(57)【要約】【課題】風力を利用した風力発電装置において、風車の回転補助駆動機能を有する装置では、回転始動する風速を低下させる発電効率を向上しようとする目的で、風車を常時回転させるような付加制御を行なっているが、同時に回転補助駆動機能のためのエネルギー消費を低減することが可能な風力発電装置が望まれている。【解決手段】風力発電装置１は、抗力型風車としてのサボニウス型風車２と、サボニウス型風車２を支える支柱３ａから３ｄと、支柱３ａから３ｄとサボニウス型風車２の対向する角度を制御する対向角度制御手段４を備え、対向角度制御手段４により支柱３ａから３ｄとサボニウス型風車２との対向する角度を制御することで、カットイン風速を低下させ、より発電効率を高めることが可能な構成としたものである。【選択図】図１
2008025464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車で風を受け発電する風力発電装置であって、前記風車の支柱と羽根との対向する角度を制御することで風力による回転駆動を開始する風速を下げる対向角度制御手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
対向角度制御手段は、風車が回転を停止する際に角度制御を行なう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】
対向角度制御手段は、風車が回転を停止した後に発電機を電動機として力行運転し、角度制御を行なうことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
対向角度制御手段は、所定の風速となった時に角度制御を行なうことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項５】
対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の電圧位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させることを特徴とする請求項１あるいは２記載の風力発電装置。
【請求項６】
対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の発電電流位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させることを特徴とする請求項１あるいは２記載の風力発電装置。
【請求項７】
風力発電手段に備えた発電機の極数は、風車の羽根枚数の整数倍であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項８】
対向角度制御手段は、風車の支柱を回転させて、羽根との対向角度を制御す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９】
対向角度制御手段は、回転角度が最小となるように対向角度を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項１０】
対向角度制御手段は、ロータの位置を検知する位置センサの信号に応じて制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか、あるいは請求項７から９のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項１１】
対向角度制御手段は、発電した電力を一時的に貯蔵した蓄電手段の電力により角度制御を行なうことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項１２】
抗力型風車に適用したことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに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、太陽光および風力を利用した発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の風力発電装置は、力行運転あるいは回生運転を行ない、発電あるいはモータとして回転させるための一体化した制御装置（双方向チョッパ回路）を利用したものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
以下、特許文献１における風力発電装置について、図１３を参照しながら説明する。
【０００４】
図１３に示すように、風力発電装置は、風車８と、回転軸が風車８の回転軸と直接又は間接的に連結される発電機９を備えた風力発電装置において、発電機９が発電機あるいは電動機として使用可能な構成となっており、発電機９と結線された可逆電力変換装置１０と、双方向直流チョッパ１１と、双方向直流チョッパ１１を制御する制御部１２と、双方向直流チョッパ１１と結線された蓄電池１３を備えている。
【０００５】
この構成において、低風速時（回転を始動する風速以下）の場合には、双方向直流チョッパ１１から可逆電力変換装置１０を通して蓄電池１３の電力を供給し、電動機として発電機９を回転駆動、すなわち回転補助駆動を行なうこととなる。
