風力発電機の充電回路装置
【課題】発電電力の変動が大きい風力発電機において、電気量蓄積手段に蓄電した発電電力を昇圧して蓄電池に移し替えている際に、弱風により生じた微弱な発電電力も蓄電することができるとともに、製造コストの増大を抑制することができる風力発電機の充電回路装置を提供する。
【解決手段】弱風により生じた微弱発電電力を蓄電する電気量蓄積手段４を、第１入力端側スイッチ９Ａ及び第１出力端側スイッチ９Ｂが設けられた第１キャパシタバンク６と、第１キャパシタバンク６と並列に接続され、第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂが設けられた、第１キャパシタバンク６よりも容量が小さい第２キャパシタバンク７により構成した。第１キャパシタバンク６に蓄電した電力を負荷３側へ放電している際における微弱発電電力を第２キャパシタバンク７に蓄電する。
【解決手段】弱風により生じた微弱発電電力を蓄電する電気量蓄積手段４を、第１入力端側スイッチ９Ａ及び第１出力端側スイッチ９Ｂが設けられた第１キャパシタバンク６と、第１キャパシタバンク６と並列に接続され、第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂが設けられた、第１キャパシタバンク６よりも容量が小さい第２キャパシタバンク７により構成した。第１キャパシタバンク６に蓄電した電力を負荷３側へ放電している際における微弱発電電力を第２キャパシタバンク７に蓄電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力エネルギにより回転する羽根の回転力を電気エネルギに変換する風力発電機に用いられる充電回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電機は、風力エネルギにより回転する羽根の回転力を電気エネルギに変換するものであり、風力発電機により発電された電力は、照明や電動機等の負荷に直接使用されるか、あるいは、一時的に蓄電池（二次電池）に蓄えた後に各種電力用途に使用される。
風力発電機は、利用する風力が自然現象によるものであることからその変動が大きく、発電電力もそれに応じて大きく変動するため、蓄電池に対して充電可能な電圧値を下回る発電電力は全く利用されずに無駄に失われていた。
このようなことから、変動する発電電力を効率的に充電するための充電回路装置として、（１）弱風の場合には、蓄電池充電可能電圧以下の発電電力をキャパシタに蓄電し、蓄電量が上昇したら昇圧して蓄電池に電力を移し替え、（２）風力が中程度の場合には、キャパシタ定格電圧以上で蓄電池充電電圧以下の発電電力を昇圧して蓄電池に蓄電し、（３）強風の場合には、蓄電池充電電圧以上の発電電力を直接蓄電池に蓄電するように構成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
また、風力発電機の充電回路装置ではないが、太陽電池で蓄電池に充電して蓄電池から負荷に電力供給する充電回路装置において、同容量の２個の蓄電池（第１蓄電池及び第２蓄電池）を備え、（１）太陽光が十分にあり第１蓄電池が満充電になったとき、又は、負荷で消費されて放電中の第２蓄電池の蓄電量が０になったときには、充電していた第１蓄電池は放電に、放電していた第２蓄電池は充電に切り替え、（２）第２蓄電池が満充電になったとき、又は、負荷で消費されて放電中の第１蓄電池の蓄電量が０になったときには、充電していた第２蓄電池は放電に、放電していた第１蓄電池は充電に切り替えるように構成したものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９８７０９号公報
【特許文献２】特開２００１−４５６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような風力発電機の充電回路装置の構成では、キャパシタに蓄電した発電電力を昇圧して蓄電池に移し替えている際に、弱風により生じた微弱な発電電力が生じた場合にはキャパシタに蓄電されないため、この発電電力が無駄になる。
また、特許文献２のような同容量の２個の蓄電池を備えて交互に使用する構成を風力発電機の充電回路装置として使用した場合には、蓄電池に対して充電可能な電圧値を下回るような発電電力は全く利用されずに無駄に失われるとともに、同容量の２個の蓄電池を備える必要があるため製造コストが増大する。
【０００５】
そこで本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、発電電力の変動が大きい風力発電機において、キャパシタ等の電気量蓄積手段に蓄電した発電電力を昇圧して蓄電池に移し替えている際に、弱風により生じた微弱な発電電力も蓄電することができるとともに、製造コストの増大を抑制することができる風力発電機の充電回路装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る風力発電機の充電回路装置は、前記課題解決のために、風力発電機の交流発電電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力側と負荷との間に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータと並列に接続された、前記整流回路側の電気量蓄積手段及び前記電気量蓄積手段の出力側に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータ及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に前記負荷と並列に接続された蓄電池とを備え、前記電気量蓄積手段が、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第１入力端側スイッチ及び第１出力端側スイッチが設けられた主キャパシタバンク、並びに、前記主キャパシタバンクと並列に接続され、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第２入力端側スイッチ及び第２出力端側スイッチが設けられた、前記主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクにより構成され、前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値以上である場合には、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合には、前記第１入力端側スイッチをオンにし前記第１出力端側スイッチをオフにして、前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにして、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにするのと同時又は直後に、前記第２入力端側スイッチをオンにし前記第２出力端側スイッチをオフにして、前記副キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第２入力側スイッチをオフにし前記第２出力側スイッチをオンにして前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力するとともに、前記第１入力側スイッチをオンにし前記第１出力側スイッチをオフにして前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、その後、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止し、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止することを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、第１入力端側スイッチをオフにし第１出力端側スイッチをオンにするのと同時又は直後に、第２入力端側スイッチをオンにし第２出力端側スイッチをオフにするので、整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧が設定電圧値未満である場合に主キャパシタバンクに蓄電した電力を負荷側へ放電している際に、弱風により生じた微弱な発電電力（前記設定電圧値未満である前記直流発電電力）を副キャパシタバンクに蓄電することができるため、この発電電力が無駄になることがない。
その上、副キャパシタバンクの容量が主キャパシタバンクの容量よりも小さく、主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、主キャパシタバンクに蓄電された電力を放電し、副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、副キャパシタバンクに蓄電された電力を放電するので、主キャパシタバンク一杯に蓄電して副キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に主キャパシタバンクに蓄電された電力が放電され、副キャパシタバンク一杯に蓄電して主キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に副キャパシタバンクに蓄電された電力が放電される。
