(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラ（１）の回転を増速して当該プロペラ（１）の動力を発電機（６）に伝達することにより発電を行う風力発電装置において、
前記プロペラ（１）の回転軸（１１）と前記発電機（６）の回転軸（６１）との間に介在され、容量が可変の油圧ポンプ（４１）と容量が可変の油圧モータ（４２）とからなり、当該容量を変化させることにより変速比を変化させる流体駆動式トランスミッション（４０）と、
前記プロペラ（１）の回転軸（１１）と前記発電機（６）の回転軸（６１）との間に前記流体駆動式トランスミッション（４０）と並列にして介在され、前記流体駆動トランスミッション（４０）の変速比と連動し、前記プロペラ（１）の回転数と前記発電機（６）の回転数との比率である増速比が変化するように構成された機械駆動式トランスミッション（５０）と、
前記プロペラ（１）の風速を検出する検出手段（７）とを備え、
前記検出手段（７）で検出された風速が大きくなるほど前記増速比を小さくするように、前記容量を変化させること
を特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、風力によってプロペラを回転させ、このプロペラの回転を増速機で増速してプロペラの動力を発電機に伝達することによって、発電を行う風力発電装置が知られている。
【０００３】
従来の風力発電装置の各方式を列挙すると以下のとおりとなる。
【０００４】
１）増速比を固定にした増速機を用い、誘導発電機を定格回転で回転させ発電させるという方式。この方式には、２段の増速機を用いたものがある。この方式はたとえば特開平５−７９４５０号公報に記載されている。
【０００５】
２）増速比を固定にした増速機を用い、プロペラの回転数に応じて発電機の回転数を可変にするという方式。この方式では発電周波数が変化するためインバータなどの周波数変換器を使用して５０Ｈzまたは６０Ｈzに整流している。この方式はたとえば論文「富士重工業における風力発電システムの開発」（「日本風力エネルギー協会誌」/通巻５８/平成１３年６月）に記載されている。
【０００６】
３）増速機を用いることなくプロペラの動力を直接発電機に伝達するダイレクト発電方式。この方式には、誘導発電機の極数を切り換えることにより低速と高速の２速運転を行うものがある。この方式では発電周波数が変化するためインバータなどの周波数変換器を使用して５０Ｈzまたは６０Ｈzに整流している。この方式はたとえば論文「ギヤレス可変速風力発電装置の開発」（「三菱重工技報」/Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．２/２００１年３月）に記載されている。
【０００７】
４）油圧ポンプと油圧モータからなる流体駆動式トランスミッションを増速機として使用する方式。この方式はたとえば特開平１１−２８０６３７号公報に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記１）の方式を採用すると、増速比が固定されているため、プロペラの回転数は、発電機の定格回転数（たとえば１５００ｒｐｍ）と固定の増速比とで定まる一定回転数（たとえば２０ｒｐｍ）に固定される。
【０００９】
このため風力の強弱いかんいかかわらず、プロペラの回転数が固定されてしまい、風力が小さい場合には発電することができず、風力が大きい場合には発電効率が悪くなるという問題が発生する。
【００１０】
風力に応じた回転数でプロペラを回転させることができれば、風力から電力へのエネルギー変換効率、総発電量は２０〜２５％増加するといわれている。
【００１１】
そこで、上記２）、３）の方式を採用すれば、風力に応じてプロペラの回転数を変化させることができるので、エネルギー変換効率、総発電量を高めることができる。
【００１２】
しかし発電機の出力周波数が変化するため、インバータ等の周波数変換器を設ける必要があり、これによって部品点数の増加、装置コストの増大を招く。
