JP2017053303A - 風車の回転速度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低風速下において、ロータを一定の回転速度まで加速させることにより、発電効率を大幅に高めうるようにするとともに、強風時においても、ロータが定格回転数を超えて回転するのを抑えながら、効率よく発電しうるようにした風車の回転速度制御方法を提供する。【解決手段】風速検知手段２７が予め定めた平均風速を検知したときにモータを自動的に始動させて、ロータ２の周速が特定の値に達するまで加速回転させて、モータを停止させ、風速検知手段２７がロータ２の定格平均風速を検知したとき、モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切替えて発電するようにし、風速検知手段２７が再度予め定めた平均風速を検知したときに、再度モータを始動させて、ロータ２の周速が特定の速度に達するまで加速回転させてモータを停止させる制御を繰返す。【選択図】 図１

Description

本発明は、低風速下においても、発電効率を高めることができ、また、強風時においては、ロータが定格回転数を超えて回転するのを抑えるとともに、効率よく発電しうるようにした風車の回転速度制御方法に関する。

風力発電装置は、一般的に機械的ロスが大きく、かつ低風速下では、ロータは発電機のコギングトルクのために、円滑に回転しにくく、発電効率は低い。この問題を解決するために、本発明の発明者は、揚力型ブレードを有する風車を備える縦軸風力発電装置を開発している(例えば特許文献１、２参照)。

特許文献１、２に記載されている縦軸風力発電装置は、縦主軸を中心として互いに対向する１対の縦長揚力型ブレードを有するロータを備え、各揚力型ブレードの上下両端部に、縦主軸方向へ向かう内向き傾斜部を形成することにより、ブレードの内側面に沿って上下方向に拡散する気流を、内向き傾斜部で受止めて、回転力を高めるとともに、揚力(推力)を増大させ、低風速下においても、ロータが効率よく回転して、発電効率を高めうるようにしたものである。

特許第４９０７０７３号公報 特開２０１１−１６９２９２号公報

上記特許文献に記載の縦軸風車は、縦軸風車の起動性を改善して、１〜１.５ｍ／ｓ程度の微風速でも、ロータの回転を開始させることができ、かつ平均風速が、例えば２ｍ／ｓ程度の低風速下でも、効率よく発電しうるという特徴を有している。

また、ロータの周速または回転速度が一定の値に達すると、コアンダ効果により、ブレードに生じる揚力が増大するため、ブレードの回転は加速され、かつ発電負荷による失速が起こりにくくなり、発電効率は高められるという特徴も有している。

しかし、風向きは常に変化するため、風車に適する風速が長時間継続することはなく、低風速下で回転しているロータの回転速度を、ロータが自力により加速して、効率よく回転しうる一定の周速となるまで加速することができれば、発電効率をさらに高めることができる。

また、特許文献１、２に記載の縦軸風車は、回転効率が高いため、強風時に一定の風速を超えると、ロータは定格回転数を超えて回転することがある。そのため、予めロータの定格平均風速を設定しておき、風速が定格平均風速に達するか、またはそれを超えた場合に、主軸の回転をブレーキ装置等により強制的に減速させて、ロータが定格回転数を超えて回転しないようにすることが考えられている。
しかし、このようにすると、強風時に効率よく発電することができなくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、低風速下において、ロータの回転速度を一定の速度まで加速させることにより、発電効率を大幅に高めることができ、かつ強風時においても、ロータが定格回転数を超えて回転するのを抑えるとともに、効率よく発電しうるようにした、風車の回転速度制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明の風車の回転速度制御方法によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）主発電機に連係させた風車の主軸に、発電機に切替えることができるモータを断続可能に接続しておき、風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したときに、前記モータを自動的に始動させ、ロータの周速または回転速度が特定の値に達するまで加速回転させて、前記モータを停止させ、前記風速検知手段が前記ロータの定格平均風速を検知するか、回転速度検知手段がロータの定格回転数を検知したとき、前記モータを補助発電機に切替えて前記主軸の回転により発電するようにし、前記風速検知手段が再度予め定めた平均風速を検知したときに、前記補助発電機をモータに切替えて再始動させ、前記ロータの周速または回転速度が前記特定の速度に達するまで加速回転させて、前記モータを停止させる制御を繰返えさせる。

