(57)【要約】【課題】簡易な構成で、メンテナスに要する労力・コストを低減することができ、風力が変化しても比較的に安定した電力を取り出すことができる小型風力発電装置を提供する。【解決手段】風力によって水平軸周りに回転する翼車１２、保持部材上に支持され翼車と一体的に回転する水平回転軸１０、水平回転軸を風向に沿わせるように保持部材を水平面内で回動させる向き調整機構、水平回転軸に伝動機構を介して駆動軸が連結された誘導電動機３６、電源周波数を変化させて誘導電動機の同期速度を制御するインバータ５４、翼車の水平回転軸の回転数を計測するパルス発生器４４、および、パルス発生器によって計測された回転数に基づいて誘導電動機の同期速度が回転速度より小さくなるようにインバータへ指令信号を送ってインバータにより誘導電動機の同期速度を制御するコントローラ５６を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力によって水平軸周りに回転する翼車と、
保持部材に水平姿勢でかつ回転自在に支持され前記翼車と一体的に回転する水平回転軸と、
この水平回転軸を風向に沿わせるように前記保持部材を水平面内で回動させる向き調整機構と、
前記水平回転軸に伝動機構を介して駆動軸が連結された誘導電動機と、
電源周波数を変化させて前記誘導電動機の同期速度を制御するインバータと、
前記翼車の水平回転軸の回転数を計測する回転数計測手段と、
この回転数計測手段によって計測された水平回転軸の回転数に基づいて、前記誘導電動機の同期速度が誘導電動機の回転速度より小さくなるように、前記インバータへ指令信号を送ってインバータにより前記誘導電動機の同期速度を制御するコントローラと、
を備え、前記誘導電動機を、その回転速度より常に小さい同期速度に制御することによって誘導電動機に発生する回生電力を得るようにしたことを特徴とする小型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風の力により翼車を回転させて、その回転エネルギを電気エネルギに変換する小型の風力発電装置に関し、特に、風力の強さに関わらず比較的に安定した電力を取り出すことができる小型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の風力発電装置としては、従来から様々な種類や各種型式のものが提案され製作されている。例えば、風力が大きくなっても翼車の回転数の増大を抑えることによって強風による羽根の破損を防止できるようにした小型の風力発電装置が提案されている。この風力発電装置は、水平回転軸、この水平回転軸に取着された翼車、水平回転軸の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機、水平回転軸の回転動力を発電機の回転子に伝達する伝動機構および方向舵を備えている。翼車は、水平回転軸に固着された主翼保持部材に複数枚の回転翼が放射状にかつ円周方向に等配して保持された構成を有し、各回転翼が、風力の大きさに応じて回動し風の方向に対する角度を変化させるような機構となっている。そして、水平回転軸の、主翼保持部材の後方側に、水平回転軸に対して摺動自在に可動部材を取着し、その可動部材を主翼保持部材に対して接近させるように付勢する圧縮コイルばねが水平回転軸に巻回して設けられ、翼車の各回転翼と可動部材とを、一端部が翼車の一部にピン接合され他端部が可動部材にピン接合された複数本のリンク棒によりそれぞれ連結されている。このような構成により、風力が大きくなるほど回転翼が大きく回動して、風の進行方向から見える回転翼の見掛け上の面積が小さくなる。この結果、風から回転翼の受ける力が小さくなり、このため、風力が大きくなっても翼車の回転数の増大が抑えられる（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１７５８４号公報（第４−６頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された風力発電装置は、強風による羽根の破損を防止することができ、また、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギを効率的に得ることができる、といった利点を有している。一方、この風力発電装置は、その機構上、複数枚の回転翼、可動部材、圧縮コイルばね、複数本のリンク棒など、可動部分が多く、また、部品点数も多くなる。このため、構成が複雑で、製造コストが高くなり、また、装置のメンテナンスが重要となり、そのための労力・コストがかかる、といった問題点がある。
