(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を受けて発電する発電装置であって、
複数のコイルを有する第１の部材と、
前記第１の部材と相対的に回転可能であり、複数の永久磁石を有する第２の部材と、
前記第１と第２の部材のうちのいずれか一方と機械的に連結され、前記流体を受けて回転する回転部材と、
前記第１と第２の部材のうちの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１と第２の部材との間に形成される隙間の大きさを変更する隙間変更部と、
を備え、
前記隙間変更部は、
前記第１の部材と前記第２の部材とに接続され、前記第１の部材または前記第２の部材の回転運動に伴って回転するロッドと、
前記ロッドに接続され、前記回転運動に伴う遠心力によって回転軸の外側に移動するとともに、前記移動によって前記ロッドを介して前記隙間を小さくする方向に力を作用させる重りと、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられ、前記隙間を大きくする方向に力を作用させるバネと、
を備えることによって、前記回転部材が回転を開始する前における前記隙間の大きさよりも、前記回転部材が回転を開始した後における前記隙間の大きさの方が小さくなるように、前記回転部材の回転速度に応じて、前記隙間の大きさを変更し、前記回転部材が回転を開始するまで前記隙間を最大値とする、発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電装置であって、
前記隙間変更部は、
（ｉ）前記回転速度が第１の回転速度閾値以下の場合は、前記隙間の大きさを所定の第１の値とし、
（ｉｉ）前記回転速度が前記第１の回転速度閾値よりも大きい第２の回転速度閾値を超える場合は、前記隙間の大きさを前記第１の値よりも小さい所定の第２の値とし、
（ｉｉｉ）前記回転速度が前記第１と第２の回転速度閾値の間にある場合は、前記隙間の大きさを、前記回転速度が大きくなるに従って小さくなるように変更する、
発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を受けて発電する発電装置の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出量削減という観点から、風力、水力、太陽光等の自然エネルギーを活用した発電が大きな注目を集めている。これらの発電効率を向上させることは、環境問題の解決にとって重要な課題となっている。
【０００３】
流体を利用した発電装置は、例えばブラシレスモータ構造を利用して実現することが可能である。ブラシレスモータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９８９８２号公報
【０００５】
流体を利用した発電装置としては、例えば、風力発電装置がある。風力発電装置には、風力を受けて回転するブレードが取り付けられている。このブレードは、回転の慣性を高めるために、大きな重量となるように設計されている。したがって、風力が弱い場合には、ブレードの回転を始動させて発電を開始するのが困難であった。そこで、従来の風力発電装置では、風力が弱い場合にもブレードの回転を始動させるために、発電機とは別に駆動モータを設置し、その駆動モータによってブレードの回転を始動させていた。
【０００６】
しかし、この従来の技術では、発電装置の始動用に別の駆動モータを設置する必要があるため、機構的に複雑になり、コストが高くなるといった問題があった。なおこのような問題は、風力発電機に限らず、流体を受けて発電する発電装置全般に共通する問題であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、流速が小さい場合にも発電を開始することのできる技術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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
［形態］
流体を受けて発電する発電装置であって、
複数のコイルを有する第１の部材と、
前記第１の部材と相対的に回転可能であり、複数の永久磁石を有する第２の部材と、
前記第１と第２の部材のうちのいずれか一方と機械的に連結され、前記流体を受けて回転する回転部材と、
前記第１と第２の部材のうちの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１と第２の部材との間に形成される隙間の大きさを変更する隙間変更部と、
を備え、
前記隙間変更部は、
前記第１の部材と前記第２の部材とに接続され、前記第１の部材または前記第２の部材の回転運動に伴って回転するロッドと、