【００１３】
一方、上記４）の方式を採用すれば、流体駆動式トランスミッションで変速が行われるため、風力に応じて変速を行うことでプロペラの回転数を変化させることができるとともに、発電機の出力周波数を一定にすることができる。このためエネルギー変換効率、総発電量を高めることができるとともに、インバータ等の周波数変換器が不要となり部品点数、装置コストを低減することができる。
【００１４】
しかし一般に、油圧ポンプ、油圧モータからなる流体駆動式トランスミッションのトルク伝達効率は、遊星歯車機構などを使用した機械駆動式トランスミッションと比較して低くエネルギーロスが大きい。機械駆動式トランスミッションの伝達効率は９５％程度であるのに対して、流体駆動式トランスミッションの伝達効率は８０％程度であるといわれている。
【００１５】
このため上記４）の方式では、プロペラの動力を効率よく発電に使用することができなかった。
【００１６】
また増速機として、機械駆動式トランスミッションを使用し、この機械駆動式トランスミッションで変速を行うことも考えられるが、ギアチェンジ機構を新たに追加することとなり構造が複雑となり部品点数、装置コストが増加する。
【００１７】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、機械駆動式トランスミッションに、ギアチェンジ機構等の複雑な構造を追加することなく、変速を行うことによって、エネルギー変換効率、総発電量の向上を図り、部品点数、装置コストの低減を図り、さらにトルク伝達効率の向上、エネルギーロスの低減を図ることを解決課題とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段および作用効果】
そこで、本発明は、
プロペラ（１）の回転を増速して当該プロペラ（１）の動力を発電機（６）に伝達することにより発電を行う風力発電装置において、
前記プロペラ（１）の回転軸（１１）と前記発電機（６）の回転軸（６１）との間に介在され、容量が可変の油圧ポンプ（４１）と容量が可変の油圧モータ（４２）とからなり、当該容量を変化させることにより変速比を変化させる流体駆動式トランスミッション（４０）と、
前記プロペラ（１）の回転軸（１１）と前記発電機（６）の回転軸（６１）との間に前記流体駆動式トランスミッション（４０）と並列にして介在され、前記流体駆動トランスミッション（４０）の変速比と連動し、前記プロペラ（１）の回転数と前記発電機（６）の回転数との比率である増速比が変化するように構成された機械駆動式トランスミッション（５０）と、
前記プロペラ（１）の風速を検出する検出手段（７）とを備え、
前記検出手段（７）で検出された風速が大きくなるほど前記増速比を小さくするように、前記容量を変化させること
を特徴とする。
【００１９】
第１発明によれば、図１に示すように、プロペラ１の回転軸である入力軸１１と、発電機６の回転軸である出力軸６１との間に、流体駆動式トランスミッション４０と、機械駆動式トランスミッション５０とが並列に介在されている。
【００２０】
流体駆動式トランスミッション４０は、油圧ポンプ４１と油圧モータ４２とからなり、容量が可変である。油圧ポンプ４１、油圧モータ４２の容量は、容量可変機構４３によって変化される。
【００２１】
増速比の可変は以下のようにして行われる。
【００２２】
流体駆動式トランスミッション４０の出力軸４４はギア５４を介して遊星歯車５１のリングギア５３を駆動する。増速機２、３の出力軸５６は、機械駆動式トランスミッション５０を構成する遊星歯車５１の遊星ギア５２を駆動する。遊星歯車５１のサンギア５５は出力軸６１を介して発電機６を駆動する。
【００２３】
また流体駆動式トランスミッション４０の入力軸４５は、増速機２、３の出力軸５６つまり機械駆動式トランスミッション５０の入力軸５６より歯車５７、５８を介して駆動される。
【００２４】
