JP2005269703A

JP2005269703A - 発電装置

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Publication number: JP2005269703A
Application number: JP2004074669A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Okubo; 和夫大久保; Masami Morita; 正実森田; Katsuyoshi Nakano; 克好中野
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: CA2559569C; AU2005222229A1; EP1734650A4; AU2005222229B2; WO2005088828A1; EP1734650A1; TW200535335A; KR101092837B1; US20080191484A1; JP4639616B2; CN1934780A; KR20060130249A; RU2006136384A; CA2559569A1

Abstract

【課題】部品コストを削減すると共に、風車１１を強制的に制動した場合でも風力を常に検出する。
【解決手段】風力により回転することで駆動力を発生する風車１１と、風車１１の駆動力により作動して発電する発電機１９と、発電機１９の出力側を出力状態と短絡状態とに切替える短絡制動装置２１と、出力状態時における風車１１の回転速度と、短絡状態時における風車１１の回転速度とに基づいて、両状態時における風力の規模を認識する回転速度入力部４１や演算処理部５１と、風車１１の回転速度に基づいて発電機１９を出力状態と短絡状態との何れの状態に切替えるかを判断すると共に、判断結果に基づいて短絡制動装置２１を切替え制御する演算処理部５１とを有している。
【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発電装置に関するものである。

例えば特許文献１に示されているように、風力発電装置は、風力により風車を回転させ、この風車の回転駆動力で発電機を作動させることによって、風力の運動エネルギーを電気エネルギーからなる電力に変換するように構成されている。また、風力発電装置は、風速計を備えており、この風速計で検出された風速（風力）に基づいて風車の回転と停止とを切替え制御することによって、風力の変動に対応した装置とされている。

特開２００３−２８４３９３号公報

ところで、風力発電装置においても通常の機器と同様に、コストダウンが求められていることから、上記従来の構成においては、コストアップの要因となる風速計を備えることなく風力を検出できることが望まれている。そこで、風車の回転速度を風力として検出する構成が考えられるが、この場合には、例えば強風時において風車をクラッチブレーキ等で強制的に制動したときに、風車が完全に停止するため、風力を検出できないことがある。そして、この場合には、風車の回転を再開するタイミング、即ち、強風が低下したタイミングを認識することができないという問題が発生する。

そこで、本発明は、風速計の部品コストを削減できると共に、風車を強制的に制動した場合でも風力を常に検出できる発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、自然エネルギーにより回転することで駆動力を発生する駆動力発生手段と、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、前記発電手段の出力側を出力状態と短絡状態とに切替える短絡手段と、前記出力状態時における前記駆動力発生手段の回転速度と、前記短絡状態時における前記駆動力発生手段の回転速度とに基づいて、両状態時における前記自然エネルギーの規模を認識する規模認識手段とを有している。

上記の構成によれば、駆動力発生手段の回転および制動が、短絡手段による発電手段の出力状態と短絡状態との切替えにより行われる。従って、発電手段から駆動力発生手段に作用する制動力の差が出力状態と短絡状態との間で存在するものの、何れの状態時においても駆動力発生手段が自然エネルギーにより回転する。この結果、コストアップの要因となる自然エネルギー検出用の専用機器を装備しなくても、駆動力発生手段の回転速度に基づいて自然エネルギーの規模を常に認識することができる。

また、本発明は、前記駆動力発生手段の回転速度に基づいて前記発電手段を出力状態と短絡状態との何れの状態に切替えるかを判断すると共に、判断結果に基づいて前記短絡手段を切替え制御する制御手段を有していてもよい。この構成によれば、自然エネルギーの規模に応じて駆動力発生手段の回転と制動とを切替えることができる。

また、本発明における前記制御手段は、出力状態時における前記駆動力発生手段の回転速度が制動開始値以上であるときに、短絡状態に切替えるように前記短絡手段を制御し、短絡状態後に前記駆動力発生手段の回転速度が制動解除値未満となったときに、前記短絡状態を出力状態に切替えるように前記短絡手段を制御するようになっていてもよい。この構成によれば、過大な自然エネルギーで駆動力発生手段が過剰に回転することによる破損を防止することができる。

また、本願発明の発電装置は、前記自然エネルギーを風力とする風力発電装置であってもよい。

本発明によれば、コストアップの要因となる自然エネルギー検出用の専用機器を装備しなくても、駆動力発生手段の回転速度に基づいて自然エネルギーの規模を常に認識することができる。

本発明の実施形態を図１ないし図３に基づいて以下に説明する。
本実施形態に係る発電装置である風力発電装置は、図１に示すように、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。尚、外部負荷６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。

