风力涡轮机的旋转速度控制方法以及风力发电系统与流程

本发明涉及一种用于风力涡轮机的旋转速度控制方法以及风力发电系统，并且更特别地，涉及一种即使在低风速下也能够提高发电效率并且在强风下能够抑制风轮超过额定旋转速度的旋转且能够有效发电的方法和系统。

背景技术：

通常地，风力发电机的机械损耗大，并且在低风速下，由于存在发电机的齿槽转矩而使得风轮难以平稳地旋转。因此，需要消耗时间来达到开始发电的切入风速，使得风力发电机的发电效率低下。为了解决该问题，本发明的发明人研发了一种配备有带有升力型叶片的风力涡轮机的纵轴风力发电机(例如，参阅专利文献1和2)。

另一方面，在大风期间会由于超速而发生故障。例如，在专利文献3中描述了一种方法作为用于控制风力涡轮机的高速旋转的方法。

技术实现要素：

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利公报no.4907073

[专利文献2]日本公开特许公报no.2011-169292

[专利文献2]日本公开特许公报no.2011-220218

[发明概要]

[本发明要解决的问题]

就在专利文献1和2中公开的垂直轴风力涡轮机而言，该风力涡轮机的启动性能已得到改善，使得即使在约1-1.5m/s的轻微风速下也能够启动风轮的旋转，并且例如即使在约2m/s的低平均风速下也能够有效地发电。

此外，具有以下特征：当风轮的圆周速度或旋转速度达到一定值时，由于通过柯恩达效应而在风力涡轮机的叶片上产生的升力增加并且叶片的旋转加速，而且几乎不会发生由发电负载引起的风轮失速，所以发电效率提高。

然而，由于风向总是变化，所以适合于风力涡轮机的风速并不会持续很长时间。因此认为如果能够将在低风速下旋转的风轮的旋转速度加速至使风轮能够通过其自身的力而有效加速的恒定速度，则能够进一步提高发电效率。

此外，由于专利文献1和2中公开的风力涡轮机具有高旋转效率，所以当在强风下风速超过一定风速时，风轮可能旋转超过额定旋转速度。因此，当风速达到或超过额定平均风速时，考虑预先设定风轮的额定风速，并且通过制动器等使风力涡轮机的主轴的旋转强制减速，从而使得风轮不会超过额定旋转速度。

然而，若采用这样的配置的话，在强风中则不能有效地发电。

另一方面，专利文献3中所描述的风力涡轮机的旋转控制方法是当旋转速度检测传感器检测到风力涡轮机的旋转速度在预定范围内持续超过预定时间段时控制风力涡轮机的旋转。然而，根据该方法，不能在低风速下控制处于风力涡轮机的还未切入的状态的旋转中的风力涡轮机。

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机的旋转速度控制方法以及风力发电系统，该方法和系统能够在低风速下通过将风轮的旋转速度加速至预定速度来极大地提高发电效率，而且能够抑制风轮的超过额定旋转速度的旋转，并且使得即使在强风中也能够有效地发电。

[解决问题的手段]

根据本发明的用于风力涡轮机的旋转速度控制方法，上述问题以如下方式解决。

(1)将原动机连接至风力涡轮机的主轴并且将主轴联接至发电机，该控制方法重复以下步骤：

当风速检测装置检测到可以从发电机输出所产生的电力的特定平均风速时自动地启动原动机；

当使风轮的旋转加速之后风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止原动机；

当风速检测装置再次检测到特定平均风速时自动地重新启动原动机；以及

当使风轮的旋转加速之后风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止原动机。

根据这种控制方法，由于发电机旋转成使得当风速检测装置检测到使得发电机能够输出所产生的电力的特定平均风速时自动地启动原动机，并且加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值，从而使得即使在风轮的旋转速度较低的低风速下的低发电量状况下，也能够提高发电的效率。

此外，通过加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值，即使没有原动机的辅助，由于风轮在借助自身升力加速的同时旋转，原动机运行的时间相对较短，使得可以减少驱动原动机的电源的消耗。

(2)将可以转换成辅助发电机的驱动马达/发电机连接至风力涡轮机的主轴并且将主轴联接至主发电机，该控制方法重复以下步骤；

当风速检测装置检测到使得可以从发电机输出所产生的电力的预先定义的特定平均风速时自动地启动驱动马达/发电机；

当加速风轮的旋转之后风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止驱动马达/发电机；

当风速检测装置检测到风轮的额定平均风速时，或者当旋转速度检测单元检测到风轮的额定旋转速度时，将驱动马达/发电机自动地转换成辅助发电机并且通过主轴的旋转来发电；

当风速检测装置再次检测到预先定义的特定平均风速时，将驱动马达/发电机自动转换成驱动马达并重新启动驱动马达；以及

当加速风轮的旋转后风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止驱动马达。

根据这种控制方法，由于当风速检测装置检测到预先定义的特定平均风速时自动地启动驱动马达，从而加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值并且发电，使得即使在风轮的旋转速度较低的低风速下的低发电量状况下，也能够提高发电的效率。

而且，通过加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值，即使没有驱动马达的辅助，由于风轮在利用自身升力加速的同时旋转，原动机运行的时间相对较短，使得可以减少驱动原动机的电源的消耗。

此外，在强风期间，由于驱动马达转换成辅助发电机以发电，所以主发电机和辅助发电机两者都可以发电，因此发电效率大幅增加。而且，如果将驱动马达转换成辅助发电机，则由于通过由再生发电提供的制动转矩而使风轮减速，使得即使在不通过设置制动装置来减速的情况下也能够防止风轮超过额定旋转速度的旋转。

