TW201831778A - 液壓裝置以及風力發電裝置 - Google Patents

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齊藤靖
中島昌男
古賀龍樹
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日商Ｋｙｂ股份有限公司
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Abstract

本發明的課題為提供可以供給穩定的電力的風力發電裝置以及提供使用於該風力發電裝置的液壓裝置。
本發明的解決手段之液壓裝置100A係具有複數個液壓泵20、循環路30以及液壓馬達40。複數個液壓泵20係藉由複數個風車10而各自被驅動，具有供液體流入或流出的第一埠21以及第二埠22。循環路30藉由前述複數個液壓泵的驅動而使液體循環，前述循環路含有：複數個第一流路31，各自連接於複數個液壓泵20的第一埠21，以及複數個第二流路32，各自連接於複數個液壓泵20的第二埠22。液壓馬達40設置於循環路30，藉由於循環路30循環的液體而被驅動，可連接於發電機60。

Description

液壓裝置以及風力發電裝置
本發明係有關於風力發電的技術。
以往，作為利用於風力發電的風車，已有旋轉軸對於風的方向平行地設置的平行軸(水平軸)型的風車(例如參照專利文獻1)、以及旋轉軸對於風的方向垂直地設置的垂直軸型的風車(例如參照專利文獻2)。水平軸型的風車由於比較大型，故具有發電量大的優點。垂直型的風車由於比較小型，故發電量小，但具有設置所需的場所、環境的自由度高、靜音性高的優點。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開2016-15882號公報。
專利文獻2：日本特開2014-118941號公報。
一般而言，以風力發電而行的發電量係受到風的強度左右。如此，即使利用複數個風車也因為各個風車的旋轉數容易產生偏差，故難以獲得穩定的電力。
本發明的目的為提供可以供給穩定的電力的風力發電裝置以及提供使用於該風力發電裝置的液壓裝置。
為了達成上述目的，本發明的一形態之液壓裝置係複數地具備液壓泵、循環路、以及液壓馬達。
前述複數個液壓泵藉由複數個風車而各自被驅動，具有供液體流入或流出的第一埠(port)以及第二埠。
前述循環路，藉由前述複數個液壓泵的驅動而使液體循環，前述循環路含有：複數個第一流路，各自連接於前述複數個液壓泵的前述第一埠，以及複數個第二流路，各自連接於前述複數個液壓泵的前述第二埠。
前述液壓馬達液壓馬達，設置於前述循環路，藉由於前述循環路循環的液體而被驅動，可連接於發電機。
該液壓裝置中，藉由於風車個別地設置的液壓泵的驅動，液體在循環路循環，液壓馬達藉由該循環的液體而驅動發電機。如此，可以使液壓泵的液體的輸出流量(旋轉數)與發電機的輸出(旋轉數)相異。藉此，使用該液壓裝置的風力 發電裝置係可以所期望的一定輸出亦即一定的旋轉數驅動發電機，而可供給穩定的電力。
前述複數個液壓泵之中至少一個液壓泵亦可為可變容量式泵。然後，前述液壓裝置亦可更具備使用前述可變容量式泵而可變地控制前述風車的旋轉數的控制手段。
因風車的特性上且視風車設置的場所、環境而容易於各個風車的旋轉數產生偏差。例如在發生強風的情形，若風車的旋轉數過高則有風車破損之虞，但由於控制手段可將該旋轉數可變地控制，故可防止該風車的破損。
前述液壓裝置亦可更具有切換裝置，在前述液壓泵個別地設置於前述循環路，以使前述液壓馬達的旋轉軸於同一方向旋轉的方式，對應於前述複數個風車的旋轉方向的逆轉而使前述循環路的流通方向逆轉。
藉此，與風車的旋轉方向無關地可以使循環路的液體的流通方向成為一定。結果，發電機係可於一定方向旋轉而發電。
