JPS63242197A - 風車発電方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、揚力型風車発電、特に誘導発電機による揚力
型風車発電方法および装置に関し、更に詳しくは固定ピ
ッチ角運転において高いエネルギー変換効率が確保でき
る方法および装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、省資源、省エネルギーの観点から、風力発電が注
目を集めている。風車の型式としては揚力型が多く、発
電機としては低コストなｉｆｆ　Ｒ発電機が有利である
。このような風車発電は、水車発電等と比べて、入力エ
ネルギーの時間変化率が大きく、変動幅も大きいことか
ら、エネルギーの変換に関して困難な点が多い。

翼形断面のブレードをもつ揚力型風車においては、風力
エネルギーを回転エネルギーに変換する際の効率が最も
高いピッチ角が存在する。ピッチ角が固定のブレードも
あるが、最近はピッチ角を可変にし、発電機の定格回転
数に達するまでは、最大効率のピッチ角で運転を行い、
定格回転数を超えるエネルギーが得られるときは、ピッ
チ角を調整して風を逃がし、常に定格回転数を維持する
のが通例になっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、実際に風車が使用されているところを見ると、
ピッチ角の調整を必要とする状況は必ずしも多くなく、
時間的にみると定格回転数に至るまでの固定ピッチ角で
運転が行われていることも比較的多いのである。

したがって、風車発電におけるエネルギー変換効率を高
めるには、発電時間の比較的多きを占める固定ピンチ角
運転での変換効率を高めることが重要になる。

本発明の目的は、ピッチ角を最大効率に固定した運転に
おいて、風車の回転数を風速に応じた最大出力を発生さ
せる回転数に積極的に収束させることにより、エネルギ
ー変換効率を大幅に高める風車発電方法および装置を提
供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち、本発明の方法は、誘導発電機による揚力型風
車発電において、ピッチ角固定の風車またはピッチ角可
変の風車を固定ピッチ角の領域で運転する際に、出力Ｅ
が第１式を満足するよう負荷量を制御するものである。

Ｅ＝κ・Ｎコ　　−・−・−・−・−・−・−一−−−
−・−・・・・・・・−−−−（１）ただし、に：風車
の固有の定数 Ｎ：風車の回転数 また、本発明の装置は、上記方法を実施するための装置
であって、誘導発電機をもつ揚力型風車発電装置におい
て、風車の回転数検出手段と、回転数検出手段の検出す
る回転数より第１式にて出力Ｅの目標値を演算する出力
演算手段と、誘導発電機の出力検出手段と、出力検出手
段の検出する出力Ｅの実測値を出力演算手段の演算する
出力Ｅの目標値と比較しその偏差ΔＥを演算する出力比
較手段と、出力比較手段の演算する偏差ΔＥがＯとなる
よう負荷量を制御する負荷量制御手段とを具備せしめた
ものである。

〔作　用〕

第１図は、誘導発電機による揚力型風車発電で固定ピッ
チ角運転を行う場合の発電機の出力特性を図示したもの
で、回転数Ｎと出力Ｅとの関係を風速Ｕをパラメータと
して示している。

風速Ｕが一定の場合、回転数Ｎと出力Ｅとの間にその風
速に応じた一定の関係が成立し、風速Ｕがｕｌ＋”！・
・・と変化した場合、風速に特有の回転数Ｎｌ、Ｎｔ・
・・のところで出力ＥのピークＥ１、Ｅｚ・・・を生じ
る。各ピークＥ＋　、Ｅｘ・・・をつなぐ曲線は理論上
、実際上、回転数Ｎの３乗に比例する式（第１式）で表
わされる。

本発明の方法および装置は、固定ピンチ角運転を行う際
に、第１式で表される目標出力に実出力が一致するよう
負荷量を制御することにより、運転中に変化する風速！
１．．ｕｇ・・・の各々における出力ＥのピークＥ＋　
、Ｅｘ・・・を連続的に取り出すものである。

