CN101510716B - 接受流体进行发电的发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使当流速较小时也能开始发电的技术。接受流体进行发电的发电装置(1000)具有：第1部件(10A，10B)，具有多个线圈；第2部件(30)，能与第1部件(10A，10B)相对地旋转，具有多个永久磁铁；旋转部件(110)，与第1和第2部件中的任意一个部件机械地连接，接受流体进行旋转；以及间隙改变部(17，18，19)，使第1和第2部件中的至少一个部件移动，从而改变形成在第1和第2部件之间的间隙(CL)的大小。间隙改变部(17，18，19)改变间隙(CL)的大小，使得与在旋转部件(110)开始旋转以前的间隙(CL)的大小相比，在旋转部件(110)开始旋转以后的间隙(CL)的大小要小。

Description

接受流体进行发电的发电装置
技术领域
本发明涉及接受流体进行发电的发电装置的控制。
背景技术
近年来，出于减少二氧化碳排放量的观点，利用风力、水力以及太阳能等自然能进行发电已备受瞩目。提高它们的发电效率成为解决环境问题的重要课题。
利用流体的发电装置能利用例如无刷电机构造来实现。作为无刷电机公知有例如下述专利文献1所记载的装置。
【专利文献1】日本特开2001-298982号公报
作为利用流体的发电装置例如有风力发电装置。在风力发电装置上安装有接受风力而进行旋转的叶片。为了提高旋转的惯性，该叶片被设计成较大的重量。因此，在风力较弱时，启动叶片的旋转而开始发电是件比较困难的事。因此，对于现有的风力发电装置，为了在风力较弱时启动叶片的旋转，与发电机分开另行设置驱动电机，由该驱动电机来启动叶片的旋转。
但是在上述现有技术中，需要设置其它的驱动电机用于启动发电装置，因此产生机构变复杂、成本增加等问题。另外，这样的问题不限于风力发电机，是所有接受流体进行发电的发电装置共有的问题。
发明内容
本发明正是为了解决上述现有课题而完成的，其目的在于提供一种即使当流速较小时也能开始发电的技术。
本发明为了解决上述课题的至少一部分，可以采取以下方式或应用例。
(应用例1)
一种接受流体进行发电的发电装置，所述发电装置具有：
第1部件，其具有多个线圈；
第2部件，其能与所述第1部件相对地旋转，具有多个永久磁铁；
旋转部件，其与所述第1部件和第2部件中的任意一个部件机械地连接，接受所述流体进行旋转；以及
间隙改变部，其使所述第1部件和第2部件中的至少一个部件移动，从而改变形成在所述第1部件和第2部件之间的间隙的大小，
所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得与在所述旋转部件开始旋转以前的所述间隙的大小相比，在所述旋转部件开始旋转以后的所述间隙的大小要小，
所述间隙改变部根据所述旋转部件的旋转速度来改变所述间隙的大小，
当所述旋转速度小于第一旋转速度阈值时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成预定的第一值；
当所述旋转速度在大于所述第一旋转速度阈值的第二旋转速度阈值以上时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成比所述第一值小的预定的第二值；
当所述旋转速度在所述第一旋转速度阈值以上且小于所述第二旋转速度阈值时，所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得所述间隙的大小随着所述旋转速度变大而变小。
按照应用例1的发电装置，在旋转部件开始旋转以前，间隙的大小变大，所以旋转开始时的负荷变小。因此，即使在流速较小时也能开始发电。
此外，按照应用例1的发电装置，根据旋转部件的旋转速度来改变间隙的大小，因此能取为对应于旋转速度的适当的旋转负荷。
