专利名称：风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电装置。
背景技术：
以往，风力发电装置有各种各样的形式，并且各种形式分别具有不同的特性。例如，如果按支撑风车的轴的安装方向来分类的话，可分为轴的安装方向是垂直的垂直轴型、和轴的安装方向是水平的水平轴型。在垂直轴型中有savonius型、darius型等，在水平轴型中有螺旋桨型等。
此外，如果按照以作为使风车旋转的转矩的阻力或者升力中的哪一种起主导作用来进行分类的话，可以将风车装置分为形状上是以阻力为主的阻力型、形状上是以升力为主的升力型、在形状上阻力和升力产生大体同样作用的阻力/升力两用型。例如，上述的savonius型就属于阻力型，上述的darius型、螺旋桨型属于升力型。
阻力型风车具有的优点是，例如，即使在称为微风的低速风中，风车也可良好地进行旋转，由此即使风速很低也可以发电，但是其也具有明显的缺点，即，如果要进行大功率发电，则在结构上要求装置的大型化，所以不具有经济性。
此外，阻力型风车会导致以下的问题即，如果为了使风车能够在低风速中开始旋转而增大旋翼面积，则在有强风时，从旋翼的旋转方向吹来的风力就会成为减速阻力，而且该减速阻力与旋翼的增加面积成正比，由此发电效率会降低。
对此，升力型风车具有的优点是，在结构上不仅适用于小功率发电，而且也容易适用于大功率发电，不仅如此，例如，根据不同情况，即使是小型的升力型风车，在12.5米/秒的风速下也可发出功率为400W的电力。
然而，升力型风车具有如下的问题，作为能够使风车为了发电而开始旋转的风速的旋转起始风速必须是高速的风力，由于风车具有这样的特性，所以升力型风车在低速风中是不能旋转的，因此不能够取得良好的发电效率。
此外，升力型风车与阻力型风车一样，如果为了在低风速的条件下能够开始旋转而加大相对风向的旋翼的仰角角度，则在强风时阻力作用会加强，对风车的旋转形成阻力，从而导致风车的旋转效率降低。
但是，为了解决上述升力型风车的问题而公开了如下方法(例如，参考专利文献1)，在风车上设置旋翼角度的调节功能，利用该调节功能，与以往的旋翼角度固定型的风车相比，即使在低的风速的情况下也可以开始旋转。
特开8-322297号「风力发电装置」(摘要、摘要附图)然而，近年来从保护地球环境的观点来看，对小型的风力发电装置的期望正在不断升高，在那样的小型风力发电装置中，由于装有旋翼角度调节功能而会导致装置成本升高，而与本来所期望的通过实现小型化来降低成本的出发点背道而驰，因此不能认为是一种最佳的风力发电装置。
发明内容
本发明的第一课题是提供一种可以抑制强风时的噪音或振动的风力发电装置。
本发明的第二课题是提供一种既可以在强风时控制转速，还可以维持发电的风力发电装置。
本发明的第三课题是提供一种既可以在强风时控制转速，同时还可以维持发电，并且可以将蓄电池的充放电电流的变化抑制到最小的风力发电装置。
本发明的第四课题是提供一种带有起动辅助功能的风力发电装置，即使风速很低也可以开始旋转，该起动辅助功能可适用于小型化，并且能进一步节省起动辅助旋转时的电源电力。
本发明的风力发电装置之一，其特征在于，具有永磁铁式发电机，通过与借助风力向正方向旋转的旋转翼的旋转轴连动来进行发电；起动辅助单元，通过把该发电机转换成电动机，来实施使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转；发电机还原单元，在停止了由该起动辅助单元实施的上述起动辅助旋转后，将上述电动机还原成发电机。
本发明的风力发电装置之二，其特征在于，具有与产生交流电压的风力发电机连接的整流电路；与上述整流电路连接、且包括至少一个开关元件，在上述开关元件的接通、断开的控制下，转换上述整流电路的直流输出电压水平的直流-直流转换电路；检测上述风力发电机转速的转速检测单元；产生表示上述风力发电机的限制转速的信号的限制转速信号产生单元；将表示从上述转速检测单元所得到的检测速度的信号与表示从上述限制转速信号产生单元所得到的限制转速的信号进行比较的比较单元；开关控制电路，其对上述开关元件进行控制，以使上述直流-直流转换电路的输出段的电压达到规定值，并且还对上述开关元件进行控制，响应表示上述检测速度高于上述限制转速的上述比较单元的输出，使上述直流-直流转换电路的输出电压上升；实施通过将该风力发电机转换成电动机而使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转的起动辅助单元；和当该起动辅助单元的上述起动辅助旋转停止后，将上述风力电动机还原成上述发电机的发电机还原单元。
本发明的风力发电装置之三，其特征在于，具有与产生交流电压的风力发电机连接的整流电路；与上述整流电路连接、且包括至少一个开关元件，在上述开关元件的接通、关闭的控制下，转换上述整流电路的直流输出电压水平的直流-直流转换电路；与上述直流-直流转换电路连接的直流-交流转换电路；检测上述风力发电机的转速的转速检测单元；产生表示上述风力发电机的限制转速的信号的限制转速信号产生单元；将表示从上述转速检测单元所得到的检测速度的信号与表示从上述限制转速信号产生单元所得到的限制转速的信号进行比较的比较单元；控制电路，用于控制上述直流-交流转换电路，并且，对上述直流-交流转换电路进行控制，使其响应表示上述检测速度高于上述限制转速的情况的上述比较单元的输出，使上述直流-交流转换电路的输出电压上升；实施通过将该风力发电机转换成电动机而使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转的起动辅助单元；和当该起动辅助单元的上述起动辅助旋转停止后，将上述风力电动机还原成上述发电机的发电机还原单元。
