(57)【要約】【課題】外部電力を必要としないで、出力が安定していて、微風状態や回転開始のときでも効率良く風力を利用可能な風力発電装置を得る。【解決手段】風車12と、この風車12の回転軸14に連結された回転子20を有する発電機22と、回転子20に連結されるフライホイール26とを有してなる風力発電装置10において、回転子20とフライホイール26との間に、これら両者の連結を接、断するクラッチ手段24を介設する。その上で、発電機22の出力Ｐを受け、その出力電圧が第１の閾値以上になるとクラッチ手段24を接続状態に設定する一方、該出力電圧が、第１の閾値以下の値とされた第２の閾値未満になるとクラッチ手段24を切断状態に設定する制御手段30を設ける。【選択図】図１
2010242507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と、この風車の回転軸に連結された回転子を有する発電機と、前記回転子に連結されるフライホイールとを有してなる風力発電装置において、
前記回転子とフライホイールとの間に介設されて、これら両者の連結を接、断するクラッチ手段と、
前記発電機の出力を受け、その出力電圧が第１の閾値以上になると前記クラッチ手段を接続状態に設定する一方、該出力電圧が、前記第１の閾値以下の値とされた第２の閾値未満になると前記クラッチ手段を切断状態に設定する制御手段とが設けられたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記第２の閾値が、前記第１の閾値よりも小さい値とされていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記クラッチ手段が電磁クラッチからなることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風車を制動するブレーキ手段がさらに設けられるとともに、
前記制御手段が、このブレーキ手段が作動するときに前記クラッチ手段を切断状態に設定するように構成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力によって発電機を駆動させる風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、風力を風車（プロペラ）で受け、その回転力で発電機を駆動して電力を得る風力発電装置が公知となっている。近時、この種の風力発電装置として、小型の風車を備えて、強い風が吹き難い場所でもコンスタントに電力を発生することができる定格出力１ｋＷ以下程度の小型の装置が注目され、それに関する研究、開発が盛んになされている。
【０００３】
そのような比較的小型の風力発電装置は、大型の風力発電装置と比べると風の影響により回転速度が変動しやすくて、出力電圧や周波数が不安定になりがちなものとなっている。つまり、小型の風車は微風にも反応する半面、風力の変化に応じて回転速度が変動しやすくなっている。それに加えて風車が軽量であるため、特に回転し始めの低速回転時は、発電機の磁気回路の影響によるコギングから回転速度が不安定になる傾向も認められる。
【０００４】
風車の回転速度の変動に対応する方法の一つとして従来、上記特許文献１にも記載されているように、風車の回転軸にフライホイールを連結させてその回転を安定化させることが提案されている。
【０００５】
また、例えば特許文献２に記載されているように、微風下でも風車が円滑に回転開始可能とするために、始動時に外部から発電機に電力供給してそれを電動機として作用させる、始動補助機能付きの風力発電装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５５８５０号公報
【特許文献２】再表２００４／０４７２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、比較的小型の風力発電装置において上述のようなフライホイールを設けると、それが負荷となって、微風状態や回転開始のときに風車が回り難くなり、発電量が減少するという不具合が生じる。
【０００８】
また、上述の始動補助機能を付与する場合は、外部電力供給のための給電設備や制御回路が必要となり、風力発電装置の設置コストおよび運転コストが増大するという問題が生じる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、出力が安定していて、しかも外部電力に頼らずに、微風状態や回転開始のときでも効率良く風力を利用可能な風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による風力発電装置は、フライホイールを風車の回転速度に応じて発電機に接続したり、そこから切り離したりするようにしたものであり、具体的には、
風車と、この風車の回転軸に連結された回転子を有する発電機と、前記回転子に連結されるフライホイールとを有してなる風力発電装置において、
前記回転子とフライホイールとの間に介設されて、これら両者の連結を接、断するクラッチ手段と、
前記発電機の出力を受け、その出力電圧が第１の閾値以上になると前記クラッチ手段を接続状態に設定する一方、該出力電圧が、前記第１の閾値以下の値とされた第２の閾値未満になると前記クラッチ手段を切断状態に設定する制御手段とが設けられたことを特徴とするものである。
【００１１】
なお上記第２の閾値は、第１の閾値よりも小さい値とされることが望ましい。
【００１２】
また上記クラッチ手段としては、公知のものが広く適用可能であるが、特に電磁クラッチが好適に用いられ得る。
