JP4539075B2 - 電源装置を備えた発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギー等の自然エネルギーを電気エネルギーに変換して各種機器の電力とする電源装置およびそれを備えた発電装置に関するものである。

温暖化や環境破壊の原因の一つとなる石油、石炭などの燃焼による発電に代わり、風力や水力等の自然エネルギーを利用した発電が盛んになってきている。例えば、風力を利用する風力発電装置は、風車の回転を制御する制御器や、風車の回転力を電力に変えて発電する発電機などを有している。そして、風車を回転させ、その回転力を電力に変換することで、家庭内などに電力を供給している。これまでに、発電機が発電できない微風時に風車のみを空転させるために、電磁式のクラッチを設けて風車の回転数に応じて風車と発電機とを接続及び遮断をする風力発電装置がある（特許文献１）。

特開２００３−３２７６７８号公報

ところが、かかる電磁式のクラッチの作動開始時から動作終了時まで、常に最大限の電流を供給し続けると、供給する電流の消費量が大きくなり、発電機により得られる電力量との利得率が悪くなってしまう。従って、自然エネルギーを利用して発電する利点がなくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、効果的に発電をすることができる電源装置およびそれを備えた電源装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の電源装置を備えた発電装置は、自然エネルギーにより回転する回転体と前記回転体とともに回転する回転軸とを有し、自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段と、駆動力により作動して発電する発電手段と、作動電流に応じたクラッチ力で駆動力発生手段の回転軸から発電手段への駆動力の伝達と遮断とを切替える励磁作動型のクラッチ手段と、回転速度検出器を用いて回転速度を検出した上で回転速度の増大に応じてクラッチ力を増大させるように作動電流を制御しながらクラッチ手段に出力するクラッチ制御手段とを有する。

上記構成によると、クラッチ手段に供給する作動電流を、回転速度検出器を用いて回転軸の回転速度を検出した上で回転速度に応じて制御するため、作動電流の消費量を低減することができる。常にクラッチ手段に一定の作動電流を供給し続ける場合との対比において、発電に使用する作動電流と、発電により得られる電力との比率が良くなり、効果的に発電をすることができる。

本発明において、クラッチ制御手段が、クラッチ手段を遮断状態から伝達状態に切替えるときに、起動開始用の大きなクラッチ力を発生させる作動電流を出力することが好ましい。これによると、確実に駆動力を伝達することができる。

本発明において、クラッチ制御手段が、クラッチ力をステップ状に増大させるように、作動電流を制御するようにしてもよい。この構成によると、さらに、発電効率をよくすることができる。

本発明において、駆動力発生手段が、自然エネルギーにより回転する回転体と、回転体とともに回転する回転軸とを有することが好ましい。これによると、構造を間単にすることができる。

本発明において、自然エネルギーが風力であることが好ましい。これによると、水力等他の自然エネルギーを利用する場合に比べて、特に場所を選ぶ必要がなくなる。

本発明は、上記構成の電源装置を備えている発電装置である。これによると、好適に発電することができる。

本発明の好適な実施形態を図１〜図４に基づいて以下に説明する。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置は、自然エネルギーの一種である風力エネルギーを電気エネルギーからなる交流電力に変換して出力する風力発電装置本体１と、風力発電装置本体１の制御機能や交流電力の直流電力への整流機能等を備えたコントローラ２と、風力発電装置の動作状態や設定状態等を切替え可能に表示する操作表示器３と、コントローラ２において整流された直流電力を充電するバッテリ４と、バッテリ４に充電された電力を交流電力に変換して外部負荷６に供給するインバータ５と、バッテリ４に対して補助電力を供給する補助充電器７とを有している。

上記の風力発電装置本体１は、図２に示すように、風力に応じた回転駆動力を発生する風車１１を有している。風車１１（駆動力発生手段）は、風を受ける複数枚の風車羽根１２（回転体）と、これらの風車羽根１２を水平方向に旋回させるように支持した旋回支持部材１３と、旋回支持部材１３の回転中心を支持した回転支持機構１４とを有している。回転支持機構１４は、鉛直方向に立設されており、旋回支持部材１３の回転中心に上端部が連結された第１回転軸部材１５（回転軸）と、第１回転軸部材１５に回転軸クラッチ１６（クラッチ手段）を介して連結された第２回転軸部材１７とを有している。

