TW201509096A - 高效率輸出穩定化發電裝置及流水式小水力發電系統 - Google Patents

Abstract

本發明的課題，係於永久磁鐵式的發電裝置 中，將無負載時及高旋轉高輸出時之大發電電壓時的對控制電路的輸入電壓，設為耐電壓以下，不使用虛設阻抗方式及電抗降下方式及線圈切換方式，對於額定負載時、無負載時、低速旋轉時、高速旋轉時的所有狀態，達成電力的高效率利用及定電壓化。 發電裝置(10)係由永磁發電機(20)、控制 電路(30)、加算接線部(38)所構成，將輸出電壓施加於負載(12)者，永磁發電機(20)係3相交流發電機，U相、V相、W相的各輸出線圈，係以對於額定電力，輸出電壓成為1/2之方式將捲繞數設為1/2，由相互並聯之2洗桶的輸出線圈(24U1)與(24U2)、(24V1)與(24V2)、(24W1)與(24W2)所成，2系統的輸出線圈之輸出電壓，係於控制電路(30)中，各系統獨立，對應各U相、V相、W相整流後，藉由降壓型DC/DC轉換器(34-1)、(34-2)，使每一系統輸出穩定化，該輸出由加算接線部(38)串聯地加算，並施加於負載(12)。

Description

高效率輸出穩定化發電裝置及流水式小水力發電系統

本發明係關於使用永久磁鐵的高效率輸出穩定化發電裝置及流水式小水力發電系統。

永磁發電機因為轉子使用永久磁鐵，可有效率地取得發電電力，被利用來作為風力發電機、微型水力發電機及車載用發電機。

在永久磁鐵式的發電機中，發電機的旋轉數與發電電壓成比例關係，但是在前述的發電機中，通常，以於低速旋轉中獲得額定電力之方式設計，在風力強時、水流量多時或者車兩高速運轉時及無負載運轉石等的高速旋轉時，有發電電壓會超過控制器的最大輸入電壓(耐電壓)的問題。

於圖8，揭示永磁發電機的輸出下垂特性(drooping characteristics)及水力‧風力的負載變動特性。於圖8中，A點表示無負載運轉，B點表示額定負載(5.5A)下垂點，C點表示因流通電流所致之發電機轉矩的增加，水車或風車的旋轉降低，進而，電壓降低之點。

該C點中，電壓為100VAC(相電壓)。從此，成為無負載運轉時，急遽地旋轉‧電壓上升，達到約300VAC(相電壓)。此時的整流輸出電壓，係成為約720VDC的高電壓。因此，先前例如流通預先訂定之空載電流，即使成為無負載，也不會發生較大的電壓變化。亦即，將成伴隨較大的電力損失。

又，對於為了使伴隨發電機的旋轉變動之電壓變動對齊一定電壓來說，在高速旋轉中降低發電電壓，低速時必須提升發電電壓，利用升降壓轉換器來進行電壓調整時，必須使用升壓電路及降壓電路，有裝置複雜且昂貴的問題點。

相對於前述，例如於專利文獻1中，提案有將3相交流發電機之輸出線圈與輸出側電磁線圈、輸出端子、控制電磁線圈的前端連接於3相整流器，於3相整流器的直流端子連接功率電晶體等的電壓控制開關，檢測出負載用3相整流部的電壓，以電壓成為一定之方式控制電壓控制開關的導通時間，藉此，實現裝置的簡單化，且減少功率電晶體的電容之永磁發電機的電壓一定化控制裝置。

如圖9所示，專利文獻1記載的永磁發電機1為了控制無負載時的輸出電壓，對於發電機線圈2，串聯配置線圈L1、L2，強制性將i1流通至發電機，利用發電機的輸出電壓下垂特性及L1的電壓降低，採用交流定電壓手法，但是，在無負載時及高旋轉高輸出時，有為了消 費線圈L1、L2所致之反電動勢的蓄積能量，而發生較大的熱損失的問題點。進而，在該專利文獻1中，又，提案有在成為高旋轉時將輸出線圈減少至1/2或其以下的線圈切換方法，但是，為了線圈切換，發電機的構造變得複雜，又，需要線圈切換的電子電路，進而，控制機制也複雜化，有導致製造成本增加的問題點。

