JP5832139B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に、幅広い風速域において発電することができる風力発電装置に関する。

近年の地球環境問題に対する関心の高まりや、化石燃料の枯渇に対する懸念等から、再生可能エネルギを利用した電力の発電装置の開発が盛んになりつつある。その中でも、風力発電装置は、風のエネルギを電力に変換するものであり、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、水力発電装置、地熱発電装置などと並んで、再生可能エネルギを利用した発電装置であり、発電時に二酸化炭素を排出しない発電装置として注目を浴びている。

一般に風力発電装置では、一つの風車に対して一つの発電機が設けられ、風を受けた風車において発生された回転駆動力を発電機に伝達し、当該発電機において回転駆動力が電力に変換されている。しかしながら、種々の事情により、一つの風車に対して複数（例えば二つ）の発電機が設けられ、一つの風車において発生された回転駆動力を、歯車などの機構を介して複数の発電機に分割して伝達し、それぞれの発電機において発電を行う構成も知られている（例えば、特許文献１参照。）。

実開平０８−０００２４０号公報

発電容量が大きな発電機が設けられた風力発電装置と比較して、合計の容量が同じ小型の発電機が複数設けられた風力発電装置は、風車を回転させ始める起動トルクが小さいことが知られている。そのため、特許文献１に記載された風力発電装置のように、複数の発電機が設けられた風力発電装置は、同じ発電容量を有する一つの発電機が設けられた風力発電装置よりも、低い風速から風車が回り始め、発電を行うことができる。言い換えるとカットイン風速を低くすることができる。

しかしながら、大きな発電機が設けられた風力発電装置と比較して、小型の発電機が複数設けられた風力発電総は、カットイン風速を低くすることができるとしても限度があり、低い風速の風を十分に利用した発電が行えていないという問題があった。

特に、カットアウト風速を高くした風力発電装置の場合には、高い風速においても効率的に発電を行えるように風力発電装置の全体における発電容量を大きくした設計がなされている。すると、上述のように小型の発電機を複数設けたとしても、風車を回転させる起動トルクを十分に小さくすることができず、低い風速を利用した発電は困難であるという問題があった。言い換えると、従来の風力発電装置では、幅広い風速域において発電を行うことは困難であるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、幅広い風速域において発電す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、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の風力発電装置によれば、風を受けた羽根により回転軸は軸線まわりに回転駆動され、回転軸の回転は伝達部を介して複数の発電機に伝達される。制御部により制御された複数の発電機は、回転軸によって回転駆動されることにより発電を行う。制御部は、羽根に吹き付けられる風の風速、または、回転軸における回転速度に基づいて発電を行う発電機の数を制御している。例えば、風の風速、または、回転軸における回転速度が速くなると発電を行う発電機の数を増やし、風の風速、または、回転速度が遅くなると発電を行う発電機の数を減らす制御を行う。
風の風速または回転軸の回転速度が遅くなって、発電を行う発電機の数を減らす制御を行う場合には、発電を行う発電機の数を増やす制御を行う場合と比較して、速い風速、または、速い回転速度において発電を行う発電機の数を減らす制御を行う。

羽根に吹き付けられる風の風速、または、回転軸の回転速度が速い場合には、回転軸から発電機に伝達される回転トルク等の回転駆動力は、風速または回転速度が遅い場合と比較して大きくなる。そのため、回転駆動力を多くの発電機に分配しても、それぞれの発電機に対して発電を行わせるのに十分な大きさの回転駆動力を供給することができ、風のエネルギを余すことなく電力に変換させることができる。

羽根に吹き付けられる風の風速、または、回転軸の回転速度が遅い場合には、回転軸から発電機に伝達される回転トルク等の回転駆動力は、風速または回転速度が速い場合と比較して小さくなる。そのため、発電を行う発電機の数を減らして、回転軸が発電機に供給する必要がある回転駆動力を小さくすることにより、羽根および回転軸を継続して回転させ続けることができ、発電機による発電を継続させることができる。

さらに、発電を開始することができる最低限の風の風速を遅くする、言い換えると、弱い風でも発電を開始することができる。つまり、複数の発電機の一部により発電を開始することで、全ての発電機により発電を開始する場合と比較して、羽根、回転軸、発電機を回転させ始めるのに必要な起動トルクを小さくすることができる。また、複数の発電機の合計発電容量と同等の発電容量を有する大型発電機を用いて発電を行う場合と比較しても、起動トルクを小さくすることができる。

風の風速または回転軸の回転速度が遅くなる場合には、風速または回転速度が早い段階で発電を行う発電機の数を減らして、羽根、回転軸および発電機を回転させるのに必要な回転駆動力を減少させる。これにより、風の風速が急激に遅くなっても、発電を行う発電機の数が減少され、羽根、回転軸および発電機を回転させるのに必要な回転駆動力は小さくなっているため、羽根、回転軸および発電機が停止することを防止できる。

その一方で、風の風速または回転軸の回転速度が速くなる場合には、風速または回転速度が遅い段階で発電を行う発電機の数を増やして、発電できる発電量である発電容量を増加させる。これにより、風の風速が急激に早くなっても、発電容量に余裕があるため、風のエネルギを余すことなく電力に変換させることができる。

風の風速、または、回転軸の回転速度が速くなる場合であって、一部の発電機で発電を行っている際に、発電を行っている発電機の発電量が、当該発電機の発電容量に対して約半分を超えた時点で、発電を行う発電機の数を増やす制御を行うことが望ましい。このようにすることで、発電容量に近い発電量のときに発電を行う発電機の数を増やす場合と比較して、伝達部における負担が過大になることを防止できる。ここで、発電機における発電容量とは、発電機が発電できる発電量の上限のことである。