このような方法によると、風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したときに、モータを自動的に始動させて、ロータの周速または回転速度が特定の値に達するまで加速回転させて、発電機を回転させうるので、ロータの回転速度が低い低風速下において、発電量が少ない条件下であっても、発電効率を高めることができる。

また、ロータの周速または回転速度が特定の値に達するまで加速回転させると、原動機による助力が無くても揚力によってロータは加速されて回転するので、原動機を作動させている時間は比較的短く、原動機を駆動する動力源の消費量を抑えることができる。

さらに、ロータの定格平均風速を検知するか、ロータの定格回転数を検知した場合に、モータを補助発電機に切替えて発電するようにしているので、強風時には、主発電機と補助発電機との両方で発電することができ、発電効率は大幅に高まる。しかも、モータを補助発電機に切替えると、ロータは、回生発電によるブレーキトルクにより減速させられるので、ブレーキ装置等を設けて減速しなくても、ロータが定格回転数を超えて回転するのを防止することができる。

(２)上記(１)項において、前記風車を、先端部に傾斜部を形成した複数の揚力型ブレードを備えたロータを有する縦軸風車または横軸風車とする。

このような構成によると、先端部に傾斜部を形成した複数の揚力型ブレードを備えたロータを有する縦軸風車または横軸風車は、ブレードに当って先端方向へ拡散する気流を、傾斜部で受止めることにより、回転力を高めて揚力(推力)を増大させうるので、ロータは低風速時から回転し、かつ風速が速くなるほど、コアンダ効果によりブレードに生じる揚力(推力)が増大して、ロータは加速されて効率よく回転する。そのため、ロータの特定周速または回転速度を、ブレードの揚力により回転する速度に設定することにより、原動機の作動時間をより適切に設定することができる。

本発明の風車の回転速度制御方法によると、風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したときに、モータを自動的に始動させて、ロータの周速または回転速度が、特定の値に達するまで加速回転させて、発電機を回転させうるので、ロータの回転速度が低い低風速下において、発電量が少ない条件下でも、発電効率を大幅に高めることができる。

また、ロータの定格平均風速を検知するか、ロータの定格回転数を検知した場合に、モータを補助発電機に切替えて発電するようになっているので、強風時には、主発電機と補助発電機との両方で発電することができ、発電効率は大幅に高まる。しかも、モータを補助発電機に切替えると、ロータは、回生発電によるブレーキトルクにより減速させられるので、ブレーキ装置を設けて減速しなくても、定格回転数を超えて回転するのを防止することができる。

本発明の方法の実施に用いられる風力発電装置の正面図である。 ロータとアームの拡大平面図である。 図１のIII−III線における拡大横断平面図である。 風車の回転速度を制御するためのフローチャートである。

本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、ブレードの回転半径１ｍ、ブレードの翼長１．２ｍの縦軸風車を備える場合について説明するが、これに限定されないことは勿論である。

図１は、本発明の方法を実施するようになっている、縦軸風車を備える風力発電装置を示し、風力発電装置１は、縦軸型のロータ２と、主発電機３と、風車の回転速度を制御する制御手段４とを備えている。

ロータ２の縦主軸５の上下複数箇所が、基礎Ｇの上面に立設された支持枠体６の中央部に、軸受６Ａを介して回転自在に支持されている。縦主軸５の上部の径方向の対称位置には、上下２本ずつの水平のアーム７Ａ、７Ｂの内端部が固着され、各上下のアーム７Ａ、７Ｂの外端部には、垂直方向を向く左右１対の揚力型ブレード(以下ブレードと略称する)８、８の上下端部の内側面が固着されている。アーム７Ａ、７Ｂ及びブレード８は、例えば繊維強化合成樹脂により形成されている。なお、アーム７Ａ、７Ｂとブレード８は、一体成形が可能である。

ブレード８の形状は、本発明の発明者が開発した特許第４９０７０７３号公報、及び特開２０１１−１６９２９２号公報に記載されているブレードと実質的に同形をなしている。
すなわち、ブレード８の弦長は、ブレード８の回転半径の２０％〜５０％とされ、翼面積は大きく設定されている。

