专利名称：流体发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及将风等自然能变换为转动能而用作为电能的流体发电设备，特别是能用于改进发电效率的流体发电设备。
背景技术：
以工作流体的能量为驱动源进行发电的流体发电设备例如有利用风能的风力发电设备。这种发电设备，近年来由于空气空气动力学、航空力学等的发达，开发了空间阻力小而升力大的翼形等，通过将其用于风车，就能使过去成为难题的将低密度变化大的风能变换为高效的能量成为可能。
当前，数百KW级的风力发电设备虽为主流，但随着上述翼形等技术的进步，预期将来额定输出极大的风力发电设备会成为商品。另一方面，将转动能变换为电能的发电机则是直接连接到翼的转动轴上，在此发电机具有的额定输出范围内进行发电。
在已有的流体发电设备所用的发电机中，为了能由1台发电机获得对应于宽广流速范围变化的连续可变输出，就会超出发电机的标准制造限度，使成本加大。因此，当前所用的标准发电机中，接入流速与截止流速之间的范围窄，未能有效地利用工作流体能量。
本发明的目的在于提供，可对应于风力等工作流体能的宽广流速范围进行连续可变输出的发电，且可以在工作流体的各种流速下获得最大输出的流体发电设备。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的流体发电设备是具有额定输出不同的多个发电机连接到以工作流体能为驱动源而转动的翼上的流体发电设备，它能根据工作流体的流速从多台发电机选择额定输出最适当的发电机进行组合，构成为保持着对应于宽广流速范围的连续可变输出的运转方式，同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出的圆周速度比而控制上述运转方式下各发电机的运转的控制装置，以求得工作流体的各种流速下的最大输出。
此外，将具有连接到以工作流体能为驱动源而转动的翼转动轴上的发电机且额定输出不同的多个流体发电单元作多级叠置而构成流体发电设备，构成为能根据工作流体的流速从额定输出不同的多个流体发电单元选择额定输出最适当的流体发电单元组合，构成为保持着对应于宽广流速范围的连续可变的运转方式，同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出的圆周速度比而控制上述运转方式下各流体发电单元的运转的控制装置，以求得工作流体的各种流速下的最大输出。
此外，在包括有以工作流体能为驱动源而转动的以同轴形式作自由转动竖立设置的多个翼转动轴、具有在此多个翼转动轴上按多级配置安装的直线翼的转动翼部、连接在多个转动轴上且额定输出不同的多台发电机的流体发电设备中，使之构成为能根据工作流体的流速从多台发电机选择额定输出最适当的发电机组合，而保持着对应于宽广流速范围的连续可变的运转方式；同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出的圆周速度而控制上述运转方式下各发电机的运转的控制装置，以求得工作流体的各种流速下的最大输出。
上述控制装置构成为，应用基于高出工作流体的流速与翼回转轴的转数中输出峰值算出的圆周速度比，控制上述运转方式下各发电机的运转。
上述多级叠置的有不同额定输出的流体发电单元可设置成能根据叠置的高度改变额定输出的大小。
图1是示明本发明第一实施例的概念图。
图2是示明图1轴承部例子的主要部分的剖面图。
图3是示明多台发电机运转方式的特性图。
图4是示明多台发电机运转方式的特性图。
图5是示明发电效率相对于圆周速度比的特性图。
图6是示明圆周速度比控制例的特性图。
图7是示明通过运转方式的实施得到的发电量的增加部分的特性图。
图8是示明本发明第二实施例的概念图。
图9是示明本发明第三实施例的概念图。
具体实施形式下面参考附图，根据实施例说明本发明的实施形式。
图1所示的第一实施例构成了将作为工作流体能的风能变换为转动能，用作电能的风力发电设备。
在图1的实施例中，风车1例如具有3块直线翼11，各直线翼11通过上下2片支持翼12整体地安装到翼转动轴13上。翼转动轴13构成为自由转动地插入固定于塔结构等固定轴14上外转子结构。通过使翼回转轴13取外转子结构，就容易轻量化以及容易进行风车1的起动，可以期望改进性能。翼转动轴13的上部与下部均设有轴支承2。这种设于上下部分的支承2可以采用轴承支承或图2所示的利用磁悬浮的支承等。
