JP2001186740A

JP2001186740A - 発電システム

Info

Publication number: JP2001186740A
Application number: JP37106799A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Kobayashi; 敏樹小林; Kunihide Tanaka; 邦英田中
Original assignee: G & M Kk
Current assignee: G & M Kk
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】カットイン流速を小さくするとともにカット
アウト流速を大きくでき、広い流速範囲で発電できる発
電システムを提供する。【解決手段】発電システムは、複数の発電機１０５，
１０６，１０７を含む。複数の発電機のそれぞれの間に
は、発電機の回転軸を直列に連結したり切り離したりす
るためのクラッチ１０８，１０９が配置される。クラッ
チは、一段目の発電機１０５にかかる負荷が小さいとき
は一段目の発電機１０５と二段目の発電機１０６とを切
り離し、一段目の発電機１０５にかかる負荷が大きいと
きは一段目の発電機１０５の回転軸と二段目以降の発電
機１０６，１０７の回転軸とを連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は発電システムに関
し、特にたとえば、風力などの自然エネルギを電気エネ
ルギに変換する発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は本願発明の背景となる従来の発電
システムを示す図解図である。この発電システムは風力
発電装置である。風力発電装置１は、タワー２を含む。
タワー２の上にはヨー制御装置３を介してナセル４が設
けられ、ナセル４内に発電機５が収納される。発電機５
の回転軸は、風力を回転力に変換するブレード６によっ
て回転される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示す従来の風力発電装置１では、ナセル４内の一つの発
電機５で発電していたので、カットイン流速とカットア
ウト流速との間の範囲が狭かった。そのためたとえば風
力を有効に利用しきれなかった。

【０００４】それゆえに、本願発明の主たる目的は、カ
ットイン流速を小さくするとともにカットアウト流速を
大きくでき、広い流速範囲で発電できる発電システムを
提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願発明にかかる発電シ
ステムは、複数の発電機と、複数の発電機のそれぞれの
間に配置され、風などの流体を駆動源として回転される
一段目の発電機にかかる負荷が小さいときは一段目の発
電機と二段目の発電機とを切り離し、一段目の発電機に
かかる負荷が大きいときは一段目の発電機の回転軸と二
段目以降の発電機の回転軸とを直列に連結するための連
軸手段とを含む、発電システムである。この発電システ
ムでは、負荷の小さいときには一段目の発電機のみが発
電し、二段目以降は切り離される。したがって、カット
イン流速を小さくでき、流体の流速が小さい場合にも発
電し続けることができる。一方、一段目の発電機にかか
る負荷が高まったときには、一段目の発電機の回転軸と
二段目以降の発電機の回転軸とが連軸手段で連結され
る。こうして複数の発電機が連結されるとより大きな負
荷に耐えられるようになる。そのため、一段目の発電機
が過負荷から保護され、カットアウト流速を大きくでき
る。

【０００６】また、本願発明にかかる発電システムにお
いて、連軸手段は、一段目の発電機の回転速度に応じて
複数の発電機の連結または切り離しを行うようにしても
よい。さらに、連軸手段は、一段目の発電機の回転軸の
トルクに応じて複数の発電機の連結または切り離しを行
うようにしてもよい。さらに、連軸手段は、一段目の発
電機を回転させる風などの流体の流速を測定する流速計
を含み、該流速に応じて複数の発電機の連結または切り
離しを行うようにしてもよい。

【０００７】本願発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【０００８】

【発明の実施の形態】

【実施例】図１は、本願発明にかかる発電システムの一
例を示す図解図である。図１に示す発電システムは風力
発電装置１０１である。この風力発電装置１０１は、タ
ワー１０２を含む。タワー１０２は、軸受部材１０３を
介して地上に載置される。軸受部材１０３は、風力原動
機１０４を水平方向に３６０°回転自在に支持するため
のものである。タワー１０２の上には風力原動機１０４
が載置される。風力原動機１０４は、風力を回転力に変
換するブレード１１１を含む。ブレード１１１の枚数は
特に限定するものでないがたとえば２枚設けられる。ブ
レード１１１は風力を受けて風向と略直交する方向へ倒
れ、回転軸１１２を回転させる。すなわち、この風力原
動機１０４の回転軸１１２は風向と平行に延びる。シャ
フト１１２は、ギアボックス１１３を介して後述する発
電機１０５の一方の回転軸１０５ａに接続される。な
お、ギアボックス１１３を設けずに、後述する発電機１
０５の回転軸１０５ａに直接ブレードを固定して、回転
軸１０５ａを直接回転させてもよい。

