JP6509661B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は風力発電装置に関する。

特許文献１には、従来の風力発電装置として、ナセルの長手方向一端側に取り付けた尾翼によって、ナセルの長手方向他端側に取り付けたプロペラが風の主流方向（風向）に対して正面を向くようにしたものが開示されている。

特開２０１３−２３６３号公報

しかしながら、都市部のように建築物が密集しており、また、建築物が複雑に配置された環境では、風の主流成分が弱くなる一方で、乱流成分が非常に強くなる傾向になる。そのため、前述した従来の風力発電装置を都市部に設置した場合には、プロペラが停止したまま、ナセルが一方向に旋回し続けたり、両方向に交互に旋回を繰り返したりするケースが多くなり、風力発電装置において発電が行われる頻度（以下「発電頻度」という。）が低下するという問題点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、風力発電装置の発電頻度の低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、支柱と、支柱に対して旋回自在に取り付けられたナセルと、ナセルの内部に配置され、発電機としての機能を有する回転電機と、ナセルに取り付けられ、風を受けて回転して回転電機の回転軸を回転させて回転電機を発電させるためのプロペラと、ナセルに取り付けられ、風の主流方向に対してプロペラが正面を向くようにナセルを旋回させるための尾翼と、電力を充電するためのバッテリと、を備える風力発電装置が、ナセルの内部に配置された補助交流発電機と、ナセルが旋回したときに補助交流発電機の入力回転軸を回転させて補助交流発電機を発電させるための駆動機構と、回転電機の発電電力に加えて補助交流発電機の発電電力を少なくともバッテリに充電できるように配線された配電部と、をさらに備える。

本発明のこの態様による風力発電装置によれば、発電頻度の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による風力発電装置の概略構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態による風力発電装置の配電部の構成について説明する図である。 図３は、プロペラが停止した状態でナセルが旋回させられたときに配電部を流れる電流の流れを示した図である。 図４は、プロペラが停止した状態でナセルが旋回させられたときに配電部を流れる電流の流れを示した図である。 図５は、プロペラが回転しているときに配電部を流れる電流の流れを示した図である。 図６は、プロペラが回転しているときに配電部を流れる電流の流れを示した図である。 図７は、本発明の第２実施形態による風力発電装置の概略構成図である。 図８は、本発明の第２実施形態による風力発電装置の配電部の概略構成図である。 図９は、本発明の第３実施形態による風力発電装置の概略構成図である。 図１０は、本発明の第４実施形態による風力発電装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による風力発電装置１００の概略構成図である。

本実施形態による風力発電装置１００は、都市部においても設置可能な比較的小型の風力発電装置であって、支柱１と、ナセル２と、プロペラ３と、回転電機４と、尾翼５と、バッテリ６（図２参照）と、を備える。

支柱１は、風力発電装置１００の設置面に配置される設置台１１と、設置台１１から垂直に伸びる中空のシャフト１２と、を備える。支柱１の高さは、例えば数メートルから十数メートル程度である。

ナセル２は、その内部に回転電機４などの機器類を格納する筐体である。ナセル２は、シャフト１２の先端に取り付けられ、シャフト１２によって設置面から適切な高さに支持される。ナセル２の底部には、ナセル２をシャフト１２に取り付けるためのナセル支持軸２１が取り付けられる。ナセル支持軸２１は、ナセル２の底部から設置面に向かってシャフト１２の軸方向と平行に伸びており、シャフト１２の内部に固定された２つの転がり軸受１３ａ，１３ｂによって、シャフト１２に対して回転自在に支持される。このようにナセル２は、シャフト１２の軸心周りに３６０度回転することができるように、シャフト１２の先端に取り付けられている。換言すれば、ナセル２は支柱１に対して旋回自在に取り付けられている。

プロペラ３は、ナセル２の長手方向一端側（図中左側）に配置される。プロペラ３は、風を受けたときに予め定められた方向（時計周り又は反時計周りのいずれか一方向）に回転する２枚のブレード３１と、各ブレード３１の基端部が連結されると共にナセル２に対して回転自在に取り付けられて各ブレード３１と共に回転するハブ３２と、を備える。なおブレード３１の枚数は、２枚に限られるものではなく、少なくとも１枚以上あれば良い。

ハブ３２には、ハブ３２と一体となって回転するハブ回転軸３３が設けられる。ハブ回転軸３３は、ハブ３２からナセル２の内部まで延びており、ナセル２の内部で回転電機４の回転軸４１に直結されている。

回転電機４は、ナセル２の内部に配置される。回転電機４は、電気配線を接続するための正側端子４ａ（図２参照）及び負側端子４ｂ（図２参照）を備える。本実施形態による回転電機４は、回転軸４１に固定されて回転軸４１と一体となって回転するロータにコイルを巻き付け、ロータの周りに回転磁界を発生させる永久磁石からなるステータを配置させた直流電動発電機である。すなわち本実施形態による回転電機４は、正側端子４ａ及び負側端子４ｂの両端子間に外部から直流電圧を印加することで回転軸４１を回転させる（又は回転軸４１にトルクを入力する）電動機としての機能と、回転軸４１をプロペラ３によって回転させることで正側端子４ａ及び負側端子４ｂの両端子間に直流電圧（起電力）を生じさせる発電機としての機能と、を有する。本実施形態において回転電機４を直流電動発電機とした理由については後述する。

