(57)【要約】【課題】始動補助機能付きの風力発電装置であって低速の風速でも回転開始できる風力発電装置を提供する。【解決手段】風速センサにより所定以上の風速が検知されたときタイマ装置により待機タイマ機能が作動し、待機タイマ期間が終了すると、それよりも期間の短い駆動タイマ機能に切り替わり、駆動タイマ期間だけ切替リレーにより発電機が電動機に切り替えられ駆動回路により始動補助のための回転駆動が行われる。駆動タイマ期間が終了すると再び待機タイマ期間となり、これが繰り返される。この間に回転数計測装置により三相通電巻線の出力電圧Ｖｍに基づいて監視されている回転子の回転数が所定以上の回転数となったとき三相発電機による発電とバッテリへの充電が開始される。【選択図】図９
2008228570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
運転限界風速以上の風が吹いている場合に、発電機の出力を短絡し、風車のブレードをゆっくりと回転させつづける短絡手段
を備えることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。
【請求項２】
前記短絡手段によって生じる短絡電流を所定の閾値と比較することによって風車の運転を再開するか否かを反転する判定手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の揚力型固定ピッチ水平軸風車。
【請求項３】
揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
バッテリの電圧の低下あるいは発電機出力電圧の上昇により必要となる風車の停止制御が不能となっている場合、風力発電機の入力を短絡する短絡手段、
を備えることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。
【請求項４】
揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
過去の風速の変動傾向に関する情報を格納する格納手段と、
該格納手段に格納されている情報に基づいて、以後の風速の予測を行い、風車の回転が風速の変動に高速に追従するように制御する制御手段を備えることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。
【請求項５】
揚力型固定ピッチ水平軸風車において、
設定された上限回転数で運転中に風速が増加して充電用の電力が定格電力値を超えた場合、風車の上限回転数を下げることにより、該定格電力を超過しないようにすることを特徴とする揚力型固定ピッチ水平軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電装置には様々な形式のものがあり、その形式に応じてそれぞれ異なる特性を有している。例えば風力発電装置を、風車を支持する軸の取り付け方向により分類すれば、その軸の取り付け方向が垂直である垂直軸型とその軸の取り付け方向が水平である水平軸型とに分類される。垂直軸型には、サボニウス型、ダリウス型などがあり、水平軸型には、プロペラ型などがある。
【０００３】
また、風力発電装置を、風車を回転させるトルクとして抗力又は揚力のいずれが支配的に作用するかによって分類すれば、抗力が主である形状のものを抗力型、揚力が主である形状のものを揚力型、抗力と揚力とが同程度に作用する形状のものを抗力／揚力併用型として分類することができる。例えば、上記のサボニウス型は抗力型に属し、上記のダリウス型、プロペラ型は揚力型に属している。
【０００４】
抗力型の風車は例えば微風といわれる低速の風においても風車が良く回転するから低速の風でも発電できるという利点があるが、大電力を発電しようとすると、その構造上から装置が大型化して経済的でないという不利な点のほうが目立つようになる。
【０００５】
また、抗力型の風車は、低風速でも回転が開始できるようにと羽根面積を大きくすると、強風時には羽根の回転方向から当る風力が減速抵抗となって羽根の面積を大きくした分だけこの減速抵抗が大きく、このため発電効率が低下するという問題を引き起こしてしまう。
【０００６】
これに対し、揚力型の風車は、その構造上、小電力の発電だけでなく大電力の発電にも容易に対応できる利点があるばかりでなく、例えば、ものによっては小型ながら風速１２．５ｍ／秒の風で４００Ｗもの電力を発生させることができるという利点を有している。
【０００７】
ところが、揚力型の風車は、発電のために回転を開始する風速である回転開始風速として、高速の風力が必要であるという特性があり、低速の風に対しては回転ができず、発電効率が十分に得られないという問題を有している。
【０００８】
また、揚力型の風車は抗力型の風車と同様に、低風速でも回転が開始できるようにと風向きに対向する羽根仰角度を大きくすると、強風時には抗力が強く働いて風車の回転にたいする抵抗力となって風車の回転効率を低下させる。
【０００９】
ただし、この揚力型風車の問題を解決する方法としては、風車に翼角度の調整機能を設けて、この調整機能により、それまでの翼角度固定型のものよりも低風速の場合でも回転が開始できるようにする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−３２２２９７号「風力発電装置」（要約、代表図面）
【００１０】
ところで、近年、地球環境保全の見地から、小型の風力発電装置の要望が高まっているが、そのような小型の風力発電装置において上記のように翼角度調整機能を取り付けたのでは装置の高コスト化につながり、本来の小型化の要望の底流にある低コスト指向に逆行することになって好ましいものとはいえなくなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の第１の課題は、強風時における騒音又は振動を抑制することができる風力発電装置を提供することである。
本発明の第２の課題は、強風時において回転数を抑制しながら発電を維持することができる風力発電装置を提供することである。
【００１２】
