JP2018040306A - 風水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風況が悪くても風車の起動性に問題がなく、かつ風力と水力の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めうるようにした風水力発電装置を提供する。【解決手段】風水力発電装置１は、水車４と、水車に連係されて回転する第１回転軸２３と、第１回転軸により常時発電される第１発電機６と、風車５と、風車に連係されて回転する第２回転軸３２と、第１回転軸と第２回転軸との間に設けた第１クラッチ３５と、第２回転軸に連係された第２発電機７と、第２回転軸から第２発電機への動力の伝達を断続しうる第２クラッチ４２とを備え、第１クラッチは、第２回転軸の回転速度が第１回転軸の回転速度以下の場合に接続され、同じく第１回転軸の回転速度を超えた場合に切断され、第２クラッチは、第２回転軸の回転速度が予め定めた値を超えた場合に接続される。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば用水路や小川、洋上等に設置され、水力と風力を利用して、効率よく発電しうるようにした風水力発電装置に関する。

一般的な風力発電装置では、無風及び微風状態では、風車が起動せず、また低風速下では、発電効率が低いなど、風況に大きく左右される。
この問題に対処しうるものとして、水車の回転力を利用して風車の主軸を回転させ、無風及び低風速状態でも、風車を定常的に回転させて発電しうるようにした風力発電装置が提案されている(例えば特許文献１参照)。

特開２００７−２３９５４２号公報

上記特許文献１に記載の風力発電装置は、発電機に接続された風車の主軸と、水車の回転軸とを、クラッチを介して連結し、風車の回転が水車の回転よりも遅くなる無風または低風速時には、クラッチを接続して、水車の回転力により風車を回転させて発電し、風速が増大して、風車の回転が水車の回転を上回った場合には、クラッチを切断して、風車のみにより発電するようになっているため、次のような問題がある。
すなわち、風速が増して、風車の回転が水車の回転を上回ったときに、クラッチを切断して風車のみにより発電するようにすると、風車により発電しているとき、水車は単に回転しているだけであり、水車の運動エネルギは電気エネルギに変換されず無駄となり、発電効率は低い。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、風況が悪くても風車の起動性に問題がなく、かつ風力と水力の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めうるようにした風水力ハイブリッドの発電装置を提供することを目的とするものである。

本発明の風水力発電装置によると、上記課題は次のようにして解決される。
（１）水流を受けて一定方向に回転する水車と、前記水車の主軸に連係されて回転する第１回転軸と、前記第１回転軸に連係されて常時発電するようになっている第１発電機と、風力を受けて一定方向に回転する風車と、前記風車の主軸に連係され、前記第１回転軸と同方向に回転する第２回転軸と、前記第１回転軸と前記第２回転軸との間に設けられ、それらの動力の伝達を断続しうる第１クラッチと、前記第２回転軸に連係された第２発電機と、前記第２回転軸から前記第２発電機への駆動力の伝達を断続しうる第２クラッチとを備え、
前記第１クラッチは、前記第２回転軸の回転速度が前記第１回転軸の回転速度以下の場合に接続されて、第１回転軸から第２回転軸に駆動力が伝達され、第２回転軸の回転速度が第１回転軸の回転速度を超えた場合に切断されて、第１、第２回転軸が独立して回転しうるように作動し、前記第２クラッチは、前記第１クラッチが接続状態にあって前記第１回転軸の駆動力が第２回転軸に伝達されているときには、前記第２回転軸から前記第２発電機へ駆動力を伝達しないように切断され、前記第１クラッチが切断状態にあって前記第２回転軸の回転速度または前記風車の周速が予め定めた値を超えた場合に接続され、前記第２回転軸から前記第２発電機に駆動力を伝達して発電しうるように作動するものとする。

このような構成によると、水車の主軸に連係された第１回転軸の回転力により第１発電機を常時駆動して発電するとともに、第１回転軸と風車の主軸に連係された第２回転軸との間に、第１クラッチを設け、第２回転軸の回転速度が第１回転軸の回転速度を超えた場合に、第１回転軸と第２回転軸との接続を切断し、第２回転軸の回転速度または風車の周速が予め定めた値を超えた場合に、第２クラッチを接続し、第２回転軸の駆動力を第２発電機に伝達して発電するようにしているので、風車が予め定めた回転速度または周速以上で回転している場合には、水車に連係されて常時発電する第１発電機と、風車に第２クラッチを介して連係された第２発電機との両方で発電することができる。
そのため、水車と風車の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めることができる。

また、無風または微風状態で風車が停止しているときでも、水車の回転力を利用して、風車を回転させておくことができるので、風況が悪くても風車の起動性が問題となることはなく、風車を回転させている間に風況がよくなれば、風車は、速やかに加速して予め定めた回転速度に達し、またはそれを超えるようになるので、第２発電機により効率よく発電することができる。

さらに、無風または微風状態で風車が回転しない場合でも、水流がある限り、水車の回転力により第１発電機は常時駆動されているので、発電が停止されることはない。

また、例えば水深が比較的浅く、幅の狭い用水路等に風水力発電装置を設置する場合、発電効率の小さな小型の水車しか使用できないことがあるが、この場合においても、風車の運動エネルギを併用して、効率よく発電することができる。

(２) 前記(1)項において、前記水車と風車を支持枠体に上下方向に並べて配設して、前記第１回転軸と第２回転軸とを上下方向に同軸をなすように対向させ、第１回転軸と第２回転軸との間に前記第１クラッチを設ける。

このような構成によると、水車と風車及び第１クラッチが上下方向に並び、風水力発電装置が横幅が小さくなるので、これを、用水路等にコンパクトに設置することができる。

(３) 前記(１)または(２)項において、前記水車を、先端部に水路の上流側を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸水車、または上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸水車とする。

