JP2005127253A - 電源装置およびそれを備えた発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然エネルギーが小さい場合であっても、十分に発電する。
【解決手段】 自然エネルギーを回転エネルギーに変換して回転駆動力を発生する風車１１と、風車１１の回転速度を測定する回転速度検出器１８と、風車１１の回転駆動力により作動して発電する発電機１９と、発電機１９への風車１１の回転駆動力の伝達及び遮断をする回転軸クラッチ１６とを備えている。そして、回転速度検出器１８が測定した風車１１の回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満であるとき、風車１１から発電機１９への回転駆動力を遮断し、前記駆動力の大きさが所定値以上であるとき、風車１１から発電機１９に回転駆動力を伝達するように、回転軸クラッチ１６を制御するクラッチ駆動部４２とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力エネルギー等の自然エネルギーを電気エネルギーに変換して各種機器の電力とする電源装置およびそれを備えた発電装置に関するものである。

温暖化や環境破壊の原因の一つとなる石油、石炭などの燃焼による発電に代わり、風力や水力等の自然エネルギーを利用した発電が盛んになってきている。例えば、風力を利用する風力発電装置は、風車を回転させ、その回転力を電力に変換することで、家庭内などに電力を供給している。かかる風力発電は、風車の回転軸を発電機に接続することで、電力を得ることができる。これまでに、安定した発電をするために、風力の強弱に応じて、風を受ける風車の羽根の向きを制御することによって、風車の回転数を平均的に保持させ、安定して発電する風力発電がある（特許文献１）。

特開２００３−２７８６３７（図１）

とろこが、回転軸を発電機に接続すると、回転軸には発電機を作動させようとするため、負荷がかかるようになり、特許文献１に記載の発電装置では、自然エネルギーである風力がこの負荷よりも小さい場合、風車が止まってしまうおそれがある。これにより、十分に発電できない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、自然エネルギーが小さい場合であっても、十分に発電することができる電源装置およびそれを備えた発電装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明は、自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段と、駆動力の大きさを測定する測定手段と、駆動力発生手段の駆動力により作動して発電する発電手段と、発電手段に対する駆動力発生手段の駆動力の伝達と遮断とを切替える切替手段と、測定手段が測定した駆動力の大きさが所定値未満であるとき、駆動力発生手段から発電手段への駆動力を遮断し、駆動力の大きさが所定値以上であるとき、駆動力発生手段から発電手段に駆動力を伝達するように、切替手段を制御する切替制御手段とを備えている。

この構成によると、駆動力の大きさが小さくなった場合、即ち自然エネルギーが小さい状況下であっても、切替制御手段により発電手段への駆動力の伝達及び遮断を交互に繰り返すことで、発電手段の発電効率を良くすることができる。自然エネルギーの大きさが小さい場合、駆動力の大きさも小さくなり、且つ、駆動力を発電手段に伝達する際に、駆動発生手段に多少の負荷がかかる場合がある。このため、駆動力がこの負荷よりも小さい場合に、駆動力発生手段が停止するおそれがある。

駆動力が所定値未満となるときに、発電手段への駆動力の伝達を遮断することで、かかる負荷を無くすことができ、駆動力発生手段を停止することなく、動作しつづけることができる。そして、このときの慣性力を利用することで、発電手段に駆動力を伝達しても、駆動力発生手段は停止せず、再び駆動力が所定値未満となると発電手段への駆動力の伝達を遮断するようにすれば、駆動力発生手段は停止することなく駆動し続ける。また、これにより、自然エネルギーの大きさが小さい場合であっても、駆動力を可能な限り上昇させることができ、十分に発電することができる。

本発明において、切替制御手段が、測定値が前記所定値未満から所定値以上に上昇する場合は、所定値に一定値を加えた伝達開始値以上に測定値が上昇するまで、駆動力発生手段から発電手段への駆動力の伝達を禁止する伝達禁止手段を有することが好ましい。これによると、必要とする大きさの駆動力が得られるまで、駆動力の伝達を禁止し、駆動力発生手段を十分に作動させることで、効率よく且つ十分に発電することができる。

本発明において、駆動力発生手段が、自然エネルギーにより回転する回転体と、回転体と共に回転する回転軸とを有していることが好ましい。これによると、簡単な構造で、自然エネルギーを運動エネルギーに変換することができる。

本発明において、測定手段が回転体の回転速度を測定することが好ましい。これによると、駆動力の大きさを測定するために、回転体の回転速度を検出すればよいので、演算や構造を簡単にすることができる。

