JP7532006B2 - 回転台、及び風力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、回転台、及び風力発電システムに関する。

近年、地球環境への配慮から、クリーンエネルギーを利用した発電装置への関心が高まってきている。このような発電装置の一つとして、風力発電装置が挙げられる。風力発電装置は、風速により羽根車を回転させ、羽根車の回転によって得られる回転エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。

風力発電装置の発電量は、風速の３乗に比例するといわれており、発電量や発電効率を向上させるために、種々の検討がなされている。例えば、特許文献１には、風洞を有する風力発電装置を複数備えた風力発電装置の集合体が記載されている。特許文献１に記載の集合体は、風力発電装置を支持する支柱が軸受けを介して回転可能なように設けられており、風洞の外周面が受ける風速によって支柱が回転することにより、風力発電装置の吸気口が風の吹いてくる方向に向かうように構成されている。

特開２００３－９７４１６号公報

しかし、特許文献１に記載されている風力発電装置の集合体は、風の吹いてくる方向に風力発電装置の吸気口を向けることが可能なように設計されているが、あくまで、風洞の外周面が受ける風速を利用して吸気口の向きを変えるものであるため、高い精度で吸気口の向きを制御することができず、風の吹いてくる方向と風力発電装置の吸気口の向きとの間に多少のズレが生じてしまっていた。その結果、風洞の内壁に衝突した風によって風洞の内部に乱気流が生じて、風の増速効果を十分に得ることができなかった。また、風洞を備えない風力発電装置に適用することは難しかった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題の一つは、風洞の有無に関わらず、高い精度において、風力発電装置を風が吹いてくる方向に向けることが可能な、回転台を提供することである。

本発明の要旨は、以下の通りである。

［１］風力発電装置を回転可能に支持するためのベアリング部と、風力発電装置の近傍の風向及び風速を計測可能なように設置された風向風速計から送信される、風力発電装置の近傍の風向及び風速に関する情報に基づいて、回転角度を決定する制御装置と、制御装置により決定された回転角度に基づいて、ベアリング部を回転させるモータ部と、を備える回転台。

［２］制御装置が、さらに、風向風速計から送信される風向及び／又は風速に関する情報に基づいて、ベアリング部の回転速度を決定し、モータ部が、制御装置により決定された回転速度に基づいてベアリング部を回転させる、上記［１］に記載の回転台。

［３］さらに、ベアリング部が向いている方向を検出し、検出した方向に関する情報を制御装置に送信するセンサ部を備え、制御装置が、風向風速計から送信される風向に関する情報と、センサ部から送信される前記方向に関する情報との比較に基づいて、ベアリング部の回転方向を決定し、モータ部が、制御装置により決定された回転方向に沿ってベアリング部を回転させる、上記［１］又は［２］に記載の回転台。

［４］さらに、ベアリング部の回転軸と略平行な回転軸を有するスリップリング部を備え、風力発電装置により発電された電力を、スリップリング部を介して外部に出力することが可能な、上記［１］～［３］のいずれかに記載の回転台。

［５］スリップリング部が、スリップリング部の径方向に並べて配置された複数の導体リング、及び、スリップリング部の側面において導体リングと電気的に接続される複数のブラシを有する、上記［４］に記載の回転台。

［６］スリップリング部の上部に、風力発電装置により発電された電力を入力するための複数の入力用端子が備えられており、複数のブラシが、入力用端子に入力された電力を外部へ出力するための端子と電気的に接続される外部出力用ブラシ、及び、入力用端子に入力された電力を回転台の電源へ出力するための端子と電気的に接続される電源出力用ブラシを含む、上記［５］に記載の回転台。

［７］上記［１］～［６］のいずれかに記載の回転台と、回転台によって回転可能に支持される風力発電装置と、を備え、風力発電装置が、風洞を有するものである、風力発電システム。

