(57)【要約】【課題】既設の風力発電装置にも適用可能であり、かつ風力発電装置の発電効率を低下させずに風車に風力を供給する。【解決手段】風力発電システム１は、風力を利用して風車１２を回転させ、風車１２の回転力を発電機１０１で電気エネルギーに変換し、得られる電力を電力系統設備に供給する風力発電装置１０と、発電機１０１により生成される電力の少なくとも一部を使用して風車１２に風力を供給する補助風力装置２０と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2017008811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力を利用して風車を回転させ、前記風車の回転力を発電機で電気エネルギーに変換し、得られる電力を電力系統設備に供給する風力発電装置と、
前記発電機により生成される電力の少なくとも一部を使用して前記風車に風力を供給する補助風力装置と、
を備えたことを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
前記風力発電装置は、前記発電機で生成された電力を蓄電する蓄電池を更に有し、
前記補助風力装置は、前記蓄電池に蓄電された電力の少なくとも一部を使用して前記風車に風力を供給することを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記風力発電装置は、前記発電機又は前記蓄電された電力を分配する分配手段を有し、
前記分配された電力の一方を前記電力系統設備に供給し、他方を前記補助風力装置の電力源として供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記風力発電装置は、
風力変動による発電量の変動を調整する電力安定用パワーコンディショナを備え、
前記電力安定用パワーコンディショナは、
前記風車に風速１５〜３０［ｍ／ｍ］の自然風を検知した状態で、前記電力系統設備に供給する電力を１〜１００［ｋｗ］以内に抑制し、前記補助風力装置に対して１〜１００［ｋｗ］の電力を供給することを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記風力発電装置は、前記風車に対する自然風の風向きを検出する風向き検出センサを備え、前記補助風力装置は、前記風向き検出センサで検出された前記風向きに応じて自装置が有する風車の角度調整を行う角度調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記補助風力装置は、前記風力発電装置の風車に対する自然風の風向きに応じて、前記風車に対し、前記分配された電力により生成される風力を噴出し、又は吸い込む駆動手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項７】
前記風力発電装置は、前記風車に対する自然風の風速を検出する風速センサを更に備え、
前記駆動手段は、前記風速センサで検出された風速が所定値を超えた場合、前記補助風力装置が有する風車の回転を機械的又は電子的にロックすることを特徴とする請求項６に記載の風力発電システム。
【請求項８】
前記補助風力装置は、前記風車の外周側に、前記風力発電装置の風車に対して一定量の風力を提供する、所定の角度を有する風除け板を更に有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーである風力を利用して風車を回転させ、この風車の回転力を利用して発電機により発電し、自然エネルギーである風力に基づく電力を得て各設備に電力供給を行う風力発電装置が知られている。
【０００３】
ところで、風力発電装置で使用される風車は代表的には２つのタイプに分かれ、プロペラのように風車の回転軸が風に対して水平なタイプの「水平軸型」と、風車の回転軸が風に対して垂直なタイプの「垂直軸型」が存在する。「垂直軸型」は、例えば、ダリウス型風車、直線翼垂直軸型風車、サボニウス型風車等が挙げられる。
【０００４】
近年主流になっているのは、水平軸型であるが、垂直軸型、特に、直線翼垂直軸型風車は、水平軸型に比べて翼の周速が遅くて騒音が出にくく、風向きに関係なく回転する無指向性であり、かつ構造がシンプルで低コストであり、発電機を地上に設置できるため、自由度が高いといわれている。
【０００５】
しかしながら、直線翼垂直軸型風車は、風車の起動時（回り始め）に一定量以上の風力が必要であり、いわゆる自己機動性が低い。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に、風力発電装置において、風力発電装置の発電効率を低下させずに風車の起動を従来よりも低い風速で開始させる起動補助装置が提案されている。