【００１３】
また、上記構成を有する本発明の風力発電装置において、風車を制動するブレーキ手段がさらに設けられた場合は、前記制御手段が、このブレーキ手段が作動するときに前記クラッチ手段を切断状態に設定するように構成されることが望ましい。
【００１４】
そして上記ブレーキ手段としては、発電機の短絡電流により該発電機の回転子を制動するものを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の風力発電装置は、回転子とフライホイールとの間に介設されて、これら両者の連結を接、断するクラッチ手段と、発電機の出力を受け、その出力電圧が第１の閾値以上になるとクラッチ手段を接続状態に設定する一方、該出力電圧が、第１の閾値以下の値とされた第２の閾値未満になるとクラッチ手段を切断状態に設定する制御手段とを有しているので、出力電圧が比較的低い状況下、つまり微風状態や回転開始のときにはフライホイールが発電機から切り離されるようになる。そこでこのような状況下でも、風車が回転しやすくなって効率良く風力を利用可能となり、大きな発電量を確保することができる。
【００１６】
また、風車を回転しやすくするために外部電力は用いていないので、本発明の風力発電装置は外部電力を用いるものと比べると、製造コストおよび運転コストを低く抑えられるものとなる。
【００１７】
その一方、風力が強い状況下で発電機の出力電圧が第１の閾値以上になると、フライホイールが発電機に接続されるので、このフライホイールの作用により発電機の回転が安定化され、ひいては安定した発電出力が得られるようになる。
【００１８】
ここで、上記第１の閾値と第２の閾値とは同じ値に設定されても構わないが、そうした場合は、出力電圧がその閾値を挟んで小刻みに変動した際に、クラッチ手段がチャタリング、つまり接、断を頻繁に繰り返す現象を起こすおそれがある。そこで、第２の閾値を第１の閾値よりも小さい値に設定しておけば、そのような不具合が生じることを防止可能となる。
【００１９】
またクラッチ手段として特に電磁クラッチが用いられた場合は、前記制御手段として、電気回路のみからなるものを適用可能となり、安定性および信頼性に優れた制御が可能になる。
【００２０】
なお本発明の風力発電装置においても、一般の風力発電装置と同様に、風速が余りに大きいときは風車を制動するブレーキ手段をさらに設けて、風車の破壊防止を図ることが好ましい。そのようにする場合は、前記制御手段が、ブレーキ手段が作動するときにクラッチ手段を切断状態に設定するように構成されていれば、高速回転しているフライホイールの慣性のためにブレーキの効きが悪くなることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態による風力発電装置を示す概略構成図
【図２】図１の風力発電装置における出力電圧の変化特性例を示すグラフ
【図３】本発明の第２の実施形態による風力発電装置を示す概略構成図
【符号の説明】
【００２２】
10、50    風力発電装置
12    風車
14    風車の回転軸
16    増速機
20    回転子
22    発電機
24    電磁クラッチ
26    フライホイール
28    クラッチ駆動回路
30、60    制御回路
52    ブレーキ駆動回路
56    ブレーキ内蔵増速機
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による風力発電装置の概略構成を示す一部破断断面図である。図示の通りこの風力発電装置10は、風力を受けて回転する風車（プロペラ）12と、この風車12の回転軸14に接続された増速機16と、この増速機16の出力軸18に接続された回転子20を有する発電機22と、上記回転子20に接続された電磁クラッチ24と、この電磁クラッチ24に接続されたフライホイール26と、電磁クラッチ24を駆動するクラッチ駆動回路28と、発電機22の出力Ｐを受けてそれに応じたクラッチ制御信号Ｃを生成し、それを電磁クラッチ駆動回路28に入力する制御回路30とを有している。上記の要素12〜26はケーシング32内に配設され、このケーシング32は支柱34の上に固定されている。
【００２４】
上記構成の風力発電装置10において、風車12が風を受けるとその回転軸14が回転し、その回転は増速機16により増速された上で発電機22の回転子20に伝達される。こうして発電機22の回転子20が回転することにより、発電がなされる。発電機22の発電出力Ｐは、図示外の手段により整流等の処理を受けてから、例えば蓄電器に蓄電されたり、あるいは電気機器の駆動のために直接利用される。
【００２５】
ここで、本実施形態の風力発電装置10は比較的小型に形成されて、微風でも発電可能なものとされている。すなわち、その風車12の直径は一例として３ｍ程度とされており、発電機22は例えば風速５ｍ／ｓ（秒）程度から発電可能で、その定格出力は一例として１ｋＷ程度である。
【００２６】
次に電磁クラッチ24の作用について説明する。発電機22の発電出力Ｐは、制御回路30にも入力される。この制御回路30は、例えば発電出力Ｐの電圧Ｖと閾値（基準値）とを比較してその比較結果に応じた出力を発するヒステリシスコンパレータ等から構成されてヒステリシス特性を有するものであり、上記電圧Ｖが上昇過程にあって第１の閾値Ｖ１以上になるとクラッチ駆動回路28に、クラッチ接続を指令するクラッチ制御信号Ｃを入力する。クラッチ駆動回路28は、このクラッチ制御信号Ｃを受けると電磁クラッチ24に駆動電流Ｄを送って、電磁クラッチ24を接続状態に設定する。
