JP2007215295A

JP2007215295A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2007215295A
Application number: JP2006031283A
Authority: JP
Inventors: Yoriaki Iwata; 頼明岩田; Shigenobu Nakamura; 中村　　重信
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】搭載作業や保守点検が容易で、しかも耐久性向上を実現することができる風力発電装置を提供すること。
【解決手段】風力を受けて回転する風車翼１１０と、界磁回転子と固定電機子とを有し、回転数と発電量の出力との関係が互いに異なる３台の発電機１０、２０、３０と、風車翼１１０によって発生する回転力を複数台の発電機に伝達する鉛直軸部１２０、歯車機構１４０と、３台の発電機１０、２０、３０の回転数を検出する回転数検出部としての発電制御部と、回転数の検出結果に応じて３台の発電機１０、２０、３０のいずれかの発電状態を選択的に有効にする発電機切替制御装置とが備わっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力を利用して発電を行う風力発電装置に関する。

従来から、一組の風車翼と発電機とを用いて発電を行う風力発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。一般に、風量が少なく、発電機回転数が低い状況下でも発電量を確保しようとすると、大きな体格の発電機が必要となる。また、風車翼の位置は、風量をより多く受けて回転力を発生するため、できるだけ地上から高い位置に設定される。一方、発電機を搭載する地上からの高さを低くしようとすると、回転鉛直軸部の長さが長くなり、固定軸部に加わる回転翼の曲げモーメントが過大となる。これを避けるため、回転鉛直軸部の長さを短くするように、発電機は、地上から高い位置に搭載される。
特開２００３−２３９８４７号公報（第７−９頁、図１−５）

ところで、特許文献１に開示された風力発電装置では、大きな体格の発電機を地上から高い位置に搭載する必要があるため、搭載作業や分解調査を含めた保守点検が容易ではないという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、搭載作業や保守点検が容易で、しかも耐久性向上を実現することができる風力発電装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、風力を受けて回転する風車翼と、界磁回転子と固定電機子とを有し、回転数と発電量の出力との関係が互いに異なる複数台の発電機と、風車翼によって発生する回転力を複数台の発電機に伝達する回転伝達部と、複数台の発電機の回転数を検出する回転数検出部と、回転数検出部による検出結果に応じて、複数台の発電機のいずれかの発電状態を選択的に有効にする発電機切替部とを備えている。特に、上述した複数台の発電機は、固定電機子の固定子鉄心に形成されたスロット内に配置される電機子巻線の本数が互いに異なっており、発電機切替部は、回転数検出部によって検出された回転数において最も出力が高い発電機を選択することが望ましい。これにより、小さな体格の複数台の発電機を使い分けて出力の増大を図ることができる。また、搭載作業や保守点検については各発電機毎に行うことができるため、これらの作業が容易となる。

また、上述した回転伝達部は、一方端に風車翼が取り付けられた鉛直軸部と、風車翼とともに回転する鉛直軸部の他方端において鉛直軸部の回転を複数台の発電機に伝達する手段とを有することが望ましい。体格が小さな各発電機毎に搭載作業や保守点検を行うことができるため発電機を高い位置に配置することが容易となり、鉛直軸部を短くして鉛直軸部に作用する曲げモーメントを小さくすることができるので、耐久性を向上させることができる。

また、上述した発電機切替部は、発電状態が有効となる発電機にのみ、界磁電流を供給することが望ましい。これにより、機械的な切り替えを行うことなく、一の発電機の発電状態を有効にすることができ、信頼性を向上させて保守点検の負荷を軽減することが可能となる。

また、上述した発電機切替部は、発電状態が有効となる発電機にのみ、回転伝達部を介した回転力の伝達を行うことが望ましい。これにより、発電状態が有効となる発電機以外の発電機に備わった回転子の慣性力や回転伝達部の機械損失を少なくして発電効率を向上させることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の風力発電装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の風力発電装置の正面図である。また、図２は図１に示す風力発電機の風車翼の平面図である。

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置１００は、ダリウス型の風車翼１１０と、風車翼１１０の回転中心に配置されて風車翼１１０が取り付けられた鉛直軸部１２０と、鉛直軸部１２０を回転自在に固定する固定軸部１３０と、３台の発電機１０、２０、３０と、これら３台の発電機１０、２０、３０のそれぞれの回転軸に鉛直軸部１２０の回転力を伝達する歯車機構１４０とを備えている。

