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技術 流体発電装置

出願人 学校法人東海大学
発明者 関和市
出願日 2001年11月8日 (17年8ヶ月経過) 出願番号 2001-342927
公開日 2003年5月23日 (16年1ヶ月経過) 公開番号 2003-153595
状態 特許登録済
技術分野 風車 発電機の制御
主要キーワード 作動エネルギー 支持翼 翼回転軸 出力ピーク値 起動モータ 風速検出 ブロック線 流速信号
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この項目の情報は公開日時点(2003年5月23日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

作動流体エネルギー駆動源とする流体発電装置において、流速及び回転数の変動への対処を可能とし、また、作動流体の各流速における最大出力を得て、発電量の増大を図る。

解決手段

実測の周速比と基準の周速比とを比較し、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいときは、発電機を無負荷として翼回転軸の回転数を基準の周速比が持つ回転数へ回復させるように構成する。また、流速と回転数から算出した周速比に基づき発電機の運転を制御し、各流速における最大出力を得るように構成する。

概要

背景

作動エネルギー駆動源として発電を行う流体発電装置として、近年、風力エネルギーを利用した風力発電が見直されている。この風力発電装置については、微風から強風までの広い範囲の風力エネルギーを利用できるようにすることに対する要望が高まっている。

風力発電装置は、風車の回転によって駆動される発電機と、発電機からの給電によって充電される蓄電池等から構成され、風車の回転によって、蓄電池に充電しながら電気機器等の負荷に対し、給電することができるように構成されている。

概要

作動流体エネルギーを駆動源とする流体発電装置において、流速及び回転数の変動への対処を可能とし、また、作動流体の各流速における最大出力を得て、発電量の増大を図る。

実測の周速比と基準の周速比とを比較し、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいときは、発電機を無負荷として翼回転軸の回転数を基準の周速比が持つ回転数へ回復させるように構成する。また、流速と回転数から算出した周速比に基づき発電機の運転を制御し、各流速における最大出力を得るように構成する。

目的

本発明は、発電機を周速比に基づき制御することによって、風等の作動流体の流速及び回転数の変動への対処を可能とし、また、各流速における最大出力を得ることができる流体発電装置を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
9件

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請求項1

作動流体エネルギー駆動源として回転する翼回転軸へ連結した発電機と、発電機へ接続した蓄電池を含む負荷装置とを備えた流体発電装置において、作動流体流速に基づく流速信号と前記翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出した実測の周速比と、前記流体発電装置における作動流体エネルギー変換効率が最大となる基準の周速比とを比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づき前記負荷装置をオンオフ制御する負荷制御手段とを備えたことを特徴とする流体発電装置。

請求項2

前記実測の周速比と前記基準の周速比とを前記比較手段で比較し、前記実測の周速比が基準の周速比よりも小さいときは、前記負荷制御手段により前記発電機を無負荷とし、前記翼回転軸の回転数を前記基準の周速比が持つ回転数へ回復するように構成したことを特徴とする請求項1記載の流体発電装置。

請求項3

前記負荷装置の蓄電池が満充電となったときは、前記負荷装置をオフ状態とすると同時に、ダミー負荷を前記発電機へ接続するように構成したことを特徴とする請求項1又は2記載の流体発電装置。

請求項4

作動流体エネルギーを駆動源として回転する翼回転軸へ連結した発電機を備えた流体発電装置において、作動流体の流速と前記翼回転軸の回転数から算出した周速比に基づき前記発電機の運転を制御する制御手段を設け、作動流体の各流速における最大出力を得るように構成したことを特徴とする流体発電装置。

請求項5

前記発電機の運転を制御する制御手段は、作動流体の流速と前記翼回転軸の回転数における出力ピーク値を過ぎた高めの回転数に基づき算出した周速比を用いて発電機の運転を制御するように構成したことを特徴とする請求項4記載の流体発電装置。

