特開 2022-187104 風力発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022187104

(43)【公開日】2022-12-19

(54)【発明の名称】風力発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03D 7/06 20060101AFI20221212BHJP

   F03D 3/06 20060101ALI20221212BHJP

   F16H 45/02 20060101ALI20221212BHJP

   F16D 43/18 20060101ALI20221212BHJP

【ＦＩ】

F03D7/06 C

F03D3/06 F

F16H45/02 D

F16D43/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021094929

(22)【出願日】2021-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000149033

【氏名又は名称】株式会社エクセディ

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松岡 佳宏

【テーマコード（参考）】

3H178

3J068

【Ｆターム（参考）】

3H178AA15

3H178AA22

3H178AA43

3H178BB02

3H178BB10

3H178BB31

3H178CC02

3H178CC16

3H178DD02X

3H178DD07X

3H178DD12Z

3H178DD51X

3J068AA01

3J068AA05

3J068BA14

3J068BB08

3J068CA10

3J068GA11

(57)【要約】

【課題】起動性を向上させることができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置１００は、風車２、流体継手３、及び回転電機４を備える。風車２は、回転可能に配置されている。流体継手３は、風車２からトルクが入力されるインペラ３２、及びインペラ３２から作動流体を介してトルクが伝達されるタービン３３を有する。回転電機４は、タービン３３からのトルクによって発電可能に構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転可能に配置された風車と、
前記風車からトルクが入力されるインペラ、及び前記インペラから作動流体を介してトルクが伝達されるタービン、を有する流体継手と、
前記タービンからのトルクによって発電するように構成された回転電機と、
を備える風力発電装置。

【請求項2】

前記流体継手は、前記インペラと前記タービンとの間に配置される第１ステータを有する、
請求項１に記載の風力発電装置。

【請求項3】

前記流体継手は、前記風車から下方に延びる入力シャフトを有し、
前記入力シャフトは、前記タービンを貫通して前記インペラと連結し、
前記インペラは、前記タービンの下方に配置される、
請求項１又は２に記載の風力発電装置。

【請求項4】

前記流体継手は、前記タービンに固定されるカバーを有し、
前記カバーは、前記タービンと協働して前記流体継手の外殻を構成し、前記タービンからのトルクを前記回転電機に出力する、
請求項１から３のいずれかに記載の風力発電装置。

【請求項5】

前記インペラは、前記タービンの下方に配置され、
前記カバーは、前記インペラの下方に配置され、
前記インペラは、前記外殻内に配置される、
請求項４に記載の風力発電装置。

【請求項6】

前記流体継手は、前記インペラに取り付けられ且つ前記インペラからのトルクを前記カバーに伝達するように構成されたクラッチを有する、
請求項１から５のいずれかに記載の風力発電装置。

【請求項7】

前記クラッチは、遠心式クラッチである、
請求項６に記載の風力発電装置。

【請求項8】

前記風車からの回転速度を変速して前記流体継手に伝達するように構成された第１変速機をさらに備える、
請求項１から７のいずれかに記載の風力発電装置。

【請求項9】

前記第１変速機は、前記風車からの回転速度を減速して前記流体継手に伝達するように構成される、
請求項８に記載の風力発電装置。

【請求項10】

前記流体継手からの回転速度を変速して前記回転電機に伝達するように構成された第２変速機をさらに備える、
請求項１から９のいずれかに記載の風力発電装置。

【請求項11】

前記風車は、垂直軸揚力型である、
請求項１から１０のいずれかに記載の風力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風力発電装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

風力発電装置は、風車の回転を利用して発電するように構成されている。風車は、水平軸型風車と垂直軸型風車に分けることができる。垂直軸型風車としては、例えば、特許文献１にダリウス型風車を用いた風力発電装置が開示されている。このダリウス型風車は、垂直軸揚力型風車であり、発電出力が大きいというメリットを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－０５１２８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

風力発電装置において、風車の回転を開始させるために必要なトルクを小さくしたいという要望がある。特に、上述したようなダリウス型風車では、回転を開始させるために必要なトルクが大きく、起動性が悪いという問題がある。

【0005】

本発明の課題は、起動性を向上させることができる風力発電装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある側面に係る風力発電装置は、風車と、流体継手と、回転電機とを備える。風車は、回転可能に配置されている。流体継手は、風車からトルクが入力されるインペラ、及びインペラから作動流体を介してトルクが伝達されるタービン、を有する。回転電機は、タービンからのトルクによって発電可能に構成されている。

