WO2015029562A1 - 風力発電システム - Google Patents

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WO2015029562A1
WO2015029562A1 PCT/JP2014/066637 JP2014066637W WO2015029562A1 WO 2015029562 A1 WO2015029562 A1 WO 2015029562A1 JP 2014066637 W JP2014066637 W JP 2014066637W WO 2015029562 A1 WO2015029562 A1 WO 2015029562A1
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heat
power
rotating machine
generator
torque
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PCT/JP2014/066637
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Inventor
岡崎　徹
武恒 中村
Original Assignee
住友電気工業株式会社
国立大学法人京都大学
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Definitions

  • the present invention relates to a wind power generation system.
  • the present invention relates to a wind power generation system that can generate electric power and heat using wind power, can control the generated power according to electric power demand, and can effectively use wind energy.
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-120505 (Patent Document 3) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-63930 (Patent Document 4) describe a technique for improving power generation efficiency in a power generation system using renewable energy, and power generation. Technologies that make effective use of electric power have been proposed.
  • Patent Document 3 in a wind power generator, a turbine is driven using exhaust heat due to the loss of a generator shaft-coupled to a windmill, and the device is recovered as generated power from the generator shaft-coupled to the turbine. A technique for improving the efficiency of the system has been proposed.
  • Patent Document 4 discloses that in a natural energy-based power generation system, surplus power generated by a power generation means (solar power generation, wind power generation) is converted into heat by an electric heating element and stored in a heat storage means (electric water heater). A technique for effectively using generated power as thermal energy has been proposed.
  • the generated power is unstable. Further, since the wind power generation system generates power regardless of the power demand, the generated power cannot be controlled according to the power demand. In other words, the wind power generation system has a drawback that it cannot generate power when the power demand is large and cannot supply power, or the power generation amount exceeds the demand when the power demand is small, and surplus power is generated. Therefore, it is necessary to have a backup for maintaining the balance between supply and demand of the power system. For example, surplus power is stored in the storage battery, and insufficient power is supplied from the storage battery, or wind power generation system and thermal power generation equipment Is used to adjust fluctuations in generated power. However, storage batteries are expensive and not economical. Also, thermal power equipment must always wait to boot immediately, even consume fuel discharging CO 2 waiting.
  • the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-120505 is intended to improve the power generation efficiency of a wind power generator by generating power using exhaust heat due to the loss of the generator and collecting the generated power. is there.
  • the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-63930 is intended to effectively use generated power as thermal energy by converting surplus power that has been discarded in the past into heat and storing it as heat. is there.
  • none of the technologies enables stable power supply and does not contribute to stabilization of the power system.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is that it can generate power using both wind power and electricity, and can control the generated power according to the power demand. It is to provide a wind power generation system that can effectively use wind energy.
  • the wind power generation system of the present application includes a windmill, an induction rotating machine, a power conversion device, a heat medium distribution mechanism, a heat accumulator, a thermoelectric generator, and an armature control unit.
  • the induction rotating machine is connected to the rotating shaft of the windmill.
  • the power converter supplies an exciting current to the induction rotating machine.
  • the heat medium distribution mechanism distributes a heat medium that receives heat generated by the induction rotating machine.
  • the heat accumulator stores the heat of the heat medium flowing through the heat medium distribution mechanism.
  • the thermal generator converts the heat of the heat medium stored in the heat accumulator into electricity.
  • the armature control unit controls the excitation current according to the power demand of the power system.
  • the armature control unit supplies power generation mode control that causes the induction rotating machine to operate as a generator, and torque current that causes a load torque to be generated as excitation current by controlling to supply reactive current from the power system as excitation current.
  • the heat generation mode control for operating the induction rotating machine as a heat generator is performed.
  • the wind power generation system described above can generate wind power using both electricity and heat, can control the generated power according to the power demand, and can effectively use wind energy.
  • the present inventors use an existing induction rotating machine (induction generator) and devise the excitation method of the induction rotating machine to operate one induction rotating machine as a normal generator. It reminded me to make it work as a heat generator. Based on this idea, by using the induction rotating machine as a generator or a heat generator depending on the power demand, it is possible to control the generated power according to the power demand and to make the most effective use of wind energy. The present inventors have found that the wind power generation system of the present application has been completed.
  • the wind power generation system includes a windmill, an induction rotating machine, a power conversion device, a heat medium distribution mechanism, a heat accumulator, a thermoelectric generator, and an armature control unit.
  • the induction rotating machine is connected to the rotating shaft of the windmill.
  • the power converter supplies an exciting current to the induction rotating machine.
  • the heat medium distribution mechanism distributes a heat medium that receives heat generated by the induction rotating machine.
  • the heat accumulator stores the heat of the heat medium flowing through the heat medium distribution mechanism.
  • the thermal generator converts the heat of the heat medium stored in the heat accumulator into electricity.
  • the armature control unit controls the excitation current according to the power demand of the power system.
  • the armature control unit supplies power generation mode control that causes the induction rotating machine to operate as a generator, and torque current that causes a load torque to be generated as excitation current by controlling to supply reactive current from the power system as excitation current.
  • the heat generation mode control for operating the induction rotating machine as a heat generator is performed.
  • the armature control unit can operate the induction rotating machine as a generator, a heat generator, or both, and stable power supply is possible.
  • the induction rotating machine can be operated as a normal generator and power can be supplied from the induction rotating machine.
  • the induction rotator By operating the induction rotator as a generator, the rotational energy of the windmill is directly converted into electrical energy in the same way as the induction generators used in conventional wind power generation systems. And the generated power is large.
  • the induction rotating machine is operated as a heat generator, and the heat generated by the induction rotating machine is transferred to the heat accumulator through the heat medium distribution mechanism. Can store heat.
  • the excitation current to the induction rotating machine is controlled by a control different from the conventional one, and a load torque that obstructs the rotation of the induction rotating machine is forcibly applied. It is possible to increase the calorific value. Specifically, for example, by applying a direct current to the reactive current (commercial three-phase alternating current) from the power system (commercial power supply) as an exciting current during normal (power generation mode), The same situation as at the time of starting can be created, and a load torque as much as the starting torque can be applied.
  • a direct current to the reactive current commercial three-phase alternating current
  • the power system commercial power supply
  • the induction rotating machine when electric power is required, the induction rotating machine can be operated as a generator with high power generation efficiency, and power can be generated efficiently.
  • the induction rotating machine when no electric power is required, the induction rotating machine can be operated as a heat generator, and heat can be stored in the heat accumulator. And when electric power is needed, it can also generate electric power with a thermal generator using the heat stored in the heat accumulator. Therefore, the wind power generation system of the embodiment can control the generated power according to the power demand and can effectively use the wind energy to the maximum.
  • the induction rotating machine can be operated as both a generator and a heat generator by supplying an excitation current of a reactive current component and a torque current component to the induction rotating machine. Therefore, it is also possible to control the power generation amount and the heat generation amount of the induction rotating machine. For example, when not much electric power is required, a part of the rotational energy of the windmill can be extracted as electric energy and the rest can be extracted as thermal energy by the induction rotating machine.
  • the wind turbine is controlled so as to release the wind to some extent by pitch control or the like. Yes. That is, in the case of strong wind, wind energy is released.
  • the wind power generation system of the embodiment it is possible to operate as a heat generator while operating the induction rotating machine as a generator. In the case of strong wind, the induction rotating machine performs both power generation and heat generation. Thus, an output exceeding the rated output as a generator can be obtained. Therefore, the maximum energy can be recovered without wastefully escaping wind energy. Further, the usable wind speed range is widened, and the cutout wind speed can be increased.
  • the induction rotating machine that has generated heat can be cooled by distributing the heat medium by the heat medium distribution mechanism, so that the induction rotating machine can be prevented from being burned out.
  • the induction rotating machine is also called an induction machine, and is a general term for an induction generator and an induction motor.
  • the induction rotating machine can be configured inexpensively and easily by diverting the technology of the existing induction generator (induction motor) as the induction rotating machine.
  • An example of the induction rotating machine is a canned motor.
  • an induction rotating machine includes a field arm having a field iron core and a field conductor disposed around the field core, and an armature having a salient pole disposed at a distance from the field and facing the field. And an armature having an armature winding wound around the iron core and its salient pole.
  • the induction rotating machine has a structure in which one of the field and the armature is a rotor connected to the rotating shaft of the windmill, and the other is a stator.
  • the induction rotating machine has a primary side armature winding to which an excitation current is supplied from the outside and a secondary side conductor (for example, a squirrel-cage conductor) that is not electrically connected to the outside and short-circuited at both ends.
  • a secondary side conductor for example, a squirrel-cage conductor
  • the armature control part has the structure which controls torque current to direct current or alternating current in heat_generation
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a speed-torque characteristic of a typical induction rotating machine, in which the horizontal axis represents the rotational speed and the vertical axis represents the torque.
  • the induction rotating machine usually has a starting torque larger than the rated torque when the rated output is output.
  • the output of the induction rotating machine is proportional to the product of the rotation speed (the number of rotations) and the torque.
  • the excitation current is controlled by the armature control unit and a direct current is supplied as the torque current.
