風力発電装置及びその運転制御方法
【課題】騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策を施した風力発電装置及びその運転制御方法を提供する。
【解決手段】風力発電装置１は、メインシャフト８に従動して駆動する容量可変型の油圧ポンプ１２と、発電機２０に接続された容量可変型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油流路１６及び低圧油流路１８を有する。運転モード選択手段３８は、通常運転モードと、該通常運転モードよりも、メインシャフト８の定格回転数の設定値が低く、油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きく、かつ、発電機２０の定格出力が通常運転モードと同等である低回転速度運転モードとを環境条件に応じて切り替える。
【解決手段】風力発電装置１は、メインシャフト８に従動して駆動する容量可変型の油圧ポンプ１２と、発電機２０に接続された容量可変型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油流路１６及び低圧油流路１８を有する。運転モード選択手段３８は、通常運転モードと、該通常運転モードよりも、メインシャフト８の定格回転数の設定値が低く、油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きく、かつ、発電機２０の定格出力が通常運転モードと同等である低回転速度運転モードとを環境条件に応じて切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを介して、ロータの回転を発電機に伝達する風力発電装置及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、再生可能エネルギーの一つである風力を利用した風力発電装置やの普及が進んでいる。
【０００３】
風力発電装置は、風の運動エネルギーをロータの回転エネルギーに変換し、さらにロータの回転エネルギーを発電機によって電力に変換する。一般的な風力発電装置では、ロータの回転数は数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ程度であるのに対し、発電機の定格回転数は通常１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍであるから、ロータと発電機との間に機械式（ギヤ式）の増速機が設けられている。すなわち、ロータの回転数は、増速機で発電機の定格回転数まで増速された後、発電機に入力される。
なお、「定格」とは、意図した最大効率が得られる運転条件を意味し、速度、圧力、流量、押しのけ容積や出力等の接頭辞として用いられる。運転中の短期間において定格条件を超えてもよいが、定格条件を超えるのは数分以下であり且つ間欠的であることが一般的である。
【０００４】
ここで、近年、発電効率の向上を目的とした風力発電装置の大型化が進むにつれ、増速機の重量及びコストが増加する傾向にある。このため、機械式の増速機に替えて、可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを採用した風力発電装置が注目を浴びている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ロータの回転により駆動される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータとを組み合わせた油圧トランスミッションを用いた風力発電装置が記載されている。この風力発電装置の油圧トランスミッションでは、油圧ポンプ及び油圧モータは、高圧リザーバ及び低圧リザーバを介して互いに接続されている。これにより、ロータの回転エネルギーが、油圧トランスミッションを介して発電機に伝わるようになっている。なお、油圧ポンプは、複数組のピストン及びシリンダと、シリンダ内でピストンを周期的に摺動させるカムとで構成されている。
【０００６】
また特許文献２には、ロータの回転により駆動される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータと、油圧ポンプ及び油圧モータの間に設けられた作動油流路とからなる油圧トランスミッションを用いた風力発電装置が記載されている。この風力発電装置の油圧トランスミッションでは、複数組のピストン及びシリンダと、シリンダ内でピストンを周期的に摺動させるカムと、ピストンの往復運動のタイミングに合わせて開閉される高圧弁及び低圧弁とで油圧ポンプが構成されている。そして、上死点近傍でピストンをラッチすることで、シリンダとピストンで囲まれる作動室（ワーキングチャンバ）を非作動状態として、油圧ポンプの押しのけ容積を変化させるようになっている。
【０００７】
また可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータを用いたものではないが、特許文献３には、油圧ポンプから油圧モータに供給される作動油の圧力を調節して、発電機の回転数を一定に維持するようにした風力発電装置が記載されている。この風力発電装置では、油圧ポンプの吐出側が、高圧タンクとしてのタワー内部空間を介して油圧モータの吸込側と接続されており、油圧ポンプの吸込側が、タワー下部に設けた低圧タンクを介して油圧モータの吐出側と接続されている。そして、高圧タンクと油圧モータとの間には比例弁が設けられており、この比例弁によって油圧モータに供給する作動油の圧力を調節できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００３２９５９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００４０４７０号明細書
【特許文献３】米国特許第７４３６０８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、風力発電装置は、発電効率向上のため大型化が進む傾向にあり、ブレードの先端周速度は今後ますます大きくなる。そして、ブレードの先端周速度が大きくなると、騒音（ブレードの風切り音）や、野鳥がブレードにぶつかるバードストライクが問題になりうる。また、ロータの回転数が高いと、軸受の摩擦熱による温度上昇の問題も無視できなくなる。ところが、特許文献１〜３には、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が何ら開示されていない。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策を施した風力発電装置及びその運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る風力発電装置は、ハブと、前記ハブに連結されたメインシャフトと、前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路と、前記油圧ポンプの押しのけ容積を調節するポンプ制御部および前記油圧モータの押しのけ容積を調節するモータ制御部とを有する制御ユニットと、通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを切り替える運転モード選択手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この風力発電装置によれば、運転モード選択手段によって、通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
【００１３】
上記風力発電装置において、前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きくてもよい。また、前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であってもよい。また、前記運転モード選択手段は、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択してもよい。
このように、通常運転モードよりも油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きく、発電機の定格出力が通常運転モードと同等である低回転速度運転モードを用いれば、低回転速度運転モードは、通常運転モードに比べてメインシャフトの定格回転数の設定値が低いものの、通常運転モードと同等の発電機の定格出力を得ることができる。よって、このような低回転速度運転モードの採用により、発電機の定格出力を減ずることなく、メインシャフトの定格回転数を低くすることができる。
【００１４】
なお、本明細書において、「環境条件」とは、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策の必要性に影響を与える、風力発電装置を取りまく時間的・地理的な条件をいう。例えば、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯にあるか、風力発電装置の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上であるか、メインシャフトを支持する軸受の温度が許容範囲に収まっているか等が環境条件に含まれる。
【００１５】
上記風力発電装置において、前記ポンプ制御部は、前記運転モード選択手段によって前記通常運転モード及び前記低回転速度運転モードのいずれが選択される場合であっても、前記メインシャフトの回転数が定格回転数以下のときに、パワー係数が最大となる前記油圧ポンプの目標トルクを求め、該目標トルク及び前記高圧油流路における作動油の圧力から前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを決定することが好ましい。
【００１６】
このように、いずれの運転モードが選択される場合であっても、メインシャフトの回転数が定格回転数以下のとき、ポンプ制御部によって、パワー係数が最大となる油圧ポンプの目標トルクを求め、該目標トルク及び高圧油流路における作動油の圧力から油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプの制御を行うことで、発電効率を向上させることができる。
【００１７】
この場合、上記風力発電装置は、前記メインシャフトの回転数を計測する回転数計をさらに備え、前記ポンプ制御部は、前記回転数計により計測された前記メインシャフトの回転数に基づいて、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めてもよい。
【００１８】
あるいは、上記風力発電装置は、風速を計測する風速計をさらに備え、前記ポンプ制御部は、前記風速計により計測された風速から、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めてもよい。
【００１９】
また、上記風力発電装置において、前記モータ制御部は、前記押しのけ容積Ｄｐから求めた前記油圧ポンプの吐出量Ｑｐに基づいて前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを決定することが好ましい。
【００２０】
これにより、油圧ポンプの目標トルクが変わっても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【００２１】
この場合、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータは、それぞれ、シリンダおよび該シリンダ内を摺動するピストンにより囲まれる複数の油圧室と、前記ピストンに係合するカム曲面を有するカムと、各油圧室及び前記高圧油流路の間の連通路を開閉する高圧弁と、各油圧室及び前記低圧油流路の間の連通路を開閉する低圧弁とを含み、前記ポンプ制御部は、前記油圧ポンプのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧ポンプの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧ポンプの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを調節し、前記モータ制御部は、前記油圧モータのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧モータの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧モータの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを調節することが好ましい。
【００２２】
油圧ポンプ及び油圧モータの油圧室の状態（非作動状態又は作動状態）は、ピストンの上下動のサイクルごとに選択できるから、全油圧室に対する非作動油圧室の割合を変更することで、油圧ポンプ及び油圧モータの押しのけ容積を迅速に変化させることができる。
【００２３】
また、前記油圧ポンプのカムは、前記メインシャフトの外周に環状に設けられ、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムであり、前記油圧モータのカムは偏心カムであることが好ましい。
【００２４】
典型的な風力発電装置では、ロータの回転数が数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ程度であるのに対し、発電機の定格回転数が１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍである。この場合、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションにおいて、ロータの回転数を１００倍程度増速して発電機に伝達する必要がある。ここで、油圧トランスミッションの増速比は、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐの油圧モータの押しのけ容積Ｄｍに対する比で定まるから、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを油圧モータの押しのけ容積Ｄｍの１００倍程度に設定しなければならない。しかし、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐは、シリンダ一個当たりの容積を大きくしたり、シリンダの個数を増やすことで、増大させることができるが、油圧ポンプの大型化を招く。
