JP2011122508A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】増速機を使用することなく、風車の低速回転の際の発電効率の低下への対処を行った、構造が簡単で発電効率のよい風力発電装置を提供する。
【解決手段】大気流通環境下で互いに反対向きに同軸回転するように支持された第１の風車１及び第２の風車２と、発電機３とを備える風力発電装置。第１の風車１は第１の翼体１１および第１の回転軸１２からなり、第２の風車２は第２の翼体２１および第２の回転軸２２からなる。発電機３は、第１の回転軸１２に接続された界磁３１、第２の回転軸２２に接続された電機子３２、および電機子３２から発電電力を取り出す集電子３３を備える。第１の回転軸１２と第２の回転軸２２との間にクラッチ６が介在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関するものであり、特に流体流通環境下で回転せしめられる翼車により界磁と電機子との相対運動を発生させて発電電力を得る発電装置に関するものである。このような発電装置は、たとえば流体流通が風であり翼車として風車を用いる風力発電装置または流体流通が水流であり翼車として水車を用いる水力発電装置として実現される。

近年、環境保護のための二酸化炭素排出抑制が広く要請されており、また化石燃料の枯渇が懸念されており、このため化石燃料以外のエネルギー源の利用が推進されている。発電においても、化石燃料の燃焼により発生する熱エネルギーを利用し従って二酸化炭素排出を伴う火力発電の比率を低くし、二酸化炭素排出を伴わない発電の比率を高めることが望まれている。二酸化炭素排出を伴わない発電としては、風または水流といった流体流通の自然エネルギーを利用して翼車を回転させることで界磁と電機子との相対運動を発生させて発電電力を得る風力発電及び水力発電がある。

以上のように流体流通環境下での翼車の回転に基づき発電機を駆動する場合には、翼車の回転数が低すぎると発電機において良好な効率で発電電力を得ることができない。このため、この種の発電装置たとえば風力発電装置においては、翼車の回転軸（出力軸）に増速機を連結し、回転数を高めた増速機出力を得、この増速機出力により界磁に対して電機子を相対回転させて発電効率を高めるようにしている。このような増速機を用いた風力発電装置に関しては、たとえば特許文献１および２に記載がある。

一方、増速機を使用することなく発電出力を高めるようにした風力発電装置が、特許文献３に記載されている。

特開２００７−４６５７４号公報 特開２００８−３８７５１号公報 特開２００５−１９４９１８号公報

上記特許文献１および２に記載の風力発電装置では、増速機を用いるので、装置構成が複雑になり、小型化が困難である。一方、上記特許文献３に記載の風力発電装置では、増速機を用いないので、その分装置構成が簡単化される。

しかしながら、特許文献３に記載の風力発電装置では、第１風車と第２風車とを同軸に配置し且つ互いに反対向きに回転させることで、下流側の風車の回転が促進されるという作用効果を得ているのであり、ここでは２つの風車にそれぞれ別々の発電機を接続している。

従って、特許文献３に記載の風力発電装置は、２つの風力発電装置を配列したものに該当し、風車の低速回転の際の発電効率の低下への対処はなされていない。

本発明の目的は、以上のような技術的課題に鑑みて、増速機を使用することなく、翼車の低速回転の際の発電効率の低下への対処を行った、構造が簡単で発電効率のよい発電装置を提供することにある。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
流体流通環境下で互いに反対向きに同軸回転するように支持された第１の翼車及び第２の翼車と、
前記第１の翼車の回転軸及び前記第２の翼車の回転軸のうちの一方の回転軸に接続された界磁および他方の回転軸に接続された電機子を含んでなる発電機と、
を備えることを特徴とする発電装置、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記発電装置は、更に、前記第１の翼車の回転軸と前記第２の翼車の回転軸との間に介在するクラッチを備える。本発明の一態様においては、前記発電機は、前記電機子から発電電力を取り出す集電子を備える。本発明の一態様においては、前記界磁は永久磁石からなる。本発明の一態様においては、前記界磁は電磁石からなり、前記発電機は、更に、前記電磁石へと磁化用電流を供給する給電子を備える。

本発明によれば、翼車の回転数が低い場合においても増速機を要せずに効率的な発電が可能な発電装置が提供される。

本発明による発電装置の第１の実施形態の要部を示す模式的構成図である。 図１の実施形態の模式的斜視図である。 本発明による発電装置の第２の実施形態の要部を示す模式的構成図である。 図３の実施形態の模式的斜視図である。 本発明による発電装置の第３の実施形態の要部を示す模式的構成図である。 図５の実施形態の模式的斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明による発電装置の第１の実施形態の要部を示す模式的構成図であり、図２は本実施形態の模式的斜視図である。

