JP2016084708A - Energy storage device and wind power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自然エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵するエネルギー貯蔵装置に係り、詳しくは、風力発電等の自然エネルギーを利用した発電装置における電圧変動及び周波数変動等を抑制する技術に関する。 The present invention relates to an energy storage device that stores natural energy as rotational kinetic energy of a flywheel, and more particularly to a technique for suppressing voltage fluctuation, frequency fluctuation, and the like in a power generation device that uses natural energy such as wind power generation.
近年、自然エネルギーを利用した風力発電、太陽光発電等が、環境問題を考慮した発電方法として利用されている。しかし、風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電装置の出力は不安定であり、数秒から数十秒周期で変動している。このような電力は使いにくいだけでなく、既存の電力系統と連係した場合、電力系統に電圧変動や周波数変動を引き起こしたり、様々な悪影響を与える虞がある。そのため、風力発電などの自然エネルギーを積極的に導入していくには、周波数等の変動を抑制して出力を安定化させる必要がある。 In recent years, wind power generation, solar power generation and the like using natural energy have been used as power generation methods considering environmental problems. However, the output of a power generation device using natural energy such as wind power or sunlight is unstable and fluctuates at intervals of several seconds to several tens of seconds. Such electric power is not only difficult to use, but when linked with an existing electric power system, there is a risk of causing voltage fluctuations and frequency fluctuations in the electric power system and various adverse effects. Therefore, in order to actively introduce natural energy such as wind power generation, it is necessary to suppress fluctuations in frequency and stabilize the output.
風力発電の場合、自然の風力を利用するため、発電機を駆動させる風車の回転が一定しない。そのため、変速機を用いて風車の回転数を変速させることにより、一定量の電力を安定供給できるようにする技術が知られている(特許文献1)。 In the case of wind power generation, since natural wind power is used, the rotation of the windmill that drives the generator is not constant. For this reason, a technique is known in which a fixed amount of electric power can be stably supplied by shifting the speed of the windmill using a transmission (Patent Document 1).
これに対し、特許文献2は、風車の回転を増速装置により所定の回転数に増速して発電機を駆動するように構成された風力発電装置において、発電機の回転軸に発電機の回転変動を緩和するフライホイールを装着する構成を開示している。本構成により、回転運動エネルギーの蓄積、放出が可能で、回転変動を所要レベルまで緩和して、安定的な電力の供給を実現している。 On the other hand, Patent Document 2 is a wind power generator configured to drive a generator by increasing the rotation of a windmill to a predetermined rotational speed by a speed increasing device. The structure which mounts the flywheel which relieves rotation fluctuation | variation is disclosed. With this configuration, rotational kinetic energy can be stored and released, and fluctuations in rotation are reduced to a required level, thereby realizing stable power supply.
フライホイールは、蓄積エネルギー密度が高い、環境に優しい、長寿命などの特長があるため、発電能力の平準化、電力系統の安定度を向上する電力蓄蔵技術として利用可能である。しかしながら、フライホイールを発電機の回転軸に装着することで出力は安定するが、フライホイールの回転速度は、その中に蓄えた回転運動のエネルギー量に比例して変化する。従って、発電の周波数を安定化するため、可変速発電(電力変換)装置やインバータ装置などを別に設置する必要がある。さらに、インバータ装置などの電力変換装置は発熱が大きい(変換効率が低い)。 Since the flywheel has features such as high stored energy density, environmental friendliness, and long life, it can be used as a power storage technology that leveles the power generation capacity and improves the stability of the power system. However, although the output is stabilized by mounting the flywheel on the rotating shaft of the generator, the rotational speed of the flywheel changes in proportion to the amount of energy of the rotational motion stored therein. Therefore, in order to stabilize the frequency of power generation, it is necessary to separately install a variable speed power generation (power conversion) device, an inverter device, and the like. Furthermore, power converters such as inverter devices generate a large amount of heat (conversion efficiency is low).
