专利名称：流体发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及将风等工作流体能变换为转动能而作为电能利用的流体发电设备。
背景技术：
以动能为驱动源进行发电的流体发电设备，近年来看好利用风能的风力发电。对于这类风力发电设备，日益希望能利用从微风到强风广范围的风能。
风力发电设备，由通过风车转动驱动的发电机与通过发电机供电而充电的蓄电池等构成，形成能给蓄电池充电同时对于电力设备等的负荷供电的结构。
在上述的风力发电设备中，即使是在微风时，对风车成为负荷的发电机也仍旧取连接的状态，未设置有可根据风力变动自动切断发电机等待风车复恢复转动时再连接的控制功能。
另外，当蓄电池处于满充电状态时，对于有强风的情形，则希望能机械地制动风车或是可使发电机的输出短路进行发电制动，以预防风车的过转动。但是在使发电机的输出短路的瞬间，发电机成为无负荷状态，风车的转动过大就会成为值得考虑的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供能通过根据圆周速度来控制发电机，得以对于风等工作流体的流速与转数的变动作出对应的处理且可在各种流速下获得最大输出的流体发电设备。
为了达到上述目的，本发明的流体发电设备是具有以工作流体能作为驱动源而转动的翼转动轴上连接的发电机以及包含有连接到发电机上的蓄电池的负荷装置的流体发电设备，其中包括将基于工作流体的流速的流速信号和基于翼转动轴转数的转数信号计算出的实测圆周速度比，与流体发电设备中工作流体能变换效率成为最大的基准圆周速度比进行比较的比较装置；根据此比较装置的比较结果，当实测的圆周速度比小于基准的圆周速度比时，发电机无负荷，为使基于翼转动轴的转数回复到基准圆周速度比所具有的转数而对负荷装置进行开/关控制的负荷控制装置。
上述流体发电设备可以有效地构成为，使此负荷控制装置能根据上述比较装置的比较结果，在实测的圆周速度比小于基准的圆周速度比时，使发电机成为无负荷的，此无负荷状态继续到翼转动轴的转数回复到上述基准圆周速度比所具有的转数，由此来有效地处理翼转动轴转数的变动。
上述流体发电设备最好构成为，当负荷装置的蓄电池满充电时，在据过电压探测部的输出停止对蓄电池供电的同时，将发电机与等效负荷连接。
在具有以工作流体能力驱动源而转动的翼转动轴上连接有发电机的流体发电设备中，使之构成为，设有根据工作流体的实测流速与翼转动轴实测的转数算出的实测圆周速度比来控制发电机的运转的控制装置，以在工作流体的各种流速下获得最大的输出。
上述流体发电设备可以有效地构成为，使上述控制发电机运转的控制装置能根据超过工作流体实测的流速与超过翼转动轴实测的转动输出峰值的转数算出的实测圆周速度比特性，经常地控制发电机的运转，通过给发电机的翼转动轴以负荷而获得各种流速下的最大输出。
图1是示明本发明实施例的框图。
图2是控制电路的框图。
图3是示明控制系统的概念图。
图4是相对于圆周速度比示明发电效率的特性图。
图5是示明圆周速度比一个例子的特性图。
具体实施形式下面参考附图基于实施例说明本发明的实施形式。
图1所示的实施例构成为将作为工作流体能的风能变换为转动能而用作电能的风力发电设备。在此图1中，风车1例如具有三块直线翼2，而各个直线翼2则通过上下2块支承翼3成整体地安装到翼转动轴4之上。于此翼转动轴4上通过变速器6连接同步发电机(三相交流)等发电机5。翼转动轴4上设有制动用的制动器7和探测风车1的转数的转动探测部8。
转数探测部8由回转计发电机以及光敏器件和光电压变换器进行计测的这两者来探测风车1的转数。探测得的转数信号输入控制电路9。此外，风速由风速计等组成的风速探测部10检测，检测得的风速信号输入控制电路9。
图2示明图1控制电路9的主要部分，翼转动轴4的转数由转数探测部8检测，此转数信号输入算出控制电路9实测的圆周速度比的圆周速度比计算电路91。风速探测部10探测出风速信号也同样输入控制电路9的实测的圆周速度比计算电路91。
