流体発電装置
【課題】発電効率の向上と発電電圧の安定化を図ることができる流体発電装置を提案する。
【解決手段】作動流体Ｗの移動により回転する羽根車１０と、羽根車１０とともに回転する回転軸２０と、回転軸２０の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機３１と、発電機３１に接続して発電機３１の発電電圧を所望の電圧範囲に変圧する可変変圧部３５と、発電機３１の固定子３４と可動子３２を相対移動させて、固定子３４と可動子３２の対向面積を変化させる対向面積変更部４０と、を備える。
【解決手段】作動流体Ｗの移動により回転する羽根車１０と、羽根車１０とともに回転する回転軸２０と、回転軸２０の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機３１と、発電機３１に接続して発電機３１の発電電圧を所望の電圧範囲に変圧する可変変圧部３５と、発電機３１の固定子３４と可動子３２を相対移動させて、固定子３４と可動子３２の対向面積を変化させる対向面積変更部４０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体発電装置に関する。特に、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流れを利用して発電を行う流体発電装置として、例えば、風力発電装置が開発されている。
風のエネルギーは風速の３乗に比例すること、発電機の出力は風速（風車の回転数）の２乗に比例すること、が知られている。このため、垂直軸型の風力発電装置では、風速が定格風速よりも低くなると、発電機の出力に比べて風のエネルギーが足りなくなり、風車の回転数が低下して、発電効率が低下してしまう。
【０００３】
そこで、垂直軸型の風力発電装置では、発電機のコイルステータをマグネットロータに対して平行移動させて、マグネットロータとコイルステータの対向面積（噛合い率）を変化させることで、発電機の発電効率を向上させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、発電機から得られる出力電圧の変化幅が非常に大きくなって、例えばバッテリを安定して充電できない。すなわち、風速の増加に従ってマグネットロータとコイルステータの対向面積（噛合い率）を増加させると、カットイン風力時とカットアウト風力時の発電電圧の比が数十倍になってしまうのである。
つまり、従来の技術では、安定した発電電圧が得られないため、効率的に発電電圧を利用することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、発電効率の向上と発電電圧の安定化を図ることができる流体発電装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る流体発電装置は、作動流体の移動により回転する羽根車と、前記羽根車とともに回転する回転軸と、前記回転軸の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機と、前記発電機に接続して前記発電機の発電電圧を所望の電圧範囲に変圧する可変変圧部と、前記発電機の固定子と可動子を相対移動させて、前記固定子と前記可動子の対向面積を変化させる対向面積変更部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発電効率の向上と発電電圧の安定化を両立することができる。これにより、効率的に発電電圧を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の概略構成図である。
【図３】スイッチング部による発電機の接続方式の切替えを説明する図である。
【図４】風速に対する発電機の噛合い率を示す図である。
【図５】回転主軸の回転数と発電機の発電電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１の外観図である。図２は、
本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１の概略構成図である。
【００１１】
図１に示すように、垂直軸型風力発電装置（流体発電装置）１は、風車１０の回転軸（回転主軸２０）が地面Ｆに対して垂直となるように設置される。つまり、風車１０の回転軸は、地面Ｆに沿って流れる風（作動流体）Ｗに対して常に交差する。
そして、垂直軸型風力発電装置１は、風向きに対して依存性がなく、どの方向からの風Ｗに対しても風車１０が回転できる。したがって、季節や時間帯で風向きが変動する場合であっても発電が可能である。
【００１２】
垂直軸型風力発電装置１は、主に、地面Ｆに対して垂直に立つように固定された支柱２と、この支柱２上に設置された風車部５から構成される。
【００１３】
図２に示すように、風車部５は、風Ｗを受けて回転する風車（羽根車）１０と、風車１０の回転中心に配置されて、風車１０と共に回転する回転主軸２０と、回転主軸２０の回転を利用して発電を行う発電部３０と、発電部３０の固定子（コイルステータ３４）を可動子（マグネットロータ３２）に対して回転主軸２０の回転軸方向に平行移動させるステータ駆動部４０等から構成される。
また、風車部５は、回転主軸２０の一部及び発電部３０及びステータ駆動部４０等を収容するケーシング６を備えている。そして、ケーシング６の底面が、支柱２の上端面に固定される。
【００１４】
風車１０は、翼に発生する揚力を利用して回転するジャイロミル型風車である。すなわち、風車１０は、回転主軸２０に対して平行に配置された複数の翼ブレード１１を有している。また、複数の翼ブレード１１は、回転主軸２０の外周側の同一半径の位置に、均等角度間隔に配置される。本実施形態では、風車１０は、５つの翼ブレード１１を有している。
なお、各翼ブレード１１は、それぞれ、回転主軸２０に対して直交に接続された一対の翼支持体１２を介して、その両端側が回転主軸２０に固定される。
【００１５】
各翼ブレード１１は、風Ｗを受けると揚力を発生する形状に成形されている。各翼ブレード１１に発生する揚力は、回転主軸２０の半径方向に対して交差する方向に発生するため、この揚力によって風車１０が一定方向に回転する。
【００１６】
風車１０の回転中心に配置された回転主軸（回転軸）２０は、その一端側が風車１０（翼ブレード１１）よりも下方（地面）側に向けて伸びている。そして、回転主軸２０のうち、下方側に向けて伸びた部分は、ケーシング６に対して回転可能に収容される。
【００１７】
ケーシング６は、二段階に半径が変化する円筒状部材であり、回転主軸２０の一部を複数のベアリング９を介して支持する小径の円筒形の第一ケーシング７と、第一ケーシング７の下方側において発電部３０及びステータ駆動部４０等を収容する大径の円筒形の第二ケーシング８から構成される。
【００１８】
発電部３０は、回転主軸２０の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電するものである。発電部３０は、第二ケーシング８の内部の下方側において、回転主軸２０の下端に連結配置される。
発電部３０は、発電機３１を備えている。この発電機３１は、回転主軸２０に連結されて回転するマグネットロータ３２と、マグネットロータ３２の外周側を取り囲むように配置されたコイルステータ３４から構成される。
そして、風車１０の回転が回転主軸２０を介してマグネットロータ３２に伝わって、マグネットロータ３２が風車１０及び回転主軸２０と同軸上で回転する。これにより、第二ケーシング８に対して固定されたコイルステータ３４との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。
【００１９】
なお、発電機３１は、定格風速（例えば１０ｍ／ｓ）、定格回転数（風車１０が、例えば２００ｒｐｍで回転）のときに、定格発電量（例えば数ｋＷ）を出力するように設計されている。
【００２０】
ステータ駆動部（対向面積変更部）４０は、発電機３１の固定子であるコイルステータ３４を可動子であるマグネットロータ３２に対して、回転主軸２０の回転軸方向に平行移動させるものである。つまり、マグネットロータ３２とコイルステータ３４を相対移動させて、マグネットロータ３２が形成する磁場（磁界）に対するコイルステータ３４の重なり（対向面積）の度合い（噛合い率）を無段階に変化させるものである。
