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技術 風力発電方法及び風力発電装置

出願人 NTN株式会社
発明者 鈴木政彦
出願日 2016年2月24日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-033061
公開日 2017年8月31日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 2017-150378
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード 流体圧ピストン 縦主軸 機械的ロス 単相交流発電機 平均周速 上下複数箇所 繰返し制御 風速検知
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

ロータ失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電しうる風力発電方法を提供する。

解決手段

ロータ2の縦主軸5に、発電機3を、クラッチ9を介して接続し、ロータが予め定めた平均風速以下で回転している場合に、クラッチを切断してロータを空転させ、該ロータが加速して回転する特定の周速または回転速度に達したとき、クラッチを接続して発電機により発電するようにし、ロータが再度、平均風速以下で回転するようになったとき、クラッチを再度切断して、ロータが特定の周速または回転速度に達するまで空転させ、クラッチを再度接続して発電機により発電させることを繰返させる。

概要

背景

風力発電装置は、一般的に機械的ロスが大きく、かつ低風速下では、ロータ発電機のコギングトルク発電負荷のために、効率よく回転せず、発電効率は低い。この問題を解決するために、本願の発明者は、揚力型ブレードを有する風車を備える縦軸風力発電装置を開発している(例えば特許文献1、2参照)。

特許文献1、2に記載されている縦軸風力発電装置は、縦主軸を中心として互いに対向する1対の縦長揚力型ブレードを有するロータを備え、各揚力型ブレードの上下両端部に、縦主軸方向へ向かう内向き傾斜部を形成することにより、ブレードの内側面に沿って上下方向に拡散する気流を、内向き傾斜部で受止めて回転力を高めるとともに、揚力(推力)を増大させ、ロータが効率よく回転しうるようにしたものである。

概要

ロータが失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電しうる風力発電方法を提供する。ロータ2の縦主軸5に、発電機3を、クラッチ9を介して接続し、ロータが予め定めた平均風速以下で回転している場合に、クラッチを切断してロータを空転させ、該ロータが加速して回転する特定の周速または回転速度に達したとき、クラッチを接続して発電機により発電するようにし、ロータが再度、平均風速以下で回転するようになったとき、クラッチを再度切断して、ロータが特定の周速または回転速度に達するまで空転させ、クラッチを再度接続して発電機により発電させることを繰返させる。

目的

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、ロータが失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電しうる風力発電方法及び風力発電装置を提供する

効果

実績

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牽制数
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請求項1

風車ロータ主軸に、発電機を、クラッチを介して断続可能に接続し、前記ロータが予め定めた平均風速以下で回転している場合に、前記クラッチを切断して前記ロータを空転させ、該ロータが加速して回転しうる特定の周速または回転速度に達したとき、前記クラッチを接続して前記発電機により発電するようにし、前記ロータが再度、前記平均風速以下で回転するようになったとき、前記クラッチを再度切断して、前記ロータが前記特定の周速または回転速度に達するまで空転させ、前記クラッチを再度接続して前記発電機により発電させることを繰返させることを特徴とする風力発電方法

請求項2

複数のブレードを備えるロータを有する風車と、前記ロータの主軸に連係された発電機と、前記主軸と発電機との間に設けられ、主軸と発電機間の動力の伝達を断続しうるクラッチと、前記ロータの周速または回転速度を検知する回転速度検知手段と、前記ロータに向かう平均風速を検知する風速検知手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したとき、前記ロータが空転するように前記クラッチを切断し、前記回転速度検知手段が前記ロータの周速または回転速度が特定の値に達したことを検知したとき、前記クラッチを接続して前記発電機により発電するように制御し、かつ前記風速検知手段が再度予め定めた平均風速を検知したとき、前記クラッチを再度切断し、前記ロータの周速または回転速度が再度特定の値に達したとき、前記クラッチを接続して、前記発電機により発電するように繰返し制御することを特徴とする風力発電装置

請求項3

前記クラッチを電磁クラッチとしたことを特徴とする請求項2に記載の風力発電装置。

請求項4

複数のブレードを備えるロータを有する風車と、前記ロータの主軸に連係された発電機と、前記主軸と発電機との間に設けられ、主軸と発電機との間の動力の伝達を自動的に断続しうるクラッチとを備え、前記クラッチは、前記ロータが予め定めた平均風速以下で回転しているときに、前記主軸と発電機との間の動力の伝達を自動的に切断して前記ロータを空転させ、前記ロータの周速または回転速度が特定の値に達したときに自動的に接続されて、前記発電機による発電を可能とし、かつ前記ロータが再度予め定めた平均風速以下で回転するようになった場合に、再度自動的に切断されて前記ロータを空転させ、前記ロータの周速または回転速度が前記特定の値に達したときに再度自動的に接続されて、発電機による発電を可能とするように繰り返し作動するようになっていることを特徴とする風力発電装置。

