JPWO2012147118A1 - 風力発電システム及び風力発電システムを用いた装置及びそれらの運転方法 - Google Patents

Abstract

電力系統の有無や電力系統の状態と区別して、発電運転を可能にする風車を提供することを目的とする。上記課題を解決するために、風を受けて回転する翼５と、翼５の回転に伴って回転し、発電する発電機７と、翼５のピッチ角を制御する補機とを有する風車を備える風力発電システムであって、永久磁石式発電機１２を搭載し、かつ風を受けて回転する翼１０が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車の発電電力によって、前記補機を駆動することを特徴とする。

Description

本発明は、風力発電システム及び風力発電システムを用いた装置及びそれらの運転方法に関するものである。

風力発電システムは、太陽電池等と共に再生可能エネルギーとして、急速に普及が拡大している。従来の風力発電システムとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１には、風力発電システムについて無停電電源を用いる技術が記載されている。

米国特許第６９２１９８５号公報

しかし、上記の手法によれば電力系統正常時には電力系統から風車の制御系の電源を賄っており、電力系統の異常時等には制御系の電源を賄うべく、無停電電源を備えておく必要があった。無停電電源には供給可能時間が存在するため、無停電電源の供給可能時間を超えるような長期の停電に対しては、制御系の運転を継続させることができず、その後、電力系統が正常化した場合には、起動時間が生ずるため、発電可能な風速範囲にあっても直ちに電力系統に発電電力を供給することができなかった。

本発明は、上記の様な点について鑑みなされたものであって、電力系統の有無や電力系統の状態と区別して、発電運転を可能にする風車を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、風を受けて回転する翼と、該翼の回転に伴って回転し、発電する発電機と、前記翼のピッチ角を制御する補機とを有する風車を備える風力発電システムであって、永久磁石式発電機を搭載し、かつ風を受けて回転する翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車の発電電力によって、前記補機を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、電力系統の有無や電力系統の状態と区別して、発電運転を可能にする風車を提供することが可能となる。

実施例１に係る風力発電システムの構成及び単線結線図を示すものである。 風車を構成する翼のピッチ角度について説明する図である。 実施例１に係る風力発電システムのタイムチャートを示す図である。 実施例１に係る風力発電システムの運転フローを説明する図である。 実施例２に係る風力発電システムの構成及び単線結線図を示すものである。 実施例２に係る風力発電システムのタイムチャートを示す図である。 実施例２に係る風力発電システムの運転フローを説明する図である。 実施例３に係る風力発電システムの構成及び単線結線図を示すものである。 実施例３に係る風力発電システムのタイムチャートを示す図である。 実施例３に係る風力発電システムの運転フローを説明する図である。 垂直軸型風車について説明する図である。 垂直軸型風車について説明する図である。 尾翼付風車について説明する図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、実施の態様を特定するものでないことは言うまでもない。

実施例１について図１ないし図４を用いて説明する。本実施例に係る風力発電システムは、図１に示すように発電電力を負荷側や電力系統側に送る主たる風車１と、風車１の上に設置され、後述する補機に電力を供給する補助風車２とから概略構成される。

風車１は基礎の上に建設され、風車１全体を支える支柱３と、該支柱３の上部において該支柱３に対して水平方向に回転可能に設置されるナセル４と、ナセル４の先端に配置されて、風を受けて回転する３枚の翼５とから構成される。そして、ナセル４の内部には、翼５に接続されるシャフト６及び発電機７が配置されており、該シャフト６は発電機７の回転子の回転軸とつながっている。これにより、翼５が回転するに伴ってシャフト６を介して発電機７の回転子が回転し、風車１は発電運転を行う。

また、本実施例における風車１は翼５が風下を向いた状態で発電運転を行うダウンウインド型風車となっている。

風車２は風車１のナセル４の上に設置される風車に対して小型の風車であり、風車２はナセル４の上で風車２全体を支える支柱８と、該支柱８の上部において該支柱８に対して水平方向に設置されるナセル９と、ナセル９の先端に配置されて、風を受けて回転する３枚の翼１０とから構成される。尚、ナセル９は上記ナセル４と異なり、支柱上で固定されており、水平方向に回転可能とはしていない。そして、ナセル９の内部には、翼１０に接続されるシャフト１１及び励磁電流が不要である永久磁石式の発電機１２が配置されており、該シャフト１１は発電機１２の回転子の回転軸とつながっている。これにより、翼１０が回転するに伴ってシャフト１１を介して発電機１２の回転子が回転し、風車２は発電運転を行う。そして、翼１０は翼５と同じ方向を向くようにしている。