図１および図２に示すように、風車翼１１０は、円周方向に等間隔に配置された３枚の垂直翼１１１、１１２、１１３のそれぞれを水平翼１１４を介して鉛直軸部１２０に固定した構造を有している。鉛直軸部１２０は、上部近傍に風車翼１１０が取り付け固定されており、下方の端部は固定軸部１３０に設けられた軸受け（図示せず）によって回転可能な状態を維持する。歯車機構１４０は、鉛直軸部１２０の下端近傍と３台の発電機１０、２０、３０のそれぞれの回転軸との間に配置されており、これらの間で回転力を伝達する。本実施形態では、各発電機１０、２０、３０には同じ数の歯車が取り付けられており、鉛直軸部１２０と各発電機１０、２０、３０との間の増速比が全て同じに設定されている。また、各発電機１０、２０、３０に取り付けられた歯車は、鉛直軸部１２０側の歯車と常時噛み合っており、風車翼１１０の回転に伴って鉛直軸部１２０が回転すると、３台の発電機１０、２０、３０が同時に回転するようになっている。歯車機構１４０が鉛直軸部１２０の回転を複数台の発電機１０〜３０に伝達する手段に対応しており、鉛直軸部１２０と歯車機構１４０によって回転伝達部が構成されている。

３台の発電機１０、２０、３０のそれぞれは、界磁回転子と固定電機子とを備えている。この固定電機子は、固定子鉄心と、この固定子鉄心に形成されたスロット内に配置された電機子巻線とを有している。３台の発電機１０、２０、３０のそれぞれには、同一形状の固定子鉄心が用いられているが、スロット内に配置された電機子巻線の本数のみが異なるように設定されている。一般に、電機子巻線の本数を多くすると低い回転数から回転を開始するが電機子反作用や巻線抵抗が多くなるため高い回転数における出力が比較的低い状態で安定する。反対に、電機子巻線の本数を少なくすると比較的高い回転数にならないと回転を開始しないが高い回転数における出力が高くなる。

図３は、３台の発電機１０、２０、３０の出力特性を示す図である。発電機１０、２０、３０の順に電機子巻線の本数が少なくなるものとする。図３に示すａは電機子巻線の本数が最も多い発電機１０の出力特性を、ｃは電機子巻線の本数が最も少ない発電機３０の出力特性を、ｂは電機子巻線の本数が発電機１０、３０の中間の発電機２０の出力特性をそれぞれ示している。

図４は、本実施形態の風力発電装置１００の制御系統図である。発電機１０は、出力電圧を所定の調整電圧に制御するとともに回転数検出を行う発電制御部１２を備えている。発電制御部１２による回転数検出は、例えば電機子巻線の一相に発生する誘起電圧の周波数を検出することによって行うことが可能となる。但し、ホール素子を備えてその出力波形を検出する等の他の手法を用いるようにしてもよい。同様に、発電機２０は発電制御部２２を、発電機３０は発電制御部３２を備える。なお、３台の発電機１０、２０、３０は同じ回転数で回転するものとしているため、３つの発電制御部１２、２２、３２で並行して回転数検出を行う必要はなく、いずれか一の発電制御部によって検出された回転数を用いるようにしてもよい。これら３台の発電機１０、２０、３０には蓄電池部４０が接続されており、それぞれの発電電力を蓄積する。

また、３つの発電制御部１２、２２、３２には発電切替部としての発電機切替制御装置５０が接続されている。発電機切替制御装置５０は、発電制御部１２、２２、３２によって検出された回転数を取り込み、回転数に応じて一の発電機を選択し、この選択した発電機に対応する発電制御部に対して発電状態を有効にする切替指示を送る。具体的には、回転数が図３に示す回転域Ａの範囲にある場合には、発電機切替制御装置５０は、発電制御部１２に対して切替指示を送り、発電機１０の発電状態のみを有効にする。また、回転数が図３に示す回転域Ｂの範囲にある場合には、発電機切替制御装置５０は、発電制御部２２に対して切替指示を送り、発電機２０の発電状態のみを有効にする。回転数が図３に示す回転域Ｃの範囲にある場合には、発電機切替制御装置５０は、発電制御部３２に対して切替指示を送り、発電機３０の発電状態のみを有効にする。切替指示が送られて発電制御部は、対応する発電機の界磁回転子に励磁電流を供給する。これにより、この発電機は発電状態が有効になる。また、切替指示が送られてこない発電制御部は、対応する発電機の界磁回転子に対する励磁電流の供給を停止する。これにより、この発電機は非発電状態となる。