【０００６】
特許文献１と同様に、低風速時の補助駆動を行なうか否かは設置当初より考慮した上で装置を製作する必要がある。
【０００７】
さらに、同様の起動補助駆動装置を備えた風力発電装置として、双方向昇降圧コンバータを備えたものが知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
以下、特許文献３における風力発電装置について、図１４を参照しながら説明する。
【０００９】
図１４に示すように、風力発電装置は、交流発電機の出力側にインバータ回路１４と、インバータ回路１４の出力側に双方向昇降圧コンバータ回路１５とを備えており、双方向昇降圧コンバータ回路１５に双方向の直流電力が流れ、風車が所定の回転数に満たない場合において発電機１６は電動機として使用する構成としている。
【００１０】
この構成において、低風速時（回転を始動する風速以下）の場合には、双方向昇降圧コンバータ回路１５からインバータ回路１４を通して発電機１６に回転駆動するための電力を供給し、発電までの時間を短縮化でき、発電効率が向上している。
【００１１】
特許文献１と同様に、低風速時の補助駆動を行なうか否かは設置当初より考慮した上で装置を製作する必要がある。
【００１２】
また、同様に具体的な補助駆動制御方法を示した発電装置として、発電を開始するためのトリガとして発電開始回転数に至るまで力行運転を行なうということも提案されている（例えば特許文献３）。
【００１３】
以下、特許文献３における風力発電装置について、図１５を参照しながら説明する。
【００１４】
図１５に示すように、風力発電装置は、風車１７により駆動させる発電機１８をコンバータ１９及びインバータ２０により構成した発電制御装置２１を介して電力系統に接続している。この中で、風速判別器２２及び回転数判別器２３により風速は発電可能風速であるが、ロータ回転数Ｎがロータ停止回転数ＮO≦Ｎ≦発電開始回転数ＮPであると判別されると、出力調整回路２４内の出力電流特性と電流検出器ＣＴ１で検出されたコンバータ１９の出力電流及びロータ回転数Ｎとに基づいてコンバータ１９の出力電流を制御して発電機１８の力行運転が開始され、ロータ回転数Ｎが発電開始回転数ＮPに上昇すると、発電機１８を回生運転に切り換えて発電を開始するように制御している。さらに、発電可能風速においても風車１７が起動しない時は、力行運転により強制的にロータを回転させて確実に発電させるように構成されている。
【００１５】
この構成において、低風速時（回転を始動する風速以下）の場合であっても、コンバータ１９からインバータ２０を通して力行運転することで、ロータの回転数に応じて発電機１８すなわち風車１７を回転駆動するための電力を供給して、回転起動を行なっている。
【００１６】
本構成においても、特許文献１および２と同様に、低風速時の補助駆動を行なうか否かは設置当初より考慮した上で装置を製作する必要がある。
【特許文献１】特開２００４−６４８０６号公報
【特許文献２】特開２００３−２９９３９６号公報
【特許文献３】特開平８−３２２２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
このような発電装置では、風車を回転駆動する際、風車と支柱あるいは風向との相対位置関係に応じた制御方法となっていないため、風車の停止した角度によっては、カットイン風速が大きくなることがあるという課題があった。あるいは補助駆動により回転始動する際に、発電機として回転させるための電力消費が大きくなることがあるという課題があった。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するもので、風車と支柱あるいは風向との相対位置関係をカットイン風速が小さくなる配置となるように風車を制御し、風車の回転効率を向上して発電効率を向上することを可能とした風力発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の風力発電装置は、風車で風を受け発電する風力発電装置であって、前記風車の支柱と羽根との対向する角度を制御することで風力による回転駆動を開始する風速を下げる対向角度制御手段を備える構成としたものである。
【００２０】
この手段により、風車と支柱あるいは風向との相対位置は始動トルクを下げるような配置とすることができ、低風速時（例えば風速２．５ｍ／ｓ以下の時）の回転補助駆動時に回転駆動を開始するための力行運転電力を最小化すると共に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００２１】
また、対向角度制御手段は、風車が回転を停止する際に角度制御を行なうような構成としたものである。
【００２２】
この手段により、回転が停止した後に再度始動トルクを加える必要がなく、停止後に電動機として駆動させて再度角度調整を行なう必要がなく、力行運転時の消費電力を不要とし、さらに回転補助駆動のための消費電力を低減すると同時に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００２３】
さらに、対向角度制御手段は、風車が回転を停止した後に発電機を電動機として力行運転し、角度制御を行なうような構成としたものである。
