JP3220870U - ハイブリッド小型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力を利用して安定した発電を行うハイブリッド小型発電装置を提供する。
【解決手段】第一の風車３を第一の回転軸５に設け、ワンウェイクラッチ６を介して第二の風車４を設ける。第一の回転軸５はプーリー８、１０とベルト９を介して第一の発電機７に回転を伝え、軸受け１５を介して風車取り付けフレーム１２に設け、該風車取り付けフレーム１２と第一の発電機７は発電機取り付けベース１３に固定する。更に、３個のバッテリー１００、１０１、１０２を設け、放電した電力でモータ１０７が第二の発電機１０８を回転させ、その発電した電力を負荷に利用する。一方、第一の発電機７で発電した電力と第二の発電機１０８で発電した電力でバッテリー１００、１０１、１０２の充電を行う。
【選択図】図１

Description

本考案は、風力とバッテリーを利用して発電を行うハイブリッド小型発電装置に関するものである。

従来、風力発電や水力発電、太陽光発電などの自然エネルギーを組み合わせて安定した発電を行う装置が考案されている。

自然エネルギーを安定した商用電源相当に変換するためにはバッテリーの充放電制御装置と直流・交流変換装置が必要であり、複雑且つ高コストな装置であった。

従来のエンジン式発電機では、燃料を定期的に補給しなければならない。また、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーは電気を蓄電池に蓄えて安定化させる事によって初めて独立電源として利用する事ができるが、安定した商用電源相当に変換するためにはバッテリーの充放電制御装置と直流・交流変換装置が必要であり、複雑且つ高コストな装置となってしまう。

本考案はこのような問題を解決するため、風力発電とバッテリーを使った発電を併用し長時間安定して、低コストで簡単な小型の発電装置を提供するものである。

装置構成は、風力発電機、メインバッテリー、充放電切換器、ＤＣＡＣコンバータ、モータ、ハルバッハ発電機、電力変換制御盤、コントロール制御盤とＡＣＤＣコンバータである。

本考案において、メインバッテリーでモータを回転させてハルバッハ発電機を回す。ハルバッハ発電機で発電した電力でメインバッテリーを充電する。また、風力で発電した電力でもメインバッテリーを充電する。メインバッテリーは３系統以上のバッテリーで構成されており、順番に充電と負荷への放電が繰り返される。ハルバッハ発電機の出力は電力変換され、コントロール制御盤を介して負荷へ接続される。

風力発電のための羽根を２種類用意して、一つは弱風でも回転するサポニウス式形状、もう一つは風力が強くなった時に効率よく回転する垂直式形状を採用して、垂直式形状の風車の回転軸をワンウェイクラッチ機構で結合する。

本考案で使用される発電機はハルバッハ発電機であり、ゴギングがなく低いトルクで回転する事ができる。

本考案によれば、エンジン式発電機の様な燃料の供給が不要であり、自然エネルギーを利用し、かつバッテリーによる電力を使う事で、安定し低コストで簡単なハイブリッド小型発電装置を提供できる。

本考案の実施形態におけるハイブリッド小型発電装置の構成図である。 本考案のサポニウス式風車の構成図である。 本考案の垂直羽根式風車の構成図である。 本考案の第一の発電機の内部構成図である。 本考案のメインバッテリーの充放電切換タイミグ図である。

以下、この考案にかかる好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、この考案にかかるハイブリッド小型発電装置の実施形態の構成図を示すと、ハイブリッド小型発電装置は、尾翼１と、カバー２と、サポニウス式風車３と、垂直羽根式風車４と、第一の回転軸５と、ワンウェイクラッチ６と、第一の発電機７と、第二の回転軸１４と、発電ベース板１３とを有する。