此外，按照应用例1的发电装置，在流速较小时也能开始发电。并且，随着旋转速度变大而减小间隙的大小，所以能提高发电效率。而且，当流速变小、旋转速度变小时，增大间隙的大小，所以旋转负荷变小。因此，即使流速变小也能持续发电。
(应用例2)
一种接受流体进行发电的发电装置，所述发电装置具有：
第1部件，其具有多个线圈；
第2部件，其能与所述第1部件相对地旋转，具有多个永久磁铁；
旋转部件，其与所述第1部件和第2部件中的任意一个部件机械地连接，接受所述流体进行旋转；以及
间隙改变部，其使所述第1部件和第2部件中的至少一个部件移动，从而改变形成在所述第1部件和第2部件之间的间隙的大小，
所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得与在所述旋转部件开始旋转以前的所述间隙的大小相比，在所述旋转部件开始旋转以后的所述间隙的大小要小，
所述发电装置还具有测定所述流体的流速的流速测定部，
所述间隙改变部根据由所述流速测定部测定出的流速，改变所述间隙的大小，
当所述流速小于第一流速阈值时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成预定的第一值；
当所述流速在大于所述第一流速阈值的第二流速阈值以上时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成比所述第一值小的预定的第二值；
当所述流速在所述第一流速阈值以上且小于所述第二流速阈值时，所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得所述间隙的大小随着所述流速变大而变小。
按照应用例2的发电装置，在旋转部件开始旋转以前，间隙的大小变大，所以旋转开始时的负荷变小。因此，即使在流速较小时也能开始发电。
此外，按照应用例2的发电装置，根据流速来改变间隙的大小，因此能取为对应于流速的适当的旋转负荷。
此外，按照应用例2的发电装置，当流速较小时也能开始发电。并且，随着流速变大而减小间隙的大小，所以能提高发电效率。并且，当流速变小时，增大间隙的大小，所以旋转负荷变小。因此，即使流速变小也能持续发电。
另外，本发明能通过各种形态来实现。例如，能通过发电方法及发电系统、用于实现这些方法或系统的功能的集成电路、计算机程序、记录有该计算机程序的记录介质等的形态来实现。
附图说明
图1是示出作为本发明的一个实施例的风力发电装置的结构的剖视图。
图2是将转子和定子分离出来进行显示的说明图。
图3是示出在风速发生变化时间隙的大小的变化的曲线图。
图4是示出第2实施例的风力发电装置的结构的说明图。
图5是示出风力发电装置的控制方法的流程图。
图6是示出风速和间隙之间的关系的曲线图。
标号说明
10A、A相定子；10B、B相定子；13、电路基板；13a、电缆；14、连接器；14A、A相线圈列；15、螺线管；17、铅锤；18、杆；19、弹簧；20、箱体；24B、B相线圈列；30、转子；30M、磁铁列；100、主体部；110、叶片；112、旋转轴；114、轴承；120、风速计；200、发电控制电路；1000、风力发电装置；1000b、风力发电装置；N、旋转速度；Nth、稳定旋转速度；P、发电电力；CLmax、间隙最大值；CLmin、间隙最小值；Vth1、第一风速阈值；Vth2、第二风速阈值；CL、间隙。
具体实施方式
接下来，基于实施例，按照以下顺序来说明本发明的实施方式。
A.第1实施例：
B.第2实施例：
C.变形例。
A.第1实施例：
