JP2006132323A

JP2006132323A - 風力を動力源とする発電装置

Info

Publication number: JP2006132323A
Application number: JP2004172103A
Authority: JP
Inventors: Junjiro Komatsuda; 順二郎小松田
Original assignee: Motoyama C & R Kk
Current assignee: Motoyama C & R Kk
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】風力エネルギーを位置エネルギーに変換して貯めておくことができ、発電機を駆動する大きなトルクが得られ、容易に出力電力を平滑化させることができ、無停止発電が容易に実用でき、コンパクトな設備でコストが安くつく、風力を動力源とする発電装置。
【解決手段】風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ作動液体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する作動液体を回転発電機と接続された液圧モータへ給送して回転発電機で発電を行う構成である。
【選択図】図１

Description

本願発明は、風の有無、強弱に関係なく発電が平坦に途切れなく行うことができる風力を動力源とする発電装置に関する。

従来の風力発電は、風車の回転を回転調節装置（ディスクブレーキ）と回転伝達装置を介して発電機のロータに伝えて発電する方法である。
この方法は、風の強さによる回転数の調節をディスクブレーキにより行って強風時と弱風時における発生電力の差を克服することが行われている。
この方法は、有効な蓄電技術が存在しないことや、強風続きでブレーキをかけすぎてディスクブレーキの発熱に起因して火災が発生すること、台風のような強風時には回転伝達系を切断して発電停止する、又、無風時にも発電停止する、といった問題点がある。現状では、平坦で無停止発電が非常に困難である。
風車で発電機を駆動する以外の方法としては例えば下記のものがある。
特開２００３−２７８６４０号公報特開２００２−０７０７１９号公報特開平１１−３５１１２５号公報特開平１１−３５１１１８号公報ＭＨＤ発電方法としては例えば下記のものがある。特開２００４−１９６２６号公報特開２００４−１９６２６号公報の風力発電は、高所に水車と、大きな上部液タンクの設置が必要である。台風時に水車を稼動できない。水車が稼動されないと、上部液タンクの水面変動が大きくなり発電機に作用する水圧が変化する。

本願発明は、風力エネルギーを位置エネルギーに変換して貯めておくことができ、発電機を駆動する大きなトルクが得られ、容易に出力電力を平滑化させることができ、無停止発電が容易に実用でき、コンパクトな設備でコストが安くつく、風力を動力源とする発電装置を提供するものである。

本願第１の発明は、風車で液圧ポンプを駆動して作動液体を複数の液圧シリンダに供給して該液圧シリンダで錘を持ち上げて位置エネルギーに変換し、錘を持ち上げている一の液圧シリンダの開閉弁を切り替えて作動液体の圧送を停止して錘で加圧された作動液体を液圧モータに供給して該液圧モータを駆動し、該液圧モータにより回転発電機を駆動して発電する構成であり、該一の液圧シリンダの錘が降下したら、液圧モータを駆動するための作動液体の供給を、開閉弁の切り替えにより、錘を持ち上げている他の液圧シリンダに切り替える構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置を提供することにある。
本願第２の発明は、風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体である導電性流体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ導電性流体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する導電性流体を電磁流体発電機へ給送して電磁流体発電を行い、さらに電磁流体発電機を通った電磁流体を回転発電機と接続された液圧モータへ給送して回転発電機で発電を行う構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置を提供することにある。
本願第３の発明は、風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体である導電性流体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ導電性流体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する導電性流体を電磁流体発電機へ給送して電磁流体発電を行う構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置を提供することにある。
本願第４の発明は、風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ作動液体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する作動液体を回転発電機と接続された液圧モータへ給送して回転発電機で発電を行う構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置を提供することにある。
本願第５の発明は、錘を持ち上げる液圧シリンダを複数備えていて、該一の液圧シリンダの錘が降下したら、液圧モータを駆動するための作動液体の供給を、開閉弁の切り替えにより、錘を持ち上げている他の液圧シリンダに切り替えて作動液体の液圧モータへの供給を継続して発電機の発電を継続するとともに、錘が下降した前記一の液圧シリンダに対して液圧ポンプから作動液体を再圧送する構成であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電装置を提供することにある。
本願発明は、シリンダ径が同一で錘の大きさが同一とすることが好ましい。

