JP2008111420A - 風力発電装置 - Google Patents

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昌隆 岩崎
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Abstract

【課題】風力発電装置では、力行運転時に、大電力が必要となり、その電力を補う為に商用電源が消費されており、外部からの商用電源が不要な風力発電装置が要求されている。また、小型の風力発電装置は近年、街中にも設置されるようになってきたため、景観上の理由により微風下において風車が回転するように回転頻度を向上させることが要求されている。
【解決手段】風車１で風を受け発電する風力発電手段と、電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段３と、全波整流回路４と、電力変換手段５を備えた発電装置であって、力行運転と回生運転を切り替える切替え手段６を備えており、出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御することで、回転に必要な最少の電力で風車を回転させる為、外部からの商用電源を必要とせず、微風下において風車が回転する頻度を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関する。
近年、エネルギー利用の多様化及び発電技術の向上により、環境に配慮したクリーンな発電システムとして、風力発電装置が注目されており、比較的小容量の風力発電装置が街中にも設置されるようになっている。
従来、この種の装置は、風車の電気的損失、機械的損失を超える風速まで風が吹かなければ風車が回転しないため、風車が回転をはじめる為には、力行運転を行ない、モータとして回転させるための一体化した制御装置（双方向チョッパ回路）を利用したものが知られている（例えば特許文献１参照）。
以下、特許文献１における風力発電装置について、図４を参照しながら説明する。
図４に示すように、風力発電装置は、風車１６により駆動させる発電機１７をコンバータ１８及びインバータ１９により構成した発電制御装置２０を介して電力系統に接続している。この中で、風速判別器２１及び回転数判別器２２により風速は発電可能風速であるが、ロータ回転数Ｎがロータ停止回転数ＮO≦Ｎ≦発電開始回転数ＮPであると判別されると、出力調整回路２３内の出力電流特性と電流検出器ＣＴ１で検出されたコンバータ１８の出力電流及びロータ回転数Ｎとに基づいてコンバータ１８の出力電流を制御して発電機１７の力行運転が開始され、ロータ回転数Ｎが発電開始回転数ＮPに上昇すると、発電機１７を回生運転に切り換えて発電を開始するように制御している。
さらに、発電可能風速においても風車１６が起動しない時は、力行運転により強制的にロータを回転させて確実に発電させるように構成されている。
この構成において、低風速時（回転を始動する風速以下）は発電を開始する風速以下であるので、力行運転は行わず、風車は回転しない装置となっている。
特開平８−３２２２９８号公報
このような風力発電装置では、力行運転により、確実に発電させるような回転数にまでロータを強制的に回転させる為、大電力が必要となり、その電力を補う為に商用電源が消費されるという課題があり、外部からの商用電源が不要な風力発電装置が要求されている。
また、小型の風力発電装置は近年街中にも設置されるようになってきたため、景観上の理由により微風下において風車が回転するように回転頻度を向上させることが要求されている。
本発明は、上記課題を解決するもので、外部からの商用電源を必要とせず、微風下において風車が回転する頻度を向上できる風力発電装置を提供することを目的とする。
本発明の風力発電装置は、風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転を切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、出力調整手段の出力を、風車の回転に必要な最少の電力を検出できるように、回転に必要な最少の電力で風車を回転させることで、風車の回転に必要以上の電力を消費することなく、したがって発電電力貯蔵手段に貯蔵した電力の風車の回転に消費される消費電力を少なくすることができ、外部からの商用電源を必要とせず、風力により風車が回転しない微風下において、風車が回転する頻度を向上できる風力発電装置が得られる。
また、風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転に切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を序々に下降させることで風車が停止するように制御し、風車が停止した後、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、無風状態あるいは風車を回転させることが出来ない微風状態においても風車の回転をしばらく継続できる風力発電装置が得られる。
また、発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下の時には切替え手段を力行運転に切替えない構成としたものである。
この構成により、過度の蓄電素子の放電を保護し蓄電素子の寿命を延ばす風力発電装置が得られる。
また、発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下になった時には風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、過度の蓄電素子の放電を保護し蓄電素子の寿命を延ばす風力発電装置が得られる。
また、回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、切替え手段を力行運転に切替えない構成としたものである。
この構成により、風車が回転している時は力行運転を行わない風力発電装置が得られる。