【0007】

この構成によれば、風車は、流体継手のインペラに接続されているため、風車の回転を開始させるためのトルクを小さくすることができる。この結果、風力発電装置の起動性を向上させることができる。

【0008】

好ましくは、流体継手は、インペラとタービンとの間に配置される第１ステータを有する。

【0009】

好ましくは、流体継手は、風車から下方に延びる入力シャフトを有する。入力シャフトは、タービンを貫通してインペラと連結する。インペラは、タービンの下方に配置される。

【0010】

好ましくは、流体継手は、タービンに固定されるカバーを有する。カバーは、タービンと協働して流体継手の外殻を構成する。カバーは、タービンからのトルクを回転電機に出力する。

【0011】

好ましくは、インペラは、タービンの下方に配置される。カバーは、インペラの下方に配置される。インペラは、外殻内に配置される。

【0012】

好ましくは、流体継手は、クラッチを有する。クラッチは、インペラに取り付けられる。クラッチは、インペラからのトルクをカバーに伝達するように構成される。

【0013】

好ましくは、クラッチは、遠心式クラッチである。

【0014】

好ましくは、風力発電装置は、第１変速機をさらに備える。第１変速機は、風車からの回転速度を変速して流体継手に伝達するように構成される。

【0015】

好ましくは、第１変速機は、風車からの回転速度を減速して流体継手に伝達するように構成される。

【0016】

好ましくは、風力発電装置は、第２変速機をさらに備える。第２変速機は、流体継手からの回転速度を変速して回転電機に伝達するように構成される。

【0017】

好ましくは、風車は、垂直軸揚力型である。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、風力発電装置の起動性を向上させることができる

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】風力発電装置の概略断面図。

【図2】風車の回転速度と回転負荷トルクとの関係を示すグラフ。

【図3】変形例に係る風力発電装置の概略断面図。

【図4】変形例に係る風力発電装置の概略断面図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本実施形態に係る風力発電装置について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、軸方向とは、トルクコンバータの回転軸Ｏが延びる方向である。また、径方向とは、回転軸Ｏを中心とした円の径方向である。

【0021】

［風力発電装置］
図１に示すように、風力発電装置１００は、風車２、トルクコンバータ３（流体継手の一例）、及び回転電機４を有している。また、風力発電装置１００は、第１ケース５及び筒状部材６を有している。

【0022】

［風車］
風車２は、回転可能に配置されている。風車２の回転軸は、トルクコンバータ３の回転軸Ｏと同軸上に配置されている。風車２の回転軸は、垂直方向に延びている。すなわち、風車２は、垂直軸型風車である。

【0023】

風車２は、支持体２１と、複数のブレード２２とを有している。支持体２１は、複数のブレード２２を支持している。支持体２１は、棒状であり、回転軸Ｏと同軸上に延びている。

【0024】

複数のブレード２２は、支持体２１に支持されている。ブレード２２は、揚力型である。すなわち、本実施形態に係る風車２は、垂直軸揚力型の風車である。なお、本実施形態の風車２は、ダリウス型風車である。

【0025】

［ケース及び筒状部材］
第１ケース５は、風車２の下方に配置されている。第１ケース５は、トルクコンバータ３を収容している。第１ケース５は、貫通孔５１が形成された天板５２を有している。

【0026】

筒状部材６は、第１ケース５内に配置されている。筒状部材６は、第１ケース５の天板５２から下方に延びている。筒状部材６は、天板５２に固定されている。筒状部材６は、回転不能に配置されている。筒状部材６は、円筒状である。筒状部材６内の空間は、貫通孔５１と連通している。筒状部材６は、後述するタービンハブ３３３を貫通している。

【0027】

［トルクコンバータ］
トルクコンバータ３は、風車２の下方に配置されている。トルクコンバータ３は、風車２と回転電機４の間に配置されている。トルクコンバータ３は、第１ケース５内に配置されている。

【0028】

トルクコンバータ３は、風車２からのトルクを増幅して回転電機４に出力するように構成されている。トルクコンバータ３は、回転可能に配置されている。トルクコンバータ３の回転軸Ｏは、垂直方向に延びている。トルクコンバータ３は、入力シャフト３１、インペラ３２，タービン３３、第１ステータ３４、カバー３５、クラッチ３６、及び出力シャフト３７を有している。