本願発明は、（１）風力エネルギーを位置エネルギーに変換して貯めておくことができるから、無停止発電が容易に実用できる。（２）液圧シリンダの径の大きさと錘の大きさによって液圧シリンダから発電機へ給送される作動液体の液圧を決めることができ、発電機を駆動する大きなトルクが得られ、液圧モータに作用する液圧は脈圧が全く生じないので出力電力を容易に平滑化させることができ、発電機の電力を途切れなく、高効率で、一定に得られる。（３）コンパクトな設備で大きな電力が得られ、設備コストが安くつく。
本願第１の発明と第２の発明と第４の発明は、回転発電機による発電が行える。回転発電機を駆動する液圧モータは圧力変動及び流量変動がない作動液体により回転速度に変動が生じることなく一定回転するので回転発電機による発電に電力変動が生じない。
本願第２の発明と第３の発明は、ＭＨＤ発電が行える。ＭＨＤ発電機を通流する作動液体である導電性流体は流速変動・流量変動がないから発電に電力変動が生じない。
本願第１の発明と第５の発明は、複数の液圧シリンダを用いて順番に作動液体を使用するので、無停電発電が容易である。
本願第６の発明は、複数の液圧シリンダを用いたときの作動液体の流量・流速・圧力の変動を生じさせない上で有用である。

本願第２の発明の実施形態にかかる風力を動力源とする発電装置を図１に示す。
図１において、１はタワー、２は風車、３は回転伝達機構、４はクラッチ、５は液圧ポンプ（油圧ポンプ）、６は貯留タンク、７ａ,７ｂ,７ｃはピストンロッドを有する単動型の液圧シリンダ、８ａ,８ｂ,８ｃはピストンロッドの上端に積層固定された錘、９ａ,９ｂ,９ｃはピストンロッドの上端及び下端がシリンダヘッドに位置したときを検出するセンサ、１０は液圧モータ（油圧モータ）、１１は回転発電機、１２は作動液体吸上げ管、１３は一次側液送管、１４ａ,１４ｂ,１４ｃは一次側自動開閉弁、１５ａ,１５ｂ,１５ｃは逆止弁、１６は二次側液送管、１７ａ,１７ｂ,１７ｃは二次側自動開閉弁、１８は作動液体戻り管、１９は安全弁は逆止弁、２０は逆止弁、２１は圧力ヘッダー、２２は流量調整弁、２３は三次側液送管である。作動液体に油を用いるときは、自動開閉弁は電磁弁とされる。作動液体に水を用いるときは、自動開閉弁は電動弁と電磁弁のいずれでも良い。

液圧ポンプ５は、風車２で風力から得る回転エネルギーを回転伝達機構３、クラッチ４を介して伝達され駆動される。液圧ポンプ５は貯留タンク６に貯留された作動液体を汲み上げて圧送し、該作動液体を一次側自動開閉弁１４ａ,１４ｂ,１４ｃ、逆止弁１５ａ,１５ｂ,１５ｃを介して液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７ｃのボトム側シリンダ室に供給する。該液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７は、ピストンロッドで錘８ａ,８ｂ,８ｃを持ち上げて位置エネルギーに変換する。液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７はそれぞれが収容している作動液体を順次に二次側自動開閉弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃを介し、さらに逆止弁２０、圧力ヘッダー２１を介して液圧モータ１０に供給する。該液圧モータ１０は一定圧の作動液体の供給を受けて無停止駆動する。該液圧モータ１０により回転発電機１１のローターを駆動して発電する。液圧モータ１０を通過した作動液体は貯留タンク６に戻る。

