(57)【要約】【課題】  京都議定書を待つまでもなく地球環境とエネルギー問題を総合的に考えた場合、家庭等、電力消費地近傍に分散して無限の自然エネルギーをもっと利用することが急務であり、その候補の一つとして昼夜発電可能でクリーンな風力発電がある。しかし普及のためには実運用で最も多い弱風域での発電効率を向上させ、不安定な風向・風力や台風等、過酷な自然条件下でも発電でき、しかも安価で長期間メンテナンス不要な発電装置の開発が課題となっている。【解決手段】  構造が簡単で扱いやすい揚力型垂直軸風力発電装置の弱風域での発電効率を上げるため発電機能と駆動モーターの同時併存比率を可変に切替えられる特殊インバーターを開発し、マイクロコンピュータ制御で風力に応じて風車を加速して揚力を高め、更に総エネルギー監視と風力予測による加速効果により、発電効率の良いインテリジェント風力発電システムを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機又は駆動モータとしても機能する発電兼駆動装置において、従来のインバータ回路とマイクロコンピュータ等で駆動モータを制御する部分に加え、駆動電源から独立した発電電流集電専用回路のハイサイド側と各相の発電電極の引き出し線に接続したフリーホイールダイオード及び同複数相電極の中性点と接続したコンデンサー並びに、同じく独立した発電電流集電専用回路のローサイド側と各相の発電電極の引き出し線に接続したフリーホイールダイオード及び同複数相電極の中性点とを接続したコンデンサーにより、発電と駆動モータ機能の同時併存比率を稼動中、相毎に可変切替え制御を可能とすることを特徴とした発電兼駆動モータ機能比率可変切替え制御回路方式。
【請求項２】
前記請求項１の揚力型風力発電装置への適用において、弱風時の発電効率を高めるため、風車に連結された発電機の低回転時の回転周期を検出し、前記装置のマイクロコンピュータでこれを基準に回転を加速させる周期の信号を作り駆動インバータに与え、風車の風に対する相対速度を向上させ揚力を高めることにより、風力エネルギー回収効率を上げることを特徴とする風速感応型回転加速制御機能付風力発電装置。
【請求項３】
前記請求項２の発明において、風車の回転状況や一定時間内に取り出される発生電力を累積管理し、更に風の継続性を予測して風車の回転加速補助動作を制御することにより加速のための駆動電力消費を抑え且つ、発電効率を上げることを特徴とする総エネルギー監視及び、風力予測型回転加速制御機能付風力発電装置。
【請求項４】
前記請求項１の発電と駆動機能を併せ持つ装置において、発電電流充電時の過負荷による発電機の回転負荷（コキング）を減らして回転を滑らかにするため、回転速度に応じた充電時の負荷制御と強風時の過電流放出制御を、発電電流集電専用回路と蓄電地の間に接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）等のパワートランジスタと過電流放出用負荷抵抗回路及び、マイクロコンピュータで制御することを特徴とする発電及び充電制御機能付風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は風力発電装置で使用される発電機と加速駆動制御装置に関するものであるが、基本回路はパワーアシスト自転車、電気自動車等、電力回生装置への適用が可能である。
【背景技術】
【０００２】  従来の風力発電機において弱風での発電効率を向上させる数々の方法が発明されているが、電気的な方法として自動極数切替え型風力発電装置や、磁気エネルギー蓄積制御型風力発電装置等の特許がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。【０００３】  以下、図５、図６により従来の風力発電機について説明する。特許文献１では図５に示すようにロードセル７と自動切替器８で、ロータ５が交流電流による駆動状態（ＭＯＴＯＲＩＮＧ）で回転しているのか、風力による発電状態（ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ）かを判別する。そして、自動切替器８は、該判別結果に基づいて、誘導発電機１が常にＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ側で運転するように、トライアック９ａ〜９ｃをＯＮ／ＯＦＦし、極数の切替を行う構造である。【０００４】  次に特許文献２では、図６に示すように、この発明ではカットイン風速付近の弱風領域の風速で発電効率を高めるために、発電機からの出力電圧に、蓄積された磁気エネルギーをＦＥＴで制御して発電機からの出力電圧にプラスする構造である。