前記ロッドに接続され、前記回転運動に伴う遠心力によって回転軸の外側に移動するとともに、前記移動によって前記ロッドを介して前記隙間を小さくする方向に力を作用させる重りと、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられ、前記隙間を大きくする方向に力を作用させるバネと、
を備えることによって、前記回転部材が回転を開始する前における前記隙間の大きさよりも、前記回転部材が回転を開始した後における前記隙間の大きさの方が小さくなるように、前記回転部材の回転速度に応じて、前記隙間の大きさを変更し、前記回転部材が回転を開始するまで前記隙間を最大値とする、発電装置。
【０００９】
[適用例１]
流体を受けて発電する発電装置であって、
複数のコイルを有する第１の部材と、
前記第１の部材と相対的に回転可能であり、複数の永久磁石を有する第２の部材と、
前記第１と第２の部材のうちのいずれか一方と機械的に連結され、前記流体を受けて回転する回転部材と、
前記第１と第２の部材のうちの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１と第２の部材との間に形成される隙間の大きさを変更する隙間変更部と、
を備え、
前記隙間変更部は、前記回転部材が回転を開始する前における前記隙間の大きさよりも、前記回転部材が回転を開始した後における前記隙間の大きさの方が小さくなるように、前記隙間の大きさを変更する、
発電装置。
【００１０】
適用例１の発電装置によれば、回転部材が回転を開始する前は、隙間の大きさが大きくなっているので、回転開始時の負荷が小さくなっている。したがって、流速が小さい場合にも発電を開始することができる。
【００１１】
[適用例２]
適用例１記載の発電装置であって、
前記隙間変更部は、前記回転部材の回転速度に応じて、前記隙間の大きさを変更する、発電装置。
【００１２】
適用例２の発電装置によれば、回転部材の回転速度に応じて隙間の大きさを変更するので、回転速度に応じた適切な回転負荷とすることができる。
【００１３】
[適用例３]
適用例２記載の発電装置であって、
前記隙間変更部は、
（ｉ）前記回転速度が第１の回転速度閾値以下の場合は、前記隙間の大きさを所定の第１の値とし、
（ｉｉ）前記回転速度が前記第１の回転速度閾値よりも大きい第２の回転速度閾値を超える場合は、前記隙間の大きさを前記第１の値よりも小さい所定の第２の値とし、
（ｉｉｉ）前記回転速度が前記第１と第２の回転速度閾値の間にある場合は、前記隙間の大きさを、前記回転速度が大きくなるに従って小さくなるように変更する、
発電装置。
【００１４】
適用例３の発電装置によれば、流速が小さい場合にも発電を開始することができる。また、回転速度が大きくなるにしたがって隙間の大きさを小さくするので、発電効率を高めることができる。さらに、流速が小さくなり、回転速度が小さくなると、隙間の大きさを大きくするので、回転負荷が小さくなる。したがって、流速が小さくなっても発電を継続することができる。
【００１５】
[適用例４]
適用例１記載の発電装置であって、さらに、
前記流体の流速を測定する流速測定部を備え、
前記隙間変更部は、前記流速測定部で測定された流速に応じて、前記隙間の大きさを変更する、発電装置。
【００１６】
適用例４の発電装置によれば、流速に応じて隙間の大きさを変更するので、流速に応じた適切な回転負荷とすることができる。
【００１７】
[適用例５]
適用例４記載の発電装置であって、
前記隙間変更部は、
（ｉ）前記流速が第１の流速閾値以下の場合は、前記隙間の大きさを所定の第１の値とし、
（ｉｉ）前記流速が前記第１の流速閾値よりも大きい第２の流速閾値を超える場合は、前記隙間の大きさを前記第１の値よりも小さい所定の第２の値とし、
（ｉｉｉ）前記流速が前記第１と第２の流速閾値の間にある場合は、前記隙間の大きさを、前記流速が大きくなるに従って小さくなるように変更する、
発電装置。
【００１８】
適用例５の発電装置によれば、流速が小さい場合にも発電を開始することができる。また、流速が大きくなるにしたがって隙間の大きさを小さくするので、発電効率を高めることができる。さらに、流速が小さくなると、隙間の大きさを大きくするので、回転負荷が小さくなる。したがって、流速が小さくなっても発電を継続することができる。