図示しない制御装置によって、クラッチ４、センサ９ａ,９ｂ,９ｃ、一次側自動開閉弁１４ａ,１４ｂ,１４ｃ、二次側自動開閉弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃが制御される。
クラッチ４は、台風時のような強すぎる風があるときには、接続を解除するように制御される。
センサ９ａ,９ｂ,９ｃの信号は、一次側自動開閉弁１４ａ,１４ｂ,１４ｃと二次側自動開閉弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃの順次の切り替え制御に使用される。

液圧シリンダを７ａ―７ｂ―７ｃの順で作動液を液圧モータ１０に供給する場合の制御について以下に説明する。
（１）制御器は、一番最初、弁１４ａ,１４ｂをいずれも「開」、弁１４ｃ,１７ａ,１７ｂ,１７ｃをいずれも「閉」にして、クラッチ４を接続する。すると、液圧ポンプ５から作動液体が一次側液送管１３を通して送られるから、液圧シリンダ７ａ,７ｂが錘８ａ,８ｂを持ち上げる。錘８ａ,８ｂが最大高さに持ち上ったときを、センサ９ａ,９ｂが検知する。
（２）次ぎに、制御器は、弁１４ｃ,１７ａを「開」、弁１４ａ,１４ｂを「閉」に切り替える。すると、液圧シリンダ７ａは錘８ａで加圧された作動液を液圧モータ１０に供給する。また、液圧ポンプ５から作動液体が一次側液送管１３を通して引き続き送られるから、液圧シリンダ７ｃが錘８ｃを持ち上げる。錘８ａの実績下降ストロークＳ１と錘８ｃの実績上昇ストロークＳ２は略同寸法になるように駆動される。錘８ａが下限高さに下がったときを、センサ９ａが検知するとともに、錘８ｃが最大高さに持ち上ったときを、センサ９ｃが検知する。
（３）次ぎに、制御器は、弁１４ａ,１７ｂを「開」、弁１７ａを「閉」に切り替える。すると、液圧シリンダ７ｂは錘８ｂで加圧された作動液を液圧モータ１０に供給する。また、液圧ポンプ５から作動液体が一次側液送管１３を通して引き続き送られるから、液圧シリンダ７ａが錘８ａを持ち上げる。錘８ｂが下限高さに下がったときを、センサ９ｂが検知するとともに、錘８ａが最大高さに持ち上ったときを、センサ９ａが検知する。
（４）次ぎに、制御器は、弁１４ｂ,１７ｃを「開」、弁１７ｂを「閉」に切り替える。すると、液圧シリンダ７ｃは錘８ｃで加圧された作動液を液圧モータ１０に供給する。また、液圧ポンプ５から作動液体が一次側液送管１３を通して引き続き送られるから、液圧シリンダ７ｂが錘８ｂを持ち上げる。錘８ｃが下限高さに下がったときを、センサ９ｃが検知するとともに、錘８ｂが最大高さに持ち上ったときを、センサ９ｂが検知する。
以後も、制御器は、弁１４ａ,１４ｂ,１４ｃ及び弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃ上記の動作順になるように制御する。
なお、シリンダ径が同一で錘が同一であれば、上記の開閉弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃの開閉のタイミングについて、同じにいずれも開となる時間が数秒あってもパスカルの定理から、液圧モータ８へ給送される高圧気体の液圧は変化しない。

