(57)【要約】【課題】装置全体の軽量化を図ることができ、海上に浮かべた浮体等に搭載するのに適した風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、風車２３がブレード２３ｃで風のエネルギーを受けて回転すると、主軸２３ａに連結された油圧ポンプ４３が作動する。油圧ポンプ４３の駆動で発生した圧油は、配管４１を通って浮体１０内の圧力蓄積装置３５に一旦貯め込まれる。３基のナセル１５内の油圧ポンプ４３から延び出る各配管４１は、圧力蓄積装置３５の圧力蓄積部３５Ａに集約されており、これら配管４１からの圧油は圧力蓄積部３５Ａに貯め込まれて平滑化される。この圧油は、圧力蓄積装置３５から配管３４を流れて油圧モータ３３に導かれ、この油圧モータ３３が連結軸３２を介して発電機３１を駆動する。このような風力発電装置１は、発電機３１及び油圧モータ３３が浮体１０内に設置されているので、装置全体の軽量化を図ることができ、浮体式風力発電装置に適している。【選択図】      図１
2004218436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎部から立ち上がるタワーと、
該タワーの上部に搭載されたナセルと、
該ナセルに対して回転可能に軸支された風車と、
前記ナセルに配置され、前記風車の回転軸に連結された油圧ポンプと、
前記基礎部に配置された油圧モータ、及び、該油圧モータに連結された発電機と、
該油圧ポンプの発生した圧油を、前記タワーを通って前記油圧モータに供給する油圧配管と、
を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
複数台の前記風車を具備し、
各風車の回転軸に連結された油圧ポンプからの圧油を集約する圧力蓄積装置を、前記油圧ポンプの手前の油圧回路中に有することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
さらに、前記ナセルに配置された、該ナセルのヨー制御機構及び前記風車のブレードのピッチ角制御機構を具備し、
該機構が前記油圧ポンプから圧油の供給を受けることを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記油圧配管中に、強風時に閉となって前記風車の回転をロックする遮断弁を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力エネルギーを利用して発電する風力発電装置に関する。特には、装置全体の軽量化を図ることができ、海上に浮かべた浮体等に搭載するのに適した風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４を参照しつつ風力発電装置の典型例について説明する。
図４は、従来の風力発電装置の典型例（陸上用の水平軸型風力発電装置）を示す概略構成図である。
図４に示す風力発電装置１００は、地盤等に埋め込まれた基礎部１０１上に配置されている。基礎部１０１からは、タワー１０３が立ち上がっている。タワー１０３の地盤上面からの高さは、一例で約６０ｍである。タワー１０３の上端には、ナセル（フェアリング）１０５が搭載されている。
【０００３】
ナセル１０５には風車１１３が回転可能に軸支されている。この風車１１３は、ナセル１０５に図示せぬベアリング等を介して取り付けられた主軸１１３ａと、主軸１１３ａの先端に固定されたハブ１１３ｂと、ハブ１１３ｂに取り付けられた複数枚（一例で３枚）のブレード１１３ｃを有する。風車１１３は、風のエネルギーをブレード１１３ｃで受けて回転する。このナセル１０５の下面とタワー１０３の上端との間には、ヨー駆動装置１０７が設けられている。このヨー駆動装置１０７は、ナセル１０５を水平面内で回動して、風車１１３を風の方向に向けるものである。
【０００４】
ナセル１０５内には、発電機１１１が収容されている。この発電機１１１は、連結軸１１１ａを備えている。発電機１１１の連結軸１１１ａと風車１１３の主軸１１３ａは、増速歯車装置１１５を介して連結されている。風車１１３が風のエネルギーを受けて回転すると、この風車１１３の回転が増速歯車装置１１５で増速されて発電機１１１に伝わる。すなわち、風車１１３の受けた風力エネルギーは、増速歯車装置１１５を介して、発電機１１１によって電気動力に変換される。
【０００５】
ナセル１０５内において、発電機１１１の図４中左側には、変圧器１１７が接続されている。この変圧器１１７からは、ケーブル１１８が延び出ている。このケーブル１１８は、ナセル１０５内からタワー１０３内を通って図示せぬ電力系統に繋がっている。
【０００６】
風力発電装置に関する公知文献として、特許文献１（特開平１１−２８７１７９号公報）がある。
