JP2017133399A - 発電システム及び発電システム用位置エネルギー蓄積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 再生エネルギーを用いた発電効率を高めること。
【解決手段】 一実施形態に係る発電システムは、再生エネルギーを受容して第１動力を発生する受容装置と、前記第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい第２動力を発生する蓄積装置と、前記第２動力を電力に変換する発電装置とを備える。発電システム用位置エネルギー蓄積装置は、再生エネルギーを受容して第１動力を発生する受容装置、及び、第２動力を電力に変換する発電装置の各々に対して動力伝達可能に接続される蓄積装置であって、
前記第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい前記第２動力を発生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自然界に発生する風、海水の干満、波、川の流れなど、流体の流動や、その他の再生エネルギーを利用して発電する発電システム、特に好適には、平均的に低い再生エネルギー、そしてエネルギーの継続性に難のある環境での再生エネルギーを利用する発電システム、及びこれらの再生エネルギーを位置エネルギーとして一旦蓄積し、この位置エネルギーを発電に適したエネルギーとして発電機に送る発電システム用位置エネルギー蓄積装置に関する。

再生エネルギーを利用する発電システムは、高いエネルギーができるだけ継続的に得られる環境で使用されているのが一般的である。たとえば、風力発電においては、強い風が期待できる海岸や沖合、あるいは山頂、山腹などへの設置が主流である。さらに、そのエネルギー受容機構（ブレード）は、数十メートルの高所に配置される。また、波力発電においては、実用例は、はなはだ少ないが、これまで開発が試みられた例をみると、波高の高い沖合での設置が主流となっている。そして、これらは、ほとんどが大型の設備である。
再生エネルギーの地産地消がいわれて久しい。このため、民生品として実用的な、中型、小型のもので、かつ、一般的な環境である市街地での風力発電や入り江での波力発電などの実現が期待されている。しかし、現状は、きわめて補助的なものに限られ、代替の電力発生機としての能力を持つものはまだ現れていない。その最大の理由は、設置される環境にある。

風力発電を例にすると、東京都内のビルの屋上の年間平均風速は３ｍ程度である。風のない日も多く、エネルギーの継続性も悪い。民生用に販売されている風力発電機の中には、2000ｋＷｈの発電能力をうたっている製品があるが、それは、風速15ｍといった強風時を前提とした能力であって、都会では年に何回もない強風である。このような製品を実際に東京都内のような年間平均風速3ｍ（前記風速の５分の１）の環境で使用すると、次のような種々の問題が生じて、発電力は前記風速の２０分の１の100ｋWh程度に落ちてしまう。

１．微風時では、システムの機械的負荷、例えばブレード（羽）などの重量、モーター軸のトルクなどによってブレードが回転しないという、エネルギー受容部の閾値の問題が生じる。
２．ブレード（羽）が回る風速に達しても、発電機のモーターが発電するまでの回転スピードに達しなければ利用できる電力とならないという、発電システムの閾値の問題が生じる。
３．発電できる回転スピードに達しても、システム内の負荷による電力ロスによって受容エネルギーが消費されてしまうという、発電効率の問題が生じる。
４．風力がブレードを回し十分な電力が発生してバッテリ等の蓄電装置に蓄えられても、風がなく発電しない時間が長く続くとバッテリ内で自然放電してしまうという、発電の非継続性によるバッテリ等の蓄電装置の蓄電性能の問題が生じる。

他方、波の上下動（波高）をエネルギー源とする波力発電においては、沖合の年間平均数メートルの波高に対して、民生用として実用となる設置環境の海の入り江などは、年間平均数10センチメートルの波高であり、波高を風速と読み替えれば風力発電とまったく同様の問題が生じることは論を待たない。
このような問題の解決に、低速で発電できる多極発電モーターや電力のコンピュータ制御によるバッテリーチャージャなどが提案されているが、いずれも効果のわりに高価であって、対費用効果の点で採用されないのが現状である。このような事情から、民生用に供し得る、小型、中型で、再生エネルギー環境が悪い民生環境でも実用できる発電システムが求められていた。

特許文献１には、本質的なエネルギー源を周囲環境の熱とした、熱力学的サイクルの繰り返しによって動く、いわゆる「水飲み鳥」の原理を利用したい動力発生装置が開示されているが、温度差を利用するものであり、再生エネルギー環境が悪い民生環境で使用するに有効な装置とはいえない。
特許文献２には、上掛け式水車を改良した、水などの荷重物の位置エネルギーを利用した荷重利用装置が開示されているが、水流の高低差を利用するものであり、再生エネルギー環境が悪い民生環境で使用するに有効な装置とはいえない。
特許文献３には、風、潮流、海流、河流等の再生可能なエネルギーを利用し、油圧トランスミッションを介して、発電機に回転シャフトの回転を伝達して電力を生成し、この電力を電力系統に供給する再生エネルギー型発電装置が開示されている。しかし、この装置もまた再生エネルギー環境が悪い民生環境で使用するに有効な装置とはいえない。