本願第２の発明の実施形態にかかる風力を動力源とする発電装置を図２に示す。
図２において、１はタワー、２は風車、３は回転伝達機構、４はクラッチ、５は液圧ポンプ（油圧ポンプ）、６は貯留タンク、７ａ,７ｂ,７ｃはピストンロッドを有する単動型の液圧シリンダ、８ａ,８ｂ,８ｃはピストンロッドの上端に積層固定された錘、９ａ,９ｂ,９ｃはピストンロッドの上端及び下端がシリンダヘッドに位置したときを検出するセンサ、１０は液圧モータ（油圧モータ）、１１は回転発電機、１２は作動液体吸上げ管、１３は一次側液送管、１４ａ,１４ｂ,１４ｃは一次側自動開閉弁、１５ａ,１５ｂ,１５ｃは逆止弁、１６は二次側液送管、１７ａ,１７ｂ,１７ｃは二次側自動開閉弁、１８は作動液体戻り管、１９は安全弁、２０は逆止弁、２１は圧力ヘッダー、２２は流量調整弁、２３は三次側液送管、２４は電磁流体発電機（ＭＨＤ発電機）である。貯留タンク６に貯留する作動液体には導電性液体を用いる。導電性流体が用いられる。導電性流体とは、例えば、マグネタイト、フエライトなどの強磁性微粉末表面をオレイン酸のような界面活性剤で被覆し、水或いは有機溶剤(エステルやエ−テル類)などの溶媒に極めて安定な状態で分散させたコロイド溶液である。
電磁流体発電機２４は、例えば横断面を矩形に形成した発電通路を使用し、２枚の対向する平板電極と絶縁壁とで構成された流路に磁場を印加し、導電性流体を速度で流して導電性流体が磁場を横切って運動するときに、フレミングの右手の法則により、導電性流体が流れる方向及び磁力方向に直交する方向に単位長さ当たりローレンツ起電力が発生するから前記平板電極間に電位差が発生するという原理を利用して電力が得られる発電機（Magneto-hydrodynamic Power Generation,ＭＨＤ発電機）である。

液圧ポンプ５は、風車２で風力から得る回転エネルギーを回転伝達機構３、クラッチ４を介して伝達され駆動される。液圧ポンプ５は貯留タンク６に貯留された作動液体である導電性流体を汲み上げて圧送し、該導電性流体を一次側自動開閉弁１４ａ,１４ｂ,１４ｃ、逆止弁１５ａ,１５ｂ,１５ｃを介して液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７ｃのボトム側シリンダ室に供給する。該液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７は、ピストンロッドで錘８ａ,８ｂ,８ｃを持ち上げて位置エネルギーに変換する。液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７はそれぞれが収容している導電性流体を順次に二次側自動開閉弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃを介し、さらに逆止弁２０、圧力ヘッダー２１に供給する。圧力ヘッダー２１は貯留している導電性流体を流量調整弁２２を介して一定圧・一定流量・一定流速で三次側液送管２３より給送する。導電性流体が通流する三次側液送管２３は電磁流体発電機２４内に通されておりＭＨＤ発電が行われる。さらに、三次側液送管２３を通流する導電性流体は動的エネルギーを消耗していないので液圧モータ１０に供給される。該液圧モータ１０は一定圧の作動液体の供給を受けて無停止駆動する。該液圧モータ１０により回転発電機１１のローターを駆動して発電する。液圧モータ１０を通過した作動液体は貯留タンク６に戻る。
図示しない制御装置によって、クラッチ４、センサ９ａ,９ｂ,９ｃ、一次側自動開閉弁１４ａ,１４ｂ,１４ｃ、二次側自動開閉弁１７ａ,１７ｂ,１７ｃが制御される構成は図１の場合と変わらない。

風車２はタワー１に設けられていることに限定しない。風車２と液圧ポンプ５はクラッチ４を介して直結されていても良い。作動液体が水である場合には、貯留タンク６を廃し、液圧ポンプ５は河川等から水を汲み上げるようになっていても良い。液圧シリンダは２本あれば足りる。液圧シリンダが倒れないように固定するとともに昇降する錘に対してガイドを設けることのが良い。風車２と液圧ポンプ５と液圧シリンダ７ａを一組として二組備えていて、２本の液圧シリンダの作動液体が切り替え式に液圧モータ１０に給送されるようになっていても良い。液圧モータ１０は、ギヤ型、ベーン型、ピストン型のいずれであっても良い。設備の配列について、液圧ポンプ５と液圧モータ１０と発電機１１を集合して配置し、液圧シリンダ７ａ,７ｂ,７ｃを抱き合わせて配置すると、配管がコンパクトになる。錘は、水タンクを用いることもできる。
図１と図２に示す実施形態の変形として、圧力ヘッダー２１が無くても良い。図２に示す実施形態の変形として、液圧モータ１０と回転発電機１１による発電であるか、電磁流体発電機２４による発電であるか、どちらか一方であっても良い。液圧モータ１０と回転発電機１１による発電であるときは、作動液体は、水又は油を使用すれば足りる。