本発明の第３の課題は、強風時において回転数を抑制しながら発電を維持することができ且つ蓄電池の充放電電流の変化を最小限に抑えることができる風力発電装置を提供することである。
【００１３】
本発明の第４の課題は、始動補助機能付きの風力発電装置であって低速の風速でも回転開始でき、始動補助機能が小型化に対応していて且つ始動補助回転時の電源電力を可及的に節減できる風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の風力発電装置は、風力により順方向に回転する回転翼の回転軸に連動して発電する永久磁石式の発電機と、該発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の別の風力発電装置は、交流電圧を発生する風力発電機に接続された整流回路と、前記整流回路に接続され且つ少なくとも１つのスイッチ素子を含み、前記スイッチ素子のオン・オフ制御によって前記整流回路の直流出力電圧のレベルを変換する直流−直流変換回路と、前記風力発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記風力発電機の制限回転速度を示す信号を発生する制限回転速度信号発生手段と、前記回転速度検出手段から得られた検出速度を示す信号と前記制限回転速度信号発生手段から得られた制限回転速度を示す信号とを比較する比較手段と、前記直流−直流変換回路の出力段の電圧が所定値になるように前期スイッチ素子を制御し、且つ、前記検出速度が前記制限回転速度よりも高いことを示す前記比較手段の出力に応答して前記直流−直流変換回路の出力電圧を上昇させるように前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御回路と、該風力発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記風力電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを有していることを特徴とする。
【００１６】
本発明の更に別の風力発電装置は、交流電圧を発生する風力発電機に接続された整流回路と、前記整流回路に接続され且つ少なくとも１つのスイッチ素子を含み、前記スイッチ素子のオン・オフ制御によって前記整流回路の直流出力電圧のレベルを変換する直流−直流変換回路と、前記直流−直流変換回路に接続された直流−交流変換回路と、前記風力発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記風力発電機の制限回転速度を示す信号を発生する制限回転速度信号発生手段と、前記回転速度検出手段から得られた検出速度を示す信号と前記制限回転速度信号発生手段から得られた制限回転速度を示す信号とを比較する比較手段と、前記直流−交流変換回路を制御し且つ前記検出速度が前記制限回転速度よりも高いことを示す前記比較手段の出力に応答して前記直流−交流変換回路の出力電圧を上昇させるように前記直流−交流変換回路を制御する制御回路と、該風力発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記風力電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段とを有していることを特徴とする。
【００１７】
本発明の更に別の風力発電装置は、風車と、前記風車によって回転されるロータを有する交流発電機と、前記交流発電機に接続された整流回路と、前記整流回路に接続された電力変換回路と、前記電力変換回路に接続された蓄電池又はコンデンサと、前記風車の回転数を検出するための回転検出器と、前記風車の基準回転数を設定するための基準回転数設定器と、前記回転検出器と前記基準回転数設定器と前記電力変換回路とに接続され、前記回転検出器から得られた検出回転数が前記基準回転数を超えたときに、前記電力変換回路の入力電圧と出力電圧との比を大きくするように前記電力変換回路を制御する制御回路と、
該交流発電機を電動機に切り替えて前記回転軸を順方向に回転させる始動補助回転を実施する始動補助手段と、該始動補助手段による前記始動補助回転が停止されたとき前記交流電動機を前記発電機に復帰させる発電機復帰手段と、
からなることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に従う風力発電電力制御装置を示す図である。
風力発電機１と、整流回路２と、出力電流制御手段及び直流−直流変換手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ３と、インバータ４と、負荷５と、連系保護装置６と、商用電源連系端子７と、充電回路８と、蓄電池９と、回転制御回路１０と、上限回転速度設定用固定負荷１１と、スイッチ１２とを備えている。
【００１９】
風力発電機１は、風車１３に結合された永久磁石からなる回転子１４と、３相の電機子巻線１５を有する固定子とを備えた周知の交流発電機である。なお、この交流発電機は外磁型と内磁型とのいずれであってもよい。
【００２０】
風力発電機１の電機子巻線１５に接続された交流−直流変換手段としての整流回路２は周知の３相ブリッジ型整流回路であって、風車１３及び回転子１４の回転に基づいて電機子巻線１５に発生した３相交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路２の出力電圧は、例えば、５０Ｖ以下の比較的低い値を有する。
【００２１】
整流回路２に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ３は、整流回路２の出力電圧をこれよりも高い電圧（例えば３５０Ｖ）に変換し、且つコンバータ３の出力電圧を一定に制御すると共に、本発明に従って出力電流を制御するように出力電圧を調整するものである。従って、コンバータ３は直流変換の機能のほかに、本発明に従う回転速度制限用の電流制御手段としての機能も有する。
【００２２】