このような構成によると、先端部に上流側を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する横軸水車、または上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する縦軸水車は、傾斜部が、ブレードの先端方向に逃げようとする水流を受け止め、その反力により回転方向の推力を増大させて効率よく回転するので、例え、流速の遅い水流であっても、発電効率を高めることができる。

(４) 前記(１)または(２)項において、前記水車を、水路の上流側と下流側に配置され、複数の揚力型ブレードよりなる前後１対のロータを備える横軸水車とし、前記両ロータの主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１回転軸に伝達するようにする。

このような構成によると、前後１対のロータの回転力が合成されて第１回転軸に伝達されるので、第１回転軸に連係された第１発電機を大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな第１発電機を使用して、発電量を増大させることが可能となる。

(５) 前記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、前記水車を、水路の幅方向に複数設置し、各水車の主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１回転軸に伝達するようにする。

このような構成によると、幅方向の複数の水車の回転力が合成されて第１回転軸に伝達され、第１回転軸に連係された第１発電機を大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな第１発電機を使用して、発電量を増大させることが可能となる。

(６) 前記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、前記風車を、上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸風車、または先端部に風上方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸風車とする。

このような構成によると、上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する縦軸風車、または先端部に風上方向を向く傾斜部が形成された揚力型ブレードを有する横軸風車は、傾斜部が、ブレードの先端方向に逃げようとする風を受け止め、その反力により回転方向の推力を増大させるとともに、傾斜部のコアンダ効果により、風車は効率よく回転するので、低風速下においても、効率よく発電することができる。

(７) 前記(１)項において、前記水車と風車を、洋上に設置した浮体式構造物に取付ける。

このような構成によると、水車と風車を、洋上に設置した浮体式構造物に取付けた洋上の風水力発電装置は、洋上では陸地よりも安定した風力が得られるので、風車が効率よく回転して発電量が高まる。

本発明の風水力発電装置によると、風況が悪くても風車の起動性に問題はなく、かつ風力と水力の運動エネルギーを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めることができる。

本発明に係る風水力発電装置の実施例１の一部切欠側面図である。 図１を左方から見た正面図である。 図１、図２における風車ロータの拡大平面図である。 図１のIV−IV線における拡大横断平面図である。 図２のV−V線における拡大横断平面図である。 ワンウェイクラッチが接続されている状態の図１のVI−VI線に沿う拡大横断平面図である。 同じく、ワンウェイクラッチが切れた状態の拡大横断平面図である。 クラッチが切れている状態の第２クラッチの拡大縦断面図である。 クラッチが接続された状態の第２クラッチの拡大縦断面図である。 本発明に係る風水力発電装置の実施例２の一部切欠側面図である。 本発明に係る風水力発電装置の実施例３を、水車を省略して示す一部切欠側面図である。 本発明に係る風水力発電装置の実施例４を、風車を省略して示す一部切欠側面図である。 本発明に係る風水力発電装置の実施例５を、風車を省略して示す正面図である。 洋上に設置した本発明に係る風水力発電装置の実施例６の一部切欠側面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明に係る風水力発電装置の実施例１を示すもので、風水力発電装置１は、例えば農、工業用や飲料用の用水路２や、小川等に設置される比較的小型のものであり、支持枠体３に上下方向に並べて支持された横軸水車４と縦軸風車５と、横軸水車４の回転力により駆動される第１発電機６と、及び縦軸風車５の回転力により駆動される第２発電機７とを備えている。第１、第２発電機６、７には、例えば永久磁石式の三相交流発電機が使用されている。なお、以下の説明においては、用水路２の上流側(図１の左側)を前、下流側(図１の右側)を後とする。

支持枠体３は、用水路２内に設置されて横軸水車４を支持する水車支持枠８と、この水車支持枠８の上面に固定され、用水路２及び横軸水車４の上方において縦軸風車５を支持する風車支持枠９とからなっている。上述した第２発電機７は、風車支持枠９の中間部に水平に固定された支持板９Ａの上面に設置されている。

水車支持枠８は、水路底に載置される平面視方形をなす底板８Ａと、その四隅部の上面に下端が結合された、上端部が用水路２の上方に突出する４本の支柱８Ｂと、各支柱８Ｂの上端に四隅部の下面が結合された方形をなす上面板８Ｃとからなり、上面板８Ｃの左右両側部の複数箇所が、正面視上向コ字状の用水路２の左右の上面に、固定具１０、１０により固定されている。上述した第１発電機６は、上面板８Ｃの上面に設置されている。

図１に矢印で示すように、用水路２内を前方である上流側から下流側に向かって流れる水は、水車支持枠８内を抵抗なく通過しうるようになっている。なお、水車支持枠８の左右幅は、用水路２内において横振れしないように、その横幅とほぼ同等としてあり、また高さは、用水路２の水深や高さに合わせて最適となるようにして枠組みされている。

横軸水車４は、中空をなす前後方向の水車筐体１１と、その上面に設けた開口端１１Ａに、フランジ１２Ａを介して取付けられた下方に開口する軸筒１２と、水車筐体１１の前端に回転自在に支持された水平のプロペラ型水車ロータ１３とを備えている。水車ロータ１３は、ハブ１４と、その外周面に等間隔をもって取付けられた複数枚(実施例では４枚)の揚力型水車ブレード(以下、水車ブレードと略称する)１５とからなり、ハブ１４は、水車筐体１１の内部に回転自在に支持された前後方向の横主軸１６の前端突出部に固定されている。水車ロータ１３と横主軸１６は、図２で示す正面視において、時計方向に回転(右回転)するようになっている。

水車筐体１１は、その下面に固着された上下方向の支持杆１７の下端を、底板８Ａの上面により受支することにより、水車支持枠８内の中央部に配置されている。支持杆１７の左右寸法は、水流の抵抗とならないように極力細くされている(図２参照)。

