JP2004064928A - 小型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風速に見合った概略の最高出力を取り出してバッテリー充電を行うためには、ＰＷＭコンバータによる制御が必要であったが、ＰＷＭコンバータは高価であり、その制御電源の待機電力が必要なので、小型に属する風力発電装置では、年間発電量が減少するという問題があった。
【解決手段】風車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力をダイオード整流して直流出力する小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機を誘起電圧の異なる複数の巻線により構成し、該複数の巻線の交流出力に個別のダイオード整流器を接続し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力するものである。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車により駆動される発電機から最大出力を取り出すための小型風力発電装置に関するものであり、特に、ＰＷＭコンバータを用いずに、常に、風から概略の最大出力を取り出してバッテリー充電を行うＰＷＭコンバータレスの小型風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いて交流を直流に変換して、最大電力を取り出すための風力発電装置については、公知である。
以下に、従来の、風車により駆動される永久磁石型発電機より、最大出力を取り出す発電装置を、図５の従来の風力発電装置の接続を示すブロック図を参照して詳述する。
図５において、１は風車、２１は従来の永久磁石型発電機、２２は回転計、２３はＰＷＭコンバータ、１２はバッテリー、２４は出力制御装置、２５は風速計である。
【０００３】
風車１により駆動される従来の永久磁石型発電機２１の交流側は、ＰＷＭコンバータ２３に接続され、風車１により可変速に駆動される従来の発電機２１の交流電力は、ＰＷＭコンバータ２３により直流電力に変換されて、バッテリー１２を充電する。
従来の永久磁石型発電機２１に直結される回転計２２の出力である風車回転数Ｎ、及び風速計２５の出力である風速Ｕは、出力制御装置２４に出力され、出力制御装置２４は以下に示す方法により作成した、電流指令Ｉ＊をＰＷＭコンバータ２３に出力する。
【０００４】
図４は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図４の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図４の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図４の風車回転数対風車出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。
【０００５】
図４に示すような風車回転数対風車出力特性を有する風車から、種々の風速において、風車最大出力を得るための従来方法を、図５を参照しながら説明する。図５の出力制御装置２４は、風速計２５より風速Ｕを入力して、平均風速Ｕａを求め、予め出力制御装置２４内に記憶している、図４に示すような最大出力曲線に一致する、平均風速Ｕａに対する最大風車出力Ｐを求める。
次に、この最大風車出力Ｐより、（１）式に示す発電機電流Ｉを求め、この発電機電流Ｉを電流指令Ｉ＊としてＰＷＭコンバータ２３に出力して、ＰＷＭコンバータ２３による可変周波数電源により従来の発電機２１を制御し、結果的に従来の発電機２１に直結される風車１より最大出力を取り出していた。
【０００６】
風車最大出力（Ｐ）＝定数（Ｋ）×風車回転数（Ｎ）×発電機電流（Ｉ）　・・・（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、風車１により駆動される従来の永久磁石型発電機２１に接続されたＰＷＭコンバータ２３により、種々の風速Ｕにおいて、最大出力を得るためには、高価な制御回路及びスイッチング素子で構成されるＰＷＭ変換器を有するＰＷＭコンバータ２３が必要である。
又、何時、吹くか分からない風に対して、常時、ＰＷＭコンバータ２３の制御電源をＯＮ状態にする必要があるため、小型に属する発電装置においては、年間を通した発電量に対して、上記制御回路の待機電力量の割合が大きなものとなっていた。
