(57)【要約】【課題】翼の翼角度の制御により、直流母線の電圧が所定の範囲に保たれるように風力発電機を動作させる。【解決手段】本体部２０は、発電機１１の固定子を含む。回転部３０は、発電機１１の回転子を含む。翼３７が風を受けるとき、回転部３０は、翼３７と共に回転し、発電機の回転子を回転させる。母線電圧検出部２２は、本体部２０に配置されている。母線電圧検出部２２は、直流母線１００の電圧を検出する。翼角度変更部３１は、回転部３０に配置されている。翼角度変更部３１は、翼角度可変機構３２と翼角度制御部３３を有する。翼角度制御部３３は、翼角度可変機構３２を制御し、母線電圧検出部２２によって検出された直流母線１００の電圧に応じて直流母線１００の電圧が所定の範囲に保たれるように各翼３７の翼角度を変更する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流母線に接続される風力発電装置であって、
複数の翼と、
前記複数の翼と共に回転し、発電機の回転子を回転させる回転部と、
前記発電機の固定子を含む本体部と、
前記本体部に配置されており、前記直流母線の電圧を検出する母線電圧検出部と、
前記回転部に配置されており、前記母線電圧検出部で検出された直流母線の電圧に応じて前記各翼の翼角度を変更する翼角度変更部と、
を備える風力発電装置。
【請求項２】
前記本体部に配置されており、前記母線電圧検出部で検出された直流母線の電圧の大きさを示す電圧情報を前記翼角度変更部に送信する電圧情報送信部を備え、
前記翼角度変更部が、前記電圧情報送信部から送信される電圧情報に基づいて前記各翼の翼角度を変更する、
請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記本体部に配置されており、前記母線電圧検出部で検出された直流母線の電圧値と現在の前記各翼の翼角度とを含む情報に基づいて前記各翼の翼角度の変更角度を求める制御部と、
前記制御部によって求められた変更角度を示す翼角度変更情報を前記翼角度変更部に送信する翼角度情報送信部を備え、
前記翼角度変更部が、前記翼角度情報送信部から送信される翼角度変更情報に基づいて前記各翼の翼角度を変更する、
請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記制御部が、前記直流母線の電圧値と前記現在の各翼の翼角度に加えて、前記発電機の回転子の回転数および／または前記発電機によって発電される交流電力の電力値を含む情報に基づいて前記各翼の翼角度の変更角度を求める請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記本体部に配置されており、前記直流母線の電力を送電する電力送電部と、
前記回転部に配置されており、前記電力送電部によって送電された電力を受電する電力受電部と、
を備え、
前記翼角度変更部が、前記電力受電部によって受電される電力によって充電される蓄電池またはコンデンサを有しており、前記電力受電部によって受電される電力または当該蓄電池またはコンデンサに蓄積されている電力で動作する、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記母線電圧検出部によって検出された電圧が予め設定されている前記直流母線の余剰下限電圧以上であるときに、前記電力送電部が前記直流母線の電力を前記電力受電部に送電する請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
直流母線と、
前記直流母線に接続された１つ以上の請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電装置と、
前記直流母線に接続された１つ以上の負荷装置と、
を備える直流給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流母線に接続される風力発電装置およびその風力発電装置を有する直流給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、アームによって保持される複数の直線翼で構成される垂直型ブレードであって、アームに対する各直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動させることができる回動手段を有する垂直型ブレードを備える垂直型風力発電システムが記載されている。この垂直型風力発電システムは、各直線翼の相対角度を風速に応じて調整することにより垂直型ブレードの回転数を制御することができる。回動手段は、回動軸部、ステッピングモータ、ＤＣモータなどの駆動源、ギヤ、カップリング、シャフトなどから構成される動力伝達部、ベアリングなどを用いた軸支部、駆動源に電力を供給する電池などの電力源より構成される。