図２に示すように、軸筒１２は、下端がその左右両側面に固定された左右１対の板状ブラケット１８、１８の上端部を、上面板８Ｃの下面に固定することにより、水車支持枠８内の中央部に、上下方向を向いて不動状態に保持されている。軸筒１２の上端部は、上面板８Ｃの中央部に設けた貫通孔１９を貫通して、若干上方に突出している。なお、軸筒１２は、前部の左右方向の厚さが厚く、後方に向かって漸次薄くなる、平面視魚形断面をなすようにしてあり、軸筒１２を通過する水の流下速度が、コアンダ効果によって速くなるようにしてある。

図２に示すように、各水車ブレード１５の弦長は、正面視において基部側が小さく、先端部方向に向かって漸次大として、先端部の受水面積を大きくしてある。また、図１に示すように、各水車ブレード１５の先端部には、前方である上流方向に向かって円弧状に傾斜する傾斜部１５Ａが形成されている。

さらに、図５に示すように、水車ブレード１５の横断面の形状は、矢印Ｒで示す回転方向前側の翼厚が厚く、後端に向かって漸次薄くなっており、かつコアンダ効果を発揮するために、背面１５Ｂを円弧状に膨出させるとともに、水流を受ける前面１５Ｃを、回転方向後側に向かって傾斜する傾斜面としてある。

これにより、各水車ブレード１５の前面１５Ｃが水流を受けると、各水車ブレード１５には、揚力が生じ、水車ロータ１３は、回転方向Ｒへ作用する推力によって正面視時計方向に回転する。また、各水車ブレード１５の先端部には、上流方向に向かって傾斜する傾斜部１５Ａが設けられているため、回転方向後側に傾斜する前面１５Ｃに沿って先端部から遠心方向に逃げようとする水流は、傾斜部１５Ａにより受け止められ、その反力により回転方向の推力が増大し、水車ロータ１３の回転速度が高められる。従って、このような傾斜部１５Ａを有する水車ロータ１３においては、用水路２の水位が、水車ロータ１３の下半部が水没する程度の深さであっても、十分な回転速度が得られる。

図１に示すように、水車筐体１１内において、横主軸１６の後端部には、駆動傘歯車２０が固着され、この駆動傘歯車２０の上面に噛合する従動傘歯車２１には、軸筒１２の内部に、上下のスラスト軸受２２、２２によって回転自在に支持された上下方向を向く第１回転軸２３の下端部が固着されている。なお、駆動傘歯車２０と従動傘歯車２１とにより伝動手段が形成され、この伝動手段を介して、横主軸１６の回転力が９０度偏向されて、第１回転軸２３に伝達されるようになっている。

第１回転軸２３の上端部は、軸筒１２の頂壁１２Ｂを貫通して上方に突出し、その上端は、フランジを介して、第１クラッチである後述するワンウェイクラッチ３５の駆動外輪３５Ａに上端部が結合された上下方向の入力軸２４に連結されている。

第１回転軸２３の上部には、駆動プーリ２５が取付けられ、この駆動プーリ２５と、第１発電機６の電機子ロータ(図示略)を回転させる従動プーリ２６とには、伝動ベルト２７が掛け回されている。これにより、第１発電機６は、横軸水車４に連係された第１回転軸２３の回転力により、常時駆動されて発電するようになっている。なお、従動プーリ２６を増速して発電効率を高めるために、従動プーリ２６に対し駆動プーリ２５の直径を大としてある。

縦軸風車５は、縦軸風車ロータ２８を備え、この縦軸風車ロータ２８は、水平面上において外径方向を向き、かつ一直線上に並ぶ１対の水平アーム２９、２９と、両水平アーム２９の外端部に上下方向の中央部の内面が固着された縦長の揚力型風車ブレード(以下風車ブレードと略称する)３０、３０と、外周面が両水平アーム２９の内端部に固着された円筒形のハブ軸３１とを備えている。水平アーム２９及び風車ブレード３０は、例えば繊維強化合成樹脂により形成されている。なお、水平アーム２９と風車ブレード３０とハブ軸３１とは、一体成形が可能である。

ハブ軸３１は、縦軸風車ロータ２８の主軸である、上述した第１回転軸２３と同軸をなす第２回転軸３２の上部に、セレーションまたはねじ等により相対回転不能に結合され、縦軸風車ロータ２８と第２回転軸３２とは一体的に回転する。風車支持枠９の上端部と中間部には、例えば平面視十字形をなす軸部支持杆３３、３３が設けられ、両軸部支持杆３３の中心部に圧嵌されたスラスト軸受３４、３４により、第２回転軸３２の上端部と下部の２箇所が回転自在に支持されている。縦軸風車ロータ２８及び第２回転軸３２は、平面視時計方向に回転し、前述した水車ロータ１３側の第１回転軸２３の回転方向と同方向に回転するようになっている。
第２回転軸３２の下端は、フランジ３２Ａを介して、後述するワンウェイクラッチ３５の従動軸３５Ｂに連結されている。

図３にも示すように、両風車ブレード３０における垂直方向を向く主部３０Ａの上下両端部には、内方、すなわち第２回転軸３２方向に向かって円弧状に傾斜する内向き傾斜部３０Ｂ、３０Ｂが一体的に形成されている。風車ブレード３０の弦長は、縦軸風車ロータ２８の回転半径の２０〜５０％の長さとされ、受風面積は大きく設定されている。

また、風車ブレード３０における上下両端部を除く主部３０Ａの横断面形状は、図４に拡大して示すように、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かうに従って漸次薄くなる標準の揚力型ブレードに近いものとされている。

風車ブレード３０が回転すると、その内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する気流の方が、内側面のそれよりも高速となる。

そのため、風車ブレード３０の後縁部において、外側面を通過する気流の圧力は、内側面を通過する気流のそれよりも小さい負圧となり、風車ブレード３０の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されることにより、風車ブレード３０に回転方向の揚力(推力)が作用し、縦軸風車ロータ２８は平面視時計方向に回転する。

