JP2018109391A - 液圧装置および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した電力を供給することができる風力発電装置、およびこれに用いられる液圧装置を提供すること。
【解決手段】液圧装置１００Ａは、複数の液圧ポンプ２０、循環路３０および液圧モータ４０を備える。複数の液圧ポンプ２０は、液体が流入または流出する第１ポート２１および第２ポート２２を有し、複数の風車１０によりそれぞれ駆動される。循環路３０は、複数の液圧ポンプ２０の第１ポート２１にそれぞれ接続された複数の第１流路３１と、複数の液圧ポンプ２０の第２ポート２２にそれぞれ接続された複数の第２流路３２とを有し、それら液圧ポンプの駆動により液体を循環させる。液圧モータ４０は、発電機６０に接続可能であり、循環路３０に設けられ、循環路３０を循環する液体により駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電の技術に関する。

従来から、風力発電に利用される風車として、風の向きに対して回転軸が平行に設置される平行軸（水平軸）型の風車（例えば特許文献１参照）や、風の向きに対して回転軸が垂直に設置される垂直軸型の風車がある（例えば特許文献２参照）。水平軸型の風車は、比較的大型であるため、発電量が大きいという利点を有する。垂直型の風車は比較的小型であるため、発電量は小さいが、設置のための場所や環境の自由度が高く、静音性が高いという利点を有する。

特開2016-15882号公報 特開2014-118941号公報

一般に、風力発電による発電量は、風の強さに左右される。したがって、仮に複数の風車を利用したとしても、個々の風車の回転数にばらつきが生じやすいため、安定した電力を得ることが難しい。

本発明の目的は、安定した電力を供給することができる風力発電装置、およびこれに用いられる液圧装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る液圧装置は、複数に液圧ポンプと、循環路と、液圧モータとを具備する。
前記複数の液圧ポンプは、液体が流入または流出する第１ポートおよび第２ポートを有し、複数の風車によりそれぞれ駆動される。
前記循環路は、前記複数の液圧ポンプの前記第１ポートにそれぞれ接続された複数の第１流路と、前記複数の液圧ポンプの前記第２ポートにそれぞれ接続された複数の第２流路とを有し、それら液圧ポンプの駆動により液体を循環させる。
前記液圧モータは、発電機に接続可能であり、前記循環路に設けられ、前記循環路を循環する液体により駆動する。

この液圧装置では、風車ごとに設けられた液圧ポンプの駆動により、液体が循環路を循環し、液圧モータがその循環する液体により発電機を駆動する。したがって、液圧ポンプの液体の出力流量（回転数）と発電機の出力（回転数）とを異ならせることができる。これにより、この液圧装置を用いた風力発電装置は、所望する一定の出力で、つまり一定の回転数で発電機を駆動させることができ、安定した電力を供給することができる。

前記複数の液圧ポンプのうち少なくとも１つの液圧ポンプは、可変容量式ポンプであってもよい。そして、前記液圧装置は、前記可変容量式ポンプを用いて、前記風車の回転数を可変に制御する制御手段をさらに具備してもよい。
風車の特性上、また、風車が設置される場所や環境によって、個々の風車の回転数にはばらつきが生じやすい。例えば強風が発生した場合、風車の回転数が高すぎると、風車が破損するおそれがあるが、制御手段はその回転数を可変に制御することができるので、当該風車の破損を防止できる。

前記液圧装置は、前記液圧ポンプごとに前記循環路に設けられ、前記液圧モータの回転軸が同一方向に回転するように、前記複数の風車の回転方向の逆転に対応して、前記循環路の流通方向を逆転させる切換装置をさらに具備してもよい。
これにより、風車の回転方向に関わらず、循環路の液体の流通方向を一定にすることができる。その結果、発電機は一定方向に回転して発電することができる。

前記複数の風車は、垂直軸型の風車であってもよい。
垂直軸型の風車は比較的小型であり、その設置場所や設置形態の自由度が高いため、複数の風車による発電に非常に適している。したがって、個々の風車の回転数のばらつきを吸収して、発電機を一定の出力で駆動させることができる本発明に係る風力発電装置に、垂直軸型の風車を利用することは大きな利点がある。