このように、小さな体格の３台の発電機１０、２０、３０を使い分けてこれより体格が大きい発電機と同等の出力増大を図ることができる。また、搭載作業や保守点検については各発電機毎に行うことができるため、これらの作業が容易となる。さらに、体格が小さな各発電機毎に搭載作業や保守点検を行うことができるため発電機１０、２０、３０を地面から高い位置に配置することが容易となり、鉛直軸部１２０を短くして鉛直軸部１２０に作用する曲げモーメントを小さくすることができるので、耐久性を向上させることができる。

また、発電機切替制御装置５０は、発電状態が有効となる発電機に対してのみ界磁電流の供給を指示しており、機械的な切り替えを行うことなく、一の発電機の発電状態を有効にすることができ、信頼性を向上させて保守点検の負荷を軽減することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、発電機切替制御装置５０によって励磁電流の供給状態を制御することにより一の発電機の発電状態のみを有効にしたが、一の発電機の発電状態のみを有効にする手法についてはどのような方法を用いてもよい。例えば、回転力の伝達を適宜接続あるいは切断可能な流体継手を用い、図３に示す回転域Ａの範囲にある場合には鉛直軸部１２０側の歯車から発電機１０側の歯車のみに回転力を伝達し、図３に示す回転域Ｂの範囲にある場合には鉛直軸部１２０側の歯車から発電機２０側の歯車のみに回転力を伝達し、図３に示す回転域Ｃの範囲にある場合には鉛直軸部１２０側の歯車から発電機３０側の歯車のみに回転力を伝達するようにしてもよい。これにより、発電状態が有効となる発電機以外の発電機に備わった界磁回転子の慣性力や回転伝達部の機械損失を少なくして風力発電装置１００全体の発電効率を向上させることができる。

また、上述した実施形態では、３台の発電機１０、２０、３０の発電状態を切り替えるようにしたが、２台の発電機あるいは４台以上の発電機の発電状態を切り替えるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、鉛直軸部１２０を介して風車翼１１０の回転力を伝達する風力発電装置１００について説明したが、発電機の体格を小型化することにより搭載作業や保守点検が容易になる利点については、他の回転力伝達方法を用いる風力発電装置についても同様であり、本発明を適用することができる。

一実施形態の風力発電装置の正面図である。図１に示す風力発電機の風車翼の平面図である。３台の発電機の出力特性を示す図である。本実施形態の風力発電装置の制御系統図である。

符号の説明

１０、２０、３０発電機
１２、２２、３２発電制御部
４０蓄電池部
５０発電機切替制御装置
１００風力発電装置
１１０風車翼
１１１、１１２、１１３垂直翼
１１４水平翼
１２０鉛直軸部
１３０固定軸部
１４０歯車機構

Claims

風力を受けて回転する風車翼と、
界磁回転子と固定電機子とを有し、回転数と発電量の出力との関係が互いに異なる複数台の発電機と、
前記風車翼によって発生する回転力を前記複数台の発電機に伝達する回転伝達部と、
前記複数台の発電機の回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部による検出結果に応じて、前記複数台の発電機のいずれかの発電状態を選択的に有効にする発電機切替部と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
請求項１において、
前記複数台の発電機は、前記固定電機子の固定子鉄心に形成されたスロット内に配置される電機子巻線の本数が互いに異なっており、
前記発電機切替部は、前記回転数検出部によって検出された回転数において最も出力が高い前記発電機を選択することを特徴とする風力発電装置。
請求項１または２において、
前記回転伝達部は、一方端に前記風車翼が取り付けられた鉛直軸部と、前記風車翼とともに回転する前記鉛直軸部の他方端において前記鉛直軸部の回転を前記複数台の発電機に伝達する手段とを有することを特徴とする風力発電装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記発電機切替部は、発電状態が有効となる前記発電機にのみ、界磁電流を供給することを特徴とする風力発電装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記発電機切替部は、発電状態が有効となる前記発電機にのみ、前記回転伝達部を介した回転力の伝達を行うことを特徴とする風力発電装置。