JP6343702B1 - 風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低風速時に最適な回転に制御することができ、発電効率をＵＰさせることができる風力発電機を得る。【解決手段】本発明に係る風力発電機は、風のエネルギーを回転に変換するプロペラと、励磁電流を流すことで磁石になる電磁石を有する電磁石型発電機と、励磁電流を制御する励磁電流制御部と、電磁石型発電機の電力を蓄える蓄電部とを備え、励磁電流制御部は、励磁電流を流し始めるように制御することで、電磁石型発電機の発電を開始させ、電磁石型発電機の出力電圧が蓄電部の充電電圧以上になると、励磁電流を止め、出力電圧が充電電圧未満になると、励磁電流を流すように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機の低風速時の効率向上と、高風速時の過回転フェイルセイフ機能に関するものである。

近年、風力発電機は、環境政策、あるいは環境への企業イメージの向上などの用途で注目されている。そのような背景の中で、売電用途以外でも、街路灯や非常時の電源などの独立電源用途として、数ＫＷ以下の小型の風力発電機も普及し始めている。

発電機には、永久磁石の磁束を用いた永久磁石型発電機と、励磁電流を流すことで電磁石を形成し、その磁束により発電する電磁石型発電機と、がある。ここで、大型の風力発電機においては、通常、系統連携をしている。このため、励磁電源は、系統から供給することが可能である。

しかしながら、小型の独立電源の風力発電機においては、電流源は、蓄電部の電力のみである。このため、蓄電部が完全放電した場合には、励磁電流を流すことができず、発電機としての起動ができなくなるおそれがある。このような不具合を回避するために、従来、小型の独立電源の風力発電機においては、永久磁石を用いた発電機を用いることが多かった（例えば、特許文献１参照）。

永久磁石を用いた発電機は、風によってプロペラが回転し始めると、その磁力変化とコイルの巻数に応じた電力を発電するシステムになっている。下式（１）は、発電の原理を表すもので、Ｂ×Ｖは、磁束の変化量、Ｌは、コイルの巻き数に相当する。
発電電圧Ｅ＝ＢＬＶ （１）
（Ｅ：発電電圧［Ｖ］、Ｂ：磁束密度（Ｔ［Ｗｂ／ｍ^２］）、Ｌ：線長［ｍ］、Ｖ：速度［ｍ／ｓ］）

また、高風速時は、風のエネルギーが非常に大きいため、過回転や過充電による機器の破損防止を図る必要がある。このために、永久磁石を用いた発電機は、発電エネルギーを強制的に短絡し、電気負荷を大きくすることで、電気的にブレーキをかけ、プロペラの回転を低下、または停止させる電気ブレーキを有している。

特開２００２−３１００５６号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
通常、永久磁石を用いた風力発電機は、風が吹いてプロペラが回転し始めると、発電を開始する。従って、発電による負荷トルクが発生するため、プロペラの回転がなかなか高回転にならない問題点があった。

図１１は、一般的なプロペラのパワー特性を示すグラフである。このグラフからもわかるように、プロペラの種類によって、風速に対し、パワー係数の高い周速比が決まっている。ここで、周速比とは、プロペラの先端の回転スピードと風速との比を示すものである。例えば、図１１からみれば、ダリウス型のプロペラの場合、周速比が４の時に、パワー係数が最大となる。

この条件で、例えば、風速８ｍ／ｓの時を考えると、周速比４なので、３２ｍ／ｓの周速となり（８ｍ／ｓ×４）、直径１ｍの風車の周長は、３．１４ｍになり、約１０．２回転／ｓ（ｒｐｓ）となる。よって、風速８ｍ／ｓの時には、周速比４となる１０．２ｒｐｓの時が、プロペラの効率が最もよくなる。

しかしながら、実際の永久磁石型の風力発電機においては、回転を開始すると発電を開始し、その分で負荷トルクが発生するため、プロペラのパワー係数の最も良い回転まで上がることができない場合がある。特に、風力発電で最も重要視される低風速での発電効率が悪くなる問題点があった。

また、高風速時には、過回転による破損防止のために、発電した電力を短絡し、電気負荷を大きくすることで、電気的にブレーキをかけて過回転を防止することが、一般的である。

