JP2003153595A - 流体発電装置 - Google Patents

流体発電装置

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JP2003153595A JP2001342927A JP2001342927A JP2003153595A JP 2003153595 A JP2003153595 A JP 2003153595A JP 2001342927 A JP2001342927 A JP 2001342927A JP 2001342927 A JP2001342927 A JP 2001342927A JP 2003153595 A JP2003153595 A JP 2003153595A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作動流体エネルギーを駆動源とする流体発電
装置において、流速及び回転数の変動への対処を可能と
し、また、作動流体の各流速における最大出力を得て、
発電量の増大を図る。 【解決手段】 実測の周速比と基準の周速比とを比較
し、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいときは、
発電機を無負荷として翼回転軸の回転数を基準の周速比
が持つ回転数へ回復させるように構成する。また、流速
と回転数から算出した周速比に基づき発電機の運転を制
御し、各流速における最大出力を得るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、風等の作動流体エ
ネルギーを回転エネルギーに変換し、電気エネルギーと
して利用する流体発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】作動エネルギーを駆動源として発電を行
う流体発電装置として、近年、風力エネルギーを利用し
た風力発電が見直されている。この風力発電装置につい
ては、微風から強風までの広い範囲の風力エネルギーを
利用できるようにすることに対する要望が高まってい
る。
【０００３】風力発電装置は、風車の回転によって駆動
される発電機と、発電機からの給電によって充電される
蓄電池等から構成され、風車の回転によって、蓄電池に
充電しながら電気機器等の負荷に対し、給電することが
できるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の上述したような
風力発電装置においては、微風時にあっても、風車にと
って負荷となる発電機が連結されたままの状態であり、
風の変動に応じて自動的に発電機を切り離し、風車の回
転の回復を待って再び連結するような制御機能は備えて
いない。
【０００５】また、蓄電池が満充電状態にあるときに、
強い風がある場合、風車を機械的に制動したり、発電機
の出力を短絡して発電制動をかけたりして、風車の過回
転を予防していた。しかし、発電機の出力を短絡する瞬
間に発電機が無負荷となって、風車の回転が過大となる
虞があった。
【０００６】本発明は、発電機を周速比に基づき制御す
ることによって、風等の作動流体の流速及び回転数の変
動への対処を可能とし、また、各流速における最大出力
を得ることができる流体発電装置を提供することを目的
としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の流体発電装置においては、作動流体エネ
ルギーを駆動源として回転する翼回転軸へ連結した発電
機と、発電機へ接続した蓄電池を含む負荷装置とを備え
た流体発電装置において、作動流体の流速に基づく流速
信号と翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出し
た実測の周速比と、流体発電装置における作動流体エネ
ルギー変換効率が最大となる基準の周速比とを比較する
比較手段と、この比較手段の比較結果に基づき負荷装置
をオンオフ制御する負荷制御手段とを備えたものであ
る。
【０００８】また、実測の周速比と基準の周速比とを比
較手段で比較し、実測の周速比が基準の周速比よりも小
さいときは、負荷制御手段により発電機を無負荷とし、
翼回転軸の回転数を基準の周速比が持つ回転数へ回復す
るように構成することが効果的である。
【０００９】さらに、負荷装置の蓄電池が満充電となっ
たときは、負荷装置をオフ状態とすると同時に、ダミー
負荷を発電機へ接続するように構成することが好まし
い。
【００１０】また、作動流体エネルギーを駆動源として
回転する翼回転軸へ連結した発電機を備えた流体発電装