【００１９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、発電方法および発電システム、それらの方法またはシステムの機能を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての風力発電装置１０００の構成を示す断面図である。図１（Ａ）は、風力が小さい場合における風力発電装置１０００の状態を示しており、図１（Ｂ）は、風力が大きい場合における風力発電装置１０００の状態を示している。この風力発電装置１０００は、本体部１００と、ブレード１１０と、発電制御回路２００とを備えている。ブレード１１０は、風力を受けて回転し、本体部１００の回転軸１１２を回転させる。本体部１００は、ロータ３０と、２つのステータ１０Ａ，１０Ｂと、ケース２０とを備えている。ケース２０と回転軸１１２との接触部分には、軸受け１１４が設けられている。ロータ３０は、回転軸１１２に固定されており、回転軸１１２の回転と共に回転する。また、ロータ３０は、回転軸１１２を中心とした略円盤形状を有しており、複数の永久磁石からなる磁石列３４Ｍを備えている。磁石列３４Ｍの磁化方向は上下方向である。Ａ相，Ｂ相ステータ１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ略円盤形状を有しており、ロータ３０と対向する側にはそれぞれコイル列１４Ａ，２４Ｂが設けられている。コイル列１４Ａ，２４Ｂは、ロータ３０が回転することによって誘起電圧を発生させる。コイル１４Ａ，２４Ｂで発生した電流は、ケーブル１３ａを通って、回路基板１３に供給され、コネクタ１４を介して発電制御回路２００に供給される。発電制御回路２００は、発電電流の整流、平滑および制御を行う。その後、発電電流は、蓄電装置（図示せず）に充電される。
【００２２】
ロータ３０とＡ相ステータ１０Ａとの間には、重り１７と、ロッド１８とが設けられている。Ｂ相ステータ１０Ｂ側も同様である。重り１７は、ロッド１８を介してロータ３０と接続されている。そして、重り１７は、ブレード１１０が回転してロータ３０が回転すると、回転軸１１２を中心として回転する。ブレード１１０が回転を始めると、重り１７に遠心力が働き、重り１７は回転軸１１２の外側に移動を開始する。重り１７が回転軸１１２の外側に移動を開始すると、２つのステータ１０Ａ，１０Ｂは、ロッド１８に引き付けられてロータ３０に近づく（図１（Ｂ））。結果として、ロータ３０とステータ１０Ａ，１０Ｂとの隙間ＣＬが小さくなる。
【００２３】
また、回転軸１１２のロータ３０とＡ相ステータ１０Ａとの間の部分には、バネ１９が設けられている。Ｂ相ステータ１０Ｂ側も同様である。バネ１９は、ブレード１１０の回転速度が低下して重り１７の遠心力が小さくなった場合に、Ａ相ステータ１０ＡおよびＢ相ステータ１０Ｂをロータ３０から引き離し、隙間ＣＬを大きくする働きをする。
【００２４】
図２は、ロータ３０と２つのステータ１０Ａ，１０Ｂとを分離して示した説明図である。この例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、それぞれ６つのコイルを有しており、磁石列３４Ｍも６つの磁石を有している。但し、コイルや磁石の数は任意の値に設定することが可能である。
【００２５】
図３は、風速Ｖｃが変化した場合における隙間ＣＬの大きさの変化を示すグラフである。なお、この図３には、隙間ＣＬの他に、ブレード１１０の回転速度Ｎと、発電電力Ｐとが描かれている。また、この図３のグラフでは、隙間ＣＬ等は直線で描かれているが、これは説明のため簡略して描いたものであり、実際の隙間ＣＬ等の変化は、曲線状となる場合もある。後述する図６においても同様である。風力発電装置１０００は、ブレード１１０の回転速度Ｎの含まれる範囲に応じて、３つの動作モードを実行することが可能である。３つの動作モードは、「発電始動モード」と、「発電制御モード」と、「発電安定モード」である。
【００２６】
風速Ｖｃが０〜Ｖｃ１の間はブレード１１０が回転せず、その回転速度Ｎは０である。この場合は、発電始動モードとなる。発電始動モードでは、重り１７に遠心力が働かないため、隙間ＣＬは最大の値である隙間最大値ＣＬｍａｘとなる。そして、隙間ＣＬが最大であるため、コイル列１４Ａ，２４Ｂが磁石列３４Ｍから受ける磁界の強さは最も小さくなる。この場合、コイル列１４Ａ，２４Ｂに発生する電力は小さくなるが、回転負荷は小さくなる。したがって、発電始動モードでは、回転負荷が最も小さくなるため、風速Ｖｃが小さくてもブレード１１０の回転を容易に開始させることが可能となる。
【００２７】
風速ＶｃがＶｃ１以上になると、ブレード１１０の回転速度Ｎが次第に増加し、風速ＶｃがＶｃ２になると安定回転速度Ｎｔｈに達する。ここで「安定回転速度Ｎｔｈ」とは、隙間ＣＬが隙間最小値ＣＬｍｉｎとなる場合におけるブレード１１０の回転速度Ｎである。また、隙間最小値ＣＬｍｉｎは、本体部１００（図１）の構成において、隙間ＣＬの取り得る最小値である。回転速度Ｎが０より大きく、かつ、安定回転速度Ｎｔｈ以下である場合は、発電制御モードとなる。発電制御モードでは、ブレード１１０が風速Ｖｃ１を受けて回転を始めると、重り１７に遠心力が働き、隙間ＣＬは徐々に小さくなっていく。そして、回転速度Ｎが大きくなるに従って隙間ＣＬが徐々に小さくなるため、コイル列１４Ａ，２４Ｂが磁石列３４Ｍから受ける磁界の強さは徐々に大きくなる。したがって、発電制御モードでは、回転速度Ｎが大きくなるに従って回転負荷が大きくなるため、回転速度当たりの発電効率を高くすることができる。なお、前述したように、ブレード１１０が風速Ｖｃ２を受けて、回転速度Ｎが安定回転速度Ｎｔｈに達すると、隙間ＣＬは隙間最小値ＣＬｍｉｎとなる。ブレード１１０の回転速度Ｎがこの安定回転速度Ｎｔｈより大きくなった場合であっても、本体部１００（図１）の構成上、隙間ＣＬは隙間最小値ＣＬｍｉｎよりも小さくならない。