【特許文献１】特許公開平９−３７５１７
【特許文献２】特開２００２−２５２９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来の特許文献１の図５では、電極数の切替で回転を制御して弱風域のエネルギー回収効率を上げようとするものであるが、電極数削減により全ての電極が有効に活かされない。【０００６】  次に特許文献２の図６では、磁気コイルはエネルギー蓄積容量が少ないため、実用レベルでは長時間続く弱風域での発電効率向上が難しい。【０００７】  また近年の中・大型風力発電機では水平軸型風車への回転アシスト等により発電効率を向上させる方法があるが、住宅街等での設置を想定した場合、風向や風力が頻繁に変化するため、水平軸型風車では先に風向きの制御を完全に行わなければアシストの効果が生かされない。またそのための風向き検知とヨー制御装置等、複雑になる。【０００８】  以上述べたように従来の方式では弱風域での発電効率向上が難しく、家庭用として安価に広く普及するレベルには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明の請求項１は駆動モータとしても機能する発電装置において、駆動電源から独立した発電電流集電専用回路のハイサイド側と各相の発電電極引出し線に接続したフリーホイールダイオード及び同複数相電極の中性点と接続したコンデンサー並びに、同じく独立した発電電流集電専用回路のローサイド側と各相の発電電極引出し線に接続したフリーホイールダイオード及び同複数相電極の中性点とを接続したコンデンサーにより各電極が発電と駆動機能を独立して働くように回路構成し、プログラム制御装置とＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）やパワーＦＥＴ（電界効果トランジスター）等で発電機能と駆動機能の同時併存比率を稼動中、相毎に独立して可変切替え制御出来る構造。【００１０】  請求項２は揚力型風力発電機の風車を請求項１の回路により風速に応じて加速制御して風に対する相対速度を上げ、揚力と抗力の差を高めることにより揚力エネルギーの回収効率を向上させ、弱風域でも発電効率の良い風力発電装置を特長とするものであるが、先ず揚力と抗力について説明する。【００１１】  風力エネルギーを算出する基礎理論は流体力学における揚力（風の流れに対して直角方向の力）と抗力（風の流れに対して平行な力）で定義され、ベルヌーイの定理とニュートンの運動法則から導き出される下記公式で表される。【００１２】
【式１】
ＦＬ＝ＣＬ×  ρ  Ｖ２  Ａ  ／２
ＦＬ  ：揚力
ＣＬ  ：揚力係数（翼形状、迎角と風速で決まる値：０．５〜３）
ρ  ：空気密度［Ｋｇ／ｍ３］      Ｖ：風速［ｍ／ｓ］
Ａ  ：受風面積［ｍ２］
【００１３】
【式２】
ＦＤ＝ＣＤ×  ρＶ２  Ａ  ／２
ＦＤ  ：  抗力
ＣＤ  ：  抗力係数（翼形状、迎角と風速で決まる値：０．０３〜０．３）
【００１４】  上記式より風車を強制的に加速させ、風との相対速度を仮に２倍にすれば風速の２乗法則により最大４倍の運動エネルギー変化が得られる。更にその揚抗比（揚力と抗力の比）が１０倍以上に達することから抗力より大きな揚力を得ることができ、よって抗力に対抗するため供給する推進エネルギー以上の風力エネルギー抽出が可能となる。
【００１５】
【式３】
Ｐｅ（Ｗ）＝（ΔＦＬ−ΔＦＤ）×  Ｃｐ  −  Ｐａ
Ｐｅ：  抽出エネルギー［Ｗ］      Ｐａ：  加速供給エネルギー［Ｗ］
Ｃｐ：  風車の効率  （１０〜３５％：風車の種類により異なる）
【００１６】  これらの式を基に低回転時の発生電圧の回転周期を検出し、これを基準に風車の回転を加速させる周期の信号をマイクロコンピュータとＩＧＢＴ等により生成して発電機の一部の相の電極に供給し駆動モータとして働かせる。その結果、風車の回転が早まり揚力型風車の風に対する相対速度向上により揚力が増し発電能力が高まる。
【００１７】  請求項３では更に風車の弱風時の回転状況を検出装置で捉え、また入出力電流検出回路で一定時間内に取り出される発電量と加速供給消費電力を捉えマイクロコンピュータで累積管理して風の継続性（一時的な無風に近い状態か否か）を予測し、風車の回転加速継続か中断かを判断することにより長時間続く無風時における加速のための電力消費を抑え、全体の発電効率を上げることができる。
【００１８】  請求項４では更に回転周期を検出し、回転が遅い場合は発電電流集電専用回路と蓄電地の間に接続されたＩＧＢＴをマイクロコンピュータで制御して充電電流を下げ、発電機の負荷によるコキングを少なくして回転を滑らかにすることができる。