永久磁石を使用した発電機の場合、回転すれば発電するため、その発電した電力を短絡することで、電気ブレーキをかけることが可能である。しかしながら、本発明の対象である励磁式の電磁石型発電機においては、励磁電流を流さないと、電磁石を形成することができない。このため、蓄電部の蓄電がなくなっていた場合、あるいは何等かの不具合で蓄電部との接続ができていない場合などでは、励磁電流を流すことができない。

従って、電磁石を形成することができず、電気ブレーキをかけるためのもととなる発電を行うことができない。この場合、発電がないため、発電した電力を短絡することができず、短絡しても電気負荷として機能しないこととなる。このため、回転を抑制することができなくなり、プロペラ回転が異常に高くなり、破損する可能性があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、低風速時に最適な回転に制御することができ、発電効率をＵＰさせることができる風力発電機を得ることを目的とする。

本発明に係る風力発電機は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換するプロペラと、励磁電流を流すことで磁石になる電磁石を有する電磁石型発電機と、励磁電流を制御する励磁電流制御部と、電磁石型発電機の出力に接続され、電磁石型発電機の電力を蓄える蓄電部とを備え、励磁電流制御部は、励磁電流を流し始めるように制御することで、回転エネルギーによる電磁石型発電機の発電を開始させ、蓄電部の電圧が蓄電部の定格充電電圧以上になると、励磁電流を止め、蓄電部の電圧が蓄電部の定格充電電圧未満になると、励磁電流を流すように制御することで蓄電部の電圧を一定に制御して、電磁石型発電機による発電電力を蓄電部に蓄電させるものである。

本発明によれば、励磁電流を流すことで磁石になる電磁石を風力発電に利用し、低風速時に励磁をＯＦＦにして、発電しないように制御する構成を備えており、低風速時にも最適な周速比の回転をさせること、および省電力の励磁電流の制御によって出力電圧を一定制御すること、を可能としている。この結果、低風速時に最適な回転に制御することができ、発電効率をＵＰさせることができる風力発電機を得ることができる。

本発明の実施の形態１における風力発電機の構成図である。 本発明の実施の形態２における風力発電機の構成図である。 本発明の実施の形態３における風力発電機に用いられる補助発電機の具体的な構成を示した図である。 本発明の実施の形態３における図３に示した補助発電機の側面図である。 本発明の実施の形態４における風力発電機に用いられる補助発電機の具体的な構成を示した図である。 本発明の実施の形態４における図５に示した補助発電機の側面図である。 本発明の実施の形態５における風力発電機に用いられる補助発電機の具体的な構成を示した図である。 本発明の実施の形態５における図７に示した補助発電機の側面図である。 本発明の実施の形態５における風力発電機に用いられる補助発電機の具体的な構成を示した図である。 本発明の実施の形態６における図９に示した補助発電機の側面図である。 一般的なプロペラのパワー特性を示すグラフである。

以下、本発明の風力発電機の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における風力発電機の構成図である。図１に示す風力発電機は、風を回転エネルギーに変換するプロペラ１、励磁電流を流すことで磁石になる電磁石を利用する電磁石型発電機３、励磁電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する励磁電流制御部４、および発電電力を蓄電する、あるいは励磁電流源として使用する蓄電部５を備えて構成されている。

この図１に示した風力発電機においては、プロペラ１の回転が、その時点の風速で最適の回転数になった時点で、励磁電流制御部４により励磁電流をＯＮとして流し始めることで、電磁石型発電機３の発電を開始する。これにより、プロペラ１の特性を最大限に引き出す回転数で発電することが可能となり、効率のよい発電が可能になる。

なお、従来技術の説明において記載した「プロペラの回転がその時点の風速で最適の回転数」は、先の図１１を用いて説明した回転数になる。しかしながら、風力発電機の回転モーメントがあるため、実際には、その回転モーメントと励磁制御を組み合わせ、図示していない風速計やプロペラの回転計などの情報を基に、励磁制御することで、さらなる効率ＵＰが実現できる。