本発明において、自然エネルギーが風力であることが好ましい。これによると、特に場所を選ぶことなく発電することができる。

本発明は、上記の電源装置を含んでいる発電装置である。これによると、好適に発電することができる。

本発明の好適な実施形態を図１ないし図４に基づいて以下に説明する。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置は、自然エネルギーの一種である風力エネルギーを電気エネルギーからなる交流電力に変換して出力する風力発電装置本体１と、風力発電装置本体１の制御機能や交流電力の直流電力への整流機能等を備えたコントローラ２と、風力発電装置の動作状態や設定状態等を切替え可能に表示する操作表示器３と、コントローラ２において整流された直流電力を充電するバッテリ４と、バッテリ４に充電された電力を交流電力に変換して外部負荷６に供給するインバータ５と、バッテリ４に対して補助電力を供給する補助充電器７とを有している。

上記の風力発電装置本体１は、図２に示すように、風力に応じた回転駆動力を発生する風車１１を有している。風車１１（駆動力発生手段）は、風を受ける複数枚の風車羽根１２（回転体）と、これらの風車羽根１２を水平方向に旋回させるように支持した旋回支持部材１３と、旋回支持部材１３の回転中心を支持した回転支持機構１４とを有している。回転支持機構１４は、鉛直方向に立設されており、旋回支持部材１３の回転中心に上端部が連結された第１回転軸部材１５（回転軸）と、第１回転軸部材１５に回転軸クラッチ１６（切替手段）を介して連結された第２回転軸部材１７とを有している。

上記の第１回転軸部材１５には、回転速度検出器１８が設けられている。回転速度検出器１８は、エンコーダからなっており、第１回転軸部材１５の回転速度（単位時間当たりの回転数）に応じたパルス数の回転速度信号を出力するようになっている。尚、回転速度検出器１８は、旋回支持部材１３の側面に磁石や反射板等の検出対象物を取り付け、この検出対象物を検出する毎にパルス状の回転速度信号を出力するように構成されていても良い。

また、回転軸部材１５・１７間に介装された回転軸クラッチ１６は、無励磁作動型の構成にされている。具体的には、回転軸クラッチ１６は、２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａと、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を接合させるように付勢する図示しないバネ部材と、バネ部材の付勢力に対して逆方向の電磁力を発生するコイル部材１６ｂとを有している。これにより、クラッチ作動電流が供給されていない場合は、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士がバネの付勢力で強固に接合（連結）されることによって、第１回転軸部材１５の回転駆動力を第２回転軸部材１７に十分に伝達させるようになっている。また、クラッチ作動電流が供給されている場合は、電流値に応じた電磁力により付勢力の作用を減少させることによって、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の接合力を弱め、電磁力が付勢力以上となったときに、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を離隔させるようになっている。

また、後述するコントローラ２のクラッチ駆動部４２（切替制御手段・伝達禁止手段）により、回転速度検出器１８が検出した回転速度（以下、回転速度Ｎと言う）に応じて、回転軸クラッチ１６のクラッチ板１６ａ・１６ａが隔離及び接合される。具体的には、回転速度Ｎと所定の回転速度（以下、回転速度Ｎ１と言う）とを比較して、回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満の場合、２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａが隔離されるようになっている。つまり、回転軸クラッチ１６にクラッチ作動電流が供給されるようになっている。

２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａ同士を接合して、第１回転軸部材１５の回転駆動力を第２回転軸部材１７に伝達させる場合、第２回転軸部材１７には、発電機１９を作動させるときの負荷が発生する。このため、風力がこの負荷よりも小さい場合、第１回転軸部材１５及び回転羽根１２が停止してしまうため、回転速度Ｎが回転速度Ｎ１よりも小さい場合、２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａ同士を隔離することで、第２回転軸部材１７に発生する負荷を第１回転軸部材１５に伝達することがなくなり、第１回転軸部材１５及び回転羽根１２が停止することを防止している。

また、２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａ同士を隔離し、回転羽根１２を停止させることなく回転させた後、回転速度Ｎが上昇し、回転速度Ｎ１を超え、さらに回転速度Ｎが回転速度Ｎ２よりも大きくなると、再び２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａ同士が接合するようになっている。つまり、回転軸クラッチ１６へのクラッチ作動電流の供給を停止ようになっている。これには、第１回転軸部材１５及び回転羽根１２にかかる負荷が無くなるため停止することなく回転速度が上昇し、この回転を続ける慣性力を利用することで、２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａ同士が接合した後も、第１回転軸部材１５及び回転羽根１２が停止しないようになっている。

