JP4134582B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市部などでの使用に適した風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、太陽光発電や風力発電等の小規模で環境汚染を伴わない各種のクリーンな発電システムが実用化されている。その中で、導入時の初期コストが比較的安価な風力発電装置が見直されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、都市部などの一般生活環境下で用いられる風力発電装置は、通常の風量において常時翼を回転させることが難しく、また、一旦翼の回転が停止すると、回転を再開することが難しいという問題があった。このため、発電収支が不足しがちになっている。この原因としては、微風あるいは弱風時には風力エネルギそのものが小さいことや、一旦翼の回転が停止した失速状態では、回転を再開する際に比較的大きな駆動トルクが必要になることなどが考えられる。
【０００４】
このような停止した翼の回転を容易にするために、従来は、スタータを用いて翼を風力以外の駆動トルクで回転させたり、軸受け駆動損失を減らして翼が回転しやすくするために強度を犠牲にして翼の軽量化を図ったりしていたが、装置の大型化や装置自体の破損を招くことになるため、実用的な対策とはいえない。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、停止した翼にかかる負担を低減して容易に回転を開始することができる風力発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、翼軸の回転に同期して回転する発電機を有しており、この発電機には、翼軸の回転数が第１の値以上であるときに界磁電流の供給を開始する制御を行う制御手段が備わっている。翼軸の回転数が第１の値以上になるまで界磁電流の供給が停止されるため、停止した翼にかかる発電機による負荷を低減することが可能になり、微風あるいは弱風であっても容易に翼の回転を開始することができる。
【０００７】
また、上述した制御手段は、界磁電流を流した後に翼軸の回転数が、第１の値よりも小さな第２の値以下に低下したときに界磁電流の供給を停止する制御を行うことが望ましい。一旦、翼が回転を開始すると回転を維持することは比較的容易であり、界磁電流の供給を開始した第１の値よりも回転数が低い第２の値以下に低下するまで界磁電流の供給が維持されるため、発電電力をより多く取り出すことが可能になる。
【０００８】
また、上述した発電機は、多相電機子巻線のいずれかの相に現れる電圧に基づいて翼軸の回転数を検出する回転検出手段をさらに備え、制御手段によって一時的な界磁電流の供給を行ったときに、回転検出手段による回転数検出を行うことが望ましい。これにより、簡単な構成によって確実に発電機の回転数を検出することができるとともに、回転数検出のために必要となる負荷を少なくすることができる。
【０００９】
また、風力値を測定する風力計をさらに備えるとともに、上述した制御手段は、風力計によって測定した風力値が所定値を超えたときに、回転検出手段による回転数検出のための一時的な界磁電流の供給を行うことが望ましい。これにより、回転数検出のために界磁電流を供給する回数を減らすことが可能になり、回転数検出のために必要となる負荷を最小限に抑えることができる。
【００１０】
また、上述した翼軸から発電機の回転軸への駆動力の伝達をタイミングベルトで行う動力伝達手段をさらに備えることが望ましい。タイミングベルトを用いることにより、ベルトテンションを下げることができるとともに駆動損失を低減することができる。また、翼軸の回転に対して発電機の回転を確実に同期させることができるため、発電機の回転状態に基づいて翼軸の回転数を正確に検出することが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の風力発電装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の風力発電装置の全体構造の説明図である。また、図２はタイミングプーリの説明図である。図３は、風力発電装置内の発電機の駆動用プーリとベルトの説明図である。
【００１２】
本実施形態の風力発電装置は、翼１００、翼軸１０２、軸承部１０４、発電機１０６、ナセル１０８を備え、鉄塔１１０上に回転自在に設置されている。翼１００は、翼軸１０２の先端部に翼１００が取り付けられており、この翼軸１０２が軸承部１０４によって回転自在に取り付けられている。翼軸１０２の一とこの翼軸１０２を支持する軸承部１０４と発電機１０６がナセル１０８に収容されている。また、このナセル１０８の後方には、風力を測定してこの測定結果をアナログ電圧で出力する風力計１１２が設けられている。例えば、３０秒間の平均風力に対応するアナログ電圧が出力される。