根据本发明的风力发电系统，前述问题以如下方式解决。

(3)一种风力发电系统，包括：风力涡轮机，该风力涡轮机具有配备有多个叶片的风轮；发电机，该发电机连接至风轮的主轴；原动机，该原动机连接至主轴并且能够使主轴旋转；电源，该电源用于启动原动机；旋转速度检测装置，该旋转速度检测装置用于检测风轮的圆周速度或旋转速度；风速检测装置，该风速检测装置用于检测朝向风轮的平均风速；以及控制装置，该控制装置用于控制风力涡轮机的旋转速度，

其中，该控制装置重复以下步骤：

当风速检测装置检测到特定平均风速时启动原动机；在加速风轮的旋转之后当风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止原动机；当风速检测装置再次检测到特定平均风速时重新启动原动机；以及在加速风轮的旋转之后当风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止原动机。

根据这种配置，由于控制装置控制使得当风速检测装置检测到特定平均风速时自动地启动原动机，从而加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值，然后停止原动机，从而使得即使在风轮旋转速度较低的低风速下的低发电量状况下，也可以提高发电的效率。

而且，在配备有具有多个升力型叶片的风轮和发电机的公知风力发电系统中，通过仅增加用于控制风力涡轮机的旋转速度所需的最小部件，即由于能够提高在低风速下的发电效率，使得可以提供容易实施且能够有效发电的风力发电系统。

此外，控制装置控制使得通过由原动机加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到使得风轮借助升力旋转的特定值，然后停止原动机，原动机运行的时间相对较短，从而可以减少驱动原动机的电源的消耗。

(4)在上述(3)中，主轴和原动机通过电磁离合器连接，其中，控制装置进行控制使得：当风速检测装置检测到特定平均风速时自动地连接电磁离合器；并且当风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时，自动地断开连接电磁离合器。

根据这种结构，当风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时，通过控制装置断开连接电磁离合器，由于离合器的间歇性断续能够精确且短时间地完成，所以它可以更有效地利用风力来发电。

(5)在上述(3)或(4)中，在使用原动机作为驱动马达的同时，由发电机产生的电力被用作用于启动驱动马达的电源。

根据这种结构，由于由发电机产生的电力的一部分被用作用于启动原动机的电源，使得不需要任何外部供电设备，并且风力发电系统可以安装在没有任何外部供电设备的位置。

(6)在上述(3)或(4)中，在使用原动机作为驱动马达的同时，由太阳能发电面板产生的电力被用作用于启动驱动马达的电源。

根据这种结构，由于使用由太阳能发电面板产生的电力，使得由发电机产生的电力的消耗减少并且可以有效地使用电力。

(7)一种风力发电系统，包括：风力涡轮机，该风力涡轮机具有配备有多个叶片的风轮；主发电机，该主发电机连接至风轮的主轴；驱动马达/发电机，该驱动马达/发电机连接至主轴并且能够被转换成辅助发电机；旋转速度检测装置，该旋转速度检测装置用于检测风轮的圆周速度或旋转速度；风速检测装置，该风速检测装置用于检测朝向风轮的平均风速；转换单元，该转换单元用于将驱动马达/发电机电力转换成辅助发电机；以及控制装置，该控制装置用于控制风力涡轮机的旋转速度，

其中，该控制装置重复以下步骤；

当风速检测装置检测到预先定义的特定平均风速时，自动地启动驱动马达/发电机作为驱动马达；

当加速风轮的旋转之后风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止驱动马达/发电机；

当风速检测装置检测到风轮的额定平均风速时，或者当旋转速度检测单元检测到风轮的额定旋转速度时，通过转换单元将驱动马达/发电机转换成辅助发电机并将该辅助发电机连接至主轴以用于发电；

当风速检测装置再次检测到预先定义的特定平均风速时，通过转换单元将驱动马达/发电机转换成驱动马达并重新启动驱动马达；以及

当加速风轮的旋转之后风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值时停止驱动马达/发电机。

根据这种结构，由于控制装置控制使得当风速检测装置检测到预先定义的特定平均风速时自动地启动驱动马达，从而加速风轮的旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到特定值，然后停止驱动马达，从而使得即使在风轮旋转速度较低的低风速下的低发电量状况下，也可以提高发电的效率。

而且，控制装置控制使得通过驱动马达使风轮旋转直到风轮的圆周速度或旋转速度达到风轮能借助升力加速的特定值，并且然后停止驱动马达，从而使得原动机的运行相对较短，并且可以减少驱动原动机的电源的消耗。

此外，由于在检测风轮的额定平均风速或风轮的额定旋转速度时，将马达/辅助发电机转换成辅助发电机以发电，使得在强风期间可以利用主发电机和辅助发电机两者发电。因此，发电效率急剧增加。而且，当将马达/辅助发电机转换成辅助发电机时，由于风轮通过由再生发电提供的制动转矩而减速，使得可以防止风轮超过额定速度的旋转。

(8)在上述(3)或(7)中，风力涡轮机是包括具有多个升力型叶片的风轮的垂直轴风力涡轮机或水平轴风力涡轮机，其中，在叶片中的每个叶片的端部处形成有倾斜部分。

根据这种结构，包括具有多个升力型叶片——其中，在叶片中的每个叶片的端部处形成有倾斜部分——的风轮的垂直轴风力涡轮机或水平轴风力涡轮机能够提高转矩和升力(推力)，因为碰撞和散布在叶片的内表面上的空气流在叶片的倾斜部分处被接收，使得风轮能够从低风速旋转，并且根据柯恩达效应，风速越快，则在叶片上产生的升力(推力)增加，叶片通过升力而被加速，并且风轮有效地旋转。因此，即使将风轮的特定圆周速度或特定旋转速度设定得较低，也可以保持高的发电效率。