コンバータ３に接続されたインバータ４は、コンバータ３から出力された直流電圧を商用周波数（例えば５０Ｈｚ）の正弦波交流電圧に変換するものであり、例えば、周知のブリッジ型インバータ、ハーフブリッジ型インバータ等で構成しうる。
【００２３】
インバータ４に接続された負荷５は風力発電システム系内の交流負荷である。インバータ４と商用連系端子７との間に接続された連系保護装置６は商用電源側が停電したときに風力発電システム側を商用側から切り離すためのスイッチや連系に必要な周知の種々の手段を含む。
【００２４】
インバータ４に接続された充電回路８は、インバータ４の出力電圧又は商用連系端子７から供給された電圧を整流して蓄電池９を充電するものである。なお、破線で示すように充電回路８をコンバータ３に接続し、コンバータ３の直流出力電圧で蓄電池９を充電することもできる。蓄電池９が満充電状態にない時には蓄電池９は風量発電システム内の負荷として機能する。蓄電池９の電力を負荷５に供給するために蓄電池９は、この放電手段としてのダイオード１６を介してインバータ４の入力端子に接続されている。なお、蓄電池９と負荷５との間に蓄電池出力専用のインバータを接続することもできる。
【００２５】
風力発電機１の回転速度を上限値に抑えるための回転速度制限用負荷１１はスイッチ１２を介して整流回路２に接続されている。この負荷１１はコンバータ３の出力端子又はインバータ４の出力端子又は電機子巻線１５の出力端子に接続することもできる。
【００２６】
回転制御回路１０は、回転速度検出器１７と標準モード信号発生器１８と昼夜切り替えモード信号発生器１９と制限回転速度信号発生器２０と上限回転速度信号発生器２１と第１及び第２の比較器２２、２３とモード選択スイッチＳ１、Ｓ２とからなる。
【００２７】
回転速度検出器１７は、電機子巻線１５の出力ライン１５ａに接続され、発電機１の出力交流電圧の周波数を検出し、この周波数に対応した電圧値を有する速度検出信号Ｖｓを出力する。
【００２８】
標準モード信号発生器１８は、発電機１の回転速度の制限を標準モードで実行することを示す標準信号Ｍ１を発生するものである。ここで、標準モードとは１日中すなわち２４時間中同一条件で回転速度の抑制を実行するモードである。
【００２９】
昼夜切り替えモード信号発生器１９はタイマ１９ａを内蔵し、例えば、昼間としての８時〜２０時の第１の時間帯を示す例えば高レベル信号と夜間の２０時〜８時の第２の時間帯を示す例えば低レベル信号とを含む昼夜切り替えモード信号Ｍ２を発生するものである。なお、第１及び第２の時間帯の区別をタイマ１９ａによって設定する代わりに、光センサ、太陽発電等によって昼夜判定を自動的に行って昼夜切り替えモード信号を作成することもできる。
【００３０】
標準モード信号発生器１８は標準モード選択スイッチＳ１を介して制限回転速度信号発生器２０に接続され、昼夜切り替えモード信号発生器１９は昼夜切り替えモード選択スイッチＳ２を介して制限回転速度信号発生器２０に接続されている。スイッチＳ１、Ｓ２は択一的にオンになる。なお、スイッチＳ１、Ｓ２を設ける代わりに、標準モード信号発生器１８と昼夜切り替えモード信号発生器１９とを択一的に動作させ、信号Ｍ１、Ｍ２を択一的に送出することもできる。
【００３１】
制限回転速度信号発生器２０は、指定されたモードに従う制限回転速度に比例した電圧からなる制限回転速度信号Ｖｒ１又はＶｒ２を発生する。
第１の比較器２２の一方の入力端子は速度検出器１７に接続され、他方の入力端子は制限回転速度信号発生器２０の出力ライン２９に接続されている。ライン２９は、第１の基準電圧Ｖｒ１又は第２の基準電圧Ｖｒ２となるので、速度検出器１７から得られた回転速度検出信号Ｖｓが第１又は第２の基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２よりも高くなる期間に出力ライン３２に高レベルの比較出力が得られ、これがコンバータ３に送られて発電機１の回転速度の上昇の抑制に使用される。
【００３２】
第２の比較器２３の一方の入力端子は速度検出器１７に接続され、他方の入力端子は上限回転速度信号発生器２１に接続されている。上限回転速度信号発生器２１は第１の基準電圧Ｖｒ１よりも高い第３の基準電圧Ｖｒ３からなる上限回転速度信号を発生する。したって、回転速度検出信号Ｖｓが第３の基準電圧Ｖｒ３よりも高くなった時に比較器２３は高レベル出力をライン３３に送出し、スイッチ１２をオンに制御する。スイッチ１２がオンになると比較的小さい抵抗値の負荷１１が整流回路２に接続され、発電機１の出力電流すなわち電機子電流が増大し、電機子反作用による電磁ブレーキ作用によって発電機１の回転速度の上昇が抑制される。この第２の比較器２３による制御は、第１の比較器２２の出力によるコンバータ３の制御によって発電機１の回転速度が所望値に抑制されないときに生じる。
【００３３】
第１の比較器２２の出力による回転速度抑制動作のみで回転速度を所望値に抑えることができず、検出回転速度Ｖｓが第３の基準電圧Ｖｒ３よりも高くなると、第２の比較器２３の出力によってスイッチ１２がオンになり、発電機１の出力電流が増大し、回転速度の上昇が抑制される。従って、本実施形態においては、コンバータ３と補助負荷１１との両方によって回転速度の上昇を円滑且つ小刻みに抑制することができる。
【００３４】
第１の実施形態によれば、本発明の第１の課題が解決される。
図２は、本発明の第２の実施形態の風力発電装置のブロック図を示す図である。
図２に示す実施形態の風力発電装置は、風車４１と、この風車４１によって回転されるロータを有する交流発電機４２と、この交流発電機４２に接続された整流回路４３と、平滑用コンデンサ４４と、この平滑用コンデンサ４４に接続された電力変換回路４５と、この電力変換回路４５に接続された蓄電池４６と、この蓄電池４６に接続された負荷４７と、風車４１の回転数を検出するための回転数検出器４８すなわち速度検出器と、電力変換回路４５の入力電圧すなわちコンデンサ４４の電圧を検出する入力電圧検出回路４９と、制御回路５０とからなる。
【００３５】
