(57)【要約】【課題】  従来の風力発電装置では、我が国のような定常的に吹く風を望めない地域に於いて風力発電設備の有効性を十分に発揮することが出来ない。低風速時に良く見られる風力の強弱の揺動による鋸刃状電力をいかに有効に回収するかが大きな課題である。【解決手段】  風の揺れに起因する鋸刃状の電圧特性をもつ風力発電機の出力を電気二重層コンデンサーに集積して電力を蓄積し、その後蓄電池に移送して活用することにより風力発電装置の効率向上を図る。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機の出力電力を蓄電装置に蓄電し、自家消費並びに外部電力系統に連系する風力発電装置において、
低風速時に発電電力の電力波形の谷から谷の時間が秒レベルから数分レベルの短時間のピークを持つ鋸刃状電圧変動を含む電力に対し前記蓄電装置を改良して、該鋸刃状電力を昇電圧器において昇圧したのち該昇圧電力を集積してから蓄電する集積蓄電手段を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記集積蓄電手段は集積部と蓄電部とから構成されており、風力発電の前記鋸刃状電力を取込むため集積部で集積してから蓄電部で蓄電することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記集積部は複数の電気二重層コンデンサ−を用い、前記蓄電部は従来形の蓄電池を用いることを特徴とする請求項１並びに請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記集積蓄電手段は、前記集積部における複数の電気二重層コンデンサーの何れか一器が前記風力発電機に接続し前記蓄電池は切断して電力を集積している間に、十分に充電された電気二重層コンデンサーの他器が風力発電機の接続は切断し出力側を前記蓄電池に接続することにより集積された電力を前記蓄電池に移送し、これらを複数の電気二重層コンデンサーにおいて交代して繰返すことにより、継続的に前記鋸刃状電力を取込むこと、並びに前述の機器接続の開閉を制御する蓄電制御部を備えることを特徴とする請求項１並びに請求項３に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電機と発電電力を蓄電する機能より成る風力発電装置において、装置の高効率化に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電は自然エネルギーである風力を利用する発電であり、そのため多分に気象条件の影響を受け発電電力が大きい時と小さい時があり、発電装置全体の高効率化を実現するため各種の対策が求められる。風の性質は地域により特徴があり、我が国の風は西欧、米国西海岸などの風と大きく異なり、風の強弱、方向変化が烈しく定常的な風は比較的少ないことが知られている。このような風力により得られる発電電力は、秒レベルから数分レベルの鋸刃状電力が多い。従って我が国の風力発電装置においては、低出力電力及び鋸刃状電力をいかに有効に回収するかが重要である。風力発電において低風速時の制御に関する考案は、今日まで多数のものが提起されているが、多くのものが風車の回転を風速に応じて制御することにより効率を高めようとするものである。
【特許文献１】特許公開２００２−３１５３９６号公報
【０００３】
特許公開２００２−３１５３９６号を例に従来技術による風力発電装置を図１に示す。図1において、風力発電装置３は低風速時の風力発電の有効利用を図るものであり、風速が低いときに軸動力が最大となるトルク動作点に相応する電流動作点となるように出力電流を制御することにより、任意風速において最大の軸動力が得られるトルク動作点で風車１を運転し発電電力を得るものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許公開２００２−３１５３９６号の運転方法によると、低風速時の任意風力に於ける軸動力の最大点の運転により風力エネルギーの最適活用が行なわれる。しかしながらこの方法では短時間に起こる風の強弱の揺らぎに対して制御が追随不可能であり、この場合には発生電力が鋸刃状になるのは抑えられない。つまり十数分レベルの緩やかな変動でなく、秒レベルから数分レベルの風速の上下に対して、軸動力の最適化は追随の限度をこえるため平均値的な制御で行なわれる。すると発電電力は微細な鋸刃状電力として出力されるが、従来の蓄電池は十数分レベルの電力変動に対してはその蓄電可能であるがそれより早い電圧変動には追随しない。その結果この場合の発電電力は廃棄されることになる。