技術分野

0001

本発明は、風等の作動流体エネルギー回転エネルギーに変換し、電気エネルギーとして利用する流体発電装置に関するものである。

背景技術

0002

作動エネルギー駆動源として発電を行う流体発電装置として、近年、風力エネルギーを利用した風力発電が見直されている。この風力発電装置については、微風から強風までの広い範囲の風力エネルギーを利用できるようにすることに対する要望が高まっている。

0003

風力発電装置は、風車の回転によって駆動される発電機と、発電機からの給電によって充電される蓄電池等から構成され、風車の回転によって、蓄電池に充電しながら電気機器等の負荷に対し、給電することができるように構成されている。

発明が解決しようとする課題

0004

従来の上述したような風力発電装置においては、微風時にあっても、風車にとって負荷となる発電機が連結されたままの状態であり、風の変動に応じて自動的に発電機を切り離し、風車の回転の回復を待って再び連結するような制御機能は備えていない。

0005

また、蓄電池が満充電状態にあるときに、強い風がある場合、風車を機械的に制動したり、発電機の出力を短絡して発電制動をかけたりして、風車の過回転を予防していた。しかし、発電機の出力を短絡する瞬間に発電機が無負荷となって、風車の回転が過大となる虞があった。

0006

本発明は、発電機を周速比に基づき制御することによって、風等の作動流体流速及び回転数の変動への対処を可能とし、また、各流速における最大出力を得ることができる流体発電装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0007

上記の目的を達成するために、本発明の流体発電装置においては、作動流体エネルギーを駆動源として回転する翼回転軸へ連結した発電機と、発電機へ接続した蓄電池を含む負荷装置とを備えた流体発電装置において、作動流体の流速に基づく流速信号と翼回転軸の回転数に基づく回転数信号から算出した実測の周速比と、流体発電装置における作動流体エネルギー変換効率が最大となる基準の周速比とを比較する比較手段と、この比較手段の比較結果に基づき負荷装置をオンオフ制御する負荷制御手段とを備えたものである。

0008

また、実測の周速比と基準の周速比とを比較手段で比較し、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいときは、負荷制御手段により発電機を無負荷とし、翼回転軸の回転数を基準の周速比が持つ回転数へ回復するように構成することが効果的である。

0009

さらに、負荷装置の蓄電池が満充電となったときは、負荷装置をオフ状態とすると同時に、ダミー負荷を発電機へ接続するように構成することが好ましい。

0010

また、作動流体エネルギーを駆動源として回転する翼回転軸へ連結した発電機を備えた流体発電装置において、作動流体の流速と翼回転軸の回転数から算出した周速比に基づき発電機の運転を制御する制御手段を設け、作動流体の各流速における最大出力を得るように構成したものである。

0011

また、発電機の運転を制御する制御手段は、作動流体の流速と翼回転軸の回転数における出力ピーク値を過ぎた高めの回転数に基づき算出した周速比を用いて発電機の運転を制御するように構成することが効果的である。

発明を実施するための最良の形態

0012

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図1に示す実施例は、作動流体エネルギーとして、風力エネルギーを回転エネルギーに変換し、電気エネルギーとして利用する風力発電装置を構成している。この図1において、風車1は、例えば、3枚の直線翼2を持ち、それぞれの直線翼2は、上下2枚の支持翼3によって翼回転軸4へ一体的に取り付けられている。この翼回転軸4には、同期発電機三相交流)等の発電機5が変速機6を介して連結されている。また、翼回転軸4には、制動用ブレーキ7と風車1の回転数を検出する回転検出部8が設けられている。

0013

回転数検出部8は、風車1の回転数を回転計発電機及びフォトセンサフォトボルト・コンバータによる計測の両方によって検出している。この検出した回転数信号は、制御回路9へ入力される。また、風速は、風速計等から成る風速検出部10で検出され、この検出した風速信号は、制御回路9へ入力される。

0014

図2は、図1の制御回路9の要部を示すもので、翼回転軸4の回転数は、回転数検出部8で検出され、その回転数信号は、制御回路9の実測の周速比を算出する周速比算出回路91へ入力される。また、風速検出部10で検出された風速信号も、同様に、制御回路9の実測の周速比算出回路91へ入力される。

