JP5611326B2

JP5611326B2 - 発電機を備えたエネルギー抽出装置および発電機を備えたエネルギー抽出装置の運転方法

Info

Publication number: JP5611326B2
Application number: JP2012508698A
Authority: JP
Inventors: ドゥンモフ・ダニエル; カードウェル・二アール
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: US20130009612A1; WO2013005258A1; EP2564062B1; JP2013541659A; CN103052795A; KR20130059361A; EP2564062A1

Description

本発明は、再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出するためのエネルギー抽出装置（例えば風からエネルギーを抽出する風車）の技術分野に関する。本発明に係るエネルギー抽出装置は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプと発電機のような負荷を駆動する油圧モータとを有する油圧トランスミッションを備える。

風からエネルギーを抽出する風力発電装置（ＷＴＧ）であるエネルギー抽出装置を参照して、本発明に関する背景技術について説明する。しかし、同様な基本的性質は、他の再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出するための他のタイプのエネルギー抽出装置や、少なくとも一部のエネルギーが回収できる他のタイプの負荷を駆動するモータを備えたエネルギー抽出装置にも当てはまるであろう。

電力系統に供給される電力を発電機により生成する風車や他のエネルギー抽出装置の場合、出力のかなりの量が、電力系統への伝達過程ではなく、発電機の運転に付随して失われる。発電機は摩擦によってエネルギーを損失し、典型的には、その回転速度や界磁電流によらず、いわゆる“巻線損失”によってかなりの量のパワーが消費される。このロスは、特に最大出力に対する割合が低い場合、かなりの量になり得るし、発電効率は相当低くなり得る。しかしながら、風及びその他の再生可能エネルギー源について言えば、エネルギー捕捉レートは典型的には変動するであろうから、さまざまなパワーレベルにおいて発電効率が良いことが重要である。

米国特許第４２７４０１０号明細書（Ｌａｗｓｏｎ−Ｔａｎｃｒｅｄ）には、ウェイトが載っているピストンの形をとる作動流体貯蔵器を含む油圧回路を介して、風車を発電機に繋いだＷＴＧが開示されている。発電機は、ある期間（作動流体がピストンに蓄えられる期間）スイッチが切られ、その後一定圧力にてある期間駆動されることが可能である。蓄積された作動流体が使い果たされると、発電機は再びスイッチが切られる。このことは、発電機を介したパワーの損失が最小化されるような期間を持つことによって、エネルギー損失を低減する。好都合なことに、風車は、回転を継続し、発電機のスイッチが切られて休止状態に入っている間、パワーを蓄えることができる。

並列に接続された二つの発電機を含む油圧トランスミッションを有するＷＴＧを設けることも知られている。出力が最大出力の５０％を超えたとき、少なくとも一つの発電機のスイッチが常にオンにされ、時には両方の発電機のスイッチがオンにされる。出力が最大出力の５０％を下回ったとき、あるときには一つの発電機のスイッチがオンにされ、その他の時間体では両方の発電機のスイッチがオフにされる。二つ以上の発電機が並列に接続可能であり、互いに同じサイズではない二つの発電機を設けた装置もあり得る。

しかしながら、電力系統に対して正しい周波数及び位相にて電力を供給するために必要とされるスピードに発電機（例えば、同期発電機）が戻るためには、相当な量のエネルギーが必要である。したがって、上述したアプローチによって得られるエネルギー効率の改善は限定されたものであることが分かってきている。

よって、本発明は、回転シャフトによって駆動される油圧ポンプ及び負荷を駆動する油圧モータを含む油圧トランスミッションを備えたエネルギー抽出装置における発電機の運転により生じるエネルギー損失を減少させるといった技術的問題を解決しようとするものである。

本発明の第１の態様によれば、コントローラおよび油圧回路を備え、再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出するエネルギー抽出装置であって、
前記油圧回路は、
少なくとも一つの油圧ポンプおよび少なくとも一つの油圧モータを備え、
前記油圧ポンプは、再生可能エネルギー源によって駆動される回転シャフトにより駆動され、
前記油圧モータは負荷を駆動し、
前記油圧回路は、前記少なくとも一つの油圧モータから前記少なくとも一つの油圧ポンプに作動流体を送る低圧マニホールドと、前記少なくとも一つの油圧ポンプから前記少なくとも一つの油圧モータに流体を送る高圧マニホールドとをさらに備え、
前記油圧ポンプと前記油圧モータは、それぞれ、周期的に体積が変化する複数の作動室と、各作動室と前記高圧マニホールド及び前記低圧マニホールドとの間における作動流体の正味の押しのけ容積を調節するための複数のバルブとを有し、各作動室に関連する少なくとも一つのバルブは電気的に制御されるバルブであり、前記電気的に制御されるバルブは、コントローラによって、作動室体積の各サイクルにおいて各作動室によって移動せしめられる作動流体の体積を選択し、それによって前記少なくとも一つの油圧ポンプと前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートを調節するように動作可能であり、
一以上の前記油圧モータは活動状態と休止状態との間で切換え可能であり、少なくとも一つの油圧モータはポンピング・サイクルを行うように動作可能であり、
前記コントローラは、各モータが休止状態に切り換えられたとき、一回以上のポンピング・サイクルを前記少なくとも一つの油圧モータに実施させ、これによって、各負荷からのエネルギーを用いて前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールドに作動流体を汲み上げるように構成されていることを特徴とするエネルギー抽出装置が提供される。

