JP7161827B2

JP7161827B2 - 風力発電方法及び風力発電装置

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Publication number: JP7161827B2
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Inventors: 政彦鈴木
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Description

本発明は、発電効率を高めうるようにした風力発電方法及び風力発電装置に関する。

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や発電負荷のために、効率よく回転せず、発電効率は低い。この問題を解決するために、本願の発明者は、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、ロータが効率よく回転し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、回転効率が高いので、発電が開始されるカットイン風速を低く設定しうるとともに、ロータの周速が例えば５ｍ／ｓに達すると、ブレードの上下両端部の内向き傾斜部の作用と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、ロータは風速を超える周速度に加速しながら回転するので、コギングトルクや発電負荷による失速が起きにくくなり、発電効率が高まるという特徴を有している。

本発明の風力発電方法によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（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。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、ロータが失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電しうる風力発電方法及び風力発電装置を提供することを目的とするものである。

本発明の風力発電方法によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（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。

この方法によると、ロータが予め定めた基準平均風速以下で回転しているときに、クラッチを切断してロータを空転させ、ロータが加速しながら効率よく回転しうる特定の平均周速または回転速度に達したときに、クラッチを接続して発電機により発電しうるようにし、ロータが再度予め定めた基準平均風速以下で回転するようになったときに、クラッチを再度切断して、ロータが加速しながら効率よく回転しうる周速または回転速度に達するまで空転させたのち、クラッチを再度接続して、発電機により発電することを繰り返すので、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電させることができる。

また、クラッチを切断すると、縦主軸には、発電機によるコギングトルクや発電負荷が作用しなくなり、ロータは慣性で円滑に空転し続けるので、その間に風況が少しでもよくなれば、ロータは、特定の平均周速または回転速度まで速やかに加速して効率よく回転する。従って、クラッチを切断して発電を停止させている時間が短かくて済む。

本発明の風力発電装置によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（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。

このような構成によると、制御手段は、風速検知手段が予め定めた基準平均風速を検知した時、ロータが空転するようにクラッチを切断し、回転速度検知手段がロータの周速または回転速度が特定の値に達したことを検知した時、クラッチを接続して、発電機により発電するように制御し、かつ風速検知手段が再度予め定めた基準平均風速を検知したときに、クラッチを再度切断し、ロータの周速または回転速度が再度特定の値に達したとき、クラッチを接続して、発電機により発電するように繰返し制御するので、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。

また、クラッチを切断すると、縦主軸には、発電機によるコギングトルクや発電負荷が作用しなくなり、ロータは、特定の平均周速または回転速度まで速やかに加速して効率よく回転する。従って、クラッチを切断して発電を停止させている時間が短くてすむ。

（３）前記（２）項において、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風力発電装置。

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る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け止めることにより、回転力を高めて揚力(推力)を増大させることができるので、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)は増大し、ロータは加速されて効率よく回転する。そのため、クラッチを接続して発電しているときの発電効率を高めることができる。
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。

（４）前記（２）または（３）項において、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風力発電装置。

このような構成によると、ロータ及びそれに連係された発電機が、過回転するのが防止されるので、それらの耐久性が向上する。

本発明の風力発電方法及び風力発電装置によると、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。

本発明に係る風力発電装置の第１の実施形態の正面図である。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。ディスクブレーキ装置の詳細を示す拡大断面図である。第１の実施形態の風力発電装置を用いて本発明の方法を実施するためのフローチャートである。本発明に係る風力発電装置の第２の実施形態の正面図である。

本発明の実施形態を、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風力発電装置を使用した風力発電方法について説明するが、風力発電装置は、これに限定されないことは勿論である。

図１は、本発明に係る縦軸風車を備える風力発電装置の第１の実施形態を示し、風力発電装置１は、縦軸型のロータ２と、発電機３と、ロータ２の回転速度を制御する制御手段４とを備えている。