この特許文献１の発電装置は、風車の軸に直結されたラジアルポンプを備えている。このラジアルポンプの高圧側には、配管や流量調整弁を介して油圧モータが接続されており、この油圧モータに発電機が直結されている。この発電装置においては、ラジアルポンプからの吐出流量に対応して油圧モータが逐次回転し、発電機が駆動するようになっている。
ところが、この特許文献１には、風車やラジアルポンプ、油圧モータ、発電機の各構成要素のそれぞれを、基礎部・タワー・ナセルのどの場所にどのように配置するかについては、具体的に記載されていない。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２８７１７９号公報（図１〜図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示すような陸上用の風力発電装置とは別に、海上に設置される浮体式の風力発電装置の開発が進められている。この浮体式風力発電装置は、海上に浮かぶ浮体を基礎部とし、この浮体からタワーを立ち上げた形態のものである。この浮体式風力発電装置において、タワー上部（浮体上約６０ｍ）のナセルに発電機を収める図４の例と同様の構成とすると、相当のトップヘビーとなる。また、浮体の動揺を考慮すれば、重いナセルを支えるタワーの構造も重厚なものとならざるを得ず、なおさらトップヘビーが助長される。その結果、浮体の十分な浮力と復元力を確保するため、浮体が大型となる。さらに、このような状況下では、１隻の浮体上に多くの風車を設置することもできず、発電装置の発電性能が制限される。
【０００９】
浮体式風力発電装置においては、製造コストや経済性、発電性能等の観点から、１隻の浮体上にできるだけ多くの風車を集約して搭載することが望ましい。しかしながら、この要請を満たすことのできる発電装置は、現在実現されていない。
【００１０】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであって、装置全体の軽量化を図ることができ、海上に浮かべた浮体等に搭載するのに適した風力発電装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【解決を課題するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明の風力発電装置は、基礎部から立ち上がるタワーと、  該タワーの上部に搭載されたナセルと、  該ナセルに対して回転可能に軸支された風車と、  前記ナセルに配置され、前記風車の回転軸に連結された油圧ポンプと、  前記基礎部に配置された油圧モータ、及び、該油圧モータに連結された発電機と、  該油圧ポンプの発生した圧油を、前記タワーを通って前記油圧モータに供給する油圧配管と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、油圧モータ及び発電機が基礎部に設置されているので、従来の水平軸型風力発電装置のように、発電機や変圧器等をナセルの中に設置しなくて済む。そのため、ナセルの重量が軽くなって、ナセルを支えるタワー、さらに、これらを支える基礎部の構造が簡単になり、装置全体の軽量化を図ることができる。このように、軽量化され、特にトップヘビーの傾向のない風力発電装置は、海上に設置する浮体式の風力発電装置に適する。
【００１３】
本発明の風力発電装置においては、複数台の前記風車を具備し、  各風車の回転軸に連結された油圧ポンプからの圧油を集約する圧力蓄積装置を、前記油圧ポンプの手前の油圧回路中に有することが好ましい。
この場合、約１０秒〜数分のサイクルで変動する風況の変化（風の息）に伴う各風車の回転数の変化により生じる発生油圧動力の変化を平準化できる。
【００１４】
本発明の風力発電装置においては、さらに、前記ナセルに配置された、該ナセルのヨー制御機構及び前記風車のブレードのピッチ角制御機構を具備し、  該機構が前記油圧ポンプから圧油の供給を受けることが好ましい。
この場合、油圧ポンプで変換された圧力の一部を、ピッチ角制御機構及びヨー制御機構の補助動力として利用することができる。
【００１５】
本発明の風力発電装置においては、前記油圧配管中に、強風時に閉となって前記風車の回転をロックする遮断弁を有することが好ましい。
この場合、強風時には遮断弁で風車の回転をロックする機能を簡単に実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
なお、以下の例では、本発明に係る風力発電装置を浮体式風力発電装置に適用した場合について述べる。このような浮体式風力発電装置は、例えば、海岸から約６〜１０ｋｍ、水深約３０〜５０ｍの海洋上に設置される。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係る浮体式風力発電装置の動力系統図である。
図２は、同浮体式風力発電装置の全体の外観を示す斜視図である。
図３は、同浮体式風力発電装置の概略構成図である。