【０００７】
特許文献１によれば、自然風を捉えて回転する風車と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電された電気エネルギーを蓄える蓄電池を備えた風力発電装置において、風車の正回転方向に対して負荷として作用するトルクを伝達しない起動補助装置に関する技術が開示されている。
【０００８】
特許文献１に開示された技術を適用すれば、起動補助装置は風車の正回転方向に負荷として作用するトルクを伝達しないで風車の起動補助を行うことができるため、風力発電装置の発電効率は低下しない。しかしながら、様々な仕様を持つ既設の風力発電装置には適用が困難であるため新規に設置する風力発電装置のみが対象となり、設置するには、相当のコストと時間とを要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１００５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明では、上記のような課題に鑑み、既設の風力発電装置にも適用可能であり、かつ風力発電装置の発電効率を低下させずに風車に風力を供給することが可能な風力発電システム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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の風力発電システムは、以下のような解決手段を提供する。
【００１２】
風力を利用して風車を回転させ、前記風車の回転力を発電機で電気エネルギーに変換し、得られる電力を電力系統設備に供給する風力発電装置と、前記発電機により生成される電力の少なくとも一部を使用して前記風車に風力を供給する補助風力装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記風力発電装置は、前記発電機で生成された電力を蓄電する蓄電池を更に有し、前記補助風力装置は、前記蓄電池により蓄電された電力の少なくとも一部を使用して前記風車に風力を供給することを特徴とする。
【００１４】
また、前記風力発電装置は、前記発電機又は前記蓄電された電力を分配する分配手段を有し、前記分配された電力の一方を前記電力系統設備に供給し、他方を前記補助風力装置の電力源として供給することを特徴とする。
【００１５】
また、前記風力発電装置は、風力変動による発電量の変動を調整する電力安定用パワーコンディショナを備え、前記電力安定用パワーコンディショナは、前記風車に風速１５〜３０［ｍ／ｍ］の自然風を検知した状態で、前記電力系統設備に供給する電力を１〜１００［ｋｗ］以内に抑制し、前記補助風力装置に対して１〜１００［ｋｗ］の電力を供給することを特徴とする。
【００１６】
また、前記風力発電装置は、前記風車に対する自然風の風向きを検出する風向き検出センサを備え、前記補助風力装置は、前記風向き検出センサで検出された前記風向きに応じて自装置が有する風車の角度調整を行う角度調整手段を有することを特徴とする。
【００１７】
また、前記補助風力装置は、前記風力発電装置の風車に対する自然風の風向きに応じて、前記風車に対し、前記分配された電力により生成される風力を噴出し、又は吸い込む駆動手段を更に備えることを特徴とする。
【００１８】
また、前記風力発電装置は、前記風車に対する自然風の風速を検出する風速センサを更に備え、前記駆動手段は、前記風速センサで検出された風速が所定値を超えた場合、前記補助風力装置が有する風車の回転を機械的又は電子的にロックすることを特徴とする。
【００１９】
また、前記補助風力装置は、前記風車の外周側に、前記風力発電装置の風車に対して一定量の風力を提供する、所定の角度を有する風除け板を更に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、既設の風力発電装置にも適用可能であり、かつ風力発電装置の発電効率を低下させずに風車に風力を供給する風力発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る風力発電システムのイメージ図である。
