JP6187721B1

JP6187721B1 - 風力発電装置

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Publication number: JP6187721B1
Application number: JP2017504438A
Authority: JP
Inventors: 泰孝和田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: WO2018025420A1; JPWO2018025420A1

Abstract

タワーと、タワーの上部に設けられ、タワーの軸方向に沿った方向を回転軸として回転するナセルと、ナセルに回転可能に支持された風車の回転力により電力を発生する発電機と、ナセルに固定された第１基板と、第１基板に設けられ、発電機から電力が供給される第１コイルと、タワーに固定された第２基板と、第２基板に設けられ、第１基板及び第２基板を挟んで第１コイルと対向する第２コイルと、を含む電力伝送部と、を有し、電力伝送部は、第１コイルが第２コイルと磁界共鳴して、第１コイルに供給された電力を第２コイルに伝送する。

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

風力を利用する発電装置は、風を受けて回転する風車と、風車の回転力を電気に変換する発電機とを含む。風車は、タワーの上に設けられたナセルに取り付けられ、発電機はナセル内に配置される。風車が効率良く風を受けるために、ナセルは風の向きに応じて水平面内で回転可能な構造になっている。発電機はナセルとともに回転し、発電機で発生した電力は固定されて動かないタワー内のケーブルを介して外部に送電される（例えば、特許文献１参照）。発電機からの電力を伝送するために、ナセルの回転軸にリングとブラシとが摺動可能に設けられ、リングとブラシとが接触することで発電機の電力が外部に伝送される。

特開２０１５−１０２０２９号公報

リングとブラシとの接触により電力を伝送する方法では、接触抵抗により電力が熱に変わるため損失が生じる可能性がある。また、ブラシはリングとの摩擦により損耗するため、接触抵抗が増大する場合がある。リングとブラシとを用いずにナセルから電力ケーブルをタワー内に引き出す方法では、ナセルの回転に伴って電力ケーブルのねじれが生じる。電力ケーブルは、繰り返しねじれが発生することで断線が生じる可能性がある。また、一定以上のねじれが生じないように、ナセルが回転した角度の合計を認識して制御する機構が必要となり、機器が複雑になる場合もある。

本発明は、上記課題を解決して、電力を効率良く伝送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する。

本発明の一態様による風力発電装置は、タワーと、前記タワーの上部に設けられ、前記タワーの軸方向つまり鉛直に沿った方向を回転軸として回転するナセルと、前記ナセルに回転可能に支持された風車の回転力により電力を発生する発電機と、前記ナセルに固定された第１基板と、前記第１基板に設けられ、前記発電機から電力が供給される第１コイルと、前記タワーに固定された第２基板と、前記第２基板に設けられ、前記第１基板及び前記第２基板を挟んで前記第１コイルと対向する第２コイルと、を含む電力伝送部と、を有し、前記電力伝送部は、前記第１コイルが前記第２コイルと磁界共鳴して、前記第１コイルに供給された前記電力を前記第２コイルに伝送する。

これによれば、第１コイルと第２コイルとが、第１基板及び第２基板を挟んで離隔して配置されて、磁界共鳴方式により第１コイルから第２コイルに電力が伝送される。したがって、ナセルの回転とともに第１コイルが回転した場合であっても、第１コイル及び第２コイルの摩擦による損耗を抑制して電力を効率良く伝送することができる。

本発明の望ましい態様として、前記第１コイルは、前記回転軸に交差する面内において、前記回転軸の周囲に巻回された金属配線を含み、前記回転軸に沿った方向において前記第２コイルと対向し、前記回転軸を中心として前記第２コイルに対して回転可能に設けられている。これによれば、回転軸と交差して第１コイルが設けられるので、ナセルの回転とともに第１コイルが回転した場合であっても、第２コイルに対する第１コイルの相対位置の変化が抑制され、電力の伝送効率の低下を抑制できる。また、第１コイルと第２コイルとが近接することで、伝送距離が変化して相互インダクタンスが変化し共振周波数が変化することを抑制できる。また、伝送距離の短縮により周波数の低下を図ることができるため、高周波の場合に起こる表皮効果及び近接効果による損失増大を抑制できるうえ、インバータの製作が容易という利点もある。なお、第１コイルと第２コイルの距離は、磁気共鳴回路の設計と同様にもっとも電力の伝送効率が高くなる条件を選択するものとする。