伝達部における負担は、発電を行っている発電機における発電量の増減によって変動するとともに、回転軸の軸線を中心とした発電を行う発電機の配置バランスによっても変動する。つまり、個々の発電機における発電量が同じであっても、発電を行う発電機の配置バランスが悪いと、伝達部における負担は大きくなる。そのため、発電を行っている発電機における発電量が小さい段階で、発電を行う発電機の数を増やすことにより、発電を行う発電機の配置バランスを早い段階でよくして、伝達部にかかる負担が過大になることを防止できる。

発電を行う発電機の数を増やす際には、それまで発電を行っていた発電機の発電量を減らして、発電を行う発電機の数を増やし、発電を行う発電機の合計の発電量を増加させることが望ましい。このようにすることで、発電を行っていた発電機の発電量を減らすことなく、発電を行う発電機の数を増やす場合と比較して、伝達部における負担が過大になることを防止できるとともに、電力の配分における負担を小さくすることができる。

発電を行う発電機の数を増やした際に、発電を行っている複数の発電機における発電量の差を早く小さくすることができる。そのため、伝達部における発電機へ伝達させる回転駆動力の大きさのアンバランスを早く改善することができ、伝達部における負担が過大になることを防止できる。また、発電を行っている発電機における発電量を早く均一にすることができるため、発電を行っている発電機が発電すべき電力の分配の偏りを早く解消することができる。

発電を行う複数の発電機の数を増減させることなく、合計の発電量を増減させる場合、複数の発電機のそれぞれの発電量を同等に保ちつつ、合計の発電量を増減させることが望ましい。

このようにすることで、複数の発電機のそれぞれの発電量が大きく異なる場合と比較して、伝達部における負担を減らすことができるとともに、電力の配分における負担を小さくすることができる。

ここで、発電量が同等とは、発電量が完全に同一である場合だけでなく、発電量を同一にしようと発電機を制御した際に必ず発生する差異だけ、発電量が異なっている場合も含むものである。

発電機には、第１発電機と第２発電機とが含まれ、第１発電機は、第２発電機と比較して起動トルクが小さく、風の風速または回転軸の回転速度が遅い時には、第１発電機のみで発電を行い、風速または回転速度が速い時には、第１発電機および第２発電機で発電を行うことが望ましい。

このようにすることで、複数の発電機が同じ場合、つまり起動トルクが同じ場合と比較して、より遅い風の風速または回転軸の回転速度の時から発電を行うことができる。
例えば、風の風速において、３ｍ／ｓから６ｍ／ｓの出現率が高い時には、一部の発電機または第１発電機のみで発電を行い、７ｍ／ｓから８ｍ／ｓの風速が出現し始めたら、全ての発電機または第１発電機および第２発電機で発電を行う。

本発明の風力発電装置によれば、風を受けた羽根により回転軸は軸線まわりに回転駆動され、回転軸の回転は伝達部を介して複数の発電機に伝達され、制御部により制御された複数の発電機は、回転軸によって回転駆動されることにより発電を行う。制御部は、羽根に吹き付けられる風の風速、または、回転軸における回転速度に基づいて発電を行う発電機の数を制御しているため、幅広い風速域において発電することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の概略構成を説明する模式図である。 図１の発電部の構成を説明する斜視図である。 図２の発電部の構成を説明する正面視図である。 図３の発電部の構成を説明するＡ−Ａ線矢視断面図である。 図２の発電部の構成を説明する側面視図である。 図１の風力発電装置における連系部の構成を説明するブロック図である。 図６の制御部による制御内容を説明するグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置における発電機の配置を説明する模式図である。 図８の風力発電装置における連系部の構成を説明するブロック図である。 図９の制御部による制御内容を説明するグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する模式図である。 図１１の連系部における構成を説明するブロック図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置１ついて図１から図７を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る風力発電装置１の概略構成を説明する模式図である。

本実施形態の風力発電装置１は、図１に示すように、垂直軸型風車１０、発電部２０および連系部４０の組合せを複数備えたものであり、出力がＭＷ級の大型水平軸型風車を用いた風力発電装置と比較して小型な（例えば、１台あたりの出力が数十ｋＷから十数ｋＷ程度の）垂直軸型風車１０、発電部２０および連系部４０の組合せを備えたものである。風力発電装置１には、垂直軸型風車１０と、発電部２０と、架台３０と、連系部４０とが主に設けられている。

垂直軸型風車１０は、風を受けて回転駆動力を発生させるものであり、発電部２０に回転駆動力を供給するものである。垂直軸型風車１０には、図１に示すように、シャフト（回転軸）１１と、ブレード（羽根）１２と、アーム１３と、が主に設けられている。

シャフト１１は、垂直軸型風車１０の中心に配置されるものであり、柱状、より具体的には円柱状に形成されたものである。シャフト１１は、架台３０によって、その中心線である回転軸線まわりに回転可能に支持されており、シャフト１１を回転可能に支持する部材としては、ベアリングなど公知の軸受け部材を用いることができる。さらに、垂直軸型風車１０のシャフト１１は、その回転軸線が風の流れ方向に対して交差する方向、例えば垂直方向に延びて配置されている。本実施形態では、シャフト１１が鉛直方向に延びて配置された例に適用して説明する。

ブレード１２は、風を受けてシャフト１１を中心として回転する回転駆動力を発生させるものである。本実施形態では、ブレード１２は、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード１２は、シャフト１１の回転軸線を中心とした同一の円筒面周上に、等間隔に配置されている。さらに、ブレード１２は、翼形における正圧面がシャフト１１側を向き、負圧面がシャフト１１と反対側を向くように配置されている。本実施形態では、３つのブレード１２，１２，１２が１２０°間隔に配置されている例に適用して説明する。