[发明的效果]

根据依照本发明的用于风力涡轮机的旋转速度控制方法以及风力发电系统，即使在低风速下，风轮的旋转速度通过原动机或者驱动马达加速至特定速度，使得发电效率大幅提高。而且，除了这种效果之外，根据权利要求2或7的发明，由于可以在强风时利用主发电机和辅助发电机两者发电，所以能够大幅提高发电效率，此外，当将驱动马达转换成辅助发电机时，由于通过由再生发电提供的制动转矩而使风轮减速，使得即使在不设置任何用于减速的制动装置的情况下也能够防止风轮超过额定旋转速度的旋转。

附图说明

图1是根据本发明的风力发电系统的第一实施方式的正视图。

图2是风力发电系统的第一实施方式的风轮和支撑臂的前向放大立面视图。

图3是沿图1中的iii-iii线的放大剖视平面图。

图4是用于使用根据第一实施方式的风力发电系统执行本发明的方法的第一实施方式的流程图。

图5是根据本发明的风力发电系统的第二实施方式的正视图。

图6是根据本发明的风力发电系统的第三实施方式的正视图。

图7是用于使用根据第三实施方式的风力发电系统执行本发明的方法的第二实施方式的流程图。

具体实施方式

在下文中，参照附图描述本发明的实施方式。在以下的实施方式中，将说明配备有垂直轴风力涡轮机的风力发电系统以及风力发电方法，在垂直轴风力涡轮机中，作为示例，叶片的旋转半径为1m，叶片的翼长为1.2m。毋庸置疑，风力发电系统并不局限于此种尺寸。

图1示出了根据本发明的配备有垂直轴风力涡轮机的风力发电系统的第一实施方式(权利要求3中描述的发明)。风力发电系统1包括垂直轴型风轮2、发电机3以及用于控制风力涡轮机的旋转速度的控制装置4。

风轮2的垂直主轴5在设置在基座g的上表面上的支撑架6的中央部分中在上、下多个位置处通过轴承6a以可旋转的方式支承。上、下两侧的各两个水平支撑臂7a、7b的内端部固定在垂直主轴5的上部的径向方向的对称位置上。

在左、右两侧沿垂直方向延伸的一对升力型叶片(以下简称为叶片)8，8的上端部和下端部两者的内表面均固定至位于每个上侧支撑臂7a和下侧支撑臂7b的外端部分处。支撑臂7a、7b以及叶片8例如由纤维增强合成树脂形成。另外，支撑臂7a、7b以及叶片8可以一体地模制而成。

叶片8具有与由本专利申请的相同发明人研发的在日本专利公报no.4907073和日本公开特许公报no.2011-169292中所描述的叶片大致相同的形状。也就是说，叶片8的弦长被设定为叶片8的旋转半径的20％-50％，而翼面积设定地很宽。

如图3中叶片8的除上、下两端之外的主体部分8a的放大的截面形状所示，沿着主体部分8a的翼厚中心线c上的内部方向和外部方向的翼厚被视作几乎对称并且具有几乎相同的尺寸。翼厚中心线c被设定为几乎与叶片8的翼厚中心的旋转轨迹o重叠。

如图2中所示，整个主体部分8a的平面形状沿着翼厚的旋转轨迹o呈圆弧状弯曲。主体部分8a的内表面从前缘的凸出部向后缘沿离心方向倾斜，使得当风从后方碰撞内表面时，叶片被向前方推进(旋转方向)。

主体部分8a的横截面形状被设计为接近于标准翼型，其中，前侧的叶片厚度较厚且朝向后侧逐渐变薄。当叶片8旋转时，基于叶片8的内旋转半径和外旋转半径的差异，外周表面的圆周速度变得比内表面的圆周速度大，因此，沿着外周表面向后传递的气流比内周表面向后传递的气流快。

在叶片8的后边缘处，经过外表面的气流的压力比经过内表面的气流的压力小，通过在外表面上的柯恩达效应，叶片8的后边缘的外表面被从后侧向前边缘部分的方向推进，由此，沿旋转方向的推力作用在叶片8上，从而使叶片8旋转。

如图1和2中所示，在叶片8的上、下两端部处形成有向内倾斜部分8b，8b。每个向内倾斜部分均沿垂直主轴5的方向呈圆弧状倾斜。由于向内倾斜部分8b形成在叶片8的上、下两侧的端部处，所以当叶片8旋转时，在主体部分8a的内侧和外侧上沿着上、下方向流动的气流通过柯恩达效应而向后传递。即，气流沿着图2中的方向w传递。沿旋转方向推动叶片8的反作用力使得即使在低风速下风轮2也能以高旋转效率旋转。

上述的发电机3可以是设置在基座g中的公知的永磁型单相发电机或公知的三相交流发电机。垂直主轴5的下端部部分与发电机的转子轴(未示出)连接。由发电机3产生的电力经由具有整流器和电压调节器等(未示出)的控制器9而存储在蓄电池10中，该电力继而从蓄电池被供应至外部直流负载供应或者直接从控制器9供应至外部交流负载系统。

控制器9调节来自发电机3的输出电流的量，并且控制输出至蓄电池10或直流负载电源的电流和电压。例如，在风轮2刚启动后或者在风轮2的旋转速度变慢至低风速时，控制器9立即进行控制使得输出电流的量减少，从而使得增加至发电机3的发电负载减少并且防止风轮2的失速。另外，发电机3可以是能够将电力直接供应至蓄电池10或直流负载电源系统的直流发电机。

