JP2004239178A

JP2004239178A - 発電設備及び発電設備における油圧装置

Info

Publication number: JP2004239178A
Application number: JP2003029997A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Suzuki; 鈴木　　茂; Satoru Shimada; 悟島田; Koichi Aoyama; 浩一青山; Junko Seki; 純子関; Takahiko Ito; 孝彦伊東
Original assignee: YUKIGAYA SEIGYO KENKYUSHO KK; Tamura Electric Works Ltd; Yukigaya Institute Co Ltd
Current assignee: YUKIGAYA SEIGYO KENKYUSHO KK; Tamura Electric Works Ltd; Yukigaya Institute Co Ltd
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: JP4159894B2

Abstract

【課題】外力の変化に追従してエネルギ回収効率の高い状態で運転し、安定した出力を行うことのできる発電設備を提供すること。
【解決手段】本発明の発電設備１０は、風車１２により駆動される油圧ポンプ１６と、油圧ポンプからの作動油により回転駆動される油圧ポンプモータ１８と、油圧ポンプモータにより駆動される発電機１４と、油路４６に接続されたアキュムレータ５８と、油路中の分岐点から分岐するアンロード油路４８と、アンロード油路に介設された開閉弁５０と、分岐点とアキュムレータとの間における油路に介設された逆止弁６６と、アキュムレータと油圧ポンプモータとの間における油路に介設された開閉弁６０とを備えることを特徴とする。この構成において、開閉弁５０，６０を開閉制御することで、油圧ポンプモータの回転軸の回転数を一定の範囲内に維持し、定格発電を行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力等によって発電を行う発電設備、及びに、当該発電設備において用いられる油圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電設備は、基本的に、風力により回転駆動される風車と、この風車の回転軸に入力軸が接続された発電機とから構成されている。このような風力発電設備においては、発電機の出力、すなわち外部電力系統への出力が風力の大きさ（風速）に左右される。例えば、ダリウス型やサボニウス型の風車では、風速に応じて回転数が左右され、発電機の発電周波数の変動が大きくなり電力系統へ直接接続することができないとされている。
【０００３】
外部電力系統に比較的安定した出力を行うための手法としては、プロペラ型の風車において、羽根のブレードピッチを変更可能な構成として、風速に応じてブレードピッチを変えることによって発電機の回転数を可能な限り一定の範囲内となるようにしたものがある。
【０００４】
しかし、ブレードピッチを変えて、発電機の回転数を維持する方式は、風速が増して風力エネルギが大きくなった場合、発電機の回転数や発電能力の制約、ブレードの機械的強度からの制約から、定格エネルギ以上の風力エネルギを取り出すことはできないといった問題があった。また、風力エネルギが著しく小さい場合には、定格出力を得ることもできない。
【０００５】
また、安定出力のための他の事例としては、風車と発電機との間に油圧ポンプ、油圧モータを設け、流量調整を行いながら発電するものも知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、この流量制御方式でも、風力が著しく小さい或いは著しく大きいような場合には、発電機の回転数を一定の範囲内とすることはできず、出力を停止するか、効率を落として発電するしかなかった。また、流量制御方式では、油圧損失が大きく効率を高めることも困難であると考えられる。
【０００７】
そこで、従来においては、風速に応じてエネルギを取り出す手段が種々考えられている。例えば、風速に応じて発電機の発電周波数変動が大きくなる場合には、インバータ制御等によって周波数制御を行う方式が研究、採用されている。
【０００８】
また、発電機の極数を増やしたり変えたりする可変速発電機が用いられたり、風速に合わせて風車を回転させて、その風力エネルギを有効に取得する方式も考案されている。かかる場合、電力系統の周波数と一致させるため、ＤＣ／ＡＣリンクを行っている（非特許文献１参照）。
【０００９】
しかしながら、上記２つの方式では、発電定格に相当するインバータ装置やＤＣ／ＡＣリンク装置が必要となり、大型発電機に対応する場合は、設備が大きくなり、多大な費用が発生するといった問題が生じる。そして、インバータ制御やＤＣ／ＡＣリンクを行った場合でも電力系統へ送電できない余剰分が発生したときには、蓄電池等により電気変換されたエネルギを貯蔵するシステムを構築しなければならない。
【００１０】
従来の蓄電池方式としては、フライホイール式蓄電装置（非特許文献２参照）を用いて出力電力を蓄積し、風力の強弱を平滑化する方式が検討されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２８７１７９号公報
【非特許文献１】
通商産業省、工業技術院、機械技術研究所、風力発電グループのホームページ“ＷＩＮＤＭＥＬ風車フィールド試験研究”［平成１４年１２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ＭＥＬ／ｓｏｓｈｉｋｉ／ｅｎｅ／ｍａｔｓｕｍｉｙａ／ＷＥＧ＃Ｒｅｓｅａｒｃｈ／ＦｉｅｌｄＥｘｐ−ｊ．ｈｔｍ＞
