JP2008215156A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微風下においても風車が回転するようにして、景観性を高めた小型の風力発電装置を提供する。
【解決手段】回転センサ１１が風車の回転を検知しない風速下において、制御装置９は、切換替器３をａ側にして発電機２をモータとして短時間駆動し風車１を回転させる。風車１が継続して回転すれば微風、すぐに風車１が回転を停止すれば無風と判断する。どちらの場合も、間欠的に発電機２をモータとして短時間駆動して風車の回転を加勢するが、微風と判断したときは間欠の周期を短くして風車回転の頻度を多くし、無風と判断したときは間欠の周期を長くして、電力貯蔵手段６から得るエネルギーを抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、微風下においても風車を回転させ景観を高める風力発電装置に関わる。

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や郊外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９を参照しながら説明する。

図９に示すように、風力発電装置は、風車１０１により駆動させる発電機１０２をコンバータ１０３及びインバータ１０４により構成した発電制御装１０５を介して電力系統に接続している。この中で、風速判別器１０６及び回転数判別器１０７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Ｎ_O≦Ｎ≦発電開始回転数Ｎ_Pであると判別されると、出力調整回路１０８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１０３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１０３の出力電流を制御して発電機１０２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Ｎ_Pに上昇すると、発電機１０２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１０１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。しかしながら無風時に回転させると、発電しないにもかかわらず、力行運転させる為、無駄な電力を消費するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するもので、微風下において風車が回転する頻度を大きくして景観性を向上し、無風時には無駄な電力の消費を抑えることができる風力発電装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は夜間においても風車の回転が視認できる風力発電装置を提供することを第２の目的している。

本発明の風力発電装置は、前記第１の目的を達成するために、ＤＣブラシレスモータを発電機としても利用できる構成とし、ＤＣブラシレスモータを構成する制御装置により、風車が風力により回転を始動しない微風域において、間欠的にＤＣブラシレスモータを起動し、風車の回転開始を加勢する力行運転を行うことにより、微風域での風車の回転頻度を高めるようにしたものである。また、無風状態にあっては力行運転の頻度を少なくして蓄電された電池の消耗を極力少なくしたものである。

また、本発明の風力発電装置は、前記第２の目的を達成するために、前記第１の目的を達成するための風力発電装置に、照度センサと発光手段を付加し、夜間においては、力行運転を自動的に停止し、風車の回転に応じて発光体を発光させて風車の回転を視認できるようにしたものである。

微風下においても風車が回転する頻度が大きくなり景観性が向上する。また夜間にも風車の回転が視認できる景観性に富む風力発電装置を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、制御装置と固定子と回転子および制御装置の指示で固定子巻線を周期的に励磁し回転磁界を発生して回転子を回転させるための駆動部とを備えたＤＣブラシレスモータと、回転子の回転軸に取り付けた風車と、固定子巻線を駆動部から切り離す切替器と、切替器が固定子巻線を駆動部から切り離したときに、風車の風力による回転により、固定子巻線に発生する電力を貯蔵する電力貯蔵手段とを備えた風力発電装置であり、記制御装置は、風車の回転を検知する回転センサを備え、風車が風力により回転していないことを検知したときに、ＤＣブラシレスモータを、電力貯蔵手段の電力により所定周期で間欠的に駆動する力行運転を行うことを特徴としている。

このことにより、量産化された安価なモータを用いて、従って安価に、微風でも風車が回転する景観性に優れた小型の家庭用の風力発電装置を提供できる。

本発明の請求項２記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、力行運転を開始後に回転センサが風車の回転を検知したきにＤＣブラシレスモータの駆動を直ちに停止することを特徴としている。

このことにより、力行運転のために電力貯蔵手段から得るエネルギーを最小限にすることができる。

本発明の請求項３記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、ＤＣブラシレスモータが保有する回転子の磁極の位置を検知するための磁極位置センサの信号により風車が風力により回転していないことを検知することを特徴としている。

このことにより、別途に風車の回転を検知するセンサを設ける必要がなく、従って安価に風力発電装置を提供できる。

本発明の請求項４記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、電力貯蔵手段の電力貯蔵量を検知する手段を備え、電力貯蔵手段の電力貯蔵量が所定値より低位の場合は切替器を発電側に切り替えるなどして力行運転を行わないようにしたことを特徴としている。