在垂直主轴5的下部，连带有减速装置13的直流马达14作为原动机经由传动装置11和离合器12与发电机3并联连接。传动装置11包括固定在垂直主轴5上的从动锥齿轮11a和与从动锥齿轮11a啮合的驱动锥齿轮11b，其中，从动锥齿轮11a的轴线与驱动锥齿轮11b的轴线是正交的。在固定至驱动锥齿轮11b上的驱动轴15与减速装置13的输出轴16之间设置有用于中断两者之间的动力传递的离合器12。

电力接通及断开的公知的电磁离合器用作离合器12。理想的是将传动装置11容置并隐藏在由单点划线表示的齿轮箱k中。

控制装置4包括离合器切换判定单元17和供电单元(电力馈送电路)18，供电单元(电力馈送电路)18连接至蓄电池10并且基于从离合器切换判定单元17输出的控制信号而开启和关闭。

当稍后提到的风速计24检测到特定的平均风速时，离合器切换判定单元17向供电单元18输出on控制信号，以通过供电单元18向电磁离合器12供给电力并因此电磁离合器12接合，稍后还将对此做详细说明。

为了防止发电量在低风速下大幅波动，理想的是通过风速计24例如以3秒至10秒的间隔进行检测以检测平均风速。

当电磁离合器12接合时，驱动马达14的旋转驱动力被减速并传递至驱动锥齿轮11b和从动锥齿轮11a，使得垂直主轴5以较大的驱动转矩被驱动。当离合器切换判定单元17向供电单元18输出off控制信号时，电磁离合器12断开接合，并且垂直主轴5与驱动马达14之间的动力传递中断。

驱动马达14还连接至供电单元18，并且基于从控制装置4的马达启动/停止判定单元19输出的马达启动和马达停止的判定信号来接通或断开来自供电单元18的电力以及启动或停止驱动马达14。

控制装置4的中央处理单元(cpu)20基于从旋转速度传感器22和风速计24分别输入至风轮圆周速度判定单元23和平均风速判定单元25的数据来处理判定信号，后文将对此做详细说明。所述判定信号被输出至离合器切换判定单元17和马达启动/停止判定单元19。

在垂直主轴5的中间部分的适当位置处附接有用于测量旋转速度的齿轮21，并且通过旋转速度检测传感器22检测该齿轮21的转数，从而可以经由垂直主轴5检测风轮2的旋转速度。

代替齿轮21，可以在垂直主轴5的外周表面上设置一个或多个凸部。就旋转速度检测传感器22而言，例如使用诸如磁性旋转速度检测传感器、超声波旋转速度检测传感器或旋转编码器的非接触式传感器。

由旋转速度检测传感器22检测出的旋转速度被输入至控制装置4的风轮圆周速度判定单元23，控制装置4的中央处理装置20基于所输入的旋转速度计算风轮2的平均圆周速度。

即，由于风轮2的外周的长度(2πr)由风轮2的叶片8的旋转半径(r)决定，所以如果将外周的长度(2πr)乘以垂直主轴5的旋转速度(rpm)，其将被转换为圆周速度(m/s)。

风轮2的圆周速度还可以通过使用传感器检测叶片8的角速度来判定。换言之，叶片8的角速度(rad/s)乘以旋转半径(r)得到的值即风轮2的圆周速度。

在风轮圆周速度判定单元23中，当判定风轮2的平均圆周速度已经达到作为特定圆周速度的5m/s时，判定信号被输出至离合器切换判定单元17和马达启动/停止判定单元19。此处，旋转速度检测传感器22和风轮圆周速度判定单元23对应于本发明的旋转速度检测单元。

在风轮2的上部，作为风速检测单元的风速计24附接至支撑件(未示出)，以便检测在每一指定时间段内的朝向风轮2的风的平均风速。利用该风速计24检测出的平均风速被输入至控制装置4的平均风速判定单元25，并且通过控制装置4的中央处理单元(cpu)20来处理判定信号。在判定出风速为特定平均风速、即风速达到例如能够从发电机3输出发电电力的风速2m/s时，将判定信号输出至离合器切换判定单元17和马达启动/停止判定单元19。

接下来，将参照图4中所示的流程图描述关于使用风力发电系统1的第一实施方式的根据本发明的方法的第一实施方式(权利要求1中描述的发明)。首先，通过风速计24测量风轮2旋转时的平均风速(s1)，平均风速判定单元25基于控制装置4的中央处理单元20的操作处理结果判定是否检测到例如2m/s的特定平均风速(s2)。当平均风速小于2m/s时，电磁离合器12处于断开状态。

当在平均风速判定单元25中判定平均风速已经达到2m/s时，离合器切换判定单元17向供电单元18输出判定信号，电磁离合器12接合(s3)，使得驱动轴15与输出轴16连接。

同时，凭借从马达启动/停止判定单元19输出的马达启动信号，供电单元18开启，驱动马达14自动启动(s4)，并且垂直主轴5经由传动装置11被强制旋转，使得风轮2加速并旋转(s5)。另一方面，如果平均风速尚未达到2m/s，则进程返回至步骤s1，并且连续地测量平均风速。

尽管在通过驱动马达14使风轮2加速旋转的同时还可以利用发电机3发电，但可以在驱动马达14的加速旋转开启之后持续一定时间段通过控制器9自动减少发电机3的输出电流量。以这种方式，由于可以减少在加速启动之后立即增加至发电机3的负载，因此使得风轮2可以通过驱动马达4快速地加速。

