JP7161827B2 - 風力発電方法及び風力発電装置 - Google Patents
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Description
(1)支持枠体によりロータの縦主軸を支持する風力発電装置において、1台の発電機の上部に、1台の電磁クラッチを介して前記縦主軸を連結し、前記1台の電磁クラッチは、制御手段におけるクラッチ切替判定部により断・続が制御され、該制御手段は、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度検出センサを備えたロータ周速判定部、ディスクブレーキと連係するブレーキ作動判定部を備え、カットイン風速より低風速であることが、検知時間10秒以下の平均値として前記平均風速判定部が判定したときには、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する給電器からの給電を停止し、前記1台の電磁クラッチを切断して前記1台の発電機とロータ軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、風速が高まり前記ロータの空転速度が加速し、前記ロータ周速判定部に予め定めて設定されている特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したとき、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する前記給電器からの給電をし、前記1台の電磁クラッチを接続して前記ロータの前記縦主軸と前記1台の発電機との連結を接続し、回転している前記ロータの前記縦主軸の回転により前記1台の発電機による発電が行われ、風速が前記基準平均風速以下と前記平均風速判定部が判定したときには、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により切断して前記1台の発電機と前記ロータ軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、空転する前記ロータの回転周速が、前記特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときには、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して、前記ロータの前記縦主軸を前記1台の発電機に連結し、回転している前記ロータで前記1台の発電機を回転させて発電させるように制御することを繰返させる風力発電方法。
(1) 支持枠体上部にロータの縦主軸の上端部を軸受で支持する風力発電装置において、前記支持枠体よりも下部に配した1台の発電機の上部に、1台の電磁クラッチを介して前記縦主軸を同心状に連結し、
前記1台の電磁クラッチは、制御手段におけるクラッチ切替判定部により断・続が制御され、該制御手段は、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度検出センサを備えたロータ周速判定部、ディスクブレーキと連係するブレーキ作動判定部を備え、
カットイン風速より低風速であることが、検知時間10秒以下の平均値として前記平均風速判定部が判定したときには、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する給電器からの給電を停止し、前記1台の電磁クラッチを切断して前記1台の発電機と縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
前記ロータの空転速度が加速し、前記ロータ周速判定部に予め定めて設定されている特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したとき、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する前記給電器からの給電をし、前記1台の電磁クラッチを接続して前記ロータの前記縦主軸と前記1台の発電機との連結を接続し、回転している前記ロータの前記縦主軸の回転により前記1台の発電機による発電が行われ、
風速が前記カットイン風速以下と前記平均風速判定部が判定したときには、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により切断して前記1台の発電機と前記縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
空転する前記ロータの回転周速が、前記特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときには、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して、前記ロータの前記縦主軸を前記1台の発電機に連結し、回転している前記ロータで前記1台の発電機を回転させて発電させるように制御することを繰返させることを特徴とする風力発電方法。
(2) 支持枠体上部にロータの縦主軸の上端部を軸受で支持する風力発電装置において、前記支持枠体よりも下部に配した1台の発電機の上部に、1台の電磁クラッチを介して前記ロータの前記縦主軸を同心状に連結し、
前記1台の電磁クラッチは、制御手段におけるクラッチ切替判定部により断・続が制御され、該制御手段は、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度検出センサを備えたロータ周速判定部、ディスクブレーキと連係するブレーキ作動判定部を備え、
カットイン風速より低風速であることが、検知時間10秒以下の平均値として前記平均風速判定部が判定したときには、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する給電器からの給電を停止し、前記1台の電磁クラッチを切断し前記1台の発電機と前記縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
