JP2006291808A - 混成型発電装置、及び混成型発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で、風力と太陽光との双方を最大限利用して発電を行うことが可能であるとともに、暴風による破壊を容易に回避することができる混成型発電装置及び混成型発電システムを提供する
【解決手段】 本発明の混成型発電装置１は、回転翼２１、発電手段２２及び導風口２３からなる風力発電部２を有する。また、導風路２３の気流導入口２３１には、複数の線状光発電手段３１からなる光発電部３が設けられる。そして、導風路２３は、光発電手段３１に向けて、光発電手段が発電を行う波長域の光を反射する反射面２４を備える。光発電手段３１は、全方位から入射する光により発電を行うことが可能であるため、導風路２３を気流に対峙させた風力発電に最適な状況下においても、最適の条件で光発電を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、混成型発電装置及び混成型発電システムに関し、特に、風力発電と太陽光発電とを組み合わせて発電を行う混成型発電装置及び混成型発電システムに関する。

従来から、環境負荷を低減する目的で、風力や太陽光等の自然エネルギーを利用して発電を行う発電装置が種々提案されている。

この種の発電装置として、例えば、単ポール式の風力発電機と太陽電池パネルを個別に設置し、風力発電機と太陽電池パネルとのそれぞれから電力を得る装置が実用化されている。このような混成型発電装置では、風力発電は無風状態のときに発電ができない、また、太陽電池パネルは夜間に発電ができない、という互いの短所を補完することができ、安定的に電力を得ることができる。

しかしながら、上述のように、風力発電機と太陽電池パネルと個別に設置する構成では、両者を設置するための広いスペースが必要となる。このため、上記混成型発電装置の小型化を目的として、後掲の特許文献１〜特許文献３には、太陽電池パネルを、気流を受けて発電機を回転させる回転翼の表面に配置する構成が提案されている。

例えば、特許文献１には、サボニウス型風車等の垂直軸風車の回転翼の両面に太陽電池パネルを張り付ける構成が開示されている。また、特許文献２では、太陽電池パネル装着による回転翼の重量増加を回避するために、太陽電池パネルを、回転翼に形成した開口部に嵌め込む構成が開示されている。さらに、特許文献３には、上面に太陽電池パネルが設けられた複数の羽根が放射状に配置された回転翼を備え、斜め上方に伸びる軸心周りに当該回転翼を回転させる混成型発電装置が提案されている。
特開平６−１６７２６９号公報 特開２００１−７３９２６号公報 特開２００３−２０６８５０号公報

上記特許文献１〜３に開示された技術によれば、風力と太陽光とのそれぞれから電力を得る混成型発電装置を小型化することが可能である。しかしながら、風力と太陽光の双方を最大限利用して発電を行う構成であるとはいえない。

すなわち、特許文献１及び２に開示された技術では、回転翼が回転中は太陽電池パネルへの太陽光の入射方向が常に変化するため、特定の太陽電池パネルが１回転する間に、当該太陽電池パネルに太陽光が有効に入射する期間は全体の１／２以下である。

また、特許文献３に開示された技術では、回転翼に設けられた太陽電池パネルが太陽に対して正面を向く方向に軸心の向きを調整することで、太陽光を最大限利用することが可能となる。しかしながら、この状態が風力を最大限に利用できる状態であることは稀である。

さらに、風力発電機と太陽電池パネルとを個別に配置する場合、風力発電と太陽光発電とのそれぞれにおいて、風力と太陽光とを最大限利用できる配置に最適化することが可能である反面、広い配置スペースが必要であり小型化が困難となる。

一方、このような風力と太陽光とを利用する混成型発電装置は、通常、屋外に設置されることになる。例えば、風速が２０ｍ／ｓを超えるような暴風に曝される状況下では、混成型発電装置の各部を構成する部材の強度にも依存するが、各部を構成する部材が破壊する恐れがある。

本発明は、上記従来の事情に基づいて提案されたものであって、小型で、風力と太陽光との双方を最大限利用して発電を行うことが可能であるとともに、暴風による破壊を回避することができる混成型発電装置及び混成型発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、気流と光とを利用して発電を行う混成型発電装置において、気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する回転翼と、前記回転エネルギーにより発電を行う風力発電手段と、前記気流を前記回転翼に誘導する導風路とを備える。また、前記導風路には、特定方向の断面において、その全周に、光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部を備えた光電変換手段が、前記断面に垂直な方向に複数連結されることにより構成された線状の光発電手段が設けられている。

上記構成において、導風路は、前記光発電手段に向けて前記光電変換部が光電変換を行う波長域の光を反射する反射面を備える。この反射面は、例えば、導風路の内面に形成された反射膜で構成することができる。

本構成によれば、導風路により誘導された気流により、回転翼が回転し発電手段が発電を行う。このとき、上記導風路に設けられた光発電手段は、いずれの方向から光（太陽光）が入射しても発電を行うことができる。このため、導風路の気流導入口を気流に対峙させた場合に、光発電手段は、常に効率よく発電を行うことができる。特に、導風路の内面に反射膜を備える構成では、導風路内に入射した光が反射面により反射されるため、光発電手段に全方位から光を入射させることができる。ここで、上記導風路が、上記光電変換部が光電変換を行う波長域の光を透過する透光性材料により構成された透過窓を備える構成とすれば、導風路が光発電手段へ入射する光を遮ることを回避できる。

また、上記導風路は、気流導入口から気流導出口に向かうにしたがって、気流の流路が狭窄する形状を有する構成とし、気流導出口に回転翼を設ける構成とすれば、回転翼を回転させる気流のエネルギーを高めることができる。この場合、光発電手段は、気流導入口に配置すればよい。上記導風路は、例えば、対向する位置に設けられた前記気流導入口と前記気流導出口との間が球面で連結された略半球体とすることができる。