上記の第１回転軸部材１５には、回転速度検出器１８が設けられている。回転速度検出器１８は、エンコーダからなっており、第１回転軸部材１５の回転速度（単位時間当たりの回転数）に応じたパルス数の回転速度信号を出力するようになっている。尚、回転速度検出器１８は、旋回支持部材１３の側面に磁石や反射板等の検出対象物を取り付け、この検出対象物を検出する毎にパルス状の回転速度信号を出力するように構成されていても良い。

また、回転軸部材１５・１７間に介装された回転軸クラッチ１６は、励磁作動型の構成にされている。具体的には、回転軸クラッチ１６は、２枚のクラッチ板１６ａ・１６ａと、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を隔離させるように付勢する図示しないバネ部材と、バネ部材の付勢力に対して逆方向の電磁力を発生するコイル部材１６ｂとを有している。これにより、クラッチ作動電流が供給されている場合は、電流値に応じた電磁力により付勢力の作用を減少させることによって、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の接合力（クラッチ力）を強め、電磁力が付勢力以上となったときに、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を接合させることにより、第１回転軸部材１５の回転駆動力を第２回転軸部材１７に十分に伝達させるようになっている。また、クラッチ作動電流が供給されていない場合は、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士がバネの付勢力で、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の接合力を弱め、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士を隔離させるようになっている。

また、コイル部材１６ｂには、補助電源１６ｃが接続されている。コイル部材１６ｂと補助電源１６ｃとの間には、接続用リレー１６ｄが設けられている。接続用リレー１６ｄは無励磁作動型であり、コントローラ２が平常に動作している場合には、接続用リレー１６ｄに信号が送られ開状態となっている。このため、補助電源１６ｃからはコイル部材１６ｂには電流が供給されないようになっている。また、コントローラ２の異常時には、接続用リレー１６ｄへの信号が停止し、接続用リレー１６ｄは閉状態となる。これにより、コイル部材１６ｂに補助電源１６ｃから電流が供給されるようになり、励磁作動型であるコイル部材１６ｂは閉状態隣、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが接合するようになっている。従って、後述するが、異常時に短絡制動装置２１が作動すると、風車１１が停止するようになっている。

上記の回転軸クラッチ１６を介して回転駆動力が伝達される第２回転軸部材１７には、三相交流方式等の発電機１９（発電手段）が設けられている。発電機１９は、第２回転軸部材１７の回転速度に応じた交流電力を出力するようになっている。発電機１９の出力側には、短絡制動装置２１が接続されている。短絡制動装置２１は、３つの短絡用リレー２２を有している。発電機１９は、上述したように三相交流方式であり、各短絡用リレー２２は、発電機１９の各端子に接続されている。短絡用リレー２２は、コントローラ２からの通電によりスイッチ部を開状態とし、コントローラ２からの通電が停止されたときにスイッチ部を閉状態とすることによって、コントローラ２の故障等の異常時に発電機１９の出力側を短絡させるようになっている。スイッチ部を閉状態とすることにより、短絡制動装置２１は、発電機１９に大きな負荷を発生させることよって、風車羽根１２の回転を停止させるようになっている。

さらに、第２回転軸部材１７の下端部には、回転支持機構１４を手動操作で固定する停止装置２０が設けられている。停止装置２０は、第２回転軸部材１７に取り付けられた環状部材２０ａと、環状部材２０ａの外周面に接離可能に設けられた押圧部材２０ｂとを有している。押圧部材２０ｂは、一部が図示しない架台や敷地面等の固定部に設置されている。そして、停止装置２０は、押圧部材２０ｂを手動操作で環状部材２０ａに押し付けることによって、大きなブレーキ力により第２回転軸部材１７を固定し、結果として回転支持機構１４の回転を完全に停止するようになっている。尚、停止装置２０は、後述の操作表示器３の操作指示により自動で作動するように構成されていても良い。

上記のように構成された風力発電装置本体１は、コントローラ２に接続されている。コントローラ２は、図１に示すように、風力発電装置を制御する制御部３１と、風力発電装置本体１の発電機１９から出力された交流電力を直流電力に整流する整流部３２とを有している。制御部３１は、回転速度入力部４１とクラッチ駆動部４２（クラッチ制御手段）と短絡駆動部４３とを有している。これらの各部４１〜４３は、上述の風力発電装置本体１における回転速度検出器１８と回転軸クラッチ１６と短絡制動装置２１とにそれぞれ接続されている。