また、励磁電流制御部４は、出力電圧が充電電圧以上になると、励磁をＯＦＦして励磁電流を止め、出力電圧が充電電圧未満なると、励磁をＯＮして励磁電流を流す制御を行う。これにより、発電電流ではない、励磁電流という小電力の制御回路により、容易に電圧制御を実現することが可能になり、機器の小型化を実現することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、励磁電流を流すことで磁石になる電磁石を風力発電に利用した電磁石型発電機を用い、低風速時に励磁をＯＦＦにして、発電しないように制御する構成を備えている。この結果、低風速時にも最適な周速比の回転をさせることが可能になる。また、省電力の励磁電流の制御により、出力電圧を一定制御することも可能であり、電圧レギュレータの小型化も可能になる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における風力発電機の構成図である。図２に示すように、本実施の形態２に係る風力発電機は、先の実施の形態１における図１の構成に対して、補助発電機２を付加した構成となっている。この補助発電機２は、プロペラ１の回転によって、励磁電流分の電力を発電する永久磁石からなり、電磁石型発電機３の電磁石を駆動するための励磁電流を供給することができる。

通常、先の実施の形態１の構成を備えた風力発電機は、蓄電部５からの励磁電流供給が前提のシステムである。このため、蓄電部５の蓄電がなくなった場合には、プロペラ１が回転し始めても、励磁電流の供給ができず、電磁石が機能しないため、発電できない。

しかしながら、本実施の形態１の構成を備えた風力発電機は、補助発電機２の付加によって、プロペラ１が回転を開始すれば、その回転に伴って励磁電流を供給することができる。このため、長期間充電されずに蓄電部５の蓄電がなくなった状態でも、発電を開始することができ、確実な風力発電機を供給することができる。

以上のように、実施の形態２による風力発電機は、プロペラが回転することで必ず発電する永久磁石型の小型の補助発電機をさらに備えて構成されている。この結果、蓄電部の蓄電がなくなった場合でも、励磁電流を供給でき、確実な発電が可能になる。

また、補助発電機を付帯させることによって、蓄電部の蓄電が完全になくなった場合、あるいは蓄電部との接続が外れた場合でも、励磁電流を供給することができる。このため、発電機としての機能を復活させることができるとともに、強風時に電磁ブレーキをかけることができ、破損防止など安全面にも効果のある風力発電システムを実現できる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態２で説明した補助発電機２に関して、第１の具体的な構成について説明する。図３は、本発明の実施の形態３における風力発電機に用いられる補助発電機２の具体的な構成を示した図である。図３に示す補助発電機２は、永久磁石２１Ａ、２１Ｂと、コイル２２とで構成されている。また、図４は、本発明の実施の形態３における図３に示した補助発電機２の側面図である。

永久磁石２１Ａおよび永久磁石２１Ｂは、それぞれ磁石が引き合うように、Ｎ極の対面にはＳ極が配置されるように構成されている。また、発電用のコイル２２は、永久磁石２１Ａと永久磁石２１Ｂとの間に配置されることで、それぞれの磁石の磁束が、コイル２２に設けられたコイル線を通過するようになっている。

また、図４に示すように、永久磁石２１Ａおよび永久磁石２１Ｂは、プロペラ１の回転軸１ａに取り付けられており、プロペラと同期して回転する。一方、コイル２２は、図示していない固定物に固定され、回転しない構造となっている。

本実施の形態３に係る補助発電機２の構成の場合には、永久磁石２１Ａと永久磁石２１Ｂは、引き合いの力は働くが、同じ回転軸１ａに取り付けられているため、回転を妨げるコギングトルクは発生しない。従って、図３、図４の構成を備えた本実施の形態３に係る補助発電機２は、プロペラ１の回転を妨げることなく、励磁用の電流を供給することができる。

もちろん、補助発電機２により励磁電流分の発電をすることで、回転の負荷トルクは発生する。しかしながら、補助発電機２は、電磁石型発電機３の発電量から比べれば、非常に少ない電流で励磁が可能であり、負荷トルクも非常に少ないものとなる。

なお、図３に例示した磁石の極数は、６極であり、永久磁石２１Ａと永久磁石２１Ｂにそれぞれ６極の磁石が配置されており、その間に配置するコイル２２も、６極の仕様となっている。しかしながら、この極数は、特に６極に固定する必要はなく、また、磁石の極数とコイルの極数も、同じにする必要はない。

