JP2003056451A

JP2003056451A - 風車発電装置

Info

Publication number: JP2003056451A
Application number: JP2001249510A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Takahashi; 秀行高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】低風速領域においても発電を可能にした風車
発電装置を提供する。【解決手段】風車１０の回転軸側に第１のクラッチ１
６を介して連結され、風車の回転エネルギーを蓄積する
ゼンマイ装置１２と、ゼンマイ装置１２と第２のクラッ
チ１８を介して連結され、ゼンマイ装置１２により駆動
される発電機１４とを備える。第１のクラッチ１６が連
結され、第２のクラッチ１８が遮断された状態では、ゼ
ンマイ装置１２は第１のクラッチ１６を介して風車１０
の回転軸側と連結されて風車１０の回転エネルギーを蓄
積する。そして、第１のクラッチ１６が遮断され、第２
のクラッチ１８が連結されると、ゼンマイ装置１２は第
２のクラッチ１８を介して発電機１４と連結され、蓄積
されたエネルギーにより発電機１４を駆動して発電させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は風車発電装置に関
し、特に低風速領域における運転に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、風車発電装置はその発電に際して
大気を汚染しないので、クリーンエネルギー源（例えば
ＣＯ₂の低減）として注目を浴びており、各地で大型の
風車発電装置が建設されている。この風車発電装置は、
風車に発電機を連結して（増速機又は減速機を介する場
合もある）、風車を風力により回転させて、その風車の
回転力により発電機を駆動して発電させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の風
車発電装置は、発電機の回転速度−出力特性により、一
定風速以下での発電ができないという問題点があった。
例えば図１５に示されるように、低風速の領域Ｌにおい
ては発電ができなかった。

【０００４】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、低風速領域においても発電を
可能にした風車発電装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１）本発明の一つの態
様に係る風車発電装置は、風車の回転エネルギーを蓄積
するエネルギー蓄積手段と、エネルギー蓄積手段により
駆動されて発電する発電機とを備えたものである。本発
明においては、風車により発電機を直接駆動せずに、エ
ネルギー蓄積手段を介して発電機を駆動して発電させ
る。このため、エネルギー蓄積手段がバッファの役割を
果たし、低風速領域において、或いは風が一時的に無い
ときでも発電機を駆動して発電させることができる。

【０００６】（２）本発明の他の態様に係る風車発電装
置において、エネルギー蓄積手段は、風車の回転エネル
ギーが所定量蓄積された段階で発電機を駆動する。本発
明においては、風車の回転エネルギーを蓄積してそれが
所定量の以上になったところで発電機を駆動するように
したので、低風速領域のエネルギーを有効に利用するこ
とができる。

【０００７】（３）本発明の他の態様に係る風車発電装
置において、エネルギー蓄積手段は、風車の回転エネル
ギーを蓄積しつつ発電機を駆動する。本発明において
は、風車の回転のエネルギーを蓄積しつつ発電機を駆動
するので、発電機からは連続した安定な電力が得られ
る。

【０００８】（４）本発明の他の態様に係る風車発電装
置において、エネルギー蓄積手段はスプリング部材であ
る。本発明においては、エネルギー蓄積手段としてスプ
リング部材を含んでおり、風車の回転エネルギーをスプ
リング部材に蓄積してからそのエネルギーを発電機の駆
動エネルギーとして利用する。

【０００９】（５）本発明の他の態様に係る風車発電装
置において、エネルギー蓄積手段はゼンマイ装置であ
る。本発明においては、エネルギー蓄積手段としてゼン
マイ装置を用いており、ゼンマイ装置を巻き上げること
により風車の回転エネルギーを蓄積する。

【００１０】（６）本発明の他の態様に係る風車発電装
置において、エネルギー蓄積手段は、風車の回転軸に
よって駆動されるコンプレッサと、コンプレッサによっ
て圧縮空気が蓄積されるボンベとを備えたものである。
本発明においては、コンプレッサが風車の回転軸によっ
て駆動されボンベに圧縮空気が蓄積される。このボンベ
の圧縮空気を発電機の駆動エネルギーとして利用する。

【００１１】（７）本発明の他の態様に係る風車発電装
置において、上記のエネルギー蓄積手段はコンプレッサ
の圧縮空気により発電機を駆動するアクチュエータを更
に備えたものである。本発明においては、アクチュエー
タがコンプレッサの圧縮空気により駆動され、アクチュ
エータにより発電機を駆動して発電させる。

【００１２】（８）本発明の他の態様に係る風車発電装
置においてエネルギー蓄積手段は、風車の回転により
回転するシリンダと、シリンダの回転によって巻き上げ
られる錘とを備えたものである。本発明においては、シ
リンダが風車の回転により回転し、シリンダの回転によ
って錘を巻き上げることによりエネルギーを蓄積する。
そして、巻き上げられた錘を解放することにより、シリ
ンダが回転し、発電機を駆動して発電させる。

【００１３】（９）本発明の他の態様に係る風車発電装
置は、風車の回転軸側に第１のクラッチを介して連結さ
れ、風車の回転エネルギーを蓄積するゼンマイ装置と、
ゼンマイ装置と第２のクラッチを介して連結され、ゼン
マイ装置により駆動される発電機とを備え、第１のクラ
ッチ及び第２のクラッチを選択的に連結又は遮断させ
る。本発明において、第１のクラッチが連結され、第２
のクラッチが遮断されると、ゼンマイ装置は風車の回転
軸側に第１のクラッチを介して連結され、風車の回転エ
ネルギーを蓄積する。このとき、第２のクラッチは遮断
されており発電機は駆動されず発電されない。また、第
１のクラッチが遮断され、第２のクラッチが連結される
と、ゼンマイ装置は第２のクラッチを介して発電機と連
結され、蓄積されたエネルギーにより発電機を駆動して
発電させる。

