(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小形風力発電機の風車の回転を渦電流ブレーキによって制御するブレーキ制御方法において、
前記風車はシャフトに外向きに水平又は略水平に突設されたアームと当該アームの先端に支持された直線翼を備えた直線翼垂直型風車であり、
前記風車のアームと直線翼の接続部に設置されたひずみゲージでひずみ量を検知し、
前記ひずみゲージで検知した検知ひずみ量と予め設定された基準ひずみ量を比較し、
前記検知ひずみ量が前記基準ひずみ量以上であるときに前記渦電流ブレーキに電源を供給して風車の回転を抑制制御する、
ことを特徴とする小形風力発電機のブレーキ制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の小形風力発電機のブレーキ制御方法において、
風車の近傍に設置した風速計で風車近傍の風速を検知し、
前記風速計で検知された検知風速と予め設定された基準風速を比較し、
検知ひずみ量が基準ひずみ量以上であり且つ前記検知風速が当該基準風速以上であるときに前記渦電流ブレーキに電源を供給して風車の回転を抑制制御する、
ことを特徴とする小形風力発電機のブレーキ制御方法。
【請求項３】
風車の回転力を変換して電気エネルギーを作り出す小形風力発電機において、
前記風車を支持するシャフトと、
前記シャフトに外向きに水平又は略水平に突設されたアーム及び当該アームの先端に支持された直線翼を有する直線翼垂直型風車と、
前記風車の回転による動力を電気変換する発電機と、
前記風車の回転を抑制する渦電流ブレーキと、
前記風車のアームと直線翼の接続部のひずみ量を検知するひずみゲージと、
前記ひずみゲージで検知された検知ひずみ量と予め設定された基準ひずみ量を比較し、前記検知ひずみ量が当該基準ひずみ量以上であるときに前記渦電流ブレーキに電源を供給して前記風車の回転を抑制制御するブレーキコントローラを備えた、
ことを特徴とする小形風力発電機。
【請求項４】
請求項３記載の小形風力発電機において、
シャフトの上端側であって直線翼の上端よりも上側の位置に設置された風速計と、
前記風速計で検知された検知風速と予め設定された基準風速を比較し、検知ひずみ量が基準ひずみ量以上であり且つ前記検知風速が当該基準風速以上であるときに渦電流ブレーキに電源を供給して風車の回転を抑制制御するブレーキコントローラを備えた、
ことを特徴とする小形風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小形風力発電機のブレーキ制御方法と、当該制御方法によるブレーキ制御が可能な小形風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災の発生以降、いわゆる再生可能エネルギーが注目されている。再生可能エネルギーを利用した発電機の一つとして、風力によって回転する風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電機が知られている。風力発電機は受風面積や出力規模によって、大形風力発電機と小形風力発電機に区別されており、ＪＩＳ Ｃ１４００−２小形風車の設計要件では、ロータの受風面積が２００ｍ２未満で、発電電圧が交流１０００Ｖ以下又は直流１５００Ｖ以下のＳＷＴに適用として規定されている。
【０００３】
従来、小形風力発電機として、風車と、風車の回転により発生した動力を交流電力に変換する交流発電機と、交流電力を直流電力へ変化する整流子と、直流電力を蓄えるバッテリと、渦電流ブレーキと、渦電流ブレーキへの余剰出力電力の供給を制御するブレーキ制御手段を備えたもの（特許文献１）が提案されている。この小形風力発電機は、交流発電機の出力電力が設定値を超えたときに、ブレーキ制御手段によって渦電流ブレーキに電力が供給され、風車の回転が抑制されるように構成されている。
【０００４】