【０００５】
この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、メンテナスに要する労力・コストを低減することができ、風力が変化しても比較的に安定した電力を取り出すことができる小型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】
【０００６】
この発明では、風を受けて回転する翼車と一体的に回転する水平回転軸の回転エネルギを電気エネルギに変換するのに発電機に代えて誘導電動機を使用し、風力に応じて、従って翼車および水平回転軸の回転数に応じて、誘導電動機の電源周波数を変化させ、誘導電動機の同期速度を制御する、といった手段により上記目的を達成した。
すなわち、この発明は、風力によって水平軸周りに回転する翼車と、保持部材に水平姿勢でかつ回転自在に支持され前記翼車と一体的に回転する水平回転軸と、この水平回転軸を風向に沿わせるように前記保持部材を水平面内で回動させる向き調整機構と、前記水平回転軸に伝動機構を介して駆動軸が連結された誘導電動機と、電源周波数を変化させて前記誘導電動機の同期速度を制御するインバータと、前記翼車の水平回転軸の回転数を計測する回転数計測手段と、この回転数計測手段によって計測された水平回転軸の回転数に基づいて、前記誘導電動機の同期速度（回転磁界の回転速度）が誘導電動機の回転速度（回転子の回転速度）より小さくなるように、前記インバータへ指令信号を送ってインバータにより前記誘導電動機の同期速度を制御するコントローラと、を備えた小型風力発電装置であって、前記誘導電動機を、その回転速度より常に小さい同期速度に制御することによって誘導電動機に発生する回生電力を得るようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る小型風力発電装置においては、風力によって回転する翼車の水平回転軸の回転数が回転数計測手段によって計測され、その計測された回転数に基づいて、交流電源によって回転させられる誘導電動機の同期速度（回転磁界の回転速度）が回転速度（回転子の回転速度）より常に小さくなるように制御される。これにより、誘導電動機には、それが電動機として動作するときとは極性が反転（位相が１８０°変化）した誘導電流が流れる。誘導電動機の同期速度は、インバータにより電源から誘導電動機に与える周波数を変化させることにより制御される。誘導電動機の同期速度は、滑りが無いと仮定すると、〔同期速度Ｎｓ（ｒｐｍ）＝１２０×周波数ｆ（Ｈｚ）／極数ｐ〕の関係式で表され、例えば極数ｐが４極であれば、同期速度Ｎｓ（ｒｐｍ）＝３０×周波数ｆ（Ｈｚ）となる。このように誘導電動機を発電機として機能させる場合であっても、特別な結線や機器を必要としない。単にインバータにより、電源周波数を変化させ、それと同時に電圧を調整するだけで済む。そして、誘導電動機に与えるのは電圧と周波数だけであり、誘導電動機の同期速度を回転速度より常に小さくすることにより、誘導電動機に勝手に電流が流れることとなり、この回生電流、従って回生電力を取り出すことにより、翼車の回転エネルギが電気エネルギに変換される。
したがって、この発明に係る小型風力発電装置を使用すると、風力が変化しても比較的に安定した電力を取り出すことができる。そして、この小型風力発電装置は簡易な構成であり、メンテナスに要する労力・コストも低減されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施形態の１例を示し、小型風力発電装置の側面図である。
【図２】図１に示した小型風力発電装置を風上側から見た正面図である。
【図３】図１に示した小型風力発電装置の一部である誘導電動機および伝動機構を示す側面図である。
【図４】図１に示した小型風力発電装置の一部を示す側面図である。
【図５】図１に示した小型風力発電装置の一部である尾翼部分を示す平面図である。