よって、主キャパシタバンク及び副キャパシタバンクの容量を効率的に使用して発電電力を蓄電し、この発電電力を有効活用することができる。
その上さらに、上述の主キャパシタバンク及び副キャパシタバンクを有効活用する充放電制御と相俟って、同容量の２個のキャパシタバンクを交互に使用するのではなく、主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクを補助的に用いているので、製造コストの増大を抑制することができる。
【０００８】
ここで、前記副キャパシタバンクは、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記負荷側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値まで放電が継続する時間内に、前記設定電圧値未満の前記直流発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものであると好ましい。
このような構成によれば、副キャパシタバンクの容量をより小さくすることができるので、製造コストを低減することができる。
【０００９】
また、前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合に、前記直流発電電力と前記電気量蓄積手段の充電電力とが等しくなるように、前記電気量蓄積手段の電気量による電圧値を確認しながら充電電流を調整する第３ＤＣ−ＤＣコンバータを前記電気量蓄積手段の入力側に備えてなると好ましい。
このような構成によれば、第３ＤＣ−ＤＣコンバータにより、充電が進むにつれて上昇する電気量蓄積手段の電気量による電圧値を確認しながら充電電流が調整され、直流発電電力と電気量蓄積手段の充電電力とが等しくなるように制御されるため、風力発電機の失速を防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明に係る風力発電機の充電回路装置によれば、発電電力の変動が大きい風力発電機において、主キャパシタバンクに蓄電した電力を負荷側へ放電している際に弱風により生じた微弱な発電電力が副キャパシタバンクに蓄電されるので、前記微弱な発電電力が無駄になることがなく、主キャパシタバンク一杯に蓄電して副キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に主キャパシタバンクに蓄電された電力が放電され、副キャパシタバンク一杯に蓄電して主キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に副キャパシタバンクに蓄電された電力が放電されるので、主キャパシタバンク及び副キャパシタバンクの容量を効率的に使用して発電電力を蓄電し、この発電電力を有効活用することができ、主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクを補助的に用いているので、製造コストの増大を抑制することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の使用例である夜間照明用街路灯を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の回路構成図である。
【図４】同回路構成図であり、制御回路部の構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明するが、本発明は、添付図面に示された形態に限定されず特許請求の範囲に記載の要件を満たす実施形態の全てを含むものである。
図１の斜視図に、本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の使用例として示す夜間照明用街路灯Ａは、風力エネルギにより垂直軸まわりに回転する縦型風車（羽根Ｂ）の回転力を電気エネルギに変換する風力発電機１の発電電力又はソーラーパネル（太陽電池モジュール）Ｓの発電電力を用いて照明器具Ｃを点灯させるものであり、風力発電機１により発電された電力は鉛蓄電池（シールドバッテリ）及び後述する電気量蓄積手段に蓄電される。
なお、本発明の風力発電機１の充電回路装置は、図１及び図３に示すようにソーラーパネルＳと組み合わせてもよいし、ソーラーパネルＳと組み合わせずに用いてもよい。
【００１３】
図２の概略ブロック図並びに図３及び図４の回路構成図に示すように、本発明の実施の形態に係る風力発電機１の充電回路装置は、風力発電機１の交流発電電力を整流する整流回路２、整流回路２の出力側と負荷３（例えば照明器具Ｃ）との間に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１と並列に接続された、整流回路２側の電気量蓄積手段４及び電気量蓄積手段４の出力側に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２、電気量蓄積手段４の入力側に接続された第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、並びに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側に負荷３と並列に接続された例えば鉛蓄電池である蓄電池５等を備えている。
また、電気量蓄積手段４は、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第１入力端側スイッチ９Ａ及び第１出力端側スイッチ９Ｂが設けられた主キャパシタバンクである第１キャパシタバンク６、並びに、第１キャパシタバンク６と並列に接続され、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂが設けられた副キャパシタバンクである第２キャパシタバンク７により構成される。
【００１４】
整流回路２で整流した後の直流発電電力の電圧値Ｖ０（例えば０＜Ｖ０＜２４Ｖ）が設定電圧値ＶＳ（例えば４Ｖ）以上（Ｖ０≧ＶＳ）である場合には、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１により負荷３側の電圧値ＶＬ（例えば２７Ｖ）に昇圧した電力が出力され、負荷３の駆動（例えば照明器具Ｃの点灯）若しくは蓄電池５の充電又はその両方を行う。
ここで、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧は、負荷３の定格と蓄電池５のフロート充電電圧の関係で、一定の電圧値ＶＬである。
しかし、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力される電圧は、例えば４〜２４Vの範囲であって、一定ではなく、出力側の蓄電池５は放電深度によって充電電流も変化する。
そこで、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１には、一定の電圧値ＶＬと負荷３への供給電流及び蓄電池５の充電電流の合計電流値との積が、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力される電気量（電力）を超えないよう電流を制御する機能が備わっている。
【００１５】
整流回路２で整流した後の直流発電電力の電圧値Ｖ０（例えば０＜Ｖ０＜２４Ｖ）が設定電圧値ＶＳ（例えば４Ｖ）未満（Ｖ０＜ＶＳ）である場合（この場合の発電電力を、以下において「微弱発電電力」という。）には、例えば半導体スイッチで構成されるスイッチング手段８である第１入力端側スイッチ９Ａ及び第１出力端側スイッチ９Ｂ並びに第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂを切り替えて電気量蓄積手段４に蓄電するとともに、スイッチング手段８を切り替えて放電し、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２により負荷３側の電圧値ＶＬに昇圧した電力を出力する。
なお、主キャパシタバンクである第１キャパシタバンク６は、例えば、現在有効利用できていない風力発電機１の縦型風車（羽根Ｂ）の回転速度が６０ｒｐｍ以下の領域であることから、縦型風車（羽根Ｂ）の回転速度が６０ｒｐｍで所定時間（例えば１０分）回転した際の発電電力を蓄電することができる容量のものを選定する。
また、副キャパシタバンクである第２キャパシタバンク７は、第１キャパシタバンク６よりも容量が小さいものであり、例えば、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量を負荷３側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで放電が継続する時間内に、微弱発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものとすればよく、例えば第１キャパシタバンク６の１／１０程度の容量にすることができる。
