであり、自転車、自動車、ウインチ、ホイスト、及び動力分配装置などで使用されている。これらのデバイスのために多くのバリエーションのデザインが開発されており、その種類には、ベルトを用いる可変径プーリ、トロイダル・タイプ又はローラ・ベース・タイプ、摩擦ベース・タイプ、静力学ベース・タイプ、ラチェット・ベース・タイプ、磁気タイプなどが含まれる。

ＣＶＴに関連する米国特許の例には、米国特許第４，５６５，１１０号、米国特許第４，９７０，８６２号、米国特許第４，９４５，４８２号、米国特許第４，９２２，７１７号、米国特許第５，０７２，５８７号、米国特許第４，９１６，９００号、米国特許第４，９１４，９１４号、米国特許第４，８５０，１９２号、及び米国特許第４，８３８，０２４号が含まれ、これらはすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。これらの従来技術は、車両のための副シャフトのマクロ速度（ｍａｃｒｏ ｓｐｅｅｄ）を調節するためのポンプ、ピストン、歯車、ベルト、プーリ、クラッチ、又は弁を通して、ＣＶＴ速度を示すものである。

ＣＶＴの別の例を、やはり参照により組み込まれている米国特許第７，６７９，２０７号で見ることができる。この特許は、概して、風力発電装置、ＣＶＴ、ジェネレータ、及びＣＶＴ制御装置を有するシステムを説明している。風力タービンが非常に詳細に説明されているが、ＣＶＴ及び回転速度計は概略的に定義されている。タービンのピッチ及びタービンのブレードの撓みによる、及び制御装置の配備を介する形での、シャフト速度のＣＶＴ制御テクニックが明示されている。言い換えると、制御装置が、タービン自体の物理特性によりタービンの駆動速度を調整することにより、ＣＶＴの速度出力を補償する。任意の構成の風力タービンが駆動シャフトを有し、この装置が「エンジン」とみなされ得る。一般的な用語としての無段変速機（ＣＶＴ）は、エンジンとジェネレータとの間での可変速度の機械的な方法を実現するものであり、ジェネレータが風力タービン又はエンジンの動作の結果として電気を発生させる。

米国特許第４，５６５，１１０号 米国特許第４，９７０，８６２号 米国特許第４，９４５，４８２号 米国特許第４，９２２，７１７号 米国特許第５，０７２，５８７号 米国特許第４，９１６，９００号 米国特許第４，９１４，９１４号 米国特許第４，８５０，１９２号 米国特許第４，８３８，０２４号 米国特許第７，６７９，２０７号

しかし、機械的に複雑で高価であるデザイン及び制限される制御形態を有するＣＶＴを改善することに対しての需要が存在する。本発明は改善されたＣＶＴによりこの需要に対応するものである。

本発明は、動作のために油圧流体の圧力を変化させるのに、ポンプ、ピストン、歯車、ベルト、プーリ、クラッチ、又は弁を必要としない空気圧補助の油圧ＣＶＴを提供する。動作の制御の一部として、反応性のバランス電源（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｂａｌａｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｏｕｒｃｅ）を作ること及び負荷の不安定さを最小にすることを目的としたＣＶＴの可変速度制御のために、プログラマブル論理制御装置、或いは油圧的側面及び空気圧的側面の両方を含む、電気的な負荷設備（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｏａｄ）／電力線に対してのインバータの出力を監視してシステムを制御する同様のデバイス又は手段を用いる。

本発明はまた、非常に弱いか又は非常に強い風力条件時に電気を生成することを目的として、風力タービンから係合解除されている状態のジェネレータを駆動するための空気圧エネルギーの貯蔵を実現する。

本発明の特徴には、
マクロ・レベルの速度調整のための油圧式連続可変速度（ＣＶＴ）デバイスと、
ＣＶＴのマイクロ・レベルの速度調整のための空気圧システムと、
タービン・ジェネレータの直接的な駆動のための空気圧エネルギーの貯蔵方法、
ジェネレータを制動するための空気圧による制御方法、及び
エネルギー・システムから電気負荷設備／電力線への出力のＡＣ電気特性を測定する制御システムであって、制御システムがＣＶＴ速度をマイクロ・レベルで調整するために一連の制御弁を作動させることができる、制御システム、
が含まれる。

より具体的には、本発明が、油圧式連続可変速度システム及び使用方法の両方を含む。システムが、タービン出力シャフト及び発電機入力シャフトを有する。システムが、タービン出力シャフトに連結される第１の油圧チャンバ及び発電機入力シャフトに連結される第２の油圧チャンバを有する油圧システムを含む。第１及び第２の油圧チャンバが互いに油圧的に連通され、第１及び第２の油圧チャンバが発電機入力シャフトのマクロ・レベルの速度調整のためのものである。