【０００９】タワー１０２内には、たとえば３つの発電
機１０５，１０６，１０７が収納される。それぞれの発
電機１０５，１０６，１０７の回転軸は、連軸手段とし
てのクラッチ１０８，１０９を介して直列に接続された
り切り離されたりする。クラッチ１０８，１０９は、い
わゆる遠心クラッチが用いられる。クラッチ１０８，１
０９はそれぞれクラッチ板１１４を含む。ここで図２を
参照しながらクラッチ１０９について説明する。クラッ
チ１０８も同様の構造である。図２に示すように、クラ
ッチ板１１４は回転軸１０６ｂ（１０５ｂ）の外周部に
スプリング１１５を介して取り付けられる。クラッチ板
１１４の回転軸１０７ａ（１０６ａ）に対向する面には
摩擦力を高めるための表張りが取り付けられている。ク
ラッチ板１１４は遠心力によって回転軸１０７ａ（１０
６ａ）の内周面に当接して摩擦力により回転軸１０６ｂ
（１０５ｂ）と回転軸１０７ａ（１０６ａ）とを連結す
る。回転軸の回転速度が減少して遠心力が弱まるとスプ
リング１１５によってクラッチ板１１４が引き戻されて
回転軸１０６ｂ（１０５ｂ）と回転軸１０７ａ（１０６
ａ）とが切り離される。スプリング１１５の弾性力は発
電機の許容回転速度に応じて調整される。

【００１０】図２は、図１に示す発電システムに用いら
れる発電機の一例を示す縦断面図である。図３ないし図
５は、図２に示す発電機の横断面図である。ここで図２
および図３ないし図５を参照しながら発電機１０６につ
いて説明する。なお、この実施例の発電機１０５は、発
電機１０６と同様の構造である。また、発電機１０７も
発電機１０６と同様の構造であるが回転軸が一方のみに
しか設けられない点で相違する。

【００１１】発電機１０６は、風力で界磁を回転させる
回転界磁形の３相発電機である。この発電機１０６は、
中心に固定軸１２を含む。固定軸１２には略Ｔ字形状の
鉄心１４が固定される。鉄心１４は、たとえば、けい素
鋼板を積層して形成される。鉄心１４は、固定軸１２の
軸方向へたとえば３つ、周方向へたとえば４つ、合計１
２本形成される。鉄心１４には、それぞれ電機子巻線１
６が巻着される。電機子巻線１６は、Ｙ字結線される。
鉄心１２と電機子巻線１６とでこの実施例の電機子１８
が構成される。

【００１２】この発電機１０６は、回転子として筒状体
２０を含む。筒状体２０は、固定軸１２を中心とする電
機子１８の周囲の円周上を周面が回動するよう設けられ
る。筒状体２０は、たとえば円板状の支持部材２２およ
び円環状の軸受部材２４を介して固定軸１２に回動自在
に支持される。この実施例の支持部材２２は固定軸１２
に固定される。そして、発電機１０６の回転軸１０６
ａ，１０６ｂは、筒状体２０の両端部から発電機１０６
の両外側へ突き出し設けられる。この実施例の回転軸１
０６ａ，１０６ｂは筒状体２０と同径の筒状軸である。
支持部材２２は支柱２３によって隣接する発電機の支持
部材２２または軸受部材１０３の一方面に固定される。

【００１３】回転子としての筒状体２０の内周面には界
磁を構成する永久磁石２６が固定される。永久磁石２６
は、図３に示すように内周方向に９０°離れて４個ず
つ、軸方向に電機子１８に対応して３組、合計１２個固
定される。永久磁石の位置関係を説明するため内周方向
の永久磁石をそれぞれ２６Ｎ１，２６Ｎ２，２６Ｓ１，
２６Ｓ２とすると、軸方向に隣接する永久磁石は、それ
ぞれ図３、図４、図５に示すように取り付け位置を１２
０°ずらされながら取り付けられる。永久磁石２６とし
ては、たとえばバリウムフェライト、サマリウムコバル
トなどが選択できるがこれに限るものではなく、本願発
明の目的を達成できる範囲で適宜選択できる。