【非特許文献２】
日本フライホイール株式会社ホームページ“フライホイール蓄電装置の新しい応用例”［平成１４年１２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｆｗ−ｕｐｓ．ｃｏｍ／ｊｐ／ｊｐ−０５．ｈｔｍ＞
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フライホイール式蓄電装置を用いる方式では、発電機により発電された電力を用いて電動機を駆動し、フライホイールを回転させることで、電気的エネルギを機械的エネルギに変換した上で蓄積する。そして、発電機からの出力が減少した場合に、フライホイールの回転で前記電動機を発電機として用いて外部電力系統に出力する。すなわち、機械的エネルギを再度電気的エネルギに変換するのである。このため、変換ロスが著しく大きいという問題がある。
【００１３】
なお、上記問題点は、風力発電設備に限らず、水力や波力等の外力によって発電を行う設備についても同様に存在する。
【００１４】
そこで、本発明の主目的は、外力の変化にも拘わらず安定したエネルギ調整のできる無段階トランスミッション機能を持った発電設備及びそのための油圧装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による発電設備は、外力を受けて回転駆動され、所要量の慣性モーメントを持った回転体と、回転体の回転により駆動され油動力を発生させる回転型の油圧ポンプと、油圧ポンプにより発生された油動力により回転駆動され且つポンプとしても機能する第１の油圧ポンプモータと、第１の油圧ポンプモータによりロータが回転駆動される発電機と、油圧ポンプの流出ポートから第１の油圧ポンプモータの流入ポートに接続された第１の油路と、第１の油路に接続された第１のアキュムレータと、油圧ポンプと第１のアキュムレータとの間における第１の油路中の第１の分岐点から分岐する第１のアンロード油路と、第１のアンロード油路に介設された第１の開閉弁と、第１の分岐点と第１のアキュムレータとの間における第１の油路に介設された、第１のアキュムレータから第１のアンロード油路への流れを阻止するための第１の弁と、第１のアキュムレータと第１の油圧ポンプモータとの間における第１の油路に介設された第２の開閉弁と、第２の開閉弁が閉じられている場合に第１の油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる第２の弁であって、第１の油圧ポンプモータの流入ポート側から当該第２の弁を通る作動油の流れを阻止することができる前記第２の弁と、第１の開閉弁及び第２の開閉弁を開閉制御する弁制御手段とを備える発電設備を特徴としている。
【００１６】
また、上記の外力を受けて回転駆動され、所要量の慣性モーメントを持った回転体が、運動エネルギが蓄積されたフライホイールであることを特徴としている。
【００１７】
この構成においては、第１の開閉弁と第２の開閉弁を開閉制御することで、第１の油圧ポンプモータの回転軸の回転数を一定の範囲内に維持することが可能となり、油圧ポンプモータにより駆動される発電機からの出力も安定する。
【００１８】
また、発電機の一般にロータと称される部分に内在している慣性モーメントでロータの回転速度を許容範囲内に維持できない場合は、そのロータにフライホイールを接続することが、油圧ポンプモータの回転エネルギを蓄積し、慣性で発電機の回転を維持できることから好ましい。
【００１９】
なお、風力発電設備の場合には、前記回転体は風車となる。
【００２０】
また、本発明による発電設備は、更に、第２の油圧ポンプモータと、第２の油圧ポンプモータの回転軸に接続された第２のフライホイールと、第１のアキュムレータと第２の開閉弁との間における第１の油路中の第２の分岐点から、第２の油圧ポンプモータの流入ポートに接続された第２の油路と、第２の油路に介設された第３の開閉弁と、第３の開閉弁が閉じられている場合に第２の油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる第３の弁であって、第２の油圧ポンプモータの流入ポート側から当該第３の弁を通る作動油の流れを阻止することができる前記第３の弁と、第２の油圧ポンプモータの流出ポートから第１の油圧ポンプモータの流入ポートに接続された第３の油路と、第３の油路に接続された第２のアキュムレータと、第２の油圧ポンプモータと第２のアキュムレータとの間における第３の油路中の第３の分岐点から分岐する第２のアンロード油路と、第２のアンロード油路に介設された第４の開閉弁と、第３の分岐点と第２のアキュムレータとの間における第３の油路に介設された、第２のアキュムレータから第２のアンロード油路への流れを阻止するための第４の弁と、第２のアキュムレータと第１の油圧ポンプモータとの間における第３の油路に介設された第５の開閉弁と、を備えることを特徴としている。第３の開閉弁、第４の開閉弁及び第５の開閉弁は前記弁制御手段により制御される。
【００２１】
この構成によれば、第１の開閉弁と第３の開閉弁を開閉制御することによって、第２油圧ポンプモータに接続されている第２のフライホイールにエネルギを蓄積することができる。また、第２のフライホイールが十分なエネルギを蓄積して回転している場合には、第２の油圧ポンプモータが前記油圧ポンプと同様に機能するため、第４の開閉弁と第５の開閉弁を開閉制御することで、第１の油圧ポンプモータの回転軸の回転数（発電機のロータの回転数）を一定の範囲内に維持することができ、風が微弱な状態や全く吹いていない状態でも、定格発電が可能となる。