又，先前，於永久磁鐵方式中，作為取得低速高電壓的方法，提案有84槽、56極的外轉子方式等，但是，有旋轉轉矩過大的問題點(專利文獻2)。同樣地，在多極方式中，也提案有無鐵芯，但是有發電效率的問題。

例如，流水式水力發電裝置，係無關於受電側的狀態，水車會持續旋轉，即使在控制電路啟動前，也在無負載狀態下以最大旋轉、最大電壓動作。在該狀態下，輸入電壓超過控制電路及系統併聯裝置的耐電壓，直接連接發電輸出的話，該等裝置會壞。

因此，先前採用在啟動前對虛設電阻流通大電流，使水車的旋轉及發電電壓降低發生，之後，啟動系統併聯裝置的方法。

在該方法中，有啟動、再啟動的步驟比較困難的缺點，又，虛設電阻係與發熱同時消費大電力，導致總和發電效率降低。

又，小水力發電裝置之狀況中，設置於農業用水路徑等，可連接於電力系統，為了獲得所定電力而最 小需要1000rpm以上的旋轉數。因此，需要流水落差為1m以上，流量1m³以上，可設置的水路徑有所限制。

進而，於冷凍車等之搭載引擎所致之常時驅動的發電機之狀況中，有使用分流電路，來使超過控制電路之耐壓的高電壓，電壓降低者，於無負載時及高速旋轉時，分流電路的發熱量會變大，實用性不佳。

例如，常時驅動的發電機係引擎旋轉速度為600rpm程度，增速比設為2.5倍，發電機旋轉數1500rpm時取得約300VDC的整流輸出，但是，在高速旋轉時(例如4000rpm×2.5)，發電電壓成為300V×10000/1500≒2000VDC，超過構成控制電路之半導體的耐電壓1200V。

又，連動於左右一對的車輪，分別驅動兩台發電機時，在左右車輪的旋轉速度不同之狀況中，發電電壓不同，有無法單純加算，充電至高壓電池的問題點。

專利文獻3所記載的發明是關於電力轉換裝置者，該構造係尤其根據圖7所記載的電路構成圖，由並聯連接於交流電源10的直流電源21、22、連接於直流電源21的電力轉換器4及連接於直流電源22的電力轉換器3所成，將兩個電力轉換器4、3的輸出串聯而供給給負載5者。

在此，直流電源21係由連接於交流電源10的變壓器21a及輸入該變壓器21a之變壓後的電流的AC-DC轉換器21b所成，直流電源22也同樣地由變壓器22a與AC-DC轉換器22b所成。

又，在專利文獻3的圖7所記載的電路構造中，變壓器21a、22a中介存在於交流電源10與AC-DC轉換器21b、22b之間，來自交流電源10的電力係利用變壓器21a、22a絕緣，交流電源10與AC-DC轉換器21b、22b並未直接連結，所以，有儘管裝置的重量增加，變壓器21a、22a之變壓流失，總和效率降低的問題點。

於專利文獻4的圖4所示之電路構造中，作為控制電路的開關整流電路為一體構成，於圖4中符號406所示之並聯的線圈W2、W3的輸出電壓被加算的狀態下，流通至開關整流電路的構造。亦即，成為對於控制電路，已經在輸入階段中加算輸出電壓的構造，於構成後段之控制電路的半導體，例如圖7的S704、S732、S706、S734，加算來自發電機之兩個輸出電壓並進行施加。

又，圖2之交流發電機205的動力源210係內燃機關及輪機，又，主要為可搬型發電機，其旋轉速度藉由控制器204適當控制的構造。

但是，由風車、水車、汽車的旋轉軸之任一所成的旋轉驅動源之狀況中，因應旋轉速度而輸出電壓會大幅變動，使用永磁發電機的話，高速旋轉時的輸出電壓施加於圖7的半導體時，有該等半導體因過大的電壓而被耐壓破壞之虞。

對於迴避上述之控制電路的半導體的耐壓破壞來說，有於發電機輸出設置分流電路，在高電壓時對分流電路流通電流，降低電壓的方法，但是當然伴隨較大的 發熱。又，雖然成本非常高，但是採用提升半導體的耐壓的方法有所限度。

在專利文獻5的圖1所示之電路構造中，複數組(2組)的輸出線圈係透過各整流器，串聯或並聯連接於1個反相器電路7，但是是將2組線圈的輸出個別整流後，串聯或並聯連接，連接於1個反相器電路的構造。