回転速度入力部４１は、回転速度検出器１８からの回転速度信号を信号処理に適した信号形態に変換する機能を有している。短絡駆動部４３は、通常動作時に短絡制動装置２１の短絡用リレー２２に駆動信号を出力することによって、異常時に発電機１９を短絡状態にさせる機能を有している。

クラッチ駆動部４２は、回転軸クラッチ１６にクラッチ駆動信号を出力することによって、回転軸クラッチ１６を作動状態を制御する。即ち、クラッチ作動電流を回転軸クラッチ１６に供給することにより、図２の第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７との連結力を弱めたり、解消するように制御する機能を有している。回転軸クラッチ１６の制御方法については後に詳述する。

また、コントローラ２は、補助充電作動部４４と充電制御駆動部４５とインバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部４６と操作表示入出力部４７とを有していると共に、各部４１〜４７を監視および制御する演算処理部５１を有している。尚、演算処理部５１の詳細については後述する。補充充電作動部４４は、図示しない補助充電器と、商業用や工業用の電源７１とに接続されており、バッテリ４が風力発電装置本体１から充分に充電されないときに作動し、バッテリ４に補助電力を充電する。

上記の補助充電器７により補助的に充電されるバッテリ４は、図１に示すように、コントローラ２の整流部３２にも接続されている。整流部３２は、風力発電装置本体１の発電機１９からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ４に充電するように構成されている。

即ち、整流部３２は、図２に示すように、発電機１９に接続されたブリッジダイオード３３と、ブリッジダイオード３３のアノード側およびカソード側に並列接続された充電コンデンサ３４と、充電コンデンサ３４よりも下流側であってブリッジダイオード３３と同方向に並列接続されたダイオード３５と、充電コンデンサ３４とダイオード３５との間に設けられ、電流の通過と遮断とを切替え制御する充電制御部３６と、ダイオード３５よりも下流側に設けられたコイル３７とを有している。上記の充電制御部３６は、トランジスタ等の半導体スイッチからなっており、図１の充電制御駆動部４５に接続されている。充電制御駆動部４５は、充電制御信号を出力することによって、ブリッジダイオード３３からダイオード３５への通電時間を制御するようになっている。そして、このように構成された整流部３２は、バッテリ４およびインバータ５に接続されており、充電制御部３６で制御された通電時間に応じた充電電圧の電力をバッテリ４に充電するようになっている。

また、整流部３２は、図１に示すように、発電機１９から入力される交流電力の発電機電圧を検出する発電機電圧検出器３８と、バッテリ４に充電する充電電圧を検出する充電電圧検出器３９とを有している。これらの電圧検出器３８・３９は、演算処理部５１に接続されており、検出した電圧をそれぞれ演算処理部５１に出力する。

また、上記の充電制御駆動部４５と同様に演算処理部５１に接続されたインバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部４６は、インバータ５に接続されている。インバータ５は、バッテリ４に充電された直流電力を例えば家庭用の交流電力に変換して外部負荷６に出力する出力機能と、インバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部４６からの信号により出力機能の作動および停止を切替える機能とを有している。

さらに、演算処理部５１に接続された操作表示入出力部４７は、操作表示器３に着脱可能に接続されている。操作表示器３は、７セグメントＬＥＤやＬＣＤ等の表示部６１と表示切替スイッチ６３とを有している。表示部６１は、風力発電装置の動作状態を文字や数値により表示するように構成されている。尚、動作状態とは、風速（回転支持機構１４の回転速度）や発電機電圧、充電電圧（バッテリ電圧）、各部の作動状態等をいう。

表示切替スイッチ６３は、表示部６１における動作状態の表示を手動操作で切替え可能に設定する。また、操作表示器３は、図示しない演算部や記憶部等を備えた制御部を有している。制御部は、操作表示器３自体を制御する機能に加えて、コントローラ２の演算処理部５１に対して所定の動作状態の送信を指示する機能や、演算処理部５１が備えた各種機能の実行を選択する機能等をプログラムの形態で有している。尚、操作表示器３における各機構は、プログラムのソフトウエア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。尚、操作表示器３は、バッテリ４の充電電圧が設定値未満となったときにインバータ５の出力を停止させる出力停止モードと、常にインバータ５の出力を維持させる出力維持モードとを手動操作で切替え可能に設定するモード切替スイッチを備えていてもよい。