これにより、発電機３１の逆起電圧係数が変化して、発電機３１の回転効率や発電効率を向上させることができる。
【００２１】
ステータ駆動部４０を設ける主な理由は、風速が定格風速よりも低くなった際に、発電機３１の発電効率が低下してしまう事態を防止するためである。
すなわち、風速が定格風速よりも低くなると、発電機３１の出力に比べて風Ｗのエネルギーが足りなくなって、風車１０（回転主軸２０）の回転数が低下してしまうのである。そこで、マグネットロータ３２とコイルステータ３４の重なりの度合い（噛合い率）を変化させて、発電機３１の回転効率や発電効率を向上させている。
【００２２】
ステータ駆動部４０は、具体的には、回転主軸２０に対して平行に立てられて、コイルステータ３４に推進力を与えるボールネジ４２と、ボールネジ４２の一端に連結されてネジ軸を回転させるサーボモータ４４等から構成されている。
そして、サーボモータ４４を駆動して、ボールネジ４２を回転させることにより、コイルステータ３４がボールネジ４２に沿って平行移動する。
【００２３】
なお、サーボモータ４４は、ロータリーエンコーダ４４ａを有しており、ロータリーエンコーダ４４ａの検出結果（出力パルス）により、コイルステータ３４の現在位置が求められる。
また、マグネットロータ３２は、回転主軸２０の軸方向に対して、その位置が不変（固定）であるから、ロータリーエンコーダ４４ａの検出結果により、マグネットロータ３２に対するコイルステータ３４の重なりの度合い（噛合い率）も求められる。
【００２４】
発電部３０は、図２に示すように、発電機３１（マグネットロータ３２、コイルステータ３４）を備える。
また、発電部３０は、発電機３１のコイルステータ３４に接続されると共にコイルステータ３４のコイル群の接続方式（直列接続・並列接続）を切替えるスイッチング部３５と、回転主軸２０の一端に連結されて回転主軸２０（風車１０）の回転数を検出するロータリーエンコーダ３６と、ロータリーエンコーダ３６の検出結果（出力パルス）に基づいて、スイッチング部３５に対して制御指令を出力するコイル切替制御部３７を備える。
更に、スイッチング部３５には、整流回路３８とバッテリ３９が直列に接続される。なお、バッテリ３９には、不図示のＤＣ／ＡＣインバータが接続され、バッテリ３９に充電された電力を利用可能となっている。
【００２５】
図３は、スイッチング部３５による発電機３１の接続方式の切替えを説明する図である。なお、図３では、スイッチング部３５におけるＵ相の回路構成のみを示している。
発電部３０は、三相交流発電機である。すなわち、マグネットロータ３２の外周側に、複数のコイルＬが同一半径位置上に、例えば均等角度間隔で配置されている。
具体的には、コイルステータ３４は、２４個のコイルＬを有している。つまり、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８、Ｖ相用のコイルＬＶ１〜ＬＶ８、Ｗ相用のコイルＬＷ１〜ＬＷ８を有している。
【００２６】
スイッチング部（可変変圧部）３５は、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８を、直列接続させたり並列接続させたりするために、複数のスイッチＳＷ（ＳＷ１〜ＳＷ２１）を有している。
図３に示すように、８個のコイルＬＵ１〜ＬＵ８が並んで配置される。そして、コイルＬＵ１〜ＬＵ８の間に、スイッチＳＷ８〜ＳＷ１４が一つずつ直列に接続される。
【００２７】
また、コイルＬＵ１の一方の出力端側には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の一端が並列に接続される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の他端側は、コイルＬＵ２〜ＬＵ８の第一出力端側に接続される。例えば、スイッチＳＷ１の他端側は、コイルＬＵ２の第一出力端側（スイッチＳＷ８とコイルＬＵ２の間）に接続される。
【００２８】
また、コイルＬＵ８の他方の出力端側には、スイッチＳＷ１５〜ＳＷ２１の一端が並列に接続される。スイッチＳＷ１５〜ＳＷ２１の他端側は、コイルＬＵ１〜ＬＵ７の第二出力端側に接続される。例えば、スイッチＳＷ１５の他端側は、コイルＬＵ１の第二出力端側（コイルＬＵ１とスイッチＳＷ８の間）に接続される。
【００２９】
したがって、スイッチング部３５のスイッチＳＷ８〜ＳＷ１４を全てＯＮ（接続）すると同時に、残りのスイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１５〜ＳＷ２１を全てＯＦＦ（切断）すると、コイルステータ３４のＵ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８は、直列接続されることになる（第一接続状態）。
【００３０】
次に、上述の第一接続状態から、スイッチＳＷ１１をＯＦＦすると同時に、スイッチＳＷ４，１８をＯＮ（接続）すると、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続されると共に、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８が並列接続されることになる（第二接続状態）。
【００３１】
更に、上述の第二接続状態から、スイッチＳＷ９，１３をＯＦＦすると同時に、スイッチＳＷ２，６，１６，２０をＯＮ（接続）すると、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続されると共に、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８が並列接続されることになる（第三接続状態）。
【００３２】
そして、上述の第三接続状態から、スイッチＳＷ８，１０，１２，１４をＯＦＦすると同時に、スイッチＳＷ１，３，５，７，１５，１７，１９，２１をＯＮ（接続）すると、コイルＬＵ１〜ＬＵ８が並列接続されることになる（第四接続状態）。
【００３３】
このように、スイッチング部３５は、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ２１を選択的にＯＮ／ＯＦＦすることで、コイルステータ３４のＵ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８を、直列接続させたり並列接続させたり、直列接続と並列接続を混在させたりすることができる。
なお、スイッチング部３５は、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８の切替えと同時に、Ｖ相用のコイルＬＶ１〜ＬＶ８とＷ相用のコイルＬＷ１〜ＬＷ８の切替えを同様に行う。つまり、例えば、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８が直列接続されるとき、Ｖ相用のコイルＬＶ１〜ＬＶ８とＷ相用のコイルＬＷ１〜ＬＷ８も直列接続される。
【００３４】
そして、上述したように、スイッチング部３５により、コイルステータ３４のコイルＬＵ１〜ＬＵ８，ＬＶ１〜ＬＶ８，ＬＷ１〜ＬＷ８を、直列接続させたり並列接続させたりすることで、発電機３１から得られる発電電圧を変化させることができる。
【００３５】
上述したように、スイッチング部３５には、ＰＬＣ等のコイル切替制御部３７が接続されており、ロータリーエンコーダ３６により検出される回転主軸２０（マグネットロータ３２）の回転数に応じて、コイル切替制御部３７からコイルＬの切替指令（制御指令）を受ける。
つまり、マグネットロータ３２の回転数に応じてコイル切替制御部３７からスイッチング部３５に制御指令が発せられる。言い換えれば、発電機３１の発電電圧が所望の電圧範囲内に収まるように、コイル切替制御部３７からスイッチング部３５に制御指令が発せられる。
なお、上述した第一接続状態〜第四接続状態は、コイル切替制御部３７の記憶部に記憶されており、第一接続状態〜第四接続状態に対応する指令がスイッチング部３５に発せられる。
【００３６】
次に、垂直軸型風力発電装置１の作用について説明する。
図４は、風速に対する発電機３１の噛合い率を示す図である。
垂直軸型風力発電装置１では、ステータ駆動部４０により、発電機３１のコイルステータ３４をマグネットロータ３２に対して、回転主軸２０の回転軸方向に平行移動させて、マグネットロータ３２とコイルステータ３４の噛合い率を変化させることで、発電機３１の発電効率を向上させている。つまり、発電機３１の出力を風Ｗのエネルギーに一致させている。
