JP3139275U - 電動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電や太陽光発電、或いは一般の商用電源等の複数のエネルギー源を有機的に組み合わせて、安定した電気エネルギーを効率的に発生させる電動発電装置を提供する。
【解決手段】電動機１ｆと発電機１ｊの回転軸を互いに接続し、電動機によって発電機を回転駆動させて発電を行なう電動発電装置において、電動機１ｆへの電力供給源として風力発電回路１ａ、太陽光発電回路１ｄ、及び商用電源回路１ｂのうちの少なくとも一つを含み、電力供給源のうちの何れかの電力を、電動機１ｆへ選択的に供給する選択供給回路１ｅを電動機１ｆへの電力供給系統に設ける。また、電動機１ｆと発電機１ｊの回転軸は、クラッチ機構１ｇ、１ｉを含むフライホイール１ｈを中継して連接させても良い。さらに、発電機１ｊの出力電力の一部を蓄積する蓄電回路３ｓと、該蓄積電力を選択供給回路１ｅに帰還させる電力帰還回路３ｔを設ける構成としても良い。
【選択図】図５

Description

本考案は、電動機によって発電機を回転駆動させ電気エネルギーを発生させる電動発電装置に関するものであり、より詳細には、風力発電や太陽光発電、或いは商用電源等の複数のエネルギー源を有機的に組み合わせて、安定した電気エネルギーを効率的に発生させる電動発電装置に関するものである。

昨今、日本国内はもちろんのこと国際社会をも含めて、環境保護や地球温暖化防止への関心が高まっており、炭酸ガスや窒素酸化物、或いは核廃棄物等を排出しない、風力発電や太陽光発電などの自然界に存在するエネルギー源を利用した発電システムが脚光を浴びている。そして、かかる社会的風潮や世論を背景として、これらのいわゆるクリーン・エネルギーを取り入れた発電施設、或いは発電設備が広く普及しつつある。

ところで、これらのクリーン・エネルギーを利用した発電システムは、風速や日照等の自然環境による影響を直接的に被るため、従来の火力や水力、或いは原子力に依存した発電システムのように、長期的に安定した電力を恒常的に取り出すことが極めて困難である。そこで、かかる問題を解決して安定した電力の定常的な供給を図るべく、例えば、特許文献１や特許文献２に示されるような発明が開示されている。

特開２００４−２８２８７２号公報 特開２００７−１１６８０９号公報

しかしながら、これらの従来技術による発電システムは、インバータ制御回路やチョッパ制御回路等の電力変換技術を用いた大規模なシステムとなり、小規模な発電システムに導入することが困難であった。また、かかるシステムを構築・運営する上においても極めて専門的な知識と多くの設備投資を要するため、例えば、個人事業者が運営するような小容量の発電システムに用いるには問題があった。

本考案は、このような従来からの課題を解決することを目的とするものであって、より具体的には、風力発電や太陽光発電、或いは一般の商用電源等の複数のエネルギー源を有機的に組み合わせて、安定した電気エネルギーを効率的に発生させることが可能であり、かつ極めて簡易な構成の電動発電装置を提供することを目的とする。

本考案の第１の観点による電動発電装置は、前述の目的を達成するため、電動機の回転軸と発電機の回転軸とを互いに接続し、前記電動機によって前記発電機を回転駆動させることにより発電を行なう電動発電装置において、前記電動機への電力供給源として風力発電回路、太陽光発電回路、及び商用電源回路のうちの少なくとも一つを含み、前記電力供給源のうちの何れかの電力を、前記電動機へ選択的に供給する選択供給回路を前記電動機への電力供給系統に設けたことを特徴とする。

したがって、このような構成によれば、風力発電回路、太陽光発電回路、及び商用電源回路からの出力電力を適宜選択して電動機へ供給することが可能となり、一つの電力供給源からの出力が低下した場合であっても、他の供給源からの電力を用いてこれを補完することができる。

また、本考案の第２の観点による電動発電装置は、上記第１の観点において、前記電動機及び発電機の各々の回転軸は、所定の指令信号によってその連接並びに離接が為されるクラッチ機構を含むフライホイールを中継して互いに接続されることを特徴とする。