また、小形風力発電機と異なる分野では、渦電流を利用したブレーキシステムが、自動車や鉄道のブレーキシステムとして利用されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０４９７５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３９６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の小形風力発電機は、交流発電機の出力電力が設定値を超えたときにブレーキ制御を行う方式（いわゆるフィードバック制御）であるため、実際に風車の回転が抑制されるまでには時間がかかる。風向や風速は０．１〜０．５秒単位で変化しているため、この方式では制御が間に合わず、制御をしたときには既に風車をはじめとする稼働部品が破損しているおそれがある。このような問題を防止するため、台風のように強風が吹くことが予測されているような場合には、事前に発電機自体を停止させて対応することもあるが、このようにしたのでは、発電機を停止させている間は発電することができないという問題がある。
【０００７】
また、小形風力発電機には、コンマ数秒単位で不規則に変化する風向や風速に対応させてブレーキを掛けなければならないという特殊性があることから、このような特殊性を考慮せずに開発された自動車や鉄道のブレーキをそのまま適用しても風車の回転を制御することはできない。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の制御方式よりも応答性がよく、非接触で風車の過回転及び発電機への過負荷を抑制することができ、強風下でも一定の発電量を得ることができる、フィードフォワード方式のブレーキ制御方法と、当該制御方式によるブレーキ制御が可能な小形風力発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［小形風力発電機のブレーキ制御方法］
本発明の小形風力発電機のブレーキ制御方法（以下「ブレーキ制御方法」という）は、小形風力発電機の風車の回転を渦電流ブレーキによって制御するブレーキ制御方法であって、風車がシャフトに外向きに水平又は略水平に突設されたアームと当該アームの先端に支持された直線翼を備えた直線翼垂直型風車であり、風車のアームと直線翼の接続部に設置されたひずみゲージでひずみ量を検知し、当該ひずみゲージで検知したひずみ量（本願において「検知ひずみ量」という）と予め設定された基準ひずみ量を比較し、前記検知ひずみ量が当該基準ひずみ量以上であるときに前記渦電流ブレーキに電源を供給して風車の回転を抑制制御する方法である。
【００１０】
【００１１】
前記ブレーキ制御方法は、ひずみゲージで検知した検知ひずみ量又は風速計で検知した検知風速のいずれかを用いて風車の回転を制御する方法であるが、本発明のブレーキ制御方法は、これら双方を用いて風車の回転を制御することもできる。具体的には、前記小形風力発電機のブレーキ制御方法において、風車の近傍に設置した風速計で風車近傍の風速を検知し、前記風速計で検知した風速（本願において「検知風速」という）と予め設定された基準風速を比較し、検知ひずみ量が基準ひずみ量以上であり且つ前記検知風速が当該基準風速以上であるときに前記渦電流ブレーキに電源を供給して風車の回転を抑制制御することもできる。
【００１２】
［小形風力発電機］
本発明の小形風力発電機は、風車の回転力を変換して電気エネルギーを作り出す小形風力発電機において、前記風車を支持するシャフトと、前記シャフトに外向きに水平又は略水平に突設されたアーム及び当該アームの先端に支持された直線翼を有する直線翼垂直型風車と、当該風車の回転による動力を電気変換する発電機と、風車の回転を抑制する渦電流ブレーキと、前記風車のアームと直線翼の接続部のひずみ量を検知するひずみゲージと、当該ひずみゲージで検知された検知ひずみ量と予め設定された基準ひずみ量を比較し、前記検知ひずみ量が当該基準ひずみ量以上であるときに前記渦電流ブレーキに電源を供給して前記風車の回転を抑制制御するブレーキコントローラを備えたものである。
【００１３】
【００１４】
本発明の小形風力発電機は、前記小型風力発電機において、シャフトの上端側であって直線翼の上端よりも上側の位置に設置された風速計と、前記風速計で検知された検知風速と予め設定された基準風速を比較し、検知ひずみ量が基準ひずみ量以上であり且つ前記検知風速が当該基準風速以上であるときに渦電流ブレーキに電源を供給して風車の回転を抑制制御するブレーキコントローラを備えたものとすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のブレーキ制御方法は、次の効果を奏する。
（１）風車が回転する前にひずみゲージや風速計でのひずみ量や風速を検知し、そのひずみ量や風速を用いてブレーキを制御する、いわゆるフィードフォワード式の制御方法であるため、応答性がよく、風車の過回転及び発電機への過負荷を高精度で抑制することができる。