平均风速是否达到2m/s的判定理由如下。原因在于，已经证明在配备有上述形式的升力型叶片8的垂直轴型风轮2中，如果已经达到该平均风速，则以能够从发电机3输出发电电力的速度旋转，例如，在叶片8的旋转半径为1.2m、叶片8的翼长为1.2m的情况下，当平均风速达到2m/s时，风轮2的旋转通过在叶片8上产生的升力而加速。

因此，当风轮2在平均风速为2m/s的低风速下旋转时，如果通过启动驱动马达14来迅速地加速风轮2的旋转，则在叶片8上产生升力并且风轮2的旋转进一步加速，从而使得其能够进一步有效地发电。

在使风轮2的旋转加速之后，通过旋转速度检测传感器22检测垂直主轴5的平均转数，并且中央处理单元20将转数转换成风轮2的圆周速度，将结果输出至风轮圆周速度判定单元23(s6)。风轮圆周速度判定单元23判定风轮圆周速度是否已经达到特定圆周速度(s7)，该特定圆周速度是风轮2的超过平均风速2m/s的圆周速度，例如为5m/s。

风轮2的圆周速度是否已达到5m/s的判定理由如下。由于已经证明，在配备有上述形式的升力型叶片8的垂直轴型风轮2中，当风轮2的圆周速度达到5m/s时，通过叶片8的上、下两端部的向内倾斜部分8b以及柯恩达效应的作用，叶片8中产生的升力(推力)会增大，即使风轮2没有驱动马达14的助力，风轮2仍能被加速，使得圆周速度超过风速，从而使得风轮2有效地旋转并发电，并且不容易发生因发电负载而导致的风轮的失速。

若要给出风轮2的旋转速度的示例的话，在圆周速度为5m/s的情况下，由于如前文所述的，圆周速度、旋转速度和外周长度之间存在关系，例如当叶片8的旋转半径(r)设定为1m时，风轮2(2πr)的外周长度为6.28m。因此，通过将圆周速度5m/s除以外周长6.28m，然后乘以60来转换成每分钟的速度，风轮2的旋转速度约为48rpm。

当由风轮圆周速度判定单元23判定出风轮2的圆周速度已达到5m/s时，离合器切换判定单元17将off判定信号输出至供电单元18，从而将电磁离合器12设定为断开(s8)。同时，也通过从马达启动/停止判定单元19输出的马达停止信号而使驱动马达14停止(s9)，从而使得风轮2的加速旋转停止。

以这种方式，通过在风轮2的圆周速度达到5m/s时断开电磁离合器12，由于凭借驱动马达14的齿槽转矩的旋转负载不再传递至垂直主轴5，所以风轮2的旋转效率提高。

另一方面，当风轮圆周速度判定单元23判定出风轮2的圆周速度尚未达到5m/s时，则在电磁离合器12接合的情况下，进程返回至步骤s5，并且通过驱动马达14使风轮2的加速旋转继续。

在停止驱动马达14并且停止风轮2的加速旋转之后，再次通过风速计24测量平均风速(s10)。当平均风速判定单元25再次检测到平均风速为2m/s时(s11)，则进程返回至步骤s3，与前文所述相同，电磁离合器12接通，同时驱动马达14自动地重新启动，使得风轮2的旋转加速。通过以循环的方式重复这些步骤s3至s11以控制风轮2的旋转速度，可以显著提高发电效率。

如上所述，根据第一实施方式的用于风力涡轮机的旋转速度控制方法，当风轮2在平均风速为2m/s的低风速下旋转时，同时通过驱动马达14使风轮快速加速并重复地控制风轮2的旋转速度，使得风轮达到5m/s的圆周速度，该圆周速度是风轮在通过自身加速时能够达到的有效旋转的周向速度。通过重复进行这种控制，即使在风轮2的旋转速度处于低风速下并且发电机的发电量小的条件下，也能够大幅提高发电效率，而不会使电力的产生发生波动。

如果将风轮2的使驱动马达14停止的圆周速度设定为5m/s，例如可以设定为稍低，则当风轮2的实际圆周速度达到5m/s时，即使驱动马达14自动停止，由于叶片随升力继续旋转，如果有风吹在叶片之间，风轮的旋转将会加速。因此，不需要频繁地操作驱动马达14，从而可以降低功耗。

接下来，将参照图5描述根据本发明的风力发电系统的第二实施方式(权利要求6中描述的发明)。与第一实施方式的风力发电系统相同的部件被给予相同的附图标记并且省略了其详细描述。

第二实施方式的风力发电系统在第一实施方式的风力发电系统之外还包括增加的太阳能发电面板26以及存储由太阳能发电面板26产生的电力的第二蓄电池27。

与第一实施方式的风力发电系统1相同，由发电机3产生的电力被蓄积在电池10中。控制装置4具有与第一实施方式相同的配置。

第二蓄电池27连接至控制装置4中的供电单元18，并且当从马达启动/停止判定单元19输出马达启动信号时，第二蓄电池27的电力通过供电单元18被供应至驱动马达14。此外，如虚线所示，由太阳能发电面板26产生的剩余电力也被存储在第一蓄电池10中。

由于第二实施方式的风力发电系统中的风力涡轮机的旋转速度的控制是通过与第一实施方式的风力发电系统1的方法相同的方法来执行的，所以省略详细的描述。

在第二实施方式的风力发电系统中，由于用于驱动马达14的驱动功率使用的是由太阳能发电面板26产生并储存在第二蓄电池27中的电力。所以不需要消耗由发电机3产生的电力，从而可以有效地使用电力。

另外，如虚线所示，为了防备太阳能发电面板26的发电量减少的情况，驱动马达14可以由第一蓄电池10的电力来驱动或者由第一蓄电池10和第二蓄电池27两者的电力来驱动。