縦軸風車を構成するロータ２の縦主軸５の上下複数箇所は、基礎Ｇの上面に立設された支持枠体６に、軸受６Ａを介して回転自在に支持されている。縦主軸５の上半部には、上下の水平面上において外側方を向き、かつ一直線上に並ぶ上下２本ずつの水平アーム７Ａ、７Ａ及び７Ｂ、７Ｂの内端部が固着され、上下に並ぶ水平アーム７Ａ、７Ｂの外端部には、垂直方向を向く揚力型ブレード(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。水平アーム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、水平アーム７Ａ、７Ｂとブレード８とは、一体成形が可能である。

ブレード８の形状は、本願の発明者が開発した、特許第４９０７０７３号公報、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の横断面の形状は、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を、互いに対称的にほぼ等寸とし、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してある。

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、遠心方向へ向かって傾斜しており、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の横断面の形状は、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、その前縁方向を前として回転すると、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の回転は促進される。

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傾斜部８Ｂ、８Ｂが形成されているため、ブレード８の回転に伴い、主部８Ａの内側面に沿って上下方向に拡散する気流は、内向傾斜部８Ｂにより受止めて回転力を高めることとなる。

また、主部８Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れる気流は、コアンダ効果により、上下の内向傾斜部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るので、ロータ２は、比較的低い風速下においても高い回転効率をもって回転する。

縦主軸５の中間部には、縦主軸５から発電機３への動力伝達を断続する電磁クラッチ９が設けられている。この電磁クラッチ９としては、例えば、若干滑りながら、すなわち半クラッチ状態を経て接続される公知の摩擦式のものを使用するのが好ましい。この電磁クラッチ９により、接続時の衝撃トルクが緩和されるので、ロータ２の回転駆動力を発電機３にスムーズに伝達することができる。
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は、基礎Ｇに設置され、その上下方向のロータ軸(図示略)に縦主軸５の下端部が連結されている。
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。

コントローラ１１は、発電機３からの出力電流量を調節して、蓄電池１２または直流負荷電源へ出力する電流や電圧を制御可能である。なお、発電機３は、蓄電池１２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の中間部には、ロータ２の回転を減速または停止させうるディスクブレーキ装置１３が設けられている。
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。

詳細な説明は後述するが、電磁アクチュエータ１８は、ロータ２に向かう平均風速が予め定めた定格平均風速を超えるか、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た場合に、制御手段４の後述するクラッチ切替判定部２２から給電器１０に発せられる給電信号によりＯＮさせられ、ディスクブレーキ装置１３を作動させて、強風時にロータ２や発電機３が許容値を超えて過回転するのを防止するようになっている。

電磁アクチュエータ１８がＯＮされると、プランジャ１８Ａが下方に突出して、上方のブレーキパッド１７は、ブレーキディスク１４の周端部の上面に圧接する。また、下方のブレーキパッド１７は、プランジャ１８Ａの反力により、キャリパ１６が上方へ移動して、ブレーキディスク１４の周端部の下面に圧接する。この際の摩擦力により、ブレーキディスク１４及び縦主軸５に制動力が作用し、ロータ２の回転は減速または停止される。

制御手段４は、平均風速判定部１９と、風車周速判定部２０と、ブレーキ作動判定部２１と、クラッチ切替判定部２２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。

詳細な説明は後述するが、クラッチ切替判定部２２は、風速計２３が予め定めた平均風速以下、例えば発電機３により発電が開始されるカットイン風速である２ｍ/ｓ以下を検知した場合に、給電器１０に判定信号を出力し、給電器１０からの給電を停止して電磁クラッチ９を切断する。
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。

縦主軸５の中間部の適所には、ロータ２の回転速度を測定するための平歯車２５が取付けられており、この平歯車２５の回転数を、回転速度検出センサ２６をもって検出することにより、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、平歯車２５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。

回転速度検出センサ２６により検出された縦主軸５の回転速度は、制御手段４の風車周速判定部２０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２４はロータ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。上記の回転速度検出センサ２６と風車周速判定部２０とにより、回転速度検知手段が構成されている。