  • the rotational speed of the magnetic field generated in the child becomes zero, and a phenomenon of the same principle as a phenomenon called dynamic braking occurs.
  • This is the same situation as when the induction rotating machine is started, assuming that the rotor is stationary and the stator is rotating relatively and the slip is 100%.
  • the same load torque as the starting torque appears, and the amount of work (output) is consumed by heat generation. That is, by applying a direct current to the induction rotating machine (armature winding), the same torque as the starting torque can be produced, and the loss of the induction rotating machine increases, so that the heat generation amount can be increased.
  • the armature control part controls the torque current to the alternating current of the frequency from the rated torque to the stationary torque in the heat generation mode control.
  • the torque from the rated torque to the stationary torque is larger than the rated torque.
  • the stationary torque is the maximum torque that can be generated by the induction rotating machine, and is larger than the rated torque and the starting torque.
  • the armature control unit controls the excitation current, and the load torque is the rated torque.
  • a work amount (output) larger than the rated torque can be obtained.
  • a larger work amount (output) can be obtained.
  • the rotational frequency of the magnetic field generated in the armature is adjusted by controlling the frequency of alternating current that causes slip torque, the load torque equivalent to the stall torque appears, and the work load (output) ) Is consumed by heat generation. Therefore, since the loss of the induction rotating machine is further increased, the heat generation amount can be further increased.
  • the wind power generation system is equipped with the heat insulation container which accommodates an induction rotating machine, and the structure by which a heat medium distribution mechanism distribute
  • the heat generated by the induction rotating machine can be recovered by the heat medium without escaping. Even if the field that generates heat is a rotor, the heat generated by the field can be easily transmitted to the heat medium.
  • a wind power generation system 1 illustrated in FIG. 1 includes a windmill 10, an induction rotating machine 20, a power converter (inverter) 30, a heat medium distribution mechanism 40, a heat accumulator 50, and a heat generator 60.
  • the induction rotating machine 20 is housed in a heat insulating container 250 (see FIG. 2). In this example, as shown in FIG.
  • the wind turbine 10 is attached to a nacelle 92 installed at the top of a tower 91, and the induction rotating machine 20 and the power conversion device 30 are stored in the nacelle 92.
  • a regenerator 50 and a thermal generator 60 are installed in a building 93 built at the lower part (base) of the tower 91.
  • the induction rotating machine 20 and the thermal generator 60 are connected to and connected to an electric power system (commercial power supply) 100.
  • Windmill The windmill 10 has a structure in which three blades 12 are radially attached to the rotary shaft 11 around a rotary shaft 11 extending in the horizontal direction.
  • a rotation detector 13 (see FIG. 2) for detecting the rotation speed (number of rotations) is attached to the rotating shaft 11 of the windmill 10.
  • the induction rotating machine 20 is configured by diverting an existing induction machine (a canned motor used for a high-temperature pump).
  • the induction rotating machine 20 is a three-phase squirrel-cage induction machine (generator / motor), and is arranged with a space between the field 210 and the field 210 as shown in FIG. Armature 220.
  • the field 210 is a rotor connected to the rotating shaft 11 of the windmill 10, and the armature 220 is a stator.
  • the field (rotor) 210 includes a field iron core 211 connected to the rotating shaft 11 of the windmill 10 and a field conductor 215 arranged around the field core 211. The field 210 is rotated by the rotation of the windmill 10.
  • the armature (stator) 220 is disposed outside the field 210 with a space therebetween and has an armature core 221 having a salient pole facing the field 210 and an armature wound around the salient pole. And winding 225.
  • the induction rotating machine 20 (field 210) is directly connected to the rotating shaft 11 of the wind turbine 10, but the induction rotating machine 20 is connected to the output shaft of the speed increasing device via a speed increasing device (not shown). You may connect. By not using the gearbox, troubles caused by the gearbox can be avoided.
  • the induction rotating machine 20 is connected to the power system 100 via the power conversion device 30. For this reason, the induction rotating machine 20 can generate power by obtaining an excitation current from the power system 100 and supply the generated power to the power system 100.
  • a conductor is arranged in a cage shape around a cylindrical field iron core 211, and this cage conductor constitutes a field conductor 215.
  • the squirrel-cage conductor (field conductor 215) embeds conductor bars 215b in a number of slots provided at intervals on the outer periphery of the field core 211, and short-circuits the conductor bars 215b at both ends of the field core 211. It is formed by providing a conductor end ring 215r.
  • Such a squirrel-cage rotor has an extremely simple structure, and thus has an advantage such as few failures.
  • a cage rotor using a cage conductor as the field conductor 215 is used.
  • Field iron core 211 can be formed by laminating electromagnetic steel plates such as silicon steel plates, for example.
  • the field conductor 215 can be formed using, for example, copper or aluminum.
  • the armature (stator) 220 three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) armature windings 225 are wound around the salient poles of the armature core 221 in a distributed manner.
  • each phase of the armature winding 225 is Y-connected.
  • the armature core 221 has a structure having a cylindrical yoke portion and salient poles projecting inward from the yoke portion toward the field 210.
  • the armature winding 225 is distributed winding, but it can also be concentrated winding.
  • the armature core 221 can be formed by laminating electromagnetic steel plates such as silicon steel plates.
  • the armature winding 225 is used in a high temperature environment such as being disposed in the heat medium 400 that is at a high temperature, it is preferable to use, for example, a super heat resistant winding having a ceramic insulating layer.
  • a super heat resistant winding one having heat resistance that can be used up to 400 ° C. is known.
  • an enameled wire such as a polyamide-imide copper wire or a polyimide copper wire can be used.
  • a shaft insertion port 253 into which the rotary shaft 11 is inserted is formed in the heat insulating container 250, and the rotary shaft 11 is connected to the field (rotor) 210 of the induction rotating machine 20 through the shaft insertion port 253.
  • a through hole is formed in the central axis of the field iron core 211.
  • the rotating shaft 11 is inserted into the through hole, and the field 210 is fixed to the rotating shaft 11.
  • bearings (bearings) 261 and 262 are provided at two locations on the side where the rotating shaft 11 is inserted and on the opposite side.
  • the rotary shaft 11 is rotatably supported by the bearings 261 and 262.
  • the heat insulating container 250 is provided with an inlet portion 251 to which the heat medium 400 is supplied and an outlet portion 252 from which the heat medium 400 is discharged, and the heat medium 400 that receives the heat generated by the induction rotating machine 20 is provided.
  • the inlet 251 is provided on the side of the heat insulating container 250 where the rotating shaft 11 is inserted, and the outlet 252 is provided on the opposite side.
  • a supply pipe 41 and a discharge pipe 42 of the heat medium circulation mechanism 40 are connected to the inlet 251 and the outlet 252, respectively.
  • a shaft seal 263 is disposed at the shaft insertion port 253 of the heat insulating container 250.
  • the temperature of the heat medium 400 supplied from the inlet 251 into the heat insulating container 250 is preferably 100 ° C. or lower (for example, normal temperature). Thereby, the induction rotating machine 20 that has generated heat can be effectively cooled. Further, by setting the temperature to 100 ° C. or lower, it is sufficient that the shaft seal portion 263 disposed in the vicinity of the inlet portion 251 has a heat resistance of about 100 ° C. Therefore, a commercially available fluid seal is adopted for the shaft seal portion 263. can do.
  • the heat medium 400 that has received the heat generated by the induction rotating machine 20 and is heated to a predetermined temperature (for example, 200 ° C. to 350 ° C.) is discharged from the heat insulating container 250 through the outlet 252.
  • Heat medium 400 for example, water, oil, molten salt, or the like can be used.
  • water vaporizes when the temperature exceeds 100 ° C., so that the internal pressure of the heat insulating container 250 increases when the heat medium 400 is heated to a temperature exceeding 100 ° C.
  • oil or a molten salt having a boiling point exceeding 100 ° C. at normal pressure is used for the heating medium 400, the internal pressure of the heat insulating container 250 increases even when the heating medium 400 is heated to a temperature exceeding 100 ° C. Can be suppressed.
  • the heat medium 400 preferably has a boiling point of more than 200 ° C.
  • the heat medium 400 is preferably a liquid within a use temperature range (for example, normal temperature to 350 ° C.).
  • oil having a boiling point of over 350 ° C. at normal pressure is used for the heat medium 400, the heat medium 400 is circulated in the heat insulating container 250, and the heat medium is heated to about 350 ° C. with the induction rotating machine 20. be able to.
  • the power converter 30 supplies an exciting current to the induction rotating machine 20 (armature winding 225).
  • the power converter 30 is connected to an armature control unit 310 (see FIG. 2) that controls the excitation current to the induction rotating machine 20 (armature winding 225) according to the power demand of the power system 100. ing.
  • the armature control unit 310 controls the generation mode control in which the induction rotating machine 20 is operated as a generator by the control of supplying the reactive current from the power system 100 as the excitation current, and the torque current that causes the load torque to be generated as the excitation current.
  • One or both of the heat generation mode control for operating the induction rotating machine 20 as a heat generator is performed by the supplied control.
