TW201831780A

TW201831780A - 風力發電裝置

Info

Publication number: TW201831780A
Application number: TW107100658A
Authority: TW
Inventors: 古賀龍樹; 齊藤靖; 中島昌男
Original assignee: 日商Ｋｙｂ股份有限公司
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-09-01
Also published as: WO2018131387A1; JP2018112082A

Abstract

本發明的課題為提供可謀求裝置的小型化與保養性的提升的風力發電裝置。

本發明的一實施形態之風力發電裝置1係具備：驅動單元20；發電單元30；以及液壓循環迴路40。驅動單元20係設置在塔10的頂部，塔10係設置在地上，驅動單元20包含：接受風旋轉的風車21；以及因應風車21的旋轉發生液壓的液壓泵22。發電單元30設置在地上，發電單元30包含：接受前述液壓的供給而旋轉的液壓馬達31，以及藉由液壓馬達31的旋轉而被驅動的發電機32。液壓循環迴路40使動作液在液壓泵22與液壓馬達31之間循環。

Description

風力發電裝置

本發明係有關風力發電裝置。

近年來，作為再生能源發電系統，風力發電的普及進展。例如於專利文獻1記載有一種風力發電裝置，具有：設置於地面的塔；裝設於塔的頂部的機艙；收容於機艙的發電機；以及在發電機的旋轉軸裝設的轉子；該風力發電裝置係藉由接受風而旋轉的轉子的旋轉力而將發電機驅動。

另一方面，已知在將轉子的旋轉動力向發電機傳達的動力傳達機構使用油壓迴路的發電系統。例如於專利文獻2揭示有一種風力發電裝置，具有：接受風而旋轉的轉子；將轉子的旋轉增速的油壓變速器；以及聯繫至電力系統的同步發電機；油壓變速器及同步發電機被收納於機艙或將其支撐的塔的內部。

[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：日本特表2013-520596號公報。

然而，於以往的風力發電裝置中，由於在機艙收容有發電機，故難以謀求機艙的小型化。另外，由於機艙的重量變大，故亦無法避免將其支撐的塔的大型化。更且，由於發電機的檢查、修理、交換等的保養作業必須在高處進行，故亦有作業性不良的問題。

有鑑於以上事情，本發明的目的係提供一種可謀求裝置的小型化與保養性的提升的風力發電裝置。

為了達成前述目的，本發明的一形態之風力發電裝置係具有：驅動單元、發電單元、以及液壓循環迴路。

前述驅動單元設置在塔的頂部，前述塔係設置在地上，前述驅動單元包含：接受風而旋轉的風車，以及因應前述風車的旋轉而發生液壓的液壓泵。

前述發電單元係設置在地上，前述發電單元包含：接受前述液壓的供給而旋轉的液壓馬達，以及藉由前述液壓馬達的旋轉而被驅動的發電機。

前述液壓循環迴路係使動作液在前述液壓泵與前述液壓馬達之間循環，前述液壓循環迴路包含：從前述液壓泵往前述液壓馬達供給前述動作液的第一液壓供給線，以及從前述液壓馬達往前述液壓泵供給前述動作液的第二液壓供給線。

於前述風力發電裝置中，發電機並非設置在塔頂部的高處而是設置在地上(低處)。因此，可謀求驅動單元的小型化、輕量化，實現裝置的小型化。另外，由於發電機設置在低處，故可以提升發電機的保養性。