【００２４】
この手段により、風車が停止する際の角度調整、すなわち減速制御を精度良く行なう必要がなく、より簡単な制御で実現できると同時に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００２５】
また、対向角度制御手段は、所定の風速となった時に角度制御を行なうような構成としたものである。
【００２６】
この手段により、無風に近い風速時（例えば風速０．５ｍ／ｓ以下の時）の自立的に回転不可能な風速での無駄な補助駆動を防止することができ、回転補助駆動時に回転駆動を開始するための力行運転電力を最小化すると共に、低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００２７】
さらに、対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の電圧位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させるような構成としたものである。
【００２８】
この手段により、風車の位置を検出する特別な検出器を必要とせず、より簡単な構成でかつより安価な構成にて低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００２９】
また、対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の発電電流位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させるような構成としたものである。
【００３０】
この手段により、風車の位置を検出する特別な検出器を必要とせず、より簡単な構成でかつより安価な構成にて低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００３１】
さらに、風力発電手段に備えた発電機の極数は、風車の羽根枚数の整数倍であるような構成としたものである。
【００３２】
この手段により、発電機の極と風車の羽根との相対位置は、発電機の各極共に同等とすることができ、回転始動する際に電力の通電開始極を特別選択することなく、より簡単な制御方法で低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００３３】
また、対向角度制御手段は、風車の支柱を回転させて、羽根との対向角度を制御する構成としたものである。
【００３４】
この手段により、風向により障害物となり得る支柱が回転するため、風向に左右されず低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００３５】
さらに、対向角度制御手段は、回転角度が最小となるように対向角度を制御する構成としたものである。
【００３６】
この手段により、発電機に通電する回転補助駆動のための電力を必要最小限とすることができると共に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００３７】
また、対向角度制御手段は、ロータの位置を検知する位置センサの信号に応じて制御する構成としたものである。
【００３８】
この手段により、発電機と風車の相対位置をより正確に検出することができ、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００３９】
さらに、対向角度制御手段は、発電した電力を一時的に貯蔵した蓄電手段の電力により角度制御を行なうような構成としたものである。
【００４０】
この手段により、回転補助駆動のための電力を安定供給することができ、低い風速が継続した際であっても安定した回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【００４１】
また、抗力型風車に適用する構成としたものである。
【００４２】
この手段により、サボニウス型等の風車であっても、周囲のポールと風車の相対位置に影響を受けず、低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置が得られる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、風車で風を受け発電する風力発電装置の風車の支柱と羽根との対向する角度を制御することで風力による回転駆動を開始する風速を下げる対向角度制御手段を備える構成とすることで、風車と支柱あるいは風向との相対位置は始動トルクを下げるような配置とすることができ、低風速時（例えば風速２．５ｍ／ｓ以下の時）の回転補助駆動時に回転駆動を開始するための力行運転電力を最小化すると共に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００４４】
また、対向角度制御手段は、風車が回転を停止する際に角度制御を行なうような構成とすることで、回転が停止した後に再度始動トルクを加える必要がなく、停止後に電動機として駆動させて再度角度調整を行なう必要がなく、力行運転時の消費電力を不要とし、さらに回転補助駆動のための消費電力を低減すると同時に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００４５】