以上の動作を交互に行うことで、風力が弱くなった場合でも、回転羽根１２は停止することなく、回転し続けるようになっている。尚、回転速度Ｎ２は、回転速度Ｎ１に一定値を加えた回転速度であり、後述するバッテリ４に充電可能な電圧値（以下、充電電圧Ｖと称す）以上の電圧を発電することができる回転速度である（図４参照）。発電機１９が発電する電圧が、充電電圧Ｖ以下であるときは、バッテリ４には充電されないようになっている。

上記の回転軸クラッチ１６を介して回転駆動力が伝達される第２回転軸部材１７には、三相交流方式等の発電機１９（発電手段）が設けられている。発電機１９は、第２回転軸部材１７の回転速度に応じた交流電力を出力するようになっている。発電機１９の出力側には、短絡制動装置２１が接続されている。短絡制動装置２１は、３つの短絡用リレー２２を有している。発電機１９は、上述したように三相交流方式であり、各短絡用リレー２２は、発電機１９の各端子に接続されている。短絡用リレー２２は、コントローラ２からの通電によりスイッチ部を開状態とし、コントローラ２からの通電が停止されたときにスイッチ部を閉状態とすることによって、コントローラ２の故障等の異常時に発電機１９の出力側を短絡させるようになっている。スイッチ部を閉状態とすることにより、短絡制動装置２１は、発電機１９に大きな負荷を発生させることよって、風車羽根１２の回転を停止させるようになっている。

さらに、第２回転軸部材１７の下端部には、回転支持機構１４を手動操作で固定する停止装置２０が設けられている。停止装置２０は、第２回転軸部材１７に取り付けられた環状部材２０ａと、環状部材２０ａの外周面に接離可能に設けられた押圧部材２０ｂとを有している。押圧部材２０ｂは、一部が図示しない架台や敷地面等の固定部に設置されている。そして、停止装置２０は、押圧部材２０ｂを手動操作で環状部材２０ａに押し付けることによって、大きなブレーキ力により第２回転軸部材１７を固定し、結果として回転支持機構１４の回転を完全に停止するようになっている。尚、停止装置２０は、後述の操作表示器３の操作指示により自動で作動するように構成されていても良い。

上記のように構成された風力発電装置本体１は、コントローラ２に接続されている。コントローラ２は、図１に示すように、風力発電装置を制御する制御部３１と、風力発電装置本体１の発電機１９から出力された交流電力を直流電力に整流する整流部３２とを有している。制御部３１は、回転速度入力部４１とクラッチ駆動部４２と短絡駆動部４３とを有している。これらの各部４１〜４３は、上述の風力発電装置本体１における回転速度検出器１８と回転軸クラッチ１６と短絡制動装置２１とにそれぞれ接続されている。

回転速度入力部４１は、回転速度検出器１８からの回転速度信号を信号処理に適した信号形態に変換する機能を有している。クラッチ駆動部４２は、回転軸クラッチ１６にクラッチ駆動信号を出力することによって、回転軸クラッチ１６を作動状態を制御、即ち、図２の第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７との連結力を弱めたり、解消するように制御する機能を有している。短絡駆動部４３は、通常動作時に短絡制動装置２１の短絡用リレー２２に駆動信号を出力することによって、異常時に発電機１９を短絡状態にさせる機能を有している。

また、コントローラ２は、補助充電作動部４４と充電制御駆動部４５とインバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部４６と操作表示入出力部４７とを有していると共に、各部４１〜４７を監視および制御する演算処理部５１を有している。尚、演算処理部５１の詳細については後述する。補充充電作動部４４は、図示しない補助充電器と、商業用や工業用の電源７１とに接続されており、バッテリ４が風力発電装置本体１から充分に充電されないときに作動し、バッテリ４に補助電力を充電する。

上記の補助充電器７により補助的に充電されるバッテリ４は、図１に示すように、コントローラ２の整流部３２にも接続されている。整流部３２は、風力発電装置本体１の発電機１９からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ４に充電するように構成されている。