ブレード８における上下両端部を除く主部８Ａの横断形状は、図３に拡大して示すように、主部８Ａの翼厚中心線Ｃの内方と外方における翼厚は、互いに対称的にほぼ等寸とされ、かつ翼厚中心線Ｃは、ブレード８の翼厚中心の回転軌跡Ｏとほぼ重なるように設定されている。

主部８Ａ全体の平面形は、図２に示すように、翼厚中心の回転軌跡Ｏに沿うように円弧状に湾曲され、その内側面は、前縁の膨らみ部分から後縁にかけて、遠心方向へ傾斜しており、後方から内側面に風が当たると、前方へ押されるようになっている。

主部８Ａの横断面形は、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かって漸次薄くなる標準翼型に近いものとされている。

ブレード８が回転すると、ブレード８の内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する気流の方が、内側面におけるそれよりも高速となる。

そのため、ブレード８の後縁部において、外側面を通過する気流の圧力は、内側面を通過する気流のそれよりも小となり、外側面におけるコアンダ効果によって、ブレード８の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されて、ブレード８に回転方向の推力が作用し、ブレード８は回転する。

図１及び図２に示すように、ブレード８の上下両端部には、内方、すなわち縦主軸５方向に向かって、円弧状に傾斜する内向き傾斜部８Ｂ、８Ｂが形成されている。ブレード８の上下の端部に、内向き傾斜部８Ｂを形成してあるため、ブレード８の回転に伴い、主部８Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れようとする気流は、コアンダ効果により、上下の内向き傾斜部８Ｂ、８Ｂの内面及び外面に沿って、後方、すなわち図２におけるＷ方向に向かって通過するようになり、低風速下においても、ロータ２は、高い回転効率をもって回転する。

前述した主発電機３は、基礎Ｇに設置された公知の永久磁石式の単相交流または三相交流発電機であり、そのロータ軸に縦主軸５の下端部が連結されている。 主発電機３により発電された電力は、整流器、電圧レギュレータ等を有するコントローラ９を介して、第１蓄電池１０に蓄電された後、第１蓄電池１０から外部の直流負荷電源に給電されるか、またはコントローラ９より外部の交流負荷電力系統に直接給電される。

コントローラ９は、主発電機３からの出力電流量を調節して、第１蓄電池１０または直流負荷電源へ出力する電流や電圧を制御するもので、例えば、ロータ２の起動直後や、ロータ２の回動速度が遅くなる低風速時に、出力電流量が少なくなるように制御して、主発電機３に加わる発電負荷を軽減し、風車の失速を防止するようになっている。
なお、主発電機３を、第１蓄電池１０や直流負荷電源系統に直接電力を供給しうる直流発電機としてもよい。

縦主軸５の下部には、伝動手段１１及びクラッチ１２を介して、減速機１３付きのモータ兼補助発電機１４が、主発電機３と並列に接続されている。伝動手段１１は、縦主軸５に固着された従動傘歯車１１Ａと、この従動傘歯車１１Ａに、軸線が直交するようにして噛合された駆動傘歯車１１Ｂとからなり、駆動傘歯車１１Ｂに固着された駆動軸１５と、減速機１３の出力軸１６との間に、それらの動力伝達を断続するクラッチ１２を介在させてある。

クラッチ１２には、電気的にオン、オフされる公知の電磁クラッチが用いられている。なお、伝動手段１１は、１点鎖線で示すような歯車ケースＫに収容して隠蔽するのが好ましい。

モータ兼補助発電機１４のモータとしては、例えば、発電機に切替え可能な永久磁石界磁式直流モータ、または永久磁石型交流同期モータ等が使用され、詳細な説明は後述するが、縦主軸５を回転させる場合のモータと、縦主軸５の回転により発電する場合の補助発電機とに、切替スイッチ１７を介して切替え可能となっている。

切替スイッチ１７は、モータ側接点１７Ａと充電側接点１７Ｂを有する中立復帰式(常開式)のもので、切替スイッチ１７が中立位置からモータ側接点１７Ａに切替えられた場合に、モータ兼補助発電機１４はモータに切替えられ、第２蓄電池１８の電力により駆動されるようになっている。

なお、モータ兼補助発電機１４に永久磁石型交流同期モータを使用する場合には、モータ兼補助発電機１４と切替スイッチ１７との間に、ＤＣ−ＡＣ相互変換回路であるインバータが付加される。

