(57)【要約】  内部空間が設けられたタワーと、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ナセル回転軸として回転し、内部空間と連通する開口が設けられたナセルと、ナセルに支持された風車により電力を発生する発電機と、発電機から電力が供給される第１コイルと、電力が第１コイルから非接触で伝送される第２コイルとを含み、第１コイルと第２コイルとは、互いに離隔して対向して配置され、ナセル回転軸とは異なる位置に設けられたコイル回転軸を中心として相対的に回転可能に設けられる電力伝送部と、を有する。
2018158961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間が設けられたタワーと、
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ナセル回転軸として回転し、前記内部空間と連通する開口が設けられたナセルと、
前記ナセルに支持された風車により電力を発生する発電機と、
前記発電機から電力が供給される第１コイルと、前記電力が前記第１コイルから非接触で伝送される第２コイルとを含み、前記第１コイルと前記第２コイルとは、互いに離隔して対向して配置され、前記ナセル回転軸とは異なる位置に設けられたコイル回転軸を中心として相対的に回転可能に設けられる電力伝送部と、を有する風力発電装置。
【請求項２】
前記第２コイルは前記タワーに固定され、前記第１コイルは、前記ナセルの回転とともに前記コイル回転軸を中心に回転する請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記第１コイルと、前記ナセルの内部に設けられた前記発電機とを接続する接続配線を有し、
前記接続配線は、前記第１コイルに対して前記発電機に向かう方向に引っ張る力を加える弾性部を含む請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記第１コイルは前記ナセルに固定され、前記ナセルの回転とともに前記ナセル回転軸を中心に移動し、
前記第２コイルは、前記ナセル回転軸を中心に移動しつつ、前記コイル回転軸を中心として回転し、前記第１コイルとの正対を保つ請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記タワーの内部に設けられ、前記電力を外部に伝送するためのケーブルと、
前記第２コイルと前記ケーブルとを電気的に接続する接続配線とを有し、
前記接続配線は、前記第２コイルに対して前記ケーブルに向かう方向に引っ張る力を加える弾性部を含む請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記コイル回転軸に交差する面内において、前記コイル回転軸の周囲に巻回された導体を含み、前記コイル回転軸に沿った方向において互いに対向する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記電力伝送部は、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の磁界共鳴を利用した磁界共鳴方式により前記電力を伝送する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記電力伝送部は、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の電磁誘導を利用した電磁誘導方式により前記電力を伝送する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記第１コイルは第１基板に設けられ、前記第２コイルは第２基板に設けられ、
前記第１コイルと前記第２コイルとは、前記第１基板又は前記第２基板の少なくとも一方を介して、前記コイル回転軸に沿った方向に対向する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記第１基板又は前記第２基板を回転可能に支持する軸受を有する請求項９に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記第１基板又は前記第２基板を回転駆動させる回転機構を有する請求項９に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。特許文献１の風力発電装置において、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１０２０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、電力ケーブルに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。【０００５】
また、作業者は、タワーとナセルとの間を移動して風力発電装置の保守、点検作業等を行う場合がある。このため、タワーの内部空間とナセルの内部空間とに連通する通路が設けられる。電力を伝送するための装置等を設けると、通路を確保することが困難な場合がある。【０００６】
本発明は、上記課題を解決して、電力を効率良く伝送するとともに、作業者が移動するための通路を確保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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による風力発電装置は、内部空間が設けられたタワーと、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ナセル回転軸として回転し、前記内部空間と連通する開口が設けられたナセルと、前記ナセルに支持された風車により電力を発生する発電機と、前記発電機から電力が供給される第１コイルと、前記電力が前記第１コイルから伝送される第２コイルとを含み、前記第１コイルと前記第２コイルとは、互いに離隔して対向して配置され、前記ナセル回転軸とは異なる位置に設けられたコイル回転軸を中心として相対的に回転可能に設けられる電力伝送部と、を有する。【０００８】
これによれば、第１コイルと第２コイルとが非接触で配置されて、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コイルと第２コイルとが相対的に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。また、第１コイルと第２コイルとは、ナセル回転軸と異なるコイル回転軸を中心に回転可能に設けられているので、ナセルの開口の内壁に対して間隔を設けて電力伝送部を配置することができる。作業者は、ナセルの開口の内壁と電力伝送部との間を通って、タワーとナセルとの間を移動することができる。よって、作業者が移動するための通路を確保することが可能である。【０００９】
本発明の望ましい態様として、前記第２コイルは前記タワーに固定され、前記第１コイルは、前記ナセルの回転とともに前記コイル回転軸を中心に回転する。これによれば、受信側の第２コイルはタワーに固定されているので、ナセルが回転した場合であってもタワーに対する第２コイルの位置及び回転角度が変化しない。このため、ケーブルにねじれが生じることを抑制できる。【００１０】
風力発電装置は、前記第１コイルと、前記ナセルの内部に設けられた前記発電機とを接続する接続配線を有し、前記接続配線は、前記第１コイルに対して前記発電機に向かう方向に引っ張る力を加える弾性部を含むことが好ましい。これによれば、ナセルの回転力は、接続配線を介して第１コイルに伝達されるので、第１コイルは、ナセルの回転とともにコイル回転軸を中心に回転する。第１コイルと第２コイルは相対的に回転可能であり、第１コイルがコイル回転軸を中心に回転した場合でも、第２コイルはコイル回転軸を中心に回転せず固定された状態となる。このため、ケーブル及び接続配線にねじれが生じることを抑制できる。【００１１】
前記タワーは、中空の柱部と、前記柱部の内壁から径方向の内側に延びる支持部とを有し、前記第１コイルは、前記支持部の、前記ナセルに対向する面に回転可能に設けられており、前記第２コイルは、前記支持部の、前記内部空間に対向する側の面に固定されることが好ましい。これによれば、第１コイル及び第２コイルを容易に設置することができる。【００１２】
