JP2008278716A

JP2008278716A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2008278716A
Application number: JP2007122451A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Takada; 高田　　智
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】風が弱いときでも発電体の回転子を回転でき、風の強いときには効率良く大きな電力を得る風力発電装置を提供すること。
【解決手段】装置本体１１に支持された羽根車１２の回転により、永久磁石回転体１３が回転する。永久磁石回転体１３の外周のステータ１４の巻線１５は、電磁石回転体１６に巻回された巻線１７に電気的に接続されている。電磁石回転体１６は、ステータ１４の巻線１５を介して巻線１７に流れる電流により励磁されるとともに、羽根車１２の回転により回転する。電磁石回転体１６の外周に設けたステータ１８の巻線１９を介して、発電電力が出力され、蓄電池２０に蓄えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風により発電機を駆動して発電する風力発電装置に関するものである。

従来から、例えば自動車用オルタネータを活用した風力発電装置が使用されている。オルタネータは、電圧調整器により出力電圧を制御できる交流発電機と、交流発電機から出力される交流を直流に変換する整流器によって構成される。オルタネータの交流発電機は、電磁石の回転子と、ステータとにより三相交流を取り出す回転界磁形の電磁石同期発電機である。交流発電機より出力された三相交流電力は、整流器により直流に変換され、蓄電池に充電されるようになっている。オルタネータを用いる風力発電装置は、発電電力を調整することができるとともに、既製のオルタネータを利用して発電を行うので、発電設備コストを低減することができる利点を有している。

図４は、オルタネータを利用した従来の発電装置を説明する図である。図では、発電装置を構成する各部材は、簡略化して示されている。

従来の風力発電装置３０は、ベースとなる装置本体３１と、装置本体３１に支持されて風を受けて回転する羽根車３２と、回転子３３とステータ３４とからなる発電機とを備える。回転子３３に巻回された巻線３５は、蓄電池３８に接続され、回転子３３は、蓄電池３８の電流により励磁され、電磁石として働く。

羽根車３２の回転により電磁石としての回転子３３は回転し、ステータ３４に巻回された巻線３６に電流を誘導して、発電する。そして、発電電力は蓄電池３８に蓄えられる。

オルタネータを利用した風力発電装置３０の利点は、蓄電池３８から回転子３３へ供給される電流を制御することにより、回転子３３の磁力を調整し、これにより発電電力を制御できることである。

しかしながら、この風力発電装置３０では、風が強くて高速で羽根車３２が回転すると、大きな電力を得ることができるが、風が弱くなると、風車トルクが発電機トルクより小さくなり、回転子３３を回転させることができず、発電できないという問題があった。さらに、風が強くなりすぎると、風車トルクが発電機トルクより過大になり、風車トルクと発電機トルクの差を抑えることができず、強い風力を効率よく電力に変換することができないという問題点もあった。

なお、風の強さにかかわらず、風力を効率よく電力に変換するために、永久磁石発電機と巻線励磁発電機とを同一風車に連結し、風の強さに応じて巻線励磁発電機の励磁を切りかえるものが提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、風が弱いときには風車トルクは発電機トルクより小さくなり、風が強くなると風車トルクが過大になる点では、従来と同様の問題点をもっている。また、風力以外の動力（電力）を用いて、風が弱いときには風車を回転させ、風が強いときには制動させるものも提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、水平軸風車のブレード外周に多数の電磁石をもつ枠体を配置するという複雑な構造を必要としている。

特開２００５−３０４２８０号公報特開２００５−９４９３６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みて、風が弱い低速回転時でも発電体の回転子を回転でき、風の強い高速回転時には効率良く大きな電力を得ることができる風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発風力発電装置は、風を受けて回転する羽根車（１２）と、該羽根車（１２）の回転により回転する、永久磁石を有する永久磁石回転体（１３）と、該永久磁石回転体（１３）の外周に設けた、第１の巻線（１５）を有する第１のステータ（１４）と、前記羽根車（１２）の回転により回転するとともに、前記第１の巻線（１５）に電気的に接続された第２の巻線（１７）を有する電磁石回転体（１６）と、該電磁石回転体（１６）の外周に設けた、発電電力を出力する第３の巻線（１９）を有する第２のステータ（１８）と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の風力発電装置は、第１のステータ（１４）の第１の巻線（１５）と電磁石回転体（１６）の第２の巻線（１７）とを電気接続し、第２のステータ（１８）の第３の巻線（１９）から電力を得るようにしたことにより、風が弱い低速回転時でも発電体の回転子を回転でき、風の強い高速回転時には効率良く大きな電力を得ることができる。