切替スイッチ１７が中立位置から充電側接点１７Ｂに切替えられた場合に、モータ兼補助発電機１４は補助発電機に切替わり、補助発電機により発電された電力が、電圧レギュレータ等を有するコントローラ１９を介して、第２蓄電池１８に充電されるようになっている。

なお、モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切替えて発電された余剰電力を、コントローラ１９を介して第１蓄電池１０にも充電したり、第１蓄電池１０と第２蓄電池１８同士を並列に接続して、第１、第２蓄電池１０、１８の両方から外部の直流負荷電源等に給電するようにしてもよい。

制御手段４は、クラッチ切替判定部２０と、第２蓄電池１８に接続され、クラッチ切替判定部２０から出力される制御信号に基づいてオン、オフされる給電器(給電回路)２１とを備えている。

詳細な説明は後述するが、クラッチ切替判定部２０は、後述する風速計２７が予め定めた平均風速である２ｍ／ｓを検知した場合に、給電器２１にオンの制御信号を出力し、第２蓄電池１８の電力が、給電器２１を介して電磁クラッチ１２に給電されることにより、電磁クラッチ１２が接続されるようになっている。
なお、風速計２４による平均風速の検知時間は、低風速下で発電量が大きく変動しないように、例えば１０秒以下の間隔で行うのが好ましい。

電磁クラッチ１２が接続されると、モータ兼補助発電機１４と縦主軸５は、伝動手段１１の駆動傘歯車１１Ｂと従動傘歯車１１Ａを介して接続される。また、クラッチ切替判定部２０より給電器２１へオフの制御信号が出力された場合には、電磁クラッチ１２は切断され、モータ兼補助発電機１４と縦主軸５との間の動力伝達が絶たれる。

前述の切替スイッチ１７は、制御手段４のモータ・補助発電機切替判定部２２から出力される判定信号に基づいて切替わり、モータ兼補助発電機１４をモータとして始動または停止させたり、補助発電機に切替えて始動または停止させたりする。

なお、詳細な説明は後述するが、前記クラッチ切替判定部２０及びモータ・補助発電機切替判定部２２へは、後述する回転速度センサ２５及び風速計２７から、風車周速判定部２６及び平均風速判定部２８に入力されるデータに基づいて、制御手段４の中央処理装置(ＣＰＵ)２３により演算処理された判定信号が出力される。

縦主軸５の中間部の適所には、回転速度を測定するための歯車２４が取付けられており、この歯車２４の回転数を、回転速度検出センサ２５をもって検出することにより、縦主軸５並びにロータ２の回転速度を検出しうるようになっている。

なお、歯車２１に代えて、縦主軸５の外周面に、例えば１個または複数個の凸部を設けてもよい。
回転速度検出センサ２５には、例えば磁気回転速度検出センサ、超音波回転速度検出センサ、ロータリエンコーダ等の非接触型センサが用いられる。

回転速度検出センサ２５により検出された回転速度は、制御手段４の風車周速判定部２６に入力され、入力された回転速度に基づいて、制御手段４の中央処理装置２３がロータ２の平均周速を演算する。すなわち、ロータ２のブレード８の回転半径(ｒ)から、ロータ２の外周の長さ(２πr)が確定されるので、その外周の長さ(２πr)に縦主軸５の回動速度(rpm)を乗じれば、周速(ｍ／ｓ)が得られる。

なお、ロータ２の周速は、ブレード８の角速度を、センサにより検出することによっても求めることができる。すなわち、ブレード８の角速度(rad/s)に、その回転半径(ｒ)を乗じた値が、ロータ２の周速となる。

風車周速判定部２６より、ロータ２の平均周速が、特定周速である５ｍ／ｓに達したと判定された場合には、クラッチ切替判定部２０及びモータ・補助発電機切替判定部２２に判定信号を出力する。なお、回転速度検出センサ２５と風車周速判定部２６は、本発明に係る回転速度検知手段に相当する。

ロータ２の上方には、ロータ２に向かう風の一定時間毎の平均風速を検知するための、風速検知手段である風速計２７が、図示しない支持体をもって取付けられている。この風速計２７により検出された平均風速は、制御手段４の平均風速判定部２８に入力され、中央処理装置(CPU)２３により演算処理される。