本発明にかかる回転台によれば、風力発電装置の近傍の風向及び風速を計測可能なように設置された風向風速計から送信される、風力発電装置の近傍の風向及び風速に関する情報に基づいて、回転台の回転角度を制御することにより、風洞の有無に関わらず、高い精度において、風力発電装置を風が吹いてくる方向に向けることができる。その結果として、風力発電装置の発電量および発電効率を向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態にかかる、回転台の一例を示す上面図である。 図１に示すＸ－Ｘ線に沿って切断した場合における、回転台の一例を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態にかかる、回転台の一例を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態にかかる、回転台の構成の一例を示すブロック図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明するが、本発明は図面及び実施の形態に限定されるものではない。また、本発明は、以下に記載する好ましい数値や構成に限定されるものではない。

［回転台］
以下、回転台について、詳細に説明をする。図１は、本発明の実施の形態にかかる、回転台の一例を示す上面図である。また、図２は、図１に示すＸ－Ｘ線に沿って切断した場合における、回転台の一例を示す部分断面図である。図１及び図２に示す回転台１は、ベアリング部２、モータ部３、制御装置４、スリップリング部５、支持板６、フランジ７、及びカバー８を備えている。

ベアリング部２は、回転軸Ｌを有する二重構造型のボールベアリングである。二重構造型であるため、ベアリング部２に作用するモーメントに強く、回転台１の耐久性や安全性を向上させることができる。

ベアリング部２は、内輪２ａ、外輪２ｂ、複数の上部転動体２ｃ、複数の下部転動体２ｄ、下板２ｅ、及び上板２ｆを備えている。上部転動体２ｃ及び下部転動体２ｄは、回転軸Ｌに沿って回転し、内輪２ａに対して外輪２ｂが回転可能なように設けられている。内輪２ａは、下板２ｅに固定されているが、上板２ｆには固定されていない。外輪２ｂは、上板２ｆとは固定されているが、下板２ｅには固定されていない。よって、外輪２ｂの回転に伴って上板２ｆは回転するが、内輪２ａ及び下板２ｅは回転しない。

図１では、ベアリング部２はフランジ７に隠されているので図示されていないが、ベアリング部２を上面視した場合、その形状は、中心孔９が中心に位置する略ドーナツ状である。なお、図１において、回転軸Ｌは、中心孔９の略中心を通る軸である。

なお、ベアリング部２として、上記のような二重構造型のボールベアリングに代えて、例えば、ローラーベアリング、テーパーローラーベアリング、又はニードルベアリング等の公知のベアリングを用いても良い。

モータ部３は、外輪２ｂを回転させるための動力を外輪２ｂに伝達できるように設けられている。モータ部３に用いられるモータの種類としては、特に制限はされず、例えば、ブラシモータ、ブラシレスモータ、ステッピングモータ等を用いることができる。これらの中でも、耐久性が高く、効率的に高トルクの出力が可能という観点から、ブラシレスモータを用いることが好ましい。

モータ部３の動作は、後述の制御装置４によって制御される。モータ部３は、例えば、制御装置４が決定した回転角度、回転速度、回転方向等に基づいて、動作することが好ましい。

制御装置４は、風力発電装置の近傍の風向及び風速を計測可能なように設置された風向風速計から、風力発電装置の近傍の風向及び風速に関する情報を受信する。制御装置４と風向風速計とは、有線で接続されていても良いし、無線で接続されていても良い。

風向風速計は、風力発電装置の近傍の風向及び風速を計測可能なものであれば、特に制限はされず、風車形式等の従来公知のものを用いることができる。駆動系を持たないためにメンテナンスの手間が掛からないという観点からは、超音波式の風向風速計を用いることが好ましい。

