JP2020022279A - Natural force power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水力又は風力から電力を発生して外部へと伝送する自然力発電装置に関する。 The present invention relates to a natural power generator that generates power from hydraulic power or wind power and transmits the generated power to the outside.
水力又は風力から電力を発生して外部へと伝送する自然力発電装置は、これまでに各種のものが提案されているが、特許文献1の図5に示されるように、プロペラと発電機とを備えたものが一般的である。この種の自然力発電装置では、プロペラがその前面に水力又は風力を受けると回転するようになっており、発電機は、このプロペラの回転力を電力に変換するものとなっている。
Various types of natural power generators that generate power from hydropower or wind power and transmit the power to the outside have been proposed so far. As shown in FIG. 5 of
すなわち、発電機は、プロペラのシャフトの後端部に接続されてプロペラとともに回転するロータと、ロータの外周部を覆うステータとを備えている。ステータは、発電機の基台部等に固定されており、プロペラが回転しても回転しないようになっている。ロータの外周部には、複数個の永久磁石(発電用磁石)が固定されており、ステータの内周部には、複数本のコイル(発電用コイル)が固定されている。このため、プロペラが回転すると、発電機における発電用磁石と発電用コイルとが相対的に回転して、発電用コイルを通過する発電用磁石からの磁界が変化するようになる。このときの発電用コイルには、その磁界の変化に伴う誘導電流が発生する。 That is, the generator includes a rotor connected to the rear end of the shaft of the propeller and rotating with the propeller, and a stator covering the outer peripheral portion of the rotor. The stator is fixed to a base portion or the like of the generator, and does not rotate even when the propeller rotates. A plurality of permanent magnets (power generation magnets) are fixed to the outer periphery of the rotor, and a plurality of coils (power generation coils) are fixed to the inner periphery of the stator. Therefore, when the propeller rotates, the power generating magnet and the power generating coil in the power generator relatively rotate, and the magnetic field from the power generating magnet passing through the power generating coil changes. At this time, an induced current is generated in the power generation coil due to the change in the magnetic field.
しかし、上記のように、ロータとステータとを備えた発電機(以下、この種の発電機を、発電用磁石のみが回転する構造(発電用コイルが回転しない構造)となっていることから、「単回転方式の発電機」と呼ぶことがある。)は、発電効率をそれほど高くすることができないという欠点を有していた。自然力発電装置としては、小規模な水路の水流でプロペラを回転させて発電する小水力発電装置に対する需要が高まってきているが、単回転方式の発電機をこの小水力発電装置で採用すると、その発電効率の低さが影響して、安定した電力を取り出しにくかった。小水力発電装置で単回転方式の発電機を採用した場合でも、プロペラの寸法を大きくすれば、ある程度安定した電力を取り出すことは可能であるものの、この場合には、ロータやステータの寸法も大きくする必要が生じ、小水力発電装置と言いながらも装置全体が大型化するという問題が生ずる。 However, as described above, since a generator including a rotor and a stator (hereinafter, this type of generator has a structure in which only a power generation magnet rotates (a structure in which a power generation coil does not rotate), ), Which has a drawback that the power generation efficiency cannot be so high. As for natural power generators, there is an increasing demand for small hydropower generators that generate power by rotating propellers in the water flow of small waterways. Due to the low power generation efficiency, it was difficult to extract stable power. Even if a single-rotor type generator is adopted as a small hydro power generator, it is possible to extract a certain amount of stable power by increasing the dimensions of the propeller, but in this case, the dimensions of the rotor and stator are also increased. Therefore, there arises a problem that the size of the whole apparatus is increased even though it is a small hydroelectric power generation apparatus.
ところで、発電機の発電効率を高める方法としては、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めることが挙げられる。この点、上記のプロペラを、その前面に水力等を受けると一側に回転する第一プロペラと、第一プロペラと同心に配されてその前面に水力等を受けると他側(第一プロペラとは逆側)に回転する第二プロペラとで構成して、発電機を、第一プロペラとともに回転する第一ロータと、第一ロータの外周部を囲んだ状態に配されて第二プロペラとともに回転する第二ロータとを備えたものとし、第一ロータの外周部、又は、第二ロータの内周部のうち、一方に発電用磁石を固定して、他方に発電用コイルが固定すると、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めることができる。 By the way, as a method of increasing the power generation efficiency of the generator, there is a method of increasing the relative rotation speed between the power generation magnet and the power generation coil. In this regard, the above-mentioned propeller is provided with a first propeller which rotates to one side when receiving hydraulic power or the like on its front face, and a second propeller which is arranged concentrically with the first propeller and receives hydraulic power or the like on its front face (with the first propeller). The generator is constituted by a second propeller that rotates in the opposite direction, and the generator is arranged so as to surround the outer periphery of the first rotor with the first rotor that rotates with the first propeller and rotates with the second propeller. When the power generating magnet is fixed to one of the outer peripheral portion of the first rotor or the inner peripheral portion of the second rotor and the power generating coil is fixed to the other, the power generation is performed. Relative rotation speed between the magnet for power generation and the coil for power generation can be increased.