即ち、整流部３２は、図２に示すように、発電機１９に接続されたブリッジダイオード３３と、ブリッジダイオード３３のアノード側およびカソード側に並列接続された充電コンデンサ３４と、充電コンデンサ３４よりも下流側であってブリッジダイオード３３と同方向に並列接続されたダイオード３５と、充電コンデンサ３４とダイオード３５との間に設けられ、電流の通過と遮断とを切替え制御する充電制御部３６と、ダイオード３５よりも下流側に設けられたコイル３７とを有している。上記の充電制御部３６は、トランジスタ等の半導体スイッチからなっており、図１の充電制御駆動部４５に接続されている。充電制御駆動部４５は、充電制御信号を出力することによって、ブリッジダイオード３３からダイオード３５への通電時間を制御するようになっている。そして、このように構成された整流部３２は、バッテリ４およびインバータ５に接続されており、充電制御部３６で制御された通電時間に応じた充電電圧の電力をバッテリ４に充電するようになっている。

また、整流部３２は、図１に示すように、発電機１９から入力される交流電力の発電機電圧を検出する発電機電圧検出器３８と、バッテリ４に充電する充電電圧を検出する充電電圧検出器３９とを有している。これらの電圧検出器３８・３９は、演算処理部５１に接続されており、検出した電圧をそれぞれ演算処理部５１に出力する。

また、上記の充電制御駆動部４５と同様に演算処理部５１に接続されたインバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部４６は、インバータ５に接続されている。インバータ５は、バッテリ４に充電された直流電力を例えば家庭用の交流電力に変換して外部負荷６に出力する出力機能と、インバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部４６からの信号により出力機能の作動および停止を切替える機能とを有している。

さらに、演算処理部５１に接続された操作表示入出力部４７は、操作表示器３に着脱可能に接続されている。操作表示器３は、７セグメントＬＥＤやＬＣＤ等の表示部６１と表示切替スイッチ６３とを有している。表示部６１は、風力発電装置の動作状態を文字や数値により表示するように構成されている。尚、動作状態とは、風速（回転支持機構１４の回転速度）や発電機電圧、充電電圧（バッテリ電圧）、各部の作動状態等をいう。

表示切替スイッチ６３は、表示部６１における動作状態の表示を手動操作で切替え可能に設定する。また、操作表示器３は、図示しない演算部や記憶部等を備えた制御部を有している。制御部は、操作表示器３自体を制御する機能に加えて、コントローラ２の演算処理部５１に対して所定の動作状態の送信を指示する機能や、演算処理部５１が備えた各種機能の実行を選択する機能等をプログラムの形態で有している。尚、操作表示器３における各機構は、プログラムのソフトウエア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。尚、操作表示器３は、バッテリ４の充電電圧が設定値未満となったときにインバータ５の出力を停止させる出力停止モードと、常にインバータ５の出力を維持させる出力維持モードとを手動操作で切替え可能に設定するモード切替スイッチを備えていてもよい。

また、コントローラ２の演算処理部５１においても、図示しない演算部や記憶部を有しており、風力発電装置を制御する各種の機能をプログラムの形態で有している。尚、各機能は、プログラムのソフトウエア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。

即ち、演算処理部５１は、補助充電処理機能や異常運転制動機能、回転増速機能、低電圧充電機能等を有している。補助充電処理機能は、充電電圧検出器３９により検出された充電電圧を監視し、充電電圧が第１所定値未満となったときに、補助充電器７によるバッテリ４への補助電力の充電を許可する機能である。

異常運転制動機能は、正常運転時に短絡制動装置２１の短絡用リレー２２に通電して開状態とすることにより発電機１９の交流電力をブリッジダイオード３３に供給可能にし、異常運転により通電が停止したときに発電機１９の出力を短絡させることにより発電機１９に制動力を発生させる機能である。

回転増速機能は、風力の低下により回転支持機構１４の回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満となったときに、回転軸クラッチ１６の連結状態を解放して第１回転軸部材１５のみを回転自在にし、第１回転軸部材１５の回転速度Ｎが回転速度Ｎ２以上にまで増速したときに回転軸クラッチ１６の連結状態を回復させる機能である。

低電圧充電機能は、回転支持機構１４の回転速度が第２所定値以上のときは充電制御部３６をＯＮ状態とＯＦＦ状態とに切替える充電制御を行い、回転速度が第２所定値未満に低下したときに、充電制御部３６をＯＮ状態に維持する機能である。