一方、本発明は、上述のいずれかの構成を有する混成型発電装置を装備した混成型発電システムを提供することができる。すなわち、本発明の混成型発電システムは、上述の混成型発電装置を備えた混成発電ユニット、主として前記気流のエネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電ユニット、及び主として前記光エネルギーを電気エネルギーに変換する光発電ユニットと、前記各発電ユニットを交換自在に支持する支持面を、複数の方位に有するフレームとを備える。ここで、上記風力発電ユニットは、気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する複数の回転翼と、当該複数の回転翼にそれぞれ連結され、各回転翼が変換した回転エネルギーにより発電を行う複数の発電手段とを備える。一方、光発電ユニットは、複数の上記光発電手段を備える。

また、上記各支持面には、上記各発電ユニットから選択されたいずれかの発電ユニットが、特定面に対して傾倒可能に支持されることが好ましい。ここで、特定面とは、鉛直面と水平面とのいずれか一方または両方である。

この場合、上記構成に加えて、前記気流の向きを検知する風向検出手段と、風向検出手段の検知結果に応じて、上記支持面に支持された発電ユニットの鉛直面に対する傾倒角を変化させる傾倒角変更手段とをさらに備えてもよい。あるいは、上記気流の大きさを検知する風力検出手段と、風力検出手段の検知結果に応じて、上記支持面に支持された発電ユニットの水平面に対する傾倒角を変化させる傾倒角変更手段とをさらに備えてもよい。

本発明に係る混成型発電装置及び混成型発電システムによれば、風力発電と光発電との双方において、最適な条件で発電を行うことが可能となる。

特に、本発明に係る混成型発電システムは、風力発電と光発電を一体の装置で行うことができるため小型化が可能であり、携帯用の混成型発電装置として好適である。また、本発明に係る混成型発電システムによれば、発電ユニットが組替え自在であるため、限られた設置スペース内で周囲環境に応じた混成発電システムを自在に構築することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面にしたがって詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１は、本発明に係る混成型発電装置を示す正面図であり、図２は、当該混成型発電装置を示す側面図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る混成型発電装置１は、風力エネルギーにより電力を発生する風力発電部２と、光のエネルギーにより電力を発生する光発電部３を備える。

風力発電部２は、気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する回転翼２１と、当該回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段２２と、回転翼２１に気流を誘導する導風路２３とからなる。

上記導風路２３は、気流導入口２３１と気流導出口２３２とを備え、気流導入口２３１から進入した気流が、気流導出口２３２から排出される。ここで、導風路２３は、気流導出口２３２での気流の流速を高めるため、気流導入口２３１を気流導出口２３２よりも大きく、気流導入口２３１から気流導出口２３２に向かって、気流の流路が次第に狭窄している形状を有することが好ましい。本実施の形態では、図１及び図２に示すように、円形の気流導入口２３１と、当該気流導入口２３１より開口面積が小さい円形の気流導出口２３２とが互いに対向する位置に設けられ、気流導入口２３１と気流導出口２３２との間が曲面で連結された略半球形の導風路２３を採用している。

また、気流導出口２３２には、回転翼２１及び発電手段２２が配置されている。発電手段２２は、内面に発電用のコイルを備えた円筒状のケース２２１と、当該ケース２２１に軸受を介して当該ケース２２１の軸を軸心として回転可能に支持された回転子２２２とで構成されている。なお、回転子２２２はその表面に永久磁石を備えており、回転子２２２がケース２２１内で回転することにより、発電手段２２は発電を行う。

さらに、回転子２２２の回転軸２２３はケース２２１の外部に延伸され、その先端に回転翼２１が設けられている。回転翼２１は、複数（図１では４枚）の羽根２１１が、回転軸２２３に対して放射状に配置された構造を有し、気流が羽根２１１に衝突すると、回転翼２１が回転軸２２３を軸心として回転する。

なお、回転翼２１は、ケース２２１が支持部材２５を介して導風路２３に支持されることにより、回転軸２２３が気流導出口２３２の開口面に対して垂直で、かつ回転翼２１の回転面が気流導出口２３２の開口面に平行となる位置に配置されている。

一方、上記気流導入口２３１には、等間隔で配置された複数の線状の光発電手段３１からなる光発電部３が設けられている。図３（ａ）は、当該光発電手段３１を拡大して示す図であり、図４（ａ）は、図３（ａ）に示す光電変換手段３１１の断面構造を示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、光発電手段３１は、球形の光電変換手段３１１が、各光電変換手段３１１において生成された電力を伝送する配線３１８、３１９を介して線状に連結された構造を有する。各光電変換手段３１１の表面には、光エネルギーをエネルギーに変換する光電変換部３１２が形成されており、光電変換により電荷を生成することにより発電を行う。

図４（ａ）に示すように、光電変換手段３１１は、直径数ｍｍ程度の球体に整形されたシリコン等の半導体材料で構成される。当該シリコンは、Ｐ型の不純物が導入されたＰ型不純物拡散層３１３（以下、Ｐ型シリコン３１３という。）の表面に、熱拡散等によりＮ型の不純物を拡散させたＮ型不純物拡散層３１４（以下、Ｎ型シリコン３１４という）が形成された構造を有し、Ｐ型シリコン３１３とＮ型シリコン３１４との間に構成されるＰＮ接合が光電変換部３１２として機能する。

また、光電変換手段３１１には、球体の中心を通過する貫通孔３１５がレーザ加工等により形成されている。貫通孔３１５の一端側（図４（ａ）では下端側）は、外表面にＰ型シリコン３１３が露出する領域が形成されており、当該Ｐ型シリコン３１３の外表面にシリコンとオーミックコンタクトを形成する金属からなるアノード電極３１６が設けられる。同様に、貫通孔３１５の他端側（図４（ａ）では上端側）のＮ型シリコン３１４の表面には、カソード電極３１７が設けられている。