これによって、エネルギーが負荷から回収されて、前記低圧マニホールドから受け取った作動流体の加圧に使用され、前記高圧マニホールドに直接的又は間接的に（例えば、高圧マニホールドに連続的に又は選択的に流体接続される加圧された作動流体の貯蔵所に）吐出される。したがって、エネルギーを蓄えておき、さらなるモータリング・サイクルを行うことで負荷にエネルギーを戻すために後で使用可能となり、全体としてのエネルギー効率が向上する。

本発明は、例えば慣性によってある期間負荷がエネルギーを供給できる場合に有用である。前記負荷はロータを有する発電機であり、各負荷からのエネルギーは前記ロータの回転の運動エネルギーであってもよい。これによって、ロータの回転の運動エネルギーが少なくともある程度は回収され、作動流体の加圧に用いられる。そのため、電力系統に同期させるのに必要な周波数及び位相に再びロータが戻るまでロータを加速する際に後で使用するためのエネルギーを蓄えることができる。

そうでなければ失われていたであろう回転の運動エネルギーを蓄えることができるうえに、増加した圧力は油圧モータを急速に起動することを促進することができる。このことによって、ロータの運動エネルギーを加圧された作動油に回収した後、油圧ポンプの迅速な起動のために十分な圧力が存在することをなおも保証しながら、例えば、それ以外の場合に比べて、高圧マニホールドにおける最小運用圧力を小さくすることができる。さらに、摩擦及び乱流によって自然と発電機が減速する場合に比べてはるかに少ない量のエネルギーが熱として散逸することになるため、エネルギー抽出装置の全体としてのエネルギー捕捉量が増加する。

典型的には、高圧マニホールドは、（連続的又は選択的に）少なくとも一つの作動流体貯蔵器に流体接続されている。前記少なくとも一つの作動流体貯蔵器は、それが保持する作動流体の体積とともに変化する作動流体保持容積を有する少なくとも一つの加圧可能な容器を備えている。前記少なくとも一つの加圧可能な容器は、例えば、一方の側が加圧された窒素又はその他の気体、長いラバー、リジッドなホース又は流体容積で満たされた、
気体がチャージされる空油圧式アキュムレータ（ｇａｓ−ｃｈａｒｇｅｄｏｌｅｏ−ｐｎｅｕｍａｔｉｃａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）であってもよい。

好ましくは、前記少なくとも一つの油圧モータがポンピング・サイクルを実行するとき、前記少なくとも一つの作動油貯蔵器に入る作動流体の正味の流れが存在する。これによって、前記少なくとも一つの作動流体貯蔵器は、エネルギーを蓄積するための油圧トランスミッションの能力を向上させる。典型的には、前記油圧モータが前記活動状態に切り換えられたとき、前記少なくとも一つの作動油貯蔵器から出る作動油の正味の流れが存在する。

好ましくは、前記エネルギー抽出装置の一つの運転モードにおいて、前記油圧ポンプは、前記油圧モータが前記休止状態にある間、エネルギーの受け取りを継続し、前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールド（及び、もしあれば一つ以上の作動流体貯蔵器）に作動流体を移動させるように動作可能である。

典型的には、前記コントローラは、前記休止状態又は前記活動状態において交互に前記油圧モータの一部又は全部を稼働させるように構成されており、前記休止状態では、前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動が少なく又は無く、前記休止状態では、前記少なくとも一つの油圧モータの作動油の押しのけ容積は低く又はゼロであり、前記活動状態では前記少なくとも一つの油圧モータは、連続した場面において作動流体の正味の移動レートが略同一である。（前記活動状態における作動流体の正味の移動レートは、より長い期間に亘って、大きく変動してもよい。）

好ましくは、前記休止状態においては作動室の体積はサイクルせず（すなわち、油圧モータのシャフトは静止しており）、高圧マニホールドと低圧マニホールドとの間で作動流体の移動が起きないようにコントローラが電気的に操作されるバルブを制御する。作動室の体積がサイクルし続けるが、作動流体の正味の移動がない又はほとんどない、あるいは、少なくとも、作動流体の正味の移動レートが活動状態における作動流体の正味の移動レートの１／１０（好ましくは１／２０）よりも少なくなるように、前記休止状態において作動室によって移動せしめられる作動流体の体積をコントローラが選択するようになっていてもよい。例えば、高圧マニホールドから作動室がシールされた状態が維持され、そのために高圧マニホールドから低圧マニホールドへの作動流体の正味の移動がないアイドルサイクルを作動室に行わせるように、休止状態において電気的に制御されるバルブを操作してもよい。典型的には、作動室の体積がサイクルを続ける場合、活動状態においてサイクルする速度の１／１０（好ましくは１／２０）でサイクルする。アイドルサイクルの間、低圧マニホールドから受け取る作動流体を低圧マニホールドに戻してもよいし、例えば本願明細書に引用される国際公開第２００７／０８８３８０号に開示されているようにキャビテーション・アイドルモードでは、作動室体積のサイクルを通して作動室がシールされた状態を維持してもよい。