また、風車ブレード３０の上下の端部に内向き傾斜部３０Ｂ、３０Ｂを形成してあるため、風車ブレード３０の回転に伴い、主部３０Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れようとする気流は、上下の内向き傾斜部３０Ｂ、３０Ｂの内面及び外面に沿って、斜め後方に向かって通過し、コアンダ効果により推力が増大する。従って、低風速下においても、縦軸風車ロータ２８は高い回転効率をもって回転する。

図１に示すように、第１回転軸２３の上端に連結した入力軸２４と、第２回転軸３２の下端とは、第１クラッチである公知のワンウェイクラッチ３５を介して断続可能に連結されている。
ワンウェイクラッチ３５は、拡大横断面図である図６及び図７に示すように、入力軸２４の上端に固着され、第１回転軸２３と共に平面視時計方向に回転する駆動外輪３５Ａと、これに回転自在に嵌合された従動軸３５Ｂと、駆動外輪３５Ａと従動軸３５Ｂとの間に円周方向に複数設けられたクラッチ機構３６とを備え、従動軸３５Ｂの上端は、第２回転軸３２の下端に連結されている。

各クラッチ機構３６は、駆動外輪３５Ａの内周面に形成され、回転方向と逆側の円周方向の端部に、内径方向に向かって漸次傾斜する傾斜部３７Ａを有する凹部３７と、この凹部３７内に収容された上下方向の針状ころ３８と、針状ころ３８を傾斜部３７Ａ方向に常時付勢する圧縮ばね３９とからなっている。

ワンウェイクラッチ３５は、次のように作動する。
図６に示すように、無風または微風状態で縦軸風車ロータ２８の回転が停止または遅いときには、第２回転軸３２の回転速度が、第１回転軸２３の回転速度よりも遅くなるため、第１回転軸２３に連結された駆動外輪３５Ａは、第２回転軸３２に連結された従動軸３５Ｂに対して相対的に時計方向に回転することとなる。

すると、針状ころ３８は、圧縮ばね３９の付勢力により、傾斜部３７Ａ方向へ移動させられ、傾斜部３７Ａと従動軸３５Ｂの外周面との間の楔作用により、駆動外輪３５Ａと従動軸３５Ｂとが針状ころを介して接続される。これにより、従動軸３５Ｂ及びそれに連結された第２回転軸３２は、駆動外輪３５Ａにより連れ回されて一体的に回転する。その結果、無風または微風状態で、縦軸風車ロータ２８の起動性が悪い場合でも、横軸水車４の回転力を利用して、縦軸風車ロータ２８を常時回転させておくことができる。この場合、一般に用水路２を流れる水の流速はそれほど速くなく、横軸水車４及びそれに連係された第１回転軸２３も高速回転することはないので、縦軸風車ロータ２８を比較的低速で回転させておくことができる。

なお、水流の速い用水路２に横軸水車４を設置する場合には、第１回転軸２３の回転が速くなり、縦軸風車ロータ２８の回転も速くなることが考えられるが、この場合には、例えば駆動プーリ２５と入力軸２４との間に減速機構を設け、第１回転軸２３の回転を減速してワンウェイクラッチ３５の駆動外輪３５Ａに伝達し、第２回転軸３２及び縦軸風車ロータ２８の回転速度を最適に調節するようにしてもよい。

無風または微風状態で、横軸水車４により縦軸風車ロータ２８が回転させられているときには、後述する第２クラッチ４２はＯＦＦとされ、第２回転軸３２から第２発電機７に動力が伝達されて発電しないようになっている。従って、第２発電機７が駆動された場合の駆動トルクよって、縦軸風車ロータ２８及び横軸水車４の回転にブレーキがかかり、それらが失速するおそれはない。

横軸水車４により縦軸風車ロータ２８が回転させられているときに風況がよくなり、第２回転軸３２の回転速度が、第１回転軸２３の回転速度を超えると、図７に示すように、従動軸３５Ｂが、駆動外輪３５Ａよりも速く回転する(駆動外輪３５Ａは相対的に遅くなって反時計方向に移動する)ことにより、針状ころ３８は圧縮ばね３９を圧縮させて回転方向(時計方向)へ移動し、傾斜面３７Ａから離れることで楔作用がなくなる。これにより、駆動外輪３５Ａと従動軸３５Ｂとの接続は解除され、第１回転軸２３と第２回転軸３２は、互いに異なる回転速度で同方向に独立して回転する。

このときの第２回転軸３２の平均回転速度を、後述する回転速度検出センサ４１が検出し、その速度が予め定めた値を超えた場合には、後述する第２クラッチ４２がＯＮされて、第２回転軸３２から第２発電機７に動力が伝達されて発電することができる。

第２回転軸３２の中間部には、縦軸風車ロータ２８の回転速度を検出するための平歯車４０が取付けられており、この平歯車４０の回転数を、非接触式の回転速度検出センサ４１をもって検出することにより、第２回転軸３２の平均回転速度を測定しうるようになっている。なお、平歯車４０に代えて、第２回転軸３２の外周面に、例えば１個または複数個の凸部を設けてもよい。

回転速度検出センサ４１は、第２回転軸３２から第２発電機７への動力の伝達を断続する後述の第２クラッチ４２に作動信号を送信するものであり、縦軸風車ロータ２８と共に回転する第２回転軸３２の平均回転速度が、第２発電機７を駆動しても失速しない予め定めた値を超えた場合に第２クラッチ４２を接続し、第２回転軸３２から第２発電機７に動力を伝達して発電されるようになっている。なお、図示は省略するが、縦軸風車ロータ２８の平均周速を周速検出センサ(図示略)により検出し、その値が予め定めた値、例えば縦軸風車ロータ２８が自力で加速しながら回転しうる周速に達するか、それを超えた場合に第２クラッチ４２を接続して、第２回転軸３２から第２発電機７に動力が伝達されるようにしてもよい。

第２回転軸３２の下部には、第２回転軸３２から第２発電機７への動力の伝達を断続しうる第２クラッチ４２が設けられている。この実施例では、第２クラッチ４２に電磁クラッチを用いている。