本実施形態の発電装置は、風力発電装置であり、第１の風車（第１の翼車）１及び第２の風車（第２の翼車）２を備えている。第１の風車１は、２つの第１の翼体（第１のブレード）１１および該翼体を支持する第１の回転軸１２からなる。第１の翼体１１は、第１の回転軸１２を中心として互いに反対向きに延びている。第２の風車２は、２つの第２の翼体（第２のブレード）２１および該翼体を支持する第２の回転軸２２からなる。第２の翼体２１は、第２の回転軸２２を中心として互いに反対向きに延びている。第２の回転軸２２は、スリーブ状をなしており、第１の回転軸１２の外側に位置する。第１の回転軸１２の回転中心は第２の回転軸２２の回転中心と合致している。以下、これらの回転中心を、単に回転軸回転中心と称する。

第１の風車１及び第２の風車２は、流体流通すなわち大気流通たる風の環境下で、互いに反対向きに同軸回転するように支持されている。この反対向きの同軸回転は、回転軸回転中心と各第１の翼体１１の延在方向とを通る平面に対する当該第１の翼体１１の傾きの方向と、回転軸回転中心と各第２の翼体２１の延在方向とを通る平面に対する当該第２の翼体２１の傾きの方向とが、回転軸回転中心の周りの周方向に関し互いに逆向きであること、すなわち第１の翼体１１と第２の翼体２１とが逆ピッチであること、に基づいている。かくして、第１の風車１と第２の風車２とは、二重反転風車を構成する。

本実施形態の発電装置は、更に、第１及び第２の風車１，２に接続された発電機３を備えている。発電機３は、界磁３１および電機子３２を含んでなる。界磁３１は、第１の風車１の第１の回転軸１２に接続されている。電機子３２は、第２の風車２の第２の回転軸２２に接続されている。界磁３１と電機子３２とは回転軸回転中心の方向に関して同一の位置に配置されている。

界磁３１としては、一般の発電機で使用されるものと同様のものが使用でき、たとえば永久磁石からなるものや電磁石からなるものを使用することができる。電磁石からなる界磁３１を使用する場合には、第１の回転軸１２を介して電磁石へと磁化用電流を供給するために、電磁石に接続され且つ第１の回転軸１２に形成された通電路（不図示）に接触する給電子（不図示）を用いる。

電機子３２としては、一般の発電機で使用されるものと同様のコイルからなるものが使用できる。

発電機３は、電機子３２から発電電力を取り出す集電子３３を備えている。集電子３３としては、一般の発電機で使用されるものと同様のものが使用でき、たとえば、電機子３２に接続され且つ第２の回転軸２２に形成された通電路（不図示）に接触するものを用いることができる。

図２に示されるように、本実施形態の発電装置は、支柱４、および該支柱に対して垂直方向の周りで相対回転可能に取り付けられたナセル５を有する。上記第１の回転軸１２および第２の回転軸２２は、界磁３１および電機子３２と共に、ナセル５内にて、水平方向の周りで回転可能なように支持されている。ナセル５には方向蛇５ａが付設されている。これにより、回転軸回転中心の方向を風向きの方向に合致させるように、支柱４に対するナセル５の垂直方向の周りでの回転位置が設定される。

尚、図１に示されるように、第１の回転軸１２と第２の回転軸２２との間には、クラッチ６が介在している。該クラッチ６を結合状態（ＯＮ状態）とすることで、第１の回転軸１２と第２の回転軸２２との間の相対回転を阻止することができる。

以下、本実施形態の発電装置の動作を説明する。

方向蛇５ａに対する風の作用により、支柱４に対するナセル５の垂直方向の周りでの回転位置が設定され、回転軸回転中心の方向が風向きの方向に合致する。

クラッチ６を解結合状態（ＯＦＦ状態）とすることで、風を受けて、第１の風車１は回転軸回転中心の周りで第１の向きＡに回転数Ｒ１で旋回し、第２の風車２は回転軸回転中心の周りで第２の向きＢに回転数Ｒ２で旋回する。第２の向きＢは第１の向きＡと反対である。これにより、発電機３において、界磁３１と電機子３２とが回転軸回転中心の周りで相対回転する。この相対回転の回転数はＲ１＋Ｒ２となる。回転数Ｒ１と回転数Ｒ２とがほぼ等しいとすれば、界磁３１と電機子３２との相対回転の回転数は第１および第２の風車１，２の回転数の約２倍となる。