流体駆動式トランスミッション４０はポンプ容量を正逆反転することにより、その出力軸４４の回転を正逆反転させることができる。
【００２５】
プロペラ１の回転数と発電機６の回転数との比率である増速比ｅを小さくしたい場合にはポンプ容量を負とし、流体駆動式トランスミッション４０の出力軸４４の回転を逆回転させる。これにより増速比ｅを小さくすることができる。また増速比ｅを大きくしたい場合には、ポンプ容量を正としモータ出力を正回転させリングギア５３を回転させて、遊星歯車５１の出力軸６１の回転数を増加させる。これにより増速比ｅを大きくできる。また油圧モータ４２の容量を小さくすることにより油圧ポンプ４１の入力回転数に対する油圧モータ４２の出力回転数の比を増加させることができる。
【００２６】
図２に遊星歯車５１の構成を示す。
【００２７】
各ギアの回転数の関係を数式で示すと、下記（１）式のようになる。
【００２８】
Ｎs/ｉ1−Ｎp（１＋１/ｉ1）＝ＮE/ｉ2  …（１）
ただしＮsはサンギア５５の回転数、Ｎpは遊星ギア５２の回転数、ＮEはリングギア５３の外周で噛合するギア５４の回転数、ｉ1は遊星歯車５１の増速比、ｉ2は油圧モータ４２の出力軸４４の回転数に対するリングギア５３の回転数の比率である。この式から明らかなようにサンギア５５の回転数Ｎsを一定とすると、ギア５４の回転数ＮEが増加すると遊星ギア５２の回転数Ｎpが減少し、増速比が増加する。またサンギア５５の回転数Ｎsが一定で、ギア５４の回転数ＮEが減少すると遊星ギア５２の回転数Ｎpが増加し、増速比ｅが減少する。
【００２９】
プロペラ１の風速Ｖは風速計等の検出手段７で検出される。
【００３０】
そこで、図３の特性Ｌ1に示すように、検出手段７で検出された風速Ｖが大きくなるほど油圧ポンプ４１の容量Ｄpを小さくするように容量制御機構４３を作動させる。また特性Ｌ2に示すように風速Ｖが大きくなるにつれ、油圧モータ４２の容量Ｄmを大きくするように容量制御機構４３を作動させる。これにより図４の特性Ｌ3に示すように風速Ｖが大きくなるほど、増速比ｅが小さくなる。
【００３１】
このようにして、プロペラ１に当たる風の風速Ｖが大きくなるほど、増速比ｅが小さくなるように増速比ｅを変化させて、プロペラ１の回転数を変化させているので、エネルギー変換効率、総発電量が向上する。
【００３２】
また増速比ｅを変化させて、発電機６側の回転数を固定にし出力周波数を一定のままとしているので、インバータ等の周波数変換器の配設が不要となり、部品点数、装置コストが低減する。
【００３３】
また変速は流体駆動式トランスミッション４０で油圧ポンプ４１の容量Ｄpおよび油圧モータ４２の容量Ｄmを変化させることで行われ、機械駆動式トランスミッション５０には、ギアチェンジ機構を設ける必要がないので、機械駆動式トランスミッション５０の構造が複雑にならず、部品点数、装置コストが低減する。
【００３４】
また本発明では、プロペラ１の動力を、流体駆動式トランスミッション４０、機械駆動式トランスミッション５０の両方に分割して、発電機６に伝達するようにしている。
【００３５】
ここで流体駆動式トランスミッション４０の伝達効率η1を８０％とし、機械駆動式トランスミッション５０の伝達効率η2を９５％として、プロペラ１の動力が２分割されているものとすると、伝達効率η（＝８７．５％）は下記（２）式で表され、流体駆動式トランスミッション４０のみを用いた場合（η1＝８０％）と比較して伝達効率が向上する。
【００３６】
η（＝８７．５％）＝（η1（＝８０％）＋η2（＝９５％））/２  …（２）
このように本発明によればトルク伝達効率が向上し、エネルギーロスが低減する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係る風力発電装置の実施の形態について説明する。
【００３８】
図１は実施形態の風力発電装置の構成を示している。
【００３９】
同図１に示すように、実施形態装置は、大きくは、風力を受けて回転するプロペラ１と、図示しない送電線に電力を供給する発電機６と、油圧ポンプ４１と油圧モータ４２とからなる流体駆動式トランスミッション４０と、遊星歯車機構で構成された機械駆動式トランスミッション５０とから構成されている。
