JP2010031673A

JP2010031673A - 風力発電システム

Info

Publication number: JP2010031673A
Application number: JP2008192027A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ito; 正孝伊藤; Yuichi Komazawa; 雄一駒澤
Original assignee: APM Corp
Current assignee: APM Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】従来よりも発電領域をより低風速側に広げることが可能な風力発電システムを提供する。
【解決手段】地面Ｓ上に支持され風を受けて回転する風車１と、図示しない発電機と、風速を検出する風速計２と、風車１が停止状態でありかつ風速が所定の閾値以上となったときに風車１を回転させるための電力を発電機に伝達可能な作動コントローラ３と、を備える。作動コントローラ３は、風車１の回転状態に関する信号と風速計２からの風速信号とが入力され、風車１の停止状態と上記の閾値以上の風速とを検出して風車１を回転させる制御部３１と、風車１を回転させる電力が外部から入力され制御部３１からの制御に応じて風車１の回転機にこの電力を伝達可能なスイッチ３２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電領域を低風速側に広げることが可能な風力発電システムに関する。

近年の地球温暖化の影響の大きさに鑑み、化石燃料等を使用せず自然から得られるエネルギーを用いて発電することが求められてきている。これに応えるべく建設された風力発電機が、随所で見られるようになってきた。風力は、自然から得られるエネルギーの代表的なもの１つであり、古くから風車等を介して利用されてきた。

従来、１台の風車を用いてより多くの風力エネルギーを取り出す努力がなされ、これが風車の大型化に繋がってきた（例えば、非特許文献１参照。）。発電装置は、この風車によって回転され、伝達されたエネルギーを電力エネルギーに変換する。ここで、風車を介して得られるエネルギーは、風から得られる回転モーメントの大きさに関連する。

従って、風車が大きくなればそれに応じるように取得可能なエネルギーも増加する。しかしながら、風車の慣性モーメントは大きさと共に急激に増大していく。また、支持体の強度の観点から風車の大きさについては所定の上限がある。
インターネット〈http://www.nedo.go.jp/kankobutsu/report/948/948-04.pdf〉

しかしながら、従来の風力発電システムでは、大きな風車を使用しているため、風速が比較的高い閾値以上にならないと発電できないという問題を有していた。その結果、発電可能な風速領域でも風車は止まったままであったし、低風速側での風力エネルギーが有効に利用されていなかった。

以上の現状に鑑み、本発明の目的は、従来よりも発電領域をより低風速側に広げることが可能な風力発電システムを提供する。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、風車と、前記風車が回転したときの動力で回転する発電機と、前記風車近傍の所定の場所での風速を検出する風速計と、前記発電機からの発電電圧が第１の閾値以下で前記風速計が検出した風速が第２の閾値に達したときに、前記風車を所定時間に亘って回転させるための電力を前記発電機に伝達可能な作動コントローラと、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の風力発電システムにおいて、前記風車の回転軸に固定された第１の歯車と、前記第１の歯車と歯合可能で前記第１の歯車より直径が小さい第２の歯車と、前記第２の歯車が回転軸に固定される始動モータと、を備え、前記始動モータが前記発電機の代わりに前記作動コントローラを介して前記電力の供給を受けて前記風車を回転可能となっていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の風力発電システムにおいて、前記風速計が、前記風車よりも小型のプロペラを介してより小さな風速で回転可能であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の風力発電システムにおいて、太陽電池を電源として利用可能に備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、風車と、風車が回転したときの動力で回転する発電機と、風車近傍の所定の場所での風速を検出する風速計と、発電機からの発電電圧が第１の閾値以下で風速計が検出した風速が第２の閾値に達したときに、風車を所定時間に亘って回転させるための電力を発電機に伝達可能な作動コントローラと、を備えるため、従来よりも発電領域をより低風速側に広げることが可能な風力発電システムを実現することができる。

請求項２に係る発明によれば、上記請求項１の効果に加えて、風車の回転軸に固定された第１の歯車と、第１の歯車と歯合可能で第１の歯車より直径が小さい第２の歯車と、第２の歯車が回転軸に固定される始動モータと、を備え、始動モータが発電機の代わりに作動コントローラを介して電力の供給を受けて風車を回転可能となっているため、システムへの負担をより少なく風車を回転させることができる。

請求項３に係る発明によれば、上記請求項１又は請求項２の効果に加えて、風速計が、風車よりも小型のプロペラを介してより小さな風速で回転可能であるため、風車が回転しない低風速側の風速をより効果的に検出することができる。

請求項４に係る発明によれば、上記請求項１乃至請求項３のいずれか一項の効果に加えて、太陽電池を電源として利用可能に備えるため、システムの動作に太陽光を利用することができる。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明による風力発電システムの一実施例を模式的に示すブロック構成図である。風力発電システム１００は、図１に示すように、風を受けて回転する風車１と、図示しない発電機と、風速を検出する風速計２と、風車１が停止状態でありかつ風速が所定の閾値以上となったときに風車１を回転させるための電力（以下、駆動電力という。）を発電機に伝達可能な作動コントローラ３と、を備える。