すなわち、単回転方式の発電機では、動かない発電用コイルに対して発電用磁石が回転する構造となっているのに対し、第一ロータと第二ロータとを備えた発電機では、発電用コイルと発電用磁石とがともに逆向きに回転することから、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めて、単回転方式の発電機よりも、発電機の発電効率を高めることが可能である。以下においては、この種の発電機(発電用コイルと発電用磁石とがともに逆向きに回転する構造の発電機)を、「相回転方式の発電機」と呼ぶことがある。 That is, while a single-rotation type generator has a structure in which a generating magnet rotates with respect to a stationary generating coil, a generator having a first rotor and a second rotor has Since both the coil and the generator magnet rotate in opposite directions, the relative rotation speed between the generator magnet and the generator coil is increased to increase the power generation efficiency of the generator compared to a single-turn type generator. It is possible. Hereinafter, this type of generator (a generator having a structure in which both a generating coil and a generating magnet rotate in opposite directions) may be referred to as a “phase rotation type generator”.
ところが、相回転方式の発電機では、発電用磁石だけでなく、誘導電流が発生する発電用コイルまで回転するため、その発電用コイルを流れる電流を、外部の静止系に取り出すことが必ずしも容易ではなかった。この点、回転系から静止系に電力を取り出す機構としては、回転する導体軸の外周部に、「ブラシ」と呼ばれる電極を常に接触させるようにしたものがある。しかし、このブラシを用いる機構は、回転する導体軸に対してブラシが常に接触する構造となっているため、ブラシに摩耗が生じやすかった。特に、上述した小水力発電装置等の自然力発電装置は、1日24時間年中無休で回転させることが通常であるところ、このような自然力発電装置の発電機から電力を取り出すのに上記のブラシを採用すると、頻繁にブラシを交換する必要があり、メンテナンスが大変になるという問題があった。 However, in a phase rotation type generator, not only the power generating magnet but also the power generating coil that generates the induced current rotates, so it is not always easy to take out the current flowing through the power generating coil to an external stationary system. Did not. In this regard, as a mechanism for extracting electric power from the rotating system to the stationary system, there is a mechanism in which an electrode called a “brush” is always brought into contact with the outer peripheral portion of the rotating conductor shaft. However, the mechanism using this brush has a structure in which the brush is always in contact with the rotating conductor shaft, so that the brush is easily worn. In particular, natural power generators such as the above-mentioned small hydro power generators are usually rotated 24 hours a day, 7 days a week. However, the brush described above is used to extract power from the generator of such a natural power generator. With the use of, there is a problem that the brush needs to be frequently replaced, and maintenance becomes difficult.
本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、発電効率が高い相回転方式の発電機を用いたものでありながら、発電機が発生した電力を外部へと伝送する手段(電力伝送手段)に摩耗等が生じず、メンテナンスが容易な自然力発電装置を提供するものである。 Means for Solving the Problems The present invention has been made to solve the above-described problem, and means for transmitting power generated by a generator to the outside while using a phase rotation type generator having high power generation efficiency ( The present invention is to provide a natural power generator which is easy to maintain without causing wear or the like on the power transmission means).
上記課題は、
水力又は風力を受けると回転するプロペラと、
プロペラが回転すると発電用磁石と発電用コイルとが相対的に回転して発電用コイルに交流電流を発生させる発電機と、
発電機が発生した電力を外部へと伝送する電力伝送手段と
を備えた自然力発電装置であって、
発電機として、相回転方式の発電機を用いるとともに、
電力伝送手段として、非接触方式の電力伝送装置を用いた
ことを特徴とする自然力発電装置
を提供することによって解決される。
The above issues are
A propeller that rotates when it receives hydraulic or wind power,
When the propeller rotates, the generator magnet and the generator coil rotate relatively to generate an alternating current in the generator coil, and
A natural power generator having power transmission means for transmitting the power generated by the generator to the outside,
As a generator, use a phase rotation type generator,
The problem can be solved by providing a natural power generator characterized by using a non-contact power transmission device as the power transmission means.
本発明の自然力発電装置は、発電機として相回転方式のものを採用したものとなっている。具体的には、
プロペラを、
その前面に水力又は風力を受けると一側に回転する第一プロペラと、
第一プロペラと同心に配されて、その前面に水力又は風力を受けると他側に回転する第二プロペラと
で構成するとともに、
発電機を、
第一プロペラとともに回転する第一ロータと、
第一ロータの外周部を囲んだ状態に配されて、第二プロペラとともに回転する第二ロータと
を備えて、
第一ロータの外周部、又は、第二ロータの内周部のうち、一方に発電用磁石が固定されて、他方に発電用コイルが固定されたもの
としている。
The natural power generator of the present invention employs a phase rotation type generator as a generator. In particular,
Propeller,
A first propeller that rotates to one side when receiving hydraulic or wind power on its front,
Constructed with a second propeller that is arranged concentrically with the first propeller and rotates to the other side when receiving hydraulic power or wind power on its front,
The generator,
A first rotor that rotates with the first propeller,
A second rotor that is arranged in a state surrounding the outer peripheral portion of the first rotor and rotates together with the second propeller,
The power generation magnet is fixed to one of the outer peripheral portion of the first rotor and the inner peripheral portion of the second rotor, and the power generation coil is fixed to the other.