したがって、このような構成によれば、電動機から出力される運動エネルギーを、一旦、フライホイール（はずみ車）を回転させる運動エネルギーとして蓄積することができる。また、フライホイールの回転運動に伴う慣性モーメントによって電動機の回転、即ち発電機の回転を平滑化することが可能となり発電機からの出力電力を安定させることができる。

さらに、フライホイールと電動機若しくは発電機の回転軸との連接並びに離接を所定の指令信号により制御し得るので、電動機への入力電力、若しくは発電機からの出力電力の状況に応じて所定の指令信号を生成することにより、フライホイールと電動機若しくは発電機との接続／切離しを行なうことができる。

また、本考案の第３の観点による電動発電装置は、上記第１又は第２の観点において、前記発電機の出力電力の一部を蓄積する蓄電回路と、該蓄電回路に蓄えられた電力の一部を前記電動機への電力供給系統へ帰還させる電力帰還回路と、をさらに含むことを特徴とする。

したがって、このような構成によれば、発電機の出力電力の一部を蓄電回路に蓄積し、かかる蓄積電力を所定のタイミングで電動機の入力電力として帰還させて再利用することができる。

本考案によれば、変動の大きな風力発電や太陽光発電からの出力電力を、安定した商用電源を用いて補完し得るので、電動発電装置全体として、風速や日照などの自然環境の変化に影響されない安定した出力電力を得ることができる。

また、電気エネルギーを、一旦フライホイールの回転による運動エネルギーに変換して蓄積できるので、入力電力の変動による影響をさらに低減させることが可能となる。

また、出力電力の一部を蓄えて、それを入力側に帰還して入力電力として再利用することによりエネルギーの利用効率をさらに高めることもできる。すなわち、本考案に基づく電動発電装置によれば、入力される商用電源からの電力に、その他各種のエネルギー源から補完される電力を追加し得るので、商用電源から入力された以上の電力を取り出すことも可能となる。

以下に、本考案を実施するための最良の実施形態である複数の実施例について、各々の添付図面に基づいて説明を行う。

先ず、本考案の一つの実施形態である電動発電装置の実施例１について説明を行なう。
本実施例１による電動発電装置１の構成を図１のブロック図に示す。同図において、風力発電回路１ａは、例えば、水平軸形式のプロペラ型風車や、垂直軸形式のダリウス型或いはサボニウス型風車などを用いた風力発電回路であり、風車の回転に応じた所定の電力を選択供給回路１ｅに出力する。

商用電源回路１ｂは、電力会社から供給される一般の商用電源であり、例えば、通常のＡＣ１００Ｖによる単相交流電源を用いる構成としても良いし、或いは、ＡＣ２００Ｖの三相交流電源を用いる構成としても良い。商用電源回路１ｂからの入力電力は、整流回路１ｃを経て選択供給回路１ｅに供給される。

整流回路１ｃは、商用電源回路１ｂから受電した電力を他の電力供給系統との電力連係を図るために直流化する整流回路であり、例えば、ダイオードやサイリスタ等の半導体を組み合わせたブリッジ回路によって構成されている。なお、後述するように他の電力供給系統との電力連係を要しない場合は、整流回路１ｃを用いずに、商用電源回路１ｂから受電した交流電力によって直接に交流電動機１ｆを駆動する方式としても良い。

太陽光発電回路１ｄは、例えば、結晶系やアモルファス系（多結晶系）のシリコン素材から構成された太陽電池パネルを組み合わせた太陽光発電回路であり、日照の照射量に応じて所定の電力を選択供給回路１ｅに出力する。

選択供給回路１ｅは、以上の各電力供給系統から出力された電力を選択して、電動機１ｆに供給する回路である。なお、図１の実施例においては、選択供給回路１ｅは、通常のダイオード・アレイによる、いわゆる逆流防止回路として表記されているが、本実施例はかかる事例に限定されるものではない。

例えば、各電力供給系統からの出力電圧を検出し、その検出結果に応じて電動機１ｆに接続される電力供給系統をＩＧＢＴやトライアック等の大電力制御半導体を用いて開閉制御し、電動機１ｆに供給される電力を選択する構成としても良い。

電動機１ｆは直流電動機であり、選択供給回路１ｅから出力された電力によって回転駆動される。なお、前述のように商用電源回路１ｂからの単独供給電力によって電動機１ｆを回転駆動する場合は、電動機１ｆとして交流電動機を用いることも可能である。