前述液壓循環迴路亦可進一步具有充料(charge)泵單元。前述充料泵單元係構成為設置在前述第二液壓供給線且可將動作液往前述液壓泵壓送。

藉此，在例如風車急速旋轉時，可將動作液往液壓泵迅速地供給。

前述液壓循環迴路亦可進一步具有閥機構。前述閥機構係構成為設置在前述第一液壓供給線且可將前述動作液的從前述液壓泵往前述液壓馬達的供給予以遮斷。

藉此，例如在風車停止時，能夠阻止第一液壓供給線中的動作液的往液壓馬達側的流入。

前述風力發電裝置亦可進一步具有控制器。前述控制器根據前述液壓泵或前述液壓馬達的輸出而開閉前述閥機構。

藉此，可依據液壓泵或液壓馬達的驅動狀態而監視風車的旋轉停止狀態，將閥機構適切地控制。

前述液壓泵亦可為可變容量式的液壓泵，前述液壓馬達亦可為可變容量式的液壓馬達。

藉此，可以一定的旋轉數驅動發電機，故成為可進行穩定的發電動作。

1‧‧‧風力發電裝置

2‧‧‧風力發電裝置

10‧‧‧塔

20‧‧‧驅動單元

21‧‧‧風車

21a‧‧‧旋轉軸

22‧‧‧液壓泵

23‧‧‧齒輪機構

30‧‧‧發電單元

31‧‧‧液壓馬達

32‧‧‧發電機

40‧‧‧液壓循環迴路

41‧‧‧第一液壓供給線

42‧‧‧第二液壓供給線

43‧‧‧釋放閥

44‧‧‧止回閥

45‧‧‧壓力感測器

45A‧‧‧壓力感測器

50‧‧‧驅動迴路

812‧‧‧閥體

813‧‧‧彈簧構件

821‧‧‧螺線管部

822‧‧‧彈簧構件

100‧‧‧風力發電裝置

110‧‧‧塔

121‧‧‧機艙

201‧‧‧機艙

211‧‧‧轂

212‧‧‧葉片(翼)

H‧‧‧地面

Cv1‧‧‧第一止回閥

Cv2‧‧‧第二止回閥

Cv3‧‧‧第三止回閥

L1‧‧‧第一充料線

L2‧‧‧第二充料線

P‧‧‧泵部

Rv‧‧‧釋放閥

R‧‧‧儲器

51‧‧‧驅動迴路

60‧‧‧控制器

70‧‧‧充料泵單元

80‧‧‧閥機構

81‧‧‧開閉閥

82‧‧‧切換閥

810‧‧‧閥座

A‧‧‧位置

B‧‧‧位置

S1‧‧‧壓力室

S2‧‧‧先導室

P1‧‧‧入口

P2‧‧‧出口

811‧‧‧殼體

圖1為顯示本發明的一實施形態之風力發電裝置的構成的概略側視圖。

圖2為顯示前述風力發電裝置的驅動迴路的配管構成圖。

圖3為將前述風力發電裝置與比較例之風力發電裝置與比較且顯示的概略側視圖。

圖4為顯示本發明的另一實施形態之風力發電裝置的驅動迴路的配管構成圖。

圖5為顯示前述驅動迴路中的閥機構之閉狀態的概略擴大圖。

圖6為顯示前述驅動迴路中的閥機構之開狀態的概略擴大圖。

以下，一邊參照圖式一邊說明本發明的實施形態。

<第一實施形態>

[全體構成]

圖1為顯示本發明的一實施形態之風力發電裝置的構成的概略側視圖，圖2為顯示該風力發電裝置的驅動迴路(油壓迴路)50的配管構成圖。

本實施形態的風力發電裝置1係具有：設置於塔10的頂部的驅動單元20；發電單元30；以及液壓循環迴路40。風力發電裝置1的發電量並無特別限制，例如為數十kW級。

塔10係將含有風車21的驅動單元20予以支撐。塔10雖設置於地上，但其地面H可為平地面亦可為傾斜面。另外，風力發電裝置1亦可設置於海洋上，該情形中，地面H可為將塔10予以支撐的基座部的表面亦可為海面。塔10的離地面H的高度並無特別限制，例如為數十公尺至一百數十公尺。

驅動單元20係具有：接受上空的風而旋轉的風車21；以及因應風車21的旋轉而發生液壓的液壓泵22。風車21係由旋轉軸相對於風向平行地設置的平行軸(水平軸)型的風車所構成，具有：轂(hub)211；以及裝設於轂211的周圍的複數個葉片(翼)212。液壓泵22係被收容於設置在塔10的頂部的機艙201的內部。機艙201係具有將風車21可旋轉地支撐且將其旋轉動力向液壓泵22傳達的動力傳達機構等。