本発明の望ましい態様として、前記第１コイルは前記ナセルに固定され、前記ナセルの回転とともに前記ナセル回転軸を中心に移動し、前記第２コイルは、前記ナセル回転軸を中心に移動しつつ、前記コイル回転軸を中心として回転し、前記第１コイルとの正対を保つ。これによれば、第１コイルは、ナセルの回転とともにナセル回転軸を中心とする円周上を移動するが，発電機に対しての向きや距離などの相対位置は変化していない。第２コイルは、ナセル回転軸を中心とする円周上を移動しつつコイル回転軸を中心に回転するためケーブルとの距離は変化するが、ケーブルに対する向きは変化しない。このため、ケーブルにねじれが生じることを抑制できる。【００１３】
風力発電装置は、前記タワーの内部に設けられ、前記電力を外部に伝送するためのケーブルと、前記第２コイルと前記ケーブルとを電気的に接続する接続配線とを有し、前記接続配線は、前記第２コイルに対して前記ケーブルに向かう方向に引っ張る力を加える弾性部を含むことが好ましい。これによれば、第２コイルがナセル回転軸を中心に回転した場合であっても、第２コイルは、接続配線によりケーブル側に引っ張られることで、コイル回転軸を中心とする回転が抑制される。したがって、タワーに対する第２コイルの回転角度が変化しないので、ケーブルにねじれが生じることを抑制できる。【００１４】
前記ナセルは、前記開口が設けられた底部と、前記開口の内壁から径方向の内側に延びる支持部とを有し、前記第１コイルは、前記支持部の、前記ナセルの内部空間に対向する面に固定され、前記第２コイルは、前記支持部の、前記タワーに対向する面に回転可能に設けられていることが好ましい。これによれば、第１コイル及び第２コイルを容易に設置することができる。【００１５】
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記コイル回転軸に交差する面内において、前記コイル回転軸の周囲に巻回された導体を含み、前記コイル回転軸に沿った方向において互いに対向することが好ましい。これによれば、コイル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。【００１６】
前記電力伝送部は、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の磁界共鳴を利用した磁界共鳴方式により前記電力を伝送することが好ましい。これによれば、電力伝送部は、第１コイルと第２コイルとが非接触状態で、電力を効率良く伝送することができる。【００１７】
前記電力伝送部は、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の電磁誘導を利用した電磁誘導方式により前記電力を伝送することが好ましい。これによれば、電力伝送部は、第１コイルと第２コイルとが非接触状態で、電力を効率良く伝送することができる。【００１８】
前記第１コイルは第１基板に設けられ、前記第２コイルは第２基板に設けられ、前記第１コイルと前記第２コイルとは、前記第１基板又は前記第２基板の少なくとも一方を介して、前記コイル回転軸に沿った方向に対向することが好ましい。これによれば、第１コイルと第２コイルとの摩擦による損耗を抑制できるので、電力の伝送効率を高めることができる。【００１９】
風力発電装置は、前記第１基板又は前記第２基板を回転可能に支持する軸受を有することが好ましい。これによれば、第１コイルと第２コイルとを相対的に回転させることができる。【００２０】
風力発電装置は、前記第１基板又は前記第２基板を回転駆動させる回転機構を有することが好ましい。これによれば、ナセルの回転に応じて、第１コイルと第２コイルとを相対的に回転させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
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とともに、作業者が移動するための通路を確保することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る風力発電装置を示す側面図である。
【図２】図２は、第１の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】図３は、第１の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】図４は、図３のＩＶ−ＩＶ’線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。
【図５】図５は、２次コイルの配置を説明するための説明図である。
【図６】図６は、ナセルが回転した場合における、１次コイルの回転を説明するための説明図である。
【図７】図７は、第１の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８】図８は、第１の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９】図９は、図７及び図８のＩＸ−ＩＸ’線に沿う断面図である。
【図１０】図１０は、第１の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１１】図１１は、第１の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１２】図１２は、第１の実施形態の第１変形例に係る非接触式電力伝送部を示す断面図である。
【図１３】図１３は、第１の実施形態の第２変形例に係る非接触式電力伝送部を示す模式図である。
【図１４】図１４は、第１の実施形態の第３変形例に係る非接触式電力伝送部を示す模式図である。
【図１５】図１５は、第３変形例に係る非接触式電力伝送部の、電磁誘導方式の電力伝送を説明するための説明図である。
【図１６】図１６は、第１の実施形態の第４変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。
【図１７】図１７は、第１の実施形態の第５変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。
【図１８】図１８は、第２の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１９】図１９は、第２の実施形態に係る非接触式電力伝送部の断面図である。
【図２０】図２０は、図１８のＸＸ−ＸＸ’線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。
【図２１】図２１は、ナセルが回転した場合における、１次コイルの回転を説明するための説明図である。
【図２２】図２２は、第２の実施形態に係る２次コイルとケーブルとの配置を説明するための説明図である。
【図２３】図２３は、ナセルが回転した場合における、２次コイルの回転を説明するための説明図である。
【図２４】図２４は、第２の実施形態の第１変形例に係る非接触式電力伝送部を示す断面図である。
【図２５】図２５は、第２の実施形態の第２変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。
【図２６】図２６は、第２の実施形態の第３変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（第１の実施形態）
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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の軸方向に沿ったナセル回転軸ＡＸ（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。
【００２７】
図１に示すように、ナセル４の正面に、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つ以上が、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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、磁界共鳴方式又は電磁誘導方式により、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。