そこで、油圧ポンプのカムを、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムとすることで、メインシャフトが一回転する間に油圧ポンプの各ピストンを何度も上下動させて、油圧ポンプを大型化することなく、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを増大させることができる。一方、油圧モータのカムを、油圧モータの出力軸の軸中心から偏心して設けられた偏心カムとすることで、油圧ポンプに比べて油圧モータの押しのけ容積Ｄｍが小さくなり、高い増速比の油圧トランスミッションを実現できる。
【００２５】
上記風力発電装置は、前記ハブに取り付けられたブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構をさらに備え、前記制御ユニットは、前記発電機の出力が定格出力に達したとき、前記発電機の定格出力が維持されるように前記ピッチ駆動機構を制御することが好ましい。
【００２６】
これにより、定格風速以上かつカットアウト風速未満の風を受けて発電を行う定格運転時において、一定の出力（定格出力）の電力を発電機から得ることができる。
なお、定格風速とは、発電機から定格出力を得るために必要な風速であり、カットアウト風速とは、風力発電装置の安全を確保するために発電を停止する風速である。例えば、定格風速を約１０ｍ／ｓとし、カットアウト風速を２５ｍ／ｓ程度に設定してもよい。
【００２７】
本発明に係る風力発電装置の運転制御方法は、ハブと、前記ハブに連結されたメインシャフトと、前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路とを備える風力発電装置の運転制御方法であって、通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを選択するモード選択ステップと、
前記モード選択ステップにおいて選択された運転モードに基づいて、前記油圧ポンプおよび前記油圧モータの押しのけ容積を調節する押しのけ容積調節ステップとを備えることを特徴とする。
【００２８】
この風力発電装置の運転制御方法によれば、通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
【００２９】
上記風力発電装置の運転制御方法において、前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きくてもよい。また、前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であってもよい。また、前記モード選択ステップでは、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択してもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】風力発電装置の構成例を示す図である。
【図２】ピッチ駆動機構の構成を示す図である。
【図３】油圧ポンプの具体的な構成を示す図である。
【図４】油圧モータの具体的な構成を示す図である。
【図５】風力発電装置の運転制御方法を示すフローチャートである。
【図６】発電機出力とメインシャフトの回転数とに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。
【図７】発電機出力とパワー係数Ｃｐとに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３３】
まず、本実施形態に係る風力発電装置の全体構成について説明する。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、本実施形態は、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。
【００３４】
図１は、風力発電装置の構成例を示す図である。図２は、風力発電装置のピッチ駆動機構の構成を示す図である。
【００３５】
図１に示すように、風力発電装置１は、主として、風を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力を発生させる発電機２０と、ナセル２２と、ナセル２２を支持するタワー２４と、風力発電装置１の各部を制御する制御ユニット３０とを備える。
【００３６】
ロータ２は、ブレード４が取り付けられたハブ６にメインシャフト８が連結された構成を有する。すなわち、３枚のブレード４がハブ６を中心として放射状に延びており、それぞれのブレード４が、メインシャフト８と連結されたハブ６に取り付けられている。これにより、ブレード４が受けた風の力によってロータ２全体が回転し、メインシャフト８を介して油圧トランスミッション１０に回転が入力される。なお、メインシャフト８の回転数は、回転数計２６によって計測されて、制御ユニット３０による制御に用いられる。
【００３７】
ハブ６内には、図２に示すピッチ駆動機構４０が収納されている。ピッチ駆動機構４０は、油圧シリンダ４２、サーボバルブ４４、油圧源４６及びアキュムレータ４８とにより構成される。サーボバルブ４４は、ピッチ制御部３６による制御下で、ブレード４のピッチ角が所望の値となるように、油圧源４６により生成された高圧油およびアキュムレータ４８に蓄えられた高圧油の油圧シリンダ４２への供給量を調節する。
【００３８】
図１に示す油圧トランスミッション１０は、メインシャフト８に従動して駆動する容量可変型の油圧ポンプ１２と、発電機２０に接続された容量可変型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油流路１６及び低圧油流路１８を有する。
【００３９】
油圧ポンプ１２の吐出側は、高圧油流路１６によって油圧モータ１４の吸込側に接続されており、油圧ポンプ１２の吸込側は、低圧油流路１８によって油圧モータ１４の吐出側に接続されている。油圧ポンプ１２から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油流路１６を介して油圧モータ１４に流入し、油圧モータ１４を駆動する。油圧モータ１４で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油流路１８を介して油圧ポンプ１２に流入して、油圧ポンプ１２で昇圧された後、再び高圧油流路１６を介して油圧モータ１４に流入する。油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の具体的な構成については、後述する。
なお、高圧油流路１６の圧力は、圧力センサー２８によって計測されて、制御ユニット３０による制御に用いられる。
【００４０】
発電機２０は、油圧モータ１４の出力軸１５に連結されており、油圧モータ１４から入力されるトルクによって発電を行う。発電機２０は、公知の同期発電機又は誘導発電機を用いることができる。なかでも、発電機２０を電力系統に連系する場合、発電機２０として同期発電機を用いることが好ましい。風力発電装置１では油圧トランスミッション１０の制御によって発電機２０の回転数を一定に維持できるため、発電機２０として同期発電機を用いて、トランスを介して同期発電機２０から電力系統に電力を直接供給することができ（ＡＣリンク方式）、可変速運転を実現するための高価なインバータが不要になるからである。
【００４１】
ナセル２２は、ロータ２のハブ６を回転自在に支持するとともに、その内部に油圧トランスミッション１０や発電機２０等の各種機器を収納している。なお、ナセル２２をタワー２４に回転自在に支持し、ヨーモータ（不図示）を用いて、風向きに応じてナセル２２を旋回させるようにしてもよい。
【００４２】
制御ユニット３０は、油圧ポンプ１２を制御するポンプ制御部３２と、油圧モータ１４を制御するモータ制御部３４と、風力発電装置１の運転モードを選択する運転モード選択手段３８とを有する。
制御ユニット３０の一つ以上のコンポーネント３２〜３８は、ナセル２２の内部又は外部の異なる場所に存在し、制御ユニット３０が分散型の制御システムを構築していてもよい。
【００４３】
ポンプ制御部３２は、メインシャフト８の回転数が定格回転数以下であるとき、パワー係数が最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクを求め、該目標トルク及び高圧油流路１６内の圧力から油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定する。一方、モータ制御部３４は、油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐから求めた油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定する。
【００４４】
ピッチ制御部３６は、発電機２０の出力が定格出力に達したとき、発電機２０の定格出力が維持されるようにピッチ駆動機構４０のサーボバルブ４４を制御して、ブレード４のピッチ角をフェザー側に変化させる。これにより、定格風速以上かつカットアウト風速未満の風を受けて発電を行う定格運転時において、一定の出力（定格出力）の電力を発電機２０から得ることができる。なお、定格風速とは、発電機２０から定格出力を得るために必要な風速であり、カットアウト風速とは、風力発電装置１の安全を確保するために発電を停止する風速である。例えば、定格風速を約１０ｍ／ｓとし、カットアウト風速を２５ｍ／ｓ程度に設定してもよい。
【００４５】
運転モード選択手段３８は、環境条件に応じて、通常運転モード及び低回転速度運転モードのいずれか一方を選択する。低回転速度運転モードは、通常運転モードに比べて、メインシャフト８の定格回転数の設定値が低く、油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値が大きい。一方、低回転速度運転モードにおける発電機２０の定格出力は、同運転モードにおけるメインシャフト８の回転数が低い分だけ油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積が大きいため、通常運転モードと同等である。よって、いずれの運転モードを選択しても、定格運転時に発電機２０から得られる電力の大きさは同等である。
【００４６】
環境条件としては、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯にあるか、風力発電装置１の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上であるか、メインシャフト８を支持する軸受の温度が許容範囲に収まっているか等が挙げられる。
すなわち、運転モード選択手段３８は、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯である場合や、風力発電装置の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上にあり且つ渡り鳥が飛来する季節である場合や、メインシャフト８を支持する軸受の温度が許容範囲を超えた場合に、低回転速度運転モードを選択する。
【００４７】
次に、風力発電装置１の油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の具体的な構成について説明する。図３は、油圧ポンプ１２の構成例を示す図である。図４は、油圧モータ１４の構成例を示す図である。
【００４８】
油圧ポンプ１２は、図３に示すように、シリンダ５０及びピストン５２により形成される複数の油圧室５３と、ピストン５２に係合するカム曲面を有するカム５４と、各油圧室５３に対して設けられる高圧弁５６および低圧弁５８とにより構成される。
【００４９】
ピストン５２は、カム５４のカム曲線に合わせてピストン５２をスムーズに作動させる観点から、シリンダ５０内を摺動するピストン本体部５２Ａと、該ピストン本体部５２Ａに取り付けられ、カム５４のカム曲面に係合するピストンローラー又はピストンシューとで構成することが好ましい。なお図３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。
【００５０】
カム５４は、カム取付台５５を介して、メインシャフト８の外周面に取り付けられている。カム５４は、メインシャフト８が一回転する間に、油圧ポンプ１２の各ピストン５２を何度も上下動させて大きなトルクを得る観点から、複数の凹部５４Ａ及び凸部５４Ｂがメインシャフト８の周りに交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムであることが好ましい。
【００５１】
高圧弁５６は、各油圧室５３と高圧油流路１６との間の高圧連通路５７に設けられる。一方、低圧弁５８は、各油圧室５３と低圧油流路１８との間の低圧連通路５９に設けられる。高圧弁５６及び低圧弁５８は、ポンプ制御部３２によって開閉タイミングが制御される。
【００５２】
ポンプ制御部３２は、油圧室５３のうち、高圧油流路１６に高圧油を吐出しない非作動室については、ピストン５２が下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、高圧弁５６を閉じて低圧弁５８を開いたままの状態を維持する。一方、油圧室５３のうち、高圧油流路１６に高圧油を吐出する作動室については、ピストン５２が下死点から上死点に向かうポンプ工程に高圧弁５６が開かれて低圧弁５８が閉じられ、ピストン５２が上死点から下死点に向かう吸入工程に高圧弁５６が閉じられて低圧弁５８が開かれる。
ポンプ制御部３２は、全油圧室５３に対する非作動室の割合を変化させて、油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを調節する。
【００５３】
なお、ここでは、高圧弁５６及び低圧弁５８の両方がポンプ制御部３２によって開閉制御される例を説明したが、高圧油流路１６に向かう作動油の流れのみを許容する逆止弁で高圧弁５６を構成してもよい。この場合、油圧ポンプ１２のピストン５２が下死点から上死点に向かう間に、油圧室５３内の作動油が圧縮されて、油圧室５３内の圧力が高圧油流路１６内の圧力よりも高くなると自動的に高圧弁５６が開くので、高圧弁５６の制御を積極的に行う必要がない。
【００５４】
