JP2016194263A - 縦型風車の風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転始動時の負荷を低減して低風速からの発電を可能とすると共に、回転安定性を高めることで発電量を向上させることができる風力発電システムを提供する。
【解決手段】風力発電システムは、発電装置３を第１発電装置３１および第２発電装置３２の２つに分散させ、第１発電装置３１を第２発電装置３２の励磁機とする。第１発電装置３１から第２発電装置３２の第２励磁コイル３２２ａに供給される電力は、電力供給装置３３の整流回路３３０を介して交流電力が直流電力に変換されて供給される。主軸１に沿って上方から下方に向かって、第１発電装置３１の第１ロータ３１ａと電力供給装置３３の整流回路３３０と第２発電装置３２の第２ロータ３２ａとが順番に配列される。
【選択図】図２

Description

垂直方向に立設された主軸と、該主軸に取り付けられた風車と、該主軸の下部に設けられた発電装置とを備える縦型風車の風力発電システムに関する。

従来、この種の風力発電システムとしては、下記特許文献１に示すように、主軸の上下端に永久磁石を配置し、これらに対向する永久磁石を軸受け部分に設けた磁気軸受けを備える風力発電装置が知られている。

特開２００１−１３２６１７号公報

しかしながら、従来の風力発電システムでは、非接触の磁気軸受けにより接触抵抗を無くして発電効率を高めることができるものの、発電装置自体の回転始動時の磁気吸引力を低減することは困難であった。

そこで、本発明は、回転と停止を繰り返す縦型風車において、回転始動時の磁気吸引力を低減して低風速からの発電を可能とすることで、発電量を向上させることができる縦型風車の発電システム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、本発明の縦型風車の風力発電システムは、垂直方向に立設された主軸と、該主軸に取り付けられた風車と、該主軸の下部に設けられた発電装置とを備える縦型風車の風力発電システムにおいて、
前記発電装置は、第１発電装置と、第２発電装置と、該第１発電装置の発電電力を該第２発電装置に供給する電力供給装置とを備え、
前記第１発電装置は、前記主軸に取り付けられた第１ロータと、該第１ロータと対向する位置に設けられた第１ステータとを有し、該第１ロータは、該主軸に複数取り付けられた第１ヨークと、該第１ヨークに巻線された第１コイルと有すると共に、該第１ステータは、該第１ヨークを取り囲むように周方向に交互に極性が異なるように配置された第１永久磁石とを有し、
第２発電装置は、前記主軸に取り付けられた第２ロータと、該第２ロータと対向する位置に設けられた第２ステータとを有し、該第２ロータは、該主軸に複数取り付けられた第２励磁ヨークと、該第２励磁ヨークに巻線された第２励磁コイルと有すると共に、該第２ステータは、該第２励磁ヨークを取り囲むように周方向に複数配置された第２ヨークと、該第２ヨークに巻線された第２コイルとを有し、
前記電力供給装置は、前記主軸に取り付けられ前記第１発電装置の第１コイルに発生した交流電力を直流に変換する整流回路を有し、該変換した直流電力を前記第２励磁コイルに供給し、
前記第１発電装置と前記第２発電装置と前記電力供給装置とが、前記主軸に沿って上方から下方に向かって、前記第１ロータと前記整流回路と前記第２ロータの順番に配列されることを特徴とする。

本発明の風力発電システムによれば、発電装置を第１発電装置および第２発電装置の２つに分散させ、第１発電装置を第２発電装置の励磁機とする。

すなわち、第１発電装置は、主軸の回転により第１ステータの第１永久磁石との間で第１ロータの第１コイルに起電力を生じ、かかる発電電力が第２発電装置の第２ロータの第２励磁コイルに供給される。これにより、第２ロータが電磁石となり第２ステータとの間で発電が可能となる。

これにより、主軸の回転始動時に主発電機となる第２発電装置を無負荷状態とすることができ、回転始動性を高めて発電の機会を増大させることができる。

ここで、第１発電装置から第２発電装置の第２励磁コイルに供給される電力は、電力供給装置の整流回路を介して交流電力が直流電力に変換されて供給され、その電力量は、第１発電装置の発電量、すなわち、主軸の回転速度が大きくなるほど大きくなる。

これにより、回転と停止を繰り返す縦型風車において、低風速からの発電を可能とすることで、発電量を向上させることができる。

さらに、主軸に沿って上方から下方に向かって、第１発電装置の第１ロータと電力供給装置の整流回路と第２発電装置の第２ロータとを軸方向に配列させることで、慣性モーメントを小さくすることができ、回転上昇までの加速時間も短縮可能である。

加えて、主発電機として機能する第２発電装置の第２ロータを最も下側にすることで、主軸にかかる荷重の重心位置を下げることができ、主軸の回転安定性を向上させることができ、風力発電システム全体の安定性を高めることができる。