電力変換回路４５は、平滑用コンデンサ４４に接続された第１及び第２の直流電源ライン５１、５２に接続され、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎを変えることができるように構成されている。なお、この実施形態では蓄電池４６が平滑用コンデンサの作用を兼用しているが、平滑用コンデンサを蓄電池４６に接続することもできる。
【００３６】
回転数検出器４８は風車４１すなわち発電機４２のロータの回転数すなわち回転速度を周知の方法で検出して回転数検出信号Ｆｄを出力する。
入力電圧検出回路４９は電力変換回路４５の入力電圧Ｖｉｎを検出して電圧検出信号Ｖｉｎを出力する。ここでは説明を容易にするために入力電圧検出回路４９の入力電圧と出力電圧との両方をＶｉｎで示す。この入力電圧Ｖｉｎは発電機４２の出力電圧に相当する。
【００３７】
制御回路５０は、回転数検出器４８と電圧検出回路４９と電力変換回路４５とに接続され、回転数検出器４８から得られた検出回転数Ｆｄが基準回転数Ｆｒを超えたときに、電力変換回路４５の入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎを大きくするように電力変換回路４５を制御する。
【００３８】
更に詳しく説明すると、制御回路５０は、風車４１の制限回転数に相当する基準回転数Ｆｒを設定するための基準回転数設定器５３と、回転数検出器４８で検出された検出回転数Ｆｄにおいて発電機４２から最大電力を得ることができる発電機４２の出力電圧を決定する発電機出力電圧決定手段としての電圧決定テーブル５４と、検出回転数Ｆｄと基準回転数Ｆｒとの差ΔＦを求める第１の減算手段としての減算器５５と、回転数差ΔＦが零以下の時には係数値として１を送出し、回転数差ΔＦが零よりも大きいときには１よりも小さい値を係数として送出する係数発生手段としての係数テーブル５６と、発電機出力電圧決定テーブル５４から得られた決定出力電圧Ｖ１に係数テーブル５６から得られた係数Ｋを乗算して補正電圧指令信号Ｖ２を形成する乗算手段としての乗算器５７と、乗算器５７から得られた入力電圧指令信号Ｖ２と入力電圧検出回路４９から得られた検出電圧Ｖｉｎとの差ΔＶｉｎを求める第２の減算手段としての減算器５８と、第２の減算器５８と、第２の減算器５８から得られる電圧差ΔＶｉｎに基づいて入力電圧検出回路４９の出力回路４９の出力Ｖｉｎを補正電圧指令信号Ｖ２に近づけるように電力変換回路４５を制御する信号を形成する制御信号形成回路としての制御演算器５９及びパルス発生器６０とからなる。なお、基準回転数設定器５３を制御回路５０の外に設けることができる。
【００３９】
電圧決定テーブル５４は、メモリからなり、回転数Ｆｄと最大電力を得る発電機出力電圧Ｖ１との関係が格納されている。テーブル５４には全ての回転数Ｆｄに対する電圧Ｖ１を格納してもよいし、段階的に選択された回転数Ｆｄとその電圧Ｖ１とを格納しても良い。検出回転数Ｆｄに対応するデータがテーブル５４にないときには検出回転数Ｆｄに近い回転数のデータを使用する。また、テーブル５４の代わりに演算式をメモリに格納し、検出回転数Ｆｄを演算式に代入して電圧Ｖ１を決定することもできる。
【００４０】
電圧Ｖ１は発電機４２から最大電力を得ることができる発電機４２の出力電圧及び電力変換回路４５の入力電圧を示す。
電圧決定テーブル５４は、回転数検出器４８から得られた検出回転数Ｆｄをアドレス信号として使用し、これに対応する目標電圧Ｖ１を示す信号を出力する。強風でないときにはテーブル５４から出力される電圧Ｖ１が発電機４２の目標出力電圧となる。
【００４１】
第１の減算器５５は、回転数検出器４８から得られた検出回転数Ｆｄから基準回転数Ｆｒを減算してＦｄ−Ｆｒ＝ΔＦを求める。ΔＦがΔＦ≦０に対応して係数Ｋ＝１を格納し、ΔＦ＞０に対応して１よりも小さい係数Ｋを格納している。第１の減算器５５の出力がΔＦ＞０の時は
０＜Ｋ＜１
を満足する係数が選ばれる。この時のＫの値を１／ΔＦとすることができる。これにより、ΔＦ＞０の時にΔＦの値をアドレスとしてΔＦの値に対応した係数Ｋを出力する。メモリに多数のΔＦの値と多数の係数Ｋの値との関係を示すデータを格納する代わりに、ΔＦとＫとの関係を示す演算式を格納し、この演算式にΔＦの値を代入して係数Ｋを決定することもできる。
【００４２】
乗算器１７はテーブル５４から出力された電圧Ｖ１にテーブル５６から出力された係数Ｋを乗算してＫＶ１＝Ｖ２を求め、これを出力する。Ｖ２は強風時の補正が施された電圧指令信号である。
【００４３】
第２の乗算器５８は、Ｖｉｎ−Ｖ２＝ΔＶｉｎの演算を行って入力電圧検出信号Ｖｉｎと電圧指令信号Ｖ２との差を示す信号を出力する。
ΔＶｉｎを入力とする制御演算器５９は、例えば周知の比例積分回路（ＰＩ回路）からなり、ΔＶｉｎに対応する通電率信号Ｄｏｎを形成する。要するに、ΔＶｉｎを平滑化した信号に相当する通電率信号Ｄｏｎすなわちデューティ指令信号を得る。
【００４４】
スイッチ制御信号形成手段としてのパルス発生器６０は、通電率信号Ｄｏｎで指定された幅のパルスを有する制御信号Ｖｇを形成し、電力変換回路４５のスイッチＱ１のゲートに送る。
【００４５】
第２の実施形態によれば、本発明の第２及び第３の課題が解決される。
従来の技術では、発電機の回転軸に設置された回転数センサなどにより回転信号を検出する方式が多く用いられている。本発明の実施形態では、回転センサを用いないで発電機の出力に含まれる脈流信号から回転数を測定する回路である。これにより、２線式の電力線のみで制御機器側で正確な回転数を計測することができる。
【００４６】
毎分Ｎ回転している永久磁石発電機（図３参照）において磁石の極数Ｐと交流出力周波数Ｆの関係は、
Ｆ＝Ｎ／６０×Ｐ（Ｈｚ）
となる。
【００４７】
三相の巻線を持つ発電機において全波整流された出力信号は図４のようになる。
例えば、風力発電機を蓄電池に直接接続する場合、発電機の整流出力はバッテリの電圧に固定されるので電圧脈流を検出することは困難である。そこで、図５のように電力線の＋端子からバッテリの＋端子の間にダイオードを順方向に挿入することにより、風速が弱く発電機の回転数が低い状態つまり発電機の出力尖頭値がバッテリの電圧に達しない状態では発電機の出力電圧Ｖ１の脈流から回転数を計測することができる。