尾翼５は、ナセル２の長手方向他端側（図中右側）に取り付けられる。尾翼５は、風力発電装置１００の周囲を流れる風を受けて、その風の主流方向に対してプロペラ３の回転面が正面を向くように、ナセル２を旋回させる。なお本実施形態では、尾翼５とナセル２とを別体とし、尾翼５をナセル２に取り付けるようにしたが、尾翼５とナセル２とを一体としても良い。

バッテリ６（図２参照）は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ６には、風力発電装置１００によって発電された電力が充電される。バッテリ６に充電された電力は、必要に応じて外部の電気部品（外部負荷）などに供給できるようになっている。バッテリ６は、電気配線を接続するための正側端子６ａ（図２参照）及び負側端子６ｂ（図２参照）を備える。本実施形態では、バッテリ６として、無負荷時における、正側端子６ａ及び負側端子６ｂの両端子間の電圧（以下「バッテリ電圧」という。）が約１２[Ｖ]のものを用いているが、バッテリ電圧は１２[Ｖ]のものに限らず任意の電圧のものを用いることができる。

ここで、プロペラ３を停止状態から起動させて回転させるためには、プロペラ３が正面から受ける風の主流成分の風速が、所定の起動風速以上になることが必要である。この起動風速は、風力発電装置自身の機械的抵抗力と、回転電機４のロータとステータとの間で発生する磁気的抵抗力（いわゆるコギングトルク）と、に応じて決まる。すなわち、機械的抵抗力と磁気的抵抗力との総和が、停止した状態のプロペラ３を回転させるために必要な初期トルクとなり、初期トルクが大きくなるほど起動風速も高くなる。

そして、都市部のように建築物が密集しており、また、建築物が複雑に配置された環境では、風の主流成分が弱くなる一方で、乱流成分が非常に強くなる傾向になる。そのため、特許文献１に記載の従来例による風力発電装置を都市部に設置した場合には、風の主流成分の風速が起動風速以上とならずにプロペラ３が停止したまま、尾翼５が風の乱流成分の影響を強く受けてナセル２が一方向に旋回し続けたり、両方向に交互に旋回を繰り返したりするケースが多くなる。その結果、従来例による風力発電装置の場合、発電頻度が低下するという問題がある。

そこで本実施形態では、ナセル２が旋回したときの運動エネルギを電気エネルギに変換できるようにし、この電気エネルギを利用することで、風力発電装置１００の発電頻度の低下を抑制する。そのために本実施形態による風力発電装置１００は、補助交流発電機７と、ナセル２が旋回したときに補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させることができるように構成された駆動機構８と、補助交流発電機７で発電した電力を回転電機４及びバッテリ６に供給することができるように配線された配電部９と、をさらに備える。

補助交流発電機７は、入力回転軸７１に固定されて入力回転軸７１と一体となって回転するロータの内部に複数の永久磁石を埋設し、コイルを巻き付けたステータをロータの周りに配置させた単相同期交流発電機である。補助交流発電機７は、その入力回転軸７１がシャフト１２の軸方向と平行となるようにナセル２の内部に配置される。入力回転軸７１は、その一端部側がナセル２の底部からナセル２の外部に突出している。そして、その入力回転軸７１の一端部には、駆動機構８の一部である第２歯車８２が取り付けられる。補助交流発電機７は、ナセル２が旋回して入力回転軸７１が駆動機構８によって回転させられると、入力回転軸７１の回転速度に応じた交流電圧（起電力）を、第１出力端子７ａ（図２参照）及び第２出力端子７ｂ（図２参照）の両端子間に生じさせる。

駆動機構８は、支柱１の外周に固定された第１歯車８１と、補助交流発電機７の入力回転軸７１に設けられて第１歯車８１と噛み合う第２歯車８２と、を備える。第１歯車８１及び第２歯車８２は、それぞれ外歯歯車である。第１歯車８１の歯数は、第２歯車８２の歯数よりも多い。

第１歯車８１は、支柱１の外周に固定されて回転できないようになっているので、尾翼５が風を受けてナセル２が旋回させられると、第２歯車８２が自転しながら第１歯車８１の周りをナセル２の旋回方向に公転することになる。これにより、ナセル２が旋回したときに補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転し、補助交流発電機７の第１出力端子７ａ及び第２出力端子７ｂの両端子間に交流電圧が印加される。なお本実施形態では、駆動機構８をナセル２の外部に設けているが、ナセル２の内部に設けるようにしても良い。

配電部９については、図２も参照して説明する。図２は、本実施形態による配電部９の概略構成図である。

図２に示すように、配電部９は、整流器９０と、第１交流配線９１ａと、第２交流配線９１ｂと、正側直流配線９２ａと、負側直流配線９２ｂと、正側直流分岐配線９３ａと、負側直流分岐配線９３ｂと、正側電力取出配線９４ａと、負側電力取出配線９４ｂと、を備える。

整流器９０は、交流を整流して直流にする電子部品である。本実施形態による整流器９０は、４つのダイオードによってブリッジ回路を構成することで単相交流を全波整流するブリッジダイオードであり、第１交流入力端子９０１ａと、第２交流入力端子９０１ｂと、正側直流端子９０２ａと、負側直流端子９０２ｂと、を備える。第１交流入力端子９０１ａ及び第２交流入力端子９０１ｂの両端子間に交流電圧が印加されると、正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に、印加された交流電圧に応じた直流電圧が生じる。

第１交流配線９１ａは、補助交流発電機７の第１出力端子７ａと、整流器９０の第１交流入力端子９０１ａとを電気的に接続する。第２交流配線９１ｂは、補助交流発電機７の第２出力端子７ｂと、整流器９０の第２交流入力端子９０１ｂとを電気的に接続する。