さらに、遅れを伴う風速計２５より測定した平均風速Ｕａを用いて、ＰＷＭコンバータ２３を制御しているために、常に、風から最大出力を得られるとは限らなかった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、ＰＷＭコンバータ２３や風速計２５を必要とせず、上記制御回路の待機電力を消費せず、しかも種々の風速Ｕから風速の３乗に概略比例する最大出力を得る小型風力発電装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明では、制御回路電源が必要なＰＷＭコンバータを用いないで、複数の誘起電圧を出力する永久磁石型発電機とダイオード整流器で構成した小型風力発電装置により、バッテリー等の定電圧源に充電を行う事により、常に、風速Ｕに見合った概略の最高出力を取り出すものである。
【０００９】
そこで、図４の最大出力曲線を見方を変えて見ると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良い事を表している。又、この最大出力曲線は、最大出力曲線よりも左側の領域に、出力Ｐを定めると、風車は失速してしまう事を表している。
従って、本発明では、上記の最大出力曲線を念頭にいれて、以下の如き工夫を行った。
図３は、本発明の動作原理を説明するための図であり、小型風力発電装置の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合で、小型風力発電装置内の永久磁石型発電機の複数の巻線を３巻線とし、巻線Ｗ１〜Ｗ３をパラメータとした時の、各巻線の風車回転数対出力特性を示した図である。
上記３巻線の巻数は、それぞれ異なっており、図３において、点線Ｗ２の巻線の巻数は、一点鎖線Ｗ１の巻線の巻数より多く巻かれている。さらに、実線Ｗ３の巻線の巻数は、点線Ｗ２の巻線の巻数より多く巻かれている。
【００１０】
従って、このように巻数に差があるために、各巻線に発生する電圧は、永久磁石型発電機の同一回転数において、巻数に比例した誘起電圧が発生する。すなわち、巻線Ｗ１より巻線Ｗ２、さらに巻線Ｗ２より巻線Ｗ３の方が高い電圧を発生する。従って、各巻線の内部インダクタンス値は、巻線Ｗ１より巻線Ｗ２、さらに巻線Ｗ２より巻線Ｗ３の方が大きくなる。
これらの巻線からダイオード整流を経て、ほぼ定電圧のバッテリーに充電しようとすると、永久磁石型発電機の回転数が上昇して、発生電圧が高くなっても、各巻線のインダクタンスによる電圧降下のために、各巻線から発生する電流は、ほぼ一定になるために、出力は図３に示すようになる。
【００１１】
ここで、図３に基づき、巻線Ｗ３により発生する出力Ｐの説明を行う。風車回転数Ｎが低い場合には、巻線Ｗ３の発生電圧ＶＷ３がバッテリー電圧ＶＢより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、出力ＰはＰＷ３となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテッリー電圧は、ほぼ一定であるが、巻線のインダクタンスによるインピーダンスが周波数に比例するために、出力ＰはＰＷ３より漸増するに留まる。
【００１２】
さらに、巻数の少ない巻線Ｗ２についても同様に、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ２付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ２になると、出力ＰはＰＷ２となり、これ以上の風車回転数Ｎが上昇しても、出力Ｐは、ほぼＰＷ２になる。ここで、巻線Ｗ２の内部インダクタンスは、巻線Ｗ３の内部インダクタンスより小さいために、巻線Ｗ２には、巻線Ｗ１の電流よりも大きな電流が流れ、出力ＰＷ２は出力ＰＷ１より大きくなる。
又、巻線Ｗ１についても同様に、風車回転数ＮがＮ１付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ１になると、出力ＰはＰＷ１となる。
【００１３】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）、請求項１において、
風車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力をダイオード整流して直流出力する小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機を誘起電圧の異なる複数の巻線により構成し、該複数の巻線の交流出力に個別のダイオード整流器を接続し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する事を特徴とするものである。
【００１４】
２）、請求項２において
請求項１記載の小型風力発電装置において、前記風車の形状より一義的に定まる最大出力となる風車回転数対風車最大出力特性を求め、該風車回転数対風車最大出力特性に基づいて前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を決定する事を特徴とするものである。
【００１５】
３）、請求項３において、