油圧モータ１４は、図４に示すように、シリンダ６０及びピストン６２により形成される複数の油圧室６３と、ピストン６２に係合するカム曲面を有するカム６４と、各油圧室６３に対して設けられた高圧弁６６および低圧弁６８とにより構成される。
【００５５】
ピストン６２は、ピストン６２の上下動をカム６４の回転運動にスムーズに変換する観点から、シリンダ６０内を摺動するピストン本体部６２Ａと、該ピストン本体部６２Ａに取り付けられ、カム６４のカム曲面に係合するピストンローラー又はピストンシューとで構成することが好ましい。なお図４には、ピストン６２がピストン本体部６２Ａとピストンローラー６２Ｂとからなる例を示した。
【００５６】
カム６４は、発電機２０に接続される油圧モータ１４の出力軸（クランクシャフト）１５の軸中心Ｏから偏心して設けられた偏心カムである。ピストン６２が上下動を一回行う間に、カム６４及びカム６４が取り付けられた出力軸１５は一回転するようになっている。
このように、油圧ポンプ１２のカム５４を上記リングカムとする一方で、油圧モータ１４のカム６４を偏心カムとすることで、油圧ポンプ１２に比べて油圧モータ１４の押しのけ容積が小さくなり、高い増速比の油圧トランスミッション１０を実現できる。
【００５７】
高圧弁６６は、各油圧室６３と高圧油流路１６との間の高圧連通路６７に設けられる。一方、低圧弁６８は、各油圧室６３と低圧油流路１８との間の低圧連通路６９に設けられる。高圧弁６６及び低圧弁６８は、モータ制御部３４によって開閉タイミングが制御される。
【００５８】
モータ制御部３４は、油圧室６３のうち、高圧油流路１６から高圧油を受け取らない非作動室について、ピストン６２が下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、高圧弁６６を閉じて低圧弁６８を開いたままの状態を維持する。一方、油圧室６３のうち、高圧油流路１６から高圧油を受け取る作動室については、ピストン６２が上死点から下死点に向かうモータ工程に高圧弁６６が開かれて低圧弁６８が閉じられ、ピストン６２が下死点から上死点に向かう排出工程に高圧弁６６が閉じられて低圧弁６８が開かれる。
モータ制御部３４は、全油圧室６３に対する非作動室の割合を変化させて、油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを調節する。
【００５９】
次に、制御ユニット３０による風力発電装置１の運転制御方法について説明する。図５は、風力発電装置１の運転制御方法を示すフローチャートである。
【００６０】
最初に、図５に示すように、運転モード選択手段３８によって、環境条件に応じて、通常運転モード及び低回転速度運転モードのいずれか一方が選択される（ステップＳ２）。例えば、運転モード選択手段３８は、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯である場合や、風力発電装置の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上にあり且つ渡り鳥が飛来する季節である場合や、メインシャフト８を支持する軸受の温度が許容範囲を超えた場合に、低回転速度運転モードを選択し、それ以外の場合に通常運転モードを選択する。
【００６１】
ステップＳ４では、いずれの運転モードが選択されたのか判断される。そして、通常運転モードが選択されている場合には、ステップＳ１０〜Ｓ３０の通常運転制御を行う。一方、低回転速度運転モードが選択されている場合には、ステップＳ４０〜Ｓ６８の低回転速度運転制御を行う。
【００６２】
［通常運転制御について］
通常運転制御では、まず、発電機２０の出力が定格出力に達したかが判断される（ステップＳ１０）。発電機２０の出力が既に定格出力に達している場合、ステップＳ１２において、ピッチ駆動機構４０のサーボバルブ４４がピッチ制御部３６によって制御され、発電機２０の出力が定格出力となるようにブレード４のピッチ角が調節される。そして、ステップＳ１４において、発電機２０の出力と定格出力との偏差が許容範囲内であるか判断され、この偏差が許容範囲内でなければ、ステップＳ１２に戻って再びブレード４のピッチ角が調節される。
【００６３】
一方、発電機２０の出力が定格出力に達していない場合（ステップＳ１０のＮＯ判定）、ステップＳ１６に進み、回転数計２６によってメインシャフト８の回転数ｎが計測される。この回転数ｎに基づいて、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔがポンプ制御部３２によって決定される（ステップＳ１８）。例えば、メインシャフト８の回転数と油圧ポンプ１２の目標トルクとの関係が予め設定されたテーブルを用いて、回転数計２６によって計測されたメインシャフト８の回転数ｎに対応する油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔを決定してもよい。
また、ステップＳ２０において、高圧油流路１６内の圧力ＰＨが圧力センサー２８によって計測される。
【００６４】
この後、ステップＳ２２において、油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６内の圧力ＰＨから、下記式（１）に従って、油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐがポンプ制御部３２によって決定される。
（数１）
押しのけ容積Ｄｐ＝目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ／圧力ＰＨ （１）
【００６５】
ステップＳ２２において油圧ポンプ１２の押しのけ容積を決定した後、下記式（２）に従って、ステップＳ２４に進んで、押しのけ容積Ｄｐから油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐがポンプ制御部３２によって求められる。
（数２）
吐出量Ｑｐ＝押しのけ容積Ｄｐ×回転数ｎ （２）
【００６６】
続いて、ステップＳ２６において、発電機２０の回転数が一定に維持されるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍがモータ制御部３４によって決定される。すなわち、モータ制御部３４は、下記式（３）により、発電機２０の回転数が所定の値（例えば、１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍ）になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定する。
（数３）
押しのけ容積Ｄｍ＝吐出量Ｑｐ／発電機２０の回転数ｎｇ （３）
【００６７】
この後、ステップＳ２８において、ポンプ制御部３２は、下記式（４）に従って、油圧ポンプ１２の押しのけ容積がＤｐになるように油圧ポンプ１２の作動室の数を変化させる。
（数４）
押しのけ容積Ｄｐ＝ｍ×Ｖｐ×Ｆｄｐ （４）
（ただし、ｍはカム５４の凹凸の個数であり、Ｖｐは全シリンダ５０の合計容積であり、Ｆｄｐは全油圧室５３に対する作動室の割合である。）
同様に、ステップＳ３０において、モータ制御部３４は、下記式（５）に従って、油圧モータ１４の押しのけ容積がＤｍになるように油圧モータ１４の作動室の数を変化させる。
（数５）
押しのけ容積Ｄｍ＝Ｖｍ×Ｆｄｍ （５）
（ただし、Ｖｍは全シリンダ６０の合計容積であり、Ｆｄｍは全油圧室６３に対する作動室の割合である。）
【００６８】
このように、通常運転モードでは、ステップＳ１８，Ｓ２２及びＳ２８において、ポンプ制御部３２によって、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔを求め、該目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６における圧力ＰＨから油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプ１２の制御を行うことで、発電効率を向上させることができる。
また、通常運転モードでは、ステップＳ２６及びＳ３０において、モータ制御部３４によって、油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の制御を行うことで、油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔが変わっても、発電機２０の回転数を一定に維持できる。よって、発電機２０において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【００６９】
［低回転速度運転制御について］
低回転速度運転制御では、まず、発電機２０の出力が定格出力に達したかが判断される（ステップＳ４０）。発電機２０の出力が定格出力に達している場合、ステップＳ４２において、ピッチ駆動機構４０のサーボバルブ４４がピッチ制御部３６によって制御され、発電機２０の出力が定格出力となるようにブレード４のピッチ角が調節される。そして、ステップＳ４４において、発電機２０の出力と定格出力との偏差が許容範囲内であるか判断され、この偏差が許容範囲内でなければ、ステップＳ４２に戻って再びブレード４のピッチ角が調節される。
【００７０】
一方、発電機２０の出力が定格出力に達していない場合（ステップＳ４０のＮＯ判定）、回転数計２６によってメインシャフト８の回転数ｎが計測され（ステップＳ４６）、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２（＜ｎ１）に達したか否かが判断される（ステップＳ４８）。ただし、ｎ１は通常運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数であり、ｎ２は低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数である。
【００７１】
ステップＳ４８においてメインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２以下であると判定されると、ステップＳ５０に進んで、ステップＳ４６で計測したメインシャフト８の回転数ｎに基づいて、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔがポンプ制御部３２によって決定される。
この後、ステップＳ５２〜Ｓ６２において、ポンプ制御部３２によって、目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６における圧力ＰＨから油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプ１２の制御を行うとともに、モータ制御部３４によって、油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の制御を行う。なお、ステップＳ５２〜Ｓ６２は、上記通常運転制御におけるステップＳ２０〜Ｓ３０と共通するから、ここではその詳細説明を省略する。
【００７２】
これに対し、ステップＳ４８においてメインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２に達した（定格回転数ｎ２を超えた）と判定されると、ステップＳ６４に進んで、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２になるように油圧ポンプ１２の作動室の数をポンプ制御部３２によって調節する。具体的には、油圧ポンプ１２の作動室の数を増やして、油圧ポンプ１２を駆動するのに必要なトルクを増大させて、メインシャフト８の回転数ｎを定格回転数ｎ２まで低減する。
【００７３】
この後、回転数計２６によってメインシャフト８の回転数ｎを再度計測し（ステップＳ６６）、メインシャフト８の回転数ｎと定格回転数ｎ２との偏差が許容範囲内であるか判定される（ステップＳ６８）。そして、メインシャフト８の回転数ｎと定格回転数ｎ２との偏差が許容範囲内でなければ、ステップＳ６４に戻って、油圧ポンプ１２の作動室の数がポンプ制御部３２によって再び調節される。
【００７４】
このように、通常運転モードの場合と同様に、低回転速度運転モードにおいても、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２以下であれば、ステップＳ５０，Ｓ５４及びＳ６０において、ポンプ制御部３２によって、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔを求め、該目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６における圧力ＰＨから油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプ１２の制御を行うので、発電効率を向上させることができる。
また、ステップＳ５８及びＳ６２において、モータ制御部３４によって、油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の制御を行うことで、油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔが変わっても、発電機２０の回転数を一定に維持できる。
【００７５】
また、低回転速度運転モードでは、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２を超えた場合には、ステップＳ６４において油圧ポンプ１２の作動室の数を増やすことによって、通常運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数ｎ１よりも低い定格回転数ｎ２にメインシャフト８の回転数を維持できる。
【００７６】
［実施例］
上述の運転制御方法についてシミュレーションを行った。計算条件は、通常運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数ｎ１を１２ｒｐｍ（ブレード４の先端周速度が７９ｍ／ｓ）、低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数ｎ２を１０．５ｒｐｍ（ブレード４の先端周速度が６９ｍ／ｓ）、発電機２０の定格出力を３．５ＭＷ、カットイン風速を３．５ｍ／ｓとした。
【００７７】
図６は、発電機２０の出力とメインシャフト８の回転数とに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。図７は、発電機２０の出力とパワー係数Ｃｐとに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。