正側直流配線９２ａは、整流器９０の正側直流端子９０２ａと、回転電機４の正側端子４ａとを電気的に接続する。負側直流配線９２ｂは、整流器９０の負側直流端子９０２ｂと、回転電機４の負側端子４ｂとを電気的に接続する。このように正側直流配線９２ａ及び負側直流配線９２ｂは、回転電機４が電動機として機能したときに、回転電機４の回転軸４１の回転方向と、プロペラ３の回転方向とが一致するように、整流器９０の各直流端子９０２ａ，９０２ｂと回転電機４の各端子４ａ，４ｂとを電気的に接続する。

正側直流分岐配線９３ａは、正側直流配線９２ａから分岐してナセル支持軸２１の内部に軸方向に形成された空間内を通り（図１参照）、ナセル支持軸２１に取り付けられたスリップリング２２を介してバッテリ６の正側端子６ａに電気的に接続される。正側直流分岐配線９３ａには、バッテリ６からの電流が回転電機４に流れないように、逆流防止ダイオード９３１が設けられる。負側直流分岐配線９３ｂは、負側直流配線９２ｂから分岐してナセル支持軸２１の内部に軸方向に形成された空間内を通り、ナセル支持軸２１に取り付けられたスリップリング２２を介してバッテリ６の負側端子６ｂに電気的に接続される。

正側電力取出配線９４ａは、逆流防止ダイオード９３１とバッテリ６との間の正側直流分岐配線９３ａからさらに分岐する配線である。負側電力取出配線９４ｂは、スリップリング２２とバッテリ６との間の負側直流分岐配線９３ｂからさらに分岐する配線である。バッテリ６に充電された電力は、この正側電力取出配線９４ａ及び負側電力取出配線９４ｂを介して必要に応じて取り出され、外部の電気部品（外部負荷）などに供給される。

次に、図３から図６を参照して本実施形態による風力発電装置１００の動作について説明する。

まず図３及び図４を参照して、プロペラ３が停止した状態でナセル２が旋回させられたときの風力発電装置１００の動作について説明する。図３及び図４は、それぞれプロペラ３が停止した状態でナセル２が旋回させられたときに配電部９を流れる電流の流れを示した図である。

プロペラ３が停止しているときに尾翼５が風の乱流成分を受けてナセル２が旋回させられると、駆動機構８によって補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられる。これにより、補助交流発電機７で発電が行われ、整流器９０の第１交流入力端子９０１ａ及び第２交流入力端子９０１ｂの両端子間に交流電圧が印加される。その結果、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に直流電圧が生じる。整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧は、補助交流発電機７の入力回転軸７１の回転速度が高くなるほど高くなる。

プロペラ３が停止しているときに補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に直流電圧が生じると、この直流電圧が回転電機４の正側端子４ａ及び負側端子４ｂの両端子間に印加され、回転電機４が電動機として機能する。すなわち回転電機４の回転軸４１に対して、回転電機４の両端子間に印加された直流電圧の大きさに応じたトルク（以下「アシストトルク」という。）を入力することができる。そのため、このアシストトルクの分だけ、停止した状態のプロペラ３を回転させるために必要な初期トルクが小さくなるので、補助交流発電機７による発電が実施されていない場合と比べて起動風速を下げることができる。

このとき、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧がバッテリ電圧以下のときは、図３に矢印で示すように正側直流分岐配線９３ａには電流が流れず、補助交流発電機７の発電電力はバッテリ６に充電されない。一方で、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなると、図４に矢印で示すように正側直流分岐配線９３ａにも電流が流れ始めるようになり、補助交流発電機７の発電電力の一部がバッテリ６に充電されるようになる。

このように、プロペラ３が停止しているときに補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられた場合は、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧がバッテリ電圧以下であれば（図３）、補助交流発電機７の発電電力によって回転電機４が電動機として機能し、回転電機４の回転軸４１にアシストトルクを入力することができる。そして、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧がバッテリ電圧よりも高ければ（図４）、補助交流発電機７の発電電力の一部をバッテリ６に充電しつつ、残りの発電電力によって回転電機４を電動機として機能させて、回転電機４の回転軸４１にアシストトルクを入力することができる。

したがって本実施形態による風力発電装置１００によれば、例えば風の主流成分が弱く、一方で乱流成分が強くて通常であればプロペラ３が停止したままナセル２が旋回し続けるようなシーンにおいて、起動風速を低減することができるので、プロペラ３を停止状態から起動させ、プロペラ３を回転状態にできる頻度を増加させることができる。結果として、風力によって回転電機４の回転軸４１を回転させて、回転電機４によって発電を行うことができる頻度を増加させることができる。よって、風力発電装置１００による発電頻度を増加させ、ひいては風力発電装置１００による発電量を増加させることができる。

また、仮にプロペラ３を回転させることができなかったとしても、ナセル２が旋回することによって補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられ、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じた直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなったときには、補助交流発電機７の発電電力の一部をバッテリ６に充電することができる。すなわち、プロペラ３を回転させて回転電機４によって発電を行うことができなくても、補助交流発電機７によって発電が行うことができる場合がある。よって、風力発電装置１００による発電頻度を増加させ、ひいては風力発電装置１００による発電量を増加させることができる。

次に図５及び図６を参照して、プロペラ３が回転しているときの風力発電装置１００の動作について説明する。図５及び図６は、それぞれプロペラ３が回転しているときに配電部９を流れる電流の流れを示した図である。

