JP5331250B2 - 再生エネルギー型発電装置 - Google Patents
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Description
上記したようなギヤ式トランスミッションは、故障しやすかったり、メンテナンス及び交換、あるいは修理の費用が嵩んだりする傾向があるため、これを解消する設計および建設が課題となっていた。
このような設計を実現する最も効果的な装置として、ピッチ角が固定された状態でブレードを保持し、先端速度比がほぼ一定となるように、動作範囲の大部分にわたる風速または流速に対して比例的にブレードの回転数を変化させるものがある。費用効率が高い規模の再生エネルギー型発電装置においては、ギヤ式トランスミッションはこの比が常に固定されており、そのため複雑化し故障しやすい電力変換装置により配電網へ電力供給しなければならない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、制御信号に対応して高精度で油圧トランスミッションを制御可能な再生エネルギー型発電装置を提供することを目的とする。
また、作動室、高圧マニホルド、低圧マニホルド、高圧バルブ及び低圧バルブを、油圧ポンプ及び油圧モータのケーシング内にそれぞれ収納するようにしたので、装置の小型化が図れる。
このように、ケーシングの端面を形成するエンドプレートの内部に、高圧マニホルドの第1集合路を形成することで、高圧の作動油が漏れ出ることを防止し、液密性を向上させることができる。
高圧油ライン上にバルブを配置すると、絞りによるエネルギーロスが生じて発電効率が低下してしまう。そこで、上記したように、高圧油ラインにバルブを介在させずに、油圧ポンプの高圧マニホルドと油圧モータの高圧マニホルドとを高圧油ラインで直接連通することで、エネルギーロスを生じさせず、高効率で発電を行うことが可能となる。また、高圧油ライン及び低圧油ラインにバルブを介在させない構成とすることで、油圧ポンプと油圧モータを接続する配管の簡素化が図れるとともに装置の小型化が可能となる。
一方、上記再生エネルギー型発電装置において、前記油圧ポンプの低圧バルブは、前記作動室の圧力が前記低圧油ラインの圧力を下回ったときに開いて、前記低圧油ラインから前記低圧マニホルドを介して前記油圧ポンプの作動室に油が流れるように構成してもよい。
これらの構成を適宜選択的に採用することにより、複雑なバルブ制御を必要とせず、制御の単純化が図れる。
このように、低圧バルブは、作動室の圧力が低圧油ラインを下回ったときに受動的に開くようにすることで、バルブの励磁に必要な電力を削減できる。また、作動室の圧力が不適切に高まった場合に低圧バルブが開放するため、作動室内の異常な圧力上昇を防ぐことができる。
また、作動室、高圧マニホルド、低圧マニホルド、高圧バルブ及び低圧バルブを、油圧ポンプ及び油圧モータのケーシング内にそれぞれ収納するようにしたので、装置の小型化が図れる。
なお、ここでは、風力発電装置の一例としていわゆる3枚プロペラ型のものを説明するが、本発明は、この例に限定されず、種々の形式の風力発電装置に適用できる。
コントローラ1は、風力発電装置100の各部を制御するものである。このコントローラ1には、回転数計40の回転数信号、第1圧力計41の高圧油圧力信号、温度センサ39の作動油温度信号、後述するアキュムレータの圧力信号、油圧ポンプ20の回転数信号、油圧モータ21の回転数信号等が入力される。そして、これらのうち一または複数の入力信号に基づいて、高圧バルブ65,85、低圧バルブ66,86、アキュムレータバルブ31,32、高圧リリーフ弁37、低圧リリーフ弁47のいずれかを制御するようにしてもよい。なお、コントローラ1は複数の制御部からなり、各制御部はナセル14の内部又は外部の異なる場所に存在し、分散型の制御システムを構築していてもよい。また、コントローラ1及びこれを構成する各制御部の一つ以上の機能が一つの演算処理装置に組み込まれていてもよい。
油圧モータ22からの戻り流れの全部又は一部がこれらのユニットの一つ以上を通過するようにしてもよい。
なお図2には、ピストン52がピストン本体部52Aとピストンローラー52Bとからなる例を示した。
なお、カム58のカム取付台59への固定は、ボルト、キー、ピン等の任意の固定部材57を用いて行われる。
低圧マニホルド62は、各作動室53に接続される複数の第2分岐路62Aと、複数の第2分岐路62Aが集合してなり、低圧油ライン23に接続される第2集合路62Bとを有する。
さらにまた、低圧バルブ66は、作動室53の圧力が低圧油ライン23を下回ったときに受動的に開くノーマルオープン式のソレノイドクローズドバルブであることが好ましい。このように、低圧バルブ66は、作動室53の圧力が低圧油ライン23を下回ったときに受動的に開くようにすることで、バルブの励磁に必要な電力を削減できる。また、作動室53の圧力が不適切に高まった場合に低圧バルブ66が開放するため、作動室53内の異常な圧力上昇を防ぐことができる。