本发明的风力发电装置之四，其特征在于，包括风车；具有由上述风车驱动旋转的转子的交流发电机；与上述交流发电机连接的整流电路；与上述整流电路连接的电力转换电路；与上述电力转换电路连接的蓄电池或电容器；用来检测上述风车转速的旋转检测器；用来设定上述风车的基准转速的基准转速设定器；控制电路，与上述旋转检测器、上述基准转速设定器和上述电力转换电路连接，且当从上述旋转检测器所得到的检测转速超过上述基准转速时，控制上述电力转换电路，使其增大上述电力转换电路的输入电压与输出电压之比；实施通过将该交流发电机转换成电动机而使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转的起动辅助单元；和当该起动辅助单元的上述起动辅助旋转停止后，将上述交流电动机还原成上述发电机的发电机还原单元。
图1是表示本发明第一实施方式的风力发电装置的方框图。
图2是表示本发明第二实施方式的风力发电装置的方框图。
图3至图6是对本发明第一以及第二实施方式的转速检测电路进行说明的图。
图7是具有本发明第三实施方式中的起动辅助功能的风力发电装置的电路方框图。
图8是表示风力发电装置中的起动辅助功能的动作的流程。
图9是表示作为第四实施方式的通过把定时装置作成独立电路而能够进一步节省自身消耗电力的风力发电装置的电路方框图。
图10是表示利用风速传感器来监视起动辅助功能的动作开始时刻的一例的电路方框图。
图11至图13是对基于停止时的短路电流的风速测定进行说明的图。
图14是对针对无电源以及开路故障的辅助停止电路进行说明的图。
图15是用于说明额定功率控制的图。
具体实施例方式
下面，结合附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明第一实施方式的风力发电功率控制装置的图。
该装置包括风力发电机1，整流电路2，作为输出电流控制单元以及直流-直流转换单元的DC-DC转换器(converter)3，逆变器(inverter)4，负荷5，连接保护装置6，商用电源连接端子7，充电电路8，蓄电池9，旋转控制电路10，上限转速设定用固定负荷11，开关12。
风力发电机1是一种公知的交流发电机，其具有与风车13相接合的由永磁铁构成的转子14、具有电枢绕组15的定子。此外，这种交流发电机可以是外磁型和内磁型的任何一种电机。
整流电路2作为连接在风力发电机1上的交流-直流转换单元，其是一种公知的3相桥式整流电路，可根据风车13以及转子14的旋转，将在电枢绕组15中所产生的3相交流电压转换为直流电压。整流电路2的输出电压，例如，具有50V以下的比较低的值。
连接在整流电路2上的DC-DC转换器3，把整流电路2的输出电压转换为高电压(例如350V)、且将转换器3的输出电压控制成恒定电压，并且对输出电压进行调整，使得能够根据本发明进行输出电流的控制。由此，转换器3除具有直流转换的功能之外，还具有作为根据本发明来限制转速的电流控制单元的功能。
连接在转换器3上的逆变器4，可把从转换器3输出的直流电压转换为商用频率(例如50Hz)的正弦波交流电压，例如，逆变器4可由公知的桥式逆变器、半桥式逆变器等来组成。
连接在逆变器4上的负荷5是风力发电系统内的交流负荷。在逆变器4与商用连接端子7之间连接的连接保护装置6，具有在商用电源侧发生停电时用于把风力发电系统从商用侧断开的开关和进行连接所需要的各种公知设备。
连接在逆变器4上的充电电路8，对逆变器4的输出电压或从商用连接端子7提供的电压进行整流，对蓄电池9进行充电。另外，如虚线所示，也可以把充电电路8与转换器3连接，利用转换器3的直流输出电压对蓄电池9进行充电。在蓄电池9处于未充满电的状态下，蓄电池9作为风量发电系统内的负荷来发挥功能。为了把蓄电池9的电力供给负荷5，蓄电池9通过作为放电单元的二极管16与逆变器4的输入端子连接。另外，还可将蓄电池输出专用的逆变器连接在蓄电池9与负荷5之间。
转速限制负荷11可把风力发电机1的转速限制在上限值之内，其通过开关12与整流电路2连接。该负荷11也可以与转换器3的输出端子、或逆变器4的输出端子、或电枢绕组15的输出端子连接。
旋转控制电路10包括转速检测器17、标准模式信号发生器18、昼夜转换模式信号发生器19、限制转速信号发生器20、上限转速信号发生器21、第1比较器22以及第2比较器23、模式选择开关S1、S2。
转速检测器17与电枢绕组15的输出线15a连接，并检测发电机1的输出交流电压的频率，输出具有与该频率相对应的电压值的速度检测信号Vs。
标准模式信号发生器18是一种产生标准信号M1的发生器，所述标准信号M1是用标准模式来执行发电机1的转速的限制。在此处，所谓标准模式是指在整个1天中的同一条件下，即在24小时内的同一条件下，执行转速的控制的模式。
昼夜转换模式信号发生器19，是一种利用内置的定时器19a来产生昼夜转换模式信号M2的发生器，所述昼夜转换模式信号M2例如包括表示作为白天的8点～20点的第一期间段的高电平信号，和表示作为黑天的20点～8点的第二期间段的低电平信号。此外，也可以不必由定时器19a来设定第一期间段以及第二期间段的区别，而用光敏器件、太阳能发电等自动地进行白天、黑夜的判定来形成昼夜转换模式信号。
标准模式信号发生器18通过标准模式选择开关S1与限制转速信号发生器20连接，昼夜转换模式信号发生器19通过昼夜转换模式选择开关S2与限制转速信号发生器20连接，择一选取的开关S1、S2中的任何一者都可以接通。此外，也可以不用设置开关S1、S2，而择一地使标准模式信号发生器18和昼夜转换模式信号发生器19中的一方工作，择一地输出信号M1、M2中的一个。
限制转速信号发生器20产生由与所指定的模式的限制转速成比例的电压构成的限制转速信号Vr1或Vr2。