このことにより、電力貯蔵手段が電池の場合には、電池の過放電を防止できる。

本発明の請求項５記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、風車が風力により回転していないことを検知したときに、駆動部を所定の駆動力で駆動し、風車が回転したかどうかを判断し、風車の回転を検知しなかったときは、風車の回転を検知したときに比べて間欠的に行う力行運転の周期を長くするようにしたことを特徴としている。

このことにより、無風状態での無駄なエネルギー消費を抑え電力貯蔵手段から得るエネルギーを最小限にすることができる。

本発明の請求項６記載の発明は、請求項５に記載の風力発電装置において、所定の駆動力を使用者において調節できるよう制御装置に駆動力調節器を設けたことを特徴としている。

このことにより、使用者が力行運転のエネルギーを自由に設定できる。

本発明の請求項７記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、計時機能と記憶機能及び演算機能を備え、回転センサの検知する回転数の累積値を所定期間毎に記憶し、この記憶した回転数の累積値の時系列的な増減傾向を演算し、演算結果が減少傾向のときは、力行運転の所定周期を長くするようにしたことを特徴としている。

このことにより、風の凪を想定して力行運転の周期を長くできるので、電力貯蔵手段から得るエネルギーを最小限にすることができる。

本発明の請求項８記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、風車の近傍に配設した照度センサを備え、照度センサが夜間を検知したときは、力行運転を行わないようにしたことを特徴としている。

このことにより、力行運転のために電力貯蔵手段から得るエネルギーを最小限にすることができる。

本発明の請求項９記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、制御装置は、風車の近傍に配設した照度センサと発光手段とを備え、風車が風力により回転していると判断し、かつ、照度センサが夜間を検知したときは発光手段を発光させることを特徴としている。

このことにより、夜間に風車が回転していることを視認でき、景観性も向上する。

本発明の請求項１０記載の発明は、請求項９に記載の風力発電装置において、発光手段は、複数の発光色を有し、制御装置は、発電しない風車回転と発電中の風車回転とを発光色により区別して発光させることを特徴としている。

このことにより、使用者が、夜間に発電しているかどうかを視認できる。

本発明の請求項１１記載の発明は、請求項９に記載の風力発電装置において、制御装置は、風車の回転周期に比例した周期で発光手段を点滅させることを特徴としている。

このことにより、夜間に風車の回転速度および発電量の大小を視認できる。

本発明の請求項１２記載の発明は、請求項９に記載の風力発電装置において、発光手段を点灯するエネルギーを発電機の発電エネルギーから得るようにしたことを特徴としている。

このことにより、発光のためのエネルギーを電力貯蔵手段から得る必要がない。

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。

なお、説明をわかりやすくするために数値を上げて説明するが、本発明は、この数値に拘束されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の風力発電装置の目的を説明するための図である。

図は横軸に風速、縦軸に風車の回転速度を示したもので、実線で示す特性は、通常の回転特性を示すものである。

すなわち、風速２ｍ／ｓで風車が起動し、発電を開始する風速７ｍ／ｓまでは、略風速に比例した回転特性を示し、発電域の風速７ｍ／ｓ以上では、回転数が鈍化することを示している。

２ｍ／ｓ以下の風速では、風車が回転を開始しないので、風車の起動を加勢する力行運転を行うことで、図の点線の特性で示すように１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓ程度の微風域の風速においても風車を回転させることが本実施の形態の風力発電装置の目的である。

図２は本実施の形態の風力発電装置の構成を示す図である。

サボニウス型やプロペラ型の風車１は、発電機２の回転軸に取り付けられ、発電機２の出力は切替器３に接続されている。切替器３は、発電時はｂ側にあり、発電した交流電圧を整流器４で直流化し、充電手段５により、鉛蓄電池などの電力貯蔵手段６に充電し、出力端子７から電力を得る構成である。

また、風車１を微風域において駆動する構成として、前述の発電機２をＤＣブラシレスモータ８の一部とした構成であるが、このＤＣブラシレスモータ８は、ＣＰＵとインターフェースからなる制御装置９と発電機２の複数の固定子巻き線（通常３個、図示せず）を励磁するモータ駆動部１０と発電機２の回転子の磁極の位置を検知する回転センサ１１とから構成されている。

制御装置９は、電力貯蔵手段６から電源の供給を受け作動する。

風車１を駆動する場合、制御装置９は、切替器３をａ側にし、回転センサ１１からの回転子の磁極の位置情報に基づいて、複数の固定子巻き線を順次励磁して回転磁界を発生して発電機２をモータとして駆動する。