【００２２】
また、第５の開閉弁が閉じられている場合に第１の油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる第５の弁であって、第１の油圧ポンプモータの流入ポート側から当該第５の弁を通る作動油の流れを防止することができる第５の弁を備えることが好ましい。第２の弁があれば、第５の弁の機能を果たすことができるが、第５の弁を設けることで作動油の流れをより確実に制御することができる。勿論、第５の弁が設けられている場合には、第２の弁を略することも可能である。
【００２３】
なお、第２の油圧ポンプモータを設けた場合には、作動油が第２の開閉弁を通るルートと、第３の開閉弁を通るルート（第２及び第３の油路）とを適宜選択したり、或いは、同時に用いたりすることができるが、第３の開閉弁を通るルートのみを使用して発電を行うことも可能である。この場合には、発電設備は、第２の分岐点と第１の油圧ポンプモータの流入ポートとの間における第１の油路及び第２の開閉弁が省かれた構成となる。
【００２４】
また、本発明は、前記の発電設備に適した油圧装置にも係るものである。すなわち、この油圧装置は、風車のように所要量の慣性モーメントを持ち、回転速度が変化する回転体の機械動力を油動力に変換した後、該油動力を機械動力に変換する油圧装置であって、回転体の回転により駆動され油動力を発生させる回転型の油圧ポンプと、油圧ポンプにより発生された油動力により回転駆動され発電機を駆動し且つポンプとしても機能する油圧ポンプモータと、油圧ポンプの流出ポートと油圧ポンプモータの流入ポートの間における油路と、この油路に接続されたアキュムレータと、油圧ポンプとアキュムレータとの間における油路中の分岐点から分岐するアンロード油路と、アンロード油路に介設された第１の開閉弁と、分岐点とアキュムレータとの間における油路に介設された、アキュムレータから油圧ポンプへの流れを阻止するための逆止弁と、アキュムレータと油圧ポンプモータとの間における油路に介設された第２の開閉弁と、第２の開閉弁が閉じられている場合に油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できるように接続された弁と、第１の開閉弁及び第２の開閉弁を開閉制御する弁制御手段とを備えることを特徴としている。
【００２５】
この油圧装置は発電設備においては、油圧ポンプモータの回転軸に発電機が接続されることとなり、前述したように第１の開閉弁と第２の開閉弁を開閉制御することにより、油圧ポンプモータの回転を制御することが可能である。
【００２６】
また、油圧ポンプモータの回転軸にフライホイールが接続された場合には、フライホイールにエネルギが蓄積される。
【００２７】
更に、回転体がフライホイールであり、油圧ポンプが油圧ポンプモータであった場合、フライホイールに蓄積されたエネルギを利用して、発電機等に接続される油圧ポンプモータを回転駆動させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明による発電設備１０を示す概略説明図である。図示実施形態に係る発電設備１０は風力発電用であり、プロペラ型風車１２が用いられている。本発明による発電設備１０は、風車１２が外力、すなわち風を受けて回転した場合に発生する機械動力を一旦、油動力に変換した後、この油動力を再度、機械動力に戻して発電機１４の回転軸を回転させようとするものである。そのため、図示の発電設備１０は、機械動力を油動力に変換する油圧ポンプ１６と、油動力を機械動力に変換する油圧ポンプモータ（第１の油圧ポンプモータ）１８とを含む油圧装置２０を備えている。
【００３０】
油圧ポンプ１６は定容量形の一方向回転式であり、図示実施形態では、流入ポート２２に作動油を強制的に供給した場合にはモータとしても機能することができるよう油圧ポンプモータが用いられている。油圧ポンプ１６の回転軸２４は、風車１２の回転軸に連結されている。回転軸２４はナセル２６に設けられた軸受（図示しない）にて回転可能に支持されており、油圧ポンプ１６はこのナセル２６内に配置されている。なお、ナセル２６とは、大地等に立てられた支柱２８の上部に回転可能に支持された箱体をいう。また、油圧ポンプ１６の流入ポート２２は油路３０を介して、ナセル２６内に設けられたオイルタンク３２に連通している。
【００３１】
油圧ポンプモータ１８は定容量形一方向回転式であり、流入ポート３４から作動油を送り込むことで回転軸３６が回転し、また回転軸３６を回転させることで流入ポート３４から作動油を吸入し、流出ポート３８から作動油を吐出することができるようになっている。油圧ポンプモータ１８の回転軸３６は発電機１４のロータ４０に接続されている。
【００３２】
発電機１４のロータ４０は更にフライホイール４２に同軸に接続され、従ってこのフライホイール４２は油圧ポンプモータ１８の回転軸３６にも接続されている。フライホイール４２は、はずみ車とも称されるものであり、ロータ４０の回転により回転され、油圧ポンプモータ１８への油動力が切断された後も慣性により回転を続けてロータ４０の回転を継続させることができる。
【００３３】
油圧ポンプ１６の流出ポート４４と油圧ポンプモータ１８の流入ポート３４とは油路（第１の油路）４６により相互に接続されている。油路４６の途中からはアンロード油路（第１のアンロード油路）４８が分岐し、オイルタンク３２に接続されている。このアンロード油路４８には電磁式の開閉弁（第１の開閉弁）５０が介設されている。アンロード油路４８及び開閉弁５０はナセル２６内に配置されている。開閉弁５０は、制御装置（弁制御手段）５２からの制御信号により開閉制御される。