風向風速計が設置される風力発電装置の近傍とは、特に制限はされないが、例えば、風力発電装置の羽根車から半径３ｍ以内の位置であることが好ましく、半径２ｍ以内の位置であることがより好ましい。また、風力発電装置が風洞を備えている場合、風向風速計を設置する場所は、風洞の吸気口から半径３ｍ以内の位置であることが好ましく、半径２ｍ以内の位置であることがより好ましい。上記のような位置の風向及び風速を計測することにより、風力発電装置の向きをより適切な方向へと向けることが可能になり、結果として、風力発電装置の発電効率を向上させることができる。

制御装置４は、受信した風向及び風速に関する情報に基づいて、回転台１の回転角度（外輪２ｂの回転角度）を決定する。制御装置４は、例えば、回転台１に支持される風力発電装置の羽根車が風向に略正対するよう、回転角度を決定することが好ましい。このような構成により、風力発電装置の発電効率を向上させることができる。

また、制御装置４は、風速が所定の閾値を超えるほど大きくて、風力発電装置への負担が過大になる場合、例えば、回転台１に支持される風力発電装置の羽根車が風向に略正対しないように、回転角度を決定することが好ましい。このような構成により、風力発電装置が故障する可能性を低下させ、また、安全性を向上させることができる。なお、上記所定の閾値は、風力発電装置の大きさや重量、耐久性等によって、適宜設定することができるが、例えば、風速３０ｍ／ｓとすることが好ましく、風速２０ｍ／ｓとすることがより好ましい。

なお、上記所定の閾値よりもさらに風速が大きくなった場合（例えば、風速４０ｍ／ｓ以上、好ましくは風速６０ｍ／ｓ以上）、風力発電装置が受ける非常に強い横風などによって、風力発電装置が破壊されることを防ぐため、吸気口の向き等を、ゆっくりと風が吹いてくる方向に向けるよう制御することが好ましい。

制御装置４は、受信した風向及び風速に関する情報に基づいて、回転台１の回転速度（外輪２ｂの回転速度）を決定することが好ましい。例えば、風速が小さい場合は、より迅速に羽根車を風向と略正対させて、発電効率を向上させることが好ましい。また、風速が大きい場合は、風力発電装置や回転台が風によって受ける負担を軽減し、故障の発生率を低下させるため、回転速度を遅くすることが好ましい。

なお、回転台１は、さらに、ベアリング部２が向いている方向を検出し、検出した方向に関する情報を制御装置４に送信可能なセンサ部（図示せず）を備えていることが好ましい。センサ部としては、特に制限はされないが、例えば、風力発電装置から送られる電力（電流）による磁気の影響を受けずに、正確な方向を検出できるという観点から、デジタルコンパスが好ましい。

制御装置４は、風向風速計から送信された風向及び風速に関する情報と、センサ部から送信された方向に関する情報との比較に基づいて、回転台１の回転方向（外輪２ｂの回転方向）及び回転角度を決定することが好ましい。このような構成により、右回り又は左回りのどちらがより適切であるかを判断し、より迅速に羽根車を風向と略正対させて、発電効率を向上させることができる。

なお、回転台１は、さらに、モータ部３及び制御装置４に電力を供給するための電源回路（図示せず）及びバッテリ（図示せず）を備えていることが好ましい。バッテリは、後述のスリップリング部５を介して送電される、風力発電装置によって発電された電力を蓄電可能なように構成されていることが好ましい。

スリップリング部５は、回転台１及び回転台１に支持される風力発電装置の回転に伴う不具合を生じさせることなく、風力発電装置により発電された電力を、スリップリング部５を介して外部に出力可能なように設けられている。スリップリング部５としては、従来公知のスリップリングを用いることができるが、例えば、図１に示すようなＳＲ型のスリップリングであることが好ましい。

スリップリング部５は、例えば、ベアリング部２の回転軸Ｌと略平行な回転軸を有し、好ましくは回転軸Ｌと略同一な回転軸を有する。また、スリップリング部５は、スリップリング部５の径方向（スリップリング部５の回転軸に沿う方向）に沿って配置された複数の導体リング、及び、スリップリング部の側面において導体リングと電気的に接続される複数のブラシを有する構造であることが好ましい。