0015

実測の周速比算出回路91においては、翼回転軸4の回転数に基づく回転数信号と、風速に基づく風速信号から実測の周速比が算出される。この算出された実測の周速比は、比較回路(比較手段)92へ入力される。さらに、この比較回路92には、基準の周速比が入力される。この基準の周速比は、図1の風力発電装置における風力エネルギー変換効率が最大となる周速比にあらかじめ設定されている。

0016

実測の周速比と基準の周速比が入力された比較回路92は、その比較結果に基づき負荷制御回路96へ制御信号を入力する。この時、比較回路92において、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいと判定したときは、比較回路92から負荷制御回路96に対して、負荷装置11の蓄電池111と発電機5の電気的接続オフとする指令を出す。負荷制御回路96は、切替器96に発電機5を無負荷とする切り替え動作をさせる。この発電機5を無負荷にする動作は、例えば、アンロードバルブを用いることによる容易に行うことができる。

0017

このように、実測の周速比が基準の周速比よりも小さいときには、発電機5を無負荷とし、翼回転軸4に対する負荷を軽減する。この動作は、翼回転軸4の回転数が基準の周速比が持つ基準の回転数に回復するまで継続される。このことによって、風車1の回転起動を著しく早くすることができ、風速及び回転数の変動に敏感に対処することが可能となり、発電効率の改善が図られ、結果的に、風力発電装置の稼働率の向上を実現できる。

0018

また、負荷装置11は、蓄電池111が満充電状態にあるときは、過電圧検出回路112の出力により、切替器113を切り替え動作させ、蓄電池111への給電を停止すると同時に、ダミー負荷114を接続する。このダミー負荷114の接続によって、発電機5は、無負荷状態とはならず、適切な電気制動をかけることができる。したがって、発電機5に連結した翼回転軸4、すなわち、風車1の過回転域に入ることを防止でき、風車1の直線翼2等の破損を防止することができる。このダミー負荷114としては、例えば、ライト点灯させ、あるいは、ヒーターを接続して熱回収用のヒーターとして作動させる等を実施することにより、蓄電池111の満充電が解除されるまでの余剰電力を有効に活用することができる。

0019

さらに、図1に示す実施例において、風速Vと翼回転軸4の回転数Nから算出した周速比β(β=回転数N又はロータ周速/風速V)に基づき発電機5の運転を制御するように構成している。ロータ周速は2πRN(Rは半径)であり、2πRを一定とすれば回転数Nで代用される。具体的には、図5に示すように、例えば、風速V=9メートル毎秒のピーク値イ点を過ぎた高めの回転数のロ点(β=4.5)で回転翼4へ発電機5を連結すると、回転軸4に対して負荷として働き、翼回転軸4の回転数Nは、図5の半時計方向へ向かう矢印で示すように回転数を減少し、出力のピーク値イ点へセットされる。

0020

この時、周速比β=4.5を用いたのは、図4に示すように、風車1の最大効率が実測上、ほぼ周速比β=4.5の時に得られているので、運用は、この周速比の前後で行うことが望ましい。このように、周速比βに基づき発電機5の制御を行うことにより、図4及び図5に示すように、常にピーク値イ点で発電機5の運転を行うことができ、各風速に応じた最大出力を得ることが可能となる。

0021

図3は、図1に示す風力発電装置の制御系統を示し概念図である。この実施例の制御システムは、上述した本発明に係わる制御手段を含む3つの機能を備えている。それらは、起動及び加速機能と、周速比制御機能と、制動機能である。風速の検出は、上述したように、風速計等から成る風速検出部10で行い、風車1の回転数は、回転計発電機及びフォトセンサとフォトボルト・コンバータによる計測の両方を備えた回転検出部8によって検出されている。これらの風速信号及び回転数信号は、電圧比較器12と論理回路13によって処理され、制御信号として出力される。