【００１４】（１０）本発明の他の態様に係る風車発電
装置は、上記の第１のクラッチ及び第２のクラッチを選
択的に連結又は遮断させる切替手段を備えている。本発
明において、切替手段は、上記の第１のクラッチ及び第
２クラッチを選択的に連結又は遮断させることにより、
ゼンマイ装置のエネルギーの蓄積の段階と、エネルギー
の解放の段階とを区別し、エネルギーの蓄積の段階にお
いて、低風速領域における微少なエネルギーを蓄積する
ことができるようにしている。

【００１５】（１１）本発明の他の態様に係る風車発電
装置において、上記の切替手段は、ゼンマイ装置を一方
の側に付勢するばね部材と、ゼンマイ装置を他方の側に
移動させるためのソレノイドとを備え、ソレノイドに励
磁電流を供給することにより、ゼンマイ装置を一方の側
から他方の側に移動させて、第１のクラッチ又は第２の
クラッチを遮断させ、第２のクラッチ又は第１のクラッ
チを連結させる。

【００１６】（１２）本発明の他の態様に係る風車発電
装置において、上記の切替手段は、ソレノイドに対して
バッテリから励磁電流を供給する起動スイッチを備える
とともに、発電機の出力をソレノイドに供給する。本発
明においては、起動スイッチの操作によりソレノイドに
対してバッテリから励磁電流を供給されて切替動作が行
われて、発電機から出力が得られる。発電機から出力が
得られると、発電機からソレノイドに対して励磁電流が
供給されて切替状態が維持される。

【００１７】（１３）本発明の他の態様に係る風車発電
装置において、起動スイッチはゼンマイ装置に所定量の
エネルギーが蓄積された段階で手動又は自動により操作
されて、ソレノイドに励磁電流を供給する。本発明にお
いては、起動スイッチはゼンマイ装置に所定量のエネル
ギーが蓄積された段階で手動又は自動により操作され、
ソレノイドに励磁電流が供給されて切替動作が行われ、
発電機から出力が得られる。

【００１８】（１４）本発明の他の態様に係る風車発電
装置は、風車の回転軸側に第１のクラッチを介してそれ
ぞれ連結される複数のゼンマイ装置と、複数のゼンマイ
装置と第２のクラッチを介して択一的に連結される発電
機と、複数のゼンマイ装置の内、所定量のエネルギーが
蓄積された１個のゼンマイ装置を第２のクラッチを介し
て発電機と連結させ、それ以外のゼンマイ装置を前記第
１のクラッチを介して風車の回転軸側に連結させる切替
手段とを備えたものである。本発明においては、複数の
ゼンマイ装置を用意しておいて、その内の所定量のエネ
ルギーが蓄積された１個のゼンマイ装置を第２のクラッ
チを介して発電機と連結させ、それ以外のゼンマイ装置
を第１のクラッチを介して風車の回転軸側に連結させる
ようにしたので、低風速領域においても風車の回転エネ
ルギーを効果的に蓄積することができ、且つ、発電機か
らは安定した出力が得られる。

【００１９】（１５）本発明の他の態様に係る風車発電
装置は、風車の回転軸側の回転より回転駆動される第
１の回転軸と、第１の回転軸にそれぞれ連結された１対
のゼンマイ装置と、第１の回転軸に設けられ、１対のゼ
ンマイ装置をそれぞれ第１の回転軸と連結又は遮断させ
る第１及び第２のクラッチと、第１の回転軸の内、第１
及び第２のクラッチとゼンマイ装置との間にそれぞれ設
けられ、第１及び第２のクラッチの連結又は遮断にとも
なってその軸方向に移動制御される第１及び第２の回転
ギヤと、発電機の回転軸に連結された第２の回転軸と、
第２の回転軸に設けられた第３及び第４の回転ギヤと、
第１及び第２のクラッチを選択的に連結又は遮断させ
て、連結されたクラッチの側のゼンマイ装置に風車の回
転エネルギーを蓄積させ、遮断されたクラッチの側のゼ
ンマイ装置を第１又は第２の回転ギヤと第３又は第４の
回転ギヤを介して第２の回転軸に連結させて発電させる
切替手段とを備えたものである。本発明においては、第
１及び第２のクラッチを選択的に連結又は遮断させて、
連結されたクラッチの側のゼンマイ装置に第１の回転軸
を介して風車の回転エネルギーを蓄積させ、遮断された
クラッチの側のゼンマイ装置を第１の回転ギヤ（又は第
２の回転ギヤ）と第３回転ギヤ（又は第４の回転ギヤ）
を介して第２の回転軸に連結させて発電させる。このよ
うに、何れか一方のゼンマイ装置が風車の回転エネルギ
ーを蓄積し、他方のゼンマイ装置が発電機を駆動してお
り、低風速領域においても風車の回転エネルギーを効果
的に蓄積することができ、且つ、発電機からは安定した
出力が得られる。

【００２０】（１６）本発明の他の態様に係る風車発電
装置において、上記のゼンマイ装置は、軸部と、その軸
部を覆うように形成された有底の円筒部材と、軸部と前
記円筒部材の内壁との間に設けられたゼンマイ部材とを
備えたものである。本発明においては、軸部又は有底の
円筒部材を固定し、固定されていない側の部材（有底の
円筒部材又は軸部）を風車の回転軸側と連結することに
よりゼンマイ部材を巻き上げてエネルギーを蓄積する。
そして、固定された側の部材の固定状態を解除すること
により、蓄積されたエネルギーを発電機側に伝達させ
る。

【００２１】（１７）本発明の他の態様に係る風車発電
装置は、風車と、エネルギー蓄積手段又はゼンマイ装置
との間に増減速手段を設けている。本発明においては、
増減速手段により低風速の領域においてトルクを大きく
して、エネルギー蓄積手段又はゼンマイ装置に風車の回
転エネルギーを蓄積するようにしたので、低風速領域で
のエネルギーの蓄積が効果的になされる。