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。

ロータ周速判定部２０により、ロータ２の平均周速が特定の値、例えば５ｍ/ｓに達したと判定された場合には、ロータ周速判定部２０からクラッチ切替判定部２２に出力される判定信号に基づいて、給電器１０から電磁クラッチ９に給電され、電磁クラッチ９がＯＮすることにより、縦主軸５の回転駆動力が発電機５に伝達されて発電が行われる。

ディスクブレーキ装置１３は、制御手段４の平均風速判定部１９からブレーキ作動判定部２１に入力される信号により作動させられる。すなわち、風速計２３が予め定めた定格平均風速(例えば１３ｍ/ｓ)に達したことを検知した場合に、その信号が平均風速判定部１９からブレーキ作動判定部２１に入力され、ブレーキ作動判定部２１から給電器１０に出力される給電信号に基づいて、ディスクブレーキ装置１３の電磁アクチュエータ１８に給電され、電磁アクチュエータ１８がＯＮして、ディスクブレーキ装置１３が作動することにより、ロータ２は減速または停止させられる。

また、ディスクブレーキ装置１３は、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た場合にも、ブレーキ作動判定部２１から電磁アクチュエータ１８に出力される作動信号に基づいて作動させられ、ロータ２が減速、または停止されるようになっている。なお、ロータ２の周速または回転速度の許容値は、ロータ２の回転半径、ブレード８の大きさ、発電機３の定格出力または定格回転数等に応じて適宜に設定される。

次に、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１を用いた風力発電方法について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。
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２ｍ/ｓ以下と判定された場合(Ｓ２)には、制御手段４の平均風速判定部１９からクラッチ切替判定部２２に判定信号が出力され、その判定信号により、給電器１０から電磁クラッチ９への給電が停止されることにより、電磁クラッチ９はＯＦＦとなる(Ｓ３)。これにより、縦主軸５から発電機３への動力伝達が絶たれるため、発電機３はＯＦＦとなり(Ｓ４)、発電が一時的に停止されるとともに、ロータ２は空転する(Ｓ５)。
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、平均風速が２ｍ/ｓ以下と判定された場合に、電磁クラッチ９をＯＦＦとして発電を一時的に停止するのは、２ｍ/ｓ以下の低風速では、ロータ２が発電機３のコギングトルクや発電負荷の影響を受けて失速しやすいからである。

電磁クラッチ９をＯＦＦとして発電機３による発電を停止すると、発電機３のコギングトルクや発電負荷が縦主軸５に伝達されなくなるので、ロータ２は抵抗なく円滑に空転し、２ｍ/ｓ以下の低風速でも、ロータ２は失速することなく慣性で回転し続ける。従って、ロータ２が空転している時に、風況が少しでもよくなると、ロータ２はさらに加速されて空転するようになる。

ロータ２が空転しているときの平均周速を、回転速度検出センサ２６から出力されるデータに基づいて、ロータ周速判定部２０及び中央処理装置２４が測定し(Ｓ６)、ロータ２の平均周速が例えば５ｍ／ｓに達したか否かを判定する(Ｓ７)。

ロータ２の平均周速が５ｍ／ｓに達した場合には、クラッチ切替判定部２２より給電器１０に出力される給電信号により、電磁クラッチ９がＯＮとなり(Ｓ８)、縦主軸５に発電機３が接続されて、縦主軸５の回転駆動力が発電機３に伝達される。これにより、それまで停止していた発電機３がＯＮとなり(Ｓ９)、発電が開始される。なお、ロータ２の平均周速が例えば５ｍ／ｓに達していないと判定された場合は、ステップ（Ｓ６）に戻り、引続きロータ２の平均周速を測定する。

ロータ２の平均周速が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の平均周速が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に生じる揚力(推力)が増加し、ロータ２は、風速を超える周速に自力で加速しながら効率よく回転するからである。