請求項２に記載の風力発電装置は、羽根車（１２）を回転可能に支持する装置本体（１１）を備え、前記第１のステータ（１４）と前記第２のステータ（１８）は、該装置本体（１１）に固定されていることを特徴とする。これにより、装置全体をコンパクトに構成することができる。

請求項３に記載の風力発電装置は、前記羽根車（１２）は、直線翼垂直軸型であることを特徴とする。これにより、風切り音がなく静かで、風向きに影響をうけることがない風力発電装置を実現することができる。
なお、上記各部材に付したカッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態である風力発電装置の概略を示す図である。図１の風力発電装置の各構成部材は、説明のために簡略化して記載されているが、当業者であれば、図１の概略図から本発明を実施することは容易である。

本実施形態の風力発電装置１０は、風力発電装置のベースとなる装置本体１１と、装置本体１１に回転可能に支持され、風を受けて回転する羽根車１２を備えている。羽根車１２は、垂直軸で垂直翼をもつ。ただし、羽根車１２はこれに限定されず、本発明は水平軸の風車などすべての風車に適用できる。

羽根車１２の回転を出力する出力軸２１には、永久磁石回転体１３が連結されるともに、電磁石回転体１６が連結されている。羽根車１２が回転することにより、永久磁石回転体１３と電磁石回転体１６とはともに回転する。

永久磁石回転体１３の外周には、第１のステータ１４が装置本体１１に固定されて配置され、第１のステータ１４には、巻線１５が巻回されている。永久磁石回転体１３と第１のステータ１４とで永久磁石を回転子とする発電機を構成している。第１のステータ１４の巻線１５は、電磁石回転体１６に巻回された巻線１７に線気的に接続され、発電された電流は、スリップリングあるいは整流器などを介して、巻線１７に直流の励磁電流を与える。

電磁石回転体１６の外周には、第２のステータ１８が、装置本体１１に固定されて配置される。第２のステータ１８には、巻線１９が巻回され、巻線１９は、蓄電池２０に接続されている。電磁石回転体１６と第２のステータ１８とで第２の発電機を表す。第２のステータ１８の巻線１９は、本実施形態の風力発電装置１０の発電電力を出力し、必要に応じて整流され、蓄電池２０に蓄えられる。電磁石回転体１６と第２のステータ１８とで表された発電機は、例えば自動車用のオルタネータで構成されることができる。

以下に詳しく説明するが、本実施形態では、風が弱い時は、永久磁石回転体１３の一定の磁界と第１のステータ１４の巻線１５の微小電流により、永久磁石回転体１３の回転抵抗が小さくなり、永久磁石回転体１３は回転する。また、電磁石回転体１６の巻線１７にも、第１のステータ１４の巻線１５の微小電流が流れ、さらに第２のステータ１８の巻線１９にも微小電流が流れる。したがって、電磁石回転体１６の回転抵抗が小さくなり、電磁石回転体１６が回転する。このように、風が弱いときでも、電磁石回転体１６が回転するので、発電量は小さくなるものの、風力発電装置１０は、発電を行うことができる。

また、風が強くなると、第１のステータ１４の巻線１５を介して電磁石回転体１６に流れる電流が大きくなり、第２のステータ１８の巻線１９の出力が大きくなり、風力発電装置１０の発電電力は大きくなる。さらに、以下に説明するように、風が強くなりすぎると、発電機トルクが風車トルクより大きくなり、風車の回転速度を抑える力が加わるので、風速に関わらず一定の回転速度での発電を行うことができる。

図２は、図１の発電装置の動作を説明するための等価回路である。図２で、Ｇは、永久磁石回転体１３と第１のステータ１４から構成される発電機に対応する。Ｎｇは、発電機Ｇの永久磁石回転体１３の回転速度を表わす。発電機Ｇの起電力をＥｇ、流れる電流をＩｇとする。電流Ｉｇは、コイルＬを流れるが、コイルＬは、巻線１５と巻線１７に対応する。

Ａは、電磁石回転体１６と第２のステータ１８とからなる発電機に対応する。Ｎａは、発電機Ａの電磁石回転体１６の回転速度を表わす。発電機Ａの起電力をＥａ、流れる電流をＩａとする。電流Ｉａは、抵抗Ｒを流れるが、抵抗Ｒは、ステータ１８の巻線１９に接続する蓄電池２０に対応する。