【図６】図１に示した小型風力発電装置の制御系を模式的に示すブロック図である。
【図７】図１に示した小型風力発電装置の動作状態を説明するために行った試験で使用した回路構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に側面図を示すように、この風力発電装置は、作動時に風の方向に沿う水平回転軸１０を備えた水平軸型の装置であって、水平回転軸１０に翼車１２が取着されており、翼車１２は、風を受けて水平回転軸１０と一体的に回転するようになっている。
【００１０】
翼車１２は、水平回転軸１０に固着された主翼保持部材１４、および、この主翼保持部材１４に放射状にかつ円周方向に等配して保持された複数枚、図示例のものでは８枚の回転翼１６から構成されている。主翼保持部材１４には、図４に示すように、回転翼１６に対応して８個の支持孔１８（図４には２個だけ図示している）が、円周方向に等配されてそれぞれ半径方向に穿設されている。回転翼１６は、主翼保持部材１４の支持孔１８に挿着されて水平回転軸１０と直交する方向に延びる枢軸部２０、および、この枢軸部２０に一体的に固設された薄板部２２から構成されている。薄板部２２は、アルミニウム材料、プラスチック材料などにより、枢軸部２０が同一面内に含まれるように平面状に形成されており、裏面側に補強材２４が装着されている。この薄板部２２は、水平回転軸１０に沿った方向に流れる風に対して斜めに交差するように配置される。
【００１１】
水平回転軸１０は、図３に示すように、保持台板２６の上面に固設された一対の軸受２８、２８によって回転自在に支持され、保持台板２６により軸受２８を介して片持ち式に水平姿勢で保持されている。保持台板２６は、下面側に回転支軸３０が一体的に垂設されており、回転支軸３０は、支柱３２の軸心部に形設された支持孔３４に回動自在に嵌挿されている。そして、保持台板２６は、支柱３２の上端部に水平姿勢で保持され、鉛直軸周りに自由回転するようになっている。
【００１２】
保持台板２６上には、水平回転軸１０の軸線方向に駆動軸が位置するように誘導電動機３６が設置されている。また、保持台板２６上には、増速機３８が固設されており、誘導電動機３６の駆動軸と増速機３８の出力軸とがカップリング４０を介して連結され、水平回転軸１０と増速機３８の入力軸とがカップリング４２を介して連結されている。さらに、保持台板２６上には、水平回転軸１０の回転数を計測するためのパルス発生器４４が設置されている。水平回転軸１０の回転数を計測する手段として、エンコーダなどを使用してもよい。そして、保持台板２６の上面側はカバー４６で覆蓋され、保持台板２６とカバー４６からなるケーシング内に軸受２８、誘導電動機３６、増速機３８、パルス発生器４４などが収納されている。
【００１３】
水平回転軸１０の後端部には、方向舵の役割をなす尾翼４８が取り付けられている。尾翼４８は、図５に平面図を示すように、上下にそれぞれ一対ずつ設けられており、一対の尾翼４８、４８が「く」の字形をなしその連接部側が前方を向くように配置されている。尾翼４８は尾翼保持部材５０に固着され、尾翼保持部材５０は、尾翼４８が水平回転軸１０と共回りしないように軸受部材５２を介し水平回転軸１０に対して自由回転可能に保持されている。したがって、尾翼４８の作用により、水平回転軸１０を風向に沿わせるように、支柱３２に対して保持台板２６が水平面内で回動するようになっている。
【００１４】
この小型風力発電装置は、図６に示すように、電源から送られる三相交流の周波数および電圧を変化させて誘導電動機３６へ出力するインバータ５４を備えている。このインバータ５４としては、電源回生機能を内蔵したインバータが使用される。翼車１２と一体的に回転する水平回転軸１０の回転数を計測するパルス発生器４４は、コントローラ５６に接続されており、コントローラ５６は、パルス発生器４４から入力される回転数に基づいてインバータ５４を制御し、インバータ５４の出力周波数および出力電圧を制御する。このコントローラ５６は、予め定められたプログラムに従って逐次制御を行うプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）（シーケンサとも呼ばれる）である。コントローラ５６によるインバータ５４の制御は、次のようにして行われる。すなわち、パルス発生器４４によって計測された水平回転軸１０の回転数から、水平回転軸１０にカップリング４２、増速機３８およびカップリング４０を経て駆動軸が連結された誘導電動機３６の回転速度（回転子の回転速度）を算出し、その回転速度に比べて誘導電動機３６の同期速度（回転磁界の回転速度）が常に小さくなる回転磁界の周波数、および、その周波数に見合った電圧を演算し、インバータ５４へ制御信号を送って、演算された周波数と電圧をインバータ５４から出力し誘導電動機３６に与える、といった制御が行われる。