このため、本発明の自然力発電装置では、プロペラ(第一プロペラ及び第二プロペラ)が水力等を受けた際に、発電用コイルと発電用磁石とがともに逆向きに回転するようになっており、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めて、高い発電効率を得ることができるようになっている。したがって、本発明の自然力発電装置を、上記の小水力発電装置のように、大きな水力や風力が得られない環境下で使用する場合であっても、装置を大型化することなく、安定した電力を取り出すことが可能となる。 For this reason, in the natural power generator of the present invention, when the propellers (the first propeller and the second propeller) receive hydraulic power or the like, both the power generation coil and the power generation magnet rotate in opposite directions. By increasing the relative rotation speed between the power generating magnet and the power generating coil, high power generation efficiency can be obtained. Therefore, even when the natural power generation device of the present invention is used in an environment where large hydropower or wind power cannot be obtained, as in the case of the above-described small hydropower generation device, stable power can be obtained without increasing the size of the device. Can be taken out.
また、本発明の自然力発電装置は、電力伝送手段として非接触方式の電力伝送装置(機械的な接触を伴うことなく非接触で電力を伝送する装置)を採用したものとなっている。このため、本発明の自然力発電装置は、上記のように、相回転方式の発電機を用いるものであり、発電用磁石だけでなく発電用コイルも回転する構造でありながら、ブラシを設けることなく、回転する発電用コイルを流れる誘導電流を外部へ取り出すことが可能なものとなっている。このため、ブラシを交換する手間等を要せず、メンテナンスを容易にすることも可能である。 In addition, the natural power generator of the present invention employs a non-contact type power transmission device (a device that transmits electric power in a non-contact manner without mechanical contact) as a power transmission unit. For this reason, the natural power generator of the present invention uses a phase rotation type generator as described above, and has a structure in which not only the power generation magnet but also the power generation coil rotates, but without providing a brush. In addition, the induced current flowing through the rotating power generating coil can be extracted to the outside. For this reason, it is not necessary to replace the brush, and the maintenance can be facilitated.
本発明の自然力発電装置における電力伝送手段として採用可能な非接触方式の電力伝送装置としては、電磁誘導方式のものや、磁界共鳴方式のものや、電波受信方式のものや、電界結合方式のものや、直流共鳴方式のものや、超音波方式のもの等が例示されるが、電磁誘導方式の電力伝送装置が典型的である。
電力伝送手段を、
第一ロータ又は第二ロータのうち、発電用コイルが固定された側のロータ(以下、「コイル側ロータ」という。)とともに回転する回転部分に設けられた給電用コイルと、
給電用コイルに対して隙間を隔てた箇所に、コイル側ロータとともに回転しない状態で配された受電用コイルと
を備えたものとすると、電力伝送手段を電磁誘導方式の電力伝送装置とすることができる。
Non-contact power transmission devices that can be employed as power transmission means in the natural power generator of the present invention include electromagnetic induction type, magnetic resonance type, radio wave reception type, and electric field coupling type. Examples include a DC resonance type and an ultrasonic type, and an electromagnetic induction type power transmission device is typical.
Power transmission means,
A power supply coil provided on a rotating part that rotates together with the rotor on which the power generation coil is fixed (hereinafter, referred to as “coil-side rotor”), of the first rotor or the second rotor;
When a power receiving coil is provided at a location separated from the power feeding coil by a gap so as not to rotate together with the coil-side rotor, the power transmission means may be an electromagnetic induction type power transmission device. it can.
本発明の自然力発電装置は、
発電機が発生した電力を直流に変換する給電側整流手段と、
給電側整流手段が整流した直流電力を周波数20〜200kHzの交流に変換して給電用コイルに供給する給電側インバータ手段と、
受電用コイルが給電用コイルから受電した交流電力を直流に変換する受電側整流手段と、
受電側整流手段が整流した直流電力を商用周波数に変換して出力する受電側インバータ手段と
を備えたものとすることが好ましい。
The natural power generation device of the present invention,
A power supply side rectifier for converting the power generated by the generator into DC,
Power-supply-side inverter means for converting the DC power rectified by the power-supply-side rectifier into AC having a frequency of 20 to 200 kHz and supplying the AC power to a power supply coil;
Power receiving side rectifying means for converting the AC power received by the power receiving coil from the power feeding coil into DC,
It is preferable that the power receiving apparatus further comprises a power receiving side inverter for converting the DC power rectified by the power receiving side rectifier into a commercial frequency and outputting the commercial frequency.
上記のように、給電側整流手段と給電側インバータ手段とを設けて、給電用コイルを高周波駆動することにより、受給電のカプラ(発電コイル、鉄心及び磁気遮蔽板等を組み合わせたユニット)を小型化することが可能になる。ただし、給電用コイルを高周波駆動すると、受電用コイルを通じて外部へと出力される電力の安定性が低下しやすい傾向になる。この点、上記のように、受電側整流手段と受電側インバータ手段とを設けることにより、外部へと出力される電力の安定性を高めることが可能になる。 As described above, the power supply side rectifier and the power supply side inverter are provided, and the power supply coil is driven at a high frequency, so that the power supply / reception coupler (unit combining the power generation coil, the iron core, the magnetic shield plate, and the like) is reduced in size. Will be possible. However, when the power feeding coil is driven at a high frequency, the stability of the power output to the outside through the power receiving coil tends to decrease. In this regard, as described above, by providing the power receiving side rectifier and the power receiving side inverter, it is possible to enhance the stability of the power output to the outside.