【００７８】
図６から分かるように、風速が約８．７ｍ／ｓ以下の場合、通常運転モードと低回転速度運転モードとに違いはない。いずれの運転モードであっても、パワー係数Ｃｐが最大かつ発電機２０の回転数が一定となるように油圧トランスミッション１０の制御（図５のステップＳ１６〜Ｓ３０及びステップＳ５０〜Ｓ６２）が行われる。このため、風速の増大とともに発電機２０の出力が大きくなっていく様子、および、風速の増大とともにメインシャフト８の回転数が上昇する様子は、両運転モードで共通する。
しかし、風速が８．７ｍ／ｓ付近になると、低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の回転数が定格回転数ｎ２（１０．５ｒｐｍ）に達するので、これ以降、両運転モードの発電機２０の出力に若干の差異が生ずる。これは、通常運転モードでは、パワー係数Ｃｐが最大かつ発電機２０の回転数が一定となる油圧トランスミッション１０の制御が引き続き行われるのに対し、低回転速度運転モードでは、メインシャフト８の回転数を一定に維持するために油圧ポンプ１２のトルクを大きくする制御（図５のステップＳ６４〜Ｓ６８）が行われるからである。
そして、風速が１０．５ｍ／ｓ付近になると、両運転モードにおける発電機２０の出力が定格出力（３．５ＭＷ）に達するので、いずれの運転モードであっても、ブレード４のピッチ角を変化させて発電機２０の出力を定格出力に維持する制御（図５のステップＳ１２〜Ｓ１４及びステップＳ４２〜Ｓ４４）が行われる。このため、いずれの運転モードにおいても、発電機２０の出力は定格出力になっている。
【００７９】
図７から分かるように、風速がカットイン風速（３．５ｍ／ｓ）を超えると、両運転モードともに、パワー係数Ｃｐが急激に立ち上がって最大になる。この傾向は、低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の回転数が定格回転数ｎ２（１０．５ｒｐｍ）に達する風速８．７ｍ／ｓ付近まで続く。
風速が８．５ｍ／ｓ付近になると、パワー係数Ｃｐが最大かつ発電機２０の回転数が一定となる油圧トランスミッション１０の制御（図５のステップＳ１６〜Ｓ３０）が引き続き行われるのに対し、低回転速度運転モードでは、メインシャフト８の回転数を一定に維持するために油圧ポンプ１２のトルクを大きくする制御（図５のステップＳ６４〜Ｓ６８）が行われるので、両運転モードのパワー係数に若干の差異が生ずる。
両運転モードにおける発電機２０の出力が定格出力（３．５ＭＷ）に達する風速１０．５ｍ／ｓ付近になると、両運転モードともに、ブレード４のピッチ角を変化させて発電機２０の出力を定格出力に維持する制御（図５のステップＳ１２〜Ｓ１４及びステップＳ４２〜Ｓ４４）が行われ、風の一部を逃すため、パワー係数Ｃｐは減少する。
【００８０】
このように、上述の運転制御方法によれば、通常運転モードから低回転速度運転モードに切り替えることで、風速約８．７〜１０．５ｍ／ｓにおいて若干の発電機２０の出力の低下およびパワー係数Ｃｐの低下が生ずるものの、殆どの風速域において発電効率を損なうことなく、定格回転数を１２ｒｐｍ（先端周速度７９ｍ／ｓ）から１０．５ｒｐｍ（先端周速度６９ｍ／ｓ）に低減できることが明らかになった。
【００８１】
以上説明したように、上述の実施形態では、運転モード選択手段３８によって、環境条件に応じて通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
また、低回転速度運転モードは、通常運転モードに比べて、メインシャフト８の定格回転数の設定値が低いものの、油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値が大きいので、通常運転モードと同等の発電機２０の定格出力を得ることができる。よって、低回転速度運転モードの採用により、発電機２０の定格出力を減ずることなく、メインシャフト８の定格回転数を低くすることができる。
【００８２】
以上、本発明の実施形態の一例について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００８３】
例えば、上述とは別の実施形態では、（高圧油流路１６の定格圧力又は油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積に起因する）油圧ポンプ１２の定格トルクは低回転速度運転モードと通常運転モードとで同等であってもよい。この場合、低回転速度運転モードの定格回転数よりも高い回転数において（（それを超えるといずれにせよトルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及びパワー係数Ｃｐが低減される）通常運転モードの定格回転数よりも低い回転数において）、ブレード４のピッチ角を調節してトルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及びパワー係数Ｃｐを減少させる。このように、上述とは別の実施形態では、風力発電装置の定格出力は、通常運転モードよりも低回転速度運転モードの方が小さくなってもよい。
【００８４】
例えば、上述の実施形態では、回転数計２６で計測したメインシャフト８の回転数ｎに基づいて、パワー係数が最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクを求める例について説明したが、風速計で計測した風速Ｖに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクを求めてもよい。この場合、各風力発電装置１に対して一つずつ風速計を設けてもよいし（例えば、ナセル２２に風速計を取り付けてもよい）、複数の風力発電装置１で一つの風速計を共用してもよい。
【００８５】
また、上述の実施形態では、全油圧室（５３，６３）に対する非作動室の割合を変化させて、油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の押しのけ容積を調節する例について説明したが、ピストンサイクル中に高圧弁（５６，６６）が開く時間を変化させて油圧ポンプ１２又は油圧モータ１４の押しのけ容積を調節してもよい。
【００８６】
また、上述の実施形態では、低回転速度運転モードの油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値が大きい例について説明したが、低回転速度運転モードは、メインシャフト８の定格回転数の設定値が通常運転モードよりも低く、かつ、発電機２０の定格出力が通常運転モードと同等であれば、この例に限定されない。
例えば、メインシャフト８の定格回転数の設定値が通常運転モードよりも低い分だけ、低回転速度運転モードにおける高圧油流路１６の定格圧力の設定値を高くして（すなわち、メインシャフト８の定格回転数に反比例させて、高圧油流路１６の定格圧力の設定値を高くする）、通常運転モードと同等の発電機２０の定格出力を実現してもよい。あるいは、メインシャフト８の定格回転数の設定値が通常運転モードよりも低い分だけ、低回転速度運転モードにおける油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値及び高圧油流路１６の定格圧力の設定値の両方を通常運転モードよりも大きくしてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１ 風力発電装置
２ ロータ
４ ブレード
６ ハブ
８ メインシャフト
１０ 油圧トランスミッション
１２ 油圧ポンプ
１４ 油圧モータ
１５ 出力軸
１６ 高圧油流路
１８ 低圧油流路
２０ 発電機
２２ ナセル
２４ タワー
２６ 回転数計
２８ 圧力センサー
３０ 制御ユニット
３２ ポンプ制御部
３４ モータ制御部
３６ ピッチ制御部
３８ 運転モード選択手段
４０ ピッチ駆動機構
４２ 油圧シリンダ
４４ サーボバルブ
４６ 油圧源
４８ アキュムレータ
５０ シリンダ
５２ ピストン
５２Ａ ピストン本体部
５２Ｂ ピストンローラー
５３ 油圧室
５４ カム
５６ 高圧弁
５７ 高圧連通路
５８ 低圧弁
５９ 低圧連通路
６０ シリンダ
６２ ピストン
６２Ａ ピストン本体部
６２Ｂ ピストンローラー
６３ 油圧室
６４ カム
６６ 高圧弁
６７ 高圧連通路
６８ 低圧弁
６９ 低圧連通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを介して、ロータの回転を発電機に伝達する風力発電装置及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、再生可能エネルギーの一つである風力を利用した風力発電装置やの普及が進んでいる。
【０００３】
風力発電装置は、風の運動エネルギーをロータの回転エネルギーに変換し、さらにロータの回転エネルギーを発電機によって電力に変換する。一般的な風力発電装置では、ロータの回転数は数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ程度であるのに対し、発電機の定格回転数は通常１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍであるから、ロータと発電機との間に機械式（ギヤ式）の増速機が設けられている。すなわち、ロータの回転数は、増速機で発電機の定格回転数まで増速された後、発電機に入力される。
なお、「定格」とは、意図した最大効率が得られる運転条件を意味し、速度、圧力、流量、押しのけ容積や出力等の接頭辞として用いられる。運転中の短期間において定格条件を超えてもよいが、定格条件を超えるのは数分以下であり且つ間欠的であることが一般的である。
【０００４】
ここで、近年、発電効率の向上を目的とした風力発電装置の大型化が進むにつれ、増速機の重量及びコストが増加する傾向にある。このため、機械式の増速機に替えて、可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを採用した風力発電装置が注目を浴びている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ロータの回転により駆動される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータとを組み合わせた油圧トランスミッションを用いた風力発電装置が記載されている。この風力発電装置の油圧トランスミッションでは、油圧ポンプ及び油圧モータは、高圧リザーバ及び低圧リザーバを介して互いに接続されている。これにより、ロータの回転エネルギーが、油圧トランスミッションを介して発電機に伝わるようになっている。なお、油圧ポンプは、複数組のピストン及びシリンダと、シリンダ内でピストンを周期的に摺動させるカムとで構成されている。
【０００６】
また特許文献２には、ロータの回転により駆動される油圧ポンプと、発電機に接続された油圧モータと、油圧ポンプ及び油圧モータの間に設けられた作動油流路とからなる油圧トランスミッションを用いた風力発電装置が記載されている。この風力発電装置の油圧トランスミッションでは、複数組のピストン及びシリンダと、シリンダ内でピストンを周期的に摺動させるカムと、ピストンの往復運動のタイミングに合わせて開閉される高圧弁及び低圧弁とで油圧ポンプが構成されている。そして、上死点近傍でピストンをラッチすることで、シリンダとピストンで囲まれる作動室（ワーキングチャンバ）を非作動状態として、油圧ポンプの押しのけ容積を変化させるようになっている。
【０００７】
また可変容量型の油圧ポンプ及び油圧モータを用いたものではないが、特許文献３には、油圧ポンプから油圧モータに供給される作動油の圧力を調節して、発電機の回転数を一定に維持するようにした風力発電装置が記載されている。この風力発電装置では、油圧ポンプの吐出側が、高圧タンクとしてのタワー内部空間を介して油圧モータの吸込側と接続されており、油圧ポンプの吸込側が、タワー下部に設けた低圧タンクを介して油圧モータの吐出側と接続されている。そして、高圧タンクと油圧モータとの間には比例弁が設けられており、この比例弁によって油圧モータに供給する作動油の圧力を調節できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００３２９５９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００４０４７０号明細書
【特許文献３】米国特許第７４３６０８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、風力発電装置は、発電効率向上のため大型化が進む傾向にあり、ブレードの先端周速度は今後ますます大きくなる。そして、ブレードの先端周速度が大きくなると、騒音（ブレードの風切り音）や、野鳥がブレードにぶつかるバードストライクが問題になりうる。また、ロータの回転数が高いと、軸受の摩擦熱による温度上昇の問題も無視できなくなる。ところが、特許文献１〜３には、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が何ら開示されていない。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策を施した風力発電装置及びその運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る風力発電装置は、ハブと、前記ハブに連結されたメインシャフトと、前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路と、前記油圧ポンプの押しのけ容積を調節するポンプ制御部および前記油圧モータの押しのけ容積を調節するモータ制御部とを有する制御ユニットと、通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを切り替える運転モード選択手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この風力発電装置によれば、運転モード選択手段によって、通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
【００１３】