また、回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で力行運転と回生運転を切り替えることができる風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されない風力発電装置が得られる。
また、蓄電素子タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は蓄電素子の電圧の大小により変更する構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、力行運転に切り替えた回数をカウントする力行運転カウンターを備え、接点寿命タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は前記力行運転カウンターの大小により変更する構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、現在時刻をカウントする時計を備え、現在時刻が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が力行運転切換わる回数を制限でき、切換手段が破壊に至らない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、照度センサを備え、照度センサの計測値が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、夜間に切替え手段が力行運転切換わるのを防止でき、切換手段が破壊に至らない風力発電装置が得られる。
また、風車は台風等の強風時に回転しないように固定する回転ロック手段を設けた構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、強風時に風車の破壊を防ぐ風力発電装置が得られる。
また、出力調整手段は、力行運転の出力を上昇させた時、一定値以上出力を上昇させない力行運転出力上限装置を備える構成としものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置が働いた時には、蓄電池素子タイマーと接点寿命タイマーの設定時間の大きい方のタイマー設定時間の２倍以上の値とする力行運転出力上限装置動作時タイマーを備え、力行運転する時間間隔の判断条件に力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効にする構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効後、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限装置動作時タイマーを無効にする構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた後、風車のロックが解除されたことを検知できる風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置が動作した場合には、出力調整手段の力行運転出力を即時停止し、回生運転に切り替える構成としたものである。
この構成により、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーが有効になった回数をカウントする力行運転出力上限カウンターを備え、前記力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、その旨を知らせる表示手段を備えた構成としたものである。
この構成により、力行運転が不能であることがわかる風力発電装置が得られる。
また、力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、切替え手段を力行運転に切替えない構成としたものである。
この構成により、力行運転が不能である時は力行運転を行わない風力発電装置が得られる。
また、切替え手段は、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限カウンターの値をゼロにする構成としたものである。
この構成により、風車が回転した時は力行運転が可能であると判断し力行運転を行なう風力発電装置が得られる。
本発明によれば、風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転を切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替える構成とすることで、出力調整手段の出力を、風車の回転に必要な最少の電力を検出できるように、回転に必要な最少の電力で風車を回転させることで、風車の回転に必要以上の電力を消費することなく、したがって発電電力貯蔵手段に貯蔵した電力の風車の回転に消費される消費電力を少なくすることができ、外部からの商用電源を必要とせず、風力により風車が回転しない微風下において、風車が回転する頻度を向上できる風力発電装置を提供できる。
また、風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転に切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を序々に下降させることで風車が停止するように制御し、風車が停止した後、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替える構成とすることで、無風状態あるいは風車を回転させることが出来ない微風状態においても風車の回転をしばらく継続できる風力発電装置を提供できる。
また、発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下の時には切替え手段を力行運転に切替えない構成とすることで、過度の蓄電素子の放電を保護し蓄電素子の寿命を延ばす風力発電装置を提供できる。
また、発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下になった時には風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替える構成とすることで、過度の蓄電素子の放電を保護し蓄電素子の寿命を延ばす風力発電装置を提供できる。