置において、作動流体の流速と翼回転軸の回転数から算
出した周速比に基づき発電機の運転を制御する制御手段
を設け、作動流体の各流速における最大出力を得るよう
に構成したものである。
【００１１】また、発電機の運転を制御する制御手段
は、作動流体の流速と翼回転軸の回転数における出力ピ
ーク値を過ぎた高めの回転数に基づき算出した周速比を
用いて発電機の運転を制御するように構成することが効
果的である。
【００１２】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例に基づ
き図面を参照して説明する。図１に示す実施例は、作動
流体エネルギーとして、風力エネルギーを回転エネルギ
ーに変換し、電気エネルギーとして利用する風力発電装
置を構成している。この図１において、風車１は、例え
ば、３枚の直線翼２を持ち、それぞれの直線翼２は、上
下２枚の支持翼３によって翼回転軸４へ一体的に取り付
けられている。この翼回転軸４には、同期発電機（三相
交流）等の発電機５が変速機６を介して連結されてい
る。また、翼回転軸４には、制動用のブレーキ７と風車
１の回転数を検出する回転検出部８が設けられている。
【００１３】回転数検出部８は、風車１の回転数を回転
計発電機及びフォトセンサとフォトボルト・コンバータ
による計測の両方によって検出している。この検出した
回転数信号は、制御回路９へ入力される。また、風速
は、風速計等から成る風速検出部１０で検出され、この
検出した風速信号は、制御回路９へ入力される。
【００１４】図２は、図１の制御回路９の要部を示すも
ので、翼回転軸４の回転数は、回転数検出部８で検出さ
れ、その回転数信号は、制御回路９の実測の周速比を算
出する周速比算出回路９１へ入力される。また、風速検
出部１０で検出された風速信号も、同様に、制御回路９
の実測の周速比算出回路９１へ入力される。
【００１５】実測の周速比算出回路９１においては、翼
回転軸４の回転数に基づく回転数信号と、風速に基づく
風速信号から実測の周速比が算出される。この算出され
た実測の周速比は、比較回路（比較手段）９２へ入力さ
れる。さらに、この比較回路９２には、基準の周速比が
入力される。この基準の周速比は、図１の風力発電装置
における風力エネルギー変換効率が最大となる周速比に
あらかじめ設定されている。
【００１６】実測の周速比と基準の周速比が入力された
比較回路９２は、その比較結果に基づき負荷制御回路９
６へ制御信号を入力する。この時、比較回路９２におい
て、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいと判定し
たときは、比較回路９２から負荷制御回路９６に対し
て、負荷装置１１の蓄電池１１１と発電機５の電気的接
続をオフとする指令を出す。負荷制御回路９６は、切替
器９６に発電機５を無負荷とする切り替え動作をさせ
る。この発電機５を無負荷にする動作は、例えば、アン
ロードバルブを用いることによる容易に行うことができ
る。
【００１７】このように、実測の周速比が基準の周速比
よりも小さいときには、発電機５を無負荷とし、翼回転
軸４に対する負荷を軽減する。この動作は、翼回転軸４
の回転数が基準の周速比が持つ基準の回転数に回復する
まで継続される。このことによって、風車１の回転起動
を著しく早くすることができ、風速及び回転数の変動に
敏感に対処することが可能となり、発電効率の改善が図
られ、結果的に、風力発電装置の稼働率の向上を実現で
きる。
【００１８】また、負荷装置１１は、蓄電池１１１が満
充電状態にあるときは、過電圧検出回路１１２の出力に
より、切替器１１３を切り替え動作させ、蓄電池１１１
への給電を停止すると同時に、ダミー負荷１１４を接続
する。このダミー負荷１１４の接続によって、発電機５
は、無負荷状態とはならず、適切な電気制動をかけるこ
とができる。したがって、発電機５に連結した翼回転軸
４、すなわち、風車１の過回転域に入ることを防止で
き、風車１の直線翼２等の破損を防止することができ
る。このダミー負荷１１４としては、例えば、ライトを
点灯させ、あるいは、ヒーターを接続して熱回収用のヒ
ーターとして作動させる等を実施することにより、蓄電
池１１１の満充電が解除されるまでの余剰電力を有効に
活用することができる。
【００１９】さらに、図１に示す実施例において、風速
Ｖと翼回転軸４の回転数Ｎから算出した周速比β（β＝
回転数Ｎ又はロータ周速／風速Ｖ）に基づき発電機５の
運転を制御するように構成している。ロータ周速は２π
ＲＮ（Ｒは半径）であり、２πＲを一定とすれば回転数
Ｎで代用される。具体的には、図５に示すように、例え
