JP2008144682A

JP2008144682A - 発電装置

Info

Publication number: JP2008144682A
Application number: JP2006333608A
Authority: JP
Inventors: Takehito Noda; 岳人野田
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】簡易な構造で回転体の回転速度を検出できない状態にあることを確実に検知する。
【解決手段】風車３００に接続されたシャフト４００に回転センサ１１０と発電機１２０が取り付けられている。回転センサ１１０が風車３００の回転を検知して回転数検出回路１４２に出力する。回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出し、充電回路１４３は発電機１２０が発電した電力をバッテリ１４４に充電するときの充電電流の値を検出する。異常検知回路１４５が、回転数検出回路１４２の検出結果と充電回路１４３の検出結果とに基づいて、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあることを検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行う発電装置に関する。

風車（回転体）を用いて風力エネルギー（流体エネルギー）を回転運動エネルギーに変換するとともに、変換した回転運動エネルギーを用いて発電を行う発電装置がある。このような発電装置においては、風車の回転数（回転速度）に応じて、効率的な発電制御を行ったり、風車が所定以上の回転速度にならないように保護動作を行ったりすることが好ましい。そこで、風車の回転数を検出するため回転センサとしてレゾルバなどを備えることが考えられる。このような回転センサとして機能するレゾルバを備えた装置においては、レゾルバに流れる電流を監視することによって、断線などによりレゾルバが回転数を検出できない状態にあることを検知する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。これにより安全性が向上する。

特開２０００−１３２２２６号公報（図１）

しかしながら、上述した技術によると、レゾルバに流れる電流を監視するため、レゾルバの代わりにオープンコレクタ出力仕様の回転センサを用いた場合には、回転センサの故障や回転センサに接続された信号線の断線を検知することができない。そこで、風量計などの他のセンサを用いて回転センサの故障や信号線の断線を検知することが考えられるが、発電装置の構造が複雑になりコストも高くなる。

本発明の主たる目的は、簡易な構造で回転体の回転速度を検出できない状態にあることを確実に検知することができる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

本発明の発電装置は、流体エネルギーによって回転する回転体と、前記回転体の回転を検知する回転センサと、前記回転センサの検知結果に基づいて前記回転体の回転速度を検出する回転速度検出装置と、前記回転体が回転するときの回転運動エネルギーを用いて電力を発電する発電機と、前記発電機の発電状態を検出する発電状態検出装置とを備えている。さらに、前記回転速度検出装置の検出結果と前記発電状態検出装置の検出結果とに基づいて、前記回転速度検出装置が前記回転体の回転速度を検出できない状態にあることを検知する異常検知装置を備えている。

本発明によると、異常検知装置が、回転速度検出装置の検出結果と発電状態検出装置の検出結果とに基づいて、回転速度検出装置の異常を検知するため、回転センサが故障したり回転センサと回転速度検出装置とを接続する信号線が断線したりすることによって回転体の回転速度が検出できない状態にあることを、回転センサの出力形式にかかわらず確実に検知することができる。また、回転計などの他のセンサを備える必要がないため、発電装置を簡易な構造で低コストなものとすることができる。

本発明においては、電力を蓄電する蓄電装置と、前記発電機が発電した電力を前記蓄電装置に充電するための充電装置とをさらに備えており、前記発電状態検出装置が、前記充電装置における充電電流及び充電電圧の少なくともいずれかに基づいて前記発電機の発電状態を検出することが好ましい。これによると、簡単な構成で発電機の発電状態を検出することができる。

または、本発明においては、前記発電状態検出装置が、前記発電機における誘起電圧から前記発電機の発電状態を検出することが好ましい。これによると、発電機の発電状態をより正確に検出することができる。