サポニウス式風車３は第一の回転軸５に結合されている。

前記サポニウス式風車３は、羽根の構造により弱い風でも回転することができる特徴がある。また、該サポニウス式風車３の上部には尾翼１が設けられ、該尾翼１の動く方向に合わせて、該サポニウス式風車３の風上に対する回転方向と反対側の前側をカバー２で風を遮る構造になっている。前記構造とすることによって、回転方向にだけ風が当たるようになり効率よく前記サポニウス式風車３が回転する。

前記サポニウス式風車３の上面図を図２に示すと、サポニウス式風車は羽根３１が回転軸に対して円形に配置されている。また、風向きから向かって右側にカバー３２が設けられ、尾翼３３が風向きに応じて向きを変えるのと連動して該カバー３２も向きを変える構成となっている。

また、図１において、前記第一の回転軸５にはワンウェイクラッチ６を介して垂直羽根式風車４が設けられている。該垂直羽根式風車４も前記サポニウス式風車３上部の前記尾翼１の動く方向に合わせて、該垂直羽根式風車４の風向きから向かって右の前側をカバー２で風を遮る構造になっている。前記構造とすることによって、回転方向にだけ風が当たるようになり効率よく前記垂直羽根式風車４が回転する。

前記垂直羽根式風車４の上面図を図３に示すと、垂直羽根式風車４は全体が円柱の形状をしており羽根４１が回転軸に対して円形に配置されている。また、風向きから向かって右側にカバー４２が設けられ、尾翼１が風向きに応じて向きを変えるのと連動して該カバー４２も向きを変える構成となっている。

更に、図１において前記ワンウェイクラッチ６は前記垂直羽根式風車４が前記第一の回転軸５よりも回転が速く回転すると該垂直羽根式風車４のトルクを該第一の回転軸５に伝え、反対に該垂直羽根式風車４が該第一の回転軸５よりも回転が遅く回転すると該垂直羽根式風車４のトルクは該第一の回転軸５に伝えられなくなる動作をする。すなわち、風が弱い期間は前記サポニウス式風車３の回転が前記垂直羽根式風車４の回転より速く回転するため、該サポニウス式風車３の回転トルクで該第一の回転軸５が回転し、風が強くなり、該垂直羽根式風車４の回転速度が該サポニウス式風車３の回転速度より速く回転すると該垂直羽根式風車４の回転トルクが該第一の回転軸５に伝えられ、該第一の回転軸５は該垂直羽根式風車４の回転トルクと前記サポニウス式風車３の回転トルクで回転する。

前記第一の回転軸５には、第一のプーリー８が設けられ、ベルト９を介して第二のプーリー１０に結合され、該第二のプーリー１０は電磁クラッチ１１を介して第一の発電機７の軸に結合され、該第一の発電機７を回転させることにより発電を行う。一方、前記第一の回転軸５は風車軸受け１５、風車取り付けフレーム１２を介して発電ベース板１３に固定されている。更に、該第一の発電機７は発電ベース板１３に固定されている。また、回転センサー１６が風車取り付けフレーム１２に設けられ、前記第二のプーリー１０の回転速度を測定する。該回転センサー１６が発生する信号はコントロール制御盤１１１に接続されており、該コントロール制御盤１１１が前記電磁クラッチ１１を制御する。

前記電磁クラッチ１１は前記第二のプーリー１０の回転速度が規定値以上になった場合に、該プーリー１０の回転を該第一の発電機７の軸に回転を伝える動作をする。つまり、第一の発電機７を回転させるトルクに満たない回転速度の場合には、前記サポニウス式風車３の回転を該第一の発電機７から該電磁クラッチ１１で切り離し、該サポニウス式風車３の回転速度が規定値以上になった場合に該電磁クラッチ１１で結合する。この方法によって、確実に該第一の発電機７を始動できる構成となっている。

前記第一の発電機７は内部の磁石配列が隣り合う磁石の磁極の向きが９０度ずつ回転した配列のハルバッハ発電機となっている。前記配列にすることによって、発電に必要な磁束密度が高くなり発電量が多くなる、また該第一の発電機７のゴギングも少なくなると言う特長がある。本考案の実施例として該第一の発電機７の内部磁石配列の磁極の向きが、１８０度ずつ回転した磁石配列の発電機も含むものである。