【００３１】
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、ナセル回転軸ＡＸ（図１参照）を中心にナセル４を回転駆動させる。
【００３２】
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（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）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。
【００３３】
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。
【００３４】
図３は、第１の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。
【００３５】
タワー２は、柱部２ａと、フランジ部２ｂと、固定部２ｃと、上端部２ｄとを含む。柱部２ａは、ナセル回転軸ＡＸ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る板状の部材である。フランジ部２ｂは、ナセル４と、タワー２の内部空間２ｆとを連通する開口２ｇが設けられている。フランジ部２ｂは、ナセル回転軸ＡＸに沿った方向から見たときに環状に形成される。フランジ部２ｂの径方向内側には、非接触式電力伝送部１０を支持する支持部２ｅが設けられている。支持部２ｅは、フランジ部２ｂに囲まれた空間の一部に配置される。言い換えると、フランジ部２ｂに囲まれた空間のうち、支持部２ｅと重ならない部分が開口２ｇである。
【００３６】
固定部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、固定部２ｃの上に設けられ、径方向の厚さが固定部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。
【００３７】
ナセル４は、底部４ａと、固定部４ｂとを含む。底部４ａは、タワー２の内部空間２ｆに連通する開口４ｄが設けられている。固定部４ｂは、底部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。軸受３の内輪３ｃは、固定部４ｂの外周面に固定される。ナセル４は、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。
【００３８】
このような構成により、軸受３は、ナセル４をタワー２に対してナセル回転軸ＡＸを中心と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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。発電機２０の電力は、接続配線４５を介して１次コイル３５に供給される。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た磁界共鳴方式により電力を伝送する。非接触式電力伝送部１０は、１次コイル３５に供給された発電機２０からの電力を非接触で２次コイル３６に伝送する。
【００４１】
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。２次コイル３６に伝送された電力は、ケーブル８を介して電力変換装置１８に出力される。なお、非接触式電力伝送部１０の磁界共鳴方式による電力伝送については後述する。また、非接触式電力伝送部１０は、磁界共鳴方式に限定されず電磁誘導方式により電力を伝送してもよい。
【００４２】
図３では、支持部２ｅに設けられた非接触式電力伝送部１０は、ナセル回転軸ＡＸの方向から見たときに、ナセル４の開口４ｄと重なる位置に配置される。また、非接触式電力伝送部１０は、フランジ部２ｂに囲まれた空間の一部に配置される。このように、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との接続部の近傍に配置される事が好ましいが、それ以外の場所であっても、支持部２ｅや接続された導体がナセル４の回転を阻害しなければ良い。例えば、非接触式電力伝送部１０は、タワー２の内部に設けられていてもよく、ナセル４の内部に設けられていてもよい。
【００４３】
１次コイル３５は、支持部２ｅの、ナセル４側の面に第１基板３１を介して設けられている。第１基板３１は、軸受５０を介して支持部２ｅに回転可能に支持される。これにより、第１基板３１及び１次コイル３５は、コイル回転軸Ｃを中心として回転可能に設けられる。２次コイル３６は、支持部２ｅの、内部空間２ｆに対向する面に第２基板３２を介して設けられている。第２基板３２は、支持部２ｅに固定されている。すなわち、第２基板３２及び２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心として回転しない。なお、第２基板３２と支持部２ｅとの固定方法は、特に限定されず、例えば、ねじ止め等機械的に固定する方法でもよく、接着層を介して接着固定する方法でもよい。支持部２ｅは、１次コイル３５と２次コイル３６との間で発生する磁界を透過させることができる材料が用いられる。支持部２ｅは、例えば、樹脂基板で形成される。
【００４４】
このように、１次コイル３５と２次コイル３６とは、コイル回転軸Ｃを中心として相対的に回転可能に設けられる。また、１次コイル３５と２次コイル３６とは、コイル回転軸Ｃに沿った方向に互いに対向して配置される。１次コイル３５と２次コイル３６とは、第１基板３１、支持部２ｅ、第２基板３２を介して離隔して配置される。ここで、コイル回転軸Ｃは、ナセル回転軸ＡＸと平行方向の軸であり、ナセル回転軸ＡＸと異なる位置に設定される。つまり、１次コイル３５と２次コイル３６は、ナセル４とは異なる軸で回転する。
【００４５】
ナセル４の内部には、発電機２０等の各種機器が配置されているので、風力発電装置１の保守、点検作業のために、作業者がタワー２の内部空間２ｆとナセル４の内部空間との間を移動する場合がある。本実施形態の風力発電装置１は、ナセル回転軸ＡＸと異なるコイル回転軸Ｃを中心に、１次コイル３５と２次コイル３６とが、相対的に回転可能に設けられている。また、１次コイル３５及び２次コイル３６の直径は、ナセル４の開口４ｄの内径よりも小さい。したがって、タワー２の開口２ｇとナセル４の開口４ｄとが、ナセル回転軸ＡＸに沿って連通して設けられる。これにより、作業者は開口４ｄ、２ｇを通ってタワー２の内部空間２ｆとナセル４の内部空間との間を移動することができる。より具体的には、作業者は、ナセル４の開口４ｄの内壁４ｆと支持部２ｅとの間、及びフランジ部２ｂと支持部２ｅとの間を通って、タワー２とナセル４との間を移動することができる。よって、風力発電装置１によれば、コイル回転軸とナセル回転軸が同一である場合に比べて、作業者が移動するための通路を広く確保することが可能である。
【００４６】
図３に示す例では、支持部２ｅに設けられた１次コイル３５及び２次コイル３６は、ナセル回転軸ＡＸと交差しない位置に配置される。言い換えると、径方向におけるナセル回転軸ＡＸと柱部２ａの内周面との間の距離に対して、支持部２ｅの径方向の長さが短く、かつ、１次コイル３５の直径及び２次コイル３６の直径が小さい。なお、図３に示す例はあくまで一例であり、ナセル回転軸ＡＸと交差する位置まで支持部２ｅが設けられていてもよく、１次コイル３５及び２次コイル３６がナセル回転軸ＡＸと交差して設けられていてもよい。
【００４７】
次に、図３及び図４から図６を参照して、ナセル４が回転した場合の１次コイル３５及び２次コイル３６の動作について説明する。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ’線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。図５は、２次コイルの配置を説明するための説明図である。図６は、ナセルが回転した場合における、１次コイルの回転を説明するための説明図である。なお、図５は、図４に示す断面図において、１次コイル３５、第１基板３１及び発電機２０等を省略して、２次コイル３６、第２基板３２及びケーブル８の配置の関係を示している。