風の主流成分の風速が、アシストトルクの分だけ低下した起動風速以上になると、プロペラ３が回転し始め、ハブ回転軸３３、ひいては回転電機４の回転軸４１の回転速度が徐々に増加していく。そして、回転電機４の回転軸４１の回転速度がある回転速度よりも高くなり、回転電機４の正側端子４ａ及び負側端子４ｂの両端子間に生じる直流電圧（起電力）がバッテリ電圧よりも高くなると、図５に矢印で示すように、回転電機４から正側直流分岐配線９３ａに電流が流れ始めるようになる。すなわち、回転電機４が発電機として機能するようになって、回転電機４によって発電された電力がバッテリ６に充電されるようになる。

なお、回転電機４が発電機として機能しているときに、補助交流発電機７でも発電が行われた場合は、回転電機４と補助交流発電機７とが並列に接続された状態でそれぞれが発電を行うことになる。そのため、補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間にバッテリ電圧よりも高い電圧が生じると、図６に矢印で示すように、補助交流発電機７側からも正側直流分岐配線９３ａに電流が流れ始めるようになり、回転電機４の発電電力に加えて、補助交流発電機７の発電電力がバッテリ６に充電されるようになる。

このように、プロペラ３が回転して回転電機４の回転軸４１が風力によって回転させられている場合は、回転電機４の正側端子４ａ及び負側端子４ｂの両端子間に生じる直流電圧（起電力）がバッテリ電圧より高くなったときに、回転電機４を発電機として機能させて、回転電機４の発電電力をバッテリ６に充電することができる。また、回転電機４が発電機として機能している場合に、補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間にも直流電圧が生じたときは、当該直流電圧がバッテリ電圧よりも高ければ、回転電機４の発電電力に加えて、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６に充電することができる。したがって本実施形態による風力発電装置１００によれば、回転電機４のみ備える風力発電装置と比較して、風力発電装置１００による発電量を増加させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、支柱１と、支柱１に対して旋回自在に取り付けられたナセル２と、ナセル２の内部に配置され、発電機としての機能を有する回転電機４と、ナセル２に取り付けられ、風を受けて回転して回転電機４の回転軸４１を回転させて回転電機４を発電させるためのプロペラ３と、ナセル２に取り付けられ、風の主流方向に対してプロペラ３が正面を向くようにナセル２を旋回させるための尾翼５と、電力を充電するためのバッテリ６と、を備える風力発電装置１００が、ナセル２の内部に配置された補助交流発電機７と、ナセル２が旋回したときに、補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させて補助交流発電機７を発電させるための駆動機構８と、回転電機４の発電電力に加えて補助交流発電機７の発電電力を少なくともバッテリ６に充電できるように配線された配電部９と、をさらに備える。

そのため、ナセル２が旋回したときに補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させて補助交流発電機７を発電させ、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６に充電することができる。したがって、プロペラ３を回転させて回転電機４によって発電を行うことができなくても、補助交流発電機７によって発電が行うことができる場合がある。そのため、風力発電装置１００による発電頻度の低下を抑制することができ、ひいては風力発電装置１００の発電量を増加させることができる。

また本実施形態では、回転電機４を、発電機としての機能を有すると共に電力供給を受けることにより電動機としても機能する直流電動発電機とした。そして配電部９は、補助交流発電機７の発電電力を、バッテリ６に加えて回転電機４にも供給することができるように配線されている。具体的には配電部９は、交流側端子（第１交流入力端子９０１ａ及び第２交流入力端子９０１ｂ）と直流側端子（正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂ）とを備え、交流電流を整流して直流電流にする整流器９０と、整流器９０の交流側端子と補助交流発電機７とを電気的に接続する第１電力線（第１交流配線９１ａ及び第２交流配線９１ｂ）と、整流器９０の直流側端子と回転電機４とを電気的に接続し、補助交流発電機７の発電電力を回転電機４に供給して回転電機４を電動機として機能させるための第２電力線（正側直流配線９２ａ及び負側直流配線９２ｂ）と、第２電力線から分岐してバッテリ６に電気的に接続され、回転電機４の発電電力と補助交流発電機７の発電電力とをバッテリ６に充電するための第３電力線（正側直流分岐配線９３ａ及び負側直流分岐配線９３ｂ）と、を備える。

そのため、プロペラ３が停止しているときに補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて整流器９０の直流側端子間に直流電圧が生じると、この直流電圧が回転電機４に印加され、回転電機４が電動機として機能する。すなわち回転電機４の回転軸４１に対して、回転電機４に印加された直流電圧の大きさに応じたアシストトルクを入力することができる。したがって、このアシストトルクの分だけ、停止した状態のプロペラ３を回転させるために必要な初期トルクが小さくなるので、補助交流発電機７による発電が実施されていない場合と比べて起動風速を低減することができる。

起動風速を低減することで、プロペラ３を停止状態から起動させて回転させることのできる頻度を増加させることができる。結果として、プロペラ３を回転させて回転電機４によって発電を行うことができる頻度を増加させることができる。よって、風力発電装置１００による発電頻度の低下を抑制でき、ひいては風力発電装置１００による発電量を増加させることができる。

また本実施形態では、回転電機４を直流電動発電機とすることで、以下のような効果も得ることができる。すなわち、従来から起動風速を下げるために、回転電機４としてコギングトルクを小さくした発電機を使用するものがあるが、このようなコギングトルクを小さくした発電機は一般的に交流発電機である。交流発電機を外部からの電力供給により電動機として機能させるためには、整流器９０によって整流された直流電流を、さらに交流に変換して交流発電機に供給するためのインバータや、当該インバータを制御するための制御装置などが必要となる。そのため、風力発電装置１００（特に配電部９）の構成が複雑になると共に風力発電装置１００の大型化を招く。