翼１０は翼５と同じ方向を向くように固定しており、翼５が風下を向いた状態で発電運転を行うことから、風車２についてもダウンウインド型風車となっている。

発電機１２には、電力変換器１３が接続されており、発電機１２からの風の時間的変化に応じた不規則な周波数からなる電圧を、定格周波数に変換する。電力変換器１３の発電機１２との他端側には、ナセル４のヨー（支柱３に垂直な水平面内の回転運動のこと）駆動機１４及びピッチ駆動機１５が接続されている。ヨー駆動機１４は、ナセル４の水平面内の回転角度を調整する機器であり、図示を省略している風向風速計から得られる風向き方向に応じて、翼５が風下を向く様に調整している。尚、風速の測定は該風向風速計によって行えば良く、風向風速計は風力発電システムまたは風力発電システムの周辺に設置可能である。ピッチ駆動機１５は、図２に示す様に、風向きに対して翼５が風を受ける面積を変更させる。翼５のピッチ角のうち、最も風を受ける受風面積が広い、風向きに対して垂直方向に翼５が向く位置をファインと呼び、逆に受風面積が最も狭くなる位置をフェザーと呼ぶ。無論、これらの両極端な位置のみならず、この中間的なピッチ角に制御することも可能である。本実施例では、これらヨー駆動機１４やピッチ駆動機１５を電力変換器１３を介して発電機１２に接続している。尚、ヨー駆動機１４やピッチ駆動機１５等の風車を制御する機器を総じて補機と呼ぶ。

一方、負荷側に発電電力を供給する主風車となる風車１の発電機７は電力変換器１６を介してスイッチ１７と接続され、更にスイッチ１７を介して変圧器１８に接続され、変圧器により要求される電圧に変換した後、負荷１９に接続される。ここで、本明細書中の各実施例では、例えばマイクログリッドや洋上風車の様な負荷に直接電力供給を行う場合について説明しており、電力系統に発電電力を送電していない。これは、従来の電力系統から補機電源をまかない、電力系統と切り離された場合には、一時的に無停電電源を用いて補機電源をまかなう方式とは一線を画すものである。各実施例の内容によれば、電力系統が存在していることは必須要件でなくなるため、独立した電力網用の電源に用いることができ、例えば電力網が普及していない地域にも設置することが可能となる。加えて電力網が存在する場合であっても、災害時等で本来の電源（非常用の電源も含む）を喪失した場合においては、（更なる）非常用電源として用いることができ、有益である。これは、特に原子力発電設備の様に電源損失による冷却の滞りが重大な事故に繋がり得る環境下で、該原子力発電設備に接続されて該原子力発電設備に対して電力供給可能な状態にし、非常用の発電システムとして用いた場合には一層効果的である。この電力供給は更に、当該原子力発電設備に対するあらゆる電力供給が途絶えた際に直ちに電源供給回路を風力発電システム側に切り換えて電源供給に空白が生じないようにすることが可能である。電力供給が途絶えたことは、例えば風力発電システム以外からの電源供給回路の途中に電圧値や電流値の測定器を設置することで確認でき、この測定器からの信号が予め定めた所定の閾値を下回るか、またはそもそも測定器からの信号が途絶えた場合に、電源供給回路を風力発電システム側に切り換えるように切り換えスイッチを設け、この切り換えスイッチに対して指令を送るように制御すれば良い。

更に、原子力発電設備と組み合わせるに際して、風力発電システム単体では低風速時には、原子力発電設備の冷却等に必要な電力を賄えないことが想定されるが、係る場合に備えて、太陽光発電システムを併設し、風力発電システムからの出力補充を行うことが有用である。風速と日照強度という各々独立した事象に依存する発電システムを補完的に組み合わせて使用することで、単体で用いる場合と比較して、必要電力を賄えない事態を回避し易くなる。

また、より好ましくは原子力発電設備の補助電源用蓄電池を備えて両発電システムからの発電電力は同時に該補助電源用蓄電池の充電に寄与させることが望まれる。これにより、十分な風速も得られず、かつ、十分な日照強度が得られない時点においても、該蓄電池からの電力供給により、原子力発電設備に電源供給を行うことが可能になり、一層必要電力の不足を避け易くなる。

運転方法としては、各実施例を例として説明される風力発電システムの運転方法を用いた上で、発電可能風速内においては風力発電システムからの発電電力を原子力発電設備及び補助電源用蓄電池に供給し、発電可能風速外においては太陽光発電システムからの発電電力及び／または補助電源用蓄電池からの電力を供給すれば良い。これによって、各々の補完性は一層高まることとなる。