【００４８】
図３及び図４に示すように、支持部２ｅは、フランジ部２ｂの内周の一部から、径方向内側にナセル回転軸ＡＸに向かって延びる板状の部材である。支持部２ｅは、ナセル回転軸ＡＸに沿った方向から見たときに、第１基板３１の外周に沿って湾曲する外形形状を有する。ただし、これに限定されず、支持部２ｅは、作業者が移動するための通路を確保できるように、タワー２の開口２ｇとナセル４の開口４ｄとが連通する大きさに設けられていればよい。例えば、支持部２ｅは、矩形状や弓形状であってもよい。
【００４９】
支持部２ｅはタワー２のフランジ部２ｂに固定されている。このため、支持部２ｅに設けられた１次コイル３５及び２次コイル３６は、タワー２に対する位置が固定される。すなわち、ナセル４が、ナセル回転軸ＡＸを中心に矢印Ｄ１方向又は、矢印Ｄ２方向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は、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転しない。
【００５０】
上述したように、１次コイル３５は、接続配線４５を介して発電機２０と接続される。図３及び図４に示すように、接続配線４５は、弾性部４５ａと、第１配線４５ｂと、第２配線４５ｃとを含む。弾性部４５ａ、第１配線４５ｂ及び第２配線４５ｃは、それぞれ、導電性を有する金属材料が用いられる。
【００５１】
第１配線４５ｂの一端は、１次コイル３５の端子部３５ａに接続され、他端は弾性部４５ａに接続される。第２配線４５ｃの一端は、発電機２０に接続され、他端は弾性部４５ａに接続される。弾性部４５ａは、第１配線４５ｂ及び第２配線４５ｃに対し、互いに近づく方向の力を与える。弾性部４５ａは、例えば、ねじりコイルバネや、板バネや、フレキシブル導体等である。第１配線４５ｂ及び第２配線４５ｃは、剛性を有する金属等の導体であり、弾性部４５ａの力を１次コイル３５に伝達可能となっている。
【００５２】
１次コイル３５は、接続配線４５によって発電機２０に近づく方向の引っ張り力が与えられる。上述したように、第１基板３１及び１次コイル３５は、コイル回転軸Ｃを中心として回転可能に設けられているので、１次コイル３５の端子部３５ａは、接続配線４５の引っ張り力により、発電機２０に対向する位置に向けられる。図４に示す例では、端子部３５ａは、コイル回転軸Ｃに対してナセル回転軸ＡＸよりも径方向の外側に配置される。
【００５３】
図５に示すように、２次コイル３６の端子部３６ａは、コイル回転軸Ｃに対してナセル回転軸ＡＸよりも径方向の外側に配置される。端子部３６ａは、接続配線４６を介してタワー２に配置されたケーブル８と接続される。端子部３６ａがコイル回転軸Ｃに対してケーブル８に近い位置に設けられることで、接続配線４６を短くすることができる。第２基板３２及び２次コイル３６は、支持部２ｅに固定され、コイル回転軸Ｃを中心として回転しない。つまり、ナセル４が、矢印Ｄ１方向又は矢印Ｄ２方向に回転した場合であっても、２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心として矢印Ｄ３方向又は矢印Ｄ４方向に回転しない。
【００５４】
図６に示すように、ナセル４が矢印Ｄ１方向に回転すると、発電機２０はナセル回転軸ＡＸを中心として回転移動する。この場合、発電機２０とナセル回転軸ＡＸとの距離は変化せず、発電機２０とコイル回転軸Ｃとの距離が変化する。第１基板３１及び１次コイル３５は、支持部２ｅに固定されているので、ナセル回転軸ＡＸを中心として回転移動しない。このため、１次コイル３５は、発電機２０に対してナセル回転軸ＡＸを中心とした周方向の相対位置が変化し、１次コイル３５と発電機２０との距離が変化する。
【００５５】
ナセル４の回転力は、接続配線４５を介して１次コイル３５に伝達される。１次コイル３５は、接続配線４５の引っ張り力により、コイル回転軸Ｃを中心として矢印Ｄ３の方向に回転し、端子部３５ａが発電機２０に対向する位置に向けられる。また、発電機２０の回転に伴って、第１配線４５ｂ及び第２配線４５ｃが弾性部４５ａを中心に拡がるように変形する。これにより、１次コイル３５と発電機２０との距離が変化した場合であっても、１次コイル３５と発電機２０とが電気的に接続される。
【００５６】
以上のように、発電機２０に接続された接続配線４５は、発電機からの電力を１次コイル３５に供給するとともに、ナセル４のナセル回転軸ＡＸを中心とする回転力を、１次コイル３５に伝達する。これにより、ナセル回転軸ＡＸを中心とする回転力が、コイル回転軸Ｃを中心とする回転に変換されて１次コイル３５が回転する。
【００５７】
図６は、ナセル４が、ナセル回転軸ＡＸを中心として、図４に示す状態から矢印Ｄ１方向に９０°回転した場合を示したが、これに限定されない。例えば、ナセル４が図４に示す状態から１８０°回転した場合、発電機２０は、ナセル回転軸ＡＸに対して、１次コイル３５の反対側に配置される。この場合、１次コイル３５は、接続配線４５の引っ張り力によりコイル回転軸Ｃを中心として回転し、端子部３５ａがナセル回転軸ＡＸに対向する位置に向けられる。
【００５８】
上述したように、第２基板３２及び２次コイル３６は、支持部２ｅに固定され、コイル回転軸Ｃを中心として回転しない。つまり、図６に示すように、ナセル４の回転に伴って１次コイル３５が回転した場合であっても、２次コイル３６は、図５に示す状態を維持する。つまり、タワー２の内部空間２ｆ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の位置及び回転角度は変化しない。このため、ケーブル８及び接続配線４６のねじれが抑制される。
【００５９】
以上のように、本実施形態の風力発電装置１において、１次コイル３５は、コイル回転軸Ｃを中心軸として、２次コイル３６に対して相対的に回転可能に設けられる。そして、２次コイル３６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２ｆ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及び接続配線４６のねじれが抑制される。したがって、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ない。よって、ナセル４を風向きや風速に対応した適切な方向に制約無く回転させることができ、効率良く発電を行うことができ、また、ブレード７の破損を抑制することが可能である。
【００６０】
また、１次コイル３５と２次コイル３６とが非接触であるため、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。
【００６１】
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、リングとブラシとを摺動させて接触する構成に比べて、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。
【００６２】
次に、非接触式電力伝送部１０の詳細な構成について説明する。図７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８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９は、図７及び図８のＩＸ−ＩＸ’線に沿う断面図である。なお、図７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８は、第２基板３２を下面３２ｂ側から見たときの平面図である。
【００６３】
図７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、コイル回転軸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、すなわちコイル回転軸Ｃと交差する平面内において、コイル回転軸Ｃを中心に巻き回されて設けられる。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、コイル回転軸Ｃを中心に矢印Ｄ３又は矢印Ｄ４に示す方向に回転可能になっている。
【００６４】