これに対し、回転電機４を直流電動発電機とすれば、回転電機４を電動機として機能させるにあたって、インバータや制御装置などが不要となり、風力発電装置１００の構成を簡素化でき、風力発電装置１００の小型化を図ることができる。

したがって、本実施形態のように回転電機４を直流電動発電機とし、補助交流発電機７の発電電力を、バッテリ６に加えて回転電機４にも供給することができるように配電部９を構成することで、風力発電装置１００の小型化を図りつつ、起動風速を低下させてプロペラ３を停止状態から起動させて回転させることのできる頻度を増加させることができる。

（第２実施形態）
次に、図７及び図８を参照して、本発明の第２実施形態による風力発電装置１００について説明する。本実施形態による風力発電装置１００は、回転電機４を交流発電機とし、補助交流発電機７の発電電力がバッテリ６にのみ供給されるように配線した配電部９を備える点で第１実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。

図７は、本実施形態による風力発電装置１００の概略構成図である。図８は、本実施形態による風力発電装置１００の配電部９の概略構成図である。

本実施形態による回転電機４は交流発電機である。特に本実施形態では、入力回転軸７１に固定されて入力回転軸７１と一体となって回転するロータの内部に複数の永久磁石を埋設し、コイルを巻き付けたステータをロータの周りに配置させた単相同期交流発電機を回転電機４として使用している。しかしながら、単相に限らず多相の交流発電機を回転電機４として使用しても良いし、同期型に限らず誘導型の交流発電機を回転電機４として使用しても良い。

そして本実施形態では、図８に示すように、補助交流発電機７の発電電力がバッテリ６にのみ供給されるように配電部９が構成されている。具体的には、配電部９は、第１実施形態と同様の機能を有する整流器９０、第１交流配線９１ａ、第２交流配線９１ｂ、正側電力取出配線９４ａ及び負側電力取出配線９４ｂを備える。そして本実施形態による配電部９は、第１正側直流配線９５ａと、第１負側直流配線９５ｂと、第２整流器９６と、第３交流配線９７ａと、第４交流配線９７ｂと、第２正側直流配線９８ａと、第２負側直流配線９８ｂと、をさらに備える。なお本実施形態では、「整流器９０」と第２整流器９６とを区別するために、「整流器９０」のことを「第１整流器９０」という。

第１正側直流配線９５ａは、第１整流器９０の正側直流端子９０２ａと、バッテリ６の正側端子６ａとを電気的に接続する。第１正側直流配線９５ａには、バッテリ６からの漏電を防止するための逆流防止ダイオード９５１が設けられる。第１正側直流配線９５ａは、ナセル支持軸２１の内部に軸方向に形成された空間内を通り（図７参照）、ナセル支持軸２１に取り付けられた第１のスリップリング２２及び逆流防止ダイオード９５１を介して第２正側直流配線９８ａに接続されている。

第１負側直流配線９５ｂは、第１整流器９０の負側直流端子９０２ｂと、バッテリ６の負側端子６ｂとを電気的に接続する。本実施形態では、第１負側直流配線９５ｂは、ナセル支持軸２１の内部に軸方向に形成された空間内を通り（図７参照）、ナセル支持軸２１に取り付けられた第１のスリップリング２２を介して第２負側直流配線９８ｂに接続されている。

第２整流器９６は、第１整流器９０と同様の整流器であって、第１交流入力端子９６１ａと、第２交流入力端子９６１ｂと、正側直流端子９６２ａと、負側直流端子９６２ｂと、を備える。

第３交流配線９７ａは、回転電機４の第１出力端子４ａと、第２整流器９６の第１交流入力端子９６１ａとを電気的に接続する。第４交流配線９７ｂは、回転電機４の第２出力端子４ｂと、第２整流器９６の第２交流入力端子９６１ｂとを電気的に接続する。

第２正側直流配線９８ａは、第２整流器９６の正側直流端子９６２ａと、バッテリ６の正側端子６ａとを電気的に接続する。第２正側直流配線９８ａは、ナセル支持軸２１の内部に軸方向に形成された空間内を通り（図７参照）、ナセル支持軸２１に取り付けられた第２のスリップリング２３を介してバッテリ６の正側端子６ａに電気的に接続されている。第２正側直流配線９８ａには、バッテリ６からの漏電を防止するための逆流防止ダイオード９８１が設けられる。

第２負側直流配線９８ｂは、第２整流器９６の負側直流端子９６２ｂと、バッテリ６の負側端子６ｂとを電気的に接続する。第２負側直流配線９８ｂは、ナセル支持軸２１の内部に軸方向に形成された空間内を通り（図７参照）、ナセル支持軸２１に取り付けられた第２のスリップリング２３を介してバッテリ６の負側端子６ｂに電気的に接続されている。

引き続き図８を参照して、本実施形態による風力発電装置１００の動作について説明する。

プロペラ３が停止しているときにナセル２が旋回して補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられると、第１整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に直流電圧が生じる。そして、この直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなると、補助交流発電機７の発電電力がバッテリ６に充電される。

一方、風力によってプロペラ３が回転させられて回転電機４の回転軸４１が回転し、回転電機４で発電が行われると、第２整流器９６の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に直流電圧が生じる。そして、この直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなると、回転電機４の発電電力がバッテリ６に充電される。