  • the torque current value (the magnitude of the current) to the armature winding 225 may be appropriately determined according to the specifications of the induction rotating machine 20 so that a predetermined load torque can be obtained. Value) and the same current value.
  • the load torque increases as the torque current value increases.
  • the torque current value can be, for example, 50% to 110% of the rated current value.
  • the reactive rotation (three-phase alternating current) as shown in FIG.
  • the machine 20 can be operated as a normal generator.
  • the horizontal axis represents time (t) and the vertical axis represents current value (i).
  • the horizontal axis and the vertical axis are the same in FIG.
  • loss heat generation amount
  • the torque current is controlled to a direct current, that is, as a torque current, a direct current is passed through at least two phases of the U-phase, V-phase, and W-phase of the armature winding 225, A direct current is applied between the V phase and the W phase, between the U phase and the W phase, and between the V phase and the W phase.
  • the same direct current is input from two of the above three phases (for example, U phase and W phase), and the combined direct current is output from the remaining one phase (for example, V phase).
  • direct current from any one of the three phases and direct current from another phase.
  • the induction rotating machine 20 in this case operates as a heat generator
  • the field (rotor) 210 is rotating at the rated rotation speed (rated rotation speed) due to the rotation of the windmill 10
  • a direct current is applied as a torque current from the power conversion device 30 by the armature control unit 310
  • the start is performed.
  • An induced current flows through the field conductor 215 of the field 210, and the work (output) is consumed as heat generation in the field conductor 215.
  • the starting torque is generally larger than the rated torque
  • a work amount (output) larger than the rated output of the induction rotating machine 20 can be obtained, and the heat generation amount becomes large.
  • both the power generation mode control and the heat generation mode control can be performed by the armature control unit 310, and the induction rotating machine 20 can be operated as both the generator and the heat generator.
  • a torque current direct current
  • a reactive current three-phase alternating current
  • the heat medium distribution mechanism 40 distributes the heat medium 400 that receives the heat generated by the induction rotating machine 20 into the heat insulating container 250 (see FIGS. 1 and 2).
  • the heat medium circulation mechanism 40 has one end connected to the inlet 251 of the heat insulating container 250 and one end connected to the supply pipe 41 that supplies the heat medium 400 into the heat insulating container 250 and the outlet 252 of the heat insulating container 250.
  • the discharge pipe 42 discharges the heat medium 400 out of the heat insulating container 250 and the circulation pump 43 provided in the supply pipe 41.
  • the other ends of the supply pipe 41 and the discharge pipe 42 are connected to the heat accumulator 50.
  • the heat medium circulation mechanism 40 circulates the heat medium 400 in the heat insulation container 250 by circulating the heat medium 400 between the induction rotating machine 20 (heat insulation container 250) and the heat accumulator 50 by the circulation pump 43.
  • the heat medium 400 heated by the induction rotating machine 20 is sent to the heat accumulator 50 through the discharge pipe 42.
  • the heat accumulator 50 is filled with a heat accumulating material, and a first heat exchange pipe 51 and a second heat exchange pipe 52 are arranged, and the heat accumulator 50 has a heat exchange function.
  • the exhaust pipe 42 is connected to the end of the 1st heat exchange pipe 51, and the heat medium 400 (for example, oil) heated by predetermined temperature distribute
  • a secondary heat medium for example, water flows through the second heat exchange pipe 52, and heat exchange is performed between the heat storage material and the secondary heat medium, whereby the second heat exchange pipe 52 is provided.
  • the secondary heat medium circulating in The generated secondary heat medium steam (for example, high-temperature high-pressure steam) is sent to the thermoelectric generator 60 via the second heat exchange pipe 52.
  • the heat accumulator 50 also has a function as a heat exchange device.
  • the heat storage material a latent heat storage material or a sensible heat storage material can be used, and these may be used in combination.
  • a latent heat storage material is accompanied by a phase change between a solid and a liquid, and has a higher heat storage density than a sensible heat storage material.
  • the supply pipe 41 is connected to the other end of the first heat exchange pipe 51.
  • the heat medium 400 cooled by heat exchange is sent again to the induction rotating machine 20 (the heat insulating container 250) through the supply pipe 41 by the circulation pump 43.
  • thermoelectric generator 60 converts the heat of the heat medium 400 heated by the induction rotating machine 20 into electricity.
  • the heat stored in the heat accumulator 50 is converted into electricity.
  • the thermal generator 60 shown in FIG. 1 has a configuration in which a steam turbine 61 and a generator 62 are combined, and the steam turbine 61 rotates by the steam supplied from the heat accumulator 50 to drive the generator 62 to generate electric power.
  • the generated power can be supplied to the power system 100.
  • a power control unit 80 that controls the generated power of the thermal power generator 60 according to the power demand of the power system 100 is connected to the thermal power generator 60.
  • thermoelectric generator 60 steam turbine 61
  • the steam of the secondary heat medium discharged from the thermoelectric generator 60 is cooled by the condenser 71 and returned to the liquid, and then is transferred to the heat accumulator 50 (second heat exchange pipe 52) by the circulation pump 72. Supplied. Thereby, the secondary heat medium circulates between the heat accumulator 50 and the thermal generator 60.
  • Embodiment 1 ⁇ Effect of wind power generation system>
  • the wind power generation system 1 of Embodiment 1 demonstrated above has the following effects.
  • the induction rotating machine 20 can be operated as a generator, a heat generator, or both by the armature control unit 310, it is possible to control the generated power according to the power demand and maximize the wind energy. It can be used effectively.
  • the induction rotating machine 20 when the power demand of the power system 100 is at a peak and the windmill 10 is rotating, the induction rotating machine 20 is operated as a generator with high power generation efficiency (power generation mode control), and power is supplied from the induction rotating machine 20. it can.
  • the induction rotating machine 20 is operated as a heat generator (heat generation mode control), and the heat generated by the induction rotating machine 20 is used as a heat medium.
  • Heat can be stored in the heat accumulator 50 through the distribution mechanism 40. If the wind turbine 10 is not rotating even when the power demand of the power system 100 is at a peak, the heat generated in the heat generator 60 is generated using the heat stored in the heat accumulator 50, and the electric power is supplied from the heat generator 60. it can. Therefore, according to the wind power generation system 1, stable power supply is possible without backup of storage batteries or thermal power generation facilities.
  • the induction rotating machine 20 When the induction rotating machine 20 is operated as both a generator and a heat generator, it is possible to control the power generation amount and the heat generation amount of the induction rotating machine 20. Therefore, when not much electric power is required, the induction rotating machine 20 can extract a part of the rotational energy of the windmill 10 as electric energy and take out the rest as thermal energy. In addition, by operating the induction rotating machine 20 as a generator while operating as a generator, in the case of strong wind, the induction rotating machine 20 performs both power generation and heat generation, and the output exceeds the rated output as the generator. Obtainable. Therefore, the maximum energy can be recovered without wastefully escaping wind energy. Further, since the usable wind speed range is widened, the cutout wind speed can be increased.
  • the induction rotating machine can divert the technology of the existing induction machine, it can be configured inexpensively and easily.
  • Embodiment 2 demonstrates the case where the alternating current of the frequency from a rated torque to a stalling torque is applied to the induction rotating machine 20 (armature winding 225) as a torque current in heat generation mode control.
  • armature winding 225 a case where the torque current is controlled to an alternating current having a frequency that becomes a stationary torque.
  • the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the excitation method of the induction rotating machine 20 by the armature control unit 310 is different, and the difference will be mainly described below.
  • the armature control unit 310 controls the three-phase alternating current having a predetermined frequency that causes slipping torque in the heat generation mode control, and applies this to the armature winding 225 as a torque current. It is configured.
  • the induction rotating machine 20 in this case operates as a heat generator
  • the armature control unit 310 applies an alternating current having a frequency that becomes a stationary torque from the power converter 30.
  • An induced current flows through the field conductor 215 of the field 210, and the work (output) thereof is consumed as heat generated by the field conductor 215.
  • the stalling torque is generally larger than the rated torque and the starting torque, it is possible to obtain a larger work amount (output) than the rated output of the induction rotating machine 20. And the calorific value is further increased.
  • a conductor is arranged in a cage shape on the inner periphery of a cylindrical field iron core 211, and this cage conductor can be used as a field conductor 215.
  • this cage conductor field conductor 215)
  • conductor bars 215 b are embedded in a number of slots provided at intervals on the inner periphery of the field core 211, and the conductor bars 215 b are short-circuited at both ends of the field core 211. It is formed by providing a conductor end ring 215r.
  • the armature (rotor) is arranged inside the field 210 with a space therebetween and is connected to the rotating shaft of the windmill.
  • the armature core can be connected to the rotating shaft of the windmill, and the armature winding can be wound around the salient pole of the armature core that protrudes outward toward the field.
  • the armature winding can be the same three-phase distributed winding as in the first embodiment. Moreover, what is necessary is just to supply an exciting current to an armature winding via a slip ring from a power converter device.
  • the armature control unit applies the load to the armature winding so that a load torque is generated.
  • an induced current corresponding to the load torque flows through the field conductor of the field.
  • the field conductor generates heat.
