JP2013158192A - 発電出力の適正制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、風力発電設備につき、定格風速以上の場合に、風車及び発電モータの回転を制御し、同じ風速時においても風車及び発電モータの回転を制御することにより、もっとも高い発電出力が得られる風力発電設備の風車回転制御方法を提供でき、発電出力の適正制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線に、それぞれ送出元側に逆流防止部材を取り付け電力送出を一本化し、かつ、通常発電設備からの電力送出に際し、商用電源からの電力送出より高い電圧により送出し、発電設備からの電力送出を優先する様構成された発電システムであって、非通常時には、商用電源からの電力送出時の電圧値を検知し、発電設備からの電力送出時の電圧値を商用電源からの電力送出の電圧値より高い値に設定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、風力発電設備の風車回転を制御するなどの制御法も含めて太陽光、風力、水力などの自然エネルギーによる発電設備からの発電出力と、通常の商用電源による電力出力を合成して使用する際の発電電力の適正な送出制御方法に関するものである。

本発明者は、太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備による発電電力の複数個の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側に電力が逆流しないよう各々逆流防止ダイオードを取り付けて、前記複数の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先するよう構成した発電電力送出の制御法を既に発明している（特開２０１１−１８１０５５号公報）。

この発明により、例えば発電量が自然状況により左右されてしまう太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備による発電電力が最大限に利用でき、かつ商用電源からの電力供給をも適正に制御出来て、結果的には商用電源の節電が大いに期待できるとの効果をもたらすものとなった。

ここで、商用電源からの電力送出に際しては、通常１００Ｖ、あるいは２００Ｖで送出されるが、場合によっては、前記電圧値が若干上がり、高電圧状態で送出される場合がある。そして、前記電圧値が自然エネルギーを利用した発電設備による発電送出の際の電圧値を若干上回ってしまう場合がある。

このような場合、前記の発明者が創案した発明では、自然エネルギーを利用した発電設備による発電量が充分あるにもかかわらず、商用電源からの電力送出を優先してしまうとの課題があった。

また、特に風力発電設備の場合、風の状況により、著しく発電量が変化する。そのため、１００Ｖあるいは２００Ｖの電圧値の電力送出と定めていても、風の状況により前記数値に満たない電力送出であったり、前記数値を大きく上回る数値であったりすることがある。そして、風の状況により前記数値に満たない電力送出の場合は、商用電源側から電力送出を受けて前記例えば前記１００Ｖあるいは２００Ｖの電圧値の電力を送出するが、風の状況により前記数値を大きく上回る数値のときには、前記商用電源側から電力送出は生じないが、風力発電により前記電圧値を大きく上回った発電量部分の電力は全く無駄になってしまっていた。

さらに、風力発電設備については、各種の構造からなるものが種々提案されている。例を挙げれば、水平軸風車が挙げられるが、該水平軸風車は、風向きに対し、回転軸が平行な風車を指標する。

次に、いわゆる垂直軸風車が挙げられる。該垂直軸風車は、風向きに対し、回転軸が垂直な風車を指標する。

ここで、水平軸風車は、変化する風向きに対し、平行であり続けなければならないため、いわゆる方位制御機構が必要になる。小型の水平軸風車では方向舵などで受動的に制御できるが、大型の水平軸風車では動力を使って能動的に制御する。なお、水平軸風車を使った風力計では、方位制御機構を利用し、風向も同時に測定することができる。

これに対し、垂直軸風車は、通常、回転軸が地面に対し垂直になるよう設置する。すると、風は、常に回転軸に対し直角に吹くため、方向制御が必要ないものとなる。

ここで、風力発電につき若干説明すると、風力発電とは、風の運動エネルギーを風車によって回転という運動エネルギーに変換し、該回転の運動エネルギーを、例えば増速機等などが取り付けられていれば、該増速機で増速させてから発電機を動かすことで電気エネルギーに変える発電方式をいう。

近年、風力発電システムは、再生可能エネルギーとして急速にその導入が進められており、最近では原発の不安定さも相まって、大量生産と技術進歩による風力発電設備のコスト低下や設置のための補助金などの導入支援策などにより、驚異的な成長率で推移し、自然エネルギー利用発電システムの中でも太陽光発電と並んでハイスピードで成長している分野であるといえる。