風力によってプロペラ３が回転させられているときも、補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間にバッテリ電圧よりも高い電圧が生じたときは、回転電機４の発電電力に加えて、補助交流発電機７の発電電力がバッテリ６に充電されるようになる。すなわち本実施形態では、プロペラ３が回転して回転電機４による発電が行われているか否かにかかわらず、補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて第１整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じた直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなったときには、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６に充電することができる。

以上説明した本実施形態による風力発電装置１００では、回転電機４を交流発電機とした。そして配電部９は、第１交流側端子（第１交流入力端子９０１ａ及び第２交流入力端子９０１ｂ）と第１直流側端子（正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂ）とを備え、交流電流を整流して直流電流にする第１整流器９０と、第１交流側端子と補助交流発電機７とを電気的に接続する第１電力線（第１交流配線９１ａ及び第２交流配線９１ｂ）と、第２交流側端子（第１交流入力端子９６１ａ及び第２交流入力端子９６１ｂ）と第２直流側端子（正側直流端子９６２ａ及び負側直流端子９６２ｂ）とを備え、交流電流を整流して直流電流にする第２整流器９６と、第２交流側端子と回転電機４とを電気的に接続する第２電力線（第３交流配線９７ａ及び第４交流配線９７ｂ）と、第１直流側端子とバッテリ６とを電気的に接続し、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６にのみ供給するための第３電力線（第１正側直流配線９５ａ及び第１負側直流配線９５ｂ）と、第２直流側端子とバッテリ６とを電気的に接続し、回転電機４の発電電力をバッテリ６に充電するための第４電力線（第２正側直流配線９８ａ及び第２負側直流配線９８ｂ）と、を備える。

そのため、プロペラ３が回転して回転電機４による発電が行われているか否かにかかわらず、補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転させられて第１整流器９０の第１交流側端子（正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂ）の両端子間に生じた直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなったときには、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６に充電することができる。したがって、プロペラ３を回転させて回転電機４によって発電を行うことができなくても、補助交流発電機７によって発電が行うことができる場合がある。そのため、風力発電装置１００による発電頻度の低下を抑制することができ、ひいては風力発電装置１００の発電量を増加させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による風力発電装置１００について説明する。本実施形態による風力発電装置１００は、駆動機構８の構成が第１実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。

図９は、本発明の第３実施形態による風力発電装置１００の概略構成図である。

図９に示すように、本実施形態による風力発電装置１００の駆動機構８は、第１歯車８１と第２歯車８２との間に増速歯車機構８３を備える。

本実施形態による増速歯車機構８３は、ハウジング８４と、回転軸８５と、入力歯車８６と、出力歯車８７と、を備える。

ハウジング８４は、回転軸８５がシャフト１２の軸方向と平行となるようにナセル２の内部に配置される。

回転軸８５は、ハウジング８４内に固定された２つの転がり軸受８４１ａ，８４１ｂによって回転自在に支持されており、その一端部側がナセル２の底部からナセル２の外部に突出している。そして、その回転軸８５の一端部に、回転軸８５と一体となって回転する入力歯車８６及び出力歯車８７が同心円状に固定されている。

入力歯車８６は、第１歯車８１と噛み合っており、尾翼５が風を受けてナセル２が旋回させられると、自転しながら第１歯車８１の周りをナセル２の旋回方向に公転する。

出力歯車８７は、入力歯車８６よりも歯数が多い歯車であって、第２歯車８２と噛み合っている。

本実施形態による駆動機構８は上記の通り構成されており、尾翼５が風を受けてナセル２が旋回させられると、入力歯車８６が自転しながら第１歯車８１の周りをナセル２の旋回方向に公転する。これにより、入力歯車８６と一体となって回転する増速歯車機構８３の回転軸８５が、入力歯車８６の自転速度と同じ回転速度で回転させられることになる。その結果、増速歯車機構８３の回転軸８５に固定された出力歯車８７も回転し、出力歯車８７と噛み合う第２歯車８２が回転して補助交流発電機７の入力回転軸７１が回転されることになる。

したがって本実施形態による駆動機構８によれば、増速歯車機構８３の回転軸８５の回転速度に、速度比（＝出力歯車８７の歯数／第２歯車８２の歯数）を乗じた回転速度で補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させることができる。そのため、出力歯車８７の歯数が第２歯車８２の歯数よりも多くなるようにすることで、増速歯車機構８３の回転軸８５の回転速度（入力回転速度）よりも高い回転速度で、補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させることができる。

これにより、補助交流発電機７の入力回転軸７１の回転速度が高くなった分だけ、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧を高くすることができる。そのため、当該直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなる頻度を増加させることができ、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６に充電できる頻度を増加させることができる。なお、本実施形態では増速歯車機構８３が１段の場合を例示して説明したが、２段以上の多段にしても良い。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による風力発電装置１００について説明する。第４実施形態による風力発電装置１００は、第３実施形態と同様に駆動機構８が増速歯車機構８３を備えているが、当該増速歯車機構８３の構成が第３実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。

図１０は、本実施形態による風力発電装置１００の駆動機構８の概略構成図である。

図１０に示すように、本実施形態による風力発電装置１００の駆動機構８は、第１歯車８１と第２歯車８２との間に、第３実施形態と異なる増速歯車機構８３を備える。この本実施形態による増速歯車機構８３では、ナセル２の外部から突出している補助交流発電機７の入力回転軸７１の先端に固定された第２歯車８２を、遊星歯車機構８８のサンギヤ８８１として機能させる。以下、遊星歯車機構８８の構成について説明する。