また、出力電力の変動を抑制するためには、発電機と並列にエネルギー貯蔵装置を設置する方法も考えられる。自然エネルギーの増減に伴い、発電電力が大きい時にエネルギー貯蔵装置に電力を貯え、発電電力が小さくなった時にエネルギー貯蔵装置から電力を取り出すことで、電力系統には安定した電力を供給できる。一般的に、エネルギー貯蔵装置としては、バッテリー(蓄電池)が用いられるが、バッテリーの寿命は短く、廃棄する際に環境問題が発生する。 Moreover, in order to suppress the fluctuation | variation of output electric power, the method of installing an energy storage device in parallel with a generator is also considered. With the increase or decrease in natural energy, stable power can be supplied to the power system by storing power in the energy storage device when the generated power is large and taking out the power from the energy storage device when the generated power is small. Generally, a battery (storage battery) is used as an energy storage device, but the life of the battery is short, and environmental problems occur when it is discarded.
本発明は、前記事情に鑑みて成されたものであり、電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給可能なエネルギー貯蔵装置の提供を目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an energy storage device that can suppress voltage fluctuations and frequency fluctuations and can constantly supply a certain amount of power generation stably.
上記課題を解決するために、本発明のエネルギー貯蔵装置は、自然エネルギーにより回転駆動されるフライホイールを備え、自然エネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵する。
特に、本発明のエネルギー貯蔵装置は、前記フライホイールにトロイダル型無段変速機の入力軸を結合している。
In order to solve the above problems, an energy storage device of the present invention includes a flywheel that is rotationally driven by natural energy, and stores the natural energy as rotational kinetic energy of the flywheel.
In particular, in the energy storage device of the present invention, an input shaft of a toroidal continuously variable transmission is coupled to the flywheel.
また、本発明の風力発電装置は、自然エネルギーである風力を受けて回転するロータと、前記ロータの回転速度を増速する増速機と、発電機とを備え、前記増速機と前記発電機との間に、エネルギー貯蔵装置を設けている。 The wind power generator of the present invention includes a rotor that rotates by receiving wind power that is natural energy, a speed increasing device that increases the rotational speed of the rotor, and a power generator. An energy storage device is provided between the machines.
本発明によれば、増速機と発電機との間に、フライホイールとトロイダル型無段変速機とから成るエネルギー貯蔵装置を設けているので、電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給可能な発電装置を提供できる。
即ち、自然エネルギーである風力は、回転運動エネルギーとしてフライホイールに蓄積されるが、風速等の変化により、フライホイールに蓄積される運動エネルギー量(即ち、フライホイールの回転速度)は変動する。そして、風力エネルギーの変動をフライホイールで吸収した後、変速比が連続的に調整できるトロイダル型無段変速機を介することにより、発電機へ安定した回転速度の回転エネルギーを伝達することができる。この様に、一般的な発電機により、常に安定的に電力を発電することができる。しかも、フライホイールとトロイダル型無段変速機は機械製品であり、バッテリー等の電気化学製品によりも安価で環境に優しく、小型で寿命も長い。
According to the present invention, since the energy storage device including the flywheel and the toroidal continuously variable transmission is provided between the speed increaser and the generator, voltage fluctuation and frequency fluctuation are suppressed, and constant power generation is achieved. It is possible to provide a power generation device that can always supply the amount stably.
That is, wind power, which is natural energy, is stored in the flywheel as rotational kinetic energy, but the amount of kinetic energy stored in the flywheel (that is, the rotational speed of the flywheel) varies due to changes in wind speed and the like. And after absorbing the fluctuation | variation of a wind energy with a flywheel, the rotational energy of the stable rotational speed can be transmitted to a generator through the toroidal type continuously variable transmission which can adjust a gear ratio continuously. In this way, electric power can always be stably generated by a general generator. Moreover, the flywheel and the toroidal type continuously variable transmission are mechanical products, are cheaper and more environmentally friendly than electrochemical products such as batteries, are small and have a long life.