しかしながら、風力発電は、自然界に存在する不安定な風を利用せざるを得ないため重要なエネルギー源としては発電の不安定さが常につきまとう。

例えば、一般に常に風が強く吹き、いわゆる風況の良いと考えられる場所においても夏場には全く風が吹かないこともある。このように、風力発電設備の最大の敵は不安定に吹く風自体とも言える。

また、強すぎる風速の風が問題となる場合がある。風力発電設備には定格風速が規定されており、定格風速以上の風速があったとき、該風力発電設備につき、決められた回転速度を大幅に超える速度で運転すると発電機の焼損やブレード（翼）の破損などを招く場合がある。そのため風速が過大な場合は、保護のために、場合によっては一時的に発電を停止する措置がとられている。

ヨーロッパなど高緯度で使用されている風力発電設備は、その地域的な特徴（高緯度、内陸）から、台風、サイクロンなどの熱帯低気圧による暴風雨の影響を受けない場合が多い。

しかしながら、インドなど中緯度以下の地域では、暴風雨にさらされることがある。たとえば、我が国にあっては、台風によって、宮古島にあった7基の風力発電設備が壊滅したことがあった。

これは最大瞬間風速が近辺の観測値で74.1m/sに達し、国際規格(IEC61400-1)の最高クラスの規定値(70m/s)をも超えたためである。

しかるに、前記のような台風による強風や変動に対しては、従来一般的に、下記のような対策が考えられている。すなわち、ブレード（翼）の角度（ピッチ）を変えて回転速度を抑制する。あるいは、ブレード（翼）または風力発電設備全体を風に対して真っ正面に対向させず、傾ける位置にする。あるいは、風車と風力発電設備を一時的に切り離す。あるいは、強風時のみ風下にブレード（翼）を向ける。あるいは、強風に耐えうる型式の風力原動機を採用する。などである。

しかしながら、前記いずれの対策も不安定に吹く風に対する最善の対策とは言い難く、特に、定格風速以上の風速の場合、その風がもたらす最大の発電出力が得られず、風のエネルギーを１００％の発電エネルギーに変換できないものであった。

特開２０１１−１８１０５５号公開公報 特開２０１１−１３７３９３号公開公報

かくして、本発明は本件発明者が既に創案した発明にさらに改良を加えたものでもあり、
商用電源からの電力送出に際し、通常１００Ｖ、あるいは２００Ｖで送出されるが、場合によっては、前記電圧値が若干上がり、高くなって送出される場合においても、自然エネルギーを利用した発電設備による発電量が充分であるにもかかわらず、商用電源からの電力送出を優先してしまうことなく、自然エネルギーによる発電設備側の電力送出を優先でき、また、風力発電設備につき、風の状況により、予め定めた電圧値を大きく上回る発電力が得られたときに、その大きく上回った部分の電力を無駄にすることなく利用でき、さらには、特に、定格風速以上の風速の場合において、当該風速により回転する風車及び発電モータの回転を制御し、もって、発電機の焼損やブレード（翼）の破損などを招くことがなく、しかも、定格発電出力以上の発電出力が得られ、さらには、たとえ同じ風速時においても、前記回転する風車及び発電モータの回転を制御することにより、前記風速時にもっとも高い発電出力が得られる風力発電設備の風車回転制御方法を提供でき、もって発電出力の適正制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明による発電出力の適正制御方法は、
太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
前記商用電源からの電力送出が、前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出より高い電圧により送出される非通常時には、前記商用電源からの電力送出時の電圧値を検知し、前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出の際の電圧値を前記商用電源からの電力送出の電圧値より高い値に設定する、
ことを特徴とし、
または、
太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電量が自然状況により変化する発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側に電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
前記発電量が自然状況により変化する発電設備による発電電力の電圧値が予め決定した出力電圧値より低いときには、不足分を前記商用電源からの電力で補い、発電量が状況により変化する発電設備による発電電力の電圧値が予め決定した出力電圧値より高いときには、余剰電力分をリアルタイムに消費する負荷器に送出すると共に、前記予め決定した出力電圧値まで消費したときに前記負荷器への送出を停止する、
ことを特徴とし、
または、
太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
前記風力による発電設備を構成する風車を風で回転させ、該風車の回転力により発電機の発電モータを回転させて発電させ、定格風速時に定格回転数で定格発電出力が得られる様構成された風力発電設備であり、
定格風速以上の風速時に、回転数が定格回転数以上の回転数となったとき、前記回転の制御を行って定格風速時の回転数と略同様となるよう制御し、該制御により定格風速以上の風速時に前記風力発電設備から前記定格出力以上の発電出力が得られる様構成して風力発電設備の風車回転制御した、
ことを特徴とし、
または、
太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
前記風力による発電設備の風車を風で回転させ、該風車の回転力により発電機の発電モータを回転させて発電させ、定格風速時に定格回転数で定格発電出力が得られる様構成された風力発電設備であり、
同じ風速が維持された風況時に、前記風況によって回転する前記風車の回転並びに発電モータの回転を前記同じ風速時において最大の発電出力が得られる様風力発電設備の風車回転を制御した、
ことを特徴とし、
または、
太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
風況の異なる地域で、複数基の風力発電設備をそれぞれ離間させて前記地域の複数箇所に設置し、前記それぞれ離間して設置された風力発電設備により発電した電力を出力する際、各々の送出線に逆流防止部材を前記風力発電設備側へ逆流しないよう取り付けて、前記各々の送出線からの電力を一本化し、該電力の出力を可能とした、
ことを特徴とするものである。