【００４０】
プロペラ１の回転軸である入力軸１１と、発電機６の回転軸である出力軸６１との間に、流体駆動式トランスミッション４０と、機械駆動式トランスミッション５０とが並列に介在されている。
【００４１】
流体駆動式トランスミッション４０は、可変容量型の油圧ポンプ４１と可変容量型の油圧モータ４２と、これら油圧ポンプ４１と油圧モータ４２とを接続する油路４６と、可変容量型油圧ポンプ４１の容量Ｄpおよび可変容量型油圧モータ４２の容量Ｄmを変化させる容量可変機構４３とからなる。油圧ポンプ４１から吐出された圧油の流量に応じて油圧モータ４２が回転し、油圧ポンプ４１の回転数と油圧モータ４２の回転数との比率である変速比ｒは、油圧ポンプ４１の容量Ｄpおよび油圧モータ４２の容量Ｄmを変化させることで、変化する。
【００４２】
本実施形態では、機械駆動式トランスミッション５０の前段に増速機２、３を設けている。
【００４３】
すなわちプロペラ１の回転軸である入力軸１１は、増速機２の遊星ギアに連結している。増速機２のサンギアは、増速機３の遊星ギアに接続している。増速機３のサンギアは機械駆動式トランスミッション５０の入力軸５６に接続している。このためプロペラ１の回転が増速機２、３で増速されて機械駆動式トランスミッション５０に動力が伝達される。すなわち増速機２、３の合計の増速比をｅ1とすると、機械駆動式トランスミッション５０の入力軸５６は、プロペラ１の回転数に増速比ｅ1を乗算した回転数で回転する。
【００４４】
この入力軸５６は後段の増速機である遊星歯車５１の遊星ギア５２に連結している。遊星歯車５１のリングギア５３はギア５４に連結している。ギア５４は油圧モータ４２の出力回転軸４４に接続している。
【００４５】
このため遊星歯車５１のリングギア５３の回転数に応じた回転数で油圧モータ４２が回転する。
【００４６】
流体駆動式トランスミッション４０はポンプ容量を正逆反転することにより、その出力軸４４の回転を正逆反転させることができる。
【００４７】
機械駆動式トランスミッション５０の増速比ｅ2を小さくしたい場合にはポンプ容量Ｄpを負とし、流体駆動式トランスミッション４０の出力軸４４の回転を逆回転させる。これにより増速比ｅ2を小さくすることができる。また増速比ｅ2を大きくしたい場合には、ポンプ容量Ｄpを正としモータ出力を正回転させリングギア５３を回転させて、遊星歯車５１の出力軸６１の回転数を増加させる。これにより増速比ｅ2を大きくできる。また油圧モータ４２の容量Ｄmを小さくすることにより油圧ポンプ４１の入力回転数に対する油圧モータ４２の出力回転数の比を増加させることができる。
【００４８】
図２に遊星歯車５１の構成を示す。
【００４９】
各ギアの回転数の関係は、前述した（１）式（Ｎs/ｉ1−Ｎp（１＋１/ｉ1）＝ＮE/ｉ2）で表される。
【００５０】
この式から明らかなようにサンギア５５の回転数Ｎsを一定とすると、ギア５４の回転数ＮEが増加すると遊星ギア５２の回転数Ｎpが減少し、増速比ｅ2が増加する。またサンギア５５の回転数Ｎsが一定で、ギア５４の回転数ＮEが減少すると遊星ギア５２の回転数Ｎpが増加し、増速比ｅ2が減少する。
【００５１】
プロペラ１の近傍には、プロペラ１に当たる風の流速つまり風速Ｖ（ｍ/sec）を検出する風速計７が設けられている。風速計７には、たとえばピトー管を使用することができる。
【００５２】
風速計７の検出信号は、コントローラ１０を介して容量可変機構４３に入力される。
【００５３】
図３はプロペラ１に当たる風の風速Ｖと油圧ポンプ４１の容量Ｄpとの関係Ｌ1と、同風速Ｖと油圧モータ４２の容量Ｄmとの関係Ｌ2を示している。
【００５４】
容量可変機構４３は、風速計７の検出信号Ｖを入力して、図３の特性Ｌ1に示すように、風速Ｖが大きくなるほど油圧ポンプ４１の容量Ｄpが小さくなるように、油圧ポンプ４１の容量を変化させる。また特性Ｌ2に示すように、風速Ｖが大きくなるほど油圧モータ４２の容量Ｄmが大きくなるように、油圧モータ４２の容量を変化させる。