图1是示出作为本发明的一个实施例的风力发电装置1000的结构的剖视图。图1(A)示出当风力较小时风力发电装置1000的状态，图1(B)示出当风力较大时风力发电装置1000的状态。该风力发电装置1000具有主体部100、叶片110以及发电控制电路200。叶片110接受风力进行旋转，并使主体部100的旋转轴112进行旋转。主体部100具有转子30、两个定子10A和10B、以及箱体20。在箱体20和旋转轴112的接触部分上设置有轴承114。转子30固定在旋转轴112上，与旋转轴112的旋转一起进行旋转。并且，转子30具有以旋转轴112为中心的大致圆盘形状，具有由多个永久磁铁构成的磁铁列34M。磁铁列34M的磁化方向是上下方向。A相定子10A和B相定子10B分别具有大致圆盘形状，在与转子30对置的一侧上分别设置有线圈列14A、24B。通过转子30进行旋转来使线圈列14A、24B产生感应电压。由线圈列14A、24B产生的电流通过电缆13a提供给电路基板13，经由连接器14提供给发电控制电路200。发电控制电路200进行发电电流的整流、平滑和控制。之后，发电电流被充电到蓄电装置(未图示)中。
在转子30与A相定子10A之间设置有铅锤17和杆18。B相定子10B侧也同样。铅锤17经由杆18与转子30连接。而且，当叶片110旋转而带动转子30旋转时，铅锤17以旋转轴112为中心进行旋转。当叶片110开始旋转时，离心力作用于铅锤17，铅锤17开始往旋转轴112的外侧移动。当铅锤17开始往旋转轴112的外侧移动时，两个定子10A、10B被杆18拉近而靠近转子30(图1(B))。结果，转子30与定子10A、10B之间的间隙CL变小。
并且，在旋转轴112的转子30与A相定子10A之间的部分上设置有弹簧19。B相定子10B侧也同样。弹簧19起到下述作用，即，当叶片110的旋转速度降低而铅锤17的离心力变小时，从转子30拉开A相定子10A和B相定子10B，增大间隙CL。
图2是将转子30和两个定子10A、10B分离出来进行显示的说明图。在该例子中，A相线圈列14A和B相线圈列24B分别具有6个线圈，磁铁列34M具有6个磁铁。但是，线圈和磁铁的数量可以设定成任意值。
图3是示出在风速Vc发生变化时间隙CL的大小的变化的曲线图。其中，在该图3中，除了间隙CL还描述了叶片110的旋转速度N以及发电电力P。并且，在该图3的曲线图中，用直线来描述间隙CL等，但这是为了说明而简略地描述，实际上间隙CL等的变化还可以是曲线形状。在后面描述的图6中也同样。根据叶片110的旋转速度N包含的范围，风力发电装置1000可执行3种动作模式。3种动作模式是“发电启动模式”、“发电控制模式”和“发电稳定模式”。
风速Vc在0～Vc1之间时，叶片110不旋转，其旋转速度为0。这种情况下，成为发电启动模式。在发电启动模式中，离心力不作用于铅锤17，因此间隙CL成为最大值即间隙最大值CLmax。而且，由于间隙CL最大，因此线圈列14A、24B从磁铁列34M接受到的磁场的强度最小。这种情况下，在线圈列14A、24B上产生的电力较小，旋转负荷较小。因此，在发电启动模式中，旋转负荷最小，所以即使风速Vc较小也能容易地开始叶片110的旋转。
当风速Vc为Vc1以上时，叶片110的旋转速度N逐渐增加，当风速Vc成为Vc2时达到稳定旋转速度Nth。在此，“稳定旋转速度Nth”是指当间隙CL为间隙最小值CLmin时叶片110的旋转速度N。并且，间隙最小值CLmin是指在主体部100(图1)的结构中间隙CL能取得的最小值。当旋转速度N大于0、并且小于等于稳定旋转速度Nth时，成为发电控制模式。在发电控制模式中，当叶片110受到风速Vc1开始旋转时，离心力作用于铅锤17，间隙CL逐渐变小。而且，间隙CL随着旋转速度N变大而逐渐变小，所以线圈列14A、24B从磁铁列34M接受到的磁场的强度逐渐变大。因此，在发电控制模式中，旋转负荷随着旋转速度N变大而变大，因此能提高平均旋转速度的发电效率。另外，如前所述，当叶片110受到风速Vc2而旋转速度N达到稳定旋转速度Nth时，间隙CL成为间隙最小值CLmin。即使当叶片110的旋转速度N大于该稳定旋转速度Nth时，限于主体部100(图1)的结构，间隙CL也不会小于间隙最小值CLmin。