スリップリング部５の上部には、風力発電装置から送電される電力を入力するための１以上の入力端子が備えられている。各導体リングは、例えば、それぞれに対応する入力端子と電気的に接続されており、それぞれが単独で３６０度回転可能な構造である。

導体リングの側面には、１以上のブラシが設けられており、導体リングとブラシとは電気的に接続されている。導体リングが回転する場合、ブラシは回転をしないが、導体リングとブラシとの電気的接続は保たれる。また、ブラシは、電力を外部へと出力するための外部出力用端子と電気的に接続されている。このような構造により、入力端子側が回転状態にあっても、風力発電装置から入力端子に接続される送電ケーブルが絡まる等の不具合を生じることなく、外部へ正常に電力を出力することが容易になる。

ブラシの幅（スリップリング部５の径方向における長さ）としては、特に制限はされないが、例えば、導体リングの回転による通電への影響を低下させ、また、導体リング及びブラシの接点の摩耗を低減させるという観点からは、１ｍｍ以上が好ましく、３ｍｍ以上がより好ましく、５ｍｍ以上がさらに好ましい。一方で、例えば、省スペース性の観点からは、ブラシの幅は、１５ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましく、６ｍｍ以下がさらに好ましい。

また、スリップリング部５は、最終的に外部出力用端子へと電力を出力する入力端子（外部出力用入力端子）に加えて、回転台１の電源（電源回路及びバッテリ）に電力を出力するための電源出力用入力端子を備えていることが好ましい。電源出力用入力端子と電気的に接続される導体リングは、該導体リングと接するブラシを介して、回転台１の電源と電気的に接続されることが好ましい。このような構成により、風力発電装置によって発電される電力によって、回転台１を回転させることが可能になる。

支持板６は、ベアリング部２の上板２ｆと連動して回転するように設けられている。支持板６の形状や数は、特に制限されず、支持する風力発電装置の大きさや重量等に応じて、適宜設定すれば良い。図１及び図２に示される支持板６は、所定の厚みを有する長方形状であり、９０度ずつの角度で合計４枚が備えられている。支持板６を備えることで、回転台１の安定性を向上させることができる。

フランジ７は、ボルト等によって支持板６と連結され、ベアリング部２の上板２ｆと連動して回転するように設けられている。また、フランジ７は、ボルト等によって風力発電装置と連結され、風力発電装置を支持する。フランジ７の形状等は、特に制限されず、支持する風力発電装置の大きさや重量、形状等に応じて、適宜設定すれば良い。

カバー８は、モータ部３、制御装置４、電源回路及びバッテリ等を風雨等から守るために設けられている。カバー８及びその内部に備えられる部材は、外輪２ｂの回転に伴って回転せず、定位置を保つ。カバー８の材料としては、特に制限はされないが、例えば、強度や耐候性に優れるという観点からは、繊維強化プラスチックやアクリル樹脂、ポリカーボネート等が好ましい。また、耐候性の観点から、紫外線吸収剤やカーボンブラック等を添加した材料であることも好ましい。

図３は、本発明の実施の形態にかかる、回転台の一例を示す部分断面図である。図３は、具体的には、図１及び図２に示す回転台の変形例であり、スリップリング部５へと三相交流入力がされる様子を示している。

図３の回転台１において、風力発電装置とスリップリング部５とは、三相三線式で接続されている。Ｕ相は、１番上に位置する導体リングを介して、Ｒ相として外部へ出力される。Ｖ相は、上から２番目に位置する導体リングを介して、Ｓ相として外部へ出力される。Ｗ相は、上から３番目の導体リングを介して、Ｔ相として外部へ出力される。三相交流で送電することにより、送電中における電気損失を低減させることができる。