平均風速判定部２８により、風速が平均風速である２ｍ／ｓである旨を判定した場合、及びロータ２の定格平均風速である例えば１３ｍ／ｓを検知したと判定した場合には、上述したクラッチ切替判定部２０、及びモータ・補助発電機切替判定部２２に、判定信号を出力する。

図１に示すように、縦主軸５の中間部には、ロータ２の回転を機械的に減速または停止させるブレーキ装置、例えばディスクブレーキ装置２９が設けられている。

ディスクブレーキ装置２９は、縦主軸５の中間部に固着された大径のブレーキディスク３０と、支持枠体６の中間部適所に固定されたブラケット３１に、ブレーキディスク３０の周端部の一部を収容するように上下方向に移動可能かつ回転不能に取付けられたキャリパ３２と、キャリパ３２の内部に設けられ、ブレーキディスク３０の周端部の上下の面を押圧可能な上下１対のブレーキパッド３３、３３と、キャリパ３２の内部に収容され、下方を向くプランジャの下端により上部のブレーキパッド３３の上面を押圧可能な、ソレノイドよりなる電磁アクチュエータ３４とを備えている。

電磁アクチュエータ３４は、ロータ２の周速または回転速度が予め定めた定格値(許容値)を超えた場合に、制御手段４の風車周速判定部２６から発せられる給電信号によりＯＮさせられて、プランジャを下方に突出させ、上部のブレーキパッド３３をブレーキディスク３０の周端部の上面に圧接するとともに、その反力によりキャリパ３２を上方へ移動させて、下部のブレーキパッド３３をブレーキディスク３０の周端部の下面に圧接させる。この際の摩擦力により、ブレーキディスク３０及び縦主軸５に制動力が作用し、ロータ２の回転が減速または停止されるようになっている。

ディスクブレーキ装置２９の下方には、強風時や風力発電装置に異常事態が発生した場合等に、手動操作によりロータ２の回転を緊急停止させる手動ブレーキ装置３５が設けられている。この手動ブレーキ装置３５としては、例えば縦主軸５の中間部に形成された大径軸部３６の外周面に対向するように、図示しない不動の支持体に進退可能に支持された左右１対の半円形のブレーキパッド３７、３７と、両ブレーキパッド３７を大径軸部３６の外周面に押付けるための手動操作レバー(図示略)とを備える公知のものを使用可能である。

次に、上記実施形態に係る風力発電装置１における風車の回転速度制御方法を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、ロータ２が回転しているときの平均風速を、風速計２７により測定し(Ｓ１)、制御手段４の中央処理装置２３の演算処理結果に基づいて、平均風速判定部２８が、予め定めた平均風速である２ｍ／ｓ以上か否かを判定する(Ｓ２)。なお、平均風速が２ｍ／ｓ未満の場合には、電磁クラッチ１２はオフとなっている。

平均風速判定部２８が、平均風速が２ｍ／ｓ以上と判定した場合には、クラッチ切替判定部２０から給電器２１に出力される判定信号により電磁クラッチ１２に通電し、電磁クラッチ１２をオン(Ｓ２)させて、駆動軸１５と出力軸１６とを接続する。これと同時に、モータ・補助発電機切替判定部２２から出力される切替信号により、中立位置にある切替スイッチ１７をモータ側接点１７Ａに切替える(Ｓ４)。

これにより、モータ兼補助発電機１４を、モータに切替えて自動的に始動させ(Ｓ５)、伝動手段１１を介して縦主軸５を強制的に回転させ、ロータ２を加速回転させる(Ｓ６)。平均風速が２ｍ／ｓに達していないと判定した場合には、ステップＳ１に戻り、引き続き平均風速を測定する。

なお、モータによりロータ２の回転を加速している間も、主発電機３により発電することができるが、モータの始動開始直後一定時間だけ、コントローラ９により、主発電機３からの出力電流量を自動的に減少させるようにしてもよい。このようにすると、加速開始直後に主発電機３に加わる負荷を軽減させうるので、ロータ２を迅速に加速することができる。

平均風速が２ｍ／ｓ以上か否かを判定する理由は、前述した形状の揚力型ブレード８を備える縦軸型のロータ２において、例えばブレード８の回転半径を１ｍ、ブレード８の翼長１．２ｍとした場合、平均風速が２ｍ／ｓ以上となると、ブレードに生じる揚力によりロータ２の回転が加速され、発電機３からの発電電力を出力可能な速度で回転するからである。