本発明による風力発電設備の風車回転制御方法であれば、
商用電源からの電力送出に際し、通常１００Ｖ、あるいは２００Ｖで送出されるが、場合によっては、前記電圧値が若干上がり、高くなって送出される場合においても、自然エネルギーを利用した発電設備による発電量が充分であるにもかかわらず、商用電源からの電力送出を優先してしまうことなく、自然エネルギーによる発電設備側の電力送出を優先でき、また、風力発電設備につき、風の状況により、予め定めた電圧値を大きく上回る発電力が得られたときに、その大きく上回った発電量部分の電力を無駄にすることなく利用でき、さらには、特に、定格風速以上の風速の場合において、当該風速により回転する風車及び発電モータの回転を制御し、もって、発電機の焼損やブレード（翼）の破損などを招くことがなく、しかも、定格発電出力以上の発電出力が得られ、さらには、たとえ同じ風速時においても、前記回転する風車及び発電モータの回転を制御することにより、前記風速時にもっとも高い発電出力が得られる風力発電設備の風車回転制御方法を提供でき、もって発電出力の適正制方法を提供出来るとの優れた効果を奏する。

実施例１の構成を説明する説明図である。 実施例２の構成を説明する説明図（１）である。 実施例２の構成を説明する説明図（２）である。 実施例２の動作を説明するフローである。 本発明を垂直軸型風車に使用した状態を説明する構成説明図である。 実施例３による制御状態を説明する説明図（１）である。 実施例３による制御状態を説明する説明図（２）である。 実施例４による制御状態を説明する説明図（１）である。 実施例４による制御状態を説明する説明図（２）である。 実施例５の構成を説明する構成説明図である。 実施例６の構成を説明する構成説明図である。 逆流防止部材の実施例を説明する説明図である。 従来例を説明する説明図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づき説明する。

図１は実施例１の説明図である。

図１において、符号１０は、太陽光、風力、水力などに代表される自然エネルギーを利用した発電設備であり、符号１１は、該発電設備１０により発電された電力の送出線である。

また、符号１２は、商用電源を示し、符号１３は、該商用電源１２から電力送電の送出線を示す。

そして、前記それぞれの送出元側（発電設備１０側及び商用電源１２側）には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材の一実施例である逆流防止ダイオード１４、１４を取り付けて、前記各々の電力送出線１１、１２からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出に際し、前記商用電源１２からの電力送出より高い電圧により送出するよう構成して、自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出を優先送出する様構成してある。

すなわち、商用電源１２からの電力送出が１００Ｖで送出されていれば、前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出を１０２Ｖで送出するがごときである。