接下来，将参照图6描述根据本发明的风力发电系统的第三实施方式(权利要求7中描述的发明)。与第一实施方式的风力发电系统相同的部件被给予相同的附图标记并且省略了其详细描述。

根据第三实施方式的风力发电系统，用主发电机3替代连接至风轮2的垂直主轴5的发电机，并且用可以转换成发电机的马达/辅助发电机28替代第一实施方式中的驱动马达14。例如使用能够转换成发电机的永磁dc马达或者永磁型ac同步马达作为马达/辅助发电机28。在这种情况下，马达/辅助发电机28可以通过转换开关29转换成用于使垂直主轴5旋转的驱动马达或转换成用于通过垂直主轴5的旋转而发电的辅助发电机。

转换开关29是具有马达侧触点29a和充电器侧触点29b的中性线返回型(常开型)开关。当转换开关29从中性位置转换至马达侧触点29a时，马达/辅助发电机28转换成驱动马达，并由第二蓄电池27的电力驱动。当永磁型ac同步马达用于马达/辅助发电机28时，在马达/辅助发电机28与转换开关29之间增加作为逆变器的dc-ac转换电路。

当转换开关29被从中性位置转换至充电器侧触点29b时，马达/辅助发电机28被转换成辅助发电机，并且由辅助发电机产生的电力经由具有电压调节器等的控制器30而充入到储存有太阳能发电面板26的电力的第二蓄电池27中。

另外，通过将马达/辅助发电机28转换成辅助发电机而产生的剩余电力可以通过控制器30充入第一蓄电池10中。可替代地，通过将第一蓄电池10和第二蓄电池27并联，则可以将电力从第一蓄电池10和第二蓄电池27的两者供应至外部直流负载电源等。

与第一实施方式的控制装置类似，该控制装置4包括离合器切换判定单元17、中央处理单元20、风轮圆周速度判定单元23以及平均风速判定单元25。控制装置4还包括马达/辅助发电机转换判定单元31，以及连接至第二蓄电池27并且基于从离合器切换判定单元17输出的控制信号而开启以及关闭的供电单元(供电电路)32。

当风速计24检测到为2m/s的预先定义的平均风速时，离合器切换判定单元17将控制信号on输出至供电单元32，然后第二蓄电池27的电力通过供电单元32被供应至电磁离合器12，使得电磁离合器12接合。

当电磁离合器12接合时，马达/辅助发电机28和垂直主轴5经由传动装置11的驱动锥齿轮11b和从动锥齿轮11a接合。当从离合器切换判定单元17向供电单元32输出控制信号off时，电磁离合器12断开接合，使得马达/辅助发电机28与垂直主轴5之间的动力传递被切断。

转换开关29基于从控制装置4的马达/辅助发电机转换判定单元31输出的判定信号来转换，从而使马达/辅助发电机28作为驱动马达投入运行或停止，或使马达/辅助发电机28转换成辅助发电机并控制它们的启动或停止。

另外，控制装置4的中央处理单元(cpu)20基于从旋转速度传感器22和风速计24输入至风轮圆周速度判定单元23和平均风速判定单元25中的数据来处理判定信号。然后该判定信号被输出至离合器切换判定单元17和马达/辅助发电机转换判定单元31。

当例如在风轮圆周速度判定单元23中判定出风轮2的平均圆周速度已经达到作为特定圆周速度的5m/s时，判定信号被输出至离合器切换判定单元17和马达/辅助发电机转换判定单元31。

当在平均风速判定单元25中判定出检测到作为平均风速的2m/s的风速并且检测到作为额定平均风速的例如13m/s的风速时，则将另一个判定信号输出至离合器切换判定单元17和马达/辅助发电机转换判定单元31。

在垂直主轴5的中间部分中，例如设置有作为使风轮2机械减速或停止旋转的制动装置的盘式制动装置33。

盘式制动装置33包括：具有大直径的制动盘34，该制动盘34固定至垂直主轴5的中间部分的；支架35，该支架35固定至支撑架6的中间部分的适当位置处；制动钳36，该制动钳36以可移动的方式安装在支架35的上下方向上且不可旋转；制动盘34，该制动盘34的外周端部的一部分容置在制动钳中；一对制动衬块37，其设置在制动钳36的内部并且能够挤压制动盘34的周向端部的上表面和下表面；以及由螺线管组成的电磁致动器38。电磁致动器38储存在制动钳36的内部，并且能够通过储存在制动钳36的内部且朝向下方的柱塞的下端部挤压上制动衬块37的上表面。

当风轮2的圆周速度或旋转速度超过预先定义的额定值(可接受的值)并利用磁力向下推柱塞时，电磁致动器38利用从控制装置4的风轮圆周速度判定单元23输出的供电信号而被接通。因此，在电磁致动器38将上制动衬块37推动压靠在制动盘34的周缘的上表面上的同时，通过推力的反作用力向上移动制动钳36并将下制动衬块37推动压靠在制动盘34的周缘的下表面上。通过此时的摩擦力，制动力作用在制动盘34和垂直主轴5上，使得风轮2的旋转减速或停止。

在盘式制动装置33的下部形成有手动制动装置39，该手动制动装置39用于在强风期间或当风力发电系统等出现异常情况时通过手动操作紧急停止风轮2的旋转。例如可以使用公知的手动制动装置作为该手动制动装置39，该手动制动装置39包括：一对半圆形的左制动衬块41和右制动衬块41，其与形成在垂直主轴5的中间部分中的大直径轴部40的外周表面相面对，并且被支承为能够在不可移动的支撑构件(未示出)中前后移动；以及手动操作杆(未示出)，其用于将两个制动衬块41压靠在大直径轴部40的外周表面上。

