JP2001346359A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部品数の削減が可能な風力発電装置を提供す
る。 【解決手段】 外周部が実質的に円形である発電機固定
子と、内周部が実質的に円形である発電機回転子と、発
電機回転子の外周部に直結され、風力を受けて発電機回
転子を回転させるための複数のブレードとからなる風力
発電装置を提供する。発電機固定子の外周部には複数の
コイルが設けられており、複数のコイルの同心線は、発
電機固定子の外周部の中心方向を向いている。発電機回
転子の内周部は固定部材の外周部に面し、発電機回転子
は、発電機回転子の回転軸を中心として回転自在に発電
機固定子に取り付けられ、発電機回転子の内周部には複
数の磁界生成子が設けられており、隣接する２つの磁界
生成子によって生成される磁束密度の向きは複数のコイ
ルの同心線と実質的に垂直でかつ互いに逆方向を向いて
いる。また、発電機固定子は、発電機回転子が発電機固
定子の外周部で回転することにより、複数のコイルに誘
導された交流電力を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は風力発電装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】クリーンエネルギーを利用する手段とし
て、風力発電が利用されている。

【０００３】図３は、従来用いられている風力発電装置
の構成を示す。

【０００４】図３を参照すると、従来用いられている風
力発電装置の構成は、柱状または円柱状のタワー１２３
上部に固定された発電装置本体から構成される。タワー
１２３は下部で地上に固定されている。

【０００５】発電装置本体は、タワー１２３上部に設け
られた制御装置を含む。この制御装置は、発電装置本体
の水平方向の向きを制御する機能を有する。制御装置は
タワー１２３上部に設けられ、内周部がほぼ円状である
ベアリング部１１４、そのベアリング部１１４の内周部
と下部で嵌合し、上部で後述するナセル１１６に固定さ
れているギヤ部１１３、ベアリング部１１４に設けら
れ、発電装置本体の水平方向の移動を停止させるための
ブレーキ部１１５、ギヤ部１１３を制御するためのギヤ
ストッパ１２１からなる。

【０００６】制御装置上部には、発電機１０１が配置さ
れている。発電機１０１からその発電機の主軸方向１２
４に伸びるメインシャフト１０４は、カップリング１０
２を介して増速機１０３に接続されている。また、カッ
プリング１０２と増速機１０３との間には、メインシャ
フト１０４の回転を停止させるためのブレーキ１０６が
設けられている。

【０００７】また、増速機１０３を介して主軸方向１２
４に伸びているメインシャフト１０４の端部にはロータ
リージョイント１０５が設けられている。メインシャフ
ト１０４はこのロータリージョイント１０５でローター
ヘッド１０７に固定されている。ここで、このローター
ヘッド１０７は、主軸方向１２４を軸として回転する。
ローターヘッド１０７の回転に伴って得られるトルク
は、ローターヘッド１０７に固定されているメインシャ
フト１０４を介して発電機１０１に伝えられる。発電機
１０１はこのトルクを利用して発電を行う。

【０００８】３枚のブレード１１２の各々は、ローター
ヘッド１０７の外周部であって、主軸方向１２４と垂直
な方向にブレードスピンドル１１０およびブレードガイ
ド１１１を介して固定されている。ここで、ブレードス
ピンドル１１０は主軸方向１２４と垂直な方向に伸びる
ように、ブレードスピンドル１１０の一端であるリンク
１０９でローターヘッド１０７の外周部に固着されてい
る。また、ブレードスピンドル１１０の他端はブレード
１１２を主軸方向１２４と垂直な方向に伸びるように固
着している。各ブレード１１２は、他のブレード１１２
との間隔がほぼ１２０度の等角度間隔となるように配置
されている。

【０００９】また、ローターヘッド１０７の主軸方向に
ある外周部には、各ブレード１１２に接続された３つの
油圧シリンダ１０８が取り付けられている。この油圧シ
リンダ１０８は、ブレード１１２が受ける風力に応答し
て、ブレード１１２のピッチ角を変更する機能を有す
る。また、この油圧シリンダ１０８は、発電装置本体内
に設けられた油圧ユニット１２２によって正常に動作す
るように制御されている。