以上のように、実施の形態３による風力発電機は、補助発電機の発電部として、２対の極性が反対の状態（すなわち、互いに引き合う状態）で、永久磁石を向い合せ、その間に発電用のコイルを挿入したコアレス発電機を採用した構成を備えている。この結果、補助発電機にコアレス発電機を使用することで、低風速でもプロペラが回転しやすい風力発電機の製作が可能になる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、先の実施の形態２で説明した補助発電機２に関して、第２の具体的な構成について説明する。図５は、本発明の実施の形態４における風力発電機に用いられる補助発電機２の具体的な構成を示した図である。図４に示す補助発電機２は、永久磁石２１Ａ、２１Ｂと、基板コイル２３とで構成されている。また、図６は、本発明の実施の形態４における図５に示した補助発電機２の側面図である。

本実施の形態４における補助発電機２の構成は、先の実施の形態３における補助発電機２の構成と比較すると、コイル２２の代わりに、電気基板のパターンで形成した基板コイル２３を用いている点が異なっており、その他の構成は同等である。

本実施の形態４において、基板コイル２３は、巻き線で形成するコイル２２よりも薄くすることができる。このため、永久磁石２１Ａと永久磁石２１Ｂの間隔を近づけることができ、その結果として、大きな磁束を発生させることができる。これにより、小型で薄い形状の補助発電機を構成することができる。

以上のように、実施の形態４による風力発電機は、補助発電機のコイル部として、電子基板上のパターンで構成した基板コイルを使用する構成を備えている。この結果、磁石間の距離を小さくすることができ、磁力の小さい永久磁石でも、より強い磁束を発生させることが可能となり、高効率、小型の補助発電機の製作が可能となる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、先の実施の形態２で説明した補助発電機２に関して、第３の具体的な構成について説明する。図７は、本発明の実施の形態５における風力発電機に用いられる補助発電機２の具体的な構成を示した図である。図７に示す補助発電機２は、永久磁石２１Ａと、基板コイル２３と、磁性体２４とで構成されている。また、図８は、本発明の実施の形態５における図７に示した補助発電機２の側面図である。

本実施の形態５における補助発電機２の構成は、先の実施の形態４における補助発電機２の構成と比較すると、永久磁石２１Ｂの代わりに、円板形状の磁性体２４を用いている点が異なっており、その他の構成は同等である。なお、永久磁石２１Ａおよび磁性体２４は、プロペラ１の回転軸１ａに取り付けられており、プロペラと同期して回転する。

本実施の形態５では、磁性体の円板でできている磁性体２４が、永久磁石２１Ａの対面に配置されている。このような配置を採用することで、磁性体２４は、永久磁石２１Ａの磁力により、永久磁石の極と反対の極へと磁化される。この結果、永久磁石２１Ａと磁性体２４の間で、互いに引き合うように磁束が発生する。そして、その間に配置された基板コイル２３を磁束が通過し、回転による磁束変化が生じることによって、発電が行われる。

なお、図７、図８では、基板コイル２３を例に図示したが、先の実施の形態３で説明したような、通常の巻き線コイルであるコイル２２等であっても、同様の効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態５による風力発電機は、補助発電機の２対の磁石のいずれか一方を磁性体にすることで、２対の磁石を対向させたときと同様の動作を可能にできる。このため、磁石の使用量を減らすことで、より安価な風力発電機の供給が可能になる。

実施の形態６．
本実施の形態６では、先の実施の形態２で説明した補助発電機２に関して、第４の具体的な構成について説明する。図９は、本発明の実施の形態５における風力発電機に用いられる補助発電機２の具体的な構成を示した図である。図９に示す補助発電機２は、永久磁石２１Ａと、基板コイル２３と、磁性体２５とで構成されている。また、図１０は、本発明の実施の形態６における図９に示した補助発電機２の側面図である。

本実施の形態６における補助発電機２の構成は、先の実施の形態５における補助発電機２の構成と比較すると、回転軸１ａに固定された磁性体２４の代わりに、回転軸１ａに固定されていない磁性体２５を用いている点が異なっており、その他の構成は同等である。なお、磁性体２５は、回転軸１ａではなく、基板コイル２３と同様に、図示していない固定物に固定されている。