図１〜図３に示すように、この風力発電装置１は、鋼製の艀状の浮体（基礎部）１０を備えている。この浮体１０の寸法は、一例で縦３００ｍ、横６０ｍ、深さ（厚さ）７ｍである。
【００１８】
図２及び図３に示すように、浮体１０の上面からは、この例では３基のタワー１３が立ち上がっている。各タワー１３の浮体１０上面からの高さは、一例で約６０ｍである。これらタワー１３は、浮体１０の中央部及び長手方向両端部に互いに離れて１基ずつ配置されている。
【００１９】
各タワー１３の上端には、ナセル１５が搭載されている。このナセル１５には風車２３が回転可能に軸支されている。図１及び図３に示すように、この風車２３は、ナセル１５に図示せぬベアリング等を介して取り付けられた主軸２３ａと、主軸２３ａの先端に固定されたハブ２３ｂと、ハブ２３ｂに取り付けられた複数枚（この例では３枚：図２参照）のブレード２３ｃを有する。ブレード２３ｃは、後述するピッチ角制御装置２５により、ハブ２３ｂに対してピッチ角可変となっている。３基のタワー１３上の各風車２３は、後述するヨー駆動装置１７で自動的に風の方向を向くようになっており、ブレード２３ｃで風のエネルギーを受けて回転する。
【００２０】
図１に示すように、風車２３の主軸２３ａ周囲には、前述したピッチ角制御装置２５が設けられている。このピッチ角制御装置２５は、主軸２３ａ・ハブ２３ｂの軸心に対するブレード２３ｃのピッチ角を制御する。一方、ナセル１５下面とタワー１３上端との間には、前述したヨー駆動装置１７が設けられている。このヨー駆動装置１７は、ナセル１５を水平面内で回動させて風車２３を風向に追従させる。
【００２１】
浮体１０、タワー１３及びナセル１５内には、図１に示す動力系統が設けられている。以下、主に図１を参照しつつ、この動力系統について説明する。
ナセル１５内には、油圧ポンプ４３が配置されている。この油圧ポンプ４３には、風車２３の主軸２３ａが連結されている。さらに、油圧ポンプ４３には、配管（油圧配管）４１の一端４１ａが接続されている。この配管４１は、ナセル１５内の油圧ポンプ４３からタワー１３内を通って浮体１０内にまで延びている。配管４１の他端４１ｂは、浮体１０内に配置された圧力蓄積装置（アキュムレータ）３５に接続されている。
【００２２】
圧力蓄積装置３５は、圧力蓄積部３５Ａと、弁３５Ｂと、制御部３５Ｃを有する。浮体１０上の３基のナセル１５から延び出る各配管４１は、圧力蓄積装置３５の圧力蓄積部３５Ａに集約されて接続されている。圧力蓄積装置３５の手前において、配管４１にはブレーキ用遮断弁４５が組み込まれている。このブレーキ用遮断弁４５は、後述する風況センサ５３に接続されており、強風発生時には配管４１内を流れる圧油を遮断し、油圧ポンプ４３に接続された風車２３の回転をロックする役割を果たす。なお、圧力蓄積装置３５の詳しい作用については後述する。
【００２３】
浮体１０内において、圧力蓄積装置３５には、配管３４を介して油圧モータ３３が接続されている。この油圧モータ３３には、連結軸３２を介して発電機３１が接続されている。この発電機３１は、図示せぬ電力系統へと繋がっている。油圧モータ３３と圧力蓄積装置３５とを繋ぐ配管３４には、油圧モータ制御弁３７が組み込まれている。ナセル１５内の油圧ポンプ４３内の圧油は、配管４１→圧力蓄積装置３５→配管３４を流れて油圧モータ３３に導かれる。そして、圧油が供給された油圧モータ３３が連結軸３２を介して発電機３１を駆動する。
【００２４】
ナセル１５内において、油圧ポンプ４３には油圧弁制御器５１が接続されている。この油圧弁制御器５１には、風況解析器５２が接続されている。この風況解析器５２には、ナセル１５外に設置された風況センサ５３からのケーブルが接続されている。さらに、油圧弁制御器５１には、２つの配管５５、５７が接続されている。配管５５（図１中左側：ヨー制御用配管）は、前述のヨー駆動装置１７を駆動するヨー駆動油圧モータ１７Ａに繋がっている。配管５７（図１中左側：ピッチ角制御用配管）は、前述のピッチ角制御装置２５を駆動するピッチ駆動油圧モータ２５Ａに繋がっている。これらの配管５５、５７には、それぞれ弁５５ａ、５７ａが組み込まれている。
【００２５】
次に、前述の構成を有する風力発電装置１の総合的な作用について説明する。
風力発電装置１は、風車２３がブレード２３ｃで風のエネルギーを受けて回転すると、主軸２３ａに連結された油圧ポンプ４３が作動する。つまり、風車２３の受けた風力エネルギーは、油圧ポンプ４３の駆動により圧力（油圧）に変換される。
【００２６】
油圧ポンプ４３の駆動で発生した圧油は、配管４１を通って浮体１０内の圧力蓄積装置３５に一旦貯め込まれる。前述の通り、３基のナセル１５内の油圧ポンプ４３から延び出る各配管４１は、圧力蓄積装置３５の圧力蓄積部３５Ａに集約されており、これら配管４１からの圧油は圧力蓄積部３５Ａに貯め込まれて平滑化される。この圧油は、圧力蓄積装置３５から配管３４を流れて油圧モータ３３に導かれ、この油圧モータ３３が連結軸３２を介して発電機３１を駆動する。