コントローラは、プロセッサと、該プロセッサに電気的に接続され、プログラムコードが記憶されたコンピュータで読み取り可能な記憶媒体（例えばメモリー）とを備え、これによって、本発明の第１の態様であるエネルギー抽出装置または本発明の第２の態様である下記の制御方法として前記エネルギー抽出装置を機能させるようにコントローラを構成してもよい。

前記負荷が発電機である場合、遮断器を介して電力系統と電気的に接続されるアウトプットを備えることが好ましい。前記エネルギー抽出装置（例えば、遮断器、又は、前記エネルギー抽出装置のコントローラによる制御下にある遮断器）は、前記油圧モータが前記休止状態にあるとき、（および、油圧モータがポンピング・サイクルを実行している期間中にも随意に）、前記発電機の前記アウトプットを前記電力系統から切り離すように構成されていてもよい。油圧モータが休止状態にあるとき、エネルギー抽出装置は、活動状態において電流が流れる発電機の一以上の界磁回路への出力を切る、あるいは、変化させる（典型的には、界磁回路への出力を減少させる）ように構成されていてもよい。

エネルギー抽出装置は、例えば、風力発電装置、あるいは、潮流タービンのような水流からエネルギーを生成するためのタービン発電装置であってもよい。

本発明の第２態様によれば、コントローラおよび油圧回路を備え、再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出するエネルギー抽出装置の制御方法であって、
前記油圧回路は、
再生可能エネルギー源によって駆動される回転シャフトにより駆動される少なくとも一つの油圧ポンプと、
負荷を駆動する少なくとも一つの油圧モータと、
前記少なくとも一つの油圧モータから前記少なくとも一つの油圧ポンプに作動流体を送る低圧マニホールドと、
前記少なくとも一つの油圧ポンプから前記少なくとも一つの油圧モータに流体を送る高圧マニホールドとを備え、
前記少なくとも一つの油圧ポンプと前記少なくとも一つの油圧モータは、それぞれ、周期的に体積が変化する複数の作動室と、各作動室と前記高圧マニホールド及び前記低圧マニホールドとの間における作動流体の正味の押しのけ容積を調節するための複数のバルブとを有し、各作動室に関連する少なくとも一つのバルブは電気的に制御されるバルブであり、前記電気的に制御されるバルブは、コントローラによって、作動室体積の各サイクルにおいて各作動室によって移動せしめられる作動流体の体積を選択し、それによって前記少なくとも一つの油圧ポンプと前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートを調節するように動作可能であり、
前記少なくとも一つの油圧モータはポンピング・サイクルを行うように動作可能であり、
前記制御方法は、各モータが休止状態に切り換えられたとき、一回以上のポンピング・サイクルを前記少なくとも一つの油圧モータに実施させ、これによって、各負荷からのエネルギーを用いて前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールドに作動流体を汲み上げさせることを特徴とするエネルギー抽出装置の制御方法が提供される。

前記制御方法は、前記油圧モータがモータリング・サイクルを行う活動状態から、前記油圧モータが一回以上のポンピング・サイクルを行うポンピング状態に、前記高圧マニホールドから前記低圧マニホールドへの前記油圧モータを介した作動流体の正味の移動が最小限又はゼロである休止状態に各油圧モータを切り換えるようにしてもよい。

典型的には、前記少なくとも一つの油圧モータの一以上は、前記休止状態又は前記活動状態において交互に稼働され、前記活動状態では、前記少なくとも一つの油圧モータは、連続した場面において作動流体の正味の移動レートが略同一であり、前記休止状態では、前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートが前記活動状態における作動流体の正味の移動レートの１／１０未満（好ましくは、１／２０未満、あるいは、正味の移動が存在しない）である。

典型的には、前記負荷はロータを有する発電機であり、各負荷からのエネルギーは前記ロータの回転の運動エネルギーである。典型的には、各負荷からのエネルギーは、低圧マニホールドから高圧マニホールドに作動流体を汲み上げるために過渡的に用いられる。このようにして、前記制御方法は、過渡的であり、油圧モータのシャフトが回転する過渡的ポンピング・モードを介して、前記活動状態から前記休止状態に切り換えることを備えていてもよい。前記休止状態では、油圧モータのシャフトは実質的に静止するようになっていてもよい。

前記油圧モータが前記休止状態にある前記エネルギー抽出装置の一つの運転モードでは、前記油圧ポンプは、エネルギーの受け取りを継続し、前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールド（及び、もしあれば、一以上の作動流体貯蔵器）に作動流体を移動させるようになっていてもよい。

前記油圧モータが前記休止状態から前記活動状態に切り換えられるとき、前記電気的に制御されるバルブが正味量の作動流体の移動を作動室に行わせるように操作される作動室体積のサイクルの割合は少なくとも一つの中間値を介して大きくなってもよい。

本発明の第１の態様又は第２の態様のいずれかに関連して上で述べた随意的な特徴は、本発明の第１の態様及び第２の態様の両方の随意的な特徴である。

本発明は、本発明の第１の態様に係る前記エネルギー抽出装置の前記コントローラによって実行されるとき、本発明の第２の態様に係る前記制御方法を前記エネルギー抽出装置に行わしめるプログラムコードを記憶したコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体（本発明の第３の態様）にも及ぶ。