上記風力発電装置において、前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きくてもよい。また、前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であってもよい。また、前記運転モード選択手段は、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択してもよい。
このように、通常運転モードよりも油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きく、発電機の定格出力が通常運転モードと同等である低回転速度運転モードを用いれば、低回転速度運転モードは、通常運転モードに比べてメインシャフトの定格回転数の設定値が低いものの、通常運転モードと同等の発電機の定格出力を得ることができる。よって、このような低回転速度運転モードの採用により、発電機の定格出力を減ずることなく、メインシャフトの定格回転数を低くすることができる。
【００１４】
なお、本明細書において、「環境条件」とは、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策の必要性に影響を与える、風力発電装置を取りまく時間的・地理的な条件をいう。例えば、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯にあるか、風力発電装置の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上であるか、メインシャフトを支持する軸受の温度が許容範囲に収まっているか等が環境条件に含まれる。
【００１５】
上記風力発電装置において、前記ポンプ制御部は、前記運転モード選択手段によって前記通常運転モード及び前記低回転速度運転モードのいずれが選択される場合であっても、前記メインシャフトの回転数が定格回転数以下のときに、パワー係数が最大となる前記油圧ポンプの目標トルクを求め、該目標トルク及び前記高圧油流路における作動油の圧力から前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを決定することが好ましい。
【００１６】
このように、いずれの運転モードが選択される場合であっても、メインシャフトの回転数が定格回転数以下のとき、ポンプ制御部によって、パワー係数が最大となる油圧ポンプの目標トルクを求め、該目標トルク及び高圧油流路における作動油の圧力から油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプの制御を行うことで、発電効率を向上させることができる。
【００１７】
この場合、上記風力発電装置は、前記メインシャフトの回転数を計測する回転数計をさらに備え、前記ポンプ制御部は、前記回転数計により計測された前記メインシャフトの回転数に基づいて、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めてもよい。
【００１８】
あるいは、上記風力発電装置は、風速を計測する風速計をさらに備え、前記ポンプ制御部は、前記風速計により計測された風速から、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めてもよい。
【００１９】
また、上記風力発電装置において、前記モータ制御部は、前記押しのけ容積Ｄｐから求めた前記油圧ポンプの吐出量Ｑｐに基づいて前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを決定することが好ましい。
【００２０】
これにより、油圧ポンプの目標トルクが変わっても、発電機の回転数を一定に維持できる。よって、発電機において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【００２１】
この場合、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータは、それぞれ、シリンダおよび該シリンダ内を摺動するピストンにより囲まれる複数の油圧室と、前記ピストンに係合するカム曲面を有するカムと、各油圧室及び前記高圧油流路の間の連通路を開閉する高圧弁と、各油圧室及び前記低圧油流路の間の連通路を開閉する低圧弁とを含み、前記ポンプ制御部は、前記油圧ポンプのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧ポンプの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧ポンプの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを調節し、前記モータ制御部は、前記油圧モータのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧モータの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧モータの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを調節することが好ましい。
【００２２】
油圧ポンプ及び油圧モータの油圧室の状態（非作動状態又は作動状態）は、ピストンの上下動のサイクルごとに選択できるから、全油圧室に対する非作動油圧室の割合を変更することで、油圧ポンプ及び油圧モータの押しのけ容積を迅速に変化させることができる。
【００２３】
また、前記油圧ポンプのカムは、前記メインシャフトの外周に環状に設けられ、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムであり、前記油圧モータのカムは偏心カムであることが好ましい。
【００２４】
典型的な風力発電装置では、ロータの回転数が数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ程度であるのに対し、発電機の定格回転数が１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍである。この場合、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションにおいて、ロータの回転数を１００倍程度増速して発電機に伝達する必要がある。ここで、油圧トランスミッションの増速比は、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐの油圧モータの押しのけ容積Ｄｍに対する比で定まるから、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを油圧モータの押しのけ容積Ｄｍの１００倍程度に設定しなければならない。しかし、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐは、シリンダ一個当たりの容積を大きくしたり、シリンダの個数を増やすことで、増大させることができるが、油圧ポンプの大型化を招く。
そこで、油圧ポンプのカムを、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムとすることで、メインシャフトが一回転する間に油圧ポンプの各ピストンを何度も上下動させて、油圧ポンプを大型化することなく、油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを増大させることができる。一方、油圧モータのカムを、油圧モータの出力軸の軸中心から偏心して設けられた偏心カムとすることで、油圧ポンプに比べて油圧モータの押しのけ容積Ｄｍが小さくなり、高い増速比の油圧トランスミッションを実現できる。
【００２５】
上記風力発電装置は、前記ハブに取り付けられたブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構をさらに備え、前記制御ユニットは、前記発電機の出力が定格出力に達したとき、前記発電機の定格出力が維持されるように前記ピッチ駆動機構を制御することが好ましい。
【００２６】
これにより、定格風速以上かつカットアウト風速未満の風を受けて発電を行う定格運転時において、一定の出力（定格出力）の電力を発電機から得ることができる。
なお、定格風速とは、発電機から定格出力を得るために必要な風速であり、カットアウト風速とは、風力発電装置の安全を確保するために発電を停止する風速である。例えば、定格風速を約１０ｍ／ｓとし、カットアウト風速を２５ｍ／ｓ程度に設定してもよい。
【００２７】
本発明に係る風力発電装置の運転制御方法は、ハブと、前記ハブに連結されたメインシャフトと、前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路とを備える風力発電装置の運転制御方法であって、通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを選択するモード選択ステップと、
前記モード選択ステップにおいて選択された運転モードに基づいて、前記油圧ポンプおよび前記油圧モータの押しのけ容積を調節する押しのけ容積調節ステップとを備えることを特徴とする。
【００２８】
この風力発電装置の運転制御方法によれば、通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
【００２９】
上記風力発電装置の運転制御方法において、前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きくてもよい。また、前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であってもよい。また、前記モード選択ステップでは、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択してもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】風力発電装置の構成例を示す図である。
【図２】ピッチ駆動機構の構成を示す図である。
【図３】油圧ポンプの具体的な構成を示す図である。
【図４】油圧モータの具体的な構成を示す図である。
【図５】風力発電装置の運転制御方法を示すフローチャートである。
【図６】発電機出力とメインシャフトの回転数とに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。
【図７】発電機出力とパワー係数Ｃｐとに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３３】
まず、本実施形態に係る風力発電装置の全体構成について説明する。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、本実施形態は、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。
【００３４】
図１は、風力発電装置の構成例を示す図である。図２は、風力発電装置のピッチ駆動機構の構成を示す図である。
【００３５】
図１に示すように、風力発電装置１は、主として、風を受けて回転するロータ２と、ロータ２の回転を増速する油圧トランスミッション１０と、電力を発生させる発電機２０と、ナセル２２と、ナセル２２を支持するタワー２４と、風力発電装置１の各部を制御する制御ユニット３０とを備える。
【００３６】
ロータ２は、ブレード４が取り付けられたハブ６にメインシャフト８が連結された構成を有する。すなわち、３枚のブレード４がハブ６を中心として放射状に延びており、それぞれのブレード４が、メインシャフト８と連結されたハブ６に取り付けられている。これにより、ブレード４が受けた風の力によってロータ２全体が回転し、メインシャフト８を介して油圧トランスミッション１０に回転が入力される。なお、メインシャフト８の回転数は、回転数計２６によって計測されて、制御ユニット３０による制御に用いられる。
【００３７】
ハブ６内には、図２に示すピッチ駆動機構４０が収納されている。ピッチ駆動機構４０は、油圧シリンダ４２、サーボバルブ４４、油圧源４６及びアキュムレータ４８とにより構成される。サーボバルブ４４は、ピッチ制御部３６による制御下で、ブレード４のピッチ角が所望の値となるように、油圧源４６により生成された高圧油およびアキュムレータ４８に蓄えられた高圧油の油圧シリンダ４２への供給量を調節する。
【００３８】
図１に示す油圧トランスミッション１０は、メインシャフト８に従動して駆動する容量可変型の油圧ポンプ１２と、発電機２０に接続された容量可変型の油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２と油圧モータ１４との間に設けられた高圧油流路１６及び低圧油流路１８を有する。
【００３９】
油圧ポンプ１２の吐出側は、高圧油流路１６によって油圧モータ１４の吸込側に接続されており、油圧ポンプ１２の吸込側は、低圧油流路１８によって油圧モータ１４の吐出側に接続されている。油圧ポンプ１２から吐出された作動油（高圧油）は、高圧油流路１６を介して油圧モータ１４に流入し、油圧モータ１４を駆動する。油圧モータ１４で仕事を行った作動油（低圧油）は、低圧油流路１８を介して油圧ポンプ１２に流入して、油圧ポンプ１２で昇圧された後、再び高圧油流路１６を介して油圧モータ１４に流入する。油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の具体的な構成については、後述する。
なお、高圧油流路１６の圧力は、圧力センサー２８によって計測されて、制御ユニット３０による制御に用いられる。
【００４０】
発電機２０は、油圧モータ１４の出力軸１５に連結されており、油圧モータ１４から入力されるトルクによって発電を行う。発電機２０は、公知の同期発電機又は誘導発電機を用いることができる。なかでも、発電機２０を電力系統に連系する場合、発電機２０として同期発電機を用いることが好ましい。風力発電装置１では油圧トランスミッション１０の制御によって発電機２０の回転数を一定に維持できるため、発電機２０として同期発電機を用いて、トランスを介して同期発電機２０から電力系統に電力を直接供給することができ（ＡＣリンク方式）、可変速運転を実現するための高価なインバータが不要になるからである。
【００４１】
ナセル２２は、ロータ２のハブ６を回転自在に支持するとともに、その内部に油圧トランスミッション１０や発電機２０等の各種機器を収納している。なお、ナセル２２をタワー２４に回転自在に支持し、ヨーモータ（不図示）を用いて、風向きに応じてナセル２２を旋回させるようにしてもよい。
【００４２】