特開2008-75640号公報 特開2014-101879号公報 特許5524409号公報

本発明者は、従来の再生エネルギーの発電システムの前述した問題点が、再生エネルギーの運動エネルギーを発電機に直接接続し、再生エネルギーの取出しと発電とを同一の時系列で処理していることに起因していることを見出した。すなわち、再生エネルギーの取出しと発電とを同一の時系列で処理する場合、電力変換の効率は、再生エネルギーの高さと発電モーターの変換効率で決まってしまい、低い再生エネルギーの入力は前述の問題にあるように著しく不利である。また、エネルギーの継続性には何ら対策がないため、バッテリ等の蓄電装置における自然放電も回避できない。
そこで、本発明者は、再生エネルギーの取出しと発電とを同一の時系列で処理せず、発電の前に一旦再生エネルギーを蓄積し、再生エネルギーを所定量蓄積した後に発電する機構を鋭意検討した。その結果、発電機の前に再生エネルギーの蓄積装置を備え、運動エネルギーを積み上げることにより、小さな運動エネルギーや断続的な運動エネルギーを、大きな連続する運動エネルギーに変換し、発電機に供給しうることに思い至り、都市部の風力発電や入り江での波力発電など民生用の再生エネルギーの実現に障害となっている再生エネルギーの低さ、断続的なエネルギーの発生といった環境の問題を克服しうることを見出した。
すなわち、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、再生エネルギーの取出しと発電とを同一の時系列で処理せず、発電の前に一旦再生エネルギーを蓄積し、その再生エネルギーか発電に有効な所定量蓄積された後に発電することにより、民生用に供し得る、小型、中型で、再生エネルギー環境が悪い民生環境でも実用できる発電システム及びこの発電システムに適用される位置エネルギー蓄積装置を提供することである。

第１の発明は、再生エネルギーを受容して第１動力を発生する受容装置と、前記第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい第２動力を発生する蓄積装置と、前記第２動力を電力に変換する発電装置と、を備える発電システムである。

第２の発明は、前記蓄積装置は、重りを備え、前記第１動力により前記重りを重力方向に往復運動させるとともに、前記重りの下降時において前記重りの下降距離に応じた位置エネルギーを前記第２動力に変換する、第１の発明に記載の発電システムである。

第３の発明は、前記蓄積装置が、滑車と、巻取器と、両端がそれぞれ前記重りと前記巻取器に接続され、前記滑車に掛けられた線体と、をさらに備え、前記第１動力により前記巻取器を巻取方向に回転させることで前記線体を巻き取って前記重りを上昇させ、
前記重りを自重により下降させることで前記巻取器を前記巻取方向と反対の繰出方向に回転させる前記第２動力を発生する、第２の発明に記載の発電システムである。

第４の発明は、前記受容装置と前記蓄積装置とを接続する第１シャフトと、前記蓄積装置と前記発電装置とを接続する第２シャフトと、をさらに備え、前記第１動力は、前記第１シャフトの回転運動により前記蓄積装置に伝達され、前記第２動力は、前記第２シャフトの回転運動により前記発電装置に伝達される、第３の発明に記載の発電システムである。

第５の発明は、前記巻取器の回転軸となる第３シャフトと、前記第１シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第１ギア列と、前記第２シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第２ギア列と、をさらに備える、第４の発明に記載の発電システムである。

第６の発明は、前記蓄積装置は、前記巻取器の前記巻取方向への回転を許容するとともに前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容しない第１状態と、前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容する第２状態と、を切り換える切換機構をさらに備える、第５の発明に記載の発電システムである。

第７の発明は、前記蓄積装置は、基準位置において前記重りを検出するセンサをさらに備え、前記切換機構は、前記センサが前記重りを検出したことに応じて、前記第１状態を前記第２状態に切り換える、第６の発明に記載の発電システムである。

第８の発明は、前記切換機構は、前記第１ギア列及び前記第２ギア列の少なくとも一方に含まれる２方向性クラッチギアを含み、前記２方向性クラッチギアは、駆動方向と空転方向とを切り換え可能であり、前記切換機構は、前記２方向性クラッチギアの前記駆動方向と前記空転方向との切り換えにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り換える、第６又は７の発明に記載の発電システムである。

第９の発明は、再生エネルギーを受容して第１動力を発生する受容装置、及び、第２動力を電力に変換する発電装置の各々に対して動力伝達可能に接続される蓄積装置であって、前記第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい前記第２動力を発生する、発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１０の発明は、重りを備え、前記第１動力により前記重りを重力方向に往復運動させるとともに、前記重りの下降時において前記重りの下降距離に応じた位置エネルギーを前記第２動力に変換する、第９の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１１の発明は、滑車と、巻取器と、両端がそれぞれ前記重りと前記巻取器に接続され、前記滑車に掛けられた線体と、をさらに備え、前記第１動力により前記巻取器を巻取方向に回転させることで前記線体を巻き取って前記重りを上昇させ、前記重りを自重により下降させることで前記巻取器を前記巻取方向と反対の繰出方向に回転させる前記第２動力を発生する、第１０の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１２の発明は、前記受容装置からの前記第１動力を伝達する第１シャフト、及び、前記第２動力を前記発電装置に伝達する第２シャフトの各々が接続された、第１１の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１３の発明は、前記巻取器の回転軸となる第３シャフトと、前記第１シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第１ギア列と、前記第２シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第２ギア列と、をさらに備える、
第１２の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１４の発明は、前記巻取器の前記巻取方向への回転を許容するとともに前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容しない第１状態と、前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容する第２状態と、を切り換える切換機構をさらに備える、第１３の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１５の発明は、基準位置において前記重りを検出するセンサをさらに備え、前記切換機構は、前記センサが前記重りを検出したことに応じて、前記第１状態を前記第２状態に切り換える、第１４の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