さらに、対向角度制御手段は、風車が回転を停止した後に発電機を電動機として力行運転し、角度制御を行なうような構成とすることで、風車が停止する際の角度調整、すなわち減速制御を精度良く行なう必要がなく、より簡単な制御で実現できると同時に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００４６】
また、対向角度制御手段は、所定の風速となった時に角度制御を行なうような構成とすることで、無風に近い風速時（例えば風速０．５ｍ／ｓ以下の時）の自立的に回転不可能な風速での無駄な補助駆動を防止することができ、回転補助駆動時に回転駆動を開始するための力行運転電力を最小化すると共に、低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００４７】
さらに、対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の電圧位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させるような構成とすることで、風車の位置を検出する特別な検出器を必要とせず、より簡単な構成でかつより安価な構成にて低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００４８】
また、対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の発電電流位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させるような構成とすることで、風車の位置を検出する特別な検出器を必要とせず、より簡単な構成でかつより安価な構成にて低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００４９】
さらに、風力発電手段に備えた発電機の極数は、風車の羽根枚数の整数倍であるような構成とすることで、発電機の極と風車の羽根との相対位置は、発電機の各極共に同等とすることができ、回転始動する際に電力の通電開始極を特別選択することなく、より簡単な制御方法で低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００５０】
また、対向角度制御手段は、風車の支柱を回転させて、羽根との対向角度を制御する構成とすることで、風向により障害物となり得る支柱が回転するため、風向に左右されず低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００５１】
さらに、対向角度制御手段は、回転角度が最小となるように対向角度を制御する構成とすることで、発電機に通電する回転補助駆動のための電力を必要最小限とすることができると共に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００５２】
また、対向角度制御手段は、ロータの位置を検知する位置センサの信号に応じて制御する構成とすることで、発電機と風車の相対位置をより正確に検出することができ、より低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００５３】
さらに、対向角度制御手段は、発電した電力を一時的に貯蔵した蓄電手段の電力により角度制御を行なうような構成とすることで、回転補助駆動のための電力を安定供給することができ、低い風速が継続した際であっても安定した回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【００５４】
また、抗力型風車に適用する構成とすることで、サボニウス型等の風車であっても、周囲のポールと風車の相対位置に影響を受けず、低い風速でも回転駆動を行なうことができる風力発電装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
本発明によれば、風車で風を受け発電する風力発電装置の風車の支柱と羽根との対向する角度を制御することで風力による回転駆動を開始する風速を下げる対向角度制御手段を備える構成としたものであり、風車と支柱あるいは風向との相対位置は始動トルクを下げるような配置とすることができ、低風速時（例えば風速２．５ｍ／ｓ以下の時）の回転補助駆動時に回転駆動を開始するための力行運転電力を最小化すると共に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００５６】
また、対向角度制御手段は、風車が回転を停止する際に角度制御を行なうような構成としたものであり、回転が停止した後に再度始動トルクを加える必要がなく、停止後に電動機として駆動させて再度角度調整を行なう必要がなく、力行運転時の消費電力を不要とし、さらに回転補助駆動のための消費電力を低減すると同時に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００５７】