所以，在串聯連接時，成為2組線圈的輸出電壓串聯加算並施加於1個反相器電路的半導體之狀況，在發電機輸出大幅變動時，有產生控制電路的半導體被耐壓破壞之虞。又，在並聯連接1個反相器時，因為電壓不會被加算，無法取得所定電壓。又，於並聯連接之發電機輸出，有電壓差，亦即不均衡，某電壓較高方負載較大的問題點。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第4913234號公報

[專利文獻2]日本特開2012-44817號公報

[專利文獻3]日本特開2007-280187號公報

[專利文獻4]日本特開2000-308396號公報

[專利文獻5]日本特開平10-84700號公報

本發明的課題，係提供不採用虛設阻抗方式及電抗降低方式，進而，將無負載時、高速旋轉時的最高發電電壓設為先前的至少1/2，不需要線圈切換，對控制電路的所有輸入電壓作有效地降壓，且可使廣範圍的輸入電壓沒有大幅損失而高效率穩定化的高效率輸出穩定化發電裝置。

又，課題為提供即使在農業用水路徑，流水落差較小之狀況中，也可發電的高效率小水力發電系統，及車載用發電機之狀況中，可將複數發電機的發電輸出單純加算，充電至電池的高效率輸出穩定化發電裝置。

亦即，可藉由以下的實施例，解決前述課題。

(1)一種高效率輸出穩定化發電裝置，係藉由由風車、水車、汽車的旋轉體之任一所成的旋轉驅動源驅動，包含因應旋轉速度而輸出電壓會變動之1台永磁發電機的高效率輸出穩定化發電裝置，為具有：n個1/n輸出線圈，係在前述永磁發電機內並聯捲繞，在將n設為2以上的整數，相對於額定輸出電壓，可獲得其1/n的輸出電壓；控制電路，係包含分別直接連接於前述n個1/n輸出線圈之相同構造的整流器、及分別連接於前述n個整流器，使其輸出電壓穩定化之n個相同構造的降壓型DC/DC轉換器；及加算接線部，係藉由將前述n個降壓型DC/DC 轉換器輸出端子進行串聯接線，直接串聯加算各直流輸出，並設為要求電壓。

(2)一種流水式小水力發電系統，其中，永磁發電機是藉由水車，透過增速比5~8倍的增速機來驅動的高效率小水力發電機；並以可取得0.5m以上，且未滿1.0m的流水落差之間隔，於水路徑連續地至少配置兩台可藉由0.5m以上，且未滿1.0m的流水來發電的高效率輸出穩定化發電裝置

在此，前述旋轉驅動源的旋轉體，係不僅風車或水車的輸出軸、汽車的車軸，例如，滾筒電動機型的發電機之狀況中，包含以固定軸作為中心而旋轉的滾筒。

在此發明中，對發電機的線圈的捲繞數設為1/n之n個輸出線圈的輸出電壓分別進行整流，且串聯加算藉由各整流DC/DC轉換器，輸出穩定化後的電壓(例如280/nVDC)，設為280VDC，藉此，於發電機最高旋轉時，抑制在不超過整流用二極體、降壓型DC/DC轉換器用高速開關元件(Sic)等之最大輸入電壓(耐電壓)範圍的範圍之例如1200VDC以下的電壓，進而，藉由將線圈設為1/n，使線圈電感減半，抑制反電動勢的發生，減少發電機內部的下垂電壓，進而改善效率，進而，因發電電壓是先前比1/n，不需要進行線圈切斷，且不需要於發電機輸出，與負載並聯插入虛設阻抗及外接電抗，可從低速旋轉域到高速旋轉域，低損失且有效率地使發電電壓穩定化並加以利用。

又，將前述n對於前述永磁發電機是最高旋轉數時之對1個前述降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax，將前述降壓型DC/DC轉換器之耐電壓的最大輸入電壓，設為Ew時，成為Emax/n≦Ew，降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓不會超過降壓型DC/DC轉換器的耐電壓，所以，可不使用使用高成本之元件的控制電路，而增加發電效率。

又，將前述n對於前述永磁發電機是最高旋轉數時之對1個前述降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax，將前述降壓型DC/DC轉換器之耐電壓的允許輸入電壓，設為Ec時，成為Emax/n≦Ec，降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓不會超過降壓型DC/DC轉換器可控制的電壓，所以，可不使用使用高成本之元件的控制電路，而增加發電效率。