【００４８】
風速が強くなり発電機の出力電圧がバッテリの電圧を超え、充電が行われるようになると、出力電圧Ｖ１は平坦になり、回転数の計測が困難になる。そこで図５のように電流計測用に微小抵抗Ｒを挿入して、充電電流の脈流から回転数を計測する。
【００４９】
図６は、微風時の電圧波形の増幅器と弱風時以上の電流波形の増幅器から出力された信号を合成し、前風速域に対して安定に回転数を計測できるようにした合成回路である。すなわち、抵抗Ｒからくる電流波形と電圧波形Ｖ１とをＯＲでオペアンプ１００に入れることによって、いずれかを使って回転数の計測ができるようになってる。
【００５０】
図７は、第３の実施形態における始動補助機能を有する風力発電装置の回路ブロック図である。
図７において、風力発電装置９０は、三相交流発電機６１と、三相全波整流回路６２と、切替リレー６３と、駆動回路６４と、タイマ装置６５と、回転数計測装置６６とにより構成される。
【００５１】
また、この風力発電装置９０によって蓄電される負荷回路７０は、バッテリー充電コントローラ７１と、バッテリー７２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３とにより構成される。
三相交流発電機６１は、永久磁石から成る回転子６１ａと、この回転子６１ａを取り囲む三相の通電巻線６１ｂから成る固定子とを備えている。切替リレー６３は、風を受けて回転する風車６７により回転子６１ａが回転することで固定子６１ｂに三相交流の電力を発生させて発電を行う発電モードと、駆動回路６４により固定子６１ｂに通電して回転子６１ａを回転させることにより風車を始動回転させる始動補助モードとの切り替えを行う。
【００５２】
すなわち、発電モードは図中の切替リレー６３の連動スイッチが開いた状態に対応し、始動補助モードは同連動スイッチが閉じた状態に対応している。この始動補助モードでは、三相交流発電機６１は、駆動回路６４からの指示に基づいて始動補助のための間歇回転動作を行う。
【００５３】
三相全波整流回路６２は、発電モード、すなわち、三相交流発電機６１を発電機として動作させる場合は、所定以上の風速の風を受けて風車６７が回転することで回転子６１ａが回転し、その回転子６１ａの回転に基づいて通電巻線６１ｂに発生した三相交流電圧を三相全波整流回路６２を介して、直流電圧に変換して後段の負荷回路７０に供給する。
【００５４】
切替リレー６３は、駆動回路６４からの指示により、３個の連動スイッチを電圧出力側（発電時）又は電圧入力側（始動補助時）に切り換える。
駆動回路６４は、タイマ装置６５からの計時タイミング信号により起動し、電動機としての回転子６１ａの回転方向を、回転子６１ａの惰力回転中の通電巻線６１ｂから出力される電圧に基づいて判定して正しい回転方向に是正し、始動補助のための本回転を電動機に行わせると共に、タイマ装置６５からの他の計時タイミング信号により駆動動作を停止する。ここで、駆動動作は停止するが、風車６７は、駆動動作で得られた慣性により、一定時間回転が可能となる。
【００５５】
タイマ装置６５は、回転数計測装置６６からの通知に基づいて発電モードが始動補助モードに切り替わった時点を基準に電動機を回転駆動する所定の時間を計時する第１の計時手段としての計時機能と、この第１の計時手段としての計時機能が終了した直後からの電動機への駆動動作休止期間を計時する第２の計時手段としての計時機能とを備えている。
【００５６】
なお、上記第１の計時手段としての計時機能によって計時される所定の時間は例えば６秒であり、上記第２の計時手段としての計時機能により計時される所定の回転駆動動作休止期間は例えば５４秒である。いずれの計時時間データも予めタイマ装置にハード的に又はソフト的に設定されている。また、上記の回転駆動動作休止期間中は全体の駆動モードは常に発電モード（連動スイッチが発電時の接点方向に切り替わっている状態）に切り替わるようになっている。
【００５７】
回転数計測装置６６は、発電モードにおいて三相交流発電機６１が発電しているときに、通電巻線６１ｂから出力され、三相全波整流回路６２によって整流された電圧Ｖｍを参照することによって回転子６１ａの回転数Ｎを監視し、その回転数Ｎが所定の回転数Ｎａよりも低下したとき、タイマ装置６５に対し、駆動モードが発電モードから始動補助モードに切り替わったことを通知する。
【００５８】
また、回転数計測装置６６は、始動補助モードにおいて電動機としての三相交流発電機６１の回転子６１ａの回転数Ｎを監視し、その回転数Ｎが所定の回転数Ｎｂよりも上昇したとき、タイマ装置６５に対し、駆動モードが始動補助モードから発電モードに切り替わったことを通知する。
【００５９】
上記所定の回転数Ｎａは、例えば１００ｒｐｍであり、このＮａ＝１００ｒｐｍの回転数に対応する三相全波整流回路６２からの電圧Ｖｍ（＝Ｖｍａ）は、例えば２Ｖである。この電圧Ｖｍａ＝２Ｖの値は、回転数検出のためのしきい値として予め回転数計測装置６６にハード的に又はソフト的に設定されている。
【００６０】
また、上記所定の回転数Ｎｂは、例えば２００ｒｐｍである。なお、この回転数は、始動補助モードで回転している風車が、発電に十分耐えうる風圧を受けて、電動機による回転力以上に回転していることを示す回転数である。
【００６１】
三相全波整流回路６２の後段に設けられている負荷回路７０のバッテリ充電コントローラ７１は、バッテリー７２の充電状況を監視し、三相全波整流回路６２から供給される直流電圧をその充電状況に応じてバッテリー７２に供給するかしないかを決定する。
【００６２】
また、負荷回路２０のＤＣ／ＤＣコンバータ７３は、バッテリー７２の電圧を取り出して、最適な電圧に変換した電圧を、駆動回路６４、タイマ装置６５、及び回転数計測装置６６に供給する。始動補助モードのとき、三相交流発電機６１に対し電動機として駆動させるための電力は、駆動回路６４への電圧供給によって行われる。
【００６３】
