JP5626256B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、発電装置に関する。

従来、風や海流等の流体によってプロペラを回転させて発電を行うプロペラ式の発電装置が知られている。たとえば、風力発電装置は、プロペラが風を受けて回転する機械エネルギーを発電機によって電気エネルギーへ変換する。

プロペラ式の発電装置には、プロペラの回転位置を検出するエンコーダなどの位置検出器が設けられる場合がある。従来の発電装置は、かかる位置検出器をプロペラ軸に取り付け、かかる位置検出器によってプロペラ軸の回転位置を検出することによってプロペラの回転位置を検出していた（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２０８６３５号公報

しかしながら、プロペラ軸は一般的に軸径が大きいため、プロペラ軸に位置検出器を取り付けようとすると、位置検出器が大型化するおそれがあった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、プロペラの回転位置を検出するための位置検出器の小型化を図ることのできる発電装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る発電装置は、回転軸と、スリップリングと、検出軸と、位置検出器とを備える。回転軸は、プロペラと一体に回転し、内部にプロペラからの配線が挿通される。スリップリングは、回転軸に一端側が連結される。検出軸は、スリップリングの他端側に設けられ、回転軸よりも軸径が小さく回転軸とともに回転する。そして、位置検出器は、検出軸の回転位置を検出することによってプロペラの回転位置を検出する。

実施形態の一態様によれば、プロペラの回転位置を検出する位置検出器の小型化を図ることができる。

図１は、第１の実施形態に係る風力発電装置の構成を示す図である。 図２は、ナセル内に配置される機器の構成を示す模式側面図である。 図３は、プロペラとスリップリングとの接続関係を示す模式図である。 図４は、増速機および発電機の模式側断面図である。 図５は、スリップリングの模式側断面図である。 図６は、回転軸の他の構成を示す模式側断面図である。 図７は、ナセル内に配置される機器の他の構成を示す模式側面図である。 図８は、ナセル内に配置される機器の他の構成を示す模式側面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する発電装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す各実施形態では、本願の開示する発電装置を風力発電装置に対して適用した場合の例について説明するが、本願の開示する発電装置は、風力発電装置以外のプロペラ式の発電装置にも適用することができる。たとえば、本願の開示する発電装置は、海流によってプロペラを回転させて発電を行う潮力発電装置にも適用可能である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る風力発電装置の構成を示す図である。図１に示すように、風力発電装置１は、風力発電部１０と、電力変換装置２０とを備え、電力系統３０へ電力を供給する。なお、説明を分かり易くするために、図１では一部の構成の図示を省略している。また、以下においては、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸を規定し、Ｘ軸正方向を鉛直上向き方向とする。

風力発電部１０は、塔体１１０、ナセル１２０およびプロペラ１３０を有する風車１４０を備える。プロペラ１３０は、ハブ１３０ａと、ハブ１３０ａの異なる位置にそれぞれ取り付けられる複数のブレード１３０ｂとを備える。

複数のブレード１３０ｂは、ピッチ角が変更可能に設けられる。ピッチ角とは、プロペラ１３０の回転面とブレード１３０ｂの翼弦とのなす角度のことである。かかるピッチ角を小さくするほど、ブレード１３０ｂが風を受ける面積が広くなる、言い換えれば、ブレード１３０ｂが風から受ける抗力が大きくなるため、より多くのエネルギーを風から取り出すことが可能となる。

ナセル１２０は、塔体１１０に回転自在に支持される。かかるナセル１２０内には、プロペラ軸１５０を介してプロペラ１３０に接続された発電機１３が収納される。発電機１３は、電動機としても用いることができる回転電機であり、たとえば、永久磁石タイプの回転電機である。プロペラ軸１５０は、プロペラ１３０のハブ１３０ａに接続される。

発電機１３によって発電された電力は、電力変換装置２０へ出力され、電力変換装置２０によって電力変換されて電力系統３０へ供給される。かかる電力変換装置２０の構成および動作については、後述する。

また、ナセル１２０内には、風力によって回転するプロペラ１３０の回転位置を検出するための位置検出器１６が収納されている。第１の実施形態において位置検出器１６は、絶対値エンコーダである。絶対値エンコーダは、絶対位置を検出するため、たとえば電源停止中にプロペラ１３０が強風等によって回転した場合であっても、原点復帰動作を行うことなくプロペラ１３０の現在の回転位置を検出することができる。

位置検出器１６によって検出されたプロペラ１３０の回転位置は、統括制御部４０を介してピッチ制御部５０へ出力される。ピッチ制御部５０は、プロペラ１３０の回転位置を統括制御部４０経由で取得すると、かかるプロペラ１３０の回転位置に応じてブレード１３０ｂのピッチ角をブレード１３０ｂごとに変更するピッチ制御処理を行う。統括制御部４０およびピッチ制御部５０の具体的な動作については、後述する。