また、回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、切替え手段を力行運転に切替えない構成とすることで、風車が回転している時は力行運転を行わない風力発電装置を提供できる。
また、回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で力行運転と回生運転を切り替えることができる風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されない風力発電装置を提供できる。
また、蓄電素子タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は蓄電素子の電圧の大小により変更する構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、力行運転に切り替えた回数をカウントする力行運転カウンターを備え、接点寿命タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は前記力行運転カウンターの大小により変更する構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、現在時刻をカウントする時計を備え、現在時刻が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が力行運転切換わる回数を制限でき、切換手段が破壊に至らない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、照度センサを備え、照度センサの計測値が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替える構成とすることで、夜間に切替え手段が力行運転切換わるのを防止でき、切換手段が破壊に至らない風力発電装置を提供できる。
また、風車は台風等の強風時に回転しないように固定する回転ロック手段を設けた構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、強風時に風車の破壊を防ぐ風力発電装置を提供できる。
また、出力調整手段は、力行運転の出力を上昇させた時、一定値以上出力を上昇させない力行運転出力上限装置を備える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置が働いた時には、蓄電池素子タイマーと接点寿命タイマーの設定時間の大きい方のタイマー設定時間の２倍以上の値とする力行運転出力上限装置動作時タイマーを備え、力行運転する時間間隔の判断条件に力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効にする構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効後、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限装置動作時タイマーを無効にする構成ととすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた後、風車のロックが解除されたことを検知できる風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置が動作した場合には、出力調整手段の力行運転出力を即時停止し、回生運転に切り替える構成とすることで、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーが有効になった回数をカウントする力行運転出力上限カウンターを備え、前記力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、その旨を知らせる表示手段を備えた構成とすることで、力行運転が不能であることがわかる風力発電装置を提供できる。
また、力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、切替え手段を力行運転に切替えない構成とすることで、力行運転が不能である時は力行運転を行わない風力発電装置を提供できる。
また、切替え手段は、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限カウンターの値をゼロにする構成とすることで、風車が回転した時は力行運転が可能であると判断し力行運転を行なう風力発電装置を提供できる。
本発明によれば、風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転を切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替える構成としたものであり、出力調整手段の出力を、風車の回転に必要な最少の電力を検出できるように、回転に必要な最少の電力で風車を回転させることで、風車の回転に必要以上の電力を消費することなく、したがって発電電力貯蔵手段に貯蔵した電力の風車の回転に消費される消費電力を少なくすることができ、外部からの商用電源を必要とせず、風力により風車が回転しない微風下において、風車が回転する頻度を向上できるという作用を有する。
また、風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転に切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を序々に下降させることで風車が停止するように制御し、風車が停止した後、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替える構成としたものであり、無風状態あるいは風車を回転させることが出来ない微風状態においても風車の回転をしばらく継続できるという作用を有する。