請求項5

前記クラッチを、ロータの主軸の回転に伴う遠心力により自動的に断続する遠心クラッチとしたことを特徴とする請求項4に記載の風力発電装置。

請求項6

前記風車を、先端部に傾斜部を形成した複数の揚力型ブレードを有するロータを備える縦軸風車または横軸風車としたことを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の風力発電装置。

請求項7

前記平均風速が予め定めた定格平均風速を超えるか、前記ロータの周速または回転速度が予め定めた許容値を超えた場合に、ロータを減速または停止させるブレーキ装置を備えることを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の風力発電装置。

技術分野

0001

本発明は、発電効率を高めうるようにした風力発電方法及び風力発電装置に関する。

背景技術

0002

風力発電装置は、一般的に機械的ロスが大きく、かつ低風速下では、ロータ発電機のコギングトルク発電負荷のために、効率よく回転せず、発電効率は低い。この問題を解決するために、本願の発明者は、揚力型ブレードを有する風車を備える縦軸風力発電装置を開発している(例えば特許文献1、2参照)。

0003

特許文献1、2に記載されている縦軸風力発電装置は、縦主軸を中心として互いに対向する1対の縦長揚力型ブレードを有するロータを備え、各揚力型ブレードの上下両端部に、縦主軸方向へ向かう内向き傾斜部を形成することにより、ブレードの内側面に沿って上下方向に拡散する気流を、内向き傾斜部で受止めて回転力を高めるとともに、揚力(推力)を増大させ、ロータが効率よく回転しうるようにしたものである。

先行技術

0004

特許第4907073号公報
特開2011−169292号公報

発明が解決しようとする課題

0005

上記特許文献に記載の縦軸風車は、回転効率が高いので、発電が開始されるカットイン風速を低く設定しうるとともに、ロータの周速が例えば5m/sに達すると、ブレードの上下両端部の内向き傾斜部の作用とコアンダ効果により、ブレードに生じる揚力(推力)が増大し、ロータは風速を超える周速度に加速しながら回転するので、コギングトルクや発電負荷による失速が起きにくくなり、発電効率が高まるという特徴を有している。

0006

そのため、ロータが、コギングトルクや発電負荷の影響を受けやすい低風速下、例えばカットイン風速以下で回転しているときに、発電を一時的に停止してロータを空転させ、ロータがコギングトルクや発電負荷の影響を受けずに回転しうる周速または回転速度に達してから、発電するようにできれば、ロータを失速させずに発電効率をさらに高めることができる。

0007

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、ロータが失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電しうる風力発電方法及び風力発電装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0008

本発明の風力発電方法によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(1)風車のロータの主軸に、発電機を、クラッチを介して断続可能に接続し、前記ロータが予め定めた平均風速以下で回転している場合に、前記クラッチを切断して前記ロータを空転させ、該ロータが加速して回転しうる特定の周速または回転速度に達したとき、前記クラッチを接続して前記発電機により発電するようにし、前記ロータが再度、前記平均風速以下で回転するようになったとき、前記クラッチを再度切断して、前記ロータが前記特定の周速または回転速度に達するまで空転させ、前記クラッチを再度接続して前記発電機により発電させることを繰返させる。

0009

この方法によると、ロータが予め定めた平均風速以下で回転しているときに、クラッチを切断してロータを空転させ、ロータが加速しながら効率よく回転しうる特定の平均周速または回転速度に達したときに、クラッチを接続して発電機により発電しうるようにし、ロータが再度予め定めた平均風速以下で回転するようになったときに、クラッチを再度切断して、ロータが加速しながら効率よく回転しうる周速または回転速度に達するまで空転させたのち、クラッチを再度接続して、発電機により発電することを繰り返すので、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電させることができる。

0010

また、クラッチを切断すると、主軸には、発電機によるコギングトルクや発電負荷が作用しなくなり、ロータは慣性で円滑に空転し続けるので、その間に風況が少しでもよくなれば、ロータは、特定の平均周速または回転速度まで速やかに加速して効率よく回転する。従って、クラッチを切断して発電を停止させている時間が短かくて済む。

0011

本発明の風力発電装置によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(2)複数のブレードを備えるロータを有する風車と、前記ロータの主軸に連係された発電機と、前記主軸と発電機との間に設けられ、主軸と発電機間の動力の伝達を断続しうるクラッチと、前記ロータの周速または回転速度を検知する回転速度検知手段と、前記ロータに向かう平均風速を検知する風速検知手段と、制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したとき、前記ロータが空転するように前記クラッチを切断し、前記回転速度検知手段が前記ロータの周速または回転速度が特定の値に達したことを検知したとき、前記クラッチを接続して前記発電機により発電するように制御し、かつ前記風速検知手段が再度予め定めた平均風速を検知したとき、前記クラッチを再度切断し、前記ロータの周速または回転速度が再度特定の値に達したとき、前記クラッチを接続して、前記発電機により発電するように繰返し制御する。