また、コントローラ２の演算処理部５１においても、図示しない演算部や記憶部を有しており、風力発電装置を制御する各種の機能をプログラムの形態で有している。尚、各機能は、プログラムのソフトウエア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。

即ち、演算処理部５１は、補助充電処理機能や異常運転制動機能、回転増速機能、低電圧充電機能等を有している。補助充電処理機能は、充電電圧検出器３９により検出された充電電圧を監視し、充電電圧が第１所定値未満となったときに、補助充電器７によるバッテリ４への補助電力の充電を許可する機能である。

異常運転制動機能は、正常運転時に短絡制動装置２１の短絡用リレー２２に通電して開状態とすることにより発電機１９の交流電力をブリッジダイオード３３に供給可能にし、異常運転により通電が停止したときに発電機１９の出力を短絡させることにより発電機１９に制動力を発生させる機能である。

回転増速機能は、風力の低下により回転支持機構１４の回転速度が第２所定値未満となったときに、回転軸クラッチ１６の連結状態を解放して第１回転軸部材１５のみを回転自在にし、第１回転軸部材１５の回転速度が一定値以上にまで増速したときに回転軸クラッチ１６の連結状態を回復させる機能である。

低電圧充電機能は、回転支持機構１４の回転速度が第３所定値以上のときは充電制御部３６をＯＮ状態とＯＦＦ状態とに切替える充電制御を行い、回転速度が第３所定値未満に低下したときに、充電制御部３６をＯＮ状態に維持する機能である。

次に、上記の構成において、風力発電装置の動作について説明する。

一般的な運転停止時においては、図２に示すように、励磁作動型の回転軸クラッチ１６に対する通電されることによって、回転軸クラッチ１６が強固な連結状態とされる。これにより、回転支持機構１４の第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが回転軸クラッチ１６により一体化される。また、短絡制動装置２１の短絡用リレー２２に対する通電が停止されることによって、発電機１９が短絡状態にされる。これにより、発電機１９の作動に大きな負荷を要する状態にされる。この結果、風により大きな回転駆動力が回転支持機構１４に付与された場合でも、回転支持機構１４が発電機１９を高速で回転させて作動させる程、大きな負荷が回転支持機構１４の回転に対する制動力として作用することによって、回転支持機構１４の高速の回転が禁止される。

さらに、強風時や点検時等のように特別の運転停止時においては、停止装置２０におけるブレーキ力を発生させる。そして、回転支持機構１４の第２回転軸部材１７を固定することによって、回転支持機構１４の回転を完全に停止させる。

次に、運転時においては、必要に応じて操作表示器３がコントローラ２に接続された後、コントローラ２および操作表示器３に電源が投入される。コントローラ２においては、運転開始時は、回転軸クラッチ１６には通電しない。これにより、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが隔離した状態、即ち、第１回転軸部材１５が第２回転軸部材１７に対して回転自在な状態になるため、風車羽根１２に弱い風が当たっただけでも、第１回転軸部材１５が急速に回転速度を増大させることが可能になる。また、短絡制動装置２１に通電されることによって、発電機１９の短絡状態が解除され、発電機１９で発電された交流電力がコントローラ２に供給可能にされる。一方、操作表示器３においては、制御部３１の動作状態、即ち、例えば第１回転軸部材１５の回転速度が数値等で表示される。

ここで、運転開始時における回転軸部材１６の作動方法について詳述する。図３（ａ）に示すように、風車１１の回転速度Ｎが増加するに従って得られる回転駆動力が大きくなる。つまり、得られる電力が大きくなる。従来は、図３（ｂ）に示すように、一度回転軸クラッチ１６にクラッチ作動電流を供給すると、常に、一定量のクラッチ作動電流を通電しており、増大なクラッチ作動電流が必要となる。この場合、例えば風力が弱い場合には、回転速度Ｎはゆっくりと増大するため、充電する電圧を得られるには長い時間を有する。このため、回転軸クラッチ１６にクラッチ作動を常に供給しつづけていると、発電により得られる電力量と消費する電力量との大差がなくなり、効果的でなくなる。