以上説明した図２の等価回路を参考にして、図１の風力発電装置１０の動作を説明する。

まず、永久磁石回体１３をもつ発電機については、風が吹くと、羽根車１２が回転し、出力軸２１を介して永久磁石回転体１３を回転させる。永久磁石回転体１３が回転すると永久磁石がつくる磁束が変化し、第１のステータ１４には、変化する磁束に比例した起電力Ｅｇが発生する。

発生する起電力Ｅｇは、磁束φｇの変化量ｄφｇ／ｄｔと巻線の巻数ｎに比例し、磁束の変化量ｄφｇ／ｄｔは永久磁石回転体１３の回転速度Ｎｇに比例するので、
Ｅｇ＝−ｎ（ｄφｇ／ｄｔ）＝αＮｇ（式１）
となる。

起電力Ｅｇにより第１のステータ１４の巻線１５に発生する電流Ｉｇは、電磁石回転体１６の巻線１７を流れるが、この電流Ｉｇは、起電力Ｅｇに比例し、したがって、永久磁石回転体１３の回転速度Ｎｇに比例するので、
Ｉｇ（∝Ｅｇ）＝βＮｇ（式２）
となる。ここで、βは、比例定数である。

電流Ｉｇは、電磁石回転体１６の巻線１７をながれ、これにより発生する磁界の磁束密度Ｂａは電流Ｉｇに比例する。式２より、電流Ｉｇは、永久磁石回転体１３の回転速度Ｎｇに比例するので、磁束密度Ｂａは、回転速度Ｎｇに比例することになる。一方、電磁石回転体１６は、羽根車１２の出力軸と連結しているので、磁束密度Ｂａは羽根車１２の回転速度Ｎｗに比例することになり、
Ｂａ＝γＩｇ＝βγＮｇ＝ｋ_１１Ｎｗ（式３）
となる。

ここで、永久磁石回転体１３に発生する発電トルクＴｇは、永久磁石の持つ磁束密度Ｂｇと第１のステータ１４に流れる電流Ｉｇと、第１のステータ１４に巻かれた巻線１５のターン数ｌｇに比例する。一方、永久磁石回転体１３は、羽根車１２の出力軸２１と連結しているので、永久磁石回転体１３の発電トルクＴｇは、羽根車１２の回転速度Ｎｗにも比例することになり、
Ｔｇ＝Ｂｇ・ｌｇ・Ｉｇ＝ｋ_１２Ｎｗ（式４）
となる。

一方、電磁石回転体１６も、羽根車１２の出力軸２１と連結しているので、風が吹くと羽根車１２を動力源として回転する。電磁石回転体１６が回転すると、第２のステータ１８には起電力Ｅａが発生する。起電力Ｅａは、電磁石の磁束φａの変化量と巻線のターン数ｎとで表されるが、磁束φａは、
φａ∝Ｂａ＝ｋ_１１Ｎｗ（式５）
となり、磁束密度Ｂａに比例し、羽根車１２の回転速度Ｎｗに比例している。

さらに磁束φａは、電磁石回転体１６の回転により、電磁石回転体１６の回転速度に比例して変化し、さらには電磁石回転体１６と所定のギヤ比で連結された羽根車１２の回転速度Ｎｗに比例して変化するので、次ぎに示す比例関係が成立する。

（ｄ／ｄｔ）∝Ｎａ∝Ｎｗ（式６）
したがって、電磁石回転体１６の回転による起電力Ｅａは、
Ｅａ＝−ｎ（ｄφａ／ｄｔ）＝ｋ_１３（Ｎｗ）^２（式７）
となり、起電力Ｅａは羽根車１２の回転速度Ｎｗの２乗に比例した値となる。したがって、第２のステータ１８が出力する電流Ｉａは羽根車１２の回転速度Ｎｗの２乗に比例し、
Ｉａ＝Ｅａ／Ｒ＝（Ｋ_１３／Ｒ）（Ｎｗ）^２（式８）
となる。

電磁石回転体１６に発生する発電トルクＴａは、磁束密度Ｂａと第２のステータ１８に流れる電流Ｉａと第２のステータ１８に巻かれた巻線のターン数ｌａに比例し、
Ｔａ＝Ｂａ・ｌａ・Ｉａ（式９）
となる。

ここで、磁束密度Ｂａに式３を代入し、電流Ｉａに式８を代入すると、
Ｔａ＝ｋ_１１Ｎｗ・ｌａ・（Ｋ_１３／Ｒ）（Ｎｗ）^２（式１０）
＝ｋ_１４（Ｎｗ）^３（式１１）
となる。すなわち、発電機トルクＴａは、羽根車１２の回転速度Ｎｗの３乗に比例する。