尚、上記の様に電力系統から独立して運転できることは本明細書内に示される発明にとっての大きな特徴的要素であるが、電力系統に送電することも無論可能である。

上述の様に構成される風力発電システムについての運転方法を図３，図４を用いて説明する。図３の上段は風向風速計にて測定した風速の時間的変化であり、cut-in wind speed（以下、カットイン風速）は風車１がピッチ角をフェザーにせず、発電運転する下限風速または負荷側に発電電力を供給する上での下限風速を表し、cut-out wind speed（以下、カットアウト風速）は風車１がピッチ角をフェザーにせず、発電運転する上限風速または負荷側に発電電力を供給する上での上限風速を表している。即ち、風車１が発電運転を行うのはカットイン風速以上，カットアウト風速以下の範囲である。

図３では、最初風速は発電運転可能な風速域で一定値を示しており、正常状態である。この際、翼５のピッチ角度はファインとフェザーの中間付近の角度に保たれており、主風車の発電機７及び補助風車の発電機１２はほぼ一定の回転速度を保ちながら発電している。また、スイッチ１７は閉じられており（オン状態）、発電機７からの発電電力は負荷１９へと供給されている。また、発電機１２からの発電電力は補機にも供給されている。

次に、風速が急激に減少し、カットイン風速に近づく際には、翼５のピッチ角度はなるべく多くの風を受けられる様、ファインに移行させる。しかし、風自体の弱まりに伴い、発電機７及び補助風車の発電機１２の回転速度は低下する。この際もスイッチ１７は閉状態のままであり、負荷側に発電電力は供給される。

更に、風速が減少し、カットイン風速を下回った際には、安全性の観点から翼５のピッチ角はフェザーにし、翼５に風が当たらない様にする。これにより、翼５の回転が停止し、翼５の回転に伴って回転し、発電運転を行う発電機７は発電運転を停止する。発電運転の停止に伴い、スイッチ１７は開放し（オフ状態）、発電機７と負荷１９側で電力のやり取りが行われない様にする。また、ヨー制御を行わず、風向きに応じてヨーが自由に動く状態（フリーヨー）にする。主風車１はダウンウインド型風車であるため、いわゆる風見鶏と同様に、フリーヨーにすれば、翼５は風下を向く。これに対し、補助風車についてはピッチ角制御を行っておらず、緩やかながらも翼１０が回転し、発電機１２が発電を継続する。尚、補助風車２はヨー駆動せず、ナセル４に対して固定されているが、固定されているナセル４自体が風向きに応じて回転し、更にダウンウインド型風車である風車１の翼５と補助風車２の翼１０とが同じ方向を向いているので、翼１０も風下を向く様になっており、発電運転を継続できる。補機はピッチ角の制御やヨーの制御等を行うに留まり、大電力を必要とするものではないため、少量の発電電力でも補機電源を賄うことは可能である。

この状態で更に風速が減少し、実質的に風が止んでしまうと、補助風車についても回転することはできない。この場合、補機電源は供給されず、補機は安全に停止させておく。

その後、再び風速が上昇してくると、補助風車の翼１０が回転を再開し、発電機１２が回転することで補機電源が賄われるようになる。補機電源が賄われ、補機は再始動する。この状態でも風速がカットイン風速に到達するまでは主風車の翼５はフェザーのままであり、回転しない様にしている。

更に風速が上昇し再びカットイン風速を超えると、ピッチ駆動機１５により、ピッチ角をフェザーからファインに移行し、翼５を回転させる。翼５が回転するに伴い、発電機５が発電を再開する。そして、ヨー駆動機１４によりヨー制御も行う様にする。また、同時にスイッチ１７を閉状態に切り換えて、発電電力が負荷側に供給される様にする。その後風速がカットイン風速からカットアウト風速の間にある際には、ピッチ角を調整しながら、発電機７が一定程度の回転速度を保つように維持させる。

この状態から更に風速が強まると、翼５のピッチ角をフェザーに近付けて過剰な風圧が風車１に印加されない様にする。この時、発電機７の回転速度は一気に減少する。一方、補助風車の翼１０はピッチ角制御を行っていないので、回転速度は上昇を続ける。

更に風速が強まり、カットアウト風速を上回ると、翼５のピッチ角をフェザーに切り換える。これにより、翼５は回転を停止し、発電機７も回転を停止する。同時にスイッチ１７は開放し（オフ状態）、発電機７と負荷１９側で電力のやり取りが行われない様にする。また、カットイン風速を下回った場合と同様、フリーヨーにする。主風車１はダウンウインド型風車であるため、フリーヨーにすれば、いわゆる風見鶏と同様に、翼５は風下を向く。補助風車についてはヨー駆動を行わず、ナセル４に対して固定されており、また翼１０はダウンウインド型風車の翼５と同じ方向を向く様にしているため、風下を向くことになる。翼１０についてはピッチ角の制御は行っておらず、風が吹けば発電できる状態になっていることから、カットアウト風速以上の場合でも発電運転を継続できる。よって、補機の駆動電源を賄うことができる。

