(57)【要約】【課題】  大容量高出力の二次電池を使用して電力供給量を増大した風力発電装置を提供する。【解決手段】  風車翼１の軸に交流発電機２を接続し、この発電機２に交流直流変換器３を介して二次電池４を接続し、二次電池４には直流交流変換器５を介して負荷６を接続するようにして、高速回転する風車翼１によって発電された出力を直接負荷６に印加するのではなく、一旦二次電池４に全て貯蔵し、負荷６に対しては二次電池４から給電するように構成する。【選択図】  図１
2007154720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車翼の軸に交流発電機を接続し、該交流発電機に交流直流変換器を介して二次電池を接続し、該二次電池には直流交流変換器を介して負荷を接続するようにして、風車の回転で発電した電力を一旦全て前記二次電池に蓄積することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記風車翼のピッチ角を風速に適合して最大の発電効率をもたらすようなものに調整する調整機構を付属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３】
前記二次電池は、三次元構造のニッケル水素二次電池であることを特徴とする請求項１又は２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、高性能二次電池を使用して出力を増大した風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電は、通常図３に示すような出力特性を持つ。図３に示すように、風速が所定の値より小さいければ場合は風車翼が動かないので出力を得られない。風車が動かない風速範囲はたとえば約３ｍ／ｓより風速が小さい領域で、この境界の風速をカットイン風速と呼ぶ。カットイン風速から定格風速約１３ｍ／ｓまでは、翼の角度をほぼ一定に保つと出力が風速の増加に伴い風速の３乗で増加する部分負荷運転領域である。さらに、約２５ｍ／ｓ以上では、強風対策として風車翼を風と平行にし、トルクを０にして風車を停止する。風車を停止する風速をカットアウト風速という。
【０００３】
定格風速とカットアウト風速の間は定格運転領域で、風車翼のピッチ角制御により出力が定格値になるように風車翼のピッチ角を調整し、風車翼の回転速度が定格値を維持して所定の電力品質を維持し系統に送電できるようにしている。
なお、定格風速は風力発電機を設置する場所の風況にしたがって決定される。このとき、低速風速を定格風速として定格出力を発生させるようにすれば、高速風速時には風を逃がして風力エネルギーの大部分を無駄にすることになる。また、高速領域を定格風速とすれば、定格出力を出せる頻度が激減し、また風の弱いときには十分な出力を得ることができない。そこで、普通は頻度分布がピークを示す風速付近に定格風速を設定することになる。
【０００４】
しかし、定格風速より強風の下で一定の定格出力を発生させるためには、折角の風力エネルギーのうち多くの部分を逃がして捨てることになる。風のエネルギーは風速の３乗に比例するから、風速が一寸大きくなっただけで極めて大きなエネルギーロスとなる。
従来取り逃がしてきた風のエネルギーを活用するための技術は、従来からいろいろ開発されてきている。
【０００５】
たとえば特許文献１には、広範囲に変化する風速に対して効率よく発電できる風力発電装置が開示されている。開示された風力発電装置は、風車の回転軸に接続された発電機の出力端子に多数のバッテリーモジュールを接続して、発電電力を充電するバッテリーモジュールの数を調整することにより、風車の回転速度が許容範囲に収まるように制御するようにしたものである。
開示装置の風車は、５ｍ／ｓ以下の弱風でも回転し、また３０ｍ／ｓ以上の強風でもバッテリー負荷を増大させて回生制動をかけることにより穏当に回って発電することができる。
しかし、引用文献１に記載の風力発電装置でも、高風速域においては風車の回転速度を抑制しており、風力エネルギーの大きな部分を取り逃がしていることは変わらない。
【０００６】
また、引用文献２には、風車翼の回転を風速に対して風力変換効率の高い最適スピードになるように制御し、変動する風力発電機の出力をフライホイールなどの電力貯蔵装置に導いて平滑化することを特徴とする風力発電設備が開示されている。
開示発明は、風速変動スペクトルが数秒から３分程度の範囲に大きなピークを有することに注目して、フライホイールを用いることにより３分以内の発電力変動を吸収して、系統に許容できる程度に電力を平滑化して供給するようにしたものである。
【０００７】
電力変動はフライホイールで平滑化できるため、風速の変動に合わせて発電機出力を高速に制御することにより風車の回転速度を調整して、風車が風のエネルギーを最大効率で変換するようにすることができる。
従来の風力発電装置では風速６ｍ／ｓ以下の低風速領域で出力をゼロにするが、開示発明の風力発電設備は、低風速域でも回転速度を下げて発電させることができるので、特に脈動する低風速時の改善効果が大きい。平均風速６．２ｍ／ｓの実測データを使ったシミュレーションの結果からは、従来の一定回転運転で平均電力が１６ｋＷのところ、開示発明では５０ｋＷの平均出力になった。出現頻度が極めて大きい低風速時にも出力を得ることができるからである。
【０００８】