【００１６】
次に、電気量蓄積手段４である第１キャパシタバンク６及び第２キャパシタバンク７の充放電動作について説明する。
整流回路２で整流した後の直流発電電力が微弱発電電力である場合、先ず第１キャパシタバンク６に蓄電される。
すなわち、図４に示す制御回路部において、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）により検出した直流発電電力の電圧値Ｖ０（「発電電圧」）が設定電圧ＶＳ未満である場合、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）と第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１の検出手段（「バンク１電圧検出手段」）の夫々により検出された電圧から、その電位差（Ｖ1−Ｖ０）を求め、後述する「風車回転数−充電電流の最適化制御パラメータ」に基づいて、充電電流の最大効率点を求め、図３の第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子を制御し、第１入力端側スイッチ９Ａをオンにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオフにした第１キャパシタバンク６に微弱発電電力を充電する。
なお、電圧値Ｖ１が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘ（例えば１６Ｖ、図２も参照。）未満（Ｖ１＜Ｖｍａｘ）であるときには、第１入力端側スイッチ９Ａをオンに第１出力端側スイッチ９Ｂをオフにするように制御され、電圧値Ｖ１が放電開始電圧値Ｖｍａｘ以上（Ｖ１≧Ｖｍａｘ）であるときには、第１入力端側スイッチ９Ａをオフにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオンにするように制御される。
【００１７】
また、スイッチング手段８は、第２キャパシタバンク７側の第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂも連動しており、第１キャパシタバンク６の第１入力端側スイッチ９Ａがオフに第１出力端側スイッチ９Ｂがオンになると同時又は直後に、第２入力端側スイッチ１０Ａがオンに第２出力側スイッチ１０Ｂがオフに切り替わるように制御されるため、その際には、微弱発電電力は第２キャパシタバンク７に蓄電される。
さらに、Ｖ１≧Ｖｍａｘになった際には、図４の制御回路部は、上述のとおり第１入力端側スイッチ９Ａをオフにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオンにし、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側に接続された負荷３の駆動状態及び蓄電池５の充電状態を判断しながら、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に対し、昇圧制御部を経てゲート信号を制御する。
その結果、第１キャパシタバンク６に蓄電された電力は負荷３側の電圧値ＶＬ（例えば２７Ｖ）に昇圧されて第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２より出力され、この電力により負荷３の駆動若しくは蓄電池５の充電又はその両方を行う。
第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇圧放電動作が始まり、電力の移送が始まると、第１キャパシタバンク６の電圧値Ｖ１は徐々に低下し、第１キャパシタバンク６の電圧値Ｖ１が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎ（例えば４Ｖ、図２も参照。）まで低下すると、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は昇圧放電動作を停止する。
【００１８】
上述のとおり、第１キャパシタバンク６の第１入力端側スイッチ９Ａがオフに第１出力端側スイッチ９Ｂがオンになると同時又は直後に、第２入力端側スイッチ１０Ａがオンに第２出力側スイッチ１０Ｂがオフに切り替わるように制御されるため、第１キャパシタバンク６に蓄電した電力を負荷３側へ放電している際における微弱発電電力は第２キャパシタバンク６に蓄電される。
すなわち、図４の制御回路部において、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）により検出した直流発電電力の電圧値Ｖ０（「発電電圧」）が設定電圧ＶＳ未満である場合、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）と第２キャパシタバンク７の電圧値Ｖ２の検出手段（「バンク２電圧検出手段」）の夫々により検出された電圧から、その電位差（Ｖ２−Ｖ０）を求め、後述する「風車回転数−充電電流の最適化制御パラメータ」に基づいて、充電電流の最大効率点を求め、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子を制御し、第２入力端側スイッチ１０Ａをオンにし第２出力端側スイッチ１０Ｂをオフにした第２キャパシタバンク７に微弱発電電力を充電する。
【００１９】
このように第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘ（例えば１６Ｖ、図２も参照。）に到達し、且つ、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎ（例えば４Ｖ、図２も参照。）まで低下しているときには、第２入力側スイッチ１０Ａをオフにし第２出力側スイッチ１０Ｂをオンにするように制御され、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側に接続された負荷３の駆動状態及び蓄電池５の充電状態を判断しながら、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に対し、昇圧制御部を経てゲート信号を制御し、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量を第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２により負荷３側の電圧値ＶＬに昇圧した電力を出力するとともに、第１入力側スイッチ９Ａをオンにし第１出力側スイッチ９Ｂをオフにするように制御されるため、微弱発電電力は第１キャパシタバンク６に充電される。
そして、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで低下したときには、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は負荷３側への電力供給を停止する。
【００２０】
図３に示す蓄電池５の充放電電流Ａ３及び充放電電圧Ｖ３は、図４の制御回路部の「充放電電流＆電圧検出手段」により監視され、制御回路部は蓄電池５の充電状態を把握している。
蓄電池５が満充電で、且つ負荷３が駆動していないときは、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は出力動作を停止する。この間、第１キャパシタバンク６及び第２キャパシタバンク７は夫々満充電状態（Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖｍａｘ）まで蓄電し、それ以降の電力は廃棄する。
また、無風状態など、風力発電機１からの電力供給が途絶えた場合は、蓄電池５が負荷３と並列に接続されているので、蓄電池５から負荷３に電力が供給される。
【００２１】
次に、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の昇圧制御に関し、参照する「風車回転数−充電電流の最適化制御パラメータ」について説明する。
風力発電機１が発電した電力を第１キャパシタバンク６又は第２キャパシタバンク７に充電する場合、風力発電機１を失速させないようにするためには、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は風力発電機１の発電電力と第１キャパシタバンク６又は第２キャパシタバンク７への充電電力とが等しくなるように制御する必要がある。