【００１０】ローターヘッド１０７の下部には、各部材
のメンテナンスを行う作業員を入場させることが可能な
メンテナンスフロア１２０が設けられている。

【００１１】発電装置本体の中央部はナセル１１６で覆
われている。このナセル１１７には、人が出入り可能な
マンホール１１９が設けられている。

【００１２】また、発電機１０１の一部であって、主軸
方向１２４とは逆方向にある部分は、ナセル１１６に固
定されたリアカプセル１１８で覆われている。

【００１３】また、ローターヘッド１０７および油圧シ
リンダ１０８はナセル１１６に対して主軸方向１２４を
軸として回転自在に配置されているフロントカプセル１
１７で覆われている。フロントカプセル１１７は、各ブ
レード１１２の回転を妨げないように、ブレードスピン
ドル１１０およびブレードガイド１１１に固定されてい
る。

【００１４】次に、従来用いられている風力発電装置の
動作を示す。

【００１５】ブレード１１２が風力を受けると、ブレー
ド１１２はローターヘッド１０７を主軸方向１２４を軸
として回転させる。ローターヘッド１０７の回転に伴っ
て得られるトルクは、ローターヘッド１０７に固定され
ているメインシャフト１０４を介して発電機１０１に伝
えられる。発電機１０１はこのトルクを利用して発電を
行う。

【００１６】上記に示すように、従来用いられている風
力発電装置は、多くの部品から構成されていた。このた
め、この風力発電装置の信頼性を向上させるために、こ
の風力発電装置を構成する各部品の信頼性を向上させる
必要があった。

【００１７】また、従来用いられている300kW級の風力
発電装置では、ローターヘッド１０７の質量は約4,000k
g、メインシャフト１０４の質量は約1,000kg、メインシ
ャフト１０４の軸受け（図示せず）の質量は約500kgで
ある。このように、従来用いられている風力発電装置で
は、その風力発電装置を構成する部品の質量が大きかっ
た。

【００１８】風力発電装置を構成する部品数の削減が望
まれている。

【００１９】また、風力発電装置を構成する部品の軽量
化が望まれている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、軽量
化が可能な風力発電装置を提供することにある。

【００２１】また、本発明の目的は、部品数の削減が可
能な風力発電装置を提供することにある。

【００２２】さらに、本発明の目的は、信頼性を向上さ
せることが可能な風力発電装置を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中の請求
項対応の技術的事項には、括弧（）付きで、番号、記号
等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応
の技術的事項と実施の複数・形態のうち少なくとも１つ
の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、
その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項
に限定されることを示すためのものではない。

【００２４】上記の課題を解決するために、本発明によ
ると、外周部が実質的に円形である発電機固定子（６）
と、ここで、発電機固定子（６）の外周部には複数のコ
イル（２８）が設けられており、複数のコイル（２８）
の同心線は、発電機固定子（６）の外周部の中心方向を
向いており、内周部が実質的に円形である発電機回転子
（７）と、ここで、発電機回転子（７）の内周部は固定
部材（６）の外周部に面し、発電機回転子（７）は、発
電機回転子（７）の回転軸（４）を中心として回転自在
に発電機固定子（６）に取り付けられ、発電機回転子
（７）の内周部には複数の磁界生成子（２２）が設けら
れており、隣接する２つの磁界生成子（２２）によって
生成される磁束密度（２３，２４）の向きは複数のコイ
ル（２８）の同心線と実質的に垂直でかつ互いに逆方向
を向いており、発電機回転子（７）の外周部に直結さ
れ、風力を受けて発電機回転子（７）を回転させるため
の複数のブレード（１０）とからなり、発電機固定子
（６）は、発電機回転子（７）が発電機固定子（６）の
外周部で回転することにより、複数のコイル（２８）に
誘導された交流電力を出力する風力発電装置を提供す
る。

【００２５】上記の風力発電装置において、磁界生成子
（２２）は永久磁石であってもよい。

【００２６】上記の風力発電装置において、発電機固定
子（６）と接続され、第１の交流電力としての交流電力
を所望の周波数を有する第２の交流電力に変換する変換
部（１５，１６）をさらに有することも可能である。