在此，所謂允許輸入電壓係降壓型DC/DC轉換器可控制的電壓。發電電壓低於最大輸入電壓(耐電壓)的話，不會破壞降壓型DC/DC轉換器的元件，但是，發電電壓頻繁地接近最大輸入電壓時，因為發熱而元件容易劣化，為了抑制該狀況而訂定允許輸入電壓。

本發明係具有不採用虛設阻抗方式及電抗降低方式，進而，將無負載時、高速旋轉時的最高發電電壓設為先前的1/n，不需要線圈切換，對控制電路的所有輸 入電壓作有效地降壓，且可使廣範圍的輸入電壓沒有大幅損失而高效率穩定化的效果。

10‧‧‧高效率輸出穩定化發電裝置

12‧‧‧負載

20‧‧‧永磁發電機

24U₁，24U₂，24V₁，24V₂，24W₁，24W₂‧‧‧輸出線圈

26‧‧‧轉子

28‧‧‧固定子

29‧‧‧旋轉驅動源

29A‧‧‧增速機

30‧‧‧控制電路

32-1，32-2‧‧‧3相整流器

34-1，34-2‧‧‧降壓型DC/DC轉換器

36-1，36-2‧‧‧PWM方式開關元件

38‧‧‧加算接線部

40‧‧‧流水式小水力發電系統

42‧‧‧小水路徑

44A，44B，44C‧‧‧流水式小水力發電裝置

L‧‧‧抗流線圈

[圖1]揭示關於本發明實施例1的高效率輸出穩定化發電裝置之包含永磁發電機的輸出線圈的電路的電路圖。

[圖2]模式揭示1之永磁發電機的輸出線圈的剖面圖。

[圖3]詳細揭示實施例1之降壓型DC/DC轉換器的電路圖。

[圖4]以發電電壓、旋轉速度的關係來揭示實施例1的發電裝置之熱損失的線圖。

[圖5]揭示先前的電抗降低方式的發電裝置之相同的熱損失的線圖。

[圖6]模式揭示將高效率輸出穩定化發電裝置的流水式小水力發電裝置，設置複數個於小水路徑所構成之流水式小水力發電系統之實施例的立體圖。

[圖7]比較將本發明適用於流水式小水力發電裝置時之使用5倍增速機時的水車旋轉轉矩，與使用20倍增速機時的水車旋轉轉矩並進行揭示的線圖。

[圖8]揭示永磁發電機的輸出下垂特性及水力‧風力的負載變動特性的線圖。

[圖9]揭示介由電抗降低法來抑制輸出電壓之先前的 發電裝置的電路圖。

以下，針對圖1~圖3所示之本發明實施例1的高效率輸出穩定化發電裝置(以下，稱為發電裝置)進行詳細說明。

[實施例1]

關於實施例1的發電裝置10係具備永磁發電機20、控制電路30、加算接線部38所構成，將輸出電壓施加於負載12者。

永磁發電機20係3相交流發電機，U相、V相、W相的各輸出線圈，係如圖2所示，由與U相、V相、W相分別並聯的兩個輸出線圈所構成。各輸出線圈的捲繞數係相對於輸出額定電壓時的捲繞數，以輸出電壓成為1/2之方式捲繞數設為1/2。

詳細來說，U相的輸出線圈係由相互並聯的輸出線圈24U₁、24U₂所成，V相的輸出線圈係由相互並聯的輸出線圈24V₁、24V₂所成，W相的輸出線圈係由相互並聯的輸出線圈24W₁、24W₂所成。亦即，由並聯之2系統的輸出線圈24U₁、24V₁、24W₁與24U₂、24V₂、24W₂所成。

圖2的符號26揭示永久磁鐵的轉子，28揭示固定子。再者，本實施例1的發電機以18槽、12極形 成。又，轉子26係由水力發電機、風力發電機或汽車的車軸等之旋轉體的旋轉驅動源29，經由增速機29A，增加旋轉速度而被驅動。

該等2系統的輸出線圈之輸出電壓，係於控制電路30中，每一系統獨立而使輸出穩定化，該2系統的直流輸出藉由加算接線部38，串聯加算，並施加於負載12，構成2Y接線輸出直列加算方式。