【００３７】
図４の関係線に示すように、発電を開始するカットイン風力（例えば風速２ｍ／ｓ）から発電機３１を停止させるカットアウト風力（例えば風速１５ｍ／ｓ）に向かうにしたがって、発電機３１の噛合い率も高くなるように、ステータ駆動部４０が制御される。すなわち、噛合い率は、例えば、カットイン風力時に２０％、低格時に７０％、カットアウト風力時に８０％となる。つまり、風速（回転主軸２０の回転数）が高くなるに従って発電機３１の噛合い率が徐々に高くなるように設定されている。
【００３８】
なお、風速と発電機３１の噛合い率の関係は、図４の関係直線に示すように、比例して変化する場合に限らない。例えば、関係線が２次曲線や高次曲線等となる場合であってもよい。
また、カットイン風力、カットアウト風力時の噛合い率は、風車１０や発電機３１の仕様等に応じて、適宜変更することができる。
【００３９】
ステータ駆動部４０は、カットイン風力時、すなわち、例えば風速が２ｍ／ｓ程度になると、ロータリーエンコーダ３６により回転主軸２０の回転数（例えば３０ｒｐｍ程度）を検出する。
すると、ロータリーエンコーダ３６の出力に基づいて、制御部４５にからの指令によりサーボモータ４４が駆動し、ボールネジ４２を回転させ、コイルステータ３４をボールネジ４２に沿って平行移動させる。そして、発電機３１の噛合い率が２０％となるように、コイルステータ３４を移動・位置決めする。
そして、その後は、風速の変化に応じて、サーボモータ４４によりコイルステータ３４を平行移動して、発電機３１の噛合い率を変化させる。
【００４０】
なお、風速と風車１０（回転主軸２０）の回転数は、必ずしも一対一に対応しない。なぜなら、風車１０には慣性力があるため、風速が変化としても、風車１０の回転は遅れて変化（タイムラグが発生）するからである。
このため、制御部４５は、回転主軸２０の回転数として、例えば１〜１０分間程度の回転数の平均値を用いて、ステータ駆動部４０を制御する。つまり、風速が時々刻々と不規則に変化する場合であっても、高い周波数の変動を遮断し、低い周波数の変動のみに対応して、ステータ駆動部４０を制御する。これにより、ステータ駆動部４０の制御を安定させることができる。
【００４１】
図５は、回転主軸２０の回転数と発電機３１の発電電圧との関係を示す図である。
上述したように、ステータ駆動部４０は、風速の変化に応じて、サーボモータ４４によりコイルステータ３４を平行移動して、発電機３１の噛合い率を変化させる。
これと並行して、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを選択的にＯＮ／ＯＦＦして、発電機３１から得られる発電電圧を変化させる。
【００４２】
具体的には、図５に示すように、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷの接続を、上述した４つの接続状態（第一接続状態〜第四接続状態）となるように切替える。これにより、発電機３１の発電電圧が段階的に変化して、カットイン風力からカットアウト風力の間で、バッテリ３９の定格充電電圧（例えば８０Ｖ）から大きく懸け離れないように調整される。
【００４３】
まず、回転主軸２０の回転数が０〜約５０ｒｐｍ以下のときは、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第一接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを直列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチング部３５のスイッチＳＷ８〜ＳＷ１４を全てＯＮ（接続）すると同時に、残りのスイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１５〜ＳＷ２１を全てＯＦＦ（切断）する。これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ８が直列接続される。
【００４４】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ１に示すように変化する。具体的には、カットイン風力（例えば、風速２ｍ／ｓ、回転主軸２０の回転数３０ｒｐｍ）のとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ４０Ｖとなる。
そして、回転主軸２０の回転数が上がって、約５０ｒｐｍとなると、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率の変化も伴って、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１２０Ｖとなる。
つまり、この間において、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００４５】
そして、回転主軸２０の回転数が約５０〜９０ｒｐｍとなると、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第二接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを、４つを直列接続し、かつ、この４つ（２組）を並列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチＳＷ４，ＳＷ８〜ＳＷ１０，ＳＷ１２〜ＳＷ１４，ＳＷ１８をＯＮ（接続）と同時に、残りのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ５〜ＳＷ７，ＳＷ１１，ＳＷ１５〜ＳＷ１７，ＳＷ１９〜ＳＷ２１を全てＯＦＦ（切断）する。
これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続され、かつ、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８が並列接続される。
【００４６】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ２に示すように変化する。
具体的には、回転主軸２０の回転数が約６０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ７０Ｖとなる。また、回転主軸２０の回転数が約９０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１２０Ｖとなる。
この間においても、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００４７】
そして、回転主軸２０の回転数が約９０〜１４０ｒｐｍとなると、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第三接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを、２つを直列接続し、かつ、この２つ（４組）を並列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチＳＷ２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０をＯＮ（接続）と同時に、残りのスイッチＳＷ１，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１を全てＯＦＦ（切断）する。
これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続され、かつ、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８が並列接続される。
【００４８】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ３に示すように変化する。
具体的には、回転主軸２０の回転数が約１００ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ７０Ｖとなる。また、回転主軸２０の回転数が約１４０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１２０Ｖとなる。