第２クラッチ４２は、図８及び図９の拡大縦断面図に示すように、軸部支持杆３３の中央部下面に固定され、環状のステータコイル４３が埋設された磁性材よりなるステータ４４と、第２回転軸３２に、すべりキー４５を介して相対回転不能、かつ軸方向に移動可能に嵌合され、上面に摩擦材４６を有するクラッチ板４７と、上部がステータ４４に外嵌されるようにして、第２回転軸３２に、軸受４８、４８を介して回転自在に嵌合された磁性材よりなるプーリ４９とからなっている。なお、クラッチ板４７が下方へ移動するのを防止するために、クラッチ板４７よりも下方の第２回転軸３２の外径を大径として段差を設けてある。

ステータコイル４３への非通電時には、図８に示すように、クラッチ板４７はプーリ４９に接触せず、第２クラッチ４２は切れた状態となっている。従って、第２回転軸３２の回転力がクラッチ板４７を介してプーリ４９に伝達されなくなる。

図９に示すように、ステータコイル４３に通電されると、ステータ４４は電磁石となってプーリ４９を磁化するため、クラッチ板４７が上方に移動してプーリ４９に吸着され、第２クラッチ４２は接続状態となる。これにより、第２回転軸３２の回転力がクラッチ板４７を介してプーリ４９に伝達されるようになる。なお、ステータコイル４３には、第１、第２発電機６、７により発電された電力を蓄電する蓄電池(図示略)などから給電することができる。

プーリ４９と、第２発電機７の電機子ロータ(図示略)を回転させる従動プーリ５０とには、伝動ベルト５１が掛け回され、第２クラッチ４２が接続状態にある場合に、第２回転軸３２の駆動力が第２発電機７に伝達されて発電されるようになっている。

すなわち、前述したように、第２回転軸３２の回転速度が第１回転軸２３の回転速度を超え、ワンウェイクラッチ３５により、第１回転軸２３と第２回転軸３２との接続が解除されているときに、第２回転軸３２の平均回転速度が予め定めた値を超えたことを回転速度検出センサ４１が検出すると、第２クラッチ４２が接続されて、第２回転軸３２から第２発電機７に動力が伝達されて発電される。

また、無風または微風状態で、縦軸風車ロータ２８が停止したり、第２回転軸３２の回転速度が遅い場合には、第２クラッチ４２が切断されて、第２回転軸３２から第２発電機７に動力が伝達されなくなり、第２発電機７による発電はなされない。なお、ワンウェイクラッチ３５により、第１回転軸２３と第２回転軸３２との接続が解除されている場合には、縦軸風車ロータ２８の回転力が横軸水車４側に伝達されないので、縦軸風車ロータ２８が失速するおそれはない。

以上説明したように、実施例１の風水力発電装置１においては、水車ロータ１３の横主軸１６に連係された第１回転軸２３の回転力により、第１発電機６を常時駆動して発電するとともに、第１回転軸２３と縦軸風車ロータ２８の第２回転軸３２との間に、第１クラッチであるワンウェイクラッチ３５を設け、第２回転軸３２の回転速度が第１回転軸２３の回転速度を超えたとき、第１回転軸２３と第２回転軸３２との接続を解除して、第２回転軸３２が独立して回転するようにし、第２回転軸３２の平均回転速度が予め定めた値を超えたとき、第２クラッチ４２を接続して、第２回転軸３２の回転力により第２発電機７を駆動して発電するようにしているので、風況がよく、縦軸風車ロータ２８が予め定めた回転速度以上で回転している場合には、水車ロータ１３に連係されて常時発電する第１発電機６と、縦軸風車５に第２クラッチ４２を介して連係された第２発電機７との両方で発電することができる。そのため、水車と風車の運動エネルギーが有効に電気エネルギに変換され、発電効率は大幅に高まる。
なお、第１、第２発電機６，７によって発電された電力は、図示しない蓄電池に蓄電されたのち、例えば用水路２に沿って設置された農業用構築物等の電源用として送電されるか、外部の交流負荷電力系統に直接送電される。

無風または微風状態で、第２発電機７により発電することができない場合でも、水流がある限り、横軸水車４の水車ロータ１２は所定の回転速度で回転して、第１発電機６を常時駆動しているので、発電が停止されることはない。なお、無風または微風状態で、横軸水車４により縦軸風車ロータ２８が回転させられているときには、第２クラッチ４２はＯＦＦとなり、第２回転軸３２から第２発電機７に動力が伝達されないようになっているので、第２発電機７の駆動トルクによって、縦軸風車ロータ２８及び横軸水車４の回転にブレーキがかかるおそれはない。

さらに、無風及び微風状態で縦軸風車ロータ２８が停止しているときでも、横軸水車４の回転力を利用して、縦軸風車ロータ２８を回転させておくことができるので、風況が悪くても縦軸風車ロータ２８の起動性が問題となることはなく、縦軸風車ロータ２８を回転させている間に風況がよくなれば、縦軸風車ロータ２８は、速やかに加速して予め定めた回転速度に達し、またはそれを超えるようになるので、第２発電機７により効率よく発電することができる。

水車ロータ１３の水車ブレード１５の先端部には、上流方向に向かって傾斜する傾斜部１５Ａが設けられ、遠心方向へ逃げようとする水流を受け止め、その反力により推力を増大させることにより、水車ロータ１３は効率よく回転するので、例え、流速の遅い水流であっても、発電効率を高めることができる。

縦軸風車５の風車ブレード３０についても、上下の端部に第２回転軸３２方向に向かって傾斜する傾斜部３０Ｂを設けて、縦軸風車ロータ２８の回転効率を高めうるようになっているので、低風速下においても、効率よく発電することができる。なお、ブレーキ装置を設けて、縦軸風車ロータ２８が定格回転数を超えて回転しないように制御することができる。