在实测的圆周速度比计算电路91中，根据基于翼转动轴4的转数的转数信号和基于风速的风速信号，算出实测的圆周速度比并将其输入比较电路92。于此比较电路92中还输入基准的圆周速度比。此基准的圆周速度比预设为图1风力发电设备中风能变换效率为最大的圆周速度比。
输入有实测的圆周速度比和基准圆周速度比的比较电路92根据此比较结果将控制信号输入负荷控制电路96，此时，当于比较电路92中判断实测圆周速度小于基准的圆周速度比时，此比较电路92即对负荷控制电路96发出使负荷装置11的蓄电池111与发电机5断开电连接的指令。负荷控制电路96使切换器113进行让发电机5成为无负荷的切换操作。使发电机5成为无负荷的操作例如可由卸荷阀容易地实现。
这样，当实测的周速比小于基准的周速比时，使发电机5为无负荷的就可减轻对翼回转轴4的负荷。这种操作继续到翼转动轴4的转数回复到基准的周速比所具有的基准转数，由此可以显著地加速风车1的转动起动，能灵敏地处理风速与转数的变动，谋求发电效率的改进，结果能提高风力发电设备的运转率。
负荷装置11当蓄电池111处于满充电状态时，通过过电压探测部112的输出，使切换器113进行切换操作，在停止对蓄电池111供电的同时，连接上等效负荷114。通过此等效负荷114的连接，发电机5即不成为无负荷状态，而能进行适当的电力制动。由此可以防止连接到发电机5上的翼转动轴4即风车1进入进转动区，从而能防止风车1的直线翼2等的破损。作为上述的效负荷例如可以通过接通照明灯或是连接上加热器作为热回收用的加热器，通过实施这类作业而能有效地利用蓄电池111到解除满充电时的余剩电功率。
再有，在图1所示实施例中，构成为基于风速V与翼转动轴4的转数N算出的圆周速度比β(β＝转数N或转子的圆周速度/风速V)，来控制发电机5的运转。转子的圆周速度为2πRN(R为半径)，若2πR为常数则可代之以使用转数N。具体如图5所示，例如当于高过风速V＝9m/sec的峰值イ点的转数口上(β＝4.5)将发电机5连接到翼回转轴4上，便相对于转动轴4作为负荷起作用，翼转动轴4的转数N按图5的反时针定向依箭头所示减少转数，而设定到输出峰值的イ点。
此时，采用风速比＝4.5，如图4所示，风车1的最大效率在实测结果上乃是β＝4.5时所得到的，因而在具体运用中希望在这一圆周速度比左右进行。这样，通过基于风速比进行发电机5的控制，就能如图4与5所示，常可于峰值イ点进行发电机5的运转而能求得对应于各风速的最大输出。
图3是图1所示风力发电设备的控制系统的概念图。此实施例的控制系统具有包含上述本发明的控制装置的三种功能。它们是起动与加速功能、风速比控制功能以及制动功能。风速的探测如上所述由风速计等组成的风速探测部10进行。风车1的转数由具备有回转计发电机以及光敏器件与光电压变换器进行计测的两者的转动探测部γ探测出。此风速信号与转数信号由电压比较器12与逻辑电路13处理，作为控制信号输出。
起动与加速功能形成为当风速超过某个最低值且风车1的圆周速度比小于设定值时，可使起动马达工作。圆周速度比例控制则设计成当圆周速度比低于最高值时，起动卸载阀使发电机5成为无负荷状态。这种状态继续到风车1的转数回复到基准的转数y而能对应于转数的变动作出处理。
制动功能具有两种功能，它们是通常控制功能与非常制动功能。通常制动功能形成为当风速超过设计运用风速的最大值时，能起动空气制动器。非常制动装置则构造成当风车1的设计运用转数超过最大值时或是当2个转动探测部γ的探测信号异常时，使制动器起动。
制动系统由截止风速的制动系和风车1的过转动的非常用制动系构成。特别是对安全性有重要关系的转数的探测，使此系统取两重结构，具备可探测转数异常自诊断功能。
以上的实施例是就风力发电设备进行说明，但不局限于此，也可将本发明的流体发电设备用于其他发电系统。此外还能同时实施与太阳能发电相组合提供混合型发电系统。