【００２２】（１８）本発明の他の態様に係る風車発電
装置において、増減速手段は、風車の回転軸側に連結さ
れた第１プーリと、断面三角形状からなり、ゼンマイ装
置側に接続された第２のプーリと、第２のプーリをゼン
マイ装置側とは反対方向に付勢するばね部材と、第１プ
ーリと第２のプーリとを繋ぐベルト部材とを備えたもの
である。本発明においては、ベルト部材の位置が回転数
に応じて変化し、例えば低回転時には第２のプーリの断
面三角形状の先端側に位置することになり、風車の回転
軸側の回転を無段階に減速し、トルクを大きくしてゼン
マイ装置側に伝達する。

【００２３】（１９）本発明の他の態様に係る風車発電
装置は、風車の回転軸に直列に連結された複数の発電機
と、複数の発電機の間に介在して配置された遠心クラッ
チとを備えたものである。本発明においては、複数の発
電機が遠心クラッチを介して直列に接続されており、遠
心クラッチの伝達回転数を適当に設定することにより、
低風速領域において発電に寄与する発電機を限定してお
くことにより、低風速領域における発電を可能にしてい
る。

【００２４】（２０）本発明の他の態様に係る風車発電
装置は、遠心クラッチが複数配置される場合には、風車
側の遠心クラッチの伝達回転数Ｎ１と、遠心クラッチに
対して風車からの遠ざかる側の遠心クラッチの伝達回転
数Ｎ２とを、Ｎ１＜Ｎ２に設定する。本発明において
は、風車の回転軸の回転数が大きくなるに従って遠心ク
ラッチが順次機能し、連結される発電機の個数が増える
ので、風車の回転エネルギー（風力エネルギー）を効率
よく電気エネルギーに変換することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】実施形態１．図１及び図２は本発
明の実施形態１に係る風車発電装置の構成図であり、図
１はエネルギーの蓄積時（ゼンマイ装置の巻き上げ時）
の状態を示し、図２は発電時の状態を示している。風車
発電装置は、風車１０、ゼンマイ装置１２及び発電機１
４を備えている。風車１０の回転軸１１とゼンマイ装置
１２との間には風車側クラッチ１６が配置され、また、
ゼンマイ装置１２と発電機１４との間には発電機側クラ
ッチ１８が配置されている。なお、ゼンマイ装置１２は
その軸方向に移動可能に支持されているものとする。

【００２６】ゼンマイ装置１２にはテンションばね２０
が取り付けられており、ゼンマイ装置１２を風車１０側
に付勢して移動して風車側クラッチ１６を接続状態に
し、風車１０の回転軸１１とゼンマイ装置１２とが風車
側クラッチ１６を介して接続されるように構成されてい
る。このとき、発電機側クラッチ１８は遮断状態にな
る。また、ゼンマイ装置１２の外周部にはソレノイド２
２が配置されており、このソレノイド２２は励磁電流が
供給されると駆動力を発生して、ゼンマイ装置１２を発
電機１４側に移動させ、発電機側クラッチ１８を接続状
態にし、ゼンマイ装置１２が発電機側クラッチ１８を介
して発電機１４と接続されるように構成されている。こ
のとき、風車側クラッチ１６は遮断状態になる。

【００２７】発電機１４の出力はダイオード（整流素
子）２３を介してソレノイド用バッテリ２５と接続され
ており、ソレノイド用バッテリ２５は発電機起動用スイ
ッチ２８を介してソレノイド２２と接続されている。発
電機起動用スイッチ２８を操作して閉じることにより、
ソレノイド用バッテリ２５からソレノイド２２に励磁電
流が供給される。また、発電機１４の出力は負荷２９に
接続されており、発電機１４の出力は負荷２９に供給さ
れる。

【００２８】また、上記の風車側クラッチ１６及び発電
機側クラッチ１８の近傍には風車側ブレーキ２４及び発
電機側ブレーキ２６が取り付けられている。風車側ブレ
ーキ２４は風車側クラッチ１６の内、ゼンマイ装置側の
ホイールにブレーキをかけるものであり、ゼンマイ装置
１２が発電機１４と接続されている状態でゼンマイ装置
１２の一方の軸に制動をかけて固定する。また、発電機
側ブレーキ２６は発電機側クラッチ１８の内、ゼンマイ
装置側のホイールにブレーキをかけるものであり、ゼン
マイ装置１２が風車１４の回転軸１１と接続されている
状態でゼンマイ装置１２の他方の軸に制動をかけて固定
する。

【００２９】図３（Ａ）（Ｂ）はゼンマイ装置１２の正
面断面図（Ａ−Ａ断面）及び側面断面図（Ｂ−Ｂ断面）
である。このゼンマイ装置１２は、風車側クラッチ１６
に接続される第１の軸部３０と、その第１の軸部３０を
覆うように形成された有底の円筒部材３２、及び有底の
円筒部材３２の底部と一体化され、発電機側クラッチ１
８に接続される第２の軸部３４とを備え、第１の軸部３
０と円筒部材３２の内壁との間にはスパイラル状に巻回
された板状のばね部材からなるゼンマイ部材３６が取り
付けられている。

【００３０】このゼンマイ装置１２は、発電機側ブレー
キ２６がかけられている状態では第２の軸部３４に制動
が掛けられて固定されており、第１の軸部３０が回転さ
れると、ゼンマイ部材３６が巻き上げられてエネルギー
が蓄積される。また、風車側ブレーキ２４がかけられて
いる状態では第１の軸部３０に制動が掛けられて固定さ
れ、ゼンマイ部材３６の巻き上げが解放されるように作
用し、蓄積されたエネルギーが放出されて第２の軸部３
４が回転する。この第２の軸部３４の回転により発電機
１４が駆動されて発電することになる。