發電單元30係具有：接受在液壓泵22中發生的液壓而旋轉的液壓馬達31；以及藉由液壓馬達31的旋轉而被驅動的發電機32。發電單元30係設置於地上，典型係設置在地面H。發電單元30亦可配置在設置於地面H的支撐台(圖示省略)之上。重點在於，發電單元30可為較驅動單元20低的位置。藉此，與發電機32設置在塔10的頂部的情形比較，可更提升發電機32的保養性。

液壓循環迴路40係包含使動作液在驅動單元20(液壓泵22)與發電單元30(液壓馬達31)之間循環的配管、閥、泵、動作液儲器(reservoir)等的油壓機器。液壓循環迴路40係典型而言設置於塔10的內部。

如圖2所示，驅動迴路50係由：液壓泵22、液壓馬達31、以及液壓循環迴路40等所構成。以下，針對驅動迴路50的詳細進行說明。

(驅動迴路)

驅動迴路50係構成將風車21的旋轉動力向發電機32 傳達的動力傳達機構。風力發電裝置1係具有控制驅動迴路50的控制器60。控制器60的典型係由包含CPU(Central Processing Unit；中央處理器)、記憶體等的電腦所構成，例如設置在發電單元30、塔10的內部或其附近。

液壓泵22係由接受風車21的旋轉力而發生液壓的旋轉型的油壓泵所構成。於本實施形態中，液壓泵22係由可因應來自控制器60的指令而控制排出量的油壓泵所構成，例如，可採用斜板型軸向柱塞泵。

液壓泵22係經由齒輪機構23而連接於風車21的旋轉軸21a。齒輪機構23的典型係由增速齒輪所構成，但不限於此，亦可由減速齒輪所構成。另外，亦可因應需要省略齒輪機構23。

液壓馬達31係由接受從液壓泵22供給的動作液(動作油)的液壓而將旋轉動力輸出至發電機32的油壓馬達所構成。液壓馬達31的構成並無特別限制，本實施形態中，係採用斜板型軸向柱塞馬達。液壓馬達31係構成為可因應來自控制器60的指令而控制旋轉數。

發電機32的典型係由旋轉電機所構成。以發電機32發電的電力可經由送電線(未圖示)而送往預定的場所，亦可另外設置將由發電機32所發電的電力儲藏的蓄電池(未圖示)。

液壓循環迴路40係具有：第一液壓供給線41以及第二液壓供給線42。第一液壓供給線41係連接於液壓泵22的排出口與液壓馬達31的吸入口之間，從液壓泵22向液壓馬達31供給動作液(液壓)。第二液壓供給線42係連接於液壓馬達31的排出口與液壓泵22的吸入口之間，從液壓馬達31向液壓泵22供給動作液(液壓)。

另外，在第一液壓供給線41與第二液壓供給線42之間，釋放閥43係相對於液壓馬達31並聯地連接。釋放閥43係以當第一液壓供給線41的液壓成為預定以上時則開放的方式構成。另外，於液壓馬達31的吸入口與排出口之間，當液壓馬達31的排出側的壓力成為預定以上時則會開閥的止回閥44係相對於液壓馬達31並聯地連接。藉此可將液壓泵22及液壓馬達31從過負載中予以保護。

於第一液壓供給線41連接有壓力感測器45，經由該壓力感測器45，第一液壓供給線41的液壓在控制器60被監視。控制器60係根據壓力感測器45的輸出而將液壓泵22的排出壓及液壓馬達31的旋轉量之中的至少一個調整，以使發電機32的發電量成為一定的方式控制驅動迴路50。另外，雖未圖示，但亦可構成為於液壓泵22及液壓馬達31設置將該些之運轉狀態或旋轉狀態檢測的感測器，將該等感測器的輸出供給至控制器60。

(充料泵單元)

另一方面，液壓循環迴路40更進一步具有充料泵單元70。充料泵單元70係設置於第二液壓供給線42且用以在第二液壓線42的壓力降低時將動作液往液壓泵22壓送。

如上所述，液壓泵22係設置於塔10的頂部，相對於此，液壓馬達31係設置於地上(地面H)，於液壓泵22與液壓馬達31之間存有塔10的高度分的高低差。因此，例如在風車21的高速旋轉時，有無法使動作液往液壓泵22迅速地回流，且有液壓泵22無法穩定地排出對應於風車的旋轉量之液壓的疑慮。