この場合、自然エネルギーを利用した発電設備１０から優先的に電力送出でき、不足分を前記商用電源１２からの電力送出で賄うものとなる。

なお、ここで、逆流防止部材としては図１２（ａ）に示す逆流防止ダイオード１４を使用した実施例のほか図１２（ｂ）に示す電圧比較器２２及び半導体スイッチ２４を組み合わせて構成した逆流防止部材の実施例も新たに発明した。すなわち、図１２（ａ）、（ｂ）から理解されるように、図１２（ａ）に示す逆流防止ダイオード１４に替えて、前述したように、電圧比較器２２と半導体スイッチ２４とを組み合わせていわゆる逆流防止部材を構成した。

電圧比較器２２と半導体スイッチ２４を組み合わせることにより、前記電圧比較器２２で発電される、あるいは商用電源１２から送電される電力の各々の電圧を比較し、電圧の高い方の送出線を優先して送電するよう構成したものである。この実施例であれば、逆流防止ダイオード１４を使用しなくとも電圧比較器２２と半導体スイッチ２４とを組み合わせた逆流防止部材によって本発明の効果を達成できるものとなる。

ところで、希に、前記商用電源１２からの電力送出が、前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出より高い電圧により送出される場合がある。例えば商用電源１０からの電力送出に際し、１００Ｖより高圧の１０４Ｖで送出されるがごときである。

この場合には、商用電源１２からの電力送出が、自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出より優先されてしまうことになる。しかしこれは、折角自然エネルギーを利用して発電しているにもかかわらず、当該自然エネルギーで発電した電力が優先して利用されることなく無駄にされ、商用電源１２側の電力が利用されてしまうことを意味する。

よって本実施例では、前述したような非通常時に備え、前記商用電源１２からの電力送出時の電圧値を例えば連続的に検知し、前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出の際の電圧値を前記商用電源からの電力送出の電圧値より高い値に設定出来る様構成するのである。

しかして、この具体的構成については何ら限定されないが、図１から理解されるように、例えば電圧検知器などを用いた電圧比較装置１５を設けると共に、該電圧比較装置からの各電圧値を入力して、絶えず自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出の際の電圧値を前記商用電源からの電力送出の電圧値より高い値に設定する電圧変更装置１６を設置するがごときである。

次に、実施例２の構成について説明する。

この実施例２についても、実施例１と同様に、太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備１０により発電された電力の送出線１１と商用電源１２による電力送電の送出線１３とに、前記それぞれの送出元１０，１２側には電力が逆流しないよう各々逆流防止ダイオード１４、１４を取り付けて、前記各々の電力送出線１１、１２からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出に際し、前記商用電源１２からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムが前提となっている。

そして、例えば、風力発電の様に、前記発電量が自然状況、ここでは風の強さなどにより変化する発電設備１０による発電電力の電圧値が予め決定した出力電圧値、例えば１００Ｖより低いときには、その不足分を前記商用電源１２側からの電力で補えるよう構成されている（図２参照）。

ここで、自然エネルギーによる発電設備の一例である風力による発電設備１０では、大きく風況の影響を受けるものとなり、その都度発電量が大きく変化する。

そして、従来、風力による発電設備１０では例えば風力が弱いなどで、所定の発電量が得られないときは、商用電源１２側の送電を行って賄っていたが、風況がよく、一定の発電量以上の電力が発電できたときは、商用電源１２側の送電は必要ないものとなるが、前記一定の決定された電圧以上の発電された電力は利用せずに捨てているのが現状であった。

しかして、本実施例では、前記決定された電圧以上の発電された電力を無駄にすることなく、この電力をリアルタイムにいわゆる余剰負荷器１６で消費するものとした。

すなわち、図３から理解されるように、一本化された送出線からの電力の出力が予め決定されたいわゆる第１段階電圧、例えば１００Ｖのときは、通常負荷器２０、例えば充電器などで消費するよう構成する。しかし、一本化された送出線からの電力の出力が予め決定されたいわゆる第１段階電圧、例えば１００Ｖを超え、例えば１０５Ｖを超えたとき、この１０５Ｖを第２段階電圧とし、この超えた電力を余剰負荷器１６側に送出するのである。これにより従来の発電された電力の無駄を解消することが出来ることになる。