【００３１】次に、図１及び図２の風車発電装置の動作
を説明する。図１に示されるように、テンションばね２
０による付勢により風車側クラッチ１６が接続され、発
電機側クラッチ１８が遮断された状態で、風車１０が風
力によって回転駆動されると、風車１０の回転軸１１は
回転し、その回転力は風車側クラッチ１６を介してゼン
マイ装置１２に伝達される。このとき、発電機側ブレー
キ２６は発電機側クラッチ１８にかかっており、ゼンマ
イ装置１２の第２の軸部３４には制動がかけられて固定
された状態になっている。風車側クラッチ１６を介して
ゼンマイ装置１２に伝達された回転力は第１の軸部３０
を回転させる。この第１の軸部３０の回転によりゼンマ
イ部材３６が巻き上げられてエネルギーが蓄積される。
このようにして、発電機１４が切り離された状態でゼン
マイ装置１２にエネルギーが蓄積されるので、低風速領
域においても有効にエネルギーを蓄積することができ
る。

【００３２】ゼンマイ装置１２にエネルギーが貯えられ
た後に、発電機起動用スイッチ２８を操作して閉じる
と、発電機１４による発電を開始する。

【００３３】図２に示されるように、発電機起動用スイ
ッチ２８が操作されてオンになると、ソレノイド用バッ
テリ２５からソレノイド２２に対して励磁電流が供給さ
れ、ソレノイド２２による駆動力がゼンマイ装置１２に
発生する。その駆動力がテンションばね２０の引っ張り
力に打ち勝つと、ゼンマイ装置１２が発電機１４側に移
動して、風車側クラッチ１６が遮断され、発電機側クラ
ッチ１８が接続状態になる。また、このとき、風車側ブ
レーキ２４は風車側クラッチ１６にブレーキをかけるこ
とになり、ゼンマイ装置１２の第１の軸部３０は制動が
かけられて固定され、第２の軸部３４は発電機１４の回
転軸と発電機側クラッチ１８を介して接続される。この
状態では、ゼンマイ部材３６に蓄積されたエネルギーが
放出され、第２の軸部３４は回転して発電機１４を駆動
して発電を開始させる。発電機１４の発電出力は、負荷
２９に供給されるとともにソレノイド用バッテリ２５を
充電し、また、ソレノイド２２に対して励磁電流として
供給される。このため、発電機起動用スイッチ２８を閉
じる操作は起動時だけで済む。

【００３４】ゼンマイ装置１２に蓄積されたエネルギー
が放出されて少なくなると、発電機１４の出力電圧も低
下し、ソレノイド２２に対する励磁電流も小さくなる。
ソレノイド２２の励磁電流が小さくなると、ソレノイド
２２による駆動力が小さくなり、テンションばね２０の
引っ張り力がソレノイド２２による駆動力に打ち勝っ
て、ゼンマイ装置１２が風車１０側に移動して図１の状
態に戻る。即ち、風車側クラッチ１６が接続され、風車
１０の回転軸１１とゼンマイ装置１２とが接続状態にな
り、また、発電機側クラッチ１８が遮断され、ゼンマイ
装置１２と発電機１４とが遮断された状態になる。

【００３５】以上のようにして、風車の回転エネルギー
（風力によるエネルギー）を蓄積し、その蓄積されたエ
ネルギーによって発電させるようにしたので、低風速領
域のエネルギーを効率良く電力エネルギーに変換するこ
とができる。

【００３６】なお、本実施形態においては、ゼンマイ装
置１２に所定量のエネルギーを蓄積してから発電させる
例について説明したが、ゼンマイ装置１２にエネルギー
を蓄積させながら、その一部を放出して発電機を駆動し
て発電させるようにしもよい。

【００３７】実施形態２．図４は本発明の実施形態２に
係る風車発電装置の構成図である。本実施形態２におい
ては、風車１０の回転軸１１と風車側クラッチ１６との
間に増減速機４０が設けられている。この増減速機４０
は、風車１０の回転軸１１の回転数に応じて回転速度を
減速又は増速するものであり、風車１０の回転軸１１の
回転数が小さい領域においては減速してトルクを大きく
し、ゼンマイ装置１２のゼンマイ部材３６を巻き上げる
ようにすることにより、上記の実施形態１よりも更に風
速が小さな領域での発電を可能にしている。

【００３８】図５（Ａ）及び（Ｂ）は図４の増減速機４
０の構成例を示した図である。増減速機４０は、プーリ
４２，４４、ばね部材４６及びベルト４８から構成され
ている。プーリ４２は風車１０の回転軸１１に取り付け
られ、プーリー４４は断面が３角形状（円錐形状）から
なり、風車側クラッチ１６側に回転軸１１ａに取り付け
られる。このプーリー４４はばね部材４６により風車側
クラッチ１６とは反対側に引っ張られ、プーリー４２と
プーリー４４とにはベルト４８が掛けられる。

【００３９】図５（Ａ）は低速時の状態を示した図であ
る。低速時においては、プーリー４４がばね部材４６に
より風車側クラッチ１６とは反対側に引っ張られてお
り、ベルト４８はプーリー４４の直径の大きな部分に掛
けられることになるので、回転比は、回転軸１１の回転
数＞回転軸１１ａの回転数となる。このため、低風速領
域においては大きなトルクが得られ、ゼンマイ装置１２
に風車の回転エネルギー（風力エネルギー）が有効に蓄
積される。

【００４０】図５（Ｂ）は高速時の状態を示した図であ
る。高速時においては、プーリー４４がベルト４８のテ
ンションにより風車側クラッチ１６の方向に押し出さ
れ、ベルト４８はプーリー４４の直径の小さな部分に掛
けられるのことになるので、回転比は、回転軸１１の回
転数＜回転軸１１ａの回転数となる。

【００４１】本実施形態の増減速機４０は、上述のよう
に風車１０の回転軸１１の回転数にに応じて無段階に変
速してゼンマイ装置１２のゼンマイ部材３６を巻き上げ
るようにしているので、風車１０の回転エネルギーを効
率良くゼンマイ装置１２に伝達することができる。

【００４２】実施形態３．図６は本発明の実施形態３に
係る風車発電装置の構成を示した図である。本実施形態
においては、風車１０は逆回転防止装置（ラチェット）
５０を介してスプリング５２の一方の端部に接続され、
スプリング５２の他方の端部は発電機１４の回転軸に接
続されている。