【００３４】
また、油路４６には、アンロード油路４８の分岐点（第１の分岐点）５４から下流側に順に、逆止弁（第１の弁）５６、アキュムレータ（第１のアキュムレータ）５８、開閉弁（第２の開閉弁）６０が設けられている。逆止弁５６は、アキュムレータ５８側からアンロード油路４８への作動油の流れを阻止するものであり、ナセル２６内に設けられている。アキュムレータ５８は、油圧ポンプ１６から圧送されてくる作動油を受け、所定の圧力まで蓄圧することができる。開閉弁６０は電磁式であり、前記の制御装置５２によって開閉制御されるようになっている。
【００３５】
開閉弁６０と油圧ポンプモータ１８との間の油路４６には、ナセル２６の外部に配置されたオイルタンク６２に接続される油路６４が分岐している。この油路６４には逆止弁（第２の弁）６６が介設されており、油圧ポンプモータ１８の流入ポート３４側の油路４６からオイルタンク６２への作動油の流れを阻止する一方、開閉弁６０が閉状態にある場合に、オイルタンク６２から作動油を油圧ポンプモータ１８の流入ポート３４に流入することを可能とする。
【００３６】
なお、ナセル２６に設置された風車１２、油圧ポンプ１６、オイルタンク３２、開閉弁５０、逆止弁５６以外の構成要素については、ナセル２６の外部の発電設備建屋の内部等に配設されることが好ましい。
【００３７】
また、制御装置５２には、油圧ポンプ１６の回転軸２４及び油圧ポンプモータ１８の回転軸３６のそれぞれに設けられた回転速度センサ６８，７０、並びに、アキュムレータ５８の圧力を検出するための圧力センサ７２が接続されている。更に、制御装置５２には、風速センサ７４が接続されている。そして、制御装置５２は、これらのセンサ６８〜７４からの信号に基づいて、開閉弁５０，６０を制御するのである。
【００３８】
次に、上述したような構成における発電設備１０の作用について、開閉弁５０，６０の開閉、風速、油圧ポンプ１６の回転軸２４の回転数等の関係を示すタイミングチャートである図２を参照して説明する。
【００３９】
まず、無風状態で風車１２が回転していない状態から発電を開始する場合について説明する。なお、この例では、風は次のように変化するものとする。すなわち、まず、無風状態から、定格風速（第１風速）を超え且つ発電機１４の定格発電エネルギよりも大きなエネルギを有する第２風速が一定時間続き、その後、その第２風速を更に超えた第３風速となってその風速で一定時間続いた後、定格風速以下である第４風速となり、最後に第１風速となってその状態が継続するものとする。ここで、発電機１４のロータ回転数が所定値（例えば１５００ｒｐｍ）前後の所定範囲内にある場合に、電力系統周波数（例えば５０Ｈｚの周波数を有する電力）で発電できるものとする。また、発電開始の際、オイルタンク３２，６２、全ての油路には作動油が十分に入っているものとし、動作中にオイルタンク３２内部の作動油がなくなることがないように、随時供給できる手段（図示しない）があるとする。
【００４０】
なお、ナセル２６内のオイルタンク３２へ作動油を供給するために消費したエネルギは、オイルタンク３２からオイルタンク６２へ流れる際の位置エネルギ（位置ヘッド）として回生されるので、原理的には損失はない。
【００４１】
発電を開始すべく発電設備１０の稼働スイッチ（図示しない）をオンとすると、制御装置５２は制御信号を発し、開閉弁６０を閉じ、開閉弁５０を開状態とする。
【００４２】
そして、風が吹き、風車１２が回転して油圧ポンプ１６の回転軸２４が回り始めると、作動油はオイルタンク３２から吸入され、吐出される。この際、作動油は、油路４６からアンロード油路４８を通ってオイルタンク３２に戻されるが、逆止弁５６及び開状態の開閉弁５０によっては油圧ポンプ１６には殆ど負荷がかからないので、風車１２の起動に要する風力は小さくてすみ、また、一旦回転を開始した風車１２は風速が増すにつれて加速されていく（図２のｔ_０〜ｔ_１）。
【００４３】
制御装置５２は、この間、回転速度センサ６８から油圧ポンプ１６の回転軸２４の回転数と、風速センサ７４から風速とをモニタしており、風速が第２風速となっているので、その第２風速に応じた油圧ポンプ１６の回転軸２４の最適回転数（従って、風車１２の最適周速比における回転数）を演算して求める。そして、この最適回転数が得られるように、開閉弁５０の開閉をスイッチング制御する（図２のｔ_１〜ｔ_２）。
【００４４】
ここで、開閉弁５０のスイッチング制御についての一例を述べる。開閉弁５０は風車１２が回転を始める当初は開状態となっているが、風速と最適周速比から求められた最適回転数を越えたら、これを瞬時に閉状態に切り換えると、油圧ポンプ１６からの作動油が逆止弁５６下流へ供給される。この時のアキュムレータ５８内部の圧力値が、油圧ポンプ１６の負荷となる。よって、開閉弁５０の閉時間を調整することで、油圧ポンプ１６の回転数、ひいては風車１２の回転数が最適な周速比の回転数に調整できることになる。
【００４５】
開閉弁５０の開閉を適当なタイミングで繰り返す（スイッチングする）ことで、作動油が次々とアキュムレータ５８に送られ、開閉弁６０が閉じられていることも相俟って、アキュムレータ５８の圧力が上昇し、エネルギが蓄積されていく。勿論、開閉弁６０が初期的に閉じられていることは絶対条件ではなく、適当なタイミングで開状態とするか、又は開閉するか、初期から開状態でも問題はない。
【００４６】
この例では、アキュムレータ５８に蓄積された圧力が、所定値に達したならば、制御装置５２は圧力センサ７２からの信号によりその状態を認識し、開閉弁６０を閉状態から開状態に切り換える。その結果、アキュムレータ５８から作動油が油圧ポンプモータ１８に流れ、油圧ポンプモータ１８の回転軸３６が回転を開始し、徐々に加速されていく（図２のｔ_２〜ｔ_３）。油圧ポンプモータ１８を通過した作動油は油路７４を通りオイルタンク６２に流入する。