図３から理解されるように、前記逆流防止ダイオード１４・・・を介して入力された電力の電圧を電圧測定器１８により測定する。そして、測定された電圧が第２段階電圧、例えば１０５Ｖを超えたとき、制御装置１９が余剰負荷器１６用の出力電圧を上げ、リアルタイムに消費する余剰負荷器１６で消費させるものとなる。

なお、余剰負荷器１６としては電圧がリアルタイムに変化する電力を使用するため、ヒーターなど単純な抵抗負荷器が望ましい。

また、制御装置１９にバッテリー２６・・・を接続しておき、前記の余剰電力を予めチャージしておき、発電される電力が少ないときには、前記チャージした電力を使用できるようにしておけば、安定化した電力供給が出来ることになる。

次に、この実施例の動作を説明したフローを図４に示す。図４の（ａ）は例えば風力発電設備など発電機側の制御動作を示したフローであり、図４（ｂ）はいわゆる余剰負荷器側の制御動作を示したフローである。

図４（ａ）において、第１段階電圧、例えば１００Ｖとの電圧値が決定されると（ステップ１００）、該電圧となるよう例えば昇圧操作などがなされ、第１段階電圧、１００Ｖでの電力送出がなされる（ステップ１０２）。

次いで、発電設備より送出される出力電圧の測定がなされ（ステップ１０４）、出力電圧が前記第１段階電圧より低い場合には（ステップ１０６でＹＥＳ）、前記第１段階電圧での電力送出が採用される（ステップ１０８）。

しかし、出力電圧が前記第１段階電圧より大きい場合には（ステップ１０６でＮＯ）、第２段階電圧での電力送出が採用される（ステップ１０９）。

また、負荷側の制御については、図４（ｂ）から理解されるように、前述した逆流防止ダイオード１４・・・によって一本化された電力送出時の電圧ＶＥを測定し（ステップ２００）、該測定したＶＥが第１段階電圧Ｖ１より大なるときには（ステップ２０２でＹＥＳ）、余剰の電力が発電されているとして、余剰負荷を増加して余剰負荷器側に電力を供給する（ステップ２０４）。

これに対し、測定したＶＥが第１段階電圧Ｖ１より小なるときには（ステップ２０２でＮＯ）、余剰の電力は発電されていないとして、余剰負荷を減少し余剰負荷器側への電力は供給しないものとする（ステップ２０６）。

なお、本実施例においても、逆流防止ダイオード１４の代わりに、電圧比較器２２と半導体スイッチ２４を組み合わせた逆流防止部材を使用して本実施例の効果を達成できる。

本実施例についても、太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備１０により発電された電力の送出線１１と商用電源１２による電力送電の送出線１３とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出に際し、前記商用電源１２からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムが採用されている。

図５は、本実施例で使用する垂直軸型風車１の概略構成を示したものである。符号２はブレードを示し、本実施例において、垂直型風車１は、２枚のブレード２、２を有して構成されている。次に、符号３は、この垂直型風車１の回転軸であり、ブレード２、２が風により回転すると、この回転軸３が回転し、該回転軸３と連結する発電機４のモータ軸が回転することになる。

このモータ軸が回転することにより発電出力が得られるものとなる。なお、符号５は増速機であり、増速機５は、例えば、ゆっくりとブレード２が回転する場合、この回転を、発電機４が必要とする回転速度に高める機能を果たすものである。

ここで、例えば、本実施例での垂直型風車１の概略規格を図７により説明すると、いわゆるカットイン風速が２．０ｍ／ｓ、定格風速が７．０ｍ／ｓ、定格回転数が４０．０ｒｐｍ、定格出力が３．０ｋｗとの規格のものを使用している。

従来の垂直型風車１の動作につき、図１２を参照して説明すると、図１２から理解されるように、定格風速以上の風速になると、垂直軸型風車の回転数は急上昇するが、発電出力については、定格風速以上の風速であっても定格出力とほぼ同様な出力３．０ｋｗ前後であり、定格風速以上の風速でその回転数が急上昇しても、出力が大きく上昇するものではなかった。

逆に、風車の回転数が急上昇することにより、ブレード２の破損やこれに伴う発電機４の故障などをもたらす可能性があった。

そこで本件発明者は、定格風速以上の風速時に、定格出力以上の発電出力が取り出せないかの思索、実験を重ね、本発明において、定格風速以上の風速のとき、定格出力以上の発電出力が取り出せる制御方法を発明するに至った。