【００１３】
また、例えば、発電機１０６の回転軸１１４には、直径が４７ｍｍで２９歯のタイミングプーリ１１４ａが取り付けられている。翼１００の取付位置と反対側の翼軸１０２の端部には、直径が２３５ｍｍで１４５歯のタイミングプーリ１０２ａが取り付けられている。これら２つのタイミングプーリ１１４ａ、１０２ａは、約１５ｍｍの幅を有するゴム製のタイミングベルト１１６によって連結されている。タイミングベルト１１６を用いた場合のベルトテンションは、ポリＶベルトを用いた場合のベルトテンションの１／３程度に低く設定されている。
【００１４】
次に、発電機１０６の詳細について説明する。図４は、発電機１０６の詳細構成を示す図である。図４に示すように、発電機１０６は、電機子に含まれる３相の電機子巻線１０と、この電機子巻線１０の３相出力を全波整流するために設けられた整流装置１２と、回転子に含まれる界磁巻線１４と、出力電圧の調整等のために界磁電流の制御を行う界磁制御装置２０とを含んで構成されている。
【００１５】
また、界磁制御装置２０は、界磁開始回転制御回路３０、電圧制御回路４０、トランジスタ４２、４４を含んで構成されている。この中で界磁開始回転制御回路３０は、Ｆ／Ｖ変換回路３１、電圧比較器３２、３６、抵抗３３、３４、インバータ回路３５、アンド回路３７、１ショットパルス出力回路３８を含んで構成されている。
【００１６】
Ｆ／Ｖ変換回路３１は、電機子巻線１０を構成するいずれか１相に現れる相電圧波形の周波数を電圧に変換し、相電圧波形の周波数に比例した電圧を電圧比較器３２のマイナス端子に印加する。
また、電圧比較器３２は、所定の基準電圧が抵抗３４を介してプラス端子に印加されているとともに、プラス端子と出力端子との間に抵抗３３が接続されている。これら２つの抵抗３３、３４と電圧比較器３２とを組み合わせることにより、ヒステリシス特性を有する電圧比較動作が行われる。すなわち、電圧比較器３２は、発電機回転数が上昇していって第１の電圧値以上になったときに出力がハイレベルに変化するとともに、一旦出力がハイレベルに変化した後は、発電機回転数に対応するＦ／Ｖ変換回路３１の出力電圧がこの第１の電圧値よりも低い第２の電圧値まで低下するまでハイレベルの出力を維持する。
【００１７】
また、他方の電圧比較器３６は、プラス端子に風力計１１２の出力電圧が、マイナス端子に所定の基準電圧がそれぞれ印加されており、風力値が所定値を超えたときに出力がハイレベルになる。
アンド回路３７は、一方の電圧比較器３２の出力をインバータ回路３５で反転した信号と、他方の電圧比圧比較器３６の出力信号とが入力されており、これら２つの入力信号の論理積信号を出力する。１ショットパルス出力回路３８は、アンド回路３７の出力信号がハイレベルになったときに、１ショットパルスを出力する。
【００１８】
また、電圧制御回路４０は、Ｓ端子（センシング端子）にバッテリ１１８のプラス端子が接続されており、バッテリ電圧に応じてトランジスタ４２を断続制御する。例えば、バッテリ電圧が１４．３Ｖ以下の場合にはトランジスタ４２がオン状態に制御され、界磁巻線１４に対する界磁電流の供給が行われる。一方、バッテリ電圧が１４．３Ｖを超えた場合にはトランジスタ４２がオフ状態に制御され、界磁巻線１４に対する界磁電流の供給は行われない。なお、電圧制御回路４０の出力端子と、１ショットパルス出力回路３８の出力端子とがワイヤードオア接続されており、電圧制御回路４０の出力がローレベルのときであっても、１ショットパルス出力回路３８から１ショットパルスが出力されるとトランジスタ４２が一時的にオン状態になり、界磁巻線１４に界磁電流が供給される。
【００１９】
トランジスタ４４は、電圧制御回路４０のＢ端子（電源端子）に対する動作電圧の印加を断続するためのものであり、電圧比較器３２の出力をインバータ回路３５によって反転した信号によって断続状態が制御される。
上述した界磁開始回転制御回路３０が制御手段に、界磁開始回転制御回路３０内のＦ／Ｖ変換回路３１が回転検出手段にそれぞれ対応する。
【００２０】
本実施形態の風力発電装置はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