第１６の発明は、前記切換機構は、前記第１ギア列及び前記第２ギア列の少なくとも一方に含まれる２方向性クラッチギアを含み、前記２方向性クラッチギアは、駆動方向と空転方向とを切り換え可能であり、前記切換機構は、前記２方向性クラッチギアの前記駆動方向と前記空転方向との切り換えにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り換える、第１４又は１５の発明に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置である。

本発明によれば、民生用に供し得る、小型、中型で、再生エネルギー環境が悪い民生環境でも実用できる発電システム及びこの発電システムに適用される位置エネルギー蓄積装置を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る発電システムの概略的な構成を示す図である。 図２は、第１ギア列及び第２ギア列を概略的に示す図である。 図３は、位置エネルギー蓄積時における蓄積装置を示す図である。 図４は、重りが最上部に上昇した蓄積装置を示す図である。 図５は、位置エネルギー利用時における蓄積装置を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る発電システムの概略的な構成を示す図である。

いくつかの実施形態につき、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発電システム１の概略的な構成を示す図である。この発電システム１は、再生エネルギー受容装置２（以下、受容装置２と呼ぶ）と、蓄積装置３と、発電装置４とを備えている。
受容装置２は、再生エネルギーを受容して第１動力を発生する。再生エネルギーは、例えば、風力、海などの水面が上下動する力である波力、ダムの放水や河川において水が流れる力である水力など、流体の流動により生じる種々のエネルギーを利用し得る。また、再生エネルギーとして、潮の満ち引きの力である潮力や、地熱を利用して発生させた水蒸気などを利用しても良い。再生エネルギーは、再生可能エネルギーと呼ばれることもある。これら再生エネルギー受容装置自体は、例えば、特開2015-17614号公報や特開2015-17622号公報などにより当業者に知られている。なお、本発明の再生エネルギー受容装置は、特開2015-17614号公報や特開2015-17622号公報に記載された装置に限定されるものではないことは勿論である。

受容装置２と蓄積装置３は、第１シャフト５によって接続されている。図１の例において、受容装置２が発生した第１動力は、第１シャフト５を介して蓄積装置３に伝達される。
受容装置２が再生エネルギーを受容して第１動力を発生する機構としては、種々のものを採用し得る。例えば再生エネルギーが風力である場合、受容装置２は、風力を受けて回転するブレードと、このブレードの回転に伴って第１シャフト５を回転させる動力発生機構とを備える。また、再生エネルギーが波力である場合、受容装置２は、水面とともに上下運動する浮体と、この浮体の上下運動に伴って第１シャフト５を回転させる動力発生機構とを備える。また、再生エネルギーが水力である場合、受容装置２は、水力を受けて回転するタービンと、このタービンの回転に伴って第１シャフト５を回転させる動力発生機構とを備える。

上記動力発生機構の構成は、特に限定されるものではない。例えば、風力や水力の場合には、ブレードやタービンの回転運動を第１シャフト５に伝達するギア列を含み得る。また、波力の場合には、浮体の上下運動に伴い往復運動するラックと、このラックに噛み合い、ラックの往復運動に伴って回転して第１シャフト５を回転させるギア列とを含み得る。
ブレードやタービンの回転運動及び浮体の上下運動は、ケーブルの往復運動に変換された後に、第１シャフト５の回転運動に変換されても良い。上記ケーブルとしては、例えば、中空のアウターケーブルと、このアウターケーブルの内部に通されたインナーケーブルとを含み、インナーケーブルがアウターケーブルの内部で往復運動する構造を採用し得る。アウターケーブル及びインナーケーブルに柔軟性を持たせることで、インナーケーブルの往復運動を回転運動に変換する機構がブレード、タービン、或いは浮体の設置位置から離れた位置に設置された場合であっても、両者を容易に接続することができる。

図１の例においては、受容装置２と蓄積装置３の間に変速機６が介在している。さらに、第１シャフト５は、受容装置２と変速機６を接続するシャフト５Ａと、変速機６と蓄積装置３を接続するシャフト５Ｂとを含む。この構成においては、受容装置２の第１動力により、シャフト５Ａが回転する。変速機６は、シャフト５Ａの回転速度を変速（増速或いは減速）し、変速後の回転速度でシャフト５Ｂを回転させる。変速機６の増速比或いは減速比は、受容装置２で得られる回転数及びトルクや、蓄積装置３で必要な回転数及びトルクなどを考慮して、適宜に定めれば良い。