制御ユニット３０は、油圧ポンプ１２を制御するポンプ制御部３２と、油圧モータ１４を制御するモータ制御部３４と、風力発電装置１の運転モードを選択する運転モード選択手段３８とを有する。
制御ユニット３０の一つ以上のコンポーネント３２〜３８は、ナセル２２の内部又は外部の異なる場所に存在し、制御ユニット３０が分散型の制御システムを構築していてもよい。
【００４３】
ポンプ制御部３２は、メインシャフト８の回転数が定格回転数以下であるとき、パワー係数が最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクを求め、該目標トルク及び高圧油流路１６内の圧力から油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定する。一方、モータ制御部３４は、油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐから求めた油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定する。
【００４４】
ピッチ制御部３６は、発電機２０の出力が定格出力に達したとき、発電機２０の定格出力が維持されるようにピッチ駆動機構４０のサーボバルブ４４を制御して、ブレード４のピッチ角をフェザー側に変化させる。これにより、定格風速以上かつカットアウト風速未満の風を受けて発電を行う定格運転時において、一定の出力（定格出力）の電力を発電機２０から得ることができる。なお、定格風速とは、発電機２０から定格出力を得るために必要な風速であり、カットアウト風速とは、風力発電装置１の安全を確保するために発電を停止する風速である。例えば、定格風速を約１０ｍ／ｓとし、カットアウト風速を２５ｍ／ｓ程度に設定してもよい。
【００４５】
運転モード選択手段３８は、環境条件に応じて、通常運転モード及び低回転速度運転モードのいずれか一方を選択する。低回転速度運転モードは、通常運転モードに比べて、メインシャフト８の定格回転数の設定値が低く、油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値が大きい。一方、低回転速度運転モードにおける発電機２０の定格出力は、同運転モードにおけるメインシャフト８の回転数が低い分だけ油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積が大きいため、通常運転モードと同等である。よって、いずれの運転モードを選択しても、定格運転時に発電機２０から得られる電力の大きさは同等である。
【００４６】
環境条件としては、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯にあるか、風力発電装置１の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上であるか、メインシャフト８を支持する軸受の温度が許容範囲に収まっているか等が挙げられる。
すなわち、運転モード選択手段３８は、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯である場合や、風力発電装置の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上にあり且つ渡り鳥が飛来する季節である場合や、メインシャフト８を支持する軸受の温度が許容範囲を超えた場合に、低回転速度運転モードを選択する。
【００４７】
次に、風力発電装置１の油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の具体的な構成について説明する。図３は、油圧ポンプ１２の構成例を示す図である。図４は、油圧モータ１４の構成例を示す図である。
【００４８】
油圧ポンプ１２は、図３に示すように、シリンダ５０及びピストン５２により形成される複数の油圧室５３と、ピストン５２に係合するカム曲面を有するカム５４と、各油圧室５３に対して設けられる高圧弁５６および低圧弁５８とにより構成される。
【００４９】
ピストン５２は、カム５４のカム曲線に合わせてピストン５２をスムーズに作動させる観点から、シリンダ５０内を摺動するピストン本体部５２Ａと、該ピストン本体部５２Ａに取り付けられ、カム５４のカム曲面に係合するピストンローラー又はピストンシューとで構成することが好ましい。なお図３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。
【００５０】
カム５４は、カム取付台５５を介して、メインシャフト８の外周面に取り付けられている。カム５４は、メインシャフト８が一回転する間に、油圧ポンプ１２の各ピストン５２を何度も上下動させて大きなトルクを得る観点から、複数の凹部５４Ａ及び凸部５４Ｂがメインシャフト８の周りに交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムであることが好ましい。
【００５１】
高圧弁５６は、各油圧室５３と高圧油流路１６との間の高圧連通路５７に設けられる。一方、低圧弁５８は、各油圧室５３と低圧油流路１８との間の低圧連通路５９に設けられる。高圧弁５６及び低圧弁５８は、ポンプ制御部３２によって開閉タイミングが制御される。
【００５２】
ポンプ制御部３２は、油圧室５３のうち、高圧油流路１６に高圧油を吐出しない非作動室については、ピストン５２が下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、高圧弁５６を閉じて低圧弁５８を開いたままの状態を維持する。一方、油圧室５３のうち、高圧油流路１６に高圧油を吐出する作動室については、ピストン５２が下死点から上死点に向かうポンプ工程に高圧弁５６が開かれて低圧弁５８が閉じられ、ピストン５２が上死点から下死点に向かう吸入工程に高圧弁５６が閉じられて低圧弁５８が開かれる。
ポンプ制御部３２は、全油圧室５３に対する非作動室の割合を変化させて、油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを調節する。
【００５３】
なお、ここでは、高圧弁５６及び低圧弁５８の両方がポンプ制御部３２によって開閉制御される例を説明したが、高圧油流路１６に向かう作動油の流れのみを許容する逆止弁で高圧弁５６を構成してもよい。この場合、油圧ポンプ１２のピストン５２が下死点から上死点に向かう間に、油圧室５３内の作動油が圧縮されて、油圧室５３内の圧力が高圧油流路１６内の圧力よりも高くなると自動的に高圧弁５６が開くので、高圧弁５６の制御を積極的に行う必要がない。
【００５４】
油圧モータ１４は、図４に示すように、シリンダ６０及びピストン６２により形成される複数の油圧室６３と、ピストン６２に係合するカム曲面を有するカム６４と、各油圧室６３に対して設けられた高圧弁６６および低圧弁６８とにより構成される。
【００５５】
ピストン６２は、ピストン６２の上下動をカム６４の回転運動にスムーズに変換する観点から、シリンダ６０内を摺動するピストン本体部６２Ａと、該ピストン本体部６２Ａに取り付けられ、カム６４のカム曲面に係合するピストンローラー又はピストンシューとで構成することが好ましい。なお図４には、ピストン６２がピストン本体部６２Ａとピストンローラー６２Ｂとからなる例を示した。
【００５６】
カム６４は、発電機２０に接続される油圧モータ１４の出力軸（クランクシャフト）１５の軸中心Ｏから偏心して設けられた偏心カムである。ピストン６２が上下動を一回行う間に、カム６４及びカム６４が取り付けられた出力軸１５は一回転するようになっている。
このように、油圧ポンプ１２のカム５４を上記リングカムとする一方で、油圧モータ１４のカム６４を偏心カムとすることで、油圧ポンプ１２に比べて油圧モータ１４の押しのけ容積が小さくなり、高い増速比の油圧トランスミッション１０を実現できる。
【００５７】
高圧弁６６は、各油圧室６３と高圧油流路１６との間の高圧連通路６７に設けられる。一方、低圧弁６８は、各油圧室６３と低圧油流路１８との間の低圧連通路６９に設けられる。高圧弁６６及び低圧弁６８は、モータ制御部３４によって開閉タイミングが制御される。
【００５８】
モータ制御部３４は、油圧室６３のうち、高圧油流路１６から高圧油を受け取らない非作動室について、ピストン６２が下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、高圧弁６６を閉じて低圧弁６８を開いたままの状態を維持する。一方、油圧室６３のうち、高圧油流路１６から高圧油を受け取る作動室については、ピストン６２が上死点から下死点に向かうモータ工程に高圧弁６６が開かれて低圧弁６８が閉じられ、ピストン６２が下死点から上死点に向かう排出工程に高圧弁６６が閉じられて低圧弁６８が開かれる。
モータ制御部３４は、全油圧室６３に対する非作動室の割合を変化させて、油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを調節する。
【００５９】
次に、制御ユニット３０による風力発電装置１の運転制御方法について説明する。図５は、風力発電装置１の運転制御方法を示すフローチャートである。
【００６０】
最初に、図５に示すように、運転モード選択手段３８によって、環境条件に応じて、通常運転モード及び低回転速度運転モードのいずれか一方が選択される（ステップＳ２）。例えば、運転モード選択手段３８は、騒音が規制される夜間等の所定の時間帯である場合や、風力発電装置の設置場所が渡り鳥の飛来ルート上にあり且つ渡り鳥が飛来する季節である場合や、メインシャフト８を支持する軸受の温度が許容範囲を超えた場合に、低回転速度運転モードを選択し、それ以外の場合に通常運転モードを選択する。
【００６１】
ステップＳ４では、いずれの運転モードが選択されたのか判断される。そして、通常運転モードが選択されている場合には、ステップＳ１０〜Ｓ３０の通常運転制御を行う。一方、低回転速度運転モードが選択されている場合には、ステップＳ４０〜Ｓ６８の低回転速度運転制御を行う。
【００６２】
［通常運転制御について］
通常運転制御では、まず、発電機２０の出力が定格出力に達したかが判断される（ステップＳ１０）。発電機２０の出力が既に定格出力に達している場合、ステップＳ１２において、ピッチ駆動機構４０のサーボバルブ４４がピッチ制御部３６によって制御され、発電機２０の出力が定格出力となるようにブレード４のピッチ角が調節される。そして、ステップＳ１４において、発電機２０の出力と定格出力との偏差が許容範囲内であるか判断され、この偏差が許容範囲内でなければ、ステップＳ１２に戻って再びブレード４のピッチ角が調節される。
【００６３】
一方、発電機２０の出力が定格出力に達していない場合（ステップＳ１０のＮＯ判定）、ステップＳ１６に進み、回転数計２６によってメインシャフト８の回転数ｎが計測される。この回転数ｎに基づいて、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔがポンプ制御部３２によって決定される（ステップＳ１８）。例えば、メインシャフト８の回転数と油圧ポンプ１２の目標トルクとの関係が予め設定されたテーブルを用いて、回転数計２６によって計測されたメインシャフト８の回転数ｎに対応する油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔを決定してもよい。
また、ステップＳ２０において、高圧油流路１６内の圧力ＰＨが圧力センサー２８によって計測される。
【００６４】
この後、ステップＳ２２において、油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６内の圧力ＰＨから、下記式（１）に従って、油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐがポンプ制御部３２によって決定される。
（数１）
押しのけ容積Ｄｐ＝目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ／圧力ＰＨ （１）
【００６５】
ステップＳ２２において油圧ポンプ１２の押しのけ容積を決定した後、下記式（２）に従って、ステップＳ２４に進んで、押しのけ容積Ｄｐから油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐがポンプ制御部３２によって求められる。
（数２）
吐出量Ｑｐ＝押しのけ容積Ｄｐ×回転数ｎ （２）
【００６６】
続いて、ステップＳ２６において、発電機２０の回転数が一定に維持されるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍがモータ制御部３４によって決定される。すなわち、モータ制御部３４は、下記式（３）により、発電機２０の回転数が所定の値（例えば、１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍ）になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定する。
（数３）
押しのけ容積Ｄｍ＝吐出量Ｑｐ／発電機２０の回転数ｎｇ （３）
【００６７】
この後、ステップＳ２８において、ポンプ制御部３２は、下記式（４）に従って、油圧ポンプ１２の押しのけ容積がＤｐになるように油圧ポンプ１２の作動室の数を変化させる。
（数４）
押しのけ容積Ｄｐ＝ｍ×Ｖｐ×Ｆｄｐ （４）
（ただし、ｍはカム５４の凹凸の個数であり、Ｖｐは全シリンダ５０の合計容積であり、Ｆｄｐは全油圧室５３に対する作動室の割合である。）
同様に、ステップＳ３０において、モータ制御部３４は、下記式（５）に従って、油圧モータ１４の押しのけ容積がＤｍになるように油圧モータ１４の作動室の数を変化させる。
（数５）
押しのけ容積Ｄｍ＝Ｖｍ×Ｆｄｍ （５）
（ただし、Ｖｍは全シリンダ６０の合計容積であり、Ｆｄｍは全油圧室６３に対する作動室の割合である。）
【００６８】
このように、通常運転モードでは、ステップＳ１８，Ｓ２２及びＳ２８において、ポンプ制御部３２によって、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔを求め、該目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６における圧力ＰＨから油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプ１２の制御を行うことで、発電効率を向上させることができる。