図８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、コイル回転軸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、すなわちコイル回転軸Ｃと交差する平面内において、コイル回転軸Ｃを中心に巻き回されて設けられる。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。
【００６５】
本実施形態において、１次コイル３５と２次コイル３６とは、コイル回転軸Ｃを中心に設けられ、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７及び図８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。
【００６６】
図９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とは、支持部２ｅを介して、互いに対向して配置される。第１基板３１の下面３１ｂの外周には、段部３１ｃが設けられている。段部３１ｃが軸受５０と固定されることで、第１基板３１が軸受５０により回転可能に支持される。軸受５０は、例えば、軸受３（図３参照）と同様の構成を有する転がり軸受を用いることができる。第１基板３１は、支持部２ｅと間隔を設けて配置されるので、第１基板３１と支持部２ｅとの摩擦が低減され、第１基板３１の損耗が抑制される。
【００６７】
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を挟んでコイル回転軸Ｃに沿った方向において対向して配置される。図９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４から図８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。
【００６８】
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１０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１１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。
【００６９】
図１１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。
【００７０】
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。
【００７１】
図１０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Ｍ１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Ｍ１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の負荷である電力変換装置１８に伝達される。
【００７２】
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。
【００７３】
また、図７から図９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、コイル回転軸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がコイル回転軸Ｃを中心に回転した場合であっても、コイル回転軸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、本実施形態において、コイル回転軸Ｃに沿った方向における１次コイル３５及び２次コイル３６の位置は、タワー２の支持部２ｅに固定されている。このため、ナセル４が回転した場合であっても、コイル回転軸Ｃに沿った方向において、１次コイル３５と２次コイル３６との距離や向きの変化が抑制される。このため、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。
【００７４】
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の間の伝送効率を確保できれば、１次コイル３５と２次コイル３６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。
【００７５】
（第１の実施形態の第１変形例）
図１２は、第１の実施形態の第１変形例に係る非接触式電力伝送部を示す断面図である。図１２に示すように、本変形例の非接触式電力伝送部１０Ａにおいて、支持部２ｅの、ナセル４（図１２では省略して示す）側の面に、１次コイル３５と２次コイル３６とが配置される。
【００７６】
より具体的には、支持部２ｅの、ナセル４（図１２では省略して示す）側の面に、第２基板３２が接着層３９を介して固定される。２次コイル３６は、第２基板３２の下面３２ｂに設けられ、支持部２ｅと対向する。第１基板３１は、第２基板３２の上方に設けられる。第１基板３１は、軸受５０を介して第２基板３２に対して回転可能に支持される。本変形例では、第１基板３１の下面３１ｂと、第２基板３２の上面３２ａとが対向して設けられる。また、１次コイル３５は第１基板３１の上面３１ａに設けられる。
【００７７】
本変形例において、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を用いることが出来る。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もできる。
【００７８】
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、コイル回転軸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、を用いても良い。なお、潤滑層４１は、図９に示す第１基板３１と支持部２ｅとの間に設けてもよい。
【００７９】
本変形例の非接触式電力伝送部１０Ａにおいて、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、コイル回転軸Ｃに沿った方向において近接して配置される。つまり、１次コイル３５と２次コイル３６との間に支持部２ｅが設けられる構成と比較して、１次コイル３５と２次コイル３６との距離を小さくできる。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。
【００８０】
（第１の実施形態の第２変形例）
図１３は、第１の実施形態の第２変形例に係る非接触式電力伝送部を示す模式図である。上述した例では、ナセル４の回転力が接続配線４５を介して１次コイル３５に伝達されるが、これに限定されない。図１３に示すように、本変形例の非接触式電力伝送部１０Ｂにおいて、支持部２ｅと第１基板３１との間に、第１基板３１を回転駆動させる回転機構５１が設けられている。回転機構５１は、例えば、サーボモータとギアの組み合わせや、リニアモータ等が用いられる。
【００８１】
制御部１００は、ナセル４の回転に関する情報を計測装置１６（図２参照）から取得する。制御部１００はナセル４の回転角度や回転速度に応じた制御信号を回転駆動回路１０２に出力する。回転駆動回路１０２は、駆動信号Ｖａを回転機構５１に供給する。回転機構５１は駆動信号Ｖａに従って、第１基板３１及び１次コイル３５を回転駆動させる。
【００８２】
これにより、第１基板３１及び１次コイル３５は、ナセル４の回転に追従してコイル回転軸Ｃを中心に回転する。例えば、ナセル４が矢印Ｄ１方向（図４参照）に回転した場合、回転機構５１は、ナセル４の回転角度に応じて、第１基板３１及び１次コイル３５を矢印Ｄ３方向（図４参照）に回転させる。このように、ナセル４に設けられた発電機２０の移動に対応して１次コイル３５が回転するため、接続配線４５のねじれが抑制される。接続配線４５における抵抗の増大や断線等が抑制されるので、発電機２０の電力を効率良く１次コイル３５に供給することができる。
【００８３】
（第１の実施形態の第３変形例）
図１４は、第１の実施形態の第３変形例に係る非接触式電力伝送部を示す模式図である。本変形例の非接触式電力伝送部１０Ｃは、電磁誘導方式により電力を伝送することができる。図１４に示すように、第１基板３１に開口３１ｄが設けられている。また、第２基板３２に開口３２ｄが設けられている。開口３１ｄ及び開口３２ｄは、互いに連通して、コイル回転軸Ｃと交差する位置に設けられる。
