JP2004104975A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】稼動部品破損や低周波騒音発生といった不都合を生じさせることなく、かつ、交流発電機への過負荷を抑えつつ，強風下でも一定の発電量を得ることができる風力発電装置を提供すること。
【解決手段】風車ロータ（４）の回転により発生した動力を交流発電機（９）によって交流電力へ変換し、当該交流電力を整流子（１１）を介して直流電力としてバッテリ（１４）へ蓄える風力発電装置において、風車ロータ（４）を制動して回転数を減少可能な渦電流ブレーキ（３０）と、交流発電機（９）の出力電力が設定値以上となった場合に余剰出力電力を渦電流ブレーキ（３０）へ供給して作動させるブレーキ制御手段（２０）とを設ける。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力エネルギを電気エネルギへ変換して蓄電可能な風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電装置は、風の力を利用して発電する装置であり、公害を出さない電気供給源として次第に普及しつつある。図７および図８に、風力発電装置の従来構成を示す。
【０００３】
図７において、２はタワーである。タワー２の上部には、ナセル（機械箱）３が取り付けられている。風車ロータ４は、駆動軸５に取り付けられた複数枚の翼６から形成されている。駆動軸５は、ナセル３に内蔵された軸受７によって回転自在に支持されている。駆動軸５は、増速機８を介して交流発電機（ＰＭＧ型同期発電機等）９に連結されている。
【０００４】
風車ロータ４によって得られた動力は、図８に示す交流発電機９で交流電力へ変換され、整流子１１を介して直流電力となる。この直流電力は、バッテリ充放電コントロールユニット１２を介してバッテリ１４へ蓄えられる。蓄電された電力はインバータ１５などを介して負荷１６へ供給される。なお、図８において、１３は逆流防止ダイオードである。
【０００５】
ここで、風車ロータ４は、風速の３乗に比例するエネルギを発生する。そして、その際の風車ロータ４の回転数は、周速比（風車ロータ回転速度と風速の比）に一致する。そのため、台風等の強風下では、風車ロータ４が過回転となる。また、これに伴い、交流発電機９から出力される交流電力が異常に増大する。
【０００６】
かかる風車ロータ４の過回転および発電機９の過電力発生は、風力発電装置の破損や故障を招く原因となるため、通常、装置には風車ロータ４の回転数を検知する回転数検知手段が設けられ、回転数が設定回転数以上となった場合には、（イ）風向に対して風車ロータ回転面を偏向させてロータ４が受ける風の力を逃したり、（ロ）交流発電機９への負荷をコントロールして、ロータ回転数増加を抑える方法が採られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した風力発電装置において、風車ロータ４の過回転防止等を図るために上記（イ）の方策をとった場合、ナセル３のハンチング現象によって低周波振動が発生し構成部品が破損したり、低周波騒音が発生することがある。また、上記（ロ）の方策をとった場合には、交流発電機９に極めて大きな負担がかかり、最悪の場合にはコイルの焼き付きや、励磁用マグネットの減磁を招くことがある。
【０００８】
本発明の目的は、構成部品破損や低周波騒音発生といった不都合を生じさせることなく、かつ、交流発電機への過負荷を抑えつつ、強風下でも一定の発電量を得ることができる風力発電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、風車ロータの回転により発生した動力を交流発電機によって交流電力へ変換し、当該交流電力を整流子を介して直流電力としてバッテリへ蓄える風力発電装置において、前記風車ロータを制動して回転数を減少可能な渦電流ブレーキと、前記交流発電機の出力電力が設定値以上となった場合に余剰出力電力を渦電流ブレーキへ供給して作動させるブレーキ制御手段と、を設けたものである。
【００１０】
上記構成の本発明の場合、交流発電機の出力電力は、風車ロータの回転数増加に伴い増大する。例えば、交流発電機が同期型発電機である場合には、ロータ回転数に比例して増大する。したがって、交流発電機の出力電力から風車ロータの回転数を算出できる。そこで、上記設定値としては、風車ロータが過回転となる値が選定されている。
【００１１】
ブレーキ制御手段は、交流発電機の出力電力が設定値以上となった場合には、余剰出力電力（設定値以上の出力電力）を渦電流ブレーキへ供給して作動させる。これにより、風車ロータは、渦電流ブレーキによって制動されて、その回転数増加が抑えられる。