本発明の自然力発電装置を、上記のように、給電側整流手段と、給電側インバータ手段と、受電側整流手段と、受電側インバータ手段とを備えたものとする場合には、給電側整流手段、給電側インバータ手段及び給電コイルを、コイル側ロータとともに回転する部分に固定することが好ましい。 When the natural power generator of the present invention is provided with the power supply side rectifier, the power supply side inverter, the power reception side rectifier, and the power reception side inverter as described above, the power supply side rectifier is provided. Preferably, the power supply side inverter means and the power supply coil are fixed to a portion which rotates together with the coil side rotor.
これにより、発電機の発電用コイルと給電側整流手段とが相対的に回転しないようにして、発電用コイルと給電側整流手段とを結線することや、給電側整流手段と給電用コイルも相対的に回転しないようにして、給電側整流手段と給電用コイルとを結線することが可能になる。すなわち、発電機の発電用コイルと給電用コイルとの間に位置する電気回路を、ブラシや非接触方式の電力伝送装置を介することなく構成することが可能になる。したがって、発電機が発生した電力の損失を抑え、自然力発電装置の発電効率をより高めることが可能になる。 As a result, the power generating coil of the generator and the power supply side rectifying means are not relatively rotated, and the power generating coil and the power feeding side rectifying means are connected to each other. It is possible to connect the power supply side rectifier and the power supply coil without rotating the power supply side. That is, an electric circuit located between the power generation coil and the power supply coil of the generator can be configured without the intervention of a brush or a non-contact power transmission device. Therefore, it is possible to suppress the loss of the electric power generated by the generator and further increase the power generation efficiency of the natural power generator.
また、本発明の自然力発電装置を、上記のように、給電側整流手段と、給電側インバータ手段と、受電側整流手段と、受電側インバータ手段とを備えたものとする場合には、受電側インバータ手段への入力電圧が定格以上となる場合に通電されて受電側インバータ手段への入力電圧を低下させる安全用抵抗器を給電側整流手段に接続することも好ましい。 When the natural power generator of the present invention includes the power supply side rectifier, the power supply side inverter, the power receiving side rectifier, and the power receiving side inverter as described above, the power receiving side It is also preferable to connect a safety resistor, which is energized when the input voltage to the inverter means is equal to or higher than the rating and reduces the input voltage to the power receiving side inverter means, to the power supply side rectifier means.
というのも、受電用コイルから受電側整流手段を経て受電側インバータ手段に入力される電圧が定格値を超えると、受電側インバータ手段が壊れる虞があるところ、上記の安全用抵抗器を設けることによって、受電側インバータ手段に入力される電圧が定格値を超えそうになったときに、給電側整流手段を流れる電流を安全用抵抗器に分流することにより、給電用コイルへの入力電圧を低下させることが可能になる。給電用コイルへの入力電圧が低下すると、それに比例して受電用コイルの出力電圧も低下するため、受電側インバータ手段に入力される電圧を定格値以内に収めることが可能になるからである。 This is because if the voltage input from the power receiving coil to the power receiving side inverter means via the power receiving side rectifying means exceeds the rated value, the power receiving side inverter means may be broken. As a result, when the voltage input to the power receiving side inverter is about to exceed the rated value, the current flowing through the power supply side rectifying means is shunted to the safety resistor to reduce the input voltage to the power feeding coil. It becomes possible to do. This is because, when the input voltage to the power supply coil decreases, the output voltage of the power reception coil also decreases in proportion thereto, so that the voltage input to the power receiving side inverter means can be kept within the rated value.
本発明の自然力発電装置の出力電力(自然力発電装置の外部へと取り出される電力)は、特に限定されない。しかし、本発明の自然力発電装置は、大規模な発電設備で採用するものとしてよりも、小規模な発電設備で採用するものとして適している。小規模な発電設備は、発電効率の向上に対する要求や、小型化に対する要求が強いところ、本発明の自然力発電装置は、これらの要求をともに満たすことができるからである。具体的には、外部への出力電力が10kW以下である場合に、本発明の自然力発電装置を好適に用いることができる。 The output power (power taken out of the natural power generator) of the natural power generator of the present invention is not particularly limited. However, the natural power generator of the present invention is more suitable for use in small-scale power generation equipment than in large-scale power generation equipment. This is because a small-scale power generation facility has strong demands for improvement in power generation efficiency and miniaturization, and the natural power generation device of the present invention can satisfy both of these demands. Specifically, when the output power to the outside is 10 kW or less, the natural power generation device of the present invention can be suitably used.
以上のように、本発明によって、発電効率が高い相回転方式の発電機を用いたものでありながら、発電機が発生した電力を外部へと伝送する手段(電力伝送手段)に摩耗等が生じず、メンテナンスが容易な自然力発電装置を提供することが可能になる。 As described above, according to the present invention, although a phase rotation type generator having a high power generation efficiency is used, abrasion or the like occurs in the means (power transmission means) for transmitting the power generated by the generator to the outside. Therefore, it is possible to provide a natural power generator that is easy to maintain.