【００４７】
開閉弁６０を開くタイミングｔ_２となるアキュムレータ５８の圧力値は、発電機１４が電力系統周波数で発電できる回転数まで早期に加速できるような値が望ましい。しかし、これも絶対条件ではない。
【００４８】
開閉弁６０を開放した後も開閉弁５０の開閉スイッチング制御は続けられ、これにより、風車１２の回転数は第２風速に応じた最適回転数に維持されるが、アキュムレータ５８内の圧力は次第に減じられていく。
【００４９】
そして、回転軸３６の回転数が、発電機１４が電力系統周波数で発電を行うことができる値、例えば１５００ｒｐｍに達したならば、発電機１４から外部電力系統に出力が開始される（図２のｔ_３）。この後、回転軸３６の回転数が更に増していくため、発電周波数の許容範囲の最大値となる回転数に達したならば、制御装置５２は回転速度センサ７０からの信号に基づいて開閉弁６０の開閉のスイッチング制御を開始する（図２のｔ_４〜ｔ_５）。
【００５０】
開閉弁６０の開閉スイッチング制御は、油圧ポンプモータ１８の回転軸３６の回転数を発電機１４の発電周波数の許容範囲内となる範囲内に維持するためのものである。すなわち、開閉弁６０を開状態から閉状態に切り換えることで、アキュムレータ５８側からの作動油の油圧ポンプモータ１８への供給は遮断され、油圧ポンプモータ１８の回転軸３６の回転数は減じられる。この際、油圧ポンプモータ１８は、フライホイール４２の持つ慣性によって回転を続け、作動油はオイルタンク６２から油路６４、逆止弁６６を通して油圧ポンプモータ１８に供給される。また、第２風速の持つエネルギは、定格発電エネルギよりも大きいため、開閉弁６０を閉じることで、開閉弁５０の開閉スイッチングと相俟って、アキュムレータ５８にはエネルギが蓄積される。この開閉弁６０の開閉を適当な間隔で行うことで、回転軸３６の回転数は所望の範囲内に維持され、発電機１４は、安定した発電が行われることになる。
【００５１】
次に、風が強くなり、制御装置５２が風速センサ７４からの信号により風速が第２風速よりも上昇し始めたと認識したならば、制御装置５２は開閉弁５０を開放し、風車１２に作用する負荷を軽減することで、風車１２（油圧ポンプ１６の回転軸２４）の回転が風速に応じて加速される（図２のｔ_５〜ｔ_６）。そして、風速が第３風速となったならば、その第３風速に適した回転数となるよう、開閉弁５０の開閉のスイッチング制御を、前記のタイミングｔ_１〜ｔ_２間の場合と同様に行う（図２のｔ_６〜ｔ_７）。この際、風のエネルギは定格発電エネルギよりも十分に多いため、アキュムレータ５８にはその多大な余剰分のエネルギが蓄積されていく。
【００５２】
なお、本実施形態では、第２風速から第３風速に風速が増した時には、油圧ポンプモータ１８の回転軸３６の回転数は１５００ｒｐｍに達しているため、タイミングｔ_６〜ｔ_７間も開閉弁５０，６０の開閉スイッチング制御は続けられるが、アキュムレータ５８の圧力が上昇している場合には、開閉弁６０の閉状態と閉状態との間の間隔（開状態の時間）は短くされる。
【００５３】
風速が第３風速から第４風速に減じたならば、制御装置５２は開閉弁５０を閉じて、油圧ポンプ１６の回転軸２４の回転数を風速に適した回転数まで制動させる。その時も制動エネルギはアキュムレータ５８へエネルギとして蓄積される。（図２のｔ_７〜ｔ_８）。
【００５４】
ただし、第４風速は定格風速より低いため、定格発電エネルギは取得できていないことになる。その場合は、定格風速より強い第２，第３風速の時に回収しアキュムレータ５８に蓄積されていたエネルギを利用して発電機１４は、定格発電を維持することになる。この間、アキュムレータ５８に蓄積されたエネルギは徐々に消費されていく。従って、開閉弁６０の閉状態と閉状態の間隔（開状態の時間）は長くなる傾向にある（図２のｔ_８〜ｔ_９）。
【００５５】
風速が第４風速から第１風速へ増速したならば、制御装置５２は開閉弁５０を開け、油圧ポンプ１６の回転軸２４の回転数を風速に適した回転数まで加速させる（図２のｔ_９以降）。
【００５６】
第１風速の持つエネルギは発電エネルギと同等となっているため、この後、開閉弁５０を閉じ、開閉弁６０を開放すると、油圧ポンプ１６の吐出量と油圧ポンプモータ１８への供給量とがバランスされ、油圧ポンプモータ１８の回転軸３６は一定の回転数（１５００ｒｐｍ）に維持され、一定周波数で発電が継続される。
【００５７】
なお、上記工程中、ナセル２６内のオイルタンク３２内の作動油が減少していくことになるが、図示しない作動油供給手段により、オイルタンク６２内の作動油をオイルタンク３２に適時補充できるようにするとよい。
【００５８】
以上のように、本実施形態に係る構成では、油圧ポンプモータ１８の回転軸３６、すなわち発電機１４のロータ４０の回転を一定に維持し、風力の変化に拘わらず安定した発電を可能とすることができる。従来においては、油圧回路により同目的を達成するためには、高価な可変容量型の油圧ポンプモータを使用し、流量制御を行う油圧トランスミッションが考えられているが、本発明は安価な定容量型の油圧ポンプ１６と油圧ポンプモータ１８とで優れた効果を得ることができる。
【００５９】