さらに、対向角度制御手段は、風車が回転を停止した後に発電機を電動機として力行運転し、角度制御を行なうような構成としたものであり、風車が停止する際の角度調整、すなわち減速制御を精度良く行なう必要がなく、より簡単な制御で実現できると同時に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００５８】
また、対向角度制御手段は、所定の風速となった時に角度制御を行なうような構成としたものであり、無風に近い風速時（例えば風速０．５ｍ／ｓ以下の時）の自立的に回転不可能な風速での無駄な補助駆動を防止することができ、回転補助駆動時に回転駆動を開始するための力行運転電力を最小化すると共に、低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００５９】
さらに、対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の電圧位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させるような構成としたものであり、風車の位置を検出する特別な検出器を必要とせず、より簡単な構成でかつより安価な構成にて低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６０】
また、対向角度制御手段は、風力発電手段に備えた発電機の発電電流位相から対向する角度を検出して、所定の角度で羽根の回転を停止させるような構成としたものであり、風車の位置を検出する特別な検出器を必要とせず、より簡単な構成でかつより安価な構成にて低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６１】
さらに、風力発電手段に備えた発電機の極数は、風車の羽根枚数の整数倍であるような構成としたものであり、発電機の極と風車の羽根との相対位置は、発電機の各極共に同等とすることができ、回転始動する際に電力の通電開始極を特別選択することなく、より簡単な制御方法で低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６２】
また、対向角度制御手段は、風車の支柱を回転させて、羽根との対向角度を制御する構成としたものであり、風向により障害物となり得る支柱が回転するため、風向に左右されず低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６３】
さらに、対向角度制御手段は、回転角度が最小となるように対向角度を制御する構成としたものであり、発電機に通電する回転補助駆動のための電力を必要最小限とすることができると共に、より低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６４】
また、対向角度制御手段は、ロータの位置を検知する位置センサの信号に応じて制御する構成としたものであり、発電機と風車の相対位置をより正確に検出することができ、より低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６５】
さらに、対向角度制御手段は、発電した電力を一時的に貯蔵した蓄電手段の電力により角度制御を行なうような構成としたものであり、回転補助駆動のための電力を安定供給することができ、低い風速が継続した際であっても安定した回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６６】
また、抗力型風車に適用する構成としたものであり、サボニウス型等の風車であっても、周囲のポールと風車の相対位置に影響を受けず、低い風速でも回転駆動を行なうことができるという作用を有する。
【００６７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００６８】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における風力発電装置の構成図を示す。
【００６９】
図に示すように、風力発電装置１は、抗力型風車としてのサボニウス型風車２と、サボニウス型風車２を支える支柱３ａから３ｄと、支柱３ａから３ｄとサボニウス型風車２の対向する角度を制御する対向角度制御手段４を備えている。
【００７０】
また、対向角度制御手段４は、風力発電装置１に備えた三相発電機１ａの電圧を検出する電圧計などの電圧検出部４ａと、電圧検出部４ａの検出した三相発電機１ａの電圧から電圧位相を検出する位相検出部４ｂと、検出した電圧位相からサボニウス型風車２の回転角度を検出する角度検出部４ｃと、三相発電機１ａのロータ１ａ＿Ａの位置を検出するロータ位置検出部４ｄと、サボニウス型風車２が停止する際に支柱３ａとの対向角度を制御する対向角度制御部４ｅと、三相発電機１ａを電動機として駆動するために通常の発電経路から駆動経路へ電力系統を切り換える切換スイッチなどの切替部４ｆを備えている。切替部４ｆは対向角度制御部４ｅにより切り換える。
【００７１】
次に位相検出部４ｂの検出フローチャートについて、図２を参照しながら説明する。
【００７２】