まず、図６、図７を参照して説明する。例えば、定格風速を大幅に超える風速１５ｍ／ｓのとき、従来（図１３照）では回転数が定格回転数４０．０ｒｐｍを大きく超える５６．０ｒｐｍで回転していた。しかしながら、このときの出力は図７から理解されるように、３．０ｋｗで、定格風速７．０ｍ／ｓのときの定格出力２．８ｋｗとほとんど差がないものであった。すなわち、この表から理解される様に、従来では定格風速以上の風がもたらす風エネルギーは無駄にされていることが理解できる。

ここで、風力発電設備の定格風速や定格回転数及び定格出力の値をアップさせた風力発電設備の使用が考えられるが、この場合、逆に、微力の風では風車が回転せず、本件発明者が追求する微力の風をも利用できる効率のよい風力発電設備の開発に相反するものとなる。

そこで、本件発明者は、定格風速以上の風速のときに、例えば、発電機４に負荷をかける制御法を創案し、発電機４にいわゆる制御装置６を取り付け、該制御装置６により発電機４のモータ軸に対していわゆる電気的ブレーキをかけて回転数を制御する方法を発明するに至ったのである。

すなわち、発電機４に負荷をかけること、換言すれば負荷を増大させることにより、風車の回転数が制御されて減速し、定格風速以上の風速のときにおいても、定格回転数より回転数が増加しないように構成したものである。

例えば、図６から理解される様に、風速１５．０ｍ／ｓの様な定格風速を大幅に上回る風速のときであっても、定格回転数とほぼ同様の回転数になるよう、発電機４に制御装置６を用いて負荷をかける。すると、たとえば図７に示す様に、負荷抵抗が２４．２（Ω）の値で、当該回転数を定格回転数とほぼ同様に４０．０ｒｐｍとすることができる。

そして、そのとき図７に示す様に、定格出力３．０ｋｗを大きく上回る７．２ｋｗの発電出力が得られたのである。

本実施例において図５に示す制御装置６は、発電機４に対する負荷付与部材によって構成することができる。

この負荷付与部材は、実際に発電された電力を消費する直流負荷器により構成してあってもかまわない。そして、随時、いわゆる無段階調節状態で発電機４に負荷をかけられる様、前記直流負荷器の連結数を増加させるなどして発電機４に対する負荷を増加させる様構成してもかまわない。

そして、発電機４に対する負荷の増減制御は、いわゆるＰＷＭ制御によって行える。すなわち、風車の回転数が定格回転数以上になったとき、該風車のブレード２に過度の負担がかからないよう、無段階制御のＰＷＭ制御とする。

ここで、ＰＷＭ制御の役割について説明すると、ＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）制御とは、たとえば、周期は一定で、入力信号（ＤＣレベル）の大きさに応じて、パルス幅のデュ−ティ・サイクル（パルス幅のＨとＬの比）を変え、発電機４のモータを制御する制御をいう。従来の制御にたいして、飽和（スイッチング）領域での制御とも指標される。

そして、前記モータのＰＭＷ制御は、パルス制御法の発展形であり、この制御方式はオンパルスの通電幅を任意に変化させ行う。つまり、パルス幅を変調することによって結果的に発電機からのエネルギーをコントロールすることにより行うのである。

本実施例についても、太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備１０により発電された電力の送出線１１と商用電源１２による電力送電の送出線１３とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出に際し、前記商用電源１２からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムが採用される。

図８，図９を参照して本実施例、すなわち、実施例４について説明する。

実施例４では、同じ風速が維持された風況時に、前記風況によって回転する前記風車１の回転並びに発電機４の発電モータの回転を前記同じ風速時において最大の発電出力が得られる様制御するものである。

ここで、例えば、実施例４での垂直型風車１の概略規格は実施例３と同様であり、いわゆるカットイン風速が２．０ｍ／ｓ、定格風速が７．０ｍ／ｓ、定格回転数が４０．０ｒｐｍ、定格出力が３．０ｋｗとの構成のものを使用している。