遊星歯車機構８８は、サンギヤ８８１（＝第２歯車８２）と、リングギヤ８８２と、複数のプラネタリギヤ８８３と、プラネタリキャリア８８４と、を備える。

サンギヤ８８１は、補助交流発電機７の入力回転軸７１と一体となって回転する外歯歯車であり、遊星歯車機構８８の中央部に配置される。

リングギヤ８８２は内歯歯車であり、サンギヤ８８１と同心円上となるように、サンギヤ８８１の周囲に配置される。本実施形態では、リングギヤ８８２が回転することができないように、リングギヤ８８２はナセル２の底部に取り付けられたハウジング８８５に固定されている。

各プラネタリギヤ８８３はそれぞれ同一形状の外歯歯車であり、サンギヤ８８１及びリングギヤ８８２と噛み合うように、サンギヤ８８１とリングギヤ８８２との間に所定の間隔を空けて配置されている。

プラネタリキャリア８８４は、その回転軸８８４ａが２つの転がり軸受８８６ａ，８８６ｂによってハウジング８８５に回転自在に支持されており、回転軸８８４ａと同じ回転速度で回転軸８８４ａを中心にして回転する。プラネタリキャリア８８４は、プラネタリキャリア８８４が回転したときに、各プラネタリギヤ８８３が個々に回転（自転）しながらサンギヤ８８１の周囲を回転（公転）することができるように、各プラネタリギヤ８８３に対して回転自在に連結されている。回転軸８８４ａの先端には、回転軸８８４ａと一体となって回転する入力歯車８６が固定されており、この入力歯車８６が支柱１の外周に固定された第１歯車と噛み合っている。

本実施形態による駆動機構８は上記の通り構成されており、尾翼５が風を受けてナセル２が旋回させられると、入力歯車８６の自転速度と同じ回転速度で回転軸８８４ａが回転させられ、プラネタリキャリア８８４が回転する。このとき、本実施形態ではリングギヤ８８２が回転できないようなっているので、各プラネタリギヤ８８３が個々に回転（自転）しながらサンギヤ８８１の周囲を回転（公転）し、これにより、サンギヤ８８１が回転させられることになる。

そのため、プラネタリキャリア８８４の回転軸８８４ａの回転速度に、遊星歯車機構８８の速度比（＝（サンギヤ８８１の歯数＋リングギヤ８８２の歯数）／サンギヤ８８１の歯数）を乗じた回転速度で、補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させることができる。すなわち、プラネタリキャリア８８４の回転軸８８４ａの回転速度（入力回転速度）よりも高い回転速度で補助交流発電機７の入力回転軸７１を回転させることができる。

これにより、補助交流発電機７の入力回転軸７１の回転速度が高くなった分だけ、整流器９０の正側直流端子９０２ａ及び負側直流端子９０２ｂの両端子間に生じる直流電圧を高くすることができる。そのため、当該直流電圧がバッテリ電圧よりも高くなる頻度を増加させることができ、補助交流発電機７の発電電力をバッテリ６に充電できる頻度を増加させることができる。なお、本実施形態では遊星歯車機構８８を１段だけ備える増速歯車機構８３を例示して説明したが、遊星歯車機構８８を２段以上備えるようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の各実施形態では、単相交流を全波整流する整流器９０を使用していたが、単相交流を半波整流する整流器を用いても良い。

また上記の各実施形態において、尾翼の受風面積を拡大すれば、補助交流発電機７によつ発電の頻度を増加させることができると共に、その起電力も大きくすることができる。したがって、尾翼は例えば従来のものと比較して大型のものを用いることが好ましい。

また上記の第４実施形態では、リングギヤ８８２を固定し、プラネタリキャリア８８４を入力ギヤ、サンギヤ８８１を出力ギヤとして入力回転速度を増速するプラネタリ形配置の遊星歯車機構８８を例示したが、サンギヤ８８１を固定し、プラネタリキャリア８８４を入力ギヤ、リングギヤ８８２を出力ギヤとして入力回転速度を増速するスター形配置としても良い。