しかし、引用文献２には、高風速時における改善策は示されていない。
また、引用文献１，２の制御を実現するためにＣＰＵを用いた複雑な制御装置を備える必要がある。
なお、引用文献２には、電力の平滑化に二次電池の利用が検討されていることが記載されている。しかし、電力貯蔵装置として二次電池を置き、電力を蓄積・放出することにより、風力発電における不安定な出力を平滑化する場合に、急速な充放電が電池に寿命などの問題を引き起こしているとされている。
【０００９】
ところで、近年、新しい技術が開発されて二次電池の容量および出力が大幅に向上したものが出現している。
たとえば特許文献３には、三次元構造の大容量で急速充放電が可能な二次電池が開示されている。開示された二次電池は、イオンは透過するが電子は透過しない膜を介して接する２つの容器の一方に電子を放出する活物質の粉体が懸濁する電解質溶液を充填し、他方に電子を吸収する活物質の粉体を懸濁する電解質溶液を充填して、粉体と接触する集電装置を備えることを特徴とする。特に、活物質粉体の一方を水素吸蔵合金とし、他方を水酸化ニッケルとし、電解質溶液を水酸化カリウム溶液とすると、一段と高速で充放電するニッケル水素二次電池になる。なお、水素ガスあるいは不活性ガスを吹き込んで粉体を流動化すると、より大きな容量を示すようになる。
【００１０】
また、特許文献４には、カーボンファイバなど電子伝導性のある繊維状物質の表面に正極活物質をコートしたものと、負極活物質をコートしたものを、電子伝導性が無くイオン伝導性のある多孔質膜などのセパレータを挟んで束ねたり織ったりした構造を有するファイバ電池が開示されている。この電池は電極間距離が非常に小さいので、従来の電池と比較して充電速度、放電速度共に飛躍的に向上した高出力の二次電池となる。
【００１１】
さらに、特許文献５には、水素吸蔵合金を繊維状にして負極にすることにより、電子伝導性を確保しながら大きな比表面積を得られるようにして充電速度と放電速度を向上させたファイバ電池が開示されている。開示された二次電池は、繊維状水素吸蔵合金を不織布や織物等として用いることで電池の組立がさらに容易となり、製造コストを低減することができる。
【特許文献１】特開平１１−０８２２８１号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５９４９号公報
【特許文献３】ＷＯ００／５９０６２号公報
【特許文献４】特開２００３−３１７７９４号公報
【特許文献５】特開２００４−０２２３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、大容量高出力の二次電池を使用して風力発電装置の電力供給量を増大することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の風力発電装置は、風車翼の軸に交流発電機を接続し、この発電機に交流直流変換器を介して二次電池を接続し、二次電池には直流交流変換器を介して負荷を接続するようにしたことを特徴とする。
本発明の風力発電装置は、高速回転する風車翼によって発電された出力を直接負荷に印加するのではなく、一旦二次電池に全て貯蔵し、負荷に対しては二次電池から給電するように構成されている。
【００１４】
したがって、風速の３乗に比例するため従来の定格風速を超えると急激に増加する風力エネルギーは、発電に利用できる限り全て電気エネルギーに変換して二次電池に蓄電して使えるので、従来のように定格運転により出力品質を維持するためせっかく発生した風のエネルギーの大部を逃がすようなことはなく、風力発電の効率が大幅に向上する。
【００１５】
また、風力エネルギーは風速の３乗に比例するため、強風下で発生する風の乱れは風力発電に大きな出力変動をもたらすが、本発明の風力発電装置では、風が息をするために発生する出力変動は全て二次電池に吸収されて、負荷に影響を与えない。従来は、風車の回転による出力を電力変換しただけで系列に供給していたので電力品質を一定にするため風速が大きいときにも風車回転数を調整して風力エネルギーの大きな部分を逃がしていたが、本発明の風力発電装置では出力が電力系列に供給される場合にも蓄電装置を介して供給するので、風速変動があっても供給電力の品質は変化しない。
なお、安全のため、予め決めたカットアウト風速、たとえば２５ｍ／ｓを超えたときに風車翼の回転を停止させることは従来と同じである。
【００１６】
また、従来、風力発電装置を適切に運転するためには、最適効率特性や風速とピッチ角の関数など特殊な特性曲線に基づいた高度な制御を実行するため、ＣＰＵなどを使用した複雑な制御装置を装備する必要があった。しかし、本発明の風力発電装置では、風車で発生する電力を全て二次電池に充電し、負荷には二次電池からインバータを介して電力供給するだけなので、簡単な部品だけで構成することができる。
ただし、風速に適合して最大の発電効率をもたらすようなピッチ角に回転翼を調整する調整機構を付属してもよいことはいうまでもない。
【００１７】
なお、二次電池は大容量かつ大出力であることがこのましく、たとえば、特許文献３から５に記載されているような、三次元構造のニッケル水素二次電池を用いることができる。
本発明の風力発電装置は、強風領域の風力エネルギーを十分活用して大容量の発電を行うことができ、発電単価も低下する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例に係る風力発電装置の概要を示すブロック図である。図２は本実施例における出力特性図である。