図に示すように、位相検出部４ｂは、電圧検出部４ａにより検出した電圧を入力する。次に検出した電圧がゼロクロス点を通過して符号が反転したか否かを判定する。符号が反転していなければ処理を抜ける。符号が反転していれば、半周期経過したとしてカウントアップする。このカウントアップした値を極数で除算して余りの部分を位相として検出する。
【００７３】
次に角度検出部４ｃは、位相検出部４ｂにより検出した位相と、風力発電装置１を組み立てた際に一義的に決定する初期角度から検出した瞬時の角度を演算する。演算方法は、検出した位相に定数を乗算し、初期角度を加算することで演算する。さらに、回転位置検出の精度を高めるために、ロータ位置検出部４ｄは三相発電機１ａのロータ１ａ＿Ａの位置を検出するホールセンサ１ａ＿Ｂの出力信号から初期角度に対する補正を加える。例えばホールセンサ１ａ＿Ｂからのパルス信号のカウント数を１回転当たりのパルス数で除算することで角度を検出する。
【００７４】
次に対向角度制御部４ｅの制御フローチャートについて図３を参照しながら説明する。
【００７５】
図に示すように、対向角度制御部４ｅは、予めテーブルデータとして記憶したカットイン風速の小さい角度を入力する。ここでテーブルデータの一例を図４に示す。図４（ａ）は、サボニウス型風車２と支柱３ａから３ｄの風向に対する角度と起動風速の関係を示している。グラフで横軸は風向を示しており、縦軸は起動風速（カットイン風速）を示している。グラフより支柱３ａと風向との対向角度が０°の時、カットイン風速は最も大きくなり、対向角度が４５°の時、最も小さくなっている。そのため、カットイン風速が最も小さい角度はグラフから±４５°となり、また、支柱３ａから３ｄの４本構成のため、同様に２２５°と１３５°に最小となる角度が存在し、最小となる角度は４５°、１３５°、２２５°、３１５°となる。したがって、図４（ｂ）に示すようなテーブルデータ一例としている。
【００７６】
また、現在の回転数と回転数の時間変化から回転が停止する角度を演算する。これは、回転数の傾きからゼロ回転となる角度を演算することで求めることができる。ここで回転数が所定値を下回った時に逐次検出している角度情報とテーブルデータを比較し、演算したゼロ回転となる角度に最も近い角度を選択する。選択した最も近い角度にて停止するように発電電力を制御する。発電電力の制御はサボニウス型風車２にブレーキが加わるように電流制御を行ない、検出した角度情報をフィードバックすることでゼロ回転時となった時にカットイン風速の小さい角度で停止することとなる。
【００７７】
以上のように、本実施の形態１によれば、対向角度制御手段４によりサボニウス型風車２のカットイン風速が小さい角度で回転を停止し、風車の回転始動性能を向上することができることとなる。
【００７８】
なお、対向角度制御部４ｅはテーブルデータを使用してカットイン風速の小さい角度を入力するとしたが、三相発電機１ａのロータ１ａ＿Ａの位置による起動特性の小さい角度を入力しても作用効果に相違は無い。
【００７９】
また、カットイン風速の小さい角度は一例であり、サボニウス型風車２の羽根形状や支柱の本数に応じて異なる角度であっても作用効果に差異はない。
【００８０】
（実施の形態２）
実施の形態１と同一部分は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。図５は、本実施の形態２における風力発電装置の構成図を示す。
【００８１】
図に示すように、風力発電装置１Ｂは、抗力型風車としてのサボニウス型風車２と、サボニウス型風車２を支える支柱３ａから３ｄと、サボニウス型風車２が回転を停止した後に三相発電機１ａを電動機として力行運転し、角度制御を行なう対向角度制御手段４Ｂと、発電した電力を一時的に貯蔵する蓄電手段５を備えている。また、蓄電手段５は、発電した交流電力を直流に変換するダイオードブリッジ回路５ａと、蓄電池５ｂと、整流後の直流電力を蓄電池５ｂに充電、あるいは蓄電池５ｂから放電する充放電制御部５ｃを備えている。ここで充放電制御部５ｃは通常の双方向コンバータ回路であり、公知技術のため、詳細な説明は省略する。
【００８２】
また、対向角度制御手段４Ｂは、風力発電装置１Ｂに備えた三相発電機１ａの電圧を検出する電圧計などの電圧検出部４Ｂａと、電圧検出部４Ｂａの検出した三相発電機１ａの電圧から電圧位相を検出する位相検出部４Ｂｂと、検出した電圧位相からサボニウス型風車２の回転角度を検出する角度検出部４Ｂｃと、三相発電機１ａのロータ１ａ＿Ａの位置を検出するロータ位置検出部４Ｂｄと、サボニウス型風車２が停止する際に支柱３ａとの対向角度を制御する対向角度制御部４Ｂｅと、三相発電機１ａを電動機として駆動するために通常の発電経路から駆動経路へ電力系統を切り換える切換スイッチなどの切替部４Ｂｆを備えている。切替部４Ｂｆは対向角度制御部４Ｂｅにより切り換える。
【００８３】
次に対向角度制御部４Ｂｅの制御フローチャートについて図６を参照しながら説明する。
【００８４】
図に示すように、対向角度制御部４Ｂｅは、角度検出部４ｃにより検出した角度情報を入力する。入力した角度情報と予めテーブルデータとして記憶したカットイン風速の小さい角度を比較する。比較した結果、最も回転角度の小さい角度情報を選択する。選択した角度情報と現在の角度から偏差を演算して、偏差分を回転駆動させる。回転駆動は充放電制御部５ｃに対して放電指令を出力することで実現する。また、この偏差を無くす制御には、比例積分制御などを利用してフィードバック制御を行なうことで実現する方法がある。