また、発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下の時には切替え手段を力行運転に切替えない構成としたものであり、過度の蓄電素子の放電を保護し蓄電素子の寿命を延ばすことができるという作用を有する。
また、発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下になった時には風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替える構成としたものであり、過度の蓄電素子の放電を保護し蓄電素子の寿命を延ばすことができるという作用を有する。
また、回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、切替え手段を力行運転に切替えない構成としたものであり、風車が回転している時は力行運転を行わないという作用を有する。
また、回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で力行運転と回生運転を切り替えることができるという作用を有する。
また、切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されないという作用を有する。
また、切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されないという作用を有する。
また、蓄電素子タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は蓄電素子の電圧の大小により変更する構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で蓄電素子が過剰消費されないという作用を有する。
また、切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らないという作用を有する。
また、切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らないという作用を有する。
また、切替え手段は、力行運転に切り替えた回数をカウントする力行運転カウンターを備え、接点寿命タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は前記力行運転カウンターの大小により変更する構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が破壊に至らないという作用を有する。
また、切替え手段は、現在時刻をカウントする時計を備え、現在時刻が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、切替え手段が力行運転切換わる回数を制限でき、切換手段が破壊に至らないという作用を有する。
また、切替え手段は、照度センサを備え、照度センサの計測値が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替える構成としたものであり、夜間に切替え手段が力行運転切換わるのを防止でき、切換手段が破壊に至らないという作用を有する。
また、風車は台風等の強風時に回転しないように固定する回転ロック手段を設けた構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、強風時に風車の破壊を防ぐという作用を有する。
また、出力調整手段は、力行運転の出力を上昇させた時、一定値以上出力を上昇させない力行運転出力上限装置を備える構成としものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されないという作用を有する。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置が働いた時には、蓄電池素子タイマーと接点寿命タイマーの設定時間の大きい方のタイマー設定時間の２倍以上の値とする力行運転出力上限装置動作時タイマーを備え、力行運転する時間間隔の判断条件に力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効にする構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されないという作用を有する。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効後、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限装置動作時タイマーを無効にする構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた後、風車のロックが解除されたことを検知できるという作用を有する。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置が動作した場合には、出力調整手段の力行運転出力を即時停止し、回生運転に切り替える構成としたものであり、複雑な制御回路を必要とせず、簡単な構成で、風車がロックされた時に蓄電素子が過剰に電力消費されないという作用を有する。
また、切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーが有効になった回数をカウントする力行運転出力上限カウンターを備え、前記力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、その旨を知らせる表示手段を備えた構成としたものであり、力行運転が不能であることがわかるという作用を有する。
また、力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、切替え手段を力行運転に切替えない構成としたものであり、力行運転が不能である時は力行運転を行わないという作用を有する。