ここで、プロペラ軸は、強度上あるいは発電効率上の観点から軸径が大きく形成されることが多い。このため、プロペラの回転位置を検出するための位置検出器をプロペラ軸に取り付け、プロペラ軸の回転位置を検出することによってプロペラの回転位置を検出することとすると、位置検出器が大型化するおそれがあった。

また、軸径が大きくなるほど伝達可能なトルクが大きくなるため、軸径の大きいプロペラ軸に対して位置検出器を取り付けることとすると、位置検出器に対して大きな機械的ストレスがかかるおそれもあった。

一方、プロペラ１３０内には、ブレード１３０ｂを駆動させてブレード１３０ｂのピッチ角を変更するピッチ駆動部等の機器が設けられており、ナセル１２０内には、上記機器に対して給電等を行うためのスリップリング１５が設けられている。

具体的には、風力発電装置１は、プロペラ１３０に連結されるとともにプロペラ１３０からの配線が内部に挿通された回転軸を備え、かかる回転軸に対してスリップリング１５が取り付けられる。スリップリング１５は、プロペラ１３０からの配線が接続される回転部と、かかる回転部に対して電気的に接続される固定部とを備え、プロペラ１３０からの配線は、かかるスリップリング１５の回転部および固定部を介して外部の配線へ接続される。これにより、プロペラ１３０とともに回転するプロペラ１３０内の機器と、回転しない外部の機器との間で電力や信号の授受を行うことが可能となる。

このように、風力発電装置１は、プロペラ軸１５０とは別に、プロペラ１３０と一体に回転する回転軸を備える。そこで、第１の実施形態に係る風力発電装置１では、かかる回転軸の回転位置を位置検出器１６によって検出することでプロペラ１３０の回転位置を検出することとした。

かかる回転軸は、プロペラ軸１５０と比べて軸径が小さいため、プロペラ軸１５０の回転位置を検出する場合と比較して、位置検出器１６の小型化を図ることができ、位置検出器１６にかかる機械的ストレスを小さくすることもできる。

以下では、かかる位置検出器１６の配置および接続関係等について具体的に説明する。図２は、ナセル１２０内に配置される機器の構成を示す模式側面図である。

図２に示すように、ナセル１２０内には、上述した発電機１３、スリップリング１５および位置検出器１６に加え、軸受部１１、増速機１２、ブレーキ１４、出力軸１６０、回転軸１７０、検出軸１８０が設けられる。

軸受部１１、増速機１２、発電機１３、ブレーキ１４、スリップリング１５および位置検出器１６は、プロペラ１３０に近い位置から順に、軸受部１１、増速機１２、発電機１３、ブレーキ１４、スリップリング１５および位置検出器１６の順に配置される。なお、以下では、プロペラ１３０が設けられる側を風力発電装置１の前方とし、位置検出器１６が設けられる側を風力発電装置１の後方とする。

第１の実施形態に係る風力発電装置１では、増速機１２の入力軸および出力軸、発電機１３の入力軸、回転軸１７０および検出軸１８０が、プロペラ軸１５０の中心軸Ｒ（すなわち、プロペラ１３０の回転軸線）と同一軸線上に配置される。このため、これらの機器を収容するナセル１２０を小型化することができる。

軸受部１１は、たとえばローラーベアリング等を用いてプロペラ軸１５０を回転可能に支持する部材である。増速機１２は、プロペラ軸１５０に対して入力軸が接続され、プロペラ軸１５０の回転を増速して出力する。かかる増速機１２の入力軸および出力軸は、プロペラ軸１５０の中心軸Ｒと同一軸線上に配置される。

なお、第１の実施形態では、図２に示す出力軸１６０が、増速機１２の出力軸に相当する。すなわち、第１の実施形態では、増速機１２の出力軸１６０が、発電機１３の入力軸も兼ねており、発電機１３を貫通して発電機１３の後方に延在する場合の例を示す。ただし、この例に限定されるものではなく、増速機１２の出力軸と発電機１３の入力軸とは別体に形成されてもよい。

発電機１３は、増速機１２の出力により発電を行う発電機である。具体的には、発電機１３は、増速機１２の出力軸１６０から入力される回転エネルギーを電気エネルギーへ変換する。増速機１２と同様、発電機１３の入力軸（すなわち、出力軸１６０）は、プロペラ軸１５０と同一軸線上に配置される。なお、増速機１２および発電機１３の具体的な構成については、図４を用いて後述する。

ブレーキ１４は、出力軸１６０の発電機１３後方に延在する部分に設けられ、出力軸１６０と接触することで生じる摩擦によって出力軸１６０の回転を停止させることで、プロペラ１３０の回転を停止させる。かかるブレーキ１４は、たとえば統括制御部４０（図１参照）からの指令に従って動作する。