前述複數個風車亦可為垂直軸型的風車。
垂直軸型的風車為比較小型，其設置場所、設置形態的自由度高，故非常適合以複數個風車而行的發電。如此，在吸收各個風車的旋轉數的偏差而可將發電機以一定的輸出驅動的本發明之風力發電裝置利用垂直軸型的風車是大的 優點。
本發明的一形態之風力發電裝置係含有複數個風車、發電機、以及上述液壓裝置。
以上，依據本發明，可在風力發電中供給穩定的電力。
1‧‧‧風力發電裝置
10‧‧‧風車
11‧‧‧旋轉軸
12‧‧‧旋轉翼片
20‧‧‧油壓泵
21‧‧‧第一埠
22‧‧‧第二埠
23‧‧‧旋轉軸
25‧‧‧可變容量式泵
30、36、37‧‧‧循環路
31‧‧‧第一流路
31a‧‧‧第一流路
31b‧‧‧第一流路
32‧‧‧第二流路
32a‧‧‧第二流路
32b‧‧‧第二流路
33‧‧‧流入路
34‧‧‧流出路
37‧‧‧循環路
40‧‧‧油壓馬達
41‧‧‧流入埠
42‧‧‧流出埠
43‧‧‧旋轉軸
50‧‧‧控制手段
55‧‧‧控制缸
60‧‧‧發電機
71‧‧‧止回閥
72‧‧‧止回閥
80、90‧‧‧切換裝置
91‧‧‧第一止回閥(止回閥)
92‧‧‧第二止回閥(止回閥)
93‧‧‧第三止回閥(止回閥)
94‧‧‧第四止回閥(止回閥)
100A、100B、100C、100D‧‧‧油壓裝置
131‧‧‧第一分歧流路
132‧‧‧第二分歧流路
圖1為顯示本發明的實施形態1之風力發電裝置之構成的模型圖。
圖2顯示實施形態1之油壓裝置的油壓迴路。
圖3係顯示本發明的實施形態2之風力發電裝置中的油壓裝置的油壓迴路。
圖4係顯示本發明的實施形態3之風力發電裝置中的油壓裝置的油壓迴路。
圖5係顯示本發明的實施形態4之風力發電裝置中的油壓裝置的油壓迴路。
以下，一邊參照圖式一邊說明本發明的實施形態。
1.實施形態1
圖1為顯示本發明的實施形態1之風力發電裝置的構成的模型圖。該風力發電裝置1係具有複數個風車10以及由該等風車10所驅動的油壓裝置(液壓裝置)100A。
油壓裝置100A係具有：於風車10個別地設置的油壓泵(液壓泵)20；連接至油壓泵20的循環路30；於循環路30設置的油壓馬達(液壓馬達)40；以及連接至油壓馬達40的發電機60。
就風車10而言，可使用具有例如於鉛直方向延伸的旋轉軸11的垂直軸型。一個風車10係具有旋轉軸11以及於該旋轉軸的周圍設置的複數個旋轉翼片12。另外，亦可取代垂直軸型而使用水平軸型的風車。
油壓泵20係具有旋轉軸23，該旋轉軸23係構成為連結於風車10的旋轉軸11。雖旋轉軸11與旋轉軸23直結較佳，但亦可經由齒輪構造而連接。就齒輪構造而言，可因應風車10的種類、設計、及/或油壓泵20的種類、設計而從增速機及減速機之中適當選擇其中之一。
作為油壓泵20，例如可使用柱塞(plunger)泵之中的軸向(axial)型，尤其是旋轉斜板式的泵。作為油壓泵20，不限於柱塞泵，亦可使用齒輪泵或葉片(vane)泵等。
油壓泵20係具有供動作油流出的第一埠21以及供動作油流入的第二埠22。
循環路30係具有：複數個第一流路31，各自連接於複數個油壓泵20的第一埠21；以及複數個第二流路32，各自連接於複數個油壓泵20的第二埠22。藉由各油壓泵20的驅動而使動作油在循環路30內循環。
油壓馬達40係藉由在循環路30循環的動作油而驅動的馬達。圖2係顯示油壓裝置100A的油壓迴路。於循環路30中，連接於各油壓泵20的各個第一流路31係合流而構成於油壓馬達40的流入埠41所連接的流入路33。另外，於循環路30中，於油壓馬達40的流出埠42所連接的流出路34係分歧而構成各油壓泵20所連接的各個第二流路32。
如圖2所示，各第一流路31係分別具有容許動作油從油壓泵20朝向流入路33之流動的止回閥71。各第二流路32係分別具有容許動作油從流出路34朝向油壓泵20之流動的止回閥72。