クラッチ機構１ｇは、電動機１ｆの回転軸とフライホイール１ｈとの連接或いは離接を司るクラッチ機構であり、所定の制御信号を加えることによって、その連接／離接動作が為されることになる。

フライホイール１ｈは、極めて質量の大きい円盤を低摩擦の軸受けやボールベアリング等（何れも図示せず）によって担持した、いわゆる「はずみ車」である。フライホイール１ｈは、かかる大質量円盤の慣性を利用して、電動機１ｆに加えられた電気エネルギーを回転運動エネルギーに変換して蓄えることができる。

因みに、フライホイール１ｈを構成する円盤の質量をＭ、その回転角速度をωとすると、フライホイール１ｈに蓄えられるエネルギーｅｍは、
ｅｍ＝ｋ×Ｍ×ω２
となる。但し、上式においてｋは所定の比例定数であり、ω２は回転角速度ωの二乗を表すものとする。

したがって、各々の電力供給系統から電動機１ｆに供給される電気エネルギーの総和をｅｅとすると、ｅｅは所定の割合でｅｍに変換されてフライホイール１ｈの回転運動エネルギーとして蓄えられることになる。なお、フライホイール１ｈは本考案における必須の構成要件ではないので、例えば、入力電力の変動が比較的に小さい場合や、エネルギー変換によるエネルギーの蓄積を必要としない場合は、これを省略することも可能である。

クラッチ機構１ｉは、フライホイール１ｈと発電機１ｊの回転軸との連接或いは離接を司るクラッチ機構であり、所定の制御信号を加えることによって、その連接／離接動作が為されることになる。なお、前述のクラッチ機構１ｇ並びに１ｉに対する制御についての説明は後述する。

発電機１ｊは、フライホイール１ｈを介して電動機１ｆによって回転駆動される交流或いは直流の発電機である。工場や施設の通常の受電設備に電力を供給することを目的とするのであれば、発電機１ｊとしては単相若しくは三相の交流発電機を用いることが好ましい。なお、負荷回路１ｋは、発電機１ｊから電力の供給を受ける受電設備である。

次に、本実施例１による電動発電機１の動作について、図１のブロック図、並びに図２に示す説明図を参照しつつ説明を行なう。先ず、図１に示す如く、風力発電回路１ａの出力電圧をＶ１、商用電源回路１ｂに接続された整流回路１ｃの出力電圧をＶ２、及び太陽光発電回路１ｄの出力電圧をＶ３と規定する。また、選択供給回路１ｅの出力電圧、即ち電動機１ｆへの供給電圧をＶｉｎ、発電機１ｊからの出力電圧をＶｏｕｔと規定する。

前述のように、風力発電や太陽光発電の場合は、風速や日照の変化によってその出力電圧が大きく変動するため、Ｖ１並びにＶ３の値は、図（２ａ）の上段及び下段に示されるとおり時間の経過に伴って変化する。一方、商用電源回路１ｂから供給される電力の電圧値は常に一定しているため、図（２ａ）の中段に示される如くほぼ一定値となる。

但し、実際のＶ２の電圧波形は、商用電源回路１ｂから出力される単相交流、或いは三相交流の電圧を全波整流したものであるため、リップル成分を含むいわゆる脈流が重畳された電圧波形となるが、本明細書においては説明の便宜上、Ｖ２の電圧はＶ２の実効値であるＥｉ（ｒｍｓ）で一定しているものと仮定する。なお、同様に発電機１ｊからの出力電圧Ｖｏｕｔに関しても、それが単相若しくは三相の交流電圧であっても、説明の便宜上その実効値Ｅｏ（ｒｍｓ）で表すものとする。

各電力系統から供給される電力は、選択供給回路１ｅにより比較判定されて、各時点において最大電圧を示す系統のみが選択される。したがって、各々の電力系統から図（２ａ）に示されるようなＶ１〜Ｖ３の各電圧が選択供給回路１ｅに印加された場合、選択供給回路１ｅの出力電圧、即ち電動機１ｆへの供給電圧Ｖｉｎは、ほぼ図（２ｂ）に示されるような波形となる。