スリップリング１５は、プロペラ１３０内に配置されるピッチ駆動部等の機器と、外部の機器との間で電力や信号の授受を行うための集電装置であり、回転軸１７０を介してプロペラ１３０に連結される。ここで、プロペラ１３０とスリップリング１５との接続関係について図３を用いて説明する。図３は、プロペラ１３０とスリップリング１５との接続関係を示す模式図である。

なお、説明を分かり易くするために、図３では、複数のブレード１３０ｂのうち１つのブレード１３０ｂのみを示す。また、図３では、かかる１つのブレード１３０ｂに対応して設けられる機器および配線のみを示し、その他のブレード１３０ｂに対応して設けられる機器および配線については省略する。

図３に示すように、プロペラ１３０のハブ１３０ａ内には、ピッチ制御部５０からの指令に従ってブレード１３０ｂのピッチ角を変更するピッチ駆動部３１が設けられる。また、ブレード１３０ｂの内部には、位置検出器３２が設けられる。

ピッチ駆動部３１は、ギア３１ａと、モータ３１ｂと、ＡＣ（Alternate Current）ドライバ３１ｃとを備える。かかるピッチ駆動部３１は、ＡＣドライバ３１ｃを用いてモータ３１ｂを駆動させ、かかるモータ３１ｂの回転に伴ってギア３１ａを回転させることによって、ギア３１ａに接続されたブレード１３０ｂを回転させる。これにより、ブレード１３０ｂのピッチ角が変更される。また、位置検出器３２は、たとえば絶対値エンコーダであり、ブレード１３０ｂの現在のピッチ角を検出してピッチ制御部５０へ出力する。

ＡＣドライバ３１ｃには給電ケーブル８１および信号線８２が、位置検出器３２には信号線８３がそれぞれ設けられており、これら給電ケーブル８１および信号線８２，８３は、スリップリング１５の回転部１５１に接続される。

一方、スリップリング１５の固定部１５２には、ピッチ制御部５０や給電部６０が接続される。かかる固定部１５２は、回転部１５１がプロペラ１３０とともに回転している間も、回転部１５１との電気的な接続が維持されるように構成されている。

これにより、プロペラ１３０内に配置されるピッチ駆動部３１および位置検出器３２は、スリップリング１５の回転部１５１および固定部１５２を介してピッチ制御部５０および給電部６０と電気的に接続される。なお、スリップリング１５の具体的な構成については図５を用いて説明する。

ピッチ制御部５０は、信号線８３およびスリップリング１５を介して位置検出器３２からブレード１３０ｂのピッチ角を取得するとともに、スリップリング１５および信号線８２を介してＡＣドライバ３１ｃへ制御信号を送信する。また、給電部６０は、スリップリング１５および給電ケーブル８１を介してＡＣドライバ３１ｃへの給電を行う。

このように、スリップリング１５を設けることで、回転側であるピッチ駆動部３１および位置検出器３２と、固定側であるピッチ制御部５０および給電部６０とを電気的に接続することができる。

ここで、図３に示すように、給電ケーブル８１および信号線８２，８３は、回転軸１７０の内部に挿通されて、スリップリング１５の回転部１５１に接続される。回転軸１７０は、プロペラ軸１５０（図２参照）と同一軸線上に配置され、一端側がプロペラ１３０に固定されるとともに、他端側がスリップリング１５の回転部１５１に連結される。

すなわち、スリップリング１５の回転部１５１は、回転軸１７０を介してプロペラ１３０と連結される。これにより、回転部１５１は、プロペラ１３０と一体かつ同軸に回転する。

第１の実施形態に係る風力発電装置１では、かかるスリップリング１５の回転部１５１の後端側に検出軸１８０を設け、かかる検出軸１８０の回転位置を位置検出器１６によって検出することで、プロペラ１３０の回転位置を検出することとした。

検出軸１８０は、回転軸１７０とは異なりプロペラ１３０からの配線を挿通させる必要がないため、中実状に形成することができる。このため、検出軸１８０は、回転軸１７０と同様の強度を保ちつつ、回転軸１７０よりも軸径を小さくすることができる。第１の実施形態に係る風力発電装置１では、かかる検出軸１８０に対して位置検出器１６を設けることとしたため、位置検出器１６をさらに小型化することができ、位置検出器１６にかかる機械的ストレスをより小さくすることができる。

また、図３に示すように、位置検出器１６は、増速機や減速機等の変速機構を介在させることなく、プロペラ１３０と同一の回転速度で回転する軸のみを介してプロペラ１３０に連結される。このため、位置検出器１６は、プロペラ１３０の回転位置を精度良く検出することができる。

次に、増速機１２、発電機１３およびスリップリング１５等の具体的な構成を示しつつ、位置検出器１６とプロペラ１３０との接続関係についてより具体的に説明する。以下では、まず、回転軸１７０とプロペラ１３０との接続関係について図４を用いて説明した後に、回転軸１７０と位置検出器１６との接続関係について図５を用いて説明する。図４は、増速機１２および発電機１３の模式側断面図である。