なお、上述のＰ型シリコン３１３が外表面に露出する領域は、例えば、上述のＮ型不純物を熱拡散させる際に、当該領域にマスク等を設けて他の領域のみにＮ型不純物を熱拡散させる、あるいは、シリコンの外表面全体にＮ型シリコン３１４を形成した後、上記Ｐ型シリコン３１３を露出させる領域のＮ型シリコン３１４を研磨除去する、等により形成することができる。

さらに、貫通孔３１５には、アノード電極３１６と電気的に接続される正極配線３１８と、カソード電極３１７と電気的に接続される負極配線３１９とが挿入されており、当該配線３１８、３１９を介して隣接する光電変換手段３１１が連結され、線状の光発電手段３１が構成されている。なお、図４（ａ）の例では、隣接する光電変換手段３１１において、アノード電極３１６とカソード電極３１７とが対向しているため、両電極が接触して短絡することを防止するために、隣接する光電変換手段３１１の間に絶縁体からなる緩衝材３２０を介在させている。また、図４では、配線３１８、３１９と、各電極３１６、３１７との接続点を黒丸で示している。

このように、光電変換手段３１１は、上記貫通孔３１５に垂直な断面において、全周に光電変換部３１２を備えている。したがって、光電変換手段３１１が貫通孔３１５の方向に沿って連結された光発電手段３１は、貫通孔３１５の方向を除くいずれの方向から光が入射しても電力を発生することができる。

なお、光電変換手段３１１の形状は、球体に限られるものではなく、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように円柱体としてもよい。さらに、光電変換手段３１１の形状は、図３（ｃ）に示すような、表面が波面からなる柱体（軸方向に沿って半径が周期的に変動する円筒面を有する柱体）等を採用してもよく、貫通口３１５に垂直な断面において全周に光電変換部３１２を備える構成であれば、任意の形状を採用することも可能である。しかしながら、光発電手段３１１の機械的強度や信頼性向上の観点では、球体あるいは円柱体の形状を採用することが好ましい。

また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示す円柱体の光電変換手段３１１は、貫通孔３１５が軸に沿って形成される点、及び、Ｐ型シリコン３１３の露出面が一方の平面に形成される点を除けば、図３（ａ）及び図４（ａ）に示す球体の光電変換手段３１１と同様の構造であるため、ここでの説明は省略する。同様に、図３（ｃ）に示す光電変換手段３１１は、図３（ａ）に示す球体の光電変換手段や、図３（ｂ）に示す円柱体からなる光電変換手段と同様の構造を有するものでるため、ここでの説明は省略する。なお、図３（ｃ）に示す光電変換手段は、球体または円柱体からなる光電変換手段が複数個連結した構造とほぼ等価であり、図３（ａ）または図３（ｂ）に示す光電変換手段と同様の作用効果を得ることができる。

さて、上記混成型発電装置１は、例えば、気流導入口２３１が水平面と略直角に、かつ当該気流導入口２３１が、水平面内で回転自在に設置される。この場合の設置構造は、特に限定されるものではないが、図１及び図２に示す例では、気流導入口２３１の下面に設けた支持部材４１が、軸受４２を介して支持台４３に支持される構成を採用している。

ここで、気流導入口２３１の開口面と支持台４３の支持面４３ａとが成す角は略直角となっており、支持面４３ａが水平になる状態で設置される。なお、以下で詳述するが、導風路２３の内面は、光発電手段３１が光電変換を行う波長域の光を反射する反射膜２４で被覆されている。

上記状況下で、気流導入口２３１を気流１５と対峙する方向に位置させると、気流導入口２３１から導風路２３に進入し、気流導出口２３２に誘導された気流により、回転翼２１は回転し、当該回転により発電手段２２が発電を行う。

また、このとき、光発電手段３１に光が入射する状態であれば、光発電手段３が、発電を行う。以下、光発電手段３１の発電について説明する。なお、以下では、光電変換手段３１１の表面のうち、気流１５に対峙する面を前面３１１ａと呼称し、また、回転翼２１に対峙する面を後面３１１ｂと呼称する。

図５（ａ）に示すように、気流導入口２３１を気流１５と対峙させた際に、気流導入口２３１が太陽に対峙する場合、太陽光１０は光電変換手段３１１の前面３１１ａに直接入射する。このとき、光電変換手段３１１の後面３１１ｂは、光電変換手段３１１自身が形成する影に位置するため、太陽光１０が直接入射することはない。

しかしながら、本発明の構成によれば、大部分の太陽光１０は線状の光発電手段３１に遮られることなく反射膜２４に到達する。そして、当該反射膜２４により反射された反射光１１が、導風路２３側から光電変換手段３１１の後面３１１ｂを照射する。特に、本実施の形態では、導風路２３の内面に形成された反射膜２４は凹面鏡を構成しているため、光電変換手段３１１の後面３１１ｂに、様々な方向から多重反射光を入射させることが可能となる。これにより、光電変換手段３１１の後面３１１ｂにおいても十分に発電を行うことができ、光発電手段３１は効率良く発電を行うことができる。

一方、気流導入口２３１を気流１５に対峙させた際に、気流導出口２３２が太陽に対峙する場合、図５（ｂ）に示すように、光発電手段３１は導風路２３が形成する影に位置するため、太陽光１０が光発電手段３１に直接入射することはない。このため、光発電手段３１は、混成型発電装置１の周囲で、太陽光１０が反射及び散乱された太陽光１２（以下、間接光１２という。）により発電を行うことになる。この場合、光発電手段３１に入射する光の強度は小さくなるため、光発電手段３１の発電効率は気流導入口２３１が太陽に対峙する場合に比べて低下する。しかしながら、この状態であっても、反射膜２４は光発電手段３１に遮られることなく反射膜２４に到達した間接光１２を反射し、光電変換手段３１１の後面３１１ｂを照射させる。すなわち、光電変換手段３１１の後面３１１ｂにおいても発電が行われ、気流導風口２３１に入射する間接光１２を最大限利用して発電を行うことができる。