接下来，将参照图7中所示的流程图描述关于使用风力发电系统的第一实施方式的根据本发明的方法的第二实施方式(权利要求2中描述的发明)。

首先，利用风速计24测量在风轮2旋转时的平均风速(s1)，平均风速判定单元25基于控制装置4的中央处理装置20的操作处理结果判定是否检测到例如为2m/s的特定平均风速(s2)。当平均风速小于预先定义的2m/s时，电磁离合器12断开。

当在平均风速判定单元25中判定平均风速已经达到2m/s时，判定信号从离合器切换判定单元17输出至供电单元32，由此使电磁离合器12通电并接通电磁离合器12(s3)，从而连接驱动轴15和输出轴16。同时，通过从马达/辅助发电机转换判定单元31输出的转换信号，将转换开关29从中性位置转换为马达侧触点29a(s4)。

由此，马达/辅助发电机28被转换成驱动马达并自动地启动驱动马达(s5)，通过传动装置11强制地旋转垂直主轴5，并使风轮2一边旋转一边加速(s6)。

当判定平均风速尚未达到2m/s时，进程返回至步骤s1并且连续地测量平均风速。

判定平均风速是否大于2m/s的理由与前述理由相同。因此，当风轮2在平均风速为2m/s的低风速下旋转时，如果通过将马达/辅助发电机28转换为驱动马达来快速地加速风轮2的旋转，叶片8上会产生升力，并且风轮2的旋转进一步加速，从而使得其可以进一步有效地发电。

在加速风轮2的旋转之后，通过旋转速度检测传感器22检测垂直主轴5的平均转数，并且中央处理单元20将转数转换成风轮2的圆周速度，将结果输出至风轮圆周速度判定单元23(s7)。风轮圆周速度判定单元23判定风轮圆周速度是否已经达到特定圆周速度(s8)，该特定圆周速度是风轮2的超过平均风速2m/s的的圆周速度，例如为5m/s。

判定风轮2的圆周速度是否达到5m/s的理由与前述理由相同。当风轮2的圆周速度达到5m/s时，借助于叶片8的上、下两端部的向内倾斜部分8b和柯恩达效应的作用，产生在叶片8上的升力(推力)增加，叶片8即使没有驱动马达辅助也会加速，使得圆周速度超过风速并旋转且发电，并且不容易发生因发电负载导致的失速。

当在风轮圆周速度判定单元23中判定风轮2的圆周速度已经达到5m/s时，离合器切换判定单元17将判定信号off输出至供电单元32，使得电磁离合器12被设定为off(s9)。同时，根据从马达/辅助发电机转换判定单元31输出的转换信号，转换开关29返回至中性位置并设定成为off(s10)，驱动马达也停止(s11)，从而使得风轮2的加速旋转停止。

以这种方式，通过在风轮2的圆周速度达到5m/s时断开电磁离合器12，由于借助于驱动马达的齿槽转矩的旋转负载不再传递至垂直主轴5，所以风轮2的旋转效率提高。

另一方面，当风轮圆周速度判定单元23判定风轮2的圆周速度尚未达到5m/s时，则进程在电磁离合器12接合的情况下返回至步骤s6，并且通过驱动马达继续加速风轮2的旋转。

在停止驱动马达并停止风轮2的加速旋转之后，再次通过风速计24测量平均风速(s12)。当平均风速判定单元25检测到额定平均风速13m/s(s13)时，基于从离合器切换判定单元17输出至供电单元32的信号，接通电磁离合器12(s14)，并且同时，将转换开关29从中性位置转换至充电器侧触点29b(s15)。

在将转换开关29转换至充电器侧触点29b时，马达/辅助发电机28转换成辅助发电机并启动(s16)，从而通过垂直主轴5驱动辅助发电机的转子(电枢)，因此辅助发电机发电。在进行所述发电时，风轮2的旋转能被转换成电能，使得再生制动作用在风轮2上并且使风轮减速。

因此，即使在强风的情况下，也能防止风轮2的旋转超过额定速度。由辅助发电机产生的电力经由转换开关29和控制器30充入第二蓄电池27中。

通过由控制器30控制来自辅助发电机的输出电流量可以调节增加至辅助发电机的发电负载，从而可控制成使得风轮2不会旋转超过额定速度。

此外，在平均风速超过13m/s的强风期间，将风轮2控制成以稍微小于额定速度的旋转速度旋转，从而提高辅助发电机的发电效率。当未检测到13m/s的额定平均风速时，进程返回至步骤s12，并且连续地测量平均风速。

在通过转换成辅助发电机进行发电的期间，通过风速计24测量平均风速(s17)，并且当平均风速判定单元25判定平均风速降低至2m/s或者以下时(s18)，进程返回至步骤s4，并且如上所述，将转换开关29转换至马达侧触点29a，从而将马达/辅助发电机28从辅助发电机转换成驱动马达并使其自动地重新启动。这样，执行风轮2的加速旋转直到风轮的圆周速度达到5m/s。

如上所述，根据涉及第二实施方式的用于风力涡轮机的旋转速度控制方法，当风轮2在平均风速约2m/s的低风速下旋转时，马达/辅助发电机28转换成驱动马达以立即使风轮2加速并重复地控制风轮2的旋转速度，直到圆周速度达到5m/s为止，5m/s是使得叶片8借助升力加速并且风轮有效旋转的速度。通过这样的控制，即使在低风速下，发电的波动也不会很大，发电效率也能够提高。