このモータ駆動部１０が固定子巻き線を励磁するエネルギーは電力貯蔵手段６から供給を受ける。

また、このモータ駆動部１０は、固定子巻き線に印可する電圧を除除に増加することで固定子巻き線の励磁力を除除に増加させる機能、すなわちモータの駆動力を漸増させる機能を有している。

また、この駆動力の上限値（印可電圧の上限値）は制御装置９により指示され、制御装置９は、これに接続した駆動力調整器（スイッチなど）１２の設定を読込んで前記の指示を実施する。

次に、モータの駆動力について、図３の風車駆動についての動作を説明するための図を用いて説明する。

図３は図１の点線囲いの部分を拡大表示し、縦軸にモータの駆動力を示したものである。

図は、風車が風力で回転を開始しない風速２ｍ／ｓ以下の風速下において、風車の回転を開始させるために必要なモータの駆動力を示したものである。

たとえば、モータにＰｎの駆動力を与えれば、風速１．５ｍ／ｓの風速下でも風車が回転を開始し、回転開始以後はモータの駆動力なしでも風車の慣性力で風速が０．５ｍ／ｓ以上であれば回転を持続することを示している。

モータの駆動力がＰｍの場合も同様に、風車は風速１ｍ／ｓで回転を開始し、以後、風速ｍが０．５ｍ／ｓ以上であれば回転を持続することを示している。

また、駆動力Ｐｘは、風車をモータで駆動しても風車が継続して回転しない限界の風速を示している。

駆動力は、風速が低くなるほど増大し、電池のエネルギーを多く消費することと、風速は時間的に揺動しているので、最大の駆動力Ｐｘで駆動しても、すぐに風速が低下して風車が停止して、せっかく駆動したことが無駄になる機会が多いことが予測されるので、本実施の形態では駆動力の上限をＰｍとしている。

次ぎに、以上のことをふまえて、図１〜３を参照しながら、図４と図５を用いて、制御装置９を中心とする一連の動作を説明する。

なお、以下に説明する動作は、制御装置９のＣＰＵがＲＯＭやＲＡＭやカウンターと共働するＣＰＵのＲＯＭに収納したプログラムの形態で実行される。

まず、図４について説明する。

Ｓ（ステップ）１において、回転センサ１１で風車が回転しているかどうかをチェックする。回転していれば、切替器３の接点をｂにして発電を待機する（Ｓ２）。

風速が７ｍ／ｓ以上であれば発電域になり発電機２が発電したエネルギーは電力貯蔵手段６に貯蔵される。

回転していなければ、次にＳ３において、電力貯蔵手段６の電気容量または電池電圧をチェックする。

ここで、電池電圧が低く、発電機２をモータとて駆動するのに不十分と判断すると、Ｓ２と同じ状態で風車の回転を待機するが、電池電圧が十分であれば、次のＳ４で、切替器３をａ側にして発電機２をモータとして駆動する（Ｓ５）。

このモータの駆動は、Ｐｏから数秒間でＰｍに漸増させるように行われる。

このモータ駆動の過程で、モータが回転したことを検知すると、Ｓ６で風が微風状態（１ｍ／ｓ以上）であると判断してモータの駆動を直ちに停止し（Ｓ７）、さらにＳ８で、１分間は風のゆらぎを見るため回転の経緯を監視して、次のＳ９で回転が継続していれば、Ｓ２に戻って発電を待機するが、回転が停止していればＳ１０で３分間待機して（この間はモータの駆動を行わずに）、再びＳ１に戻って次のモータ駆動を試みる。

再び、Ｓ６に戻って、Ｓ６で回転が継続していないときは無風状態（１ｍ／ｓ以下）と判断して、Ｓ１１で、モータは駆動力Ｐｍで１０秒間駆動を継続する。この間にＳ１２で風車が回転していないかを見る。これは、突然、微風（１ｍ／ｓ以上）が発生しないかを期待するためである。このＳ１２で回転を検知した場合は、判断を微風と修正して前述のＳ７に移行する。

反対に回転を検知しない場合は、 次にＳ１３でモータの駆動を停止し、次のＳ１４で１０分間待機して（この間はモータの駆動を行わずに）、再びＳ１に戻って次のモータ駆動を試みる。

以上説明したように、風車が自力で回転しない微風もしくは無風域において、発電機をモータとして所定間隔で間欠的に駆動させて、停止後に風車が風力で継続して回転しているかどうかで微風と無風とを判断し、微風と判断したときは、前記のモータ駆動の所定間隔を短くして風車の回転する頻度を大きくし、また、無風と判断したときは、前記のモータ駆動の間隔を長くして、無駄な電力消費を抑制するようにしたものである。