さらに、１本のシャフト１１には、３つのブレード１２の組が２組、合計６つのブレード１２が配置されている。つまり、１本のシャフト１１を長手方向に２分割したうちの一方（シャフト１１の上側部分）に３つのブレード１２の組が配置され、他方（シャフト１１の下側部分）に他の３つのブレード１２の組が配置されている。

下側部分に配置されたブレード１２の組は、上側部分に配置されたブレード１２の組と対比して、ブレード１２が配置される位相（位置）が異なった状態でシャフト１１に取り付けられている。本実施形態では、下側部分に配置されたブレード１２の組は、上側部分に配置されたブレード１２の組と対比して、位相を６０°異ならせて配置されている。このようにすることで、垂直軸型風車１０の起動性を向上させることができる。つまり、風の吹く方向による垂直軸型風車１０における起動性のばらつきを抑えることができる。

アーム１３は、シャフト１１とブレード１２との間に配置された棒状の部材であって、シャフト１１の回転軸線を中心に放射状に配置された部材である。アーム１３は、シャフト１１に対してブレード１２を取り付けて固定するものであり、かつ、風を受けたブレード１２において発生した揚力や抗力などの力をシャフト１１に伝達するものである。１つのブレード１２に対して２本のアーム１３，１３が用いられ、アーム１３は、ブレード１２に対して、ブレード１２における上端側、および下端側に取り付けられ、シャフト１１に対して、上下方向（回転軸線方向）に位置をずらして取り付けられている。

図２は、図１の発電部２０の構成を説明する斜視図である。図３は、図２の発電部２０の構成を説明する正面視図である。図４は、図３の発電部２０の構成を説明するＡ−Ａ線矢視断面図である。図５は、図２の発電部２０の構成を説明する側面視図である。

発電部２０は、図２から図５に示すように、垂直軸型風車１０のシャフト１１によって回転駆動されることにより、発電を行うものである。発電部２０には、シャフト１１から回転が伝えられるギア部（伝達部）２１と、発電を行う２つの発電機２２と、ギア部２１および発電機２２を支持する支持部２３と、が主に設けられている。

ギア部２１は、シャフト１１の回転を発電部２０に伝達するものであり、かつ、シャフト１１の回転速度を発電部２０における発電に適した回転速度に変換するものである。ギア部２１には、シャフト１１に対して同軸に取り付けられた大歯車２１Ａと、発電機２２の回転軸と同軸に取り付けられ、大歯車２１Ａと噛み合わされた小歯車２１Ｂとが設けられている。

大歯車２１Ａは、シャフト１１の下端に取り付けられるとともに、シャフト１１とともに回転可能に支持されたものである。小歯車２１Ｂは、発電機２２の回転軸の端部に取り付けられるとともに、発電機２２の回転軸とともに回転可能とされたものである。大歯車２１Ａおよび小歯車２１Ｂは、互いに噛み合って配置され、大歯車２１Ａの回転が小歯車２１Ｂに伝達されるものである。

本実施形態では、ギア部２１の軽量化を目的として、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維強化樹脂や、ポリエチレンテレフタレートなどのエンジニアリングプラスチックや、ポリフェニレンスルファイドなどのスーパーエンジニアリングプラスチックなど、強度の高い樹脂を用いて大歯車２１Ａや、小歯車２１Ｂが形成されている例に適用して説明する。

さらに、大歯車２１Ａの近傍には、シャフト１１の回転を機械的に規制する機械式ブレーキ１４が設けられている。機械式ブレーキ１４は、シャフト１１に固定された円板部１４Ａと、円板部１４Ａを挟むことでシャフト１１の回転を規制する挟持部１４Ｂとから主に構成されている。

発電機２２は、シャフト１１からギア部２１を介して伝達された回転駆動力に基づいて発電を行うものである。本実施形態では、発電機２２は永久磁石とコイルから構成されたコアレス発電機であり、２つの発電機２２が発電部２０に設けられている例に適用して説明する。２つの発電機２２は、発電容量や大きさ等が同一のものであり、連系部４０により制御されるものである。なお、発電機２２としては、上述のようにコアレス発電機を用いてもよいし、他の形式の発電機を用いてもよく、特に限定するものではない。

支持部２３は、ギア部２１および発電機２２を支持するものであり、２つの発電機２２の間にシャフト１１が配置された状態で、これらのものを支持するものである。言い換えると、同一直線上に、発電機２２、シャフト１１、発電機２２の順に並んで配置された状態で、これらのものを支持するものである）。さらに言い換えると、シャフト１１の軸線を中心として、２つの発電機２２が対象に配置された状態で、これらのものを支持するものである。

支持部２３には、発電機２２を支持する台部２３Ａと、大歯車２１Ａを支持する段部２３Ｂと、大歯車２１Ａを覆う天板部２３Ｃおよび柱部２３Ｄとが、主に設けられている。
台部２３Ａは、発電部２０に設けられた他の部品を支持する板状の部材であり、発電機２２、段部２３Ｂ、柱部２３Ｄが直接取り付けられるものである。段部２３Ｂは、台部２３Ａの略中央に配置されたものであり、台部２３Ａ側から大歯車２１Ａおよびシャフト１１を回転可能に支持するものである。また、シャフト１１に取り付けられた大歯車２１Ａと、発電機２２に取り付けられた小歯車２１Ｂとの相対位置を調節し、両歯車が噛み合うように支持するものでもある。