その後、風速がカットアウト風速以下になると、翼５のピッチ角をフェザーから受風面積を高める方向に移行させていき、翼５を回転させる。そして、ヨー駆動機１４によりヨー制御も行う様にする。翼５の回転に伴い、発電機７が回転し、発電運転を再開する。同時にスイッチ１７を閉状態に切り換えて、発電電力が負荷側に供給される様にする。その後風速がカットイン風速からカットアウト風速の間にある際には、ピッチ角を調整しながら、発電機７が一定程度の回転速度を維持させる。

この流れを整理すると図４の様になる。即ち、主風車の発電中に風速がカットイン風速を下回ると、主風車のピッチ角をフェザーにし、ヨー制御をフリーヨーに移行する。尚、風速がカットイン風速を下回る場合には、図４中に示す様に、ピッチ角をファインやフェザーとファインの間の中間角とすることも、翼５とに過剰な風が当たることは想定しにくいため、可能である。カットイン風速を下回る場合であっても、補機電源は、ヨー制御を行わなくても自然と風下を向いて発電運転する補助風車から賄うため、支障はない。その後、風速がカットイン風速以上となった場合には、直ちにピッチ角制御及びヨー制御を行うことで発電運転を再開できる。

また、主風車の発電中に風速がカットアウト風速を上回ると、主風車のピッチ角をフェザーにし、ヨー制御をフリーヨーに移行する。カットアウト風速を上回る場合であっても、補機電源は、ヨー制御を行わなくても自然と風下を向いて発電運転する補助風車から賄うため、支障はない。その後、風速がカットアウト風速以下となった場合には、直ちにピッチ角制御及びヨー制御を行うことで発電運転を再開できる。

本実施例では、補助風車についてヨー制御不要なダウンウインド型風車であって、かつ励磁電流が不要である永久磁石式発電機を使用しているので、風が吹けば発電運転することができ、電力系統の存在や状態に左右されずに発電運転できる。尚、主風車の発電機については永久磁石式発電機であるか否かは問わない。ヨー制御については発電運転中は補助風車自身の発電電力からヨー制御電源を賄う等により、行うことも考えられるが、完全に電源供給が途絶えた後で、更に外部からの電源供給を受けずに発電運転するブラックアウトスタートを実現するには、ヨー制御を行わずに発電を開始できるモードを備えていることが望まれる。発電運転開始後にヨー制御を行うか否かは特段問題とはならない。また、補助風車のピッチ角制御についても、発電運転中に行う分には支障がないが、風が止んで発電運転を停止する際には、風が吹き始めれば発電を再開できる様、フェザーでないピッチ角で待機している必要があり、好ましくはファインまたはそれに近い状態で待機しているのが良い。

また本実施例では、補機電源を補助風車のみから供給しているが、主風車の発電機７側から供給することを排除するものではない。むしろ、主風車は正常で補助風車に何らかの故障が生じた際は、負荷側に発電電力を供給したいが、補助風車のみから補機電源を賄っている場合には、負荷側へ発電電力を供給できなくなってしまうこととなる。よって、好ましくは補助風車と主風車の双方から補機電源を供給できることが望ましい。

また本実施例では、補助風車は主風車と比較して小型にしている。小型にすることで翼１０が翼５と比較して軽くなり、弱い風でも回転できるようになる。即ち、カットイン風速を下回る風でも補助風車の翼１０は回転でき、補機電源を賄えることになる。また、強い風に対しても風車に付加される応力は翼の直径に対してｎ乗で寄与するため、翼が大型化する程、風車に付加される応力は大きくなる。よって、小型の風車を用いることでカットアウト風速を上回る暴風時にも、補機電源を賄うことはできる。よって、主風車がカットイン風速以上，カットアウト風速以下では小型の風車は回転しているため、補機電源が常時供給されていることになる。即ち、電力系統の状態によらずに、主風車が発電可能な際には発電を行うことができ、風車が発電に寄与する稼働時間を最大にすることができる。

また本実施例では、補助風車はヨー駆動を固定して翼１０は風下を向く様に、翼５と同じ方向を向いて固定したが、主風車はダウンウインド型風車であり、常時風下を向いていることを考慮すると、ヨー駆動を固定する場合には、翼５と反対方向を向いたアップウインド型風車として用いることも可能である。