このように、本発明の風力発電システムによれば、回転始動時の負荷を低減して低風速からの発電を可能とすると共に、回転安定性を高めることで発電量を向上させることができる。

縦型風車の風力発電システムの構成を示す全体構成図。 図１の風力発電システムの発電装置の構成を示す説明的断面図。 図２の発電装置の回路構成を示す説明図。

図１を参照して、本実施形態の縦型風車の風力発電システムについて説明する。風力発電システムは、フレームＭを介して垂直方向に立設された主軸１と、主軸１に取り付けられた風車２と、主軸１の下部に設けられた発電装置３とを備える。

主軸１は、フレームＭとの間にベアリングＮを介して回転自在に支持され、風車２の回転に対応して回転する。

風車２は、縦方向に延びる一対のブレード２１，２１と、主軸１に連結されブレード２１，２１を支持する支持アーム２２，２２とを備える。

図２に示すように、発電装置３は、ケーシング３０（３０ａ〜３０ｃ）において、第１発電装置３１と、第２発電装置３２と、第１発電装置３１の発電電力を第２発電装置３２に供給する電力供給装置３３とを備える。

ケーシング３０は、側壁３０ａと上壁３０ｂと底壁３０ｃからなり、上壁３０ｂおよび底壁３０ｃで、主軸１を垂直に支持する。主軸１と上壁３０ｂおよび底壁３０ｃとの間には、それぞれ軸受としてのベアリング３０ｄおよび３０ｅが設けられている。

なお、ケーシング３０内には、第１発電装置３１、第２発電装置３２および電力供給装置３３のほか、回転検出装置、機械式ブレーキ（メカブレーキ）や蓄電池等が必要に応じて内蔵される。

まず、第１発電装置３１は、第１ロータ３１ａと第１ステータ３１ｂとを備える。

第１ロータ３１ａは、主軸１に取り付けられた第１ヨーク３１１ａと、第１ヨーク３１１ａに巻線された第１コイル３１２ａとを有する。

具体的に、第１ヨーク３１１ａは、支持体３１０を介して主軸１から放射状に支持され、第１コイル３１２ａは、第１ヨーク３１１ａを取り囲むように巻き線され、その両端がケーブルＸを介して電力供給装置３３に電気的に接続される。

第１ステータ３１ｂは、第１ヨーク３１１ａの外側に周方向に交互に極性が異なるように配置された複数の第１永久磁石３１１ｂを有する。

なお、第１永久磁石３１１ｂは、ケーシングの側壁３０ａから張り出した張り出し部３０１上に設けられた支持体３１２ｂにより支持される。

次に、第２発電装置３２は、第２ロータ３２ａと第２ステータ３２ｂとを備える。

第２ロータ３２ａは、主軸１に複数取り付けられた第２励磁ヨーク３２１ａと、第２励磁ヨーク３２１ａに巻線された第２励磁コイル３２２ａとを有する。

具体的に、第２励磁ヨーク３２１ａは、主軸１から突き出た支持体３２０上に取り付けられ、第２励磁コイル３２２ａは、第２励磁ヨーク３２１ａを取り囲むように巻き線され、その両端はケーブルＹを介して電力供給装置３３に電気的に接続される。

第２ステータ３２ｂは、第２励磁ヨーク３２１ａを取り囲むように配置された第２ヨーク３２１ｂと、第２ヨーク３２１ｂに巻線された第２コイル３２２ｂとを有する。

具体的に、第２ヨーク３２１ｂは、ケーシングの側壁３０ａから張り出した張り出し部３０２上に設けられた支持体３０２ｂにより支持され、第２コイル３２２ｂは、第２ヨーク３２１ｂを取り囲むように巻線され、その両端はケーブルＺを介して外部へ出力電力として供給される。

なお、第２発電装置３２は、主発電機であって、第１発電装置３１と比して大型であり、その重量も大きい。

次に、電力供給装置３３は、主軸１上において、第１発電装置３１と第２発電装置３２との間に配置された整流回路３３０を備える。

整流回路３３０は、第１発電装置３１（第１コイル３１２ａ）からケーブルＸを介して供給された交流電力を直流電力に変換し、ケーブルＹを介して、第２発電装置３２（第２励磁コイル３２２ａ）に供給する。

以上が本実施形態の縦型風車の風力発電システムの構成であり、かかる縦型風車の風力発電システムによれば、風をブレード２１，２１が受けることにより回転すると、支持アーム２２，２２を介してその回転が主軸１の回転となる。

このとき、図３に回路構成図で示すように、まず、第１発電装置３１において、主軸１と一体に第１ロータ３１ａが回転することにより、第１ステータ３１ｂの第１永久磁石３１１ｂとの間で第１コイル３１２ａに交流の誘導起電力を生じる。