この間においても、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００４９】
そして、回転主軸２０の回転数が約１４０ｒｐｍ以上となると、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第四接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを並列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１５〜ＳＷ２１をＯＮ（接続）と同時に、残りのスイッチＳＷ８〜ＳＷ１４を全てＯＦＦ（切断）する。
これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ８が並列接続される。
【００５０】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ４に示すように変化する。
具体的には、回転主軸２０の回転数が約１５０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ６０Ｖとなる。また、定格時、すなわち、回転主軸２０の回転数が約１７０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ８０Ｖとなる。そして、カットアウト風力（例えば、風速１５ｍ／ｓ、回転主軸２０の回転数２００ｒｐｍ）のとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１００Ｖとなる。
この間においても、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００５１】
なお、風速が下がる場合、すなわち、回転主軸２０の回転数が低下する場合には、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第四接続状態から第一接続状態に、段階的に変化させる。また、風速が変動する場合には、第一接続状態から第四接続状態のいずれかの状態に変化させる。
したがって、スイッチング部３５の出力電圧は、風速の変動に拘らず、例えば４０Ｖ〜１２０Ｖの間で維持される。
【００５２】
以上、説明したように、垂直軸型風力発電装置１は、風速に応じてスイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを、第一接続状態から第四接続状態のいずれかの接続状態に切替えることで、発電機３１の発電電圧を、例えば４０Ｖ〜１２０Ｖの間で維持させることができる。
これにより、風速の変化に拘らず、発電機３１の出力電圧の変動幅が一定範囲になるように調整（制御）されるので、バッテリ３９を安定して充電することができる。つまり、発電機３１の出力電圧を有効に利用することができる。
【００５３】
特に、ステータ駆動部４０とスイッチング部３５を備えることで、バッテリ３９を安定して充電することができる。
すなわち、従来のように、ステータ駆動部４０のみを備える場合には、発電機３１の出力電圧の変化幅が非常に大きくなって、バッテリ３９を安定して充電できないという問題を解消することができる。
言い換えれば、垂直軸型風力発電装置１では、ステータ駆動部４０とスイッチング部３５を同時に備えるので、発電機３１の発電効率の向上と発電電圧の安定化を両立することができる。これにより、発電機３１の発電電圧を有効利用することができる。
【００５４】
上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５５】
例えば、上述した実施の形態では、回転主軸２０の回転数に基づいてスイッチング部３５を制御する場合について説明したが、これに限らない。
発電機３１の発電電圧を検出し、この電圧変化に基づいてスイッチング部３５を制御してもよい。つまり、スイッチング部３５の出力側に電圧センサを接続し、この電圧センサの検出結果に応じて、コイル切替制御部３７によりスイッチング部３５を制御してもよい。
この場合には、低圧側の閾値を４０Ｖ、高圧側の閾値を１２０Ｖと設定して、コイル切替制御部３７によるスイッチング部３５の制御を行う。
【００５６】
また、発電機３１の噛合い率を検出し、この噛合い率に基づいてスイッチング部３５を制御してもよい。すなわち、ロータリーエンコーダ３６に代えて、ステータ駆動部４０のロータリーエンコーダ４４ａを用いてもよい。つまり、ロータリーエンコーダ４４ａの検出結果に応じて、コイル切替制御部３７によりスイッチング部３５を制御してもよい。
【００５７】
なお、マグネットロータ３２に対するコイルステータ３４の位置を検出する位置センサとしては、ロータリーエンコーダ４４ａに限らず、リニアスケール（リニアエンコーダ）であってもよい。
また、マグネットロータ３２に対するコイルステータ３４の位置に応じて作動する複数の近接スイッチ等を用いてもよい。更に、コイルステータ３４の位置をレーザ光等により計測する測長センサ（光センサ、超音波センサ）等を用いてもよい。
【００５８】
また、上述した実施の形態では、スイッチング部３５の出力側に、整流回路３８を介してバッテリ３９を接続する場合について説明したが、これに限らない。
バッテリ３９及びＤＣ／ＡＣインバータに代えて、パワーコンディショナーを接続してもよい。特に、発電機３１の出力電圧が大きい場合には、パワーコンディショナーを用いることが好ましい。
【００５９】
また、スイッチング部３５に代えて、単巻変圧器等の可変変圧器（可変変圧部）を用いてもよい。すなわち、可変変圧器の一次側（巻線）に発電機３１を、二次側（巻線に接触させた可動式摺動子）に整流回路３８を接続する。そして、例えば、回転主軸２０の回転数に基づいて、可動式摺動子に連結したアクチュエータ等を駆動して、出力電圧を変化させてもよい。
【００６０】
また、例えば、上述の実施形態では、垂直軸型風力発電装置について説明したが、水平軸型風力発電装置であってよい。
【００６１】
また、垂直軸型風力発電装置（垂直軸型風車）としては、ジャイロミル型に限らない。ダリウス型、直線翼型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、S型ロータ型等であってもよい。
【００６２】
また、作動流体として、風力に限らず、水力であってもよい。つまり、本発明は、水力発電装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
1…垂直軸型風力発電装置（流体発電装置）、 １０…風車（羽根車）、 ２０…回転主軸（回転軸）、 ３１…発電機、 ３２…マグネットロータ（可動子）、 ３４…コイルステータ（固定子）、 ３５…スイッチング部（可変変圧部）、 ３６…ロータリーエンコーダ（回転数検出センサ）、 ３７…コイル切替制御部、 ４０…ステータ駆動部（対向面積変更部）、 ４４ａ…ロータリーエンコーダ（位置センサ）、 Ｌ…コイル、 ＳＷ…スイッチ、 Ｗ…風（作動流体）、 Ｆ…地面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体発電装置に関する。特に、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流れを利用して発電を行う流体発電装置として、例えば、風力発電装置が開発されている。
風のエネルギーは風速の３乗に比例すること、発電機の出力は風速（風車の回転数）の２乗に比例すること、が知られている。このため、垂直軸型の風力発電装置では、風速が定格風速よりも低くなると、発電機の出力に比べて風のエネルギーが足りなくなり、風車の回転数が低下して、発電効率が低下してしまう。
【０００３】
そこで、垂直軸型の風力発電装置では、発電機のコイルステータをマグネットロータに対して平行移動させて、マグネットロータとコイルステータの対向面積（噛合い率）を変化させることで、発電機の発電効率を向上させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、発電機から得られる出力電圧の変化幅が非常に大きくなって、例えばバッテリを安定して充電できない。すなわち、風速の増加に従ってマグネットロータとコイルステータの対向面積（噛合い率）を増加させると、カットイン風力時とカットアウト風力時の発電電圧の比が数十倍になってしまうのである。