【００２８】
また、発電制御モード中に、風速Ｖｃが小さくなると、重り１７に働く遠心力が小さくなり、バネ１９の力によって隙間ＣＬは大きくなる。そして、隙間ＣＬが大きくなるため、コイル列１４Ａ，２４Ｂが磁石列３４Ｍから受ける磁界の強さは小さくなる。したがって、発電制御モードでは、風速Ｖｃが小さくなることにより回転速度Ｎが小さくなった場合でも、回転負荷が小さくなるため、ブレード１１０の回転を維持することが可能となる。言い換えれば、風速Ｖｃに変動があっても、回転速度Ｎに応じて隙間ＣＬの大きさが変化し、回転負荷が変化するため、発電を継続することが可能となる。
【００２９】
風速Ｖｃが風速Ｖｃ２以上となり、ブレード１１０の回転速度Ｎが安定回転速度Ｎｔｈを超える場合は、発電安定モードとなる。発電安定モードでは、隙間ＣＬは隙間最小値ＣＬｍｉｎで一定であり、回転負荷は最大となる。また、この発電安定モードでは、回転速度Ｎが安定回転速度Ｎｔｈを下回らない範囲でコネクタ１４（図１）に接続される発電制御回路２００によって発電負荷を変更し、効率よく発電を行なうことも可能である。なお、図３では、発電負荷を一定とした場合における回転速度Ｎを示している。
【００３０】
このように、第１実施例では、ブレード１１０が回転を開始するまでは隙間ＣＬを隙間最大値ＣＬｍａｘとし、ブレード１１０の回転負荷を最小とするので、流速が小さい場合にも発電を開始することすることが可能である。
【００３１】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における風力発電装置１０００ｂの構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、風速計１２０を設けた点と、重り１７とバネ１９の代わりにアクチュエータ１５を用いた点と、回転速度Ｎの代わりに風速Ｖｃに基づいて動作モードを選択する点である。他の構成は第１実施例と同じである。
【００３２】
風速計１２０は、風速Ｖｃを測定する。アクチュエータ１５は、風速計１２０で測定された風速Ｖｃに基づいて、ステータ１０Ａ，１０Ｂを上下に移動させ、隙間ＣＬの大きさを変更する。
【００３３】
図５は、風力発電装置１０００ｂの制御方法を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、風速計１２０によって風速Ｖｃを測定する。ステップＳ２０では、アクチュエータ１５は、風速Ｖｃを２つの風速閾値Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２と比較し、上述した３つの動作モードのうちから１つの動作モードを選択する。ここで、２つの風速閾値の関係はＶｔｈ１＜Ｖｔｈ２である。
【００３４】
風速Ｖｃが第１の風速閾値Ｖｔｈ１未満の場合は、発電始動モードが選択され、隙間ＣＬは隙間最大値ＣＬｍａｘに設定される。したがって、風速Ｖｃが小さい場合にも発電を開始することが可能である。
【００３５】
風速Ｖｃが第１の風速閾値Ｖｔｈ１以上であり、かつ、第２の風速閾値Ｖｔｈ２未満の場合は、発電制御モードが選択され、隙間ＣＬは風速Ｖｃに応じた値に設定される。したがって、風速Ｖｃに変動があっても、風速Ｖｃに応じて隙間ＣＬの大きさを変更して回転負荷を変更するため、発電効率を高めることや、風速Ｖｃが小さくなっても発電を継続することが可能となる。
【００３６】
風速Ｖｃが第２の風速閾値Ｖｔｈ２以上の場合は、発電安定モードが選択され、隙間ＣＬは隙間最小値ＣＬｍｉｎに設定される。発電安定モードが選択された場合には、ステップＳ３０において、風速Ｖｃに応じて発電負荷を変更し、発電効率を高めることができる。
【００３７】
各動作モードで隙間ＣＬを設定した後は、再びＳ１０に戻り、風速Ｖｃを測定し、動作モードを選択する（ステップＳ２０）。なお、ステップＳ３０は省略することも可能である。
【００３８】
図６は、風速Ｖｃと隙間ＣＬとの関係を示すグラフである。なお、この図６では、回転速度Ｎが０を超えていても、風速Ｖｃが第１の風速閾値Ｖｔｈ１以上となるまでは、発電始動モードが選択されている。このように風速閾値Ｖｔｈ１を設定すれば、ブレード１１０が安定した風力を受けて安定して回転するまでは、動作モードを発電始動モードのままとすることができる。
【００３９】
また、発電安定モードでは、発電制御回路２００は所定の回転速度Ｎｓを維持するように発電負荷を変更する。したがって、風速Ｖｃが大きくなっても、回転速度Ｎは、ほぼ一定の回転速度Ｎｓを示している。
【００４０】