蓄積装置３と発電装置４は、第２シャフト７によって接続されている。蓄積装置３は、詳しくは後述するが、第１シャフト５を介して伝達される第１動力を用いて位置エネルギーを蓄え、蓄えた位置エネルギーを用いて第２動力を発生する。第２動力は、第２シャフト７の回転運動として発電装置４に伝達される。
発電装置４は、第２動力を電力に変換する。発電装置４の具体的な構成としては種々のものを採用し得る。一例として、図１に示す発電装置４は、調速機４１と、発電部４２と、蓄電部４３と、送電部４４とを備えている。
第２シャフト７は、調速機４１及び発電部４２に接続されている。調速機４１は、第２シャフト７の回転速度を発電に適した速度範囲内に調整する。調速機４１としては、例えば遠心ガバナーなどを用いることができる。発電部４２は、第２シャフト７の回転運動に基づき、電力を発生する。このような発電部４２の構成としては、公知の種々の構成を採用し得る。蓄電部４３は、発電部４２で発生した電力を蓄電するバッテリを含む。送電部４４は、蓄電部４３に蓄えられた電力を所定の電圧及び電流にて送電線に供給する。送電線は、既存の送電網の一部であっても良いし、工場、ビル、或いは家屋などの特定の建造物における用途に特化して設けられたものであっても良い。

蓄積装置３は、重り３０を備えており、第１動力を用いて重り３０を反重力方向へ上昇させることで、重り３０の重量と上昇した距離とに応じた位置エネルギーを蓄える。さらに、蓄積装置３は、重り３０を重力方向へ下降させることで、蓄えた位置エネルギーを用いて第２動力を発生する。このように、蓄積装置３は、重り３０の上下運動（昇降運動、或いは重力方向への往復運動）により、位置エネルギーの蓄積と、利用とを行う。このような機能を発揮するものであれば、蓄積装置３の構造は特に限定されない。
図１の例において、蓄積装置３は、一対の支柱３２と、第３シャフト３３と、軸部材３４と、巻取器３５と、滑車３６と、線体３７とを備えている。第３シャフト３３は、両端が一対の支柱３２により回動可能に軸支されている。軸部材３４は、第３シャフト３３よりも高い位置で、両端が一対の支柱３２により支持されている。巻取器３５は、第３シャフト３３に取り付けられており、第３シャフト３３の回転に伴って回転する。滑車３６は、軸部材３４により回動可能に軸支されている。線体３７は、一端が巻取器３５に接続され、他端が重り３０に接続されている。さらに、線体３７は、滑車３６に掛けられている。線体３７としては、例えば単線、複線、或いは撚り線のワイヤーや、チェーンなどを適宜に用いることができる。

このような構成においては、第３シャフト３３がある方向に回転すると巻取器３５が線体３７を巻き取り、重り３０が上昇する。また、重り３０が自重により下降すると、巻取器３５に巻かれた線体３７が繰り出され、第３シャフト３３が反対の方向に回転する。以下、線体３７を巻き取る際の巻取器３５の回転方向を巻取方向と呼び、線体３７を繰り出す際の巻取器３５の回転方向を繰出方向と呼ぶ。
蓄積装置３は、第１ギア列３８と、第２ギア列３９とをさらに含む。第１ギア列３８は、線体３７の巻き取り時において、第１シャフト５（シャフト５Ｂ）の回転運動を第３シャフト３３に伝達する。第２ギア列３９は、線体３７の繰り出し時において、第３シャフト３３の回転運動を第２シャフト７に伝達する。
図１の例において、第１ギア列３８は、互いに噛み合ったギア３８Ａ，３８Ｂ（第１ギア）を含む。ギア３８Ａは、第１シャフト５（シャフト５Ｂ）に取り付けられており、シャフト５Ｂを軸として回転する。ギア３８Ｂは、第３シャフト３３に取り付けられており、第３シャフト３３を軸として回転する。ギア３８Ａは、ギア３８Ｂよりも小径である。

一方、第２ギア列３９は、互いに噛み合ったギア３９Ａ，３９Ｂ（第２ギア）を含む。ギア３９Ａは、第２シャフト７に取り付けられており、第２シャフト７を軸として回転する。ギア３９Ｂは、第３シャフト３３に取り付けられており、第３シャフト３３を軸として回転する。ギア３９Ａは、ギア３９Ｂよりも小径である。
本実施形態において、第２動力は第１動力よりも大きい。また、第２動力は、少なくとも発電装置４の負荷を上回る。ここで、動力は、例えば単位時間当たりの仕事量であり、回転体に関して言えばトルクと回転速度の積に比例する値として定義することができる。

なお、第１動力は不安定な再生エネルギーに基づいて発生するものであり、再生エネルギーの大きさに応じて変動する。そのため、第１動力が一時的に第２動力より大きくなる場合もあり得る。本実施形態において、「第２動力が第１動力よりも大きい」とは、このように一時的に第１動力が第２動力を超える場合を排除するものではなく、第１動力の時間的な平均値が第２動力より小さいことを意図している。
蓄積装置３は、制御装置５０と、第１センサ５１と、第２センサ５２とをさらに備えている。第１センサ５１は、重り３０が上下運動する領域に近接する高所に配置されている。第２センサ５２は、重り３０が上下運動する領域に近接する低所に配置されている。第１センサ５１は、第１基準位置（後述するＰ１）において重り３０を検出する。第２センサ５２は、第１基準位置よりも重力方向における下方の第２基準位置（後述するＰ２）において重り３０を検出する。