本発明の一形態に係る風力発電装置は、複数の風車と、発電機と、上記液圧装置を含む。

以上、本発明によれば、風力発電において、安定した電力を供給することができる。

図１は、本発明の実施形態１に係る風力発電装置の構成を示す模式図である。 図２は、実施形態１に係る油圧装置の油圧回路を示す。 図３は、本発明の実施形態２に係る風力発電装置における油圧装置の油圧回路を示す。 図４は、本発明の実施形態３に係る風力発電装置における油圧装置の油圧回路を示す。 図５は、本発明の実施形態４に係る風力発電装置における油圧装置の油圧回路を示す。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

１．実施形態１

図１は、本発明の実施形態１に係る風力発電装置の構成を示す模式図である。この風力発電装置１は、複数の風車１０と、これらの風車１０により駆動される油圧装置（液圧装置）１００Ａとを備える。

油圧装置１００Ａは、風車１０ごとに設けられた油圧ポンプ（液圧ポンプ）２０、油圧ポンプ２０に接続された循環路３０、循環路３０に設けられた油圧モータ（液圧モータ）４０、油圧モータ４０に接続された発電機６０を備える。

風車１０としては、例えば鉛直方向に延びる回転軸１１を有する垂直軸型のものが用いられる。１つの風車１０は、回転軸１１と、その回転軸の周りに設けられた複数の回転羽根１２とを有する。なお、垂直軸型に代えて水平軸型の風車が用いられてもよい。

油圧ポンプ２０は、回転軸２３を有し、その回転軸２３が風車１０の回転軸１１に連結されて構成されている。回転軸１１と回転軸２３は直結されることが望ましいが、ギア構造を介して接続されていてもよい。ギア構造としては、風車１０の種類や設計、および／または、油圧ポンプ２０の種類や設計に応じて、増速機および減速機のうちいずれか１つが適宜選択される。

油圧ポンプ２０としては、例えばプランジャポンプのうちアキシャル型のもの、特に回転斜板式のポンプが用いられる。油圧ポンプ２０としては、プランジャポンプに限られず、ギアポンプ、あるいはベーンポンプなどが用いられるようにしてもよい。

油圧ポンプ２０は、作動油が流出する第１ポート２１と、作動油が流入する第２ポート２２とを有する。

循環路３０は、複数の油圧ポンプ２０の第１ポート２１にそれぞれ接続された複数の第１流路３１と、複数の油圧ポンプ２０の第２ポート２２にそれぞれ接続された複数の第２流路３２を有する。各油圧ポンプ２０の駆動により、循環路３０内で作動油が循環する。

油圧モータ４０は、循環路３０を循環する作動油により駆動するモータである。図２は、油圧装置１００Ａの油圧回路を示す。循環路３０において、各油圧ポンプ２０に接続されたそれぞれの第１流路３１は、合流して、油圧モータ４０の流入ポート４１に接続された流入路３３を構成する。また、循環路３０において、油圧モータ４０の流出ポート４２に接続された流出路３４は、分岐して、各油圧ポンプ２０に接続されたそれぞれの第２流路３２を構成する。

図２に示すように、各第１流路３１は、油圧ポンプ２０から流入路３３へ向けた作動油の流れを許容する逆止弁７１をそれぞれ有する。各第２流路３２は、流出路３４から油圧ポンプ２０に向けた作動油の流れを許容する逆止弁７２をそれぞれ有する。

発電機６０は、油圧モータ４０の回転軸４３（図１参照）に連結され、その回転軸４３の回転運動により駆動され、発電する。発電機６０が直流発電機である場合、例えば図示しないパワーコンディショナーがこの発電機６０に接続されて、発生した直流電力が交流電力に変換される場合もある。

循環路３０にアキュムレータが接続されていてもよい。これにより、循環路３０内の余計な圧力変動による作動油の動作不具合の発生を抑えることができる。

以上のように構成された風力発電装置１の動作を説明する。

各風車１０が風を受け、一方向に回転すると、各油圧ポンプ２０が駆動する。すると、各油圧ポンプ２０は、第１ポート２１から作動油が流出し、流出した作動油は、各第１流路３１で合流して流入路３３を経由して１つの油圧モータ４０に流入する。油圧モータ４０内に流入した作動油は油圧モータ４０内を一定の方向に流れる。これにより、油圧モータ４０は回転軸を一方向に回転するように駆動し、発電機６０が一方向に回転する。油圧モータ４０から流出した作動油は、流出路３４を通り、分岐されたそれぞれの第２流路３２を通って油圧ポンプ２０の第２ポート２２から油圧ポンプ２０内へ流入する。