１００ 風力発電装置
１ 支柱
１１ 設置台
１２ 中空のシャフト
１３ａ 転がり軸受
１３ｂ 転がり軸受
２ ナセル
２１ ナセル支持軸
２２ スリップリング（第１スリップリング）
２３ 第２スリップリング
３ プロペラ
３１ ブレード
３２ ハブ
３３ ハブ回転軸
４ 回転電機
４ａ 回転電機の正側出力端子（回転電機の出力端子）
４ｂ 回転電機の負側出力端子（回転電機の出力端子）
４１ 回転軸
５ 尾翼
６ バッテリ
６ａ バッテリの正側端子
６ｂ バッテリの負側端子
７ 補助交流発電機
７ａ 補助交流発電機の第１出力端子
７ｂ 補助交流発電機の第２出力端子
７１ 入力回転軸
８ 駆動機構
８１ 第１歯車
８２ 第２歯車
８３ 増速歯車機構
８４ ハウジング
８４１ａ 転がり軸受
８４１ｂ 転がり軸受
８５ 回転軸
８６ 入力歯車
８７ 出力歯車
８８ 遊星歯車機構
８８１ サンギヤ
８８２ リングギヤ
８８３ プラネタリギヤ
８８４ プラネタリキャリア
８８４ａ 回転軸
８８５ ハウジング
８８６ａ 転がり軸受
８８６ｂ 転がり軸受
９ 配電部
９０ 整流器（第１整流器）
９０１ａ 第１交流入力端子（交流側端子）（第１交流側端子）
９０１ｂ 第２交流入力端子（交流側端子）（第１交流側端子）
９０２ａ 正側直流端子（直流側端子）（第１直流側端子）
９０２ｂ 負側直流端子（直流側端子）（第１直流側端子）
９１ａ 第１交流配線（第１電力線）
９１ｂ 第２交流配線（第１電力線）
９２ａ 正側直流配線（第２電力線）
９２ｂ 負側直流配線（第２電力線）
９３ａ 正側直流分岐配線（第３電力線）
９３ｂ 負側直流分岐配線（第３電力線）
９３１ 逆流防止ダイオード
９４ａ 外部負荷への正側出力
９４ｂ 外部負荷への負側出力
９５ａ 第１正側直流配線（第３電力線）
９５ｂ 第１負側直流配線（第３電力線）
９５１ 逆流防止ダイオード
９６ 第２整流器
９６１ａ 第１交流入力端子（第２交流側端子）
９６１ｂ 第２交流入力端子（第２交流側端子）
９６２ａ 正側直流端子（第２直流側端子）
９６２ｂ 負側直流端子（第２直流側端子）
９７ａ 第３交流配線（第２電力線）
９７ｂ 第４交流配線（第２電力線）
９８ａ 第２正側直流配線（第４電力線）
９８ｂ 第２負側直流配線（第４電力線）
９８１ 逆流防止ダイオード

Claims (7)

1. 支柱と、
   前記支柱に対して旋回自在に取り付けられたナセルと、
   前記ナセルの内部に配置され、発電機としての機能を有する回転電機と、
   前記ナセルに取り付けられ、風を受けて回転して前記回転電機の回転軸を回転させて当該回転電機を発電させるためのプロペラと、
   前記ナセルに取り付けられ、風の主流方向に対して前記プロペラが正面を向くように前記ナセルを旋回させるための尾翼と、
   電力を充電するためのバッテリと、
   を備える風力発電装置であって、
   前記ナセルの内部に配置された補助交流発電機と、
   前記ナセルが旋回したときに、前記補助交流発電機の入力回転軸を回転させて当該補助交流発電機を発電させるための駆動機構と、
   前記回転電機の発電電力に加えて、前記補助交流発電機の発電電力を少なくとも前記バッテリに充電できるように配線された配電部と、
   をさらに備える風力発電装置。
2. 前記回転電機は、発電機としての機能を有すると共に、電力供給を受けることにより電動機としても機能する直流電動発電機であって、
   前記配電部は、補助交流発電機の発電電力を、前記バッテリに加えて前記回転電機にも供給するように配線される、
   請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記配電部は、
   交流側端子と直流側端子とを備え、交流電流を整流して直流電流にする整流器と、
   前記整流器の交流側端子と、前記補助交流発電機と、を電気的に接続する第１電力線と、
   前記整流器の直流側端子と、前記回転電機と、を電気的に接続し、前記補助交流発電機の発電電力を当該回転電機に供給して当該回転電機を電動機として機能させるための第２電力線と、
   前記第２電力線から分岐して前記バッテリに電気的に接続され、前記回転電機の発電電力と前記補助交流発電機の発電電力とを当該バッテリに充電するための第３電力線と、
   を備える請求項２に記載に風力発電装置。
4. 前記駆動機構は、
   前記支柱の外周に固定された第１歯車と、
   前記補助交流発電機の入力回転軸に設けられて前記第１歯車と噛み合うと共に、前記ナセルが旋回したときに、当該第１歯車の周りを自転しながら当該ナセルの旋回方向に公転する第２歯車と、
   を備える請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の風力発電装置。
5. 前記駆動機構は、
   前記支柱の外周に固定された第１歯車と、
   前記補助交流発電機の回転軸に設けられた第２歯車と、
   前記第１歯車と噛み合い、前記ナセルが旋回したときに当該第１歯車の周りを自転しながら当該ナセルの旋回方向に公転する入力歯車と、前記第２歯車と噛み合い、当該入力歯車の回転軸に固定されると共に当該第２歯車よりも歯数の多い出力歯車と、を有する増速器と、
   を備える請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の風力発電装置。
6. 前記駆動機構は、
   前記支柱の外周に固定された第１歯車と、
   前記補助交流発電機の回転軸に設けられた第２歯車と、
   前記第１歯車と噛み合い、前記ナセルが旋回したときに当該第１歯車の周りを自転しながら当該ナセルの旋回方向に公転する入力歯車と、
   前記入力歯車の回転を増速させて前記第２歯車に伝達する遊星歯車機構と、
   を備える請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の風力発電装置。
7. 前記回転電機は、交流発電機であって、
   前記配電部は、
   第１交流側端子と第１直流側端子とを備え、交流電流を整流して直流電流にする第１整流器と、
   前記第１交流側端子と、前記補助交流発電機と、を電気的に接続する第１電力線と、
   第２交流側端子と第２直流側端子とを備え、交流電流を整流して直流電流にする第２整流器と、
   前記第２交流側端子と、前記回転電機と、を電気的に接続する第２電力線と、
   前記第１直流側端子と前記バッテリとを電気的に接続し、前記補助交流発電機の発電電力を当該バッテリにのみ供給するための第３電力線と、
   前記第２直流側端子と当該バッテリとを電気的に接続し、前記回転電機の発電電力を当該バッテリに充電するための第４電力線と、
   を備える請求項１に記載の風力発電装置。

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