本実施形態において、ギア３８Ａ，３９Ａは、駆動方向と空転方向とを切り換えることが可能な２方向性のクラッチ機構（後述するＣＬ１，ＣＬ２）を有している。このクラッチ機構は、例えば電磁的な制御により駆動方向と空転方向を切り替えるもので、制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、第１センサ５１及び第２センサ５２の検出信号に基づいて、ギア３８Ａ，３９Ａのクラッチ機構を制御する。
図２は、第１ギア列３８及び第２ギア列３９を概略的に示す図である。ギア３８Ａが備える第１クラッチ機構ＣＬ１と、ギア３９Ａが備える第２クラッチ機構ＣＬ２とは、切換機構５３を構成する。切換機構５３は、巻取器３５の巻取方向への回転を許容するとともに巻取器３５の繰出方向への回転を許容しない第１状態と、巻取器３５の繰出方向への回転を許容する第２状態とを切り換える。

第１クラッチ機構ＣＬ１は、駆動方向と空転方向を切り換え可能な２方向性のクラッチ機構である。すなわち、ギア３８Ａは、２方向性クラッチギアとして機能する。駆動方向は、第１シャフト５とギア３８Ｂの間で動力を伝達するギア３８Ａの回転方向であり、空転方向は、第１シャフト５とギア３８Ｂの間で動力を伝達しないギア３８Ａの回転方向である。
一方、第２クラッチ機構ＣＬ２は、駆動方向と空転方向を有するが、これらを切り換えることができない１方向性のクラッチ機構である。すなわち、ギア３９Ａは、１方向性クラッチギアとして機能する。但し、第２クラッチ機構ＣＬ２として、２方向性のクラッチ機構を用いても良い。

図２において実線で示す矢印は、位置エネルギー蓄積時における各ギアの回転方向を示す。一方、破線で示す矢印は、位置エネルギー利用時における各ギアの回転方向を示す。
第１シャフト５は、位置エネルギー蓄積時と利用時のいずれにおいても同じ方向に回転する。位置エネルギー蓄積時においては、ギア３８Ａが第１シャフト５の回転を受けて実線矢印の方向へ回転するように、第１クラッチ機構ＣＬ１の駆動方向と空転方向とが設定される。このギア３８Ａの回転を受けて、ギア３８Ｂ、第３シャフト３３、ギア３９Ｂ、及びギア３９Ａが実線矢印で示す方向へ回転する。このとき、ギア３９Ａが空転して、第２シャフト７が回転しないように、第２クラッチ機構ＣＬ２の駆動方向と回転方向とが設定されている。第３シャフト３３とともに巻取器３６が巻取方向に回転して線体３７が巻き取られ、重り３０が上昇する

位置エネルギー利用時において、重り３０の下降に伴い巻取器３６が繰出方向に回転し、第３シャフト３３が破線矢印で示す方向に回転する。この第３シャフト３３の回転を受けて、ギア３８Ｂ及びギア３９Ｂが破線矢印で示す方向へ回転し、これによりギア３９Ａ及びギア３９Ａも破線矢印で示す方向に回転する。
位置エネルギー利用時においては、制御装置５０の制御により、第１クラッチ機構ＣＬ１の駆動方向と空転方向とが逆転している。したがって、ギア３８Ａが空転するので、ギア３８Ａの回転は第１シャフト５には伝わらない。一方で、ギア３９Ａの回転は第２クラッチ機構ＣＬ２の駆動方向と一致するので、ギア３９Ａの回転を受けて第２シャフト７が回転する。第２シャフト７の回転（第２動力）を受けて、発電装置４が発電可能となる。

なお、位置エネルギー蓄積時においては、重り３０の下降を防ぐ必要がある。本実施形態では、第１シャフト５の負荷（受容装置２及び変速機６の負荷）と、第２シャフト７の負荷（発電装置４の負荷）とを用いて、重り３０の下降を防いでいる。すなわち、位置エネルギー蓄積時において重り３０が下降しようとしても、このときのギア３８Ａ及びギア３９Ａの回転方向はいずれも駆動方向と一致する。したがって、第１シャフト５及び第２シャフト７の負荷が同時に作用して、重り３０の下降が防がれる。
なお、ここでは第１シャフト５及び第２シャフト７の負荷を用いて重り３０の下降を防ぐ例を示したが、別途の機構を設けることにより、エネルギー蓄積時における重り３０の下降を防いでも良い。

続いて、蓄積装置３の動作につき、図３乃至図５を用いて説明する。
位置エネルギー蓄積時、蓄積装置３は上述の第１状態に設定されている。このとき、第１シャフト５を介して伝達される第１動力により、第１ギア列３８が第２シャフト３３を巻取方向に回転させる。これに伴い巻取器３５が線体３７を巻き取り、図３に示すように重り３０が上昇する。重り３０の上昇距離に応じた位置エネルギーが蓄積装置３に蓄積される。