また、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１及び第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２は、これらの蓄電量に応じて絶えず変化するため、このように変化する電圧値Ｖ１又はＶ２を確認しながら充電電流を調整する必要があり、その際には、例えば、風力発電機１の風車回転数（ｒｐｍ）による発電電力と電圧値Ｖ１又はＶ２及び充電電流を対応させたパラメータ（テーブル）を参照しながら充電電流を調整する制御を行うことができる。
【００２２】
以上のような構成の風力発電機１の充電回路装置によれば、第１キャパシタバンク６の第１入力端側スイッチ９Ａをオフにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオンにするのと同時又は直後に、第２キャパシタバンク７の第２入力端側スイッチ１０Ａをオンにし第２出力端側スイッチ１０Ｂをオフにするので、第１キャパシタバンク６に蓄電した電力を負荷３側へ放電している際に、弱風により生じた微弱発電電力を第２キャパシタバンク７に蓄電することができるため、この発電電力が無駄になることがない。
また、第２キャパシタバンク７の容量が第１キャパシタバンク６の容量よりも小さく、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘに到達し、且つ、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで低下しているときに、第１キャパシタバンク６に蓄電された電力を放電し、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘに到達し、且つ、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで低下しているときに、第２キャパシタバンク７に蓄電された電力を放電するので、第１キャパシタバンク６一杯に蓄電して第２キャパシタバンク７の蓄電量が無くなった際に第１キャパシタバンク６に蓄電された電力が放電され、第２キャパシタバンク７一杯に蓄電して第１キャパシタバンク６の蓄電量が無くなった際に第２キャパシタバンク７に蓄電された電力が放電されるため、第１キャパシタバンク６及び第２キャパシタバンク７の容量を効率的に使用して発電電力を蓄電し、この発電電力を有効活用することができる。
【００２３】
さらに、同容量の２個のキャパシタバンクを交互に使用するのではなく、主キャパシタバンクである第１キャパシタバンク６よりも容量が小さい副キャパシタバンクである第２キャパシタバンク７を補助的に用いているので、製造コストの増大を抑制することができる。
さらにまた、第２キャパシタバンク７は、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量を負荷３側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで放電が継続する時間内に、設定電圧値ＶＳ未満の直流発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものであるので、第２キャパシタバンク７の容量をより小さくすることができるので、製造コストを低減することができる。
また、整流回路２で整流した後の直流発電電力の電圧値Ｖ０が設定電圧値ＶＳ未満である場合に、前記直流発電電力と電気量蓄積手段４の充電電力（第１キャパシタバンク６又は第２キャパシタバンク７の充電電力）とが等しくなるように、電気量蓄積手段４の電気量による電圧値（Ｖ１又はＶ２）を確認しながら充電電流を調整する第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を電気量蓄積手段４の入力側に備えているので、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により、充電が進むにつれて上昇する電気量蓄積手段４の電気量による電圧値（Ｖ１又はＶ２）を確認しながら充電電流が調整され、直流発電電力と電気量蓄積手段４の充電電力とが等しくなるように制御されるため、風力発電機１の失速を防止することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１ 風力発電機
２ 整流回路
３ 負荷
４ 電気量蓄積手段
５ 蓄電池
６ 第１キャパシタバンク（主キャパシタバンク）
７ 第２キャパシタバンク（副キャパシタバンク）
８ スイッチング手段
９Ａ 第１入力端側スイッチ
９Ｂ 第１出力端側スイッチ
１０Ａ 第２入力端側スイッチ
１０Ｂ 第２出力端側スイッチ
１１ 第１ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２ 第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３ 第３ＤＣ−ＤＣコンバータ
Ａ 夜間照明用街路灯
Ｂ 羽根
Ｃ 照明器具
Ｓ ソーラーパネル
Ｖ０ 整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値
ＶＳ 設定電圧値
ＶＬ 負荷側の電圧値
Ｖ１ 主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値
Ｖ２ 副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値
Ｖｍａｘ 放電開始電圧値
Ｖｍｉｎ 放電終了電圧値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力エネルギにより回転する羽根の回転力を電気エネルギに変換する風力発電機に用いられる充電回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電機は、風力エネルギにより回転する羽根の回転力を電気エネルギに変換するものであり、風力発電機により発電された電力は、照明や電動機等の負荷に直接使用されるか、あるいは、一時的に蓄電池（二次電池）に蓄えた後に各種電力用途に使用される。
風力発電機は、利用する風力が自然現象によるものであることからその変動が大きく、発電電力もそれに応じて大きく変動するため、蓄電池に対して充電可能な電圧値を下回る発電電力は全く利用されずに無駄に失われていた。
このようなことから、変動する発電電力を効率的に充電するための充電回路装置として、（１）弱風の場合には、蓄電池充電可能電圧以下の発電電力をキャパシタに蓄電し、蓄電量が上昇したら昇圧して蓄電池に電力を移し替え、（２）風力が中程度の場合には、キャパシタ定格電圧以上で蓄電池充電電圧以下の発電電力を昇圧して蓄電池に蓄電し、（３）強風の場合には、蓄電池充電電圧以上の発電電力を直接蓄電池に蓄電するように構成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
また、風力発電機の充電回路装置ではないが、太陽電池で蓄電池に充電して蓄電池から負荷に電力供給する充電回路装置において、同容量の２個の蓄電池（第１蓄電池及び第２蓄電池）を備え、（１）太陽光が十分にあり第１蓄電池が満充電になったとき、又は、負荷で消費されて放電中の第２蓄電池の蓄電量が０になったときには、充電していた第１蓄電池は放電に、放電していた第２蓄電池は充電に切り替え、（２）第２蓄電池が満充電になったとき、又は、負荷で消費されて放電中の第１蓄電池の蓄電量が０になったときには、充電していた第２蓄電池は放電に、放電していた第１蓄電池は充電に切り替えるように構成したものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９８７０９号公報
【特許文献２】特開２００１−４５６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような風力発電機の充電回路装置の構成では、キャパシタに蓄電した発電電力を昇圧して蓄電池に移し替えている際に、弱風により生じた微弱な発電電力が生じた場合にはキャパシタに蓄電されないため、この発電電力が無駄になる。
また、特許文献２のような同容量の２個の蓄電池を備えて交互に使用する構成を風力発電機の充電回路装置として使用した場合には、蓄電池に対して充電可能な電圧値を下回るような発電電力は全く利用されずに無駄に失われるとともに、同容量の２個の蓄電池を備える必要があるため製造コストが増大する。
【０００５】