つまり、本実施例においては、風力発電や太陽光発電から供給される電力に大きな変動が生じても、かかる変動分を商用電源から供給される一定の電力によって均すことができるので、電動機１ｆへ供給される電力の変動を低減させることが可能となる。

電動機１ｆが印加電圧Ｖｉｎにより回転駆動されると、その回転はクラッチ機構１ｇを介してフライホイール１ｈに伝達され、その回転運動エネルギーとしてフライホイール１ｈに蓄えられる。前述のように、フライホイール１ｈは、極めて大きな質量Ｍを有していのでその慣性モーメントも大きく、たとえ、電動機１ｆへの印加電圧Ｖｉｎが図（２ｂ）のように多少変化しても、その回転数が急激に変化することはない。

したがって、クラッチ機構１ｉを介してフライホイール１ｈに接続された発電機１ｊは、ほぼ定速回転により駆動されることとなり、その出力電圧Ｖｏｕｔは、図（２ｃ）に示す如く一定となる。

なお、本実施例１による電動発電機は、図１に示される構成に限定されるものではなく、例えば、低料金の夜間電力を利用して、フライホイール１ｈに運動エネルギーを蓄えることを主目的とした場合は、図３のブロック図に示されるような電動発電装置１’の構成とすることが好適である。この場合、電動機１ｆに供給される電力は商用電源回路からの交流電力のみとなるので、電動機１ｆには、例えば、単相或いは三相の誘導電動機などの低コストの交流電動機を用いることができる。

次に、本考案の他の実施形態である実施例２について説明を行なう。なお、本実施例２による電動発電装置２は、前述した実施例１による電動発電装置１とその基本構成を同一にするため、実施例１と同一の構成要素に関しては、図１の場合と同一の符号を付することによってその説明を省略する。

先ず、本実施例２による電動発電装置２の構成を図４のブロック図に示す。因みに、本実施例２において追加された成要素は、電力検出回路２Ｌ、２ｐ、並びにクラッチ制御回路２ｍ，２ｎである。

電力検出回路２Ｌは、電動機１ｆへの入力電力の値を検出する回路であり、電力検出回路２Ｌは発電機１ｊからの出力電力の値を検出する回路である。各々の電力検出回路は、これらの電力の検出結果に応じて所定の制御信号を生成し、これをクラッチ制御回路２ｍ或いは２ｎに送信する。一方、クラッチ制御回路２ｍ、２Ｌは、それぞれの電力検出回路から上記の制御信号を受信すると、かかる信号の指令内容に応じてクラッチ機構１ｇ、１ｉの連接／切離しの制御を行なう。

例えば、停電などの不測の事故によって商用電源回路１ｂへの電力供給が遮断された場合は、電動機１ｆへの供給電力が低下してその回転数が極端に減少する事態が生ずる。かかる場合、電動機１ｆの回転軸をフライホイール１ｈに接続させたままでいると、電動機１ｆがフライホイール１ｈに対して、いわば自動車におけるエンジンブレーキのように、その回転速度を減少させる方向に作用してしまう。

このような場合、電力検出回路２Ｌは、電動機１ｆへの供給電力が所定の閾値以下に低下したことを検出すると、クラッチ制御回路２ｍに対してクラッチの離接信号を送信し、これを受けたクラッチ制御回路２ｍはクラッチ機構１ｇを切離す処理を実行する。

一方、負荷回路１ｋ側においても、例えば、工場などの終業や休日などで負荷回路１ｋにおける消費電力が途絶えた場合、発電機１ｊを稼動させておくことはフライホイールに蓄えられている回転運動エネルギーを徒に浪費することになる。したがって、この場合も電力検出回路２ｐが発電機１ｊからの出力電力の極端な低下を検出すると、クラッチ制御回路２ｎに対してクラッチの離接信号を送信し、これを受けてクラッチ制御回路２ｎはクラッチ機構１ｉを切り離す処理を実行する。

以上に説明したように、本実施例２による電動発電装置２によれば、電動機１ｆへの供給電力、若しくは発電機１ｊからの出力電力の状況を常に監視してクラッチ機構の制御を行なう事によって、フライホイール１ｈに蓄積されたエネルギーの損失を防止することが可能となる。

次に、本考案の他の実施形態である実施例３について説明を行なう。なお、本実施例３による電動発電装置３は、前述した実施例１による電動発電装置１とその基本構成を同一とするため、実施例１と同一の構成要素に関しては、図１の場合と同一の符号を付することによってその説明を省略する。