ば、風速Ｖ＝９メートル毎秒のピーク値イ点を過ぎた高
めの回転数のロ点（β＝４．５）で回転翼４へ発電機５
を連結すると、回転軸４に対して負荷として働き、翼回
転軸４の回転数Ｎは、図５の半時計方向へ向かう矢印で
示すように回転数を減少し、出力のピーク値イ点へセッ
トされる。
【００２０】この時、周速比β＝４．５を用いたのは、
図４に示すように、風車１の最大効率が実測上、ほぼ周
速比β＝４．５の時に得られているので、運用は、この
周速比の前後で行うことが望ましい。このように、周速
比βに基づき発電機５の制御を行うことにより、図４及
び図５に示すように、常にピーク値イ点で発電機５の運
転を行うことができ、各風速に応じた最大出力を得るこ
とが可能となる。
【００２１】図3は、図１に示す風力発電装置の制御系
統を示し概念図である。この実施例の制御システムは、
上述した本発明に係わる制御手段を含む３つの機能を備
えている。それらは、起動及び加速機能と、周速比制御
機能と、制動機能である。風速の検出は、上述したよう
に、風速計等から成る風速検出部１０で行い、風車１の
回転数は、回転計発電機及びフォトセンサとフォトボル
ト・コンバータによる計測の両方を備えた回転検出部８
によって検出されている。これらの風速信号及び回転数
信号は、電圧比較器１２と論理回路１３によって処理さ
れ、制御信号として出力される。
【００２２】起動及び加速機能は、風速がある最低値を
超え、かつ風車１の周速比が設定値より低い時、起動モ
ータを作動させるように構成している。また、周速比例
制御は、周速比が最高値よりも低い時、アンロードバル
ブを作動して発電機５を無負荷状態とするように構成し
ている。この状態は、風車１の回転数が基準の回転数に
回復するまで継続し、回転数の変動に対処することがで
きる。
【００２３】制動機能は、２つの機能を備えている。そ
れらは、通常制動機能と非常制動機能である。通常制動
機能は、風速が設計運用風速の最大値を超えるときに空
気ブレーキを作動させるように構成している。また、非
常制動装置は、風車１の設計運用回転数が最大を超えた
時、あるいは、２つの回転検出部８からの検出信号が異
常になったときのいずれにおいても、ブレーキを作動さ
せるように構成している。
【００２４】制動系統は、カットアウト風速による制動
系と、風車１の過回転による非常用制動系とで構成して
いる。特に、安全上重要となる回転数の検出について
は、系を二重として、回転数の異常を検出する自己診断
機能を備えている。
【００２５】上記の実施例では、風力発電装置について
説明したが、これに限るものではなく、本発明の流体発
電装置を水力その他の発電システムに適用することがで
きる。また、太陽発電と複合して同時に実施することが
でき、ハイブリットな発電システムを提供することがで
きる。
【００２６】また、上記の流体発電装置は、発電出力、
回転数、流速等の運転状況を示す種々の観測データ、あ
るいは、運転状況を監視できる映像データ等を衛星通信
あるいはインターネット等の通信手段を利用して、地球
上のいかなるサイトでも監視でき、双方向で運転操作を
行うことができる制御手段を搭載することも可能であ
る。また、高い建物の側壁において回転軸４を垂直では
なく水平にして使用することも可能である。また、支持
翼３に代えて支持部としての円板を用いることも可能で
ある。また、上記した各構成は流体発電方法としても有
効なものである。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように構成されているの
で、本発明の請求項１記載の発明によれば、風速及び回
転数の変動に適確に対処することが可能となり、発電効
率の改善を図ることができ、結果的に、流体発電装置の
稼動効率の向上と発電量の増大を実現することができ
る。
【００２８】また、請求項２記載の発明によれば、流速
が基準レベルよりも小さくなったときに、自動的に発電
機を無負荷として翼回転軸の負担を軽減すると同時に、
この無負荷状態を基準の回転数に回復するまで継続する
ことができ、流速及び回転数の変動に適確に対処するこ
とが可能となり、流体発電装置の稼働率の向上と発電量
の増大を実現することができる。
【００２９】さらに、請求項３記載の発明によれば、蓄
電池が満充電のため発電機からの給電停止すると同時に
発電機へダミー負荷を接続することにより、発電機は無
負荷状態とはならず、適切な電気制動をかけることがで
き、高速回転時における回転機構部の破損事故を防止す
ることができる。また、ヒーター等をダミー負荷として
使用することにより、蓄電池の満充電が解除されるまで