本発明の望ましい態様として、前記第１基板は、前記回転軸に沿った方向において前記第２基板と対向し、前記第２基板に対して前記回転軸を中心として回転可能に設けられている。これによれば、第１基板の回転とともに第１コイルが回転するため、第１コイルと他の部材との間の摩擦による損耗を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記第１基板の前記第２基板に対向する面と、前記第２基板の前記第１基板に対向する面とが接している。これによれば、第１基板と第２基板との間の間隔が小さくなり、第１コイルと第２コイルとの距離を小さくすることができるので、電力の伝送効率を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、前記第１基板の前記第２基板に対向する面と、前記第２基板の前記第１基板に対向する面との間に、前記第１基板と前記第２基板との摩擦を抑制する潤滑層が設けられている。これによれば、潤滑層により、第１基板と第２基板との間の摩擦が抑制されるので、第１基板及び第２基板の損耗を抑制できる。

本発明の望ましい態様として、前記潤滑層は、潤滑油である。これによれば、確実に第１基板と第２基板との間の摩擦を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記潤滑層は、自己潤滑性素材のシートである。これによれば、確実に第１基板と第２基板との間の摩擦を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記第１基板及び前記第２基板は、樹脂基板である。これによれば、第１基板及び第２基板は、磁界を遮蔽しないので、第１コイルと第２コイルとが磁界結合して、電力を効率良く伝送することができる。

本発明の望ましい態様として、前記電力伝送部は、前記ナセルと前記タワーとの接続部に配置される。これによれば、第１基板をナセルに固定し、第２基板をタワーに固定するとともに、第１コイルと第２コイルとの距離を小さくして配置することができるので、電力の伝送効率を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、前記接続部は、前記ナセルを前記タワーに対して回転可能に支持する軸受を含む。これによれば、軸受により、ナセルのタワーに対する軸方向の位置の変化が抑制される。したがって、第１コイルと第２コイルとの距離の変化が抑制され、電力の伝送効率の低下を抑制できる。

本発明の風力発電装置によれば、電力を効率良く伝送することが可能である。

図１は、実施形態に係る風力発電装置を示す側面図である。図２は、実施形態に係る風力発電装置の構成の一例を示すブロック図である。図３は、実施形態に係るナセルとタワーとの接続部を示す断面図である。図４は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の第１基板及び１次コイルを示す平面図である。図５は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の第２基板及び２次コイルを示す平面図である。図６は、図４及び図５のＶＩ−ＶＩ’線に沿う断面図である。図７は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の磁界共鳴方式の電力伝送を説明するための説明図である。図８は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の等価回路を示す回路図である。図９は、第１変形例に係る風力発電装置の断面図である。図１０は、第２変形例に係る風力発電装置の非接触式電力伝送部を示す断面図である。

以下、本発明に係る風力発電装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、実施形態に記載された方法、装置及び変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る風力発電装置を示す側面図である。図２は、実施形態に係る風力発電装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、風力発電装置１は、水平軸型のプロペラ風車であって、タワー２と、ナセル４と、風車５と、ハブ６とを有する。

タワー２は、地面から上方に立ち上がる柱である。タワー２は、内部に空間を有する筒状の柱であり、例えば地中に埋め込まれた基礎に固定されている。タワー２の内部空間に、ケーブル８、電力変換装置１８、制御部１００等が配置されている。

ナセル４は、内部に空間を有する箱状の筐体であり、タワー２の上部に設けられている。ナセル４は、タワー２の軸方向に沿った回転軸Ｃ（ヨー軸）を中心軸として回転可能に設けられている。図２に示すように、ナセル４の内部に、ヨー駆動装置１５、計測装置１６、増速機１９、発電機２０が配置されている。また、ナセル４とタワー２との接続部分に非接触式電力伝送部１０が配置されている。

図１に示すように、ナセル４の側面に、ハブ６を介して風車５が設けられている。風車５は複数のブレード７を有して構成される。図１では、２つのブレード７を示しているが、ブレード７は３つ、或いは４つ以上設けられ、水平方向に沿った回転軸Ｚを中心に放射状に設けられる。風車５は、回転軸Ｚに沿った方向の風を受けると、ブレード７に揚力が生じることにより回転軸Ｚを中心に回転する。

タワー２の高さは、風車５の半径の寸法、すなわち１つのブレード７の径方向の寸法よりも高くなっており、風車５が安定した風を受けられるように地上設置面から十分な高さに設定されている。

図２に示すように、風車５が回転すると、風車５の回転軸であるロータ１３が風車５とともに回転する。風車５の回転は、ロータ１３を介して増速機１９に伝達される。増速機１９は、例えばギアボックスであり、風車５からの回転を発電機２０に必要な回転数に増速させる機構である。増速機１９の回転は、主軸１４を介して発電機２０に伝達される。なお、増速機１９が設けられておらず、ロータ１３が発電機２０に直結された構成であってもよい。