尚、補助風車をダウンウインド型風車として用いる場合には、ヨー駆動をフリーヨーにして固定しない様にすることも可能である。そして、補助風車をダウンウインド型風車として用い、かつヨー駆動をフリーヨーにする場合には、主風車のナセル４の上に設置する必要はなく、それ以外の場所に設置することも可能である。

実施例２について図５ないし図７を用いて説明する。本実施例で実施例１と最も相違するのは、主風車２０が風上を向いた状態で発電運転するアップウインド型風車である点である。また、本実施例では補助風車２１のナセルについてはヨー駆動をフリーヨーにしている。

以下では、実施例１との相違点についてのみ説明し、実施例１と重複説明は省略する。

図５に示す様に、風力発電システムの構成自体は実施例１と比較してダウンウインド型風車であるかアップウインド型風車であるかの違いを除いては同様の構成となっている。

図６にタイムチャートを示すが、大まかな時間の経過の中では、実施例１の場合と同様な運転が可能である。

図７に運転手順をフローチャートにして示す。アップウインド型風車を用いる場合、カットイン風速を下回る場合、及びカットアウト風速を上回る場合、ヨーが風を受けて自然に回転しない様、固定して停止させる。また、一旦カットイン風速を下回った場合、またはカットアウト風速を上回った場合において、風速がカットイン風速以上，カットアウト風速以下に復帰した場合には、まず主風車２０の翼５が風上を向く様にヨー制御する必要がある。この際の補機電源は補助風車の発電電力から賄う。本実施例における補助風車２１は、ヨー駆動をフリーヨーにしているので、いわゆる風見鶏と同様に、主風車２０のナセル４が固定されていることに関わらず補助風車２１の翼１０は風下を向く様に回転することができる。

本実施例の様に、主風車をアップウインド型風車にしても、風が吹けば発電運転することができ、電力系統の存在や状態に左右されることがない様にすることが可能である。

実施例３について図８ないし図１０を用いて説明する。上記実施例と重複する箇所については説明を省略する。本実施例に係る風力発電システムでは図８に示す様に、上記各実施例と異なり、ダウンウインド型風車である主風車２３のみであり補助風車を設けていない。また本実施例における発電機２４には、永久磁石式発電機を用いている。発電機２４は、電力変換器２５，２６に接続されている。電力変換器２５は、上記各実施例の電力変換器１３に相当するものであり、電力変換器２５の先にはヨー駆動機１４及びピッチ駆動機１５が接続されている。電力変換器２６は、上記各実施例の電力変換器１６に相当するものであり、電力変換器２６の先にはスイッチ２８が接続され、スイッチ２８の先には変圧器２９を介して負荷３０が接続されている。本実施例における主風車２３は、主風車であると共に上記各実施例における補助風車の役割も併せ持っている。

図９にタイムチャートを示す。尚、本実施例におけるカットイン風速は風車２３が負荷側に発電電力を供給する上での下限風速を表し、カットアウト風速は風車２３が負荷側に発電電力を供給する上での上限風速を表す。図９では、最初風速は発電運転可能な風速域で一定値を示しており、正常状態である。この際、翼５のピッチ角度はファインとフェザーの中間付近の角度に保たれており、主風車の発電機７はほぼ一定の回転速度を保ちながら発電している。また、スイッチ１７は閉じられており（オン状態）、発電機７からの発電電力は負荷１９へと供給されている。

次に、風速が急激に減少し、カットイン風速に近づく際には、翼５のピッチ角度はなるべく多くの風を受けられる様、ファインに移行させる。しかし、風自体の弱まりに伴い、発電機７及び補助風車の発電機１２の回転速度は低下する。この際もスイッチ１７は閉状態のままであり、負荷側に発電電力は供給される。

更に、風速が減少し、カットイン風速を下回った際には、上記各実施例では翼５のピッチ角はフェザーにし、翼５に風が当たらない様にしていたが、本実施例では翼５はファインのままとする。カットイン風速を下回るに伴い、スイッチ２８は開放し（オフ状態）、発電機２４と負荷３０側で電力のやり取りが行われない様にする。また、ヨー制御を行わず、風向きに応じてヨーが自由に動く様（フリーヨー）にする。主風車２３はダウンウインド型風車であるため、フリーヨーにすれば、翼５は常に風下を向き、翼５は回転を継続し、発電機２４が発電を継続する。補機はピッチ角の制御やヨーの制御等を行うに留まり、大電力を必要とするものではないため、少量の発電電力でも補機電源を賄うことは可能である。