これにより、回転シャフト18の回転に伴って油圧ポンプ20が駆動されると、高圧油ライン22と低圧油ライン23との間に差圧が発生するようになっている。
低圧マニホルド82は、各作動室73に接続される複数の第2分岐路82Aと、複数の第2分岐路82Aが集合してなり、低圧油ライン23に接続される第2集合路82Bとを有する。
これにより、モータ工程で作動室73に流入した高圧油がピストン72を下死点に向けて押し下げると、カム78とともにクランクシャフト13が回転するようになっている。
またこのとき、コントローラ1は、ピストン運動のサイクルの全期間において低圧バルブ66,86が開いたままに維持されるアイドル状態の作動室53,73の数を変化させて、サイクルごとに作動室53,73から押しのけられる正味の油容積を調節するようにしてもよい。このように、アイドル状態の作動室53,73の数を変化させて、押しのけられる正味の油容積を調節することで、押しのけ容積の段階的な制御が可能で、制御が容易となる。
さらにまた、油圧ポンプ20及び油圧モータ21の高圧バルブ65,85及び低圧バルブ66,86の少なくとも一つは電磁弁であり、コントローラ1によって、ピストン運動の各サイクルにおける作動室53,73からの作動油の非対称流れに起因するトルク及び流れの変動を抑えるように、電磁弁を開閉制御することが好ましい。これにより、油の非対称流れに起因するトルク及び流れの変動を抑え、安定して運転することが可能となる。
図4〜図8に、油圧ポンプの具体的な装置構成を示す。図4は、油圧ポンプの具体的な構成を示す断面図で、図5は、図4におけるA−A線に沿った断面図で、図6は、油圧ポンプのシリンダブロックを示し、図5におけるB−B線に沿った断面図で、図7は、図4におけるC方向からシリンダブロックを視た平面図で、図8は、油圧ポンプのエンドプレートを示し、図4におけるD−D線に沿った断面図である。
回転中心軸方向に延在する場合、各シリンダブロック54は、図7に示すように、回転中心軸方向に配列された複数のシリンダ51−1,51−2,51−3,51−4からなるシリンダ列56を少なくとも一列有する。このシリンダブロック54には、各シリンダ51について一組のピストン52、高圧バルブ65及び低圧バルブ66(図6参照)が設けられている。
高圧連通路60Cはエンドプレート50Bまで延在し、図8に示すように、エンドプレート50B内に形成された第1集合路60Bに接続されている。なお、エンドプレート50B内には、高圧連通路60Cの開口が回転中心軸の周方向に複数設けられ、これらの開口が第1集合路60Bに連通している。第1集合路60Bは回転中心軸の周方向に沿って環状に形成されており、一または複数の高圧ライン22に接続されている。なお、図には第1集合路60Bが円環状に形成されている例を示したが、これに限定されるものではなく、方形環状等であってもよい。
また、隣接するシリンダ列間に形成された高圧連通路60Cを介して、第1分岐路60Aが第1集合路60Bに接続される構成とすることで、作動油通路の構造を簡素化でき、省スペース化が図れる。
一方、低圧マニホルド62は、図4〜図6に示すように、シリンダブロック54よりも回転シャフト18の半径方向外方、かつ、ポンプケーシング50の内側に設けられている。この低圧マニホルド62は、作動室53から回転シャフト18の半径方向外側に延在する第2分岐路62Aと、シリンダブロック54の外周面とポンプケーシング50との間に形成される第2集合路62Bと有している。
第2分岐路62Aには、低圧バルブ66が配置されている。第2集合路62Bは、複数のシリンダ51のために共通の第2集合路62Bとして設けられており、油圧ポンプ20の上部に接続された低圧油ライン23と連通している。これにより、低圧油ライン23の低圧油は、低圧マニホルド62の第2集合路62B、第2分岐路62Aの順に通って、低圧バルブ66を介して各作動室53に供給される。
また、ポンプケーシング50とシリンダブロック54との間の環状空間に、低圧マニホルド62の第2集合路62Bを形成することにより、ケーシング50とシリンダブロック54との間のスペースを有効利用でき、省スペース化が図れるとともに通路構造を簡素化することができる。
図9〜図12に、油圧モータの具体的な装置構成を示す。図9は、油圧モータの具体的な構成を示す断面図で、図10は、図9におけるE−E線に沿った断面図で、図11は、油圧モータのエンドプレートを示し、図9におけるF−F線に沿った断面図で、図12は、油圧モータの外観斜視図である。
カム78の両端に連結されるシャフト連結部75及びカム端部77には、カム軸受76A,76Bを介してモータケーシング70が固定されている。モータケーシング70は、シリンダ71、ピストン72、高圧マニホルド80、低圧マニホルド82、高圧バルブ85、低圧バルブ86及びカム78の各部を覆うとともに、作動油の外部への漏洩を防止している。なお、モータケーシング70は、クランクシャフト13の軸方向に配置された一対のエンドプレート70A及び70Bと、該一対のエンドプレート70A及び70Bの間に設けられる円筒ケース70Cとで構成される(図12参照)。