該2Y接線輸出直列加算方式，係表示發電機的線圈被Y接線，該輸出設為直流後，藉由降壓型DC/DC轉換器穩定化，串聯加算的構造。

永磁發電機20之2系統的3相交流輸出之一方，直接輸入至3相整流器32-1，又，另一方直接輸入至3相整流器32-2，且被直流轉換，進而，3相整流器32-1及32-2的直流輸出，係個別於降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2中被降壓。在該實施例1中，使最大1200VDC的輸入降壓至140VDC及穩定化。

在降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2中，詳細如圖3所示，以僅供給需要之電力之方式設置PWM方式開關元件36-1、36-2。在圖3中，僅揭示降壓型DC/DC轉換器34-1的PWM方式開關元件36-1，但是，因為降壓型DC/DC轉換器34-2的PWM方式開關元件36-2也是相同構造，因揭示36-1(36-2)而省略圖示。

再者，3相整流器32-1及32-2完全相同，同樣地，降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2也完全相同。

於關於該實施例1的發電裝置10中，於1台永磁發電機20，各捲繞數設為額定輸出電壓時之捲繞數的1/2的Y接線線圈，並聯設定2系統(24U₁、24V₁、24W₁及24U₂、24V₂、24W₂)，對2系統的發電輸出，個別進行整流，且個別以降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2穩定化，進而，藉由加算接線部38串連加算降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2的直流輸出，取得額定的輸出(例如DC280V輸出)。

於該實施例1中，3相整流器32-1、32-2及降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2係藉由串連加算穩定化輸出，對於控制電路30，成為1系統時的1/2施加電壓。亦即，控制電路30的各輸入電路(3相整流器32-1、32-2)係成為先前之1系統時的1/2的施加電壓。

所以，如果使2系統的各最大發電電壓不超過控制電路30之電子零件的耐電壓的話，因為不需要線圈切換所致之發電電壓的抑制，使用比較低之耐電壓的電子零件，所以，旋轉驅動源可被搭載於高速旋轉的風車及汽車。又，因為不需要複雜的線圈切換技術，可使發電機的構造簡單化，可構成容易量產的低成本發電裝置。

再者，前述2系統的線圈係各捲繞數設為額定輸出時之線圈的捲繞數的1/2，但是，捲繞數係3系統並聯時設為1/3、4系統並聯時設為1/4...n系統並聯時設為1/n。再者，n係2以上的整數。

更具體來說，前述n係對於前述永磁發電機20 為最高旋轉數時之對降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2之以1/n的輸出線圈所得，以3相整流器32-1、32-2整流之輸入電壓Emax，將前述降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2之耐電壓的最大輸入電壓設為Ew時，選擇Emax/n≦Ew之值亦可。

作為一例，1個降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax=1854VDC，Ew=1200VDC，Emax/Ew=1.545≒2(n)。但是，1200VDC係構成降壓型DC/DC轉換器之電子零件的耐電壓。

又，前述n係對於前述永磁發電機的最高旋轉數時之對1個前述降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax，將前述降壓型DC/DC轉換器之耐電壓的允許輸入電壓，設為Ec時，選擇成為Emax/n≦Ec之值亦可。

關於能量損失，在降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2中，PWM方式開關元件36-1及36-2之能量損失，僅限定於FET的ON阻抗(0.08Ω/35A)+開關損失+抗流線圈L的銅損(0.04Ω)，所以非常少。

又，於圖3所示之降壓型DC/DC轉換器34-1、34-2中，蓄積於抗流線圈L的能量被負載12消費，故不會有高峰值電壓的發生及發熱，對於使廣範圍的輸入電壓(146V~1200V)成為恆定電壓輸出(例如輸出電壓DC140V或DC280V)來說非常有效，能量的損失較少。

進而，抗流線圈L係在電抗降低方式中需要交流3相抗流線圈，但是，在本方式中，可利用1個直流 功率抗流線圈來構成，可謀求輕量化、高效率化且低成本化。

再者，整流器並不限定於使用二極體者，例如藉由高速開關來整流亦可。

[實驗例]

將對取得整流後之額定輸出280VDC輸出的永磁發電機之U、V、W各相的線圈2系統進行並聯加算者，將1/2線圈設為2系統，分別對該2系統的發電輸出進行整流穩定化後，串聯加算各140VDC，將額定輸出E1設為280VDC。結果，發電機的線圈利用1/2，即可進行如先前的發電。可以E1=140+140=280VDC來表示該狀況。