本発明に係る例示的な実施形態は次の図を用いて説明される。
図１は、電力ネットワークに接続され、本発明を実施するための風力発電装置の概略図である。図２は、図１に示す風力発電装置に用いられる油圧モータの概略図である。図３は、図１に示す風力発電装置の運転時における油圧モータ及び発電機の運転を示すフロー図である。

図１は、電力ネットワーク１０１に接続され、エネルギー抽出装置として機能する風力発電装置（ＷＴＧ）１００としての本発明の例示的な実施形態を示している。ＷＴＧは、タワー１０５に旋回自在に搭載されたナセル１０３を備え、ナセル１０３には３本のブレード１０９を支持するハブ１０７が搭載されている。ハブ１０７とブレード１０９は、併せてロータ１１０として知られる。ナセル外部に取り付けられた風速計１１１は、コントローラ１１２に風速計測値信号１１３を供給する。ナセルにおけるロータ速度計１１５は、回転シャフトの現在の回転速度を代表するロータ速度信号１１７をコントローラに供給する。例示的なシステムでは、ピッチアクチュエータ１１９により風に対する各ブレードの迎え角が調節可能になっている。ピッチアクチュエータ１１９は、ピッチ駆動信号及びピッチ検知信号１２１をコントローラとの間で受け渡しする。

ハブは、回転シャフトとして働き、ロータ回転方向１２７に回転するロータシャフト１２５によりポンプ１２９に直結されている。ポンプは、図２を参照して説明されるタイプのものである油圧モータ１３１に流体的に接続されている。ポンプと油圧モータとの間の流体接続は、ポンプ及びモータの高圧ポートと低圧ポートとにそれぞれ接続される高圧マニホールド１３３及び低圧マニホールド１３５を介して行われる。この流体接続は、流れを規制するバルブが介在していないという意味において直接的なものである。ポンプ及び油圧モータは、好ましくは、一方が他方に直接的に搭載され、高圧マニホールド及び低圧マニホールドがポンプ及び油圧モータ間においてそれらの内部に形成される。チャージポンプ１３７は、低圧アキュムレータ１４１が接続された低圧マニホールドにリザーバ１３９から流体を連続的に引き込む。低圧リリーフ弁１４３は、熱交換器１４４を介して低圧マニホールドからリザーバに流体を戻す。熱交換器１４４は、作動流体の温度に影響するように機能し、熱交換制御ライン１４６を介してコントローラにより制御可能である。高圧マニホールド、低圧マニホールド、ポンプ、モータ及びリザーバが油圧回路を形成する。平滑アキュムレータ１４５は、ポンプと油圧モータとの間の高圧マニホールドに接続されている。第１高圧アキュムレータ１４７及び第２高圧アキュムレータ１４９（いずれも作動流体の貯蔵容器として機能する）が、それぞれ、第１分離バルブ１４８及び第２分離バルブ１５０を介して高圧マニホールドに接続されている。第１高圧アキュムレータ及び第２高圧アキュムレータは互いに異なる圧力（プリチャージ圧力）が予め付与されていてもよく、さらに広いプレチャージ圧力帯を備えた複数の高圧マニホールドがさらに追加的に設けられていてもよい。第１分離バルブ及び第２分離バルブの状態は、それぞれ、第１分離バルブ信号１５１と第２分離バルブ信号１５２によりコントローラによって設定される。高圧マニホールドの流体圧力は圧力センサ１５３により計測され、圧力センサ１５３は高圧マニホールド圧力信号１５４をコントローラに与える。圧力センサは、選択的に流体温度をも計測し、コントローラに流体温度信号を与えてもよい。高圧リリーフ弁１５５は、高圧マニホールドと低圧マニホールドを接続する。

油圧モータは、発電機シャフト１５９を介して、負荷として機能する発電機１５７に接続される。発電機は、コンタクタ１６１を介して電力ネットワークに接続される。コンタクタ１６１は、発電機・コンタクタのコントローラ１６３からコンタクタ制御信号１６２を受け取って、選択的に、発電機を電力ネットワークに接続し、あるいは、発電機を電力ネットワークから切り離す。発電機・コンタクタのコントローラは、電力供給センサ１６８及び発電機出力センサ１７０によってそれぞれ計測された電力供給信号１６７及び発電機出力信号１６９から電圧、電流及び周波数の計測結果を取得し、それらをコントローラ１１２に送り、コントローラからの発電機・コンタクタ制御信号１７５に基づいて界磁電圧発電機制御信号１６５を調節することで発電機の出力を制御する。

油圧ポンプ及び油圧モータは、瞬時的な角度位置とそれぞれの回転シャフトのスピードと、作動油の温度及び圧力をコントローラに報告する。コントローラは、ポンプ駆動信号及びポンプシャフト信号１７１とモータ駆動信号及びモータシャフト信号１７３により、ポンプ及びモータのバルブの状態を設定する。コントローラは、不図示のファームコントローラとの間で、調整信号（コーディネート信号）１７７を受け取ったり、モニタリング信号１７９を送ったりする。モニタリング信号は、典型的には、高圧マニホールドの圧力Ｐ_ｓ、アキュムレータの圧力Ｐ_ａｃｃ、ロータ速度ｗ_ｒを含む。もちろん、モニタリング信号は、ＷＴＧの状態及び機能を監視するのに有用な任意の値をさらに含んでいてもよい。コントローラは、パワー増幅器１８０を用いて、ピッチ駆動信号、分離バルブ信号、ポンプ駆動信号及びモータ駆動信号を増幅する。