従って、平均風速が２ｍ／ｓ程度の低風速でロータ２が回転しているときに、モータ兼補助発電機１４をモータに切替えて、ロータ２の回転を速やかに加速させると、ブレード８に揚力が生じて更に加速され、更に効率よく発電することができる。

ロータ２の回転を加速したのち、回転速度検出センサ２５により縦主軸５の平均回転数を検出し、その回転数に基づいて、中央処理装置２３がロータ２の周速に換算し、その結果を風車周速判定部２６に出力し(Ｓ７)、風車周速判定部２６が、ロータ２の周速が平均風速２ｍ／ｓを超える特定周速、例えば５ｍ／ｓに達したか否かを判定する(Ｓ８)。

ロータ２の周速が５ｍ／ｓに達したか否かを判定する理由は、上述した形状の揚力型ブレード８を備える縦軸型のロータ２においては、ロータ２の周速が５ｍ／ｓに達すると、ブレード８の上下両端部の内向き傾斜部８ｂの作用とコアンダ効果により、ブレード８に作用する揚力(推力)が増し、ブレード８は、モータによる助力がなくても、風速を超える周速度に揚力で加速されながら、効率よく回転して発電し、かつ発電負荷による失速が起きにくくなることが実証されているからである。

なお、周速が５ｍ／ｓの場合のロータ２の回転速度を例示すると、周速、回転速度及び外周の長さには、前述したような関係があるので、例えばブレード８の回転半径(ｒ)が１ｍの一般的な縦軸風車の場合、ロータ２の外周の長さ(２πｒ)は６.２８ｍとなる。従って、周速５ｍ／ｓを、外周の長さ６.２８ｍで割り、６０を乗じて分速に換算すれば、ロータ２の回転速度は約４８ｒｐｍとなる。

風車周速判定部２６が、ロータ２の周速が５ｍ／ｓに達したと判定した場合は、クラッチ切替判定部２０が給電器２１にオフの判定信号を出力することにより、電磁クラッチ１２をオフとし(Ｓ９)、かつ同時に、モータ・補助発電機切替判定部２２から出力される切替信号により、切替スイッチ１７を中立位置に復帰させてオフとし(Ｓ10)、モータを停止させて(Ｓ11)、ロータ２の加速回転を停止する。

このように、ロータ２の周速が５ｍ／ｓに達したときに、電磁クラッチ１２をオフにすると、モータのコギングトルクによる回転負荷が縦主軸５に伝達されなくなるので、ロータ２の回転効率が向上する。

風車周速判定部２６が、ロータ２の周速が、周速５ｍ／ｓに達していないと判定した場合は、ステップＳ６に戻り、電磁クラッチ１２を接続したまま、モータによりロータ２の回転を加速し続ける。

モータを停止させて、ロータ２の加速回転を停止させた後、風速計２７により再度平均風速を測定し(Ｓ12)、平均風速判定部２６が、ロータ２の定格平均風速１３ｍ／ｓを検知した場合(Ｓ13)には、クラッチ切替判定部２０より給電器２１に出力される信号に基づいて、電磁クラッチ１２をオンさせる(Ｓ14)と同時に、モータ・補助発電機切替判定部２２より出力される信号に基づいて、中立位置にある切替スイッチ１７を充電側接点１７Ｂ側に切替える(Ｓ15)。

切替スイッチ１７が充電側接点１７Ｂに切替えられると、モータ兼補助発電機１４は、補助発電機に切替えられて始動し(Ｓ16)、縦主軸５により補助発電機の回転子(電機子)が回転駆動されることにより発電される。
この発電時に、ロータ２の回転エネルギが電気エネルギに変換されることにより、ロータ２に回生ブレーキが作用して減速される。

従って、強風時であっても、ロータ２は、定格回転数を超えて回転するのが防止される。補助発電機により発電された電力は、切替スイッチ１７及びコントローラ１９を介して、第２蓄電池１８に充電される。

なお、補助発電機からの出力電流量をコントローラ１９により制御し、補助発電機に加わる発電負荷を調整することにより、ロータ２が定格回転数を超えて回転しないように制御することができる。