図４に示すように、プロペラ軸１５０は、両端が開口された中空状の部材である。かかるプロペラ軸１５０は先端側においてプロペラ１３０のハブ１３０ａと連結し、プロペラ１３０とともに回転する。なお、プロペラ軸１５０は、プロペラ１３０の回転を増速機１２の入力軸へ伝達するための軸であり、ここでは、ハブ１３０ａに連結された一端部から増速機１２の入力軸に連結された他端部までのプロペラ軸と定義する。

増速機１２は、筒状に形成されたフレーム１２１の内部に、リング１２２と、連結軸１２３と、遊星歯車１２４と、軸受け１２５とを備える。フレーム１２１は、たとえば、図示しない支柱によってナセル１２０に固定される。

リング１２２は、増速機１２の入力軸である。かかるリング１２２は、連結軸１２３を介してプロペラ軸１５０に固定され、かつ、その中心軸をプロペラ軸１５０の中心軸Ｒ（図２参照）と同一としている。また、リング１２２は、フレーム１２１内の溝に対して回転自在に嵌め込まれており、かかるリング１２２の内周面と出力軸１６０の外周面との間に遊星歯車１２４が回転自在に配置される。

出力軸１６０は、増速機１２の出力軸であり、プロペラ軸１５０よりも軸径が小さく、かつ、その中心軸をプロペラ軸１５０の中心軸と同一としている。かかる出力軸１６０は、フレーム１２１に固定された軸受け１２５によって回転自在に支持される。

このように構成された増速機１２では、プロペラ１３０のハブ１３０ａの回転に伴ってリング１２２が回転する。リング１２２の回転に伴い、遊星歯車１２４が自転しつつ、出力軸１６０を中心として公転する。かかる遊星歯車１２４の公転に伴って出力軸１６０が回転する。

これにより、プロペラ軸１５０の回転（すなわち、プロペラ１３０の回転）が増速機１２によって増速されて出力軸１６０から出力される。この結果、出力軸１６０は、プロペラ１３０の回転速度よりも速い回転速度で回転することとなる。

なお、ここでは、増速機１２が、遊星歯車機構を１段のみ備える場合の例を示したが、増速機１２は、かかる遊星歯車機構を多段に備える増速機であってもよい。遊星歯車機構を多段にもうけることで、より大きな増速比で出力軸１６０を回転させることができる。

また、ここでは、増速機１２を遊星歯車型の増速機としたが、増速機１２は遊星歯車型に限定されない。たとえば、遊星ローラ型の増速機を増速機１２としてもよい。遊星歯車機構または遊星ローラ機構は、遊星歯車や遊星ローラに負荷を分散することができるため、摩耗やギア欠け等が比較的少ない。したがって、増速機１２を遊星歯車機構または遊星ローラ機構のみで構成することにより、風力発電装置１の信頼性を高めることができる。

また、遊星型の増速機は、入力軸および出力軸を同軸上に配置することができる。したがって、増速機１２を遊星歯車機構または遊星ローラ機構のみで構成することにより、プロペラ軸１５０、増速機１２、発電機１３、スリップリング１５および位置検出器１６を同一軸線上に配置することができる。さらに、後述するように、プロペラ軸１５０と同一軸線上に配置される回転軸１７０を、出力軸１６０の中空部に挿通させてプロペラ１３０に連結させることが可能となる。

また、ここでは、プロペラ軸１５０が、リング１２２に連結される場合の例について示したが、プロペラ軸１５０は、連結軸を介して遊星歯車１２４に連結されてもよい。かかる場合には、遊星歯車１２４が増速機１２の入力軸となる。

発電機１３は、出力軸１６０の回転によって発電を行う。かかる発電機１３は、フレーム１３１と、固定子１３２と、回転子１３３と、軸受け１３４を備える。

フレーム１３１は、筒状に形成され、たとえば、図示しない支柱によってナセル１２０に固定される。また、フレーム１３１には軸受け１３４が固定されており、かかる軸受け１３４によって出力軸１６０が回転可能に支持される。

なお、第１の実施形態では、ブレーキ１４を取り付けるために、出力軸１６０を発電機１３の後方に延在させることとしたが、出力軸１６０は、必ずしも発電機１３の後方に延在する必要はない。かかる場合、風力発電装置１は、たとえばプロペラ軸１５０に対してブレーキを設け、かかるブレーキを用いてプロペラ軸１５０の回転を停止させることによって、プロペラ１３０を停止させてもよい。