【０００５】
本発明は上述した従来技術の限界を解消し、風力発電装置の発電効率を高めるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
風力発電装置の上記した課題を解決するため、風の揺らぎにより発生する秒レベルから数分レベルで上下する鋸刃状電力を集積して有効に活用するための機器の構成並びにその作動を制御する方法を以下に述べる。
低風速時に発電電力の電力波形の谷から谷の時間が秒レベルから数分レベルの短時間のピークを持つ鋸刃状電圧変動を含む電力に対し前記蓄電装置を改良して、該鋸刃状電力を昇電圧器において昇圧したのち該昇圧電力を集積してから蓄電する集積蓄電手段を有するような風力発電装置を考案した。
【０００７】
低風速時の発電電力は低レベルであり、また風の強弱の揺らぎにより、全体として低いレベルで上下している。本発明の方法ではこの電力をまず昇圧して、蓄電池に蓄積できるレベルにする。この電力は前述した揺らぎをそのまま含むものであり、従来型の蓄電池（例えば鉛蓄電池）では早い変動の鋸刃状電力を蓄電できない。そこで本発明では、電気二重層コンデンサーを用いて鋸刃状電力を一旦集積し、該電気二重層コンデンサーの蓄電状況が一定の高さに達した後に、より容量の大きい従来型蓄電池に電力を移すものである。
【０００８】
上記したような機器の構成にすることによリ、従来は廃棄されていた低風速時の発電電力を有効に集積且つ蓄電し、有効な電力として活用することが可能になり、我が国のように比較的定常的な風が少ない地域においても、風力発電装置の出力特性を大幅に改善することが出来る。
【発明の効果】
【０００９】
風力発電機の出力側に昇電圧器を設けて昇圧し、その電力を電気二重層コンデンサーに集積することにより、従来は廃棄されていた電力を活用することが可能になり、それほど大きな設備を付加することなく風力発電装置全体の効率を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明である風力発電装置の構成並びに制御方法について、以下に例を用いて説明するが、本発明はこれらの例に限るものではない。
図２は本発明の風力発電装置の回路構成を示すブロック図である。図２において風力発電機からの出力は昇電圧器１０に入力され、所定目標電圧に昇圧される。昇電圧器１０は風力発電機の出力が所定下限電圧より低い場合は昇圧されない。風力発電の出力が所定下限電圧以上でかつ所定上限電圧未満のときに昇電圧器１０が働いて所定目標電圧に昇圧される。昇圧された電力は集積蓄電手段である集積蓄電装置２０に送り込まれる。この集積蓄電装置２０は蓄電制御部４０により制御されている。集積蓄電装置２０内部の複数箇所の電圧情報が蓄電制御部４０に取込まれ、複数個の制御信号が蓄電制御部４０から集積蓄電装置２０に送られる。集積蓄電装置２０の出力電力はスイッチング部５０において蓄電制御部４０の指示により開閉が選択される。電力線はスイッチング部を経て系統連系制御部６０に接続され、ここで電圧並びに周波数の調整等を行ない自家消費乃至は外部電力系統への送出が選択される。
【００１１】
図３は集積蓄電装置２０の内部機器の構成を示す。集積蓄電装置２０は集積部３０と蓄電部３５に加え回路途中の開閉を行なう４ケの開閉器２２、２３、２４，２５と蓄電制御部に各部位の電圧を知らせる４ヶの電圧検出器２６、２７，２８、２９並びに蓄電制御部から各開閉器に開閉指令を伝達する結線３３とから構成されている。集積部３０には２ヶの電気二重層コンデンサー３１、３２が配置され、蓄電部には蓄電池を保護するため電池保護器３６がおかれ、該電池保護器３６の管理のもとに蓄電池３７が動くように配線されている。集積蓄電装置２０の出力はスイッチング部５０の入力であり、集積蓄電装置２０の出口部電圧検出２９の電圧によりスイッチング部において開閉を行なう。
【００１２】