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は、風を受ける複数枚の風車羽根１２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貫通軸部材１５と、貫通軸部材１５が回転自在に貫挿された中空軸部材１７と、貫通軸部材１５と中空軸部材１７とを連結可能な回転軸クラッチ１６とを有している。

上記の貫通軸部材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、貫通軸部材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、コイル状に巻かれた図示しないスプリングと、このスプリングの内径を拡縮するスプリング作動機構１６ａと、スプリング作動機構１６ａを作動させるコイル部材１６ｂとを有している。スプリングは、上述の貫通軸部材１５が回転自在に貫挿されていると共に、一端部が中空軸部材１７に連結されている。また、スプリングの他端部は、スプリング作動機構１６ａのレバーに当接可能にされ、このレバーによりスプリングの巻き方向とは逆方向に移動可能にされている。また、スプリングは、通常状態（外力が付与されていない状態）の内径が貫通軸部材１５を強固に締め付けるように設定されている。そして、このように構成された回転軸クラッチ１６は、コイル部材１６ｂにクラッチ作動電流が供給されていない場合、スプリング作動機構１６ａのレバーとスプリングの他端部との当接が解除され、スプリングの縮径により貫通軸部材１５と中空軸部材１７とを強固に連結することによって、貫通軸部材１５の回転駆動力を中空軸部材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、スプリング作動機構１６ａのレバーがスプリングの他端部に当接され、この他端部をスプリングの巻き方向とは逆方向に押圧することによって、スプリングの内径を拡大させ、スプリングと貫通軸部材１５との接合を解除するようになっている。

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中空軸部材１７には、三相交流方式等の発電機１９が設けられている。発電機１９は、中空軸部材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、発電機１９の出力側を出力状態と短絡状態とに切替えるように構成されている。具体的に説明すると、短絡制動装置２１は、発電機１９の各端子に接続された短絡用リレー２２を有している。短絡用リレー２２は、コントローラ２からの通電の有無により開状態と閉状態とを切替え可能にされている。短絡用リレー２２は、開状態とされることにより発電機１９を出力状態とする。また、短絡用リレー２２は、閉状態とされることにより発電機１９を短絡状態とする。そして、短絡制動装置２１は、強風や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コントローラ２により切替え制御されることによって、風車羽根１２による回転支持機構１４の回転を強制的に制動させるようになっている。

また、貫通軸部材１５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、貫通軸部材１５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貫通軸部材１５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の作動状態を制御、即ち、図２の貫通軸部材１５と中空軸部材１７との連結力を出現および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。

上記の補助充電作動部４４は、バッテリ４に補助電力を充電するＤＣパワーパックと称する補助充電器７に接続されている。補助充電器７は、１ボードに実装されていたり、筐体内に納められることにより一体化されている。補助充電器７は、補助充電作動部４４からの作動信号によりバッテリ４への補助充電の実施と停止とを切替えることができる機能を有している。

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、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（バッテリ電圧）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、通信ケーブル６４を介して操作表示器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。

また、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に対してインバータ５の動作をモード切替スイッチで設定されたモードに設定する機能、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。また、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良い。

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、規模認識機能、回転制御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の回転速度が第２所定値未満となったときに、回転軸クラッチ１６による連結状態を解放して貫通軸部材１５のみを回転自在にし、貫通軸部材１５の回転速度が一定以上にまで増速したときに回転軸クラッチ１６による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３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３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。

規模認識機能は、発電機１９の出力状態時における風車１１の回転速度と、発電機１９の短絡状態時における風車１１の回転速度とに基づいて、両状態時における風力の規模（風速）を認識する機能である。回転制御機能は、風車１１の回転速度に基づいて発電機１９を出力状態と短絡状態との何れの状態に切替えるかを判断すると共に、判断結果に基づいて短絡制動装置２１を切替え制御する機能である。具体的に説明すると、回転制御機能は、出力状態時における風車１１の回転速度が制動開始値以上であるときに、短絡状態に切替えるように短絡制動装置２１を制御し、短絡状態後に風車１１の回転速度が制動解除値未満となったときに、短絡状態を出力状態に切替えるように短絡制動装置２１を制御する機能である。ここで、制動開始値とは、過大な風力（風速）により風車１１が故障を引き起こす等の異常運転に至る回転速度を上限とした値である。制動解除値とは、制動後に風力（風速）が減少して風車１１が安全に回転する程度の回転速度の値である。尚、上記の回転制御機能の具体例は、例示であり、発電機１９を出力状態と短絡状態との何れの状態に切替えるかの判断条件は、風力発電機の仕様により任意に変更可能である。