0012

このような構成によると、制御手段は、風速検知手段が予め定めた平均風速を検知したとき、ロータが空転するようにクラッチを切断し、回転速度検知手段がロータの周速または回転速度が特定の値に達したことを検知したとき、クラッチを接続して、発電機により発電するように制御し、かつ風速検知手段が再度予め定めた平均風速を検知したときに、クラッチを再度切断し、ロータの周速または回転速度が再度特定の値に達したとき、クラッチを接続して、発電機により発電するように繰返し制御するので、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。

0013

また、クラッチを切断すると、主軸には、発電機によるコギングトルクや発電負荷が作用しなくなり、ロータは慣性で円滑に空転し続けるので、その間に風況が少しでもよくなれば、ロータは、特定の平均周速または回転速度まで速やかに加速して効率よく回転する。従って、クラッチを切断して発電を停止させている時間が短かくて済む。

0014

(3)前記(2)項において、前記クラッチを電磁クラッチとする。

0015

このような構成によると、制御手段の制御により、電磁クラッチを正確に、かつ短時間で断続させることができるので、風況の変化に即応して、速やかにロータを空転させたり、発電を開始させたりすることができる。

0016

(4)複数のブレードを備えるロータを有する風車と、前記ロータの主軸に連係された発電機と、前記主軸と発電機との間に設けられ、主軸と発電機との間の動力の伝達を自動的に断続しうるクラッチとを備え、
前記クラッチは、前記ロータが予め定めた平均風速以下で回転しているときに、前記主軸と発電機との間の動力の伝達を自動的に切断して前記ロータを空転させ、前記ロータの周速または回転速度が特定の値に達したときに自動的に接続されて、前記発電機による発電を可能とし、かつ前記ロータが再度予め定めた平均風速以下で回転するようになった場合に、再度自動的に切断されて前記ロータを空転させ、前記ロータの周速または回転速度が前記特定の値に達したときに再度自動的に接続されて、発電機による発電を可能とするように繰り返し作動するようになっている。

0017

このような構成によると、主軸と発電機との間に設けられているクラッチは、ロータが予め定めた平均風速以下で回転しているときに、主軸と発電機との間の動力の伝達を自動的に切断して、ロータを空転させ、ロータの周速または回転速度が特定の値に達したときに自動的に接続されて、発電機による発電を可能とし、かつロータが再度予め定めた平均風速以下で回転するようになった場合に、再度自動的に切断されてロータを空転させ、ロータの周速または回転速度が前記特定の値に達したときに再度自動的に接続されて、発電機による発電を可能とするように繰り返し作動するようになっているので、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電させることができる。

0018

(5)前記(4)項において、前記クラッチを、ロータの主軸の回転に伴う遠心力により自動的に断続する遠心クラッチとする。

0019

このような構成によると、クラッチを断続するための電気的な制御手段が不要となるので、風力発電装置のコスト低減が図れる。

0020

(6)前記(2)〜(5)項のいずれかにおいて、前記風車を、先端部に傾斜部を形成した複数の揚力型ブレードを有するロータを備える縦軸風車または横軸風車とする。

0021

このような構成によると、先端部に傾斜部を形成した複数の揚力型ブレードを備えるロータを有する縦軸風車または横軸風車は、ブレードに当って先端方向へ拡散する気流を傾斜部で受け止めることにより、回転力を高めて揚力(推力)を増大させることができるので、風速が速くなるほど、コアンダ効果によりブレードに生じる揚力(推力)は増大し、ロータは加速されて効率よく回転する。そのため、クラッチを接続して発電しているときの発電効率を高めることができる。
また、空転しているロータが特定の平均周速または回転速度に達するまでの時間も短くなるので、クラッチを切断して発電を停止させている時間はさらに短くなり、発電効率が高まる。

0022

(7)前記(2)〜(6)項のいずれかにおいて、前記平均風速が予め定めた定格平均風速を超えるか、前記ロータの周速または回転速度が予め定めた許容値を超えた場合に、ロータを減速または停止させるブレーキ装置を備えるものとする。

0023

このような構成によると、ロータ及びそれに連係された発電機が、過回転するのが防止されるので、それらの耐久性が向上する。

発明の効果

0024

本発明の風力発電方法及び風力発電装置によると、ロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。

図面の簡単な説明

0025

本発明に係る風力発電装置の第1の実施形態の正面図である。
ロータとアームの拡大平面図である。
図1のIII−III線における拡大横断平面図である。
ディスクブレーキ装置の詳細を示す拡大断面図である。
第1の実施形態の風力発電装置を用いて本発明の方法を実施するためのフローチャートである。
本発明に係る風力発電装置の第2の実施形態の正面図である。

実施例

0026

本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、ブレードの回転半径1m、ブレードの翼長1.2mの縦軸風車を備える風力発電装置を使用した風力発電方法について説明するが、風力発電装置は、これに限定されないことは勿論である。