さらに、本発明においては、前記回転体の回転を停止させる停止装置と、前記回転速度検出装置が前記回転体の回転速度を検出できていないことを前記異常検知装置が検知したとき、前記停止装置により前記回転体の回転を停止させる保護装置とをさらに備えていることがより好ましい。これによると、回転速度検出装置が回転体の回転速度を検出できないときは、確実に回転体が停止するため、回転体が許容回転速度以上で回転することがなくなり安全性が向上する。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、本発明に係る発電装置の一例として、風力発電装置５００に本発明を適用した場合について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る風力発電装置５００の模式的側面図である。図１に示すように、風力発電装置５００は、発電装置本体１００、主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂ、支持梁２２０、支持柱２３０、複数の翼形状の羽根を有する風車（回転体）３００、支持パイプ３１０、３２０およびシャフト４００を有している。

図１に示すように、風力発電装置５００は、主柱２００が４隅に設けられ、主柱２００の上端部および主柱２００の中部にそれぞれ保持板２１０が設けられている。さらに主柱２００の下方においては、隣接する主柱２００同士を支持しあうように支持梁２２０が主柱２００に対して垂直方向に設けられ、さらに主柱２００が傾斜しないように地中から主柱２００を支持する支持柱２３０が設けられている。これらの主柱２００等により鉛直方向に延在する櫓が構成されている。この櫓内に風車３００が鉛直方向に沿って４段設けられている。

主柱２００等により構成された櫓内の中心に鉛直方向に沿って延在するシャフト４００が設けられている。このシャフト４００の下端部には、発電装置本体１００が設けられている。この発電装置本体１００の詳細構造および動作については後述する。

また、シャフト４００の上部において、主柱２００および２枚の保持板２１０ａ，２１０ｂにより囲まれた空間内に配置されるように、上下２段に複数の翼形状を有する風車３００が設けられ、シャフト４００の下部において、主柱２００、支持梁２２０および保持板２１０ｂにより囲まれた空間内に配置されるように、上下２段に複数の翼形状を有する風車３００が設けられている。

風車３００には、翼形状の羽根が１段毎に４枚ずつ設けられている。また４枚の羽根が、シャフト４００の中心軸を基準にそれぞれ水平方向に９０度毎にずらして配置されている。そして、この翼形状の羽根が２本の支持パイプ３１０および２本の支持パイプ３２０によりシャフト４００に固定される。このような風車３００は、一般に直線翼垂直軸型風車と呼ばれる。

この風車３００は、翼形状の羽根により風力エネルギー（流体エネルギー）を享受することによって、羽根に揚力が生じて上方から見て時計回りに回転する。風車３００が時計回りに回転することにより、２本の支持パイプ３１０および２本の支持パイプ３２０を介してシャフト４００が時計回りに回転する。つまり、風力エネルギーを風車が回転する回転運動エネルギーに変換することができる。

次に、発電装置本体１００について図２を参照しつつ説明する。図２は、発電装置本体１００の内部構成を示す模式図である。図２に示すように、発電装置本体１００は、回転センサ１１０、発電機１２０、ブレーキ（停止装置）１３０、電力制御ユニット１４０および電力経路１５０を含んでいる。

回転センサ１１０は、シャフト４００の回転、つまりは風車３００の回転を検知するものである。シャフト４００の側面の一部には反射テープや切り欠きなどでマーキングが施されている。回転センサ１１０は、シャフト４００が一回転する毎にマーキングが通過するように配置されている。回転センサ１１０は、反射センシング又は近接センシングによりマーキングが通過するのを検知し、その検知結果をパルス信号として電力制御ユニット１４０に出力する。回転センサ１１０と電力制御ユニット１４０とは、信号線１１０ａで接続されている。本実施形態においては、回転センサ１１０の出力形式はオープンコレクタ出力となっているが、他の種類の出力形式となっていてもよい。また、回転センサ１１０は反射センシング又は近接センシング以外に画像処理によりマーキングが通過するのを検知するものであってもよい。さらに、回転センサ１１０は、シャフト４００に直接取り付けられたロータリーエンコーダで構成されていてもよい。