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のスプリングが縮径される。これにより、回転支持機構１４の貫通軸部材１５と中空軸部材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の貫通軸部材１５を固定することによって、風車１１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による連結状態が解除され、貫通軸部材１５が中空軸部材１７から切り離される。この結果、貫通軸部材１５が中空軸部材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、貫通軸部材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、例えば貫通軸部材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、規模認識機能、回転制御機能等を発揮するように動作する。

（規模認識機能）
具体的には、風車１１が回転すると、貫通軸部材１５に設けられた回転速度検出器１８からパルス状の回転速度信号が出力され、この信号が回転速度入力部４１に入力される。そして、回転速度入力部４１において、回転速度信号がデジタル回路の信号処理に適した信号形態に変換された後、制御部３１に出力される。そして、演算処理部５１は、回転速度信号のパルス入力を計数し、一定時間における計数値、即ち、回転数に基づいて風車１１の回転速度を求める。

次に、発電機１９が出力状態および短絡状態の何れであるかを認識する。出力状態である場合には、出力状態用の回転速度・風力（風速）データテーブルを参照し、回転速度に対応した風力（風速）を求める。一方、短絡状態である場合には、短絡状態用の回転速度・風力（風速）データテーブルを参照し、回転速度に対応した風力（風速）を求める。尚、発電機１９の出力状態時においては、風車１１に付与される負荷が発電機１９の短絡状態時よりも小さい。従って、出力状態時および短絡状態時において、風車１１が同一の回転速度であると、出力状態時よりも大きな風力（風速）が短絡状態時に求められる。

（回転増速機能）
また、回転速度検出器１８からの回転速度信号に基づいて貫通軸部材１５の回転速度が監視される。そして、回転速度が第２所定値に一定値を加えた回転速度以上となったときに、回転軸クラッチ１６への通電が停止され、回転軸クラッチ１６による連結状態が回復される。この結果、貫通軸部材１５のイナーシャが働くことによって、貫通軸部材１５と中空軸部材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。そして、この回転支持機構１４の回転駆動力が発電機１９を作動させ、高電圧の交流電力がコントローラ２に供給される。

また、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。回転速度が第２所定値未満に減少したときは、回転軸クラッチ１６の通電が再開され、回転軸クラッチ１６による連結状態を解放して貫通軸部材１５のみが回転自在にされる。そして、弱い風でも貫通軸部材１５が短時間で増速可能な状態とされ、回転速度が一定以上にまで増速したときに、回転軸クラッチ１６による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３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３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、スプリングが貫通軸部材１５に強固に接合される。これにより、回転支持機構１４の貫通軸部材１５と中空軸部材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。

（回転制御機能）
また、風力発電装置の運転時においては、図３の回転制御ルーチンが上述の機能等を実行する他の処理ルーチンと並列的に時分割で実行されている。回転制御ルーチンが実行されると、図３に示すように、先ず、上述の回転増速機能等において風車１１が発電機１９の影響を受けずに空回り状態にされているか否かを確認するため、回転軸クラッチ１６による貫通軸部材１５と中空軸部材１７との連結が実施されているか否かを判定する（Ｓ１）。回転軸クラッチ１６による連結が実施されていない場合には（Ｓ１，ＮＯ）、風車１１が空回り状態であると認識し、Ｓ１を再実行して回転軸クラッチ１６による連結が実施されるまで待機する。

一方、回転軸クラッチ１６による連結が実施されている場合には（Ｓ１，ＹＥＳ）、風車１１が発電機１９からの負荷を受けながら回転していると認識する。そして、回転速度検出器１８からの回転速度信号に基づいて貫通軸部材１５の回転速度、即ち、風車１１の回転速度を検出する（Ｓ２）。そして、回転速度が制動開始値以上であるか否かを判定し（Ｓ３）、制動開始値未満であれば（Ｓ３，ＮＯ）、風車１１が風力で故障しない範囲で回転していると認識してＳ２を再実行する。これにより、Ｓ２およびＳ３が繰り返して実行されている期間、風車１１の回転駆動力により発電機１９が作動し、発電された交流電力がコントローラ２に供給される。

次に、回転速度が制動開始値以上になった場合には（Ｓ３，ＹＥＳ）、風車１１が強風により故障する可能性が高い状態で回転していると認識し、短絡制動装置２１を作動させる。そして、発電機１９を短絡させることによって、大きな負荷を風車１１に付与する。これにより、風車１１は、強風下においても低速で回転することによって、過剰な回転速度による故障の発生が防止される。（Ｓ４）。