前記ロータの空転速度が加速して、前記ロータ周速判定部に予め定めて設定されている特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したとき、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して、前記ロータの前記縦主軸と前記1台の発電機との連結を接続し、回転している前記ロータの回転により前記1台の発電機を回転させて発電が行われるようにし、
風速が前記カットイン風速以下だと前記平均風速判定部で判定された時は、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により切断し前記1台の発電機と前記縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
空転する前記ロータの回転周速が、前記特定平均周速に達したことが前記ロータ周速判定部で検知された時は、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して前記ロータの前記縦主軸を前記1台の発電機に連結し、回転している前記ロータの回転により前記1台の発電機を回転させて発電させるように、前記制御手段により制御するようになっていることを特徴とする風力発電装置。
また、空転しているロータが特定の平均周速または回転速度に達するまでの時間も短くなるので、クラッチを切断して発電を停止させている時間はさらに短くなり、発電効率が高まる。
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。
電磁クラッチ9へは、後述する蓄電池12に接続された給電器10を介して給電されるようになっている。
発電機3としては、例えば、公知の単相交流発電機または三相交流発電機が使用され、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(図示略)を有するコントローラ11を介して、蓄電池12に蓄電された後、蓄電池12から外部の直流負荷電源に給電されるか、コントローラ11から外部の交流負荷電力系統に直接給電される。
このディスクブレーキ装置13は、図4の拡大断面図にも示すように、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14と、支持枠体6の中間部適所に固定されたブラケット15に、ブレーキディスク14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16と、キャリパ16の内部に設けられ、ブレーキディスク14の周端部の上下の面を押圧しうるようになっている上下1対のブレーキパッド17、17と、キャリパ16の内部に収容され、下方を向くプランジャ18Aの下端部が上方のブレーキパッド17の上面に圧嵌された、ソレノイドよりなる電磁アクチュエータ18とを備えている。
平均風速判定部19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23に接続され、風速計23により検出された平均風速は、平均風速判定部19に入力され、制御手段4の中央処理装置(CPU)24により演算処理される。風速が予め定めた平均風速以下であると判定された場合に、判定信号は、クラッチ切替判定部22に出力される。なお、風速計23による平均風速の検知時間は、例えば10秒以下の比較的短い間隔で行うのが好ましい。
これにより、縦主軸5の回転駆動力は発電機3に伝達されなくなり、発電機3による発電が停止されるとともに、ロータ2は空転するようになる。
また、クラッチ切替判定部22へは、後述する回転速度検出センサ26から風車周速判定部20に入力されるデータに基づいても、判定信号が出力される。
回転速度検出センサ26としては、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。
まず、電磁クラッチ9を接続し、発電機3が作動している状態で、ロータ2が回転しているときの平均風速を、風速計23により測定し(S1)、その計測値に基づいて、制御手段4の平均風速判定部19及び中央処理装置24が、平均風速がカットイン風速以下、例えば2m/s以下(0を含む)であるか否かを判定する(S2)。
平均風速がカットイン風速である基準平均風速2m/s以下と判定されないときは、S1に戻り、平均風速を測定し続ける。
なお、風速が定格平均風速13m/sを超えた場合でも、ロータ2の周速または回転速度が許容値を超えてブレーキ装置13が作動するまでは、ロータ2を停止することなく引き続き発電が行われるので、発電効率が高められる。また、ブレーキ装置13が作動する前に、外部負荷等への発電電力の供給量を増やして、発電機3に大きな電気負荷をかければ、ロータ2にブレーキをかけることができる。なお、ロータ2の周速または回転速度が予め定めた許容値を超えていない場合には、S10に戻り、平均風速を測定し続ける。
前述したステップS3~S15をループ状に繰り返すことにより、発電効率を大幅に高めることができる。
第2の実施形態の風力発電装置は、ウエイト28に作用する遠心力が小さい場合、すなわちロータ2がカットイン風速である基準平均風速2m/s以下の低風速で回転している場合に、ウエイト28は従動ドラム29の内面から離間するように設定されている。そのため、ロータ2の平均周速が2m/s以下のときには、遠心クラッチ27は自動的に切れ、発電機3による発電は停止し、ロータ2は空転することとなる。
なお、縦主軸5の回転速度が遅い大型の風力発電装置に遠心クラッチ27を設ける場合には、これを効果的に作動させるために、増速機を介して縦主軸5の回転速度を増速させるようにしてもよい。
ディスクブレーキ装置13は、前記第1の実施形態と同様に、定格平均風速が13m/sを超えるか、ロータ2の周速または回転速度が許容値を超えた場合に、制御手段4により作動させられる。
例えば、ブレード8の回転半径が上記実施形態の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、コギングトルクや発電負荷の影響を受けやすくなるので、電磁クラッチ9をOFFとする基準平均風速の上限値を2m/s以上に設定すればよい。
2 ロータ
3 発電機
4 制御手段
5 縦主軸
6 支持枠体
6A 軸受
7A、7B 水平アーム
8 揚力型ブレード
8A 主部
8B 内向傾斜部
9 電磁クラッチ
10 給電器
11 コントローラ
12 蓄電池