発電機１３のフレーム１３１の内周には、固定子１３２が固着される。固定子１３２は、固定子コア１３２ａと、固定子巻線１３２ｂとを備える。この固定子１３２の内周側には空隙を介して回転子１３３が対向配置される。回転子１３３は、出力軸１６０の外周面に設けられる円筒状の回転子コア１３３ａと、回転子コア１３３ａの外周側に配置された複数の永久磁石１３３ｂとを備え、出力軸１６０と同軸に回転する。

このように構成された発電機１３では、出力軸１６０の回転に伴って回転子１３３が回転することによって、固定子１３２の固定子巻線１３２ｂに電流が発生する。

発電機１３のフレーム１３１は、増速機１２のフレーム１２１に固定される。すなわち、発電機１３のフレーム１３１および増速機１２のフレーム１２１は一体的に形成される。言い換えれば、発電機１３は、増速機１２の出力軸であり発電機１３の入力軸でもある出力軸１６０が、増速機１２および発電機１３間において外部に露出しない（すなわち、フレーム１２１およびフレーム１３１によって覆われる）構成となっている。

このように、発電機１３と増速機１２とを一体に形成することにより、すなわち、発電機１３を増速機付き発電機とすることにより、これら発電機１３および増速機１２を収容するナセル１２０を小型化することができる。

出力軸１６０は、両端が開口された中空状の部材であり、上述したように、プロペラ軸１５０と同一軸線上に配置される。第１の実施形態に係る風力発電装置１では、かかる出力軸１６０の中空部に対して回転軸１７０が挿通される。

回転軸１７０は、プロペラ軸１５０および出力軸１６０と同一軸線上に配置され、出力軸１６０の中空部（すなわち、増速機１２および発電機１３の中空部）およびプロペラ軸１５０の中空部に挿通されてプロペラ１３０のハブ１３０ａに固定される。

回転軸１７０は、両端が開口された中空状に形成されており、プロペラ１３０からの配線（給電ケーブル８１、信号線８２，８３など）が内部に挿通される。

かかる回転軸１７０は、他端側においてスリップリング１５の回転部１５１に連結される。そして、第１の実施形態に係る位置検出器１６は、スリップリング１５の回転部１５１および検出軸１８０を介して回転軸１７０に連結される。

次に、スリップリング１５および検出軸１８０の構成を示しつつ、回転軸１７０と位置検出器１６との接続関係について図５を用いてより具体的に説明する。図５は、スリップリング１５の模式側断面図である。

図５に示すように、スリップリング１５は、回転部１５１と、固定部１５２と、フレーム１５３と、軸受け１５４とを備える。フレーム１５３は、たとえば、図示しない支柱によってナセル１２０に固定される。

回転部１５１は、先端側のみが開口された中空状の円筒部材であり、先端側において回転軸１７０に連結され、かつ、その中心軸を回転軸１７０の中心軸と同一としている。また、回転部１５１は、フレーム１５３に固定された軸受け１５４によって回転自在に支持される。これにより、回転部１５１は、プロペラ１３０および回転軸１７０と一体に回転する。

回転部１５１には、集電環１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃが設けられており、各集電環１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃには、出力軸１６０の中空部を通された給電ケーブル８１や信号線８２，８３がそれぞれ接続される。

固定部１５２は、フレーム１５３に固定される端子１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃと、各端子１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃにそれぞれ設けられるブラシ１５２ｄ，１５２ｅ，１５２ｆとを備える。

ブラシ１５２ｄ，１５２ｅ，１５２ｆは、それぞれ回転部１５１の集電環１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃに接触した状態で保持される。これにより、回転部１５１が回転している間も、各集電環１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃと各ブラシ１５２ｄ，１５２ｅ，１５２ｆとの電気的な接続状態が維持される。また、端子１５２ａは、給電部６０に接続され、端子１５２ｂ，１５２ｃは、ピッチ制御部５０に接続される。

このように構成されたスリップリング１５では、回転部１５１が回転軸１７０およびプロペラ１３０と一体に回転し、固定部１５２のブラシ１５２ｄ，１５２ｅ，１５２ｆが、回転する回転部１５１の集電環１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃに摺接する。これにより、プロペラ１３０内に配置されるピッチ駆動部３１や位置検出器３２（図３参照）が、ピッチ制御部５０や給電部６０と電気的に接続される。

なお、図５では、スリップリング１５に対して集電環と端子とブラシとがそれぞれ３個ずつ設けられる場合の例について示したが、スリップリング１５に設けられる集電環、端子およびブラシの個数は、図５に示したものに限定されない。

このように、スリップリング１５の回転部１５１は、回転軸１７０に対して一端側が連結され、回転軸１７０およびプロペラ１３０と一体に回転する。

回転部１５１の他端側には、回転軸１７０よりも軸径が小さい検出軸１８０が連結される。かかる検出軸１８０は、プロペラ軸１５０、回転軸１７０および回転部１５１と同一軸線上に配置される。