発電機２０は、主軸１４から入力された回転力により、電力を発生する。発電機２０から出力された電力は、非接触式電力伝送部１０に供給される。非接触式電力伝送部１０は、後述するように、磁界共鳴を利用して、非接触で配置された１対のコイル同士の間で電力を伝送する。非接触式電力伝送部１０は、発電機２０からの電力をタワー２（図１参照）内に配置されたケーブル８を介して電力変換装置１８に伝送する。電力変換装置１８は、供給された電力を、外部の変電所等の電力系統に適した周波数や電圧に変換して、外部の電力系統に出力する装置である。

また、計測装置１６は、例えば風の方向を計測する風向計や、風速を計測する風速計を含む。ヨー駆動装置１５は、計測装置１６の情報に基づいて、風車５が効率良く風を受けることができるように、回転軸Ｃ（図１参照）を中心にナセル４を回転駆動させる。

制御部１００は、ロータ１３の回転速度の情報や、計測装置１６の風向等の情報や、発電機２０の電力の情報を受け取って、ナセル４の内部の各種機器に制御信号を出力する回路である。制御部１００は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等のメモリと、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ等の記憶部とを備える。制御部１００の発電機２０等に対する制御は、ＣＰＵが演算プログラムをＲＡＭ等に読み出して情報を演算処理することにより実現される。

以上のような構成により、風力発電装置１は、風を受けて回転する風車５の回転力を電力に変換することができる。なお、図１及び図２に示す風力発電装置１は、あくまで一例であり、適宜変更することができる。例えば、ナセル４の内部には、風車５のピッチ角を変化させるピッチ駆動装置や、風力発電装置１の停止時に主軸１４の回転を停止させるブレーキ装置等が設けられていてもよい。

図３は、実施形態に係るナセルとタワーとの接続部を示す断面図である。図３に示すように、ナセル４とタワー２との間に軸受３が設けられている。軸受３は、外輪３ａと、転動体３ｂと、内輪３ｃとを有する転がり軸受であり、ナセル４をタワー２に対して回転可能に支持する。また、ナセル４とタワー２との接続部に非接触式電力伝送部１０が配置されている。

具体的には、タワー２は、柱部２ａと、フランジ部２ｂと、支持部２ｃと、上端部２ｄとを含む。柱部２ａは、回転軸Ｃに沿った方向に延びる筒状の部材である。フランジ部２ｂは、柱部２ａの内周面から径方向の内側に延び、回転軸Ｃに沿った方向から見たときに環状となる板状の部材である。支持部２ｃは、フランジ部２ｂの上部に設けられた環状の部材であり、軸受３の外輪３ａを軸方向に支持する。上端部２ｄは、支持部２ｃの上に設けられ、径方向の厚さが支持部２ｃよりも薄い環状の部材である。軸受３の外輪３ａは、上端部２ｄの内周面に固定される。

ナセル４は、底板４ａと、支持部４ｂと、壁部４ｃとを含む。底板４ａは、タワー２の内部空間に連通する開口４ｄが設けられている。支持部４ｂは、底板４ａの径方向の内側において、タワー２側に向かって突出し、軸受３の内輪３ｃを軸方向に支持する。壁部４ｃは、支持部４ｂの径方向の内側において、タワー２の内部空間に突出する環状の部材である。軸受３の内輪３ｃは、壁部４ｃの外周面に固定される。ナセル４は、壁部４ｃ及び軸受３を介してタワー２と接続され、タワー２に対する径方向の位置が固定される。

このような構成により、軸受３は、ナセル４をタワー２に対して回転可能に支持する。なお、図３に示す、ナセル４とタワー２との接続構造はあくまで一例であり、適宜変更することができる。例えば、複数の軸受３を軸方向に隣り合って設けてもよい。また、軸受３は、スラスト軸受を用いてもよい。

図３に示すように、非接触式電力伝送部１０は、第１基板３１と、第１基板３１の上面に設けられた１次コイル３５と、第２基板３２と、第２基板３２の下面に設けられた２次コイル３６とを有する。第１基板３１の下面と第２基板３２の上面との間には、潤滑層４１が設けられている。第１基板３１は、径方向の外側においてナセル４の壁部４ｃの下端部に固定されている。また、第２基板３２は、タワー２のフランジ部２ｂの径方向内側の端部に固定されている。すなわち、非接触式電力伝送部１０は、タワー２の内部空間において、ナセル４とタワー２との接続部に配置される。