【発明の効果】
【００１９】  上述したように本発明の装置により風力に応じた可変速制御で風車の回転を加速して増加した揚力で発電するため、弱風や風力変化の激しい場所でも効率的に風のエネルギーを回収することができ、同時に無風時の強制起動等による無駄な加速電力を抑えられる。
【００２０】  また駆動モータとして働かせる回転加速回路と充電電流制御回路により発電機のコキングが少なく、滑らかな起動時の回転向上が図られ発電能力も向上する。
【００２１】  更に従来型の駆動専用モータ等、外付けの装置や速度制御用クラッチ等、機械的な可動装置が不要なため、製造コストや長期間運転時のメンテナンスコストが低減される。
【００２２】  このように、効率的な小型風力発電機を安価に製造提供することが出来、家庭用から、学校、事業所等、電気エネルギーの消費地近傍や、公園、草原、山間、離島など、電力供給コストがかかる場所でも簡単に設置でき、環境コストまで含めた総合的なエネルギー問題等の課題解決にも貢献することができる。
【００２３】  なお、先に発明した改良型垂直軸揚力型風車（特願２００４−２４７５４８）と組み合せて使えば、風向きに左右されず自己起動力を具え回転加速効果が高く、しかもプロペラ型風車で見られる高速回転による騒音や磨耗も少なく、更に強風域以上では回転抑制機構により安定した風力発電装置の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】  以下、本発明の実施形態を図１、図２、図３、図４に基づき、ブラシレスＤＣモータにもなる三相交流発電機の例で説明する。図１は本発明の実施例に係る風力発電装置全体の外観を、図２は本発明の請求項１、２、３、４の実施例に係るシステムの構成図を、図３はその回転加速処理フローを示し、‘Ｌ’の付与された番号は本明細書の段落番号に対応している。図４は本インテリジェント風力発電システムの動作モード表である。【００２５】  風力により図１の垂直軸風車１の回転により回転軸２に連結された発電兼駆動装置の回転磁界のロータ３を回転させ、電機子４の各電極、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の端子に電圧が発生する。【００２６】  発生した電気エネルギーは図２のＵ、Ｖ、Ｗ端子の引出し線５、６、７と中性点からの引出し線３０で取り出され、発生電圧と回転周期は検出回路２２で検出することもできる。【００２７】  この時、手操作制御入力装置２５の命令が強制加速命令であれば段落番号「００３１」の加速補助駆動処理に、強制加速抑止なら「００３４」に、自動処理なら次に進む。【００２８】  自動処理では電圧及び回転検出回路２２の値がゼロ（無風）又は規定以上の回転であれば回転加速させる必要が無いので全電極を交流発電機とする「００３４」の処理に飛ぶ。【００２９】  また途中で風が止んだり弱風状態により発生電圧が規定以下の状態でも、まだ一定の短時間内であれば一時的な弱風状態と予測して「００３１」の加速継続処理に飛ぶ。【００３０】  次に入出力電流検出回路２６のデータを基に一定期間内で蓄電した電力と、加速のため消費した電力の総和をマイクロコンピュータ２３で管理して蓄電電力以下（過放電状態）であれば回転加速補助を止め駆動電力を抑え長時間の無風状態による過放電を抑止するため、全電極を交流発電機として働かせる「００３４」もの処理に飛ぶ。しかし一定時間内の蓄電量が供給電力以上（過放電状態でない状況）であれば一時的な無風状態で、未だ風が続くと予測して次の加速処理を継続する。【００３１】  回転加速処理では回転周期検出結果２２を基にマイクロコンピュータ２３で現回転速度に加算したタイミングの回転加速信号を作り出し、各相のインバータ８のハイサイド／ローサイド側ＩＧＢＴのゲートを順番にｏｎさせる。また停止状態からの起動加速の場合は回転方向を持たせトルクを稼ぐため、マイクロコンピュータ２３で２相の電極に適切なタイミングで回転加速信号を作り出し各相のインバータ８のハイサイド／ローサイド側ＩＧＢＴのゲートを順番にｏｎさせる。【００３２】  この駆動により各ＩＧＢＴから順番に且つ交互に電極Ｕ、Ｖ、Ｗと中性点３４を経由して引き出し線３０を通りハイサイド／ローサイド側コンデンサー３７又は３８を流れ駆動線４２又は、４３を通って加速駆動用電流が交互に流される。これにより電機子４の一部が順番に励磁され駆動モータとして働き、連結した風車１の回転を加速させる。そしてこの回転加速補助により風車の風に対する相対速度が上がり前説式１、２、３の効果から風車の揚力が増加して風力エネルギー回収効率を向上させることができる。