【００１４】この発電機１０６では、永久磁石２６の固
着された筒状体２０が界磁として作用する。回転子とし
ての筒状体２０は電機子１８の周囲を回動するので、中
心部に設けられた回転子を回転させる発電機に比べて、
同一外径・同一回転速度で比較して電機子１８が界磁の
磁束を切る周速度が速い。そのため、従来の発電機に比
べて発電効率を向上させやすく、小径化を図り易い。

【００１５】発電機１０５の一方の回転軸１０５ａは、
風力原動機１０４に接続され、風力によって回転され
る。発電機１０５の他方の回転軸１０５ｂは、クラッチ
１０８の一方に接続される。クラッチ１０８の他方は、
発電機１０６の一方の回転軸１０６ａに接続される。発
電機１０６の他方の回転軸１０６ｂは、クラッチ１０９
の一方に接続され、クラッチ１０９の他方は発電機１０
７の回転軸１０７ａに接続される。クラッチ１０８，１
０９は、回転軸の回転速度によって回転軸を接続したり
切り離したりするためのものである。すなわち、回転軸
の回転速度が増すとクラッチ板１１４に遠心力が働いて
回転軸１０５ｂ（１０６ｂ）と回転軸１０６ａ（１０７
ａ）とが接続される。一方、回転軸の回転速度が減ずる
とクラッチ板１１４がスプリング１１５によって引き戻
されて回転軸１０５ｂ（１０６ｂ）と回転軸１０６ａ
（１０７ａ）とが切り離される。

【００１６】回転軸１０５ａの回転速度が発電機１０５
の許容回転速度未満においては回転軸１０５ｂと回転軸
１０６ａとは切り離される。このときは発電機１０５の
みで発電される。風力が強まり、回転軸１０５ａの回転
速度が発電機１０５の許容回転速度を越えそうになった
場合には、回転軸１０５ｂと回転軸１０６ａが接続さ
れ、発電機１０５と発電機１０６とが直列に接続され、
２つの発電機で同時に発電される。さらに風力が強ま
り、２つの発電機１０５，１０６の許容回転速度を越え
そうになった場合には、回転軸１０６ｂと回転軸１０７
ａとが接続され、３つの発電機１０５，１０６，１０７
が直列に接続されて、３つの発電機で同時に発電するこ
とになる。２つまたは３つの発電機が直列に接続される
ことによりトルクが高まり、回転軸１０５ａの回転速度
が減速されるので、第１の発電機１０５が過負荷から保
護される。また、許容回転速度の最大値が高まるのでよ
り大きな風力を利用して発電することができる。

【００１７】また、この風力発電装置１０に用いられる
発電機１０５，１０６、１０７は、電機子１８を固定軸
１２の軸方向に複数配列し、永久磁石２６は電機子１８
に対応して複数設けられるので、電機子１８と界磁の対
を複数設けることができ、小径であるにもかかわらず大
きな起電力を得やすくなる。

【００１８】さらに、発電機１０５，１０６、１０７で
は、固定軸１２の軸方向に隣接する位置に配置される永
久磁石２６が、固定軸１２を中心とする電機子１８の周
囲の円周上に１２０°ずつずらされて固定されるので、
固定軸１２の軸方向に隣接する電機子１８からそれぞれ
別の相を交流を得ることができ、３相用の電機子巻線１
６をそれぞれ同一円周上に配置する必要が無い。また、
筒状体２０の長さを長くすれば電機子１８の数すなわち
極数を増やすことができ、この理由からも回転子として
の筒状体２０の直径を大きくする必要はない。この発電
機１０５の構造によればそれぞれの相の電機子巻線１６
の線の太さを比較的太くでき、鉄心１４の大きさを十分
に確保でき、胴損および鉄損を減少させることができ
る。発電機の小径化を図ることができるのでタワー１０
２内に収納が容易である。

【００１９】この実施例の風力発電装置１０では、負荷
の小さいときには一段目の発電機１０５のみが発電し、
二段目以降は切り離される。したがって、カットイン風
速を小さくでき、風速が小さい場合にも発電し続けるこ
とができる。一方、一段目の発電機１０５にかかる負荷
が高まったときには、複数の発電機が連結され、より大
きな負荷に耐えられるようになる。そのため、一段目の
発電機１０５が過負荷から保護され、カットアウト流速
を大きくできる。このように、この実施例の風力発電装
置１０では、カットイン流速とカットアウト流速との間
の範囲が拡がるため、弱い風から強い風にわたって風力
を有効に利用して発電することができる。なお、発電機
１０５，１０６，１０７の出力は直列にして利用しても
よく、別々に利用してもよい。