本願発明の第１の実施形態にかかる風力を動力源とする発電装置を示す概念図。本願発明の第２の実施形態にかかる風力を動力源とする発電装置を示す概念図。

符号の説明

１・・・タワー、２・・・風車、３・・・回転伝達機構、４・・・クラッチ、５・・・液圧ポンプ、６・・・貯留タンク、７ａ,７ｂ,７ｃ・・・ピストンロッドを有する液圧シリンダ、８ａ,８ｂ,８ｃ・・・錘、９ａ,９ｂ,９ｃ・・・センサ、１０・・・液圧モータ、１１・・・発電機、１２・・・作動液体吸上げ管、１３・・・一次側液送管、１４ａ,１４ｂ,１４ｃ・・・一次側自動開閉弁、１５ａ,１５ｂ,１５ｃ・・・逆止弁、１６・・・二次側液送管、１７ａ,１７ｂ,１７ｃ・・・二次側自動開閉弁、１８・・・作動液体戻り管、１９・・・安全弁、２０・・・逆止弁、２１・・・圧力ヘッダー、２２・・・流量調整弁、２３・・・三次側液送管、２４・・・電磁流体発電機、

Claims

風車で液圧ポンプを駆動して作動液体を複数の液圧シリンダに供給して該液圧シリンダで錘を持ち上げて位置エネルギーに変換し、錘を持ち上げている一の液圧シリンダの開閉弁を切り替えて作動液体の圧送を停止して錘で加圧された作動液体を液圧モータに供給して該液圧モータを駆動し、該液圧モータにより回転発電機を駆動して発電する構成であり、該一の液圧シリンダの錘が降下したら、液圧モータを駆動するための作動液体の供給を、開閉弁の切り替えにより、錘を持ち上げている他の液圧シリンダに切り替える構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置。
風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体である導電性流体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ導電性流体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する導電性流体を電磁流体発電機へ給送して電磁流体発電を行い、さらに電磁流体発電機を通った電磁流体を回転発電機と接続された液圧モータへ給送して回転発電機で発電を行う構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置。
風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体である導電性流体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ導電性流体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する導電性流体を電磁流体発電機へ給送して電磁流体発電を行う構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置。
風力によって駆動される液圧ポンプが作動液体を貯液タンクから汲み上げて液圧シリンダに給送して該液圧シリンダで錘を持ち上げ、開閉弁の切り替えにより、錘が液圧シリンダのピストンを押し下げる構成であり、該液圧シリンダが取り込んだ作動液体が錘で加圧されて圧力ヘッダーに圧送し、該圧力ヘッダーから圧送する作動液体を回転発電機と接続された液圧モータへ給送して回転発電機で発電を行う構成であることを特徴とする風力を動力源とする発電装置。
錘を持ち上げる液圧シリンダを複数備えていて、該一の液圧シリンダの錘が降下したら、液圧モータを駆動するための作動液体の供給を、開閉弁の切り替えにより、錘を持ち上げている他の液圧シリンダに切り替えて作動液体の液圧モータへの供給を継続して発電機の発電を継続するとともに、錘が下降した前記一の液圧シリンダに対して液圧ポンプから作動液体を再圧送する構成であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力を動力源とする発電装置。
シリンダ径が同一で錘の大きさが同一であることを特徴とする請求項１又は５のいずれかに記載の風力を動力源とする発電装置。