【００１２】
このように、強風下で発生した交流発電機の余剰出力電力を利用して、風車ロータの過回転等を防止するので、経済的であるとともに、一定の発電量を得ることができる。また、交流発電機の出力電力が設定値以上となったことを検知してロータを制動するので、従来例のように回転数検知手段を設ける必要がなく、構成も簡素化される。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
本発明に係る風力発電装置は、図１に示すように、基本的構成は従来例（図８）と同様であるが、渦電流ブレーキ３０とブレーキ制御手段２０とを設け、強風下で発生した交流発電機９の余剰出力電力を利用して風車ロータ４を制動し、当該ロータ４の過回転等を防止する構成とされている。
【００１４】
なお、従来例（図８）と共通する構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略する。
【００１５】
まず、渦電流ブレーキ３０は、風車ロータ４を制動して回転数を減少可能に構成されている。具体的には、渦電流ブレーキ３０は、本体３１と、この本体３１内に収容されたコイル３２およびロータ３３とを含み、風車ロータ４の回転に連動して円板状のロータ３３が回転する中でコイル３２に直流電圧が印加されて電磁石となると、ロータ３３に渦電流が流れ当該ロータ３３の回転抵抗を増大して制動する構成とされている。ロータ３３は、銅やアルミニウム等で円板状に形成されており、交流発電機９を介して風車ロータ４と連結されている。
【００１６】
ブレーキ制御手段２０は、交流発電機９の出力電力が設定値以上となった場合に余剰出力電力を渦電流ブレーキ３０へ供給して作動させる手段である。ここにおいて、この実施形態では、交流発電機９として同期型発電機を選定している。かかる発電機９では、ロータ回転数に比例して出力電力が増大する。したがって、交流発電機９の出力電力から風車ロータ４の回転数を算出できる。そこで、上記設定値としては、風車ロータ４が過回転となる値が選定されている。渦電流ブレーキ３０のコイル３２には、ブレーキ制御手段２０を介して交流発電機９からの余剰電力（詳しくは、整流子１１で整流された直流電圧）が供給される。
【００１７】
上記構成の風力発電装置では、ブレーキ制御手段２０は、交流発電機９の出力電力が設定値以上となった場合には、余剰出力電力（余剰直流電圧）を渦電流ブレーキ３０へ供給して作動させる。これにより、風車ロータ４は、渦電流ブレーキ３０によって制動されて、その回転数増加が抑えられる。なお、この際、ブレーキ制御手段２０とバッテリ充放電コントロールユニット１２とは並列接続となることから、バッテリ１４に充電しながら風車ロータ４の回転数も制御できることになる。
【００１８】
このように、強風下で発生した交流発電機９の余剰出力電力を利用して、風車ロータ４の過回転防止および交流発電機９の過電力発生を防止するので、経済的であるとともに、一定の発電量を得ることができる。また、交流発電機９の出力電力が設定値以上となったことを検知して風車ロータ４を制動するので、従来例のように回転数検知手段を設ける必要がなく、構成も簡素化される。
【００１９】
【実施例１】
本風車発電装置の有用性を検証するために、足利工業大学機械工学科所有の風洞施設を利用して、各種実験を行った。
【００２０】
（試験装置）本発明に係る試験装置の概要図を図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す。渦電流ブレーキ３０のロータ３３は、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように、直径２００［ｍｍ］で厚さ７［ｍｍ］の銅製円板である。また、コイル３２は、直径６５［ｍｍ］でコイル高さは４７［ｍｍ］、抵抗値は５５．２５［Ω］である。かかる構成のコイル３２が８個設置されている。
【００２１】
また、風車ロータ４は、ＣＲ００１翼型仕様の翼を、ＣＲ００１翼型仕様のロータには、コーニング角６度を設定している。交流発電機９は、ＣＲ００１−Ｇ１を使用し、発電した電力はバッテリー蓄電およびブレーキ電力とした。
【００２２】
風速は、ベッツマノメータ４４とピトー管４３を使用して、この測定値を基準風速とし、他に連続的なデータを計測するため風杯型のＮＯＭＡＤ風速計４２を風洞４１内に設置して計測した。この時の発電機出力（交流・直流）、バッテリー蓄電電力、ブレーキへの供給電力および風速のデータはハイテスター４５により計測され、これらはすべて同時記録される。
【００２３】
なお、ここで使用したバッテリー１４は、フォークリフト用大型１２［Ｖ］バッテリーを使用した。このバッテリー１４はブレーキ回路と並列に接続されている。