図1は、本発明の実施形態に係るエネルギー貯蔵装置を備えた風力発電装置1の概略構成図である。図示のように、風力発電装置1は、風力を受けて回転するブレード2と、ブレード2と一体で回転するロータ3と、ロータ3の回転軸4aに結合され且つ回転軸4aの回転速度を増速する増速機5と、増速機5により増速された回転軸4bに結合されたフライホイール6と、回転軸4bに結合され且つフライホイール6の回転速度を調整するトロイダル型無段変速機7と、トロイダル型無段変速機7により安定した一定の回転速度に調整された回転軸4cに結合された発電機8と、を備えている。そしてフライホイール6とトロイダル型無段変速機7とによりエネルギー貯蔵装置10を構成している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a wind turbine generator 1 including an energy storage device according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the wind power generator 1 is coupled to a blade 2 that rotates by receiving wind force, a rotor 3 that rotates integrally with the blade 2, and a
増速機5は、変速比が可変な可変変速比型の増速装置であり、風力により回転駆動される回転軸4aの回転速度を発電に適した回転速度にまで増速すると共に、ブレード2により発生した回転エネルギーを、回転軸4bの回転速度を変更することによりフライホイール6に蓄積している。
フライホイール6は、鋼等の金属を素材としており、外周部の厚みを大きくすることで回転時のモーメントを大きくし、これにより、大きな運動エネルギーを貯蔵可能としている。尚、フライホイール6と空気との摩擦抵抗を少なくするため、フライホイール6をハウジングに収納して真空引きすることもできる。
また、回転軸4bは、摩擦抵抗が小さい深溝玉軸受、或いは磁気軸受により回転自在に支持されている。
The speed increaser 5 is a variable speed ratio type speed increasing device with a variable speed ratio. The speed increaser 5 increases the rotational speed of the
The flywheel 6 is made of a metal such as steel, and the moment at the time of rotation is increased by increasing the thickness of the outer peripheral portion, so that large kinetic energy can be stored. In order to reduce the frictional resistance between the flywheel 6 and air, the flywheel 6 can be housed in a housing and evacuated.
Further, the rotating
トロイダル型無段変速機7は、図2に示す様に、回転軸4bに結合される入力軸21と同心に入力側ディスク22を固定し、入力軸21と同心に配置されて回転軸4cに結合される出力軸23に出力側ディスク24を固定している。トロイダル型無段変速機7を納めたケーシング(不図示)の内側には、入力軸21並びに出力軸23に対し捻れの位置にある枢軸(傾転軸)25を中心として揺動する1対のトラニオン26が設けられている。各トラニオン26には、パワーローラ31が回転自在に支持されており、各パワーローラ31は、入力側ディスク22および出力側ディスク24の間に挟持(転接)されている。
As shown in FIG. 2, the toroidal continuously
入力側ディスク22および出力側ディスク24の互いに対向する周面の断面は、それぞれ、枢軸25を中心とする円弧或いはこのような円弧に近い曲線を回転させて得られる凹面を成している。そして、球状の凸面形状に形成された各パワーローラ31の周面が、入力側ディスク22および出力側ディスク24の各周面に当接されている。
The cross sections of the circumferential surfaces of the
このような構成のトロイダル型無段変速機7においては、入力軸21を回転させると、入力軸21に固定された入力側ディスク22が回転する。入力側ディスク22の回転が、各パワーローラ31を介して、出力側ディスク24に伝達され、この出力側ディスク24に固定された出力軸23が回転する。
In the toroidal type continuously
入力軸21と出力軸23の回転速度を変える場合であって、入力軸21と出力軸23との間で増速を行なう場合には、枢軸25を中心として各トラニオン26を揺動させ、各パワーローラ31の周面が、図2に示すように、入力側ディスク22の周面の外周寄り部分と、出力側ディスク24の周面の中心寄り部分とにそれぞれ当接するように、各トラニオン26を傾斜させる。
反対に、減速を行なう場合には、各トラニオン26を揺動させ、各パワーローラ31の周面が、入力側ディスク22の周面の中心寄り部分と、出力側ディスク24の周面の外周寄り部分とにそれぞれ当接するように、各トラニオン26を傾斜させる。各トラニオン26の傾斜角度を、減速時と増速時の中間にすれば、入力軸21と出力軸23との間で、中間の変速比が得られる。
When the rotational speed of the
On the other hand, when decelerating, each
本実施形態の風力発電装置1では、増速機5と発電機8との間に、エネルギー貯蔵装置であるフライホイール6とトロイダル型無段変速機7が連結され、風力エネルギーがフライホイール6に回転運動エネルギーとして貯蔵されるようになっている。このような構成によれば、風が弱い時に、フライホイール6に貯蔵されている運動エネルギーを発電機8に供給することにより、電力供給を安定化させることができる。