請求項２記載の小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を有する複数の巻線の交流出力と前記個別のダイオード整流器の間に個別のリアクトルを接続する事を特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の、風車により駆動される小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
同図において、２は小型風力発電装置、３は本発明の永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３のダイオード整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子であり、図５と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００１７】
本発明の永久磁石型発電機３は、絶縁された巻数の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ない巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１のダイオード整流器７に接続される。
次に巻数が多い巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２のダイオード整流器８に接続される。
又、巻数が一番多い巻線Ｗ３は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３のダイオード整流器９に接続される。
上記第１〜第３のダイオード整流器７〜９の各々の直流側は、正側出力端子９及び負側出力端子１０に接続され、さらにバッテリー１２に接続される。
【００１８】
このように構成される小型風力発電装置２より、種々の風速において、風車の形状より一義的に定まる最大出力を、近似的に取り出す方法を、図２の本発明の小型風力発電装置の風車回転数対風車出力特性図を参照して説明する。
図２の実線で示す最大出力曲線は、図４で示した最大出力曲線と同一の曲線であり、風車回転数Ｎに対する出力Ｐが、この曲線上にあれば、風車より最大出力を取り出せている。
上記最大出力曲線上の出力を近似的に取り出すために、図２の点線で示す近似出力曲線を想定する。この近似出力曲線は、本発明の小型風力発電装置２をバッテリー１２等の定電圧源に接続した時の風車回転数対風車出力特性であり、図３に示す巻線Ｗ１〜Ｗ３の出力を加算して得られる出力値と同一である。
上記の加算して得られる出力値とは、ハード的には、図１の巻線Ｗ１〜Ｗ３の加算出力であり、正側出力端子９及び負側出力端子１０からのバッテリー１２への出力である。
【００１９】
図２及び図３を、バッテリー内部抵抗を無視して、さらに詳述する。風車回転数Ｎ３においては、最大出力曲線及び近似出力曲線との交点Ｘ３における出力はＰ３であるが、この値は、図３の風車回転数Ｎ３における巻線Ｗ３の出力ＰＷ３と同一値である。すなわち、風車回転数Ｎ３においては、巻線Ｗ３の誘起電圧ＶＷ３のみバッテリー電圧ＶＢを超えるために、巻線Ｗ３からバッテリー１２に出力電流が流れる。
【００２０】
次に、風車回転数Ｎ２においては、最大出力曲線及び近似出力曲線との交点Ｘ２における出力はＰ２であるが、この値は、図３の風車回転数Ｎ２における巻線Ｗ２の出力ＰＷ２と巻線Ｗ３の出力ＰＷ３を加算した値である。すなわち、風車回転数Ｎ２においては、巻線Ｗ２及びＷ３の誘起電圧ＶＷ２及びＶＷ３が、バッテリー電圧ＶＢを超えるために、巻線Ｗ２及びＷ３からバッテリー１２に出力電流が流れる。
又、風車回転数Ｎ１においては、最大出力曲線との交点Ｘ１における出力はＰ１であるが、この値は、図３の風車回転数Ｎ１における巻線Ｗ１の出力ＰＷ１、巻線Ｗ２の出力ＰＷ２及び巻線Ｗ３の出力ＰＷ３を加算した値である。すなわち、風車回転数Ｎ１においては、巻線Ｗ１〜Ｗ３の誘起電圧ＶＷ１〜ＶＷ３が、バッテリー電圧ＶＢを超えるために、巻線Ｗ１〜Ｗ３からバッテリー１２に出力電流が流れる。
【００２１】
以上、本発明の実施例では、小型風力発電装置２を構成する永久磁石型発電機３は、異なる誘起電圧及び出力を発生するために、各巻線は異なる巻数で構成されると共に、各巻線の断面積は、巻線Ｗ３より巻線Ｗ２の方が、さらに巻線Ｗ２より巻線Ｗ１の方が、大きい巻線で構成される。
又、永久磁石型発電機３は、異なる誘起電圧及び出力を発生するように、内部巻線を構成すれば良く、必ずしも、同一の固定子スロットに、巻数の異なる３巻線を納める必要は無い。
さらに、本発明の小型風力発電装置２は、３相に限らず、他の相数でも可能である。
【００２２】
本発明において、図２で示す近似出力曲線を、より最大出力曲線に近づけて、風からのエネルギーを可能な限り取り出すためには、本発明の永久磁石型発電機３の各巻線Ｗ１〜Ｗ３の誘起電圧値及び内部インダクタンス値と、第１〜第３のリアクトル４〜６のインダクタンス値を加減する事により可能である。