【実施例１】
【００１９】
本実施例の風力発電装置は、風車１と、この風車１の軸に接続され風車に回転されるロータを有する交流発電機２と、この交流発電機２に接続された交流直流変換器３と、この交流直流変換器３の出力端子に接続された二次電池４と、この二次電池４と接続された直流交流変換器５からなり、この直流交流変換器５に負荷６あるいは系統を接続して使用される。
【００２０】
風車１は、風を受けると風速の３乗に比例した回転数で回転し、交流発電機２のロータを回転させる。交流発電機２はロータの回転により交流電力を出力する。交流発電機２の交流出力は交流直流変換器３で二次電池４に充電できる直流電力に変換されて、二次電池４を充電する。
【００２１】
従来の風車は、定格風速以上では、ピッチ角制御により発電を抑制して定格電力を発生させるようにしていた。しかし、本実施例の風力発電装置では、風車１の回転を定格電力で制限する必要はなく、風に任せて回転させ、発電した電力は全て直流化して二次電池４に蓄電するので、風力エネルギーを無駄なく活用する。なお、発電電力を直接負荷に供給して、余った余剰電力を二次電池に蓄電するようにすることもできる。
【００２２】
二次電池４は、三次元構造を有するニッケル水素二次電池で、電子を遮断しイオンを透過する膜で仕切って積層化した陽極容器と陰極容器にそれぞれ電解質溶液を充填し、各容器の溶液中にそれぞれ電子を放出する活物質粉体と電子を吸収する粉体を懸濁し活物質に対する接触面積を増大させて大出力化し大容量化したものを利用することができる。
このニッケル水素電池は、従来のニッケル水素電池と比較して、容量は１００〜１０００倍、出力も１００〜１０００倍に増加させることができる。
したがって、風の乱れなどによる急速な出力変動も容易に吸収することができ、また夜間などの不需要期における大量な電力発生など電力需給のアンバランスも容易に吸収することができる。
【００２３】
二次電池４の出力端子は直流交流変換器５に接続されている。直流交流変換器５は、直流電力を昇圧する直流昇圧器と、昇圧した直流電力を適当な周波数の交流に変換するスイッチングレギュレータを備えて、二次電池４の直流電力を負荷６に適合した電圧および周波数を備えた交流電力に変換して、負荷６に供給する。
なお、図示していないが、負荷６に代えてあるいは負荷６と共に、系統に供給するようにしても良い。
【００２４】
図２は本実施例の風力発電装置の概念的な出力特性図である。横軸は風速、縦軸は発電出力を表わす。
カットイン風速に達する前の、たとえば５ｍ／ｓ以下の微風速では風車を回転させず、出力はゼロになる。カットイン風速以上では、風力エネルギーが風速の３乗に比例して増大し、装置で得られる電力は風速が大きくなるに連れて急激に増大する。
ただし、風車１の風車翼は高速回転すると破損する怖れがあるので、設計上決められるたとえば２５ｍ／ｓなどのカットアウト風速の風が吹いたときは、安全のため風車翼の面を風に対して平行に立てて風をやり過ごし、回転力を受けないようにして停止させる。
【００２５】
なお、従来装置では、図中点線で示したように、たとえば１２ｍ／ｓ程度のところに系列に供給できるような定格運転領域が設定され、この領域では発電電力の品質を仕様に合わせるためピッチ角制御をして一部のエネルギーを利用しないで逃がしている。このとき無駄に捨てる風力エネルギーは風速が増大するにしたがって急激に増大し、単純化して言えば、たとえば風速２４ｍ／ｓの場合には７／８が捨てられることになる。
【００２６】
本実施例の風力発電装置では、風車１で発生する交流電力を全て直流化して一旦二次電池４に貯蔵して、二次電池４に蓄積された直流電力を負荷に適合した交流に変換して供給するので、風車１の回転変動による周波数変動や風の乱れなどに起因する電力変動が負荷や系統への供給電力に現れることが無く、高品質の電力供給ができる。
また、定格運転を行う必要がないため、従来装置のような無駄なエネルギー放棄がない。したがって、本実施例の風力発電装置は、エネルギー効率を画期的に向上させる。
【００２７】
さらに、従来の高度な制御を行う装置と比較して、本実施例の風力発電装置は制御論理が単純なため制御回路も簡単で、装置全体をより経済的に構成することができる。
なお、風速に適合して最大の発電効率をもたらすピッチに調整する調整機構を付属することにより、さらに効率を向上させるようにしてもよいことはいうまでもない。
なお、高速風速領域において風力エネルギーを十分活用した発電を可能にするためには、従来より出力の大きい発電機を導入する必要があるが、風車の構造自体はそれほど大幅な変更は要らない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る風力発電装置の例を示すブロック図である。
【図２】本実施例における出力特性を説明する特性図である。
【図３】従来の風力発電における出力特性図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  風車
２  交流発電機
３  交流直流変換器
４  二次電池
５  直流交流変換器
６  負荷
【図１】
2007154720.tif 000003
【図２】
2007154720.tif 000004
【図３】
2007154720.tif 000005