そこで本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、発電電力の変動が大きい風力発電機において、キャパシタ等の電気量蓄積手段に蓄電した発電電力を昇圧して蓄電池に移し替えている際に、弱風により生じた微弱な発電電力も蓄電することができるとともに、製造コストの増大を抑制することができる風力発電機の充電回路装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る風力発電機の充電回路装置は、前記課題解決のために、風力発電機の交流発電電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力側と負荷との間に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータと並列に接続された、前記整流回路側の電気量蓄積手段及び前記電気量蓄積手段の出力側に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータ及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に前記負荷と並列に接続された蓄電池とを備え、前記電気量蓄積手段が、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第１入力端側スイッチ及び第１出力端側スイッチが設けられた主キャパシタバンク、並びに、前記主キャパシタバンクと並列に接続され、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第２入力端側スイッチ及び第２出力端側スイッチが設けられた、前記主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクにより構成され、前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値以上である場合には、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合には、前記第１入力端側スイッチをオンにし前記第１出力端側スイッチをオフにして、前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにして、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにするのと同時又は直後に、前記第２入力端側スイッチをオンにし前記第２出力端側スイッチをオフにして、前記副キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第２入力側スイッチをオフにし前記第２出力側スイッチをオンにして前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力するとともに、前記第１入力側スイッチをオンにし前記第１出力側スイッチをオフにして前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、その後、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止し、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止することを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、第１入力端側スイッチをオフにし第１出力端側スイッチをオンにするのと同時又は直後に、第２入力端側スイッチをオンにし第２出力端側スイッチをオフにするので、整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧が設定電圧値未満である場合に主キャパシタバンクに蓄電した電力を負荷側へ放電している際に、弱風により生じた微弱な発電電力（前記設定電圧値未満である前記直流発電電力）を副キャパシタバンクに蓄電することができるため、この発電電力が無駄になることがない。
その上、副キャパシタバンクの容量が主キャパシタバンクの容量よりも小さく、主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、主キャパシタバンクに蓄電された電力を放電し、副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、副キャパシタバンクに蓄電された電力を放電するので、主キャパシタバンク一杯に蓄電して副キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に主キャパシタバンクに蓄電された電力が放電され、副キャパシタバンク一杯に蓄電して主キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に副キャパシタバンクに蓄電された電力が放電される。
よって、主キャパシタバンク及び副キャパシタバンクの容量を効率的に使用して発電電力を蓄電し、この発電電力を有効活用することができる。
その上さらに、上述の主キャパシタバンク及び副キャパシタバンクを有効活用する充放電制御と相俟って、同容量の２個のキャパシタバンクを交互に使用するのではなく、主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクを補助的に用いているので、製造コストの増大を抑制することができる。
【０００８】
ここで、前記副キャパシタバンクは、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記負荷側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値まで放電が継続する時間内に、前記設定電圧値未満の前記直流発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものであると好ましい。
このような構成によれば、副キャパシタバンクの容量をより小さくすることができるので、製造コストを低減することができる。
【０００９】
また、前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合に、前記直流発電電力と前記電気量蓄積手段の充電電力とが等しくなるように、前記電気量蓄積手段の電気量による電圧値を確認しながら充電電流を調整する第３ＤＣ−ＤＣコンバータを前記電気量蓄積手段の入力側に備えてなると好ましい。
このような構成によれば、第３ＤＣ−ＤＣコンバータにより、充電が進むにつれて上昇する電気量蓄積手段の電気量による電圧値を確認しながら充電電流が調整され、直流発電電力と電気量蓄積手段の充電電力とが等しくなるように制御されるため、風力発電機の失速を防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明に係る風力発電機の充電回路装置によれば、発電電力の変動が大きい風力発電機において、主キャパシタバンクに蓄電した電力を負荷側へ放電している際に弱風により生じた微弱な発電電力が副キャパシタバンクに蓄電されるので、前記微弱な発電電力が無駄になることがなく、主キャパシタバンク一杯に蓄電して副キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に主キャパシタバンクに蓄電された電力が放電され、副キャパシタバンク一杯に蓄電して主キャパシタバンクの蓄電量が無くなった際に副キャパシタバンクに蓄電された電力が放電されるので、主キャパシタバンク及び副キャパシタバンクの容量を効率的に使用して発電電力を蓄電し、この発電電力を有効活用することができ、主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクを補助的に用いているので、製造コストの増大を抑制することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の使用例である夜間照明用街路灯を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の回路構成図である。
【図４】同回路構成図であり、制御回路部の構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明するが、本発明は、添付図面に示された形態に限定されず特許請求の範囲に記載の要件を満たす実施形態の全てを含むものである。
図１の斜視図に、本発明の実施の形態に係る風力発電機の充電回路装置の使用例として示す夜間照明用街路灯Ａは、風力エネルギにより垂直軸まわりに回転する縦型風車（羽根Ｂ）の回転力を電気エネルギに変換する風力発電機１の発電電力又はソーラーパネル（太陽電池モジュール）Ｓの発電電力を用いて照明器具Ｃを点灯させるものであり、風力発電機１により発電された電力は鉛蓄電池（シールドバッテリ）及び後述する電気量蓄積手段に蓄電される。
なお、本発明の風力発電機１の充電回路装置は、図１及び図３に示すようにソーラーパネルＳと組み合わせてもよいし、ソーラーパネルＳと組み合わせずに用いてもよい。
【００１３】
図２の概略ブロック図並びに図３及び図４の回路構成図に示すように、本発明の実施の形態に係る風力発電機１の充電回路装置は、風力発電機１の交流発電電力を整流する整流回路２、整流回路２の出力側と負荷３（例えば照明器具Ｃ）との間に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１と並列に接続された、整流回路２側の電気量蓄積手段４及び電気量蓄積手段４の出力側に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２、電気量蓄積手段４の入力側に接続された第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、並びに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側に負荷３と並列に接続された例えば鉛蓄電池である蓄電池５等を備えている。