図３は、本実施形態の風車トルクと発電機トルクとの関係を示す図である。図３は、回転速度Ｎｗを横軸に、縦軸をトルクにとったグラフである。上述ように、発電機トルクＴａは、羽根車１２の回転速度Ｎｗの３乗に比例する。また、羽根車１２が風を受けて発生する風車トルクＴｗは、回転数Ｎｗの二乗に比例していることが知られている。

風車トルクＴｗは、
Ｔｗ＝ｋ_１５（Ｎｗ）^２（式１２）
と表せる。また、永久磁石回転体１３に発生するトルクＴｇが電磁石回転体１６に発生するトルクＴａに比べて十分小さいと仮定すると、
Ｔｗ＝Ｔｇ＋Ｔａ≒Ｔａ（式１３）
が成立する。式１３において、Ｔｗに、式１２を代入し、Ｔａに式１１を代入して整理すると、
ｋ_１４（Ｎｗ）^３−ｋ_１５（Ｎｗ）^２＝０（式１４）
（Ｎｗ）^２（ｋ_１４Ｎｗ−ｋ_１５）＝０（式１５）
となる。したがって、式１５を解くと、永久磁石回転体１３に発生する発電トルクＴｇが無視できる範囲において、
Ｎｗ＝０、Ｎｗ＝ｋ_１５／ｋ_１４（式１６）
となる。

図３に示すように、羽根車１２の回転速度Ｎｗすなわち風車回転速度ＮｗがＫ_１５／Ｋ_１４より小さい領域では、風車トルクＴｗは発電機トルクＴａより常に大きくなっている。この結果、風が弱い時にも発電機トルクにより羽根車の回転が停止することなく、効率の良い発電が実現できる。なお、トルクＴｇがトルクＴａに対して無視できない場合、発電機トルクの３次曲線が一般の３次曲線となり、風車回転速度がごく小さい範囲で風車トルクＴｗが発電機トルクＴａより大きくなるが、この範囲は、風車回転速度がごく小さい範囲に抑えることができるので、実際上問題とならない。

また、風車回転速度がＫ_１５／Ｋ_１４より大きい領域では、発電トルクは風車トルクより常に大きくなっている。すなわち、風車回転速度がＫ_１５／Ｋ_１４より大きくなると速度を抑える力が加わるため、発電機が飽和状態になるまでは風車回転速度をＫ_１５／Ｋ_１４に制限することができるので、最適なＫ_１５／Ｋ_１４を設定することにより風速に関わらず一定の回転速度での発電が実現し、効率良く発電することができる。

次に、本実施形態との比較のために、従来の風力発電装置の等価回路と、等価回路の解析の結果を示すグラフを説明する。

図５は、図４の従来の風力発電装置の等価回路であり、図６は、従来の風力発電機の風車トルクＴｗと発電機トルクＴａとの関係を示す図である。

図５のＡは、電磁石回転体３３とステータ３４とからなる発電機に対応する。発電機Ａの電磁石回転体３３は、羽根車３２の回転により回転速度Ｎａで回転する。電磁石回転体３３の巻線３５には蓄電池３８からの電流が流れている。このようにして、発電機Ａにより、起電力Ｅａが生じ、電流Ｉａが流れる。電流Ｉａは、蓄電池３８による抵抗Ｒを流れる。

発電機Ａの起電力Ｅａは、磁束φと巻線のターン数ｎで定まるとともに、電磁石回転体３３の回転速度Ｎａで定まるので、
Ｅａ＝−ｎ（ｄφ／ｄｔ）＝αＮａ（式２１）
となる。また、流れる電流Ｉａは、起電力Ｅａを抵抗Ｒで割って求まるので、
Ｉａ＝Ｅａ／Ｒ＝（α／Ｒ）Ｎａ（式２２）
となる。

さらに、永久磁石回転体３３のトルクＴａは、磁束密度Ｂと、ステータ３４の巻線３６の長さｌと、電流Ｉａとに比例するので、
Ｔａ＝Ｂ・ｌ・Ｉａ＝（αＢｌ／Ｒ）Ｎａ（式２３）
となる。ここで、羽根車３２の回転速度をＮｗとすると、羽根車３２と電磁石回転体３３とは回転軸３７を介してギヤ等により連結されているので、羽根車３２の回転速度Ｎｗと電磁石回転体３３の速度Ｎａとは比例する。したがって、トルクＴａは、
Ｔａ＝ｋ_２１Ｎｗ（式２４）
と表される。

永久磁石回転体３３のトルクＴａは、すなわち風力発電装置３０の発電機トルクであるので、風力発電装置３０の発電機トルクは、羽根車３２の回転速度Ｎｗすなわち風車回転速度に比例するということができる。