天板部２３Ｃは、台部２３Ａとの間に大歯車２１Ａが配置されるものであり、大歯車２１Ａを上方から覆う板状の部材である。天板部２３Ｃには、シャフト１１が挿通される貫通孔が形成されている。天板部２３Ｃと台部２３Ａとの間には４本の柱部２３Ｄが配置され、天板部２３Ｃが柱部２３Ｄによって台部２３Ａに固定されている。

架台３０は、少なくとも垂直軸型風車１０および発電部２０からなる組を、複数組、支持するであるとともに、垂直軸型風車１０および発電部２０の周囲を取り囲むトラス構造またはラーメン構造を有するものである。本実施形態では、４組の垂直軸型風車１０および発電部２０を水平方向に直線状に並べた状態で支持する架台３０の例に適用して説明する。架台３０には、支柱３１と、下方支持部３３と、上方支持部３４と、中央支持部３５と、が主に設けられている。

支柱３１は、土台Ｂから架台３０の上端（本実施形態では地面から１１ｍ上方）まで、鉛直方向に延びて配置された柱状の部材であり、架台３０の外形を形成するものである。支柱３１は、垂直軸型風車１０および発電部２０の質量の大半を支えるものであり、地面から上方へ離れた位置で垂直軸型風車１０および発電部２０を支えるものである。支柱３１は柱状の部材であり、１つの垂直軸型風車１０および発電部２０の組を中心として四方に離れた４か所に配置されている。垂直軸型風車１０および発電部２０の組が隣接し、２本の支柱３１が重複する場所では、一方の支柱３１を省略して、残りの１本の支柱３１が共用される。

下方支持部３３は、支柱３１とともに垂直軸型風車１０および発電部２０の質量を支えるものである。下方支持部３３は、地面から所望の距離だけ上方に離れた位置（本実施形態では約２ｍ）において、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台３０を上方から見て、４本の支柱３１を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。本実施形態では、下方支持部３３として、断面がＩ字状やＨ字状に形成された部材が用いられた例に適用して説明する。

上方支持部３４はシャフト１１の上端を回転可能に支持するものである。上方支持部３４は、支柱３１の上端近傍において、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台３０を上方から見て、４本の支柱３１を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。

中央支持部３５はシャフト１１の中央部分を回転可能に支持するものである。中央支持部３５は、下方支持部３３と上方支持部３４との間であって、上下に並んで配置されたブレード１２の間において、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台３０を上方から見て、４本の主支柱３１を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。上方支持部３４とシャフト１１の上端との間、および、中央支持部３５とシャフト１１との間には、シャフト１１を回転軸線まわりに回転可能に支持するベアリングなどの公知の軸受けが配置されている。

図６は、図１の風力発電装置１における連系部４０の構成を説明するブロック図である。
連系部４０は、発電機２２により発電された電力における電圧および周波数を、外部の電力系統（例えば、商用電源）における電圧および周波数に変換するものであり、かつ、発電機２２における発電を制御するものでもある。連系部４０には、図６に示すように、コンバータ部４１と、スイッチ部４２と、パワーコンディショナ４３と、制御部４４と、が主に設けられている。

コンバータ部４１は、発電機２２により発電された交流電力を、直流電力に変換した後、当該直流電力の電圧を所望の電圧を有する直流電力に変換するもの（ＡＣ−ＤＣ−ＤＣコンバータ）である。また、コンバータ部４１は、制御部４４から入力される制御信号に基づいて、発電機２２における発電を制御するものでもある。

スイッチ部４２は、制御部４４から入力される制御信号に基づいて、コンバータ部４１からパワーコンディショナ４３に供給される直流電力量を制御するものである。さらに、スイッチ部４２は、コンバータ部４１からパワーコンディショナ４３に供給される直流電力量を制御することにより、発電機２２に対する負荷を制御して、発電機２２における発電を制御するものである。

パワーコンディショナ４３は、直流電力を所望の周波数を有する交流電力に変換するもの（ＤＣ−ＡＣコンバータ）である。所望の周波数としては、商用電源と同じ５０Ｈzや６０Ｈｚの周波数を例示することができる。

制御部４４は、内蔵された記憶装置に書き込まれた各種のプログラムを読み込み、実行することにより各種の情報の演算処理を行う演算処理装置である。さらに制御部４４は、コンバータ部４１およびスイッチ部４２を制御することにより、外部の電力系統に出力される電力量を制御するとともに、発電部２０における発電を制御するものである。制御部４４には、シャフト１１の回転数速度を測定する回転センサ４５の測定信号が入力され、制御部４４は、測定信号に基づいてコンバータ部４１およびスイッチ部４２を制御する制御信号を生成している。生成された制御信号は、コンバータ部４１およびスイッチ部４２に出力される。

次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電について図１、図２および図６を参照しながら説明する。
まず、風力発電装置１による発電について一般的な内容を説明する。図１に示すように、風力発電装置１の垂直軸型風車１０は、風を受けるとシャフト１１を中心として回転する。具体的には、垂直軸型風車１０のブレード１２は、風を受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト１１を中心として回転する。垂直軸型風車１０が回転し始めると、ブレード１２は風に加えて自らの回転による相対的な空気の流れを受けることにより、揚力を発生してシャフト１１を中心として回転する。

シャフト１１の回転はギア部２１を介して発電機２２に伝達され、発電機２２は伝達された回転駆動力を用いて発電を行う。発電機２２により発電された電力は、外部の電力系統に供給できるように、連系部４０において電圧および周波数が変換される。連系部４０から出力された電力は、外部の電力系統に供給、つまり売電される。その他にも、発電された電力を蓄電池に蓄電してもよいし、電力を消費する設備（例えば、工業設備や商業設備など）に供給してもよい。