以上のように、本実施形態１に係る風力発電装置１では、風車１０ごとに設けられた油圧ポンプ２０の駆動により、作動油が循環路３０を循環し、油圧モータ４０がその循環する作動油により発電機６０を駆動する。したがって、油圧ポンプ２０の作動油の出力流量（回転数）と発電機６０の出力（回転数）とを異ならせることができる。これにより、この油圧装置１００Ａを用いた風力発電装置１は、所望する実質的に一定の出力で、つまり一定の回転数で発電機６０を駆動させることができ、安定した電力を供給することができる。

また、この風力発電装置１は、複数の風車１０が１つの油圧モータ４０および１つの発電機６０を駆動する。このため、風のエネルギーによって回転する各風車１０の回転が一定でなく、各油圧ポンプ２０から吐出される作動油の流量がばらついても、油圧モータ４０に流入する作動油の流量を平均化することができる。このため、油圧モータ４０の回転が安定し、発電機６０の発電が安定する。

本実施形態１に係る風力発電装置１は、垂直軸型の風車１０を用いているので、風車１０同士を近づけることができ、また、風車１０の高さも低くすることができる。さらに、垂直軸型の風車１０では、回転軸１１を油圧ポンプ２０の回転軸２３と直結または同軸とすることができるので、風車１０の回転エネルギーが効率良く油圧ポンプ２０に伝達される。したがって、油圧装置１００Ａのエネルギー損失や圧力損失を低減できる。

２．実施形態２

図３は、本発明の実施形態２に係る風力発電装置における油圧装置の油圧回路を示す。これ以降の説明では、上記実施形態１に係る風力発電装置１および油圧装置１００Ａが含む要素や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

実施形態２に係る油圧装置１００Ｂが、上記実施形態１に係る油圧装置１００Ａと異なる点は、風車１０の回転数を可変に制御する制御手段５０を備える点である。制御手段５０は、例えば油圧ポンプとして可変容量式ポンプ２５を含む。すなわち、この制御手段５０は、ロードセンシング制御を行う手段である。

なお、すべての油圧ポンプが可変容量式ポンプ２５であることが望ましいが、それは必須ではなく、少なくとも１つの油圧ポンプが可変容量式ポンプ２５として構成されていればよい。

図３に示す油圧回路では、制御手段５０は、可変容量式ポンプ２５と、第１流路３１からのパイロット圧に応じて駆動する制御シリンダ５５とを含む。可変容量式ポンプ２５が回転斜板式のポンプが用いられる場合、制御シリンダ５５は、第１流路３１からのパイロット圧による操作で、この可変容量式ポンプ２５に設けられた斜板の傾転角を変えるように構成される。回転斜板式の油圧ポンプ２０では、斜板の傾転角が大きいほど（図１に示した回転軸２３に対して斜板の角度が小さいほど）、吐出量が大きくなり、吐出圧が大きくなる。このような可変容量式ポンプは、例えば特開平8-310267号公報に開示されている。

上記公報にも開示されているように、制御シリンダ５５は、例えば、可変容量式ポンプ２５内に設けられている。制御シリンダ５５は、パイロット圧で駆動するピストンを有している。このピストンは、斜板に当接しており、例えばパイロット圧でこのピストンが駆動されるように設計されたバネに接続されている。

ここで、例えば強風が発生した場合、風車１０の回転数が高すぎると、風車１０が破損するおそれがある。風車１０の回転数が高すぎる場合、油圧ポンプ２０の回転数も高くなり、この油圧装置１００Ｂでは、第１流路３１における当該吐出圧が所定以上の圧力（パイロット圧）に達する。そうなると、そのパイロット圧によって制御シリンダ５５がピストンを駆動し、これにより斜板の角度が変わる。具体的には、斜板の傾転角が大きくなる（回転軸２３に対して斜板の角度が小さくなる）。その結果、吐出圧が大きくなるため、油圧ポンプ２０の負荷が大きくなる。これが、風車１０の回転にブレーキ力を与え、風車１０の回転数を低くする。

なお、上記風車１０の回転数の低下に伴って、油圧ポンプ２０の回転数も低くなるが、斜板の傾転角が大きくなると油圧ポンプ２０の１回転当たりの吐出量は増える。すなわち、少なくとも油圧ポンプ２０の設計次第では、斜板の傾転角の変更前と変更後とで、油圧モータ４０の吐出量を実質的に変化させない設計にしてもよい。