【0029】

入力シャフト３１は、風車２から下方に延びている。なお、入力シャフト３１は、風車の支持体２１と一つの部材によって一体的に構成されていてもよい。入力シャフト３１には、風車２からのトルクが入力される。入力シャフト３１は、タービン３３を貫通して延びている。詳細には、入力シャフト３１は、第１ケース５の貫通孔５１を貫通し、筒状部材６内を延びている。そして、入力シャフト３１は、インペラ３２と連結している。

【0030】

インペラ３２は、風車２からトルクが入力される。詳細には、インペラ３２は、入力シャフト３１を介して風車２からのトルクが入力される。インペラ３２は、入力シャフト３１に固定されている。インペラ３２は、入力シャフト３１と一体的に回転する。インペラ３２は、タービン３３の下方に配置されている。

【0031】

インペラ３２は、インペラシェル３２１及び複数のインペラブレード３２２を有している。複数のインペラブレード３２２はインペラシェル３２１の内側面に取り付けられている。

【0032】

インペラシェル３２１は、入力シャフト３１に固定されている。例えば、インペラシェル３２１に入力シャフト３１がスプライン嵌合することによって固定されていてもよいし、溶接などによって固定されていてもよい。

【0033】

タービン３３は、インペラ３２と対向するように配置されている。詳細には、タービン３３は、軸方向においてインペラ３２と対向している。タービン３３は、インペラ３２の上方に配置されている。タービン３３は、作動流体（例えば、作動油））を介してインペラ３２からトルクが伝達される。

【0034】

タービン３３は、タービンシェル３３１、複数のタービンブレード３３２、及びタービンハブ３３３を有している。タービンブレード３３２は、タービンシェル３３１の内側面に固定されている。

【0035】

タービンハブ３３３は、タービンシェル３３１の内周端部に固定されている。例えば、タービンハブ３３３は、リベットによって、タービンシェル３３１に固定されている。タービンハブ３３３は、タービンシェル３３１と別部材によって構成されていてもよいし、タービンシェル３３１と一つの部材によって構成されていてもよい。

【0036】

タービンハブ３３３は、筒状部材６にベアリングなどを介して支持されていてもよい。

【0037】

第１ステータ３４は、タービン３３からインペラ３２へと戻る作動油を整流するように構成されている。第１ステータ３４は、回転軸Ｏ周りに回転可能である。例えば、第１ステータ３４は、筒状部材６に、ワンウェイクラッチ１０１を介して支持されている。この第１ステータ３４は、軸方向において、インペラ３２とタービン３３との間に配置される。

【0038】

カバー３５は、タービン３３に固定されており、タービン３３と一体的に回転する。カバー３５は、タービン３３からのトルクを回転電機４に出力する。

【0039】

カバー３５は、インペラ３２の下方に配置されている。すなわち、上から、タービン３３、インペラ３２，カバー３５の順に配置されている。なお、タービン３３とインペラ３２との間に第１ステータ３４が配置されている。また、インペラ３２とカバー３５との間にクラッチ３６が配置されている。

【0040】

カバー３５は、タービン３３と協働してトルクコンバータ３の外殻を構成している。このカバー３５とタービン３３とによって構成された外殻内に、インペラ３２が配置されている。

【0041】

このカバー３５とタービン３３とによって構成された外殻には、下方を向く孔が形成されていない。このため、この外殻内に供給される作動流体が下方に漏出することを防止できる。

【0042】

クラッチ３６は、インペラ３２に取り付けられ、インペラ３２と一体的に回転する。クラッチ３６は、インペラ３２からのトルクをカバー３５に伝達するように構成されている。詳細には、クラッチ３６は、インペラ３２が所定値以上の回転速度になると、インペラ３２からのトルクをカバー３５に伝達する。また、インペラ３２が所定値未満の回転速度になると、インペラ３２からカバー３５へのトルク伝達を遮断する。この場合、インペラ３２からのトルクは作動流体を介してタービン３３及びカバー３５に伝達される。なお、クラッチ３６は、例えば、遠心式クラッチである。

【0043】

出力シャフト３７は、カバー３５からのトルクを回転電機４へと出力するように構成されている。出力シャフト３７は、カバー３５と一体的に回転する。出力シャフト３７は、カバー３５に固定されている。例えば、出力シャフト３７は、カバー３５にスプライン嵌合することによって固定されていてもよいし、カバー３５に溶接などによって固定されていてもよい。