ここで、風車１は支柱等の所定の支持を介して地面Ｓに固定され、風車１の回転は直接又は所定の連結機構を介して発電機に伝えられる。ここで、風車１が直接発電機に連結されている場合、連結機構を介して間接的に連結されている場合に比べて、一般に、発電機は風車１をより効率的に回転させることができる。

風速計２は、例えば、風車１と同一の方向を向くように固定され、風車１よりも弱い風で回転する小型のプロペラ式の計測器である。風速計２は、具体的には、気象観測に使用されるもの、それよりも小型のもの等の風速に対する感度の高いものが使用される。風速は風速計２に設けられた発電機等を介して電気信号（以下、風速信号という。）に変換され、必要に応じて増幅器等を介して増幅されるのでもよい。ただし、風速計２は、同様に風速を検出可能なその他の装置であってもよい。

作動コントローラ３は、風車１の回転状態に関する信号と風速計２からの風速信号とが入力され、風車１の停止状態と上記の閾値以上の風速とを検出して風車１を回転させる制御部３１を有する。ここで、風車１の回転状態は、これに連結された発電機の発電電圧によって検知されるものとする。風車１の停止状態は、発電電圧が所定の閾値以下の状態と定義されるのでもよい。また、この閾値は、制御部３１の発電電圧の検出限界値として定義されるのでもよい。

図２は、作動コントローラの制御部をアナログ回路で構成した例を示す模式図である。この場合、制御部３１は、直列に接続された２つのスイッチ３３、３４及び抵抗素子３５と、抵抗素子３５の後段に接続された、微分回路３６及び保持回路３７とを有する。ここで、スイッチ３３は風車１が上記のように定義された停止状態のときにオンとなり、スイッチ３４は風速信号が閾値以上のときにオンとなるように設定されている。これらのスイッチ３３、３４はアナログ回路からなり、必要に応じて直流的な電位の調整が行われているものとする。

抵抗素子３５を介して、両方のスイッチ３３、３４がオンとなったことが検出可能となっている。微分回路３６は、両方のスイッチ３３、３４がオンとなったときに立ち上がる抵抗素子３５の電圧を微分して立ち上がりを検出できるようになっている。

保持回路３７は、微分回路３６からのパルス状の立ち上がり信号の入力があったときにオンに切り替わり、所定時間オンの状態を保持するようになっている。この保持の時間は、例えば保持回路３７を構成するＣＲ回路の時定数を調節することによって、変更可能である。スイッチ３３、３４、微分回路３６及び保持回路３７の具体的な構成については、当業者には既知であるため、その詳細な説明を省略する。

図１に戻って、作動コントローラ３は、さらに、風車１を回転させる駆動電力が外部から入力され制御部３１からの制御に応じて風車１の回転機にこの駆動電力を伝達可能なスイッチ３２を有する。図２に示す構成の場合、保持回路３７の出力が、電気的、光学的、又は電磁的にスイッチ３２に入力されてスイッチ３２を切り替え可能となっている。

ここで、図１の回転機（図２に、Ｍ（１１）として示す。）は、この駆動電力の供給を受けて風車１を回転させるものであり、回転機として上記の発電機が使用可能である。しかしながら、本発明においては、回転機は、より少ないシステム上の負担で風車１を回転可能な１つ以上の新たな始動モータとして構成される。具体的には、より少ない電流等の供給で指導可能な構成の始動モータとして構成される。

図３は、風車を始動させる始動モータが付加された構成を示す模式的な図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は上面図である。図３（ａ）において、風車１は、シャフト１２が回転軸となるように図面の手前側に取り付けられている。始動モータ１１は、自己の歯車１３とシャフト１２に固定された歯車１４とを介して、シャフト１２に固定された風車１を回転可能となっている。

ここで、始動モータ１１は、ステージ１５に設けられた台形状断面の溝１７と係合し移動可能となっている。図４は、始動モータの移動制御を可能にする風力発電システムの構成を示す図である。風力発電システム２００には、図４において、移動制御部３８が、始動モータの移動を制御するために新たに設けられている。移動制御部３８には始動モータ移動用の電力が入力され、移動制御部３８は、風車が上記の停止状態のときに（以下、発電電圧が０Ｖのときともいう。）、歯車１３と歯車１４とが歯合するように始動モータを移動させる。

移動制御部３８は、歯車１３と歯車１４とが歯合し、風車１の始動から保持時間経過後に、これら１３、１４を離すように移動させる。ここで、移動は、他のモータを介して行われるのでも、電磁的に行われるのでも、その他の好ましい方法を介して行われるのでもよい。

また、歯車１３は、歯車１４よりも直径が小さく、発電機を介して風車１を始動させる場合と比較して始動モータ１１の回転トルク、駆動電力等が低減可能に調節されている。具体的には、歯車１３と歯車１４との直径比は、風車１等の寸法等に応じて、例えば２、５、１０、２０倍等とすることができるが、その他の直径比であってもよい。