また、平均風速が１３ｍ／ｓを超える強風時において、ロータ２が定格回転数を若干下回る回転速度で回転するように制御すれば、補助発電機の発電効率は高まる。定格平均風速１３ｍ／ｓを検知しない場合には、ステップＳ１２に戻り、引続き平均風速を測定する。

補助発電機に切替えて発電しているときに、風速計２７により平均風速を測定し(Ｓ17)、平均風速判定部２８が平均風速２ｍ／ｓ以下に低下したと判定した場合(Ｓ18)は、ステップＳ４に戻り、前述と同様に、切替スイッチ１７をモータ側接点１７Ａに切替え、モータ兼補助発電機１４を、それまでの補助発電機からモータに切替えて自動的に再始動させ、ロータ２を、周速が５ｍ／ｓに達するまで加速回転させる。

以上説明したように、前記実施形態に係る風車の回転速度制御方法においては、ロータ２が平均風速２ｍ／ｓ程度の低風速下で回転している場合に、ブレード８が揚力で加速されながら、効率よく回転しうる周速である５ｍ／ｓに達するまで、モータ兼補助発電機１４を、モータに切替えて速やかに加速し、ロータ２の回転速度を繰返し制御することにより、低風速下でも発電電力を大きく変動させることなく、発電効率を高めることができる。

また、風速が定格平均風速である１３ｍ／ｓに達した場合に、モータ兼補助発電機１４を、補助発電機に切替えて発電するようにしているので、強風時には、主発電機３と補助発電機との両方で発電することができ、発電効率は大幅に高まる。しかも、モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切替えると、ロータ２は、回生発電によるブレーキトルクにより減速させられるので、定格回転数を超えて回転するのを防止することができる。

モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切替えても、ロータ２の過回転を防止し得えない場合には、ディスクブレーキ装置２９も併用しうるので、強風時においてもロータ２が過回転するおそれはない。
また、ディスクブレーキ装置２９を作動させても、なおロータ２の過回転を防止することができないときや、風力発電装置に異常事態が発生した場合等には、手動ブレーキ装置３５を操作してロータ２を強制的に停止させうるので、ロータ２のブレード８が破損したりするのを未然に防止することができる。

モータを停止させるロータ２の周速を、例えば５ｍ／ｓと、低めに設定しておくと、ロータ２の周速が５ｍ／ｓに達したときに、モータ１４が自動的に停止しても、ロータ２は慣性で回転し続けるので、その間に風が吹けば回転が加速される。従って、モータ１４を頻繁に作動させる必要はなく、その電力消費量を少なくすることができる。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。
前記実施形態では、平均風速が２ｍ／ｓとなったことを検知したとき、モータを始動させてロータ２の回転を加速するようにしたが、平均風速が２ｍ／ｓのときの縦主軸５の平均回動数を検知するか、または平均風速が２ｍ／ｓのときのロータ２の周速を検知したときに、モータを始動させてロータ２を加速させるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、風速が定格平均風速である１３ｍ／ｓに達した場合に、モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切替えて発電するようにしているが、１３ｍ／ｓの定格平均風速のときのロータ２の回転数を定格回転数として設定しておき、回転速度検出センサ２５が定格回転数を検知した場合に、モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切替えて発電するようにしてもよい。この場合には、図４に示すフローチャートのステップＳ１３を、定格回転数に変更すればよい。

また、前記実施形態では、モータ兼補助発電機１４をモータとして始動させる平均風速を２ｍ／ｓに設定したが、この設定風速は、ブレード８の回転半径の大小に応じて適宜に定められる。
すなわち、ブレード８の回転半径が前記実施形態の１ｍより小さい場合には、、ロータ２の回転トルクが小さくなって、発電負荷により失速し易くなるので、平均風速を２ｍ／ｓ以上に設定し、ロータ２の回転速度が高いときに、モータに切替えて始動させるようにすればよい。

また、ブレード８の回転半径が１ｍより大きい場合には、ロータ２の回転速度が低くても、回転トルクが大となって発電可能となるので、２ｍ／ｓ以下の平均風速に設定し、ロータ２の回転速度が低いときに、モータに切替えて始動させるようにすればよい。

また、前記実施形態では、ロータ２の周速が５ｍ/ｓに達したときにモータを停止させるようにしたが、モータを停止させる場合のロータ２の周速は、ブレード８の回転半径の大小に応じて適宜に設定される。