このような構成により、第１基板３１はナセル４に固定され、ナセル４の回転とともに回転軸Ｃを中心に回転する。また、第１基板３１の回転軸Ｃに沿った方向の位置は、軸受３及び壁部４ｃにより固定される。一方、第２基板３２はタワー２に固定されており、ナセル４の回転とともに回転しない。すなわち、第２基板３２の回転軸Ｃを中心とする回転方向の位置、及び回転軸Ｃに沿った方向の位置は、フランジ部２ｂにより固定される。第１基板３１は、固定された第２基板３２に対して相対的に回転可能になっている。

１次コイル３５の端子部３５ａは、接続配線４５を介して発電機２０と接続される。また、２次コイル３６の端子部３６ａは、接続配線４６を介して、タワー２の内部空間に固定されたケーブル８と接続される。非接触式電力伝送部１０は、離隔して配置された１次コイル３５と２次コイル３６との間の磁界共鳴を利用して、１次コイル３５に供給された発電機２０からの電力を２次コイル３６に伝送する。

このような構成により、ナセル４の回転とともに第１基板３１及び１次コイル３５が回転した場合であっても、１次コイル３５及び２次コイル３６の摩擦による損耗を抑制して電力を効率良く伝送することができる。１次コイル３５及び２次コイル３６は、摩擦による損耗が抑制されるので、例えば、リングとブラシとを摺動させて接触する構成に比べて、長寿命化が可能である。上述のようにナセル４は、風を効率良く受けることができるように高いタワー２の上部に設けられているので、ナセル４に含まれる機器の交換作業における作業者の負担が大きくなる。本実施形態においては、１次コイル３５及び２次コイル３６の長寿命化が可能であり、交換の頻度、及び点検の頻度を少なくすることができ、作業者の負担を低減することができる。

また、第１基板３１は、回転軸Ｃを中心軸として、第２基板３２に対して相対的に回転可能になっており、第２基板３２はタワー２に対して固定された状態で、電力の伝送が可能である。したがって、タワー２の内部空間に固定されたケーブル８に対して、第２基板３２及び２次コイル３６の位置は変化しないので、ナセル４が回転した場合であっても、ケーブル８のねじれが抑制される。したがって、本実施形態の非接触式電力伝送部１０は、ケーブル８や接続配線４６における抵抗の増大や断線等を抑制して、電力を効率良く伝送することができる。また、ケーブル８のねじれが抑制されるので、ナセル４の回転駆動がケーブル８のねじれによって規制されず、ナセル４を風向きや風速に対応した適切な方向に回転させることができ、ブレード７の破損を抑制することが可能である。

次に、非接触式電力伝送部１０の構成について説明する。図４は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の第１基板及び１次コイルを示す平面図である。図５は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の第２基板及び２次コイルを示す平面図である。図６は、図４及び図５のＶＩ−ＶＩ’線に沿う断面図である。なお、図４は、第１基板３１を上面３１ａ側から見たときの平面図であり、図５は、第２基板３２を下面３２ｂ側から見たときの平面図である。

図４に示すように、第１基板３１は、平面視で円形状である。第１基板３１の上面３１ａに１次コイル３５が設けられる。１次コイル３５は、回転軸Ｃの周囲に巻回された金属配線５５により構成される平面コイルである。金属配線５５は、第１基板３１の上面３１ａ、すなわち回転軸Ｃと交差する平面内において、回転軸Ｃを中心にらせん状に設けられる。１次コイル３５の端子部３５ａが発電機２０に接続される。上述のように、第１基板３１及び１次コイル３５は、ナセル４の回転とともに、回転軸Ｃを中心に矢印Ｄに示す方向に回転可能になっている。

図５に示すように、第２基板３２は、平面視で円形状である。第２基板３２の下面３２ｂに２次コイル３６が設けられる。２次コイル３６は、回転軸Ｃの周囲に巻回された金属配線５６により構成される平面コイルである。金属配線５６は、第２基板３２の下面３２ｂ、すなわち回転軸Ｃと交差する平面内において、回転軸Ｃを中心にらせん状に設けられる。２次コイル３６の端子部３６ａがケーブル８（図３参照）を介して電力変換装置１８に接続される。上述のように、第２基板３２及び２次コイル３６は、タワー２に対して固定されている。

本実施形態において、第１基板３１と第２基板３２とは、実質的に等しい直径を有している。また、１次コイル３５と２次コイル３６とは、実質的に等しい直径を有し、同じ巻き数を有している。なお、図４及び図５では、１次コイル３５及び２次コイル３６は、３回の巻き数を有しているが、これに限定されず、適宜変更することができる。また、１次コイル３５及び２次コイル３６は、円形状に限定されず、例えば、四角形状、多角形状、長円形状等の他の形状であってもよい。