図８は、上記構成の始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置における始動補助機能の動作を示すフローチャートである。なお、この処理は、図７の駆動回路６４、タイマ装置６５、回転数計測装置６６、バッテリ充電コントローラ７１の諸装置に組み込まれている論理回路、または不図示のＣＰＵ及びこのＣＰＵに内蔵のメモリに格納された処理プログラムによって処理される。
【００６４】
図８において、先ず、回転数計測装置６６により、風車の回転数、すなわち回転子６１ａの回転数Ｎが所定の回転数Ｎａよりも下回っているか否かが判別される（ステップＳ１）。
【００６５】
そして、回転子６１ａの回転数Ｎが所定の回転数Ｎａ以上の回転数であれば（Ｓ１がＮ）、そのまま回転子６１ａの回転数Ｎの監視を継続する。
これにより、発電モードで三相交流発電機６１が発電回転中であれば、発電が継続される。また、始動補助モードで電動機としての回転子６１ａが間歇回転の駆動動作休止期間中であり、発電モードに切り替わって惰力回転中であれば、その惰力回転が継続される。
【００６６】
他方、ステップＳ１の判別で、回転子６１ａの回転数Ｎが所定の回転数Ｎａを下回っていれば（Ｓ１がＹ）、その場合は、始動補助モードに切り替わる（ステップＳ２）。すなわち、回転数計測装置６６からの通知により、タイマ装置６５が起動し、タイマ装置６５からのタイミング信号によって駆動回路６４が動作を開始する。
【００６７】
続いて、駆動回路６４により、上記始動補助モードで電動機となった三相交流発電機６１の通電巻線６１ｂに１周期分の三相交流電圧が印加され、それ以後の電圧印加が直ちに遮断され、回転子６１ａの今の１周期分の駆動による惰力回転の回転方向が参照され、発電方向への回転である正方向の回転であるか、その逆方向の回転であるかが判別される（ステップＳ３）。
【００６８】
そして正方向の回転であれば（Ｓ３がＹ）、電動機として三相交流発電機６１の通電巻線６１ｂへの電圧印加が再開継続されて、タイマ装置６５による第１の計時手段（以下、運転タイマという）としての計時、例えば６秒の計時が開始され、その計時期間が終了したか否かが判別される（ステップＳ５）。
【００６９】
他方、ステップＳ３において検出された回転方向が逆回転方向であれば、通電巻線６１ｂへの通電タイミングを変更して、反転始動（正回転方向への始動）を行った後（ステップＳ４）、上記ステップＳ５の処理に移行する。
【００７０】
ステップＳ５の判別処理において、運転タイマの計時期間が未だ終了していないときは（Ｓ５がＮ）、続いて、回転子６１ａの回転数Ｎが、所定の回転数Ｎｂよりも低いか否かが判別される（ステップＳ６）。
【００７１】
そして、回転子６１ａの回転数Ｎが所定の回転数Ｎｂよりも低いときは（Ｓ６がＮ）、ステップＳ５に戻って運転タイマの計時期間が終了かの判別を繰り返す。これにより、運転タイマが計時期間中であり且つ回転子６１ａの回転数Ｎが所定の回転数Ｎｂよりも低いときは、ステップＳ３又はＳ４において開始されている電動機への回転駆動が継続され、回転子６１ａすなわち風車の始動補助回転が加速される。
【００７２】
そして、ステップＳ５において、運転タイマの計時期間が終了したときは（Ｓ５がＹ）、タイマ装置６５による第２の計時手段（以下、待機タイマという）としての計時が開始され、その計時期間が終了したか否かが判別され（ステップＳ７）、計時期間が終了するまで待機状態に設定される（Ｓ７がＮ）。
【００７３】
これにより、回転子６１ａの回転数Ｎが所定の回転数Ｎｂよりも低く且つ運転タイマの計時期間が終了したときは、いつまでも始動補助の回転駆動を行うことなく、待機タイマに予め設定されている所定期間、例えば５４秒の待機期間が設定され、その所定の期間（５４秒）、風力のないときにおける無用な始動補助の回転駆動を停止させることができる。
【００７４】
また、これにより、待機タイマ計時期間が５４秒であるのに対し、運転タイマの計時期間が６秒であるとすると、全体では１／１０の駆動期間となり、発電開始状態になるまで始動補助の回転駆動を継続する場合に比較して９／１０の節電効果を発揮することができる。
【００７５】
上記の待機期間が終了すると（Ｓ７がＹ）、再びステップＳ１に戻って、上述したステップＳ１〜Ｓ７の処理が繰り返される。
これにより、ステップＳ６による判別で、回転子６１ａの回転が、風力により発電を継続するに可能な回転数Ｎｂ以上となるまでは、１分に１回、６秒間の始動補助の回転駆動が行われる。
【００７６】
そして、ステップＳ６による判別で回転子６１ａの回転が回転数Ｎｂ以上となったときは（Ｓ６がＹ）、回転数計測装置６６からタイマ装置６５を介して行われる通知により、駆動回路６４による始動補助の回転駆動動作が停止される。すなわち、駆動モードが発電モードに切り換えられる。
【００７７】
この切り替わりに伴って、バッテリー充電コントローラ７１に制御が引き継がれ、バッテリー充電コントローラ７１によって発電電力を充電するか否かが判別される（ステップＳ８）。
【００７８】
この処理では、バッテリ７２への充電が十分であり充電が不要であるか又は充電を繰り返すうちに風速が落ちて充電に十分な電力が三相交流発電機から得られないか、すなわち充電可能な状態であるか否かが判別される。
【００７９】
そして、充電可能な状態であると判別されたときは（Ｓ８がＹ）、バッテリ７２への充電が行われ（ステップＳ９）、ステップＳ８及びＳ９の処理が繰り返される。これにより、三相交流発電機１１からのバッテリ７２への充電が継続される。
【００８０】
上記ステップＳ８の判別で、充電可能な状態でなくなったときは（Ｓ８がＮ）、前述したステップＳ７の処理に移行する。これにより、風速が落ちて充電に十分な電力が三相交流発電機から得られないときは、ステップＳ１〜Ｓ７の始動補助作動モードに移行する、または、風速が発電に十分であり且つバッテリ７２への充電が十分であるときは、バッテリ充電コントローラ７１が、風車６７に対して発電ができないように自動制御する。
【００８１】
このように本発明によれば、例えば１分間に１回という短い時間間隔で始動補助機能による始動補助回転を行うので、発電回転が可能な弱風時での回転を誘発して発電効率の低下を大きく改善できるとともに、低風速時に生じる大きい風速変化に対しても即応して回転できるため発電の機会を失うことなく発電効率を上昇させることができる。