次に、本実施形態の特徴である、発電機２２における発電の制御について説明する。具体的には、シャフト１１の回転数に基づいて発電を行う発電機２２の数を増減させる点が本実施形態の風力発電装置１の特徴であり、この点について説明する。図７は、図６の制御部による制御内容を説明するグラフである。

風が止まっている状態から風が吹き始めて徐々に風速が早くなると、風を受けたブレード１２およびシャフト１１は回転し始める（図７の左から右に向かい始める。）。風速が、風力発電装置１において発電が可能となる風速であるカットイン風速を超えると、風力発電装置１において発電が開始される。

制御部４４には回転センサ４５から出力された測定信号が入力され、制御部４４は、測定信号に基づいてシャフト１１の回転速度を推定する。シャフト１１の回転速度が第１閾値未満の場合には、制御部４４は２つの発電機２２のうち、１つで発電を行い、残りの１つでは発電を行わない制御を行う。発電を行わない制御は、スイッチ部４２に対してコンバータ部４１からパワーコンディショナ４３への電流の流れを遮断する制御信号を出力する等により行われる。

ここで第１閾値とは、この回転速度でシャフト１１が回転されている際に発電部２０が発電している発電量が、当該発電部２０の発電容量に対して４０％から６０％までの間の所定値となる値である。

また、発電を行う発電機２２に対して制御部４４は、シャフト１１の回転速度に応じて発電量、言い換えると、外部の電力系統へ供給する電力量を制御する制御信号を出力する。発電量または電力量の制御は、コンバータ部４１における電力の電圧および周波数の変換や、スイッチ部４２における電流の流れを制御することにより行われる。

シャフト１１の回転速度が第１閾値以上になると、制御部４４は、それまで発電を行っていた発電機２２における発電量を減少させる制御を行うとともに、それまで発電を行っていなかった２つ目の発電機２２における発電を開始する制御を行う。２つの発電機２２における合計の発電量は、図７に示すように、回転速度の増加に比例して増加するように制御されている。

最初から発電していた発電機２２における発電量は、２つの発電機２２における発電量が等しくなるまで、回転速度の増加に伴い減少され、途中から発電し始めた発電機２２における発電量は回転速度の増加に伴い増加される制御が行われる。

２つの発電機２２における発電量が等しくなると、その後は、２つの発電機２２に対して、発電量が等しい関係を保ちつつ、回転速度の増加に伴い発電量を増加させる制御が制御部４４によって行われる。

その一方で風が弱くなり、風速が徐々に遅くなると、シャフト１１の回転速度が低下し始める（図７の右から左に向かい始める。）。シャフト１１の回転速度が第２閾値以上の場合には、２つの発電機２２における発電量が等しくなる制御が行われる。シャフト１１の回転速度が第２閾値未満に低下すると、回転速度の低下に伴い、１つの発電機２２における発電量が増加されると共に、他の１つの発電機２２における発電量は急激に減少される。２つの発電機２２における合計の発電量は、回転速度の低下に伴い減少するように制御される。

そして、シャフト１１の回転速度が更に低下して、第３閾値未満に低下すると、１つの発電機２２のみで発電が行われ、他の１つの発電機２２では発電を行わない制御が行われる。発電を行う発電機２２における発電量は、回転速度の低下に伴い減少する制御が行われる。ここで、第３閾値は第１閾値よりも大きな値を有するものであり、第２閾値は第３閾値よりも大きな値を有するものである。大小関係は以下の通りとなる。
第１閾値＞第３閾値＞第２閾値。

上記の構成によれば、幅広い風速域において発電することができる。例えば、ブレード１２に吹き付けられる風の風速、または、シャフト１１の回転速度が速い場合には、シャフト１１から発電機２２に伝達される回転トルク等の回転駆動力は、風速または回転速度が遅い場合と比較して大きくなる。そのため、回転駆動力を２つの発電機２２に分配しても、それぞれの発電機２２に対して発電を行わせるのに十分な大きさの回転駆動力を供給することができ、風のエネルギを余すことなく電力に変換させることができる。

逆に、ブレード１２に吹き付けられる風の風速、または、シャフト１１の回転速度が遅い場合には、シャフト１１から発電機２２に伝達される回転トルク等の回転駆動力は、風速または回転速度が速い場合と比較して小さくなる。そのため、発電を行う発電機２２の数を１つに減らして、シャフト１１が発電機２２に供給する必要がある回転駆動力を小さくすることにより、ブレード１２およびシャフト１１を継続して回転させ続けることができ、発電機２２による発電を継続させることができる。

さらに、発電を開始することができる最低限の風の風速を遅くする、言い換えると、弱い風でも発電を開始することができる。つまり、１つの発電機２２により発電を開始することで、２つの発電機２２により発電を開始する場合と比較して、ブレード１２、シャフト１１、発電機２２を回転させ始めるのに必要な起動トルクを小さくすることができる。また、２つの発電機２２の合計発電容量と同等の発電容量を有する大型発電機を用いて発電を行う場合と比較しても、起動トルクを小さくすることができる。

風の風速またはシャフト１１の回転速度が遅くなる場合には、風速または回転速度が早い段階で発電を行う発電機２２の数を減らして、ブレード１２、シャフト１１および発電機２２を回転させるのに必要な回転駆動力を減少させる制御が行われる。これにより、風の風速が急激に遅くなっても、発電を行う発電機２２の数が１つに減らされ、ブレード１２、シャフト１１および発電機２２を回転させるのに必要な回転駆動力が小さくなっているため、ブレード１２、シャフト１１および発電機２２が停止することを防止できる。