【図２】本発明の第１実施の形態に係る風力発電システムの電気系統の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る風力発電システムのイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以降の図においては、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号又は符号を付している。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る風力発電システムのイメージ図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る風力発電システムの電気系統の構成を示すブロック図である。以下では上記のシステムを「本システム」と呼ぶことにする。
【００２４】
（第１実施形態）
図１、図２に示すように本システム１は、風力発電装置１０と、風力発電装置１０とは例えばＰＬＣ（電力線搬送通信）を用いた電力線３０を介して接続される補助風力装置２０とにより構成される。風力発電装置１０は、風力を利用して風車１２を回転させ、風車１２の回転力を発電機１０１で電気エネルギーに変換し、得られる電力を図示省略した電力系統設備に供給する。また、補助風力装置２０は、風力発電装置１０の風車１２に補助風力を供給する。
【００２５】
（風力発電装置）
まず、風力発電装置１０の構造について説明する。風力発電装置１０は、垂直に設置される中空の支持用の支柱１１と、支柱１１の上部には、回転の中心軸（回転軸１３）を中心とする等角度間隔（１２０°間隔）に略長方形の板状をした風車１２が取り付けられている。ここでは、「垂直軸型」の直線翼垂直軸型風車を例示して説明するが、他の「垂直軸型」やプロペラタイプの「水平軸型」でも適用可能である。
【００２６】
支柱１１の基端部には、発電設備１４が設置され、その発電設備１４内に発電機１０１が設けられており、更に、発電機１０１で生成された電力を蓄電する蓄電池１０５が接続されている。
【００２７】
風力発電装置１０は、風力により風車１２が稼動し、風車１２の稼動によって、風車１２と連動する回転軸１３が回転し、その回転軸１３を介して発電機１０１の回転子に伝達され、その回転子が回転することにより発電が行われる。そして、発電された電力は、蓄電池１０５に供給されて一時的に蓄電される。蓄電された電力は、一方を電力系統設備に供給し、他方を補助風力装置２０の電力源として電力線３０を介して供給する。なお、電力線３０は、電力を送信する他に、風力発電装置１０と補助風力装置２０との間の通信手段としての役割を担う。ここで使用する技術は、公知の技術、例えばＰＬＣ(電力線搬送通信)を用いるものとし、その詳細は省略する。
【００２８】
（補助風力装置）
補助風力装置２０は、垂直に設置される中空の支持用の支柱２１と、支柱２１の上端部には、例えば、プロペラ型の風車２２が接続されている。風車２２の素材は、アルミニウム合金やチタニウム合金等の軽金属、あるいは繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の複合材等の材質で形成されている。また、風車２２の後端部には、機械室であるナセル２３が形成されている。ナセル２３内には、風車２２を回転させる機構である電動機２０２等が格納されている。
【００２９】
補助風力装置２０は、風力発電装置１０から供給される少なくとも一部電力を駆動源として風車２２を回転させる。補助風力装置２０は、風力発電装置１０に備えられた後述するセンサ群１０６の一つである風速センサ１０７と風向き検出センサ１０８によって検出される、風車１２に供給される自然風の風速と風の向きを受信し、例えば、風速１５〜３０［ｍ／ｍ］の場合に風車２２を駆動させる。また、補助風力装置２０は、風向き検出センサ１０８で検出された風向きに応じて、風車２２の角度を傾けて適切な角度で風力を送風し、風力発電装置１０の風車１２の回転を補助する。そして、例えば、風速センサ１０７が風速３１［ｍ／ｍ］以上の自然風を検知すると、風車２２の駆動を停止する。
【００３０】
ここで、風速１５〜３０［ｍ／ｍ］の場合に風車２２を駆動させ、風速３１［ｍ／ｍ］以上の自然風で風車２２の駆動を停止するように制御する構成としたのは、発明者らの評価実験の結果によるものである。更に、発明者らの評価実験によれば、補助風力装置２０の高さは、風力発電装置１０の風車１２と略同様の高さが適切であった。この場合、風力発電装置１０と補助風力装置２０との間の離間距離は、０．５ｍ〜１ｍ以内が好ましいという結果が得られた。なお、風力発電装置１０と補助風力装置２０の高さ、離間距離は、設置状況に応じて可変可能である。
【００３１】
また、補助風力装置２０の風車２２の外周側に、風力発電装置１０の風車１２に対して、一定量の風力を提供するために所定の角度を有する風除け板２４が形成されている。なお、風除け板２４は、風速、風向きに応じて、角度を可変することが可能である。
【００３２】