更に詳しく説明すると、揚力型風車においては、第２図
に示されるように、風車の回転速度と風速との合成ベク
トルとして見かけ上の風がブレードに作用することにな
る。ブレードと見けけ上の風の向きφとのなす角α（＝
φ−β、β：ピッチ角）は迎え角（ａｔｔａｃｋ　ａｎ
ｇｌｅ）と呼ばれている。

この見かけ上の風により、その風向きと同方向に抗力が
生じ、これと直角方向に揚力が発生する。

そして抗力と揚力の合成ベクトルの回転方向成分が風車
の回転力となる。

揚力は迎え角αによって変化し、迎え角αは風速と相対
回転速度との比によって変化するから、回転力は風速と
相対回転速度の大きさとその比の値によって大きさが変
化する。

したがって、風速に応じて回転数を変化させることによ
り、最大効率を維持することができる。

一方、ニュートンの法則により、風の有する運動エネル
ギーＰは Ｐ＝　　＝ｍ−ｕ”　　　　（ｋｇｒｒｆ／ｓ”）ま ただし、　Ｕ：風速　　（ｍ／　ｓ　）ｍ：質量　　（
ｋｇ） である、風の密度をρ（ｋｇ／ｍ”　）、通過断面積を
Ａ　（ｎ？）とし、時間をｔ　（ｓ）で表せばｍ！ρ・
ｕ−Ａ−ｔ となる、したがって、Ｐは Ｐ−−・ρ・ｕ３・Ａ−ｔ で表される。

ここで、換算係数ｇ、タービン直径Ｄ　（ｍ）とし、風
車出力をＥ（ｋｗ）とすると、 Ｅ−Ｃ，・□ ただし、ｇ　””９．８　Ｘ　１０−”　＜ｋＩｌ−ｓ
ハｔｍ”　）となるｅ　Ｃｓは風車の出力係数であり、
翼形、ピッチ角などによって決まる。

このＣ，は、また周速比λ λ−Ｒ・Ω／Ｕ ただし、Ｒ−Ｄ／２ Ｕ：風速 Ω：風車角速度　（ｒａｄ　／ｓ） の関数であり、ピッチ角によっても変化する。

第３図に示されるように、あるピンチ角β。においてＣ
，が最大値をとるときの周速比λをλ１（一定）とする
と、このときのＣ，は風速、回転数が変化しても、これ
らの比λが一定である限り一定である。また、ピッチ角
を固定して考えればλ、は一定である。

すなわち、この条件下においては、 λｌＩ電Ｒ・Ω／Ｕ であるから、風速ｕ０に対する角速度をΩ。とすると、 Ω。−２π・Ｎ、／６０ ただし、Ｎ、７回転数（ｒｐｓ） であるから、 Ｒ・Ω。

ｕ１１１′″ λ。

２　　　６０　　　　　λ。

π・Ｄ−Ｎ。

６０λ。

と表わされ、 ・−・π・Ｄ８　・ｇ ８・６０”・λＩ ＝κ・Ｎ、３ ８・６０３　・λ、３ と表わされる。

すなわち、Ｕ、の風速のときＮ、で回転させれば、Ｅは
最大となり、かつ、このＥはＮｏの３乗に比例する。

そこで次に第４図をみると、ｕｓ＋ｔｕ、のときの出力
特性曲線がＥＦで、またＥ−に・Ｎ３の曲線がＥＬでそ
れぞれ表わされている。Ｅ２はＮ−Ｎ。

において最大値Ｅ、をとり、Ｅ−に・Ｎ３の曲線ＥＬも
この点を通る。

このとき、Ｎ＜Ｎ４）なる回転数Ｎで風車が回転してい
たとすると、Ｂｙ　＞ＥＬとなっているから、Ｎは増加
しＮ、になろうとする、更にＮ＞Ｎ、になろうとすると
、ＥＬ＞ＥＦになるから、風車には負荷制御がかかり、
Ｎ　＞　Ｎ　ａになることはできない、かくしてＮはＮ
、に収束する。