前記第一の発電機７の出力は整流回路１７へ接続されている。

第一の発電機７の断面を図４に示すと、ローター５１の内側に磁石５２が設けられ、該磁石５２の配列は隣り合う磁石の磁極の向きが９０度ずつ回転した配列となっている。また、ローター５１が回転軸５５と結合されている。一方、ステーター５４の外周にコイル５３が設けられ、前記磁石５２が回転すると該コイル５３に電流が発生する構成となっている。

発電効率を上げるために、前記コイル５３の内側にも隣り合う磁石の磁極の向きが９０度ずつ回転した配列の磁石を設ける事についても限定しない。

また、前記サポニウス式風車３と前記垂直羽根式風車４は、プロペラ式風車で構成する事もでき羽根の形状を限定しない。

更に、ハイブリッド小型発電装置は、メインバッテリー１００、１０１、１０２と、充放電切換器１０３、１０４、１０５と、ＤＣＡＣコンバータ１０６と、モータ１０７と、第二の発電機１０８と、軸継手１０９と、電力変換制御盤１１０と、コントロール制御盤１１１と、ＡＣＤＣコンバータ１１２とを有する。

メインバッテリーＡ１００は、充放電切換器Ａ１０３を介してＤＣＡＣコンバータ１０６に接続されている。メインバッテリーＢ１０１は、充放電切換器Ｂ１０４を介してＤＣＡＣコンバータ１０６に接続されている。メインバッテーＣ１０２は、充放電切換器Ｃ１０５を介してＤＣＡＣコンバータ１０６に接続されている。ＤＣＡＣコンバータ１０６は充放電切換器１０３、１０４、１０５によって切り替えられたメインバッテリーＡ１００、メインバッテリーＢ１０１、メインバッテリーＣ１０２の一つから電気を供給される構成になっている。

ＤＣＡＣコンバータ１０６はモータ１０７へ接続されており、モータ１０７はメインバッテリーＡ１００、メインバッテリーＢ１０１、メインバッテリーＣ１０２のうちの一つの電源を使って回転する。

モータ１０７は軸継手１０９によって第二の発電機１０８に連結されている。モータ１０７が回転すると第二の発電機１０８が同時に回転する。第二の発電機１０８も第一の発電機と同じハルバッハ発電機で構成するが、ハルバッハ発電機に限定しない。

第二の発電機１０８の出力は電力変換制御盤１１０とコントロール制御盤１１１を介してＡＣ電力を負荷１１３とＡＣＤＣコンバータ１１２に接続されている。ＡＣＤＣコンバータ１１２の出力は充放電切換器１０３、１０４、１０５を介して、メインバッテリー１００、１０１、１０２に接続されている。これによって、第二の発電機１０８で発電された電力は負荷１１３へ供給されると同時にメインバッテリー１００、１０１、１０２の充電に使われる。充放電切換器１０３、１０４、１０５によってモータ駆動に使われていないバッテリーに対して充電を行う構成になっている。

また、前記第一の発電機７の出力も前記整流回路１７を介して充放電切換器１０３、１０４、１０５の入力に接続され、該第一の発電機７が発電した電力もモータ駆動に使われていないメインバッテリー１００、１０１、１０２の充電に使われる。

つまり、前記第一の発電機７で発電した電力と前記第二の発電機１０８で発電した余剰電力でメインバッテリー１００、１０１、１０２を充電する構成となっている。

図５はメインバッテリーの充放電切換タイミグ図である。メインバッテリーＡ１００をモータの駆動に使用している時は、メインバッテリーＢ１０１は満充電状態、メインバッテリーＣ１０２は充電中である。メインバッテリーＢ１０１をモータの駆動に使用している時は、メインバッテリーＣ１０２は満充電状態、メインバッテリーＡ１００は充電中である。メインバッテリーＣ１０２をモータの駆動に使用している時は、メインバッテリーＡ１００は満充電状態、メインバッテリーＢ１０１は充電中である。これらの切り換えをバッテリーの電圧を監視しながら自動で行う。メインバッテリーを１２Ｖのバッテリーを２個直列で構成した場合はメインバッテリーの電圧が２２Ｖ以下になった時、放電終了し充電に移行し、バッテリーを切り換える。