以上では、気流導入口２３１が太陽に対峙する場合、及び気流導出口２３２が太陽に対峙する場合について説明したが、気流１５の向きと太陽の向きとがこれらと異なる場合であっても、上記光発電手段３１は、上述の２つの状態のいずれかに類似した状態で発電を行うことになる。すなわち、光発電手段３１は、気流導入口２３１に太陽光１０が直接入射する場合は、上述の気流導入口２３１が太陽に対峙する場合と同様の発電を行う。また、気流導入口２３１に太陽光１０が直接入射しない場合は、光発電手段３１は、上述の気流導出口２３２が太陽に対峙する場合と同様の発電を行う。

ところで、上記では、導風路２３の内面全体に反射膜２４を形成した場合について説明したが、反射膜２４は、導風路２３の内面を部分的に被覆する構成でもよい。例えば、図６に示す例では、反射膜２４は、導風路２３内面の下半面のみに形成されている。

この場合、導風路２３は光発電手段３１が光電変換を行う波長域の光を透過する透光性材料からなり、導風路２３において、内面が反射膜２４により被覆されていない領域（以下、透過窓２６という。）では、光が透過できる構造になっている。また、支持台４３の支持面４３ａは、光電変換手段３１１が光電変換を行う波長域の光を反射する反射膜４４により被覆されている。

本構成によれば、図６（ｂ）に示すように、気流導出口２３２が太陽と対峙する場合であっても、太陽光１０は、透過窓２６を介して光電変換手段３１１の後面３１１ｂに直接入射する。また、光電変換手段３１１の前面３１１ａには、光発電手段３１に遮られることなく支持面４３ａ上の反射膜４４に到達して反射された反射光１３が入射する。したがって、光発電手段３１は、反射膜２４が導風路２３の内面全面に形成されている場合に比べて効率良く光発電を行うことができる。なお、反射膜４４は、太陽光１０をその入射方向にも反射できるように、表面に凹凸が形成された拡散反射膜であることが好ましい。

さらに、図６（ａ）に示すように、気流導入口２３１が太陽と対峙する場合は、太陽光１０は、光電変換手段３１１の前面３１１ａに直接入射するとともに、光電変換手段３１１の後面３１１ｂには、光発電手段３１に遮られることなく反射膜２４に到達して反射された反射光１１が入射する。この場合、導風路２３の上部に反射膜２４が形成されていないため、導風路２３の内面全面に反射膜２４を形成した場合（図５（ａ））に比べて、多重反射光が減少することになる。しかしながら、反射光１１は、主として太陽光１０の入射方向と対向する方向から光電変換手段３１１の後面３１１ｂを照射することになるため、光電変換手段３１１は十分な発電を行うことができる。

なお、上記説明では、導風路２３の内面の一部を被覆する反射膜２４の一例として、下半面を被覆する反射膜２４を示したが、反射膜２４は光電変換手段３１１に反射光１１を照射する構成であればよく、上述の配置に限定されるものではない。例えば、反射膜２４を複数に分割して配置する等、任意の配置を採用することができる。

以上説明したように、本発明に係る混成型発電装置によれば、気流の方向がいずれの方向であっても、気流導入口２３１を気流に対峙させることで最適な条件で風力発電を行うことができるとともに、当該状態で、光発電手段３１に全方位から光を入射させることができる。したがって、風力発電と光発電の双方において、効率良く発電を行うことができる。

また、ＰＮ接合を利用した光電変換手段は、一般に、温度上昇に伴って発電効率が低下する特性を有している。このため、従来のパネル型太陽電池では、夏季のように比較的大きな強度の太陽光１０が長時間照射される状況下では、蓄積された熱による温度上昇のために数十％もの発電効率の低下が生じる。しかしながら、本発明の構成では、光発電手段３１は気流により冷却されるため、光発電手段３１の温度上昇を抑制することができ、光電変換手段３１１の発電効率が低下することを抑制することができる。さらにいえば、本発明の光電変換手段３１１は、太陽光１０（及び反射光１１）の入射面が曲面により構成されているため、従来のパネル型太陽電池と比較して温度上昇が小さい。このため、気流の大きさが小さい場合であっても、光電変換手段３１１の発電効率が低下することを抑制することができる。

ここで、上記風力発電部２と光発電部３とで発電された電力を補完的に使用するために、混成型発電装置１が備えた制御部５の回路構成を図７に基づいて説明する。なお、制御部５は風力発電部２及び光発電部３と別体に構成することも可能であるが、図１の例では、制御部５が支持台４３の内部に格納される構成にしている。

図７に示すように、制御部５は、風力発電部２で発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータ５１（交流−直流コンバータ）と、コンバータ５１により変換された直流電力を蓄電する蓄電池やコンデンサ等にからなる蓄電手段５２と、蓄電手段５２に蓄電された直流電力、並びに光発電部３が発電した直流電力を、交流電力に変換するインバータ５３（直流−交流コンバータ）とを備える。

また、光発電部３と蓄電手段５２とはスイッチ５４を介して接続されており、当該スイッチ５４が導通状態である場合に光発電部３は蓄電手段５２と電気的に接続され、スイッチ５４が遮断状態である場合に光発電部３は蓄電手段５２と電気的に分離される。そして、制御手段５５は、蓄電手段５２の電圧（充電率）に応じて、スイッチ５４の切替制御を行うとともに、インバータ５３の動作条件を以下のように変更する。