In the wind turbine generator 1 of the present embodiment, a flywheel 6 that is an energy storage device and a toroidal continuously
具体的には、風が強い時には、フライホイール6の回転速度が上昇する方向に増速機5を変速して、フライホイール6に運動エネルギーを蓄積する。一方、トロイダル型無段変速機8は、発電機8の回転速度が一定になるように、フライホイール6の回転速度が減少する方向に変速する。これにより、フライホイール6にエネルギーを蓄積しながら、発電機8の回転速度を一定に保ち、安定した発電が可能となる。この時、増速機5は、フライホイール6を増速させる為の負荷トルクが大きくなるので、ロータ3の回転速度を下げて、ロータ3の回転数が大きくなり過ぎないように作用する。 Specifically, when the wind is strong, the gearbox 5 is shifted in a direction in which the rotational speed of the flywheel 6 increases, and kinetic energy is accumulated in the flywheel 6. On the other hand, the toroidal type continuously variable transmission 8 shifts in a direction in which the rotational speed of the flywheel 6 decreases so that the rotational speed of the generator 8 becomes constant. Thereby, while accumulating energy in the flywheel 6, the rotational speed of the generator 8 is kept constant and stable power generation is possible. At this time, the speed increaser 5 increases the load torque for increasing the speed of the flywheel 6, so that the rotational speed of the rotor 3 is lowered so that the rotational speed of the rotor 3 does not increase too much.
一方、ロータ3の回転数が低い時(風が弱い時)には、増速機5の回転軸4bの出力が発電機8を回転駆動するのに対して不十分となる場合がある。この場合には、フライホイール6に貯蔵した運動エネルギーから電力供給を補うことが可能である。この時、フライホイールの回転速度は減少するが、トロイダル型無段変速機7の変速比を調整することにより、発電機8の回転速度を一定に保つことができる。
On the other hand, when the rotational speed of the rotor 3 is low (when the wind is weak), the output of the rotating
以上の構成を有する本実施形態の風力発電装置1では、増速機5と発電機8との間に、エネルギー貯蔵装置10を構成するフライホイール6とトロイダル型無段変速機7とを設けているので、電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給することができる。
即ち、自然エネルギーである風力は、回転運動エネルギーとしてフライホイール6に蓄積されるが、風速等の変化により、フライホイール6に蓄積されるエネルギー(フライホイールの回転速度)は変動する。そして、風力エネルギーの変動をフライホイール6で吸収した後、変速比が連続的に調整できるトロイダル型無段変速機7を介することにより、発電機8へ安定した回転速度の回転エネルギーを伝達することができる。この様に、一般的な発電機8により、常に安定的に電力を発電することができる。しかも、フライホイール6とトロイダル型無段変速機7は機械製品であり、バッテリー等の電気化学製品よりも安価で環境に優しく、小型で寿命も長い。
In the wind turbine generator 1 of the present embodiment having the above configuration, the flywheel 6 and the toroidal continuously
That is, natural wind energy is accumulated in the flywheel 6 as rotational kinetic energy, but the energy accumulated in the flywheel 6 (the rotational speed of the flywheel) fluctuates due to changes in wind speed and the like. Then, after absorbing the fluctuation of the wind energy with the flywheel 6, the rotational energy at a stable rotational speed is transmitted to the generator 8 through the toroidal continuously
運動エネルギーの蓄積と放出により、フライホイール6の回転速度は変動するが、本発明のエネルギー貯蔵装置10は、フライホイール6とトロイダル型普段変速機7を組み合わせる構成により、変動するフライホイール6の回転速度を定格速度に変速し、常に一定の回転速度を出力することができる。
トロイダル型無段変速機7によってフライホイール6の回転速度を調整(変速比を連続的に可変)して、発電機8を定格回転速度で安定して回転駆動させることができるので、電力系統に一定周波数の安定した電力を供給できる。また、トロイダル型無段変速機は、ベルト(チェーン)式無段変速機等の他の無段変速機と比較して、大きなトルクを伝達可能であるので、大容量のエネルギーを蓄積して発電する装置に適している。