先ず、本実施例３による電動発電装置３の構成を図５のブロック図に示す。本実施例３において追加された構成要素は、電力分配回路３ｑ、整流回路３ｒ、蓄電回路３ｓ、及び電力帰還回路３ｔである。

電力分配回路３ｑは、発電機１ｊからの出力電力の一部を負荷回路１ｋから分岐させる分岐回路である。整流回路３ｒは、電力分配回路３ｑから出力された交流電力を整流するための全波整流回路であり、例えば、ダイオードやサイリスタ等を組み合わせたブリッジ回路によって構成されている。

蓄電回路３ｓは、整流回路３ｒから出力された直流電力を電気エネルギーとして蓄積するための蓄電回路である。蓄電回路３ｓは、通常のバッテリーを所定の数だけ直列若しくは並列に組み合わせたバッテリー回路によって構成しても良いし、或いは、大容量を特徴とする電気二重層キャパシタを組み合わせた構成としても良い。

電力帰還回路３ｔは、例えば、ＩＧＢＴなどの電力制御トランジスタを用いた、電力スイッチング回路であり、所定の制御信号に応じて蓄電回路３ｓに蓄えられた電気エネルギーを、本装置の電力入力側に設けられた、選択供給回路に１ｅに帰還させる働きを有する。

すなわち、本実施例３による電動発電装置３においては、発電機１ｊからの出力電力に余裕がある場合は、その一部を電力分配回路３ｑによって抽出し、これを整流した後に蓄電回路３ｓに電気エネルギーとして蓄積する。そして、所定のタイミングでこれを電動機１ｆに帰還させることによって、発電エネルギーの再利用を図り、電動発電装置３全体として効率を高めることが可能となる。

なお、本考案の実施形態は、以上に説明した各実施例に限定されるものではなく、例えば、各々の実施例を構成する各部位の形状や配置或いはその素材等は、本考案の趣旨を逸脱することなく、現実の実施態様に即して適宜変更ができるものであることは言うまでもない。

以上に説明した本考案の構成は、風力発電や太陽光発電等のクリーン・エネルギーを利用した発電システム、或いはその他の小規模発電方式を組み合わせた発電システムにおいてその利用が可能である。

本考案の第一の実施例である電動発電装置１の構成を示すブロック図である。 図１に示す電動発電装置１の動作を説明する図である。 図１に示す電動発電装置１の他の実施形態である電動発電装置１’の構成を示すブロック図である。 本考案の第二の実施例である電動発電装置２の構成を示すブロック図である。 本考案の第三の実施例である電動発電装置３の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、１’、２、３ … 電動発電装置
１ａ … 風力発電回路
１ｂ … 商用電源回路
１ｃ … 整流回路
１ｄ … 太陽光発電回路
１ｅ … 選択供給回路
１ｆ … 電動機
１ｇ、１ｉ … クラッチ機構
１ｈ … フライホイール
１ｊ … 発電機
１ｋ … 負荷回路
２Ｌ、２ｐ … 電力検出回路
２ｍ、２ｎ … クラッチ制御回路
３ｑ … 電力分配回路
３ｒ … 整流回路
３ｓ … 蓄電回路
３ｔ … 電力帰還回路

Claims (3)

1. 電動機の回転軸と発電機の回転軸とを互いに接続し、前記電動機によって前記発電機を回転駆動させることにより発電を行なう電動発電装置において、
   前記電動機への電力供給源として風力発電回路、太陽光発電回路、及び商用電源回路のうちの少なくとも一つを含み、
   前記電力供給源のうちの何れかの電力を、前記電動機へ選択的に供給する選択供給回路を前記電動機への電力供給系統に設けたことを特徴とする電動発電装置。
2. 前記電動機及び発電機の各々の回転軸は、所定の指令信号によってその連接並びに離接が為されるクラッチ機構を含むフライホイールを中継して互いに接続されることを特徴とする請求項１に記載の電動発電装置。
3. 前記発電機の出力電力の一部を蓄積する蓄電回路と、該蓄電回路に蓄えられた電力の一部を前記電動機への電力供給系統へ帰還させる電力帰還回路と、をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動発電装置。
   
   

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