つまり、従来の技術では、安定した発電電圧が得られないため、効率的に発電電圧を利用することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、発電効率の向上と発電電圧の安定化を図ることができる流体発電装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る流体発電装置は、作動流体の移動により回転する羽根車と、前記羽根車とともに回転する回転軸と、前記回転軸の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機と、前記発電機に接続して前記発電機の発電電圧を所望の電圧範囲に変圧する可変変圧部と、前記発電機の固定子と可動子を相対移動させて、前記固定子と前記可動子の対向面積を変化させる対向面積変更部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発電効率の向上と発電電圧の安定化を両立することができる。これにより、効率的に発電電圧を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の概略構成図である。
【図３】スイッチング部による発電機の接続方式の切替えを説明する図である。
【図４】風速に対する発電機の噛合い率を示す図である。
【図５】回転主軸の回転数と発電機の発電電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１の外観図である。図２は、
本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１の概略構成図である。
【００１１】
図１に示すように、垂直軸型風力発電装置（流体発電装置）１は、風車１０の回転軸（回転主軸２０）が地面Ｆに対して垂直となるように設置される。つまり、風車１０の回転軸は、地面Ｆに沿って流れる風（作動流体）Ｗに対して常に交差する。
そして、垂直軸型風力発電装置１は、風向きに対して依存性がなく、どの方向からの風Ｗに対しても風車１０が回転できる。したがって、季節や時間帯で風向きが変動する場合であっても発電が可能である。
【００１２】
垂直軸型風力発電装置１は、主に、地面Ｆに対して垂直に立つように固定された支柱２と、この支柱２上に設置された風車部５から構成される。
【００１３】
図２に示すように、風車部５は、風Ｗを受けて回転する風車（羽根車）１０と、風車１０の回転中心に配置されて、風車１０と共に回転する回転主軸２０と、回転主軸２０の回転を利用して発電を行う発電部３０と、発電部３０の固定子（コイルステータ３４）を可動子（マグネットロータ３２）に対して回転主軸２０の回転軸方向に平行移動させるステータ駆動部４０等から構成される。
また、風車部５は、回転主軸２０の一部及び発電部３０及びステータ駆動部４０等を収容するケーシング６を備えている。そして、ケーシング６の底面が、支柱２の上端面に固定される。
【００１４】
風車１０は、翼に発生する揚力を利用して回転するジャイロミル型風車である。すなわち、風車１０は、回転主軸２０に対して平行に配置された複数の翼ブレード１１を有している。また、複数の翼ブレード１１は、回転主軸２０の外周側の同一半径の位置に、均等角度間隔に配置される。本実施形態では、風車１０は、５つの翼ブレード１１を有している。
なお、各翼ブレード１１は、それぞれ、回転主軸２０に対して直交に接続された一対の翼支持体１２を介して、その両端側が回転主軸２０に固定される。
【００１５】
各翼ブレード１１は、風Ｗを受けると揚力を発生する形状に成形されている。各翼ブレード１１に発生する揚力は、回転主軸２０の半径方向に対して交差する方向に発生するため、この揚力によって風車１０が一定方向に回転する。
【００１６】
風車１０の回転中心に配置された回転主軸（回転軸）２０は、その一端側が風車１０（翼ブレード１１）よりも下方（地面）側に向けて伸びている。そして、回転主軸２０のうち、下方側に向けて伸びた部分は、ケーシング６に対して回転可能に収容される。
【００１７】
ケーシング６は、二段階に半径が変化する円筒状部材であり、回転主軸２０の一部を複数のベアリング９を介して支持する小径の円筒形の第一ケーシング７と、第一ケーシング７の下方側において発電部３０及びステータ駆動部４０等を収容する大径の円筒形の第二ケーシング８から構成される。
【００１８】
発電部３０は、回転主軸２０の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電するものである。発電部３０は、第二ケーシング８の内部の下方側において、回転主軸２０の下端に連結配置される。
発電部３０は、発電機３１を備えている。この発電機３１は、回転主軸２０に連結されて回転するマグネットロータ３２と、マグネットロータ３２の外周側を取り囲むように配置されたコイルステータ３４から構成される。
そして、風車１０の回転が回転主軸２０を介してマグネットロータ３２に伝わって、マグネットロータ３２が風車１０及び回転主軸２０と同軸上で回転する。これにより、第二ケーシング８に対して固定されたコイルステータ３４との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。
【００１９】
なお、発電機３１は、定格風速（例えば１０ｍ／ｓ）、定格回転数（風車１０が、例えば２００ｒｐｍで回転）のときに、定格発電量（例えば数ｋＷ）を出力するように設計されている。
【００２０】
ステータ駆動部（対向面積変更部）４０は、発電機３１の固定子であるコイルステータ３４を可動子であるマグネットロータ３２に対して、回転主軸２０の回転軸方向に平行移動させるものである。つまり、マグネットロータ３２とコイルステータ３４を相対移動させて、マグネットロータ３２が形成する磁場（磁界）に対するコイルステータ３４の重なり（対向面積）の度合い（噛合い率）を無段階に変化させるものである。
これにより、発電機３１の逆起電圧係数が変化して、発電機３１の回転効率や発電効率を向上させることができる。
【００２１】
ステータ駆動部４０を設ける主な理由は、風速が定格風速よりも低くなった際に、発電機３１の発電効率が低下してしまう事態を防止するためである。
すなわち、風速が定格風速よりも低くなると、発電機３１の出力に比べて風Ｗのエネルギーが足りなくなって、風車１０（回転主軸２０）の回転数が低下してしまうのである。そこで、マグネットロータ３２とコイルステータ３４の重なりの度合い（噛合い率）を変化させて、発電機３１の回転効率や発電効率を向上させている。
【００２２】
ステータ駆動部４０は、具体的には、回転主軸２０に対して平行に立てられて、コイルステータ３４に推進力を与えるボールネジ４２と、ボールネジ４２の一端に連結されてネジ軸を回転させるサーボモータ４４等から構成されている。
そして、サーボモータ４４を駆動して、ボールネジ４２を回転させることにより、コイルステータ３４がボールネジ４２に沿って平行移動する。
【００２３】
なお、サーボモータ４４は、ロータリーエンコーダ４４ａを有しており、ロータリーエンコーダ４４ａの検出結果（出力パルス）により、コイルステータ３４の現在位置が求められる。
また、マグネットロータ３２は、回転主軸２０の軸方向に対して、その位置が不変（固定）であるから、ロータリーエンコーダ４４ａの検出結果により、マグネットロータ３２に対するコイルステータ３４の重なりの度合い（噛合い率）も求められる。
【００２４】
発電部３０は、図２に示すように、発電機３１（マグネットロータ３２、コイルステータ３４）を備える。
また、発電部３０は、発電機３１のコイルステータ３４に接続されると共にコイルステータ３４のコイル群の接続方式（直列接続・並列接続）を切替えるスイッチング部３５と、回転主軸２０の一端に連結されて回転主軸２０（風車１０）の回転数を検出するロータリーエンコーダ３６と、ロータリーエンコーダ３６の検出結果（出力パルス）に基づいて、スイッチング部３５に対して制御指令を出力するコイル切替制御部３７を備える。
更に、スイッチング部３５には、整流回路３８とバッテリ３９が直列に接続される。なお、バッテリ３９には、不図示のＤＣ／ＡＣインバータが接続され、バッテリ３９に充電された電力を利用可能となっている。
【００２５】
図３は、スイッチング部３５による発電機３１の接続方式の切替えを説明する図である。なお、図３では、スイッチング部３５におけるＵ相の回路構成のみを示している。