【００８４】
コア５３は、コイル回転軸Ｃに沿って、開口３１ｄ及び開口３２ｄに設けられる。つまり、コア５３は、１次コイル３５に囲まれるとともに、２次コイル３６に囲まれて配置され、１次コイル３５及び２次コイル３６と交差して設けられる。言い換えると、コア５３は、１次コイル３５により形成される平面と交差し、かつ、２次コイル３６により形成される平面と交差する。１次コイル３５で発生する磁束は、コア５３を通って２次コイル３６と交差する。コア５３は、磁束を通すことが可能な軟磁性材料を用いることができる。
【００８５】
図１５は、第３変形例に係る非接触式電力伝送部の、電磁誘導方式の電力伝送を説明するための説明図である。発電機２０から１次コイル３５に電力が供給されると、１次コイル３５に交流の電流が流れて誘導磁界Ｍ２が発生する。誘導磁界Ｍ２の磁束は、コア５３（図１５では図示を省略する）を通って２次コイル３６と交差する。誘導磁界Ｍ２の磁束の変化により、２次コイル３６に起電力が発生する。このような電磁誘導により生じた２次コイル３６の電力が、電力変換装置１８に供給される。このようにして、非接触式電力伝送部１０Ｃは、電磁誘導方式により電力を伝送することができる。
【００８６】
本変形例では、１次コイル３５と２次コイル３６とがコイル回転軸Ｃを中心に対向して設けられているので、１次コイル３５と２次コイル３６との位置ずれが抑制される。このため、非接触式電力伝送部１０Ｃは、電磁誘導方式により効率良く電力を伝送できる。
【００８７】
（第１の実施形態の第４変形例）
図１６は、第１の実施形態の第４変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。図１６に示すように、本変形例の風力発電装置１Ａにおいて、非接触式電力伝送部１０は、ナセル４の内部に設けられている。具体的には、支持部２ｅは、タワー２のフランジ部２ｂに固定され、上方に延在して径方向に屈曲する。支持部２ｅは、底部４ａよりも上方に設けられる。第１基板３１及び１次コイル３５は支持部２ｅの一方の面に設けられ、第２基板３２及び２次コイル３６は支持部２ｅの他方の面に設けられる。
【００８８】
本変形例の風力発電装置１Ａにおいて、１次コイル３５は、コイル回転軸Ｃを中心軸として、２次コイル３６に対して相対的に回転可能に設けられる。コイル回転軸Ｃは、ナセル回転軸ＡＸとは異なる軸である。このような構成により、風力発電装置１Ａは、非接触式電力伝送部１０をナセル４とタワー２の接続部の近傍に設けた場合に比べて、作業者が移動するための通路を広く確保することが可能である。
【００８９】
そして、２次コイル３６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２ｆ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及び接続配線４６のねじれが抑制される。したがって、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ない。よって、ナセル４を風向きや風速に対応した適切な方向に制約無く回転させることができ、効率良く発電を行うことができ、また、ブレード７の破損を抑制することが可能である。
【００９０】
（第１の実施形態の第５変形例）
図１７は、第１の実施形態の第５変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。図１７に示すように、本変形例の風力発電装置１Ｂにおいて、非接触式電力伝送部１０は、タワー２の内部に設けられている。具体的には、支持部２ｅは、タワー２のフランジ部２ｂに固定され、下方に延在して径方向に屈曲する。支持部２ｅは、フランジ部２ｂよりも下方に設けられる。
【００９１】
本変形例の風力発電装置１Ｂにおいても、１次コイル３５は、コイル回転軸Ｃを中心軸として、２次コイル３６に対して相対的に回転可能に設けられる。コイル回転軸Ｃは、ナセル回転軸ＡＸとは異なる軸である。このような構成により、風力発電装置１Ｂは、非接触式電力伝送部１０をナセル４とタワー２の接続部の近傍に設けた場合に比べて、作業者が移動するための通路を広く確保することが可能である。
【００９２】
（第２の実施形態）
図１８は、第２の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１９は、第２の実施形態に係る非接触式電力伝送部の断面図である。上述した風力発電装置１と同じ構成の部材については、同じ符号を付して説明を省略する場合がある。図１８に示すように、風力発電装置１Ｄにおいて、タワー２Ｄは、柱部２ａと、フランジ部２ｂと、固定部２ｃと、上端部２ｄとを含む。フランジ部２ｂは、図３に示す支持部２ｅが設けられていない。フランジ部２ｂに囲まれた部分が開口２ｇである。軸受３の外輪３ａは、固定部２ｃ及び上端部２ｄの内周面に固定される。
【００９３】
ナセル４Ｄは、底部４ａと、固定部４ｂとを含む。底部４ａは、タワー２Ｄの内部空間２ｆに連通する開口４ｄが設けられている。開口４ｄの内壁４ｆに、径方向内側に延びる支持部４ｅが設けられている。支持部４ｅは、内壁４ｆに囲まれた空間の一部に配置される。言い換えると、内壁４ｆに囲まれた空間のうち、支持部４ｅと重ならない部分が開口４ｄである。軸受３の内輪３ｃは、固定部４ｂの外周面に固定される。ナセル４Ｄは、軸受３を介してタワー２Ｄと接続され、タワー２Ｄに対する径方向と高さの位置が固定される。ナセル４Ｄは、軸受３によって、タワー２Ｄに対してナセル回転軸ＡＸを中心として回転可能に支持される。
【００９４】
図１８及び図１９に示すように、非接触式電力伝送部１０Ｄは、支持部４ｅに配置される。非接触式電力伝送部１０Ｄ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。１次コイル３５は、支持部４ｅの、ナセル４Ｄの内部空間に対向する面に、第１基板３１を介して設けられる。２次コイル３６は、支持部４ｅの、タワー２Ｄに対向する面に、第２基板３２を介して設けられる。支持部４ｅは、１次コイル３５と２次コイル３６との間で発生する磁界を透過させることができる材料が用いられる。支持部４ｅは、例えば、樹脂基板で形成される。
【００９５】
１次コイル３５の端子部３５ａは、接続配線４５Ａを介して発電機２０と接続される。本実施形態において、接続配線４５Ａは弾性部を有していない。発電機２０の電力は、接続配線４５Ａを介して１次コイル３５に供給される。非接触式電力伝送部１０Ｄは、上述した磁界共鳴方式又は電磁誘導方式により、１次コイル３５に供給された発電機２０からの電力を、非接触で２次コイル３６に伝送する。２次コイル３６の端子部３６ａは、接続配線４６Ａを介して、タワー２Ｄの内部空間に固定されたケーブル８と接続される。接続配線４６Ａは、弾性部４６Ａａと、第１配線４６Ａｂと、第２配線４６Ａｃとを含む。２次コイル３６に非接触で伝送された電力は、ケーブル８を介して電力変換装置１８に出力される。
【００９６】
図１８では、支持部４ｅに設けられた非接触式電力伝送部１０Ｄは、ナセル回転軸ＡＸの方向から見たときに、ナセル４Ｄの内壁４ｆに囲まれた空間の一部に配置される。また、非接触式電力伝送部１０Ｄは、フランジ部２ｂに囲まれた開口２ｇと重なる位置に配置される。このように、非接触式電力伝送部１０Ｄは、ナセル４Ｄとタワー２Ｄとの接続部の近傍に配置される事が好ましいが、それ以外の場所であっても、ナセル４Ｄの回転にともなう支持部４ｅの移動が阻害されなければ良い。例えば、非接触式電力伝送部１０Ｄは、タワー２Ｄの内部に設けられていてもよく、ナセル４Ｄの内部に設けられていてもよい。
【００９７】
図１９に示すように、第１基板３１は、支持部４ｅのナセル４Ｄの内部空間に対向する面に固定される。第２基板３２は、軸受５０を介して支持部４ｅに回転可能に支持される。これにより、第２基板３２及び２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心として回転可能に設けられる。第２基板３２の上面３２ａの外周に段部３２ｃが設けられている。軸受５０は段部３２ｃに固定される。これにより、第２基板３２及び２次コイル３６の位置が決められる。