図６に示すように、第１基板３１の下面３１ｂと第２基板３２の上面３２ａとが互いに対向して配置される。第１基板３１の下面３１ｂと第２基板３２の上面３２ａとの間には、潤滑層４１が設けられている。潤滑層４１として、例えばタービン油、ギア油、グリース等の潤滑油が用いられる。或いは、潤滑層４１として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）等のフッ素樹脂シートや、ポリアミド（ＰＡ）等のナイロン系シートや、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂シートなどの自己潤滑性を持つシートを用いることができる。

第１基板３１は、潤滑層４１を挟んで第２基板３２と対向した状態で、回転軸Ｃを中心として、第２基板３２に対して相対的に回転可能になっている。潤滑層４１を設けているので、第１基板３１と第２基板３２との摩擦が低減され、第１基板３１と第２基板３２との摩擦による損耗を抑制できる。また、第１基板３１及び第２基板３２は、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ブタジエン（Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ）、スチレン（Ｓｔｙｒｅｎｅ）の共重合合成樹脂）、フェノール樹脂等の樹脂基板である。

１次コイル３５と２次コイル３６は、第１基板３１及び第２基板３２を挟んで回転軸Ｃに沿った方向において対向して配置される。図６に示すように、１次コイル３５を覆う保護層３７が設けられている。また、２次コイル３６を覆う保護層３８が設けられている。なお、保護層３７及び保護層３８は、図３から図５では、省略して示している。保護層３７及び保護層３８が設けられているので、１次コイル３５及び２次コイル３６の腐食や、他の部材と接触したときの損傷が抑制される。

上述したように、本実施形態の非接触式電力伝送部１０において、離隔して配置された１次コイル３５と２次コイル３６との間の磁界共鳴を利用して電力の伝送が行われる。図７は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の磁界共鳴方式の電力伝送を説明するための説明図である。図８は、実施形態に係る非接触式電力伝送部の等価回路を示す回路図である。図８に示すように、本実施形態において、１次コイル３５は、等価的に共振コイルＬ１とキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１とにより送信側共振回路Ｔｘを構成する。２次コイル３６は、等価的に共振コイルＬ２とキャパシタＣ２と抵抗Ｒ２とにより受信側共振回路Ｒｘを構成する。キャパシタＣ１と抵抗Ｒ１は、それぞれ１次コイル３５が有する容量及び抵抗により構成されていてもよく、別の素子を用いてもよい。また、キャパシタＣ２と抵抗Ｒ２は、それぞれ２次コイル３６が有する容量及び抵抗により構成されていてもよく、別の素子を用いてもよい。

本実施形態において、１次コイル３５の共振周波数ｆ１は、ｆ１＝１／（２×π×（Ｌ１×Ｃ１）^１／２）によって定められる。また、２次コイル３６の共振周波数ｆ２は、ｆ２＝１／（２×π×（Ｌ２×Ｃ２）^１／２）によって定められる。

図７に示すように、１次コイル３５に発電機２０からの電力が供給されて送信側共振回路Ｔｘが励起される。これにより送信側共振回路Ｔｘにはコイルが形成する誘導磁界Ｍが発生する。１次コイル３５の共振周波数ｆ１と、２次コイル３６の共振周波数ｆ２とが一致した場合、又は、十分に近い場合に磁界共鳴が発生する。受信側共振回路Ｒｘにおいて、２次コイル３６が磁界共鳴によって共振すると、誘導磁界Ｍを介して、磁界エネルギーが伝送される。これにより、発電機２０からの電力が、１次コイル３５と２次コイル３６の共振によって非接触で受信側共振回路Ｒｘに供給され、受信側共振回路Ｒｘの付加である電力変換装置１８に伝達される。

磁界共鳴方式は、電磁誘導方式に比べて、遠距離伝送が可能であり、１次コイル３５と２次コイル３６との位置ずれが生じた場合でも伝送効率の低下を抑制できる。ただし、１次コイル３５と２次コイル３６との距離が近いほど、伝送できるエネルギーを大きくすることができる。

図３に示すように、非接触式電力伝送部１０はナセル４とタワー２との接続部に配置されているので、第１基板３１をナセル４に固定し、第２基板３２をタワー２に固定した状態で、第１基板３１と第２基板３２とを対向させて配置することができる。そして、１次コイル３５と２次コイル３６とは、第１基板３１及び第２基板３２を挟んで、回転軸Ｃに沿った方向において近接して配置される。これによって、１次コイル３５と２次コイル３６との間で良好に磁界結合が行われ、伝送効率を高めることができる。また、図４から図６に示すように、１次コイル３５と２次コイル３６とは、同じ直径を有し、回転軸Ｃを中心に実質的に同軸に配置される。このため、１次コイル３５が回転軸Ｃを中心に回転した場合であっても、回転軸Ｃと交差する平面内において、２次コイル３６に対する１次コイル３５の相対位置の変化が抑制され、電力の伝送効率の低下を抑制できる。

