JP2004019626A

JP2004019626A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2004019626A
Application number: JP2002179571A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sawada; 澤田　敬
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】風力の発生と電力負荷の発生の時間的ずれを解消するためエネルギー貯蔵におけるエネルギー損失を最少にし、高効率の発電を行う風力発電装置を実現するものである。
【解決手段】風車１の回転力を駆動源とし上部液溜タンク６と下部液溜タンク８とを接続する往管９に設けたポンプ１１と、上部液溜タンク６と下部液溜タンク８とを接続する復管１０に設けた水車１２と、水車１２の回転力で駆動する発電機２と、上部液溜タンク６の下流に設けた開閉弁１３とを備えている。これによって、風車を回転してポンプで動作液体を上方に設けた上部液溜タンクに汲み上げて位置エネルギーとして保存するためエネルギーを保存する時のエネルギー損失を著しく低減することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置に関し、特に風力を駆動源とする風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の風力発電装置は図９に示す構成となっている。図９において１は風車、２は風車の回転力を駆動源とする発電機、３は発電機２の出力を蓄電池４と電力負荷５に供給制御する制御器である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、風車１の回転エネルギーを発電機２で電気エネルギーに変換し発生した電力を、制御器７を介して電力負荷５に供給するか、電力負荷が小さいか発生しない場合は蓄電池４に供給して蓄電していたが、蓄電池４からの自然放電および環境温度の変化などにより充電効率が低下するなど、システム全体の効率が低く風力エネルギーを有効に活用できないという課題を有していた。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、エネルギー貯蔵時の損失が少ない高効率の風力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】
前記従来の課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、風車の回転力を駆動源とするポンプで下部液溜タンクの動作液体を上部液溜タンクに汲み上げて位置エネルギーとして保存して、上部液溜タンクの動作液体を下部液溜タンクに自然落下させる際に復管に設けた水車で駆動する発電機で発電させるものである。
【０００６】
これによって、風車で得られた回転エネルギーが上部液溜タンク内に蓄えられた動作液体の位置エネルギーとして蓄えられるので、蓄エネルギー時のエネルギー損失が殆ど発生しない高効率の風力発電装置が実現できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、上部液溜タンクと、下部液溜タンクと、風車と、風車の回転力を駆動源とし上部液溜タンクと下部液溜タンクとを接続する往管に設けたポンプと、上部液溜タンクと下部液溜タンクとを接続する復管の下方に設けた水車と、水車の回転力で駆動する発電機と、上部液溜タンクの出口に設けた開閉弁と、発電器の出力を入力として電力負荷に電力を供給する制御器とから構成することにより、風車の回転力でポンプを運転して下部液溜タンクの動作液体を上部液溜タンクに汲み上げて蓄えておいて、電力負荷の発生時に、復管に設けた開閉弁を開放して上部液溜タンクの動作液体を下部液溜タンクに落とし込んで水車を回転させて発電機を運転して発生電力を制御器を介して電力負荷に供給することができ、風力の発生時と電力負荷の発生時が時間的にずれて発生した場合においても、動作液体を上部液溜タンクに位置エネルギーとして蓄えておくことができるので、エネルギー損失が少ない高効率の風力発電装置を実現できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の風力発電装置を、上部液溜タンク底部と下部液溜タンクの底部を往管で接続し、ポンプ入口に逆止弁を設けたもので、往管内部に動作液体を満たした状態で風車を回転してポンプが運転されるとポンプで動作液体を上部液溜タンクに汲み上げることができ、一方風車が停止したときはポンプ入口の逆止弁によって往管内部の動作液体が下方に流れおちるのを防ぐので、往管内部に常に動作液体を満たした状態を保つことができ、風速が脈動するような不安定な自然環境下でも安定して装置を運転することができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、特に、請求項１と２に記載の風力発電装置に、上部液溜タンク内上部と下部液溜タンクの上部を接続するオーバーフロー管を設けたもので、発電を行わないで長期間ポンプを動作させた場合は下部液溜めタンクの動作媒体が上部液タンクに汲み上げ続けられて上部液タンクから動作媒体があふれでてしまうが、このとき上部液タンク内のオーバーフロー管の開放部からオーバーフローさせて下部液溜めタンクに動作媒体を回収させることにより動作液体の補充等のメンテナンスを行うことなく安全に安定して装置を運転することができる。