0027

図1は、本発明に係る縦軸風車を備える風力発電装置の第1の実施形態を示し、風力発電装置1は、縦軸型のロータ2と、発電機3と、風車の回転速度を制御する制御手段4とを備えている。

0028

縦軸風車を構成するロータ2の縦主軸5の上下複数箇所は、基礎Gの上面に立設された支持枠体6に、軸受6Aを介して回転自在に支持されている。縦主軸5の上半部には、上下の水平面上において外側方を向き、かつ一直線上に並ぶ上下2本ずつの水平アーム7A、7A及び7B、7Bの内端部が固着され、上下に並ぶ水平アーム7A、7Bの外端部には、垂直方向を向く揚力型ブレード(以下ブレードと略称する)8、8の上下端部の内側面が固着されている。水平アーム7A、7B及びブレード8は、例えば繊維強化合成樹脂により形成されている。なお、水平アーム7A、7Bとブレード8とは、一体成形が可能である。

0029

ブレード8の形状は、本願の発明者が開発した、特許第4907073号公報、特開2011−169292号公報に記載されているブレードと実質的に同形をなしている。
すなわち、ブレード8の弦長は、ブレード8の回転半径の20%〜50%とされ、翼面積は大きく設定されている。

0030

ブレード8における上下両端部を除く主部8Aの横断面の形状は、図3に拡大して示すように、主部8Aの翼厚中心線Cの内方と外方における翼厚を、互いに対称的にほぼ等寸とし、かつ翼厚中心線Cは、ブレード8の翼厚中心の回転軌跡Oとほぼ重なるように設定してある。

0031

主部8A全体の平面形は、図2に示すように、翼厚中心の回転軌跡Oに沿うように円弧状に湾曲され、その内側面は、前縁の膨らみ部分から後縁にかけて、遠心方向へ向かって傾斜しており、後方から内側面に風が当たると、前方へ押されるようになっている。

0032

主部8Aの横断面の形状は、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かって漸次薄くなる標準翼型に近いものとされている。

0033

ブレード8が、その前縁方向を前として回転すると、ブレード8の内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する気流の方が、内側面におけるそれよりも高速となる。

0034

そのため、ブレード8の後縁部において、外側面を通過する気流の圧力は、内側面を通過する気流のそれよりも小となり、外側面におけるコアンダ効果によって、ブレード8の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されて、ブレード8に回転方向の推力が作用し、ブレード8の回転は促進される。

0035

図1及び図2に示すように、ブレード8の上下両端部には、内方、すなわち縦主軸5方向に向かって、円弧状に傾斜する内向き傾斜部8B、8Bが形成されているため、ブレード8の回転に伴い、主部8Aの内側面に沿って上下方向に拡散する気流は、内向き傾斜部8Bにより受止めて回転力を高めることとなる。

0036

また、主部8Aの内外の側面に沿って上下方向へ流れる気流は、コアンダ効果により、上下の内向き傾斜部8B、8Bの内面及び外面に沿って、後方、すなわち図2におけるW方向に向かって通過するようになるので、ロータ2は、比較的低い風速下においても高い回転効率をもって回転する。

0037

縦主軸5の中間部には、縦主軸5から発電機3への動力伝達を断続する電磁クラッチ9が設けられている。この電磁クラッチ9としては、例えば、若干滑りながら、すなわち半クラッチ状態を経て接続される公知の摩擦式のものを使用するのが好ましい。この電磁クラッチ9により、接続時の衝撃トルク緩和されるので、ロータ2の回転駆動力を発電機3にスムーズに伝達することができる。
電磁クラッチ9へは、後述する蓄電池12に接続された給電器10を介して給電されるようになっている。

0038

発電機3は、基礎Gに設置され、その上下方向のロータ軸(図示略)に縦主軸5の下端部が連結されている。
発電機3としては、例えば、公知の単相交流発電機または三相交流発電機が使用され、発電機3により発電された電力は、整流器電圧レギュレータ等(図示略)を有するコントローラ11を介して、蓄電池12に蓄電された後、蓄電池12から外部の直流負荷電源に給電されるか、コントローラ11から外部の交流負荷電力系統に直接給電される。

0039

コントローラ11は、発電機3からの出力電流量を調節して、蓄電池12または直流負荷電源へ出力する電流電圧を制御可能である。なお、発電機3は、蓄電池12や直流負荷電源系統直接電力を供給しうる直流発電機としてもよい。

0040

縦主軸5の中間部には、ロータ2の回転を減速または停止させうるディスクブレーキ装置13が設けられている。
このディスクブレーキ装置13は、図4の拡大断面図にも示すように、縦主軸5の中間部に固着された大径のブレーキディスク14と、支持枠体6の中間部適所に固定されたブラケット15に、ブレーキディスク14の周端部の一部を収容するように上下方向に移動可能かつ回転不能に取付けられたキャリパ16と、キャリパ16の内部に設けられ、ブレーキディスク14の周端部の上下の面を押圧しうるようになっている上下1対のブレーキパッド17、17と、キャリパ16の内部に収容され、下方を向くプランジャ18Aの下端部が上方のブレーキパッド17の上面に圧嵌された、ソレノイドよりなる電磁アクチュエータ18とを備えている。