本発明の自然力発電装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。 Preferred embodiments of the natural power generator of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
本発明の自然力発電装置は、水力発電装置と風力発電装置とのいずれとすることもできる。水力発電装置及び風力発電装置のいずれも、自然力(水力又は風力)を受けたプロペラの回転力で発電機のロータを回転させ、そのロータの回転によって、発電用磁石と発電用コイルとを相対的に回転させ、発電用磁石を通過する発電用磁石からの磁界が変化することに伴って発電用コイルに誘導電流を生じさせることは共通しており、その機構に共通点が多いからである。以下においては、説明の便宜上、水力発電装置として利用する場合を例に挙げて本発明の自然力発電装置を説明する。 The natural power generator of the present invention can be either a hydroelectric generator or a wind power generator. In both the hydroelectric generator and the wind power generator, the rotor of the generator is rotated by the rotational force of a propeller that has received natural force (hydropower or wind), and the rotation of the rotor causes the magnet for generation and the coil for generation to be relatively moved. It is common to generate an induced current in the power generating coil with a change in the magnetic field from the power generating magnet passing through the power generating magnet, and the mechanisms have many common features. In the following, for convenience of explanation, the natural power generation device of the present invention will be described by taking as an example a case where the natural power generation device is used as a hydropower generation device.
図1は、本発明に係る水力発電装置10(自然力発電装置)を、プロペラ11の中心線L1を含む平面で切断した状態を示した断面図である。図2は、本発明に係る水力発電装置10(自然力発電装置)を構成する電気回路の構成図である。本発明の水力発電装置は、図1に示すように、プロペラ11と、発電機12と、電力伝送手段13とを備えている。
Figure 1 is a
プロペラ11は、その前面(図1における紙面に向かって左側を向く面。以下同じ。)に水力を受けると、その中心線L1を回転中心として回転するようになっている。本発明の水力発装置10においては、プロペラ11を、中心線L1上で同心に配された第一プロペラ11aと第二プロペラ11bとで構成している。第一プロペラ11a及び第二プロペラ11bのそれぞれは、中心線L1回りに回転対称に配された複数枚のプロペラブレードで構成されているところ、第一プロペラ11aを構成するプロペラブレードの傾斜と、第二プロペラ11bを構成するプロペラブレードの傾斜とが逆向きとされている。このため、その前面に水力を受けたときに回転する向きが、第一プロペラ11aと第二プロペラ11bとでは逆向きとなるようになっている。本実施態様においては、第一プロペラ11aは、その前面に水力を受けると図1の矢印A1の向きに回転し、第二プロペラ11bは、その前面に水力を受けると図1の矢印A2の向きに回転するようになっている。
第一プロペラ11aの後面中心部には、第一プロペラシャフト11a1が後ろ向きに突出した状態で固定されており、第二プロペラ11bの後面中心部には、第二プロペラシャフト11b1が後ろ向きに突出した状態で固定されている。第二プロペラシャフト11b1は、内部が中空な筒状に形成されており、第一プロペラシャフト11a1は、第二プロペラシャフト11b1の内側に挿通された状態となっている。第一プロペラシャフト11a1の後端部は、後述する発電機12における第一ロータ12aの前端部に固定され、第二プロペラシャフト11b1の後端部は、後述する発電機12における第二ロータ12bの前端部に固定されている。
The rear face center of the
このため、第一プロペラ11aが中心線L1を回転中心として矢印A1の向きに回転すると、第一ロータ12aも、第一プロペラ11aと一体となって、中心線L1を回転中心として矢印A1の向きに回転するようになっており、第二プロペラ11bが矢印A2の向きに回転すると、第二ロータ12bも、第二プロペラ11bと一体となって、中心線L1を回転中心として矢印A2の向きに回転するようになっている。第一プロペラシャフト11a1及び第二プロペラシャフト11a2の外周部は、軸受(図示省略)を介して、それぞれ、第二プロペラシャフト11a2の内周部及び水力発電装置10の基台部分に軸支された状態となっている。
Therefore, when the
発電機12は、プロペラ11の回転を電力に変換するものとなっている。より具体的に説明すると、発電機12は、プロペラ11の回転に伴って発電用磁石M1と発電用コイルC1とを相対的に回転させて、発電用コイルC1を貫く発電用磁石M1からの磁界を継時的に変化させることにより、発電用コイルC1に交流電流を発生させるものとなっている。本実施態様の水力発電装置10では、発電用磁石M1と発電用コイルC1は、プロペラ11の中心線L1を回転中心として相対的に回転するようになっている。
The
この発電機12は、発電用磁石M1と発電用コイルC1とのいずれもが逆向きに回転する相回転方式のものとなっている。すなわち、発電機12は、上記の発電用磁石M1と発電用コイルC1とに加えて、第一ロータ12aと第二ロータ12bを備えたものとなっている。第一ロータ12aは、第一プロペラシャフト11a1を介して第一プロペラ11aに接続されており、第一プロペラ11aと一体的に回転するように構成されている。一方、第二ロータ12bは、第二プロペラシャフト11b1を介して第二プロペラ11bに接続されており、第二プロペラ11bと一体的に回転するように構成されている。第二ロータ12bは、第一ロータ12aの外周部を囲んだ状態に配された筒状の部材となっている。
The