また、ナセル４の回転軸Ｃに沿った方向の位置は、軸受３によってタワー２に対して固定されている。このため、ナセル４に固定された第１基板３１と、タワー２に固定された第２基板３２との回転軸Ｃに沿った方向の位置の変化が抑制される。すなわち、回転軸Ｃに沿った方向において、１次コイル３５と２次コイル３６との距離の変化が抑制されるので、相互インダクタンスが変化し共振周波数が変化することを抑制できる。したがって、電力の伝送効率の低下を抑制できる。

なお、１次コイル３５と２次コイル３６とは同じ直径を有しているが、これに限られない。１次コイル３５と２次コイル３６とは異なる直径を有していてもよく、或いは異なる形状であってもよい。また、１次コイル３５の中心位置と２次コイル３６の中心位置とがずれていてもよい。このような構成であっても、非接触式電力伝送部１０は磁界共鳴方式により電力を伝送するので、比較的高い伝送効率が得られる。

（第１変形例）
図９は、第１変形例に係る風力発電装置の断面図である。図３に示す例では、非接触式電力伝送部１０はタワー２の内部空間に配置されているが、これに限定されない。図９に示すように、本実施形態の非接触式電力伝送部１０Ａにおいて、第１基板３１Ａはナセル４の開口４ｄを覆って、底板４ａの径方向の内側の端部に設けられた壁部４ｅに設けられている。壁部４ｅは、環状の部材であり、底板４ａからナセル４の内部に向かって回転軸Ｃに沿った方向に延びる。第１基板３１Ａは、ナセル４の壁部４ｅの上部に固定されてナセル４の内部空間に配置され、ナセル４の回転とともに回転軸Ｃを中心に回転可能に設けられている。

第２基板３２Ａは、第１基板３１Ａに対してタワー２Ａ側に対向して配置される。タワー２Ａは、フランジ部２ｂの径方向の内側において、回転軸Ｃに沿った方向に延びる壁部２ｅが設けられている。壁部２ｅは、環状の部材であり、フランジ部２ｂからナセル４側に延び、外周面がナセル４の壁部４ｃ及び壁部４ｅの内周面と対向する。第２基板３２Ａは、壁部２ｅの上部に固定される。このように、第２基板３２Ａは、壁部２ｅを介してタワー２Ａに固定される。これにより、第２基板３２Ａの回転軸Ｃを中心とする回転方向の位置、及び回転軸Ｃに沿った方向の位置は、壁部２ｅにより固定され、ナセル４の回転とともに回転しない。本実施形態においても、第１基板３１Ａは、固定された第２基板３２Ａに対して相対的に回転可能になっている。なお、本変形例において、壁部４ｅには、径方向に貫通する開口４ｆが設けられており、壁部２ｅには、径方向に貫通する開口２ｆが設けられている。作業者は、開口４ｆ及び開口２ｆを通ってタワー２Ａとナセル４との間の移動を行うことができる。

本実施形態において、第１基板３１Ａは、ナセル４の内部空間に配置され、第２基板３２Ａはタワー２Ａの上端部２ｄよりも上側に配置される。また、第１基板３１Ａの直径は第２基板３２Ａよりも大きい。このような構成であっても、第１基板３１Ａに設けられた１次コイル３５と第２基板３２Ａに設けられた２次コイル３６との間の磁界共鳴を利用して発電機２０からの電力を効率良く伝送することができる。

なお、図９に示す１次コイル３５及び２次コイル３６は、それぞれ、図４及び図５に示した構成と同様の平面コイルである。そして、１次コイル３５と２次コイル３６とは、同じ直径を有し、回転軸Ｃを中心に実質的に同軸に配置される。１次コイル３５と２次コイル３６とは、第１基板３１Ａ及び第２基板３２Ａを挟んで、回転軸Ｃに沿った方向において近接して配置される。これによって、１次コイル３５と２次コイル３６との間で良好に磁界結合が行われ、伝送効率を高めることができる。

（第２変形例）
図１０は、第２変形例に係る風力発電装置の非接触式電力伝送部を示す断面図である。本実施形態の非接触式電力伝送部１０Ｂにおいて、第１基板３１と第２基板３２との間に潤滑層４１が設けられていない。すなわち、第１基板３１の下面３１ｂと第２基板３２の上面３２ａとが接して、第１基板３１と第２基板３２とが配置される。