再有，上述流体发电设备中，可将示明其发电输出、转数、流速等运转状况的种种观察数据或是能监控运转状况的图像数据等，利用卫星通信或因特网等通信装置，从地球上任何地方进行监控，或于其中装载可进行双向运转操作的控制装置。也可于高型建筑物的侧壁中将转动轴4不按垂直形式设置而是在水平状态下使用、还能用圆板作为支承部来取代支承翼3。以上各种结构形式即使对于流体发电方法也是有效的。
工业实用性根据上述结构，依照本发明权利要求1所述的发明，能确切对应地处理风速与转数的变动和可谋求改进发电效率，结果就能提高流体发电设备的运转效率和增大发电量。
依照权利要求2所述的发明，当流速比基准水平小时，能自动地使发电机成为无负荷的而减轻翼转动轴的负担，同时能使此无负荷状态维续保持到回复到基准转数时，得以恰切地对应地处理流速与转数的变动，能够提高流体发电设备的运转率和增大发电量。
依照权利要求3所述的发明，当由于蓄电池满充电而停止由发电机供电时同时通过将等效负荷连接到发电机上，就能使发电机不成为无负荷状态而能进行适当地电气制动，由此可以防止高速转动时转动机构部分发生破损事故。此外，通过将加热器等用作等效负荷就可有效地利用蓄电池到满充电解除时的余剩电功率。
依照权利要求4所述的发明，通过由流速与转数算出的圆周速度比来控制发电机的运转，就能获得工作流体各种流速下的最大输出，谋求发电效率的改进，能提高流体发电设备的运转效率和增大发电量。
依照权利要求5所述的发明，通过利用基于高过工作流体流速与转数输出峰值的转数算出的圆周速度比，常能以发电效率的峰值来运转发电机，可以求得各流速下的最大输出、谋求改进发电效率和增大发电量。
权利要求
1.一种流体发电设备，它是以工作流体能作为驱动源而转动的翼转动轴上连接的发电机以及包含有连接到发电机上的蓄电池的负荷装置的流体发电设备，其特征在于它包括将基于工作流体的流速的流速信号和基于翼转动轴转数的转数信号计算出的实测圆周速度比，与流体发电设备中工作流体能变换效率成为最大的基准圆周速度比进行比较的比较装置；根据此比较装置的比较结果，当实测的圆周速度比小于基准的圆周速度比时，发电机无负荷，为使翼转动轴的转数回复到基准圆周速度比所具有的转数而对负荷装置进行开/关控制的负荷控制装置。
2.根据权利要求1所述的流体发电设备，其特征在于，上述负荷控制装置构成为，根据上述比较装置的比较结果，在实测的圆周速度比小于基准的圆周速度比时，使发电机成为无负荷的，此无负荷状态继续到翼转动轴的转数回复到上述基准转圆周速度比所具有的转数，由此来处理翼转动轴转数的变动。
3.根据权利要求1或2所述的流体发电设备，其特征在于，当上述负荷装置的蓄电池满充电时，在据过电压探测部的输出停止对蓄电池供电的同时，将发电机与等效负荷连接。
4.一种流体发电设备，它是以工作流体能为驱动源而转动的翼转动轴上连接有发电机的流体发电设备，其特征在于，它构成为，设有根据工作流体的实测流速与翼转动轴实测的转数算出的实测圆周速度比来控制发电机的运转的控制装置，以在工作流体的各种流速下获得最大的输出。
5.根据权利要求4所述的流体发电设备，其特征在于，上述控制发电机运转的控制装置构造成为根据超过工作流体实测的流速与超过翼转动轴实测的转动输出峰值的转数算出的实测圆周速度比特性，经常地控制发电机的运转，通过给发电机的翼转动轴以负荷而获得各种流速下的最大输出。
全文摘要
本发明的目的是使以工作流体能为驱动源的流体发电设备能对流体流速与转数的变动进行处理，获得工作流体各种流速下的最大输出以谋求增大发电量，它构成为能将实测的圆周速度比与基准的圆周速度比进行比较，当实测的圆周速度比小于基准的圆周速度比时，使发电机无负荷时翼转动轴的转数回复到基准圆周速度比所具有的转数。此外还构成为能根据流速与转数算出的圆周速度比控制发电机的运转，以获得各种流速下的最大输出。
文档编号F03D7/02GK1484886SQ02803504
公开日2004年3月24日 申请日期2002年11月8日 优先权日2001年11月8日
发明者关和市 申请人:学校法人东海大学