【００８２】
図９は、第４の実施形態としてのタイマ装置を独立な回路として自己消費電力をより節減できるようにした水平軸風力発電装置の回路ブロック図である。図７に示した例では、タイマ装置６５は常時ＤＣ／ＤＣコンバータ７３から電力の供給を受けているが、図９に示す例では、タイマ装置６５は、常時バッテリ７２により電力の供給を受けて動作し、回転数計測装置６６の条件判定とともにＤＣ／ＤＣコンバータ７３に電力の供給依頼信号を発信して駆動回路６４へ電力の供給を行うようにしている。これにより、始動補助機能が起動するとき以外はＤＣ／ＤＣコンバータ７３を休止させることができ、全体としての消費電力を節減できるようになる。
【００８３】
尚、以上の説明では、発電モードと始動補助モードとの切り替えを、切替リレー１３による連動スイッチの切り替えで行っているが、このようにリレーを用いると限ることなく、例えばフォトカプラ又はＦＥＴなどの半導体素子によって切り替えスイッチ部を構成するようにしてもよい。
【００８４】
また、運転タイマ、又は待機タイマに設定される計時期間は、上述の例のように駆動６秒、休止５４秒というように設定時間を固定すると限るものではなく、更に相互の関係を１／１０に固定すると限るものでもない。例えば、１日の時間帯、季節、地域などに応じて適宜に設定してよい。
【００８５】
また、図８の起動補助機能の作動設定については特に説明していないが、上記の例えば１分に１回の起動補助回転を行う起動補助機能の作動設定を常時作動するように設定したのでは、全くの無風状態が長期に続いてたときなどには起動補助機能用の電力が無用に消費されてしまうことになる。
【００８６】
そこで、手動操作用のスイッチ又は遠隔操作で動作するスイッチを設けて、このスイッチにより、起動補助機能の作動設定を「設定」と「解除」のいずれかに切り替えることができるようにしてもよい。
【００８７】
さらに、電源供給を受けるバッテリ電圧が、ある一定値以下になったことを検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３への電力供給を自動停止する回路を加えても良い。
また、例えば、風速センサ等の風速感知装置、又は垂直軸椀形羽根型風車等からなる風速測定装置を設けて風速を計測し、所定以上の風が吹きだしたときに起動補助機能の作動スイッチが入るように構成してもよい。この場合、風速測定装置は微風を感知して動作する程度の小型のものであることが望ましい。
【００８８】
図１０は、そのような風速センサにより始動補助機能の作動開始のタイミングを監視する例を示す図である。同図に示すように、始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置９０には、その近傍に、それとは別体の風速検知装置８０が配置されている。
【００８９】
風速検知装置８０は、風速センサ８１と風速判定部８２を備えている。風速判定部８２には、予め始動補助機能の作動を開始させるのに適した風速値が予めハード的又はソフト的に設定されている。風速判定部８２は、風速センサ８１により計測されて入力される風速値を、上記の予め設定されている風速値と比較し、入力風速値が設定風速値を越えたとき、タイマ装置６５に、始動補助機能の作動タイミングとなったことを通知する。
【００９０】
これにより、図８のステップＳ７の待機タイマの計時が開始され、その以降のステップＳ１〜Ｓ９の処理、すなわち始動補助機能が作動開始する。このようにすれば、無風時に、無用の始動補助機能の作動で電力を浪費することを自動的に回避することができる。
【００９１】
以上説明してきたように、本発明の始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置によれば、通常の揚力型水平軸風力発電機では回転できない低風速でも始動補助機能によって始動補助回転させるので、この補助回転の惰力により通常の揚力型水平軸風力発電機では回転開始できない低風速でも本回転を開始することができ、これにより、発電効率の良い始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
【００９２】
また、発電機と始動補助の電動機とを兼用しているので、始動補助動力付きの風力発電機でありながら小型化でき、これにより、安価な始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
【００９３】
また、始動補助回転として駆動動作休止期間の長い間歇回転を行わせているので、始動補助回転に使用される電力を可及的に低く抑えることができ、これにより、始動補助動力付きの風力発電機でありながら自己消費電力の低減された始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
【００９４】
また、風速を監視しながら適宜の風が発生したときのみ始動補助機能を作動させるので、始動補助回転のための自己消費電力がより一層低減された始動補助機能付き翼角度固定揚力型水平軸風力発電装置を提供することが可能となる。
【００９５】
第３及び第４の実施形態によれば、本発明の第４の課題が解決される。
なお、上記第１〜４の実施形態は、それぞれ別個に説明したが、これらを組み合わせてそれぞれの長所を有する風力発電装置を構成することも可能である。この場合、それぞれの実施形態の長所を有する風力発電装置となるので、より優れた風力発電装置を構成することが可能となる。以下に説明する事項についても同様である。
【００９６】
通常、風力発電では、運転限界風速以上では風車を停止または減速して制御不能で危険な高速回転となることを防止している。その方式にはブレードのピッチ制御やディスクブレーキ、ファーリングなどの機構的制動があるが、揚力型固定ピッチ水平軸風車においては、発電機の出力を短絡して電磁的に制動することが可能である。危険回避のための自動停止を判定するには風速、回転数、発電電力などの値を単独または複数計測する方法がある（図１１参照）。
【００９７】