13 ディスクブレーキ装置(ブレーキ装置)
14 ブレーキディスク
15 ブラケット
16 キャリパ
17 ブレーキパッド
18 電磁アクチュエータ
18A プランジャ
19 平均風速判定部
20 ロータ周速判定部
21 ブレーキ作動判定部
22 クラッチ切替判定部
23 風速計(風速検知手段)
24 中央処理装置
25 平歯車
26 回転速度検出センサ
27 遠心クラッチ
28 ウエイト
29 従動ドラム
C 翼厚中心線
G 基礎
O 回転軌跡
Claims (4)
- 支持枠体上部にロータの縦主軸の上端部を軸受で支持する風力発電装置において、前記支持枠体よりも下部に配した1台の発電機の上部に、1台の電磁クラッチを介して前記縦主軸を同心状に連結し、
前記1台の電磁クラッチは、制御手段におけるクラッチ切替判定部により断・続が制御され、該制御手段は、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度検出センサを備えたロータ周速判定部、ディスクブレーキと連係するブレーキ作動判定部を備え、
カットイン風速より低風速であることが、検知時間10秒以下の平均値として前記平均風速判定部が判定したときには、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する給電器からの給電を停止し、前記1台の電磁クラッチを切断して前記1台の発電機と縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
前記ロータの空転速度が加速し、前記ロータ周速判定部に予め定めて設定されている特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したとき、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する前記給電器からの給電をし、前記1台の電磁クラッチを接続して前記ロータの前記縦主軸と前記1台の発電機との連結を接続し、回転している前記ロータの前記縦主軸の回転により前記1台の発電機による発電が行われ、
風速が前記カットイン風速以下と前記平均風速判定部が判定したときには、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により切断して前記1台の発電機と前記縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
空転する前記ロータの回転周速が、前記特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときには、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して、前記ロータの前記縦主軸を前記1台の発電機に連結し、回転している前記ロータで前記1台の発電機を回転させて発電させるように制御することを繰返させることを特徴とする風力発電方法。 - 支持枠体上部にロータの縦主軸の上端部を軸受で支持する風力発電装置において、前記支持枠体よりも下部に配した1台の発電機の上部に、1台の電磁クラッチを介して前記ロータの前記縦主軸を同心状に連結し、
前記1台の電磁クラッチは、制御手段におけるクラッチ切替判定部により断・続が制御され、該制御手段は、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度検出センサを備えたロータ周速判定部、ディスクブレーキと連係するブレーキ作動判定部を備え、
カットイン風速より低風速であることが、検知時間10秒以下の平均値として前記平均風速判定部が判定したときには、前記制御手段により前記1台の電磁クラッチに対する給電器からの給電を停止し、前記1台の電磁クラッチを切断し前記1台の発電機と前記縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
前記ロータの空転速度が加速して、前記ロータ周速判定部に予め定めて設定されている特定平均周速に達したと前記ロータ周速判定部が判定したとき、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して、前記ロータの前記縦主軸と前記1台の発電機との連結を接続し、回転している前記ロータの回転により前記1台の発電機を回転させて発電が行われるようにし、
風速が前記カットイン風速以下だと前記平均風速判定部で判定された時は、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により切断し前記1台の発電機と前記縦主軸の連結を切断して前記ロータを空転させ、
空転する前記ロータの回転周速が、前記特定平均周速に達したことが前記ロータ周速判定部で検知された時は、前記1台の電磁クラッチを前記制御手段により接続して前記ロータの前記縦主軸を前記1台の発電機に連結し、回転している前記ロータの回転により前記1台の発電機を回転させて発電させるように、前記制御手段により制御するようになっていることを特徴とする風力発電装置。 - 前記ロータは、前記縦主軸の周囲に複数配した揚力型縦長ブレードの主部の上下先端部に、それぞれ内向きに傾斜する内向傾斜部を形成し、前記内向傾斜部を除く各主部の横断面の形状は、前縁と後縁を結ぶ翼厚中心線の内方と外方における翼厚を対称とし、前記揚力型縦長ブレードの前記前縁の回転軌跡上に前記後縁の回転軌跡が重なるようにして回転するようになっていることを特徴とする請求項2に記載の風力発電装置。
- 前記ロータを備える前記風力発電装置において、前記平均風速判定部に設定した予め定めた前記カットイン風速は2m/sとし、前記ロータ周速判定部に設定した予め定めた前記ロータの前記特定平均周速は5m/sとし、定格平均風速を13m/sとし、前記平均風速判定部が前記定格平均風速13m/sを超えたと判定したとき、前記制御手段における前記ブレーキ作動判定部により、前記ディスクブレーキ装置を作動させて前記ロータの回転を減速または停止させるように制御するようになっていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の風力発電装置。
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