また、切替え手段は、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限カウンターの値をゼロにする構成としたものであり、風車が回転した時は力行運転が可能であると判断し力行運転を行うという作用を有する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本実施の形態における発電装置の構成図を示す。図に示すように、風車１（例えばサボニウス型風車）で、風を受け発電する風力発電手段としての発電機２と、発電機２により発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段３（例えば鉛蓄電池などの蓄電素子３ａおよび蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段３ｂ）と、発電機２で発生する交流電力を直流電力に整流する整流手段としての全波整流回路４（例えばダイオードブリッジ）と、発電機２で発電した電力を蓄電池などの発電電力貯蔵手段３へ貯蔵する為の電力へ変換する電力変換手段５（例えばコンバータ回路）を備えている。
また、風車１に接続された発電機２を力行運転と回生運転の切替えを行う切替え手段６は切替え素子としてのリレー６ａと、力行運転時には、風車１の回転に必要な最少の電力を検出できるように、序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御するマイクロコンピュータ６ｂとプログラム６ｃと力行運転の不備を知らせる表示手段６ｄとしてＬＥＤと発電装置付近の照度を計測する照度センサ６ｅを備え、マイクロコンピュータ６ｂの制御信号（例えば出力指示値など）の電圧出力信号は出力調整手段７（例えばインバータ）に伝えられる。
出力調整手段７はマイクロコンピュータ６ｂの制御信号をうけて発電機を力行運転させる電力を制御する３相ＰＷＭインバータ７ａと力行運転の出力を一定値以上上昇させない力行運転出力上限装置７ｂを備えている。また、回転検知手段８は、風車１が回転したことをマイクロコンピュータ６ｂに伝達するように発電機の回転数あるいは、回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段８（例えばホール素子）を備えている。また、台風などの強風時に風車１が回転しないように固定する回転ロック手段９（例えば回転軸を機械式挟み込み固定する装置）を備えている。
この構成において、切替え手段６は、回転検知手段８により、風車１が風力により回転していると検知したとき、切替え手段６のリレー６ａを風力発電が行えるように回生運転に切替える。この時、発電機２で発電された交流電力は、全波整流回路４で交流電力を直流電力に変換する。電力変換手段５は直流電力を発電電力貯蔵手段３に電力として貯蔵する。一方、切替え手段６は、回転検知手段８により、風車１が風力により回転していない、すなわち、無風又は微風と検知したとき、切替え手段のリレー６ａを発電機２が力行運転するように切替える。この時、切替え手段６は、三相ＰＷＭインバータ７ａに出力を序々に上昇させていく信号を出力することで、発電機２に序々に出力が加えられていき、風車が力行運転し回転を始めることになる。
次に、切替え手段６の動作について、図２および図３を参照しながら説明する。
図２は切替え手段６の動作を示すフローチャートである。図２に示すように切替え手段６は以下に示す８つの条件をすべて満たした時にリレー６ａを力行運転に切り替えて力行運転を実行する。
１）回転検知手段８で検知した風車の回転数Ｎが０。すなわち風車が回転していない。
２）力行運転出力上限カウンターＨｃが予め定めておいた値Ｈｍａｘ以下である。
３）出力上限動作時タイマーＴｌｉｍが有効時は出力上限動作時タイマーＴｌｉｍが予め定めておいた時間経過している。
４）蓄電素子タイマーＴｂａｔが予め定めておいた時間経過している。
５）接点寿命タイマーＴｒが予め定めておいた時間経過している。
６）蓄電電圧計測手段３ｂにより計測した蓄電素子の電圧Ｖが予め定めておいた力行運転 可能な電圧Ｖｌｏｗ、例えば蓄電素子の公称電圧値１２（Ｖ）より高い。
７）現在時刻が予め定めておいた力行運転時間帯である。
８）照度センサ６ｅの計測値が予め定めておいた値Ｌｌｏｗ、例えば０ルックスより高い。
なお、蓄電素子タイマーＴｂａｔの時間は蓄電池素子の容量と力行運転に使用する平均電力の容量より計算され、１日あたりの力行運転に使用する電力が蓄電池容量の例えば３％程度になるように力行運転する時間間隔を算出する。前回力行運転を行ってからＴｂａｔ時間経過していない場合は力行運転を行わないようにする。
あるいは、蓄電素子タイマーＴｂａｔの時間は蓄電電圧計測手段３ｂにより計測した蓄電素子の電圧Ｖにより変更するようにしてもいい（蓄電素子の公称電圧値に近づくほど長くする。たとえば表１）。
Figure 2008111420
また、接点寿命タイマーＴｒの時間はリレー６ａの接点開閉回数寿命と風力発電装置の商品期待寿命により時間間隔を算出する。風力発電装置の期待寿命例えば１０年間の内にリレーの開閉回数が例えば１００万回を超えないような時間間隔５分が設定される。前回力行運転を行ってからＴｒ時間経過していなければ力行運転を行わないようにする。
あるいは、リレーの開閉回数をカウントしておいてリレーの開閉回数により変更してもいい（リレー開閉回数が多くなるほど長くする表２）。
Figure 2008111420
また、出力上限動作時タイマーＴｌｉｍの時間は蓄電素子タイマーＴｂａｔおよび接点寿命タイマーＴｒの２倍以上の値となるように設定し、力行運転を行っても風車が回転しなかった場合は次に力行運転運転を行うまでの時間を長くしている。
これは、風車に落ち葉などの異物がついたために風車が回りにくくなっている場合にはしばらくすれば再び力行運転が可能となるので、蓄電池素子の容量低下をなるべく防ぎつつ自動的に力行運転が再開されるようにするためである。
また、力行運転出力上限カウンターＨｃが予め定めておいた値以上となった時に力行運転に入らないようにしているのは、このような時は発電装置に何らかの故障が発生したか、風車が回転しないようにロックされているか、風車の回転軸に落ち葉などの異物混入し回転しなくなっているかと考えられるので力行運転を行わないようにしている。この時は表示手段６ｄであるＬＥＤを点灯させ力行運転の不備を知らせ使用者がメンテナンスを行う必要性を喚起する。