また、電気量蓄積手段４は、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第１入力端側スイッチ９Ａ及び第１出力端側スイッチ９Ｂが設けられた主キャパシタバンクである第１キャパシタバンク６、並びに、第１キャパシタバンク６と並列に接続され、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂが設けられた副キャパシタバンクである第２キャパシタバンク７により構成される。
【００１４】
整流回路２で整流した後の直流発電電力の電圧値Ｖ０（例えば０＜Ｖ０＜２４Ｖ）が設定電圧値ＶＳ（例えば４Ｖ）以上（Ｖ０≧ＶＳ）である場合には、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１により負荷３側の電圧値ＶＬ（例えば２７Ｖ）に昇圧した電力が出力され、負荷３の駆動（例えば照明器具Ｃの点灯）若しくは蓄電池５の充電又はその両方を行う。
ここで、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧は、負荷３の定格と蓄電池５のフロート充電電圧の関係で、一定の電圧値ＶＬである。
しかし、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力される電圧は、例えば４〜２４Vの範囲であって、一定ではなく、出力側の蓄電池５は放電深度によって充電電流も変化する。
そこで、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１には、一定の電圧値ＶＬと負荷３への供給電流及び蓄電池５の充電電流の合計電流値との積が、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力される電気量（電力）を超えないよう電流を制御する機能が備わっている。
【００１５】
整流回路２で整流した後の直流発電電力の電圧値Ｖ０（例えば０＜Ｖ０＜２４Ｖ）が設定電圧値ＶＳ（例えば４Ｖ）未満（Ｖ０＜ＶＳ）である場合（この場合の発電電力を、以下において「微弱発電電力」という。）には、例えば半導体スイッチで構成されるスイッチング手段８である第１入力端側スイッチ９Ａ及び第１出力端側スイッチ９Ｂ並びに第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂを切り替えて電気量蓄積手段４に蓄電するとともに、スイッチング手段８を切り替えて放電し、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２により負荷３側の電圧値ＶＬに昇圧した電力を出力する。
なお、主キャパシタバンクである第１キャパシタバンク６は、例えば、現在有効利用できていない風力発電機１の縦型風車（羽根Ｂ）の回転速度が６０ｒｐｍ以下の領域であることから、縦型風車（羽根Ｂ）の回転速度が６０ｒｐｍで所定時間（例えば１０分）回転した際の発電電力を蓄電することができる容量のものを選定する。
また、副キャパシタバンクである第２キャパシタバンク７は、第１キャパシタバンク６よりも容量が小さいものであり、例えば、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量を負荷３側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで放電が継続する時間内に、微弱発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものとすればよく、例えば第１キャパシタバンク６の１／１０程度の容量にすることができる。
【００１６】
次に、電気量蓄積手段４である第１キャパシタバンク６及び第２キャパシタバンク７の充放電動作について説明する。
整流回路２で整流した後の直流発電電力が微弱発電電力である場合、先ず第１キャパシタバンク６に蓄電される。
すなわち、図４に示す制御回路部において、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）により検出した直流発電電力の電圧値Ｖ０（「発電電圧」）が設定電圧ＶＳ未満である場合、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）と第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１の検出手段（「バンク１電圧検出手段」）の夫々により検出された電圧から、その電位差（Ｖ1−Ｖ０）を求め、後述する「風車回転数−充電電流の最適化制御パラメータ」に基づいて、充電電流の最大効率点を求め、図３の第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子を制御し、第１入力端側スイッチ９Ａをオンにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオフにした第１キャパシタバンク６に微弱発電電力を充電する。
なお、電圧値Ｖ１が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘ（例えば１６Ｖ、図２も参照。）未満（Ｖ１＜Ｖｍａｘ）であるときには、第１入力端側スイッチ９Ａをオンに第１出力端側スイッチ９Ｂをオフにするように制御され、電圧値Ｖ１が放電開始電圧値Ｖｍａｘ以上（Ｖ１≧Ｖｍａｘ）であるときには、第１入力端側スイッチ９Ａをオフにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオンにするように制御される。
【００１７】
また、スイッチング手段８は、第２キャパシタバンク７側の第２入力端側スイッチ１０Ａ及び第２出力端側スイッチ１０Ｂも連動しており、第１キャパシタバンク６の第１入力端側スイッチ９Ａがオフに第１出力端側スイッチ９Ｂがオンになると同時又は直後に、第２入力端側スイッチ１０Ａがオンに第２出力側スイッチ１０Ｂがオフに切り替わるように制御されるため、その際には、微弱発電電力は第２キャパシタバンク７に蓄電される。
さらに、Ｖ１≧Ｖｍａｘになった際には、図４の制御回路部は、上述のとおり第１入力端側スイッチ９Ａをオフにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオンにし、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側に接続された負荷３の駆動状態及び蓄電池５の充電状態を判断しながら、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に対し、昇圧制御部を経てゲート信号を制御する。
その結果、第１キャパシタバンク６に蓄電された電力は負荷３側の電圧値ＶＬ（例えば２７Ｖ）に昇圧されて第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２より出力され、この電力により負荷３の駆動若しくは蓄電池５の充電又はその両方を行う。
第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の昇圧放電動作が始まり、電力の移送が始まると、第１キャパシタバンク６の電圧値Ｖ１は徐々に低下し、第１キャパシタバンク６の電圧値Ｖ１が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎ（例えば４Ｖ、図２も参照。）まで低下すると、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は昇圧放電動作を停止する。
【００１８】
上述のとおり、第１キャパシタバンク６の第１入力端側スイッチ９Ａがオフに第１出力端側スイッチ９Ｂがオンになると同時又は直後に、第２入力端側スイッチ１０Ａがオンに第２出力側スイッチ１０Ｂがオフに切り替わるように制御されるため、第１キャパシタバンク６に蓄電した電力を負荷３側へ放電している際における微弱発電電力は第２キャパシタバンク６に蓄電される。
すなわち、図４の制御回路部において、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）により検出した直流発電電力の電圧値Ｖ０（「発電電圧」）が設定電圧ＶＳ未満である場合、直流発電電力の電圧値Ｖ０の検出手段（「発電電圧検出手段」）と第２キャパシタバンク７の電圧値Ｖ２の検出手段（「バンク２電圧検出手段」）の夫々により検出された電圧から、その電位差（Ｖ２−Ｖ０）を求め、後述する「風車回転数−充電電流の最適化制御パラメータ」に基づいて、充電電流の最大効率点を求め、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子を制御し、第２入力端側スイッチ１０Ａをオンにし第２出力端側スイッチ１０Ｂをオフにした第２キャパシタバンク７に微弱発電電力を充電する。