0041

詳細な説明は後述するが、電磁アクチュエータ18は、ロータ2に向かう平均風速が予め定めた定格平均風速を超えるか、ロータ2の周速または回転速度が予め定めた許容値を超えた場合に、制御手段4の後述するクラッチ切替判定部22から給電器10に発せられる給電信号によりONさせられ、ディスクブレーキ装置13を作動させて、強風時にロータ2や発電機3が許容値を超えて過回転するのを防止するようになっている。

0042

電磁アクチュエータ18がONされると、プランジャ18Aが下方に突出して、上方のブレーキパッド17は、ブレーキディスク14の周端部の上面に圧接する。また、下方のブレーキパッド17は、プランジャ18Aの反力により、キャリパ16が上方へ移動して、ブレーキディスク14の周端部の下面に圧接する。この際の摩擦力により、ブレーキディスク14及び縦主軸5に制動力が作用し、ロータ2の回転は減速または停止される。

0043

制御手段4は、平均風速判定部19と、風車周速判定部20と、ブレーキ作動判定部21と、クラッチ切替判定部22とを備えている。
平均風速判定部19は、ロータ2に向かう風の一定時間毎の平均風速を検知するための、風速検知手段である風速計23に接続され、風速計23により検出された平均風速は、平均風速判定部19に入力され、制御手段4の中央処理装置(CPU)24により演算処理される。風速が予め定めた平均風速以下であると判定された場合に、判定信号は、クラッチ切替判定部22に出力される。なお、風速計23による平均風速の検知時間は、例えば10秒以下の比較的短い間隔で行うのが好ましい。

0044

詳細な説明は後述するが、クラッチ切替判定部22は、風速計23が予め定めた平均風速以下、例えば発電機3により発電が開始されるカットイン風速である2m/s以下を検知した場合に、給電器10に判定信号を出力し、給電器10からの給電を停止して電磁クラッチ9を切断する。これにより、縦主軸5の回転駆動力は発電機3に伝達されなくなり、発電機3による発電が停止されるとともに、ロータ2は空転するようになる。
また、クラッチ切替判定部22へは、後述する回転速度検出センサ26から風車周速判定部20に入力されるデータに基づいても、判定信号が出力される。

0045

縦主軸5の中間部の適所には、ロータ2の回転速度を測定するための平歯車25が取付けられており、この平歯車25の回転数を、回転速度検出センサ26をもって検出することにより、ロータ2の回転速度を検出しうるようになっている。なお、平歯車25に代えて、縦主軸5の外周面に、例えば1個または複数個の凸部を設けてもよい。
回転速度検出センサ26としては、例えば磁気回転速度検出センサ、超音波回転速度検出センサ、ロータリエンコーダ等の非接触型センサが用いられる。

0046

回転速度検出センサ26により検出された縦主軸5の回転速度は、制御手段4の風車周速判定部20に入力され、入力された回転速度に基づいて、制御手段4の中央処理装置24はロータ2の平均周速を演算する。すなわち、ロータ2のブレード8の回転半径(r)から、ロータ2の外周の長さ(2πr)が確定されるので、その外周の長さ(2πr)に縦主軸5の回動速度(rpm)を乗じれば、周速(m/s)が得られる。上記の回転速度検出センサ26と風車周速判定部20とにより、回転速度検知手段が構成されている。

0047

なお、ロータ2の周速は、ブレード8の角速度を、センサにより検出することによっても求めることができる。すなわち、ブレード8の角速度(rad/s)に、その回転半径(r)を乗じた値が、ロータ2の周速となる。

0048

風車周速判定部20により、ロータ2の平均周速が特定の値、例えば5m/sに達したと判定された場合には、風車周速判定部20からクラッチ切替判定部22に出力される判定信号に基づいて、給電器10から電磁クラッチ9に給電され、電磁クラッチ9がONすることにより、縦主軸5の回転駆動力が発電機5に伝達されて発電が行われる。

0049

ディスクブレーキ装置13は、制御手段4の平均風速判定部19からブレーキ作動判定部21に入力される信号により作動させられる。すなわち、風速計23が予め定めた定格平均風速(例えば13m/s)に達したことを検知した場合に、その信号が平均風速判定部19からブレーキ作動判定部21に入力され、ブレーキ作動判定部21から給電器10に出力される給電信号に基づいて、ディスクブレーキ装置13の電磁アクチュエータ18に給電され、電磁アクチュエータ18がONして、ディスクブレーキ装置13が作動することにより、ロータ2は減速または停止させられる。