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、特に、請求項１〜３に記載の風力発電装置に、風車の回転力を駆動源とし入口に逆止弁を設けたポンプを複数台直列に往管に設けたもので、第１のポンプで汲み上げた動作液体を第２のポンプで汲み上げることができるので、高い位置エネルギーを発生させることができるとともに、小型の風車設備でシステムを構成することができる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、特に、請求項１〜４に記載の風力発電装置に、上部液溜タンク下部と下部液溜タンクの下部を接続する単一の往復管と、風車と、風車の軸と風車軸クラッチを介して接続する往復管に設けたポンプと、ポンプとポンプ軸クラッチを介して接続する発電機と、往復管に設けた開閉弁と、風車軸クラッチとポンプ軸クラッチと開閉弁を制御して発電機の出力を電力負荷に供給する制御器とを設けたもので、風力と電力負荷が同時に発生するときは風車軸クラッチとポンプ軸クラッチの両方を接続状態にして動作液体の汲み上げと発電の運転を同時行うとともに、電力負荷が発生していない状態では風車軸クラッチを接続してポンプ軸クラッチを切離して運転して動作媒体の汲み上げのみを行い、風力の発生がなく電力負荷が発生いしている時は風車軸クラッチを切離しポンプ軸クラッチを接続してポンプを水車として利用して発電を行うことができるので、上部液溜タンクと下部液溜タンクとを往復管一本で接続して構成することができ装置を単純化して製作が容易で高効率な風力発電装置を実現することができる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、特に、請求項１〜５に記載の風力発電装置に、ポンプ出口とポンプ入口を接続するバイパス管と、上部液溜タンクの入口に設けた第２開閉弁と、バイパス管に設けた水車と、水車の回転力を駆動源とする発電機とを設けたもので、風車の回転力で駆動するポンプで動作液体を汲み上げて、バイパス配管に設けた水車で回転する駆動力で発電機を運転して発電を行うことができ、電力負荷が発生するときは第２開閉弁を閉じて上部液溜タンクに動作液体を汲み上げずにバイパス管を通して水車を回転させることにより、風車で発生するエネルギーを位置エネルギーに変換させずに発電することができるので高効率で発電することができる。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、特に、請求項１〜６に記載の風力発電装置を、上部液溜タンクと下部液溜タンクに充填された磁性流体と，復管に設けた磁性流体の流れにより発電する磁性流体発電機とを設けたもので、動作液体として磁性流体を用いることにより、位置エネルギーと磁性流体の持つ流れのエネルギーの両方を同時に電気エネルギーとして取り出すことが可能になるので、高効率の風力発電装置を実現することができる。
【００１４】
請求項８に記載した発明は、特に、請求項１〜７に記載の風力発電装置に、上部液溜タンクまたは下部液溜タンクに設けた液面検知手段と、クラッチを介してポンプの軸に接続される電動機と、商用電源と発電機出力を入力として液面検知手段の出力値に応じてクラッチと電動機と開閉弁を制御して電力負荷に電力を供給する制御器とを設けたもので、上部液溜タンク内に動作液体が充分に満たされていなく水車での発電が困難なときはポンプの軸に接続されるクラッチを接続状態にして商用電源で電動機を運転してポンプで上部液溜タンク内に動作液体を汲み上げることができるので、深夜電力などを利用して電力負荷の発生に合わせた経済的な発電をする事ができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における風力発電装置の構成を示す説明図である。図１において、６はエチレングリコールなどの不凍液からなる動作液体７を蓄える上部液溜タンクで、８は下部液溜タンクで、９は上部液溜タンク６と下部液溜タンク８を接続する往管で、１０は復管で、１１は往管９に設けた風車１で駆動するポンプで、１２は復管１０に設けた発電機２を駆動する水車で、１３は上部液溜タンク６の下流の復管１０に設けた開閉弁であり、３は発電機２の出力を電力負荷５に供給制御する制御器である。