為了解決前述問題，充料泵單元70係具有：儲藏動作液的儲器R；以及將儲器R內的動作液吸引的泵部P。之後，如圖2所示，充料泵單元70係具有：將儲器R內的動作液經由第一止回閥Cv1而往第二液壓供給線42送出的第一充料線L1；以及將從泵部P排出的動作液經由第二止回閥Cv2往第二液壓供給線42送出的第二充料線L2。

第一止回閥Cv1係容許動作液的從第一充料線L1向第二液壓供給線42的流動，禁止動作液的從液壓馬達31向第一充料線L1的流動。第一充料線L1的內壓的典型為大氣壓，第一止回閥Cv1係藉由與第二液壓供給線42的內壓間的壓力差而開閥。

另一方面，第二止回閥Cv2係容許動作液的從第二充料線L2向第二液壓供給線42的流動，禁止動作液從液壓馬達31向第二充料線L2的流動。第二止回閥Cv2的開閥壓可與第一止回閥Cv1的開閥壓為相同，亦可設定為較第一止回閥Cv1的開閥壓高若干。典型而言，第二止回閥Cv2係以在泵部P的驅動時藉由第二液壓供給線42與第二充料線L2間的壓力差而開閥的方式所構成。

如圖2所示，充料泵單元70係進一步具有第三止回閥Cv3。第三止回閥Cv3係配置在第一充料線L1與第二充料線L2之間的第二液壓供給線42的途中。第三止回閥Cv3係容許動作液從液壓馬達31向液壓泵22的流動，禁止動作液的從第二充料線L2向液壓馬達31的流動。藉此，可將從泵部P經由第二充料線L2對第二液壓供給線42送出的動作液對液壓泵22適切地供給。另外，於第二充料線L2與儲器R之間設有用以防止第二充料線L2內的液壓上升至預定位準(level)的釋放閥Rv。

在此，泵部P係由接受來自控制器60的控制指令而驅動的旋轉數可變的油壓泵所構成。例如，控制器60係在根據壓力感測器45的輸出而檢測到第一液壓供給線41的內壓急速上升至預定位準時判定為風車21係急速旋轉，使泵部P啟動。取代前述或除了前述之外，亦可藉由檢測到液壓泵22的旋轉數急速上升至預定位準而判定為風車21急速旋轉。或，亦可構成為：於第二液壓供給線42設置壓力感測器45A，根據其輸出，控制器60在判定為第二液壓供給線42的液壓降低至預定位準(大氣壓以下)時，使泵部P啟動。

[風力發電裝置的動作]

然後，說明如以上所述地構成的本實施形態的風力發電裝置1的典型的動作。

若風車21接受風而旋轉，則其旋轉動力經由齒輪機構23而往液壓泵22傳達。液壓泵22係因應風車21的旋轉而發生液壓，經由第一液壓供給線41而將其液壓往液壓馬達31傳達。液壓馬達31係接受來自液壓泵22的液壓而旋轉，將發電機32驅動。從液壓馬達31排出的動作液係經由第二液壓供給線42而往液壓泵22回流。

控制器60係根據壓力感測器45的輸出而經常監視第一液壓供給線41的內壓，以使壓力感測器45的輸出成為一定的預定值的方式控制液壓泵22的排出量或液壓馬達31的旋轉數。藉此，可以於發電機32以一定的發電量穩定地發生電力。

更且，在風量急速變強等而使風車21的旋轉急速增加時，有第二液壓供給線42的內壓降低至預定位準以下(例如大氣壓以下)的情形。若第二液壓供給線42的內壓降低至大氣壓以下，則充料泵單元70的第一止回閥Cv1開閥，從儲器R經由第一充料線L1而將動作液往第二液壓供給線補充。藉此，抑制第二液壓供給線42的內壓的降低，液壓泵22的旋轉狀態被穩定地維持。

另一方面，控制器60係在根據壓力感測器45的輸出而間接地檢測到因第一液壓供給線41內的急速的液壓上升或液壓泵22的急速的旋轉數增加而導致的第二液壓供給線42的液壓的降低時，或根據壓力感測器45A的輸出而直接地檢測到第二液壓供給線42的液壓的降低時，使充料泵單元70的泵部P啟動。於前述控制中，由於經由第二充料線L2而將動作液往第二液壓供給線42補充，故成為可對於液壓泵22供給充分的量的動作液。