そして、特許文献１には、電力源がアームに格納されている構成である場合、垂直型ブレードの回転が停止しているときのみ、垂直型ブレードのシャフトユニット保持部の固定部分と回転部分における接触給電または非接触給電により、電力源へ電力が供給されること、および非接触給電の一例として、送電側コイルと受電側コイルを用い、電力を無線伝送する構成が記載されている。また、太陽光パネルをアームの表面に張り、太陽光パネルから電力源に電力を供給する構成でもよいと記載されている。
【０００３】
特許文献２には、風速や風車の回転数、風力発電機の出力が規定値を超えたときなどに、短絡用スイッチを閉じ、抵抗器を介して風力発電機の３相交流電力の出力を短絡させ、風車を減速させる電気式ブレーキが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−３１９２０号公報
【特許文献２】特開２０１８−１３５８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直流母線には、風力発電装置や太陽光発電装置等の複数の発電装置、蓄電池、および複数の負荷装置が接続される。発電装置の破損を防止し、負荷装置を安定に動作させるためには、直流母線の電圧を所定の範囲（例えば、３００Ｖ±１０％）に保つ必要がある。
しかし、特許文献１に記載の垂直型風力発電システムは、他の発電装置と共に直流母線に接続されている場合でも、直流母線の電圧に関わらず、強風時を除き、できるだけ発電電力が増加するように動作する。このため、他の発電装置の発電電力が大きく、負荷装置と蓄電池の消費できる電力が小さい場合、直流母線の電圧が過度に上昇するおそれがある。
直流母線とグラントとの間にスイッチと抵抗器の直列回路を配置し、直流母線の電圧が上昇したときには、スイッチを閉じて抵抗器で過剰な電力を消費させることも可能である。しかしながら、抵抗器は発熱するため、精密機器の近くに置くことができない。抵抗器と精密機器は別の盤に入れる必要があるため、システムが大きくなり、コストが高くなる。
一方、直流母線の電圧が低下した場合には、風力発電装置の発電電力を増加させることが望ましい。
【０００６】
本発明の目的は、直流母線の電圧が所定の範囲に保たれるように動作することができる風力発電装置およびその風力発電装置を有する直流給電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の風力発電装置は、
直流母線に接続される風力発電装置であって、
複数の翼と、
前記複数の翼と共に回転し、発電機の回転子を回転させる回転部と、
前記発電機の固定子を含む本体部と、
前記本体部に配置されており、前記直流母線の電圧を検出する母線電圧検出部と、
前記回転部に配置されており、前記母線電圧検出部で検出された直流母線の電圧に応じて前記各翼の翼角度を変更する翼角度変更部と、
を備える。
【０００８】
好ましくは、本発明の風力発電装置は、
前記本体部に配置されており、前記母線電圧検出部で検出された直流母線の電圧の大きさを示す電圧情報を前記翼角度変更部に送信する電圧情報送信部を備え、
前記翼角度変更部が、前記電圧情報送信部から送信される電圧情報に基づいて前記各翼の翼角度を変更する。
【０００９】
好ましくは、本発明の風力発電装置は、
前記本体部に配置されており、前記母線電圧検出部で検出された直流母線の電圧値と現在の前記各翼の翼角度とを含む情報に基づいて前記各翼の翼角度の変更角度を求める制御部と、
前記制御部によって求められた変更角度を示す翼角度変更情報を前記翼角度変更部に送信する翼角度情報送信部を備え、
前記翼角度変更部が、前記翼角度情報送信部から送信される翼角度変更情報に基づいて前記各翼の翼角度を変更する。
【００１０】
好ましくは、本発明の風力発電装置は、
前記制御部が、前記直流母線の電圧値と前記現在の各翼の翼角度に加えて、前記発電機の回転子の回転数および／または前記発電機によって発電される交流電力の電力値を含む情報に基づいて前記各翼の翼角度の変更角度を求める。
【００１１】
好ましくは、本発明の風力発電装置は、
前記本体部に配置されており、前記直流母線の電力を送電する電力送電部と、