發電機60係連結於油壓馬達40的旋轉軸43(參照圖1)，藉由該旋轉軸43的旋轉運動而被驅動、發電。在發電機60為直流發電機時，例如亦有於該發電機60連接未圖示的電力調節器(power conditioner)，將所發生的直流電力 變換為交流電力的情形。
亦可於循環路30連接有累積器(accumulator)。藉此，可以抑制因循環路30內的多餘的壓力變動所致的動作油之動作不良的發生。
將如以上所述地構成的風力發電裝置1的動作予以說明。
當各風車10承受風而於一方向旋轉，則各油壓泵20驅動。如此，各油壓泵20係從第一埠21流出動作油，流出的動作油係在各第一流路31合流且經由流入路33而流入一個油壓馬達40。流入油壓馬達40內的動作油係在油壓馬達40內於一定的方向流動。藉此，油壓馬達40係以旋轉軸朝一方向旋轉的方式驅動，發電機60朝一方向旋轉。從油壓馬達40流出的動作油係通過流出路34，通過分歧的各個第二流路32而從油壓泵20的第二埠22向油壓泵20內流入。
如以上所述，本實施形態1之風力發電裝置1中，藉由於風車10個別地設置的油壓泵20的驅動，動作油在循環路30循環，油壓馬達40係藉由該循環的動作油而驅動發電機60。如此，可使油壓泵20的動作油的輸出流量(旋轉數)與發電機60的輸出(旋轉數)相異。藉此，使用該油壓 裝置100A的風力發電裝置1係可以所期望的實質性的一定輸出，亦即一定的旋轉數驅動發電機60，而可供給穩定的電力。
另外，該風力發電裝置1係複數個風車10驅動一個油壓馬達40以及一個發電機60。因此，即使藉由風的能量而旋轉的各風車10的旋轉並非一定，從各油壓泵20吐出的動作油的流量存有偏差，亦可將流入油壓馬達40的動作油的流量平均化。因此，油壓馬達40的旋轉穩定，發電機60的發電穩定。
本實施形態1之風力發電裝置1係使用垂直軸型的風車10，故可使風車10彼此接近，另外，亦可減低風車10的高度。此外，於垂直軸型的風車10中，由於可使旋轉軸11成為與油壓泵20的旋轉軸23直結或同軸，故可將風車10的旋轉能量效率佳地傳達至油壓泵20。如此，可減低油壓裝置100A的能量損失、壓力損失。
2.實施形態2
圖3顯示本發明的實施形態2之風力發電裝置中的油壓裝置的油壓迴路。於以下的說明中，對於上述實施形態1之風力發電裝置1以及油壓裝置100A所包含的要件、機能等，對於實質地同樣的要件附加同一符號，將其說明簡 略化或省略，以相異點為中心進行說明。
實施形態2之油壓裝置100B與上述實施形態1之油壓裝置100A的相異點係在於具有將風車10的旋轉數可變地控制的控制手段50之點。控制手段50係包含例如作為油壓泵的可變容量式泵25。亦即，該控制手段50係進行負載感測(load sensing)控制的手段。
另外，雖全部的油壓泵皆為可變容量式泵25較佳，但此並非必須，只要至少有一個油壓泵被構成為可變容量式泵25即可。
於如圖3所示的油壓迴路中，控制手段50係包含：可變容量式泵25以及因應來自第一流路31的引導壓力(pilot pressure)而驅動的控制缸(control cylinder)55。當可變容量式泵25為旋轉斜板式的泵時，控制缸55係以藉由來自第一流路31的引導壓力所致的操作而將於該可變容量式泵25設置的斜板的傾轉角變化的方式構成。於旋轉斜板式的油壓泵20中，斜板的傾轉角越大則(如圖1所示的相對於旋轉軸23的斜板的角度越小)則吐出量變得越大，吐出壓變大。如上所述的可變容量式泵係例如被揭示於日本特開平8-310267號公報。
如在上述公報亦揭示的，控制缸55係例如設於可變容 量式泵25內。控制缸55係具有以引導壓力驅動的活塞。該活塞係抵接於斜板，連接於例如以引導壓力將該活塞驅動的方式設計的彈簧。