このように、ロータ２の平均周速が５ｍ/ｓに達し、ロータ２が自力で加速しながら効率よく空転しているときに、電磁クラッチ９をＯＮとして発電機３を作動させると、ロータ２がコギングトルクや発電負荷によって失速するおそれが小さくなるので、発電効率を高めることができる。

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)を１ｍとした場合、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。

発電機３をＯＮとして発電しているときに、風速計２３により平均風速を測定し(Ｓ１０)、定格平均風速、例えば１３ｍ／ｓを超えたか否かを、平均風速判定部１９及び中央処理装置２４の演算結果により判定する(Ｓ１１)。定格平均風速１３ｍ／ｓを超えた場合、次に、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たか否かを、風車周速判定部２０により判定する(Ｓ１２)。

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は、ブレーキ作動判定部２１より給電器１０に出力される給電信号により、ディスクブレーキ装置１３を作動させ(Ｓ１３)、ロータ２を減速または停止させる(Ｓ１４)。これにより、ロータ２または発電機３が定格値を超えて過回転するのが防止され、それらを保護して耐久性を向上させることができる。
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。

ステップ１１において定格平均風速１３ｍ／ｓを超えていないと判定された場合には、再度ステップ１５において平均風速が２ｍ/ｓ以下か否かを判定し、平均風速が２ｍ/ｓ以下と判定された場合には、ステップＳ３に戻り、前述と同様に、電磁クラッチ９をＯＦＦとして、発電機３をＯＦＦとし(Ｓ４)、発電を一時的に停止させてロータ２を空転させる。なお、平均風速２ｍ/ｓ以下と判定されない場合には、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。

以上説明したように、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１、及びそれを用いた風力発電方法においては、ロータ２の縦主軸５に、発電機３を、電磁クラッチ９を介して断続可能に接続し、ロータ２がカットイン風速である基準平均風速２ｍ/ｓ以下の低風速下で回転している場合に、制御手段４により電磁クラッチ９を切断してロータ２を空転させ、ロータ２が自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である５ｍ/ｓに達したときに、電磁クラッチ９を接続して、発電機３により発電しうるように制御し、ロータ２が再度基準平均風速２ｍ/ｓ以下の低風速で回転するようになったときに、制御手段４により電磁クラッチ９を再度切断して、ロータ２が自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である５ｍ/ｓに達するまで空転させたのち、電磁クラッチ９を再度接続して、発電機３により発電するように繰り返し制御するので、ロータ２がコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電させることができる。

次に、図６を参照して、第２の実施形態に係る風力発電装置、及びそれによる風力発電方法について説明する。なお、前記第１の実施形態の風力発電装置と同様の部材には、同じ符号を付すに止めて、詳細な説明を省略する。

第２の実施形態の風力発電装置においては、前記第１の実施形態の風力発電装置１の電磁クラッチ９に代えて、遠心クラッチ２７を用いている。図６に略示する遠心クラッチ２７は、次のように構成されている。

すなわち、中間部において２分割したロータ２側の縦主軸５に、外周面に摩擦材を固着した複数のウエイト２８を、遠心力によって半径方向外側に移動しうるように取付け、かつ発電機３側の縦主軸５に、円筒形の従動ドラム２９を、内部にウエイト２８が収容されるように固着してある。

第２の実施形態の風力発電装置による風力発電は、次のようにして行われる。
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。

また、ロータ２の平均周速が例えば５ｍ／ｓに達した場合、すなわち、５ｍ／ｓの平均周速のときの縦主軸５の回転速度が、予め定めた値に達した場合には、ウエイト２８が遠心力により従動ドラム２９の内面に接触し、遠心クラッチ２７は自動的に接続されて、発電機３による発電が開始されるように設定されている。
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。

第２の実施形態の風力発電装置による風力発電方法においても、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ときには、遠心クラッチ２７は自動的に切断されてロータ２が空転し、平均周速が５ｍ/ｓに達して、ロータ２が自力で加速しながら回転するようになると、遠心クラッチ２７が自動的に接続されて、発電機３により発電が開始されるようになっているので、第１の実施形態と同様に、ロータ２がコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。