また、図３（ｃ）に示すように、回転軸クラッチ１６の作動時にのみ、大きなクラッチ作動電流を供給し、回転軸クラッチ１６の作動後、クラッチ作動電流の供給量を減少させた場合、回転速度Ｎが増大すると、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが互いに滑るようになる。これは、回転速度Ｎが増大すると、第１回転軸部材１５の回転力も大きくなり、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とを接合しているクラッチ板１６ａ・１６ａ同士の間に働く摩擦力よりも大きくなることに起因している。

このため、本実施の形態では、まず、図４のＳ４０１において、回転速度検出器１８が、第１回転軸部材１５の回転速度Ｎを検出し、Ｓ４０２に移行し、回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１以上となっているか否かを判断する。回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１以上でない場合（Ｓ４０２：Ｎｏ）、Ｓ４０１に戻り、回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１以上となるまで繰り返す。つまり、第１回転軸部材１５は無負荷の状態で回転し、回転速度Ｎが増大可能な状態となっている。回転速度Ｎが所定の回転速度Ｎ１以上の場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、Ｓ４０３に移行し、回転軸クラッチ１６にクラッチ作動電流を供給する。このとき、図３（ｄ）に示すように、回転軸クラッチ１６のクラッチ板１６ａ・１６ａ同士が確実に接合するように、最大クラッチ作動電流を供給する。尚、回転速度Ｎ１は、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが一体となっても、つまり、接合することによる負荷が発生しても、回転が停止しない回転速度である。

所定時間電流をコイル部材１６ｂに供給した後、Ｓ４０４において、０とならないように電流を減少させる。このとき、電流を減少させても、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とは、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の摩擦力により一体となって回転する。風車１１の回転速度Ｎが上昇するとともに、Ｓ４０５において、供給する電流も増大させる。回転速度の増加とともにクラッチ作動電流を増大することで、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが一体となって回転するようになる。

尚、クラッチ作動電流の増大させる大きさは、図１の演算処理部５１内で決定される。クラッチ板１６ａ・１６ａの間に働く摩擦力と第１回転軸部材１５の回転力とが平衡状態のとき、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが一体となって回転する。上述したように、第１回転軸部材１５の回転速度Ｎの増加すると回転力の大きさも増加するため、力の平衡状態を保つために、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の摩擦力を大きくすればよい。つまり、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の接合力を大きくすればよく、即ち、回転軸クラッチ１６に供給するクラッチ作動電流を大きくすればよい。

従って、演算処理部５１内では、まず第１回転軸部材１５の各回転速度Ｎに対する回転力を求め、その回転力と平衡状態となる摩擦力、つまり、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士の接合力を求める。そして、かかる接合力を得るためのクラッチ作動電流の供給量を求める。導出した回転速度Ｎとクラッチ作動電流との関係式を導き、図３（ｄ）のように、クラッチ駆動部４２はこの式に従って、回転速度Ｎの増加と共に、クラッチ作動電流を増大させる。

次に、コントローラ２は、演算処理部５１において補助充電処理機能や異常運転制動機能、回転増速機能、低電圧充電機能等を発揮するように動作する。

（回転増速機能）
具体的には、第１回転軸部材１５の回転速度が監視される。そして、回転速度が第２所定値に一定値を加えた回転速度以上となったときに、回転軸クラッチ１６への通電が停止されることにより回転軸クラッチ１６の連結状態が回復される。この結果、第１回転軸部材１５のイナーシャが働くことによって、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７との一体化した回転支持機構１４が比較的に高速で回転する。そして、この回転支持機構１４の回転駆動力が発電機１９を作動させ、高電圧の交流電力がコントローラ２に供給される。

また、風が弱い場合は、発電機１９を作動させるときの負荷により回転支持機構１４の回転速度が減少する。回転速度が第２所定値未満に減少したときは、回転軸クラッチ１６の通電が再開され、回転軸クラッチ１６の連結状態を解放して第１回転軸部材１５のみが回転自在にされる。そして、弱い風でも第１回転軸部材１５が短時間で増速可能な状態とし、回転速度が一定以上にまで増速したときに、回転軸クラッチ１６の連結状態が回復されることによって、発電機１９の発電を再開させる。これにより、弱い風の場合でも、間欠的に高電圧の交流電力をコントローラ２に供給することができる。