やがて、図４に示すように重り３０が第１基準位置Ｐ１に到達すると、第１センサ５１が重り３０を検出する。このとき、第１センサ５１は、検出信号を制御装置５０に出力する。第１センサ５１からの検出信号の入力を受けて、制御装置５０は切換機構５３（主に第１クラッチ機構ＣＬ１）を制御し、蓄積装置３を上述の第２状態に切り換える。

なお、第１基準位置Ｐ１において、重り３０は、それ以上は上昇できない上死点にあっても良い。例えば、重り３０の上昇を規制する部材を配置することで、この上死点を定めることができる。上死点においては、重り３０が停止し、これに伴い第３シャフト３３や各ギアも停止する。
第２状態に切り換わると、図５に示すように重り３０が自重により下降する。すなわち、巻取器３５及び第３シャフト３３が繰出方向に回転する。第３シャフト３３の繰出方向への回転は、第２ギア列３９を介して第２シャフト７に伝達され、第２シャフト７が回転する。第２シャフト７の回転運動、すなわち第２動力を受けて、発電装置４は電力を発生する。

その後、重り３０が第２基準位置Ｐ２に到達すると、第２センサ５２が重り３０を検出する。このとき、第２センサ５２は、検出信号を制御装置５０に出力する。第２センサ５２からの検出信号の入力を受けて、制御装置５０は切換機構５３（主に第１クラッチ機構ＣＬ１）を制御し、第２状態を第１状態に切り換える。これにより、再び蓄積装置３が第１動力を用いて位置エネルギーを蓄える。
なお、第２基準位置Ｐ２において、重り３０は、それ以上は下降できない下死点にあっても良い。例えば、重り３０の下降を規制する部材を配置することで、この下死点を定めることができる。或いは、線体３７が巻取器３５から全て繰り出された際の重り３０の位置が下死点であっても良い。下死点においては、重り３０が停止し、これに伴い第３シャフト３３や各ギアも停止する。

以上のように、本実施形態に係る発電システム１は、位置エネルギーの蓄積と利用を繰り返す。
再生エネルギーから得られる第１動力は不安定であり、発電に適した値を常に得られるとは限らないし、時には停止することもある。従来の発電システムにおいては、受容装置からの動力が発電装置の負荷を下回る場合などには、発電装置が稼働せず、電力を得られない場合があった。この場合には、受容装置が発生する動力は無駄になる。
これに対し、本実施形態に係る発電システム１においては、受容装置２が発生する第１動力が小さい場合であっても、この第１動力を有効に活用して発電できる。すなわち、受容装置２からの第１動力は、一旦、蓄積装置３において位置エネルギーとして蓄えられる。そして、位置エネルギーが十分に蓄えられると、蓄積装置３はこの位置エネルギーを用いて、発電装置４の負荷を上回る第２動力を発生する。この第２動力は、重り３０が自重により下降する際のエネルギーに相当するため極めて安定的である。
この他にも、本実施形態からは既述の種々の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第１実施形態と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、主に第１実施形態との相違点について述べる。
図６は、本実施形態に係る発電システム１の概略的な構成を示す図である。この発電システム１は、蓄積装置３の構成において図１に示したものと相違する。すなわち、蓄積装置３は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の重り３０と、ｎ個の滑車３６とを備えている。図６の例においてはｎ＝３であり、蓄積装置３が重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと滑車３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃとを備えている。但し、ｎは他の値であっても良い。
さらに、図６の例においては、線体３７の一端が巻取器３５に接続され、他端が終端器８に接続されている。線体３７は、滑車３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃに掛けられている。滑車３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ及び終端器８は、例えば重力方向における高さが同じである。

重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの上面には、回動可能なローラ９が取り付けられている。各ローラ９に線体３７が掛けられており、これにより重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが線体３７に接続されている。
このような構成において、第１動力により巻取器３５が巻取方向に回転すると、線体３７が巻取器３５に巻き取られて重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが重力方向に上昇する。これにより、重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの重量と、重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが上昇した距離とに応じた位置エネルギーが蓄積される。
一方で、重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが自重により重力方向に下降すると、巻取器３５が繰り出し方向に回転し、巻取器３５から線体３７が繰り出されて、第３シャフト３３が回転する。第３シャフト３３の繰出方向への回転は、第２ギア列３９を介して第２シャフト７に伝達され、第２シャフト７が回転する。第２シャフト７の回転運動、すなわち第２動力を受けて、発電装置４は電力を発生する。

なお、図６には示していないが、蓄積装置３は第１実施形態と同じく第１センサ５１、第２センサ５２、及び制御装置５０を備えている。第１センサ５１及び第２センサ５２は、例えば重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのいずれか１つを検出すれば良い。
本実施形態の構成においては、複数の重り３０に分散して位置エネルギーを蓄えることができる。したがって、重り３０の上昇距離を小さくしても、十分な位置エネルギーを蓄えることができる。
仮に、図６の例において、重り３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ各々の重量が図１に示した重り３０の重量と同じである場合、同じ位置エネルギーを蓄える際の上昇距離は、図６の例においては図１の１／３で良い。
その他、本実施形態からは種々の好適な効果を得ることができる。