なお、図３の回転台１を構成するその他の部材は、図１及び図２に示す回転台１と比べて形状や大きさ等が異なるものものあるが、それらの役割は同一である。すなわち、図３に示す回転台１において、図１及び図２に示される回転台１と同一の符号番号を付されている部材は、図１及び図２を用いて説明した内容を必要な範囲で採用することができる。

図４は、本発明の実施の形態にかかる、回転台の構成の一例を示すブロック図である。Ａの矢印は、風力発電装置から送られる直流の電力であり、スリップリング部５を介して、電源回路４３へと送られ、バッテリ（図示せず）に蓄電される。バッテリは、ＣＰＵ４１ａ（制御装置）、モータードライバ３２、及びブラシレスモータ３１と電気的に接続されており、バッテリに蓄電された電力が、これらの部材の電力源となる。なお、Ｂの矢印は、風力発電装置から送られる三相交流の電力であり、Ｃの矢印で示されるように、スリップリング部５を介して、回転台１の外部へと送電される。

ＣＰＵ４１ａは、回転台１が支持する風力発電装置の近傍に設置された風向風速計１０から、該風力発電装置の近傍の風向及び風速に関する情報を受信する。また、ＣＰＵ４１ａは、デジタルコンパス４２から、回転台１（べアリング部）が向いている方向に関する情報を受信する。ＣＰＵ４１ａは、上記の風向及び風速に関する情報、回転台１が向いている方向に関する情報、並びに、風向及び風速に関する情報と回転台１が向いている方向に関する情報との比較に基づいて、回転台１の回転角度、回転速度、及び回転方向を決定する。

回転台１は、複数台を通信接続して使用できるように構成しても良い。このように構成する場合、例えば、１台の風向風速計１０からの情報に基づいて、通信接続された全ての回転台の回転角度等を制御することが好ましい。具体的には、風向風速計１０からの情報を受信するように構成された１台のＣＰＵ４１ａによって、回転台１の回転速度等を決定し、決定された情報を、該ＣＰＵ４１ａからＣＰＵ４１ｂへ、続いてＣＰＵ４１ｃへというように、後に続く回転台のＣＰＵへと順番に送信することが好ましい。なお、通信接続は、無線接続であっても有線接続であっても良い。

また、この場合、ＣＰＵ４１ｃからＣＰＵ４１ｂへ、続いてＣＰＵ４１ｂからＣＰＵ４１ａへというように、下流のＣＰＵから上流のＣＰＵへも動作情報等の送信が可能であることが好ましい。例えば、ＣＰＵ４１ａが、下流に接続された回転台の台数を記憶しておくことで、下流の回転台からの通信が途絶えた時に、アラートを出すこと等が可能になる。また、例えば、ＣＰＵ４１ａは、下流の回転台から動作異常を示す情報を受信した場合に、アラートを出すように構成しても良い。なお、上記の例では、複数台の回転台を直列的に通信接続していたが、例えば、ＣＰＵ４１ａとＣＰＵ４１ｂ、ＣＰＵ４１ａとＣＰＵ４１ｃというように、１つのＣＰＵと、他の複数のＣＰＵとをそれぞれ並列的に通信接続するように構成しても良い。

ＣＰＵ４１ａにより決定された回転台１の回転角度、回転速度、及び回転方向に関する情報は、モータードライバ３２へ送信される。モータードライバ３２は、受信したこれらの情報に基づいて、ブラシレスモータ３１を駆動させる。ブラシレスモータ３１が駆動することにより、回転台が回転することになる。

［風力発電システム］
本発明にかかる回転台によって支持される風力発電装置は、特に制限はされないが、例えば、風力発電装置を現在の風向と略正対させたときに得られる発電効率の向上効果が大きいという観点から、水平軸型であることが好ましく、さらに、風洞を備えるものであることが好ましい。