図２は、複数の作動室２０２（それぞれ符号Ａ〜Ｈを付している）を備えた電気的に整流された油圧ポンプ／モータとしての油圧モータ１３１を示している。作動室２０２は、シリンダ２０４とピストン２０６の内表面によって画定される容積を有する。ピストン２０６は、回転シャフト２０８からの駆動力で偏心カム２０９によって駆動され、作動室の容積が周期的に変化するようにシリンダ内を往復運動する。回転シャフトは、発電機シャフト１５９にしっかりと固定されてともに回転するようになっている。油圧モータは、同様に間隔をおいて設けられた偏芯カムによって同一シャフトからの駆動力によって駆動される、軸方向に間隔をおいて設けられる複数のバンクを備えていてもよい。シャフト位置・速度センサ２１０は、シャフトの瞬時的な角度位置及び回転速度を検出し、これらを信号ライン２１１（モータ駆動・モータシャフト信号１７３の一部）を介してコントローラ１１２に通知する。これにより、コントローラは、各作動室のサイクルの瞬時的な位相を求めることができる。コントローラは、典型的には、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラであり、使用される保存されたプログラムを実行する。コントローラは、コントローラの全体の機能の一部をそれぞれ実行する複数のマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラであってもよく、これらは分散されていてもよい。

作動室は、それぞれ、電気的に駆動されるフェイスシーリング式のポペットバルブ２１４である低圧バルブ（ＬＰＶ）と関連付けられている。ポペットバルブ２１４は、それが関連付けられた作動室に向かって内側に面しており、作動室から低圧流路２１６に延びるチャンネルを選択的に閉じるように作動可能である。低圧流路２１６は、概して、流体のソース又はシンクとして機能し、一つ又はいくつか（あるいは本図に示すように全て）の作動室を低圧ポート２１７に接続するものであってもよい。低圧ポート２１７は、ＷＴＧの低圧マニホールド１３５に流体的に接続される。ＬＰＶは、作動室内の圧力が低圧マニホールド内の圧力以下になったとき（すなわち吸入ストロークの間）に受動的に開いて、作動室を流体的に低圧マニホールドに接続するが、ＬＰＶ制御ライン２１８（モータ駆動・モータシャフト信号１７３の一部）を介してコントローラによる積極的な制御下で選択的に閉じられ、作動室を低圧マニホールドから切り離すノーマルオープンソレノイドクローズドの弁である。あるいは、ノーマルクローズドでありソレノイドオープンの弁のように、電気的に制御可能な代替的な弁を用いてもよい。

作動室は、それぞれ、圧力によって駆動される送り出し弁である高圧バルブ（ＨＰＶ）２２０にも関連付けられている。ＨＰＶは、作動室から外側に向かって開き、作動室から高圧流路２２２に延びるチャンネルを閉じるように動作可能である。高圧流路２２２は、流体のソース又はシンクとして機能し、一つ又はいくつか（あるいは本図に示すように全て）の作動室を高圧ポート２２４に接続するものであってもよい。高圧ポート２２４は、油圧モータの入口として機能し、高圧マニホールド１３３に流体的に接続される。ＨＰＶは、作動室内の圧力が高圧マニホールド内の圧力を超えたときに受動的に開く、ノーマルクローズドであり圧力で開くチェック弁として機能する。ＨＰＶは、コントローラによるＨＰＶ制御ライン２２６を介した制御によって、ＨＰＶが関連する作動室内の圧力によって一旦開いたら、その開かれた状態が選択的に維持されるようになっていてもよいノーマルクローズドでありソレノイドオープンのチェック弁としても機能する。ＨＰＶ制御ライン２２６は、モータ駆動・モータシャフト信号１７３の一部である。典型的には、ＨＰＶは、高圧マニホールドにおける圧力に抗してコントローラによって開けないようになっている。ＨＰＶは、さらに、例えば、バルブがこのようなタイプであり、国際公開第２００８／０２９０７３号又は国際公開第２０１０／０２９３５８号に開示された方法に従って操作される場合、高圧マニホールドに圧力が立っており、作動室には圧力が立っていないときにコントローラによる制御下で開かれる、あるいは部分的に開かれるようになっていてもよい。

ここで、ＷＴＧの運転（３００）について、図３を参照しながら説明する。風速が変動して、ブレードに作用するトルクのような特性を最適化するために油圧ポンプの押しのけ容積をコントローラが変化させるので、油圧ポンプは、運転中ずっと、絶えず移動レートを変化させながら、連続的に低圧マニホールドから高圧マニホールドに流体を汲み上げる。