在此，例如在發生強風的情形中，若風車10的旋轉數過高，則有風車10破損之虞。當風車10的旋轉數過高時，油壓泵20的旋轉數也會變高，於該油壓裝置100B，第一流路31中的該吐出壓到達預定以上的壓力(引導壓力)。若此，則藉由該引導壓力而使控制缸55驅動活塞，藉此改變斜板的角度。具體而言，斜板的傾轉角變大(斜板的角度相對於旋轉軸23變小)。結果，吐出壓變大，故油壓泵20的負荷變大。於是，對於風車10的旋轉給予制動力，降低風車10的旋轉數。
另外，雖然隨著上述風車10的旋轉數降低，油壓泵20的旋轉數也會降低，但當斜板的傾轉角變大則油壓泵20的一次旋轉的吐出量會增加。亦即，至少視油壓泵20的設計不同，亦可成為在斜板的傾轉角的變更前與變更後，油壓馬達40的吐出量不會實質地變化的設計。
如上所述，在風車10的特性上，要求以不使風車10的旋轉數變得過高的方式予以抑制。尤其，視風車10設置的場所、環境，於各個風車10的旋轉數容易產生偏差。如此，風車10的旋轉數的控制(限制)變成重要的技術。依據 本實施形態之油壓裝置100B，則可使用控制手段50所致的負載感測技術而抑制風車10的旋轉數的上升，藉此防止風車10的破損。
本實施形態2雖利用斜板式的可變容量式泵25，但亦可利用其他的可變容量式泵。
3.實施形態3
圖4係顯示本發明的實施形態3之風力發電裝置中的油壓裝置的油壓迴路。實施形態3之油壓裝置100C係於具有在循環路36設置的切換裝置80之點與實施形態1之油壓裝置100A相異。
該風力發電裝置中，風車10可於雙方向旋轉。若風車10的旋轉方向逆轉，則油壓泵20的旋轉軸的旋轉方向逆轉，故油壓泵20的第一埠21以及第二埠22中的動作油的流入出方向逆轉。亦即，若風車10一方向旋轉，則成為從油壓泵20的第一埠21流出動作油，從第二埠22流入動作油。若風車10逆旋轉，則從油壓泵20的第二埠22流出動作油，從第一埠21流入動作油。
發電機60係使旋轉軸於一方向旋轉而發電。因此，有必要使發電機60的旋轉軸所連接的油壓馬達40的旋轉軸 亦於一方向旋轉。
切換裝置80係跨設於第一流路31以及第二流路32。就切換裝置80而言，例如可使用電磁閥。風車10、油壓裝置100C、或切換裝置80係具有檢測風車10的旋轉方向(油壓泵20的旋轉軸的旋轉方向)的未圖示的檢測裝置，可因應該檢測裝置的輸出而切換循環路36。
在檢測裝置檢測風車10於一方向旋轉的期間，切換裝置80係藉由切換裝置80使油壓泵20側的第一流路31a與流入路33側的第一流路31b藉由切換裝置80連通，且藉由切換裝置80使油壓泵20側的第二流路32a與流出路34側的第二流路32b藉由切換裝置80連通。該情形中，從油壓泵20的第一埠21流出的動作油係通過第一流路31、流入路33、油壓馬達40、流出路34、第二流路32而往油壓泵20的第二埠22流入。
另一方面，在檢測裝置檢測風車10於逆方向旋轉的期間，切換裝置80係藉由切換裝置80而使油壓泵20側的第二流路32a與流入路33側的第一流路31b藉由切換裝置80連通，且藉由切換裝置80而使油壓泵20側的第一流路31a與流出路34側的第二流路32b藉由切換裝置80連通。該情形中，從油壓泵20的第二埠22流出的動作油係通過第二流路32、流入路33、油壓馬達40、流出路34、第一流 路31而往油壓泵20的第一埠21流入。
如以上所述，本實施形態3之油壓裝置100C中係無關於風車10的旋轉方向，各油壓泵20可以使動作油在油壓馬達40內於一定的方向流動的方式在循環路36內使動作油循環。因此，發電機60可經常於一方向旋轉發電，該風力發電裝置可供給穩定的電力。
4.實施形態4
圖5係表示本發明的實施形態4之風力發電裝置中的油壓裝置的油壓迴路。實施形態4之油壓裝置100D中，相較於上述實施形態3之油壓裝置100A而於切換裝置90的構成相異。