并且，在发电控制模式中，当风速Vc变小时，作用于铅锤17的离心力变小，间隙CL借助于弹簧19的力而变大。而且，由于间隙CL变大，因此线圈列14A、24B从磁铁列34M接受到的磁场的强度变小。因此，在发电控制模式中，即使当由于风速Vc变小而旋转速度N变小时，由于旋转负荷变小，因此仍能够维持叶片110的旋转。换言之，即使当风速Vc发生变动时，由于间隙CL的大小根据旋转速度N而发生变化，旋转负荷发生变化，因此仍能够持续发电。
当风速Vc为风速Vc2以上、叶片110的旋转速度N超过稳定旋转速度Nth时，成为发电稳定模式。在发电稳定模式中，间隙CL恒定为间隙最小值CLmin，旋转负荷最大。并且，在该发电稳定模式中，在旋转速度N不低于稳定旋转速度Nth的范围内，由连接到连接器14(图1)的发电控制电路200改变发电负荷，能高效率地进行发电。另外，在图3中示出了当发电负荷恒定时的旋转速度N。
这样，在第1实施例中，在叶片110开始旋转之前将间隙CL取为间隙最大值CLmax，使叶片110的旋转负荷最小，所以即使当流速较小时也能开始发电。
B.第2实施例：
图4是示出第2实施例的风力发电装置1000b的结构的说明图。与图1所示的第1实施例的区别在于：设置有风速计120；使用螺线管15来代替铅锤17和弹簧19；基于风速Vc而不是旋转速度N来选择动作模式。其它结构与第1实施例相同。
风速计120测定风速Vc。螺线管15基于由风速计120测定出的风速Vc使定子10A、10B上下移动，改变间隙CL的大小。
图5是示出风力发电装置1000b的控制方法的流程图。在步骤S10中，由风速计120来测定风速Vc。在步骤S20中，螺线管15将风速Vc与两个风速阈值Vth1、Vth2进行比较，从上述3个动作模式中选择一个动作模式。在此，两个风速阈值的关系是Vth1＜Vth2。
当风速Vc小于第一风速阈值Vth1时，选择发电启动模式，将间隙CL设定成间隙最大值CLmax。因此，即使当风速Vc较小时也能开始发电。
当风速Vc为第一风速阈值Vth1以上、并且小于第二风速阈值Vth2时，选择发电控制模式，将间隙CL设定成对应于风速Vc的值。因此，即使风速Vc发生变动，由于根据风速Vc改变间隙CL的大小而改变旋转负荷，因此能够提高发电效率，即使风速Vc变小仍能持续发电。
当风速Vc为第二风速阈值Vth2以上时，选择发电稳定模式，将间隙CL设定成间隙最小值CLmin。当选择了发电稳定模式时，在步骤S30中根据风速Vc来改变发电负荷，能提高发电效率。
在各动作模式下设定间隙CL后，再次返回S10测定风速Vc，选择动作模式(步骤S20)。另外，步骤S30亦可省略。
图6是示出风速Vc和间隙CL之间的关系的曲线图。其中，在该图6中，即使旋转速度N超过0，在风速Vc达到第一风速阈值Vth1以上之前，也选择发电启动模式。如果这样设定风速阈值Vth1，则能在叶片110接受稳定的风力而进行稳定旋转之前，使动作模式维持发电启动模式。
并且，在发电稳定模式中，发电控制电路200改变发电负荷以维持预定的旋转速度Ns。因此，即使风速Vc变大，旋转速度N仍能表示大致恒定的旋转速度Ns。
这样，基于风速Vc改变间隙CL的大小，与第1实施例相同，当风速Vc较小时也能开始发电。
C.变形例
此外，本发明不限于上述实施例和实施方式，在不脱离其主旨的范围内可实施到各种形态中，例如可进行如下变形。
C1.变形例1：
在上述实施例中，根据旋转速度N或风速Vc中的任意一方来改变间隙CL的大小，但是还可以基于旋转速度N和风速Vc双方来改变间隙CL的大小。并且，还可变更成：第2实施例的螺线管15测定叶片110的旋转速度N，根据旋转速度N来改变间隙CL的大小。
C2.变形例2：
在上述实施例中，通过使定子10A、10B上下移动来改变与转子30之间的间隙CL的大小，取代这种方式，还可以通过使转子30上下移动来改变间隙CL的大小。并且，还可以使定子10A、10B和转子30双方都能上下移动，改变间隙CL的大小。总之，使定子10A、10B和转子30能相对移动即可。
C3.变形例3：