【００２７】上記の風力発電装置において、変換部（１
５，１６）は、発電機固定子と接続され、第１の交流電
力を直流電力に変換するコンバータ（１５）と、コンバ
ータ（１５）と接続され、直流電力を第２の交流電力に
変換するインバータ（１６）とからなることも可能であ
る。

【００２８】上記の風力発電装置において、ブレード
（１０）のピッチ角を調整する調整装置（９，１１）を
さらに有することも可能である。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明にお
ける風力発電装置を説明する。

【００３０】図１は、本発明における風力発電装置の構
成を示す断面図である。

【００３１】図１を参照すると、本発明における風力発
電装置は、下部で地上部に固定された柱状または円柱状
のタワー１上部に後述する固定軸３を水平方向に回転さ
せるための軸方向制御装置２が固定されている。

【００３２】軸方向制御装置２は、上部で固定軸３を固
定している。固定軸３は、その固定軸３の軸方向４に伸
びている。固定軸３は、その軸方向４の端部で固定ハブ
５を固定している。固定ハブ５は、軸方向４を軸とする
ほぼ円柱状の形状を有する。

【００３３】その固定ハブ５の外周部であって、軸方向
４と垂直な曲面部に発電機固定子６が固定されている。
この発電機固定子６は、軸方向４を軸とするほぼ円筒状
を示す。この発電機固定子６の外周部には、ロータ軸受
け８を用いて発電機回転子７が軸方向４を軸として発電
機固定子６に対して回転自在に取り付けられている。こ
こで、本発明における風力発電装置の発電機はこの発電
機固定子６と発電機回転子７から構成される。発電機固
定子６は、後述するように、発電機回転子７の回転数に
依存した周波数の交流電流または交流電圧を出力する機
能を有する。

【００３４】また、発電機固定子６は、コンバータ１５
と接続されている。このコンバータ１５は、発電機固定
子６から出力される交流電流または交流電圧を、直流電
流または直流電圧に変換する機能を有する。このコンバ
ータ１５はインバータ１６と接続されている。このイン
バータ１６は、コンバータ１５で変換された直流電流ま
たは直流電圧から、任意に設定可能な周波数の交流電流
または交流電圧に変換する機能を有する。

【００３５】発電機回転子７の外周部には、ブレード軸
受け９を介してブレード１０が取り付けられている。ブ
レード軸受け９は、ブレード１０に加わる風力に応じ
て、ブレード１０の性能を最適に保つように、そのブレ
ード１０の時間当たりの回転数を制御するように、また
は発電機への過負荷を回避するために、ブレード１０の
ブレードピッチ角を自動的に調整する機能を有する。

【００３６】また、このブレード１０には、ブレード１
０のピッチ角を変更するためのピッチ駆動装置１１が取
り付けられている。このピッチ駆動装置１１は、図示し
ないスリップリングを介して発電機固定子６と接続され
ている。

【００３７】また、軸方向制御装置２および固定軸３全
体を覆うようにナセル１２が設けられている。このナセ
ル１２は図示しないブラケットのような支持構造物を用
いて固定軸３と一体化されている。また、ナセル１２内
部に風力発電装置の動作を制御するための風車制御装置
１３が設けられている。さらに、ナセル１２とタワー１
との接続部分に、ナセル１２を介して軸方向４の垂直成
分を制御する垂直方向制御装置１４が設けられている。

【００３８】図２は、本発明における風力発電装置の発
電機の構成を示す。

【００３９】図２を参照すると、この発電機は発電機固
定子６と発電機回転子７から構成される。

【００４０】発電機回転子７の内周域には、永久磁石か
らなる複数の磁界生成子２２が等角度間隔で配置されて
いる。各磁界生成子２２が生成する磁束密度ベクトル２
３，２４は、発電機回転子７の内周の円周方向を向いて
いる。また、隣り合う２つの磁界生成子２２の磁束密度
ベクトル２３，２４は互いに反対方向を示す。このた
め、隣り合う２つの磁界生成子２２は、軸方向４へ向か
う向心ベクトル２５、または軸方向４とは逆の方向へ向
かう遠心ベクトル２６を生成する。