その一方で、風の風速またはシャフト１１の回転速度が速くなる場合には、風速または回転速度が遅い段階で発電を行う発電機２２の数を２つに増やして、発電できる発電量である発電容量を増加させる制御が行われる。これにより、風の風速が急激に早くなっても、発電容量に余裕があるため、風のエネルギを余すことなく電力に変換させることができる。

１つの発電機２２で発電を行っている際に、発電を行っている発電機２２の発電量が、当該発電機２２の発電容量に対して４０％から６０％までの間の所定の値を超えた時点で、発電を行う発電機２２の数を２つに増やす制御が行われる。このようにすることで、発電容量に近い発電量のときに発電を行う発電機２２の数を２つに増やす場合と比較して、ギア部２１における負担が過大になることを防止できる。

シャフト１１における負担は、発電を行っている発電機２２における発電量の増減によって変動するとともに、シャフト１１の軸線を中心とした発電を行う発電部の配置バランスによっても変動する。つまり、個々の発電機２２における発電量が同じであっても、発電を行う発電機２２の配置バランスが悪いと、ギア部２１における負担は大きくなる。そのため、発電を行っている発電機２２における発電量が小さい段階で、発電を行う発電機２２の数を１つから２つに増やして配置バランスを早い段階で改善することにより、ギア部２１にかかる負担が過大になることを防止できる。

発電を行う発電機２２の数を１つから２つに増やす際には、それまで発電を行っていた発電機２２における発電量を減らして、発電を行う発電機２２の数を２つに増やし、発電を行う発電機２２の合計の発電量を増加させている。このようにすることで、発電を行っていた発電機２２の発電量を減らすことなく発電を行う発電機２２の数を増やす場合と比較して、ギア部２１における負担が過大になることを防止できるとともに、電力の配分における負担を小さくすることができる。

さらに、発電を行う発電機２２の数を２つに増やした際に、発電を行っている２つの発電機２２における発電量の差を早く小さくできる。そのため、ギア部２１における２つの発電機２２へ伝達する回転駆動力の大きさのアンバランスを早く改善することができ、ギア部２１における負担が過大になることを防止できる。また、発電を行っている発電機２２における発電量を早く均一にすることができるため、発電を行っている発電機２２が発電すべき電力の分配の偏りを早く解消することができる。

発電を行う発電機２２の数を２つから増減させることなく、合計の発電量を増減させる場合、２つの発電機２２のそれぞれの発電量を同等に保ちつつ、合計の発電量を増減させている。このようにすることで、２つの発電機２２のそれぞれの発電量が大きく異なる場合と比較して、ギア部２１における負担を減らすことができるとともに、電力の配分における負担を小さくすることができる。

なお、制御部４４は、コンバータ部４１およびパワーコンディショナ４３に対して最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）を行うことが望ましく、特に、コンバータ部４１およびパワーコンディショナ４３のそれぞれに対して、独立したＭＰＰＴ制御を行うことが好ましい。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図８から図１０を参照して説明する。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、発電容量が異なる第１発電機および第２発電機を備えている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図８から図１０を用いて発電容量が異なる第１発電機および第２発電機を用いた発電について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

図８は、本実施形態に係る風力発電装置１０１における発電機の配置を説明する模式図である。図９は、図８の風力発電装置における連系部１４０の構成を説明するブロック図である。本実施形態の風力発電装置１０１における発電部１２０には、図８に示すように、ギア部２１と、発電を行う２つの第１発電機１２２Ａおよび２つの第２発電機１２２Ｂと、支持部２３（図２など参照。）と、が主に設けられている。

第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂは、共にシャフト１１からギア部２１を介して伝達された回転駆動力に基づいて発電を行うものである。本実施形態では、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂは永久磁石とコイルから構成されたコアレス発電機であり、２つの第１発電機１２２Ａおよび２つの第２発電機１２２Ｂが発電部１２０に設けられている例に適用して説明する。

２つの第１発電機１２２Ａと、２つの第２発電機１２２Ｂとは、シャフト１１の軸線方向（図８の上下方向）に間隔をあけて配置されている。そのため、２つの第１発電機１２２Ａに回転駆動力を伝えるギア部２１と、２つの第２発電機１２２Ｂに回転駆動力を伝えるギア部２１と、が別々に設けられている。

２つの第１発電機１２２Ａは、発電容量や大きさ等が同一のものであり、連系部１４０により制御されるものである。さらに２つの第１発電機１２２Ａは、同一直線上に、第１発電機１２２Ａ、シャフト１１、第１発電機１２２Ａの順に並んで配置されている。

第２発電機１２２Ｂは、第１発電機１２２Ａと比較して発電容量が大きなものである。また、２つの第２発電機１２２Ｂは、発電容量や大きさ等が同一のものであり、連系部１４０により制御されるものである。さらに２つの第２発電機１２２Ｂは、同一直線上に、第２発電機１２２Ｂ、シャフト１１、第２発電機１２２Ｂの順に並んで配置されている。

連系部１４０は、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにより発電された電力における電圧および周波数を、外部の電力系統（例えば、商用電源）における電圧および周波数に変換するものであり、かつ、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける発電を制御するものでもある。連系部１４０には、図９に示すように、コンバータ部４１と、スイッチ部４２と、パワーコンディショナ４３と、制御部１４４と、が主に設けられている。