次に、上記の構成において、風力発電装置の動作について説明する。

一般的な運転停止時においては、図２に示すように、無励磁作動型の回転軸クラッチ１６に対する通電が停止されることによって、回転軸クラッチ１６が強固な連結状態とされる。これにより、回転支持機構１４の第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが回転軸クラッチ１６により一体化される。また、短絡制動装置２１の短絡用リレー２２に対する通電が停止されることによって、発電機１９が短絡状態にされる。これにより、発電機１９の作動に大きな負荷を要する状態にされる。この結果、風により大きな回転駆動力が回転支持機構１４に付与された場合でも、回転支持機構１４が発電機１９を高速で回転させて作動させる程、大きな負荷が回転支持機構１４の回転に対する制動力として作用することによって、回転支持機構１４の高速の回転が禁止される。

さらに、強風時や点検時等のように特別の運転停止時においては、停止装置２０におけるブレーキ力を発生させる。そして、回転支持機構１４の第２回転軸部材１７を固定することによって、回転支持機構１４の回転を完全に停止させる。

次に、運転時においては、必要に応じて操作表示器３がコントローラ２に接続された後、コントローラ２および操作表示器３に電源が投入される。コントローラ２においては、回転軸クラッチ１６に通電を開始する。これにより、回転軸クラッチ１６の連結状態が解除され、第１回転軸部材１５が第２回転軸部材１７から切り離される。これにより、第１回転軸部材１５が第２回転軸部材１７に対して回転自在な状態になるため、風車羽根１２に弱い風が当たっただけでも、第１回転軸部材１５が急速に回転速度を増大させることが可能になる。また、短絡制動装置２１に通電されることによって、発電機１９の短絡状態が解除され、発電機１９で発電された交流電力がコントローラ２に供給可能にされる。一方、操作表示器３においては、制御部３１の動作状態、即ち、例えば第１回転軸部材１５の回転速度が数値等で表示される。

次に、コントローラ２は、演算処理部５１において補助充電処理機能や異常運転制動機能、回転増速機能、低電圧充電機能等を発揮するように動作する。

（回転増速機能）
まず、回転増速機能について、図３を参照しつつ説明する。図３のＳ３０１では、第１回転軸部材１５の回転速度Ｎが監視される。そして、Ｓ３０２に移行して、回転速度Ｎが回転速度Ｎ２未満か否かを判断する。回転速度Ｎが回転速度Ｎ２未満の場合（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）、Ｓ３０３に移行して、回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満か否かを判断する。回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満の場合（Ｓ３０３：Ｙｅｓ）、つまり、風力が弱い場合、Ｓ３０４に移行して、回転軸クラッチ１６をＯＮにする。即ち、回転軸クラッチ１６へクラッチ作動電流を通電し、これにより、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士が隔離される。この結果、無負荷状態で第１回転軸部材１５が回転するため、風力が弱い場合でも回転する。その後、再び、Ｓ３０１に戻る。

回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満でないの場合（Ｓ３０３：Ｎｏ）、つまり、風力が弱くない場合、Ｓ３０１に戻る。回転速度Ｎが回転速度Ｎ２未満でないの場合（Ｓ３０２：Ｎｏ）、Ｓ３０５に移行し、回転軸クラッチ１６がＯｎか否かを判断する。回転軸クラッチ１６がＯＮの場合（Ｓ３０６：Ｙｅｓ）、回転軸クラッチ１６をＯＦＦにする。即ち、回転軸クラッチ１６へのクラッチ作動電流を通電を停止し、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を接合する。クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を接合しても、第１回転軸部材１５の慣性が働くことによって、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７との一体化した回転支持機構１４が比較的に高速で回転する。回転軸クラッチ１６がＯＮでない場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）、Ｓ３０１に戻る。

つまり、風が弱い場合は、発電機１９を作動させるときの負荷により回転支持機構１４の回転速度が減少する。このとき、発電機１９が回転支持機構１４の回転により発電する発電機電圧が、バッテリ４の充電電圧Ｖよりも低い場合は、バッテリ４に充電することができない。このため、図４に示すように、回転速度Ｎが回転速度Ｎ１未満に減少したとき、回転軸クラッチ１６へ通電することで、回転軸クラッチ１６の連結状態を解放して第１回転軸部材１５のみが回転自在にされる。そして、弱い風でも第１回転軸部材１５が短時間で増速可能な状態とされ、回転速度Ｎが回転速度Ｎ２以上にまで増速したときに、つまり、バッテリ４に充電可能な充電電圧Ｖ以上の電圧を発電することができる回転速度まで達すると、回転軸クラッチ１６の連結状態が回復されることによって、発電機１９の発電が再開される。これにより、弱い風の場合でも、間欠的に高電圧の交流電力をコントローラ２に供給することができる。