第一比较器22的一个输入端子与速度检测器17连接，另一个输入端子与限制转速信号发生器20的输出线路29连接。因为线路29成为第一基准电压Vr1或是第二基准电压Vr2，所以在从速度检测器17获得的转速检测信号Vs高于第一基准电压Vr1或是第二基准电压Vr2的期间内，输出线路32上可以获得高电平的比较输出，通过把该输出输送到转换器3，可用来控制发电机1的转速的上升。
第二比较器23的一个输入端子与速度检测器17连接，而另一个输入端子与上限转速信号发生器21连接。上限转速信号发生器21产生由高于第一基准电压Vr1的第三基准电压Vr3构成的上限转速信号。因此，在转速检测信号Vs已高于第三基准电压Vr3时，比较器23将高电平输出送到线路33，把开关12控制为接通。当开关12接通后，电阻值较低的负荷11与整流电路2连接，发电机1的输出电流，即电枢电流增大，通过电枢反作用所引起的电磁制动作用来控制发电机的转速的上升。在通过利用第一比较器22的输出对转换器3的控制不能把发电机1的转速限制在希望值时，进行利用第二比较器23的控制。
在只利用第一比较器22的输出的转速限制动作不能够把转速限制在希望值内，检测转速Vs高于第三基准电压Vr3时，第二比较器23的输出使开关12接通，使发电机1的输出电流增大，从而可控制转速的上升。由此，在本实施方式中，在转换器3和辅助负荷11两者的作用下，可以平滑且精细地控制转速的上升。
根据第一实施方式，可解决本发明的第一课题。
图2是表示本发明第二实施方式的风力发电装置的方框图。
图2中所示的实施方式的风力发电装置包括风车41；具有随该风车41旋转的转子的交流发电机42；与该交流发电机42连接的整流电路43；平滑用电容器44；与该平滑电容器连接的电力转换电路45；与该电力转换电路45连接的蓄电池46；与该蓄电池46连接的负荷47；用来检测风车41转速的转速检测器48，即速度检测器；用来检测电力转换电路45的输入电压，即电容器44的电压的输入电压检测电路49；和控制电路50。
电力转换电路45构成为，与连接在平滑用电容器44上的第一以及第二直流电源线路51、52连接，可以改变输入电压Vin与输出电压Vout之比Vout/Vin。此外，在该实施方式中，尽管蓄电池46也兼具有平滑用电容器的作用，但是也可以将平滑用电容器连接在蓄电池46上。
转速检测器48可用公知的方法检测出风车41、即发电机42转子的转速，输出转速检测信号Fd。
输入电压检测电路49检测出电力转换电路45的输入电压Vin，并输出电压检测信号Vin。在此处，为了便于说明而用Vin表示输入电压检测49的输入电压与输出电压这两者。该输入电压Vin相当于发电机42的输出电压。
控制电路50与转速检测器48、电压检测电路49和电力转换电路45连接，当从旋转检测器48得到的检测转速Fd超过基准转速Fr时，对电力转换电路45进行控制，以便增大电力转换电路45的输入电压Vin与输出电压Vout之比Vout/Vin。
下面更进一步地进行详细说明，控制电路50包括用来设定相当于风车41的限制转速的基准转速Fr的基准转速设定器53；作为发电机输出电压判定单元的电压决定表54，其可决定由转速检测器48所检测出的检测转速Fd下，能够从发电机42获得最大功率的发电机42的输出电压；计算出检测转速Fd与基准转速Fr之间的差ΔF的作为减法单元的减法器55；作为系数产生单元的系数表56，当其转速差ΔF小于等于零时，将1作为系数值输出，而当转速差ΔF大于零时，将比1小的值作为系数值输出；作为乘法单元的乘法器57，其在从发电机输出电压决定表54中得到的判定输出电压V1上乘以从系数表56中得到的系数K，从而形成校正电压指令信号V2；作为第二减法单元的减法器58，其可计算出从乘法器57获得的输入电压指令信号V2与从输入电压检测电路49获得的检测电压Vin之间的差ΔVin；第二减法器58；作为控制信号形成电路的控制运算器59以及脉冲发生器60，其根据从第二减法器58获得的电压差ΔVin，形成控制电力转换电路45的信号，以便使输入电压检测电路49的输出电路49的输出Vin接近校正电压指令信号V2。另外，可以将基准转速设定器53设置在控制电路50的外面。
电压决定表54由存储器构成，存储有转速Fd与获得最大功率的发电机输出电压V1之间的关系。在电压决定表54中，既可以存储相对于全部转速Fd的电压V1，也可以存储分阶段所选择的转速Fd和其电压V1。当在表54中没有对应检测转速Fd的数据时，可使用接近检测转速Fd的转速的数据。此外，也可以不使用表54，而将算数表达式存储在存储器中。再将检测转速Fd代入算数表达式来决定电压V1。
电压V1表示能够从发电机42得到最大功率的发电机的输出电压以及电力转换电路45的输入电压。
电压决定表54将从转速检测器48得到的检测转速Fd作为地址信号进行使用，输出表示与此相对应的目标电压V1的信号。当不是强风的时候，从表54输出的电压V1成为发电机42的目标输出电压。
第一运算器55通过从从转速检测器48获得的检测转速Fd中减去基准转速Fr来求出ΔF，即Fd-Fr＝ΔF。对应ΔF≤0而存储系数K＝1，对应ΔF＞0而存储比1小的系数K。当第一运算器55输出的ΔF＞0时，选择满足0＜K＜1的系数。可将此时的K值取为1/ΔF。由此，在ΔF＞0时，将ΔF的值作为地址，输出与ΔF的值对应的系数K。也可以不用将表示多个ΔF的值与多个系数K的值之间关系的数据存储在存储器中，而存储表示ΔF与K之间关系的算术表达式，再把ΔF的值代入该算术表达式，从而来判定系数K。
乘法器17将电压V1乘以系数K求出KV1＝V2，并将KVi＝V2输出，电压V1是从表54输出的，系数K是从表56输出的。V2是在强风时进行校正的电压指令信号。
第二乘法器58是通过进行Vin-V2＝ΔVin的运算，从而输出表示输入电压检测信号Vin与电压指令信号V2之差的信号。