0050

また、ディスクブレーキ装置13は、ロータ2の周速または回転速度が予め定めた許容値を超えた場合にも、ブレーキ作動判定部21から電磁アクチュエータ18に出力される作動信号に基づいて作動させられ、ロータ2が減速、または停止されるようになっている。なお、ロータ2の周速または回転速度の許容値は、ロータ2の回転半径、ブレード8の大きさ、発電機3の定格出力または定格回転数等に応じて適宜に設定される。

0051

次に、上記第1の実施形態に係る風力発電装置1を用いた風力発電方法について、図5に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、電磁クラッチ9を接続し、発電機3が作動している状態で、ロータ2が回転しているときの平均風速を、風速計23により測定し(S1)、その計測値に基づいて、制御手段4の平均風速判定部19及び中央処理装置24が、平均風速がカットイン風速以下、例えば2m/s以下(0を含む)であるか否かを判定する(S2)。

0052

平均風速がカットイン風速である2m/s以下と判定された場合(S2)には、制御手段4の平均風速判定部19からクラッチ切替判定部22に判定信号が出力され、その判定信号により、給電器10から電磁クラッチ9への給電が停止されることにより、電磁クラッチ9はOFFとなる(S3)。これにより、縦主軸5から発電機3への動力伝達が絶たれるため、発電機3はOFFとなり(S4)、発電が一時的に停止されるとともに、ロータ2は空転する(S5)。
平均風速がカットイン風速である2m/s以下と判定されないときは、S1に戻り、平均風速を測定し続ける。

0053

なお、平均風速が2m/s以下と判定された場合に、電磁クラッチ9をOFFとして発電を一時的に停止するのは、2m/s以下の低風速では、ロータ2が発電機3のコギングトルクや発電負荷の影響を受けて失速しやすいからである。

0054

電磁クラッチ9をOFFとして発電機3による発電を停止すると、発電機3のコギングトルクや発電負荷が縦主軸5に伝達されなくなるので、ロータ2は抵抗なく円滑に空転し、2m/s以下の低風速でも、ロータ2は失速することなく慣性で回転し続ける。従って、ロータ2が空転している時に、風況が少しでもよくなると、ロータ2はさらに加速されて空転するようになる。

0055

ロータ2が空転しているときの平均周速を、回転速度検出センサ26から出力されるデータに基づいて、風車周速判定部20及び中央処理装置24が測定し(S6)、ロータ2の平均周速が例えば5m/sに達したか否かを判定する(S7)。

0056

ロータ2の平均周速が5m/sに達した場合には、クラッチ切替判定部22より給電器10に出力される給電信号により、電磁クラッチ9がONとなり(S8)、縦主軸5に発電機3が接続されて、縦主軸5の回転駆動力が発電機3に伝達される。これにより、それまで停止していた発電機3がONとなり(S9)、発電が開始される。なお、ロータ2の平均周速が例えば5m/sに達していないと判定された場合は、ステップS6に戻り、引き続きロータ2の平均周速を測定する。

0057

ロータ2の平均周速が5m/sに達したか否かを判定する理由は、上述した形状の揚力型ブレード8を備える縦軸型のロータ2においては、ロータ2の平均周速が5m/sに達すると、ブレード8の上下両端部の内向き傾斜部8Bの作用とコアンダ効果により、ブレード8に生じる揚力(推力)が増加し、ロータ2は、風速を超える周速に自力で加速しながら効率よく回転するからである。

0058

このように、ロータ2の平均周速が5m/sに達し、ロータ2が自力で加速しながら効率よく空転しているときに、電磁クラッチ9をONとして発電機3を作動させると、ロータ2がコギングトルクや発電負荷によって失速するおそれが小さくなるので、発電効率を高めることができる。

0059

なお、周速が5m/sの場合のロータ2の回転速度を例示すると、周速、回転速度及び外周の長さには、前述したような関係があるので、例えばブレード8の回転半径(r)を1mとした場合、ロータ2の外周の長さ(2πr)は6.28mとなる。従って、周速5m/sを、外周の長さ6.28mで割り、60を乗じて分速に換算すれば、ロータ2の回転速度は約48rpmとなる。

0060

発電機3をONとして発電しているときに、風速計23により平均風速を測定し(S10)、定格平均風速、例えば13m/sを超えたか否かを、平均風速判定部19及び中央処理装置24の演算結果により判定する(S11)。定格平均風速13m/sを超えた場合、次に、ロータ2の周速または回転速度が予め定めた許容値を超えたか否かを、風車周速判定部20により判定する(S12)。