第一ロータ12aの外周部、又は、第二ロータ12bの内周部のうち、いずれか一方に上記の発電用磁石M1が固定されて、他方に発電用コイルC1が固定される。本実施態様の水力発電装置10においては、第一ロータ12aの外周部に発電用磁石M1を固定しており、第二ロータ12bの内周部における、発電用磁石M1と対向する位置に発電用コイルC1を固定している。このため、第一プロペラ11a及び第二プロペラ11bがそれぞれの前面側に水力を受けて逆向きに回転すると、発電用磁石M1及び発電用コイルC1もそれぞれ逆向きに回転するようになっている。したがって、本発明に係る水力発電装置10は、発電機12における発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めて、高い発電効率を得ることができるものとなっている。
The outer peripheral portion of the
発電用磁石M1及び発電用コイルC1は、通常、1つの発電機12につき、それぞれ複数個ずつ設けられる。複数の発電用磁石M1及び複数の発電用コイルC1は、それぞれ、中心線L1に対して回転対称な位置に設けられる。このうち、発電用コイルC1の個数は、発電機12の出力相数に応じて適宜決定される。例えば、発電機12の出力を2相とする場合には、発電用コイルC1の個数は、2×N個(Nは任意の自然数。以下同じ。)とされ、発電機12の出力を3相とする場合には、発電用コイルC1の個数は、3×N個とされる。本実施態様の水力発電装置10においては、発電機12の出力を3相としており、発電用コイルC1の個数を3×N個としている。後述するように、本実施態様の水力発電装置10では、発電用コイルC1で発生した電力を給電側インバータ手段17で高周波に変換する構成を採用しているところ、発電機12の出力相数を3相とすると、給電側インバータ手段17で高周波に変換するときのリップルを少なく抑えることができる。
Usually, a plurality of the power generating magnets M 1 and the power generating coils C 1 are provided for each of the
電力伝送手段13は、発電機12が発生した電力を外部(水力発電装置10の外部)へと伝送するためのものとなっている。既に述べたように、本発明に係る水力発電装置10では、発電機12で発生した電力を取り出す発電用コイルC1が、静止系に対して回転する第二ロータ12bに設けられている。回転系で生じた電力を静止系に取り出すためには、通常であれば、「ブラシ」等を用いる必要がある。この点、本発明に係る水力発電装置10においては、電力伝送手段13として、非接触方式の電力伝送装置を用いることにより、回転系にある発電用コイルC1に生じた誘導電流(電力)を、ブラシを用いることなく、静止系にある外部(外部機器等)に取り出すことができるようにしている。
The power transmission means 13 is for transmitting the electric power generated by the
具体的には、電力伝送装置13を、互いに隙間を隔てて配された給電用コイル13aと受電用コイル13bとで構成しており、給電用コイル13aから受電用コイル13bへと前記隙間を通じて電力を送信できるようにしている。給電用コイル13aは、第一ロータ12a又は第二ロータ12bのうち、発電用コイルC1が固定された側のロータ(本実施態様の水力発電装置10では第二ロータ12b)とともに回転する回転部分(本実施態様の水力発電装置10では、第二ロータ12bの後端部中央から後側に突出して設けられた回転軸部12b1の後端部分)に設けている。一方、受電用コイル13bは、水力発電装置10の基台部分(図示省略)等、水力発電装置10において静止系にある箇所に設けられた部分(本実施態様の水力発電装置10では、水力発電装置10の基台部分に設けた受電用コイル支持部材15の前端部)に設けている。
Specifically, the
このため、給電用コイル13aは、第二ロータ12bに固定された発電用コイルC1とともに中心線L1回りに回転するものの、受電用コイル13bは、動かない状態となっている。給電用コイル13aは、電気ワイヤW1,W2,W3等を介して発電用コイルC1と電気的に接続されている。このため、プロペラ11が水力を受けて回転し、発電用コイルC1に誘導電流が発生すると、給電用コイル13aにも電流が流れ、給電用コイル13aの周辺に磁界が発生する。
Thus, the feeding
ここで、給電用コイル13aは、受電用コイル13bに対して相対的に回転しているため、受電用コイル13bを貫く給電用コイル13aからの磁界は経時的に変化する。したがって、受電用コイル13bには、その磁界の変化に伴う誘導電流が発生する。受電用コイル13bは、静止系にあるため、受電用コイル13bを流れる誘導電流は、ブラシ等を用いることなく、電気ワイヤW4,W5,W6等を通じて容易に外部へと取り出すことができるようになっている。
Here, since the
給電用コイル13a及び受電用コイル13bは、上記のような機能を発揮できるものであれば特に限定されない。しかし、本実施態様の水力発電装置10においては、給電用コイル13aに、後述する給電側インバータ手段17で高周波化された電流が流され、それに呼応して受電用コイル13bを流れる誘導電流も高周波化されたものとなるところ、このような高周波化された電流が導線を流れると、表皮作用で導線の電気抵抗が大きくなり、水力発電装置10の発電効率に悪影響を及ぼすようになる。このため、給電用コイル13a及び受電用コイル13bは、リッツ線(複数本に細分化して撚り合わせた導線)で形成したものを用いることが好ましい。これにより、水力発電装置10の発電効率を維持することが可能になる。本実施態様の水力発電装置10においても、給電用コイル13a及び受電用コイル13bは、リッツ線で形成したものを用いている。
The
また、給電用コイル13a及び受電用コイル13bは、それぞれ、平板状を為すフェライトコアに、導線を1段当たり7〜12ターンで1〜3段で巻回したものとすることが好ましい。これにより、給電用コイル13aから受電用コイル13bへの伝送効率を高めることが可能になる。フェライトコアは、直径が150〜300mmのものを用いることが好ましく、導線は、断面積が3.5〜8.0mm2のものを用いることが好ましい。本実施態様の水力発電装置10においても、給電用コイル13a及び受電用コイル13bは、上記の構成を満たすものとしている。
Further, it is preferable that each of the
給電用コイル13aには、発電機12で生じた交流電力をそのまま入力するようにしてもよい。しかし、発電機12が発電する交流電力の周波数は、プロペラ11の回転数により定まるため、発電機12が発電する交流電力の周波数はそれほど高くならない。このような低い周波数の交流電力が給電用コイル13aに入力されるときに、給電用コイル13aから受電用コイル13bへの伝送効率を高くしようとすると、給電用コイル13aや受電用コイル13b等をある程度大型化する必要がある。
The AC power generated by the