磁性体２５は、永久磁石２１Ａの磁束により、永久磁石２１Ａの極と反対の極へと磁化される、このため、永久磁石２１Ａと磁性体２５の間で、お互いに引き合うように磁束が発生する。

永久磁石２１Ａが回転することで、磁性体２５上に発生する磁力は、永久磁石２１Ａの回転と同期して磁性体２５上を回転する。その磁束が、永久磁石２１Ａと磁性体２５との間に配置された基板コイル２３を通過し、回転による磁束変化が生じることによって発電が行われる。

なお、図９、図１０では、基板コイル２３を例に図示したが、先の実施の形態３で説明したような、通常の巻き線コイルであるコイル２２等であっても、同様の効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態６による風力発電機は、補助発電機の磁性体を、回転軸ではなく、固定する構成を備えており、このような構成によっても、コアレス発電機と同様の動作ができる、この結果、コイル部と磁性体部を一体化した構造にし、製造性の向上が可能となる。さらに、回転モーメントの低い、回転しやすく、かつ安価な風力発電機の供給が可能になる。

１ プロペラ、１ａ 回転軸、２ 補助発電機、３ 電磁石型発電機、４ 励磁電流制御部、５ 蓄電部、２１Ａ、２１Ｂ 永久磁石、２２ コイル、２３ 基板コイル、２４、２５ 磁性体。

Claims (6)

1. 風のエネルギーを回転エネルギーに変換するプロペラと、
   励磁電流を流すことで磁石になる電磁石を有する電磁石型発電機と、
   前記励磁電流を制御する励磁電流制御部と、
   前記電磁石型発電機の出力に接続され、前記電磁石型発電機の電力を蓄える蓄電部と
   を備え、
   前記励磁電流制御部は、
   前記励磁電流を流し始めるように制御することで、前記回転エネルギーによる前記電磁石型発電機の発電を開始させ、
   前記蓄電部の電圧が前記蓄電部の定格充電電圧以上になると、前記励磁電流を止め、前記蓄電部の電圧が前記蓄電部の定格充電電圧未満になると、前記励磁電流を流すように制御することで前記蓄電部の電圧を一定に制御して、前記電磁石型発電機による発電電力を前記蓄電部に蓄電させる
   風力発電機。
2. 前記プロペラの回転に応じて励磁電流分の発電を行う永久磁石型の補助発電機
   をさらに備える請求項１に記載の風力発電機。
3. 前記補助発電機は、
   前記プロペラの回転軸に同期して回転する永久磁石Ａと、
   前記永久磁石Ａとともに前記回転軸に同期して回転し、前記永久磁石Ａと向き合い、かつ前記永久磁石Ａとは反対の極性の磁石が配置された永久磁石Ｂと、
   前記永久磁石Ａと前記永久磁石Ｂとの間において、前記プロペラの回転に影響されずに固定配置された発電用のコイル部と
   を有する請求項２に記載の風力発電機。
4. 前記補助発電機は、
   前記プロペラの回転軸に同期して回転する永久磁石Ａと、
   前記永久磁石Ａとともに前記回転軸に同期して回転し、前記永久磁石Ａと向き合うように配置され、前記永久磁石Ａの磁力により前記永久磁石Ａとは反対の極性に磁化される磁性体と、
   前記永久磁石Ａと前記磁性体との間において、前記プロペラの回転に影響されずに固定配置された発電用のコイル部と
   を有する請求項２に記載の風力発電機。
5. 前記補助発電機は、
   前記プロペラの回転軸に同期して回転する永久磁石Ａと、
   前記プロペラの回転に影響されずに固定配置されるとともに、前記永久磁石Ａと向き合うように配置され、前記永久磁石Ａの磁力により前記永久磁石Ａとは反対の極性に磁化される磁性体と、
   前記永久磁石Ａと前記磁性体との間において、前記プロペラの回転に影響されずに固定配置された発電用のコイル部と
   を有する請求項２に記載の風力発電機。
6. 前記コイル部は、パターン上に実装された基板コイル部として構成される
   請求項３から５のいずれか１項に記載の風力発電機。

Images