【００１５】
次に、上記したような構成を備えた小型風力発電装置における動作について説明する。
小型風力装置の設置場所において風が吹くと、尾翼４８の作用により、保持台板２６が支柱３２に対して水平面内で回動し、水平回転軸１０の軸線方向を風の流れに沿わせ翼車１２の前面側が風上に向いた姿勢となり、翼車１２が水平回転軸１０と共に回転する。装置の運転が開始されると、風力によって回転する翼車１２の水平回転軸１０の回転数がパルス発生器４４によって計測され、その計測信号がコントローラ５６に入力される。コントローラ５６においては、パルス発生器４４によって計測された水平回転軸１０の回転数から誘導電動機３６の回転子の回転速度が算出され、誘導電動機３６の同期速度が回転子の回転速度より小さくなるような回転磁界の周波数が演算され、それと併せて、当該周波数に見合った電圧が演算される。そして、コントローラ５６からインバータ５４へ制御信号が送られて、インバータ５４が制御され、インバータ５４から所要の周波数と電圧が出力されて誘導電動機３６に付加される。以上のようなパルス発生器４４による水平回転軸１０の回転数の計測、コントローラ５６における演算処理およびインバータ５４への指令、および、インバータ５４による誘導電動機３６の周波数と電圧の調節制御といった一連の動作が繰り返される。これにより、風の力が弱くて回転翼１６の受ける力が小さくなり翼車１２が低速で回転する時でも、風力が大きくなって回転翼１６の受ける力が大きくなり翼車１２が高速で回転する時でも、誘導電動機３６の同期速度が回転速度より常に小さくなるように保持される。この結果、誘導電動機３６が常時、発電機として機能し、発生した誘導電流が、電源回生機能を内蔵したインバータ５４を経て負荷へ流れることとなる。
【００１６】
次に、この小型風力発電装置の動作状態を確認するために、図７に示す機器・回路構成の装置を使用して行った試験およびその結果について説明する。
この試験においては、２つの誘導電動機５８、６０を使用し、それら２つの誘導電動機５８、６０の駆動軸同士をカップリングで接続した。一方の誘導電動機５８は、風の力によって回転する上記翼車１２および水平回転軸１０の疑似動作を行わせるためのものである。この誘導電動機５８に与える周波数（および電圧）をインバータ６２によって様々に変化させることにより、誘導電動機５８の回転速度、従って誘導電動機５８にカップリング接続された他方の誘導電動機６０の回転速度（回転子の回転速度）が変化するようになっている。誘導電動機６０は、上記した小型風力発電装置における誘導電動機３６に相当するものであり、所定の条件で発電機として機能する。この誘導電動機６０に与える周波数（および電圧）をインバータ６４によって様々に変化させることにより、誘導電動機６０の同期速度（回転磁界の回転速度）が変化するようになっている。この試験では、一方の誘導電動機５８として三菱電機（株）製の三相誘導モータ（３．７ｋＷ  ４Ｐ）を使用し、他方の誘導電動機６０として（株）日立産機システム製の三相誘導モータ（１．５ｋＷ  ＴＦＯ−Ｋ  ４Ｐ）を使用した。また、一方のインバータ６２として三菱電機（株）製のインバータＦＲ−Ｓ５２０−３．７Ｋを使用し、他方のインバータ６４としては、（株）安川電機製の電源回生機能付きインバータＣＩＭＲ−ＵＡ２Ａ００４２ＡＡＡを使用した。使用電源は、三相交流（２００Ｖ／６０Ｈｚ）である。
【００１７】