この点、本実施態様の水力発電装置10では、図1に示すように、発電機12の発電用コイルC1と給電用コイル13aとの間に、給電側整流手段16と給電側インバータ手段17とを設けている。図2に示すように、給電側整流手段16は、ダイオード等の整流素子を用いた整流回路となっており、発電機12が発生した交流電力を直流に変換する電気回路により構成されている。また、給電側インバータ手段17は、トランジスタ等のスイッチング素子を用いた変調回路となっており、給電側整流手段16から出力される直流電力を所定の周波数の交流電力へと変換する電気回路により構成されている。本実施態様の水力発電装置10では、半導体に炭化ケイ素(SiC)を用いたSiCインバータ回路を、給電側インバータ手段17として用いている。給電側インバータ手段17から出力される交流電力の周波数は、それに併設した制御回路17aにより制御されるようになっている。
In this respect, the
発電機12が発生した電力を、上記の給電側インバータ手段17によって高周波化した状態で給電用コイル13aに入力することにより、電力伝送手段13の伝送効率を高めるとともに、給電用コイル13aや受電用コイル13bを小型化することが可能になる。給電側インバータ手段17の出力電力の周波数は、発電機12の出力電力よりも高ければ特に限定されないが、通常、20〜200kHz程度とされる。本実施態様の水力発電装置10において、給電側インバータ手段17の出力電力の周波数は、約40kHzとしている。
The power generated by the
上記の給電側整流手段16、給電側インバータ手段17(制御回路17aを含む。)及び給電コイル13aは、図1に示すように、第二ロータ11bとともに回転する部分に固定している。これにより、発電機12の発電用コイルC1と給電側整流手段16と給電側インバータ手段17と給電用コイル13aとが相対的に回転しないようにして、これらを電気ワイヤW1,W2,W3で結線することが可能となっている。
As shown in FIG. 1, the power supply side rectification means 16, the power supply side inverter means 17 (including the
ただし、上記のように、給電用コイル13aを高周波駆動すると、受電用コイル13bから後段へ出力される電力の安定性が低下しやすい傾向になる。このため、本実施態様の水力発電装置10では、受電用コイル13bから後段へ出力される交流電力を、受電側整流手段18に入力して直流電力に変換した後、受電側インバータ手段19に入力して使用に供される所望の交流電力へと変換するようにしている。これにより、水力発電装置10から外部へと出力される電力の安定性を高めることが可能となっている。受電側整流手段18は、給電側整流手段16と同様の電気回路で構成され、受電側インバータ手段19は、給電側インバータ手段17と同様の電気回路で構成される。受電側整流手段18や受電側インバータ手段19には、整流時やスイッチング時に生じるリップルの発生を抑えるために、コンデンサを追加することもできる。
However, as described above, when the
また、本実施態様の水力発電装置10では、給電側整流手段16に、図示省略の安全用抵抗器を接続している。すなわち、受電用コイル13bから受電側整流手段18を経て受電側インバータ手段19に入力される電圧が定格値を超えると、受電側インバータ手段19が壊れる虞がある。この点、受電側インバータ手段19に入力される電圧が定格値を超えそうになったときには、給電側整流手段16を流れる電流を上記の安全用抵抗器に分流して、給電用コイル13aへの入力電圧を低下させることで、受電用コイル13bの出力電圧を低下させ、受電側インバータ手段19に入力される電圧を定格値以内に収めることができるようにしている。安全用抵抗器によって電圧が5〜10%程度低下すると、所定時間(5〜15秒程度)が経過後に安全用抵抗器が切り離されるようになっている。
Further, in the
以上で述べた本実施態様の水力発電装置10は、発電効率が高い相回転方式の発電機12を用いたものでありながら、発電機12が発生した電力を外部へと伝送する電力伝送手段13に摩耗等が生じず、メンテナンスが容易であるだけでなく、長寿命なものとなっている。このため、本実施態様の水力発電装置10は、1日24時間年中無休で駆動されることが多い環境下でも好適に使用することができるものとなっている。また、本実施態様の水力発電装置10は、小型化を図ることも可能なものとなっている。したがって、本実施態様の水力発電装置10は、発電効率の向上に対する要求や、小型化に対する要求が強い小規模な発電設備においても好適に用いることができる。具体的には、出力電力が10kW以下の場合に好適に用いることができ、0.3〜5kWの場合に特に好適に用いることができる。このような小規模な水力発電装置10は、大規模な河川がない地域や、発電設備が整っていない発展途上国等において安定した電力を供給する一助になることが期待される。
The above-described
10 水力発電装置
11 プロペラ
11a 第一プロペラ
11a1 第一プロペラシャフト
11b 第二プロペラ
11b1 第二プロペラシャフト
12 相回転方式の発電機(発電機)
12a 第一ロータ
12b 第二ロータ
13 非接触方式の電力伝送装置(電力伝送手段)
13a 給電用コイル
13b 受電用コイル
14 回転軸部
15 受電用コイル支持部材
16 給電側整流手段
17 給電側インバータ手段
17a 制御回路
18 受電側整流手段
19 受電側インバータ手段
C1 発電用コイル
L1 プロペラの中心線
M1 発電用磁石
W1 電気ワイヤ
W2 電気ワイヤ
W3 電気ワイヤ
W4 電気ワイヤ
W5 電気ワイヤ
W6 電気ワイヤ
DESCRIPTION OF
12a
13a
Claims (7)
プロペラが回転すると発電用磁石と発電用コイルとが相対的に回転して発電用コイルに交流電流を発生させる発電機と、
発電機が発生した電力を外部へと伝送する電力伝送手段と
を備えた自然力発電装置であって、
発電機として、相回転方式の発電機を用いるとともに、
電力伝送手段として、非接触方式の電力伝送装置を用いた
ことを特徴とする自然力発電装置。
A propeller that rotates when it receives hydraulic or wind power,
When the propeller rotates, the generator magnet and the generator coil rotate relatively to generate an alternating current in the generator coil, and
A natural power generator having power transmission means for transmitting the power generated by the generator to the outside,
As a generator, use a phase rotation type generator,