（２）応答性が良いため、事前に発電機自体を停止させて対応する必要がなく、台風などの強風下でも一定の発電量を得ることができる。
【００１６】
本発明の小形風力発電機は、次の効果を奏する。
（１）風車が回転する前にひずみゲージや風速計でのひずみ量や風速を検知し、そのひずみ量や風速を用いてブレーキを制御する方法（フィードフォワード式の制御方法）であるため、応答性がよく、風車の過回転及び発電機への過負荷を高精度で抑制することができる。
（２）応答性が良いため、事前に発電機自体を停止させて対応する必要がなく、台風などの強風下でも一定の発電量を得ることができる。
（３）非接触でブレーキをかけるため、回転体や電磁石などのブレーキ部品が欠損し難い。
（４）電磁石を用いて、必要なときだけ電源を供給してブレーキを作動させる構造であるため、初期抵抗が少なく、発電時の風車の回転がスムーズである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の小形風力発電機の一例を示す説明図。
【図２】（ａ）は渦電流ブレーキの詳細説明図、（ｂ）は渦電流ブレーキの回転体と電磁石の位置関係を示す平面図、（ｃ）は（ａ）のｘ部の回転体の拡大図。
【図３】ブレーキコントローラの一例を示すブロック図。
【図４】本発明の小形風力発電機の他例を示す説明図。
【図５】（ａ）は検知ひずみ量を用いてブレーキ制御を行う場合のフローチャート、（ｂ）は検知風速を用いてブレーキ制御を行う場合のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態１）
本発明のブレーキ制御方法及び小形風力発電機の一例を、図１〜図３を参照して説明する。一例として図１に示す小形風力発電機は、風車１とシャフト２とブレーキシステム３とひずみゲージ４と発電システム５を備えている。
【００１９】
前記風車１は、いわゆる直線翼垂直軸型風車と呼ばれる風車であり、前記シャフト２に設けられたアーム６と、当該アーム６に支持された（接続された）翼７を備えたものである。それぞれの翼７は上下に間隔をあけて配置された二本のアーム６で支持されている。この実施形態では、二本一組のアーム６がシャフト２の外周三カ所に間隔をあけて設けられ、各組に一枚の翼７が取り付けられている。
【００２０】
前記ひずみゲージ４はアーム６と翼７の接続部８に設けられ、受風時に当該接続部８に生じるひずみ量（検知ひずみ量）を検知できるようにしてある。この実施形態では、ひずみゲージ４として既存のロードセルを用いているが、ひずみゲージ４にはロードセル以外のものを用いることもできる。ひずみゲージ４は、いずれか一又は二以上の接続部８に設ければよく、すべての接続部８に設ける必要はない。
【００２１】
ひずみゲージ４で検知した検知信号は、電気信号としてブレーキシステム３のブレーキコントローラ９へ入力されるようにしてある。検知信号は微弱であるため、検知信号をそのままブレーキコントローラ９へ入力するのではなく、図示しない増幅器で増幅し、ローパスフィルタ等のフィルタでノイズを除去してからブレーキコントローラ９に入力されるようにするのが好ましい。
【００２２】
前記ブレーキシステム３は、風車１の回転（過回転）を抑制するためのシステムである。一例として図１に示すブレーキシステム３は、渦電流ブレーキ１０と、当該渦電流ブレーキ１０の動作を制御するブレーキコントローラ９を備えている。
【００２３】
前記渦電流ブレーキ１０は、図２（ａ）に示すように、シャフト２に固定された回転板１１と、当該回転板１１の外側に配置された電磁石１２を備えている。一例として図２（ａ）（ｂ）に示す回転板１１は円盤状の導体板（珪素鋼板）であり、その外周寄りの位置に複数（図２（ｂ）の例では２４個）の有底孔１１ａを備えている。夫々の有底孔１１ａには、図２（ｃ）に示すように、コイル１３が周回されたコア（鉄芯）１４が埋設されている。有底孔１１ａを含む回転板１１の外面は、アクリル樹脂により樹脂コーティング１５が施してあり、有底孔１１ａに埋設した鉄芯１４及びその鉄芯１４に周回されたコイル１３が不用意に抜け落ちないようにしてある。なお、有底孔１１ａ及び有底孔１１ａに埋設するコア１４や有底孔１１ａの数はこれより多くても少なくてもよい。
【００２４】