また、クランクシャフト13の中心軸Oの周りに環状に連続したシリンダブロック74及びこれに付属する部品群(ピストン72、高圧バルブ85及び低圧バルブ86)を一つのモジュールとしてもよい。
軸方向に延在する場合、上述した図7に示す油圧ポンプ20の構成と同様に、各シリンダブロック74は、カム78の軸方向に配列された複数のシリンダ71からなるシリンダ列を少なくとも一列有する。このシリンダブロック74には、各シリンダ71について一組のピストン72、高圧バルブ85び低圧バルブ86が設けられている。
油圧モータ21は、断面円弧状のシリンダブロック74と、該シリンダブロック74の各シリンダ71に対して設けられるピストン72、高圧バルブ85及び低圧バルブ86とからなるモジュールが、カム78の周方向に複数セット配置されていてもよい。
また、隣接するシリンダ列間に形成された高圧連通路80Cを介して、第1分岐路80Aが第1集合路80Bに接続される構成とすることで、作動油通路の構造を簡素化でき、省スペース化が図れる。
なお、上記記述では高圧連通路80Cを介して第1分岐路80Aと第1集合路80Bとが接続される構成を説明したが、この構成に限定されるものではなく、第1分岐路80Aと第1集合路80Bとが直接接続されていてもよいことは勿論である。
また、図には、1個の油圧モータ21のみを含む油圧トランスミッション11を示したが、複数の油圧モータ21を設けて、それぞれの油圧モータ21を油圧ポンプ20と高圧油ライン22及び低圧油ライン23で接続してもよい。
一方、低圧マニホルド82は、シリンダブロック74よりもカム78の半径方向外方、かつ、モータケーシング70の内側に設けられている。この低圧マニホルド82は、作動室73からカム78の半径方向外側に延在する第2分岐路82Aと、シリンダブロック74の外周面とモータケーシング70との間に形成される第2集合路82Bと有している。
第2分岐路82Aには、低圧バルブ76が配置されている。第2集合路82Bは、複数のシリンダ71のために共通の第2集合路82Bとして設けられており、油圧モータ21の上部に接続された低圧油ライン23と連通している。これにより、作動室73から排出される低圧油は、低圧バルブ86を介して低圧マニホルド82の第2分岐路82A、第2集合路82Bの順に通って、低圧油ライン23に流入する。
また、モータケーシング70とシリンダブロック74との間の環状空間に、低圧マニホルド82の第2集合路82Bを形成することにより、ケーシング70とシリンダブロック74との間のスペースを有効利用でき、省スペース化が図れるとともに通路構造を簡素化することができる。
図13に示す油圧モータ21’は2連モータであり、シリンダ71、ピストン72、高圧マニホルド80、低圧マニホルド82、高圧バルブ85(図10参照)、及び低圧バルブ86をそれぞれ含む2つのモータユニット21A、21Bが、エンドプレート70B’を介して連結された構成を有する。これらのモータユニット21A、21Bは、ケーシング70’に収納されている。ケーシング70’は、油圧モータ21’の回転中心軸方向の両端に設けられたエンドプレート70A'−1,70A'−2と、これらの間に配置されるエンドプレート70B’と、エンドプレート70A'−1または70A'−2とエンドプレート70B’との間に配置される円筒ケース70C'−1または70C'−2とから構成される。これらのモータユニット21A、21Bは、エンドプレート70B’を貫通する共通のカム78’を有している。また、高圧マニホルド80の第1集合路80Bをエンドプレート70B’に設けて、第1集合路80Bを2つのモータユニット21A、21Bで共通化してもよい。このように、共通化した第1集合路80Bを設けることにより、配管構成を簡素化することが可能となる。
また、作動室53,73、高圧マニホルド60,80、低圧マニホルド62,82、高圧バルブ65,85及び低圧バルブ66,86を、油圧ポンプ20及び油圧モータ21のケーシング50、70内にそれぞれ収納することようにしたので、装置の小型化が図れる。
特に、高圧油ライン22にバルブを介在させずに、油圧ポンプ20の高圧マニホルド60と油圧モータ21の高圧マニホルド80とを高圧油ライン22で直接連通することで、エネルギーロスを生じさせず、高効率で発電を行うことが可能となる。さらに、高圧油ライン22及び低圧油ライン23にバルブを介在させない構成とすることで、油圧ポンプ20と油圧モータ21を接続する配管の簡素化が図れるとともに装置の小型化が可能となる。
また、作動室53,73、高圧マニホルド60,80、低圧マニホルド62,82、高圧バルブ65,85及び低圧バルブ66,86を、油圧ポンプ20及び油圧モータ21のケーシング50、70内にそれぞれ収納することで、装置の小型化が図れる。