の余剰電力を有効に活用することも可能となる。
【００３０】また、請求項４記載の発明によれば、流速
と回転数から算出された周速比に基づき発電機の運転を
制御することにより、作動流体の各流速における最大出
力を得ることが可能となり、発電効率の改善を図ること
ができ、流体発電装置の稼動効率の向上と発電量の増大
を実現することができる。
【００３１】さらに、請求項５記載の発明によれば、作
動流体の流速と回転数における出力ピーク値を過ぎた高
めの回転数に基づき算出した周速比を用いて発電機の運
転を制御することにより、発電機の運転を常に発電効率
のピーク値で行うことが可能となり、各流速における最
大出力を得ることができ、発電効率の改善と発電量の増
大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すブロック線図である。
【図２】制御回路のブロック線図である。
【図３】制御系統を示す概念図である。
【図４】発電効率を周速比に対して示した特性図であ
る。
【図５】周速比制御の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 風車 ２ 直線翼 ３ 支持翼 ４ 翼回転軸 ５ 発電機 ８ 回転数検出部 ９ 制御部 １０ 風速検出部 １１ 負荷装置 ９１ 実測の周速比算出回路 ９２ 比較手段（比較回路） ９３ 基準の周速比算出回路 ９６ 負荷制御回路 １１１ 蓄電池 １１４ ダミー負荷
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年８月１９日（２００２．８．１
９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の流体発電装置においては、作動流体エネ
ルギーを駆動源として回転する翼回転軸へ連結した発電
機と、発電機へ接続した蓄電池を含む負荷装置とを備え
た流体発電装置において、作動流体の流速に基づく流速
信号と翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出し
た実測の周速比と、流体発電装置における作動流体エネ
ルギー変換効率が最大となる基準の周速比とを比較する
比較手段と、この比較手段の比較結果に基づき、実測の
周速比が基準の周速比よりも小さいときは、発電機を無
負荷とし、翼回転軸の回転数を基準の周速比が持つ回転
数へ回復するように負荷装置をオンオフ制御する負荷制
御手段とを備えたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】また、負荷制御手段は、比較手段の比較結
果に基づき、実測の周速比が基準の周速比よりも小さい
ときには、発電機を無負荷とするとともに、この無負荷
状態を翼回転軸の回転数が前記基準の周速比の持つ回転
数に回復するまで継続して翼回転軸の回転数の変動に対
処するように構成することが効果的である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】さらに、負荷装置の蓄電池が満充電となっ
たときは、過電圧検出部の出力により蓄電池への給電を
停止すると同時に、ダミー負荷を発電機へ接続するよう
に構成することが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】また、作動流体エネルギーを駆動源として
回転する翼回転軸へ連結した発電機を備えた流体発電装
置において、作動流体の実測の流速と翼回転軸の実測の
回転数から算出した実測の周速比に基づき発電機の運転
を制御する制御手段を設け、作動流体の各流速のおける
最大の出力を得るように構成したものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】また、発電機の運転を制御する制御手段
は、作動流体の実測の流速と、翼回転軸の実測の回転数
における出力ピーク値を過ぎた高めの回転数から算出し
た実測の周速比特性に基づき発電機の運転を常に制御
し、発電機の翼回転軸へ与える負荷により各流速におけ
る最大出力を得るように構成することが効果的である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】実測の周速比と基準の周速比が入力された
比較回路９２は、その比較結果に基づき負荷制御回路９
６へ制御信号を入力する。この時、比較回路９２におい
て、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいと判定し
たときは、比較回路９２から負荷制御回路９６に対し