本實施形態的風力發電裝置1中，發電機32並非設置在塔10的頂部等的高處，而是設置在較低的場所(地面H等的地上)。因此，可謀求設置在塔10的頂部的驅動單元20的小型化、輕量化，而可實現裝置的小型化。

圖3中的(A)係於機艙121收納有發電機G的比較例之風力發電裝置100的概略側視圖，圖3中的(B)為將本實施形態之風力發電裝置1與前述風力發電裝置100比較所示的概略側視圖。

比較例之風力發電裝置100係將發電機G收容於在塔110的頂部所設置的機艙121的內部，故機艙121大型化且重量大，如此，為了提高將機艙121予以支撐的塔110的剛性而必須大徑化。相對於此，如圖3中的(B)所示，依據本實施形態的風力發電裝置1，由於發電機G被收容在地上的發電單元30，故可使機艙201小型化、輕量化，如此，亦可降低將機艙201予以支撐的塔10所需要的剛性。結果，可謀求塔10的小徑化。此外，依據本實施形態，由於發電機G設置在地上，故不需要在高處的作業，如此可提升發電機G的保養作業性。

另外，本實施形態的風力發電裝置1由於具有充料泵單元70，故即使在例如風車21的高速旋轉時亦可將動作液往液壓泵22迅速地回流，液壓泵22可穩定地排出與風車的旋轉量對應的液壓。此外，充料泵單元70的泵部P亦可於風車21的旋轉開始時等啟動，藉此成為可從風車21的旋轉開始起迅速地進行穩定的發電。

<第二實施形態>

圖4為顯示本發明的第二實施形態之風力發電裝置2 的驅動迴路51的迴路圖。以下，以與第一實施形態不同的構成為主進行說明，對於與第一實施形態同樣的構成則賦予同樣的元件符號且將其說明省略或簡略化。

本實施形態的風力發電裝置2係於液壓循環迴路40具有閥機構80之點與第一實施形態不同。閥機構80係構成為設置在第一液壓供給線41，可將從液壓泵22往液壓馬達31的動作液之供給遮斷。此外，於本實施形態中，充料泵單元70亦可視需要而省略。

閥機構80係具有：開閉閥81；以及將開閉閥81予以開閉控制的切換閥82。圖5係顯示開閉閥81關閉之狀態的概略擴大圖，圖6係顯示開閉閥81開放之狀態的概略擴大圖。

如圖5所示，開閉閥81係具有：含有閥座810的殼體811；可移動至殼體811的內部而被收容的閥體812；以及彈簧構件813。

殼體811係具有：連絡至液壓泵22的入口P1；以及連絡至液壓馬達31的出口P2，閥座810係設置在出口P2的附近。閥體812係將殼體811的內部區隔為壓力室S1與先導(pilot)室S2，彈簧構件813係配置於先導室S2且將閥體812向閥座810賦勢。

另一方面，切換閥82係由具有A位置與B位置的四埠二位置的電磁切換閥所構成。切換閥82係在A位置使開閉閥81的先導室S2連通至第一液壓供給線41(圖5參照)，在B位置使先導室S2連通至充料泵單元70的儲器R(參照圖4、圖6)。切換閥82係在螺線管(solenoid)部821的非勵磁時藉由彈簧構件822的賦勢而維持在如圖5所示的A位置維持，當藉由來自控制器60的控制指令(電流信號)而使螺線管部821被勵磁時則往如圖6所示的B位置移動。

在如以上所述地構成的本實施形態的風力發電裝置2中，控制器60係在風力發電裝置2的運作時(發電時)將閥機構80的螺線管部821勵磁，使切換閥82往B位置移動。此時開閉閥81的先導室S2係如圖6所示而與儲器R連通。因此，藉由受到液壓泵22的排出壓的壓力室S1與維持在大氣壓附近的先導室S2之間的差壓，閥體812係反抗彈簧構件813的彈簧力而往先導室S2側移動，從閥座810離開。藉此，液壓泵22與液壓馬達31之間相互連通，液壓泵22的排出壓往液壓馬達31供給，藉此於發電機32生成預定的電力。