まず、蓄電手段５１の電圧が所定の電圧より高い場合（高充電状態）、制御手段５５はスイッチ５４を導通状態にする。このとき、インバータ５３は、制御手段５５の指示に基づいて、風力発電部２、光発電部３、及び蓄電手段５２から供給される直流電力を固定電圧条件（インバータ５３に入力される直流電力の電圧が固定値）で交流変換するとともに、商用電源１００と連系運転して負荷１０１に電力を供給する。

一方、蓄電手段５の電圧が所定の電圧より低い場合（低充電状態）、制御手段５５はスイッチ５４を遮断状態にする。そして、インバータ５３は、制御手段５５の指示に基づいて、光発電部３から供給される直流電力のみを交流変換するとともに、当該交流電力を商用電源１００と連系運転して負荷１０１に供給する。

このとき、インバータ５３は、風力発電部２及び蓄電手段５２と接続されていないため、上記固定電圧条件に代えて、光発電部３の発電電力が最大となる電圧条件で交流変換を行うように制御手段５５に制御される。なお、インバータ５３と電気的に分離されている風力発電部２及び蓄電手段５２の間では、コンバータ５１により変換された直流電力により蓄電手段５２が充電される。

以上説明したように、本発明に係る混成型発電装置によれば、風力発電と光発電（太陽光発電）との双方において、最適な条件で発電を行うことが可能となる。また、風力発電と光発電を一体の装置で行うことができるため小型化が可能であり、家庭用の混成型発電装置として好適である。

なお、上記構成において、導風路２３は、支持台４３に対して着脱可能に支持させてもよい。この場合、風力発電部２及び光発電部３と、制御部５とを電気的に接続する配線にはコネクタ等が介在され、導風路２３を支持台４３から完全に離脱することができる構成にする。これにより、支持台４３から導風路２３を離脱することができるため、暴風時等に混成型発電装置の破損を容易に防止することができる。

また、上記支持部材４１がヒンジ４５等を備えることにより、導風路２３が支持台４３に対して傾倒可能となる構成を採用してもよい。本構成によれば、図８（ａ）に示すように、導風路２３の気流開口面２３１を、支持面４３ａに平行になる状態とすることで、暴風時の混成型発電装置の破損を回避することができる。また、本構成は、非使用時の占有スペースを小さくすることができるため、携帯型の混成型発電装置として好適である。

さらに、上記構成において、上記導風路２３が気流導入口２３１を気流１５に対峙する方向に自律的に回転する構成を採用することも可能である。このような構成は、例えば、図８（ｂ）に示すように、支持部材４１よりも上方に位置する部材の質量重心を、導風路２３の回転軸上に位置させるとともに、導風路２３の回転軸よりも気流導出口２３２側に、鉛直面からなる方向翼２７を気流導入口２３１の開口面に直交させて配置することにより実現することができる。あるいは、混成型発電装置が、風向計等の気流の向きを検知する風向検出手段を備えるとともに、当該風向検出手段の検知結果に基づいて、気流導入口２３１が気流に対峙するように、軸受４２に支持された支持部材４１を回転させる駆動手段を備える構成としてもよい。

なお、上記実施の形態で例示した、回転翼２１及び発電手段２２は具体例を示したものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。回転翼２１は気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する機能を有していればよく、当該機能を有する任意の構造を採用することができる。また、発電手段２２は、回転翼が発生した回転エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有していればよく、当該機能を有する任意の構造を採用することができる。

また、上記反射膜２４は、導風路２３の内面に形成されることは必須ではなく、透光性材料からなる導風路２３の外面に反射膜が形成された場合であっても同様の効果を得ることができる。さらに、上記では、光発電手段３１に向けて光を反射する反射面を反射膜２４及び反射膜４４により構成したが、当該反射面は反射膜２４、４４に代えて、反射膜２４、４４と等価な反射面を有する反射板により構成することもできる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の一実施の形態にかかる混成型発電システムについて説明する。図９は、本発明の１実施に形態に係る混成型発電システムを示す斜視図である。また、図１０は、図９のフレーム部のみを示す図であり、図１１、図１２、及び図１３は、それぞれ、混成発電ユニット、風力発電ユニット、光発電ユニットを示す図である。なお、図９及び図１２（ａ）では、風力発電ユニットは回転翼２１の回転面のみを図示している。

図９に示すように、本発明に係る混成型発電システム６は、アルミニウムパイプ等の中空部材からなる支柱により構成された立方体型のフレーム６０に、混成発電ユニット７１、風力発電ユニット７２、及び光発電ユニット７３の中から任意に選択された発電ユニット７１、７２、７３（以下、各発電ユニットを区別する必要がない場合は、発電ユニット７という。）が着脱可能に支持される構造を有する。

フレーム６０の各支柱６１を構成する中空部材の形状は、任意の形状を採用することができるが、本実施の形態では、図１０（ａ）に示すように、各支柱６１は四角柱としている。また、各支柱６１の長さ方向の中央部の各面には、接続穴６２が形成されており、発電ユニット７が各支柱６１により構成された６つの支持面６３（図１０（ｂ）に示す上部支持面６３ａ、側部支持面６３ｂ（４面）、及び下部支持面６３ｃ）に装着される。なお、図９では、図面が煩雑になることを避けるため、側部支持面６３ｂのみに発電ユニット７が支持された状態を示している。また、図１０（ａ）では、各支柱６１の全面に接続穴６２を設けているが、当該接続穴６２は、各支柱６１において支持面６３を構成する面のみに形成されていてもよい。

また、本実施の形態の混成型発電システム６は、風力発電と光発電とにより発電された電力を補完的に使用するための制御部を備えるが、当該制御部の構成及び動作は、上記第１の実施の形態において説明した制御部５と同様であるため、ここでの説明は省略する。