この状態で更に風速が減少し、実質的に風が止んでしまうと、本実施例に係る主風車についても回転することはできない。この場合、補機電源は供給されず、補機は安全に停止させておく。

その後、再び風速が上昇してくると、主風車２３の翼５が回転を再開し、発電機２４が回転することで補機電源が賄われるようになる。これにより補機電源が賄われ、補機は再始動する。

更に風速が上昇し再びカットイン風速を超える際、スイッチ２８を閉状態に移行させる。これにより、発電電力が負荷側に供給される様にする。その後風速がカットイン風速からカットアウト風速の間にある際には、ピッチ角を調整しながら、発電機７が一定程度の回転速度を保つように維持させる。

この状態から更に風速が強まると、翼５のピッチ角をフェザーに近付けて過剰な風圧が風車１に印加されない様にする。この時、発電機２４の回転速度は一気に減少する。この場合も、補機は大電力を必要とするものではないため、少量の発電電力でも補機電源を賄うことは可能である。

更に風速が強まり、カットアウト風速を超えると、翼５のピッチ角をフェザーに近い状態に切り換える。ここで、フェザーでなく、フェザーに近い状態にと表現しているのは、完全にフェザーにしてしまうと、翼５の回転が停止してしまい、再始動できなくなってしまうためである。しかし、風車の安全性を考慮し、翼５が回転できる状態であることは必要であるが、カットアウト風速において発電機２４の発電電力により補機電源を賄える程度の回転速度になる様なピッチ角にしておけば良い。また、この場合には主風車２３のヨー制御を解除し、フリーヨーにする。主風車２３はダウンウインド型風車であるため、フリーヨーにすれば、翼５は風下を向く。カットアウト風速を上回る風速では翼５のピッチ角は完全にフェザーとはせず、フェザーに近い状態としているため、カットアウト風速を上回る場合でも発電運転を継続できる。よって、補機の駆動電源を賄うことができる。

その後、風速がカットアウト風速以下になると、翼５のピッチ角をフェザーから受風面積を高める方向に移行させていき、翼５を回転させる。そして、ヨー駆動機１４によりヨー制御も行う様にする。風速がカットアウト風速以下になるに伴い、スイッチ２８も閉状態に切り換えて、発電電力が負荷側に供給される様にする。その後風速がカットイン風速からカットアウト風速の間にある際には、ピッチ角を調整しながら、発電機２４が一定程度の回転速度を保つ様に維持させる。

この流れを整理すると図１０の様になる。即ち、主風車の発電中に風速がカットイン風速に近付くにつれ、主風車のピッチ角をファインにし、カットイン風速を下回る場合にはヨー制御をフリーヨーに移行する。カットイン風速を下回る場合であっても、補機電源は、ヨー制御を行わなくても主風車はダウンウインド型風車であり、自然と風下を向いて発電運転する補助風車から賄うため、支障はない。その後、風速がカットイン風速以上となった場合には、直ちにピッチ角制御及びヨー制御を行い、スイッチ２８を閉状態にすることで負荷側への発電電力の供給を再開できる。

また、主風車の発電中に風速がカットアウト風速を上回ると、主風車のピッチ角をフェザーに近い状態にし、ヨー制御をフリーヨーに移行する。カットアウト風速を上回る場合であっても、補機電源は、主風車２３がヨー制御を行わなくても自然と風下を向いて発電運転するダウンウインド型風車であり、該主風車２３から賄うため、支障はない。その後、風速がカットアウト風速以下となった場合には、直ちにピッチ角制御及びヨー制御を行うと共に、スイッチ２８を閉状態に移行することで発電運転を再開できる。

本実施例によれば、上記各実施例の様に、補助風車を用いなくとも風が吹けば発電運転することができ、電力系統の存在や状態に左右されることがない様にすることが可能である。

上記の実施例中では、補助風車としてダウンウインド型風車を用いる場合について説明したが、ダウンウインド型風車以外にも、図１１，図１２に示す様な風向き方向によらずに発電運転できる垂直軸型風車３１，３２や、図１３に示す尾翼付風車等、風向き方向に応じて、ヨー制御を補機によらずに発電できるものであれば代用可能である。

上記各実施例では補助風車または主風車の少なくともいずれか（実施例３では、主風車のみ）には永久磁石式発電機を搭載したが、この永久磁石式発電機に代えて励磁式発電機及び該励磁式発電機の初期励磁電力を賄うバッテリを備えることも可能である。