システムが、第１及び第２の空気圧チャンバを有する空気圧システムをさらに有する。第１の空気圧チャンバが、圧縮空気を生成するために及び少なくとも１つの貯蔵タンク内で圧縮空気を貯蔵するためにタービン出力シャフトに連結される。第２の空気圧チャンバが、発電機入力シャフトのマイクロ速度調整、発電機入力シャフトの制動、及び発電機入力シャフトの直接的な駆動、のうちの１つ又は複数のために、発電機入力シャフト及び少なくとも１つの貯蔵タンクに連結される。

システムが制御装置をさらに有し、制御装置が、発電機入力シャフトに接続される発電機の出力を監視し、配電網の電気負荷設備／電力線に対しての出力を比較し、配電網に供給される電力を管理するために油圧システム及び空気圧システムのうちの１つ又は複数を使用して配電網の電気負荷設備／電力線の測定に基づいて発電機シャフトの速度を調整する。

油圧システムが、一連の油圧駆動のパドル・ホイールと、第１の油圧チャンバに付随する少なくとも１つのパドル・ホイールと、第２の油圧チャンバに付随する複数のパドル・ホイールとを有することができる。各パドル・ホイールが入力弁及び出力弁を有し、入力弁及び出力弁の動作が制御装置によって制御される。

第２の油圧チャンバの中にあるパドル・ホイールが多様なサイズであり、好適には、発電機入力シャフトの速度を増大又は低下させるために発電機に向かう方向において最小値と最大値との間のサイズ範囲を有する。油圧システムが、第１及び第２の油圧チャンバに連通されるリザーバをさらに有する。

空気圧システムが、第１の空気圧チャンバに付随する少なくとも１つのパドル・ホイール、及び第２の空気圧チャンバに付随する少なくとも１つのパドル・ホイールを有する。

本発明が、タービンと発電機との間に上述の油圧式連続可変速度システムを提供することと、制御装置、油圧システム、及び空気圧システムを使用して発電機入力シャフトの速度を制御することとを含む、タービンの出力を制御する方法をさらに含む。

エネルギー管理構成を通して電力を発生させるための、ＣＶＴを有する、タービンシステムの一実施例を示す図である。 油圧によるマクロ速度制御、空気圧によるマイクロ速度調節、空気圧による制動、及びＣＶＴのバックアップ動作に関連する特徴を有する、図１のＣＶＴを示す詳細図である。 図１及び２のＣＶＴのための空気圧モジュール及び油圧モジュールの例示のパドル・ホイール構成を示す図である。

図１が、タービン・エンジン又は風力エンジン５００と、一体型の空気圧補助の油圧ＣＶＴ５０３と、ジェネレータ５０５とを有するシステム７００の実施例を示す。ＣＶＴ５０３がエンジン５００とジェネレータ５０５との間に配置される。ＣＶＴが、エンジン５００及びジェネレータ５０５のそれぞれに接続されるためのシャフト・アダプタ１０１Ａ及び１０１Ｂを有する。所望される場合、回転速度計５０１が空気圧による安全制動動作のために追加され得る。

ＣＶＴが、一連の油圧弁２１６、２１７、２２６、２２７、２３６、２３７、２４６、２４７、２５６、及び２５７を有する。これらの弁が速度制御のための主油圧チャンバの選択を実現する。空気圧制御弁３０６、３１１、３１４、及び３１９がさらに設けられ、これらの弁がＣＶＴ５０３の速度制御のための副次的な補助を実現する。

油圧リザーバ２９０が弁２９１を装備する。油圧リザーバ２９０が動作のための油圧流体を供給する。さらに、システムの一部として、３０８及び３３８として２つ設けられる複数の空気圧貯蔵タンクが含まれるが、より多くの貯蔵を必要とする場合には追加の貯蔵タンクが設けられ得る。３２９、３３９として２つ示される大量の別個の制御弁を使用する空気動作のために、ＣＶＴ５０３の副次的な補助のために、及び連続的な電力生成のための空気圧エネルギーの貯蔵のために、空気圧貯蔵タンク３０８及び３３８が設けられる。

安全を目的として、各々の空気圧貯蔵タンク３０８及び３３８に安全逃し弁３３０及び３４０がそれぞれ設けられる。

システム制御装置５０２が設けられ、コンバータ／インバータ５０８の後方に配置される。制御装置５０２が発電システム７００の動作を常に調節することを目的として、電気負荷設備又は配電網５１０と比較して発電システム７００の出力される電気特性を監視する。