【００９８】
このように、１次コイル３５と２次コイル３６とは、コイル回転軸Ｃを中心として相対的に回転可能に設けられる。また、１次コイル３５と２次コイル３６とは、コイル回転軸Ｃに沿った方向に互いに対向して配置される。１次コイル３５と２次コイル３６とは、第１基板３１、支持部４ｅ、第２基板３２を介して、離隔して配置される。
【００９９】
本実施形態の風力発電装置１Ｄにおいても、ナセル回転軸ＡＸと異なるコイル回転軸Ｃを中心に、１次コイル３５と２次コイル３６とが、相対的に回転可能に設けられている。また、１次コイル３５及び２次コイル３６の直径は、ナセル４Ｄの開口４ｄ及びタワー２Ｄの開口２ｇの内径よりも小さい。したがって、タワー２Ｄの開口２ｇとナセル４Ｄの開口４ｄとが、ナセル回転軸ＡＸに沿って連通する。これにより、作業者は開口４ｄ、２ｇを通ってタワー２Ｄの内部空間２ｆとナセル４Ｄの内部空間との間を移動することができる。より具体的には、作業者は、ナセル４Ｄの内壁４ｆと支持部４ｅとの間、及びフランジ部２ｂと支持部４ｅとの間を通って、タワー２Ｄとナセル４Ｄとの間を移動することができる。このように、非接触式電力伝送部１０Ｄがナセル４Ｄに設けられた構成であっても、風力発電装置１Ｄは、作業者が移動するための通路を確保することが可能である。
【０１００】
次に、図１８及び図２０から図２３を参照して、ナセル４Ｄが回転した場合の１次コイル３５及び２次コイル３６の動作について説明する。図２０は、図１８のＸＸ−ＸＸ’線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。図２１は、ナセルが回転した場合における、１次コイルの回転を説明するための説明図である。図２２は、第２の実施形態に係る２次コイルとケーブルとの配置を説明するための説明図である。図２３は、ナセルが回転した場合における、２次コイルの回転を説明するための説明図である。なお、図２１は、図２０に示す状態から、ナセル４Ｄが矢印Ｄ１方向に９０°回転した場合を示す。図２２は、図２０において、１次コイル３５及び第１基板３１等を省略して、２次コイル３６、第２基板３２及びケーブル８の配置の関係を示している。図２３は、図２２に示す状態から、ナセル４Ｄが矢印Ｄ１方向に９０°回転した場合を示す。
【０１０１】
図１８及び図２０においては、支持部４ｅは、開口４ｄの内壁４ｆの一部から、径方向内側にナセル回転軸ＡＸに向かって延びる板状の部材である。支持部４ｅは、ナセル回転軸ＡＸに沿った方向から見たときに、第１基板３１の外周に沿って湾曲する外形形状を有する。ただし、これに限定されず、支持部４ｅは、作業者が移動するための通路を確保できるように、タワー２Ｄの開口２ｇとナセル４Ｄの開口４ｄとが連通する大きさに設けられていればよい。また、支持部４ｅは、内壁４ｆで囲まれる空間内に設けられなくとも良い。例えば、支持部４ｅは、タワー２Ｄの内部に設けられていてもよく、ナセル４Ｄの内部に設けられていてもよい。また、支持部４ｅは、矩形状や弓形状であってもよい。
【０１０２】
支持部４ｅはナセル４Ｄに固定されている。このため、支持部４ｅに設けられた１次コイル３５及び２次コイル３６は、ナセル４Ｄに対する位置が固定される。すなわち、ナセル４Ｄが、ナセル回転軸ＡＸを中心に矢印Ｄ１方向又は、矢印Ｄ２方向に回転した場合、１次コイル３５及び２次コイル３６は、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転する。図２１及び図２３に示すように、ナセル４Ｄが矢印Ｄ１方向に９０°回転した場合、１次コイル３５及び２次コイル３６は、ナセル回転軸ＡＸを中心に矢印Ｄ１方向に９０°回転する。
【０１０３】
第１基板３１及び１次コイル３５は、支持部４ｅに固定されているので、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転するとともに、コイル回転軸Ｃを中心に矢印Ｄ３方向に９０°回転する。つまり、図２０及び図２１に示すように、コイル回転軸Ｃ、１次コイル３５の端子部３５ａ、接続配線４５Ａ及び発電機２０は、相対的な配置が固定された状態で、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転する。このため、ナセル４Ｄが回転した場合であっても、接続配線４５Ａのねじれが抑制される。例えば、ナセル４Ｄが１８０°回転した場合、１次コイル３５は、コイル回転軸Ｃを中心に矢印Ｄ３方向に１８０°回転する。
【０１０４】
２次コイル３６は、接続配線４６Ａを介してケーブル８と接続される。接続配線４６Ａの弾性部４６Ａａと、第１配線４６Ａｂと、第２配線４６Ａｃとは、それぞれ、導電性を有する金属材料が用いられる。接続配線４６Ａは、２次コイル３６と電気的に接続されて、１次コイル３５から非接触で伝送された電力をケーブル８に供給する。
【０１０５】
図１８に示すように、第１配線４６Ａｂの一端は、２次コイル３６の端子部３６ａに接続され、他端は弾性部４６Ａａに接続される。第２配線４６Ａｃの一端は、ケーブル８に接続され、他端は弾性部４６Ａａに接続される。弾性部４６Ａａは、第１配線４６Ａｂ及び第２配線４６Ａｃに対し、互いに近づく方向の力を与える。弾性部４６Ａａは、例えば、ねじりコイルバネや、板バネ等である。第１配線４６Ａｂ及び第２配線４６Ａｃは、剛性を有する金属材料であり、弾性部４６Ａａの力を２次コイル３６に伝達可能となっている。
【０１０６】
２次コイル３６は、接続配線４６Ａによってケーブル８に向かう引っ張り力が与えられる。上述したように、第２基板３２及び２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心として回転可能に設けられているので、２次コイル３６の端子部３６ａは、接続配線４６Ａの引っ張り力により、ケーブル８と対向する位置に向けられる。図２２に示す例では、端子部３６ａは、コイル回転軸Ｃに対してナセル回転軸ＡＸよりも径方向の外側に配置される。つまり、端子部３６ａは、コイル回転軸Ｃに沿った方向からみたときに、図２０に示す１次コイル３５の端子部３５ａとほぼ重なる位置に配置される。
【０１０７】
図２３に示すように、ナセル４Ｄが矢印Ｄ１方向に９０°回転すると、発電機２０はナセル回転軸ＡＸを中心として回転移動する。一方、タワー２Ｄ側に固定されたケーブル８は、位置が変化しない。２次コイル３６は、ナセル４Ｄの回転とともにナセル回転軸ＡＸを中心に回転するので、２次コイル３６とケーブル８との距離が変化する。この場合、接続配線４６Ａは、第１配線４６Ａｂと第２配線４６Ａｃとの間の角度が拡がる方向に変形する。これにより、２次コイル３６とケーブル８との電気的な接続を確保することができる。
【０１０８】
図２３に示すように、２次コイル３６の端子部３６ａは、接続配線４６Ａの引っ張り力により、ケーブル８と対向する位置に向けられる。つまり、接続配線４６Ａは、ナセル４Ｄのナセル回転軸ＡＸを中心とする回転力に対する反力を、２次コイル３６に伝達する。これにより、２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心として端子部３６ａが接続配線４６Ａに正対する状態で、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転する。図２１及び図２３に示すように、ナセル４Ｄが回転すると、２次コイル３６の端子部３６ａは、コイル回転軸Ｃに対して、１次コイル３５の端子部３５ａと異なる方向に向けられる。このように、１次コイル３５と２次コイル３６とは、互いに対向した状態を維持しつつ、コイル回転軸Ｃを中心として相対的に回転する。
【０１０９】
以上のように、本実施形態の風力発電装置１Ｄにおいて、第２基板３２及び２次コイル３６は、端子部３６ａが接続配線４６Ａに正対する状態で、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転する。このため、ナセル４Ｄが回転した場合であっても、接続配線４６Ａ及びケーブル８のねじれが抑制される。したがって、非接触式電力伝送部１０Ｄは、ケーブル８や接続配線４６Ａ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４Ｄの回転駆動がケーブル８のねじれによって規制されない。よって、ナセル４Ｄ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、効率良く発電を行うことができ、また、ブレード７の破損を抑制することが可能である。