以下、各発電ユニット７について、詳細に説明する。図１１から図１３に示すように、各発電ユニット７は、共通の枠体７４を備えている。当該枠体７４は、フレーム６０と同様にアルミパイプ等の中空部材からなり、フレーム６０の各支持面６３内に配置可能な外形を有する。枠体７４の形状は特に限定されるものではないが、本実施の形態では、正方形の枠体７４を採用している。

枠体７４は、対向する二組の辺のうちの一組に、枠体７４の外方に突出するとともに、フレーム６０の接続穴６２に符合する接続軸７５を備えている。そして、当該接続軸７５が接続穴６２に嵌合されることにより、各発電ユニット７がフレーム６０に装着される。

図１１に示すように、混成発電ユニット７１は、上記第１の実施の形態で説明した風力発電部２と光発電部３とを備え、導風路２３の気流導入口２３１の開口面において対向する位置に設けられた支持軸７６を介して、導風路２３が枠体７４に固定されている。また、風力発電部２、及び光発電部３において発電された電力を伝送する配線は、枠体７４を構成する中空部材の中空部に引き込まれ、両接続軸７５の先端に設けられた接続電極８１（後述する）に接続されている。ここでは、風力発電部２で発電された電力を伝送する配線が一方の接続軸７５の接続電極８１に接続され、光発電部３で発電された電力を伝送する配線が、他方の接続軸７５の接続電極８１に接続される。なお、風力発電部２の発電手段２２は、図７において説明したコンバータ５１を備えており、発電手段２２において発電された電力を伝送する配線には、直流電力が出力される。

また、図１２（ａ）に示すように、風力発電ユニット７２は、第１の実施に形態で説明した回転翼２１及び発電手段２２が複数設けられた中空のシャフト７７が、枠体７４に複数設けられた構造を有する。ここでは、図１２（ｂ）の側面図に示すように、ケース２２１とシャフト７７とは一体に形成されており、シャフト７７の内部に配置された配線７８が、当該シャフト７７に支持された各発電手段２２により発電された電力を伝送する。そして、各シャフト７７の各配線７８は、枠体７４を構成する中空部材の中空部を通じて、両接続軸７５の先端に設けられた後述の接続電極８１の一方に接続されている。また、各ケース２２１は、図７に示したコンバータ５１を備えており、配線７８には直流電力が出力される。

さらに、図１３に示すように、光発電ユニット７３は、第１の実施の形態において説明した光発電手段３１が、上記枠体７４に複数支持された構造を有する。また、各光発電手段３１において発電された電力は、図３及び図４に示したように、配線３１８、３１９を介して出力される。これらの配線３１８、３１９は、混成発電ユニット７１及び風力発電ユニット７２と同様に、枠体７４を構成する中空部材の中空部を通じて両接続軸７５の先端に設けられた接続電極８１の一方に接続されている。

なお、図１２（ａ）、図１３では、各シャフト７７、及び各光発電手段３１が、接続軸７５と平行な方向に等間隔で配置された例を示しているが、シャフト７７及び光発電手段３１の配置方向、及び配置間隔は任意に設計することが可能である。同様に、シャフト７７において、回転翼２１及び発電手段２２の配置も任意に設計することができる。

ここで、接続軸７５と接続穴６２との接続機構の一例を、図１４に示す要部拡大図に基づいて説明する。接続軸７５の先端には、当該接続軸７５に支持される発電ユニット７が出力する電力の伝送に必要な極性数の接続電極８１が設けられている。上述したように、本実施の形態では、各発電ユニット７において発電された電力は直流電力として伝送される。このため、接続電極８１は、図１４に示すように、接続軸７５の接続面７５ａに設けられた正極と負極に対応する一対の突出電極８１ａ、８１ｂで構成することができる。

一方、当該接続軸７５が嵌合される接続穴６２には、接続軸７５が接続穴６２に挿入された際に、突出電極８１ａ、８１ｂが挿入される凹部６４ａ、６４ｂを備えたソケット６４が配置される。当該ソケット６４は、突出電極８１ａ、８１ｂの挿抜方向、すなわち、接続軸７５の挿抜方向に沿って移動可能に支柱に支持されるとともに、ばね等の付勢手段６５により接続軸７５の挿入に抗する方向に付勢されている。

また、凹部６４ａ、６４ｂの表面には、それぞれ、導体により構成された複数の接点６６が設けられており、当該接点６６に、フレーム６０の支柱６１の中空部に配設された配線６７が接続されている。当該配線６７により、各発電ユニット７と図７に示した制御部５とが電気的に接続されている。

本構成では、各発電ユニット７の枠体７４が備える一方の接続軸７５を接続穴６２に挿入してソケット６４押し下げるとともに、他方の接続軸７５を当該接続穴６２と対向する接続穴６２に挿入することで、対向する接続穴６２に設けられた２つのソケット６４の間に発電ユニット７が支持される。このとき、接続電極８１には、ソケット６４の接点６６が当接し、各発電ユニット７が発電した電力を伝送する配線８２と配線６７とが電気的に接続される。

また、上記ソケット６４及び付勢手段６５は、接続軸７５の挿抜方向に沿った軸心周りに回転可能な軸受６８に支持されることが好ましい。これにより、支持面６３に装着された発電ユニット７を、当該支持面６３に対して傾倒させることが可能となり、例えば、風力発電ユニット７２を装着した場合に、風力発電ユニット７２の回転翼２１を気流に対峙する方向に向けることが可能となる。

ところで、図７で説明したように、風力発電と光発電と利用する混成発電では、蓄電手段７２が低充電状態である場合に、光発電部３を最大効率で発電させるため、風力発電により発電された電力と、光発電により発電された電力とが、それぞれ独立して制御部５に入力されることが好ましい。