制御部１４４は、内蔵された記憶装置に書き込まれた各種のプログラムを読み込み、実行することにより各種の情報の演算処理を行う演算処理装置である。さらに制御部１４４は、コンバータ部４１およびスイッチ部４２を制御することにより、外部の電力系統に出力される電力量を制御するとともに、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける発電を制御するものである。制御部１４４には、シャフト１１の回転数速度を測定する回転センサ４５の測定信号が入力され、制御部１４４は、測定信号に基づいてコンバータ部４１およびスイッチ部４２を制御する制御信号を生成している。生成された制御信号は、コンバータ部４１およびスイッチ部４２に出力される。

次に、本実施形態の特徴である、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける発電の制御について説明する。具体的には、シャフト１１の回転数に基づいて発電を行う第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂの発電を制御する点が本実施形態の風力発電装置１０１の特徴であり、この点について説明する。図１０は、図９の制御部による制御内容を説明するグラフである。

風が止まっている状態から風が吹き始めて徐々に風速が早くなると、風を受けたブレード１２およびシャフト１１は回転し始める（図１０の左から右に向かい始める。）。風速が、風力発電装置１０１において発電が可能となる風速であるカットイン風速を超えると、風力発電装置１０１において発電が開始される。

制御部１４４には回転センサ４５から出力された測定信号が入力され、制御部１４４は、測定信号に基づいてシャフト１１の回転速度を推定する。シャフト１１の回転速度が第１閾値未満の場合には、制御部１４４は２つの第１発電機１２２Ａで発電を行い、第２発電機１２２Ｂでは発電を行わない制御を行う。発電を行わない制御は、スイッチ部４２に対してコンバータ部４１からパワーコンディショナ４３への電流の流れを遮断する制御信号を出力する等により行われる。

シャフト１１の回転速度が第１閾値以上になると、制御部１４４は、第１発電機１２２Ａにおける発電量を減少させる制御を行うとともに、それまで発電を行っていなかった第２発電機１２２Ｂにおける発電を開始する制御を行う。第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける合計の発電量は、図１０に示すように、回転速度の増加に比例して増加するように制御されている。

第１発電機１２２Ａにおける発電量は、第２発電機１２２Ｂにおける発電量との比率が、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂの間の発電容量の比率と同じになるまで、回転速度の増加に伴い減少される。その一方で、第２発電機１２２Ｂにおける発電量は、回転速度の増加に伴い増加される。

第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける発電量の比率が、発電容量の比率と等しくなると、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂに対して、発電量の比率を一定に保ちつつ、回転速度の増加に伴い発電量を増加させる制御が制御部１４４によって行われる。

その一方で風が弱くなり、風速が徐々に遅くなると、シャフト１１の回転速度が低下し始める（図１０の右から左に向かい始める。）。シャフト１１の回転速度が第２閾値以上の場合には、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける発電量の比率が、発電容量の比率と等しくなる制御が行われる。シャフト１１の回転速度が第２閾値未満に低下すると、回転速度の低下に伴い、第１発電機１２２Ａにおける発電量が増加されると共に、第２発電機１２２Ｂにおける発電量は急激に減少される。第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂにおける合計の発電量は、回転速度の低下に伴い減少するように制御される。

そして、シャフト１１の回転速度が更に低下して、第３閾値未満に低下すると、第１発電機１２２Ａのみで発電が行われ、第２発電機１２２Ｂでは発電を行わない制御が行われる。第１発電機１２２Ａにおける発電量は、回転速度の低下に伴い減少する制御が行われる。

上記の構成によれば、複数の発電機が同じ場合、つまり起動トルクが同じ場合と比較して、風の風速またはシャフト１１の回転速度が遅い時には、第１発電機１２２Ａのみで発電を行い、風速または回転速度が速い時には、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂで発電を行うため、より遅い風の風速または回転軸の回転速度の時から発電を行うことができる。

例えば、風の風速において、３ｍ／ｓから６ｍ／ｓの出現率が高い時には、第１発電機１２２Ａのみで発電を行い、７ｍ／ｓから８ｍ／ｓの風速が出現し始めたら、第１発電機１２２Ａおよび第２発電機１２２Ｂで発電を行う。

なお、上述の実施形態では２つの第１発電機１２２Ａや、２つの第２発電機１２２Ｂが同時に発電を開始したり、発電を停止したりするように制御された例に適用して説明したが、さらに、第１の実施形態のように、２つの第１発電機１２２Ａの間や、２つの第２発電機１２２Ｂの間で、発電を開始するタイミングや、発電を停止するタイミングを別々に制御してもよい。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図１１および図１２を参照して説明する。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、風速および気象情報に基づいて発電機を制御する点が異なっている。よって、本実施形態においては、図１１および図１２を用いて発電機の制御について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

図１１は、本実施形態に係る風力発電装置２０１の構成を説明する模式図である。図１２は、図１１の連系部２４０における構成を説明するブロック図である。本実施形態の風力発電装置２０１には、図１に示すように、垂直軸型風車１０と、発電部２０と、架台３０と、連系部２４０と、が主に設けられている。

連系部２４０は、発電機２２により発電された電力における電圧および周波数を、外部の電力系統（例えば、商用電源）における電圧および周波数に変換するものであり、かつ、発電機２２における発電を制御するものでもある。連系部２４０には、図１２に示すように、コンバータ部４１と、スイッチ部４２と、パワーコンディショナ４３と、制御部２４４と、通信部２４６と、風速計２４５と、が主に設けられている。

通信部２４６は、インターネットなどの外部の通信網と接続されるインターフェースであり、外部の通信網を介して取得した気象情報に係るデータを制御部２４４に出力するものである。通信部２４６としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