输入ΔVin的控制运算器59，例如是由公知的比例积分电路(PI电路)构成，并形成对应于ΔVin的通电率信号Don。总而言之，可得到使Δvin相当于平滑信号的通电率信号Don，即负荷指令信号。
作为开关控制信号形成单元的脉冲发生器60形成有控制信号Vg，该控制信号Vg具有以通电率信号Don所指定的宽度的脉冲，并输送到电力转换电路45的开关Q1的门电路。
根据第二实施方式，可解决本发明的第二以及第三课题。
在已有技术中，多数采用的方式是，通过设置在发电机旋转轴上的转速传感器等来检测旋转信号。在本发明的实施发明中，不使用旋转传感器，而使用一种利用包含在发电机的输出中的脉冲电流信号来测定转速的电路。由此只用两线式的电力线，就可以在控制设备一侧测量到正确的转速。
在以每分钟旋转N圈的永磁铁式发电机中(结合图3)，磁铁的极数P与交流输出频率F的关系是F＝N/60×P(Hz)。
在具有三相绕组的发电机中，全波整流输出信号是如图4所表示的那样。
例如，在将风力发电机直接连接在蓄电池上时，由于发电机的整流输出被电池的电压所固定，所以很难对电压的脉冲电流进行检测。为此如图5那样，通过将二极管正向插入到电力线的+端子到电池的+端子之间，可在风速减弱而导致发电机的转速较低的状态下，即在发电机的输出峰值没有达到电池的电压的状态下，也能够根据发电机的输出电压V1的脉冲电流，对转速进行计测。
当风速变强，使得发电机的输出电压超出电池的电压而可进行充电时，输出电压V1变得很平直，所以很难计测转速。为此如图5那样，插入微值电阻R，根据充电电流的脉冲电流，对转速进行计测。
图6是说明合成电路的图，该合成电路可对从微风时的电压波形的放大器和弱风时以上的电流波形的放大器输出的信号进行合成，以便稳定地对前风速区域进行转速的计测。即，通过OR将来自电阻R的电流波形和电压波形V1导入运算放大器100，可使用其中任一者来计测转速。
图7是具有第三实施方式中的起动辅助功能的风力发电装置的电路方框图。
在图7中，风力发电装置90包括三相交流发电机61；三相全波整流电路62；转换继电器63；驱动电路64；定时装置65；转速计测装置66。
此外，借助该风力发电装置90来进行蓄电的负荷电路70由电池充电控制器71、电池72以及DC-DC转换器73构成。
三相交流发电机61具有由永磁铁构成的转子61a、以及由环绕该转子61a的三相通电绕组构成的定子61b。转换继电器63用来在通过由受风吹而旋转的风车67带动转子61a旋转、在定子61b中产生三相交流电、进行发电的发电模式，和通过由驱动电路64向定子61b通电、使转子61a旋转、由此来使风车开始旋转的起动辅助模式之间进行模式转换。
即，发电模式与附图中的转换继电器63的连动开关是接通的状态相对应，起动辅助模式与同连动开关是关闭的状态相对应。在该起动辅助模式中，三相交流发电机61根据来自驱动电路64的指示，进行起动辅助用的断续旋转动作。
在发电模式、即把三相交流发电机61作为发电机并使其工作时，风车67受到规定以上风速的风而产生旋转，由此导致转子61a旋转，根据该转子61a的旋转，将在通电绕组61b中产生的三相交流电压，经三相全波整流电路62转换成直流电压后，提供给后段的负荷电路70。
转换继电器63，根据来自驱动电路64的指示，把3个连动开关转换到电压输出侧(发电时)、或电压输入侧(起动辅助时)。
驱动电路64通过来自定时装置65的计时定时信号来起动，根据转子61a的惯性力旋转中的通电绕组61b所输出的电压，对作为电动机转子61a的旋转方向进行判定，校正到正确的旋转方向，在使电动机进行起动辅助用的正式旋转的同时，还通过来自定时装置65的计时定时信号进行停止驱动动作。在这里，虽然驱动动作停止，但是在驱动动作的惯性作用下，在一定期间仍可以旋转。
定时装置65具有作为第一计时单元的计时功能和作为第二计时单元的计时功能，所述第一计时单元的计时功能，根据来自转速计测装置66的通知，以将发电模式转换成起动辅助模式的时刻为基准，对旋转驱动电动机的规定的期间进行计时；所述第二计时单元的计时功能，可对在作为该第一计时单元的计时功能结束之后起的对电动机进行驱动动作暂停期间进行计时。
另外，通过上述作为第一计时单元的计时功能来计时的规定期间，例如为6秒，通过上述作为第二计时单元的计时功能来计时的规定旋转驱动动作暂停期间，例如为54秒。也可15将其中任一计时期间数据预先以硬件或软件的方式设定在定时装置中。此外，在上述的旋转驱动动作暂停期间中，可把整体的驱动模式经常转换为发电模式(连动开关向着发电时的接点方向转换的状态)。
转速计测装置66，当在发电模式中三相交流发电机61进行发电时，通过参照电压Vm来监视转子61a的转速N，该电压Vm是从通电绕组61b中输出、并通过三相全波整流电路62整流后得到的，当转速N低于规定的转速Na时，把驱动模式已从发电模式转换成了起动辅助模式的情况通知给定时装置65。
此外，转速计测装置66，在起动辅助模式中，对作为电动机的三相交流发电机61的转子61a的转速N进行监视，当该转速N超过规定的转速Nb时，把驱动模式已从起动辅助模式转换成了发电模式的情况通知给定时装置65。
上述规定的转速Na例如是100rpm、电压Vm(＝Vma)例如是2V，该电压Vm来自与所述Na＝100rpm的转速相对应的三相全波整流电路62。电压Vma＝2V作为转速检测用的阈值，可预先以硬件或软件的方式设定在转速计测装置66中。
此外，上述规定的转速Nb例如是200rpm。另外，该转速是表示在起动辅助模式下进行旋转的风车，在受到可充分进行发电的风压时，以大于电动机的旋转力进行旋转时的转速。
负荷电路70的电池充电控制器71被设置在三相全波整流电路62的后段，其用来监视电池72的充电状况，根据充电状况决定是否把从三相全波整流电路62所提供的直流电压供应给电池72。