【００４１】発電機固定子６の外周域には、コア２７と
コイル２８からなる複数の出力子２９が等角度間隔で配
置されている。本実施例では、出力子２９の数と磁界生
成子２２の数とが等しくなるように出力子２９は配置さ
れる。コイル２８はコア２７を巻回している。コイル２
８の同心線が向いている方向は、軸方向４へ向かう方向
とほぼ等しい。このため、コイル２８の同心線は、磁束
密度ベクトル２３，２４とほぼ直交し、向心ベクトル２
５および遠心ベクトル２６とほぼ同じ方向を向いてい
る。また、隣り合う２つの出力子２９は、コイル２８に
流れる電流が互いに逆方向となる誘導電流を得る。

【００４２】次に、この発電機の動作を以下に示す。

【００４３】発電機回転子７が回転することにより、複
数の出力子２９は、発電機回転子７の時間当たりの回転
数に対応した周期を有する交流誘導電流を得る。発電機
固定子６は、接続されているコンバータにこの交流誘導
電流を出力する。

【００４４】次に、本発明における風力発電装置の動作
を説明する。

【００４５】発電機は、風力がブレード１０に加えられ
ることにより発電機回転子７が回転して電力を出力す
る。風車制御装置１３は発電機が出力する電力の大きさ
を監視している。風車制御装置１３は、この発電機が定
格出力以上の電力を出力すると、発電機によって出力さ
れる電力が定格出力を超えたことを検出する。このと
き、風車制御装置１３は、発電機の出力が一定になるよ
うにブレード１０の時間当たりの回転数を制御するため
に、ピッチ駆動装置１１を制御してプレード１０のピッ
チ角を変更させる。

【００４６】本発明における風力発電装置はブレードと
発電機が一体化されているために、本発明における風力
発電装置に従来用いられていた発電機の主軸、軸受け、
ローターヘッドなどの部品が使用されない。

【００４７】このため、本発明における風力発電装置
は、部品数の削減を可能にする。

【００４８】また、本発明における風力発電装置は、軽
量化を可能にする。

【００４９】また、本発明における風力発電装置は、省
スペース化を可能にする。

【００５０】また、本発明における風力発電装置は、従
来行われていた複雑な配線を単純化することを可能にす
る。

【００５１】また、本発明における風力発電装置は、構
造を単純化することを可能にする。

【００５２】加えて、本発明における風力発電装置は、
部品数の削減、軽量化および構造の単純化を同時に行う
ことができる。

【００５３】このため、本発明における風力発電装置
は、各部品のチェックが容易となり、部品が原因となる
故障を減少させることが可能となる。

【００５４】また、本発明における風力発電装置は、各
部品に加わる機械荷重の変化または最大荷重を小さくす
ることが可能である。この結果として、本発明における
風力発電装置は装置全体の強度を向上させることが可能
である。

【００５５】さらに、本発明における風力発電装置は、
発電機から電力を取り出す場合にコンバータとインバー
タを用いたＡＣ−ＤＣ−ＡＣリンクを用いている。この
ため、本発明における風力発電装置は、系統併入時の突
入電流を小さくすることができる。

【００５６】また、本発明における風力発電装置は、ブ
レードのピッチ角をブレード軸受けとピッチ駆動装置を
用いて変更することができる。このため、本発明におけ
る風力発電装置は、ブレードの単位時間当たりの回転数
を制御することができる。よって、本発明における風力
発電装置は、突風などの大きな風速変化が生じた場合で
も、出力の変動を小さくすることが可能である。