図３（Ａ）は、本願発明に係る油圧装置２０の回路を簡略化して表したものである。また、図３（Ｂ）は、（Ａ）の油圧回路をほぼ等価な電気回路（電流源回路）で示したものである。図３（Ｂ）中、Ｉ１は電流源、Ｒ１は負荷、Ｃ１はコンデンサ、Ｓ１，Ｓ２はトランジスタ等のスイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２は整流器、Ｌ１，Ｌ２はインダクタである。電流源Ｉ１は油圧ポンプ１６に相当し、負荷Ｒ１は油圧ポンプモータ１８に相当する。コンデンサＣ１はアキュムレータ５８である。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ開閉弁５０，６０、整流器Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ逆止弁５６，６６に相当する。更に、インダクタＬ１は油圧ポンプ１６系が持つ慣性に、Ｌ２はフライホイール４２の慣性に相当する。
【００６０】
図３（Ｂ）に示す電気回路は、スイッチングパワーコントロール回路或いはパワーレギュレータ回路として知られているものであり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング周波数やパルス幅を調整することで、負荷Ｒ１の電圧を調整することが可能となっている。この図３（Ｂ）の電気回路に等価である図３（Ａ）の油圧回路も同等の作用を呈するものであり、開閉弁５０，６０の開閉スイッチング制御を行うことで、負荷Ｒ１に相当する油圧ポンプモータ１８の回転軸３６の回転数が一定範囲内に維持されるよう調整できることは、理解されよう。
【００６１】
また、上記実施形態は比較的風が安定している地域に適した発電設備であるが、風が第３風速を超える風速（第５風速）となるような地域での発電設備は、図４に示すような構成とすることが好ましい。
【００６２】
図４に示す発電設備は、図１に示す発電設備の構成に更に、エネルギ蓄積用の回路を設けたものであり、図１における構成と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００６３】
図４に示すように、アキュムレータ５８と開閉弁６０との間の油路４６中の分岐点（第２の分岐点）１００からは油路（第２の油路）１０２が分岐しており、この油路１０２は、大きな慣性モーメントを有するフライホイール１０４が回転軸１０６に接続された油圧ポンプモータ１０８の流入ポート１１０に接続されている。また、油路１０２には、上流側から順に、電磁式の開閉弁（第３の開閉弁）１１２、及び、逆止弁（第３の弁）１１４を有する油路１１６が設けられている。
【００６４】
油圧ポンプモータ１０８の流出ポート１１８には油路（第３の油路）１２０の一端が接続されており、他端は、油圧ポンプモータ１８の流入ポート３４に、より詳細には流入ポート３４と開閉弁６０との間の油路４６に接続されている。油路１２０には、油圧ポンプモータ１０８から下流側に順に、電磁式の開閉弁（第４の開閉弁）１２２を有するアンロード油路１２４、逆止弁（第４の弁）１２６、アキュムレータ（第２のアキュムレータ）１２８、電磁式の開閉弁（第５の開閉弁）１３０、及び、逆止弁（第５の弁）１３２を有する油路１３４が設けられている。
【００６５】
図４と図１とを比較することで容易に理解される通り、開閉弁１１２、逆止弁１１４及び油圧ポンプモータ１０８は、開閉弁６０、逆止弁６６及び油圧ポンプモータ１８と並列で同等の機能を発揮する配置構成となっており、開閉弁６０に代えて開閉弁１１２を前記と同様に制御することで、油圧ポンプモータ１０８の回転軸１０６の回転を制御して、フライホイール１０４にエネルギを蓄積することが可能となる。
【００６６】
また、油圧ポンプモータ１０８から油圧ポンプモータ１８までの回路は、図１に示す回路と実質的に同等なものである。従って、フライホイール１０４にエネルギが蓄積されており、そのエネルギによって油圧ポンプモータ１０８が駆動され油圧ポンプとして機能している状態では、油圧ポンプ１６とは別個に、油圧ポンプモータ１０８からの作動油によって油圧ポンプモータ１８を駆動し、発電機１４で発電することができることは理解されよう。
【００６７】
なお、開閉弁１１２，１２２，１３０の制御は制御装置５２によって行われるる。また、制御装置５２には、油圧ポンプモータ１０８の回転軸１０６の回転速度を検出するための回転速度センサ１３６及びアキュムレータ１２８の圧力を検出するための圧力センサ１３８が接続されている。
【００６８】
次に、図４に示した構成の発電設備１０の作用について図５に沿って説明する。この例では、まずｔ_１０の無風状態から、ｔ_１１にて定格風速（第１風速）を超え且つ発電機１４の定格発電エネルギよりも大きなエネルギを有する第２風速となり、その第２風速が一定時間続き（ｔ_１１〜ｔ_１５）、その後、その第２風速を更に超えた第５風速（前記の第３風速よりも更に高速）となってその風速で一定時間続いた後（ｔ_１５〜ｔ_１８）、定格風速以下である第４風速となり、その状態が継続するものとする（ｔ_１８〜ｔ_２０）。ｔ_１０からｔ_１５にかけての制御等は、前述した図２のｔ_０〜ｔ_５における制御等と同様であり、その説明は省略する。
【００６９】
第２風速から第５風速に風速が上昇した場合、制御装置５２がその状態を風速センサ７４からの信号により認識し、開閉弁５０，６０の開閉のスイッチング制御を、図２のｔ_６〜ｔ_７の場合と同様に行って、風車１２の回転数（油圧ポンプ１６の回転軸２４の回転数）を第５風速に適した回転数範囲内に調整する（図５のｔ_１６〜ｔ_１７）。この際、風のエネルギが第３風速よりも大きいため、アキュムレータ５８へのエネルギの蓄積上昇率は図２のｔ_６〜ｔ_７の時よりも大きなものとなる。
【００７０】