風速計２４５は、ブレード１２に吹き付ける風の風速を測定するものであり、測定した風速の値を測定信号として制御部２４４に向けて出力するものである。本実施形態では、水平軸型のプロペラを有する風速計２４５の例に適用して説明するが、風杯型の風速計であってもよく、その形式を限定するものではない。

次に、本実施形態の特徴である、発電機２２における発電の制御について説明する。具体的には、気象情報および風速に基づいて発電機２２の発電を制御する点が本実施形態の風力発電装置２０１の特徴であり、この点について説明する。

風が止まっている状態から風が吹き始めて徐々に風速が早くなると、風を受けたブレード１２およびシャフト１１は回転し始める。風速が、風力発電装置２０１において発電が可能となる風速であるカットイン風速を超えると、風力発電装置２０１において発電が開始される。

制御部２４４には風速計２４５から出力された測定信号が入力されるとともに、通信部２４６を介して気象情報のデータが入力される。制御部２４４は、測定信号に基づいてシャフト１１の回転速度を推定するとともに、気象情報のデータに基づいて今後の風速の変化を推定し、所定経過後の将来のシャフト１１の回転速度を推定する。推定されたシャフト１１の回転速度が第１閾値未満の場合には、制御部２４４は１つの発電機２２で発電を行い、残りの１つの発電機２２では発電を行わない制御を行う。

推定されたシャフト１１の回転速度が第１閾値以上になると、制御部２４４は、発電を行っている発電機２２における発電量を減少させる制御を行うとともに、それまで発電を行っていなかった発電機２２における発電を開始する制御を行う。２つの発電機２２における合計の発電量は、回転速度の増加に比例して増加するように制御されている。

その一方で風が弱くなり、風速が徐々に遅くなると、シャフト１１の回転速度が低下し始める。推定されたシャフト１１の回転速度が第２閾値以上の場合には、２つの発電機２２における発電量が等しくなる制御が行われる。推定されたシャフト１１の回転速度が第２閾値未満に低下すると、回転速度の低下に伴い、１つの発電機２２における発電量が増加されると共に、他の１つの発電機２２における発電量は急激に減少される。２つの発電機２２における合計の発電量は、回転速度の低下に伴い減少するように制御される。

そして、推定されたシャフト１１の回転速度が更に低下して、第３閾値未満に低下すると、１つの発電機２２のみで発電が行われ、他の１つの発電機２２では発電を行わない制御が行われる。発電を行う発電機２２における発電量は、回転速度の低下に伴い減少する制御が行われる。

上記の構成によれば、ブレード１２に吹き付けられる風の風速を測定した測定信号の他に、気象情報のデータにも基づいて将来のシャフト１１の回転速度を推定するため、風速の変化に追従した発電機２２の制御を行いやすくなる。風の風速を測定した測定信号にのみ基づく方法では、風速の変化を検知してからでなければ、発電機２２の制御を行うことができず、発電機２２の制御が遅れがちになる可能性がある。その一方で、気象情報のデータを加えて発電機２２の制御を行うことにより、将来の風速の変化の傾向を踏まえた制御を行うことができるため、気象情報のデータを用いない場合と比較して、発電機２２の制御が遅れにくくなる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明を、垂直軸型風車を用いた風力発電装置に適用して説明したが、この発明は垂直軸型風車以外にも、水平軸型風車を用いた風力発電装置にも適用できるものである。

１，１０１,２０１…風力発電装置、１１…シャフト（回転軸）、１２…ブレード（羽根）、２１…ギア部（伝達部）、２２…発電機、４４，１４４，２４４…制御部、１２２Ａ…第１発電機、１２２Ｂ…第２発電機

Claims (5)

1. 軸線まわりに回転可能に支持された回転軸と、
   風を受けて前記回転軸を前記軸線まわりに回転させる羽根と、
   回転駆動されることにより発電を行う複数の発電機と、
   前記回転軸の回転を前記複数の発電機に伝達する伝達部と、
   前記複数の発電機における発電を個別に制御し、前記風の風速、または、前記回転軸における回転速度に比例して、発電を行う前記発電機の数を増減させる制御部と、
   が設けられ、
   前記制御部は、前記風の風速、または、前記回転軸の回転速度が遅くなり、発電を行う前記発電機の数を減らす場合には、発電を行う前記発電機の数を増やす場合と比較して、速い前記風速または前記回転速度で発電を行う前記発電機の数を減らす制御を行うことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記制御部は、前記風の風速、または、前記回転軸の回転速度が速くなる場合であって、一部の前記発電機でのみ発電を行っている際に、発電を行っている前記発電機における発電量が、前記発電を行っている発電機における発電容量に対して約半分を超えると、発電を行う前記発電機の数を増やす制御を行うことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記制御部は、発電を行う前記発電機の数を増やす際に、
   それまで発電を行っていた前記発電機における発電量を減少させ、かつ、それまで発電を行っていた前記発電機および新たに発電を開始した前記発電機による合計の発電量は増加させることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
4. 前記制御部は、発電を行う前記発電機の数を一定に保ちつつ複数の前記発電機において発電を行い、かつ、合計の発電量を増減させる場合、
   複数の前記発電機のそれぞれにおける発電量を同等に保ちつつ、前記合計の発電量を増減させる制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
5. 前記発電機には、比較して起動トルクが小さな第１発電機と、起動トルクが大きな第２発電機と、が含まれ、
   前記制御部は、前記風の風速または前記回転軸の回転速度が遅い時には前記第１発電機のみで発電を行わせ、前記風の風速または前記回転軸の回転速度が速い時には、前記第１発電機および前記第２発電機により発電を行わせることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の風力発電装置。

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