また、力行運転時間帯の設定および照度センサでの判断は力行運転を昼間に行うために必要な設定である。これは力行運転の目的は景観上の理由により微風下において風車が回転するように回転頻度を向上させることであるので、風車の回転が見えない夜間に力行運転運転を行わないようにするためである。
なお、回転検知手段８で風車の回転を検知した場合に出力上限動作時タイマーＴｌｉｍは無効とされ、力行運転出力上限カウンターＨｃはゼロクリアされる。
図３は切替え手段６における力行運転の動作を示すフローチャートである。図３に示すように力行運転を行う判断が行われた場合には、３相ＰＷＭインバータ７ａに初期値Ｐｚ例えば０を出力値Ｐとして出力する。
次に、風車の回転に必要な最少の電力を検出できるように、出力を序々に上昇させるための制御周期Ｔｃｏｎ１（例えば０．１ｓｅｃ）毎に一定の上昇幅Ｐｕｐ（例えば無風時の風車の起動に必要なトルクの１％程度ずつ）上昇させるように制御する。この場合、回転検知手段８で風車の回転が検知されるまで出力を上昇させていくような制御が行われる。このように、その時の風速例えば０ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓにおいて、風車の起動に必要な損失に打ち勝つまで上昇させた時に風車は回転することになり、かつ風車が回転したときの出力値Ｐはその時の風速に対して風車が回転する最低限の出力値となる。
力行運転の出力調整手段７は、３相ＰＷＭインバータ７ａの出力値Ｐを序々に上昇し続けることになるが、力行運転出力上限装置７ｂにより予め決められた制限値、例えば風車が無風時に回転する出力値の１２０％程度を超える場合には、出力上限動作時タイマーＴｌｉｍを有効にし、力行運転出力上限カウンターＨｃをカウントアップし、３相ＰＷＭインバータ７ａの出力値Ｐをゼロにして力行運転を終了する。
３相ＰＷＭインバータ７ａの出力値Ｐを序々に上昇し続けている時に回転数検知手段８で風車の回転を検知した場合に出力上限動作時タイマーＴｌｉｍは無効とし、力行運転出力上限カウンターＨｃはゼロクリアし一定時間Ｔｃｏｎ２、たとえば３０秒３相ＰＷＭインバータ７ａの出力値Ｐを固定し風車を一定時間回転させる。
その後、３相ＰＷＭインバータ７ａの出力値Ｐを制御周期Ｔｃｏｎ２、例えば０．１ｓｅｃ毎に一定の下降幅Ｐｄｗ、例えば無風時例えば無風時の風車の起動に必要なトルクの１％程度ずつ下降させるように制御し、風車が停止するまで、あるいは出力値Ｐがゼロになるまで継続し３相ＰＷＭインバータ７ａの出力値Ｐをゼロにして力行運転を終了する。
なお、力行運転中に風により風車が予め設定した回転数以上で回転した時（例えば６０ｒｐｍ以上）には力行運転は直ちに終了し、回生運転に移行する。
これは、風車の回転により発生した電圧によりマイクロコンピュータ６ｂが破損しないようにするための動作である。
また、力行運転中に蓄電電圧計測手段３ｂにより計測した蓄電素子の電圧Ｖが蓄電素子の公称電圧値１２（Ｖ）より低くなった時には力行運転は直ちに終了し、回生運転に移行する。
これは、蓄電素子の電圧Ｖが公称電圧値より低くなった場合に蓄電素子から放電を続けると蓄電素子が悪化するのでそれを防止するための動作である。
なお、蓄電素子タイマーＴｂａｔおよび接点寿命タイマーＴｒを風車が風力により回転する毎にリセットし、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切替えてもよい。
以上のように、本実施の形態１によれば、風車は自己起動風速以下の微風状態においても、その時の風速に応じた最低の出力値で風車を回転することができるため、商用電源を必要としない風力発電装置を提供できる。
また、その時の風速下に応じて変動する風車の回転に必要な最低の出力を蓄電素子より供給し風車を回転させる為、常に変化する風速に対し発電する機会が増加するとともに、微風でも風車が回転する景観の良い風力発電装置を提供できる。
風力発電装置の微風下における回転駆動を補助促進するものであり、サボニウス型風車以外にもプロペラ型やダリウス型にも適用できる。
本発明の実施の形態１のハイブリッド型発電装置の構成図 同切替え手段６のプログラム６ｃの制御フローチャート 同切替え手段６のプログラム６ｃの力行運転の制御フローチャート 従来の特許文献１における風力発電装置の構成図
符号の説明
１ 風車
２ 発電機
３ 発電電力貯蔵手段
３ａ 蓄電素子
３ｂ 蓄電電圧計測手段
４ 全波整流回路
５ 電力変換手段
６ 切替え手段
６ａ リレー
６ｂ マイクロコンピュータ
６ｃ プログラム
６ｄ 表示手段
６ｅ 照度センサ
７ 出力調整手段
７ａ ３相ＰＷＭインバータ
７ｂ 力行運転出力上限装置
８ 回転検知手段
８ａ ホール素子
９ 回転ロック手段

Claims (22)

  1. 風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転に切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替えることを特徴とした風力発電装置。
  2. 風車で風を受け発電する風力発電手段と、前記風力発電手段で発電した電力を貯蔵する発電電力貯蔵手段と、前記風力発電手段で発生する電流を整流する整流手段と、前記風力発電手段で発電した電力の電力変換手段を備えた発電装置であって、風車に接続された発電機を力行運転と回生運転に切り替える切替手段を備え、力行運転時には序々に出力を上昇あるいは下降させるように制御する出力調整手段と、力行運転時、回生運転時にかかわらず、風車の回転したことを検知する回転検知手段と、風車が前記回転検知手段にて回転停止していると判断した時に、前記出力調整手段の出力を序々に上昇させることで風車を回転するように制御し、回転を検出したら、前記出力調整手段の出力を序々に下降させることで風車が停止するように制御し、風車が停止した後、前記出力調整手段の出力を回生運転に切り替えることを特徴とした請求項１記載の風力発電装置。
  3. 発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下の時には切替え手段を力行運転に切替えないようにしたことを特徴とした請求項１または２に記載の風力発電装置。