10 ロータ
11 油圧トランスミッション
12 発電機
13 クランクシャフト
18 回転シャフト
20 油圧ポンプ
21 油圧モータ
22 高圧油ライン
23 低圧油ライン
31,32 アキュムレータバルブ
33,34 アキュムレータ
36 バイパス流路
37 高圧リリーフ弁
39 第2圧力計
40 回転数計
41 第1圧力計
50 ポンプケーシング
50A,50B,70A,70B エンドプレート
50C,70C 円筒ケース
51,71 シリンダ
52,72 ピストン
53,73 作動室
58,78 カム
60,80 高圧マニホルド
60A,80A 第1分岐路
60B,80B 第1集合路
62A,82A 第2分岐路
62B,82B 第2集合路
65,85 高圧バルブ
66,86 低圧バルブ
Claims (16)
- 再生エネルギーから電力を生成する再生エネルギー型発電装置であって、
再生エネルギーによって駆動される回転シャフトと、
前記回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧モータと、
前記油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧ポンプの吐出側を前記油圧モータの吸込側に連通させる高圧油ラインと、
前記油圧ポンプの吸込側を前記油圧モータの吐出側に連通させる低圧油ラインとを備え、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータは、それぞれ、回転軸と、シリンダおよび該シリンダ内で往復するピストンにより囲まれる複数の作動室と、各作動室に接続される複数の第1分岐路および該第1分岐路が集合してなり前記高圧油ラインに接続される第1集合路を有する高圧マニホルドと、各作動室に接続される複数の第2分岐路および該第2分岐路が集合してなり前記低圧油ラインに接続される第2集合路を有する低圧マニホルドと、前記高圧マニホルドの前記第1分岐路に設けられて各第1分岐路を開閉する高圧バルブと、前記低圧マニホルドの前記第2分岐路に設けられて各第2分岐路を開閉する低圧バルブと、軸受を介して前記回転軸に取り付けられ、前記作動室、前記高圧マニホルド、前記低圧マニホルド、前記高圧バルブ及び前記低圧バルブを収納するケーシングとを含み、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの少なくとも一方は、前記ケーシングに収納され、前記シリンダが内部に設けられたシリンダブロックを有し、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の前記第1分岐路及び前記第2分岐路は、前記シリンダブロックの内部に形成され、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の前記高圧マニホルドの第1集合路は、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の回転中心軸方向における前記ケーシングの端面を形成するエンドプレートの内部に形成され、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の前記シリンダブロックの内部には、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の回転中心軸方向に配列された複数のシリンダからなるシリンダ列が、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の周方向に複数列設けられており、
前記複数のシリンダ列のうち隣接するシリンダ列間には、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方の回転中心軸方向に延びる高圧連通路が前記シリンダブロック内に配置され、
前記複数のシリンダ列のうち一列又は隣接する二列に属するシリンダの各作動室に接続される前記第1分岐路が、前記高圧連通路を介して前記第1集合路に連通されていることを特徴とする再生エネルギー型発電装置。 - 前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記少なくとも一方では、前記ケーシングと前記シリンダブロックとの間の環状空間が、前記低圧マニホルドの第2集合路を形成することを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記油圧ポンプの高圧マニホルドと前記油圧モータの高圧マニホルドは、油の流れを絞るバルブを前記高圧油ラインに介在させずに、前記高圧油ラインを介して直接連通されており、