前記回転部に配置されており、前記電力送電部によって送電された電力を受電する電力受電部と、
を備え、
前記翼角度変更部が、前記電力受電部によって受電される電力によって充電される蓄電池またはコンデンサを有しており、前記電力受電部によって受電される電力または当該蓄電池またはコンデンサに蓄積されている電力で動作する。
【００１２】
好ましくは、本発明の風力発電装置は、
前記母線電圧検出部によって検出された電圧が予め設定されている前記直流母線の余剰下限電圧以上であるときに、前記電力送電部が前記直流母線の電力を前記電力受電部に送電する。
【００１３】
また、本発明の直流給電システムは、
直流母線と、
前記直流母線に接続された１つ以上の上述した風力発電装置と、
前記直流母線に接続された１つ以上の負荷装置と、
を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、直流母線の電圧が所定の範囲に保たれるように風力発電機を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る直流給電システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る風力発電装置の一例の正面図である。
【図３】図２の風力発電装置の上面図である。図３（Ａ）は翼角度が０°の場合を示し、図３（Ｂ）は翼角度がαの場合を示す。
【図４】本発明の実施形態に係る風力発電装置の第１の構成の一例を示す図である。
【図５】翼角度可変機構の構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る風力発電装置の第２の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る風力発電装置および直流給電システムについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る直流給電システム１の構成の一例を示す。
直流給電システム１は、１つ以上の風力発電装置１０と、１つ以上の太陽光発電装置４０と、蓄電装置４１と、１つ以上の負荷装置４２と、直流バス１００とを有する。
太陽光発電装置４０は、太陽電池を含む。蓄電装置４１は、例えば蓄電池を含む。負荷装置４２は、電力を消費する。負荷装置４２は、例えば、テレビ、冷蔵庫、冷暖房、コンピュータ、照明、住宅、工場等である。
直流バス１００は、負荷装置４２が安定して動作可能な所定の範囲の電圧（例えば、３００Ｖ±１０％）に保たれる。
なお、直流給電システム１は、エンジン式発電装置や水力発電装置のような他の発電装置を有していてもよい。また、直流バス１００は、系統連係装置を介して外部の交流の電力系統に接続されていてもよい。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態に係る風力発電装置１０の一例の正面図である。図３は、図２の風力発電装置１０の上面図である（ただし、翼角度可変機構３２は省略）。
風力発電装置１０は、例えば、垂直型風力発電装置である。風力発電装置１０は、本体部２０と、タワー２１と、回転部３０と、アーム３６と、翼３７とを有する。
本体部２０は、静止したタワー２１の上部に固定されている。回転部３０は、本体部２０の上部に垂直軸を中心として回転できるように取り付けられている。風力発電装置１０は、垂直軸が風の流れと略垂直となるように設置される。翼３７は、垂直軸に平行となるようにアーム３６によって回転部３０に固定されている。翼３７が風を受けるとき、回転部３０は、翼３７と共に回転し、発電機の回転子を回転させる。
【００１９】
図３に示すように、垂直型風力発電装置１０の各翼３７は垂直軸を中心とする円周上を回転（公転）する。そして、風力発電装置１０は、各翼３７が自転する方向に各翼３７の翼角度を変更することができる。ここで、風力発電装置１０において、翼角度とは、アーム３６に垂直な平面と翼３７の縦断面とのなす角度をいう。図３（Ａ）は翼角度が０°の場合を示し、図３（Ｂ）は翼角度がαの場合を示す。他の構造の垂直型風力発電装置にも翼角度という用語を適用できるように一般化すると、例えば、翼角度とは、各翼３７が公転する円周上における各翼３７の自転の中心での接線と翼３７の縦断面とのなす角度をいう。また、プロペラ（翼）の回転軸が水平である水平型風力発電装置では、翼角度はピッチ角に相当するものとする。
なお、本実施形態では風力発電装置１０は翼３７を２枚有するが、風力発電装置１０は翼３７を３枚以上有していてもよい。