図１１においては、充電制御回路から発電電力を判定する発電力判定部と、回転数判定部と風速判定部がそれぞれ測定を行っており、その結果充電を行うか否かのスイッチングをするようになっている。
【００９８】
揚力型固定ピッチ水平軸風車においては、発電機の出力を短絡して電磁的に制動する場合、ブレードは完全に停止せず、風向に正対し、ゆっくりと回転を継続する。言い換えれば、回転によって生ずる電力を短絡回路で消費する原理によるものである。停止時の低速回転状態では、揚力による回転トルクは殆ど得られず、抗力による回転トルクが主流となる。つまり、プロペラ型風速計と同様な原理となり、風速と回転数はほぼ比例する。同時に短絡電流も風速にほぼ比例する。
【００９９】
自動停止開始からタイマーにて所定時間停止状態を継続するが、風速測定機能を持たないシステムにおいて復帰時に運転開始可能な風速範囲にあるか否かの判定を、この短絡電流を測定（図１２参照：停止時の短絡電流判定回路であり、短絡スイッチによって短絡された結果流れる短絡電流を測定可能としている）することにより可能となる。安全に運転可能な上限風速における短絡電流値を閾値とし、その閾値未満であれば運転を復帰し、閾値以上であれば更に停止状態を所定時間継続する（図１３参照）。
【０１００】
バッテリの蓄電容量が正常状態で充電制御回路も電源が供給されている場合には、高速回転となる前に風車を停止することが可能である。本実施形態ではバッテリの容量不足や断線、制御回路の故障などにより、停止制御が不能となったときに補助的に風力発電機入力を短絡する回路である。
【０１０１】
停止が必要と判定する要素は、バッテリ電圧の低下と発電機出力電圧の上昇である。
図１４の回路は風力発電機入力短絡用ＮチャネルＦＥＴとシュミットトリガーインバータ、６Ｖ電池から構成されている。バッテリの電圧が所定値より低下したこと，または、風力発電機が開放状態となり入力電圧が所定値を超えたことによりＦＥＴゲートに直流電位を与え、短絡する。この回路は正常なシステム状態となると短絡状態から開放状態に自動復帰する。シュミットトリガーインバータはＣＭＯＳ構造のため、またＦＥＴのゲート回路は絶縁されているために小電池からはほとんど電力を消費せず、長時間電池交換せずに動作可能である。
【０１０２】
風速の変動に対して、最大電力点となるように入力電圧指令する電力変換方式は公知である。現状の技術では入力電圧を微小変動して発電電力が最大値になるまで入力電圧を変更する方法が採用されているが、現在の電力瞬時値を求めフィードバックするのみとなっている。
【０１０３】
本実施形態では、風速が増加か減少を過去の変動経過を最大電力点の変動経過として記憶した上で、予測して入力電圧指令値を決定し制御を行うものである。風速変動に対して応答の高速化が図れ、効率向上ができる。
【０１０４】
過去数秒間の風速が増加傾向であれば最大電力点も増加傾向となる。この電力増加量の傾斜により、未来数秒間後の電力量を予測して入力電圧の指令値を決定する。風速が増加時であれば、入力電圧の指令値を最大電力点の電圧値より高く決定する。これにより、風車の負荷は一旦軽減された状態となり、回転数の上昇速度が速くなり風速増加に早く追従することが可能となる。また、風速減少時は逆の動作を行う。
【０１０５】
図１５は、定格電力制御について説明する図である。
なお、設定された上限回転数にて運転中、風速が増加して定格電力値を超えた場合、停止せずに上限回転数を下げる指令、つまり入力指令電圧を設定回転数との差異ではなく、定格電力（の９０％）の超過分差異についての制御に切り替えて、定格電力を超過しないように制御することが可能である。
【０１０６】
実際には、図１５に示されるように、定格電力を超過してからではなく、定格電力より１０％程度少ない電力から制御を切り替えるようにする。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１の実施形態の風力発電装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の風力発電装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態の回転数の検出回路について説明する図（その１）である。
【図４】本発明の第１及び第２の実施形態の回転数の検出回路について説明する図（その２）である。
【図５】本発明の第１及び第２の実施形態の回転数の検出回路について説明する図（その３）である。
【図６】本発明の第１及び第２の実施形態の回転数の検出回路について説明する図（その４）である。
【図７】本発明の第３の実施形態における始動補助機能を有する風力発電装置の回路ブロック図である。
【図８】風力発電装置における始動補助機能の動作を示すフローチャートである。
【図９】第４の実施形態としてのタイマ装置を独立な回路として自己消費電力をより節減できるようにした風力発電装置の回路ブロック図である。
【図１０】風速センサにより始動補助機能の作動開始のタイミングを監視する例を示す回路ブロック図である。
【図１１】停止時の短絡電流による風速測定について説明する図（その１）である。
【図１２】停止時の短絡電流による風速測定について説明する図（その２）である。
【図１３】停止時の短絡電流による風速測定について説明する図（その３）である。
【図１４】無電源及び開放故障に対する補助停止回路について説明する図である。
【図１５】定格電力制御について説明する図である。
【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】
2008228570.tif 000010
【図９】
2008228570.tif 000011
【図１０】
2008228570.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2008228570.tif 000014
【図１３】
2008228570.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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