このため、本実施の形態の混成発電システム６では、支持面６３において対向する位置に設けられた一方のソケット６４と、制御部５の風力発電に対応する配線とを接続し、他方のソケット６４と、制御部５の光発電に対応する配線とを接続している。また、上述したように、各発電ユニット７では、一方の接続軸７５を介して風力発電により発電された電力が伝送され、他方の接続軸７５を介して光発電により発電された電力が伝送される。これにより、本実施の形態の混成発電システム６は、風力発電及び光発電により発電された電力を、それぞれ独立して制御部に伝送することが可能になっている。

なお、各支持面６３において、発電ユニット７を組替える際に、風力発電に対応する接続電極と光発電に対応するソケット６４とが接続される等の誤接続を回避するため、風力発電に対応する接続電極８１（及びソケット６４）と、光発電に対応する接続電極８１（及びソケット６４）とは、異なる形状であることが好ましい。

さて、上記構成を有する混成型発電システム６は、その設置場所に応じて、フレーム６０の各支持面６３に装着する発電ユニット７を任意に選択し、組替えることが可能である。

例えば、年間を通じて気流の発生が期待できる環境では、図１５（ａ）に示すように、側部支持面６３ｂの１つに混成発電ユニット７１を装着して、他の３つの側部支持面６３ｂに風力発電ユニット７２を装着する。また、上部支持面６３ａ及び下部支持面６３ｃには、光発電ユニット７３を装着する構成とする。そして、このように構成した混成型発電システム６の混成発電ユニット７１の気流導入口２３１を南方向に向けて、当該混成発電システム６を設置すればよい。

また、季節に応じて気流の発生頻度が変化するような環境では、気流の発生が期待できる時期には、上記構成の混成発電システム６とし、気流の発生が期待できない時期には、側部支持面６３ｃに装着していた風力発電ユニット７２に代えて、光発電ユニット７３を装着すればよい。この場合、フレーム６０の下方に、光発電手段３３１が光電変換を行う波長域の光を上方に拡散反射する反射面を設けることが好ましい。

さらに、フレーム６０の上側支持面６３ａには、図１５（ｂ）に示すように、上記第１の実施の形態において説明した支持台４３に支持された混成型発電装置１からなる上部混成発電ユニット７９を配置する構成としてもよい。なお、本実施の形態の混成型発電システム６は、全発電ユニット７が接続される共通の制御部５を備えているため、上部混成発電ユニット７９は制御部５を備える必要はない。加えて、上昇気流や下降気流の発生が期待できる環境では、上部支持面６３ａ及び下部支持面６３ｂに風力発電ユニット７２を装着してもよい。

以上説明したように、本発明に係る混成発電システムでは、限られた配置スペースの中で、周囲環境に応じた最適な発電ユニット７を組み合わせて混成型発電システム６を構成することができる。また、各支持面６３に、発電ユニット７を容易に着脱できるため、各発電ユニット７をフレーム６０から離脱させておけば、暴風等による発電ユニット７の破損を回避することもできる。

また、暴風等による発電ユニット７の破損を回避する観点では、各発電ユニット７の接続軸７５を水平軸心として、フレーム６０に装着しても良い。この場合、各発電ユニット７の枠体７４が略水平なる角度に各支持面６３に支持された発電ユニット７を回転させることで、暴風による発電ユニット７の破損を回避することができる。さらに、上記混成発電ユニット６が、風力計等の風力検出手段を備えるとともに、当該風力検出手段の検知結果に基づいて、駆動手段（傾倒角変更手段）が、暴風時に、各支持面６３に支持された発電ユニット７を傾倒させる構成としても良い。

なお、本発明の混成型発電システム６は、上述のフレーム６０を１つで使用する必要はなく、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、複数のフレーム６０を重ねて、あるいは、複数のフレーム６０を並べて、相互に連結して使用することも可能である。このとき、各フレーム６０と制御部５との電気的接続は、各ユニット６０を構成する各支柱６１の接続穴６２（図１０参照。）に設けられたソケット６４を利用して、隣接するフレーム６０の風力発電に対応する配線、及び光発電に対応する配線を、それぞれ相互に連結すればよい。あるいは、各フレーム６０の風力発電に対応する配線、及び光発電に対応する配線をそれぞれ個別に制御部５に連結してもよい。なお、この場合、最上部に配置されたフレーム６０の上部支持面６３ａに、上部混成発電ユニット７９を配置することができる。

また、上記構成において、混成発電ユニット７１（及び上部混成発電ユニット７９）は、第１の実施の形態において説明した手法により、気流導入口２３１を気流に対峙する方向に自律的に回転する構成にしてもよい。同様に、風力発電ユニット７２は、回転翼２１の回転面を気流に対峙する方向に自律的に回転する構成にしてもよい。特に、本実施の形態の構成では、複数の発電ユニット７を同時に回転させる状況が生じる。このため、混成型発電システム６が、風向計等の気流の向きを検知する風向検出手段を備えるとともに、当該風向検出手段の検知結果に基づいて、駆動手段（傾倒角変更手段）が、混成発電ユニット７１の気流導入口２３１及び風力発電ユニット７２の回転翼２１を気流に対峙する方向に傾倒させる構成とすることが好ましい。

また、本実施の形態では、各発電ユニット７が備える枠体７４を１つの軸心周りに回転可能に支持面６３に装着する構成であるため、気流に対峙させる傾倒と、水平への傾倒とを同一の構成で行うことができない。このため、図１７に示すように、枠体７４が、枠体７４が形成する面内で、接続軸７５と垂直な軸心９２の周りに回転可能な第２の枠体９１を備える構成を採用してもよい。これにより、各発電ユニット７は、２つの軸心周りで傾倒することが可能となり、気流に対峙する方向への傾倒と、暴風時の水平への傾倒とを同一の構成で行うことが可能となる。