図２に、図１の風力発電システムの電気系統の構成がブロック図で示されている。図２に示すように、風力発電装置１０は、発電機１０１と、風力発電用コンバータ１０２と、電力安定用パワーコンディショナ１０３と、分配器１０４と、蓄電池１０５と、センサ群１０６と、により構成される。
【００３３】
発電機１０１に接続される風力発電用コンバータ１０２は、ＡＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＡＣコンバータとを含み、ＡＣ／ＤＣコンバータで発電機１０１の出力は直流に変換され、更に、ＤＣ−ＡＣコンバータで交流に変換され、その電力は、電力安定用パワーコンディショナ１０３を介して蓄電池１０５に貯蔵されるか（自律運転）、あるいは、電気事業者の信号に同期させて売電される（系統連携）。
【００３４】
電力安定用パワーコンディショナ１０３は、風力変動による発電量の変動を調整する。具体的には、電力系統の電圧変動や周波数変動が誘発されて電力品質の低下を招くために、その変動分を吸収する補償用として風力発電用コンバータ１０２に接続される。また、電力安定用パワーコンディショナ１０３の出力には分配器１０４（分配手段）が接続されており、ここで分配される電力の一方は上記のように電力系統設備に供給され、他方は補助風力装置２０の電力源として供給される。
【００３５】
電力安定用パワーコンディショナ１０３は、風車２２に風速１５〜３０［ｍ／ｍ］の自然風を検知した状態で、電力系統設備に供給する電力を１〜１００［ｋｗ］以内に抑制し、補助風力装置２０に対して１〜１００［ｋｗ］の電力を供給するものとする。例えば、電力系統設備に対し２５［ｋｗ］、補助風力装置に対して２０［ｋｗ］の電力供給が好ましい。
【００３６】
蓄電池１０５は、鉛蓄電池やリチウム電池等で構成され、用途に合わせて選択される。蓄電池１０５は、電力安定用パワーコンディショナ１０３によりその充放電が制御され、風力発電を安定化させている。
【００３７】
センサ群１０６は、少なくとも、風速センサ１０７と、風向き検出センサ１０８を含む。風速センサ１０７は、風車１２に対する自然風の風速を検出し、風向き検出センサ１０８は、風車１２に対する自然風の風向きを検出し、共に電力線３０経由で補助風力装置２０の駆動手段２０１に供給され、電動機２０２の回転を制御する。
【００３８】
補助風力装置２０は、駆動手段２０１と、電動機２０２と、電力供給手段であるバッテリ２０３と、により構成される。
【００３９】
駆動手段２０１は、風力発電装置１０から供給された電力を電力源として、電動機２０２を駆動させる。また、駆動手段２０１は、風力発電装置１０の風速センサ１０７で検出された風速が所定値（風速１５〜３０［ｍ／ｍ］）の場合、補助風力装置２０の風車２２を回転駆動させる。それ以上の風速を検知すると、駆動手段２０１は、風車２２の回転を停止することは上記した通りである。
【００４０】
また、駆動手段２０１は、センサ（風速センサ１０７）で検出された風速が所定値（例えば、２５ｍ／ｓ以上）を超えた場合、風車２２の向きを変える、又は風車２２の回転をロックする等の機能も有する。なお、ロックは、機械的、電子的なロックのいずれでもよい。
【００４１】
また、駆動手段２０１は、風力発電装置１０の風向き検出センサ１０８で検出された風向きに応じて風力発電装置１０の風車１２に対して、分配された電力により生成される風力を噴出し、又は吸い込む機構も有する。
【００４２】
また、駆動手段２０１は、風向き検出センサ１０８で検出された風向きに応じて自装置が有する風車２２の角度調整を行う角度調整手段も有する。
【００４３】
電動機２０２は、例えば、交流モータであり、駆動手段２０１からの駆動指示により、ギヤを介して回転軸を回転させ、支柱２１の上方に接続されている風車２２を回転させる。
【００４４】
バッテリ２０３は、風力発電装置１０の分配器１０４から供給される電気エネルギーの代わりに別途電気エネルギーを供給する機能を有する。例えば、風力発電装置１０の新設時には、蓄電池の電力が乏しいため、予備電源としての電力供給、緊急時（例えば、分配器故障、点検等）の電力源として役割を担う。
【００４５】
上記した第１実施形態によれば、分配器１０４により、風力発電装置１０の発電機１０１により生成される電力の少なくとも一部、もしくは蓄電された電力の少なくとも一部を使用して風車１２に電力を供給する補助風力装置２０を設置することで、既設の風力発電装置にも適用可能であり、かつ風力発電装置１０の発電効率を低下させずに、風車１２に風力を供給することができる。
【００４６】
また、風力発電装置１０はセンサ群１０６を備え、補助風力装置２０が、検出された風向きに応じて自装置が有する風車２２の角度調整を行うことで、あるいは、検出された風速が所定値を超えた場合、補助風力装置２０が有する風車２２の回転をロックすることにより、リアルタイムに変化する自然風の状態に応じた最適な風力供給補助が可能になる。なお、ロックは、機械的ロック、電子的ロックのいずれでもよい。