前記電磁石１２は、コア（励磁コア）１６の外周にコイル（励磁コイル）１７が周回されたものである。一例として図２（ａ）に示す励磁コア１６は、回転板１１の上側に位置する上部１６ａと、回転板１１の外側に位置する側部１６ｂと、回転板１１の下側に位置する下部１６ｃを備えた内向きコ字状のものである。図２（ｂ）に示すように、この実施形態では、励磁コア１６を回転板１１の外側に間隔をあけて８個配設してある。励磁コア１６はこれより多くても少なくてもよい。それぞれの励磁コア１６に周回された励磁コイル１７はブレーキコントローラ９（図１）に設けられた電源供給部９ｃ（図３）に接続され、当該電源供給部９ｃから電源を供給することによって、当該励磁コイル１７に直流電流が流れるようにしてある。電源供給部９ｃから供給される電源は、バッテリ２２に蓄電されたものであっても外部電源であってもよい。
【００２５】
それぞれの励磁コア１６は、ケーシング１８に収容されている。一例として図２（ａ）に示すケーシング１８は、上下方向に間隔をあけて配置された上材１８ａ及び下材１８ｂと、上材１８ａ及び下材１８ｂを連結する外材１８ｃと、励磁コア１６を支持する支持材１８ｄを備えている。支持材１８ｄは、外材１８ｃの中央付近から内向きに取り付けられ、上材１８ａと下材１８ｂの間に位置するようにしてある。上材１８ａ及び下材１８ｂの一端側はベアリング１９を介してシャフト２に接続され、シャフト２が回転しても励磁コア１６自体は回転せず、一定位置にとどまるようにしてある。
【００２６】
ブレーキコントローラ９は、入力される信号を処理して、渦電流ブレーキ１０に命令を与えるもの（信号処理部）である。一例として図３に示すブレーキコントローラ９は、少なくとも、ひずみゲージ４により検知された検知信号を受信する受信部９ａと、当該検知したひずみ量と予め設定された基準ひずみ量とを比較する比較部９ｂと、当該比較部９ｂでの比較の結果、検知ひずみ量が前記基準ひずみ量以上であるときに渦電流ブレーキ１０の励磁コイル１７に電源を供給する電源供給部９ｃを備えている。
【００２７】
前記基準ひずみ量は、入力荷重となる風の強弱に比例して、風車１の受風面積をはじめ、翼７の大きさ、形状、重量等に応じて適宜設定することができる。
【００２８】
前記発電システム５は、風車１の動力（回転力）を電気エネルギーに変換するものである。一例として図１に示す発電システム５は、発電機２０と、充放電コントローラ２１と、バッテリ２２と、インバータ２３を備えている。発電機２０とバッテリ２２は充放電コントローラ２１を介して接続され、風車１の回転によって発電された電力がバッテリ２２に蓄えられるようにしてある。図示は省略しているが、風車１の回転力により発電された交流電力は、直流電源に変換されてからバッテリ２２に蓄えられるようにしてある。発電機２０にはインバータ２３を介して各種の負荷２４が接続され、当該負荷２４にも電源を供給できるようにしてある。
【００２９】
（実施形態２）
本発明の他例を、図４を参照して説明する。この実施形態の小形風力発電機の基本構造は実施形態１（図１）の場合と同様である。異なるのは、ひずみゲージ４に代えてシャフト２の上端側に風速計２５が設けられていること、及び、検知ひずみ量に代えて風速計２５で検知された風速（検知風速）を用いてブレーキ制御を行うことである。
【００３０】
前記風速計２５は、風車１が支持されたシャフト２の上端部に設けられている。風速計２５は、風車１の近傍、すなわち、風車１の翼７が受ける風と同等の風を受けられる範囲内であれば、これ以外の場所に設置することができる。風速計２５には、風速のみを測定するもののほか、風速に加えて風向の計測も可能な風向風速計等を用いることができる。ひずみゲージ４で計測された検知ひずみ量と同様、風速計２５で検知された検知風速は、電気信号としてブレーキシステム３のブレーキコントローラ９へ入力されるようにしてある。風速計２５での検知信号も増幅器（図示しない）で増幅し、ローパスフィルタ（図示しない）でノイズを除去してからブレーキコントローラ９に入力されるようにするのが好ましい。
【００３１】
ブレーキコントローラ９は、その比較部９ｂ（図３）において、入力された検知風速と予め設定された基準風速を比較し、前記検知風速が当該基準風速以上であるときに渦電流ブレーキ１０の励磁コイル１７に電源を供給する。なお、基準風速は、風車１の受風面積等に応じて変更することもできるが、例えば、２０〜２５ｍ／ｓｅｃ程度に設定するのが好ましい。風速が２５ｍ／ｓｅｃよりも速いとブレーキ制御が間に合わずに稼働部品が破損するおそれがあり、２０ｍ／ｓｅｃよりも遅いと発電量が低減するおそれがある。ただし、これら数値は一例であり、これよりも大きな値或いは小さな値を基準風速に設定することを妨げるものではない。