【００３３】  この時インバータ８により駆動されない他の電機子も同時により高速回転発電機となっており、中性���３４を基点に発電出力の各相の電圧が正の場合はハイサイド側フリーホイールダイオード１５、１７、１９で整流してハイサイド側発電電流集電専用線４０を通りコンデンサー３５に充電し、負の場合はローサイド側ダイオード１６、１８、２０で整流してローサイド側発電電流集電線４１を通りコンデンサー３６と、別々に充電することにより耐高リプル電圧を緩和させる。同時に行う蓄電は「００３５」の処理に飛ぶ。【００３４】  全発電モードはインバータ８への駆動制御信号を全てｏｆｆにすることにより切り替り、後は前記同様、中性点３４を基点に発電出力の各相の電圧が正の場合はハイサイド側フリーホイールダイオード１５、１７、１９で整流してハイサイド側発電電流集電専用線４０を通りコンデンサー３５に充電し、負の場合はローサイド側ダイオード１６、１８、２０で整流してローサイド側発電電流集電線４１を通りコンデンサー３６と、別々に充電することにより耐高リプル電圧を緩和させる。【００３５】  蓄電池２８に充電するとき、蓄電電流により発電機への負荷が過大になり回転が遅くならないよう蓄電電流制御用ＩＧＢＴ３１、３２をマイクロコンピュータ２３で適切に制御して蓄電池２８を充電する。また強風等の場合、回転周期検出回路２２の結果もマイクロコンピュータ２３で判断して過充電時は過電流放出制御用ＩＧＢＴ  ３３を制御して過電流放出用負荷抵抗４４に電流を流し熱エネルギーとして放出する。【００３６】  以上のサイクルの処理動作を段落番号「００２６」から数秒毎に繰り返し、常に適切な回転加速補助と充放電管理を行う。【００３７】  この本発明の装置により風速や風向きの変動の激しい住宅街でも風力に応じた可変速加速補助制御が行われるため、昼夜を問わず効率の良い風力発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】風車部分を縮小した風力発電装置の斜視図。
【図２】インテリジェント風力発電システムの主要回路と構成図。
【図３】回転加速処理フロー。
【図４】インテリジェント風力発電システムの動作モード表。
【図５】特許文献１の従来の自動極数切替え型風力発電装置図。
【図６】特許文献２の従来の磁気エネルギー蓄積制御型風力発電装置図。
【符号の説明】
【００３９】  １  風力発電用風車
２  風車の回転駆動軸
３  発電兼駆動回転装置（ロータ側回転磁界）
４  発電兼駆動電機子（三相多極コイル）
５、６、７  発電兼、駆動用Ｕ、Ｖ、Ｗ相電極引き出し線
８  駆動インバータ用ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ：ｌｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉａｔｏｒ）
９、１０  Ｕ相  ハイサイド（プラス）側、ローサイド（グランド）側各ＩＧＢＴ
１１、１２  Ｖ層  ハイサイド側、ローサイド側各ＩＧＢＴ
１３、１４  Ｗ層  ハイサイド側、ローサイド側各ＩＧＢＴ
１５、１６  Ｕ相  ハイサイド側、ローサイド側各フリーホイールダイオード
１７、１８  Ｖ相  ハイサイド側、ローサイド側各フリーホイールダイオード
１９、２０  Ｗ相  ハイサイド側、ローサイド側各フリーホイールダイオード
２１  入出力電流検出器
２２  発生電圧及び回転周期検出回路
２３  制御プロセッサーと制御プログラム（マイクロコンピュータ）
２４、２５  表示装置、手操作制御入力装置
２６、２７、２８  入出力電流検出回路、充放電負荷制御回路、蓄電池
２９  ＤＣ・ＡＣコンバータ装置
３０  発電兼駆動電極中性点（コモン）引き出し線
３１、３２  蓄電電流制御用ハイサイド側ＩＧＢＴ、ローサイド側ＩＧＢＴ
３３  過電流放出制御用ＩＧＢＴ
３４  発電兼駆動電極中性点（コモン）
３５、３６  発電回路ハイサイド側平滑コンデンサー、同ローサイド側平滑コンデンサー
３７、３８  駆動回路ハイサイド側コンデンサー、同ローサイド側コンデンサー
３９  平滑コンデンサー
４０、４１  ハイサイド側発電電流集電専用線、ローサイド側発電電流集電専用線
４２、４３  ハイサイド側駆動電源線、ローサイド側駆動電源線
４４  過電流放出用負荷抵抗
４５、４６  力率改善用ハイサイド側リアクトル、ローサイド側リアクトル
【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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