此外，负荷电路20的DC-DC转换器73，取出电池72的电压，把已转换成最合适电压的电压提供给驱动电路64、定时装置65、以及转速计测装置66。在起动辅助模式下，用来驱动三相交流发电机61并使其作为电动机的电力，提供给驱动电路64。
图8是表示在上述构成的带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置中的起动辅助功能的动作的流程。另外，通过图7的驱动电路64、定时装置65、转速计测装置66、内置在电池充电控制器71的各装置中的逻辑电路、或是未图示的CPU、以及存储在此CPU中的内置存储器里的处理程序来进行处理。
在图8中，首先通过转速计测装置66来判别风车的转速，即判定转子61a的转速N是否低于规定的转速Na(步骤S1)。
然后，如果转子61a的转速N是在规定的转速Na以上时(步骤S1“否”)，则继续监视转子61a的转速N。
由此，如果在发电模式下三相交流发电机61处于发电旋转中时，则继续发电。此外，如果在起动辅助模式下，作为电动机的转子61a处于断续旋转的驱动动作暂停期间、并转换到发电模式进行惯性旋转时，则继续该惯性旋转。
另一方面，在步骤S1的判别中，若转子61a的转速N低于规定的转速Na时(步骤S1“是”)，此时会转换到起动辅助模式(步骤S2)。即，通过转速计测装置66发出的通知来起动定时装置65，并根据来自定时装置65的定时信号使驱动电路64开始工作。
接下来，通过驱动电路64，向在上述起动辅助模式下成为电动机的三相交流发电机61的通电绕组61b施加1个周期的三相交流电压，并立刻切断此后的附加电压，参考通过转子61a的此时1个周期的驱动所产生的惯性力旋转的旋转方向，判别是向着发电方向旋转的正方向的旋转、还是向着其相反方向的旋转(步骤S3)。
然后，若是正方向的旋转的话(步骤S3“是”)，则继续开始对作为发电机的三相交流发电机61的通电绕组61b施加电压，且作为定时装置65的第一计时单元(以下称为运转定时)开始计时，例如开始计时6秒，由此判别该计时期间是否已结束(步骤S5)。
另一方面，在步骤S3中，若检测出的旋转方向是相反的旋转方向时，则改变向通电绕组61b输出的通电信号，在进行了反相(向正旋转方向的起动)起动后(步骤S4)，再转到上述步骤S5的处理。
在步骤S5的判别处理中，当运转定时器的计时期间还没有结束时(步骤S5“否”)，随后判别转子61a的转速N是否低于规定的转速Nb(步骤S6)。
下面，当转子61a的转速N低于规定的转速Nb时(步骤S6“否”)，则会返回到步骤S5，并反复对运转定时器的计时期间是否结束进行判别。
由此，当运转定时器处在计时期间中、且转子61a的转速N低于规定的转速Nb时，则在步骤S3或S4中，继续对开始的电动机进行旋转驱动，由此转子61a、即风车的起动辅助旋转被加速。
下面，在步骤S5中，当运转定时器的计时期间结束时(步骤S5“是”)，则定时装置65的第二计时单元(以下称为待机定时器)开始计时，用来判别该计时期间是否已结束(步骤S7)，在计时期间结束之前，被设定成待机状态(步骤S7“否”)。
由此，当转子61a的转速N低于规定的转速Nb、且运转定时器的计时期间已结束时，不用始终进行起动辅助的旋转驱动，可预先在待机定时器中设定规定期间、例如设定54秒的待机期间，从而可使在该规定期间(54秒)内、且没有风时的不起作用的起动辅助的旋转驱动停止。
由此，若待机定时器计时期间为54秒，运转定时器的计时期间与其相对为6秒的话，则运转定时器的计时期间是整体的驱动期间的1/10，在作为发电开始状态之前，与不断进行起动辅助的旋转驱动相比较，可节电9/10，从而发挥节电的效果。
若上述的待机期间结束后(步骤S7“是”)，再返回到步骤S1，这样反复进行上述步骤S1～S7的处理。
由此，在步骤S6所进行的判别中，当旋转的转子61a的转速在转速Nb以上时(步骤S6“是”)，根据由转速计测装置66经定时装置65所发出的通知，停止驱动电路64的起动辅助的旋转驱动动作。即，驱动模式被转换成发电模式。
电池充电控制器71，会伴随着该转换而继续进行控制，通过电池充电控制器71来判别是否对发电电力进行充电(步骤S8)。
此处理中，要判别是否为可充电的状态，即，判别是否是对电池72已经进行了充分的充电，不需要再充电的情况，或在再次进行充电的过程中，由于风速减缓从三相交流发电机不能得到充足的电力来进行充电的情况。
并且，当判别是可充电的状态后(步骤S8“是”)，对电池72进行充电(步骤S9)，并反复进行S8以及S9的处理。这样，三相交流发电机11可继续对电池72进行充电。
在上述步骤S8的判别中，当不是可充电的状态时(步骤S8“否”)，转换到上述步骤S7的处理。这样，在风速减缓而不能从三相交流发电机得到充足的电力来进行充电时，转换到步骤S1～S7的起动辅助工作模式。此外，当风速足够用来充电、且对电池72的充电很充足时，电池充电控制器71通过进行自动控制来禁止对风车67发电。
这样，根据本发明，例如在1分钟1次这样短的期间间隔中，通过起动辅助功能进行起动辅助旋转，从而在弱风时引起旋转来发电，可极大克服发电效率低下的问题，同时，即使是在低风速时所产生的较大的风速变化，也可立刻加以应对而进行旋转，这样就可以提高发电效率，而不会失去发电的机会。
图9是第四实施方式的水平轴风力发电装置的电路方框图，该水平轴风力发电装置通过把定时装置作成独立电路，可进一步节省自身消耗的电力。在图7中所表示的例子中，由DC-DC转换器73始终向定时装置65供给电力，但是在图9中所表示的例子中，定时装置65是由电池72供给电力来进行工作的，在进行转速计测装置66的条件判定的同时，还向DC/DC转换器73发出要求供给电力的信号，从而可向驱动电路64进行电力供应。这样在使起动辅助功能起动之外，还可使DC/DC转换器73暂停动作，由此可从整体上节省电力的消耗。