このように、風車１０の特性上、風車１０の回転数が高くなりすぎないように抑えることが求められる。特に、風車１０が設置される場所や環境によって、個々の風車１０の回転数にはばらつきが生じやすい。したがって、風車１０の回転数の制御（規制）は重要な技術となる。本実施形態に係る油圧装置１００Ｂによれば、制御手段５０によるロードセンシング技術を用いて風車１０の回転数の上昇を抑えることにより、風車１０の破損を防止できる。

本実施形態２は、斜板式の可変容量式ポンプ２５を利用したが、他の可変容量式ポンプを利用してもよい。

３．実施形態３

図４は、本発明の実施形態３に係る風力発電装置における油圧装置の油圧回路を示す。実施形態３に係る油圧装置１００Ｃは、循環路３６に設けられた切換装置８０を備える点で、実施形態１に係る油圧装置１００Ａと異なる。

この風力発電装置では、風車１０が双方向に回転し得る。風車１０の回転方向が逆転すると、油圧ポンプ２０の回転軸の回転方向が逆転するため、油圧ポンプ２０の第１ポート２１および第２ポート２２における作動油の流入出方向が逆転する。つまり、風車１０が一方向に回転すると、油圧ポンプ２０の第１ポート２１から作動油が流出し、第２ポート２２から作動油が流入するようになる。風車１０が逆回転すると、油圧ポンプ２０の第２ポート２２から作動油が流出し、第１ポート２１から作動油が流入するようになる。

発電機６０は回転軸を一方向に回転して発電するものである。このため、発電機６０の回転軸に接続された油圧モータ４０の回転軸も一方向に回転させる必要がある。

切換装置８０は、第１流路３１および第２流路３２にまたがって設けられている。切換装置８０としては、例えば電磁弁が用いられる。風車１０、油圧装置１００Ｃ、または切換装置８０は、風車１０の回転方向（油圧ポンプ２０の回転軸の回転方向）を検出する図示しない検出装置を備えており、この検出装置の出力に応じて循環路３６を切り替えることができる。

風車１０が一方向に回転していることを検出装置が検出している間は、切換装置８０は、切換装置８０より油圧ポンプ２０側の第１流路３１ａと、切換装置８０より流入路３３側の第１流路３１ｂとを連通させ、かつ、切換装置８０より油圧ポンプ２０側の第２流路３２ａと、切換装置８０より流出路３４側の第２流路３２ｂとを連通させる。この場合、油圧ポンプ２０の第１ポート２１から流出した作動油は、第１流路３１、流入路３３、油圧モータ４０、流出路３４、第２流路３２を通り、油圧ポンプ２０の第２ポート２２へ流入する。

一方、風車１０が逆方向に回転していることを検出装置が検出している間は、切換装置８０は、切換装置８０より油圧ポンプ２０側の第２流路３２ａと、切換装置８０より流入路３３側の第１流路３１ｂとを連通させ、かつ、切換装置８０より油圧ポンプ２０側の第１流路３１ａと、切換装置８０より流出路３４側の第２流路３２ｂとを連通させる。この場合、油圧ポンプ２０の第２ポート２２から流出した作動油は、第２流路３２、流入路３３、油圧モータ４０、流出路３４、第１流路３１を通り、油圧ポンプ２０の第１ポート２１へ流入する。

以上のように、本実施形態３に係る油圧装置１００Ｃでは、風車１０の回転方向に関わらず、各油圧ポンプ２０が、作動油が油圧モータ４０内を一定の方向に流れるように、循環路３６内で作動油を循環させることができる。このため、発電機６０は常に一方向に回転し発電することができ、この風力発電装置は、安定した電力を供給することができる。

４．実施形態４

図５は、本発明の実施形態４に係る風力発電装置における油圧装置の油圧回路を示す。実施形態４に係る油圧装置１００Ｄでは、上記実施形態３に係る油圧装置１００Ａと比べ、切換装置９０の構成が異なる。

切換装置９０は、油圧ポンプ２０ごとに循環路３７に設けられ、油圧モータ４０の回転軸が同一方向に回転するように、各風車１０の回転方向の逆転に対応して、循環路３７の流通方向を逆転させるように構成される。例えば、切換装置９０は、循環路３７に設けられた４つの逆止弁９１、９２、９３、９４、第１分岐流路１３１、第２分岐流路１３２を有する。

第１逆止弁９１は、第１流路３１に設けられ、油圧ポンプ２０から油圧モータ４０へ向けた作動油の流れを許容する。第２逆止弁９２は、第２流路３２に設けられ、油圧モータ４０から油圧ポンプ２０へ向けた作動油の流れを許容する。