【００２０】
図４は、本発明の実施形態に係る風力発電装置１０の第１の構成の一例を示す。
第１の構成の風力発電装置１０は発電機１１を有する。そして、発電機１１は制御部１２Ａを有する。発電機１１の固定子と制御部１２Ａは本体部２０に含まれ、その回転子は回転部３０に含まれる。回転部３０が回転すると、発電機１１の回転子が回転し、発電機１１は交流電力を発電する。制御部１２Ａは、発電効率が最大となるように回転子の回転数に応じて発電する電力を調整する。発電機１１は、交流電力を直流電力に変換して直流母線１００に出力する。
更に、本体部２０は、母線電圧検出部２２と、電圧情報送信部２３と、電力送電部２４とを有する。回転部３０は、翼角度変更部３１と、電力受電部３５とを有する。翼角度変更部３１は、翼角度可変機構３２と、翼角度制御部３３と、蓄電池３４とを有する。なお、翼角度変更部３１は、蓄電池３４の代わりに、電解コンデンサのような大容量のコンデンサを有していてもよい。
【００２１】
母線電圧検出部２２は、直流母線１００の電圧を検出する。電圧情報送信部２３は、母線電圧検出部２２によって検出された電圧の大きさを示す電圧情報を翼角度変更部３１に送信する。電圧情報は、直流母線１００の電圧値であってもよいし、直流母線１００の電圧と比例した電圧であってもよい。また、電圧情報送信部２３は、スリップリングを介して有線で電圧情報を送信する構成であってもよいし、無線や、送信側コイルと受信側コイルとにより非接触で電圧情報を送信する構成であってもよい。
【００２２】
翼角度可変機構３２は、例えば、アーム３６の上または内部に設置される。図５に示すように、翼角度可変機構３２は、例えば、インバータ３２１と、モータ３２２と、カップリング３２３と、送りねじ３２４と、送りねじナット３２５と、ガイド３２６と、複数のリンク３２７と、ストッパ３２８とを有する。翼角度可変機構３２は、翼角度制御部３３によって制御され、各翼３７の翼角度を変更する。
【００２３】
翼角度制御部３３は、直流母線１００の電圧と翼角度の関係を含む所定の情報のテーブルをその記憶装置に記憶している。翼角度制御部３３は、そのテーブルの情報を参照し、電圧情報送信部２３から送信される電圧情報に基づいて翼角度可変機構３２を制御する。翼角度制御部３３は、例えば、直流母線１００の電圧が３１０Ｖより高いときには回転部３０の回転速度を低下させるように翼角度可変機構３２を制御する。一方、翼角度制御部３３は、例えば、直流母線１００の電圧が２９０Ｖより低いときには回転部３０の回転速度を増加させるように翼角度可変機構３２を制御する。このようにして、翼角度変更部３１は、母線電圧検出部２２で検出された直流母線の電圧に応じて、直流母線１００の電圧が所定の範囲（例えば、２９０Ｖ〜３１０Ｖ）に保たれるように各翼３７の翼角度を変更する。
【００２４】
電力送電部２４は、直流母線１００の電力を送電する。電力受電部３５は、電力送電部２４によって送電された電力を受電する。蓄電池３４（またはコンデンサ）は電力受電部３５によって受電される電力で充電される。翼角度変更部３１は、電力受電部３５によって受電される電力の電圧が蓄電池３４の電圧より高いときには電力受電部３５によって受電される電力で動作する。また、このとき、蓄電池３４は電力受電部３５によって受電される電力によって充電される。一方、翼角度変更部３１は、蓄電池３４の電圧が電力受電部３５によって受電される電力の電圧より高いときには蓄電池３４に蓄積されている電力で動作する。
【００２５】
電力送電部２４は、直流母線１００によって供給される電力が余剰であるときに、直流母線１００の電力を電力受電部３５に送電する。すなわち、電力送電部２４は、母線電圧検出部２２によって検出された電圧が所定の余剰下限電圧以上であるときに、直流母線１００の電力を電力受電部３５に送電する。一方、電力送電部２４は、母線電圧検出部２２によって検出された電圧が所定の余剰下限電圧より低いときには、直流母線１００の電力を電力受電部３５に送電しない。負荷装置４２が正常に動作する電圧範囲の中央値を直流母線１００の電圧が超えている場合、直流母線１００によって供給される電力は余剰であると考えられる。このため、余剰下限電圧は、例えば、負荷装置４２が正常に動作する電圧範囲の中央値（例えば、３００Ｖ）以上、かつ中央値＋１０％（３３０Ｖ）以下の電圧に予め設定される。
電力送電部２４と電力受電部３５は、スリップリングを介して有線で送電する構成であってもよいし、送電側コイルと受電側コイルにより非接触で送電する構成であってもよい。