上述のように、第１基板３１はナセル４の回転とともに回転し、固定された第２基板３２に対して相対的に回転可能となっている。第１基板３１の下面３１ｂが第２基板３２の上面３２ａに対して摺動して回転する。ここで、ナセル４の回転の速度は十分小さいので、第１基板３１と第２基板３２との間に発生する摩擦を小さくできる。例えば、第１基板３１及び第２基板３２としてポリカーボネート（ＰＣ）等の樹脂材料を用いることで、第１基板３１及び第２基板３２の摩擦による損耗を抑制できる。

本変形例において、ナセル４の回転とともに第１基板３１及び１次コイル３５が回転した場合であっても、１次コイル３５及び２次コイル３６の摩擦による損耗を抑制して電力を効率良く伝送することができる。また、潤滑層４１が設けられていないので、第１基板３１と第２基板３２との間隔が小さくなり、１次コイル３５と２次コイル３６との距離を近づけることが可能になるため、電力の伝送効率を高められる。

以上説明したように、本実施形態の風力発電装置１は、タワー２と、タワー２の上部に設けられ、タワー２の軸方向に沿った方向を回転軸Ｃとして回転するナセル４と、ナセル４に回転可能に支持された風車の回転力により電力を発生する発電機２０と、ナセル４に固定された第１基板３１と、第１基板３１に設けられ、発電機２０から電力が供給される１次コイル３５（第１コイル）と、タワー２に固定された第２基板３２と、第２基板３２に設けられ、第１基板３１及び第２基板３２を挟んで１次コイル３５と対向する２次コイル３６（第２コイル）と、を含む非接触式電力伝送部１０（電力伝送部）と、を有し、非接触式電力伝送部１０は、１次コイル３５が２次コイル３６と磁界共鳴して、１次コイル３５に供給された電力を２次コイル３６に伝送する。

これによれば、１次コイル３５と２次コイル３６とが、第１基板３１及び第２基板３２を挟んで離隔して配置されて、磁界共鳴方式により１次コイル３５から２次コイル３６に電力が伝送される。したがって、ナセル４の回転とともに１次コイル３５が２次コイル３６に対して相対的に回転した場合であっても、１次コイル３５及び２次コイル３６の摩擦による損耗を抑制して電力を効率良く伝送することができる。

本実施形態の風力発電装置１において、１次コイル３５は、回転軸Ｃに交差する面内において、回転軸Ｃの周囲に巻回された金属配線５５を含み、回転軸Ｃに沿った方向において２次コイル３６と対向し、回転軸Ｃを中心として２次コイル３６に対して回転可能に設けられている。これによれば、回転軸Ｃと交差して１次コイル３５が設けられるので、ナセル４の回転とともに１次コイル３５が回転した場合であっても、２次コイル３６に対する１次コイル３５の相対位置の変化が抑制され、電力の伝送効率の低下を抑制できる。また、１次コイル３５と２次コイル３６とが近接することで、伝送距離が変化して相互インダクタンスが変化し共振周波数が変化することを抑制できる。また、伝送距離の短縮により周波数の低下を図ることができるため、高周波の場合に起こる表皮効果及び近接効果による損失増大を抑制できるうえ、インバータの製作が容易という利点もある。なお、１次コイル３５と２次コイル３６の距離は、磁気共鳴回路の設計と同様にもっとも電力の伝送効率が高くなる条件を選択するものとする。

本実施形態の風力発電装置１において、第１基板３１は、回転軸Ｃに沿った方向において第２基板３２と対向し、第２基板３２に対して回転軸Ｃを中心として回転可能に設けられている。これによれば、第１基板３１の回転とともに１次コイル３５が回転するため、１次コイル３５と２次コイル３６との間の摩擦及び１次コイル３５と第２基板３２との間の摩擦が生じないため、１次コイル３５の損耗を抑制することができる。

本実施形態の風力発電装置１において、第１基板３１の下面３１ｂ（第２基板３２に対向する面）と、第２基板３２の上面３２ａ（第１基板３１に対向する面）とが接している。これによれば、第１基板３１と第２基板３２との間の間隔が小さくなり、１次コイル３５と２次コイル３６との距離を小さくすることができるので、電力の伝送効率を高めることができる。

本実施形態の風力発電装置１において、第１基板３１の下面３１ｂ（第２基板３２に対向する面）と、第２基板３２の上面３２ａ（第１基板３１に対向する面）との間に、第１基板３１と第２基板３２との摩擦を抑制する潤滑層４１が設けられている。これによれば、潤滑層４１により、第１基板３１と第２基板３２との間の摩擦の発生が抑制されるので、第１基板３１及び第２基板３２の損耗を抑制できる。