【０１１０】
（第２の実施形態の第１変形例）
図２４は、第２の実施形態の第１変形例に係る非接触式電力伝送部を示す断面図である。図２４に示すように、本変形例の非接触式電力伝送部１０Ｅにおいて、支持部４ｅと第２基板３２との間に、第２基板３２を回転駆動させる回転機構５１が設けられている。
【０１１１】
制御部１００は、ナセル４Ｄの回転に関する情報を計測装置１６（図２参照）から取得する。制御部１００はナセル４Ｄの回転角度や回転速度に応じた制御信号を回転駆動回路１０２に出力する。回転駆動回路１０２は、駆動信号Ｖａを回転機構５１に供給する。回転機構５１は駆動信号Ｖａに従って、第２基板３２及び２次コイル３６を回転駆動させる。
【０１１２】
これにより、第２基板３２及び２次コイル３６は、ナセル４Ｄの回転とともにナセル回転軸ＡＸを中心に回転しつつ、ケーブル８に対してコイル回転軸Ｃを中心に端子部３６ａが接続配線４６Ａと正対するように駆動される。これにより、接続配線４６Ａのねじれが抑制される。接続配線４６Ａにおける抵抗の増大や断線等が抑制されるので、発電機２０の電力を効率良くケーブル８に供給することができる。
【０１１３】
なお、本実施形態の非接触式電力伝送部１０Ｄ、１０Ｅにおいても、支持部４ｅと第２基板３２の上面３２ａとの間に潤滑層４１を設けてもよい。また、非接触式電力伝送部１０Ｄ、１０Ｅは、電磁誘導方式により電力伝送を実現してもよい。この場合、コイル回転軸Ｃに沿って１次コイル３５と２次コイル３６とを貫通するコア５３を設けてもよい。
【０１１４】
（第２の実施形態の第２変形例）
図２５は、第２の実施形態の第２変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。図２５に示すように、本変形例の風力発電装置１Ｅにおいて、非接触式電力伝送部１０Ｄは、ナセル４Ｄの内部に設けられている。具体的には、支持部４ｅは、ナセル４の底部４ａに固定され、上方に延在して径方向に屈曲する。支持部４ｅは、底部４ａよりも上方に設けられる。第１基板３１及び１次コイル３５は支持部４ｅの一方の面に設けられ、第２基板３２及び２次コイル３６は支持部４ｅの他方の面に設けられる。
【０１１５】
本変形例の風力発電装置１Ｅにおいて、２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心軸として、１次コイル３５に対して相対的に回転可能に設けられる。コイル回転軸Ｃは、ナセル回転軸ＡＸとは異なる軸である。このような構成により、風力発電装置１Ｅは、非接触式電力伝送部１０Ｄをナセル４Ｄとタワー２Ｄの接続部の近傍に設けた場合に比べて、作業者が移動するための通路を広く確保することが可能である。
【０１１６】
本変形例においても、第１基板３１及び１次コイル３５は、支持部４ｅに固定されている。２次コイル３６は、ナセル４Ｄが回転すると、コイル回転軸Ｃを中心として端子部３６ａが接続配線４６Ａに正対する状態で、ナセル回転軸ＡＸを中心に回転する。このような構成により、ナセル４Ｄが回転した場合であっても、接続配線４６Ａ及びケーブル８のねじれが抑制される。
【０１１７】
（第２の実施形態の第３変形例）
図２６は、第２の実施形態の第３変形例に係る風力発電装置を示す断面図である。図２６に示すように、本変形例の風力発電装置１Ｆにおいて、非接触式電力伝送部１０Ｄは、タワー２Ｄの内部に設けられている。具体的には、支持部４ｅは、ナセル４の底部４ａに固定され、下方に延在して径方向に屈曲する。支持部４ｅは、フランジ部２ｂよりも下方に設けられる。第１基板３１及び１次コイル３５は支持部４ｅの一方の面に設けられ、第２基板３２及び２次コイル３６は支持部４ｅの他方の面に設けられる。
【０１１８】
本変形例の風力発電装置１Ｆにおいて、２次コイル３６は、コイル回転軸Ｃを中心軸として、１次コイル３５に対して相対的に回転可能に設けられる。コイル回転軸Ｃは、ナセル回転軸ＡＸとは異なる軸である。このような構成により、風力発電装置１Ｆは、非接触式電力伝送部１０Ｄをナセル４Ｄとタワー２Ｄの接続部の近傍に設けた場合に比べて、作業者が移動するための通路を広く確保することが可能である。
【０１１９】
以上説明したように、本実施形態の風力発電装置１、１Ｄは、例えば以下の態様をとることができる。風力発電装置１は、内部空間２ｆが設けられたタワー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ナセル回転軸ＡＸとして回転し、内部空間２ｆと連通する開口４ｄが設けられたナセル４と、ナセル４に支持された風車５により電力を発生する発電機２０と、発電機２０から電力が供給される１次コイル３５と、電力が１次コイル３５から非接触で伝送される２次コイル３６とを含み、１次コイル３５と２次コイル３６とは、互いに離隔して対向して配置され、ナセル回転軸ＡＸとは異なるコイル回転軸Ｃを中心として相対的に回転可能に設けられる非接触式電力伝送部１０と、を有する。
【０１２０】
これによれば、１次コイル３５と２次コイル３６とが非接触の状態で、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と２次コイル３６とが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。また、１次コイル３５と２次コイル３６とは、ナセル回転軸ＡＸと異なるコイル回転軸Ｃを中心に回転可能に設けられているので、ナセル４の開口４ｄの内壁４ｆに対して間隔を設けて非接触式電力伝送部１０を配置することができる。作業者は、ナセル４の開口４ｄの内壁４ｆと非接触式電力伝送部１０との間を通って、タワー２とナセル４との間を移動することができる。よって、作業者が移動するための通路を確保することが可能である。
【０１２１】
本実施形態の望ましい態様として、２次コイル３６はタワー２に固定され、１次コイル３５は、ナセル４の回転とともにコイル回転軸Ｃを中心に回転する。これによれば、受信側の２次コイル３６はタワー２に固定されているので、ナセル４が回転した場合であってもタワー２に対する２次コイル３６の位置及び回転角度が変化しない。このため、ケーブル８にねじれが生じることを抑制できる。
【０１２２】
本実施形態の望ましい態様として、１次コイル３５はナセル４Ｄに固定され、ナセル４Ｄの回転とともにナセル回転軸ＡＸを中心に移動し、２次コイル３６は、ナセル回転軸ＡＸを中心に支持部４ｅと共に移動し、発電機２０に接続された接続配線４５Ａとの正対を保つ。これによれば、２次コイル３６は、ナセル回転軸ＡＸを中心とする円周上を移動するためケーブル８との距離は変化するが、向きは変化しない。このため、ケーブル８にねじれが生じることを抑制できる。
【０１２３】
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を支持部２ｅ又は支持部４ｅに設けるための構造や、第２基板３２を支持部２ｅ又は支持部４ｅに設け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。
【符号の説明】
【０１２４】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ  風力発電装置
２、２Ｄ  タワー
２ａ  柱部
２ｅ  支持部
２ｆ  内部空間
２ｇ  開口
３  軸受
４、４Ｄ  ナセル
４ａ  底部
４ｄ  開口
４ｅ  支持部
４ｆ  内壁
５  風車
８  ケーブル
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ  非接触式電力伝送部
２０  発電機
３１  第１基板
３２  第２基板
３５  １次コイル
３５ａ、３６ａ  端子部
３６  ２次コイル
４１  潤滑層
４５、４５Ａ、４６、４６Ａ  接続配線
４５ａ、４６Ａａ  弾性部
５１  回転機構
ＡＸ  ナセル回転軸
Ｃ  コイル回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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