かかる検出軸１８０は、第１軸部１８０ａと、第２軸部１８０ｂと、軸継手１８０ｃとを備える。第１軸部１８０ａは回転部１５１に固定され、第２軸部１８０ｂは位置検出器１６に固定される。そして、これら第１軸部１８０ａおよび第２軸部１８０ｂは、軸継手１８０ｃによって中心軸が同一となるように連結される。

このように、検出軸１８０は、回転軸１７０および回転部１５１と同一軸線上に配置されて回転部１５１と一体に回転する。そして、位置検出器１６は、検出軸１８０の回転位置を検出することによってプロペラ１３０の回転位置を検出することができる。

なお、位置検出器１６によって検出されたプロペラ１３０の回転位置は、統括制御部４０へ出力されたのち、統括制御部４０によってピッチ制御部５０および電力変換装置２０へそれぞれ出力される。

ここで、図１に戻り、電力変換装置２０、統括制御部４０およびピッチ制御部５０について説明しておく。電力変換装置２０は、電力変換部２１と、変換制御部２２と、操作部２３とを備える。かかる電力変換装置２０は、塔体１１０内に配置される。

電力変換部２１は、風力発電部１０の発電機１３と電力系統３０との間で双方向に電力変換を行う。電力変換部２１としては、たとえばマトリクスコンバータを用いることができる。

変換制御部２２は、電力変換部２１へ制御信号を出力して、発電機１３から電力系統３０への電力変換を電力変換部２１に対して行わせる発電制御処理を行う。これにより、発電機１３によって発電された電力が電力変換部２１によって直流−直流変換されて電力系統３０へ供給される。

また、変換制御部２２は、電力変換部２１へ制御信号を出力して、電力系統３０から発電機１３への電力変換を電力変換部２１に対して行わせることで、発電機１３を電動機として使用してプロペラ１３０の回転位置を制御するプロペラ位置制御処理も行う。かかるプロペラ位置制御処理は、たとえばブレード１３０ｂの交換作業時において、操作部２３への操作に基づいて実行される。

すなわち、変換制御部２２は、位置検出器１６によって検出されたプロペラ１３０の回転位置と操作部２３への操作によって指定された目標位置とに基づき、プロペラ１３０の回転位置を目標位置に一致させるように制御信号を生成する。そして、変換制御部２２は、生成した制御信号を電力変換部２１へ出力する。これにより、プロペラ１３０の回転位置を目標位置、たとえば、ブレード１３０ｂの取り付けや取り外しが容易な位置としてブレード１３０ｂ毎に予め設定された位置に一致させることができる。

このように、変換制御部２２は、電力変換部２１へ制御信号を出力して、発電機１３と電力系統３０との間で双方向の電力変換を行わせることで、発電制御処理やプロペラ位置制御処理を行う。

また、風力発電装置１は、統括制御部４０と、ピッチ制御部５０とをさらに備え、位置検出器１６から出力されるプロペラ１３０の回転位置に基づき、ブレード１３０ｂのピッチ角をブレード１３０ｂの位置に応じたピッチ角へ変更するピッチ制御処理を行う。統括制御部４０は、たとえば塔体１１０内に配置され、ピッチ制御部５０は、たとえばナセル１２０内に配置される。

統括制御部４０は、位置検出器１６からプロペラ１３０の回転位置を取得し、取得した回転位置をピッチ制御部５０へ出力する。このように、位置検出器１６によって検出されるプロペラ１３０の回転位置は、統括制御部４０経由でピッチ制御部５０へ入力される。

ピッチ制御部５０は、位置検出器１６によって検出されたプロペラ１３０の回転位置を統括制御部４０経由で取得すると、プロペラ１３０の回転位置に応じたピッチ角変更指令をブレード１３０ｂごとに生成し、生成したピッチ角変更指令に従って、ブレード１３０ｂのピッチ角をブレード１３０ｂごとに変更する。

上述してきたように、第１の実施形態に係る風力発電装置１は、回転軸１７０と、スリップリング１５と、検出軸１８０と、位置検出器１６とを備える。回転軸１７０は、プロペラ１３０と一体に回転し、内部にプロペラ１３０からの配線が挿通される。スリップリング１５は、回転軸１７０に一端側が連結される。検出軸１８０は、スリップリング１５の他端側に設けられ、回転軸１７０とともに回転する。そして、位置検出器１６は、検出軸１８０の回転位置を検出することによってプロペラ１３０の回転位置を検出する。

すなわち、第１の実施形態に係る風力発電装置１では、プロペラ軸１５０よりも軸径の小さい検出軸１８０の回転位置を位置検出器１６によって検出することとしたため、プロペラ軸１５０の回転位置を位置検出器１６によって検出する場合と比較して位置検出器１６を小型化することができる。