本実施形態の風力発電装置１において、潤滑層４１は、潤滑油である。或いは、潤滑層４１は、自己潤滑性素材のシートである。これによれば、確実に第１基板３１と第２基板３２との間の摩擦の発生を抑制することができる。

本実施形態の風力発電装置１において、第１基板３１及び第２基板３２は、樹脂基板である。これによれば、第１基板３１及び第２基板３２は、磁界を遮蔽しないので、１次コイル３５と２次コイル３６とが磁界結合して、電力を効率良く伝送することができる。

本実施形態の風力発電装置１において、非接触式電力伝送部１０は、ナセル４とタワー２との接続部に配置される。これによれば、第１基板３１をナセル４に固定し、第２基板３２をタワー２に固定するとともに、１次コイル３５と２次コイル３６との距離を小さくして配置することができるので、電力の伝送効率を高めることができる。

本実施形態の風力発電装置１において、接続部は、ナセル４をタワー２に対して回転可能に支持する軸受３を含む。これによれば、軸受３により、ナセル４のタワー２に対する軸方向の位置の変化が抑制される。したがって、回転軸Ｃに沿った方向において、１次コイル３５と２次コイル３６との距離の変化が抑制され、電力の伝送効率の低下を抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態の内容によりこの発明が限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、第１基板３１をナセル４に固定するための構造や、第２基板３２をタワー２に固定するための構造は適宜変更することができる。第１基板３１及び第２基板３２の形状も、固定するために適した形状に適宜変更することができる。また、ヨー駆動装置１５が無く、後端に安定用尾翼を持ち、風力によって風車５の向きを変える簡便な形式の風車でも良い。

１風力発電装置
２、２Ａタワー
３軸受
３ａ外輪
３ｂ転動体
３ｃ内輪
４ナセル
５風車
８ケーブル
１０、１０Ａ、１０Ｂ非接触式電力伝送部
２０発電機
３１、３１Ａ第１基板
３２、３２Ａ第２基板
３５１次コイル
３６２次コイル
４１潤滑層
Ｒｘ受信側共振回路
Ｔｘ送信側共振回路

Claims

タワーと、
前記タワーの上部に設けられ、前記タワーの軸方向に沿った方向を回転軸として回転するナセルと、
前記ナセルに回転可能に支持された風車の回転力により電力を発生する発電機と、
前記ナセルに固定された第１基板と、前記第１基板に設けられ、前記発電機から電力が供給される第１コイルと、前記タワーに固定された第２基板と、前記第２基板に設けられ、前記第１基板及び前記第２基板を挟んで前記第１コイルと対向する第２コイルと、を含む電力伝送部と、を有し、
前記電力伝送部は、前記第１コイルが前記第２コイルと磁界共鳴して、前記第１コイルに供給された前記電力を前記第２コイルに伝送し、
前記第１基板の前記第２基板に対向する面と、前記第２基板の前記第１基板に対向する面とが接している風力発電装置。
タワーと、
前記タワーの上部に設けられ、前記タワーの軸方向に沿った方向を回転軸として回転するナセルと、
前記ナセルに回転可能に支持された風車の回転力により電力を発生する発電機と、
前記ナセルに固定された第１基板と、前記第１基板に設けられ、前記発電機から電力が供給される第１コイルと、前記タワーに固定された第２基板と、前記第２基板に設けられ、前記第１基板及び前記第２基板を挟んで前記第１コイルと対向する第２コイルと、を含む電力伝送部と、を有し、
前記電力伝送部は、前記第１コイルが前記第２コイルと磁界共鳴して、前記第１コイルに供給された前記電力を前記第２コイルに伝送し、
前記第１基板の前記第２基板に対向する面と、前記第２基板の前記第１基板に対向する面との間に、前記第１基板と前記第２基板との摩擦を抑制する潤滑層が設けられている風力発電装置。
前記潤滑層は、潤滑油である請求項２に記載の風力発電装置。
前記潤滑層は、自己潤滑性素材のシートである請求項２に記載の風力発電装置。
前記第１コイルは、前記回転軸に交差する面内において、前記回転軸の周囲に巻回された金属配線を含み、前記回転軸に沿った方向において前記第２コイルと対向し、前記回転軸を中心として前記第２コイルに対して回転可能に設けられている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記第１基板は、前記回転軸に沿った方向において前記第２基板と対向し、前記第２基板に対して前記回転軸を中心として回転可能に設けられている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記第１基板及び前記第２基板は、樹脂基板である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記電力伝送部は、前記ナセルと前記タワーとの接続部に配置される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記接続部は、前記ナセルを前記タワーに対して回転可能に支持する軸受を含む請求項８に記載の風力発電装置。