0061

ロータ2の周速または回転速度が許容値を超えた場合には、ブレーキ作動判定部21より給電器10に出力される給電信号により、ディスクブレーキ装置13を作動させ(S13)、ロータ2を減速または停止させる(S14)。これにより、ロータ2または発電機3が定格値を超えて過回転するのが防止され、それらを保護して耐久性を向上させることができる。なお、風速が定格平均風速13m/sを超えた場合でも、ロータ2の周速または回転速度が許容値を超えてブレーキ装置13が作動するまでは、ロータ2を停止することなく引き続き発電が行われるので、発電効率が高められる。また、ブレーキ装置13が作動する前に、外部負荷等への発電電力供給量を増やして、発電機3に大きな電気負荷をかければ、ロータ2にブレーキをかけることができる。なお、ロータ2の周速または回転速度が予め定めた許容値を超えていない場合には、S10に戻り、平均風速を測定し続ける。

0062

ステップ11において定格平均風速13m/sを超えていないと判定された場合には、再度ステップ15において平均風速が2m/s以下か否かを判定し、平均風速が2m/s以下と判定された場合には、ステップS3に戻り、前述と同様に、電磁クラッチ9をOFFとして、発電機3をOFFとし(S4)、発電を一時的に停止させてロータ2を空転させる。なお、平均風速2m/s以下と判定されない場合には、S10に戻り、平均風速を測定し続ける。
上述したステップS3〜S15をループ状に繰り返すことにより、発電効率を大幅に高めることができる。

0063

以上説明したように、上記第1の実施形態に係る風力発電装置1、及びそれを用いた風力発電方法においては、ロータ2の縦主軸5に、発電機3を、電磁クラッチ9を介して断続可能に接続し、ロータ2がカットイン風速である平均風速2m/s以下の低風速下で回転している場合に、制御手段4により電磁クラッチ9を切断してロータ2を空転させ、ロータ2が自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である5m/sに達したときに、電磁クラッチ9を接続して、発電機3により発電しうるように制御し、ロータ2が再度平均風速2m/s以下の低風速で回転するようになったときに、制御手段4により電磁クラッチ9を再度切断して、ロータ2が自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である5m/sに達するまで空転させたのち、電磁クラッチ9を再度接続して、発電機3により発電するように繰り返し制御するので、ロータ2がコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電させることができる。

0064

次に、図6を参照して、第2の実施形態に係る風力発電装置、及びそれによる風力発電方法について説明する。なお、前記第1の実施形態の風力発電装置と同様の部材には、同じ符号を付すに止めて、詳細な説明を省略する。

0065

第2の実施形態の風力発電装置においては、前記第1の実施形態の風力発電装置1の電磁クラッチ9に代えて、遠心クラッチ27を用いている。図6に略示する遠心クラッチ27は、次のように構成されている。

0066

すなわち、中間部において2分割したロータ2側の縦主軸5に、外周面に摩擦材を固着した複数のウエイト28を、遠心力によって半径方向外側に移動しうるように取付け、かつ発電機3側の縦主軸5に、円筒形従動ドラム29を、内部にウエイト28が収容されるように固着してある。

0067

第2の実施形態の風力発電装置による風力発電は、次のようにして行われる。
第2の実施形態の風力発電装置は、ウエイト28に作用する遠心力が小さい場合、すなわちロータ2がカットイン風速である平均風速2m/s以下の低風速で回転している場合に、ウエイト28は従動ドラム29の内面から離間するように設定されている。そのため、ロータ2の平均風速が2m/s以下のときには、遠心クラッチ27は自動的に切れ、発電機3による発電は停止し、ロータ2は空転することとなる。

0068

また、ロータ2の平均周速が例えば5m/sに達した場合、すなわち、5m/sの平均周速のときの縦主軸5の回転速度が、予め定めた値に達した場合には、ウエイト28が遠心力により従動ドラム29の内面に接触し、遠心クラッチ27は自動的に接続されて、発電機3による発電が開始されるように設定されている。
なお、縦主軸5の回転速度が遅い大型の風力発電装置に遠心クラッチ27を設ける場合には、これを効果的に作動させるために、増速機を介して縦主軸5の回転速度を増速させるようにしてもよい。
ディスクブレーキ装置13は、上記第1の実施形態と同様に、定格平均風速が13m/sを超えるか、ロータ2の周速または回転速度が許容値を超えた場合に、制御手段4により作動させられる。

0069

第2の実施形態の風力発電装置による風力発電方法においても、ロータ2がカットイン風速である平均風速2m/s以下の低風速で回転しているときには、遠心クラッチ27は自動的に切断されてロータ2が空転し、平均周速が5m/sに達して、ロータ2が自力で加速しながら回転するようになると、遠心クラッチ27が自動的に接続されて、発電機3により発電が開始されるようになっているので、第1の実施形態と同様に、ロータ2がコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。

0070

また、機械的な遠心クラッチ27を用いると、第1の実施形態のような、電磁クラッチ9をON、OFF制御するためのクラッチ切替判定部22は不要となるので、制御手段4の制御回路等は簡単となる。