【００１７】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風が風車１に当たると風車１が回転してポンプ１１を作動させることにより、下部液溜タンク８内の動作液体７を往管９を通して上部液溜タンク６に汲み上げる。電力負荷５が発生した時、開閉弁１３を開放すると、上部液溜タンク６内の動作液体７は復管１０を通って下方の下部液溜タンク８に流れ落ちるが、このとき動作液体７が水車１２を回転させるので、発電機２が運転され発電し制御器３を介して電力を電力負荷５に供給する。
【００１８】
以上のように、本実施例においては、風車１で発生した回転エネルギーで、下方に位置する下部液溜タンク８内の動作液体７を上方に移動させて上部液溜タンク６内に蓄えることにより位置エネルギーとして蓄えておくことができるので、蓄エネルギー時の損失が殆ど発生しない高効率の風力発電装置を実現できる。
【００１９】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２の風力発電装置の構成を示す説明図である。図２において、１４は往管９のポンプ１１の入口に設けた逆止弁である。実施例１と異なるところは、上部液溜タンク６の底部と下部液溜タンク８の底部を往管８で接続した点と、ポンプ１１の入口に逆止弁１４を設けた点である。
【００２０】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風車１が回転してポンプ１１が、下部液溜タンク８内の動作液体７を往管９を通して上部液溜タンク６に汲み上げるが、風が脈動する場合等はポンプ１１が停止したときポンプ１１の上流側の動作液体７が往管９内を逆流して下方に流れ落ちるが、上部液溜タンク６の底部と下部液溜タンク８の底部を復管で接続して往管９内を動作液体で満たし、ポンプ１１の入口に逆止弁１４を設けているので動作液体７の逆流を防止することができる。
【００２１】
以上のように、本実施例においては、風が脈動してポンプ１１の運転が停止しても動作液体７の逆流を防止することができるので、風速が不安定な状態でも安定して運転することができる。
【００２２】
（実施例３）
図３は、本発明の実施例３の風力発電装置の構成を示す説明図である。図３において、１５はオーバーフロー管である。実施例１および実施例２と異なるところは、上部液溜タンク６内上部と下部液溜タンク８の上部とをオーバーフロー管１５で接続した点である。
【００２３】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、電力負荷５が発生しない状況や開閉弁１３が故障して閉じられた状態が長時間継続した場合は、風車１が回転してポンプ１１が下部液溜タンク８内の動作液体７を上部液溜タンク６に汲み上げ続け、やがて下部液溜タンク８は空になりポンプ１１は空運転状態を継続して破損に至ってしまうが、上部液溜タンク６内上部と下部液溜タンク８の上部とを接続するオーバーフロー管１５を設けているので、上部液溜タンク６内の余分な動作液体７はオーバーフロー管１５に流入して下部液溜タンク８に流れ落ちるので下部液溜タンク８には常に動作液体７が存在する状態となりポンプ１１の空運転を防止することができる。
【００２４】
以上のように、本実施例においては、上部液溜タンク６内上部と下部液溜タンク８の上部とをオーバーフロー管１５で接続しているため、ポンプ１１の空運転を防止して信頼性の高い風力装置装置を実現する事ができる。
【００２５】
（実施例４）
図４は、本発明の実施例４の風力発電装置の構成を示す説明図である。図４において、１６は入口に第２逆止１７を設け第２風車１８で駆動される第２ポンプである。実施例１から３と異なるところは、往管９に設けられ入口に逆止弁１４を有し風車１で駆動されるポンプ１１の出口側に、入口に第２逆止１７弁を設け第２風車１８で駆動される第２ポンプを設けた点である。
【００２６】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風車１が回転してポンプ１１で汲み上げられた動作液体１１は、風車１８で駆動される第２ポンプ１６の入口に送られさらに第２ポンプ１６で加圧されて上部液溜タンク６に送りこまれる。このときポンプ１１と第２ポンプ１６の入口には逆止弁１４と第２逆止弁１７が設けられているため風車の回転が脈動してもそれぞれのポンプ１１および第２ポンプ１６で動作液体７を確実に汲み上げることができる。
【００２７】
以上のように、本実施例においては、往管９に複数台のポンプを直列に設けているため、小型の風車とポンプで装置を構成することができるとともに動作液体７を高い位置に汲み上げることができるので、大きな位置エネルギーを得ることができる。
【００２８】
（実施例５）
図５は、本発明の実施例５の風力発電装置の構成を示す説明図である。図５において、１９は上部液溜タンク６の底部と下部液溜タン８の底部を接続する往復管で、２０は風車１とポンプ１１の回転の接続切離しを行う風車軸クラッチで、２１はポンプ１１と発電機２の回転の接続切離しを行うポンプ軸クラッチで、１３は往復管１９に設けた開閉弁である。実施例１から４と異なるところは、上部液溜タンク６と下部液溜タン８とを単一の往復管１９接続した点と、風車１とポンプ１１と発電機２を風車軸クラッチ２０とポンプ軸クラッチ２１で接続した点である。