一方、風車トルクである羽根車３２のトルクＴｗは、回転速度Ｎｗの２乗に比例するので、
Ｔｗ＝ｋ_２２（Ｎｗ）^２（式２５）
と表せる。

図６に、従来の風力発電機の風車トルクＴｗと発電機トルクＴａとの関係を示す。図６は、風車回転速度Ｎｗを横軸に、風車トルクＴｗと発電機トルクＴａをグラフに示したものである。

風車トルクＴｗと発電機トルクＴａとの交点を求めるために、
Ｔｗ＝Ｔａ（式２６）
として、式２４、２５を両辺に代入して整理すると、
ｋ_２２（Ｎｗ）^２−ｋ_２１Ｎｗ（式２７）
Ｎｗ（ｋ_２２Ｎｗ−ｋ_２１）＝０（式２８）
となる。

したがって、風車トルクＴｗと発電機トルクＴａとの交点は、
Ｎｗ＝０、Ｎｗ＝ｋ_２１／ｋ_２２（式２９）
なる。

図６を参照すると、風車回転速度ＮｗがＫ_２１／Ｋ_２２より小さい領域では、風車トルクＴｗは発電機トルクＴａより常に小さくなっている。すなわち、風が弱く、風車回転速度Ｎｗが所定の値より小さい時には、風車トルクＴｗより発電機トルクＴａが大きくなる。したがって、羽根車３２の回転が停止してしまう。

また、風車回転速度がＫ_２１／Ｋ_２２より大きい領域では、発電機トルクＴａは風車トルクＴｗより常に小さくなっている。すなわち、風車回転速度Ｎｗが所定の値より大きくなると、発電機トルクＴａは風車トルクＴｗより小さくなる。したがって、風車回転を十分抑制することができず、風が強くなるに従って羽根車３２の回転速度が上昇してしまう。したがって、発電機３０が飽和状態になる前にブレーキ等により羽根車３２の回転を止めなければならない。また、風が強くなるほど風車トルクＴｗと発電機トルクＴａの差が拡大し、風の力を効率よく電力に変換することができなくなる。

これに対して、本実施形態では、図３のグラフを参照して説明したように、風車回転速度Ｎｗが所定値（Ｋ_１５／Ｋ_１４）より小さい領域では、風車トルクＴｗは発電機トルクＴａより大きい。この結果、風が弱い時にも発電機トルクにより羽根車の回転が停止することなく、効率の良い発電が実現できる。

また、風車回転速度Ｎｗが所定値より大きい領域では、発電トルクＴａは風車トルクＴｗより大きい。したがって、風車回転速度Ｎｗが所定値より大きくなると速度を抑える力が加わり、風車回転速度Ｎｗを所定値に制限することができる。この結果、風力発電に最適な所定値を設定することにより風速に関わらず一定の回転速度での発電が実現し、効率の良い発電が可能となる。

なお、本実施形態では、オルタネータを用いる風力発電装置を説明したが、本発明は、オルタネータを利用するものに限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の構成により動作する発電機であれば、どのような発電機をもつ風力発電装置にも適用できる。

本発明の一実施形態である風力発電装置の概要を示す図である。本発明の一実施形態である風力発電装置の等価回路を示す図である。本発明の一実施形態である風力発電装置の特性を示す図である。従来の風力発電装置の概要を示す図である。従来の風力発電装置の等価回路を示す図である。従来の風力発電装置の特性を示す図である。

符号の説明

１０風力発電装置
１１装置本体
１２風車
１３永久磁石回転体
１４第１のステータ
１５巻線
１６電磁石回転体
１７巻線
１８第２のステータ
１９巻線
２０蓄電池

Claims

風を受けて回転する羽根車（１２）と、
該羽根車（１２）の回転により回転する、永久磁石を有する永久磁石回転体（１３）と、
該永久磁石回転体（１３）の外周に設けた、第１の巻線（１５）を有する第１のステータ（１４）と、
前記羽根車（１２）の回転により回転するとともに、前記第１の巻線（１５）に電気的に接続された第２の巻線（１７）を有する電磁石回転体（１６）と、
該電磁石回転体（１６）の外周に設けた、発電電力を出力する第３の巻線（１９）を有する第２のステータ（１８）と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
羽根車（１２）を回転可能に支持する装置本体（１１）を備え、
前記第１のステータ（１４）と前記第２のステータ（１８）は、該装置本体（１１）に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記羽根車（１２）は、直線翼垂直軸型であることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。