  • the armature (rotor) is rotating at the rated rotation speed (rated rotation speed) due to the rotation of the windmill, as in the first embodiment, when a direct current is applied to the armature winding as the torque current, the starting torque and The same load torque appears, and the work (output) is consumed by the heat generated by the field conductor.
  • the induction rotating machine can be configured not to be stored in the heat insulating container.
  • the heat medium flow path is provided by forming a hole through which the heat medium flows in the field, or arranging a pipe through which the heat medium flows on the outer peripheral surface of the field.
  • Embodiments 1 and 2 described above have described the configuration (inner rotor type) in which the rotor (field 210) is arranged inside the stator (armature 220) in the induction rotating machine.
  • the induction rotating machine 20 is further changed so that the field 210 is a stator without changing the positional relationship between the field 210 and the armature 220, the armature 220 is a rotor, and the outside of the stator (field 210).
  • the armature core is connected to the rotating shaft so that the armature rotates in conjunction with the rotating shaft of the windmill, and the field (field core) is cantilevered and fixed to a housing such as a heat insulating container. It can be a structure.
  • an excitation current may be supplied to the armature winding from the power conversion device via the slip ring.
  • the surface of the field core 211 is uneven.
  • the heat exchange efficiency between the field 210 and the heat medium 400 can be improved by providing fins to increase the surface area of the field 210.
  • the heat medium circulation mechanism 40 may be used as a heat accumulator by providing a heat insulation function by, for example, winding a heat insulating material around the supply pipe 41 or the discharge pipe 42 of the heat medium circulation mechanism 40.
  • the heat generator 60 may generate power using the heat of the heat medium flowing through the heat medium flow mechanism 40.
  • the wind power generation system of the present invention can be suitably used in the field of power generation using renewable energy.
  • 1 wind power generation system 10 windmill, 11 rotating shaft, 12 blades, 13 rotation detector, 20 induction rotating machine, 210 field, 211 field iron core, 215 field conductor, 215b conductor bar, 215r conductor end ring, 220 electric machine Child, 221 armature core, 225 armature winding, 250 heat insulation container, 251 inlet part, 252 outlet part, 253 shaft insertion port, 261,262 bearing (bearing), 263 shaft seal part, 30 power converter, 310 electric machine Child control unit, 40 heat medium distribution mechanism, 400 heat medium, 41 supply pipe, 42 discharge pipe, 43 circulation pump, 50 heat accumulator, 51 first heat exchange pipe, 52 second heat exchange pipe, 60 heat generator, 61 steam Turbine, 62 generator, 71 condenser, 72 circulation pump, 80 power control unit, 91 tower, 9 Nasser, 93 buildings, 100 power system (commercial power).

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Abstract

　風力発電システム（１）は、風車（１０）と、風車（１０）の回転軸に連結される誘導回転機（２０）と、誘導回転機（２０）に励磁電流を供給する電力変換装置（３０）と、誘導回転機（２０）で発生した熱を受け取る熱媒体を流通させる熱媒体流通機構（４０）と、熱媒体の熱を蓄える蓄熱器（５０）と、蓄熱器（５０）に蓄えられた熱媒体の熱を電気に変換する熱発電機（６０）と、電力系統（１００）の電力需要に応じて、励磁電流を制御する電機子制御部と、を備える。電機子制御部は、誘導回転機（２０）を発電機として動作させる発電モード制御と、誘導回転機（２０）を発熱機として動作させる発熱モード制御との一方または両方を行なう。

Description

風力発電システム
　本発明は、風力発電システムに関する。本発明は、特に、風力を利用して電気と熱の両方で発電でき、電力需要に応じた発電電力の制御が可能で、風力エネルギーを有効に利用できる風力発電システムに関する。
　近年、再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されており、その一つとして、風車の回転エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換する風力発電システムが知られている。また最近では、風車の回転エネルギーを誘導加熱（渦電流）による発熱を利用した発熱機で熱エネルギーに変換し、その熱を電気エネルギーに変換する風力熱発電システムが提案されている（たとえば特開２０１１－１０２５７６号公報（特許文献１）および特開２０１２－４３７２８号公報（特許文献２）参照）。
　また、たとえば特開２００３－１２０５０５号公報（特許文献３）および特開２００４－６３９３０号公報（特許文献４）には、再生可能エネルギーを利用した発電システムにおいて、発電効率を向上させる技術、および発電電力を有効活用する技術が提案されている。特許文献３には、風力発電装置において、風車に軸結合した発電機の損失による排熱を利用してタービンを駆動し、このタービンに軸結合した発電機から発電電力として回収することで、装置の効率を向上させる技術が提案されている。一方、特許文献４には、自然エネルギー利用発電システムにおいて、発電手段（太陽光発電、風力発電）で発電した余剰の電力を電熱体で熱に変換し蓄熱手段（電気温水器）に蓄えることで、発電電力を熱エネルギーとして有効に活用する技術が提案されている。
特開２０１１－１０２５７６号公報 特開２０１２－４３７２８号公報 特開２００３－１２０５０５号公報 特開２００４－６３９３０号公報