【００３２】
（その他の実施形態）
前記実施形態１及び２では、ひずみゲージ４と風速計２５を選択的に用いる場合を一例として説明しているが、両者を併用することもできる。具体的には、ひずみゲージ４で検知される検知ひずみ量と風速計２５で検知される風速の両者を電気信号としてブレーキコントローラ９に入力し、検知ひずみ量と基準ひずみ量又は／及び検知風速と基準風速を比較し、双方又はいずれか一方が基準値（基準ひずみ量又は基準風速）以上のときに、渦電流ブレーキ１０の励磁コイル１７に電源が供給されて電流が流れるようにすることができる。これら値の比較はブレーキコントローラ９の比較部９ｂで、励磁コイル１７への電流の供給はブレーキコントローラ９の電源供給部９ｃで行われる。
【００３３】
（動作説明）
本発明の小形風力発電機におけるブレーキ動作について説明する。ひずみゲージ４で検知した検知ひずみ量を用いて制御を行う場合、図５（ａ）に示すように、ひずみゲージ４によってアーム６と翼７の接続部８のひずみ量が検知されると、その検知ひずみ量がブレーキコントローラ９に入力され、ブレーキコントローラ９の比較部９ｂで基準ひずみ量と比較される。比較の結果、検知ひずみ量が基準ひずみ量以上であるときは、ブレーキコントローラ９の電源供給部９ｃから電源が供給され、渦電流ブレーキ１０の励磁コイル１７に電流が流れる。励磁コイル１７に電流が流れて励磁コア１６が電磁石になると、回転板１１に渦電流が発生し、回転抵抗が増大して回転板１１にブレーキがかかる。回転板１１にブレーキがかかるとシャフト２の回転が抑制され、これに伴いシャフト２に接続された風車１の回転が抑制される。以後、検知ひずみ量が基準ひずみ量未満になるまで、前記動作を繰り返し行い、検知ひずみ量が基準ひずみ量未満になると、電源供給部９ｃからの電流の供給が停止され渦電流ブレーキ１０によるブレーキが解除される。
【００３４】
風速計２５による風速を用いて制御を行う場合、図５（ｂ）に示すように、風速計２５で検知した検知風速によって風車１の近傍の風速が検知されると、その検知風速がブレーキコントローラ９に入力され、ブレーキコントローラ９の比較部９ｂで基準風速と比較される。比較の結果、検知風速が基準風速以上であるときは、ブレーキコントローラ９の電源供給部９ｃから電源が供給され、渦電流ブレーキ１０の励磁コイル１７に電流が流れる。励磁コイル１７に電流が流れて励磁コア１６が電磁石になると、回転板１１に渦電流が発生し、回転抵抗が増大して回転板１１にブレーキがかかる。回転板１１にブレーキがかかるとシャフト２の回転が抑制され、これに伴いシャフト２に接続された風車１の回転が抑制される。以後、検知風速が基準風速未満になるまで、前記動作を繰り返し行い、検知風速が基準風速未満になると、電源供給部９ｃからの電流の供給が停止され渦電流ブレーキ１０によるブレーキが解除される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、直線翼垂直軸型風車を備えた小形風力発電機として、或いはそのブレーキ制御方法として特に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１      風車
２      シャフト
３      ブレーキシステム
４      ひずみゲージ
５      発電システム
６      アーム
７      翼
８      接続部
９      ブレーキコントローラ
９ａ    受信部
９ｂ    比較部
９ｃ    電源供給部
１０    渦電流ブレーキ
１１    回転板
１１ａ  有底孔
１２    電磁石
１３    コイル
１４    コア（鉄芯）
１５    樹脂コーティング
１６    励磁コア
１６ａ  上部
１６ｂ  側部
１６ｃ  下部
１７    励磁コイル
１８    ケーシング
１８ａ  上材
１８ｂ  下材
１８ｃ  外材
１８ｄ  支持材
１９    ベアリング
２０    発電機
２１    充放電コントローラ
２２    バッテリ
２３    インバータ
２４    負荷
２５    風速計
【図１】
0006452583.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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