於圖4揭示能量損失的實測值。又，於圖5揭示相同之用以取得E1=280VDC的輸出的永磁發電機中，採用電抗降低方式時的熱損失。

比較圖4與圖5的話，可知於實施例1的發電裝置中，熱損失變得非常少。

接著，針對發電裝置與增速機的關係進行說明。

於使用前述之永磁發電機的流水式小水力發電機、風力發電機、車載發電機中，即使在由水車、風車及車軸所成之旋轉驅動源的旋轉較低之狀況中，也為了獲得希望的發電電壓而例用增速機。但是，在利用增速機之狀況中，低速旋轉時可獲得希望的利用，但是，高速旋轉 及無負載旋轉時，發電電壓會超過控制電路的最大輸入電壓(耐電壓)，而破壞控制電路。

相對於此，在本實施例1中，將增速機29A的增速比設為m，對於無負載旋轉時或高速旋轉時之最高旋轉數時的1個降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax，將降壓型DC/DC轉換器的允許輸入電壓設為Ec時，模擬結果如下所述。

<條件>

(1)在包含流水式小水力發電機的流水式小水力發電裝置中，一般使用20倍(增速比m=20)程度的增速機(相對於水車1旋轉，發電機為20旋轉)。

(2)額定負載(10KW)時的旋轉及發電電壓(3相整流後的電壓)；1000rpm(50rpm×20)320VDC

(3)無負載時的旋轉及發電電壓(3相整流後的電壓)；3200rpm(160rpm×20)1024VDC...(a)

(4)系統併聯裝置(電力調節系統)的允許輸入電壓600VDC...(b)

<計算>

(1)無負載過電壓對策...(a)及(b)

成為1024VDC/600VDC=1.7≒2，n=2，將1/2線圈設為2系統，並以2組降壓型DC/DC轉換器來分擔，所 以，作為耐壓對策，維持m=20即可。...(c)

(2)作為低速旋轉對策，利用將基準捲繞數(1000rpm中取得3相整流輸出320V的線圈)設為2系統，進而串聯加算(n=2)各穩定化輸出電壓，輸出電壓會成為2倍，所以，每一系統的3相整流輸出，為320VDC/2=160VDC即可。亦即，增速比減低為1/2亦可。...(d)

根據(c)、(d)，增速比可設為(20倍)×1/2=10倍。...(e)

增速比如考慮發電機轉矩的話，可更減低。以下，進行說明。

先前，因為發電機轉距×20=水車的旋轉轉距，如上所述，增速比成為1/2的話，發電機轉距×10=水車的旋轉轉距也成為1/2。所以，水車因旋轉轉矩被減低，旋轉會上升。

水車的額定負載旋轉數~無負載旋轉數=50~160rpm，所以，根據圖7，求出額定負載旋轉數~無負載旋轉數曲線的轉矩1/2的旋轉數的話，為約100rpm。...(f)

將該旋轉數乘以增速比10的話，成為100×10=1000rpm，所以，根據<條件>(2)，每發電機1系統有1000rpm×1/2=500rpm的旋轉數的話，以2系統的發電機，可獲得額定負載時的發電電壓160VDC×2(=n)=320VDC。...(g)

因此，可進而將增速比設為1/2(1/n)。所以，增速比可設為。1/4=1/n²。亦即，修正增速比m=20×1/4=5倍。最後水車的旋轉數，係根據圖7，成為140rpm程 度，發電機的旋轉數成為140×5=700rpm。根據(g)，因為必要旋轉數為500rpm，所以，700rpm是充分的旋轉數。

作為結論，在利用假設為1台(n=1)時的永磁發電機來取得額定輸出電壓時之增速機的增速比設為m₀時，可將前述增速機的增速比m設為m=m₀/n²。

<額定負載時的旋轉數、無負載時旋轉數的確認>

根據圖7，

(1)額定負載旋轉飽和點，因為增速比成為5，所以成為10Kg‧m，旋轉數成為約140rpm。所以，140rpm×5=700rpm為額定負載時的旋轉數。

(2)無負載時旋轉數，係為160rpm×5=900rpm(最大旋轉數)。

(3)額定負載時旋轉數的發電電壓，為320VDC×700rpm/1000rpm=224VDC，由該224VDC，產生140VDC。...(h)