前記油圧ポンプの低圧マニホルドと前記油圧モータの低圧マニホルドは、油の流れを絞るバルブを前記低圧油ラインに介在させずに、前記低圧油ラインを介して直接連通されていることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記高圧油ラインと前記低圧油ラインとを繋いで前記油圧モータをバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられた高圧リリーフ弁とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 少なくとも一つのアキュムレータバルブと、
前記アキュムレータバルブを介して前記高圧油ラインに接続される少なくとも一つのアキュムレータとを備え、
前記アキュムレータバルブが開閉することで、前記アキュムレータが前記高圧油ラインに連通した状態と、前記アキュムレータバルブが前記高圧油ラインから切り離された状態とが切り換えられることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記油圧ポンプの高圧バルブは、前記作動室の圧力が前記高圧油ラインの圧力を超えたときに開いて、前記油圧ポンプの作動室から前記高圧マニホルドを介して前記高圧油ラインに油が流れることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記油圧ポンプの低圧バルブは、前記作動室の圧力が前記低圧油ラインの圧力を下回ったときに開いて、前記低圧油ラインから前記低圧マニホルドを介して前記油圧ポンプの作動室に油が流れることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記高圧バルブ及び前記低圧バルブの少なくとも一つは圧力により作動するチェックバルブであり、
前記チェックバルブは、前記前記高圧バルブ及び前記低圧バルブの少なくとも一つの両側の圧力差によって開いて、一方向への作動油の流れを許容することを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記高圧バルブ及び前記低圧バルブの少なくとも一つは電磁弁であり、
ピストン運動のサイクルと位相的に関係を持たせて前記電磁弁を開閉制御して、前記作動室からの正味の油の押しのけ容積を調節するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記コントローラは、前記ピストン運動のサイクルの全期間において前記低圧バルブが開いたままに維持されるアイドル状態の作動室の数を変化させて、前記サイクルごとに前記作動室から押しのけられる正味の油容積を調節することを特徴とする請求項9に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記コントローラは、前記ピストン運動の各サイクルにおける前記低圧バルブおよび前記高圧バルブのいずれか一方の開閉タイミングを、該低圧バルブおよび該高圧バルブのいずれか一方の全てのバルブについて共通に変化させて、前記サイクルごとに前記作動室からの正味の油の押しのけ容積を調節することを特徴とする請求項9に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記高圧バルブ及び前記低圧バルブの少なくとも一つは電磁弁であり、
前記電磁弁は、所定圧力まで開かないフェイスシールポペット弁であることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの前記高圧バルブ及び前記低圧バルブの少なくとも一つは電磁弁であり、
前記ピストン運動の各サイクルにおける前記作動室からの油の非対称流れに起因するトルク及び流れの変動を抑えるように、前記電磁弁を開閉制御するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記油圧ポンプの各低圧バルブは、前記作動室の圧力が前記低圧油ラインを下回ったときに受動的に開くノーマルオープン式のソレノイドクローズドバルブであることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
- 前記高圧油ラインの作動油の圧力を計測する圧力センサと、
前記高圧油ライン及び前記低圧油ラインのいずれか一方に設けられ、前記高圧油ライン及び前記低圧油ラインのいずれか一方の作動油の温度を計測する温度センサとをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。 - 前記再生エネルギー型発電装置は、再生エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置であることを特徴とする請求項1に記載の再生エネルギー型発電装置。
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