活動状態（３０１）において、油圧モータは、例えば欧州特許出願公開第０３６１９２７号明細書、欧州特許出願公開第０４９４２３６号明細書及び欧州特許出願公開第１５３７３３３号明細書（これらの文献に記載された内容は本明細書に援用される）に開示された手順によってモータリング・サイクルを実行する。この手順では、コントローラは、関連する作動室のサイクルにおける最小容積点の直前で一以上のＬＰＶを積極的に閉めて低圧マニホールドへの流路を閉じて（これにより残りの収縮ストロークによって作動室内の流体が圧縮される）、油圧モータによる高圧マニホールドからの流体の正味の移動レートを選択する。関連するＨＰＶはその両側の圧力が等しくなると開き、少量の流体がこの関連するＨＰＶを介して導かれる。そして、コントローラは、典型的には関連する作動室のサイクルにおける最大容積近傍まで、この関連するＨＰＶが開いた状態を積極的に維持し、高圧マニホールドからの流体の流れを許容するとともに、回転シャフトにトルクを付与する。ポート２１７，２２４における矢印はモータリングモードにおける流体の流れ方向を示している。後述するポンプモードでは、流体の流れ方向は逆になる。圧力リリーフ弁２２８は油圧モータを損傷から保護するようになっていてもよい。

この手順によって、油圧モータは、回転シャフトによって発電機ロータを駆動し、電力系統に出力される電力を生成する。

油圧モータシャフトの回転速度及びその位相は、典型的には、生成された電力が電力系統と同調していなければならないという要求（すなわち、発電機及び油圧モータは、電力系統の周波数に関連した固定の周波数にて、且つ、電力系統に対して適切な位相にて回転しなければならない）によって必然的に決まる。油圧モータは、典型的には、ロータから電力系統へのパワーの最適な伝達効率が得られるように選択された実質的に一定な作動流体の移動レートにて駆動される。作動室容積の各サイクルにおける作動流体の移動量はコントローラによって選択可能であるので、正確な周波数及び位相にて発電機を駆動し続けながら、作動流体の移動レートはある程度変更可能である。

図３を参照して、通常運転（３００）中においてときどき、コントローラは、油圧モータを停止させる決定を行う（３０２）。例えば、高圧アキュムレータにおける作動流体の蓄積量または高圧マニホールドにおける作動流体の圧力が閾値を下回ったことを理由として、あるいは、他の運転上の理由から、コントローラによる油圧モータ停止の決定が下されてもよい。

油圧モータをシャットダウンするために、コントローラは、発電機の電気的な出力がゼロになるまで、油圧モータによる作動流体の移動レートを減少させる。この操作は、作動流体の移動レートの急激な変化を伴う油圧システムの動揺を回避するため、数秒に亘って徐々に行われるのが好ましい。発電機の電気的出力がゼロに減少されると、コントローラは発電機・コンタクタのコントローラ１６３に指示をして、コンタクタ１６１を開いて発電機の電気的なアウトプットを電力系統から切り離させる（３０３）。この時点において油圧モータによって与えられるトルクは発電機の損失を埋め合わせるのに十分な量のみであるから、油圧モータ及び発電機は、それらの通常運転時におけるスピードを超えて加速されることがない。

その後、コントローラは、油圧モータにポンピング・サイクルを行わせしめるために、バルブ制御信号のタイミングを変更する。ポンピング・サイクルを実現するためには、コントローラは、関連する作動室のサイクルにおける最大容積点の近傍にある一以上のＬＰＶを閉めて、低圧マニホールドへの流路を閉じて、それによってその後に続く収縮ストロークにおいて関連するＨＰＶを介して流体を押し出すように、制御信号を送る。通常運転に比較すれば、ポンピング・サイクルを指示するために、コントローラは、任意の作動室の膨張ストロークにおいて一以上のＨＰＶが開いた状態を維持するように制御信号を送ることはない。コントローラは、ポンピング・サイクルが起きる作動室の容積のサイクルの割合を選択可能であり、各サイクルにおける作動流体の正味の押しのけ容積を選択するように作動室容積を変化させることに対して、ＬＰＶを閉める正確な位相を変化させることもできる。

油圧モータ及び発電機が、発電機の通常運転速度（系統連系速度）よりも低い速度閾値に向かって減速するとき、コントローラは、発電機・コンタクタのコントローラに指示を送り、発電機の端子電圧がスピードに対して比例的に減少する（前記速度閾値においてゼロまで減少する）ように界磁を減少させてもよい。

コントローラは油圧モータ又は発電機のスピードを監視し（３０５）、それらがほぼ静止しているとき、コントローラは、油圧モータのＬＰＶが開かれ、油圧モータのＨＰＶが閉じられるように電気的に操作されるバルブのスイッチを切る（３０６）。

この手順の効果は、発電機ロータが急速に減速されるが、低圧マニホールドから高圧マニホールドに作動流体を汲み上げることで、ロータの角運動エネルギーが散逸されず、これが蓄えられる。

その後で、コントローラは、油圧モータの再起動を決定する（３１０）。例えば、高圧アキュムレータにおける作動流体の蓄積量又は高圧マニホールドにおける圧力が閾値を超えたことを理由として、あるいは、他の運転上の理由によって、油圧モータの再起動の決定が行われてもよい。コントローラは、その後、以前と同じように、モータリング・サイクルを油圧モータに行わせるために、電気的に制御されるバルブに制御信号を送る。初めは、コントローラは、電力系統のための正確な周波数にて電力が生成されるために必要な角速度付近まで油圧モータのシャフト（及び発電機ロータ）を加速させるように、油圧モータによる正味の押しのけ容積を選択する（３１１）。