　風力発電システムは、自然現象である風を動力源とするため、発電電力が不安定である。また、風力発電システムは、電力需要に関係なく発電することから、電力需要に応じて発電電力を制御することができない。つまり、風力発電システムには、電力需要が多いときに発電できず、電力を供給できなかったり、電力需要が少ないときに発電量が需要を上回り、余剰電力が発生したりする欠点がある。そこで、電力系統の需要と供給のバランスを維持するためのバックアップが必要であり、たとえば、余剰電力を蓄電池に蓄えて、不足分の電力を蓄電池から供給したり、風力発電システムと火力発電設備とを組み合わせて、発電電力の変動分を調整したりすることが行なわれている。しかし、蓄電池は高価であるので経済的ではない。また、火力発電設備は直ぐに起動できるように常に待機させておく必要があり、待機中も燃料を消費してＣＯ２を排出する。
　特許文献１，２に記載の風力熱発電システムでは、発熱機で発生した熱を蓄熱器に蓄え、その熱を利用して発電することが可能である。このため、高価な蓄電池などがなくても、電力需要に応じて電力を供給することができる。しかしながら、この風力熱発電システムは、風車の回転エネルギーを熱エネルギーに一旦変換した後、電気エネルギーに変換するため、風車の回転エネルギーを電気エネルギーに直接変換する従来の風力発電システムに比べて発電効率が劣る。また、構成要素である発熱機を一から設計する必要があり、コスト高を招くことが懸念される。
　一方、特開２００３－１２０５０５号公報に記載の技術は、発電機の損失による排熱を利用して発電し、発電電力を回収することで、風力発電装置の発電効率を高めようとするものである。また、特開２００４－６３９３０号公報に記載の技術は、従来捨てられていた余剰電力を熱に変換して蓄熱し、熱として利用することで、発電電力を熱エネルギーとして有効活用しようというものである。しかし、いずれの技術も、安定した電力供給を可能にするものではなく、電力系統の安定化に貢献するものではない。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、風力を利用して電気と熱との両方で発電でき、電力需要に応じた発電電力の制御が可能で、風力エネルギーを有効に利用できる風力発電システムを提供することにある。
　本願の風力発電システムは、風車と、誘導回転機と、電力変換装置と、熱媒体流通機構と、蓄熱器と、熱発電機と、電機子制御部と、を備える。誘導回転機は、風車の回転軸に連結される。電力変換装置は、誘導回転機に励磁電流を供給する。熱媒体流通機構は、誘導回転機で発生した熱を受け取る熱媒体を流通させる。蓄熱器は、熱媒体流通機構に流通する熱媒体の熱を蓄える。熱発電機は、蓄熱器に蓄えられた熱媒体の熱を電気に変換する。電機子制御部は、電力系統の電力需要に応じて、励磁電流を制御する。そして、電機子制御部は、励磁電流として電力系統から無効電流を供給する制御により、誘導回転機を発電機として動作させる発電モード制御と、励磁電流として負荷トルクを生じるすべりとなるトルク電流を供給する制御により、誘導回転機を発熱機として動作させる発熱モード制御との一方または両方を行なう。
　上記の風力発電システムは、風力を利用して電気と熱との両方で発電でき、電力需要に応じた発電電力の制御が可能で、風力エネルギーを有効に利用できる。
本発明の風力発電システムの全体構成の一例を示す概略図である。 実施形態１における誘導回転機の構成の一例を示す概略図である。 電機子における電機子巻線の結線の一例を示す説明図である。 誘導回転機を発電機として動作させる場合の励磁電流の一例を示す説明図である。 誘導回転機を発電機、発熱機の両方として動作させる場合の励磁電流の一例を示す説明図である。 変形例１における界磁の構成を示す概略図である。 典型的な誘導回転機の速度―トルク特性の一例を示す説明図である。
　本発明者らは、風力発電システムにおいて、既存の誘導回転機（誘導発電機）を利用し、誘導回転機の励磁方式を工夫することで、１台の誘導回転機を通常の発電機として動作させたり、発熱機として動作させたりすることを想起した。そして、この発想に基づいて、電力需要に応じて誘導回転機を発電機または発熱機として使い分けることによって、電力需要に応じた発電電力の制御が可能で、風力エネルギーを最大限に有効に利用できることを本発明者らは見出し、本願の風力発電システムを完成するに至った。
　［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
　（１）実施形態に係る風力発電システムは、風車と、誘導回転機と、電力変換装置と、熱媒体流通機構と、蓄熱器と、熱発電機と、電機子制御部と、を備える。誘導回転機は、風車の回転軸に連結される。電力変換装置は、誘導回転機に励磁電流を供給する。熱媒体流通機構は、誘導回転機で発生した熱を受け取る熱媒体を流通させる。蓄熱器は、熱媒体流通機構に流通する熱媒体の熱を蓄える。熱発電機は、蓄熱器に蓄えられた熱媒体の熱を電気に変換する。電機子制御部は、電力系統の電力需要に応じて、励磁電流を制御する。そして、電機子制御部は、励磁電流として電力系統から無効電流を供給する制御により、誘導回転機を発電機として動作させる発電モード制御と、励磁電流として負荷トルクを生じるすべりとなるトルク電流を供給する制御により、誘導回転機を発熱機として動作させる発熱モード制御との一方または両方を行なう。
　上記した風力発電システムによれば、電機子制御部によって誘導回転機を発電機、発熱機、またはその両方として動作させることができ、安定した電力供給が可能である。たとえば、電力系統の電力需要がピークで、風を受けて風車が回転している場合は、誘導回転機を通常の発電機として動作させ、誘導回転機から電力を供給できる。誘導回転機を発電機として動作させることで、従来の風力発電システムで利用されている誘導発電機と同様に風車の回転エネルギーを電気エネルギーに直接変換するため、風力熱発電システムに比べて発電効率が高く、発電電力も大きい。一方、電力系統の電力需要がオフピークで、風を受けて風車が回転している場合は、誘導回転機を発熱機として動作させ、誘導回転機で発生した熱を熱媒体流通機構を通じて蓄熱器に蓄熱できる。
　ここで、実施形態の風力発電システムでは、誘導回転機（誘導発電機）への励磁電流の制御を従来とは異なる制御で行なうことで、誘導回転機の回転を妨げる負荷トルクを強制的に与え、発熱量を増やすことが可能である。具体的には、たとえば、励磁電流として、通常時（発電モード時）は電力系統（商用電源）から無効電流（商用三相交流）を印加するところに直流を印加することで、誘導回転機の始動時と同じ状況を作り出し、始動トルクと同じだけの負荷トルクを与えることができる。また、誘導回転機を発電機としても動作させ、電力も直接取り出す場合は、上記の商用三相交流と直流とを重畳して印加することができる。さらに、電力系統の電力需要がピークでも、風車が回転していない場合は、蓄熱器に蓄えられた熱を利用して熱発電機（たとえばタービン発電機）で発電することが可能であるため、熱発電機から電力を供給できる。また、誘導回転機の発電電力の変動分を熱発電機によって調整することも可能である。
　つまり、実施形態の風力発電システムでは、電力が必要なときは、誘導回転機を発電効率の高い発電機として動作させ、効率良く発電することができる。一方、電力が必要ないときは、誘導回転機を発熱機として動作させ、熱を蓄熱器に蓄えることができる。そして、電力が必要になったときは、蓄熱器に蓄えられた熱を利用して熱発電機で発電することもできる。したがって、実施形態の風力発電システムは、電力需要に応じた発電電力の制御が可能で、風力エネルギーを最大限に有効に利用できる。
　また、実施形態の風力発電システムでは、誘導回転機に無効電流成分とトルク電流成分との励磁電流を供給することで、誘導回転機を発電機、発熱機の両方として動作させることもできる。そのため、誘導回転機の発電量と発熱量とを制御することも可能である。たとえば電力があまり必要ないときは、誘導回転機によって、風車の回転エネルギーのうち一部を電気エネルギーとして取り出し、残りを熱エネルギーとして取り出すことができる。
　ところで、従来の風力発電システムでは、発電機の容量（定格出力）を超える出力を得ることはできず、定格風速を超えるようになると、ピッチ制御などにより風をある程度逃がすように風車を制御している。すなわち、強風の場合は、風力エネルギーを逃がすことになる。これに対し、実施形態の風力発電システムでは、誘導回転機を発電機として動作させながら発熱機としても動作させることが可能であり、強風の場合は誘導回転機が発電と発熱との両方を行なうことで、発電機としての定格出力を超える出力を得ることができる。したがって、風力エネルギーを無駄に逃がすことなく、最大限のエネルギーを回収することができる。また、使用可能風速範囲が広くなり、カットアウト風速も高くできる。
　さらに、実施形態の風力発電システムでは、熱媒体流通機構により熱媒体を流通させることで、発熱した誘導回転機を冷却できるので、誘導回転機が焼損などすることも防止できる。
　なお、誘導回転機は誘導機とも呼ばれ、誘導発電機と誘導電動機との総称である。実施形態の風力発電システムでは、誘導回転機として既存の誘導発電機（誘導電動機）の技術を流用することで、誘導回転機を安価かつ簡易に構成することができる。誘導回転機の一例として、キャンドモータが挙げられる。一般に、誘導回転機は、界磁鉄心およびその周囲に配置された界磁導体を有する界磁と、この界磁に対して間隔をあけて配置され、界磁に対向する突極を有する電機子鉄心およびその突極に巻回された電機子巻線を有する電機子と、を備える。そして、誘導回転機は、界磁および電機子のいずれか一方が風車の回転軸に連結される回転子となり、他方が固定子となる構造を有する。また、誘導回転機は、外部から励磁電流が供給される一次側の電機子巻線と、外部とは電気的に接続されず、両端が短絡された二次側の導体（たとえばかご形導体）とを備える。ここで、この二次側は実質的に界磁として働くので、以下では二次側を「界磁」と呼び、二次側の鉄心および導体をそれぞれ界磁鉄心および界磁導体と表現する。
　（２）実施形態の風力発電システムの一形態として、電機子制御部は、発熱モード制御において、トルク電流を直流または交流に制御する構成が挙げられる。