（低電圧充電機能）
上記のようにしてコントローラ２に供給された交流電力は、ブリッジダイオード３３において全波整流された後、充電コンデンサ３４、ダイオード３５およびコイル３７からなる平滑回路で平滑化され、バッテリ４に充電される。そして、バッテリ４に充電された電力がコントローラ２の電源として利用されると共に、インバータ５において交流電力に変換された後、外部負荷６の電源として利用される。

この際、バッテリ４に充電される充電電圧および充電電流は、充電制御部３６により制御されている。即ち、回転支持機構１４の回転速度が第２所定値以上のときは、バッテリ４の定格電圧に対して大幅に高圧な充電電圧で充電されると判断され、充電電圧を低下させるように充電制御部３６をＯＮ状態とＯＦＦ状態とに切替える充電制御が行われる。一方、回転速度が第２所定値未満に低下したときは、バッテリ４の定格電圧に近い充電電圧で充電されると判断され、大きな充電電流でバッテリ４の充電を行うように、充電制御部３６をＯＮ状態に維持する充電制御が行われる。

（補助充電処理機能）
また、バッテリ４への充電中においては、充電電圧検出器３９により検出された充電電圧が監視される。充電電圧が第１所定値未満となったときに、補助充電器７によるバッテリ４への補助電力の充電が許可される。

（異常運転制動機能）
また、図２に示すように、風力発電装置が正常に運転されている場合には、短絡制動装置２１の短絡用リレー２２が通電により開状態にされている。そして、発電機１９の交流電力がブリッジダイオード３３等の整流部３２に供給され、バッテリ４への充電が行われる。一方、部品の消耗や破損等の異常によりコントローラ２が緊急停止した場合には、風力発電装置本体１等に出力中の全ての信号出力が停止する。この結果、短絡制動装置２１の短絡用リレー２２への通電が停止されるため、発電機１９が短絡状態にされる。

また、回転軸クラッチ１６に対する通電が停止されると、回転軸クラッチ１６が無励磁作動型であるため、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士が強固な連結状態とされる。これにより、回転支持機構１４の第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが回転軸クラッチ１６により一体化される。そして、短絡状態の発電機１９による大きな負荷により回転支持機構１４の回転速度が急速に減速される。

以上のように、本実施の形態の電源装置は、自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段（風車１１）と、駆動力（回転速度Ｎ１）の大きさを測定する測定手段（回転速度検出器１８）と、駆動力発生手段の駆動力により作動して発電する発電手段（発電機１９）と、発電手段への駆動力発生手段の駆動力の伝達及び遮断をする切替手段（回転軸クラッチ１６）と、測定手段が測定した駆動力の大きさが所定値（回転速度Ｎ１）未満であるとき、駆動力発生手段から発電手段への駆動力を遮断し、駆動力の大きさが所定値（回転速度Ｎ１）以上であるとき、駆動力発生手段から発電手段に駆動力を伝達するように、切替手段を制御する切替制御手段（クラッチ駆動部４２）とを備えている構成となっている。

ここで、外部負荷６の各種機器は、風力発電装置のコントローラ２や外部負荷６の冷蔵庫等の電動機器、電灯やエアコン等の光熱機器等を含むものである。自然エネルギーは、風力、太陽電池、水力、波力等の自然界に存在するエネルギーを含むものである。

以上、説明したように、本実施の形態は、風力が小さい状況下であっても、風力のエネルギーを発電機１９へ伝達及び遮断を交互に繰り返すことで、発電機１９の発電効率を良くすることができる。風力の大きさが小さい場合、風力を発電機１９に伝達する際には、回転支持機構１４には発電機１９により多少の負荷がかかるため、回転支持機構１４が停止してしまうおそれがある。

回転軸クラッチ１６により、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とを隔離することで、第１回転軸部材１５にこの負荷が伝達しないようにすることができ、第１回転軸部材１５及び回転羽根１２は停止することなく回転しつづけ、さらに回転速度が上昇可能な状態にすることができる。そして、このときの慣性力を利用することで、回転軸クラッチ１６へのクラッチ作動電流を遮断し、第１回転軸部材１５と第回転軸部材１７とを接合しても、発生する負荷よりも大きい回転駆動力を得ることができるため、第１回転軸部材１５及び回転羽根１２は停止することなく回転することができる。この動作を繰り返すことにより、停止することなく、発電することができる。また、これにより、回転駆動力を可能な限り上昇させることができ、風力の大きさが小さい場合であっても発電機１９を十分に発電することができる。

