JPS62185600A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、風力発電装置を効率良く運転づ−ることを
可能にしたものに関する。

〔従来の技術〕

第２図に従来の風力発電装置を示す。

この風力発電装置は、可変ブレード１０が風によって回
転されると、その回転が増速機１２で増速され、流体継
手１４を介して同期また（ま誘導発電機１６を駆動する
。発電機１６の出力は系統電源１８に供給される。ピッ
チ角制御装置２０４よ、風速■の変化による発電機１６
の出力の変動を検出して、可変ブレード１０のピッチ角
を可変制御し、出力制御を行なう。その制御方法は、第
３図に示寸ように風速が小さいときは風を有効に受（す
るようにピッチ角を小さな値に固定して運転しく固定ピ
ッチ領域）、風速が大きくなって定格出力を超えたらピ
ッチ角を徐々に大きくして余剰エネルギを逃がすように
する（可変ピッチ領域）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ブレードの性能を表わす値として、出力係数Ｃ（Ｐｏｗ
ｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　）がある。これ（ま、
自然の風の中から風車を利用して取り出せるＪネルギの
割合を示すもので、次の式で表わされる。

ここで Ｌ：実際に得られる出力ＣＫ９・ｍ／ｓ）ρ：空気密度
〔Ｋｇ・ｓ２／ＴｒＬ４〕Ａニブレードの受風面積 Ｖ：風速（ｍ／ｓ） また、ブレードの性能を表わすもうひとつの値として、
周速化工、　３　、　Ｒ（Ｔｉｐ　５ｐｅｅｄ　Ｒａｔ
ｉｏ　）と呼ばれるものがある。これはブレードの翼端
の進行速度と風速の比で定義され、次の式で表わされる
。

ｖ ここで ｎニブレードの回転数（ｒｐｓ） Ｒニブレードの半径（ｍ） ｖ：Ｉ！ｌ速（ｍ／ｓ） Ｕニブレードの周速（ｍ／ｓ） 第４図は、周速比ＴＳＲと出力係数Ｃ１との関係をピッ
チ角をパラメータとして表わしたものである。第４図中
太線は、前記第２図に示した従来の風力発電装置を第３
図のように運転した場合の行程を示すものである。運転
を行なわないときは、可変ブレード１０を水平にして（
ピッチ角大）、軸トルクを発生させないようにしている
。運転を行なうときは、点線で示すように可変ブレード
１０のピッチ角を動かして、固定ピッチ領域のピッチ角
（ここでは３°、Ａ点）に設定する。風による入力トル
クが増速機及び発電機の機械損失より大きくなると起動
し始め、固定ピッチ領域ではピッチ角３°の特性曲線上
を移動づ−る。そして、風速が大きくなると、Ｂ点で発
電を開始覆る。さらに風が太くなって、定格出力を超え
ると、ピッチ角を可変制御して、余剰出力を逃がす。風
速が大き過ぎる場合は許容範囲を越えるのでＤ点で運転
を停止する。

ここで、固定ピッチ領域での運転を考える。

第４図のピッチ角３°の特性曲線によれば、周速比によ
って出力係数Ｃ１の値が決まる。したがって、各ピッチ
角において風速にかかわらず出力係数Ｃ１が最大値とな
る周速比で運転覆れば、最も効率が高くなる。固定ビッ
ヂ領域でのピッチ角３°の曲線についてみると、出力係
数Ｃ２の最大値ＣＰＩＩｌａｘは約０．５で、このとき
の周速比ＴＳＲは約１０となる。したがって、固定ピッ
チ領域では風速にかかわらず周速比Ｔ　Ｓ　Ｒが１０と
なるにうに運転すれば、常に最大の出力係数ＣＰｍａｘ
’　Ｏ−５が得られ、固定ピッチ領域での効率が高くな
り、発電開始風速および定格風速を下げることができる
。

ところが、前記第２図に示す従来の風力発電装置では、
増速機１２の増速比は固定であるため、発電１ｆｉ１６
を所定回転数で運転するための可変ブレード１０の周速
が決定されてしまい、任意に周速比を選定することがで
きなかった。このため、固定ピッチ領域では第４図にＡ
〜Ｃで示すように周速比ＴＳＲが広い範囲で変動し、出
力係数ＣＰが小さい部分も使用せざるを得ず、効率が悪
かった。

この発明は、前記従来の技術における問題点を解決して
、高い効率で運転することかできる風力発電装置を提供
しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、可変ブレードの回転を可変速増速機を介し
て発電機に伝達する機構と、前記発電機の出力を検出し
て、前記可変ブレードのピッチ角を可変制御するピッチ
角制御手段と風速を検出する手段と、検出した風速に対
して許容範囲内の出力係数に対応した周速比が得られる
可変ブレード速度で発電機が所定の回転数となるように
可変速増速機の増速比を可変制御する制御装置とを具備
したものである。

〔作　用） この発明の前記解決手段によれば、可変ブレードの回転
を可変速増速機を介して発電機に伝達するＪ：うにした
ので、発電機を所定の回転数で運転覆るための可変ブレ
ードの周速を任意に選定覆ることができる。したがって
、発電機を所定の回転数に維持しつつ周速にかかわらず
常に出力係数Ｃ１が最大のところで運転覆ることができ
、高い効率で運転をりることができる。これにより、発
電開始風速や定格風速も下げることができる。