したがって Ｅ−に・Ｎ”　　（第１式） を満足するように負荷量を変化させれば、風車の回転数
Ｎは常にＮｏに収束し、Ｅ−Ｅ、となる。

（実施例〕 第５図は本発明を実施した発電装置の一例について、そ
のＭＷ系を示したものである。

同図において、ｌは揚力型の風車、２は誘導発電機、３
は負荷、４はコンデンサ５および負荷３を接離するため
にＯＮ−ＯＦＦｉＭ御されるＳＣＲ。

５は自己励磁用のコンデンサ、６は出力電圧調整用のり
アクドル、７はリアクトル制御用のＳＣＲ。

８は位相制御により負荷量を制御し電流制御を行うＳＣ
Ｒである。

風車ｌにおいて検出された回転数Ｎは目標出力演算器９
と、制御回路１０とに人力される。目標出力演算器９は
、人力する回転数Ｎを基に出力Ｅの目標値を Ｅ零に・Ｎ’　　（第１式） により演算する。５ＣＲ８の入力側で検出器１１により
検出された電圧Ｖは実出力演算器１２と、電圧制御器１
３とに入力され、実出力演算器１２は更に、検出器１４
により検出される電流！を入力し、出力Ｅの実測値（■
・■）を演算する。

目標出力演算器９の出力する出力Ｅの目標値と、実出力
演算器１２の出力する出力Ｅの実測値とは、偏差演算器
１５Ｃ入力され、ここで出力Ｅの実測値の目標値に対す
る偏差ΔＥが演算されて電流制御器１６に入力される。

電流制御器１６は制御回路ｌＯからの指令に基づいて上
記偏差ΔＥを０、あるいは自励電圧を維持しながら負荷
を接離するべ（ＳＣＲ８に指令信号を出力する。

制御回路ｌＯは、入力する回転数Ｎと定格回転数との比
較を行い、回転数Ｎが定格回転数以下のときに負荷３の
投入・解除の時期を判断して、電流制御器１６に制御指
令を出力する一方、回転数Ｎおよび電圧■よりカットイ
ン、カットアウト（低速および高速）ならびにコンデン
サ５の投入・解除の各時期を判定して５ＣＲ４に指令し
、他方、電圧制御器１３には目標電圧を指令する。

電圧制御器１３は、制御回路ｌＯからの目標電圧と、検
出器１１からの電圧Ｖとを比較し、電圧Ｖが目標電圧に
一敗するよう５ＣＲＴに指令信号を出力する。

第６図は、第５図の発電装置を使用して本発明の方法を
実施する場合の具体的手順を示すフローチャートである
。

以下に第６図に従ってこの手順を説明する。

風車ｌの制御運転開始に引きつづき回転数Ｎがコンデン
サ投入回転数より大になったとき、制御回路ｌＯの指令
により５ＣＲ４が扉通し、コンデンサ５が回路に投入さ
れる。

コンデンサ５の投入により、誘導発電機２の残留磁気に
よりコンデンサ５に微弱な進み電流が流れ、これが誘導
発電８２の励磁電流となって誘導発電機の回転と共に磁
束を雪崩的に増大させることにより発電に必要な磁界が
得られる。この結果、電圧が確立すると、５ＣＲ８が投
入され負荷３が接続される。

回転数Ｎが低速カントアウト回転数より小のとき、ある
いは回転数Ｎが低速カントアウト回転数より大でも、カ
ットイン回転数より小のときは、コンデンサ５の投入は
行われない。

負荷が投入されると、偏差演算器１５および電流制御器
１６においては、出力Ｅの実測値（Ｖ・Ｉ）と目標値（
に・Ｎ’）とを比較し、実測値が目標値より大のときは
負荷電流を減少させるべく５ＣＲ８を制御し、逆のとき
は負荷電流を増大させるべく５ＣＲ８を制御する。