図２が、一体型の空気圧補助の油圧ＣＶＴ５０３のさらなる細部を提供する。シャフト・アダプタ１０１Ａがエンジン５００に取り付けられ、上側空気圧チャンバ３５０及び上側油圧チャンバ２００を通る駆動シャフト１０２を提供する。

空気圧チャンバ３５０の中に設けられる一体型の空気圧縮機３０３の選択的な動作のために、テーパ歯車３０１が空気圧チャンバ３５０の上方に配置され、駆動シャフト１０２に取り付けられる。弁３２２によって制御される空気アクチュエータ３２１により、シャフト３０４に接続される対合するテーパ歯車３０２とテーパ歯車３０１が係合されるとき、圧縮機３０３が動作する。空気圧エネルギーが制御弁３０６及びポート３０７を通して貯蔵タンク３０８に供給される。この空気圧エネルギーがさらに、アクチュエータ３２１を停止するのに並びに歯車３０１及び３０２を係合解除するのに使用され得る。供給空気の吸入分及び排出分が空気圧チャンバの中のポート３２３を通過する。

ＣＶＴ５０３が油圧チャンバ２００及び２０１をさらに有し、チャンバ２００が流体を供給するための主供給源である。油圧ライン２０４、２０５、２１４、２１５、２２４、２２５、２３４、２３５、２４４、２４５、２５４、及び２５５のシステムが油圧チャンバ２００及び２０１を通って延びており、対して外部油圧ライン２０６、２０７が一連の制御弁２１６、２１７、２２６、２２７、２３６、２３７、２４６、２４７、２５６、及び２５７を通して各々のラインに相互接続される。流出のためにブリード弁２６０がライン２０７上に設けられる。ライン２０６のためのリザーバ弁２９１が設けられ、この弁がジェネレータ５０５からエンジン５００を油圧的に係合解除するために油圧流体を迂回させるのを可能にする。

油圧チャンバ２００が内側チャンバ２０３内に位置する主油圧パドル・ホイール２０２を有する。パドル・ホイール２０２が、タービンの回転速度に基づく速度で、油圧流体を、副油圧チャンバ２０１の中に位置する選択される副油圧駆動装置２１２、２２２、２３２、２４２、又は２５２まで前進させる。油圧流体が、いずれの対の制御弁２１６／２１７、２２６／２２７、２３６／２３７、２４６／２４７、又は２５６／２５７を選択しているかに基づいて、１つ又は複数の副油圧駆動装置まで誘導される。副油圧駆動装置もやはりパドル・ホイール２１２、２２２、２３２、２４２、及び２５２であり、これらのパドル・ホイールが内側チャンバ２１３、２２３、２３３、２４３、及び２５３の中にそれぞれ位置する。パドル・ホイール２１２、２２、２３２、２４２、及び２５２が、ジェネレータ５０５の広範囲のマクロ動作のために必要であるタービン速度の増大量及び低下量に比例してサイズ決定される。

副空気圧チャンバ３５１が設けられ、ジェネレータと副油圧チャンバ２０１との間に配置される。副空気圧チャンバ３５１が、電気負荷設備又は電力線５１０の不均衡を最小にするためにジェネレータ５０５の速度を最適化するのを可能にする。貯蔵タンク３０８からの圧縮空気がジェネレータ５０５の速度を増大させるためにポート３１０を通して供給され、対してポート３１４がジェネレータ５０５の速度を低下させるのに利用される。制御弁３１１、３１４、及び３１９が設けられ、速度制御のこれらのマイクロ動作を管理するのに使用される。副空気圧チャンバ３５１が、副空気圧チャンバ３５１の副チャンバ３１８の中に位置するパドル・ホイール３１７を有する。パドル・ホイール３１７がジェネレータ５０５の速度を小さい増分で調整するための手段を提供し、電気負荷設備／電力線５１０に提供される電力の管理がほぼ瞬間的なものとなる。これにより、電気負荷設備／電力線５１０に提供される電力の一貫性及び品質を管理することが可能となる。

一体型のｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｏｖｅｒｄｒｉｖｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＣＶＴ５０３が、エンジン／タービン５００の回転が起こっていないか又は最小である場合に、ジェネレータ５０５の動作のためにさらに使用され得る。主貯蔵タンク３０８につながっている一連の貯蔵タンク３０８などを用いて、圧縮空気をパドル・ホイール３１７に提供する制御弁３１１、３１４、３１９、３２０、及び３２９、並びに油圧チャンバ２００及び２０１への油圧供給を遮断することができる制御弁２６０及び２９１が、内部シャフト１０３を回転させるように制御され、それによりインターフェース・カップリング１０１Ｂを介してジェネレータ５０５のシャフトを回転させ、電気負荷設備／電力線５１０に適合する管理される電力で電気を生成する。