すなわち、図２で示す最大出力曲線は、風車回転数に対して３次曲線であるが、複数の各巻線の内部インダクタンスとリアクトルによる電圧降下は、風車回転数に比例する。又、複数の各巻線の誘起電圧は巻数に比例するが、内部インダクタンスは巻数の２乗に比例する事等を考慮して、設計される。
【００２３】
さらに、第１のダイオード整流器７に接続される、第１のリアクトル４と巻線Ｗ１の加算したインダクタンス値は、最小の値が要求されるために、第１のリアクトル４を削除できるように、本発明の永久磁石型発電機の永久磁石と巻数の設計を行う事もできる。
【００２４】
以上、本発明の実施例では、異なる誘起電圧を発生させる巻線の数を３として説明したが、近似出力曲線の最大出力曲線に対する近似度が荒くても良ければ、２巻線で構成しても実用的であり、又、さらに近似出力曲線の近似度を上げるために、４巻線以上にする事も可能である。
【００２５】
又、本発明の小型風力発電装置から、バッテリー等の定電圧源へ充電する場合について説明したが、充電により直流電圧が上昇するような場合には、上昇した直流電圧に充電しようとするために、図２の小型風力発電装置の近似出力曲線は最大出力曲線から右側に乖離して、出力が減少する。これは、バッテリー等の定電圧源への充電が、風力発電により十分に行われた結果の電圧上昇であり、バッテリー等の定電圧源を含めたシステム全体として、何ら不具合となるものでは無い。さらに電圧上昇するようなシステムにおいては、バッテリー等の定電圧源を切り離すか、風車を停止すれば良い。
このように、充電により直流電圧が上昇するような場合には、仕様で決めた充電を開始する最低電圧において、小型風力発電装置の近似出力曲線を最大出力曲線に、最も近づけるように設計すれば良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上、風速計や制御回路電源が必要なＰＷＭコンバータを使用しないで、複数の誘起電圧を出力する永久磁石型発電機、リアクトル及びダイオード整流器で構成した小型風力発電装置で、バッテリー等の定電圧源の充電を行う事により、常に、風速に見合った概略の最高出力を取り出す方法について説明した。
この方法により構成した小型風力発電装置によれば、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であるために安価に構成でき、前記ＰＷＭコンバータでは必要となる待機電力が不要なので、年間を通した発電量を増加させる事ができるので、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風車により駆動される小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
【図２】本発明の小型風力発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
【図３】本発明の動作原理を説明するための図である。
【図４】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図５】従来の風力発電装置の接続を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　風車
２　　　　　　　小型風力発電装置
３　　　　　　　本発明の永久磁石型発電機
４〜６　　　　　第１〜第３のリアクトル
７〜９　　　　　第１〜第３のダイオード整流器
１０　　　　　　正側出力端子
１１　　　　　　負側出力端子
１２　　　　　　バッテリー
２１　　　　　　従来の永久磁石型発電機
２２　　　　　　回転計
２３　　　　　　ＰＷＭコンバータ
２４　　　　　　出力制御装置
２５　　　　　　風速計

Claims (3)

1. 風車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力をダイオード整流して直流出力する小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機を誘起電圧の異なる複数の巻線により構成し、該複数の巻線の交流出力に個別のダイオード整流器を接続し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する事を特徴とする小型風力発電装置。
2. 請求項１記載の小型風力発電装置において、前記風車の形状より一義的に定まる最大出力となる風車回転数対風車最大出力特性を求め、該風車回転数対風車最大出力特性に基づいて前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を決定する事を特徴とする小型風力発電装置。
3. 請求項２記載の小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を有する複数の巻線の交流出力と前記個別のダイオード整流器の間に個別のリアクトルを接続する事を特徴とする小型風力発電装置。

Images