【００１９】
このように第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘ（例えば１６Ｖ、図２も参照。）に到達し、且つ、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎ（例えば４Ｖ、図２も参照。）まで低下しているときには、第２入力側スイッチ１０Ａをオフにし第２出力側スイッチ１０Ｂをオンにするように制御され、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側に接続された負荷３の駆動状態及び蓄電池５の充電状態を判断しながら、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に対し、昇圧制御部を経てゲート信号を制御し、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量を第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２により負荷３側の電圧値ＶＬに昇圧した電力を出力するとともに、第１入力側スイッチ９Ａをオンにし第１出力側スイッチ９Ｂをオフにするように制御されるため、微弱発電電力は第１キャパシタバンク６に充電される。
そして、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで低下したときには、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は負荷３側への電力供給を停止する。
【００２０】
図３に示す蓄電池５の充放電電流Ａ３及び充放電電圧Ｖ３は、図４の制御回路部の「充放電電流＆電圧検出手段」により監視され、制御回路部は蓄電池５の充電状態を把握している。
蓄電池５が満充電で、且つ負荷３が駆動していないときは、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１１及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は出力動作を停止する。この間、第１キャパシタバンク６及び第２キャパシタバンク７は夫々満充電状態（Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖｍａｘ）まで蓄電し、それ以降の電力は廃棄する。
また、無風状態など、風力発電機１からの電力供給が途絶えた場合は、蓄電池５が負荷３と並列に接続されているので、蓄電池５から負荷３に電力が供給される。
【００２１】
次に、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の昇圧制御に関し、参照する「風車回転数−充電電流の最適化制御パラメータ」について説明する。
風力発電機１が発電した電力を第１キャパシタバンク６又は第２キャパシタバンク７に充電する場合、風力発電機１を失速させないようにするためには、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は風力発電機１の発電電力と第１キャパシタバンク６又は第２キャパシタバンク７への充電電力とが等しくなるように制御する必要がある。
また、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１及び第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２は、これらの蓄電量に応じて絶えず変化するため、このように変化する電圧値Ｖ１又はＶ２を確認しながら充電電流を調整する必要があり、その際には、例えば、風力発電機１の風車回転数（ｒｐｍ）による発電電力と電圧値Ｖ１又はＶ２及び充電電流を対応させたパラメータ（テーブル）を参照しながら充電電流を調整する制御を行うことができる。
【００２２】
以上のような構成の風力発電機１の充電回路装置によれば、第１キャパシタバンク６の第１入力端側スイッチ９Ａをオフにし第１出力端側スイッチ９Ｂをオンにするのと同時又は直後に、第２キャパシタバンク７の第２入力端側スイッチ１０Ａをオンにし第２出力端側スイッチ１０Ｂをオフにするので、第１キャパシタバンク６に蓄電した電力を負荷３側へ放電している際に、弱風により生じた微弱発電電力を第２キャパシタバンク７に蓄電することができるため、この発電電力が無駄になることがない。
また、第２キャパシタバンク７の容量が第１キャパシタバンク６の容量よりも小さく、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘに到達し、且つ、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで低下しているときに、第１キャパシタバンク６に蓄電された電力を放電し、第２キャパシタバンク７に蓄積された電気量による電圧値Ｖ２が所定の放電開始電圧値Ｖｍａｘに到達し、且つ、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量による電圧値Ｖ１が所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで低下しているときに、第２キャパシタバンク７に蓄電された電力を放電するので、第１キャパシタバンク６一杯に蓄電して第２キャパシタバンク７の蓄電量が無くなった際に第１キャパシタバンク６に蓄電された電力が放電され、第２キャパシタバンク７一杯に蓄電して第１キャパシタバンク６の蓄電量が無くなった際に第２キャパシタバンク７に蓄電された電力が放電されるため、第１キャパシタバンク６及び第２キャパシタバンク７の容量を効率的に使用して発電電力を蓄電し、この発電電力を有効活用することができる。
【００２３】
さらに、同容量の２個のキャパシタバンクを交互に使用するのではなく、主キャパシタバンクである第１キャパシタバンク６よりも容量が小さい副キャパシタバンクである第２キャパシタバンク７を補助的に用いているので、製造コストの増大を抑制することができる。
さらにまた、第２キャパシタバンク７は、第１キャパシタバンク６に蓄積された電気量を負荷３側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値Ｖｍｉｎまで放電が継続する時間内に、設定電圧値ＶＳ未満の直流発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものであるので、第２キャパシタバンク７の容量をより小さくすることができるので、製造コストを低減することができる。
また、整流回路２で整流した後の直流発電電力の電圧値Ｖ０が設定電圧値ＶＳ未満である場合に、前記直流発電電力と電気量蓄積手段４の充電電力（第１キャパシタバンク６又は第２キャパシタバンク７の充電電力）とが等しくなるように、電気量蓄積手段４の電気量による電圧値（Ｖ１又はＶ２）を確認しながら充電電流を調整する第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を電気量蓄積手段４の入力側に備えているので、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により、充電が進むにつれて上昇する電気量蓄積手段４の電気量による電圧値（Ｖ１又はＶ２）を確認しながら充電電流が調整され、直流発電電力と電気量蓄積手段４の充電電力とが等しくなるように制御されるため、風力発電機１の失速を防止することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１ 風力発電機
２ 整流回路
３ 負荷
４ 電気量蓄積手段
５ 蓄電池
６ 第１キャパシタバンク（主キャパシタバンク）
７ 第２キャパシタバンク（副キャパシタバンク）
８ スイッチング手段
９Ａ 第１入力端側スイッチ
９Ｂ 第１出力端側スイッチ
１０Ａ 第２入力端側スイッチ
１０Ｂ 第２出力端側スイッチ
１１ 第１ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２ 第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３ 第３ＤＣ−ＤＣコンバータ
Ａ 夜間照明用街路灯
Ｂ 羽根
Ｃ 照明器具
Ｓ ソーラーパネル
Ｖ０ 整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値
ＶＳ 設定電圧値
ＶＬ 負荷側の電圧値
Ｖ１ 主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値
Ｖ２ 副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値
Ｖｍａｘ 放電開始電圧値