て、負荷装置１１の蓄電池１１１と発電機５の電気的接
続をオフとする指令を出す。負荷制御回路９６は、切替
器９６に発電機５を無負荷とする切り替え動作をさせ
る。この発電機５を無負荷にする動作は、例えば、アン
ロードバルブを用いることにより容易に行うことができ
る。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】また、負荷装置１１は、蓄電池１１１が満
充電状態にあるときは、過電圧検出部１１２の出力によ
り、切替器１１３を切り替え動作させ、蓄電池１１１へ
の給電を停止すると同時に、ダミー負荷１１４を接続す
る。このダミー負荷１１４の接続によって、発電機５
は、無負荷状態とはならず、適切な電気制動をかけるこ
とができる。したがって、発電機５に連結した翼回転軸
４、すなわち、風車１が過回転域に入ることを防止で
き、風車１の直線翼２等の破損を防止することができ
る。このダミー負荷１１４としては、例えば、ライトを
点灯させ、あるいは、ヒーターを接続して熱回収用のヒ
ーターとして作動させる等を実施することにより、蓄電
池１１１の満充電が解除されるまでの余剰電力を有効に
活用することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】図３は、図１に示す風力発電装置の制御系
統を示した概念図である。この実施例の制御システム
は、上述した本発明に係わる制御手段を含む３つの機能
を備えている。それらは、起動及び加速機能と、周速比
制御機能と、制動機能である。風速の検出は、上述した
ように、風速計等から成る風速検出部１０で行い、風車
１の回転数は、回転計発電機及びフォトセンサとフォト
ボルト・コンバータによる計測の両方を備えた回転検出
部８によって検出されている。これらの風速信号及び回
転数信号は、電圧比較器１２と論理回路１３によって処
理され、制御信号として出力される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H078 AA05 AA26 BB01 BB08 CC01 CC11 CC22 CC32 CC52 CC62 CC73 5H590 AA30 AB01 AB15 CA14 CB03 CD01 CE02 CE05 EA01 EA07 EA20 FA03 FA05 FB01 HA02 HA11 HA27

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作動流体エネルギーを駆動源として回転
    する翼回転軸へ連結した発電機と、発電機へ接続した蓄
    電池を含む負荷装置とを備えた流体発電装置において、 作動流体の流速に基づく流速信号と前記翼回転軸の回転
    数に基づく回転数信号から算出した実測の周速比と、前
    記流体発電装置における作動流体エネルギー変換効率が
    最大となる基準の周速比とを比較する比較手段と、 前記比較手段の比較結果に基づき前記負荷装置をオンオ
    フ制御する負荷制御手段とを備えたことを特徴とする流
    体発電装置。
  2. 【請求項２】 前記実測の周速比と前記基準の周速比と
    を前記比較手段で比較し、前記実測の周速比が基準の周
    速比よりも小さいときは、前記負荷制御手段により前記
    発電機を無負荷とし、前記翼回転軸の回転数を前記基準
    の周速比が持つ回転数へ回復するように構成したことを
    特徴とする請求項１記載の流体発電装置。
  3. 【請求項３】 前記負荷装置の蓄電池が満充電となった
    ときは、前記負荷装置をオフ状態とすると同時に、ダミ
    ー負荷を前記発電機へ接続するように構成したことを特
    徴とする請求項１又は２記載の流体発電装置。
  4. 【請求項４】 作動流体エネルギーを駆動源として回転
    する翼回転軸へ連結した発電機を備えた流体発電装置に
    おいて、 作動流体の流速と前記翼回転軸の回転数から算出した周
    速比に基づき前記発電機の運転を制御する制御手段を設
    け、作動流体の各流速における最大出力を得るように構
    成したことを特徴とする流体発電装置。
  5. 【請求項５】 前記発電機の運転を制御する制御手段
    は、作動流体の流速と前記翼回転軸の回転数における出
    力ピーク値を過ぎた高めの回転数に基づき算出した周速
    比を用いて発電機の運転を制御するように構成したこと
    を特徴とする請求項４記載の流体発電装置。
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