この際、該励磁式発電機は自己が発電中における自己の励磁電力は自己で賄うと共に、次回以降の再始動に備えて自己の発電電力で上記バッテリの充電も行うことが必要である。

１，２，２０，２１，２３ 風車
３，８ 支柱
４，９，２２ ナセル
５，１０ 翼
６，１１ シャフト
７，１２，２４ 発電機
１３，１６，２５，２６ 電力変換器
１４，２７ ヨー駆動機
１５ ピッチ駆動機
１７，２８ スイッチ
１８，２９ 変圧器
１９，３０ 負荷

この流れを整理すると図１０の様になる。即ち、主風車の発電中に風速がカットイン風速に近付くにつれ、主風車のピッチ角をファインにし、カットイン風速を下回る場合にはヨー制御をフリーヨーに移行する。カットイン風速を下回る場合であっても、補機電源は、ヨー制御を行わなくても主風車はダウンウインド型風車であり、自然と風下を向いて発電運転する主風車から賄うため、支障はない。その後、風速がカットイン風速以上となった場合には、直ちにピッチ角制御及びヨー制御を行い、スイッチ２８を閉状態にすることで負荷側への発電電力の供給を再開できる。

上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、風を受けて回転する翼と、該翼の回転に伴って回転し、発電する発電機と、前記翼のピッチ角を制御する補機とを有する風車を備える風力発電システムであって、永久磁石式発電機を搭載し、かつ風を受けて回転する翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車の発電電力によって、前記補機を駆動し、該風力発電システムは、電力系統を介さずに負荷側へと接続されることを特徴とする。

Claims (23)