前記実施形態では、ロータ２の周速が５ｍ／ｓに達するまでモータにより加速して、モータを停止させるようにしたが、前述したように、ロータ２の周速は回転数に換算できるため、周速が５ｍ／ｓに達したときのロータ２の回転速度を回転速度センサ２０が検出したときに、モータを停止させるようにすることもできる。

上記実施形態では、減速機１３の出力軸１６との動力伝達を断続するのに、電磁クラッチ１２を用いたが、例えば遠心クラッチ等の機械式クラッチを用いることもできる。この際には、制御手段４のクラッチ切替判定部２０は不要となる。
なお、駆動軸１５と減速機１３の出力軸１６との動力伝達を断続する電磁クラッチ１２等のクラッチ機構は省略することもある。

上記実施形態では、モータ兼補助発電機１４を補助発電機に切り替えて発電した電力を、第２蓄電池１８に充電するようにしたが、第２蓄電池１８を省略して、第１蓄電池１０に充電するようにしてもよい。この際には、第１蓄電池１０の数量を増やし、蓄電容量を大とすればよい。また、この場合には、モータ兼補助発電機１４をモータとして始動させる電力、及び電磁クラッチ１２を作動させる電力は、第１蓄電池１０を使用して供給すればよい。

また、図１に示すように、風力発電装置１の近傍に、第２蓄電池１８に接続された太陽光発電パネル２９を設置し、第２蓄電池１８を、太陽光発電パネル２９により発電された電力により充電するようにしてもよい。この場合、第２蓄電池１８に代えて、第１蓄電池１０を太陽光発電パネル３８により充電するようにしてもよい。

本発明の風車の回転速度制御方法は、特許第４９０７０７３号公報の図４に記載されているように、揚力型ブレード８を縦主軸５に多段状に固定した風力発電装置や、横軸風車を備える風力発電装置にも適用可能である。

１ 風力発電装置
２ ロータ
３ 主発電機
４ 制御手段
５ 縦主軸
６ 支持枠体
６Ａ 軸受
７Ａ、７Ｂ アーム
８ 揚力型ブレード
８Ａ 主部
８Ｂ 内向き傾斜部
９ コントローラ
１０ 第１蓄電池
１１ 伝動手段
１１Ａ 従動傘歯車
１１Ｂ 駆動傘歯車
１２ 電磁クラッチ
１３ 減速機
１４ モータ兼補助発電機
１５ 駆動軸
１６ 出力軸
１７ 切替スイッチ
１７Ａ モータ側接点
１７Ｂ 充電側接点
１８ 第２蓄電池
１９ コントローラ
２０ クラッチ切替判定部
２１ 給電器
２２ モータ・補助発電機切替判定部
２３ 中央処理装置
２４ 歯車
２５ 回転速度検出センサ
２６ 風車周速判定部
２７ 風速計
２８ 平均風速判定部
２９ ディスクブレーキ装置
３０ ブレーキディスク
３１ ブラケット
３２ キャリパ
３３ ブレーキパッド
３４ 電磁アクチュエータ
３５ 手動ブレーキ装置
３６ 大径軸部
３７ ブレーキパッド
３８ 太陽光発電パネル
Ｃ 翼厚中心線
Ｇ 基礎
Ｋ 歯車ケース
Ｏ 回転軌跡

Claims (2)

1. 主発電機に連係させた風車の主軸に、発電機に切替えることができるモータを接続しておき、風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したときに、前記モータを自動的に始動させ、ロータの周速または回転速度が特定の値に達するまで加速回転させて、前記モータを停止させ、前記風速検知手段が前記ロータの定格平均風速を検知するか、回転速度検知手段がロータの定格回転数を検知したとき、前記モータを補助発電機に切替えて前記主軸の回転により発電するようにし、前記風速検知手段が再度予め定めた平均風速を検知したときに、前記補助発電機をモータに切替えて再始動させ、前記ロータの周速または回転速度が前記特定の値に達するまで加速回転させて、前記モータを停止させる制御を繰返すことを特徴とする風車の回転速度制御方法。
2. 前記風車を、先端部に傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有するロータを備える縦軸風車または横軸風車とすることを特徴とする請求項１に記載の風車の回転速度制御方法。

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