また、発電機に換気装置などで一般的に利用されるようになってきたＤＣブラシレスモータを利用することと、高価な風速センサを用いず微風の判断ができるので装置を安価に提供できる。

次に、図５について説明する。図５は、図４のＳ１４で説明した待機時間１０分を朝夕の風の凪ぎを予測してさらに長くして、無駄な電力消費をさらに抑制することを目的とした力行運転の予測制御を説明するための図である。

制御装置９は、Ｓ２１で回転センサ１１により風車の回転数を計測開始する。

１０分間の回転数を計測し（Ｓ２１）、Ｓ２３で回転数の累積値をＣＰＵ内の記憶装置（記憶機能、ＲＡＭ）に記憶する。

このＳ１からＳ３の動作は繰り返し行われ、その都度、前記記憶装置内に１０分ごとのデータが蓄積される。

次に、Ｓ２４で前記１０分ごとのデータの移動平均をＣＰＵの演算機能で求め、Ｓ２５で移動平均の傾向が減少傾向かどうかを判断し、減少傾向であれば、次のＳ２６で、直近の記憶データが所定値以下であるかを判断する。この所定値は、無風域〜微風域、たとえば風速１ｍ／ｓでの風車の回転数に相当する値に設定される。

このＳ２６でＹＥＳと判断した場合は、Ｓ２７で、前述の図４のＳ１４で説明した待機時間１０分を２０分に変更する。

以上のＳ２１からＳ２７を繰り返し、Ｓ２５で移動平均の傾向が減少傾向では無いと判断したときに待機時間は１０分に復帰する。

以上説明したように、本実施の形態の風力発電装置は、朝夕の風の凪を事前に予測し、力行運転のためのモータ駆動の所定間隔を長くして、無駄な電力消費を抑制するようにしたものである。

（実施の形態２）
本実施の形態は、前述の本発明の第２の目的を達成するためのものであり、図６〜図８を用いて説明する。実施の形態１と同一部分は同一符号を附し詳細な説明は省略する。

図６は、本実施の形態の風力発電装置の構成を示す図である。本実施の形態は、前述の実施の形態１の図２の構成に新たな要素を付加した構成としている。

従って図２と同じ符号を記したものは説明を書略する。なお、モータ駆動部１０と駆動力調整器１２は記載を省略している。

風車１の近傍に配設した照度センサ１３は制御装置９に接続し、同じく風車１の近傍に配設した発光手段１４は制御装置９と整流器４とに接続されている。

発光手段１４は、たとえば複数の可視光を発する発光ダイオードで、整流器４から発光のエネルギーを得、制御装置９の指示により発光が制御される。

また、制御装置９には発光の有無を選択する選択スイッチ１５が接続されている。

次にこの風力発電装置の制御装置９の動作を図７と図８を用いて説明する。

図７は発光手段１４の発光状態を示す図である。

図８で、まず、Ｓ３１において、照度センサ１３が所定の照度以下がどうかを判断し、所定の照度以下であればＳ３２で、力行運転の実施を禁止する。次にＳ３２で、発光の有無を選択する選択スイッチ１５の設定をチェックし、ＹＥＳであれば次のＳ３４で風車の回転の有無をチェックする。

次に、Ｓ３５で、風車が発電状態かどうかをチェックする。この発電の状態は、発電された電圧が十分に高く、充電手段５が電力貯蔵手段６に充電を行っているがどうかで判断される。

このＳ３５での判断がＮＯ（無負荷回転）であれば、発光体１４の緑色の発光灯を風車回転の周期あるいは比例した周期で点滅させる。

この発光体１４の点滅のエネルギーは整流器４から得る。

風車の無負荷回転の領域でも、発電機２は発電しており、電力貯蔵手段６に貯蔵するには不十分な状態ではあるが、発光ダイオードを点灯するには十分である。

発電機２の発電電圧は風車の回転数に比例しているので、風車の回転周期に比例した点滅が得られるだけでなく、風車の回転に略比例する照度で発光することができる。

再びＳ３５に戻って、この判断がＹＥＳ、すなわち風車が発電回転の状態では、Ｓ３７で赤色発光灯が点滅する。この点滅の周期および照度も、Ｓ３６の場合と同様である。

以上のように本実施の形態の風力発電装置は、夜間においては自動的に力行運転を停止して、貯蔵した電力の消費を節約する。

また、風車の回転状態を発光手段で発光して視認できるようにし、かつ、使用者が夜間でも風車が発電状態にあるかどうかを容易に視認できるものである。

また、風車の回転に同期あるいは比例した周期で点滅発光させるようにし、風車の回転の早さの程度や、発電力の程度を視認できるだけでなく、風のゆらぎに応じて点滅周期や照度が変わることで、景観性を高めたものである。