そして、アキュムレータ５８の蓄積圧力が設定最高圧力に達したならば（図５のｔ_１７）、制御装置５２は圧力センサ７２からの信号を受け、開閉弁１１２の開閉のスイッチング制御を、開閉弁５０，６０の開閉スイッチング制御と同時に行う（図５のｔ_１７〜ｔ_１８）。これによって、アキュムレータ５８内の圧力は設定最高圧力に近い範囲内で維持されると共に、油圧ポンプモータ１０８の回転軸１０６の回転数が増してフライホイール１０４にエネルギが蓄積される。この間、開閉弁１２２は開状態となっており、油圧ポンプモータ１０８を通過した作動油はアンロード油路１２４を通ってオイルタンク６２に流れる。また、開閉弁５０，６０のスイッチング制御によって油圧ポンプモータ１８の回転数は一定範囲内に維持され、発電機１４は定格発電を維持することができる。
【００７１】
この後、風速が第５風速から第４風速に減じたならば、制御装置５２は開閉弁１１２，５０を閉じ、開閉弁６０を開閉制御することにより油圧ポンプ１６の回転軸２４の回転数を風速に応じた回転数まで制動させる（図５のｔ_１８〜ｔ_１９）。そして、風速が第４風速で安定している状態で（図５のｔ_１９〜ｔ_２０）、開閉弁５０を再びスイッチング制御して、アキュムレータ５８に蓄積されていたエネルギを利用して発電機１４を駆動し、定格発電を維持する。
【００７２】
定格風速以下である第４風速がこの後も継続すると、アキュムレータ５８内の圧力が定格発電を行う最低圧力を下回ることになる（図５のｔ_２０以降）。かかる場合にも、ｔ_１７〜ｔ_１８でエネルギ蓄積されたフライホイール１０４が回転を略一定の速度で続けているので、油圧ポンプモータ１０８がその回転により油圧ポンプとして機能するので、開閉弁６０，１１２を閉じ、特に図５では示さないが、図２のｔ_１〜ｔ_５で開閉弁５０，６０に対して行ったものと同様に開閉弁１２２，１３０を開閉スイッチング制御することで、油圧ポンプモータ１８を一定の回転数で回転させ続け、定格発電を維持することができる。
【００７３】
勿論、上述したような制御方法は一例であり、例えば図５のｔ_１８以降において、開閉弁５０，６０の制御と共に、開閉弁１２２，１３０の制御を行ってもよい。
【００７４】
このように、図４に示す構成では、風力が相当に強くなった場合にはフライホイール１０４にエネルギを蓄積しておき、風速が定格発電可能な風速を長時間下回っても、フライホイール１０４のエネルギを利用して定格発電を続けることが可能である。従って、より広い風速範囲での利用が可能となるものである。
【００７５】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記２つの実施形態に限定されないことはいうまでもない。
【００７６】
例えば、上記２つの実施形態では、油圧ポンプ１６の回転軸にはプロペラ型の風車１２が接続されているが、ダリウス型やサボニウス型の風車を接続してもよい。ダリウス型やサボニウス型の風車は地面に近い場所に軸受部が設置されるため、ナセル２６のような地上から離れた位置にオイルタンクを設ける必要なく、オイルタンクを全て地上の一カ所に設けることができる。また、油圧ポンプ１６を回転させる外力は風力に限られず、水力や波力等であってもよい。
【００７７】
更に、図４の構成において、逆止弁１３２を有する油路１３４を設けずとも、逆止弁６６を有する油路６４があれば、開閉弁１３０を閉じた際、開閉弁６０も閉じれば、作動油は油路６４を通して第１の油圧ポンプモータ１８に供給することができる。逆に、逆止弁６６を有する油路６４を省いた状態でも、逆止弁１３２を有する油路１３４があれば、開閉弁６０を閉じた際、開閉弁１３０も閉じれば、作動油は油路１３４を通して第１の油圧ポンプモータ１８に供給される。
【００７８】
更にまた、図４において、分岐点１００から第３の油路１２０との接続点までの間の油路４６、そして、その油路４６に設けられている開閉弁６０、逆止弁６６及び油路６４を省略した構成としてもよい。この場合には、ある程度、フライホイール１０４にエネルギが蓄積されるよう予め制御した後、定格発電が行われることになる。
【００７９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、定容量型の油圧ポンプや油圧ポンプモータを用いて、外力（風力）等が変化した場合にも効率が高い状態でエネルギを回収することができ、安定した出力を行うことのできる発電設備及びそのための油圧装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された発電設備の一実施形態を示す概略説明図である。
【図２】図１の発電設備における作用を示すタイミングチャートである。
【図３】（Ａ）は本発明による発電設備における油圧装置の油圧回路図であり、（Ｂ）は前記油圧回路図に等価な電気回路図である。
【図４】本発明の別の実施形態を示す概略説明図である。
【図５】図４の発電設備における作用を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０…発電設備、１２…風車（回転体）、１４…発電機、１６…油圧ポンプ、１８…（第１の）油圧ポンプモータ、２０…油圧装置、３２，６２…オイルタンク、４０…ロータ、４２…フライホイール、４６…（第１の）油路、４８…（第１の）アンロード油路、５０…（第１の）開閉弁、５２…制御装置（弁制御手段）、５６…逆止弁（第１の弁）、５８…（第１の）アキュムレータ、６０…（第２の）開閉弁、６６…逆止弁（第２の弁）、１０２…（第２の）油路、１０４…フライホイール、１０８…（第２の）油圧ポンプモータ、１１２…（第３の）開閉弁、１１４…逆止弁（第３の弁）、１２０…（第３の）油路、１２２…（第４の）開閉弁、１２４…（第２の）アンロード油路、１２６…逆止弁（第４の弁）、１２８…（第２のアキュムレータ）、１３０…（第５）の開閉弁、１３２…逆止弁（第５の弁）。

Claims

外力を受けて回転駆動され、所要量の慣性モーメントを持った回転体と、