Although the rotational speed of the flywheel 6 fluctuates due to the accumulation and release of kinetic energy, the
The rotational speed of the flywheel 6 can be adjusted by the toroidal type continuously variable transmission 7 (the gear ratio is continuously variable), and the generator 8 can be stably driven at the rated rotational speed. Stable power at a constant frequency can be supplied. In addition, the toroidal type continuously variable transmission can transmit large torque compared to other continuously variable transmissions such as belt (chain) type continuously variable transmissions, so that it accumulates a large amount of energy and generates power. Suitable for equipment to do.
尚、本発明のエネルギー貯蔵装置の構成は、風力発電装置に限らず、あらゆる自然エネルギー(太陽熱、地熱、海流、波力、潮力等)を利用した発電装置において適用することができる。
また、トロイダル型無段変速機として、それぞれ1個ずつの入力側ディスクと出力側ディスクとを設けた、所謂シングルキャビティ型のものを例示したが、それぞれ複数の入力側ディスクと出力側ディスクとを、動力の伝達方向に関して互いに並列に配置した構成(ダブルキャビティ型など)とすることにより、より高いトルクを伝達することができる。これにより、大容量のエネルギーが蓄積可能となり、発電能力が向上する。
The configuration of the energy storage device of the present invention is not limited to a wind power generator, and can be applied to a power generator using any natural energy (solar heat, geothermal, ocean current, wave power, tidal power, etc.).
Further, as the toroidal continuously variable transmission, a so-called single cavity type in which one input disk and one output disk are provided is illustrated, but a plurality of input disks and output disks are respectively provided. By adopting a configuration (such as a double cavity type) that is arranged in parallel with each other in the power transmission direction, higher torque can be transmitted. Thereby, a large amount of energy can be stored, and the power generation capacity is improved.
本発明のエネルギー貯蔵装置は、風力発電装置等の自然エネルギーを利用した発電装置に好適に利用できる。
The energy storage device of the present invention can be suitably used for a power generation device using natural energy such as a wind power generation device.
1 風力発電装置
2 ブレード
3 ロータ
4a,4b,4c 回転軸
5 増速機
6 フライホイール
7 トロイダル型無段変速機
8 発電機
10 エネルギー貯蔵装置
21 入力軸
22 入力側ディスク
23 出力軸
24 出力側ディスク
25 枢軸
31 パワーローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wind power generator 2 Blade 3
Claims (2)
前記フライホイールにトロイダル型無段変速機の入力軸を結合したことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 An energy storage device comprising a flywheel that is rotationally driven by natural energy, and storing natural energy as rotational kinetic energy of the flywheel,
An energy storage device, wherein an input shaft of a toroidal type continuously variable transmission is coupled to the flywheel.
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2014
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