回転数Ｎを定格回転数と比較し、回転数Ｎが定格回転数
以下のときは上記の制御を繰り返し、定格回転数をこし
ている時はピンチ角を制御し回転数を定格値に維持する
。

かくして回転数Ｎが定格以下のいわゆる固定ピッチ角運
転においては、出力Ｅと回転数ＮとがＥ−に・Ｎ’　　
（第１式） を満足することになり、これによりその時々の風速のな
かで最大の出力が得られるのである。

一方、電圧制御器１３においては、検出された電圧Ｖを
制御回路ｌＯからの目標電圧と比較し、電圧Ｖが目標電
圧より大のときは励磁電流を減少させるべくリアクトル
６の制御用５ＣＲＴを制御し、逆のときは励磁電流を増
大させるぺ＜　５ＣＲ７を制御する。

励磁電流を増大させたときは、電圧Ｖを高速カットアウ
ト電圧と比較し、電圧Ｖが高速カットアウト電圧を超え
たときは、コンデンサ５を切り離した後直ちに負荷も切
り離して回路の保護を図る。

他方、回転数については独立して常時監視を行い、負荷
投入回転数以上においてのみ、５ＣＲ８は位相制御され
、それ未満のときはカントオフされる。また回転数がコ
ンデンサ投入回転数以上でのみ５ＣＲ４をＯＮとし、そ
れ未満ではＯＦＦとするよう制御回路ｌＯが動作する。

これらの回転数の間には次の関係がある。

低速カフドアウド回転数くカットイン回転数〈コンデン
サ投入回転数く負荷投入回転数く定格回転数 参考までに、風車の仕様とに値の算出方法を以下に示す
。

直径Ｄ−８（ｍ）、　　λ、＝１０．５．Ｃ，，＝０、
３７６の風車を例にとれば 空気密度　ρ＝０．１２５　（ｋｇｆ−ｓ”／　ｍ’　
）換算係数　ｇ　””９．８ＸＩＯ−’　（ｋｗ　・ｓ
　”／ｋｇｒｒｒ）であるから に−７，３５ｘｌＯ−７（ｋｗ　・　ｓ’）となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の発電方法およ
び装置は、誘導発電機により揚力型風車発電を行う際に
、風車運転中の比較的多きを占める固定ピッチ角運転に
おいて、風車の回転数に応じた積極的な負荷制御を行い
、これにより運転中の時々の風速のなかで最大の出力を
とり出すようにしたものであるから、エネルギー変換効
率を大幅に上昇させるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は誘導発電機による風車発電で固定ピンチ角運転
を行う場合の出力特性図、第２図〜第４図は本発明の基
礎式の根拠を明らかにするグラフ、第５図は本発明の装
置の一例を示すブロック図、第６図は第５図の装置によ
り本発明の方法を実施する場合の具体的手順を示すフロ
ーチャートである。 図中、ｌ：風車、２：誘導発電機、３：負荷、４、Ｔ、
　　８：ｓｃＲ，５：コンデンサ、６：リアクトル、９
．１２．ｕｓ：演算器、ｌＯ：制御回路、１１．１４：
検出器、１３．１６：制御器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）誘導発電機による揚力型風車発電において、ピッ
   チ角固定の風車またはピッチ角可変の風車で固定ピッチ
   角運転を行う際に、出力Ｅが Ｅ＝κ・Ｎ＾３ ただし、κ：風車の固有の定数 Ｎ：風車の回転数 となるよう、負荷量を制御することを特徴とする風車発
   電方法。
2. （２）誘導発電機をもつ揚力型風車発電装置において、
   風車の回転数検出手段と、回転数検出手段の検出する回
   転数より出力Ｅの目標値を下式 Ｅ＝κ・Ｎ＾３ ただし、κ：風車の固有の定数 Ｎ：風車の回転数 にて演算する出力演算手段と、誘導発電機の出力検出手
   段と、出力検出手段の検出する出力Ｅの実測値を出力演
   算手段の演算する出力Ｅの目標値と比較しその偏差ΔＥ
   を演算する出力比較手段と、出力比較手段の演算する偏
   差ΔＥが０となるよう負荷量を制御する負荷量制御手段
   とを具備せしめたことを特徴とする風車発電装置。