本発明は、風力発電と光発電との双方において、最適条件での発電を行わせることが可能であり、風力と光を利用して発電を行う混成型の発電装置及び発電システムとして有用である。

本発明の混成型発電装置を示す正面図。 本発明の混成型発電装置を示す側面図。 本発明が備える光発電手段を示す図。 本発明が備える光発電手段の断面図。 本発明の混成型発電装置の発電状態を示す図。 本発明の混成型発電装置の発電状態を示す図。 本発明が備える制御部の概略回路図。 本発明の混成型発電装置を示す斜視図。 本発明の混成型発電システムを示す斜視図。 本発明の混成型発電システムが備えるフレームを示す斜視図。 本発明の混成型発電システムが備える混成発電ユニットを示す図。 本発明の混成型発電システムが備える風力発電ユニットを示す図。 本発明の混成型発電システムが備える光発電ユニットを示す図。 本発明の発電ユニットとフレームとの接続機構を説明する断面図。 本発明の混成型発電システムの設置例を示す図。 本発明の混成型発電システムの設置例を示す図。 本発明の混成型発電システムが備える風力発電ユニットの変形例を示す図。

符号の説明

１ 混成型発電装置
２ 風力発電部
３ 光発電部
５ 制御部
６ 混成型発電システム
７ 発電ユニット
１０ 太陽光
１１ 反射光
１２ 間接光
１３ 反射光
１５ 気流
２１ 回転翼
２２ 発電手段
２３ 導風路
２４ 反射膜（反射面）
２６ 透過窓
３１ 光発電手段
４２ 軸受
４３ 支持台
６０ フレーム
６１ 支柱
６２ 接続穴
６３ 支持面
６４ ソケット
６５ 付勢手段
６６ 接点
７１ 混成発電ユニット
７２ 風力発電ユニット
７３ 光発電ユニット
７４ 枠体
７５ 接続軸
７７ シャフト
７８ 配線
７９ 上部混成発電ユニット
２３１ 気流導入口
２３２ 気流導出口
３１１ 光電変換手段
３１２ 光電変換部
３１５ 貫通孔

Claims (14)

1. 気流と光とを利用して発電を行う混成型発電装置において、
   前記気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する回転翼と、
   前記回転エネルギーにより発電を行う発電手段と、
   前記気流を前記回転翼に誘導する導風路と、
   前記導風路に設けられ、特定方向の断面において、全周に、前記光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換部を備えた光電変換手段が、前記断面に垂直な方向に複数連結された線状の光発電手段と、
   を備えたこと特徴とする混成型発電装置。
2. 前記導風路が、前記光発電手段に向けて前記光電変換部が光電変換を行う波長域の光を反射する反射面を備えた請求項１に記載の混成型発電装置。
3. 前記反射面が、前記導風路の内面に形成された反射膜である請求項２に記載の混成型発電装置。
4. 前記導風路が、前記光電変換部が光電変換を行う波長域の光を透過させる透光性材料からなる透過窓を備えた請求項２に記載の混成型発電装置。
5. 前記光電変換手段の形状が、球体、円柱体、または、表面が波面からなる柱体である請求項１から３のいずれかに記載の混成型発電装置。
6. 前記導風路は、気流導入口から気流導出口に向かうにしたがって、気流の流路が狭窄する形状を有し、前記気流導入口に複数の前記光発電手段が設けられるとともに、前記気流導出口に前記回転翼が設けられた請求項１から３のいずれかに記載の混成型発電装置。
7. 前記導風路は、対向する位置に設けられた前記気流導入口と前記気流導出口との間が球面で連結された略半球体である請求項６に記載の混成型発電装置。
8. 前記導風路が、前記気流導入口を鉛直軸心周りで回転可能に支持台に支持された請求項６または７に記載の混成型発電装置。
9. 前記導風路は、当該導風路の回転面に対して、前記気流導入口の開口面を傾倒可能に支持された請求項８に記載の混成型発電装置。
10. 気流と光とを利用して発電を行う混成型発電システムであって、
    請求項１から７のいずれかに記載の混成型発電装置を備えた混成発電ユニットと、
    前記気流のエネルギーを回転エネルギーに変換する複数の回転翼と、当該複数の回転翼にそれぞれ連結され、各回転翼が変換した回転エネルギーにより発電を行う複数の発電手段とを備え、主として、前記気流のエネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電ユニットと、
    複数の前記光発電手段を備え、主として、前記光エネルギーを電気エネルギーに変換する光発電ユニットと、
    前記各発電ユニットを交換自在に支持する支持面を、複数の方位に有するフレームと、
    を備えた混成発電システム。
11. 前記各支持面に、前記各発電ユニットから選択されたいずれかの発電ユニットが、特定面に対して傾倒可能に支持される請求項１０に記載の混成発電システム。
12. 前記各支持面に支持された発電ユニットは、鉛直面に対して傾倒可能であるとともに、
    前記気流の向きを検知する風向検出手段と、
    前記風向検出手段の検知結果に応じて、前記発電ユニットの傾倒角を変更する傾倒角変更手段と、
    を備えた請求項１１に記載の混成発電システム。
13. 前記各支持面に支持された発電ユニットは、水平面に対して傾倒可能であるとともに、
    前記気流の大きさを検知する風力検出手段と、
    前記風力検出手段の検知結果に応じて、前記各支持面に支持された発電ユニットの傾倒角を変更する傾倒角変更手段と、
    を備えた請求項１１に記載の混成型発電システム。
14. 前記フレームを単位として、複数の前記フレームが、水平方向と垂直方向との少なくとも一方または両方に、相互に連結可能に構成された請求項１０に記載の混成発電システム。
    
    

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