【００８５】
以上のように、本実施の形態２によれば、対向角度制御手段４Ｂによりサボニウス型風車２が停止状態にある時、カットイン風速が小さい角度まで補助回転させ、風車の回転始動性能を向上することができることとなる。
【００８６】
（実施の形態３）
実施の形態１あるいは２と同一部分は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。図７は、本実施の形態３における風力発電装置の構成図を示す。
【００８７】
図に示すように、風力発電装置１Ｃは、抗力型風車としてのサボニウス型風車２と、サボニウス型風車２を支える支柱３ａから３ｄと、風速を検知する風速センサ６と、風速センサ６により検出した風速が規定風速（例えば１．５ｍ／ｓ）を超えた時に三相発電機１ａを電動機として力行運転し、角度制御を行なう対向角度制御手段４Ｃを備えている。ここで、風速センサ６は、風杯式や熱線式、超音波式など種々あるが公知技術のため、詳細な説明は省略する。また、風力発電装置１Ｃには、サボニウス型風車２の回転力により発電する三相発電機１ｂを有しており、三相発電機１ｂの極数は６個となっている。また、サボニウス型風車２は羽根２ａから２ｃの３枚を有している。三相発電機１ｂの極数は羽根枚数の整数倍となっており、羽根２ａから２ｃの位置と三相発電機１ｂの極の位置関係は回転前後で変化することはなく、一義的に決定される。従って、三相発電機１ｂの極の位置を制御することで羽根２ａから２ｃの位置を間接的に制御することとなる。
【００８８】
また、対向角度制御手段４Ｃは、風力発電装置１Ｃに備えた三相発電機１ｂの電圧を検出する電圧計などの電圧検出部４Ｃａと、電圧検出部４Ｃａの検出した三相発電機１ｂの電圧から電圧位相を検出する位相検出部４Ｃｂと、検出した電圧位相からサボニウス型風車２の回転角度を検出する角度検出部４Ｃｃと、三相発電機１ｂのロータ１ｂ＿Ａの位置を検出するロータ位置検出部４Ｃｄと、サボニウス型風車２が停止する際に支柱３ａとの対向角度を制御する対向角度制御部４Ｃｅと、三相発電機１ｂを電動機として駆動するために通常の発電経路から駆動経路へ電力系統を切り換える切換スイッチなどの切替部４Ｃｆを備えている。切替部４Ｃｆは対向角度制御部４Ｃｅにより切り換える。
【００８９】
次に対向角度制御部４Ｃｅの制御フローチャートについて図８を参照しながら説明する。
【００９０】
図に示すように、対向角度制御部４Ｃｅは、風速センサ６により検出した風速情報を入力する。また、角度検出部４Ｃｃにより検出した角度情報を入力する。入力した風速情報と規定風速を比較し、比較した結果、検出した風速が規定風速を超えていた場合、角度制御を行なう。角度制御は、入力した角度情報と予めテーブルデータとして記憶したカットイン風速の小さい角度を比較する。比較した結果、最も回転角度の小さい角度情報を選択する。選択した角度情報と現在の角度から偏差を演算して、偏差分を回転駆動させる。回転駆動は充放電制御部５ｃに対して放電指令を出力することで実現する。また、この偏差を無くす制御には、比例積分制御などを利用してフィードバック制御を行なうことで実現する方法がある。
【００９１】
以上のように、本実施の形態３によれば、対向角度制御手段４Ｃにより風速が所定値を超えた時に、カットイン風速が小さい角度まで補助回転させ、風車の回転始動性能を向上することができることとなる。
【００９２】
（実施の形態４）
実施の形態１乃至３のいずれかと同一部分は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。図９は、本実施の形態４における風力発電装置の構成図を示す。
【００９３】
図に示すように、風力発電装置１Ｄは抗力型風車としてのサボニウス型風車２と、サボニウス型風車２を支える支柱３ａから３ｄと、三相発電機１ｂの発電電流位相から対向する角度を検知して、所定の角度で羽根２ａから２ｃの回転を停止させる対向角度制御手段４Ｄを備えている。
【００９４】
また、対向角度制御手段４Ｄは、風力発電装置１Ｄに備えた三相発電機１ｂの電圧を検出する電圧計などの電圧検出部４Ｄａと、電圧検出部４Ｄａの検出した三相発電機１ｂの電圧から電圧位相を検出する位相検出部４Ｄｂと、検出した電圧位相からサボニウス型風車２の回転角度を検出する角度検出部４Ｄｃと、三相発電機１ｂのロータ１ｂ＿Ａの位置を検出するロータ位置検出部４Ｄｄと、サボニウス型風車２が停止する際に支柱３ａとの対向角度を制御する対向角度制御部４Ｄｅと、三相発電機１ｂを電動機として駆動するために通常の発電経路から駆動経路へ電力系統を切り換える切換スイッチなどの切替部４Ｄｆを備えている。切替部４Ｄｆは対向角度制御部４Ｄｅにより切り換える。
【００９５】
次に対向角度制御部４Ｄｅの制御フローチャートについて図１０を参照しながら説明する。
【００９６】