另外，在上述的说明中，通过对转换继电器13的连动开关进行转换，可进行发电模式与起动辅助模式之间的转换。但是也不必仅限于使用继电器，例如，可以用光电件耦合元件或FET等来构成转换开关部。
此外，在运转定时器、或待机定时器中所设定的计时期间，也不必如上述实施例中那样，仅固定限制成驱动6秒、暂停54秒那样的设定期间，更不必将两者的相互关系固定限制在1/10。例如，根据1天的期间段、季节、地域等，可适当地设定计时期间。
此外，对于图8的起动辅助功能的工作设定没有进行特别说明，但是进行设定时，为了使上述例如每1分钟做1次起动辅助旋转的起动辅助功能的动作设定进行常时工作，由此，在长期间完全没有风的状态下，就会不必要地消耗起动辅助功能用的电力。
为此，利用人工操作用的开关或远程操作来设置工作用的开关，借助该开关，可把起动辅助功能的工作设定切换到“设定”和“解除”中的任一者上。
并且，接受电源供应的电池电压，在检测出电压处于某规定值以下时，电池电压可以增加自动停止向DC/DC转换器73提供电力的电路。
此外，结构可以是如下这样的，例如设置风速测定装置来计测风速，该风速测定装置是由风速传感器等风速检测装置、或是垂直轴圆形旋翼型风车等构成，当风力达到规定值以上时，接通起动辅助功能的开关。此时，风速测定装置最好是可检测出微风的小型装置。
图10是一例表示利用这样的风速传感器来监视起动辅助功能的动作开始时刻的图。如该图所表示的那样，在带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置90上，把与其相分开的风速检测装置80设置在它的附近。
风速检测装置80具有风速传感器81和风速判定部82。在风速判定部82中，预先以硬件或软件的方式设置风速值，该风速值是用来预先使起动辅助功能进行工作的。风速判定部82把所输入的由风速传感器81计测出的风速值与上述预先设定的风速值进行比较，当输入风速值超过了设定风速值时，将已经到了起动辅助功能的工作定时的情况通知给定时装置65。
这样，图8中步骤S7的待机定时器开始进行计时，开始随后的步骤S1～S9的处理、即启动起动辅助功能。这样，在没有风时，可自动避免由于不必要的起动辅助功能的工作而导致的电力消耗。
如上所述，本发明的带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，即使是在通常的升力型水平轴风力发电机不能旋转的低风速下，也可利用起动辅助功能进行起动辅助旋转，所以，其通过该辅助旋转的惯性力，可在即使是通常的升力型水平轴风力发电机不能开始旋转的低风速下，开始进行正常旋转。这样就可提供一种发电效率良好的带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置。
此外，由于同时用作发电机和起动辅助的发电机，所以不仅是一种带有起动辅助动力的风力发电机，而且还可以实现小型化。这样就可以提供一种价格低廉的带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置。
此外，由于作为起动辅助旋转而言，要进行驱动工作暂停期间较长的断续旋转，所以能最大限度地将用于起动辅助旋转上的电力抑制得很低，这样就可以提供一种带有起动辅助动力的风力发电机，还可以降低自身电力消耗的带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置。
此外，在监视风速的同时，只在产生适当的风之后才使起动辅助功能工作，所以可提供一种更进一步降低用来起动辅助旋转的自身消耗电力的带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置。
根据第三以及第四实施方式，可解决本发明的第四课题。
另外，上述的第一至第四实施方式是分别进行说明的，但是也可以将它们组合起来，构成具有各自优点的风力发电装置。此时，因为成为一种具有每个实施方式的优点的风力发电装置，所以可以组成性能更加优越的风力发电装置。即使在下面进行说明的事项，情况也是同样的。
通常在风力发电中，在运转界限为风速以上时，就停止风车或是使风车减速，从而可以防止不能控制的情况下危险的高速旋转。在此方式中具有旋翼的俯仰控制和圆盘制动器、下降等机构式的制动，但是，在升力型固定俯仰水平轴风车中，可使发电机的输出短路来进行制动。为了判定回避危险用的自动停止，具有单独计测或是至少计测风速、转速、发电电力等值中的多个值的方法(结合图11)。
在图11中，从充电控制电路判定发电电力的发电力判定部、和转速判定部、和风速判定部都分别进行测定，根据结果判定是否进行充电的转换。
在升力型固定俯仰水平轴风车中，当利用发电机的输出短路来进行电磁式制动时，旋翼并不能完全停止下来，旋翼正对着风向，并缓慢地进行旋转。换而言之，其原理是用短路电路消耗通过旋转所产生的电力。在停止时的低速旋转状态下，几乎得不到来自升力的旋转扭矩，而主要是来自阻力的旋转扭矩。即，该原理与螺旋桨型风速计的原理是相同的，风速和转速几乎成比例。同时，短路电流也大体与风速成比例。
从自动停止开始，用定时器继续维持规定期间的停止状态，但是，在不具有风速测定功能的系统中，可以通过测定该短路电流(结合图12，图12是停止时的短路电流判定电路，由于短路开关而造成短路，结果该电路可用来测定流过的短路电流)，对在返回时是否处于可开始运转的风速范围进行判定。将可安全运转的上限风速时的短路电流值取为阈值，如果短路电流值未达到该阈值时，则返回运转，如果短路电流值是在阈值以上时，则在规定期间继续保持停止状态(结合图13)。