第１分岐流路１３１は、第１逆止弁９１より油圧ポンプ２０側の第１流路３１から分岐し、第２逆止弁９２より油圧モータ４０側の第２流路３２に連通している。第２分岐流路１３２は、第２逆止弁９２より油圧ポンプ２０側の第２流路３２から分岐し、第１逆止弁９１より油圧モータ４０側の第１流路３１に連通している。

第３逆止弁９３は、第１分岐流路１３１に設けられ、油圧モータ４０から油圧ポンプ２０へ向けた作動油の流れを許容する。第４逆止弁９４は、第２分岐流路１３２に設けられ、油圧ポンプ２０から油圧モータ４０へ向けた作動油の流れを許容する。

以上のように構成された切換装置９０を備える油圧装置１００Ｄによれば、風車１０の回転方向に関わらず、各油圧ポンプ２０が、作動油が油圧モータ４０内を一定の方向に流れるように、循環路３７内で作動油を循環させることができる。このため、発電機６０は常に一方向に回転し発電することができ、この風力発電装置は、安定した電力を供給することができる。

５．他の種々の実施形態

本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記実施形態２では、ロードセンシングの制御手段５０として、第１流路３１のパイロット圧の操作によって駆動される制御シリンダ５５を備える可変容量式ポンプ２５が用いられた。これに代えて、電子制御式を採用したロードセンシングの制御手段が用いられてもよい。電子制御式の場合、制御手段は、センサおよびコントローラを備える。センサは、風車１０の回転数、可変容量式ポンプの回転数、吐出流量、または吐出圧力などを検出する。コントローラは、センサの検出値に応じて、可変容量式ポンプの容量可変機構（例えば制御シリンダや制御弁）を制御する。

実施形態３、４に係る油圧装置１００Ｃ、１００Ｄでは、循環路に切換装置８０、９０が設けられていた。しかし、油圧モータの回転方向を一方向にするための機構が、油圧モータに設けられていてもよい。

上記各実施形態では、液圧装置として油圧装置が用いられた。液圧装置に用いられる液体は、油の他、水等、他の液体であってもよい。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

１…風力発電装置
１０…風車
２０…油圧ポンプ
２１…第１ポート
２２…第２ポート
２５…可変容量式ポンプ
３０、３６、３７…循環路
３１…第１流路
３２…第２流路
３３…流入路
３４…流出路
４０…油圧モータ
５０…制御手段
６０…発電機
８０、９０…切換装置
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ…油圧装置

Claims (5)

1. 液体が流入または流出する第１ポートおよび第２ポートを有し、複数の風車によりそれぞれ駆動される複数の液圧ポンプと、
   前記複数の液圧ポンプの前記第１ポートにそれぞれ接続された複数の第１流路と、前記複数の液圧ポンプの前記第２ポートにそれぞれ接続された複数の第２流路とを有し、それら液圧ポンプの駆動により液体を循環させる循環路と、
   発電機に接続可能であり、前記循環路に設けられ、前記循環路を循環する液体により駆動する液圧モータと
   を具備する液圧装置。
2. 請求項１に記載の液圧装置であって、
   前記複数の液圧ポンプのうち少なくとも１つの液圧ポンプは、可変容量式ポンプであり、
   前記可変容量式ポンプを用いて、前記風車の回転数を可変に制御する制御手段をさらに具備する液圧装置。
3. 請求項１または２に記載の液圧装置であって、
   前記液圧ポンプごとに前記循環路に設けられ、前記液圧モータの回転軸が同一方向に回転するように、前記複数の風車の回転方向の逆転に対応して、前記循環路の流通方向を逆転させる切換装置をさらに具備する液圧装置。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の液圧装置であって、
   前記複数の風車は、垂直軸型の風車である
   液圧装置。
5. 複数の風車と、
   液体が流入または流出する第１ポートおよび第２ポートを有し、前記複数の風車によりそれぞれ駆動される複数の液圧ポンプと、
   前記複数の液圧ポンプの前記第１ポートにそれぞれ接続された複数の第１流路と、前記複数の液圧ポンプの前記第２ポートにそれぞれ接続された複数の第２流路とを有し、それら液圧ポンプの駆動により液体を循環させる循環路と、
   前記循環路に設けられ、前記循環路を循環する液体により駆動する液圧モータと、
   前記液圧モータの駆動により発電する発電機と
   を具備する風力発電装置。

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