発電機１２０は、シャフト４００に接続されている。発電機１２０は、風力を享受した風車３００が回転することによってシャフト４００が回転したとき、シャフト４００の回転運動エネルギーを用いて電力を発電する。発電した電力は電力制御ユニット１４０に出力される。ブレーキ１３０は、シャフト４００の下端に接続されており、電力制御ユニット１４０に駆動されることによって、シャフト４００の回転を停止させるものである。

電力制御ユニット１４０は、パルスＩＦ回路１４１、回転数検出回路（回転速度検出装置）１４２、充電回路（充電装置及び発電状態検出装置を含む）１４３、バッテリ（蓄電装置）１４４、異常検知回路（異常検知装置）１４５および保護回路（保護装置）１４６を有している。

パルスＩＦ回路１４１は、信号線１１０ａを介して入力された回転センサ１１０からのパルス信号をデジタル信号に変換するものである。パルスＩＦ回路１４１において変換されたデジタル信号は回転数検出回路１４２に出力される。回転数検出回路１４２は、パルスＩＦ回路１４１から出力されたデジタル信号に基づいて風車３００の回転数（回転速度）（ｒａｄ／ｓｅｃ）を検出するものである。回転数検出回路１４２において検出された風車３００の回転数は、異常検知回路１４５及び充電回路１４３に出力される。また、回転数検出回路１４２は、風車３００の回転数から風力エネルギー（流体エネルギー）のエネルギー量に対応する物理量、すなわち、風量および風速を計測することもできる。計測された風量および風速は図示しないモニタリング装置などに出力される。

充電回路１４３は、発電機１２０が発電した電力をバッテリ１４４に充電するための回路である。このとき、充電回路１４３は、回転数検出回路１４２から出力された風車３００の回転数を監視することによってバッテリ１４４に対する充電が効率よく行われるように制御する。また、充電回路１４３は、バッテリ１４４を充電するときの充電電流の値（発電状態）を検出する。充電回路１４３において検出された充電電流の値は、異常検知回路１４５に出力される。バッテリ１４４は、充電回路１４３によって発電機１２０が発電した電力が充電されるものであり、蓄電した電力をバッテリ１４４の出力電圧であるバッテリ電圧で電力経路１５０に供給する。

異常検知回路１４５は、回転数検出回路１４２から出力された検出結果と、充電回路１４３から出力された検出結果とに基づいて回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあるか否かを検知するものである。具体的には、充電回路１４３から出力された充電電流の値が所定以上の値となっている、言い換えれば、風車３００が風力エネルギーを享受することによって発電機１２０が電力を発電している場合に、当該充電電流の値に相当する風車３００の回転数の値を回転数検出回路１４２が出力していないときに、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあることを検知する。ここで回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態とは、例えば、回転センサ１１０が故障したり、信号線１１０ａが断線したりする状態をいう。異常検知回路１４５は、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあることを検知すると、風車３００の回転を停止させるための停止信号を保護回路１４６に出力する。

保護回路１４６は、異常検知回路１４５から停止信号が出力されると、ブレーキ１３０を駆動して風車３００の回転を停止させるとともに、図示しない表示装置にその旨を表示させる。

以下、発電装置本体１００の動作について詳細に説明する。まず、風車３００の翼形状の羽根が、風力エネルギーを享受して揚力を発生させ、その揚力を回転運動エネルギーに変換することによりシャフト４００が回転する。

シャフト４００が回転することにより発電機１２０が発電を行う。発電機１２０により発電された電力は、電力制御ユニット１４０の充電回路１４３に出力される。

このとき、回転センサ１１０がシャフト４００（風車３００）の軸回転を検知し、その検知結果を電力制御ユニット１４０のパルスＩＦ回路１４１に信号線１１０ａを介して出力する。回転数検出回路１４２が、パルスＩＦ回路１４１から出力された検知結果に基づいて風車３００の回転数（ｒａｄ／ｓｅｃ）を検出する。また、回転数検出回路１４２は、検出結果を異常検知回路１４５及び充電回路１４３に出力する。