図３が、ＣＶＴ５０３で使用されるためのパドル・ホイールに関するさらなる細部を提供する。上述したように、チャンバ２００がパドル・ホイール２０２を有し、チャンバ２０１がパドル・ホイール２１２、２２２、２３２、２４２、及び２５２を有し、各々のパドル・ホイールがそのそれぞれの内側チャンバ２０３、２１３、２２３、２３３、２４３、及び２５３の中に配置される。例えば、パドル・ホイール２０２が、ホイール２０３を中心とした軸回転のＸ度のところに位置する一連のパドル２０９を有する。シール２１０が内側チャンバ２０３の周りで軸回転のＹ度のところに位置し、それによりパドル・ホイール２０２の回転中に４つの密閉エリアを形成する。１つの密閉エリアが「Ａ」として示され、ここでは、２つのパドル２０９’及び２０９”がシール２１０’及び２１０”に接触している。ワイピングの間の期間によりパドル・ホイール２０２の自己潤滑が可能となる。

吸入管２０４が、シャフト１０２の回転時に管２０５を通してパドル・ホイール２０２からの流体の排出に基づき、必要に応じて油圧流体がチャンバに入るのを可能にする。管２０５からの流体が管２０６に入り、選択される制御弁２１７、２２７、２３７、２４７、又は２５７を通って適切なパドル・ホイール２１２、２２２、２３２、２４２、及び２５２まで流れ、ここでは、内側チャンバ２１３、２２３、２３３、２４３、及び２５３からの流体の排出分が排出ポート２１４、２２４、２３４、２４４、及び２５４を通る形で放出され、選択されるパートナーの制御弁２１６、２２６、２３６、２４６、及び２５６を介して管２０７に到達する。管２０７が流体をパドル・ホイール・チャンバ２０３及びパドル・ホイール２０２の主供給口２０４に戻し、それによりＣＶＴ５０３内のマクロ速度制御のための油圧サイクルを完成させる。通常、このマクロ・レベルでは、タービン速度を基準とした速度の増減の割合が２、３倍に設計されている。

ＣＶＴ５０３の空気圧的側面が、これらのマクロ速度の比の間にあるマイクロ・レベルの速度を可能にする。より具体的には、駆動シャフト１０２に取り付けられるテーパ歯車３０１がプランジャ３０４によりテーパ歯車３０２に係合され、利用可能であるような風速時にスクロール・タイプ又はスクリュー・タイプの空気圧縮機３０３が作動する。これにより、大気が吸入管３２３に入って圧縮されてさらに制御弁３０６を通って外に出てポート３０７を介して貯蔵タンク３０８に到達することが可能となる。次いで、圧縮空気が貯蔵タンク３０８からポート３１０及び３１１を通して供給され得る。制御弁３１１及び３１４が、パドル・ホイール３１７により、シャフト１０３の速度を低下させるか又は急激に増大させるために迅速に作動する。油圧システムによりこれらのマイクロ調整を行うのを可能にするために、ブリード弁２６０及びリザーバ弁２９１が一時的に開けられ、それにより圧力補償が可能となる。ジェネレータ５０５のシャフトの速度が増大すると、空気圧力が排出弁３１９を通して解放される。制御弁３１４が作動して排出弁３１９がパルス周期で閉じられるとシャフト１０３の速度が低下し、その結果、ライン３１５内の圧縮空気がパドル・ホイール３１７に戻るように誘導される。マイクロ速度制御のためのこれらのパルス周期のタイミングは、力率を最大にするのを保証することを目的として電気負荷設備／配電網５１０のＡＣ電気波形に適合するように、制御装置５０２によって作られる。

２つの空気圧チャンバ３５０及び３５１が、制御弁／ブリード弁２６０及びリザーバ弁２９１を完全に開けることにより、及び他方で油圧制御弁２１６、２１７、２２６、２２７、２３６、２３７、２４６、２４７、２５６、及び２５７のすべてを閉じることにより、ジェネレータを制動して完全に停止させるのを可能にする。この場合、流体がパドル・ホイール２０２からリザーバ２９０を通る形で単純に循環し、ここでは空気圧制御弁３１４が開いており、空気圧制御弁３１９が閉じており、それによりシャフト１０３を回転させないように停止させるための背圧を発生させる。