【００２４】
（供試ブレーキ性能試験）　渦電流ブレーキ３０の制御は、交流発電機９より発生した余剰電力を利用して行うため、コイル３２の結線仕様を変更しながら行った。図３〜図６に示すように、１回目にコイル１個のみに電力を供給してブレーキ性能試験を行い、２回目に相対するコイル２個を直列接続した場合の性能試験を、３回目に相対するコイル２個を並列接続した場合の性能試験、最後に相対する２個のコイルの直列接続し、それを２組並列接続して、計４個のコイルを接続した場合の計４種のブレーキ性能試験を行った。
【００２５】
ブレーキ３０は風速１０［ｍ／ｓ］から作動させ、風速１５［ｍ／ｓ］ではバッテリー１４との接続を切り離し、ブレーキ３０のみに電力を供給し実験を行った。
【００２６】
（実験結果）　各条件でのブレーキ性能試験の結果を、図３〜図６に示す。すべての試験結果より、ブレーキをかけ始めた１０［ｍ／ｓ］以上より風車ロータ４の回転数が落ちているのが確認できた。
【００２７】
そのなかで、特に回転を落とすことができたのは、図５のコイルを２個使用し並列接続した場合のものであった。これは並列に接続したことによりコイル抵抗値が２．８１［Ω］と低く、電流の流れが大きくなったために渦電流の発生が多くなり、その結果制動力が増したためと考えられる。
【００２８】
また、この４条件の中で、ブレーキをかけた状態においてもバッテリー１４への蓄電が行われていたのは、コイル１個と２個直列に接続された時のみであり、この時のコイル３２にかかる電圧値は常にバッテリー電圧に近い値を示していたが、風速１５［ｍ／ｓ］においてバッテリー１４との接続を切断した時、電圧および回転数は急激にあがり、制動不可能の状態になった。
【００２９】
また、図６の条件下において、風速１５［ｍ／ｓ］以上の時にバッテリーとの接続を切断した結果、バッテリー接続時に比べ、多少であるが風車ロータ４の回転数が上がる傾向を示した。
【００３０】
以上のことから、今回使用したコイル３２を使用する場合、コイルの抵抗値を低めに設定するか、もしくはコイルの個数を増設する設計を行うことで、発電機９より発生した電力のみで風車ロータ４の回転数を制御できるだけの制動力を得られることが判明した。
【００３１】
上記実験を行った結果、以下のことが明らかになった。
（１）　風車ロータを制動させるために渦電流ブレーキを使用した結果、それを制動させるだけの電力が交流発電機の余剰電力より得ることができることが実証された。
（２）　交流発電機とコイルおよびバッテリーの結線条件により、様々な制動の挙動が確認された。
（３）　本試験において、今回使用したコイルを使用する場合、コイルの抵抗値を低めに設定するか、もしくはコイルの個数を増設する設計を行うことで、より制動力が得られる渦電流ブレーキの製作が可能であることが判明した。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば　風車ロータを制動して回転数を減少可能な渦電流ブレーキと、交流発電機の出力電力が設定値以上となった場合に余剰出力電力を渦電流ブレーキへ供給して作動させるブレーキ制御手段と、を設けたので、構成部品破損や低周波騒音発生といった不都合を生じさせることなく、かつ、交流発電機への過負荷を抑えつつ、強風下でも一定の発電量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明に係る試験装置を示す図である。
【図３】実験データ（１）を示す図である。
【図４】実験データ（２）を示す図である。
【図５】実験データ（３）を示す図である。
【図６】実験データ（４）を示す図である。
【図７】風力発電装置の従来構成を説明するための図である。
【図８】従来の風力発電装置の電気的構成を説明するための図である。
【符号の説明】
４　風車ロータ
５　駆動軸
６　翼
９　交流発電機
１１　整流子
１２　バッテリ充放電コントロールユニット
１３　逆流防止ダイオード
１４　バッテリ
１５　インバータ
１６　負荷
２０　ブレーキ制御手段
３０　渦電流ブレーキ
３１　本体
３２　コイル
３３　ロータ

Claims (1)

1. 風車ロータの回転により発生した動力を交流発電機によって交流電力へ変換し、当該交流電力を整流子を介して直流電力としてバッテリへ蓄える風力発電装置において、
   前記風車ロータを制動して回転数を減少可能な渦電流ブレーキと、前記交流発電機の出力電力が設定値以上となった場合に余剰出力電力を渦電流ブレーキへ供給して作動させるブレーキ制御手段と、を設けたことを特徴とする風力発電装置。

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