図１０は、本発明の実施例２に係る風水力発電装置５２を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

実施例２に係る風水力発電装置５２においては、実施例１に係る風水力発電装置１の横軸水車４に代えて、縦軸水車５３を用いたものである。
縦軸水車５３は、水車支持枠８内の中央部に配置され、平面視時計方向に回転するようになっている縦型水車ロータ５４を備えている。

この縦型水車ロータ５４は、外側方を向き、かつ上部と下部において一直線上に並ぶ１対ずつの水平アーム５５、５５と、各水平アーム５５の外端部に上下の端部の内面が固着された揚力型の縦型水車ブレード５６、５６と、外周面が上下の水平アーム５５の内端部に固着された上下１対の円筒形のハブ軸５７、５７とを備えている。

上下のハブ軸５７は、縦軸風車５の第２回転軸３２と同軸をなす上下方向の第１回転軸５８に、凹凸セレーションやねじ等により結合され、縦型水車ロータ５４と第１回転軸５８は、平面視時計方向に一体的に回転するようになっている。第１回転軸５８の下端部は、水車支持枠８の底板８Ａの中央部に設けたスラスト軸受５９により、同じく上部は、上面板８Ｃの中央部に設けた軸受６０により、それぞれ回転自在に支持されている。第１回転軸５８の上端部は、実施例１と同様、ワンウェイクラッチ３５の入力軸２４に、フランジ２３Ａを介して連結されているとともに、駆動プーリ２５と伝動ベルト２６を介して、第１発電機６の従動プーリ２６に連係されている。

両縦型水車ブレード５６は、縦軸風車５の風車ブレード２６と同様の外形とされている。
すなわち、垂直方向を向く主部５６Ａの上下両端部に、内方、すなわち第１回転軸５８方向に向かって円弧状に傾斜する内向き傾斜部５６Ｂ、５６Ｂが一体的に形成された外形をなしている。

また、縦型水車ブレード５６における上下両端部を除く主部５６Ａの横断面形状は、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かうに従って漸次薄くなっている。

縦型水車ブレード５６が回転すると、その内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する水流の方が、内側面のそれよりも高速となる。

そのため、縦型水車ブレード５６の後縁部において、外側面を通過する水流の圧力が、内側面を通過する水流よりも小さい負圧となり、縦型水車ブレード５６の後縁部の外側面が、後方から前縁部方向に押されることにより、縦型水車ブレード５６に回転方向の揚力(推力)が作用し、縦型水車ロータ５４は平面視時計方向に回転する。

また、縦型水車ブレード５６の上下の端部に内向き傾斜部５６Ｂ、５６Ｂを形成してあるため、縦型水車ブレード５６の回転に伴い、主部５６Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れようとする水流は、上下の内向き傾斜部５６Ｂ、５６Ｂの内面及び外面に沿って、斜め後方に向かって通過し、コアンダ効果により推力が増大するため、流速の遅い水流でも、縦型水車ロータ５６は高い回転効率をもって回転する。

実施例２に係る風水力発電装置５２においても、実施例１と同様の効果を奏することができる。
また、縦軸水車５３を用いると、縦型水車ロータ５４の第１回転軸５８を、縦軸風車５の第２回転軸３２と同軸に整合させて、ワンウェイクラッチ３５に簡単に連結することができるので、横軸水車４に比して動力伝達系を簡素化することができる。

図１１は、本発明の実施例３に係る風水力発電装置６１の風車部分を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

実施例３に係る風水力発電装置６１においては、実施例１及び実施例２に係る縦軸風車５に代えて、横軸風車６２を用いたものである。図示を省略した水車には、実施例１のような横軸水車４、実施例２のような縦軸水車５３、後述する実施例４のような横軸水車７３、または後述する実施例５のような複数の横軸水車４が使用される。

横軸風車６２は、横長の風車筐体６３と、それにより回転自在に支持されたプロペラ型の風車ロータ６４と、風車筐体６３に取付けられた方向舵６５とを備え、風車筐体６３は、風車支持枠９の上面に固定された支持体６６に、水平旋回可能に取り付けられている。

風車ロータ６４は、基本的に実施例１の水車ロータ１３と同じ形状をなし、ハブ６７の外周面に複数(例えば４〜５枚)の揚力型風車ブレード６８を取付けて構成されている。各風車ブレード６８の先端部には、風上である前方に向かって傾斜する傾斜部６８Ａが形成されている。なお、各風車ブレード６８の翼形は、風車ロータ６４が右側面視において時計方向に回転しうる断面形状とされている。

ハブ６７は、風車筐体６３内に回転自在に支持された横主軸６９の後部の突出端部に固着されている。横主軸６９の回転力は、駆動傘歯車７０Ａと、これに噛合する従動傘歯車７０Ｂとからなる伝動手段７０を介して、風車支持枠９に回転自在に支持された下方を向く第２回転軸７１に伝達される。

第２回転軸７１の下端は、上記第１、第２実施例と同様に、ワンウェイクラッチ３５の従動軸３５Ｂに連結されるとともに、第２回転軸７１の下部には、第２クラッチ４２が設けられている。
横軸風車６２が矢印方向の風を受けると、方向舵６５により、風車筐体６３は、風車ロータ６４が風下を向くように旋回し、この状態で風車ロータ６４が右側面視時計方向に回転すると、第２回転軸７１は、伝動手段７０を介して、平面視時計方向に回転させられる。上述と同様、第２回転軸７１が予め定めた回転速度を超えると、第２クラッチ４２を介して第２発電機７が駆動されて発電されるようになる。
実施例３に係る風水力発電装置６１においても、上記第１、第２実施例と同様に、風力と水力の運動エネルギを有効に電気エネルギに変換して、発電効率を大幅に高めることができる。

図１２は、本発明の実施例４(請求項４に記載の発明)に係る風水力発電装置７２の水車部分を示す。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。図示を省略した上方の風車には、実施例１の縦軸風車５または実施例３の横軸風車６２が用いられる。