図９から理解されるように、風速５ｍ／ｓが維持されている場合において、発電機４に対し、制御装置６を作動させることにより、その回転数を変動させることができる。そして、風速５ｍ／ｓで、回転数が２５ｒｐｍに制御されたとき、最大の出力、すなわち２．３ｋｗの発電出力が取り出せるものとなる。このときの負荷抵抗は、１５（Ω）となっており、１５（Ω）の負荷抵抗が生ずるよう発電機４に制御装置６によって負荷をかけることになる。

図８は実施例４において、風速１０ｍ／ｓのときの具体例を示したものであり、風速１０ｍ／ｓが維持されている場合において、発電機４に対し、制御装置６を作動させることにより、その回転数を変動させることができる。そして、風速１０ｍ／ｓで回転数が２３ｒｐｍに制御されたとき、最大の出力、すなわち５．７ｋｗの発電出力が取り出せるものとなる。そして、このときの負荷抵抗は、１０（Ω）となっており、１０（Ω）の負荷抵抗が生ずるよう発電機４に制御装置６により負荷をかけることになる。

このように実施例４によれば、図８、図９に示す様に、風速５ｍ／ｓあるいは風速１０ｍ／ｓと同じ風速が維持されている風況時に、前記風況によって回転する垂直軸型風車１の回転並びに発電機４の発電モータの回転を制御装置６によって制御し、もって、前記同じ風速時において最大の発電出力が得られる様制御して構成したものである。

本実施例についても前の実施例と同様に、太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備１０により発電された電力の送出線１１と商用電源１２による電力送電の送出線１３とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出に際し、前記商用電源１２からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムを採用している。

本実施例は、例えば、図１０から理解されるように、垂直軸型風車１を複数台用意し、各々の垂直軸型風車１に接続されている発電機４からの発電出力を例えば、逆流防止ダイオード１４など逆流防止部材を使用して、一括して集め、これら発電機４からのまとめた発電出力を得られるよう構成したものである。

なお、図１０に示す様に、ここでの回転軸３は、同軸状に構成されているが、あくまでそれぞれの垂直軸型風車１の回転ごとにそれぞれの回転軸３も独自に回転するようになっている。

また、本実施例においても、逆流防止ダイオード１４の代わりに、電圧比較器２２と半導体スイッチ２４を組み合わせた逆流防止部材を使用して本実施例の効果を達成できることは言うまでもない。

実施例６についても、太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備１０により発電された電力の送出線１１と商用電源１２による電力送電の送出線１３とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備１０からの電力送出に際し、前記商用電源１２からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムの使用が前提である。

本実施例では、図１１に示す様に、場所により風況の異なる地域で、複数基の風力による発電設備１０・・・をそれぞれ離間させて前記風況の異なる地域の複数箇所に設置し、前記それぞれ離間して設置された風力による発電設備１０・・・により発電した電力を出力する際、各々の送出線１１・・・に逆流防止ダイオード１４・・・を前記風力による発電設備１０・・・側へ逆流しないよう取り付けて、前記各々の送出線１４・・・からの電力を一本化し、該電力の出力を可能としたものである。

すなわち、離れた地点では、風の変化が異なるため、ひとつの地域で弱風もしくは無風状態であったとしても、他の地域で風が吹いていれば、電力を供給することが可能となる。

また、換言すれば、通常、無風状態が続くと、風力による発電設備１０の風車はその回転をストップしてしまう。そして、再びこの風車が回転作動するにはかなりの始動トルクが必要となるため、なるべく風車の回転をストップさせないことが重要となる。しかるに本実施例によれば、たとえ無風状態地域に風車があったとしても、他の地域で風が吹いていれば、他の地域の風車が作動して電力を供給出来ると共に、前記無風状態地域における風車の回転がストップすることがない。その結果、風車回転の再稼働による始動トルクが必要ないとの効果をもたらす。

例えば、前記逆流防止ダイオード１４・・・を各々の送出線１１・・・に設置して１本の送出線に合成して送出すれば、複数箇所での風力による発電設備１０・・・からの電力を合成でき、もってより安定した電力供給が出来る。

また、例えば、売電を行う場合、風力発電は変動が激しいため、売電単価が低くなってしまうが、複数の地域での風力発電を本実施例により合成すれば、電力の出力を安定化できるため、売電単価を上げることが出来る。