在电池的蓄电容量在正常状态下，充电控制电路也提供电源时，可以在高速旋转前将风车停止下来。在本实施方式中，电路是一种辅助的电路，由于电池的容量不足或断线、控制电路的故障等原因，当不能进行停止控制时，可使风力发电机输入发生短路。
判定必须停止的要件是，电池电压的降低和发电机输出电压的上升。
图14的电路是由风力发电机短路用N通路FET和施密特触发逆变器、6V电池构成。在电池的电压低于规定值时，或风力发电机处于开放状态而使输入电压超过了规定值时，则向FET栅极施加直流电位，使电路短路。一旦该电路成为正常系统状态，就从短路状态自动返回到开放状态。由于是CMOS的结构，另外还由于FET的栅极电路是绝缘的，所以施密特触发器可以进行工作，而几乎不会消耗小电池的电力，从而在很长的时间之内不用更换电池。
相对于风速的变化，为了成为最大功率点而进行输入电压指令的电力转换方法是公知的。在目前的技术中，在让输入电压进行微小变化，以使发电电力成为最大值之前，一直使用的是改变输入电压的方法，但是，只要计算出现在的电力瞬时值，进行反馈即可。
在本实施方式中，以过去的变化经过作为最大功率点的变化经过的基础上，预测风速的增加或减少、决定电压指令值，从而进行控制。因此，相对于风速变化，可实现响应的高速化，并提高效率。
如果过去数秒间的风速有增加趋势的话，则最大功率点也有增加的趋势。通过该电力增加量的斜率，可预测未来数秒间之后的电力量，并判定输入电压的指令值。如果风速是增加时，则判定输入电压的指令值要高于最大功率点的电压值。由此，风车的负荷会暂时成为减轻的状态，随着转速的上升速度不断变快，可以很快地跟随风速的增加。此外，风速减少时，则进行相反的动作。
图15是对于额定功率控制进行说明的图。
另外，在以设定的上限转速进行运转中，当风速增大而超过了额定功率值时，就可以进行如下控制不停止地进行降低上限转速的指令，即将输入指令电压转换成关于额定功率的(90％)的超过量差异的控制，而不是转换成关于与设定转速的差异的控制，以便不超过额定功率。
实际上，如图15所表示的那样，是从比额定功率大约低10％左右的电力开始进行转换控制的，而不是从超过额定功率之后起进行转换控制的。
权利要求
1.一种带有起动辅助功能的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，具有永磁铁式发电机，通过与借助风力向正方向旋转的旋转翼的旋转轴连动来进行发电；起动辅助单元，通过把该发电机转换成电动机，来实施使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转；发电机还原单元，在停止了由该起动辅助单元实施的上述起动辅助旋转后，将上述电动机还原成发电机。
2.根据权利要求1所述的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，上述起动辅助单元，作为用来实施上述起动辅助旋转的电源，具有蓄电池、太阳能电池、或辅助式风力发电机。
3.根据权利要求1或2所述的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，还具有起动辅助旋转时期决定单元，其用来决定上述起动辅助单元实施上述起动辅助旋转的时期。
4.根据权利要求3所述的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，上述起动辅助开始时期决定单元具有风速计测单元以及第一计时单元，当上述风速计测单元所计测的风速在规定风速以下时，只在上述第一计时单元的计时期间，使上述起动辅助单元动作。
5.根据权利要求4所述的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，上述起动辅助开始时期决定单元还具有第二计时单元，在上述第一计时单元的计时期间结束后，开始进行上述第二计时单元的计时，在该第二计时单元的计时期间结束后，开始进行上述风速计测单元的风速计测。
6.根据权利要求5所述的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，上述第一计时单元的计时期间比上述第二计时单元的计时期间短。
7.根据权利要求1所述的旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置，其特征在于，在风速弱时，使用发电机的输出电压的脉动电流来计测风车的转速，而在风速强时，使用充电电流的脉动电流来计测风车的转速。
8.一种使旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置进行发电动作的方法，该旋翼角度固定升力型水平轴风力发电装置具有通过与借助风力向正方向旋转的旋转翼的旋转轴连动来进行发电的永磁铁式发电机、对该发电机在电动机与发电机之间进行切换的切换装置、风速计测装置、第一计时单元以及具有比该第一计时单元的计时期间长的第二计时单元，该方法的特征在于，包括当上述风速计测装置检测出规定值以下的风速时，使起动辅助功能工作的工序；只在上述第一计时单元的计时期间继续进行上述起动辅助功能的动作的起动辅助驱动工序；只在上述第二计时单元的计时期间，停止上述起动辅助功能的动作，并且通过上述开关装置将上述电动机转换成上述发电机的可发电还原工序；重复进行上述起动辅助驱动工序和上述可发电返回工序的重复工序；在该重复工序中，监视上述发电机的绕组定子的输出电压是否是大于等于规定值的电压的电压监视工序；和当通过该电压监视工序检测出大于等于规定值的电压时，利用上述发电机的输出电压对电池进行充电的充电工序。