また、通常運転モードでは、ステップＳ２６及びＳ３０において、モータ制御部３４によって、油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の制御を行うことで、油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔが変わっても、発電機２０の回転数を一定に維持できる。よって、発電機２０において周波数が一定の電力を発生させることができる。
【００６９】
［低回転速度運転制御について］
低回転速度運転制御では、まず、発電機２０の出力が定格出力に達したかが判断される（ステップＳ４０）。発電機２０の出力が定格出力に達している場合、ステップＳ４２において、ピッチ駆動機構４０のサーボバルブ４４がピッチ制御部３６によって制御され、発電機２０の出力が定格出力となるようにブレード４のピッチ角が調節される。そして、ステップＳ４４において、発電機２０の出力と定格出力との偏差が許容範囲内であるか判断され、この偏差が許容範囲内でなければ、ステップＳ４２に戻って再びブレード４のピッチ角が調節される。
【００７０】
一方、発電機２０の出力が定格出力に達していない場合（ステップＳ４０のＮＯ判定）、回転数計２６によってメインシャフト８の回転数ｎが計測され（ステップＳ４６）、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２（＜ｎ１）に達したか否かが判断される（ステップＳ４８）。ただし、ｎ１は通常運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数であり、ｎ２は低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数である。
【００７１】
ステップＳ４８においてメインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２以下であると判定されると、ステップＳ５０に進んで、ステップＳ４６で計測したメインシャフト８の回転数ｎに基づいて、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔがポンプ制御部３２によって決定される。
この後、ステップＳ５２〜Ｓ６２において、ポンプ制御部３２によって、目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６における圧力ＰＨから油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプ１２の制御を行うとともに、モータ制御部３４によって、油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の制御を行う。なお、ステップＳ５２〜Ｓ６２は、上記通常運転制御におけるステップＳ２０〜Ｓ３０と共通するから、ここではその詳細説明を省略する。
【００７２】
これに対し、ステップＳ４８においてメインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２に達した（定格回転数ｎ２を超えた）と判定されると、ステップＳ６４に進んで、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２になるように油圧ポンプ１２の作動室の数をポンプ制御部３２によって調節する。具体的には、油圧ポンプ１２の作動室の数を増やして、油圧ポンプ１２を駆動するのに必要なトルクを増大させて、メインシャフト８の回転数ｎを定格回転数ｎ２まで低減する。
【００７３】
この後、回転数計２６によってメインシャフト８の回転数ｎを再度計測し（ステップＳ６６）、メインシャフト８の回転数ｎと定格回転数ｎ２との偏差が許容範囲内であるか判定される（ステップＳ６８）。そして、メインシャフト８の回転数ｎと定格回転数ｎ２との偏差が許容範囲内でなければ、ステップＳ６４に戻って、油圧ポンプ１２の作動室の数がポンプ制御部３２によって再び調節される。
【００７４】
このように、通常運転モードの場合と同様に、低回転速度運転モードにおいても、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２以下であれば、ステップＳ５０，Ｓ５４及びＳ６０において、ポンプ制御部３２によって、パワー係数Ｃｐが最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔを求め、該目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及び高圧油流路１６における圧力ＰＨから油圧ポンプ１２の押しのけ容積Ｄｐを決定し、油圧ポンプ１２の制御を行うので、発電効率を向上させることができる。
また、ステップＳ５８及びＳ６２において、モータ制御部３４によって、油圧ポンプ１２の吐出量Ｑｐに基づいて発電機２０の回転数が一定になるように油圧モータ１４の押しのけ容積Ｄｍを決定し、油圧モータ１４の制御を行うことで、油圧ポンプ１２の目標トルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔが変わっても、発電機２０の回転数を一定に維持できる。
【００７５】
また、低回転速度運転モードでは、メインシャフト８の回転数ｎが定格回転数ｎ２を超えた場合には、ステップＳ６４において油圧ポンプ１２の作動室の数を増やすことによって、通常運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数ｎ１よりも低い定格回転数ｎ２にメインシャフト８の回転数を維持できる。
【００７６】
［実施例］
上述の運転制御方法についてシミュレーションを行った。計算条件は、通常運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数ｎ１を１２ｒｐｍ（ブレード４の先端周速度が７９ｍ／ｓ）、低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の定格回転数ｎ２を１０．５ｒｐｍ（ブレード４の先端周速度が６９ｍ／ｓ）、発電機２０の定格出力を３．５ＭＷ、カットイン風速を３．５ｍ／ｓとした。
【００７７】
図６は、発電機２０の出力とメインシャフト８の回転数とに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。図７は、発電機２０の出力とパワー係数Ｃｐとに関する通常運転モードと低回転速度運転モードとの比較結果を示すグラフである。
【００７８】
図６から分かるように、風速が約８．７ｍ／ｓ以下の場合、通常運転モードと低回転速度運転モードとに違いはない。いずれの運転モードであっても、パワー係数Ｃｐが最大かつ発電機２０の回転数が一定となるように油圧トランスミッション１０の制御（図５のステップＳ１６〜Ｓ３０及びステップＳ５０〜Ｓ６２）が行われる。このため、風速の増大とともに発電機２０の出力が大きくなっていく様子、および、風速の増大とともにメインシャフト８の回転数が上昇する様子は、両運転モードで共通する。
しかし、風速が８．７ｍ／ｓ付近になると、低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の回転数が定格回転数ｎ２（１０．５ｒｐｍ）に達するので、これ以降、両運転モードの発電機２０の出力に若干の差異が生ずる。これは、通常運転モードでは、パワー係数Ｃｐが最大かつ発電機２０の回転数が一定となる油圧トランスミッション１０の制御が引き続き行われるのに対し、低回転速度運転モードでは、メインシャフト８の回転数を一定に維持するために油圧ポンプ１２のトルクを大きくする制御（図５のステップＳ６４〜Ｓ６８）が行われるからである。
そして、風速が１０．５ｍ／ｓ付近になると、両運転モードにおける発電機２０の出力が定格出力（３．５ＭＷ）に達するので、いずれの運転モードであっても、ブレード４のピッチ角を変化させて発電機２０の出力を定格出力に維持する制御（図５のステップＳ１２〜Ｓ１４及びステップＳ４２〜Ｓ４４）が行われる。このため、いずれの運転モードにおいても、発電機２０の出力は定格出力になっている。
【００７９】
図７から分かるように、風速がカットイン風速（３．５ｍ／ｓ）を超えると、両運転モードともに、パワー係数Ｃｐが急激に立ち上がって最大になる。この傾向は、低回転速度運転モードにおけるメインシャフト８の回転数が定格回転数ｎ２（１０．５ｒｐｍ）に達する風速８．７ｍ／ｓ付近まで続く。
風速が８．５ｍ／ｓ付近になると、パワー係数Ｃｐが最大かつ発電機２０の回転数が一定となる油圧トランスミッション１０の制御（図５のステップＳ１６〜Ｓ３０）が引き続き行われるのに対し、低回転速度運転モードでは、メインシャフト８の回転数を一定に維持するために油圧ポンプ１２のトルクを大きくする制御（図５のステップＳ６４〜Ｓ６８）が行われるので、両運転モードのパワー係数に若干の差異が生ずる。
両運転モードにおける発電機２０の出力が定格出力（３．５ＭＷ）に達する風速１０．５ｍ／ｓ付近になると、両運転モードともに、ブレード４のピッチ角を変化させて発電機２０の出力を定格出力に維持する制御（図５のステップＳ１２〜Ｓ１４及びステップＳ４２〜Ｓ４４）が行われ、風の一部を逃すため、パワー係数Ｃｐは減少する。
【００８０】
このように、上述の運転制御方法によれば、通常運転モードから低回転速度運転モードに切り替えることで、風速約８．７〜１０．５ｍ／ｓにおいて若干の発電機２０の出力の低下およびパワー係数Ｃｐの低下が生ずるものの、殆どの風速域において発電効率を損なうことなく、定格回転数を１２ｒｐｍ（先端周速度７９ｍ／ｓ）から１０．５ｒｐｍ（先端周速度６９ｍ／ｓ）に低減できることが明らかになった。
【００８１】
以上説明したように、上述の実施形態では、運転モード選択手段３８によって、環境条件に応じて通常運転モード又はメインシャフトの定格回転数の低い低回転速度運転モードを選択するようにしたので、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱への対策が必要である場合には低回転速度運転モードを選択して、騒音やバードストライクや軸受の摩擦熱の問題に対応できる。
また、低回転速度運転モードは、通常運転モードに比べて、メインシャフト８の定格回転数の設定値が低いものの、油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値が大きいので、通常運転モードと同等の発電機２０の定格出力を得ることができる。よって、低回転速度運転モードの採用により、発電機２０の定格出力を減ずることなく、メインシャフト８の定格回転数を低くすることができる。
【００８２】
以上、本発明の実施形態の一例について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００８３】
例えば、上述とは別の実施形態では、（高圧油流路１６の定格圧力又は油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積に起因する）油圧ポンプ１２の定格トルクは低回転速度運転モードと通常運転モードとで同等であってもよい。この場合、低回転速度運転モードの定格回転数よりも高い回転数において（（それを超えるといずれにせよトルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及びパワー係数Ｃｐが低減される）通常運転モードの定格回転数よりも低い回転数において）、ブレード４のピッチ角を調節してトルクＴｐ_ｔａｒｇｅｔ及びパワー係数Ｃｐを減少させる。このように、上述とは別の実施形態では、風力発電装置の定格出力は、通常運転モードよりも低回転速度運転モードの方が小さくなってもよい。
【００８４】
例えば、上述の実施形態では、回転数計２６で計測したメインシャフト８の回転数ｎに基づいて、パワー係数が最大となる油圧ポンプ１２の目標トルクを求める例について説明したが、風速計で計測した風速Ｖに基づいて油圧ポンプ１２の目標トルクを求めてもよい。この場合、各風力発電装置１に対して一つずつ風速計を設けてもよいし（例えば、ナセル２２に風速計を取り付けてもよい）、複数の風力発電装置１で一つの風速計を共用してもよい。
【００８５】
また、上述の実施形態では、全油圧室（５３，６３）に対する非作動室の割合を変化させて、油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４の押しのけ容積を調節する例について説明したが、ピストンサイクル中に高圧弁（５６，６６）が開く時間を変化させて油圧ポンプ１２又は油圧モータ１４の押しのけ容積を調節してもよい。
【００８６】
また、上述の実施形態では、低回転速度運転モードの油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値が大きい例について説明したが、低回転速度運転モードは、メインシャフト８の定格回転数の設定値が通常運転モードよりも低く、かつ、発電機２０の定格出力が通常運転モードと同等であれば、この例に限定されない。
例えば、メインシャフト８の定格回転数の設定値が通常運転モードよりも低い分だけ、低回転速度運転モードにおける高圧油流路１６の定格圧力の設定値を高くして（すなわち、メインシャフト８の定格回転数に反比例させて、高圧油流路１６の定格圧力の設定値を高くする）、通常運転モードと同等の発電機２０の定格出力を実現してもよい。あるいは、メインシャフト８の定格回転数の設定値が通常運転モードよりも低い分だけ、低回転速度運転モードにおける油圧ポンプ１２の定格押しのけ容積の設定値及び高圧油流路１６の定格圧力の設定値の両方を通常運転モードよりも大きくしてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１ 風力発電装置
２ ロータ
４ ブレード
６ ハブ
８ メインシャフト
１０ 油圧トランスミッション
１２ 油圧ポンプ
１４ 油圧モータ
１５ 出力軸
１６ 高圧油流路
１８ 低圧油流路
２０ 発電機
２２ ナセル
２４ タワー
２６ 回転数計
２８ 圧力センサー
３０ 制御ユニット
３２ ポンプ制御部
３４ モータ制御部
３６ ピッチ制御部
３８ 運転モード選択手段
４０ ピッチ駆動機構
４２ 油圧シリンダ
４４ サーボバルブ
４６ 油圧源
４８ アキュムレータ
５０ シリンダ
５２ ピストン
５２Ａ ピストン本体部
５２Ｂ ピストンローラー
５３ 油圧室
５４ カム
５６ 高圧弁
５７ 高圧連通路
５８ 低圧弁
５９ 低圧連通路
６０ シリンダ
６２ ピストン
６２Ａ ピストン本体部
６２Ｂ ピストンローラー
６３ 油圧室
６４ カム
６６ 高圧弁
６７ 高圧連通路
６８ 低圧弁