風力發電裝置2的運作狀態係根據壓力感測器45的輸出、液壓泵22或液壓馬達31的旋轉狀態等而在控制器60 判定。

另一方面，控制器60若檢測到例如無風時、風量小時等的風車21的旋轉停止狀態，則將螺線管部821的勵磁遮斷，使切換閥82往A位置回歸。此時，如圖5所示，開閉閥81的先導室S2係與第一液壓供給線41連通。因此，先導室S2與壓力室S1之間的差壓變成沒有，閥體812係接受彈簧構件813的賦勢力而抵接於閥座810。藉此，液壓泵22與液壓馬達31之間的連通被遮斷。

此外，當風車21的旋轉再度開始時，控制器60係將螺線管部821勵磁而使切換閥82往B位置再度移動。藉此，開閉閥81開放，由液壓馬達31所致的發電機32的驅動再度開始。

依據本實施形態，當風車21的旋轉停止時，藉由閥機構80，第一液壓供給線41內的動作液的往液壓馬達31側的流入被阻止。藉此，由於可維持第一液壓供給線41的內壓，故在風車21的旋轉再度開始時可迅速地使液壓馬達31旋轉而抑制發電損失。尤其，在容易受到無法穩定地確保風量的情形、風量的變動幅度大的情形等的時時刻刻變化的氣象條件之影響的風力發電系統中，就提升發電效率的觀點而言可獲得顯著的效果。

另外，依據本實施形態，可在風車21的旋轉停止時藉由壓力室S1及先導室S2間的壓力平衡而維持開閉閥81的閉閥狀態。如此，就開閉閥81而言成為不需要對於動作液之靜承重的高耐久性，而可以簡樸的構造來構成開閉閥81。

此外，依據本實施形態，由於構成為在螺線管部821的無供電時閥機構80會閉閥，故能夠在系統異常、控制器60的故障發生時迅速地將第一液壓供給線41遮斷。另外，於因發電機32的保養等而使風力發電裝置2暫時停止之際也可藉由運用閥機構80所致的遮斷作用，而阻止動作液的靜承重作用於旋轉停止中的液壓馬達31。藉此，可有助於風力發電裝置2的早期復原。

以上，雖說明了本發明的實施形態，但本發明不被限定於前述實施形態而可施加各種變更，自不待言。

例如，於以上各實施形態中，風車21雖以水平型構成，但不限於此，亦可以旋轉軸相對於風向直交的垂直型的風車構成。

另外，於以上的第二實施形態中，閥機構80雖由將開閉閥81與切換閥82組合而構成，但不限於此，例如亦可以二埠二位置的單一電磁開閉閥構成。

Claims

一種風力發電裝置，具有：驅動單元，設置在塔的頂部，前述塔係設置在地上，前述驅動單元包含：接受風而旋轉的風車，以及因應前述風車的旋轉而發生液壓的液壓泵；發電單元，設置在地上，前述發電單元包含：接受前述液壓的供給而旋轉的液壓馬達，以及藉由前述液壓馬達的旋轉而被驅動的發電機；以及液壓循環迴路，使動作液在前述液壓泵與前述液壓馬達之間循環，前述液壓循環迴路包含：從前述液壓泵往前述液壓馬達供給前述動作液的第一液壓供給線，以及從前述液壓馬達往前述液壓泵供給前述動作液的第二液壓供給線。
如請求項1所記載的風力發電裝置，其中前述液壓循環迴路係進一步具有設置在前述第二液壓供給線且可將前述動作液往前述液壓泵壓送的充料泵單元。
如請求項1或2所記載的風力發電裝置，其中前述液壓循環迴路係進一步具有設置在前述第一液壓供給線且可將前述動作液的從前述液壓泵往前述液壓馬達的供給予以遮斷的閥機構。
如請求項3所記載的風力發電裝置，其中係進一步具有根據前述液壓泵或前述液壓馬達的輸出而控制前述閥機構的控制器。
如請求項1或2所記載的風力發電裝置，其中，前述液壓泵為可變容量式的液壓泵；前述液壓馬達為可變容量式的液壓馬達。