9.一种风力发电装置，其特征在于，具有与产生交流电压的风力发电机连接的整流电路；与上述整流电路连接、且包括至少一个开关元件，在上述开关元件的接通、断开的控制下，转换上述整流电路的直流输出电压水平的直流-直流转换电路；检测上述风力发电机转速的转速检测单元；产生表示上述风力发电机的限制转速的信号的限制转速信号产生单元；将表示从上述转速检测单元所得到的检测速度的信号与表示从上述限制转速信号产生单元所得到的限制转速的信号进行比较的比较单元；开关控制电路，其对上述开关元件进行控制，以使上述直流-直流转换电路的输出段的电压达到规定值，并且还对上述开关元件进行控制，响应表示上述检测速度高于上述限制转速的上述比较单元的输出，使上述直流-直流转换电路的输出电压上升；实施通过将该风力发电机转换成电动机而使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转的起动辅助单元；和当该起动辅助单元的上述起动辅助旋转停止后，将上述风力电动机还原成上述发电机的发电机还原单元。
10.一种风力发电装置，其特征在于，具有与产生交流电压的风力发电机连接的整流电路；与上述整流电路连接、且包括至少一个开关元件，在上述开关元件的接通、关闭的控制下，转换上述整流电路的直流输出电压水平的直流-直流转换电路；与上述直流-直流转换电路连接的直流-交流转换电路；检测上述风力发电机的转速的转速检测单元；产生表示上述风力发电机的限制转速的信号的限制转速信号产生单元；将表示从上述转速检测单元所得到的检测速度的信号与表示从上述限制转速信号产生单元所得到的限制转速的信号进行比较的比较单元；控制电路，用于控制上述直流-交流转换电路，并且，对上述直流-交流转换电路进行控制，使其响应表示上述检测速度高于上述限制转速的情况的上述比较单元的输出，使上述直流-交流转换电路的输出电压上升；实施通过将该风力发电机转换成电动机而使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转的起动辅助单元；和当该起动辅助单元的上述起动辅助旋转停止后，将上述风力电动机还原成上述发电机的发电机还原单元。
11.根据权利要求9或10所述的风力发电装置，其特征在于，上述限制转速信号产生单元，在白天时间段中产生表示第一旋转控制速度的信号，且在夜间时间段中产生表示比上述第一旋转控制速度低的第二旋转控制速度的信号。
12.一种风力发电装置，其特征在于，包括风车；具有由上述风车驱动旋转的转子的交流发电机；与上述交流发电机连接的整流电路；与上述整流电路连接的电力转换电路；与上述电力转换电路连接的蓄电池或电容器；用来检测上述风车转速的旋转检测器；用来设定上述风车的基准转速的基准转速设定器；控制电路，与上述旋转检测器、上述基准转速设定器和上述电力转换电路连接，且当从上述旋转检测器所得到的检测转速超过上述基准转速时，控制上述电力转换电路，使其增大上述电力转换电路的输入电压与输出电压之比；实施通过将该交流发电机转换成电动机而使上述旋转轴向正方向旋转的起动辅助旋转的起动辅助单元；和当该起动辅助单元的上述起动辅助旋转停止后，将上述交流电动机还原成上述发电机的发电机还原单元。
13.根据权利要求12所述的风力发电装置，其特征在于，还具有检测上述电力转换电路的输入电压的输入电压检测电路，上述控制电路包括；决定上述发电机的输出电压的发电机输出电压决定单元；计算出上述检测转速与上述基准转速之差的第一减法单元；在上述差小于等于零时，将1作为系数值输出，而在上述差大于零时，输出具有小于1的值的系数的系数产生单元；通过在从上述发电机输出电压决定单元所得到的决定输出电压上，乘以从上述系数产生单元得到的系数，而形成校正电压指令信号的乘法单元；计算出上述乘法单元的输出与上述输入电压检测电路的输出之差的第二减法单元；和形成控制上述电力转换电路的控制信号，使上述电力转换电路根据上述第二减法单元的输出使上述输入电压检测电路的输出接近上述校正电压指令信号的控制信号形成电路。
14.一种升力型固定俯仰水平轴风车，其特征在于，具有短路单元，其在风力达到运转极限风速以上时，将发电机的输出短路，使风车的旋翼持续缓慢旋转。
15.根据权利要求14所述的升力型固定俯仰水平轴风车，其特征在于，还具有判定单元，通过将由上述短路单元所产生的短路电流与规定的阈值进行比较，来判定是否再次开始风车的运转。
16.一种升力型固定俯仰水平轴风车，其特征在于，具有在由于电池电压的降低或发电机输出电压的上升而不能进行必要的风车的停止控制时，将风力发电机的输入短路的短路单元。
17.一种升力型固定俯仰水平轴风车，其特征在于，具有存储与过去风速的变化倾向有关的信息的存储单元；和根据该存储单元所存储的信息来预测以后的风速，使风车的旋转可高速跟踪风速的变化的控制单元。
18.一种升力型固定俯仰水平轴风车，其特征在于，在以所设定的上限转速运转的过程中，在风速增加而使得充电用的电力超出额定功率值的情况下，通过降低风车的上限转速，使充电用的电力不超过该额定功率。
全文摘要
本发明提供一种风力发电装置，其在风速传感器检测到规定值以上的风速时，由定时装置起动待机定时功能，并在待机定时期间结束后，转换到比待机定时期间还短的驱动定时功能，仅在驱动定时期间内，通过转换继电器将发电机转换成电动机，通过驱动电路进行用于起动辅助的旋转驱动。在驱动定时期间结束之后再次成为待机定时期间，重复这样的动作。在此期间，由转速计测装置根据三相通电绕组的输出电压Vm监测转子的转速，在该转子的转速达到了规定值以上的转速时，开始三相发电机的发电和对电池的充电。
文档编号H02P9/08GK1711675SQ200380103329
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月13日 优先权日2002年11月15日
发明者伊藤瞭介, 佐藤清, 田村秀章, 川上胜史 申请人:轻风株式会社