(4)無負載時旋轉數的發電電壓，為320VDC×900rpm/1000rpm=288VDC，由該288VDC，產生140VDC。...(i)

(5)根據(h)、(i)，即使在水車的額定負載時旋轉及無負載時旋轉任一狀況中，也可串聯加算2系統的各穩定化電壓140V，產生合計280VDC，輸入至系統併聯裝置。

在此，針對將高效率小水力發電裝置之增速機的增速比，從20變更成5所致之效率的變化，進行說 明。

(1)落差所致之水能量：P0=流量(m³/s)×重力加速度(9.8m/s²)×落差(m)=0.88×9.8×1=8.62KW但是，流量0.88m³/s及落差1m為實測值

(2)利用水車旋轉所產生的能量：P1=2πn_r/60×N‧m，但是n_r=水車旋轉數(rpm)=2×3.14×50/60×500N‧m=2.617KW增速機20倍(水車1旋轉發電機20旋轉)但是，500N‧m係圖7的額定負載旋轉飽和點之值約50Kg‧m

(3)效率計算：增速比20之狀況P1/P0×100=2.617/8.62×100=30%

(4)效率計算：增速比5之狀況水車承受應力無變化：500N‧m水車的旋轉數係根據圖7：140rpm P2=2πn_r/60×N‧m，但是n_r=水車旋轉數(rpm)=2×3.14×140/60×500N‧m=7.326KW P2/P0×100=7.326/8.62×100≒85%

於先前的發電機中，在負載電流所致之旋轉轉矩藉由增速機成為20倍之狀態下，水車負擔且使旋轉降低的現象，利用使增速比降低成5倍(m=5)，水車負擔的轉矩被減輕為1/4，如前述計算，水車的旋轉數從50rpm改善成140rpm。

藉此，可低速旋轉來確保發電電壓，進而也減輕無負載運轉‧額定負載運轉時的旋轉數變化，利用該等，可將流水式小水力發電裝置的效率從30%改善成85%。再者，即使在5.0<m≦7.5的範圍中，效率也可設為未滿85%，50%以上。

又，先前，以流水落差1m，獲得5KW的電力，變成可以流水落差0.5m，進行相同5KW以上的發電，又，即使在落差較少，進而側壁較低的農業用水路徑等，也可設置複數流水式小水力發電裝置。例如，如圖6所示之流水式小水力發電系統40，於小水路徑42中，以可取得0.5m以上，未滿1.0m的流水落差f₁、f₂、f₃、f₄...的間隔，連續設置複數(2台以上)流水式小水力發電裝置44A、44B、44C、44C...來進行發電。圖6的符號43表示設置於小水路徑42的堰。此係用以阻塞水來形成流水落差者。

再者，前述增速機不僅水力發電裝置之狀況，也可適用於風力發電裝置或車載發電裝置。

接著，針對將實施例1的發電裝置，設為車輛用時的模擬結果，進行說明。

汽車柴油引擎的旋轉速度，係在低速度為600rpm，高速度為3500rpm，將其藉由增速比2.5倍的增速機來增速時，發電機之輸入軸的旋轉速度為1500rpm~8750rpm。

依據該旋轉速度，根據圖4，實施例1的2Y 接線輸出串聯加算方式及根據圖5，電抗降低方式的發電電壓，如下所述。

根據圖4之本實施例的方式，無負載相電壓最大為400VAC，線電壓為400×=692VAC，整流輸出為692×=969VDC，相對於此，圖5的電抗降低方式中，無負載相電壓最大為700VAC，線電壓為700×=1211VAC，整流輸出為1211×=1707VDC。

所以，如果是實施例1的2Y接線輸出串聯加算方式的話，可不用線圈的切換，來控制發電機的全旋轉區域(1500~8750rpm)，相對於此，在電抗降低方式中，線電壓成為1707VDC，所以，必然可知不使用線圈切換的話無法進行控制。

接著，將針對該車量用發電裝置之2Y接線輸出串聯加算方式與電抗降低方式的不同所致之能量損失的比較，發電機旋轉速度設為4000rpm，來進行模擬。

根據圖4，在4000rpm中，控制部損失為50W(直流電路)，相對於此，圖5中，4000rpm時的熱損失可知為1200W(將400W轉換成線性來求出視在功率)的能量與負載並聯被浪費。