  4. 発電電力貯蔵手段は、蓄電素子の電圧を計測する蓄電電圧計測手段を備え、蓄電素子の電圧がある設定値以下になった時には風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替えることを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
  5. 回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、切替え手段を力行運転に切替えないようにしたことを特徴とした請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
  6. 回転検知手段は、発電機の回転数あるいは回転数に比例する信号を検知する回転数検知手段を備え、回転数あるいは回転数に比例する信号が、ある設定値以上の時には、風車が力行運転中でも直ちに切替え手段を回生運転に切り替えることを特徴とした請求項１〜５のいずれかに記載の風力発電装置。
  7. 切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。
  8. 切替え手段は、蓄電素子の容量と力行運転で使用する電力の関係より蓄電素子が過剰消費されないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える蓄電素子タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。
  9. 蓄電素子タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は蓄電素子の電圧の大小により変更することを特徴とする請求項７または８のいずれかに記載の風力発電装置。
  10. 切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、一定時間間隔で力行運転に切り替えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の風力発電装置。
  11. 切替え手段は、切替え手段の接点寿命から切替え手段が破壊に至らないように一定時間間隔以上で力行運転に切り替える接点寿命タイマーを備え、非回転状態が一定時間続いた場合に力行運転に切り替えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の風力発電装置。
  12. 切替え手段は、力行運転に切り替えた回数をカウントする力行運転カウンターを備え、接点寿命タイマーにより力行運転に切り替える時間間隔は前記力行運転カウンターの大小により変更することを特徴とする請求項１０または１１のいずれかに記載の風力発電装置。
  13. 切替え手段は、現在時刻をカウントする時計を備え、現在時刻が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の風力発電装置。
  14. 切替え手段は、照度センサを備え、照度センサの計測値が予め設定された範囲内にある時に力行運転に切り替えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の風力発電装置。
  15. 風車は台風等の強風時に回転しないように固定する回転ロック手段を設けたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の風力発電装置。
  16. 出力調整手段は、力行運転の出力を上昇させた時、一定値以上出力を上昇させない力行運転出力上限装置を備えたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の風力発電装置。
  17. 切替え手段は、力行運転出力上限装置が働いた時には、蓄電池素子タイマーと接点寿命タイマーの設定時間の大きい方のタイマー設定時間の２倍以上の値とする力行運転出力上限装置動作時タイマーを備え、力行運転する時間間隔の判断条件に力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効にすることを特徴とした請求項１６に記載の風力発電装置。
  18. 切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーを有効後、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限装置動作時タイマーを無効にすることを特徴とした請求項１７に記載の風力発電装置。
  19. 切替え手段は、力行運転出力上限装置が動作した場合には、出力調整手段の力行運転出力を即時停止し、切替え手段を回生運転に切り替えることを特徴とした、請求項１〜１８のいずれかに記載の風力発電装置。
  20. 切替え手段は、力行運転出力上限装置動作時タイマーが有効になった回数をカウントする力行運転出力上限カウンターを備え、前記力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、その旨を知らせる表示手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の風力発電装置。
  21. 力行運転出力上限カウンターが予め設定した回数を超えた時に、切替え手段を力行運転に切替えないようにしたことを特徴とした請求項２０に記載の風力発電装置。
  22. 切替え手段は、回転検知手段により風車の回転を検知した時に、力行運転出力上限カウンターの値をゼロにすることを特徴とした請求項２１に記載の風力発電装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017110609A (ja) * 2015-12-18 2017-06-22 株式会社Ｌｉｘｉｌ 風力発電用のアシスト制御装置

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