上記メインバッテリーの切り換えを行う事によって、常時安定して電源を供給できる構成となっている。

本考案において、例えば１２Ｖのメインバッテリーを複数個直列に繋ぎ、２４Ｖ、３６Ｖ、４８Ｖ等にして、メインバッテリーを３系統構成すれば電圧を高くする事も可能である。

なお、本考案は、前記実施形態に限定されるものではなく、本考案の目的を達成できる範囲における構成や形態をも含むものである。

以下に本考案の一実施形態によるハイブリッド小型発電装置の実施例を示す。
電気設備のない場所に、地震観測所などを設置する場合、計測器や記録機、通信機などを動作させる必要があるが、本発電機を使用する事で、安定して電力を供給することができる。

本考案は、電気設備のない場所で電力を供給する装置に適している。

１ 尾翼
２ カバー
３ サポニウス式風車
４ 垂直羽根式風車
５ 第一の回転軸
６ ワンウェイクラッチ
７ 第一の発電機
８ 第一のプーリー
９ ベルト
１０ 第二のプーリー
１１ 電磁クラッチ
１２ 風車取り付けフレーム
１３ 発電ベース板
１４ 第二の回転軸
１５ 風車軸受け
１６ 回転センサー
１７ 整流回路
３１ 羽根
３２ カバー
３３ 尾翼
４１ 羽根
４２ カバー
５１ ローター
５２ 磁石
５３ コイル
５４ ステーター
５５ 回転軸
１００ メインバッテリーＡ
１０１ メインバッテリーＢ
１０２ メインバッテリーＣ
１０３ 充放電切換器Ａ
１０４ 充放電切換器Ｂ
１０５ 充放電切換器Ｃ
１０６ ＤＣＡＣコンバータ
１０７ モータ
１０８ 第二の発電機
１０９ 軸継手
１１０ 電力変換制御盤
１１１ コントロール制御盤
１１２ ＡＣＤＣコンバータ
１１３ 負荷

Claims (1)

1. 電力を発生させる装置であって、第一の風車と第二の風車が設けられ、該第一の風車に結合された第一の回転軸に、ワンウェイクラッチを介して該第二の風車が設けられ、該第一の回転軸は軸受けを介して風車取り付けフレームに固定され、該風車取り付けフレームは発電ベース板に固定され、前記第一の回転軸の片方に第一のプーリーが設けられ、該第一のプーリーと第二のプーリーにはベルトが掛けられ、該第二のプーリーは電磁クラッチを介して第一の発電機の軸に結合され、該第一の発電機は前記発電ベース板に設けられ、該第一の発電機の出力は整流回路を介して充放電切換器の入力に接続され、該充放電切換器に３個以上のメインバッテリーが接続され、該メインバッテリーの電力で、ＤＣＡＣコンバータを介してモータを回転させ、該モータは電力を発電する第二の発電機に軸継手で連結され、該第二の発電機の出力に電力変換制御盤が接続され、該電力変換制御盤にコントロール制御盤が接続され、該コントロール制御盤にＡＣＤＣコンバータが接続されると同時に、該コントロール制御盤の出力を負荷へ供給する端子が備えられ、前記ＡＣＤＣコンバータの出力が前記充放電切換器に入力され、３個以上の前記メインバッテリーのうち１個以上の該メインバッテリーが前記モータ駆動に使用されると同時にその他１個以上の該メインバッテリーが前記充放電切換器の機能によって前記ＡＣＤＣコンバータの出力と前記第一の発電機からの電力で充電される機能を備えたハイブリッド小型発電装置。

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