Ｖｍｉｎ 放電終了電圧値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機の交流発電電力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力側と負荷との間に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータと並列に接続された、前記整流回路側の電気量蓄積手段及び前記電気量蓄積手段の出力側に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータ及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に前記負荷と並列に接続された蓄電池とを備え、
前記電気量蓄積手段が、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第１入力端側スイッチ及び第１出力端側スイッチが設けられた主キャパシタバンク、並びに、前記主キャパシタバンクと並列に接続され、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第２入力端側スイッチ及び第２出力端側スイッチが設けられた、前記主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクにより構成され、
前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値以上である場合には、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、
前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合には、前記第１入力端側スイッチをオンにし前記第１出力端側スイッチをオフにして、前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにして、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにするのと同時又は直後に、前記第２入力端側スイッチをオンにし前記第２出力端側スイッチをオフにして、前記副キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第２入力側スイッチをオフにし前記第２出力側スイッチをオンにして前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力するとともに、前記第１入力側スイッチをオンにし前記第１出力側スイッチをオフにして前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、その後、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止し、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止することを特徴とする風力発電機の充電回路装置。
【請求項２】
前記副キャパシタバンクは、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記負荷側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値まで放電が継続する時間内に、前記設定電圧値未満の前記直流発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものである請求項１記載の風力発電機の充電回路装置。
【請求項３】
前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合に、前記直流発電電力と前記電気量蓄積手段の充電電力とが等しくなるように、前記電気量蓄積手段の電気量による電圧値を確認しながら充電電流を調整する第３ＤＣ−ＤＣコンバータを前記電気量蓄積手段の入力側に備えてなる請求項１又は２記載の風力発電機の充電回路装置。
【請求項１】
風力発電機の交流発電電力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力側と負荷との間に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータと並列に接続された、前記整流回路側の電気量蓄積手段及び前記電気量蓄積手段の出力側に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータ及び第２ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に前記負荷と並列に接続された蓄電池とを備え、
前記電気量蓄積手段が、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第１入力端側スイッチ及び第１出力端側スイッチが設けられた主キャパシタバンク、並びに、前記主キャパシタバンクと並列に接続され、電気二重層キャパシタ又はコンデンサの複数を繋いでなる、その入力端側及び出力端側に第２入力端側スイッチ及び第２出力端側スイッチが設けられた、前記主キャパシタバンクよりも容量が小さい副キャパシタバンクにより構成され、
前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値以上である場合には、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、
前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合には、前記第１入力端側スイッチをオンにし前記第１出力端側スイッチをオフにして、前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにして、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力し、前記第１入力端側スイッチをオフにし前記第１出力端側スイッチをオンにするのと同時又は直後に、前記第２入力端側スイッチをオンにし前記第２出力端側スイッチをオフにして、前記副キャパシタバンクに電気量を蓄積し、このように前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電開始電圧値に到達し、且つ、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下しているときに、前記第２入力側スイッチをオフにし前記第２出力側スイッチをオンにして前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧した電力を出力するとともに、前記第１入力側スイッチをオンにし前記第１出力側スイッチをオフにして前記主キャパシタバンクに電気量を蓄積し、その後、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止し、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記負荷側の電圧値に昇圧して出力していき、前記副キャパシタバンクに蓄積された電気量による電圧値が所定の放電終了電圧値まで低下したときには、前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは前記負荷側への電力供給を停止することを特徴とする風力発電機の充電回路装置。
【請求項２】
前記副キャパシタバンクは、前記主キャパシタバンクに蓄積された電気量を前記負荷側へ供給し始めてから所定の放電終了電圧値まで放電が継続する時間内に、前記設定電圧値未満の前記直流発電電力の電気量を蓄積する分の容量を備えた小容量のものである請求項１記載の風力発電機の充電回路装置。
【請求項３】
前記整流回路で整流した後の直流発電電力の電圧値が設定電圧値未満である場合に、前記直流発電電力と前記電気量蓄積手段の充電電力とが等しくなるように、前記電気量蓄積手段の電気量による電圧値を確認しながら充電電流を調整する第３ＤＣ−ＤＣコンバータを前記電気量蓄積手段の入力側に備えてなる請求項１又は２記載の風力発電機の充電回路装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−５５８６７（Ｐ２０１３−５５８６７Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４１７０（Ｐ２０１１−１９４１７０）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００２１１６９５）中西金属工業株式会社 (222)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００２１１６９５）中西金属工業株式会社 (222)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]