電気二重層コンデンサー３１は開閉器２２を介してプラス端子は集積蓄電装置２０の入力端子２１に接続しマイナス端子はグランド線３８に接続する。同様に電気二重層コンデンサー３２は開閉器２３を介してプラス端子を入力端子２１にマイナス端子をグランド線３８に接続する。電池保護器３６はその入力側が開閉器２４を介して電気二重層コンデンサー３１のプラス端子に接続し、同時に開閉器２５を介して電気二重層コンデンサー３２のプラス端子に接続する。電池保護器３６の出力側は蓄電池３７のプラス端子に接続される。電池保護器３６は蓄電池３７の保護を目的に、蓄電池３７の蓄電状態を常時モニターして蓄電または放電を切替える。蓄電池３７のマイナス端子はグランド線３８に接続される。また電池保護器３６の入力側は集積蓄電装置２０の出力側３９に接続され、図２のスイッチング部５０の入力部に接続される。
【００１３】
図４は電圧検出器の内部であり、抵抗分圧形電圧検出回の構成を示す図である。本回路により、風力発電の出力０から予想最大出力までの出力範囲をカバーして０から５Ｖまでの電圧幅に置き換え、蓄電制御部が受け入れ可能な出力にする。また可変増幅形アイソレーション・オペアンプを用いアイソレーションを完璧に行うことにより、誤動作やノイズの影響を遮断している。
【００１４】
図５はスイッチング部５０の回路図であり、フォトカップラでアイソレーションされた複数のスイッチング素子で構成されている。スイッチング部５０はＦＥＴトランジスタ若しくはＩＧＢＴ素子により構成する。直流電流を入り切りするときはアークにより接点を損傷するのでその対策として半導体素子を用いる。スイッチング部５０が閉状態になったときには、電力は系統連系制御部６０に送られる。系統連系制御部６０は電力の主要特性（周波数、電圧）が商用電力の基準値に適合するように電力を調整・整合させたうえで、電力系統に連系する。この場合自家消費の必要があればまず自家消費され余剰電力が出た場合に、系統電力線を通じて外部に送出される。
以上が本発明の効果を発揮する最良の形態である。
【実施例１】
【００１５】
つぎに本発明に於ける装置の具体的働きについて実施例を述べる。風力の強弱や揺らぎに応じて様々な発電電力の変化があるが、風力発電の出力が３０Ｖを超えて２００Ｖに満たない時は風力発電の出力を昇電圧器により昇圧して２００Ｖを超える電力に変換して集積蓄電装置に送られる。２００Ｖ以上に昇圧された電力は、鋸刃状電力を含む場合と含まない場合とがある。電圧波形の波長が秒レベルから数分レベルの鋸刃状電力に対して、電気二重層コンデンサーが有効に機能を発揮して電力を集積する。電気二重層コンデンサーが容量一杯に集積されると電圧検出器２７または２８によってその状態が検知され、蓄電制御部によるスイッチの切換により該当する電気二重層コンデンサーの出口側スイッチ２４または２５が閉状態になり、集積された電力は蓄電部に移送される。２ヶの電気二重層コンデンサーは交互に集積と移送を繰り返して蓄電部に電力を蓄電する。蓄電部での蓄電ならびに放電に関しては、電池保護器が制御を行ない蓄電池の過充電、過放電を避けて蓄電池の損傷を防ぐ。
【００１６】
風力発電の出力が最初から２００Ｖを超えている場合は、昇電圧器は働かずにそのまま蓄電部に送られる。一般的に高い電圧出力が得られる時には、電力の鋸刃状変動は比較的少ないため、電気二重層コンデンサーの集積を必要としない場合もある。そのときは４ヶの開閉器を総て閉じて、発電電力を蓄電部に直接に誘導する。これらの制御は蓄電制御部により行なわれる。
【００１７】
蓄電部に送られた電力は総て電池保護器の制御により蓄電池に蓄電するか、外部系統に送出される。この制御は電池保護器が蓄電池が満充電状態であるか、満充電前の状態であるかを検知して決められる。
以上例を用いて述べて来たように本発明になる風力発電装置は有効に機能して高効率の発電ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の風力発電のブロック図である。
【図２】本発明の風力発電装置ブロック図である。
【図３】本発明の風力発電装置における集積蓄電装置のブロック図である。
【図４】本発明の電圧検出器の回路図である。
【図５】本発明のスイッチング部の回路図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０        昇電圧器
２０        集積蓄電装置
３０        集積部
３１、３２  電気二重層コンデンサー
３５        蓄電部
３６        電池保護器
３７        蓄電池
４０        蓄電制御部
【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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