【0044】

［回転電機］
回転電機４は、風車２からのトルクがトルクコンバータ３を介して伝達される。回転電機４は、トルクコンバータ３のタービン３３からのトルクによって発電可能に構成されている。詳細には、タービン３３及びカバー３５から出力シャフト３７を介して回転電機４へとトルクが伝達される。

【0045】

回転電機４は、発電機として使用できるとともに、電気モータとしても使用できる。回転電機４は、第２ケース４１、第２ステータ４２、及びロータ４３を有している。本実施形態における回転電機４は、いわゆるインナーロータ型である。

【0046】

第２ケース４１は、地面、又は建物などに固定されており、回転不能である。第２ケース４１は、第２ステータ４２及びロータ４３を収容している。第２ケース４１は、第１ケース５と一つの部材によって一体的に形成されていてもよい。第２ケース４１と第１ケース５との間には、これらを隔てる隔壁７が設けられている。隔壁７は、貫通孔７１を有している。この貫通孔７１を、出力シャフト３７が貫通する。

【0047】

第２ステータ４２は、第２ケース４１の内周面に固定されている。第２ステータ４２は回転不能である。第２ステータ４２は、ステータコア４２１及びコイル４２２を有している。ステータコア４２１は、複数枚の電磁鋼板を積層することによって構成されている。コイル４２２は、ステータコア４２１に巻かれている。詳細には、コイル４２２は、ステータコア４２１のティース部分に巻かれている。

【0048】

ロータ４３は、回転可能に配置されている。なお、ロータ４３の回転軸は、トルクコンバータ３の回転軸Ｏと同軸上に配置されている。ロータ４３は、径方向において、第２ステータ４２の内側に配置される。

【0049】

ロータ４３は、出力シャフト３７に取り付けられている。ロータ４３は、出力シャフト３７と一体的に回転する。

【0050】

［特性］
本実施形態の風力発電装置１００では、風車２がトルクコンバータ３のインペラ３２と連結している。このため、図２に示すように、風車２の回転を開始させるために必要なトルクを小さくすることができる。なお、図２は、風車２の回転速度と回転負荷トルクとの関係を示すグラフである。

【0051】

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0052】

変形例１
上記実施形態では、風力発電装置１００は、トルクコンバータ３を有していたが、風力発電装置１００の構成はこれに限定されない。例えば、風力発電装置１００は、トルクコンバータ３の代わりに、第１ステータ３４を有さない流体継手を有していてもよい。

【0053】

変形例２
上記実施形態では、風車２はダリウス型風車であったが、風車２の形態はこれに限定されず、他の垂直軸揚力型の風車としてもよい。また、風車２は、垂直軸抗力型としてもよいし、水平軸揚力型や、水平軸抗力型としてもよい。

【0054】

変形例３
上記実施形態では、風力発電装置１００は、クラッチ３６を有していたが、クラッチ３６を有していなくてもよい。

【0055】

変形例４
図３に示すように、風力発電装置１００は、第１変速機８をさらに備えていてもよい。第１変速機８は、風車２からの回転速度を変速してトルクコンバータ３に伝達するように構成されている。例えば、第１変速機８は、風車２からの回転速度を減速してトルクコンバータ３に伝達する。これにより、トルクコンバータ３が高速で回転することを抑制することができる。なお、第１変速機８は、風車２からの回転速度を増速してトルクコンバータ３に伝達してもよい。また、第１変速機８は、第１ケース５内に配置されていてもよい。

【0056】

変形例５
図４に示すように、風力発電装置１００は、第２変速機９をさらに備えていてもよい。第２変速機９は、第１ケース５内に配置されている。なお、第２変速機９は、第２ケース４１内に配置されていてもよい。

【0057】

第２変速機９は、トルクコンバータ３からの回転速度を変速して回転電機４に伝達するように構成されている。例えば、第２変速機９は、トルクコンバータ３からの回転速度を増速して回転電機４に伝達する。なお、第２変速機９は、トルクコンバータ３からの回転速度を減速して回転電機４に伝達してもよい。

【符号の説明】

【0058】

１００ ：風力発電装置
２ ：風車
３ ：トルクコンバータ
３１ ：入力シャフト
３２ ：インペラ
３３ ：タービン
３４ ：第１ステータ
３５ ：カバー
３６ ：クラッチ
４ ：回転電機
８ ：第１変速機
９ ：第２変速機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】