次に、制動を開始してから例えば１５分等の所定時間が経過するまで、制動状態を維持しながら待機する。尚、この待機する所定時間は、風力が機器の故障を招来しない程度に低下すると予想される時間であり、風力発電装置が設置される環境により任意に決定される（Ｓ５）。この後、風車１１の平均回転速度を検出する。即ち、発電機１９の短絡により風車１１を制動させている場合でも、風車１１は、風力に応じた回転速度で回転する。そして、この回転速度の例えば５分間の平均値を求め、この平均値を平均回転速度とする。

次に、平均回転速度が制動解除値未満であるか否かを判定する（Ｓ７）。平均回転速度が制動解除値未満でなければ（Ｓ７，ＮＯ）、強風が続いていると認識し、Ｓ５を再実行する。そして、強風が低下するまで制動状態を維持しながら待機する。一方、平均回転速度が制動解除値未満である場合には（Ｓ７，ＹＥＳ）、風力（風速）が故障を招来しない程度にまで低下したと認識し、短絡制動装置２１の作動を解除する。これにより、発電機１９が風車１１の回転駆動力により比較的に高速で回転し、発電された交流電力がコントローラ２に供給される。

以上のように、本実施形態の電源装置は、図１に示すように、自然エネルギーの一種である風力により回転することで駆動力を発生する風車１１（駆動力発生手段）と、風車１１の駆動力により作動して発電する発電機１９（発電手段）と、発電機１９の出力側を出力状態と短絡状態とに切替える短絡制動装置２１（短絡手段）と、出力状態時における風車１１の回転速度と、短絡状態時における風車１１の回転速度とに基づいて、両状態時における風力の規模を認識する回転速度入力部４１や演算処理部５１（規模認識手段）とを有した構成にされている。

尚、本実施形態の電源装置は、風力を利用して発電する風力発電装置を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、風力の他、太陽電池や水力、波力等の自然界に存在する自然エネルギーを利用した発電装置に適用することができる。

上記の構成によれば、風車１１の回転および制動が、短絡制動装置２１による発電機１９の出力状態と短絡状態との切替えにより行われる。従って、発電機１９から風車１１に作用する制動力の差が出力状態と短絡状態との間で存在するものの、何れの状態時においても風車１１が風力により回転する。この結果、コストアップの要因となる風速計等の専用機器を装備しなくても、風車１１の回転速度に基づいて風力の規模を常に認識することができる。

また、本実施形態の電源装置は、風車１１の回転速度に基づいて発電機１９を出力状態と短絡状態との何れの状態に切替えるかを判断すると共に、判断結果に基づいて短絡制動装置２１を切替え制御する演算処理部５１（制御手段）を有した構成にされている。この構成によれば、風力等の自然エネルギーの規模に応じて風車１１の回転と制動とを切替えることができる。

また、本実施形態における演算処理部５１は、図３に示すように、出力状態時における風車１１の回転速度が制動開始値以上であるときに、短絡状態に切替えるように短絡制動装置２１を制御し、短絡状態後に風車１１の回転速度が制動解除値未満となったときに、短絡状態を出力状態に切替えるように短絡制動装置２１を制御する回転制御ルーチンを備えた構成にされている。これにより、過大な風力等の自然エネルギーで風車１１が過剰に回転することによる破損を防止することができる。

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、本実施形態においては、ジャイロミル形の風車１１を用いて説明しているが、これに限定されるものではなく、セイルウィング形や多翼形、パドル形、サポニウス形、Ｓ形、ダリウス形、プロペラ形等の各種のものを適用することができる。

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。

風力発電装置のブロック図である。風力発電装置の全体構成を示す説明図である。回転制御ルーチンのフローチャートである。

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風車羽根
１３旋回支持部材
１４回転支持機構
１５貫通軸部材
１６回転軸クラッチ
１７中空軸部材
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

Claims

自然エネルギーにより回転することで駆動力を発生する駆動力発生手段と、
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、
前記発電手段の出力側を出力状態と短絡状態とに切替える短絡手段と、
前記出力状態時における前記駆動力発生手段の回転速度と、前記短絡状態時における前記駆動力発生手段の回転速度とに基づいて、両状態時における前記自然エネルギーの規模を認識する規模認識手段と
を有することを特徴とする発電装置。
前記駆動力発生手段の回転速度に基づいて前記発電手段を出力状態と短絡状態との何れの状態に切替えるかを判断すると共に、判断結果に基づいて前記短絡手段を切替え制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記制御手段は、
出力状態時における前記駆動力発生手段の回転速度が制動開始値以上であるときに、短絡状態に切替えるように前記短絡手段を制御し、短絡状態後に前記駆動力発生手段の回転速度が制動解除値未満となったときに、前記短絡状態を出力状態に切替えるように前記短絡手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
請求項１ないし３の何れか１項に記載の発電装置は、前記自然エネルギーを風力とする風力発電装置であることを特徴としている。