本発明の風力発電装置は、微風下でも風車が回転することと、夜間でも風車の回転に応じて発光の色や周期が変わるのでので、景観性に優れており、家庭用のほか、郊外のレストランなどの業務用の施設や、公園など各種公共施設などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１の風力発電装置の目的を説明するための図 同風力発電装置の構成を示す図 同風車駆動についての動作を説明するための図 同力行運転の一連の動作を説明するためのフローチャート 同力行運転の予測制御を説明するためのフローチャート 本発明の実施の形態２の風力発電装置の構成を示す図 同発光手段の発光状態を示す図 同制御装置の一連の動作を説明するためのフローチャート 従来の風力発電装置の構成を示す図

符号の説明

１ 風車
２ 発電機
３ 切替器
４ 整流器
５ 充電手段
６ 電力貯蔵手段
７ 出力端子
８ ＤＣブラシレスモータ
９ 制御装置
１０ モータ駆動部
１１ 回転センサ
１２ 駆動力調整器
１３ 照度センサ
１４ 発光手段
１５ 選択スイッチ

Claims (12)

1. 制御装置と固定子と回転子および前記制御装置の指示で前記固定子巻線を周期的に励磁し回転磁界を発生して前記回転子を回転させるための駆動部とを備えたＤＣブラシレスモータと、前記回転子の回転軸に取り付けた風車と、前記固定子巻線を前記駆動部から切り離す切替器と、前記切替器が前記固定子巻線を前記駆動部から切り離したときに、風車の風力による回転により、前記固定子巻線に発生する電力を貯蔵する電力貯蔵手段とを備えた風力発電装置であって、前記制御装置は前記風車の回転を検知する回転センサを備え、前記風車が風力により回転していないことを検知したときに、前記ＤＣブラシレスモータを、前記電力貯蔵手段の電力により所定周期で間欠的に駆動する力行運転を行うことを特徴とする風力発電装置。
2. 制御装置は、力行運転を開始後に回転センサが風車の回転を検知したきにＤＣブラシレスモータの駆動を直ちに停止する請求項１に記載の風力発電装置。
3. 制御装置は、ＤＣブラシレスモータが保有する回転子の磁極の位置を検知するための磁極位置センサの信号により風車が風力により回転していないことを検知する請求項１に記載の風力発電装置。
4. 制御装置は、電力貯蔵手段の電力貯蔵量を検知する手段を備え、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵量が所定値より低位の場合は切替器を発電側に切り替えるなどして力行運転を行わないようにした請求項１に記載の風力発電装置。
5. 制御装置は、風車が風力により回転していないことを検知したときに、駆動部を所定の駆動力で駆動し、前記駆動力で風車が回転したかどうかを判断し、前記風車の回転を検知しなかったときは、前記風車の回転を検知したときに比べて間欠的に行う力行運転の周期を長くするようにした請求項１に記載の風力発電装置。
6. 所定の駆動力を使用者において調節できるよう制御装置に駆動力調節器を設けた請求項５記載の風力発電装置。
7. 制御装置は、計時機能と記憶機能及び演算機能を備え、回転センサの検知する回転数の累積値を所定期間毎に記憶し、この記憶した回転数の累積値の時系列的な増減傾向を演算し、演算結果が減少傾向のときは、力行運転の所定周期を長くするようにした請求項１に記載の風力発電装置。
8. 制御装置は、風車の近傍に配設した照度センサを備え、前記照度センサが夜間を検知したときは、力行運転を行わないようにした請求項１に記載の風力発電装置。
9. 制御装置は、風車の近傍に配設した照度センサと発光手段とを備え、風車が風力により回転していると判断し、かつ、前記照度センサが夜間を検知したときは前記発光手段を発光させる請求項１に記載の風力発電装置。
10. 発光手段は、複数の発光色を有し、制御装置は、発電しない風車回転と発電中の風車回転とを前記発光色により区別して発光させる請求項９記載の風力発電装置。
11. 制御装置は、風車の回転周期に比例した周期で発光手段を点滅させる請求項９記載の風力発電装置。
12. 発光手段を点灯するエネルギーを発電機の発電エネルギーから得るようにした請求項９記載の風力発電装置。

Images