【００２９】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風力と電力負荷が同時に発生するときは風車軸クラッチ２０とポンプ軸クラッチ２１の両方を接続状態にして動作液体７を下部液溜タン８から上部液溜タンク６にポンプ１１で汲み上げると同時に発電機２で発電して制御機３を介して電力負荷５に電力を供給する。電力負荷が発生していない状態では、風車軸クラッチ２０を接続してポンプ軸クラッチ２１を切離してポンプ１１を運転して発電機２を停止して動作媒体７の汲み上げのみを行う。風力の発生がなく電力負荷が発生している時は、風車軸クラッチ２０を切離しポンプ軸クラッチ２１を接続した状態で、開閉弁１３を開放して上部液溜タンク６の動作液体７を下部液溜タンク８に流れおとすことによりポンプ１１を逆回転させて水車として利用して発電を行うことができる。
【００３０】
以上のように、本実施例においては、風車１とポンプ２１と発電機２とを風車軸クラッチ２０とポンプ軸クラッチ２１を介して接続するとともに単一の往復管１９で接続しているので、風力と電力負荷の状況に応じて最適の運転を行うことができるとともに装置の構成を簡単化できる。
【００３１】
（実施例６）
図６は、本発明の実施例６の風力発電装置の構成を示す説明図である。図６において、２２はバイパス管で、２３は第２開閉弁である。実施例１から５の構成と異なるところは、ポンプ１１の出口と入口を接続するバイパス管２２と、上部液溜タンク６の入口に第２開閉弁２３と、バイパス管２２に発電機２を駆動する水車１２と開閉弁１３を設けた点である。
【００３２】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風力が発生して風車１が回転する時は、開閉弁１３を閉じ第２開閉弁２３を開放してポンプ１１で動作液体７を上部液溜タンク６に汲み上げる。風車が回転する時に電力負荷５が発生する場合は、開閉弁１３を開放して第２開閉弁２３を閉じてポンプ１１を運転し動作液体７をポンプ１１とバイパス管２２の水車１２の間で循環させることにより発電機２を運転して発電して電力を制御器３を介して電力負荷５に供給する。
【００３３】
以上のように、本実施例においては、バイパス管２２と上部液溜タンク６の入口に第２制御弁２３を設けることにより、位置エネルギーに変換することなく風車１の回転力で駆動するポンプ１１で循環される動作液体１１により水車を直接回転させることができるので高効率で発電することができる。
【００３４】
（実施例７）
図７は、本発明の実施例７の風力発電装置の構成を示す説明図である。図７において、６は鉄分等を含有した磁性流体の動作媒体で、２４は磁性流体の動作媒体７が通過することにより電力を発生する磁性流体発電機である。実施例１から６の構成と異なるところは、動作液体６として磁性流体を用いた点と、復管１０に磁性流体発電機２４を設けた点である。
【００３５】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、下部液溜タンク８内の動作液体７は風車１が回転することによりポンプ１１で上部液溜タンク６に汲み上げられる。電力負荷５が発生した場合は開閉弁１３を開放して、上部液溜タンク６の動作媒体７を下部液溜タンク８に流れ落とすが、磁性流体である動作液体７が復管１０を流れ落ちる時に磁性流体発電機２４で発電するとともに、水車１２で駆動する発電機２でも発電して制御器３を介して電力負荷５に電力を供給する。
【００３６】
以上のように、本実施例においては、動作液体７として磁性流体を用いるとともに、復管１０に磁性流体発電機２４と水車１２で駆動する発電機２を設けているので、磁性流体の流体エネルギーと位置エネルギーと両方のエネルギーを利用して発電することができるので高効率の風力発電装置を実現することができる。
【００３７】
また、一般に磁性流体の比重は水より大きいので、上部液溜タンク６を高い位置に設置しなくても大きな位置エネルギーを得ることができるので装置を小型にすることができる。
【００３８】
（実施例８）
図８は、本発明の実施例８の風力発電装置の構成を示す説明図である。図８において、２５は液面センサーで、２５はポンプ１１の軸にクラッチ２７を介して接続する電動機で、３は発電機２の出力と商用電源２８とを入力として液面センサー２５の検出値に応じてクラッチ２７と電動機２６とを制御して電力負荷５に電力を供給する制御器である。実施例１から実施例７の構成と異なるところは、上部液溜タンク６内に設けた液面センサー２５と、ポンプ１１にクラッチ２７を介して設けた電動機２６と、商用電源２７を入力とする制御器３を有する点である。
【００３９】