発電部３０は、三相交流発電機である。すなわち、マグネットロータ３２の外周側に、複数のコイルＬが同一半径位置上に、例えば均等角度間隔で配置されている。
具体的には、コイルステータ３４は、２４個のコイルＬを有している。つまり、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８、Ｖ相用のコイルＬＶ１〜ＬＶ８、Ｗ相用のコイルＬＷ１〜ＬＷ８を有している。
【００２６】
スイッチング部（可変変圧部）３５は、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８を、直列接続させたり並列接続させたりするために、複数のスイッチＳＷ（ＳＷ１〜ＳＷ２１）を有している。
図３に示すように、８個のコイルＬＵ１〜ＬＵ８が並んで配置される。そして、コイルＬＵ１〜ＬＵ８の間に、スイッチＳＷ８〜ＳＷ１４が一つずつ直列に接続される。
【００２７】
また、コイルＬＵ１の一方の出力端側には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の一端が並列に接続される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の他端側は、コイルＬＵ２〜ＬＵ８の第一出力端側に接続される。例えば、スイッチＳＷ１の他端側は、コイルＬＵ２の第一出力端側（スイッチＳＷ８とコイルＬＵ２の間）に接続される。
【００２８】
また、コイルＬＵ８の他方の出力端側には、スイッチＳＷ１５〜ＳＷ２１の一端が並列に接続される。スイッチＳＷ１５〜ＳＷ２１の他端側は、コイルＬＵ１〜ＬＵ７の第二出力端側に接続される。例えば、スイッチＳＷ１５の他端側は、コイルＬＵ１の第二出力端側（コイルＬＵ１とスイッチＳＷ８の間）に接続される。
【００２９】
したがって、スイッチング部３５のスイッチＳＷ８〜ＳＷ１４を全てＯＮ（接続）すると同時に、残りのスイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１５〜ＳＷ２１を全てＯＦＦ（切断）すると、コイルステータ３４のＵ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８は、直列接続されることになる（第一接続状態）。
【００３０】
次に、上述の第一接続状態から、スイッチＳＷ１１をＯＦＦすると同時に、スイッチＳＷ４，１８をＯＮ（接続）すると、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続されると共に、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８が並列接続されることになる（第二接続状態）。
【００３１】
更に、上述の第二接続状態から、スイッチＳＷ９，１３をＯＦＦすると同時に、スイッチＳＷ２，６，１６，２０をＯＮ（接続）すると、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続されると共に、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８が並列接続されることになる（第三接続状態）。
【００３２】
そして、上述の第三接続状態から、スイッチＳＷ８，１０，１２，１４をＯＦＦすると同時に、スイッチＳＷ１，３，５，７，１５，１７，１９，２１をＯＮ（接続）すると、コイルＬＵ１〜ＬＵ８が並列接続されることになる（第四接続状態）。
【００３３】
このように、スイッチング部３５は、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ２１を選択的にＯＮ／ＯＦＦすることで、コイルステータ３４のＵ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８を、直列接続させたり並列接続させたり、直列接続と並列接続を混在させたりすることができる。
なお、スイッチング部３５は、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８の切替えと同時に、Ｖ相用のコイルＬＶ１〜ＬＶ８とＷ相用のコイルＬＷ１〜ＬＷ８の切替えを同様に行う。つまり、例えば、Ｕ相用のコイルＬＵ１〜ＬＵ８が直列接続されるとき、Ｖ相用のコイルＬＶ１〜ＬＶ８とＷ相用のコイルＬＷ１〜ＬＷ８も直列接続される。
【００３４】
そして、上述したように、スイッチング部３５により、コイルステータ３４のコイルＬＵ１〜ＬＵ８，ＬＶ１〜ＬＶ８，ＬＷ１〜ＬＷ８を、直列接続させたり並列接続させたりすることで、発電機３１から得られる発電電圧を変化させることができる。
【００３５】
上述したように、スイッチング部３５には、ＰＬＣ等のコイル切替制御部３７が接続されており、ロータリーエンコーダ３６により検出される回転主軸２０（マグネットロータ３２）の回転数に応じて、コイル切替制御部３７からコイルＬの切替指令（制御指令）を受ける。
つまり、マグネットロータ３２の回転数に応じてコイル切替制御部３７からスイッチング部３５に制御指令が発せられる。言い換えれば、発電機３１の発電電圧が所望の電圧範囲内に収まるように、コイル切替制御部３７からスイッチング部３５に制御指令が発せられる。
なお、上述した第一接続状態〜第四接続状態は、コイル切替制御部３７の記憶部に記憶されており、第一接続状態〜第四接続状態に対応する指令がスイッチング部３５に発せられる。
【００３６】
次に、垂直軸型風力発電装置１の作用について説明する。
図４は、風速に対する発電機３１の噛合い率を示す図である。
垂直軸型風力発電装置１では、ステータ駆動部４０により、発電機３１のコイルステータ３４をマグネットロータ３２に対して、回転主軸２０の回転軸方向に平行移動させて、マグネットロータ３２とコイルステータ３４の噛合い率を変化させることで、発電機３１の発電効率を向上させている。つまり、発電機３１の出力を風Ｗのエネルギーに一致させている。
【００３７】
図４の関係線に示すように、発電を開始するカットイン風力（例えば風速２ｍ／ｓ）から発電機３１を停止させるカットアウト風力（例えば風速１５ｍ／ｓ）に向かうにしたがって、発電機３１の噛合い率も高くなるように、ステータ駆動部４０が制御される。すなわち、噛合い率は、例えば、カットイン風力時に２０％、低格時に７０％、カットアウト風力時に８０％となる。つまり、風速（回転主軸２０の回転数）が高くなるに従って発電機３１の噛合い率が徐々に高くなるように設定されている。
【００３８】
なお、風速と発電機３１の噛合い率の関係は、図４の関係直線に示すように、比例して変化する場合に限らない。例えば、関係線が２次曲線や高次曲線等となる場合であってもよい。
また、カットイン風力、カットアウト風力時の噛合い率は、風車１０や発電機３１の仕様等に応じて、適宜変更することができる。
【００３９】
ステータ駆動部４０は、カットイン風力時、すなわち、例えば風速が２ｍ／ｓ程度になると、ロータリーエンコーダ３６により回転主軸２０の回転数（例えば３０ｒｐｍ程度）を検出する。
すると、ロータリーエンコーダ３６の出力に基づいて、制御部４５にからの指令によりサーボモータ４４が駆動し、ボールネジ４２を回転させ、コイルステータ３４をボールネジ４２に沿って平行移動させる。そして、発電機３１の噛合い率が２０％となるように、コイルステータ３４を移動・位置決めする。
そして、その後は、風速の変化に応じて、サーボモータ４４によりコイルステータ３４を平行移動して、発電機３１の噛合い率を変化させる。
【００４０】
なお、風速と風車１０（回転主軸２０）の回転数は、必ずしも一対一に対応しない。なぜなら、風車１０には慣性力があるため、風速が変化としても、風車１０の回転は遅れて変化（タイムラグが発生）するからである。
このため、制御部４５は、回転主軸２０の回転数として、例えば１〜１０分間程度の回転数の平均値を用いて、ステータ駆動部４０を制御する。つまり、風速が時々刻々と不規則に変化する場合であっても、高い周波数の変動を遮断し、低い周波数の変動のみに対応して、ステータ駆動部４０を制御する。これにより、ステータ駆動部４０の制御を安定させることができる。
【００４１】
図５は、回転主軸２０の回転数と発電機３１の発電電圧との関係を示す図である。
上述したように、ステータ駆動部４０は、風速の変化に応じて、サーボモータ４４によりコイルステータ３４を平行移動して、発電機３１の噛合い率を変化させる。