第１コイル３１２ａに生じた交流電力は、ケーブルＸを介して電力供給装置３３に供給され、電力供給装置３３の整流回路３３０により直流電力に変換される。

電力供給装置３３の整流回路３３０により変換された直流電力は、ケーブルＹを介して第２発電装置３２へ供給される。ケーブルＹは、第２ロータ３２ａの第２励磁コイル３２２ａに接続されており、第２励磁コイル３２２ａへの通電により第２励磁ヨーク３２１ａが励磁されて、第２ロータ３２ａが電磁石としてなる。

このとき、主軸１と一体に第２ロータ３２ａが回転することにより、第２ロータ３２ａと対峙する第２ステータ３２ｂの第２ヨーク３２１ｂを横切る磁束変化により、第２コイル３２２ｂに交流の誘導起電力を生じる。かかる第２コイルの誘導起電力は、ケーブルＺを介して外部に供給可能となる。

このように、主軸１の回転始動時には、主発電機となる第２発電装置３２は通電がなく、第２励磁コイル３２２ａへの通電による第２励磁ヨーク３２１ａの励磁がない。そのため、主軸１の回転始動時に、第２発電装置３２を無負荷状態とすることができ、回転始動性を高めて発電の機会を増大させることができる。

ここで、第１発電装置３１から第２発電装置３２の第２励磁コイル３２２ａに供給される電力は、第１発電装置３１の発電量、すなわち、主軸１の回転速度が大きくなるほど大きくなる。そのため、回転と停止を繰り返す縦型風車において、低風速からの発電を可能とすることで、発電量を向上させることができる。

さらに、主軸１に沿って上方から下方に向かって、第１発電装置３１の第１ロータ３１ａと電力供給装置３３の整流回路３３０と第２発電装置３２の第２ロータ３２ａとを順番に配列することで、慣性モーメントを小さくすることができ、回転上昇までの加速時間も短縮可能である。

加えて、主発電機として機能する第２発電装置３２の第２ロータ３２ａを最も下側にすることで、主軸１にかかる荷重の重心位置を下げることができ、主軸１の回転安定性を向上させることができ、風力発電システム全体の安定性を高めることができる。

このように、本実施形態の縦型風車の風力発電システムによれば、回転始動時の負荷を低減して低風速からの発電を可能とすると共に、回転安定性を高めることで発電量を向上させることができる。

１…主軸、２…風車、３…発電装置、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…ケーシング、３０ｄ，３０ｅ…ベアリング（軸受）、３１…第１発電装置、３１ａ…第１ロータ、３１ｂ…第１ステータ、３２…第２発電装置、３２ａ…第２ロータ、３２ｂ…第２ステータ、３３…電力供給装置、３１１ａ…第１ヨーク、３１２ａ…第１コイル、３１１ｂ…第１永久磁石、３１２ｂ…支持体、３２１ａ…第２励磁ヨーク、３２２ａ…第２励磁コイル、３２１ｂ…第２ヨーク、３２２ｂ…第２コイル、３３０…整流回路、Ｍ…フレーム、Ｎ…ベアリング（軸受）、Ｘ，Ｙ，Ｚ…ケーブル。

Claims (1)

1. 垂直方向に立設された主軸と、該主軸に取り付けられた風車と、該主軸の下部に設けられた発電装置とを備える縦型風車の風力発電システムにおいて、
   前記発電装置は、第１発電装置と、第２発電装置と、該第１発電装置の発電電力を該第２発電装置に供給する電力供給装置とを備え、
   前記第１発電装置は、前記主軸に取り付けられた第１ロータと、該第１ロータと対向する位置に設けられた第１ステータとを有し、該第１ロータは、該主軸に複数取り付けられた第１ヨークと、該第１ヨークに巻線された第１コイルと有すると共に、該第１ステータは、該第１ヨークを取り囲むように周方向に交互に極性が異なるように配置された第１永久磁石とを有し、
   第２発電装置は、前記主軸に取り付けられた第２ロータと、該第２ロータと対向する位置に設けられた第２ステータとを有し、該第２ロータは、該主軸に複数取り付けられた第２励磁ヨークと、該第２励磁ヨークに巻線された第２励磁コイルと有すると共に、該第２ステータは、該第２励磁ヨークを取り囲むように周方向に複数配置された第２ヨークと、該第２ヨークに巻線された第２コイルとを有し、
   前記電力供給装置は、前記主軸に取り付けられ前記第１発電装置の第１コイルに発生した交流電力を直流に変換する整流回路を有し、該変換した直流電力を前記第２励磁コイルに供給し、
   前記第１発電装置と前記第２発電装置と前記電力供給装置とが、前記主軸に沿って上方から下方に向かって、前記第１ロータと前記整流回路と前記第２ロータの順番に配列されることを特徴とする縦型風車の風力発電システム。