充電回路１４３は、回転数検出回路１４２から出力された風車３００の回転数に基づいて、発電機１２０から出力された電力を効率よくバッテリ１４４に充電するとともに、このときの充電電流の値を検出し異常検知回路１４５に出力する。

異常検知回路１４５は、回転数検出回路１４２から出力された検出結果と、充電回路１４３から出力された検出結果とに基づいて、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあるか否かを検知する。回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあることを異常検知回路１４５が検知すると、異常検知回路１４５は保護回路１４６に停止信号を出力する。保護回路１４６は異常検知回路１４５から停止信号が出力されるとブレーキ１３０を駆動して風車３００の回転を停止させる。

ここで、異常検知回路１４５が、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあるか否かを検知するときの処理について図３を参照しつつ詳細に説明する。図３は、風力発電装置５００が動作しているときにおける風車３００の実際の回転数（ｒａｄ／ｓｅｃ）と、回転数検出回路１４２が検出する風車３００の回転数（ｒａｄ／ｓｅｃ）と、発電機１２０における誘起電圧（Ｖ）と、充電回路１４３が検知する充電電流（Ａ）との関係を示したグラフである。なお、図３においては、縦軸に各値を、横軸に時間をそれぞれ示している。また、時間Ｔ３において回転センサ１１０が故障するものとする。図３に示すように、回転センサ１１０が故障していないとき（時間Ｔ０〜時間Ｔ３）は、風力エネルギーを享受することによって風車３００の実際の回転数が変化すると、これに同期して回転数検出回路１４２が検出する風車３００の回転数が変化する。また、発電機１２０における誘起電圧も風車３００の実際の回転数と同期して変化する。そして、発電機１２０における誘起電圧がバッテリ１４４のバッテリ電圧を超えると（時間Ｔ１〜時間Ｔ２）、充電回路１４３がバッテリ１４４への充電を開始するため、この誘起電圧の変化に伴って充電回路１４３が検出する充電電流が変化する。

回転センサ１１０が故障したとき（時間Ｔ３〜）は、風車３００の実際の回転数が変化しても、回転数検出回路１４２が検出する風車３００の回転数は０（ｒａｄ／ｓｅｃ）から変化しない。一方、発電機１２０における誘起電圧は風車３００の実際の回転数と同期して変化する。したがって、発電機１２０における誘起電圧がバッテリ１４４のバッテリ電圧を超えると（時間Ｔ４〜）、この誘起電圧の変化に伴って充電回路１４３が検出する充電電流が変化する。そして、回転数検出回路１４２が検出する風車３００の回転数が０（ｒａｄ／ｓｅｃ）の状態で充電回路１４３が検出する充電電流が０（Ａ）以上に変化すると、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあることを異常検知回路１４５が検知し、保護回路１４６に停止信号を出力する。保護回路１４６は停止信号が出力されるとブレーキ１３０を駆動して風車３００の回転が停止される（時間Ｔ５）。

以上説明した本実施の形態によると、回転数検出回路１４２の検出結果と充電回路１４３の検出結果とに基づいて、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できない状態にあるか否かを検知する。これにより、回転センサ１１０が故障したり、信号線１１０ａが断線したりしたことを確実に検知することができる。また、風量計などの他のセンサを備える必要がなくなるため、風力発電装置５００を簡易な構造とし低コストなものとすることができる。

また、充電回路１４３において充電電流を検知することによって、発電機１２０の状態を検出しているため、風力発電装置５００をより簡易な構造とし低コストなものをすることができる。

さらに、異常検知回路１４５によって回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検出できていないことが検知されたとき、異常検知回路１４５が保護回路１４６に停止信号を出力することによって、ブレーキ１３０で風車３００の回転を停止するため、風車３００が許容回転数以上の回転数で回転することがなくなり安全性が向上する。