1. 風を受けて回転する翼と、該翼の回転に伴って回転し、発電する発電機と、前記翼のピッチ角を制御する補機とを有する風車を備える風力発電システムであって、
   永久磁石式発電機を搭載し、かつ風を受けて回転する翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車の発電電力によって、前記補機を駆動することを特徴とする風力発電システム。
2. 風を受けて回転する翼と、該翼の回転に伴って回転し、発電する発電機と、前記翼のピッチ角を制御する補機とを有する風車を備える風力発電システムであって、
   励磁式発電機及び該励磁式発電機の初期励磁電力を賄うバッテリを搭載し、
   該励磁式発電機は発電中における該励磁式発電機の励磁電力は該励磁式発電機の発電電力で賄うと共に、該該励磁式発電機の発電電力で前記バッテリの充電を行い、
   かつ風を受けて回転する翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車の発電電力によって、前記補機を駆動することを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１または２に記載の風力発電システムであって、該風力発電システムは、電力系統を介さずに負荷側へと接続されることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
   前記風車と前記ダウンウインド型風車は別の風車であり、前記風車よりも前記ダウンウインド型風車は小型であることを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項４に記載の風力発電システムであって、
   前記風車は、支柱と、前記翼が取り付けられて、水平面内で回転可能に前記支柱に支持されるナセルとを更に有しており、
   前記ダウンウインド型風車は、前記ナセルに設置されていることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項５に記載の風力発電システムであって、
   前記風車は、前記翼が風下を向いた状態で発電運転する第２のダウンウインド型風車であることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項６に記載の風力発電システムであって、
   前記ダウンウインド型風車の前記翼が、前記第２のダウンウインド型風車の前記翼と同じ方向を向く様に、前記ダウンウインド型風車は前記ナセルに設置されていることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項４に記載の風力発電システムであって、
   前記風車は、前記翼が風上を向いた状態で発電運転するアップウインド型風車であることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項８に記載の風力発電システムであって、
   前記ダウンウインド型風車の前記翼は、ヨー制御なしに水平面内で回転可能に配置されていることを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
    前記風車と前記ダウンウインド型風車は同一の風車であることを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
    該風力発電システムは原子力発電設備に接続されて電力を供給可能とすることを特徴とする風力発電システム。
12. 請求項１１に記載の風力発電システムと、
    前記原子力発電設備に対する前記風力発電システムからの電源供給回路と他の電源供給回路とを切り換えるスイッチと、
    前記他の電源供給回路内に設けられて、該回路内における電圧値または電流値を測定する測定器と、
    前記測定器からの測定値が所定の閾値を下回った場合、または前記測定器からの信号が途絶えた場合に前記スイッチを切り換える信号を出力する手段と、
    を備えることを特徴とする非常用電源供給システム。
13. 請求項１１に記載の風力発電システムと、前記原子力発電設備に接続されて該原子力発電設備に電力を供給可能とする太陽光発電システムと、前記原子力発電設備に接続されて該原子力発電設備に電力を供給可能とする充電池とを備え、
    前記充電池は、前記風力発電システムまたは前記太陽光発電システムの発電電力により充電可能であることを特徴とする非常用電源供給システム。
14. 負荷及び／または電力系統側に供給する電力を主として発電する主風車と、該主風車のピッチ角とヨー制御を行う補機に発電電力を供給すると共に、翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車であり、かつ永久磁石式発電機を搭載する補助風車と、風速を測定する風向風速計を有する風力発電システムの運転方法であって、
    前記ダウンウインド型風車は前記主風車の発電可能風速より広範囲な風速で発電可能であり、
    風速が前記主風車の発電可能風速から外れた後、発電可能風速内に復帰するまでは前記補助風車がフリーヨーで回転する状態にし、風速が前記主風車の発電可能風速内に復帰した場合、前記補助風車の発電電力によって補機を駆動して前記主風車のピッチ角及びヨー制御を行い、主風車による発電運転を再開することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
15. 請求項１４に記載の風力発電システムの運転方法であって、
    前記ダウンウインド型風車は前記主風車の発電可能風速のうち、カットイン風速より小さい風速で発電可能であり、
    風速が前記主風車のカットイン風速を下回った後、カットイン風速以上に復帰するまでは前記補助風車がフリーヨーで回転できる状態にし、カットイン風速以上に復帰した場合、前記補助風車の発電電力によって補機を駆動して前記主風車のピッチ角及びヨー制御を行い、主風車による発電運転を再開することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
16. 請求項１４または１５に記載の風力発電システムの運転方法であって、
    前記ダウンウインド型風車は前記主風車の発電可能風速のうち、カットアウト風速より大きい風速で発電可能であり、
    風速が前記主風車のカットアウト風速を上回った後、カットアウト風速以下に復帰するまでは前記補助風車がフリーヨーで回転できる状態にし、カットアウト風速以下に復帰した場合、前記補助風車の発電電力によって補機を駆動して前記主風車のピッチ角及びヨー制御を行い、主風車による発電運転を再開することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
17. 請求項１６に記載の風力発電システムの運転方法であって、
    風速が前記主風車のカットアウト風速を上回った後、カットアウト風速以下に復帰するまでの間は主風車のピッチ角をフェザーにすることを特徴とする風力発電システムの運転方法。
18. 請求項１４ないし請求項１７のいずれか一つに記載の風力発電システムの運転方法であって、
    前記主風車は翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車であることを特徴とする風力発電システムの運転方法。
19. 請求項１４ないし請求項１７のいずれか一つに記載の風力発電システムの運転方法であって、
    前記主風車は翼が風上を向いた状態で発電運転するアップウインド型風車であり、
    主風車による発電運転の再開の前に前記主風車の翼が風上を向く様に制御することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
20. 負荷及び／または電力系統側に供給する電力を主として発電する主風車と、該主風車のピッチ角とヨー制御を行う補機に発電電力を供給すると共に、翼が風下を向いた状態で発電運転するダウンウインド型風車であり、かつ永久磁石式発電機を搭載する補助風車と、風速を測定する風向風速計を有する風力発電システムの運転方法であって、
    風速が前記主風車の発電可能風速から外れた後、発電可能風速内に復帰するまでは前記主風車がフリーヨーで回転できる状態にし、風速が前記主風車の発電可能風速内に復帰した場合、前記主風車の発電電力によって補機を駆動して前記主風車のピッチ角及びヨー制御を行い、主風車による発電運転を再開することを特徴とする風力発電システムの運転方法。
21. 請求項１８に記載の風力発電システムの運転方法であって、
    前記主風車は風速が前記主風車のカットイン風速を下回った後、カットイン風速以上に復帰するまでは、
    翼のピッチ角をファインにしておくことを特徴とする風力発電システムの運転方法。
22. 請求項２０または２１に記載の風力発電システムの運転方法であって、
    前記主風車は風速が前記主風車のカットアウト風速を上回った後、カットアウト風速以下に復帰するまでは、
    翼のピッチ角をフェザーに近い状態にしておくことを特徴とする風力発電システムの運転方法。
23. 請求項１４ないし２２のいずれか一つに記載の風力発電システムの運転方法を用いた原子力発電設備の運転方法であって、
    前記風力発電システムは、原子力発電設備に接続され、該原子力発電設備に電力供給可能であり、
    該原子力発電設備は、太陽光発電システムにも接続され、該太陽光発電システムからの電力供給を受けることが可能であり、
    前記風力発電システム及び前記太陽光発電システムは原子力発電設備の補助電源用蓄電池に接続されており、
    前記風力発電システムは発電可能風速内では、発電電力を前記原子力発電設備及び／または前記補助電源用蓄電池に供給し、
    発電可能風速外では、前記太陽光発電システムからの発電電力または前記補助電源用蓄電池からの電力が前記原子力発電設備に供給されることを特徴とする原子力発電設備の運転方法。

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