（低電圧充電機能）
上記のようにしてコントローラ２に供給された交流電力は、ブリッジダイオード３３において全波整流された後、充電コンデンサ３４、ダイオード３５およびコイル３７からなる平滑回路で平滑化され、バッテリ４に充電される。この際、バッテリ４に充電される充電電圧および充電電流は、充電制御部３６により制御されている。即ち、回転支持機構１４の回転速度が第３所定値以上のときは、バッテリ４の定格電圧に対して大幅に高圧な充電電圧で充電されると判断され、充電電圧を低下させるように充電制御部３６をＯＮ状態とＯＦＦ状態とに切替える充電制御が行われる。一方、回転速度が第３所定値未満に低下したときは、バッテリ４の定格電圧に近い充電電圧で充電されると判断され、大きな充電電流でバッテリ４の充電を行うように、充電制御部３６をＯＮ状態に維持する充電制御が行われる。

（補助充電処理機能）
また、バッテリ４への充電中においては、充電電圧検出器３９により検出された充電電圧が監視される。充電電圧が第１所定値未満となったときに、補助充電器７によるバッテリ４への補助電力の充電が許可される。

（異常運転制動機能）
また、図２に示すように、風力発電装置が正常に運転されている場合には、短絡制動装置２１の短絡用リレー２２が通電により開状態にされている。そして、発電機１９の交流電力がブリッジダイオード３３等の整流部３２に供給され、バッテリ４への充電が行われる。一方、部品の消耗や破損等の異常によりコントローラ２が緊急停止した場合には、風力発電装置本体１等に出力中の全ての信号出力が停止する。この結果、短絡制動装置２１の短絡用リレー２２への通電が停止されるため、発電機１９が短絡状態にされる。

また、回転軸クラッチ１６には、上述の補助電源１６ｃが接続されており、コントローラ２が緊急停止した場合には、無励磁動作型である接続用リレー１６ｄが作動し、コイル部材１６ｂには補助電源１６ｃから電流が供給されるようになっている。これにより、回転軸クラッチ１６が励磁作動型であるため、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士が強固な連結状態とされる。従って、回転支持機構１４の第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが回転軸クラッチ１６により一体化される。そして、短絡状態の発電機１９による大きな負荷により回転支持機構１４の回転速度が急速に減速される。

以下、本実施の形態の変形例について説明する。

本実施の形態では、クラッチ作動電流をコイル部材１６ｂに供給した後、減少させて、風車１１の回転速度の上昇と共に、クラッチ作動電流を増大させている。この変形例として、図３（ｅ）に示すように、クラッチ作動電流をステップ状に増大させるようにしてもよい。この場合は、コントロール２内にある図示しないメモリ領域内に、変換テーブルを作成する。そして、テーブル内には、上述した回転速度Ｎとクラッチ作動電流との関係値を記憶させる。このとき、ある回転速度Ｎにおいて、クラッチ板１６ａ・１６ａ同士が滑らない範囲内でクラッチ作動電流の大きさを決定するようにしている。これにより、回転速度Ｎが上昇しても、一定範囲内においては、一定のクラッチ作動電流を供給するようになり、クラッチ作動電流はステップ状に増大するようになる。この場合、一定範囲内で回転速度Ｎが上昇しても、その範囲内では一定のクラッチ作動電流を供給するため、消費量をさらに低減することができ、制御が簡単になる。

以上のように、本実施の形態の電源装置を備えた発電装置は、自然エネルギーにより回転する回転体（風車羽根１２）と回転体とともに回転する回転軸（第１回転軸部材１５）とを有し、自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段（風車１１）と、駆動力により作動して発電する発電手段（発電機１９）と、作動電流に応じたクラッチ力（接合力）で駆動力発生手段の回転軸から発電手段への駆動力の伝達と遮断とを切替える励磁作動型のクラッチ手段（回転軸クラッチ１６）と、回転軸の回転速度を検出する回転速度検出器（回転速度検出器１８）と、回転速度検出器を用いて回転速度を検出した上で回転速度の増大に応じてクラッチ力を増大させるように作動電流を制御しながら前記クラッチ手段に出力するクラッチ制御手段（クラッチ駆動部４２）とを有する構成となっている。

ここで、外部負荷６の各種機器は、風力発電装置のコントローラ２や外部負荷６の冷蔵庫等の電動機器、電灯やエアコン等の光熱機器等を含むものである。自然エネルギーは、風力、太陽電池、水力、波力等の自然界に存在するエネルギーを含むものである。