前記回転体の回転により駆動され油動力を発生させる回転型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプにより発生された油動力により回転駆動され且つポンプとしても機能する第１の油圧ポンプモータと、
前記第１の油圧ポンプモータによりロータが回転駆動される発電機と、
前記油圧ポンプの流出ポートから前記第１の油圧ポンプモータの流入ポートに接続された第１の油路と、
前記第１の油路に接続された第１のアキュムレータと、
前記油圧ポンプと前記第１のアキュムレータとの間における前記第１の油路中の第１の分岐点から分岐する第１のアンロード油路と、
前記第１のアンロード油路に介設された第１の開閉弁と、
前記第１の分岐点と前記第１のアキュムレータとの間における前記第１の油路に介設された、前記第１のアキュムレータから前記第１のアンロード油路への流れを阻止するための第１の弁と、
前記第１のアキュムレータと前記第１の油圧ポンプモータとの間における前記第１の油路に介設された第２の開閉弁と、
前記第２の開閉弁が閉じられている場合に前記第１の油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる第２の弁であって、前記第１の油圧ポンプモータの流入ポート側から当該第２の弁を通る作動油の流れを阻止することができる前記第２の弁と、
前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁を開閉制御する弁制御手段と、
を備える発電設備。
前記発電機のロータに接続された第１のフライホイールを更に備える請求項１に記載の発電設備。
前記回転体は風車である請求項１又は２に記載の発電設備。
第２の油圧ポンプモータと、
前記第２の油圧ポンプモータの回転軸に接続された第２のフライホイールと、
前記第１のアキュムレータと前記第２の開閉弁との間における前記第１の油路中の第２の分岐点から、前記第２の油圧ポンプモータの流入ポートに接続された第２の油路と、
前記第２の油路に介設された第３の開閉弁と、
前記第３の開閉弁が閉じられている場合に前記第２の油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる第３の弁であって、前記第２の油圧ポンプモータの流入ポート側から当該第３の弁を通る作動油の流れを防止することができる前記第３の弁と、
前記第２の油圧ポンプモータの流出ポートから前記第１の油圧ポンプモータの流入ポートに接続された第３の油路と、
前記第３の油路に接続された第２のアキュムレータと、
前記第２の油圧ポンプモータと前記第２のアキュムレータとの間における前記第３の油路中の第３の分岐点から分岐する第２のアンロード油路と、
前記第２のアンロード油路に介設された第４の開閉弁と、
前記第３の分岐点と前記第２のアキュムレータとの間における前記第３の油路に介設された、前記第２のアキュムレータから前記第２のアンロード油路への流れを阻止するための第４の弁と、
前記第２のアキュムレータと前記第１の油圧ポンプモータとの間における前記第３の油路に介設された第５の開閉弁と、
を更に備え、
前記弁制御手段が、前記第３の開閉弁、前記第４の開閉弁及び前記第５の開閉弁を制御するようになっている請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電設備。
前記第５の開閉弁が閉じられている場合に前記第１の油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる第５の弁であって、前記第１の油圧ポンプモータの流入ポート側から当該第５の弁を通る作動油の流れを防止することができる前記第５の弁を更に備える請求項４に記載の発電設備。
前記第２の分岐点と前記第１の油圧ポンプモータの流入ポートとの間における前記第１の油路及び前記第２の開閉弁が省かれてなる請求項４又は５に記載の発電設備。
所要量の慣性モーメントを持ち、回転速度が変化する回転体の機械動力を油動力に変換した後、該油動力を機械動力に変換する油圧装置であって、
前記回転体の回転により駆動され油動力を発生させる回転型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプにより発生された油動力により回転駆動され前記発電機を駆動し且つポンプとしても機能する油圧ポンプモータと、
前記油圧ポンプの流出ポートから前記油圧ポンプモータの流入ポートに接続された油路と、
前記油路に接続されたアキュムレータと、
前記油圧ポンプと前記アキュムレータとの間における前記油路中の分岐点から分岐するアンロード油路と、
前記アンロード油路に介設された第１の開閉弁と、
前記分岐点と前記アキュムレータとの間における前記油路に介設された、前記アキュムレータから前記アンロード油路への流れを阻止するための弁と、
前記アキュムレータと前記油圧ポンプモータとの間における前記油路に介設された第２の開閉弁と、
前記第２の開閉弁が閉じられている場合に前記油圧ポンプモータの流入ポートに作動油が流入できる弁であって、前記油圧ポンプモータの流入ポート側から当該弁を通る作動油の流れを阻止することができる前記弁と、
前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁を開閉制御する弁制御手段と、
を備える油圧装置。
前記油圧ポンプモータの回転軸に発電機が接続されるようになっている請求項６に記載の油圧装置。
前記油圧ポンプモータの回転軸にフライホイールが接続されるようになっている請求項７又は８に記載の油圧装置。
前記回転体がフライホイールであり、前記油圧ポンプが油圧ポンプモータである請求項７又は８に記載の油圧装置。