0022

起動及び加速機能は、風速がある最低値を超え、かつ風車1の周速比が設定値より低い時、起動モータを作動させるように構成している。また、周速比例制御は、周速比が最高値よりも低い時、アンロードバルブを作動して発電機5を無負荷状態とするように構成している。この状態は、風車1の回転数が基準の回転数に回復するまで継続し、回転数の変動に対処することができる。

0023

制動機能は、2つの機能を備えている。それらは、通常制動機能と非常制動機能である。通常制動機能は、風速が設計運用風速の最大値を超えるときに空気ブレーキを作動させるように構成している。また、非常制動装置は、風車1の設計運用回転数が最大を超えた時、あるいは、2つの回転検出部8からの検出信号が異常になったときのいずれにおいても、ブレーキを作動させるように構成している。

0024

制動系統は、カットアウト風速による制動系と、風車1の過回転による非常用制動系とで構成している。特に、安全上重要となる回転数の検出については、系を二重として、回転数の異常を検出する自己診断機能を備えている。

0025

上記の実施例では、風力発電装置について説明したが、これに限るものではなく、本発明の流体発電装置を水力その他の発電システムに適用することができる。また、太陽発電複合して同時に実施することができ、ハイブリットな発電システムを提供することができる。

0026

また、上記の流体発電装置は、発電出力、回転数、流速等の運転状況を示す種々の観測データ、あるいは、運転状況を監視できる映像データ等を衛星通信あるいはインターネット等の通信手段を利用して、地球上のいかなるサイトでも監視でき、双方向で運転操作を行うことができる制御手段を搭載することも可能である。また、高い建物側壁において回転軸4を垂直ではなく水平にして使用することも可能である。また、支持翼3に代えて支持部としての円板を用いることも可能である。また、上記した各構成は流体発電方法としても有効なものである。

発明の効果

0027

以上説明したように構成されているので、本発明の請求項1記載の発明によれば、風速及び回転数の変動に適確に対処することが可能となり、発電効率の改善を図ることができ、結果的に、流体発電装置の稼動効率の向上と発電量の増大を実現することができる。

0028

また、請求項2記載の発明によれば、流速が基準レベルよりも小さくなったときに、自動的に発電機を無負荷として翼回転軸の負担を軽減すると同時に、この無負荷状態を基準の回転数に回復するまで継続することができ、流速及び回転数の変動に適確に対処することが可能となり、流体発電装置の稼働率の向上と発電量の増大を実現することができる。

0029

さらに、請求項3記載の発明によれば、蓄電池が満充電のため発電機からの給電停止すると同時に発電機へダミー負荷を接続することにより、発電機は無負荷状態とはならず、適切な電気制動をかけることができ、高速回転時における回転機構部の破損事故を防止することができる。また、ヒーター等をダミー負荷として使用することにより、蓄電池の満充電が解除されるまでの余剰電力を有効に活用することも可能となる。

0030

また、請求項4記載の発明によれば、流速と回転数から算出された周速比に基づき発電機の運転を制御することにより、作動流体の各流速における最大出力を得ることが可能となり、発電効率の改善を図ることができ、流体発電装置の稼動効率の向上と発電量の増大を実現することができる。

0031

さらに、請求項5記載の発明によれば、作動流体の流速と回転数における出力ピーク値を過ぎた高めの回転数に基づき算出した周速比を用いて発電機の運転を制御することにより、発電機の運転を常に発電効率のピーク値で行うことが可能となり、各流速における最大出力を得ることができ、発電効率の改善と発電量の増大を図ることができる。

図面の簡単な説明

0032

図1本発明の実施例を示すブロック線図である。
図2制御回路のブロック線図である。
図3制御系統を示す概念図である。
図4発電効率を周速比に対して示した特性図である。
図5周速比制御の一例を示す特性図である。

--

0033

1風車
2直線翼
3支持翼
4翼回転軸
5発電機
8回転数検出部
9 制御部
10風速検出部
11負荷装置
91 実測の周速比算出回路
92 比較手段(比較回路)
93 基準の周速比算出回路
96負荷制御回路
111蓄電池
114 ダミー負荷

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