また、インバータ６４と誘導電動機６０とを接続する配線に、誘導電動機６０に与えられる電圧を測定するための電圧計６６を介挿し、その配線に流れる電流を測定するために電流計６８を介挿した。そして、誘導電動機６０が本来の電動機として機能するときは電力が消費され、誘導電動機６０が発電機として機能するときは発電して回生電力を生じることになるが、この電力の消費／発電の状態を確認するため、三相電源から負荷に繋がる配線の途中で分岐してインバータ６４に接続される配線に電力量計７０を介挿した。この電力量計７０においては、誘導電動機６０で発電して回生電力を生じるときに、回転円盤の回転方向が、誘導電動機６０で電力が消費されるときの回転円盤の回転方向と逆向きになる。この電力量計７０における回転円盤の正・逆回転方向により、誘導電動機６０で電力が消費されているかあるいは発電しているかが分かる。
【００１８】
誘導電動機５８に与える周波数ＩＮＶ１（Ｈｚ）（従って誘導電動機６０の回転子の回転速度）を４０Ｈｚ〜５Ｈｚで変化させ、誘導電動機６０に与える周波数ＩＮＶ２（Ｈｚ）（従って誘導電動機６０の回転磁界の回転速度）を４０Ｈｚ〜５Ｈｚで変化させたときに、誘導電動機６０に与えられ電圧計６６によって測定された電圧（Ｖ）、電流計６８に流れる電流（Ａ）、および、電力量計７０によって確認された誘導電動機６０における電力の消費／発電の状態を表１および表２に示す。なお、表中、「電力量計」の欄における「停止」は、電力量計７０の回転円盤が停止した状態、すなわち、電力を消費しておらず発電もしていない状態を示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
2018048577.tif 000004
【００２１】
表１および表２に示す結果から、風の力によって回転する翼車１２および水平回転軸１０の疑似動作を行う一方の誘導電動機５８に与える周波数が１５Ｈｚ以上であれば、他方の誘導電動機６０に与える周波数を一方の誘導電動機５８の周波数より小さくかつ１０Ｈｚ以上としたときに、誘導電動機６０が発電機として機能し発電することが分かる。したがって、上記した小型風力発電装置において、風力によって翼車１２がある程度の速度で回転しておれば、誘導電動機３６に与える周波数をインバータ５４によって制御し、翼車１２および水平回転軸１０の回転速度より誘導電動機３６の同期速度を小さくすることにより、誘導電動機６０が発電機として機能し発電する、と言うことができる。この試験結果より、実機において、誘導電動機６０が発電機として機能し最も効率良く発電する運転条件を様々な風力について確認しておき、その最適条件に基づいてインバータ５４による誘導電動機６０の周波数の制御を行うようにすれば良いことが分かる。
【００２２】
この発明に係る小型風力発電装置は、上記したように構成されているが、この発明の範囲は上記実施形態の内容に限定されない。水平回転軸の回転動力を誘導電動機に伝達する伝動機構や方向舵の機構、誘導電動機、増速機、軸受などを収納するケーシングの構造、ケーシングの鉛直軸周りの自由回転機構などは、上記した実施形態のものに限定されない。また、台風時や突風時などに回転翼の破損を防止する対策として、電気的な抵抗により翼車の回転にブレーキを掛ける安全回路や、風の進行方向（風上側）から見える回転翼の見掛け上の面積が小さくなる安全機構などを併せて具備するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
この発明に係る風力発電装置は、比較的に小規模の事業所や施設などで風力発電を行う場合に好適であり、場合によっては一般家庭における小出力発電にも利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００２４】
１０  水平回転軸
１２  翼車
１６  回転翼
２６  保持台板
２８  軸受
３０  回転支軸
３２  支柱
３４  支柱の支持孔
３６  誘導電動機
３８  増速機
４０、４２  カップリング
４４  パルス発生器
４６  カバー
４８  尾翼
５４  インバータ
５６  コントローラ
【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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【図７】
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