　図７は、典型的な誘導回転機の速度―トルク特性の一例を示す図であり、横軸が回転速度を表し、縦軸がトルクを表す。図７に示すように、誘導回転機は通常、定格出力を出すときの定格トルクよりも始動トルクの方が大きい。また、誘導回転機の出力は、回転速度（回転数）とトルクとの積に比例する。そして、風車の回転により誘導回転機（回転子）が定格回転速度（定格回転数）で回転している場合、電機子制御部により励磁電流を制御して、トルク電流として直流を供給すると、電機子に発生する磁界の回転速度が０の状態となり、ダイナミックブレーキと呼ばれる現象と同じ原理の現象が起きる。これは、回転子が静止し、固定子が相対的に回転していると考えれば、すべりが１００％の状態となり、誘導回転機の始動時と同じ状況である。これにより、始動トルクと同じだけの負荷トルクが現れ、その仕事量（出力）が発熱により消費される。つまり、誘導回転機（電機子巻線）に直流を印加することで、始動トルクと同じトルクを出すことができ、誘導回転機の損失が増えることから、発熱量を増やすことができる。なお、この場合は、定格トルクよりも大きいトルクで誘導回転機を運転することになるから、発電機としての定格出力よりも大きな仕事量（出力）が得られる。また、定格トルクよりも大きい負荷トルクを生じるすべりとなるのであれば、直流に限らず、交流をトルク電流として印加してもよい。
　（３）実施形態の風力発電システムの一形態として、電機子制御部は、発熱モード制御において、トルク電流を定格トルクから停動トルクまでとなる周波数の交流に制御する構成が挙げられる。
　図７に示すように、定格トルクから停動トルクまでのトルクは定格トルクよりも大きい。特に、停動トルクは、誘導回転機が出し得る最大トルクであり、定格トルクおよび始動トルクよりもさらに大きい。そして、風車の回転により誘導回転機（回転子）が定格回転速度（定格回転数）で回転している場合、電機子制御部により励磁電流を制御して、トルク電流として、負荷トルクが定格トルクから停動トルクまでとなるすべり周波数の交流を供給すると、定格トルクよりも大きな仕事量（出力）を得ることができる。特に、停動トルクとなる周波数の交流を供給すると、さらに大きな仕事量（出力）を得ることができる。具体的には、停動トルクを生じるすべりとなる交流の周波数に制御し、電機子に発生する磁界の回転速度を調整すると、停動トルクと同じだけの負荷トルクが現れ、その仕事量（出力）が発熱により消費される。よって、誘導回転機の損失がさらに増えることから、発熱量をさらに増やすことができる。
　（４）実施形態の風力発電システムの一形態として、風力発電システムが誘導回転機を収納する断熱容器を備え、熱媒体流通機構が断熱容器内に熱媒体を流通させる構成が挙げられる。
　上記構成によれば、誘導回転機で発生した熱を逃がすことなく、熱媒体によって回収することができる。また、発熱する界磁が回転子であっても、界磁で発生した熱を熱媒体に容易に伝えることができる。
　（５）実施形態の風力発電システムの一形態として、電力系統の電力需要に応じて、熱発電機の発電電力を制御する電力制御部を備える構成が挙げられる。
　上記構成によれば、電力系統の電力需要がピークであって、風車が回転していない場合は、熱発電機から電力を供給する他、風車が回転していても、より大きな発電電力が要求される場合は、誘導回転機と熱発電機とから同時に電力を供給できる。つまり、熱発電機からの発電電力を加えることで、誘導回転機の発電機としての発電電力を超える電力の供給が可能である。また、電力系統の電力需要がオフピークの場合は、熱発電機での発電を停止し、蓄熱状態で待機できる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　本発明の実施形態の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　［実施形態１：界磁＝回転子（内側）、電機子＝固定子（外側）］
　＜風力発電システムの全体構成＞
　図１～図５を参照して、実施形態１に係る風力発電システムについて説明する。図１に示す風力発電システム１は、風車１０と、誘導回転機２０と、電力変換装置（インバータ）３０と、熱媒体流通機構４０と、蓄熱器５０と、熱発電機６０とを備える。誘導回転機２０は、断熱容器２５０に収納されている（図２参照）。この例では、図１に示すように、塔９１の上部に設置されたナセル９２に風車１０が取り付けられ、ナセル９２内に誘導回転機２０と電力変換装置３０とが格納されている。また、塔９１の下部（土台）に建てられた建屋９３に蓄熱器５０と熱発電機６０とが設置されている。誘導回転機２０と熱発電機６０とは電力系統（商用電源）１００に接続され連系されている。
　（風車）
　風車１０は、水平方向に延びる回転軸１１を中心に、３枚の翼１２を回転軸１１に放射状に取り付けた構造を有する。風車１０の回転軸１１には、回転速度（回転数）を検出する回転検出器１３（図２参照）が取り付けられている。
　（誘導回転機）
　誘導回転機２０は、既存の誘導機（高温ポンプに用いられるキャンドモータ）を流用して構成されている。この例では、誘導回転機２０は、三相かご形誘導機（発電機・電動機）であり、図２に示すように、界磁２１０と、界磁２１０に対して間隔をあけて配置される電機子２２０とを備える。界磁２１０が風車１０の回転軸１１に連結される回転子であり、電機子２２０が固定子である。具体的には、界磁（回転子）２１０は、風車１０の回転軸１１に連結される界磁鉄心２１１と、その周囲に配置された界磁導体２１５とを有する。界磁２１０は、風車１０の回転により回転する。また、電機子（固定子）２２０は、界磁２１０の外側に間隔をあけて配置され、界磁２１０に対向する突極を有する電機子鉄心２２１と、その突極に巻回された電機子巻線２２５とを有する。この例では、風車１０の回転軸１１に誘導回転機２０（界磁２１０）が直結されているが、増速機（図示せず）を介して増速機の出力軸に誘導回転機２０を連結してもよい。増速機を用いないことで、増速機によるトラブルを回避することができる。
　誘導回転機２０は、電力変換装置３０を介して電力系統１００と接続されている。このため、誘導回転機２０は、電力系統１００から励磁電流を得て発電し、発電電力を電力系統１００に供給できる。
　界磁（回転子）２１０は、円柱状の界磁鉄心２１１の周囲に導体がかご形に配置されており、このかご形導体が界磁導体２１５を構成する。このかご形導体（界磁導体２１５）は、界磁鉄心２１１の外周に間隔をあけて設けられた多数のスロットに導体バー２１５ｂを埋め込み、界磁鉄心２１１の両端にこれら導体バー２１５ｂを短絡する導体エンドリング２１５ｒを設けることで形成されている。このようなかご形回転子は、極めて簡単な構造を有するので、故障が少ないなどの利点がある。この例では、界磁導体２１５にかご形導体を用いたかご形回転子であるが、界磁導体２１５として導体を巻回し、両端を短絡した巻線を用いた巻線形回転子を用いてもよい。界磁鉄心２１１は、たとえばケイ素鋼板などの電磁鋼板を積層して形成することができる。界磁導体２１５は、たとえば銅やアルミを用いて形成することができる。
　電機子（固定子）２２０では、電機子鉄心２２１の突極に分布巻で三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電機子巻線２２５が巻回されている。この例では、図３に示すように、電機子巻線２２５の各相がＹ結線されている。また、この例では、電機子鉄心２２１は、円筒状のヨーク部と、このヨーク部から界磁２１０に向かって内方に突出する突極とを有する構造である。電機子巻線２２５は分布巻としているが、集中巻とすることも可能である。図２に戻り、電機子鉄心２２１は、たとえばケイ素鋼板などの電磁鋼板を積層して形成することができる。この例では、電機子巻線２２５が、高温となる熱媒体４００中に配置されるなど、高温環境下で使用されるため、たとえばセラミック絶縁層を有する超耐熱巻線を使用することが好ましい。超耐熱巻線としては、４００℃まで使用可能な耐熱性を有するものが知られている。もちろん、使用温度が低い場合は、ポリアミドイミド銅線またはポリイミド銅線などのエナメル線を使用することも可能である。
　（断熱容器）
　断熱容器２５０は、誘導回転機２０（界磁（回転子）２１０および電機子（固定子）２２０）を収納する。断熱容器２５０は、たとえば金属製の容器の周囲に断熱材を配置して構成することができる。断熱材としては、たとえばロックウール、グラスウール、発砲プラスチック、レンガ、セラミック、またはこれら材料の任意の組み合わせからなる複合材などを用いることができる。
　断熱容器２５０には、回転軸１１が挿入される軸挿入口２５３が形成されており、回転軸１１が軸挿入口２５３を通って誘導回転機２０の界磁（回転子）２１０に連結されている。この例では、界磁鉄心２１１の中心軸に貫通孔が形成されている。その貫通孔に回転軸１１が挿通され、回転軸１１に界磁２１０が固定されている。また、断熱容器２５０内には、回転軸１１が挿入される側とその反対側の２箇所に軸受（ベアリング）２６１，２６２が設けられている。軸受２６１，２６２により回転軸１１が回転可能に支持されている。
　また、断熱容器２５０には、熱媒体４００が供給される入口部２５１と、熱媒体４００が排出される出口部２５２が設けられており、誘導回転機２０で発生した熱を受け取る熱媒体４００が流通する。この例では、断熱容器２５０の回転軸１１が挿入される側に入口部２５１が設けられ、その反対側に出口部２５２が設けられている。入口部２５１と出口部２５２とに、熱媒体流通機構４０の供給管４１と排出管４２とがそれぞれ接続されている。また、断熱容器２５０の軸挿入口２５３には、軸シール部２６３が配置されている。ここで、入口部２５１から断熱容器２５０内に供給する熱媒体４００の温度は、１００℃以下（たとえば常温）とすることが好ましい。これにより発熱した誘導回転機２０を効果的に冷却することができる。また、１００℃以下とすることで、入口部２５１の近傍に配置される軸シール部２６３は１００℃程度の耐熱性を有すれば十分であるので、軸シール部２６３に市販の流体シールを採用することができる。誘導回転機２０で発生した熱を受け取って、所定温度（たとえば２００℃～３５０℃）に加熱された熱媒体４００は、出口部２５２から断熱容器２５０外に排出される。