【００４３】風車１０の回転軸１１の回転数は風速によ
って変動するが、本実施形態においては、風車１０の回
転エネルギーがスプリング５２に蓄積されてバッファと
して機能する。このため、風車１０の回転軸１１の回転
数の変動は、発電機１４側には直接現れず、発電機１４
の回転数は風車１０の回転軸１１を直結した場合のよう
に変動しない。スプリング５２の容量を大きくすれば、
風車１０の回転が一時的に止まった状態でも発電を継続
することができる。

【００４４】図７は風車の回転数の変動と、本実施形態
が適用された場合の発電機の回転数の変動との関係を示
した図である。図７から明らかなように、風車の回転数
の変動に対して発電機の回転数の変動が低く抑えられて
いることが分かる。このため、発電機１４からは安定し
た電力供給が可能になっている。

【００４５】実施形態４．図８及び図９は本発明の実施
形態３に係る風車発電装置の構成を示した図であり、図
８はゼンマイ装置１２にエネルギーを蓄積し、ゼンマイ
装置１２ａにより発電している状態を示しており、図９
はゼンマイ装置１２により発電し、ゼンマイ装置１２ａ
にエネルギーを蓄積している状態を示している。

【００４６】本実施形態においては、２個のゼンマイ装
置１２，１２ａが設けられており、風車の回転エネルギ
ー（風力エネルギー）を交互に蓄積して発電する。風車
１０の回転軸１１の先端にはウォームギヤ５４が取り付
けられている。また、風車側の回転軸（第１の回転軸）
５６が設けられ、その中央部にはウォームホイール５８
が取り付けられており、ウォームホイール５８はウォー
ムギヤ５４と係合して風車側の回転軸５６を回転させ
る。風車側の回転軸５６のウォームホイール５８の両側
にはクラッチ１７，１９がそれぞれ取り付けられてお
り、クラッチ１７，１９の外側には回転ギヤ６０，６２
がそれぞれ取り付けられている。風車側の回転軸５６の
両端部はゼンマイ装置１２，１２ａの第１の軸部３０
（図３参照）にそれぞれ接続されている。なお、本実施
形態のゼンマイ装置１２，１２ａには第２の軸部３４は
なく、円筒部材３２が回転しないように固定されてい
る。クラッチ１７，１９の近傍にはソレノイド６４，６
６がそれぞれ配置されており、励磁電流が供給されるこ
とにより駆動力を発生し、クラッチ１７，１９を接続又
は遮断状態にさせる。なお、風車側の回転軸５６はその
軸方向に移動可能に支持されており、クラッチ１７，１
９の接続又は遮断の際に、風車側の回転軸５６がその軸
方向に移動するが、ウォームホイール５８の位置は変わ
らず固定されているものとする。

【００４７】また、発電機１４の回転軸には軸方向に移
動可能な発電機側の回転軸（第２の軸）６８が上記の風
車側の回転軸５６と平行に設けられており、この回転軸
６８の端部側にそれぞれ回転ギヤ７０，７２が取り付け
られている。これらの回転ギヤ７０，７２は発電機側の
回転軸６８の回転ギヤ６０，６２と係合する。また、回
転ギヤ７０，７２の近傍にはソレノイド７４，７６が配
置されており、ソレノイド７４，７６に励磁電流が供給
されと駆動力が発生し、回転ギヤ７０，７２を移動させ
ることで、発電機側の回転軸６８がその軸方向に移動す
るように構成されている。

【００４８】また、本実施形態においては、切替状態を
継続するために、スイッチ軸８０が設けられている。こ
のスイッチ軸８０はその軸方向に移動自在に支持されて
おり、その両端にはフランジ８２，８４が設けられてお
り、このフランジ８２，８４の端部には後述のスイッチ
ＳＷ２，ＳＷ４の接点が接続されている。更に、フラン
ジ８２，８４の外側にはソレノイド８６，８８が設けら
れている。

【００４９】ソレノイド６６、７４，８６とバッテリ２
５との間には手動により閉じられるスイッチＳＷ１が設
けられており、また、ソレノイド６４、７６，８８とバ
ッテリ２５との間には手動により閉じられるスイッチＳ
Ｗ３が設けられている。また、発電機１４の出力とソレ
ノイド６６、７４，８６との間にはスイッチＳＷ２が設
けられており，このスイッチＳＷ２はスイッチ軸８０の
位置によりそのオン又はオフ状態が保持される。即ち、
ソレノイド８６に励磁電流が供給されてフランジ８２が
ソレノイド８６側に移動した状態になると、スイッチＳ
Ｗ２の接点が閉じた状態になり、その状態が持続するこ
とになる。また、発電機１４の出力とソレノイド６４、
７６，８８との間にもスイッチＳＷ４が設けられてお
り，このスイッチＳＷ４はスイッチ軸８０の位置により
そのオン又はオフ状態が保持される。即ち、ソレノイド
８８に励磁電流が供給されてフランジ８４がソレノイド
８８側に移動した状態になると、スイッチＳＷ４の接点
が閉じた状態になり、その状態が持続することになる。

【００５０】次に、図８及び図９の風車発電装置の動作
説明をする。図８に示されるように、スイッチＳＷ１を
操作することによりソレノイド６６，７４，８６に励磁
電流が供給される。ソレノイド６６，７４，８６は励磁
電流が供給されると駆動力が発生し、ソレノイド６６は
クラッチ１７を接続状態にし、クラッチ１９を遮断状態
にする。これにより風車の回転軸１１とゼンマイ装置１
２が接続状態になり、ゼンマイ装置１２は風車の回転軸
１１の回転力が伝達されてゼンマイ部材３６の巻き上げ
を開始する。また、ソレノイド７４は回転ギヤ７０を駆
動して発電機側の回転軸６８を発電機１４側に移動させ
る。これにより、回転ギヤ６２と回転ギヤ７２とが係合
し、ゼンマイ装置１２ａは発電機側の回転軸６８に連結
されて、それまでに蓄積されたエネルギ−により発電を
開始させる。また、ソレノイド８６はスイッチ軸８０を
図の左側に移動させる。これによりスイッチＳＷ２が閉
じ、スイッチＳＷ４が開く。