〔実施例〕

この発明の一実施例を第１図に示す。この実施例Ｃは発
電機１６として、誘導発電機を使用した場合を示す。

第１図の風力発電装置は、可変ブレード１０が風によっ
て回転されると、その回転が可変速増速Ｉｆｉ１２で増
透され、発電機１６を駆動覆る。発電機１６の出力は系
統電源１８に供給される。ピッチ角制御装置２０は、」
速Ｖの変化による発電機１６の出力の変動を検出して、
可変ブレード１０のピッチ角を可変制御し、出力制御を
行なう。

風速検出器２４は、可変ブレード１０が受りる風速■を
検出する。回転検出器２８．２５はそれぞれ可変速増速
機２２の入力軸（−可変ブレード１０の出力軸）、出力
軸（−発電機１６の入力軸）の回転数を検出する。法則
比制御装置２６はこれらの検出値および発電機１６の寸
へり率等の桔報を人力して、可変ブレード１０が最大効
率で動作する周速比が得られるように可変速増速機の増
速比を制御する。

可変速増速機２２の一例を第５図に示す。これは、差動
遊星歯車機構を用いたもので、太陽歯車３０と同芯上に
内歯歯車３２が配置され、これらの空間に太陽歯車３０
と内歯歯車３２に同時にかみ合う遊星歯車３４が配置さ
れており、遊星キャリア４２が中間軸３６からピニオン
３８．／１．０を介して可変ブレード１０に連結され、
太陽歯車３２が発電機１６に連結されている。内歯歯車
３２の外周には外歯４４が準備されており、モータ４８
に連結された差動ピニオン４６がこれにかみ合っている
。そして、第１図の増速比制御装置２６の出力に応じて
モータ４８を駆動して増速比を可変制御する。

増速比制御装置２６による増速比制御について説明する
。

増速比制御装置２６は、可変ブレード１０の特性としＣ
１固定ピッチ領域におけるピッチ角度（例えば３°）で
出力係数Ｃが最大値ＣＰｍａｘとなるときの周速比ＴＳ
Ｒを記憶しでいる。そして、風速検出器２４で検出され
る風速Ｖに応じて、この周速比ＴＳＲを得るための可変
ブレード１０の回転数ｎを前記第（２）式により求める
。

一方、発電機１６のすべり率は、可変ブレード１０の回
転で与えられる出力の大きさにより第６図のように変化
し、このすべり率に応じて発電機１６の回転数が変化す
るので、発電機１６の出力からすべり率を求め、このづ
べり率に対応した発電機１６の回転数を求める。

そして、前記求められた可変ブレードの回転数のときに
この求められた発電機１６の回転数が得られるように可
変速増速機２２の増速比を設定する。この増速比の設定
は、回転検出器２８．２５により可変速増速機２２の実
際の増速比を求め、これが設定値に一致するように制御
する（例えば第５図の可変速増速機２２の場合はモータ
４８を制御する）。

このようにして、固定ピッチ領域で常に最大の効率で運
転することができる。この結果、第７図に示すように、
固定ピッチ領域での効率が上がり、従来のものに比べて
発電開始風速や定格風速が下がる。すなわち、風速が低
くても高い出力が得られる。

第８図は、出力係数Ｃ１の特性曲線上で上記の動作を示
したものである。発電開始から定格出力が得られる固定
ピッチ領域では常に最大の出力係数ＣＰｍａｘで運転さ
れる。可変ピッチ領域においても固定ピッチ領域と同様
に各ピッチ角での最大の出力係数で運転することも可能
であるが（定格出力が得られ、かつ最大の出力係数で運
転されるようにピッチ角を制御する。〉、可変ピッチ領
域ではもともと余分なエネルギを逃がすように制御する
ので、出力係数Ｃ１を最大にして運転する必要はない（
適宜の出力係数Ｃに設定し、そのＣ１出力係数のもとて
余分となったエネルギを逃がすようにピッチ角を制御す
れば十分である。）。

（変更例） 前記実施例では、出力係数Ｃ１が最大どなるＪ：うに増
速比を制御したが、最大に近い許容粕囲内での出力係数
に増速比を制ｎ　するようにしても従来のものよりも高
い効率を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、ブレードの回
転を可変速増速機を介して発電機に伝達するようにした
ので、発電機を所定の回転数で運転するための可変ブレ
ードの周速を任意に選定することができる。したがって
、発電機を所定の回転数に維持しつつ風速にかかわらず
常に出力係数が最大のところで運転ｌることができ、高
い効率で運転をすることができる。これにより、発電開
始風速や定格風速も下げることができる。年間発電量の
増加及び稼ｖＪ″Ｊの向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示すブロック図である
。 第２図は、従来の風力発電装置を示すブロック図である
。 第３図は、従来の民力発電装置におｔプる風速と出力の
関係を示す図である。 第４図は、周速比−出力係数の特性図における従来の風
力発電装置の動作を示す図である。 第５図は、可変速増速機の構成例を示す図である。 第６図は、誘導発電機におけるずべり一出力特性図であ
る。 第７図は、この発明の実施例の風力発電装置における風
速と出力の関係を示す図である。 第８図は、周速比−出力係数の特性図にお（プるこの発
明の実施例の風力発電装置の動作を示す図である。 １０・・・可変ブレード、２４・・・風速検出器、２５
゜２８・・・回転検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 可変ブレードの回転を可変速増速機を介して発電機に伝
   達する機構と、 前記発電機の出力を検出して、前記可変ブレードのピッ
   チ角を可変制御するピッチ角制御手段と風速を検出する
   手段と、 検出した風速に対して許容範囲内の出力係数に対応した
   周速比が得られる可変ブレード速度で発電機が所定の回
   転数となるように可変速増速機の増速比を可変制御する
   制御装置 とを具備してなる風速発電装置。