発電機１０６が無負荷状態のとき、すなわち発電電力がバッテリ１１８やその他の電気負荷（図示せず）に供給されていない状態のときには、翼軸１０２の負荷トルクは、極めて小さくなる。また、本実施形態ではベルトテンションが低く設定可能なタイミングベルト１１６を用いているため、その他のロストルク、すなわち軸承トルクとベルトロストルクも極めて小さくなっている。このため、翼１００の回転が停止状態にある場合であっても、微風状態になると比較的容易に翼１００の回転が開始する。
【００２１】
また、３０秒間の平均風力値が所定の値（２ｍ／ｓ）以上になると、風力計１１２の出力電圧が所定値以上になって電圧比較器３６の出力がハイレベルになる。このとき、無発電状態（電圧比較器３２の出力がローレベルであり界磁巻線１４に界磁電流が流れていない状態）であれば、アンド回路３７の出力がハイレベルになるため、１ショットパルス出力回路３８から１ショットパルスが出力される。１ショットパルスのパルス幅は、例えば０．５秒程度に設定されており、この出力タイミングに合わせてトランジスタ４２がオン状態になって界磁巻線１４に界磁電流が供給される。したがって、発電機１０６が回転している場合には電機子巻線１０の相電圧が生じ、Ｆ／Ｖ変換回路３１からは発電機回転数に対応した電圧が出力されるため、この瞬間における発電機回転数の検出を行うことが可能になる。
【００２２】
本実施形態では、タイミングベルト１１６が用いられているため、翼軸１０２と発電機１０６の回転軸１１４とが連結されているため、瞬間的に界磁電流が流れて発電を開始してもこれら軸の間の同期状態が維持されて、ポリＶベルトやＶベルトを用いるときのような滑りが発生して回転状態が乱れることもなく、安定した翼軸回転数の検出が可能になる。
【００２３】
このようにして翼軸回転数の検出を行った結果、翼軸回転数が第１の値以上となったときに、Ｆ／Ｖ変換回路３１の出力電圧が第１の電圧値以上になり、電圧比較器３２の出力がハイレベルからローレベルに変化し、トランジスタ４４がオン状態になって電圧制御回路４０が動作を開始する。例えば、上述した第１の値は、発電電流が界磁電流を超える回転数である１７０ｒｐｍに設定されており、翼軸回転数がこの１７０ｒｐｍ以上であれば、動作を開始した電圧制御回路４０によってトランジスタ４２が断続制御されて、発電機１０６の発電状態が維持される。以後、バッテリ１１８の充電が行われる。
【００２４】
また、１ショットパルスの出力タイミングに合わせて検出される翼軸回転数が１７０ｒｐｍよりも低い場合には、電圧比較器３２の出力がハイレベルを維持し、トランジスタ４４はオフ状態のままであって界磁電流の供給が停止するため、発電機１０６の発電状態が継続することはない。
【００２５】
一方、翼軸回転数が１７０ｒｐｍ以上になって、一旦発電状態になると、風力が弱くなって翼軸回転数が１７０ｒｐｍになっても電圧比較器３２のローレベルの出力が維持される。さらに、翼軸回転数が低下し、第２の値以下になると、電圧比較器３２の出力がハイレベルになって電圧制御回路４０が停止状態になり、発電機１０６の発電状態も停止する。上述した第２の値は、発電トルクが風力トルク以下になるという条件を満たす最低回転数、例えば１００ｒｐｍに設定されている。
【００２６】
このように、本実施形態の風力発電装置では、翼軸１０２の回転数が第１の値以上になるまで界磁電流の供給が停止されるため、停止した翼１００にかかる発電機１０６による負荷を低減することが可能になり、微風あるいは弱風であっても容易に翼１００の回転を開始することができる。また、一旦、翼１００が回転を開始すると回転を維持することは比較的容易であり、界磁電流の供給を開始した第１の値よりも回転数が低い第２の値以下に低下するまで界磁電流の供給が維持されるため、発電電力を最大限に取り出すことが可能になる。特に、一旦翼１００が回転を開始した後は、発電を維持できない回転数に低下したときであって翼１００の回転が完全に停止する前に発電を停止することができるため、翼１００の回転を維持することができる風力範囲が広がり、都市部等における様々な自然環境の中での風況のばらつきのある中でも風力エネルギを最大限に引き出すことが可能になる。
【００２７】
また、電機子巻線１０の相電圧に基づいて翼軸１０２の回転数を検出する場合に、１ショットパルス出力回路３８から出力される１ショットパルスに応じて一時的に界磁電流を流して回転数検出を行っているため、簡単な構成によって確実に回転数検出を行うことができるとともに、回転数検出のために必要となる負荷を少なくすることができる。特に、風力計１１２によって測定された風力値が所定値を超えたときに一時的な界磁電流の供給を行うことにより、回転数検出のために界磁電流を供給する回数を減らすことが可能になり、回転数検出のために必要となる負荷を最小限に抑えることができる。
【００２８】