【００５１】発電機１４による発電が開始すると、発電
機１４の出力がスイッチＳＷ２を介してソレノイド６
６，７４，８６に供給されるので、スイッチＳＷ１を離
してもソレノイド６６，７４，８６に対する励磁電流が
持続し、スイッチＳＷ１を操作したときの状態が持続す
る。そして、ゼンマイ装置１２ａの蓄積エネルギーが少
なくなると、発電機１４の出力による発電量が少なくな
り、ソレノイド６６，７４，８６の励磁電流も小さくな
り、これらの駆動力も小さくなって風車側の回転軸５
６、発電機側の回転軸６８及びスイッチ軸８０の各位置
に対する拘束力も小さくなる。ゼンマイ装置１２ａの蓄
積エネルギーがなくなると、発電機１４による発電が停
止する。

【００５２】ゼンマイ装置１２ａのエネルギーを使い切
った後は、ゼンマイ装置１２に蓄積されたエネルギーを
使って発電させる。図９に示されるように、スイッチＳ
Ｗ３を操作することにより、ソレノイド６４，７６，８
８に励磁電流が供給される。ソレノイド６４，７６，８
８は励磁電流が供給されると駆動力が発生し、ソレノイ
ド６４はクラッチ１７を遮断状態にし、クラッチ１９を
接続状態にする。これにより風車の回転軸１１とゼンマ
イ装置１２ａが接続状態になり、ゼンマイ装置１２ａに
は風車の回転軸１１の回転力が伝達されてゼンマイ部材
３６の巻き上げを開始する。また、ソレノイド７６は回
転ギヤ７２を駆動して発電機側の回転軸６８を発電機１
４とは反対側に移動させる。これにより、回転ギヤ６０
と回転ギヤ７０とが係合し、ゼンマイ装置１２は発電機
側の回転軸６８に連結され、それまでに蓄積されたエネ
ルギ−により発電を開始させる。また、ソレノイド８８
はスイッチ軸８０を図の右側に移動させる。これにより
スイッチＳＷ４が閉じ、スイッチＳＷ２が開く。

【００５３】発電機１４による発電が開始すると、発電
機１４の出力がスイッチＳＷ４を介してソレノイド６
４，７６，８８に供給されるので、スイッチＳＷ３を離
してもソレノイド６４，７６，８８に対する励磁電流が
持続し、スイッチＳＷ３を操作したときの状態が持続す
る。そして、ゼンマイ装置１２の蓄積エネルギーが少な
くなると、発電機１４の出力による発電量が少なくな
り、ソレノイド６４，７６，８８に対する励磁電流も小
さくなり、これの駆動力も小さくなって風車側の回転軸
５６、発電機側の回転軸６８及びスイッチ軸８０の各位
置に対する拘束力も小さくなる。ゼンマイ装置１２の蓄
積エネルギーがなくなると、発電機１４による発電が停
止する。

【００５４】以上のようにしてスイッチＳＷ１とＳＷ３
とを交互に操作することにより、ゼンマイ装置１２，１
２ａが交互にエネルギーの蓄積及び放出（発電）を繰り
返し、風車の回転エネルギーを効率よく電力エネルギー
に変換することができる。

【００５５】なお、本実施形態においては、２台のゼン
マイ装置１２，１２ａに風車の回転エネルギーを交互に
蓄積する例について説明したが、更に多数のゼンマイ装
置を用意しておいて、その内の１つを選択して発電させ
るようにしてもよい。また、ゼンマイ装置１２，１２ａ
と発電機１４との接続を切り替えるための機構について
も、図８及び図９に示されたものに限定されず、適宜変
更し得るものである。

【００５６】実施形態５．図１０は本発明の実施形態５
に係る風車発電装置の構成を示した図である。本実施形
態においては、発電機１４、１４ａ、１４ｂが遠心クラ
ッチ８０，８０ａを介して直列に接続されている。特
に、１段目の発電機１４には小容量のものが設置されて
いる。また、２つの遠心クラッチ８０，８０ａが動力を
伝達する回転数（伝達回転数）は次の関係になるように
設定されている。遠心クラッチ８０の伝達回転数＜遠心
クラッチ８０ａの伝達回転数

【００５７】風車１０の回転数が遠心クラッチ８０の伝
達回転数より低い場合には、発電機１４のみが運転され
る。そして、風車１０の回転数が遠心クラッチ８０の伝
達回転数より高くなると、遠心クラッチ８０が発電機１
４ａに動力を伝達し、発電機１４，１４ａの２台が運転
されることになる。このとき、風車１０の回転数は遠心
クラッチ８０ａの伝達回転数には達していないため、発
電機１４ｂは運転されない。風車１０の回転数が遠心ク
ラッチ８０ａの伝達回転数より高くなると、遠心クラッ
チ８０ａが発電機１４ｂに動力を伝達し、発電機１４，
１４ａ，１４ｂの３台が運転されることになる。

【００５８】図１１は本実施形態における発電機の出力
特性を示した図である。図１１に示されるように、１段
目の発電機１４の容量が小さいので、低風速領域から発
電が開始され、風速が高くなるに従って発電機１４ａ，
１４ｂが順次接続されて発電機の出力が増加し、これら
の発電機１４ａ，１４ｂが接続された段階では発電出力
が若干低下するが、全体として風車の回転エネルギー
（風力エネルギー）を効率良く電力エネルギーに変換す
ることができる。