コントローラは、油圧モータ又は発電機のスピードを監視し（３１５）、それらのスピードが閾値に到達したら、発電機界磁巻線への電流をスイッチオンとし（３１２）、コントローラは、発電機ロータの位相及び周波数が電力生成のために必要とされる正確な位相及び周波数に収束するように、油圧モータによる正味の押しのけ容積を選択する。典型的には、この期間、油圧モータは、前回の加速フェイズ中におけるレートよりもかなり低いレートで作動流体を移動させるであろう。油圧モータ余帯発電機ロータが正確な回転周波数に到達するためには、かなりの量のエネルギーが入力される必要があり、このエネルギーは、高圧マニホールド及び高圧アキュムレータにおける加圧された流体として蓄えられたエネルギーから得られる。

電力系統と同期した状態で電力が生成されるように、正確な周波数及び位相で発電機が回転すると（３１３）すぐに、発電機・コンタクタのコントローラは、発電機を電力系統に再度連系するように指示を受ける（３１４）。コントローラは、その後、通常の活動モードにおいて油圧モータの運転を継続する（３０１）。

油圧モータが休止状態に切り換えられているときに何回かのポンピング・サイクルを実行することで、ＷＴＧは、油圧モータを再起動したり、電力生成のための正確な周波数まで発電機ロータを加速したりするために後で使用可能であるエネルギーを蓄える。このようにして、発電機が回転を続けて、その運動エネルギーが徐々に熱として散逸することを許容する公知のＷＴＧとは対照的に、回転の運動エネルギーの損失が少なくなる。油圧モータが休止状態にある間、油圧ポンプはタービンによって駆動され続け、加圧された流体が高圧アキュムレータに蓄積される。

したがって、本発明によって、かなりの量のエネルギーを節約可能である。ある期間に亘って発電機が惰性によって停止することを許容するのとは対照的に、休止状態において回転の損失は避けることができる。他の利点は、発電機ロータからのエネルギーが作動流体を加圧するのに使用されるので、発電機が急速に立ち上げられるのに必要とする、通常運転時における高圧マニホールドの最小運用圧力および／または高圧アキュムレータに蓄積される作動流体の量は、そうでない場合に比べて少し小さくてもよい点である（これは、発電機の運動エネルギーを捕捉するステップが高圧マニホールドにおける圧力を、油圧モータにより発電機を再起動するのに必要な程度に上昇させるであろうためである）。さらに、追加的な圧力又は加圧された流体の供給によって、発電機をより迅速に昭側させることもできる。

いくつかの実施形態では、油圧回路は、それぞれが発電機を駆動する、並列に接続された複数の油圧モータを備えているであろう。この場合、油圧モータは個別に運転されることができ、その結果、異なる時期において異なる数の油圧モータが運転される。例えば、同一の能力を有し、最大定格出力の５４％においてエネルギーを受け取る２個の発電機を備えたＷＴＧにおいて、一つの発電機が常にオンとされ、両方の発電機がときどきオンとされることが好ましい。このようにして、一つの発電機を、あるいは、両方の発電機を順番に、上述の方法によってある期間オフに切り換えて、後で再起動してもよい。

当業者であれば、ポンピング・サイクルを選択的に実行可能な代替的なタイプの油圧ポンプを採用してもよいことを理解するであろう。また、採用される実機や設計者の目的に応じて、電力系統に対する発電機の並列又は解列を変更したり、発電機界磁電流を変更したり、発電機の加速時及び減速時における油圧モータを介した作動流体の正味の移動レートを変更したりする余地がある。