また、機械的な遠心クラッチ２７を用いると、第１の実施形態のような、電磁クラッチ９をＯＮ、ＯＦＦ制御するためのクラッチ切替判定部２２は不要となるので、制御手段４の制御回路等は簡単となる。

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、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。

前記第１の実施形態では、平均風速が２ｍ/ｓ以下と判定された場合に、電磁クラッチ９をＯＦＦとして、発電機３による発電が停止されるようにしているが、平均風速が２ｍ/ｓ以下のときの縦主軸５の平均回転速度、またはロータ２の平均周速を検知したときに、電磁クラッチ９をＯＦＦとして、発電機３による発電が停止されるようにしてもよい。

また、前記第１の実施形態では、ロータ２の平均周速が５ｍ/ｓに達したとき、電磁クラッチ９をＯＮとして、発電機３により発電が開始されるようにしているが、前述したように、ロータ２の周速は回転速度に換算できるため、平均周速が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２６が検出したときに、電磁クラッチ９をＯＮとして、発電機３により発電が開始されるようにすることもできる。

さらに、前記第１の実施形態では、電磁クラッチ９をＯＦＦとして、発電機３による発電を停止するロータ２の基準平均風速を２ｍ/ｓ以下としたが、この際の平均風速の上限値は、ブレード８の回転半径の大小に応じて、適切に設定される。
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。

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コギングトルクや発電負荷の影響を受けにくくなるので、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以下に設定すればよい。

前記実施形態では、ロータ２の平均周速が５ｍ/ｓに達したときに、電磁クラッチ９をＯＮとして、発電機３により発電が開始されるようにしたが、この場合の平均周速の値は、ブレード８の回転半径の大小に応じて適切に設定される。

前記実施形態では、ロータ２の回転を減速または停止させるブレーキ装置に、電気的に制御可能な電磁アクチュエータ１８を備える機械式のディスクブレーキ装置１３を用いているが、例えば公知の電磁ブレーキや非接触型の渦電流式ディスクブレーキ装置等を用いることもできる。

また、電磁アクチュエータ１８の代わりに、流体圧により作動するピストンを設け、このピストンに、蓄電池１０または商用電源により駆動可能な油圧ポンプやエアーポンプにより、圧油や圧縮空気を圧送することにより、ディスクブレーキ装置１３を流体圧ピストンにより作動させることもできる。なお、制動力を高めるために、このようなディスクブレーキ装置１３を、ブレーキディスク１４の周囲に複数、互いに同期して作動するようにして設けてもよい。

前記第１の実施形態では、ロータ２の縦主軸５の回転駆動力を断続するのに、電磁クラッチ９を用いているが、例えば制御手段４によりＯＮ、ＯＦＦ可能な電動式のアクチュエータを備える摩擦クラッチや、噛合クラッチ等を用いることもできる。

風力発電装置に、前記のようなディスクブレーキ装置１３等のブレーキ装置を設けておくと、ロータ２や発電機３の過回転を防止する以外に、例えば電磁クラッチ９、遠心クラッチ２７、発電機３や他の電気部品等が故障した場合、制御手段４の電気回路等に異常が発生した場合、縦主軸５の軸受６Ａ等に摩耗等が発生した場合など、風力発電装置にあらゆる異常事態が発生したときにも、ディスクブレーキ装置１３を作動させて、ロータ２を減速または停止させることが可能となる。

また、図示は省略するが、ディスクブレーキ装置１３のみでは、ロータ２を減速または停止させることができない場合に備えて、縦主軸５の回転を強制的に停止させる手動ブレーキ装置を設けておいてもよい。このようにすると、強風時や風力発電装置に異常事態が発生した場合等に、手動ブレーキ装置を併用することにより、ロータ２を緊急停止させることができる。

本発明は、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、特許第４７４０５８０公報、すなわちブレードの先端部が主軸方向(受風方向)に傾斜された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

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。