風洞を備える水平軸型の風力発電装置を、上述したような回転台によって回転可能に支持することにより、例えば、風速が小さい場合に、風洞の吸気口を瞬時に風が吹いてくる方向へと向けて発電効率を向上させることができる。また、例えば、風速が大きくて風力発電装置の羽根車へ与える負担が大きくなりすぎるような場合は、風洞の吸気口を風が吹いてくる方向へは向けないように制御し、風力発電装置の故障率を低下させることができる。また、例えば、風速が非常に大きくて、風洞が受ける非常に強い横風などによって風力発電装置が倒壊する恐れがある場合は、吸気口の向きを、ゆっくりと風が吹いてくる方向に向けるよう制御することで、風力発電装置が倒壊する可能性を低下させることが可能である。

１ 回転台
２ ベアリング部
２ａ 内輪
２ｂ 外輪
２ｃ 上部転動体
２ｄ 下部転動体
２ｅ 下板
２ｆ 上板
３ モータ部
４ 制御装置
５ スリップリング部
６ 支持板
７ フランジ
８ カバー
９ 中心孔
１０ 風向風速計
３１ ブラシレスモータ
３２ モータードライバ
４１ａ ＣＰＵ
４１ｂ ＣＰＵ
４１ｃ ＣＰＵ
４２ デジタルコンパス
４３ 電源回路

Claims (7)

1. 上板、下板、上板に固定された外輪、及び下板に固定された内輪を備え、風力発電装置を回転可能に支持するためのベアリング部と、
   風力発電装置の近傍の風向及び風速を計測可能なように設置された風向風速計から送信される、風力発電装置の近傍の風向及び風速に関する情報に基づいて、ベアリング部の外輪の回転角度を決定する制御装置と、
   制御装置により決定された回転角度に基づいて、ベアリング部の外輪を回転させるモータ部と、
   ベアリング部が向いている方向を検出し、検出した方向に関する情報を制御装置に送信するセンサ部と、
   ベアリング部の回転軸と略平行な回転軸を有するスリップリング部と
   を備え、
   制御装置が、風向風速計から送信される風向及び／又は風速に関する情報に基づいて、ベアリング部の外輪の回転速度を決定し、
   モータ部が、制御装置により決定された回転速度に基づいてベアリング部の外輪を回転させ、
   制御装置が、風向風速計から送信される風向に関する情報と、センサ部から送信される前記方向に関する情報とに基づいて、ベアリング部の外輪の回転方向を決定し、
   モータ部が、制御装置により決定された回転方向に沿ってベアリング部の外輪を回転させ、
   風力発電装置により発電された電力を、スリップリング部を介して外部に出力することが可能な、
   回転台。
2. 制御装置及びモータ部が、上板と下板の間において、ベアリング部の回転軸を挟んで略対向するように配置されている、
   請求項１に記載の回転台。
3. ベアリング部の上板と連動して回転する支持板と、
   支持板と連結され、ベアリング部の上板と連動して回転するフランジと
   を備え、
   フランジは、風力発電装置と連結され、風力発電装置を支持するものである、
   請求項１又は２に記載の回転台。
4. センサ部が、デジタルコンパスを含む、
   請求項１～３のいずれかに記載の回転台。
5. スリップリング部が、スリップリング部の径方向に並べて配置された複数の導体リング、及び、スリップリング部の側面において導体リングと電気的に接続される複数のブラシを有し、
   ブラシが、１ｍｍ以上の幅を有する、
   請求項１～４のいずれかに記載の回転台。
6. スリップリング部の上部に、風力発電装置により発電された電力を入力するための複数の入力用端子が備えられており、
   複数のブラシが、入力用端子に入力された電力を外部へ出力するための端子と電気的に接続される外部出力用ブラシ、及び、入力用端子に入力された電力を回転台の電源へ出力するための端子と電気的に接続される電源出力用ブラシを含む、
   請求項５に記載の回転台。
7. 請求項１～６のいずれかに記載の回転台と、
   回転台によって回転可能に支持される風力発電装置と、を備え、
   風力発電装置が、風洞を有するものである、
   風力発電システム。

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