以上、説明したように、本実施の形態によると、回転軸クラッチ１６に供給するクラッチ作動電流を、第１回転軸部材１５の回転速度に応じて制御するため、クラッチ作動電流の消費量を低減することができる。回転軸クラッチ１６に一定のクラッチ作動電流を供給し続ける場合との対比において、発電に使用するクラッチ作動電流と、発電により得られる電力量との比率が良くなり、効果的に発電をすることができる。つまり、少ない消費量で大きな電力量を得ることができる。

また、本実施の形態によると、自然エネルギーの一種である風力により発電することにより、特に場所を選ばず発電装置を設けることができる。例えば、水力の場合では河川付近などに限定される。そして、風力により回転する風車１１を適用することで、他の構造を用いて発電するよりも、構造を簡単にすることができる。

また、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。

即ち、本実施の形態では、クラッチ作動電流は曲線状もしくはステップ状に増大させているが、これに限定されることはない。第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とが一体となって回転するものであればよい。また、回転軸クラッチ１６の作動開始時には、大きなクラッチ作動電流を供給し、第１回転軸部材１５と第２回転軸部材１７とを確実に接合しているが、クラッチ作動電流の消費量をさらに低減するために、回転軸クラッチ１６の作動開始時から徐々にクラッチ作動電流を供給するようにしてもよい。

また、本実施形態における各機能を実現するプログラムは、記憶部のＲＯＭに予め読み出し専用に書き込まれていても良いし、ＣＤ等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部に書き込まれても良いし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部に書き込まれても良い。

本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

本発明の好適な実施の形態に係る風力発電装置のブロック図である。 本発明の好適な実施の形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。 （ａ）風車の回転速度と回転駆動力との関係を表した図である。（ｂ）（ａ）に表されている風車の回転速度に対して、従来のクラッチ作動電流を回転軸クラッチに供給するタイミングを表した図である。（ｃ）（ａ）に表されている風車の回転速度に対して、従来のクラッチ作動電流を回転軸クラッチに供給するタイミングを表した図である。（ｄ）（ａ）に表されている風車の回転速度に対して、好適な実施の形態に係る、クラッチ作動電流を回転軸クラッチに供給するタイミングを表した図である。（ｅ）（ｄ）の変形例である。 図１に描かれている回転軸クラッチに係る動作を表したフローチャート図である。

符号の説明

１ 風力発電装置本体
２ コントローラ
３ 操作表示器
４ バッテリ
５ インバータ
６ 外部負荷
７ 補助充電器
１１ 風車
１２ 回転羽根
１３ 旋回支持部材
１４ 回転支持機構
１５ 第１回転軸部材
１６ 回転軸クラッチ
１７ 第２回転軸部材
１８ 回転速度検出器
１９ 発電機
２０ 停止装置
３１ 制御部
３２ 整流部
３３ ブリッジダイオード
３４ 充電コンデンサ
３５ ダイオード
３６ 充電制御部
３７ コイル
３８ 発電機電圧検出器
３９ 充電電圧検出器
４１ 入力部
４２ クラッチ駆動部
４３ 短絡駆動部
４４ 補助充電作動部
４５ 充電制御駆動部
４６ インバータＯＮ／ＯＦＦ駆動部
４７ 操作表示入出力部
６１ 表示部
６３ 表示切替えスイッチ
７１ 電源

Claims (4)

1. 自然エネルギーにより回転する回転体と前記回転体とともに回転する回転軸とを有し、自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段と、
   前記駆動力により作動して発電する発電手段と、
   作動電流に応じたクラッチ力で前記駆動力発生手段の回転軸から前記発電手段への駆動力の伝達と遮断とを切替える励磁作動型のクラッチ手段と、
   前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出器と、
   前記回転速度検出器を用いて回転速度を検出した上で回転速度の増大に応じて前記クラッチ力を増大させるように前記作動電流を制御しながら前記クラッチ手段に出力するクラッチ制御手段と
   を有することを特徴とする電源装置を備えた発電装置。
2. 前記クラッチ制御手段が、
   前記クラッチ手段を遮断状態から伝達状態に切替えるときに、起動開始用の大きなクラッチ力を発生させる作動電流を出力することを特徴とする請求項１に記載の電源装置を備えた発電装置。
3. 前記クラッチ制御手段が、
   前記クラッチ力をステップ状に増大させるように、前記作動電流を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置を備えた発電装置。
4. 前記自然エネルギーが風力であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置を備えた発電装置。

Images