図に示すように、対向角度制御部４Ｄｅは、三相発電機１ｂの発電電流の瞬時値を入力する。検出した発電電流から立上りでゼロクロス点を通過したか否かを判定する。通過していなければ処理を抜ける。通過していれば、１周期経過したとしてそれまでの時間カウント数を記憶する。記憶した時間カウント数の逆数を演算して、規定値を下回った時に回転を停止したと判断する。図１１に示すような時間カウント数の変化と、１周期経過までの時間カウント数から最終停止すると予測される端数のカウント数を演算する。端数のカウント数、すなわちゼロ点からの位相に値するカウント数から、１周期経過した際のカウント数で除算することで停止すると予想される角度を検出する。予想された角度がカットイン風速の小さい角度であれば処理を抜けるが、カットイン風速の大きい角度で停止すると予想された場合は、三相発電機１ｂからの通流電流を変更して発電電力を増加あるいは減少させて回転を予想より早く停止させるか、より長く継続して運転させるかを制御する。
【００９７】
この制御により、最終停止位置の目標値をカットイン風速の小さい角度とすることで、角度制御することができる。
【００９８】
以上のように、本実施の形態４によれば、対向角度制御手段４Ｄにより対向角度を検知して所定角度で停止するため、カットイン風速を小さくすることができ、風車の回転始動性能を向上することができることとなる。
【００９９】
（実施の形態５）
実施の形態１乃至４のいずれかと同一部分は同一符号を付し、詳細な説明は省略する。図１１は、本実施の形態５における風力発電装置の構成図を示す。
【０１００】
図に示すように、風力発電装置１Ｅは抗力型風車としてのサボニウス型風車２と、サボニウス型風車２を支える支柱３ａから３ｄと、羽根２ａから２ｃとの対向角度を制御するために支柱３ａから３ｄを回転させる支柱回転手段７を備えている。支柱回転手段７は、支柱３ａから３ｄを下部で受ける回転盤７ａとサボニウス型風車２とは独立して回転させる支柱用モータ７ｂと、支柱用モータ７ｂを駆動する駆動部７ｃと駆動部７ｃを制御する制御部７ｄを有している。
【０１０１】
次に制御部７ｄの制御フローチャートについて図１２を参照しながら説明する。
【０１０２】
図に示すように、制御部７ｃは支柱３ａから３ｄの初期回転角度を入力する。さらに、サボニウス型風車２が停止した時に羽根２ａから２ｃとの対向角度の検出結果を入力する。対向角度は、角度検出部４ｃにより検出する。入力した角度情報と予めテーブルデータとして記憶したカットイン風速の小さい角度を比較する。比較した結果、最も回転角度の小さい角度情報を選択する。選択した角度情報と現在の角度から偏差を演算して、偏差分を回転駆動させる。支柱の回転駆動は駆動部７ｃにより支柱用モータ７ｂを駆動して回転盤７ａの回転を実現する。
【０１０３】
以上のように、本実施の形態５によれば、支柱回転手段７により支柱３ａから３ｄを回転させて羽根２ａから２ｃとの対向角度を制御することで、カットイン風速を小さくすることができ、風車の回転始動性能を向上することができることとなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
風力発電装置の始動特性を改善するものであり、サボニウス風車以外にもプロペラ型やダリウス型などにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の実施の形態１の風力発電装置の構成図
【図２】同位相検出部４ｂの検出フローチャート
【図３】同対向角度制御部４ｅの制御フローチャート
【図４】（ａ）同サボニウス型風車２と支柱３ａから３ｄの風向に対する角度と起動風速を示す図、（ｂ）同テーブルデータの一例を示す図
【図５】本発明の実施の形態２の風力発電装置の構成図
【図６】同対向角度制御部４Ｂｅの制御フローチャート
【図７】本発明の実施の形態３の風力発電装置の構成図
【図８】同対向角度制御部４Ｃｅの制御フローチャート
【図９】本発明の実施の形態４の風力発電装置の構成図
【図１０】同対向角度制御部４Ｄｅの制御フローチャート
【図１１】本発明の実施の形態５の風力発電装置の構成図
【図１２】同制御部７ｄの制御フローチャート
【図１３】従来の特許文献１における風力発電装置の構成図
【図１４】従来の特許文献２における風力発電装置の構成図
【図１５】従来の特許文献３における風力発電装置の構成図
【符号の説明】
【０１０６】
１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  風力発電装置
１ａ、１ｂ  三相発電機
１ａ＿Ａ  ロータ
１ａ＿Ｂ  ホールセンサ
２    サボニウス型風車
２ａ〜２ｃ  羽根
３ａ〜３ｄ  支柱
４、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ  対向角度制御手段
４ａ、４Ｂａ、４Ｃａ、４Ｄａ  電圧検出部
４ｂ、４Ｂｂ、４Ｃｂ、４Ｄｂ  位相検出部
４ｃ、４Ｂｃ、４Ｃｃ、４Ｄｃ  角度検出部
４ｄ、４Ｂｄ、４Ｃｄ、４Ｄｄ  ロータ位置検出部
４ｅ、４Ｂｅ、４Ｃｅ、４Ｄｅ  対向角度制御部
５    蓄電手段
５ａ  ダイオードブリッジ回路
５ｂ  蓄電池
５ｃ  充放電制御部
６    風速センサ
７    支柱回転手段
７ａ  回転盤
７ｂ  支柱用モータ
７ｃ  駆動部
７ｄ  制御部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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