【００２７】
このとき、圧力蓄積装置３５においては、発電機３１が最も効率良く運転できるよう、制御部３５Ｃが弁３５Ｂの開閉度を調整し、圧力蓄積部３５Ａからの圧油供給量を制御する。この圧力蓄積装置３５の作用により、約１０秒〜数分のサイクルで変動する風況の変化（風の息）に伴う各風車の回転数の変化により生じる発生油圧動力の変化を平準化できる。なお、より長いサイクルで起こる風況の強弱は、発電機３１自体の容量可変調整で対応することができる。
【００２８】
一方、油圧ポンプ４３で変換された圧力の一部は、ピッチ角制御装置２５及びヨー制御装置１７の補助動力として用いられる。すなわち、ナセル１５外の風況センサ５３で計測された風況データが風況解析器５２に送出されると、この風況解析器５２が風車２３の最適ブレードピッチ角及びヨー角を計算する。そして、この風況解析器５２の計算結果に基づき、油圧弁制御器５１が配管５５、５７中の弁５５ａ、５７ａの開度を調整し、ヨー駆動装置１７を駆動するヨー駆動油圧モータ１７Ａ及びピッチ角制御装置２５を駆動するピッチ駆動油圧モータ２５Ａに圧油を導く。
【００２９】
なお、風況センサ５３が強風（例えば２５ｍ／ｓ以上）の発生を検出した際には、ブレーキ用遮断弁４５が配管４１内を流れる圧油を遮断し、風車２３の回転をロックする。
【００３０】
このような風力発電装置１は、発電機３１及び油圧モータ３３が浮体１０内に設置されているので、従来の水平軸型風力発電装置のように発電機等を各タワー上のナセル内に設置しなくて済む。そのため、ナセル１５の重量が軽くなって、ナセル１５を支えるタワー１３、さらに、これらを支える浮体１０の構造が簡単になり、装置全体の軽量化を図ることができる。したがって、本発明に係る風力発電装置１は、浮体式風力発電装置に優れた適用性を有する。さらに、各油圧ポンプ４３からの圧油を集約して使用することで、３台の各風車２３に当たる風の息による圧油発生量の変動を平準化できる。
【００３１】
なお、本実施の形態では風力発電装置１を浮体式風力発電装置に適用した例について述べたが、これに限らず陸上用の水平軸型風力発電装置に適用することも勿論可能である。さらに、本実施の形態では、浮体１０上に３基のタワー１３を設けたものとして説明したが、タワーは１基や２基、あるいは、４基以上設置することも可能である。但し、より多くのタワーを設置した場合でも、浮体１０内の圧力蓄積装置３５や油圧モータ３３、発電機３１等は本実施の形態と同様に１台ずつとしてもよい。
【００３２】
なお、具体的な油圧回路は、前掲の特許文献１（特開平１１−２８７１７９号公報）に開示された技術を参考に、適宜設計変更を行うことにより構成できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、装置全体の軽量化を図ることができ、海上に浮かべた浮体等に搭載するのに適した風力発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る浮体式風力発電装置の動力系統図である。
【図２】同浮体式風力発電装置の全体の外観を示す斜視図である。
【図３】同浮体式風力発電装置の概略構成図である。
【図４】従来の風力発電装置の典型例（陸上用の水平軸型風力発電装置）を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０  浮体（基礎部）                      １３  タワー
１５  ナセル                              １７  ヨー駆動装置
２３  風車                                ２３ａ  主軸
２３ｂ  ハブ                              ２３ｃ  ブレード
２５  ピッチ角制御装置
３１  発電機                              ３２  連結軸
３３  油圧モータ                          ３４、５５、５７  配管
３５  圧力蓄積装置                        ３５Ａ  圧力蓄積部
３５Ｂ  弁                                ３５Ｃ  制御部
３７  油圧モータ制御弁                    ４１  配管（油圧配管）
４３  油圧ポンプ                          ４５  ブレーキ用遮断弁
５１  油圧弁制御器                        ５２  風況解析器
５３  風況センサ
【図１】
2004218436.tif 000003
【図２】
2004218436.tif 000004
【図３】
2004218436.tif 000005
【図４】
2004218436.tif 000006