本発明の範囲を逸脱しないさらなる改良及び変更は、本技術分野の知識が豊富な者に理解可能であろう。

Claims

コントローラおよび油圧回路を備え、再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出するエネルギー抽出装置であって、
前記油圧回路は、
少なくとも一つの油圧ポンプおよび少なくとも一つの油圧モータを備え、
前記油圧ポンプは、再生可能エネルギー源によって駆動される回転シャフトにより駆動され、
前記油圧モータは負荷を駆動し、
前記油圧回路は、前記少なくとも一つの油圧モータから前記少なくとも一つの油圧ポンプに作動流体を送る低圧マニホールドと、前記少なくとも一つの油圧ポンプから前記少なくとも一つの油圧モータに流体を送る高圧マニホールドとをさらに備え、
前記油圧ポンプと前記油圧モータは、それぞれ、周期的に体積が変化する複数の作動室と、各作動室と前記高圧マニホールド及び前記低圧マニホールドとの間における作動流体の正味の押しのけ容積を調節するための複数のバルブとを有し、各作動室に関連する少なくとも一つのバルブは電気的に制御されるバルブであり、前記電気的に制御されるバルブは、コントローラによって、作動室体積の各サイクルにおいて各作動室によって移動せしめられる作動流体の体積を選択し、それによって前記少なくとも一つの油圧ポンプと前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートを調節するように動作可能であり、
一以上の前記油圧モータは活動状態と休止状態との間で切換え可能であり、少なくとも一つの油圧モータはポンピング・サイクルを行うように動作可能であり、
前記コントローラは、各モータが休止状態に切り換えられたとき、一回以上のポンピング・サイクルを前記少なくとも一つの油圧モータに実施させ、これによって、各負荷からのエネルギーを用いて前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールドに作動流体を汲み上げるように構成されていることを特徴とするエネルギー抽出装置。
前記負荷はロータを有する発電機であり、各負荷からのエネルギーは前記ロータの回転の運動エネルギーであることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー抽出装置。
前記コントローラは、前記休止状態又は前記活動状態において交互に前記油圧モータの一部又は全部を稼働させるように構成されており、
前記休止状態では、前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートが前記活動状態における作動流体の正味の移動レートの１／１０未満であり、前記活動状態では、前記少なくとも一つの油圧モータは、連続した場面において作動流体の正味の移動レートが略同一であることを特徴とする請求項２に記載のエネルギー抽出装置。
前記発電機は、遮断器を介して電力系統と電気的に接続されるアウトプットを備え、
前記エネルギー抽出装置は、前記油圧モータが前記休止状態にあるとき、前記発電機の前記アウトプットを前記電力系統から切り離すように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のエネルギー抽出装置。
前記高圧マニホールドは、少なくとも一つの作動油貯蔵器と流体的に接続可能に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー抽出装置。
前記少なくとも一つの油圧モータがポンピング・サイクルを実行するとき、前記少なくとも一つの作動油貯蔵器に入る作動流体の正味の流れが存在し、
前記油圧モータが前記活動状態に切り換えられたとき、前記少なくとも一つの作動油貯蔵器から出る作動油の正味の流れが存在することを特徴とする請求項５に記載のエネルギー抽出装置。
前記エネルギー抽出装置の一つの運転モードにおいて、前記油圧ポンプは、前記油圧モータが前記休止状態にある間、エネルギーの受け取りを継続し、前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールドに作動流体を移動させるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー抽出装置。
前記エネルギー抽出装置は、風力発電装置であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー抽出装置。
コントローラおよび油圧回路を備え、再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出するエネルギー抽出装置の制御方法であって、
前記油圧回路は、
再生可能エネルギー源によって駆動される回転シャフトにより駆動される少なくとも一つの油圧ポンプと、
負荷を駆動する少なくとも一つの油圧モータと、
前記少なくとも一つの油圧モータから前記少なくとも一つの油圧ポンプに作動流体を送る低圧マニホールドと、
前記少なくとも一つの油圧ポンプから前記少なくとも一つの油圧モータに流体を送る高圧マニホールドとを備え、
前記少なくとも一つの油圧ポンプと前記少なくとも一つの油圧モータは、それぞれ、周期的に体積が変化する複数の作動室と、各作動室と前記高圧マニホールド及び前記低圧マニホールドとの間における作動流体の正味の押しのけ容積を調節するための複数のバルブとを有し、各作動室に関連する少なくとも一つのバルブは電気的に制御されるバルブであり、前記電気的に制御されるバルブは、コントローラによって、作動室体積の各サイクルにおいて各作動室によって移動せしめられる作動流体の体積を選択し、それによって前記少なくとも一つの油圧ポンプと前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートを調節するように動作可能であり、
前記少なくとも一つの油圧モータはポンピング・サイクルを行うように動作可能であり、
前記制御方法は、各モータが休止状態に切り換えられたとき、一回以上のポンピング・サイクルを前記少なくとも一つの油圧モータに実施させ、これによって、各負荷からのエネルギーを用いて前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールドに作動流体を汲み上げさせることを特徴とするエネルギー抽出装置の制御方法。
前記油圧モータがモータリング・サイクルを行う活動状態から、前記油圧モータが一回以上のポンピング・サイクルを行うポンピング状態を介して、前記高圧マニホールドから前記低圧マニホールドへの前記油圧モータを介した作動流体の正味の移動が最小限又はゼロである休止状態に各油圧モータを切り換えることを特徴とする請求項９に記載のエネルギー抽出装置の制御方法。
前記少なくとも一つの油圧モータの一以上は、前記休止状態又は前記活動状態において交互に稼働され、
前記活動状態では、前記少なくとも一つの油圧モータは、連続した場面において作動流体の正味の移動レートが略同一であり、前記休止状態では、前記少なくとも一つの油圧モータによる作動流体の正味の移動レートが前記活動状態における作動流体の正味の移動レートの１／１０未満であることを特徴とする請求項９に記載のエネルギー抽出装置の制御方法。
前記油圧モータが前記休止状態にある前記エネルギー抽出装置の一つの運転モードでは、前記油圧ポンプは、エネルギーの受け取りを継続し、前記低圧マニホールドから前記高圧マニホールドに作動流体を移動させることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のエネルギー抽出装置の制御方法。
前記油圧モータが前記休止状態から前記活動状態に切り換えられるとき、前記油圧モータのシャフトのスピードが閾値に到達した後、前記油圧モータによる作動流体の正味の移動レートを、前記油圧モータのシャフトのスピードが前記閾値に到達する前に比べて減少させることを含むことを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー抽出装置の制御方法。
請求項１に記載の前記エネルギー抽出装置の前記コントローラによって実行されるとき、請求項９に記載の前記制御方法を前記エネルギー抽出装置に行わしめるプログラムコードを記憶したコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体。