切換裝置90係於油壓泵20個別地設於循環路37，以對應於各風車10的旋轉方向的逆轉對應而使循環路37的流通方向逆轉的方式構成，俾使油壓馬達40的旋轉軸於同一方向旋轉。例如，切換裝置90係具有：在於循環路37設置的4個止回閥91、92、93、94；第一分歧流路131；以及第二分歧流路132。
第一止回閥91係設於第一流路31，容許動作油從油壓泵20向油壓馬達40流動。第二止回閥92係設於第二流 路32，容許動作油從油壓馬達40向油壓泵20流動。
第一分歧流路131係藉由第一止回閥91而從油壓泵20側的第一流路31分歧，藉由第二止回閥92而連通於油壓馬達40側的第二流路32。第二分歧流路132係藉由第二止回閥92而從油壓泵20側的第二流路32分歧，藉由第一止回閥91而連通於油壓馬達40側的第一流路31。
第三止回閥93係設於第一分歧流路131，容許動作油從油壓馬達40向油壓泵20之流動。第四止回閥94係設於第二分歧流路132，容許動作油從油壓泵20向油壓馬達40之流動。
依據具有如以上地構成的切換裝置90的油壓裝置100D，各油壓泵20可以無關於風車10的旋轉方向地使動作油在油壓馬達40內以一定的方向流動的方式，在循環路37內使動作油循環。因此，發電機60可經常於一方向旋轉而發電，該風力發電裝置可供給穩定的電力。
5.其他的各種實施形態
本發明不限定於以上所說明的實施形態，而可以其他的各種實施形態實現。
上述實施形態2中，作為負載感測的控制手段50係使用可變容量式泵25，該可變容量式泵25具有藉由第一流路31的引導壓力之操作而被驅動的控制缸55。作為代替亦可使用採用了電子控制式的負載感測的控制手段。電子控制式的情形中，控制手段係具有感測器以及控制器。感測器係檢測風車10的旋轉數、可變容量式泵的旋轉數、吐出流量或吐出壓力等。控制器係因應感測器的檢測值而控制可變容量式泵的容量可變機構(例如控制缸、控制閥)。
實施形態3、4之油壓裝置100C、100D中，係於循環路設有切換裝置80、90。但是，亦可於油壓馬達設置為了使油壓馬達的旋轉方向成為一方向的機構。
於上述各實施形態中，作為液壓裝置係使用油壓裝置。使用於液壓裝置的液體可為油、亦可為水等其他的液體。
以上所說明的各形態之特徴部分之中，亦可將至少2個特徴部分組合。

Claims (5)

  1. 一種液壓裝置，具有：複數個液壓泵，藉由複數個風車而各自被驅動，具有供液體流入或流出的第一埠以及第二埠；循環路，藉由前述複數個液壓泵的驅動而使液體循環，前述循環路含有：複數個第一流路，各自連接於前述複數個液壓泵的前述第一埠，以及複數個第二流路，各自連接於前述複數個液壓泵的前述第二埠；以及液壓馬達，設置於前述循環路，藉由於前述循環路循環的液體而被驅動，可連接於發電機。
  2. 如請求項1所記載之液壓裝置，其中前述複數個液壓泵之中至少一個液壓泵為可變容量式泵；且前述液壓裝置更具備使用前述可變容量式泵而可變地控制前述風車的旋轉數的控制手段。
  3. 如請求項1或2所記載之液壓裝置，其中更具有切換裝置，在前述液壓泵個別地設置於前述循環路，以使前述液壓馬達的旋轉軸於同一方向旋轉的方式，對應於前述複數個風車的旋轉方向的逆轉而使前述循環路的流通方向逆轉。
  4. 如請求項1或2所記載之液壓裝置，其中前述複數個風車為垂直軸型的風車。
  5. 一種風力發電裝置，具有：複數個風車； 複數個液壓泵，藉由複數個風車而各自被驅動，具有供液體流入或流出的第一埠以及第二埠；循環路，藉由前述複數個液壓泵的驅動而使液體循環，前述循環路含有：複數個第一流路，各自連接於前述複數個液壓泵的前述第一埠，以及複數個第二流路，各自連接於前述複數個液壓泵的前述第二埠；液壓馬達，設置於前述循環路，藉由於前述循環路循環的液體而被驅動；以及發電機，藉由前述液壓馬達的驅動而發電。
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