　（熱媒体）
　熱媒体４００としては、たとえば水、油、溶融塩などを用いることができる。水を熱媒体４００に用いた場合、水は１００℃を超えると蒸気化するため、熱媒体４００が１００℃を超える温度に加熱されると、断熱容器２５０の内圧が上昇する。一方、常圧で１００℃超の沸点を有する油または溶融塩を熱媒体４００に用いた場合、熱媒体４００が１００℃を超える温度に加熱されても、断熱容器２５０の内圧が上昇することを抑制できる。熱媒体４００は、常圧で２００℃超の沸点を有することが好ましく、３５０℃超の沸点を有することがより好ましい。特に、熱媒体４００は、使用温度範囲内（たとえば常温～３５０℃）で液体であることが好ましい。この例では、熱媒体４００に常圧で３５０℃超の沸点を有する油を用いており、断熱容器２５０内に熱媒体４００を流通させ、誘導回転機２０で熱媒体を３５０℃程度まで加熱することができる。
　（電力変換装置、電機子制御部）
　電力変換装置３０は、誘導回転機２０（電機子巻線２２５）に励磁電流を供給する。また、電力変換装置３０には、電力系統１００の電力需要に応じて、誘導回転機２０（電機子巻線２２５）への励磁電流を制御する電機子制御部３１０（図２参照）が接続されている。電機子制御部３１０は、励磁電流として電力系統１００から無効電流を供給する制御により、誘導回転機２０を発電機として動作させる発電モード制御と、励磁電流として負荷トルクを生じるすべりとなるトルク電流を供給する制御により、誘導回転機２０を発熱機として動作させる発熱モード制御との一方又は両方を行う。
　発熱モード制御では、風車１０の回転により回転子（ここでは界磁２１０）が回転している際、負荷トルクを生じるすべりとなるように誘導回転機２０（電機子巻線２２５）への励磁電流を制御することで、電機子２２０に発生する磁界の回転速度を制御する。これにより、回転子に負荷トルクが強制的に与えられ、界磁２１０の界磁導体２１５に負荷トルクに応じた誘導電流が流れるので、界磁導体２１５が発熱する。つまり、誘導回転機２０（回転子）の回転を妨げる負荷トルクによる仕事量（出力）が損失として熱に変換される。なお、電機子巻線２２５へのトルク電流値（電流の大きさ）は、所定の負荷トルクが得られるように、誘導回転機２０の仕様に応じて適宜決定すればよく、たとえば定格電流（設計値）と同じ電流値とすることができる。トルク電流値が大きくなるほど原理的に負荷トルクが上がるが、トルク電流値が大き過ぎても電機子鉄心２２１が磁気飽和してしまうため、負荷トルクが頭打ちになる。トルク電流値は、たとえば定格電流値の５０％以上１１０％以下とすることができる。
　たとえば、風車１０が回転し、かつ誘導回転機２０が回転している状態で、電力系統１００から励磁電流として、図４に示すような無効電流（三相交流）を供給することで、誘導回転機２０を通常の発電機として動作させることができる。なお、図４の横軸は時間（ｔ）を表し、縦軸は電流値（ｉ）を表す。横軸および縦軸は後述する図５においても同様である。一方、負荷トルクを生じるすべりとなるトルク電流を供給すると、誘導回転機２０で発生する損失（発熱量）が増え、誘導回転機２０を発熱機として動作させることができる。この例では、発熱モード制御において、トルク電流を直流に制御する、すなわち、トルク電流として、電機子巻線２２５のＵ相、Ｖ相およびＷ相のうちの少なくとも二相に直流を流し、Ｕ相とＶ相との間、Ｕ相とＷ相との間、およびＶ相とＷ相との間のいずれかに直流を印加する。具体的には、たとえば、上記した三相のうちの二相（たとえばＵ相およびＷ相）から等しい直流を入力し、残る一相（たとえばＶ相）から２つ合わせた直流が出力されるように流したり、三相のうちのいずれか一相から直流を入力し、別の一相から直流が出力されるように流したりすることができる。
　この場合での誘導回転機２０が発熱機として動作する原理を説明する。たとえば風車１０の回転により界磁（回転子）２１０が定格回転速度（定格回転数）で回転している場合、電機子制御部３１０によって電力変換装置３０から、トルク電流として直流を印加すると、始動トルクと同じだけの負荷トルクが現れる。そして、界磁２１０の界磁導体２１５に誘導電流が流れ、その仕事量（出力）が界磁導体２１５における発熱として消費される。ここで、図７を用いて上述したように、一般に始動トルクは定格トルクより大きいため、誘導回転機２０の定格出力よりも大きな仕事量（出力）を得ることができ、発熱量が大きくなる。
　また、電機子制御部３１０により発電モード制御と発熱モード制御との両方を行ない、誘導回転機２０を発電機および発熱機の両方として動作させることもできる。この場合、無効電流成分とトルク電流成分との励磁電流を供給し、無効電流成分とトルク電流成分との比を調整することにより、誘導回転機２０の発電量と発熱量とを制御することができる。たとえば、図５に示すように、無効電流（三相交流）にトルク電流（直流）を重畳させることができる。図５では、定格電流値を１０とするとき、Ｕ相およびＷ相に１の直流（図中の「ｉ＋１」）、Ｖ相に－２の直流（図中の「ｉ－２」）を重畳させた励磁電流を示す。トルク電流成分を大きくするほど、誘導回転機２０の発熱量の割合が増える。
　（熱媒体流通機構）
　熱媒体流通機構４０は、誘導回転機２０で発生した熱を受け取る熱媒体４００を断熱容器２５０内に流通させる（図１および図２参照）。この例では、熱媒体流通機構４０は、断熱容器２５０の入口部２５１に一端が接続され断熱容器２５０内に熱媒体４００を供給する供給管４１と、断熱容器２５０の出口部２５２に一端が接続され断熱容器２５０外に熱媒体４００を排出する排出管４２と、供給管４１に設けられた循環ポンプ４３とで構成されている。また、供給管４１および排出管４２の各他端は蓄熱器５０に接続されている。熱媒体流通機構４０は、循環ポンプ４３により誘導回転機２０（断熱容器２５０）と蓄熱器５０との間で熱媒体４００を循環させることで、断熱容器２５０内に熱媒体４００を流通させる。ここで、誘導回転機２０の発熱によって加熱される熱媒体４００の温度に応じて、循環ポンプ４３により熱媒体４００の流量を調整することが好ましい。具体的には、熱媒体４００が所定温度より高い場合は、熱媒体４００の流量を増やし、所定温度より低い場合は、流量を減らす。これにより、誘導回転機２０を使用温度範囲内に維持することができる。
　誘導回転機２０で加熱された熱媒体４００は、排出管４２を通って蓄熱器５０に送られる。この例では、蓄熱器５０内に蓄熱材が充填されるとともに、第１熱交換管５１と第２熱交換管５２とが配置されており、蓄熱器５０は熱交換機能を有する。そして、第１熱交換管５１の一端に排出管４２が接続され、所定温度に加熱された熱媒体４００（たとえば油）が第１熱交換管５１を流通することで、蓄熱材との間で熱交換が行なわれ、熱媒体４００の熱が蓄熱材に蓄えられる。一方、第２熱交換管５２には、二次熱媒体（たとえば水）が流通しており、蓄熱材と二次熱媒体との間で熱交換が行なわれることで、第２熱交換管５２に流通する二次熱媒体を蒸気化する。発生した二次熱媒体の蒸気（たとえば高温高圧蒸気）は、第２熱交換管５２を介して熱発電機６０に送られる。つまり、蓄熱器５０は、熱交換機器としての機能も兼ね備える。蓄熱材には潜熱蓄熱材または顕熱蓄熱材などを用いることができ、これらを併用してもよい。一般に、潜熱蓄熱材は、固体と液体との間の相変化を伴うものであり、顕熱蓄熱材に比べて蓄熱密度が高い。ここで、第１熱交換管５１の他端には供給管４１が接続されている。熱交換が行なわれ冷却された熱媒体４００は、循環ポンプ４３により供給管４１を通って誘導回転機２０（断熱容器２５０）に再び送られる。
　（熱発電機、電力制御部）
　熱発電機６０は、誘導回転機２０で加熱された熱媒体４００の熱を電気に変換する。この例では、蓄熱器５０に蓄えられた熱を電気に変換する。図１に示す熱発電機６０は、蒸気タービン６１と発電機６２とを組み合わせた構成を有し、蓄熱器５０から供給された蒸気によって蒸気タービン６１が回転して発電機６２を駆動して発電し、発電電力を電力系統１００に供給できる。また、熱発電機６０には、電力系統１００の電力需要に応じて、熱発電機６０の発電電力を制御する電力制御部８０が接続されている。
　熱発電機６０（蒸気タービン６１）から排出された二次熱媒体の蒸気は、復水器７１で冷却され液体に戻された後、循環ポンプ７２により蓄熱器５０（第２熱交換管５２）に供給される。これにより、蓄熱器５０と熱発電機６０との間で二次熱媒体が循環する。
　＜風力発電システムの効果＞
　以上で説明した実施形態１の風力発電システム１は、次の効果を奏する。
　（１）電機子制御部３１０によって誘導回転機２０を発電機、発熱機、またはその両方として動作させることができるので、電力需要に応じた発電電力の制御が可能で、風力エネルギーを最大限に有効に利用できる。たとえば、電力系統１００の電力需要がピークで、風車１０が回転している場合は、誘導回転機２０を発電効率の高い発電機として動作させ（発電モード制御）、誘導回転機２０から電力を供給できる。一方で、電力系統１００の電力需要がオフピークで、風車１０が回転している場合は、誘導回転機２０を発熱機として動作させ（発熱モード制御）、誘導回転機２０で発生した熱を熱媒体流通機構４０を通じて蓄熱器５０に蓄熱できる。そして、電力系統１００の電力需要がピークであっても風車１０が回転していない場合は、蓄熱器５０に蓄えられた熱を利用して熱発電機６０で発電し、熱発電機６０から電力を供給できる。したがって、風力発電システム１によれば、蓄電池または火力発電設備などのバックアップがなくても、安定した電力供給が可能である。