【００４７】
更に、補助風力装置２０は、風力発電装置１０の風車１２に対する自然風の風向きに応じて、自装置が有する風車２２に対し、分配された電力により生成される風力を噴出し、又は吸い込むことの制御も可能であり、また、風車１２の外周側に、風力発電装置１０の風車１２に対して一定量の風力を提供する、所定の角度を有する風除け板２４を更に有することで上記同様、リアルタイムに変化する自然風の状態に応じた最適な風力供給補助が可能になる。
【００４８】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る風力発電システムのイメージ図である。第２実施形態では、１つの支柱に複数の風車（本説明では３つ）が垂直に設置されている風力発電装置１０に風力供給補助を行う補助風力装置について説明する。図３に示すように、支柱１１に複数の風車（１２ａ〜１２ｃ）が垂直方向に所定の間隔を空けて設置されている風力発電装置１０と、それぞれの風車（１２ａ〜１２ｃ）に対応して設けられる個々の補助風力装置（２０’ａ〜２０’ｃ）と、から構成されている。風力発電装置１０の構造は、第１実施形態と同様のため、説明は省略する。
【００４９】
補助風力装置（２０’ａ〜２０’ｃ）は、箱状の形状のラック２５に格納されており、垂直に設置される中空の支持用の支柱２１’に複数設置されている。ラック２５内には、プロペラ型の風車２２’と、その風車２２’の後端部には、機械室であるナセル２３’が形成されている。ナセル２３’内には、風車２２’を回転させる機構である電動機等が格納されている。
【００５０】
電力は、最下部に設置されている補助風力装置２０’ｃに風力発電装置１０から供給される。そして、最下部の補助風力装置２０’ｃから上部に設置されている補助風力装置２０’ａ、２０’ｂに電力が送られる。
【００５１】
なお、上記した第２実施形態において、電機系統の構成は、第１実施形態と同じであるため、重複を回避する意味で説明を省略する。第２実施形態によれば、発明者らの評価によると、各補助風力装置２０の高さは、風力発電装置１０の各風車の高さと略同様の高さが適切であった。また、風力発電装置１０と補助風力装置２０の離間距離は、０．５ｍ〜１ｍ以内が好ましいという結果が得られた。なお、風力発電装置１０と補助風力装置の高さ、離間距離は、設置状況に応じて可変可能である。
【００５２】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同じ効果が得られる他に、例えば、風速、風向きに応じて、各補助風力装置（２０’ａ〜２０’ｃ）の風車２２’の角度、風力を調整することで、風力発電装置１０の風車に対して、効率のよい風力を提供することが可能となる。また、補助風力装置（２０’ａ〜２０’ｃ）を重ねて設置することによって、設置箇所の省スペース化が期待できる。
【００５３】
（実施形態の効果）
以上の説明のように本実施形態に係る風力発電システム１によれば、補助風力装置２０は、風力発電装置１０によって得られる電力の少なくとも一部を使用して風力発電装置の風車に風力を供給する。このようにすることで、既設の風力発電装置にも適用可能であり、かつ風力発電装置の発電効率を低下させずに、風車に風力を供給することができる。
【００５４】
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲に限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。
【符号の説明】
【００５５】
１      風力発電システム
１０    風力発電装置
１１    支柱
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ    風車
１３    回転軸
１４    発電設備
１０１  発電機
１０２  風力発電用コンバータ
１０３  電力安定用パワーコンディショナ
１０４  分配器
１０５  蓄電池
１０６  センサ群
１０７  風速センサ
１０８  風向き検出センサ
２０、２０’ａ、２０’ｂ、２０’ｃ    補助風力装置
２１、２１’    支柱
２２、２２’    風車
２３、２３’    ナセル
２４    風除け板
２５    ラック
２０１  駆動手段
２０２  電動機
２０３  バッテリ
【図１】
2017008811.tif 000003
【図２】
2017008811.tif 000004
【図３】
2017008811.tif 000005