また、第１の実施形態に係る風力発電装置１では、プロペラ軸１５０と、増速機１２の入力軸（リング１２２）および出力軸１６０と、発電機１３の入力軸（すなわち、出力軸１６０）と、回転軸１７０と、検出軸１８０とが、同一軸線上に配置されることとした。このため、これらの機器を収容するナセル１２０を小型化することができる。

また、第１の実施形態に係る風力発電装置１では、増速機１２の入力軸（リング１２２）および出力軸１６０ならびに発電機１３の入力軸（すなわち、出力軸１６０）が中空状に形成され、位置検出器１６が、増速機１２および発電機１３の中空部に挿通されることとした。したがって、ナセル１２０内に設けられる機器をよりコンパクトに配置することができる。また、回転軸１７０を真っ直ぐに形成することができるため、回転軸１７０の中心軸とプロペラ軸１５０の中心軸Ｒとの軸合わせを容易に行うことができる。

また、第１の実施形態に係る位置検出器１６は、たとえば図２に示すように、ナセル１２０内に設けられる各機器の最後方に配置される。このため、位置検出器１６の取り付け、取り外しあるいはメンテナンス等を容易に行うことができる。

また、回転軸１７０は、プロペラ１３０に対して設けられるため、プロペラ１３０の回転をより直接的に伝達することができる。

（第２の実施形態）
ところで、上述してきた第１の実施形態では、回転軸１７０がプロペラ１３０に対して設けられる場合の例について説明したが、回転軸１７０は、必ずしもプロペラ１３０に対して直接連結されることを要しない。

そこで、第２の実施形態では、回転軸１７０とプロペラ１３０とが間接的に連結される場合の例について図６を用いて説明する。図６は、回転軸１７０の他の構成を示す模式側断面図である。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図６に示すように、第２の実施形態に係る風力発電装置１ａでは、回転軸１７０ａが、プロペラ軸１５０ａに設けられる。プロペラ軸１５０ａと回転軸１７０ａとが一体に形成されてもよいし、それぞれ別体に形成したうえで事後的に連結してもよい。

回転軸１７０ａは、第１の実施形態に係る回転軸１７０と同様、プロペラ軸１５０ａと同一軸線上に配置され、スリップリング１５の先端側に連結される。また、回転軸１７０ａは、中空状に形成されており、ハブ１３０ａからの配線（給電ケーブル８１、信号線８２，８３など）がプロペラ軸１５０ａの中空部および回転軸１７０ａを通ってスリップリング１５の回転部１５１に接続される。

このように、回転軸１７０ａは、プロペラ軸１５０ａを介してプロペラ１３０に連結されてもよい。かかる場合でも、回転軸１７０ａは、プロペラ１３０のハブ１３０ａと一体に回転するため、第１の実施形態と同様、回転軸１７０ａの回転位置を位置検出器１６が検出することによってプロペラ１３０の回転位置を検出することができる。

なお、第２の実施形態に係る風力発電装置１ａのように、回転軸１７０ａをプロペラ軸１５０ａに設けることとすれば、プロペラ軸１５０ａと回転軸１７０ａとの軸合わせを容易に行うことができる。

なお、図６に示した例に限らず、回転軸は、プロペラおよびプロペラ軸の両方に固定されてもよいし、プロペラまたはプロペラ軸に設けられるその他の部材を介してプロペラまたはプロペラ軸に設けられてもよい。

（第３の実施形態）
ところで、風力発電部の構成、すなわち、ナセル内に配置される機器の構成は、上述してきた各実施形態に示す構成に限定されない。そこで、以下では、風力発電部の他の構成について説明する。図７および図８は、ナセル１２０内に配置される機器の他の構成を示す模式側面図である。

たとえば、図７に示すように、風力発電装置１ｃは、プロペラ１３０＿２の回転を増速機を介することなく発電機１３ｃへ直接伝える所謂ダイレクトドライブ方式の風力発電装置であってもよい。かかる場合の風力発電装置１ｃは、上述してきた各実施形態に係る風力発電装置１，１ａと異なり、増速機を備えない。

図７に示すように、発電機１３ｃ、ブレーキ１４ｃ、スリップリング１５および位置検出器１６ｃは、プロペラ１３０＿２に近い位置から順に、発電機１３ｃ、ブレーキ１４ｃ、スリップリング１５および位置検出器１６ｃの順に配置される。

発電機１３ｃは、上述してきた各実施形態に係る発電機１３よりも定格回転速度が小さいタイプの発電機である。出力軸１６０ｃは、発電機１３ｃの出力軸であり、たとえば、プロペラ軸１５０ｃと一体に形成される。また、出力軸１６０ｃは、中空状に形成される。かかる出力軸１６０ｃと、回転軸１７０ｃと、検出軸１８０とは、発電機１３ｃの入力軸であるプロペラ軸１５０ｃと同一軸線上に配置される。