　（２）誘導回転機２０を発電機および発熱機の両方として動作させる場合は、誘導回転機２０の発電量と発熱量とを制御することも可能である。そのため、電力があまり必要ないときは、誘導回転機２０によって、風車１０の回転エネルギーのうち一部を電気エネルギーとして取り出し、残りを熱エネルギーとして取り出すことができる。また、誘導回転機２０を発電機として動作させながら発熱機としても動作させることで、強風の場合は誘導回転機２０で発電と発熱との両方を行ない、発電機としての定格出力を超える出力を得ることができる。したがって、風力エネルギーを無駄に逃がすことなく、最大限のエネルギーを回収することができる。また、使用可能風速範囲が広くなるので、カットアウト風速も高くできる。
　（３）電力系統１００の電力需要がピークであって、風車１０が回転していない場合は、熱発電機６０から電力を供給する他、風車１０が回転していても、より大きな発電電力が要求される場合は、誘導回転機２０と熱発電機６０とから同時に電力を供給できる。
　（４）その他、誘導回転機は既存の誘導機の技術を流用できることから、安価かつ簡易に構成することができる。
　［実施形態２：界磁＝回転子（内側）、電機子＝固定子（外側）］
　実施形態１では、発熱モード制御において、電機子制御部３１０によりトルク電流として誘導回転機２０（電機子巻線２２５）に直流を印加する場合について説明した。実施形態２では、発熱モード制御において、トルク電流として、誘導回転機２０（電機子巻線２２５）に定格トルクから停動トルクまでとなる周波数の交流を印加する場合について説明する。ここでは、具体例として、トルク電流を停動トルクとなる周波数の交流に制御する場合を例に挙げて説明する。なお、実施の形態２の構成は、電機子制御部３１０による誘導回転機２０の励磁方式が異なる点を除いて実施形態１の構成と同等であり、以下ではその相違点を中心に説明する。
　具体的には、電機子制御部３１０は、発熱モード制御において、停動トルクを生じるすべりとなる所定周波数の三相交流に制御し、これをトルク電流として電機子巻線２２５に印加するように構成されている。
　この場合での誘導回転機２０が発熱機として動作する原理を説明する。たとえば風車１０の回転により界磁（回転子）２１０が定格回転速度（定格回転数）で回転している場合、電機子制御部３１０によって電力変換装置３０から停動トルクとなる周波数の交流を印加すると、停動トルクと同じだけの負荷トルクが現れる。そして、界磁２１０の界磁導体２１５に誘導電流が流れ、その仕事量（出力）が界磁導体２１５の発熱として消費される。ここで、図７を用いて上述したように、一般に、停動トルクは定格トルクおよび始動トルクよりもさらに大きいため、誘導回転機２０の定格出力よりもさらに大きな仕事量（出力）を得ることができ、発熱量がさらに大きくなる。
　［変形例１：界磁＝固定子（外側）、電機子＝回転子（内側）］
　上述した実施形態１，２では、誘導回転機２０において、界磁２１０を回転子とし、電機子２２０を固定子とした構成（回転界磁型）について説明した。誘導回転機２０をさらに変更して、界磁２１０と電機子２２０との位置関係を逆にするとともに、界磁２１０を固定子とし、電機子２２０を回転子とした構成（回転電機子型）とすることも可能である。
　たとえば、界磁（固定子）は、図６に示すように、円筒状の界磁鉄心２１１の内周に導体をかご形に配置し、このかご形導体を界磁導体２１５とすることができる。このかご形導体（界磁導体２１５）は、界磁鉄心２１１の内周に間隔をあけて設けられた多数のスロットに導体バー２１５ｂを埋め込み、界磁鉄心２１１の両端にこれら導体バー２１５ｂを短絡する導体エンドリング２１５ｒを設けることで形成されている。一方、電機子（回転子）は、界磁２１０の内側に間隔をあけて配置され、風車の回転軸に連結される。具体的には、風車の回転軸に電機子鉄心を連結し、界磁に向かって外方に突出する電機子鉄心の突極に電機子巻線を巻回する構造とすることができる。電機子巻線は、実施形態１と同じ三相分布巻とすることができる。また、電機子巻線には、電力変換装置からスリップリングを介して励磁電流を供給すればよい。
　このような構成であっても、風車の回転により回転子（ここでは電機子）が回転している際、電機子制御部により、負荷トルクを生じるすべりとなるように、電機子巻線への励磁電流を制御することで、界磁の界磁導体に負荷トルクに応じた誘導電流が流れる。その結果、界磁導体が発熱する。たとえば風車の回転により電機子（回転子）が定格回転速度（定格回転数）で回転している場合、実施形態１と同様に、トルク電流として電機子巻線に直流を印加すると、始動トルクと同じだけの負荷トルクが現れ、その仕事量（出力）が界磁導体の発熱により消費される。または、実施形態２と同様に、トルク電流として電機子巻線に停動トルクとなる周波数の交流を印加すると、停動トルクと同じだけの負荷トルクが現れ、その仕事量（出力）が界磁導体の発熱により消費される。
　また、この構成であれば、発熱する界磁が固定子であるため、誘導回転機を断熱容器内に収納しない構成とすることも可能である。具体的には、界磁に熱媒体が流通する孔を形成したり、界磁の外周面に熱媒体が流通する配管を配置するなどしたりして熱媒体流路を設け、この熱媒体流路によって熱媒体流通機構を構成するこで、誘導回転機（界磁）で発生した熱を熱媒体に伝えることができる。この場合、断熱容器を省略することができるので、より小型化できる。
　［変形例２：界磁＝固定子（内側）、電機子＝回転子（外側）］
　上述した実施形態１，２では、誘導回転機において、固定子（電機子２２０）の内側に回転子（界磁２１０）を配置した構成（インナーロータ型）について説明した。誘導回転機２０をさらに変更して、界磁２１０と電機子２２０との位置関係を変えずに界磁２１０を固定子とし、電機子２２０を回転子とし、固定子（界磁２１０）の外側に回転子（電機子２２０）を配置した構成（アウターロータ型）とすることも可能である。
　たとえば、風車の回転軸に連動して電機子が回転するように、回転軸に電機子鉄心を連結するとともに、断熱容器などのハウジングに界磁（界磁鉄心）を片持ち支持して固定する構造とすることができる。また、この場合、電機子巻線には、電力変換装置からスリップリングを介して励磁電流を供給すればよい。
　［変形例３：界磁＝回転子（外側）、電機子＝固定子（内側）］
　上述した変形例１の誘導回転機においても、変形例２と同じように、電機子を固定子とし、界磁を回転子とし、固定子（電機子）の外側に回転子（界磁）を配置した構成（アウターロータ型）とすることが可能である。
　なお、上述した実施形態１，２および変形例１～３の風力発電システムにおいて、たとえば、断熱容器内に誘導回転機を収納し熱媒体を流通させる構成の場合、界磁鉄心２１１の表面に凹凸またはフィンを設けて界磁２１０の表面積を大きくすることで、界磁２１０と熱媒体４００との間の熱交換効率を向上させることができる。また、熱媒体流通機構４０の供給管４１または排出管４２に断熱材を巻き付けるなどして断熱機能を持たせ、熱媒体流通機構４０を蓄熱器として用いてもよい。この場合、熱媒体流通機構４０に流通する熱媒体の熱を利用して熱発電機６０で発電してもよい。
　今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。
　本発明の風力発電システムは、再生可能エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。
　１　風力発電システム、１０　風車、１１　回転軸、１２　翼、１３　回転検出器、２０　誘導回転機、２１０　界磁、２１１　界磁鉄心、２１５　界磁導体、２１５ｂ　導体バー、２１５ｒ　導体エンドリング、２２０　電機子、２２１　電機子鉄心、２２５　電機子巻線、２５０　断熱容器、２５１　入口部、２５２　出口部、２５３　軸挿入口、２６１，２６２　軸受（ベアリング）、２６３　軸シール部、３０　電力変換装置、３１０　電機子制御部、４０　熱媒体流通機構、４００　熱媒体、４１　供給管、４２　排出管、４３　循環ポンプ、５０　蓄熱器、５１　第１熱交換管、５２　第２熱交換管、６０　熱発電機、６１　蒸気タービン、６２　発電機、７１　復水器、７２　循環ポンプ、８０　電力制御部、９１　塔、９２　ナセル、９３　建屋、１００　電力系統（商用電源）。

Claims (5)

  1. 　風車と、
    　前記風車の回転軸に連結される誘導回転機と、
    　前記誘導回転機に励磁電流を供給する電力変換装置と、
    　前記誘導回転機で発生した熱を受け取る熱媒体を流通させる熱媒体流通機構と、
    　前記熱媒体流通機構に流通する前記熱媒体の熱を蓄える蓄熱器と、
    　前記蓄熱器に蓄えられた前記熱媒体の熱を電気に変換する熱発電機と、
    　電力系統の電力需要に応じて、前記励磁電流を制御する電機子制御部と、を備え、
    　前記電機子制御部は、
    　前記励磁電流として前記電力系統から無効電流を供給する制御により、前記誘導回転機を発電機として動作させる発電モード制御と、
    　前記励磁電流として負荷トルクを生じるすべりとなるトルク電流を供給する制御により、前記誘導回転機を発熱機として動作させる発熱モード制御との一方または両方を行なう、風力発電システム。
  2. 　前記電機子制御部は、前記発熱モード制御において、前記トルク電流を直流または交流に制御する、請求項１に記載の風力発電システム。
  3. 　前記電機子制御部は、前記発熱モード制御において、前記トルク電流を定格トルクから停動トルクまでとなる周波数の交流に制御する、請求項１に記載の風力発電システム。
  4. 　前記誘導回転機を収納する断熱容器を備え、
    　前記熱媒体流通機構が、前記断熱容器内に前記熱媒体を流通させる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の風力発電システム。
  5. 　前記電力系統の電力需要に応じて、前記熱発電機の発電電力を制御する電力制御部を備える、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の風力発電システム。
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