在上述实施例中，连接具有磁铁列34M的部件(转子30)和叶片110，取代这种方式，还可以连接具有线圈列14A、24B的部件(定子10A、10B)和叶片110。
C4.变形例4：
上述实施例记载成风力发电装置1000，但本发明可适用到水力发电装置等接受流体进行发电的所有发电装置中。
C5.变形例5：
在上述实施例中，风力发电装置1000的主体部100由2相的线圈列14A、24B构成，但线圈列不限于2相，还可以通过1相或3相以上的线圈列来构成主体部100。
C6.变形例6：
在上述实施例中，发电控制电路200在发电稳定模式中改变发电负荷，但还可以在发电控制模式中根据风速Vc或旋转速度N改变发电负荷。例如，在发电控制模式中，当风速Vc或旋转速度N变小而间隙CL变大时，线圈列14A、24B从磁铁列34M接受到的磁场的强度变小，发电电压变小。发电控制电路200根据该发电电压的减少来控制发电电流，从而减少发电负荷。这样一来，风力发电装置1000的发电负荷减少，所以旋转速度N变大。这样，在发电控制模式中，在控制间隙CL的同时进行改变发电负荷的控制，亦能执行与风速Vc或旋转速度N对应的适当的发电。

Claims (2)

1.一种接受流体进行发电的发电装置，所述发电装置具有：
第1部件，其具有多个线圈；
第2部件，其能与所述第1部件相对地旋转，具有多个永久磁铁；
旋转部件，其与所述第1部件和第2部件中的任意一个部件机械地连接，接受所述流体进行旋转；以及
间隙改变部，其使所述第1部件和第2部件中的至少一个部件移动，从而改变形成在所述第1部件和第2部件之间的间隙的大小，
所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得与在所述旋转部件开始旋转以前的所述间隙的大小相比，在所述旋转部件开始旋转以后的所述间隙的大小要小，
所述间隙改变部根据所述旋转部件的旋转速度来改变所述间隙的大小，
当所述旋转速度小于第一旋转速度阈值时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成预定的第一值；
当所述旋转速度在大于所述第一旋转速度阈值的第二旋转速度阈值以上时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成比所述第一值小的预定的第二值；
当所述旋转速度在所述第一旋转速度阈值以上且小于所述第二旋转速度阈值时，所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得所述间隙的大小随着所述旋转速度变大而变小。
2.一种接受流体进行发电的发电装置，所述发电装置具有：
第1部件，其具有多个线圈；
第2部件，其能与所述第1部件相对地旋转，具有多个永久磁铁；
旋转部件，其与所述第1部件和第2部件中的任意一个部件机械地连接，接受所述流体进行旋转；以及
间隙改变部，其使所述第1部件和第2部件中的至少一个部件移动，从而改变形成在所述第1部件和第2部件之间的间隙的大小，
所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得与在所述旋转部件开始旋转以前的所述间隙的大小相比，在所述旋转部件开始旋转以后的所述间隙的大小要小，
所述发电装置还具有测定所述流体的流速的流速测定部，
所述间隙改变部根据由所述流速测定部测定出的流速，改变所述间隙的大小，
当所述流速小于第一流速阈值时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成预定的第一值；
当所述流速在大于所述第一流速阈值的第二流速阈值以上时，所述间隙改变部将所述间隙的大小设定成比所述第一值小的预定的第二值；
当所述流速在所述第一流速阈值以上且小于所述第二流速阈值时，所述间隙改变部改变所述间隙的大小，使得所述间隙的大小随着所述流速变大而变小。
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