回転軸１７０ｃは、出力軸１６０ｃの中空部およびプロペラ軸１５０ｃの中空部に挿通された状態でプロペラ１３０＿２と一体に回転する。回転軸１７０ｃは、第１の実施形態に係る回転軸１７０と同様に、ハブ１３０ａ＿２に対して設けられてもよいし、第２の実施形態に係る回転軸１７０ａと同様に、プロペラ軸１５０ｃに対して設けられてもよい。

第３の実施形態に係る位置検出器１６ｃは、回転軸１７０ｃ、スリップリング１５および検出軸１８０を介してプロペラ１３０＿２に連結され、上述してきた各実施形態と同様、検出軸１８０の回転位置を検出することによってプロペラ１３０＿２の回転位置を検出する。

このように、本願の開示する発電装置は、ダイレクトドライブ方式の風力発電装置に対しても適用可能である。

また、図８に示すように、風力発電装置１ｄは、発電機１３ｄの入力軸がプロペラ軸１５０ｄと同一軸線上に配置されないタイプの風力発電装置であってもよい。かかる風力発電装置１ｄでは、増速機１２ｄが、たとえば遊星歯車増速機と平行軸歯車増速機とを多段に組み合わせたものであり、上述してきた増速機１２と比較して、より高い増速比を有する。

出力軸１６０ｄは、増速機１２ｄの出力軸である。かかる出力軸１６０ｄは、上述してきた各実施形態に係る風力発電装置１，１ａ，１ｃと異なり、プロペラ軸１５０ｄの中心軸とは異なる軸線上に配置される。発電機１３ｄは、かかる出力軸１６０ｄに連結され、出力軸１６０ｄの回転により発電を行う。なお、出力軸１６０ｄには、ブレーキ１４ｄが設けられる。

プロペラ軸１５０ｄは、一端側がプロペラ１３０＿３のハブ１３０ａ＿３に連結されるとともに、他端側が増速機１２ｄの入力軸に連結される。プロペラ軸１５０ｄおよび増速機１２ｄの入力軸は中空状に形成されており、これらの中空部に対して回転軸１７０ｄが挿通される。

回転軸１７０ｄは、プロペラ軸１５０ｄおよび増速機１２ｄの入力軸の中空部に挿通された状態でプロペラ１３０＿３と一体に回転する。回転軸１７０ｄは、第１の実施形態に係る回転軸１７０と同様に、ハブ１３０ａ＿３に対して設けられてもよいし、第２の実施形態に係る回転軸１７０ａと同様に、プロペラ軸１５０ｄに対して設けられてもよい。かかる回転軸１７０ｄおよび検出軸１８０は、プロペラ軸１５０ｄと同一軸線上に配置される。

そして、第３の実施形態に係る位置検出器１６ｄは、回転軸１７０ｄ、スリップリング１５および検出軸１８０を介してプロペラ１３０＿３に連結され、上述してきた各実施形態と同様、検出軸１８０の回転位置を検出することによってプロペラ１３０＿３の回転位置を検出する。

このように、本願の開示する発電装置は、発電機の入力軸がプロペラ軸と同一軸線上に配置されないタイプの風力発電装置に対しても適用可能である。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 風力発電装置
１０ 風力発電部
１２ 増速機
１３ 発電機
１５ スリップリング
１６ 位置検出器
１２０ ナセル
１３０ プロペラ
１３０ａ ハブ
１３０ｂ ブレード
１５０ プロペラ軸
１７０ 回転軸
１８０ 検出軸

Claims (7)

1. プロペラと一体に回転し、内部に前記プロペラからの配線が挿通される回転軸と、
   前記回転軸に一端側が連結されるスリップリングと、
   前記スリップリングの他端側に設けられ、前記回転軸よりも軸径が小さく該回転軸とともに回転する検出軸と、
   前記検出軸の回転位置を検出することによって前記プロペラの回転位置を検出する位置検出器と
   を備えることを特徴とする発電装置。
2. 前記プロペラに連結されるプロペラ軸と、
   前記プロペラ軸の回転を増速して出力する増速機と、
   前記増速機の出力により発電を行う発電機と
   をさらに備え、
   前記プロペラ軸と、前記増速機の入力軸および出力軸と、前記発電機の入力軸と、前記回転軸と、前記検出軸とが、同一軸線上に配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記増速機の入力軸および出力軸ならびに前記発電機の入力軸は、中空状に形成され、
   前記回転軸は、
   前記増速機および前記発電機の中空部に挿通された状態で前記プロペラと一体に回転すること
   を特徴とする請求項２に記載の発電装置。
4. 前記回転軸は、
   前記プロペラに対して設けられること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の発電装置。
5. 前記回転軸は、
   前記プロペラ軸に対して設けられること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の発電装置。
6. 前記発電機と前記増速機とが一体に形成されること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発電装置。
7. 前記増速機は、遊星型の増速機であること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の発電装置。

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