【００２７】
このようにして電磁クラッチ24が接続状態に設定されると、発電機22の回転子20にフライホイール26が連結されるので、発電機22の回転が安定化され、ひいては安定した発電出力Ｐが得られるようになる。図２は、このフライホイール26の作用により発電出力の電圧Ｖが安定化される様子を概略的に示すものである。図中、細線で示す曲線、太線で示す曲線がそれぞれ、フライホイール26の作用が無い場合、有る場合を示している。上述のように電圧Ｖが上昇過程においてＶ１以上になって、回転子20にフライホイール26が連結されると、本来は細線で示すように変動しやすくなっていた電圧Ｖが太線で示すように安定化される。
【００２８】
その一方、出力電圧Ｖが比較的低くてＶ＜Ｖ１となっている状況下、つまり微風状態や回転開始のときには、フライホイール26が回転子20から切り離されているので、このフライホイール26が回転子20や風車12に負荷となって作用することがない。そこでこのような状況下でも風車12が回転しやすくなって効率良く風力を利用可能となり、大きな発電量を確保することができる。
【００２９】
また、上記のように風車12を回転しやすくするために外部電力は用いていないので、この風力発電装置10は外部電力を用いるものと比べると、製造コストおよび運転コストを低く抑えられるものとなる。
【００３０】
次に、図２において右端部に示すように、風力低下により電圧Ｖが下降過程に入り、その値が第２の閾値Ｖ２未満になると、制御回路30はクラッチ制御信号Ｃの出力を停止する。それによりクラッチ駆動回路28は駆動電流Ｄの出力を打ち切り、電磁クラッチ24を切断状態に設定する。そこでこの微風状態下でも、上記と同様に風車12が回転しやすくなって効率良く風力を利用可能となり、大きな発電量を確保することができる。
【００３１】
なお本実施形態において上記２つの閾値Ｖ１、Ｖ２は、Ｖ２＜Ｖ１の関係を満足するように設定されている。これらの閾値はＶ２＝Ｖ１と設定しても構わないが、そうした場合は、電圧Ｖが閾値Ｖ１を挟んで小刻みに変動した場合、電磁クラッチ24が頻繁に接、断を繰り返すチャタリングを起こすおそれがある。それに対して、本実施形態におけるようにＶ２＜Ｖ１としておけば、そのようなチャタリングが生じることを防止できる。
【００３２】
また本実施形態においては、クラッチ手段として特に電磁クラッチ24が用いられているので、その作動を制御する制御手段として、電気回路のみからなる制御回路30を適用可能となっており、安定性および信頼性に優れた制御が可能になる。ただし、クラッチ手段としてその他に、例えば回転ディスクとそれを制動するキャリパとからなる機械的クラッチ等も適用可能であり、その場合は制御手段として、例えばキャリパを駆動させるための流体回路等を含むもの等が用いられる。
【００３３】
次に図３を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図３において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００３４】
この第２の実施形態の風力発電装置50は図１に示した風力発電装置10と比べると、増速機16に代えて電磁ブレーキ機構を内蔵した増速機56が適用された点が基本的に異なるものである。このブレーキ内蔵増速機56はブレーキ駆動回路52から駆動電流が供給されると、電磁力によって風車12の回転軸14を制動する。
【００３５】
この制動作用は、制御回路60によって制御される。すなわち、ここで用いられている制御回路60は、図１の装置における制御回路30と同じように電磁クラッチ24の動作を制御する他、入力された発電出力Ｐの電圧Ｖが所定の閾値Ｖ３（Ｖ１＜Ｖ３である）以上になると上記駆動回路52にブレーキ制御信号ＣＢを入力する。駆動回路52はこのブレーキ制御信号ＣＢを受けるとブレーキ内蔵増速機56に駆動電流ＤＢを供給して、その内蔵ブレーキを作動させる。
【００３６】
ここで上記閾値Ｖ３は、それ以上高くなると風車12やそれに接続する機器の破壊が懸念されるという風速の下で得られる電圧Ｖの値とされている。そこで、この風速以上になると風車12が停止するようになるので、該風車12等が強風によって破壊されることを防止可能となる。
【００３７】
また、上述の通りＶ１＜Ｖ３であるから、制御回路60がブレーキ制御信号ＣＢを出力する直前では、制御回路60からクラッチ制御信号Ｃが出力されていて、電磁クラッチ24は接続状態に設定されている。しかし制御回路60は、ブレーキ制御信号ＣＢを出力するとき、同時にクラッチ制御信号Ｃの出力を停止して、電磁クラッチ24を切断状態に設定する。こうすることにより、高速回転しているフライホイールの慣性のために増速機56の内蔵ブレーキの効きが悪くなることを防止できる。
【００３８】
なお、ここでは上述の通り電圧Ｖによって間接的に風速を検出しているが、通常の風速計を設置して、それが実測する風速に従ってブレーキ内蔵増速機56の制動作用を制御するようにしてもよい。また、ブレーキ手段としては上述のように電磁力を利用するものの他、機械的なブレーキ手段や、発電機の短絡電流によりその回転子を制動するようにしたブレーキ手段等も適用可能である。
【００３９】
以上、比較的小型に形成された風力発電装置の実施形態について説明したが、本発明は比較的大型の風力発電装置に対しても適用可能であり、その場合も既述の通りの効果を奏するものである。
【図１】
2010242507.tif 000003
【図２】
2010242507.tif 000004
【図３】
2010242507.tif 000005