【００２０】また、クラッチ１０８，１０９として遠心
クラッチの代わりに電気的制御により接続・切り離しを
行うクラッチを用いてもよい。この場合、クラッチは制
御装置によって電気的に制御される。この制御装置は、
一段目の回転軸１０５ａの回転速度を測定する速度計を
含み、該速度に応じてクラッチの接続・切り離しを制御
する。また、この場合において速度計の代わりにトルク
計または風速計を用いてもよい。また、上述の実施例で
は発電機を３つ直列に設けたが、これに限るものではな
く、発電機の数は適宜増減してもよい。さらに、複数の
発電機は、すべて同じ定格出力のものを用いてもよく、
異なる定格出力のものを用いてもよい。その場合には、
たとえば一段目の発電機１０５として一番大きな定格出
力の発電機を用い、二段目の発電機１０６として中くら
いの定格出力の発電機を用い、三段目の発電機１０７と
して小さな定格出力の発電機を用いることができる。ま
た、クラッチ１０８，１０９としては遠心クラッチ、電
磁クラッチの他、流体クラッチなど公知のクラッチを用
いてもよい。

【００２１】また、上述の実施例では、風力発電装置に
ついて説明したが、これに限るものでなく、本願発明を
水力その他の公知の発電システムに適用してもよい。ま
た、上述の実施例では、風力原動機１０４の回転軸１１
２を発電機１０５の回転軸１０５ａと略直交する向きで
設けたが、これに限らず、風力原動機１０４の回転軸を
発電機１０５の回転軸１０５ａと平行に設けてよい。そ
の場合には、たとえば風圧を正面側から受けて背面側へ
倒れる多翼前向き羽根を回転軸１０５ａに直接固定して
用いてもよい。

【００２２】

【発明の効果】本願発明によれば、発電システムによれ
ば、カットイン流速を小さくすることができ、流速の小
さなときでも発電することができる。また、カットアウ
ト流速を大きくでき、広い流速範囲で発電することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明にかかる発電システムの一例を示す斜
視図である。

【図２】図１に示す発電システムに用いられる発電機の
一例を示す縦断面図である。

【図３】図２に示す線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける横断面図
である。

【図４】図２に示す線ＩＶ−ＩＶにおける横断面図であ
る。

【図５】図２に示す線Ｖ−Ｖにおける横断面図である。

【図６】本願発明の背景となる従来の発電システムの一
例を示す図解図である。

【符号の説明】

１０１風力発電装置１０２タワー１０３軸受装置１０４風力原動機１０５，１０６、１０７発電機１０５ａ，１０５ｂ，１０６ａ，１０６ｂ，１０７ａ
回転軸１０８，１０９クラッチ１１０制御装置１１１ブレード１１２回転軸１１３ギアボックス１１４クラッチ板１１５スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H078 AA02 AA26 BB04 BB11 CC02 CC12 CC16 CC22 CC54 CC57 CC73 5H590 AA30 CA14 CB03 CB10 CC02 CC24 5H621 BB10 GA01 GA04 HH01 JK15 JK19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の発電機、および前記複数の発電機
のそれぞれの間に配置され、風などの流体を駆動源とし
て回転される一段目の発電機にかかる負荷が小さいとき
は前記一段目の発電機と二段目の発電機とを切り離し、
前記一段目の発電機にかかる負荷が大きいときは前記一
段目の発電機の回転軸と前記二段目以降の発電機の回転
軸とを直列に連結するための連軸手段を含む、発電シス
テム。
【請求項２】前記連軸手段は、前記一段目の発電機の
回転速度に応じて前記複数の発電機の連結または切り離
しを行う、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】前記連軸手段は、前記一段目の発電機の
回転軸のトルクに応じて前記複数の発電機の連結または
切り離しを行う、請求項１に記載の発電システム。
【請求項４】前記連軸手段は、前記一段目の発電機を
回転させる風などの流体の流速を測定する流速計を含
み、該流速に応じて前記複数の発電機の連結または切り
離しを行う、請求項１に記載の発電システム。