A natural power generator, wherein a non-contact power transmission device is used as power transmission means.
その前面に水力又は風力を受けると一側に回転する第一プロペラと、
第一プロペラと同心に配されて、その前面に水力又は風力を受けると他側に回転する第二プロペラと
で構成されるとともに、
発電機が、
第一プロペラとともに回転する第一ロータと、
第一ロータの外周部を囲んだ状態に配されて、第二プロペラとともに回転する第二ロータと
を備えて、
第一ロータの外周部、又は、第二ロータの内周部のうち、一方に発電用磁石が固定されて、他方に発電用コイルが固定されたものとされた請求項1記載の自然力発電装置。
The propeller
A first propeller that rotates to one side when receiving hydraulic or wind power on its front,
It is arranged concentrically with the first propeller, and is configured with a second propeller that rotates to the other side when receiving hydraulic power or wind power on the front surface thereof,
The generator is
A first rotor that rotates with the first propeller,
A second rotor that is arranged in a state surrounding the outer peripheral portion of the first rotor and rotates together with the second propeller,
The natural power generator according to claim 1, wherein the power generation magnet is fixed to one of the outer peripheral portion of the first rotor and the inner peripheral portion of the second rotor, and the power generation coil is fixed to the other. .
第一ロータ又は第二ロータのうち、発電用コイルが固定された側のロータ(以下、「コイル側ロータ」という。)とともに回転する回転部分に設けられた給電用コイルと、
給電用コイルに対して隙間を隔てた箇所に、コイル側ロータとともに回転しない状態で配された受電用コイルと
を備えたものとされた請求項2記載の自然力発電装置。
Power transmission means,
A power supply coil provided on a rotating part that rotates together with the rotor on which the power generation coil is fixed (hereinafter, referred to as “coil-side rotor”), of the first rotor or the second rotor;
3. The natural power generator according to claim 2, further comprising a power receiving coil disposed at a position separated by a gap from the power feeding coil so as not to rotate together with the coil-side rotor.
給電側整流手段が整流した直流電力を周波数20〜200kHzの交流に変換して給電用コイルに供給する給電側インバータ手段と、
受電用コイルが給電用コイルから受電した交流電力を直流に変換する受電側整流手段と、
受電側整流手段が整流した直流電力を商用周波数に変換して出力する受電側インバータ手段と
を備えた請求項3記載の自然力発電装置。
A power supply side rectifier for converting the power generated by the generator into DC,
Power-supply-side inverter means for converting the DC power rectified by the power-supply-side rectifier into AC having a frequency of 20 to 200 kHz and supplying the AC power to a power supply coil;
Power receiving side rectifying means for converting the AC power received by the power receiving coil from the power feeding coil into DC,
4. The natural power generator according to claim 3, further comprising a power receiving-side inverter for converting the DC power rectified by the power receiving-side rectifier into a commercial frequency and outputting the commercial frequency.
The natural power generator according to claim 4, wherein the power supply-side rectifier, the power supply-side inverter, and the power supply coil are fixed to a portion that rotates together with the coil-side rotor.
The natural force according to claim 4 or 5, wherein a safety resistor that is energized when the input voltage to the power receiving side inverter means is equal to or higher than a rating and reduces the input voltage to the power receiving side inverter means is connected to the power supply side rectifying means. Power generator.
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