これと並行して、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを選択的にＯＮ／ＯＦＦして、発電機３１から得られる発電電圧を変化させる。
【００４２】
具体的には、図５に示すように、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷの接続を、上述した４つの接続状態（第一接続状態〜第四接続状態）となるように切替える。これにより、発電機３１の発電電圧が段階的に変化して、カットイン風力からカットアウト風力の間で、バッテリ３９の定格充電電圧（例えば８０Ｖ）から大きく懸け離れないように調整される。
【００４３】
まず、回転主軸２０の回転数が０〜約５０ｒｐｍ以下のときは、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第一接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを直列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチング部３５のスイッチＳＷ８〜ＳＷ１４を全てＯＮ（接続）すると同時に、残りのスイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１５〜ＳＷ２１を全てＯＦＦ（切断）する。これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ８が直列接続される。
【００４４】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ１に示すように変化する。具体的には、カットイン風力（例えば、風速２ｍ／ｓ、回転主軸２０の回転数３０ｒｐｍ）のとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ４０Ｖとなる。
そして、回転主軸２０の回転数が上がって、約５０ｒｐｍとなると、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率の変化も伴って、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１２０Ｖとなる。
つまり、この間において、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００４５】
そして、回転主軸２０の回転数が約５０〜９０ｒｐｍとなると、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第二接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを、４つを直列接続し、かつ、この４つ（２組）を並列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチＳＷ４，ＳＷ８〜ＳＷ１０，ＳＷ１２〜ＳＷ１４，ＳＷ１８をＯＮ（接続）と同時に、残りのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ５〜ＳＷ７，ＳＷ１１，ＳＷ１５〜ＳＷ１７，ＳＷ１９〜ＳＷ２１を全てＯＦＦ（切断）する。
これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続され、かつ、コイルＬＵ１〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ８が並列接続される。
【００４６】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ２に示すように変化する。
具体的には、回転主軸２０の回転数が約６０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ７０Ｖとなる。また、回転主軸２０の回転数が約９０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１２０Ｖとなる。
この間においても、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００４７】
そして、回転主軸２０の回転数が約９０〜１４０ｒｐｍとなると、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第三接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを、２つを直列接続し、かつ、この２つ（４組）を並列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチＳＷ２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０をＯＮ（接続）と同時に、残りのスイッチＳＷ１，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１を全てＯＦＦ（切断）する。
これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８がそれぞれ直列接続され、かつ、コイルＬＵ１〜ＬＵ２、コイルＬＵ３〜ＬＵ４、コイルＬＵ５〜ＬＵ６、コイルＬＵ７〜ＬＵ８が並列接続される。
【００４８】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ３に示すように変化する。
具体的には、回転主軸２０の回転数が約１００ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ７０Ｖとなる。また、回転主軸２０の回転数が約１４０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１２０Ｖとなる。
この間においても、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００４９】
そして、回転主軸２０の回転数が約１４０ｒｐｍ以上となると、発電部３０は、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第四接続状態にする。すなわち、コイルステータ３４の各相の８つのコイルＬを並列接続した状態にする。
つまり、Ｕ相においては、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１５〜ＳＷ２１をＯＮ（接続）と同時に、残りのスイッチＳＷ８〜ＳＷ１４を全てＯＦＦ（切断）する。
これにより、コイルＬＵ１〜ＬＵ８が並列接続される。
【００５０】
このとき、スイッチング部３５の出力電圧は、図５の曲線Ｍ４に示すように変化する。
具体的には、回転主軸２０の回転数が約１５０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ６０Ｖとなる。また、定格時、すなわち、回転主軸２０の回転数が約１７０ｒｐｍのとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ８０Ｖとなる。そして、カットアウト風力（例えば、風速１５ｍ／ｓ、回転主軸２０の回転数２００ｒｐｍ）のとき、スイッチング部３５の出力電圧はＡＣ１００Ｖとなる。
この間においても、ステータ駆動部４０による発電機３１の噛合い率は、図４に示す関係線に従って変化している。
【００５１】
なお、風速が下がる場合、すなわち、回転主軸２０の回転数が低下する場合には、スイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを第四接続状態から第一接続状態に、段階的に変化させる。また、風速が変動する場合には、第一接続状態から第四接続状態のいずれかの状態に変化させる。
したがって、スイッチング部３５の出力電圧は、風速の変動に拘らず、例えば４０Ｖ〜１２０Ｖの間で維持される。
【００５２】
以上、説明したように、垂直軸型風力発電装置１は、風速に応じてスイッチング部３５の複数のスイッチＳＷを、第一接続状態から第四接続状態のいずれかの接続状態に切替えることで、発電機３１の発電電圧を、例えば４０Ｖ〜１２０Ｖの間で維持させることができる。