なお、本実施例においても逆流防止ダイオード１４の代わりに電圧比較器２２及び半導体スイッチ２４で構成したいわゆる逆流防止部材を使用して本実施例の効果を達成できる。

前述した実施例では、発電機４を制御する制御装置６として、発電機４に負荷を与える負荷付与部材を用いて行っており、かかる負荷付与部材による負荷増減の制御は、回転数計測に基いておこなうものであった。

しかるに、発電により出力される負荷付与部材側に生ずる電圧値によっても、風車の回転数推測ができるものであり、実際の回転数計測によらず、前記電圧値を随時計測することにより、風車の回転数増減を推測して、負荷制御することも可能である。

１ 垂直軸型風車
２ ブレード
３ 回転軸
４ 発電機
５ 増速機
６ 制御装置
１０ 自然エネルギーを利用した発電設備
１１ 自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出線
１２ 商用電源
１３ 商用電源からの電力送出線
１４ 逆流防止ダイオード
１５ 電圧比較装置
１６ 電圧変更装置
１７ 余剰負荷器
１８ 電圧測定器
１９ 制御装置
２０ 通常負荷器
２２ 電圧比較器
２４ 半導体スイッチ
２６ バッテリー

Claims (5)

1. 太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
   前記商用電源からの電力送出が、前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出より高い電圧により送出される非通常時には、前記商用電源からの電力送出時の電圧値を検知し、前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出の際の電圧値を前記商用電源からの電力送出の電圧値より高い値に設定する、
   ことを特徴とした発電出力の適正制御方法。
   
2. 太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電量が自然状況により変化する発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側に電力が逆流しないよう各々逆流防止ダイオードを取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
   前記発電量が自然状況により変化する発電設備による発電電力の電圧値が予め決定した出力電圧値より低いときには、不足分を前記商用電源からの電力で補い、発電量が状況により変化する発電設備による発電電力の電圧値が予め決定した出力電圧値より高いときには、余剰電力分をリアルタイムに消費する負荷器に送出すると共に、前記予め決定した出力電圧値まで消費したときに前記負荷器への送出を停止する、
   ことを特徴とした発電出力の適正制御方法。
   
3. 太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
   前記風力による発電設備を構成する風車を風で回転させ、該風車の回転力により発電機の発電モータを回転させて発電させ、定格風速時に定格回転数で定格発電出力が得られる様構成された風力発電設備であり、
   定格風速以上の風速時に、回転数が定格回転数以上の回転数となったとき、前記回転の制御を行って定格風速時の回転数と略同様となるよう制御し、該制御により定格風速以上の風速時に前記風力発電設備から前記定格出力以上の発電出力が得られる様構成して風力発電設備の風車回転制御した、
   ことを特徴とする発電出力の適正制御方法。
   
4. 太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
   前記風力による発電設備の風車を風で回転させ、該風車の回転力により発電機の発電モータを回転させて発電させ、定格風速時に定格回転数で定格発電出力が得られる様構成された風力発電設備であり、
   同じ風速が維持された風況時に、前記風況によって回転する前記風車の回転並びに発電モータの回転を前記同じ風速時において最大の発電出力が得られる様風力発電設備の風車回転を制御した、
   ことを特徴とする発電出力の適正制御方法。
   
5. 太陽光、風力、水力に代表される自然エネルギーを利用した発電設備により発電された電力の送出線と商用電源による電力送電の送出線とに、前記それぞれの送出元側には電力が逆流しないよう各々逆流防止部材を取り付けて、前記各々の電力送出線からの電力送出を一本化し、かつ、通常前記自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出に際し、前記商用電源からの電力送出より高い電圧により送出して、自然エネルギーを利用した発電設備からの電力送出を優先送出する様構成された発電システムであって、
   風況の異なる地域で、複数基の風力発電設備をそれぞれ離間させて前記地域の複数箇所に設置し、前記それぞれ離間して設置された風力発電設備により発電した電力を出力する際、各々の送出線に逆流防止部材を前記風力発電設備側へ逆流しないよう取り付けて、前記各々の送出線からの電力を一本化し、該電力の出力を可能とした、
   ことを特徴とする発電出力の適正制御方法。

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