実施例４に係る風水力発電装置７２の横軸水車７３は、前後寸法を大とした円筒状の水車筐体７４と、その前後両端部に回転自在に支持された、実施例１と同様の前後１対の水車ロータ１３、１３とを備えている。用水路２の上流側である前方の水車ロータ１３は、実施例１と同様に正面視反時計方向に回転する。用水路２の下流側である後方の水車ロータ１３は、正面視時計方向に逆回転するように、水流を受ける水車ブレード１５の前面を、前方の水車ブレード１５の前面の傾斜面とは逆の傾斜面とされている。なお、水車筐体７４は、コアンダ効果により、後方の水車ロータ１３に向かう水の流下速度が速くなるように、前部から後部に向かって漸次小径とされている。

前後の水車ロータ１３、１３に連結された互いに同軸をなす横主軸１６、１６の回転力は、それぞれ、駆動傘歯車２０と従動傘歯車２１を介して、水車筐体７４に固定された軸筒７５内に回転自在に支持されている上下方向の伝動軸７６、７６に伝達されるようになっている。なお、両伝動軸７６は、共に平面視時計方向に回転するようになっている。軸筒７５は、その幅寸法が前部から後部に向かって漸次薄くなる、平面視魚形断面とされ、コアンダ効果により、水の流下速度が速くなるようにしてある。

両伝動軸７６の上端部には、それぞれ伝動歯車７７、７７が固定され、両伝動歯車７７は、それらの対向面間に配置された従動歯車７８に噛合させてある。従動歯車７８には、軸筒７５を貫通して上方に突出している第１回転軸７９の下端部が固着されている。第１回転軸７９の上端は、実施例１と同様、ワンウェイクラッチ３５の入力軸２４に連結されるとともに、上部は第１発電機６に連係されている。なお、駆動傘歯車２０と従動傘歯車２１、及び伝動軸７６は、本発明における伝動手段に相当する。

実施例４に係る風水力発電装置７２においても、上記各実施例と同様の効果を奏する。

また、横軸水車７３は、用水路２の上流側と下流側に１対の水車ロータ１３、１３を有し、それら回転力が合成されて１本の第１回転軸７９に伝達され、第１発電機６を、大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな第１発電機６が使用可能となり、発電量を増大させることができる。

図１３は、本発明の実施例５(請求項５に記載の発明)に係る風水力発電装置８０の水車部分の正面図である。なお、上述した実施例１と同様の部材には、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。図示を省略した上方の風車には、実施例１の縦軸風車５または実施例３の横軸風車６２が用いられる。

実施例５に係る風水力発電装置８０は、幅の広い用水路２に設置されるものであり、水車支持枠８の横幅を、用水路２の幅と同等となるように大とし、この水車支持枠８の上面板８Ｃに、実施例１と同様の２基の横軸水車４、４を、共に正面視時計方向に回転するように幅方向に並べて取付けてある。

水車ロータ１３、１３の回転力が伝達され、共に平面視時計方向に回転する上下方向の伝動軸８１、８１の上端部には、伝動プーリ８２、８２が取付けられている。ワンウェイクラッチ３５及び第１発電機６に連係された第１回転軸８３の下部には、上下２個の従動プーリ８４、８４が取付けられ、互いに対向する両従動プーリ８４と左右の伝動プーリ８２、８２間には、伝動ベルト８５、８５が掛け回されている。なお、各プーリ８２、８４及び伝動ベルト８５は、滑り止めされる歯付プーリ及び歯付ベルトを使用するのが好ましい。

実施例５に係る風水力発電装置８０においても、実施例１と同様の効果を奏する。
また、左右の横軸水車４の回転力が合成されて第１回転軸８３に伝達され、第１発電機６を大きな回転トルクで回転させることができるので、発電容量の大きな第１発電機６を使用して、発電量を増大させることができる。

図１４は、本発明の実施例６に係る風水力発電装置７２を示すもので、洋上に設置して使用するものである。すなわち、潮流(海流)のある洋上に、海底にワイヤ７３により?留された３個以上のフロ−ト７４を有する浮体式構造物７５を浮かべ、この浮体式構造物７５に、実施例１と同様の横軸水車４と縦軸風車５を取付けることにより、浮体式の洋上風水力発電装置としたものである。
この実施例７に係る風水力発電装置７２においても、潮流によって回転させられる横軸水車４と、洋上風力によって回転させられる縦軸風車５とが相対回転して、発電機６により発電されるので、発電量を大幅に高めることができる。特に、洋上においては、陸地よりも安定した風力が得られるので、縦軸風車５が効率よく回転して発電量が高まる。なお、水車及び風車は、この実施例７のものに限定されるものではなく、実施例１〜６に記載されているものも使用してもよいことは勿論である。

本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。
(１) 長寸とした第２回転軸３２に縦軸風車ロータ２８を上下複数設け、多段縦軸風車として回転トルクを増大させる。

(２) 図１０に示す実施例２において、用水路２の水深が深い場合、長寸とした第１回転軸５８に上下複数の縦型水車ロータ５４を設け、多段縦軸水車として回転トルクを増大させる。

(３) 第１クラッチであるワンウェイクラッチ３５の代わりに、電磁クラッチを使用する。

(４) 第２クラッチ４２を、電磁クラッチに代えて遠心クラッチ等の機械式クラッチを使用する。

(５) 風車支持枠８を、用水路２の側方の陸地に設置し、それに、縦軸風車５や横軸風車６２を設ける。この場合は、水車と風車の上下方向の回転軸同士を、例えば互いに直交状に噛合するギヤと２本の伝動軸等よりなる伝動手段を介して、互いに同方向に回転するように連係し、両伝動軸同士をワンウェイクラッチ等の第１クラッチにより断続可能に連結すればよい。