これにより、風速の変化に拘らず、発電機３１の出力電圧の変動幅が一定範囲になるように調整（制御）されるので、バッテリ３９を安定して充電することができる。つまり、発電機３１の出力電圧を有効に利用することができる。
【００５３】
特に、ステータ駆動部４０とスイッチング部３５を備えることで、バッテリ３９を安定して充電することができる。
すなわち、従来のように、ステータ駆動部４０のみを備える場合には、発電機３１の出力電圧の変化幅が非常に大きくなって、バッテリ３９を安定して充電できないという問題を解消することができる。
言い換えれば、垂直軸型風力発電装置１では、ステータ駆動部４０とスイッチング部３５を同時に備えるので、発電機３１の発電効率の向上と発電電圧の安定化を両立することができる。これにより、発電機３１の発電電圧を有効利用することができる。
【００５４】
上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５５】
例えば、上述した実施の形態では、回転主軸２０の回転数に基づいてスイッチング部３５を制御する場合について説明したが、これに限らない。
発電機３１の発電電圧を検出し、この電圧変化に基づいてスイッチング部３５を制御してもよい。つまり、スイッチング部３５の出力側に電圧センサを接続し、この電圧センサの検出結果に応じて、コイル切替制御部３７によりスイッチング部３５を制御してもよい。
この場合には、低圧側の閾値を４０Ｖ、高圧側の閾値を１２０Ｖと設定して、コイル切替制御部３７によるスイッチング部３５の制御を行う。
【００５６】
また、発電機３１の噛合い率を検出し、この噛合い率に基づいてスイッチング部３５を制御してもよい。すなわち、ロータリーエンコーダ３６に代えて、ステータ駆動部４０のロータリーエンコーダ４４ａを用いてもよい。つまり、ロータリーエンコーダ４４ａの検出結果に応じて、コイル切替制御部３７によりスイッチング部３５を制御してもよい。
【００５７】
なお、マグネットロータ３２に対するコイルステータ３４の位置を検出する位置センサとしては、ロータリーエンコーダ４４ａに限らず、リニアスケール（リニアエンコーダ）であってもよい。
また、マグネットロータ３２に対するコイルステータ３４の位置に応じて作動する複数の近接スイッチ等を用いてもよい。更に、コイルステータ３４の位置をレーザ光等により計測する測長センサ（光センサ、超音波センサ）等を用いてもよい。
【００５８】
また、上述した実施の形態では、スイッチング部３５の出力側に、整流回路３８を介してバッテリ３９を接続する場合について説明したが、これに限らない。
バッテリ３９及びＤＣ／ＡＣインバータに代えて、パワーコンディショナーを接続してもよい。特に、発電機３１の出力電圧が大きい場合には、パワーコンディショナーを用いることが好ましい。
【００５９】
また、スイッチング部３５に代えて、単巻変圧器等の可変変圧器（可変変圧部）を用いてもよい。すなわち、可変変圧器の一次側（巻線）に発電機３１を、二次側（巻線に接触させた可動式摺動子）に整流回路３８を接続する。そして、例えば、回転主軸２０の回転数に基づいて、可動式摺動子に連結したアクチュエータ等を駆動して、出力電圧を変化させてもよい。
【００６０】
また、例えば、上述の実施形態では、垂直軸型風力発電装置について説明したが、水平軸型風力発電装置であってよい。
【００６１】
また、垂直軸型風力発電装置（垂直軸型風車）としては、ジャイロミル型に限らない。ダリウス型、直線翼型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、S型ロータ型等であってもよい。
【００６２】
また、作動流体として、風力に限らず、水力であってもよい。つまり、本発明は、水力発電装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
1…垂直軸型風力発電装置（流体発電装置）、 １０…風車（羽根車）、 ２０…回転主軸（回転軸）、 ３１…発電機、 ３２…マグネットロータ（可動子）、 ３４…コイルステータ（固定子）、 ３５…スイッチング部（可変変圧部）、 ３６…ロータリーエンコーダ（回転数検出センサ）、 ３７…コイル切替制御部、 ４０…ステータ駆動部（対向面積変更部）、 ４４ａ…ロータリーエンコーダ（位置センサ）、 Ｌ…コイル、 ＳＷ…スイッチ、 Ｗ…風（作動流体）、 Ｆ…地面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の移動により回転する羽根車と、
前記羽根車とともに回転する回転軸と、
前記回転軸の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機と、
前記発電機に接続して前記発電機の発電電圧を所望の電圧範囲に変圧する可変変圧部と、
前記発電機の固定子と可動子を相対移動させて、前記固定子と前記可動子の対向面積を変化させる対向面積変更部と、
を備えることを特徴とする流体発電装置。
【請求項２】
前記可変変圧部は、前記発電機が有する複数のコイルの接続方式を切替えるスイッチング部であることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【請求項３】
前記スイッチング部は、前記複数のコイルの接続方式を複数の接続状態のいずれか一つに切替えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体発電装置。
【請求項４】
前記スイッチング部は、前記回転軸の回転数を検出する回転数検出センサの検出結果に基づいて、前記複数のコイルの接続方式を切替えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【請求項５】
前記スイッチング部は、出力側に接続した電圧センサの検出結果に基づいて、前記複数のコイルの接続方式を切替えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【請求項６】
前記スイッチング部は、前記固定子と前記可動子の相対位置を検出する位置センサの検出結果に基づいて、前記複数のコイルの接続方式を切替えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【請求項１】
作動流体の移動により回転する羽根車と、
前記羽根車とともに回転する回転軸と、
前記回転軸の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機と、
前記発電機に接続して前記発電機の発電電圧を所望の電圧範囲に変圧する可変変圧部と、
前記発電機の固定子と可動子を相対移動させて、前記固定子と前記可動子の対向面積を変化させる対向面積変更部と、
を備えることを特徴とする流体発電装置。
【請求項２】
前記可変変圧部は、前記発電機が有する複数のコイルの接続方式を切替えるスイッチング部であることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【請求項３】
前記スイッチング部は、前記複数のコイルの接続方式を複数の接続状態のいずれか一つに切替えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体発電装置。
【請求項４】
前記スイッチング部は、前記回転軸の回転数を検出する回転数検出センサの検出結果に基づいて、前記複数のコイルの接続方式を切替えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【請求項５】
前記スイッチング部は、出力側に接続した電圧センサの検出結果に基づいて、前記複数のコイルの接続方式を切替えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【請求項６】
前記スイッチング部は、前記固定子と前記可動子の相対位置を検出する位置センサの検出結果に基づいて、前記複数のコイルの接続方式を切替えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２５９６４１（Ｐ２０１１−２５９６４１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３３２１４（Ｐ２０１０−１３３２１４）
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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