比較兩者的效率時，在2Y接線輸出串聯加算方式中，相對於輸入為3.13KVA，損失為50W×2的話，輸出為3.03KVA，控制部效率為3.03/3.13×100=96.8%。亦即，可獲得畫期性的高效率。

相對於此，在電抗降低方式中，相對於輸入 3.13KVA，損失為1.2KW，所以，輸出為1.93KVA，效率為1.93/3.13×100=61.7%。藉此，可知關於本實施例的發電裝置之狀況中，先前61.7%改善為96.8%。

[產業上之利用可能性]

1.作為車輛用的永磁發電機，小型輕量為必要條件，在本方式中，不需要線圈切換，從低速域到高速域為止，可利用單一線圈，非常有助益，進而，因為是2Y接線輸出串聯加算方式，故每一線圈的發電電壓為先前比1/2。此係高速旋轉時最高發電電壓成為先前比1/2，有即使不使用非常昂貴之高耐壓的半導體元件，也可成立電路構造的特徵。所以，可利用作為車載用發電機。

2.關於微型水力發電及微型風力發電，在本發明中，線圈數設為與先前相同時，利用旋轉數為先前比1/2，且更具有2系統的發電線圈，來串聯加算穩定化輸出，與利用將前述旋轉設為1/2，可減輕風車的增速比，讓該等旋轉提升，故可將旋轉數更設為1/2，以合計1/4的增速比，產生與先前相同的發電輸出電壓。在水力、風力發電中，因為課題是如何以低速旋轉來發出大電力，所以，尤其有作為微型水力發電及微型風力發電裝置的利用可能性。

10‧‧‧高效率輸出穩定化發電裝置

12‧‧‧負載

20‧‧‧永磁發電機

30‧‧‧控制電路

32-1，32-2‧‧‧3相整流器

34-1，34-2‧‧‧降壓型DC/DC轉換器

38‧‧‧加算接線部

Claims (6)

1. 一種高效率輸出穩定化發電裝置，係藉由由風車、水車、汽車的旋轉體之任一所成的旋轉驅動源驅動，包含因應旋轉速度而輸出電壓會變動之1台永磁發電機的高效率輸出穩定化發電裝置，其特徵為具有：n個1/n輸出線圈，係在前述永磁發電機內並聯捲繞，在將n設為2以上的整數時，相對於額定輸出電壓，可獲得其1/n的輸出電壓；控制電路，係包含分別直接連接於前述n個1/n輸出線圈之相同構造的整流器、及分別連接於前述n個整流器，使其輸出電壓穩定化之n個相同構造的降壓型DC/DC轉換器；及加算接線部，係藉由將前述n個降壓型DC/DC轉換器輸出端子進行串聯接線，直接串聯加算各直流輸出，並設為要求電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之高效率輸出穩定化發電裝置，其中，前述n係對於前述永磁發電機是最高旋轉數時之對1個前述降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax，將前述降壓型DC/DC轉換器之耐電壓的最大輸入電壓，設為Ew時，成為Emax/n≦Ew。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之高效率輸出穩定化發電裝置，其中，前述n係對於前述永磁發電機是最高旋轉數時之對1 個前述降壓型DC/DC轉換器的輸入電壓Emax，將前述降壓型DC/DC轉換器之耐電壓的允許輸入電壓，設為Ec時，成為Emax/n≦Ec。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所記載之高效率輸出穩定化發電裝置，其中，前述永磁發電機，係以藉由前述旋轉驅動源，透過增速機驅動之方式構成，將利用由假設n=1之1系統的輸出線圈所成之1台永磁發電機取得前述額定輸出電壓時之增速機的增速比，設為m₀時，將前述增速機的增速比m，設為m=m₀/n²。
5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所記載之高效率輸出穩定化發電裝置，其中，前述永磁發電機，係以藉由水車，透過增速機驅動之方式構成，將利用由假設n=1之1系統的輸出線圈所成之1台永磁發電機取得前述額定輸出電壓時之增速機的增速比，設為m₀時，將前述增速機的增速比m，設為m=m₀/n²的流水式小水力發電機；可藉由流水落差為0.5m以上，且未滿1.0m的流水來發電。
6. 一種流水式小水力發電系統，其特徵為：以可取得0.5m以上，且未滿1.0m的流水落差之間隔，於水路徑連續地至少配置兩台申請專利範圍第5項所記載之高效率輸出穩定化發電裝置。