【００５５】
図３に示すように、たとえば風速Ｖが３ｍ/secから１０ｍ/secの間では、ポンプ容量Ｄpは、風速Ｖに対して反比例的に変化し、モータ容量Ｄmは、風速Ｖに対して正比例的に変化する。風速Ｖが１０ｍ/secを超える範囲では、ポンプ容量Ｄpは、油圧ポンプ４１の負の最大容量−Ｄp(Full)一定となる。なお風速Ｖが３ｍ/ｓｅｃ以下のときには、油圧ポンプ４１の容量Ｄpは、最大容量Ｄp(Full)一定となり、油圧モータ４２の容量Ｄmは、最大容量の１/３の容量Ｄm(1/3)一定となる。
【００５６】
このように風速Ｖが大きくなるほど油圧ポンプ４１の容量Ｄpを小さくし油圧モータ４２の容量Ｄmを大きくすると、風速Ｖが大きくなるほど増速比ｅ2が小さくなる。すなわち図４の特性Ｌ3に示すように風速Ｖが大きくなるほど増速比ｅ2が小さくなるので、同図４に特性Ｌ4で示すように、発電機６の定格回転数（たとえば１５００ｐｍ）一定となる。図４において増速比ｅ2が変化するに応じて、増速比ｅ1と増速比ｅ2を合計した増速比ｅも同様に変化する。
【００５７】
このように本実施形態ではプロペラ１にあたる風速Ｖが大きくなるほど増速比ｅが小さくなるように増速比ｅを変化させて、プロペラ１の回転数を変化させているので、エネルギー変換効率、総発電量が向上する。
【００５８】
また増速比ｅを変化させて、発電機６側の回転数を固定にし出力周波数を一定のままにしているので、インバータ等の周波数変換器の配設が不要となり、部品点数、装置コストが低減する。
【００５９】
また変速は流体駆動式トランスミッション４０で油圧ポンプ４１の容量Ｄp、油圧モータ４２の容量Ｄmを変化させることで行われ、機械駆動式トランスミッション５０にはギアチェンジ機構を設ける必要がなくなるので、機械駆動式トランスミッション５０の構造が複雑にはならず、部品点数、装置コストが低減する。
【００６０】
また本実施形態ではプロペラ１の動力を、流体駆動式トランスミッション４０、機械駆動式トランスミッション５０の両方に分割して、発電機６に伝達するようにしている。なお図１では流量駆動式トランスミッション４０を、油圧ポンプ４１と油圧モータ４２との組を、３つ並列に配置した構成としているが、流体駆動式トランスミッション４０を構成する油圧ポンプ、油圧モータの個数、配置は任意である。
【００６１】
ここで流体駆動式トランスミッション４０の伝達効率η1を８０％とし、機械駆動式トランスミッション５０の伝達効率η2を９５％として、プロペラ１の動力が２分割されているものとすると、伝達効率η（＝８７．５％）は下記（２）式で表され、流体駆動式トランスミッション４０のみを用いた場合（η1＝８０％）と比較して向上する。
【００６２】
η（＝８７．５％）＝（η1（＝８０％）＋η2（＝９５％））/２  …（２）
このため本実施形態によればトルク伝達効率が向上し、エネルギーロスが低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は実施形態の構成図である。
【図２】図２は機械駆動式トランスミッションの遊星歯車部を示す図である。
【図３】図３はプロペラに当たる風の風速と油圧ポンプの容量および油圧モータの容量との関係を示す図である。
【図４】図４は風速と増速機の増速比、機械駆動式トランスミッションの出力回転数との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  プロペラ
６  発電機
４０  流体駆動式トランスミッション
４１  油圧ポンプ
４２  油圧モータ
５０  機械駆動式トランスミッション
２、３  増速機
７  風速計
【図１】
0003822100.tif 000002
【図２】
0003822100.tif 000003
【図３】
0003822100.tif 000004
【図４】
0003822100.tif 000005