６９ 低圧連通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブと、
前記ハブに連結されたメインシャフトと、
前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、
前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、
前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、
前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、
前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路と、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を調節するポンプ制御部および前記油圧モータの押しのけ容積を調節するモータ制御部とを有する制御ユニットと、
通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを切り替える運転モード選択手段とを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記運転モード選択手段は、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記ポンプ制御部は、前記運転モード選択手段によって前記通常運転モード及び前記低回転速度運転モードのいずれが選択される場合であっても、前記メインシャフトの回転数が定格回転数以下のときに、パワー係数が最大となる前記油圧ポンプの目標トルクを求め、該目標トルク及び前記高圧油流路における作動油の圧力から前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを決定することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記メインシャフトの回転数を計測する回転数計をさらに備え、
前記ポンプ制御部は、前記回転数計により計測された前記メインシャフトの回転数に基づいて、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めることを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
風速を計測する風速計をさらに備え、
前記ポンプ制御部は、前記風速計により計測された風速から、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めることを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記モータ制御部は、前記押しのけ容積Ｄｐから求めた前記油圧ポンプの吐出量Ｑｐに基づいて前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを決定することを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータは、それぞれ、シリンダおよび該シリンダ内を摺動するピストンにより囲まれる複数の油圧室と、前記ピストンに係合するカム曲面を有するカムと、各油圧室及び前記高圧油流路の間の連通路を開閉する高圧弁と、各油圧室及び前記低圧油流路の間の連通路を開閉する低圧弁とを含み、
前記ポンプ制御部は、前記油圧ポンプのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧ポンプの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧ポンプの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを調節し、
前記モータ制御部は、前記油圧モータのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧モータの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧モータの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを調節することを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記油圧ポンプのカムは、前記メインシャフトの外周に環状に設けられ、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムであり、
前記油圧モータのカムは偏心カムであることを特徴とする請求項９に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記ハブに取り付けられたブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記発電機の出力が定格出力に達したとき、前記発電機の定格出力が維持されるように前記ピッチ駆動機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項１２】
ハブと、前記ハブに連結されたメインシャフトと、前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路とを備える風力発電装置の運転制御方法であって、
通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを選択するモード選択ステップと、
前記モード選択ステップにおいて選択された運転モードに基づいて、前記油圧ポンプおよび前記油圧モータの押しのけ容積を調節する押しのけ容積調節ステップとを備えることを特徴とする風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１３】
前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きいことを特徴とする請求項１２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１４】
前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であることを特徴とする請求項１２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１５】
前記モード選択ステップでは、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択することを特徴とする請求項１２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１】
ハブと、
前記ハブに連結されたメインシャフトと、
前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、
前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、
前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、
前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、
前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路と、
前記油圧ポンプの押しのけ容積を調節するポンプ制御部および前記油圧モータの押しのけ容積を調節するモータ制御部とを有する制御ユニットと、
通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを切り替える運転モード選択手段とを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記運転モード選択手段は、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記ポンプ制御部は、前記運転モード選択手段によって前記通常運転モード及び前記低回転速度運転モードのいずれが選択される場合であっても、前記メインシャフトの回転数が定格回転数以下のときに、パワー係数が最大となる前記油圧ポンプの目標トルクを求め、該目標トルク及び前記高圧油流路における作動油の圧力から前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを決定することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記メインシャフトの回転数を計測する回転数計をさらに備え、
前記ポンプ制御部は、前記回転数計により計測された前記メインシャフトの回転数に基づいて、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めることを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
風速を計測する風速計をさらに備え、
前記ポンプ制御部は、前記風速計により計測された風速から、パワー係数が最大となる前記目標トルクを求めることを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記モータ制御部は、前記押しのけ容積Ｄｐから求めた前記油圧ポンプの吐出量Ｑｐに基づいて前記発電機の回転数が一定になるように前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを決定することを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータは、それぞれ、シリンダおよび該シリンダ内を摺動するピストンにより囲まれる複数の油圧室と、前記ピストンに係合するカム曲面を有するカムと、各油圧室及び前記高圧油流路の間の連通路を開閉する高圧弁と、各油圧室及び前記低圧油流路の間の連通路を開閉する低圧弁とを含み、
前記ポンプ制御部は、前記油圧ポンプのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧ポンプの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧ポンプの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧ポンプの押しのけ容積Ｄｐを調節し、
前記モータ制御部は、前記油圧モータのピストンがカムによって下死点から上死点を経て再び下死点に戻るサイクルの間、前記油圧モータの高圧弁を閉じて低圧弁を開いたままの状態を維持する非作動油圧室の前記油圧モータの全油圧室に対する割合を変化させて、前記油圧モータの押しのけ容積Ｄｍを調節することを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
前記油圧ポンプのカムは、前記メインシャフトの外周に環状に設けられ、複数の凹部及び凸部が交互に並んだ波状のカム曲面を有するリングカムであり、
前記油圧モータのカムは偏心カムであることを特徴とする請求項９に記載の風力発電装置。
【請求項１１】
前記ハブに取り付けられたブレードのピッチ角を調節するピッチ駆動機構をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記発電機の出力が定格出力に達したとき、前記発電機の定格出力が維持されるように前記ピッチ駆動機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項１２】
ハブと、前記ハブに連結されたメインシャフトと、前記メインシャフトから伝わる回転エネルギーを電力に変換する発電機と、前記メインシャフトに従動して駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記発電機に接続された可変容量型の油圧モータと、前記油圧ポンプの吐出側および前記油圧モータの吸込側の間に介在された高圧油流路と、前記油圧ポンプの吸込側および前記油圧モータの吐出側の間に介在された低圧油流路とを備える風力発電装置の運転制御方法であって、
通常運転モードと、該通常運転モードよりも、前記メインシャフトの定格回転数の設定値が低い低回転速度運転モードとを選択するモード選択ステップと、
前記モード選択ステップにおいて選択された運転モードに基づいて、前記油圧ポンプおよび前記油圧モータの押しのけ容積を調節する押しのけ容積調節ステップとを備えることを特徴とする風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１３】
前記低回転速度運転モードは、前記通常運転モードよりも、前記油圧ポンプの定格押しのけ容積の設定値及び前記高圧油流路の定格圧力の設定値の少なくとも一方が大きいことを特徴とする請求項１２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１４】
前記低回転速度運転モードは、前記発電機の定格出力が前記通常運転モードと同等であることを特徴とする請求項１２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【請求項１５】
前記モード選択ステップでは、環境条件に応じて前記通常運転モード又は前記低回転速度運転モードを選択することを特徴とする請求項１２に記載の風力発電装置の運転制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１３−５０９５１８（Ｐ２０１３−５０９５１８Ａ）
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４８６８８（Ｐ２０１０−５４８６８８）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／００６９７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０７３２７８
【国際公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／００６９７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０７３２７８
【国際公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]