本発明は、以上説明した各実施形態の構成に対し種々の変形を加えて実施することができる。例えば、各実施形態にて開示した構成は、適宜に組み合わされても良い。発明の要旨を逸脱しない範囲で変形された形態は、特許請求の範囲に記載された発明及びその均等の範囲に含まれる。
例えば、蓄積装置３は、重り３０の上下運動をガイドする部材を備えても良い。このような部材を設ければ、安定的に重り３０を上下運動させることができる。
蓄積装置３は、受容装置２からの第１動力を、そのまま発電装置４に伝達する機構を備え、この機構と位置エネルギーを蓄積する機構とを切り換え可能であっても良い。この場合、例えば強風が吹いているときなど再生エネルギーが十分に強い場合に、第１動力を用いて発電することができる。

制御装置５０が第１状態と第２状態とを切り換える制御方式は、上述のものに限られない。例えば、第１センサ５１が重り３０を検出して第２状態に切り換えられた後、一定時間が経過した際に第１状態に切り換えても良い。この場合においては、第２センサ５２が不要となる。また、第２センサ５２が重り３０を検出して第１状態に切り換えられた後、一定時間が経過した際に第２状態に切り換えても良い。この場合においては、第１センサ５１が不要となる。また、一定時間ごとに第１状態と第２状態とを切り換えても良い。この場合には、第１センサ５１及び第２センサ５２の双方が不要となる。また、巻取器３５などの回転数をカウントし、このカウント値に応じて第１状態と第２状態とを切り換えても良い。その他、種々の制御方式を採用し得る。

本発明によれば、従来の再生エネルギーを利用する発電システムが抱えている多くの問題のうち、すくなくとも、エネルギー受容部の稼働開始閾値の問題、発電システムの閾値の問題、発電効率の問題、発電の非継続性によるバッテリ等の蓄電装置の蓄電性能の問題を解決することができる。すなわち、
（エネルギー受容部の稼働開始閾値の問題の解決）
従来の風力発電機は、運動エネルギーを発電機側の負荷に負けないトルクを持ったものとするためブレードは頑丈なものとする必要があり、重くなる傾向があった。このことにより、ブレードが回り始めるまでの風力の閾値は上がることになる。
本発明では、再生エネルギーの運動エネルギーを発電機ではなく、変速機を入口とすることで、エネルギー受容部の受ける負荷を、変速率により自由に軽くできる。このため、ブレードは極端に言えば布のような素材でつくり、微風でも簡単に回転できるような設計が可能になる。

（発電システムの閾値の問題の解決）
従来は、ブレード（羽）が回る風速に達しても、発電機のモーターが発電するまでの回転スピードに達しなければ利用できる電力とならない。これに対して、本発明では、再生エネルギーの運動エネルギーは、一方向にのみ回転するように設定された回転子を回しワイヤーを巻き上げて得られる重りの位置エネルギーとして堆積するので、運動エネルギーの大小、非継続性に関わらず蓄積され、蓄積ロスを低減できる。
（発電効率の問題の解決）
従来のシステムでは、受容部によって発電機が発電できる回転スピードに達しても、そのスピードが低レベルでは、システム内の負荷による電力ロスによってそのエネルギーは消費されてしまう。これに対し、本発明では、発電機は、蓄えられた重りの発生する位置エネルギーによって、発電に必要な駆動条件を満たしつつ、理想的な状態で稼働し発電する。従って、本発明では、発電システムの閾値の問題は発生しない。
（発電の非継続性によるバッテリ等の蓄電装置の蓄電性能の問題の解決）
従来のシステムでは、十分な電力が発生してバッテリ等の蓄電装置に蓄えられても、風がなく発電しない時間が長引けばバッテリ内で自然放電してしまう。これに対し、本発明では、位置エネルギーの量を高く、あるいは並列させることでエネルギーを蓄え、バッテリに蓄電するタイミングを最適に制御できるので、自然放電の問題を低減可能である。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で発電効率を向上させることができ、安価に高効率の発電システムの実現が可能である。このことがシステムのパフォーマンスの向上ととともに民生用の風力発電や波力発電に大きく貢献することは論を待たない。
さらに、本発明の位置エネルギー蓄積装置は、再生エネルギー受容装置との組み合わせのほかに、人力やクレーン車のような外部動力と組んで、へき地用、緊急用の発電装置としても使用可能である。すなわち、ジャングルの中のようなへき地では、再生エネルギーの代わりに、人力を合力することで位置エネルギーを蓄え、発電させることもできるし、緊急時には、クレーン車のような外部の力で装置の重りを持ち上げ、位置エネルギーを加えることで、長時間の安定した発電を供給することもできる。
換言すれば、本明細書記載の発明には、特許請求の範囲に記載された発明と共に「外部動力である第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい第２動力を発生する蓄積装置と、前記第２動力を電力に変換する発電装置と、を備える発電システム」、及び「外部動力である第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい第２動力を発生して、これを発電に利用できるようにした発電システム用位置エネルギー蓄積装置」を包含している。