图2所示磁悬浮轴承的结构中，使翼转动轴13通过磁力的斥力而于上下方向(轴线方向)或左右方向(水平方向)都成为非接触状态。首先如图2所示，支承架21的永磁铁22与翼转动轴13的永磁铁23按极性相反的方向设置。结果，翼转动轴13支承成于上下方向不与支承架21接触。此外，即使相对于左右方向，设于支承架21上的永磁铁24与设于翼转动轴13上的永磁铁23的磁力互斥，因而翼转动轴13就是相对左右方向也是以非接触的形式支承。
在图1的实施例中，采用了使额定输出大小呈阶梯状相异的7台同突发电机(三相交流)A～G。这7台发电机A～G通过离合器或同步皮带的等传动装置3机械地连接到翼转动轴13上。这7台发电机A～G相对于转动轴13的连接或断开的操作，根据风速例如风速计(未图示)探测的风速信号或对应于翼转动轴13转数的转数信号电平，对传动装置3进行自动的切换操作。
通过对应于这种风速进行的发电机A～G的选择与组合，如图3与图4所示，构成对应于从接入风速到断开风速宽广的风速范围的M1～M2的运转方式。具体地说，在对应于小的风速的运转方式M1时，使用发电机G～D，对应于中等风速的运转方式M2时，使用发电机EB。进而在风速加大对应于达到额定风速的风速的运转方式M3时，使用发电机C～A。
通过这样地构成运转方式M1～M3，就能如1台发电机运转的情形那样，不会有发电机容量不足，而且通过将额定输出容量小的廉价的发电机组合，就能实现与各风速相对应的运转，有效地利用风能。
再有，在图1所示实施例中，构成为基于由风速V与翼转动轴13的转数N计算出的圆周速度比β(β＝转数N或转子的圆周速度/风速V)，来控制各发电机A～G的运转。转子的圆周速度为2πRN(R为半径)，若2πR一定，则转子的圆周速度可以转数N代表。具体地说，如图6所示，例如以高过风速V＝9m/sec的峰值イ点的转数口点(β＝4.5)将发电机(例如A)连接到翼转动轴13上时，在翼转动轴13上作为负荷起作用的翼转动轴13的转数N沿图6中的反时针走向依箭头所示减少、移定到输出峰值的イ点。
此时，当采用圆周速度比β＝4.5，如图5所示，风车1的最大效率在实测中基本上是β＝4.5时所能得到的，因此在运行中最后在此圆周速度比值左右进行。这样，通过基于圆周速度比控制各发电机A～G，如图5与6所示，通常就能于峰值イ点运用各发电机A～G，求得与各风速相对应的最大输出。
图7是示明在上述图1实施例下发电量增加的特性图，通过对应于风速从多台电机A～G选择保持有最适当额定输出的发电机加以组合，在构成保持对应于宽广风速范围的连续可变输出的运转方式M1～M3的同时，基于根据风速V与翼转动轴13的转数N计算出的周速比β控制各发电机A～G的运转，而能求得在各种风速V下的最大输出，这同已有情形的发电量相比，可使发电量增加40～60％。
图8示明第二实施例，这是将风车发电单元4多级叠置成的风力发电装置。这种风车发电单元4例如具有3块直线翼41，各个直线翼41通过上下2块支承翼42安装于外转子型的翼转动轴43上。44为兼用作上侧支承的发电机，45为下侧支承。
图8的第二实施例与图1的风力发电设备相同，通过从对应于风速有不同额定输出的多台风车发电单元4选择具有最适当额定输出的风车发电单元，在构成与图3和图4相同的运转方式M1～M3的同时，基于风速V与翼转动轴43算出的圆周速度比控制风车发电单元4的运转，而能获得各风速下的最大输出。由图8所示的第二实施例可以取得与图1所示第一实施例的相同效果。
作为图8所示的多级叠置成的风力发电设备的应用例，能通过风车发电单元4的叠置高度，改变发电机44的额定输出的大小，例如风力强的概率越到上级越高，因此在上级设置发电量大的发电机就可期望能更有效地运用这种发电设备。此外，通过改变位于上级的风车尺寸或是改变风车的翼的块数，也能构成改变各种发电量再加以组合的运转方式。
图9是示明第三实施例的风车发电设备，例示了采用与翼转动轴同轴状的将风车取多级叠置的情形。图9的风车发电设备包括同轴状自由转动竖立设置的4个翼转动轴51～54，于此各个翼转动轴51～54按4级设置分别安装的风车61～64，以及通过传动装置71～74分别连接到各转动轴51～54上的4台发电机81～84。此外，也可将此4个同轴状的翼回转轴81～84各两个轴相组合使用，而构成2轴反转型发电机。
图9的实施例构成为对应于风速从4台发电机81～84选择额定输出最适当的发电机加以组合，具有对应于宽广的风速范围的连续可变输出的运转方式，同时能基于风扇与翼转动轴的转数算出的圆周速度比控制各发电机81～84的运转，而求得各种流速下的最大输出。从而此图9所示的实施例能取得与图1相同的效果。