(６) 図１３に示す実施例５において、横軸水車４の代わりに、実施例２のような縦軸水車５３を２基使用する。

(７) 用水路２内に挿入した水車支持枠８により水車を支持する代わりに、用水路２を跨ぐように設置された横架体によって水車を吊支する。

１ 風水力発電装置
２ 用水路
３ 支持枠体
４ 横軸水車
５ 縦軸風車
６ 第１発電機
７ 第２発電機
８ 水車支持枠
８Ａ 底板
８Ｂ 支柱
８Ｃ 上面板
９ 風車支持枠
９Ａ 支持板
１０ 固定具
１１ 水車筐体
１１Ａ 開口端
１２ 軸筒
１２Ａ フランジ
１２Ｂ 頂壁
１３ 水車ロータ
１４ ハブ
１５ 揚力型水車ブレード
１５Ａ 傾斜部
１５Ｂ 背面
１５Ｃ 前面
１６ 横主軸
１７ 支持杆
１８ 板状ブラケット
１９ 貫通孔
２０ 駆動傘歯車
２１ 従動傘歯車
２２ スラスト軸受
２３ 第１回転軸
２３Ａ フランジ
２４ 入力軸
２５ 駆動プーリ
２６ 従動プーリ
２７ 伝動ベルト
２８ 縦軸風車ロータ
２９ 水平アーム
３０ 揚力型風車ブレード
３０Ａ 主部
３０Ｂ 内向き傾斜部
３１ ハブ軸
３２ 第２回転軸
３２Ａ フランジ
３３ 軸部支持杆
３４ 軸受
３５ ワンウェイクラッチ(第１クラッチ)
３５Ａ 駆動外輪
３５Ｂ 従動軸
３６ クラッチ機構
３７ 凹部
３７Ａ 傾斜部
３８ 針状ころ
３９ 圧縮ばね
４０ 平歯車
４１ 回転速度センサ
４２ 第２クラッチ
４３ ステータコイル
４４ ステータ
４５ すべりキー
４６ 摩擦材
４７ クラッチ板
４８ 軸受
４９ プーリ
５０ 従動プーリ
５１ 伝動ベルト
５２ 風水力発電装置
５３ 縦軸水車
５４ 縦型水車ロータ
５５ 水平アーム
５６ 縦型水車ブレード
５６Ａ 主部
５６Ｂ 内向き傾斜部
５７ ハブ軸
５８ 第１回転軸
５９ スラスト軸受
６０ 軸受
６１ 風水力発電装置
６２ 横軸風車
６３ 風車筐体
６４ 風車ロータ
６５ 方向舵
６６ 支持体
６７ ハブ
６８ 風車ブレード
６８Ａ 傾斜部
６９ 横主軸
７０ 伝動手段
７０Ａ 駆動傘歯車
７０Ｂ 従動傘歯車
７１ 第２回転軸
７２ 風水力発電装置
７３ 横軸水車
７４ 水車筐体
７５ 軸筒
７６ 伝動軸
７７ 伝動歯車
７８ 従動歯車
７９ 第１回転軸
８０ 風水力発電装置
８１ 伝動軸
８２ 伝動プーリ
８３ 第１回転軸
８４ 従動プーリ
８５ 伝動ベルト
８６ 洋上風水力発電装置
８７ ワイヤ
８８ フロート
８９ 浮体式構造物

Claims (7)

1. 水流を受けて一定方向に回転する水車と、
   前記水車の主軸に連係されて回転する第１回転軸と、
   前記第１回転軸に連係されて常時発電するようになっている第１発電機と、
   風力を受けて一定方向に回転する風車と、
   前記風車の主軸に連係され、前記第１回転軸と同方向に回転する第２回転軸と、
   前記第１回転軸と前記第２回転軸との間に設けられ、それらの動力の伝達を断続しうる第１クラッチと、
   前記第２回転軸に連係された第２発電機と、
   前記第２回転軸から前記第２発電機への駆動力の伝達を断続しうる第２クラッチとを備え、
   前記第１クラッチは、前記第２回転軸の回転速度が前記第１回転軸の回転速度以下の場合に接続されて、第１回転軸から第２回転軸に動力が伝達され、第２回転軸の回転速度が第１回転軸の回転速度を超えた場合に切断されて、第１、第２回転軸が独立して回転しうるように作動し、
   前記第２クラッチは、前記第１クラッチが接続状態にあって前記第１回転軸の駆動力が第２回転軸に伝達されているときには、前記第２回転軸から前記第２発電機へ駆動力を伝達しないように切断され、前記第１クラッチが切断状態にあって前記第２回転軸の回転速度または前記風車の周速が予め定めた値を超えた場合に接続され、前記第２回転軸から前記第２発電機に駆動力を伝達して発電しうるように作動することを特徴とする風水力発電装置。
2. 前記水車と風車を支持枠体に上下方向に並べて配設して、前記第１回転軸と第２回転軸とを上下方向に同軸をなすように対向させ、第１回転軸と第２回転軸との間に前記第１クラッチを設けたことを特徴とする請求項１に記載の風水力発電装置。
3. 前記水車は、先端部に水路の上流側を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸水車、または上下方向の両端部に、縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸水車であることを特徴とする請求項１または２に記載の風水力発電装置。
4. 前記水車は、水路の上流側と下流側に配置され、複数の揚力型ブレードよりなる前後１対のロータを備える横軸水車であり、前記両ロータの主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１回転軸に伝達するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の風水力発電装置。
5. 前記水車を、水路の幅方向に複数設置し、各水車の主軸の回転力を、複数の伝動手段を介して、前記第１回転軸に伝達するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風水力発電装置。
6. 前記風車は、上下方向の両端部に縦主軸方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する縦軸風車、または先端部に風上方向を向く傾斜部が形成された複数の揚力型ブレードを有する横軸風車であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の風水力発電装置。
7. 前記水車と風車を、洋上に設置した浮体式構造物に取付けたことを特徴とする請求項１に記載の風水力発電装置。

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