【００５９】実施形態６．図１２は本発明の実施形態６
に係る風車発電装置の構成の示した図である。本実施形
態において、風車発電装置は、コンプレッサ１１０、ボ
ンベ１１２、減圧弁１１４、アクチュエータ１１６を備
えている。風車１０が回転すると、コンプレッサ１１０
が駆動されてボンベ１１２に圧縮空気が貯蔵される。ボ
ンベ１１２の圧縮空気は減圧弁１１４を介してアクチュ
エータ１１６に供給され、アクチュエータ１１６が回転
されることにより発電機１４も回転して発電する。

【００６０】本実施形態においては、風車１０の回転に
よりボンベ１１２に圧縮空気を貯蔵しつつ、その圧縮空
気を減圧弁１１４を介してアクチュエータ１１６に供給
して発電するようにしたので、風車１０の回転エネルギ
ーを取り込みながら発電することができる。

【００６１】実施形態７．また、上述の実施形態１乃至
６においては、風車１０の回転エネルギーを取り込んで
蓄積するのにゼンマイ装置１２、又はコンプレッサ１１
０及びボンベ１１２を用いた例について説明したが、他
の手段によってもよい。図１３は、図１のゼンマイ装置
１２の代わりに、シリンダ１２０を配置して錘１２２を
ワイヤ１２４により巻き上げてエネルギーを蓄積するよ
うにした例を示したものである。図１の風車１０の回転
によりシリンダ１２０が回転して錘１２２が巻き上げら
れ、錘１２２が所定の位置まで巻き上げられた段階で、
風車側クラッチ１６を遮断し、発電機側クラッチ１８を
接続すると、シリンダ１２０は、発電機１４と接続さ
れ、そして、その錘１２２の降下により回転し、発電機
１４を駆動して発電させる。

【００６２】実施形態８．また、上述の実施形態１乃至
５においては、発電機起動用スイッチ２８又はスイッチ
ＳＷ１，ＳＷ３を手動操作する例について説明したが、
これを自動的に行うようにしてよい。図１４はその一例
を示した構成図である。ゼンマイ装置１２の筒状部材３
２に窓１３０を設け、また、ゼンマイ部材３６が巻き上
げられた状態で窓１３０の位置にくるようなマーク１３
２をゼンマイ部材３６に付けておいて、そのマーク１３
２をセンサ１３４により検出して発電機起動用スイッチ
２８を閉じる。このように構成することにより、ゼンマ
イ装置１２が所定の状態になると自動的に発電を開始す
る。

【００６３】実施形態９．また、風車の回転エネルギー
が所定量蓄積したことを検出するには、風車１０の回転
軸の回転量を検出するようにしてもよい。風車１０の回
転軸の回転量は、風車の回転エネルギーに対応するの
で、その回転量が所定量になった時点において、ゼンマ
イ装置１２が巻き上がったものとして発電を開始させ
る。また、風車１０の回転軸にロードセル等を取り付け
てトルクを検出し、所定のトルクになったときに、ゼン
マイ装置１２が巻き上がったものとして発電を開始させ
るようにしてもよい。

【００６４】実施形態１０．また、上述の実施形態３〜
５においても、風車１０と、ゼンマイ装置１２，１２ａ
又は発電機１４との間に増減速機４０を設けて、低風速
領域において高トルクを得るようにしてもよい。

【００６５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、風車によ
り発電機を直接駆動せずに、エネルギー蓄積手段を介し
て発電機を駆動して発電させ、又は複数の発電機を遠心
クラッチを介して直列に連結して低風速領域から駆動で
きるようにしたので、低風速領域において風車の回転エ
ネルギーを電力エネルギーに効率良く変換することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る風車発電装置の概念
図であり、エネルギーの蓄積時（ゼンマイ装置の巻き上
げ時）の状態を示している。

【図２】本発明の実施形態１に係る風車発電装置の概念
図であり、発電時の状態を示している。

【図３】図１のゼンマイ装置の正面断図（Ａ−Ａ断面）
及び側面断面（Ｂ−Ｂ断面）図である。

【図４】本発明の実施形態２に係る風車発電装置の構成
図である。

【図５】図４の増減速機の構成例を示した図であり、
（Ａ）は低速時の状態を示し、（Ｂ）は高速時の状態を
示している。

【図６】本発明の実施形態３に係る風車発電装置の構成
を示した図である。

【図７】図６の実施形態において、風車の回転数の変動
と、本実施形態が適用された場合の発電機の回転数の変
動との関係を示した図である。

【図８】本発明の実施形態４に係る風車発電装置の構成
を示した図であり、ゼンマイ装置１２にエネルギーを蓄
積し、ゼンマイ装置１２ａにより発電している状態を示
している。

【図９】本発明の実施形態４に係る風車発電装置の構成
を示した図であり、ゼンマイ装置１２ａにエネルギーを
蓄積し、ゼンマイ装置１２により発電している状態を示
している。