一方の風車が単独で発電機を駆動する場合には、界磁３１および電機子３２のうちの一方が静止状態であるため、これらの間の相対回転の回転数は風車の回転数と同一である。この場合において、風車回転数が低いと、発電機での発電効率が不十分となる。

これに対して、上記本発明実施形態においては、第１および第２の風車１，２のそれぞれ単独での回転数が低い場合であっても、単独回転数の約２倍の相対回転数にて発電機３を駆動することができるので、発電機での発電効率が高められる。本発明実施形態に属する或る実施例では、上記の単独風車による発電機駆動の比較例に比べて、約１．７倍の発電出力を得ることができた。発電電力は、集電子３３を介して出力される。

以上のように、本発明では、１つの発電機を用い構造が簡単であるにも拘わらず、発電効率を向上させることができるので、小型で高効率の発電装置の実現が容易になり、実用上の利点は大きい。

尚、クラッチ６をＯＮ状態とすることで、第１および第２の風車１，２が一体化され、これらの相対回転ひいては発電機３における界磁３１と電機子３２との相対回転が阻止され、発電は停止する。運転停止時または異常発生時（たとえば風力が強くなりすぎて相対回転数が高くなりすぎるような場合）に、クラッチ６をＯＮ状態とすることができる。

図３は本発明による発電装置の第２の実施形態の要部を示す模式的構成図であり、図４は本実施形態の模式的斜視図である。これらの図において、上記図１および図２におけると同様の機能を有する部材または部分等には同一の符号が付されている。

本実施形態は、第１の風車１１をナセル５の一方側に取り付け、第２の風車２１をナセル５の他方側に取り付けたことが、上記第１の実施形態と異なる。かくして、本実施形態において、第１の風車１と第２の風車２とは、反転タンデム風車を構成する。本実施形態においては、別途風向計により検知した風向きの方向に回転軸回転中心の方向を合致させるように、不図示の制御手段により支柱４に対するナセル５の垂直方向の周りでの回転位置を設定する。

本実施形態は、上記第１の実施形態と実質的に同様に動作し実質的に同一の作用効果を得ることができる。

図５は本発明による発電装置の第３の実施形態の要部を示す模式的構成図であり、図６は本実施形態の模式的斜視図である。これらの図において、上記図１乃至図４におけると同様の機能を有する部材または部分等には同一の符号が付されている。

本実施形態は、第１および第２の風車１１，２１をサボニウス型のものとし、且つ第１の風車１の第１の回転軸１２および第２の風車２の第２の回転軸２２の方向を垂直方向としたことが、上記第１の実施形態と異なる。かくして、本実施形態において、第１の風車１と第２の風車２とは、二重反転サボニウス風車を構成する。本実施形態においては、上記第１および第２の実施形態のような風向き方向と回転軸回転中心方向との合致のための可動機構を要することなく、発電が可能である。

本実施形態は、上記第１の実施形態と実質的に同様に動作し実質的に同一の作用効果を得ることができる。

以上の実施形態の発電装置は風力発電装置であるが、本発明は流体流通が水流であり翼車として水車を用いる水力発電装置として具体化することも可能である。

１ 第１の風車
１１ 第１の翼体
１２ 第１の回転軸
２ 第２の風車
２１ 第２の翼体
２２ 第２の回転軸
３ 発電機
３１ 界磁
３２ 電機子
３３集電子
４ 支柱
５ ナセル
５ａ 方向蛇
６ クラッチ
Ａ 第１の風車の回転の向き
Ｂ 第２の風車の回転の向き

Claims (5)

1. 流体流通環境下で互いに反対向きに同軸回転するように支持された第１の翼車及び第２の翼車と、
   前記第１の翼車の回転軸及び前記第２の翼車の回転軸のうちの一方の回転軸に接続された界磁および他方の回転軸に接続された電機子を含んでなる発電機と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
2. 前記発電装置は、更に、前記第１の翼車の回転軸と前記第２の翼車の回転軸との間に介在するクラッチを備えることを特徴とする、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記発電機は、前記電機子から発電電力を取り出す集電子を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記界磁は永久磁石からなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
5. 前記界磁は電磁石からなり、前記発電機は、更に、前記電磁石へと磁化用電流を供給する給電子を備えることを特徴とする、請求項１乃至３に記載の発電装置。

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