【００２６】
ただし、直流母線１００に接続されている全ての発電装置によって発電される総電力が負荷装置４２の消費電力に足りず、直流母線１００の電圧が余剰下限電圧より低い状態が長時間継続する状況が起こり得る。このとき、蓄電池３４の電圧が翼角度可変機構３２を動作させることができる電圧よりも低くなるおそれがある。
このため、例えば、直流母線１００の電圧が余剰下限電圧より低い状態が長時間継続していることを母線電圧検出部２２が検出した場合、電力送電部２４は電力受電部３５に送電を開始することとしてもよい。または、例えば、翼角度変更部３１が蓄電池３４の電圧を測定する回路を有しており、その回路によって蓄電池３４の電圧が翼角度可変機構３２を動作させることができる電圧よりも低いことが検出された場合、翼角度制御部３３は電力送電部２４に送電開始信号を送信し、送電開始信号を受信した電力送電部２４は電力受電部３５に送電を開始することとしてもよい。
【００２７】
図６は、本発明の実施形態に係る風力発電装置１０の第２の構成の一例を示す。
第２の構成の風力発電装置１０は、発電機１１が制御部１２Ａの代わりに制御部１２Ｂを有する点、および電圧情報送信部２３の代わりに翼角度情報送信部２５を有する点が図４に示した第１の構成の風力発電装置１０と異なる。
制御部１２Ｂは、本体部２０に配置されており、現在の各翼３７の翼角度をその記憶装置に記憶している。制御部１２Ｂは、少なくとも母線電圧検出部２２で検出された直流母線１００の電圧値と現在の各翼３７の翼角度とを含む発電情報に基づいて各翼３７の翼角度の変更角度を求める。また、発電情報が、更に、発電機１１の回転子の回転数および／または発電機１１によって発電される交流電力の電力値を含んでおり、制御部１２Ｂは、これらの情報を含む発電情報に基づいて各翼３７の翼角度の変更角度を求めることとしてもよい。そして、制御部１２Ｂは、記憶装置に記憶されている現在の各翼３７の翼角度を更新する。
【００２８】
翼角度情報送信部２５は、制御部１２Ｂによって求められた変更角度を示す翼角度変更情報を翼角度変更部３１に送信する。翼角度情報送信部２５は、スリップリングを介して有線で翼角度変更情報を送信する構成であってもよいし、無線や、送信側コイルと受信側コイルとにより非接触で翼角度変更情報を送信する構成であってもよい。
翼角度変更部３１は、翼角度情報送信部２５から送信される翼角度変更情報によって示される変更角度だけ、各翼３７の翼角度を変更する。
その他の点では、第２の構成の風力発電装置１０は、第１の構成の風力発電装置１０と同一である。
【００２９】
なお、上述した垂直型風力発電装置の実施形態では２枚の翼の翼角度を同一の角度に固定する例を示したが、特許文献１に記載の垂直型風力発電システムと同様に、本発明でも各翼の翼角度をそれぞれ独立して回動させることができるようにしてもよい。
【００３０】
また、上述した実施形態では垂直型風力発電装置の例について説明したが、プロペラ（翼）の回転軸が水平である水平型風力発電装置に本発明を適用できることはもちろんである。
【００３１】
また、直流母線１００の電圧が所定の余剰下限電圧以上であるときには、翼角度変更部３１は、蓄電池３４の電圧に関わらず、電力受電部３５によって受電される電力で動作することとしてもよい。
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、翼の翼角度の制御により、直流母線の電圧が所定の範囲に保たれるように風力発電機を動作させることができる。
また、本発明によれば、直流母線から負荷装置に供給される電力が余剰であるときに発電された余剰電力によって翼の翼角度を制御することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１…直流給電システム、１０…風力発電装置、１１…発電機、１２Ａ，１２Ｂ…発電機の制御部、２０…本体部、２１…タワー、２２…母線電圧検出部、２３…電圧情報送信部、２４…電力送電部、２５…翼角度情報送信部、３０…回転部、３１…翼角度変更部、３２…翼角度可変機構、３３…翼角度制御部、３４…蓄電池、３５…電力受電部、３６…アーム、３７…翼、４０…太陽光発電装置、４１…蓄電装置、４２…負荷装置、１００…直流バス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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