また、風車羽根１２の回転速度Ｎが回転速度Ｎ２よりも大きくなると、回転クラッチを作動させて、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を接合することで、必要とする回転駆動力が得られるまで、即ち、バッテリ４に充電可能な充電電圧以上の電圧を発電することができる回転速度まで、風車羽根１２を無負荷状態で回転させるため、発電機１９は効率よく発電することができる。さらに、自然エネルギーの一種である風力を風車１１により回転駆動力に変換するため、かかる回転駆動力の大きさを風車羽根１２の回転速度から測定するため、他に比べて簡単な構造で構成することができる。

また、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。

即ち、上述の実施の形態では、回転軸クラッチは回転速度Ｎ２よりも大きくなると、第１回転軸部材と第２回転軸部材とを接合するようにしているが、一度回転速度Ｎが回転速度Ｎ１よりも大きくなるときに、一定間隔で第１回転軸部材と第２回転軸部材とを接合するにしてもよい。また、上述の実施の形態では、風力を利用した発電装置について説明しているが、水力を利用した発電装置であってもよいし、他の自然エネルギーを利用したものであってもよい。さらに、風車を回転させて、自然エネルギーを運動エネルギーに変換しているが、例えば、上下するピストン等の部材を用いて、エネルギーを変換するようにしてもよい。

また、本実施形態における各機能を実現するプログラムは、記憶部のＲＯＭに予め読み出し専用に書き込まれていても良いし、ＣＤ等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部に書き込まれても良いし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部に書き込まれても良い。

本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

本発明の好適な実施の形態に係る風力発電装置のブロック図である。 本発明の好適な実施の形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。 回転軸クラッチの動作についてのフローチャートである。 回転支持機構の回転速度及び風力発電装置により発電される電圧の変移をあらわした図である。

符号の説明

１ 風力発電装置本体
２ コントローラ
３ 操作表示器
４ バッテリ
５ インバータ
６ 外部負荷
７ 補助充電器
１１ 風車
１２ 回転羽根
１３ 旋回支持部材
１４ 回転支持機構
１５ 第１回転軸部材
１６ 回転軸クラッチ
１７ 第２回転軸部材
１８ 回転速度検出器
１９ 発電機
２０ 停止装置
３１ 制御部
３２ 整流部
３３ ブリッジダイオード
３４ 充電コンデンサ
３５ ダイオード
３６ 充電制御部
３７ コイル
３８ 発電機電圧検出器
３９ 充電電圧検出器
４１ 入力部
４２ クラッチ駆動部
４３ 短絡駆動部
４４ 補助充電作動部
４５ 充電制御駆動部
４６ インバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部
４７ 操作表示入出力部
６１ 表示部
６３ 表示切替えスイッチ
７１ 電源
８０ 補助充電器

Claims (6)

1. 自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段と、
   前記駆動力の大きさを測定する測定手段と、
   前記駆動力発生手段の駆動力により作動して発電する発電手段と、
   前記発電手段に対する前記駆動力発生手段の駆動力の伝達と遮断とを切替える切替手段と、
   前記測定手段が測定した前記駆動力の大きさが所定値未満であるとき、前記駆動力発生手段から前記発電手段への駆動力を遮断し、前記駆動力の大きさが所定値以上であるとき、前記駆動力発生手段から前記発電手段に駆動力を伝達するように、前記切替手段を制御する切替制御手段と
   を備えていることを特徴とする電源装置。
2. 前記切替制御手段が、
   前記測定値が前記所定値未満から前記所定値以上に上昇する場合は、前記所定値に一定値を加えた伝達開始値以上に前記測定値が上昇するまで、前記駆動力発生手段から前記発電手段への駆動力の伝達禁止する伝達禁止手段を有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記駆動力発生手段が、
   前記自然エネルギーにより回転する回転体と、
   前記回転体と共に回転する回転軸と
   を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記測定手段が前記回転体の回転速度を測定することを特徴とする請求３に記載の電源装置。
5. 前記自然エネルギーが風力であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記１〜５のいずれか１項の電源装置を備えていることを特徴とする発電装置。

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