このように、風速Ｖｃに基づいて隙間ＣＬの大きさを変更しても、第１実施例と同様に、風速Ｖｃが小さい場合にも発電を開始することが可能である。
【００４１】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４２】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、回転速度Ｎまたは風速Ｖｃのいずれか一方に従って隙間ＣＬの大きさを変更していたが、回転速度Ｎと風速Ｖｃの両方に基づいて、隙間ＣＬの大きさを変更することも可能である。また、第２実施例におけるアクチュエータ１５は、ブレード１１０の回転速度Ｎを測定し、回転速度Ｎにしたがって隙間ＣＬの大きさを変更することとしてもよい。
【００４３】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ステータ１０Ａ，１０Ｂを上下に移動させることによってロータ３０との隙間ＣＬの大きさを変化させていたが、この代わりに、ロータ３０を上下に移動させることにより、隙間ＣＬの大きさを変化させることとしてもよい。また、ステータ１０Ａ，１０Ｂおよびロータ３０の両方を上下に移動可能とし、隙間ＣＬの大きさを変化させることも可能である。つまり、ステータ１０Ａ，１０Ｂとロータ３０とを相対的に移動可能とすればよい。
【００４４】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、磁石列３４Ｍを備えた部材（ロータ３０）とブレード１１０とを連結していたが、この代わりに、コイル列１４Ａ，２４Ｂを備えた部材（ステータ１０Ａ，１０Ｂ）とブレード１１０とを連結してもよい。
【００４５】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例は、風力発電装置１０００として記載されているが、本発明は水力発電装置等の流体を受けて発電する発電装置全般に適用することができる。
【００４６】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、風力発電装置１０００の本体部１００は、２相のコイル列１４Ａ，２４Ｂで構成されていたが、コイル列は２相に限られず、１相または３相以上のコイル列で本体部１００を構成することも可能である。
【００４７】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、発電制御回路２００は、発電安定モードにおいて発電負荷を変更していたが、発電制御モードにおいても風速Ｖｃまたは回転速度Ｎに応じて、発電負荷を変更することとしてもよい。例えば、発電制御モードでは、風速Ｖｃまたは回転速度Ｎが小さくなって隙間ＣＬが大きくなった場合には、コイル列１４Ａ，２４Ｂが磁石列３４Ｍから受ける磁界の強さが小さくなり、発電電圧が小さくなる。発電制御回路２００は、この発電電圧の減少に応じて発電電流を制御することにより、発電負荷を減少させる。こうすれば、風力発電装置１０００の発電負荷が減少するので、回転速度Ｎは大きくなる。このように、発電制御モードにおいても、隙間ＣＬの制御と併せて、発電負荷を変更する制御を行なうこととしても、風速Ｖｃまたは回転速度Ｎに応じた適切な発電を実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施例としての風力発電装置の構成を示す断面図である。
【図２】ロータとステータとを分離して示した説明図である。
【図３】風速が変化した場合における隙間の大きさの変化を示すグラフである。
【図４】第２実施例における風力発電装置の構成を示す説明図である。
【図５】風力発電装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】風速と隙間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１０Ａ…Ａ相ステータ
１０Ｂ…Ｂ相ステータ
１３…回路基板
１３ａ…ケーブル
１４…コネクタ
１４Ａ…Ａ相コイル列
１５…アクチュエータ
１７…重り
１８…ロッド
１９…バネ
２０…ケース
２４Ｂ…Ｂ相コイル列
３０…ロータ
３４Ｍ…磁石列
１００…本体部
１１０…ブレード
１１２…回転軸
１１４…軸受け
１２０…風力計
２００…発電制御回路
１０００…風力発電装置
１０００ｂ…風力発電装置
Ｎ…回転速度
Ｎｔｈ…安定回転速度
Ｐ…発電電力
ＣＬｍａｘ…隙間最大値
ＣＬｍｉｎ…隙間最小値
Ｖｔｈ１…第１の風速閾値
Ｖｔｈ２…第２の風速閾値
ＣＬ…隙間
【図１】
0005277655.tif 000002
【図２】
0005277655.tif 000003
【図３】
0005277655.tif 000004
【図４】
0005277655.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005277655.tif 000007