以上、本発明の好適な一実施の形態について説明したが、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、上述の実施の形態においては、４段の風車３００がシャフト４００と一体となって回転体を形成する構成であるが、回転体は他の形状を有するものであってもよい。例えば、回転体が風車の代わりに水力エネルギーを享受して回転する水車を有するものであってもよい。

また、上述の実施の形態においては、充電回路１４３が、バッテリ１４４に充電するときの充電電流の値を異常検知回路１４５に出力し、異常検知回路１４５が充電電流の値に基づいて回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検知できているか否かを検知する構成であるが、このような構成に限定されるものではなく、発電機１２０の発電状態を検出し、その検出結果に基づいて回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検知できているか否かを検知する構成であれば他の構成であってもよい。例えば、充電回路１４３が、バッテリ１４４に充電するときの充電電圧の値を異常検知回路１４５に出力し、異常検知回路１４５が充電電圧の値に基づいて回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検知できているか否かを検知する構成であってもよい。

または、充電回路１４３が、発電機１２０に係る誘起電圧を検出するとともに検出した誘起電圧の値を異常検知回路１４５に出力し、異常検知回路１４５が誘起電圧の値に基づいて回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検知できているか否かを検知する構成であってもよい。なお、この場合、誘起電圧を検出する回路を別に設けるように構成してもよい。これによると、発電機１２０の状態をより正確に検出することができるため、回転センサ１１０が故障したり、信号線１１０ａが断線したりしたことを素早く検知することができる。

さらに、風力発電装置５００が、保護回路１４６及びこれに駆動されるブレーキ１３０を有し、回転数検出回路１４２が風車３００の回転数を検知できていないことを異常検知回路１４５が検知したとき、直ちに風車３００の回転を停止させる構成であるが、直ちに風車３００の回転を停止させない構成であってもよい。

上述の実施形態において、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。

本発明に係る発電装置の模式的側面図である。図１に示す発電装置本体の内部構成の模式図である。図１に示す風力発電装置が動作しているときにおける風車の実際の回転数と、回転数検出回路が検出する風車の回転数と、発電機における誘起電圧と、充電回路が検出する充電電流との関係を示したグラフである。

符号の説明

１００発電装置本体
１１０回転センサ
１１０ａ信号線
１２０発電機
１３０ブレーキ
１４０電力制御ユニット
１４１パルスＩＦ回路
１４２回転数検出回路
１４３充電回路
１４４バッテリ
１４５異常検知回路
１４６保護回路
１５０電力経路
３００風車
４００シャフト
５００風力発電装置

Claims

流体エネルギーによって回転する回転体と、
前記回転体の回転を検知する回転センサと、
前記回転センサの検知結果に基づいて前記回転体の回転速度を検出する回転速度検出装置と、
前記回転体が回転するときの回転運動エネルギーを用いて電力を発電する発電機と、
前記発電機の発電状態を検出する発電状態検出装置と、
前記回転速度検出装置の検出結果と前記発電状態検出装置の検出結果とに基づいて、前記回転速度検出装置が前記回転体の回転速度を検出できない状態にあることを検知する異常検知装置とを備えていることを特徴とする発電装置。
電力を蓄電する蓄電装置と、
前記発電機が発電した電力を前記蓄電装置に充電するための充電装置とをさらに備えており、
前記発電状態検出装置が、前記充電装置における充電電流及び充電電圧の少なくともいずれかに基づいて前記発電機の発電状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記発電状態検出装置が、前記発電機における誘起電圧から前記発電機の発電状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記回転体の回転を停止させる停止装置と、
前記回転速度検出装置が前記回転体の回転速度を検出できていないことを前記異常検知装置が検知したとき、前記停止装置により前記回転体の回転を停止させる保護装置とをさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発電装置。