図３においては、シャフト１２の径方向外側の挟む側に２つの始動モータ１１、１１’等が鏡面対称となるように配置されている。ただし、始動モータの個数は１つでも、３つ以上でもよい。また、始動モータ１１の移動についても、ステージ１５を用いる方法に限定されず、他の機械的な方法、電磁的な方法、その他の好ましい方法によって行われるのでもよい。

以下、図２を用いて風力発電システムの動作について説明する。まず、風車１が上記の停止状態にあるとき、即ち発電電圧が０Ｖのとき、スイッチ３３がオンとなる。この状態では、歯車１３と歯車１４とは既に歯合していて、風速信号が上記の閾値以上を示す状態に上昇したとき、スイッチ３４がオンとなる。両方のスイッチ３３、３４がオンとなったとき、抵抗素子３５の両端の電圧が立ち上がり、この立ち上がりが微分回路３６を介して検出される。

検出された立ち上がりは、オン信号として保持回路３７を介してスイッチ３２に出力され、オン信号は所定時間保持される。保持回路３７からのオン信号が継続している時間に亘って、スイッチ３２を介しその入力側の駆動電力が始動モータ１１に伝達される。始動モータ１１には駆動電力が入力され、始動モータ１１は駆動電力が入力されている時間に亘って風車１を回転させる。これによって、風車１は、風のみで回転可能な速度で回転させられ、構成に応じて始動モータ１１は移動されて歯車１３と歯車１４との歯合が外される。

図５は、作動コントローラがデジタル回路で構成される一例を示すブロック構成図である。図５において、作動コントローラ４は、例えばＣＰＵ等からなりプログラム動作可能な制御処理部４１と、制御処理部４１からの出力に応じてサーボ制御等の所定の制御で始動モータを駆動する駆動部４２とを備える。ここで、制御処理部４１は、上記と同様に風速信号及び発電電圧を入力とし、これらをデジタル信号に変換し、これらに基づいて始動モータの作動、停止等の制御が可能となっている。

御処理部４１は、さらに、所定のデータを保持して始動モータの作動時間、作動のための風速の閾値等の動作に使用する所定のパラメータの変更、設定等も可能となっているのでもよい。さらに、御処理部４１は、駆動部４２の動作モードの切り替え、制御パラメータの設定等が可能であるのでもよい。さらに、御処理部４１は、風速信号、発電電圧、制御動作等に基づいて、故障を検知できるように構成されるのでもよい。

作動コントローラ４は、さらに、無線通信部４３を有し、上記で検知した故障を外部の所定の装置に通知可能となっているのでもよい。さらに、御処理部４１は、必要に応じて、無線通信部４３を介して図示しない外部の装置から所定の情報を取得可能であってもよい。

図５において、風力発電システム３００は、システムの動作に使用可能な電池等の電源５１に接続可能となっている。御処理部４１は、この電源５１に基づいて動作可能となるのでも、新たに設けられた太陽電池５２に直接接続可能であり、太陽電池からの電力を有効に併用できるようになっているのでもよい。さらに、電源５１に自己が発電した電力が供給され、電源５１が充電可能となっているのでもよい。

本発明による風力発電システムは、電力機器製造業、機械製造業、電気化学工業等において利用可能であり、このような製品の有用性を増進する。

本発明による風力発電システムの一実施例を模式的に示すブロック構成図である。作動コントローラの制御部をアナログ回路で構成した例を示す模式図である。風車を始動させる始動モータが付加された構成を示す模式的な図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は上面図である。始動モータの移動制御を可能にする風力発電システムの構成を示す図である。作動コントローラがデジタル回路で構成される一例を示すブロック構成図である。

符号の説明

１風車
２風速計
３、３’、４作動コントローラ
１１、１１’ 始動モータ
１２シャフト
１３、１３’、１４歯車
１５、１５’ ステージ
１６始動モータの回転軸
１７ステージ上の溝
３１制御部
３２〜３４スイッチ
３５抵抗素子
３６微分回路
３７保持回路
３８移動制御部
４１制御処理部
４２駆動部
４３無線通信部
５１電源（電池等）
５２太陽電池
１００、２００、３００風力発電システム
Ｓ地面

Claims

風車と、
前記風車が回転したときの動力で回転する発電機と、
前記風車近傍の所定の場所での風速を検出する風速計と、
前記発電機からの発電電圧が第１の閾値以下で前記風速計が検出した風速が第２の閾値に達したときに、前記風車を所定時間に亘って回転させるための電力を前記発電機に伝達可能な作動コントローラと、
を備えることを特徴とする風力発電システム。
前記風車の回転軸に固定された第１の歯車と、前記第１の歯車と歯合可能で前記第１の歯車より直径が小さい第２の歯車と、前記第２の歯車が回転軸に固定される始動モータと、を備え、前記始動モータが前記発電機の代わりに前記作動コントローラを介して前記電力の供給を受けて前記風車を回転可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
前記風速計が、前記風車よりも小型のプロペラを介してより小さな風速で回転可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電システム。
太陽電池を電源として利用可能に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の風力発電システム。