１…発電システム、２…再生エネルギー受容装置、３…蓄積装置、４…発電装置、５…第１シャフト、６…変速機、７…第２シャフト、３２…支柱、３３…第３シャフト、３４…軸部材、３５…巻取器、３６…滑車、３７…線体、３８…第１ギア列、３９…第２ギア列、４１…調速機、４２…発電部、４３…蓄電部、４４…送電部、５０…制御装置、５１…第１センサ、５２…第２センサ、５３…切換機構。

Claims (16)

1. 再生エネルギーを受容して第１動力を発生する受容装置と、
   前記第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい第２動力を発生する蓄積装置と、
   前記第２動力を電力に変換する発電装置と、
   を備える発電システム。
2. 前記蓄積装置は、重りを備え、前記第１動力により前記重りを重力方向に往復運動させるとともに、前記重りの下降時において前記重りの下降距離に応じた位置エネルギーを前記第２動力に変換する、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記蓄積装置は、
   滑車と、
   巻取器と、
   両端がそれぞれ前記重りと前記巻取器に接続され、前記滑車に掛けられた線体と、
   をさらに備え、
   前記第１動力により前記巻取器を巻取方向に回転させることで前記線体を巻き取って前記重りを上昇させ、
   前記重りを自重により下降させることで前記巻取器を前記巻取方向と反対の繰出方向に回転させる前記第２動力を発生する、
   請求項２に記載の発電システム。
4. 前記受容装置と前記蓄積装置とを接続する第１シャフトと、
   前記蓄積装置と前記発電装置とを接続する第２シャフトと、
   をさらに備え、
   前記第１動力は、前記第１シャフトの回転運動により前記蓄積装置に伝達され、
   前記第２動力は、前記第２シャフトの回転運動により前記発電装置に伝達される、
   請求項３に記載の発電システム。
5. 前記巻取器の回転軸となる第３シャフトと、
   前記第１シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第１ギア列と、
   前記第２シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第２ギア列と、
   をさらに備える、
   請求項４に記載の発電システム。
6. 前記蓄積装置は、前記巻取器の前記巻取方向への回転を許容するとともに前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容しない第１状態と、前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容する第２状態と、を切り換える切換機構をさらに備える、
   請求項５に記載の発電システム。
7. 前記蓄積装置は、基準位置において前記重りを検出するセンサをさらに備え、
   前記切換機構は、前記センサが前記重りを検出したことに応じて、前記第１状態を前記第２状態に切り換える、
   請求項６に記載の発電システム。
8. 前記切換機構は、前記第１ギア列及び前記第２ギア列の少なくとも一方に含まれる２方向性クラッチギアを含み、
   前記２方向性クラッチギアは、駆動方向と空転方向とを切り換え可能であり、
   前記切換機構は、前記２方向性クラッチギアの前記駆動方向と前記空転方向との切り換えにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り換える、
   請求項６又は７に記載の発電システム。
9. 再生エネルギーを受容して第１動力を発生する受容装置、及び、第２動力を電力に変換する発電装置の各々に対して動力伝達可能に接続される蓄積装置であって、
   前記第１動力を用いて位置エネルギーを蓄えるとともに、蓄えた位置エネルギーを用いて前記第１動力よりも大きい前記第２動力を発生する、発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
10. 重りを備え、
    前記第１動力により前記重りを重力方向に往復運動させるとともに、前記重りの下降時において前記重りの下降距離に応じた位置エネルギーを前記第２動力に変換する、
    請求項９に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
11. 滑車と、
    巻取器と、
    両端がそれぞれ前記重りと前記巻取器に接続され、前記滑車に掛けられた線体と、
    をさらに備え、
    前記第１動力により前記巻取器を巻取方向に回転させることで前記線体を巻き取って前記重りを上昇させ、
    前記重りを自重により下降させることで前記巻取器を前記巻取方向と反対の繰出方向に回転させる前記第２動力を発生する、
    請求項１０に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
12. 前記受容装置からの前記第１動力を伝達する第１シャフト、及び、前記第２動力を前記発電装置に伝達する第２シャフトの各々が接続された、
    請求項１１に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
13. 前記巻取器の回転軸となる第３シャフトと、
    前記第１シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第１ギア列と、
    前記第２シャフトと前記第３シャフトの間に配置された第２ギア列と、
    をさらに備える、
    請求項１２に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
14. 前記巻取器の前記巻取方向への回転を許容するとともに前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容しない第１状態と、前記巻取器の前記繰出方向への回転を許容する第２状態と、を切り換える切換機構をさらに備える、
    請求項１３に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
15. 基準位置において前記重りを検出するセンサをさらに備え、
    前記切換機構は、前記センサが前記重りを検出したことに応じて、前記第１状態を前記第２状態に切り換える、
    請求項１４に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。
16. 前記切換機構は、前記第１ギア列及び前記第２ギア列の少なくとも一方に含まれる２方向性クラッチギアを含み、
    前記２方向性クラッチギアは、駆動方向と空転方向とを切り換え可能であり、
    前記切換機構は、前記２方向性クラッチギアの前記駆動方向と前記空転方向との切り換えにより、前記第１状態と前記第２状態とを切り換える、
    請求項１４又は１５に記載の発電システム用位置エネルギー蓄積装置。

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