在上述初稿例中说明的是风力发电设备，但并不局限于此，本发明的流体发电设备也可应用于水力等其他发电系统。此外也可同时实施与太阳能发电相结合而提供混合型发电系统。还可以用圆板作为支承部而取代支承翼12。再有，在高建筑物的侧壁上，也可以将转动轴13不以垂直形式使用而用于水平状态。又，以上所述的各种结构，即使对于流体发电方法，也是有效的。
在上述结构下，根据权利要求1的发明，能选择对应于工作流体流速的成为最佳发电机组合的运转方式运转，而能获得最大流速效率。再者，能够将廉价的额定输出较小的发电机组合运转，可以低成本地提供具有超出1台发电机制作限度的额定输出的流体发电设备。还可以减小接入流速而在流速小时也能进行发电。此外，也能加大截断流速而能以宽广范围进行发电。通过基于从流速与转数算出的圆周速度比来控制各发电机的运转能获得工作流体各种流速下的最大输出，可以进行发电效率的改进结果可以提高流体发电设备的运转效率和增加发电量。
根据权利要求2记述的发明，除可获得上述权利要求1记述的发明效果外，同时能将发电单元多级叠置而不需增设空间，此外，发电单元的共通化容易，能降低整体的设备费用。
根据权利要求3所述的发明，除可获得上述发明的效果外，同时通过采用同轴状的翼转动轴，能够小型轻量化和易于进行起动，同时能进行提高性能的设计。
根据权利要求4记述的发明，能将发电机的运转自动控制成经常以发电效率的峰值进行，可以获得工作流体各种流速下的最大输出，能谋求发电效率的改进、流体发电设备运转效率的提高与发电量的增大。
根据权利要求5记述的发明，在由于工作流体流过的部位存在流速差别时，能够相对于该流速选择额定输出最佳的发电机，由此就可以不必使用具有高出所需的额定输出的发电机，而能谋求降低设置费用。
权利要求
1.一种流体发电设备，它是具有额定输出不同的多个发电机连接到以工作流体能为驱动源而转动的翼上的流体发电设备，其特征在于，它能根据工作流体的流速从台发发电机选择额定输出最适当的发电机进行组合，构成为保持着对应于宽广流速范围的连续可变输出的运转方式，同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出的圆周速度比而控制上述运转方式下各发电机的运转的控制装置。
2.一种流体发电设备，它是以具有连接到以工作流体能为驱动源而转动的翼转动轴上的发电机且额定输出不同的多个流体发电单元作多级叠置而构成流体发电设备，其特征在于，它设有构成为能根据工作流体的流速从额定输出不同的多个流体发电单元选择额定输出最适当的流体发电单元组合，构成为保持着对应于宽广流速范围的连续可变的运转方式，同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出的圆周速度比而控制上述运转方式下各流体发电单元的运转的控制装置。
3.一种流体发电设备，它是包括有以工作流体能为驱动源而转动的以同轴形式作自由转动竖立设置的多个翼转动轴、具有在此多个翼转动轴上按多级配置安装的直线翼的转动翼部、连接在多个转动轴上且额定输出不同的多台发电机的流体发电设备，其特征在于，它设有构成为能根据工作流体的流速从多台发电机选择额定输出最适当的发电机组合，而保持着对应于宽广流速范围的连续可变的运转方式；同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出的圆周速度而控制上述运转方式下各发电机的运转的控制装置。
4.根据权利要求1、2或3记述的流体发电设备，其特征在于上述控制装置构成为，应用基于高出工作流体的流速与翼回转轴的转数中输出峰值算出的圆周速度比，以控制上述运转方式下各发电机的运转。
5.根据权利要求2所述的流体发电设备，其特征在于，上述多级叠置的有不同额定输出的流体发电单元可设置成能根据叠置的高度改变额定输出的大小。
全文摘要
本发明的目的在于，在以工作流体能为驱动源的流体发电设备中，使之能进行保持对应于宽广流速范围的连续可变输出的发电，同时能获得工作流体各种流速下的最大输出，谋求增大发电量(过去的40％以上)，它构成为设有能根据天然流体能与翼转动轴的转数从多台发电机选择额定输出最适当的发电机组合，以保持对应于宽广流速范围的连续可变输出的运转方式，同时设有基于工作流体的流速与翼转动轴的转数算出圆周速度比而控制上述运转方式各发电机运转的控制装置。
文档编号F03D3/02GK1484735SQ02803507
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