以上のように構成された風力発電装置について、以下にその動作、作用を説明する。まず、風車１が回転する時はクラッチ２７を切り離した状態でポンプ１１を運転して、下部液溜タンク８内の動作液体７を往管９を通して上部液溜タンク６に汲み上げる。電力負荷５が発生した場合は、開閉弁１３を開放して上部液溜タンク６に溜めた動作媒体７を下部液溜タンク８に流し落とし水車１２を回転して発電機２を運転して発生した電力を制御器３を介して電力負荷５に供給する。一方、風力が小さく風車１の回転力が小さい時に液面センサー２５が所定の液面位置以下であることを検知した時は、制御器３はクラッチ２７を接続状態にして商用電源２７を電動機２６に供給してポンプ１１を運転して下部液溜タンク８内の動作液体７を往管９を通して上部液溜タンク６に汲み上げる。
【００４０】
以上のように、本実施例においては、風車１で駆動するポンプ１１に商用電源２８で駆動する電動機２６をクラッチ２７を介して接続するとともに上部液面タンク６に液面センサー２５を設けて制御器３で電動機２６を運転制御しているため風力が小さくて動作媒体７を充分汲み上げられない時は商用電源２８でポンプ１１を運転して必要量を汲み上げることができるので、上部液溜タンク６に一定量以上の動作液体７を確保することができるので、常に発電することができる。また、商用電源２８として深夜電力を利用すると利便性に優れた経済的な発電装置を実現することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜８に記載の発明によれば、風車の回転力で駆動するポンプで下方に設けた下部液溜タンク内の動作液体を上方に設けた上部液溜タンクに汲み上げて保持しておいて、電力負荷が発生した時に上部液溜タンク内の動作液体を下部液溜タンクに落とし込む際に水車を回転させて発電して用いる事により、位置エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するので貯蔵時のエネルギー損失が少なく、風力と電力負荷の発生の時間的ずれを補う高効率な風力発電装置を実現する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における風力発電装置の構成図
【図２】本発明の実施例２における風力発電装置の構成図
【図３】本発明の実施例３における風力発電装置の構成図
【図４】本発明の実施例４における風力発電装置の構成図
【図５】本発明の実施例５における風力発電装置の構成図
【図６】本発明の実施例６における風力発電装置の構成図
【図７】本発明の実施例７における風力発電装置の構成図
【図８】本発明の実施例８における風力発電装置の構成図
【図９】従来の風力発電装置の構成図
【符号の説明】
１　風車
２　発電機
６　上部液溜タンク
７　動作液体
８　下部液溜タンク
９　往管
１０　復管
１１　ポンプ
１２　水車
１３　開閉弁
１４　逆止弁
１９　往復管
２０　風車軸クラッチ
２１　ポンプ軸クラッチ
２２　バイパス管
２３　第２開閉弁
２４　磁性流体発電機
２５　液面センサー
２６　電動機
２７　クラッチ
２８　商用電源

Claims

上部液溜タンクと、下部液溜タンクと、風車と、前記上部液溜タンクと前記下部液溜タンクとを接続する往管に設けられた前記風車の回転力を駆動源とするポンプと、前記上部液溜タンクと前記下部液溜タンクとを接続する復管に設けた水車と、前記水車の回転力で駆動する発電機と、前記上部液溜タンクの出口に設けた開閉弁とを有する風力発電装置。
ポンプの入口に逆止弁とを設けた請求項１に記載の風力発電装置。
上部液溜タンクの上部と下部液溜タンクの上部とを接続するオーバーフロー管を設けた請求項１又は２に記載の風力発電装置。
ポンプと逆止弁とを複数台直列に設けた請求項２又は３に記載の風力発電装置。
上部液溜タンク底部と下部液溜タンクの底部を接続する単一の往復管と、風車と、前記風車と風車軸クラッチを介して接続して前記往復管に設けたポンプと、前記ポンプとポンプ軸クラッチを介して接続する発電機と、前記往復管に設けた開閉弁と、前記風車軸クラッチと前記ポンプ軸クラッチと開閉弁を制御して発電機の出力を電力負荷に供給する制御器とを設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
ポンプの出口と入口を接続するバイパス管と、上部液溜タンクの入口に設けた第２開閉弁と、前記バイパス管に設けた水車と、前記水車の回転力を駆動源とする発電機と、前記バイパス管に設けた開閉弁とを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
上部液溜タンク下部と下部液溜タンクに充填された磁性流体と，復管に設けた前記磁性流体の流れにより発電する磁性流体発電機とを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
上部液溜タンクまたは下部液溜タンクに設けた液面検知手段と、クラッチを介してポンプの軸に接続される電動機と、商用電源と発電機出力を入力として前記液面検知手段の出力値に応じて前記クラッチと前記電動機と開閉弁を制御して電力負荷に電力を供給する制御器とを有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力発電装置。