また、翼軸１０２から発電機１０６の回転軸１１４への駆動力の伝達をタイミングベルト１１６で行うことにより、ベルトテンションを下げることができるとともに駆動損失を低減することができる。しかも、翼軸１０２の回転に対して発電機１０６の回転を確実に同期させることができるため、発電機１０６の回転状態に基づいて翼軸１０２の回転数を正確に検出することが可能になる。また、ボム材料を主体としたタイミングベルト１１６を用いることにより、動作時の騒音の低減が可能になる。さらに、タイミングベルト１１６とタイミングプーリ１０２ａ、１１４ａの間に滑りが生じないため、増速比を５〜１０程度に大きく設定することができる。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、タイミングベルト１１６を用いて、あるいはこれらを組み合わせて動力の伝達を行ったが、潤滑や騒音について何らかの対策を施すことにより、ギヤやチェインによる動力の伝達を行うようにしてもよい。
【００３０】
また、上述した実施形態では、翼軸１０２の回転数が第１の値以上になったときに、発電機１０６においてフル発電可能な制御を行うようにしたが、発電状態を開始する際に、あるいは発電状態を停止する際に、漸次界磁電流を増加あるいは減少させる制御を行うようにしてもよい。
【００３１】
また、上述した実施形態では、発電を開始する翼軸１０２の回転数である第１の値を、発電電流が界磁電流を超える回転数とするとともに、発電を停止する翼軸１０２の回転数である第２の値を、発電トルクが風力トルク以下になるという条件を満たす最低回転数にした場合について説明したが、これら第１および第２の値は、界磁電流の制限上限値やそのときの翼１００の惰性回転、風況等によって様々な値をとることができ、学習的に値を変化させるようにしてもよい。
【００３２】
また、上述した実施形態では、発電制御に関わる回転数を相電圧周波数に基づく発電機回転数で検出しているが、ホール素子等の各種のセンサを用いて翼１００や翼軸１０２の回転を直接検出するようにしてもよい。この場合には、タイミングベルト１１６の代わりに、滑りが発生するポリＶベルト等の同期的でない他の動力伝達手段を用いることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の風力発電装置の全体構造の説明図である。
【図２】タイミングプーリの説明図である。
【図３】風力発電装置内の発電機の駆動用プーリとベルトの説明図である。
【図４】発電機の詳細構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 電機子巻線
１２ 整流装置
１４ 界磁巻線
２０ 界磁制御装置
３０ 界磁開始回転制御回路
３１ Ｆ／Ｖ変換回路
３２、３６ 電圧比較器
３３、３４ 抵抗
３５ インバータ回路
３７ アンド回路
３８ １ショットパルス出力回路
４０ 電圧制御回路
４２、４４ トランジスタ
１００ 翼
１０２ 翼軸
１０４ 軸承部
１０６ 発電機
１０８ ナセル
１１０ 鉄塔
１１２ 風力計
１１４ 回転軸
１０２ａ、１１４ａ タイミングプーリ
１１６ タイミングベルト

Claims (4)

1. 翼軸の回転に同期して回転する発電機を有する風力発電装置であって、
   前記発電機は、前記翼軸の回転数が第１の値以上であるときに界磁電流の供給を開始する制御を行う制御手段と、多相電機子巻線のいずれかの相に現れる電圧に基づいて前記翼軸の回転数を検出する回転検出手段とを備え、
   前記制御手段によって一時的な前記界磁電流の供給を行ったときに、前記回転検出手段による回転数検出を行うことを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１において、
   前記制御手段は、前記界磁電流を流した後に前記翼軸の回転数が、前記第１の値よりも小さな第２の値以下に低下したときに前記界磁電流の供給を停止する制御を行うことを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１または２において、
   風力値を測定する風力計をさらに備え、
   前記制御手段は、前記風力計によって測定した風力値が所定値を超えたときに、前記回転検出手段による回転数検出のための一時的な前記界磁電流の供給を行うことを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記翼軸から前記発電機の回転軸への駆動力の伝達をタイミングベルトで行う動力伝達手段をさらに備えることを特徴とする風力発電装置。

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