【００５７】

【発明の効果】本発明における風力発電装置は、部品数
の削減を可能にする効果を有する。

【００５８】本発明における風力発電装置は、軽量化を
可能にする効果を有する。

【００５９】本発明における風力発電装置は、省スペー
ス化を可能にする効果を有する。

【００６０】本発明における風力発電装置は、従来行わ
れていた複雑な配線を単純化することを可能にする効果
を有する。

【００６１】本発明における風力発電装置は、構造を単
純化することを可能にする効果を有する。

【００６２】本発明における風力発電装置は、部品数の
削減、軽量化および構造の単純化を同時に行うことがで
きる効果を有する。

【００６３】本発明における風力発電装置は、各部品の
チェックが容易となり、部品が原因となる故障を減少さ
せることが可能となる効果を有する。

【００６４】本発明における風力発電装置は、各部品に
加わる機械荷重の変化または最大荷重を小さくすること
が可能である効果を有する。

【００６５】本発明における風力発電装置は装置全体の
強度を向上させることが可能である効果を有する。

【００６６】本発明における風力発電装置は、系統併入
時の突入電流を小さくすることができる効果を有する。

【００６７】本発明における風力発電装置は、ブレード
の単位時間当たりの回転数を制御することができる効果
を有する。

【００６８】本発明における風力発電装置は、突風など
の大きな風速変化が生じた場合でも、出力の変動を小さ
くすることが可能である効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における風力発電装置の構成を示す。

【図２】本発明における発電機の構成を示す。

【図３】従来用いられている風力発電装置の構成を示
す。 １ タワー ２ 軸方向制御装置 ３ 固定軸 ４ 軸方向 ５ 固定ハブ ６ 発電機固定子 ７ 発電機回転子 ８ ロータ軸受け ９ ブレード軸受け １０ ブレード １１ ピッチ駆動装置 １２ ナセル １３ 風車制御装置 １４ 垂直方向制御装置 １５ コンバータ １６ インバータ ２２ 磁界生成子 ２３，２４ 磁束密度ベクトル ２５ 向心ベクトル ２６ 遠心ベクトル ２７ コア ２８ コイル ２９ 出力子 １０１ 発電機 １０２ カップリング １０３ 増速機 １０４ メインシャフト １０５ ロータリージョイント １０６ ブレーキ １０７ ローターヘッド １０８ 油圧シリンダ １０９ リンク １１０ スピンドル １１１ ブレードガイド １１２ ブレード １１３ ギア部 １１４ ベアリング部 １１５ ブレーキ部 １１６ ナセル １１７ フロントカプセル １１８ リアカプセル １１９ マンホール １２０ メンテナンスフロア １２１ ギアストッパ １２２ 油圧ユニット １２３ タワー １２４ 主軸方向

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周部が実質的に円形である発電機固定
   子と、ここで、前記発電機固定子の外周部には複数のコ
   イルが設けられており、前記複数のコイルの同心線は、
   前記発電機固定子の外周部の中心方向を向いており、 内周部が実質的に円形である発電機回転子と、ここで、
   前記発電機回転子の内周部は前記固定部材の外周部に面
   し、前記発電機回転子は、前記発電機回転子の回転軸を
   中心として回転自在に前記発電機固定子に取り付けら
   れ、前記発電機回転子の内周部には複数の磁界生成子が
   設けられており、隣接する２つの前記磁界生成子によっ
   て生成される磁束密度の向きは前記複数のコイルの同心
   線と実質的に垂直でかつ互いに逆方向を向いており、 前記発電機回転子の外周部に直結され、風力を受けて前
   記発電機回転子を回転させるための複数のブレードとか
   らなり、 前記発電機固定子は、前記発電機回転子が前記発電機固
   定子の外周部で回転することにより、前記複数のコイル
   に誘導された交流電力を出力する、 風力発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の風力発電装置におい
   て、 前記磁界生成子は永久磁石である、風力発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の風力発電装置
   において、 前記発電機固定子と接続され、第１の交流電力としての
   前記交流電力を所望の周波数を有する第２の交流電力に
   変換する変換部をさらに有する、 風力発電装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の風力発電装置におい
   て、 前記変換部は、 前記発電機固定子と接続され、前記第１の交流電力を直
   流電力に変換するコンバータと、 前記コンバータと接続され、前記直流電力を前記第２の
   交流電力に変換するインバータとからなる、 風力発電装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   風力発電装置において、 前記ブレードのピッチ角を調整する調整装置をさらに有
   する、 風力発電装置。