当风速达到额定平均风速13m/s时，例如，由于马达/辅助发电机28被转换成辅助发电机以发电，所以在强风期间，可以使用主发电机3和辅助发电机两者发电，因此发电效率大幅增加。另外，当将马达/辅助发电机28转换成辅助发电机时，由于通过由再生发电提供的制动转矩而使风轮2减速，所以能够防止风轮旋转超过额定速度。

当即使在将马达/辅助发电机28切换为辅助发电机之后也不能防止风轮2的过度旋转时，由于盘式制动装置33也可以一起使用，因此风轮2在遇到强风时不会过度旋转。

此外，即使盘式制动装置33运行也不能阻止风轮2的过度旋转时，或者当风力发电系统出现任何异常情况时，由于可以操作手动制动装置39从而可以强制停止风轮2，因此能够预先防止风轮2的叶片8被损坏。

本发明不限于上述实施方式，并且在不脱离本发明内容的范围内，可以进行如下的各种改型和变型。

在上述各实施方式中，例如，尽管当检测出平均风速已经达到2m/s时，驱动马达启动并且加速风轮2的旋转。但启动驱动马达并且使风轮2加速的检测条件可以进行如下改变。

检测垂直主轴5的平均旋转速度，对应于2m/s的平均风速；或者

检测风轮2的圆周速度，对应于2m/s的平均风速。

此外，尽管在上述各实施方式中，通过驱动马达加速风轮2直到风轮2的圆周速度达到了5m/s为止，然后停止驱动马达。由于如前文所述地能够将风轮2的圆周速度转换为风轮的旋转速度，因此可以在旋转速度检测传感器22检测到风轮2的与已达到5m/s的圆周速度对应的旋转速度时停止驱动马达。

在上述实施方式中，尽管作为示例将启动驱动马达的平均风速设定为2m/s，但能够根据叶片8的旋转半径的尺寸适当地设定平均风速。

即，当叶片8的旋转半径小于上述实施方式中的1m时，平均风速被设定为2m/s或更高。因为当叶片的旋转半径小时，由于风轮2的旋转力矩也变小，使得其容易因发电负载而失速。当风轮2的旋转速度较高时，有必要将平均风速设定为2m/s或以上并启动驱动马达。

当叶片8的旋转半径大于1m时，即使风轮2的旋转速度较低，由于风轮的旋转力矩变大从而使得发电成为可能。由此，可以将平均风速设定为2m/s或以下，并且在风轮2的旋转速度较低时启动驱动马达。

在上述实施方式中，尽管当风轮2的圆周速度已达到5m/s时驱动马达停止，但是风轮2的用于停止驱动马达的圆周速度可以根据叶片8的旋转半径的尺寸来合适地设定。

在上述实施方式中，尽管使用了储存由发电机3或太阳能发电面板26产生的电力的蓄电池10、27。但是，在不使用储存在蓄电池10、27中的电力的情况下，能够直接使用由发电机3或太阳能发电面板26产生的电力来启动驱动马达。

在这种情况下，驱动马达可以经由诸如ac-dc逆变器的转换器来启动。当在风力发电系统的安装地点附近存在任何商用电力时，可以使用这种电力。

在根据第一实施方式的风力发电系统中，用于使垂直主轴5旋转的原动机可以是ac马达，而不是上述dc马达14。此外，也可以使用流体压力马达诸如连接至由商用电力等驱动的液压泵上并通过压力油旋转的液压马达或通过压缩空气旋转的气动马达。

在上述各实施方式中，尽管为了中断与减速装置13的输出轴16的动力传递而使用电磁离合器12，但也可以使用例如诸如离心离合器的任何机械离合器。在这种情况下，控制装置4的离合器切换判定单元17是不必要的。另外，也可以省略诸如电磁离合器12的用于中断驱动轴15与减速装置13的输出轴16的动力传递的离合器机构。

在根据第三实施方式的风力发电系统中，尽管由马达/辅助发电机28转换成的辅助发电机所产生的电力被充入第二蓄电池27中，但是也可以省略第二蓄电池27并且将电力充入第一蓄电池10中。在这种情况下，增加第一蓄电池10的数量并增加电池存储容量是必要的。此外，在这种情况下，可以使用第一蓄电池10来供应启动作为驱动马达的马达/辅助发电机28的电力以及操作电磁离合器12的电力。

本发明也可以应用于如日本专利公开no.4907073的图4中所示的风力发电系统，其中，多个升力型叶片以多级的方式固定至垂直主轴5，或者也可以应用于如日本专利公开no.4740580b中所公开的包括水平轴风力涡轮机的风力发电系统，其中，叶片的末端部分在主轴方向(风接收方向)上倾斜。

[附图标记说明]

1风力发电系统

2风轮

3发电机

4控制装置

5垂直主轴

6支撑架

6a轴承

7a、7b支撑臂

8升力型叶片

8a主体部分

8b向内倾斜部分

9控制器

10第一蓄电池

11传动装置

11a从动锥齿轮

11b驱动锥齿轮

12电磁离合器

13减速装置

14驱动马达

15驱动轴

16输出轴

17离合器切换判定单元

18供电单元

19马达启动/停止判定单元

20中央处理单元

21齿轮

22旋转速度检测传感器

23风轮圆周速度判定单元

24风速计

25平均风速判定单元

26太阳能发电面板

27第二蓄电池

28马达/辅助发电机

29转换开关

29a马达侧触点

29b充电器侧触点

30控制器

31马达/辅助发电机转换判定单元

32供电单元

33盘式制动装置

34制动盘

35支架

36制动钳

37制动衬块

38电磁致动器

39手动制动装置

40大直径轴部

41制动衬块

c翼厚中心线

g基座

k齿轮箱

o旋转轨迹