【図１０】本発明の実施形態５に係る風車発電装置の構
成を示した図である。

【図１１】図１０の風車発電装置の特性を示した図であ
る。

【図１２】本発明の実施形態６に係る風車発電装置の構
成の示した図である。

【図１３】本発明の実施形態７に係る風車発電装置のエ
ネルギー蓄積装置の構成例を示した図である。

【図１４】ゼンマイ装置の巻き上げを検出する構成例を
示した説明図である。

【図１５】風車発電機の出力特性を示した図である。

【符号の説明】

１０風車、１２ゼンマイ装置、１４発電機、１６
風車側クラッチ、１８発電機側クラッチ、２０テ
ンションばね、２２ソレノイド、２４風車側ブレー
キ、２６発電機側ブレーキ、２８発電機起動用スイ
ッチ、３０第１の軸部、３２筒状部材、３４第
２の軸部、３６ゼンマイ部材、４０増減速機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】風車の回転エネルギーを蓄積するエネル
ギー蓄積手段と、該エネルギー蓄積手段により駆動され
て発電する発電機とを備えたことを特徴とする風車発電
装置。
【請求項２】前記エネルギー蓄積手段は、前記回転エ
ネルギーが所定量蓄積された段階で、前記発電機を駆動
することを特徴とする請求項１記載の風車発電装置。
【請求項３】前記エネルギー蓄積手段は、前記回転エ
ネルギーを蓄積しつつ前記発電機を駆動することを特徴
とする請求項１記載の風車発電装置。
【請求項４】前記エネルギー蓄積手段は、スプリング
部材を含むものであることを特徴とする請求項１乃至３
の何れかに記載の風車発電装置。
【請求項５】前記エネルギー蓄積手段は、ゼンマイ装
置であることを特徴とする請求項４記載の風車発電装
置。
【請求項６】前記エネルギー蓄積手段は、風車の回転
軸によって駆動されるコンプレッサと、該コンプレッサ
によって圧縮空気が蓄積されるボンベとを備えたもので
あることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の
風車発電装置。
【請求項７】前記エネルギー蓄積手段は、コンプレッ
サの圧縮空気により前記発電機を駆動するアクチュエー
タを備えたこと特徴とする請求項６記載の風車発電装
置。
【請求項８】前記エネルギー蓄積手段は、風車の回転
により回転するシリンダと、該シリンダの回転によって
巻き上げられる錘とを備えたことを特徴とする請求項１
又は２記載の記載の風車発電装置。
【請求項９】風車の回転軸側に第１のクラッチを介し
て連結され、風車の回転エネルギーを蓄積するゼンマイ
装置と、該ゼンマイ装置と第２のクラッチを介して連結され、該
ゼンマイ装置により駆動される発電機とを備え、前記第１のクラッチ及び前記第２のクラッチを選択的に
連結又は遮断させることを特徴とする風車発電装置。
【請求項１０】前記第１のクラッチ及び前記第２のク
ラッチを選択的に連結又は遮断させる切替手段を備えた
ことを特徴とする請求項９記載の風車発電装置。
【請求項１１】前記切替手段は、前記ゼンマイ装置を
一方の側に付勢するばね部材と、前記ゼンマイ装置を他
方の側に移動させるためのソレノイドとを備え、該ソレ
ノイドに励磁電流を供給することにより、前記ゼンマイ
装置を一方の側から他方の側に移動させて、前記第１の
クラッチ又は前記第２のクラッチを遮断させ、前記第２
のクラッチ又は前記第１のクラッチを連結させることを
特徴とする請求項１０記載の風車発電装置。
【請求項１２】前記切替手段は、前記ソレノイドに対
してバッテリから励磁電流を供給する起動スイッチを備
えるとともに、前記発電機の出力を前記ソレノイドに供
給することを特徴とする請求項１１記載の風車発電装
置。
【請求項１３】前記起動スイッチは、前記ゼンマイ装
置に所定量のエネルギーが蓄積された段階で手動又は自
動により操作されて、前記ソレノイドに励磁電流を供給
することを特徴とする請求項１２記載の風車発電装置。
【請求項１４】風車の回転軸側に第１のクラッチを介
してそれぞれ連結される複数のゼンマイ装置と、前記複数のゼンマイ装置と第２のクラッチを介して択一
的に連結される発電機と、前記複数のゼンマイ装置の内、所定量の前記エネルギー
が蓄積された１個のゼンマイ装置を前記第２のクラッチ
を介して前記発電機と連結させ、それ以外のゼンマイ装
置を前記第１のクラッチを介して風車の回転軸側に連結
させる切替手段とを備えたことを特徴とする風車発電装
置。
【請求項１５】風車の回転軸側の回転より回転駆動さ
れる第１の回転軸と、前記第１の回転軸にそれぞれ連結された１対のゼンマイ
装置と、前記第１の回転軸に設けられ、前記１対のゼンマイ装置
をそれぞれ前記第１の回転軸と連結又は遮断させる第１
及び第２のクラッチと、前記第１の回転軸の内、前記第１及び第２のクラッチと
前記ゼンマイ装置との間にそれぞれ設けられ、前記第１
及び第２のクラッチの連結又は遮断にともなってその軸
方向に移動制御される第１及び第２の回転ギヤと、前記発電機の回転軸に連結された第２の回転軸と、前記第２の回転軸に設けられた第３及び第４の回転ギヤ
と、前記第１及び第２のクラッチを選択的に連結又は遮断さ
せて、連結されたクラッチの側のゼンマイ装置に前記第
１の回転軸を介して風車の回転エネルギーを蓄積させ、
遮断されたクラッチの側のゼンマイ装置を第１又は第２
の回転ギヤと第３又は第４の回転ギヤを介して前記第２
の回転軸に連結させて発電させる切替手段とを備えたこ
とを特徴とする風車発電装置。
【請求項１６】前記ゼンマイ装置は、軸部と、該軸部
を覆うように形成された有底の円筒部材と、前記軸部と
前記円筒部材の内壁との間に設けられたゼンマイ部材と
を備えたことを特徴とする請求項５又は請求項９乃至１
５の何れかに記載の風車発電装置。
【請求項１７】前記風車と、前記エネルギー蓄積手段
又は前記ゼンマイ装置との間に増減速手段を設けたこと
を特徴とする請求項１乃至１６の何れかに記載の風車発
電装置。
【請求項１８】前記増減速手段は、風車側の回転軸に
連結された第１プーリと、断面三角形状からなり、前記
ゼンマイ装置側に接続された第２のプーリと、該第２の
プーリを前記ゼンマイ装置側とは反対方向に付勢するば
ね部材と、前記第１プーリと前記第２のプーリとを繋ぐ
ベルト部材とを備えたことを特徴とする請求項１７記載
の風車発電装置。
【請求項１９】風車の回転軸に直列に連結された複数
の発電機と、前記複数の発電機の間に介在した遠心クラ
ッチとを備えたことを特徴とする風車発電装置。
【請求項２０】遠心クラッチが複数配置される場合に
は、風車側の遠心クラッチの伝達回転数Ｎ１と、前記遠
心クラッチに対して風車から遠ざかる側の遠心クラッチ
の伝達回転数Ｎ２とを、Ｎ１＜Ｎ２に設定することを特
徴とする請求項１９記載の風車発電装置。