0071

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。

0072

上記第1の実施形態では、平均風速が2m/s以下と判定された場合に、電磁クラッチ9をOFFとして、発電機3による発電が停止されるようにしているが、平均風速が2m/s以下のときの縦主軸5の平均回転速度、またはロータ2の平均周速を検知したときに、電磁クラッチ9をOFFとして、発電機3による発電が停止されるようにしてもよい。

0073

また、上記第1の実施形態では、ロータ2の平均周速が5m/sに達したとき、電磁クラッチ9をONとして、発電機3により発電が開始されるようにしているが、前述したように、ロータ2の周速は回転速度に換算できるため、平均周速が5m/sに達したときのロータ2の回転速度を回転速度センサ26が検出したときに、電磁クラッチ9をONとして、発電機3により発電が開始されるようにすることもできる。

0074

さらに、上記第1の実施形態では、電磁クラッチ9をOFFとして、発電機3による発電を停止するロータ2の平均風速を2m/s以下としたが、この際の平均風速の上限値は、ブレード8の回転半径の大小に応じて、適切に設定される。
例えば、ブレード8の回転半径が上記実施形態の1mより小さい場合には、ロータ2の回転トルクが小さくなって、コギングトルクや発電負荷の影響を受けやすくなるので、電磁クラッチ9をOFFとする平均風速の上限値を2m/s以上に設定すればよい。

0075

また、ブレード8の回転半径が1mより大きい場合には、ロータ2の回転速度が低くても、回転トルクが大となってコギングトルクや発電負荷の影響を受けにくくなるので、電磁クラッチ9をOFFとする平均風速の上限値を2m/s以下に設定すればよい。

0076

上記実施形態では、ロータ2の平均周速が5m/sに達したときに、電磁クラッチ9をONとして、発電機3により発電が開始されるようにしたが、この場合の平均周速の値は、ブレード8の回転半径の大小に応じて適切に設定される。

0077

上記実施形態では、ロータ2の回転を減速または停止させるブレーキ装置に、電気的に制御可能な電磁アクチュエータ18を備える機械式のディスクブレーキ装置13を用いているが、例えば公知の電磁ブレーキ非接触型渦電流式ディスクブレーキ装置等を用いることもできる。

0078

また、電磁アクチュエータ18の代わりに、流体圧により作動するピストンを設け、このピストンに、蓄電池10または商用電源により駆動可能な油圧ポンプエアーポンプにより、圧油圧縮空気を圧送することにより、ディスクブレーキ装置13を流体圧ピストンにより作動させることもできる。なお、制動力を高めるために、このようなディスクブレーキ装置13を、ブレーキディスク14の周囲に複数、互いに同期して作動するようにして設けてもよい。

0079

上記第1の実施形態では、ロータ2の縦主軸5の回転駆動力を断続するのに、電磁クラッチ9を用いているが、例えば制御手段4によりON、OFF可能な電動式アクチュエータを備える摩擦クラッチや、噛合クラッチ等を用いることもできる。

0080

風力発電装置に、上記のようなディスクブレーキ装置13等のブレーキ装置を設けておくと、ロータ2や発電機3の過回転を防止する以外に、例えば電磁クラッチ9、遠心クラッチ27、発電機3や他の電気部品等が故障した場合、制御手段4の電気回路等に異常が発生した場合、縦主軸5の軸受6A等に摩耗等が発生した場合など、風力発電装置にあらゆる異常事態が発生したときにも、ディスクブレーキ装置13を作動させて、ロータ2を減速または停止させることが可能となる。

0081

また、図示は省略するが、ディスクブレーキ装置13のみでは、ロータ2を減速または停止させることができない場合に備えて、縦主軸5の回転を強制的に停止させる手動ブレーキ装置を設けておいてもよい。このようにすると、強風時や風力発電装置に異常事態が発生した場合等に、手動ブレーキ装置を併用することにより、ロータ2を緊急停止させることができる。

0082

本発明は、特許第4907073号公報の図4に記載されているように、揚力型ブレード8を縦主軸5に多段状に固定した風力発電装置や、特許第4740580公報、すなわちブレードの先端部が主軸方向(受風方向)に傾斜された横軸風車を備える風力発電装置にも適用可能である。

0083

1風力発電装置
2ロータ
3発電機
4 制御手段
5縦主軸
6支持枠体
6A軸受
7A、7B水平アーム
8揚力型ブレード
8A主部
8B内向き傾斜部
9電磁クラッチ
10給電器
11コントローラ
12蓄電池
13ディスクブレーキ装置(ブレーキ装置)
14ブレーキディスク
15ブラケット
16キャリパ
17ブレーキパッド
18電磁アクチュエータ
18Aプランジャ
19平均風速判定部
20風車周速判定部
21ブレーキ作動判定部
22クラッチ切替判定部
23風速計(風速検知手段)
24中央処理装置
25平歯車
26回転速度検出センサ
27遠心クラッチ
28ウエイト
29従動ドラム
C翼厚中心線
G基礎
O 回転軌跡

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