複数の空気圧貯蔵タンク３０８、３３８、．．．がさらに、タービン５００を駆動する風がない場合に、貯蔵された空気圧エネルギーによりシャフト１０３を回転させてジェネレータ５０５を駆動するのを可能にすることができる。このモードでは、制御弁／ブリード弁２６０及びリザーバ弁２９１が完全に開けられており、すべての油圧制御弁２１６、２１７、２２６、２２７、２３６、２３７、２４６、２４７、２５６、及び２５７が閉じられている。この動作状態では、油圧システムがニュートラルである。次いで、制御弁３１１及び３１９が開けられ得、それにより空気圧エネルギーによりパドル・ホイール３１７を動作させることが可能となり、それにより適切な速度でシャフト１０３を回し、それにより電気負荷設備／配電網５１０のＡＣ電気波形に適合するようにジェネレータ５０５を動作させる。

本発明のシステム及び方法が、マクロ速度制御及びマイクロ速度制御の両方の方式で、例えば風力タービンであるエンジンのシャフトを回転させてこの回転をジェネレータに伝達するための大幅に改善された手法を提供する。本発明はまた、エンジンの非回転時に又は有意ではないレベルでのエンジンの回転時にエンジンをジェネレータが切断するか又はジェネレータを稼働するための能力を提供する。

このように、上に記載の本発明の目的のうちの個々のすべての目的を満たす本発明の好適な実施例に関連させて、本発明を開示してきた。本発明は、エンジン、ＣＶＴ、及びジェネレータを使用して電力を発生させるための新しい改善されたシステム、並びに使用方法を提供する。

もちろん、当業者であれば、本発明の意図される精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の教示からの種々の変更形態、修正形態、及び代替形態を企図することができる。本発明は添付の特許請求の範囲の言葉のみによって限定されることを意図される。

Claims (8)

1. タービン出力シャフト及び発電機入力シャフトを有する油圧式連続可変速度システムであって、前記油圧式連続可変速度システムが、
   前記タービン出力シャフトに連結される第１の油圧チャンバ及び前記発電機入力シャフトに連結される第２の油圧チャンバを有する油圧システムであって、前記第１及び第２の油圧チャンバが互いに油圧的に連通され、前記第１及び第２の油圧チャンバが前記発電機入力シャフトのマクロ・レベルの速度調整のためのものである、油圧システムと、
   圧縮空気を生成するために及び少なくとも１つの貯蔵タンク内で圧縮空気を貯蔵するために前記タービン出力シャフトに連結される第１の空気圧チャンバ、並びに前記発電機入力シャフトのマイクロ速度調整、前記発電機入力シャフトの制動、及び前記発電機入力シャフトの直接的な駆動、のうちの１つ又は複数のために、前記発電機入力シャフト及び前記少なくとも１つの貯蔵タンクに連結される第２の空気圧チャンバを有する空気圧システムと、
   前記発電機入力シャフトに接続される発電機の出力を監視し、配電網の電気負荷設備／電力線に対しての出力を比較し、前記配電網に供給される電力を管理するために前記油圧システム及び前記空気圧システムのうちの１つ又は複数を使用して前記配電網の前記電気負荷設備／前記電力線の測定に基づいて前記発電機シャフトの速度を調整するための、制御装置と
   を備える、油圧式連続可変速度システム。
2. 一連の油圧駆動のパドル・ホイールと、前記第１の油圧チャンバに付随する少なくとも１つのパドル・ホイールと、前記第２の油圧チャンバに付随する複数のパドル・ホイールとをさらに備え、前記パドル・ホイールの各々が入力弁及び出力弁を有し、前記入力弁及び前記出力弁の動作が前記制御装置によって制御される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２の油圧チャンバの中にある前記パドル・ホイールが多様なサイズである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第２の油圧チャンバの中にある前記パドル・ホイールが、前記発電機入力シャフトの速度を増大又は低下させるために前記発電機に向かう方向において最小値と最大値との間のサイズ範囲を有する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１及び第２の油圧チャンバに連通されるリザーバをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記空気圧システムが、前記第１の空気圧チャンバに付随する少なくとも１つのパドル・ホイール、及び前記第２の空気圧チャンバに付随する少なくとも１つのパドル・ホイールを有する、請求項１に記載のシステム。
7. エンジンと発電機との間に請求項１に記載の油圧式連続可変速度システムを提供するステップと、制御装置、油圧システム、及び空気圧システムを使用して発電機入力シャフトの速度を制御するステップとを含む、エンジンの出力を制御する方法。
8. 前記エンジンが風力タービンである、請求項１に記載の方法。

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