JP3226118U - ハイブリッド発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】年間を通して安定的に発電できるハイブリッド発電装置を提供する。【解決手段】ハイブリッド発電装置は、水路Ｗ上に、その水流中にブレード１ａ部分を没して発電する垂直軸型水流発電装置１が設けられ、その上に垂直軸型風力発電装置２が備えられ、さらにその隣りに、水路の上に垂直に設置される場合よりも、設置場所の緯度に応じて日中太陽光を多く受光できる角度で太陽光パネル３ａが設けられた太陽光発電装置３が併設されている。【選択図】図１

Description

本考案は、クリーンで再生可能エネルギである風力、太陽光及び水流を用いて発電を行うハイブリッド発電装置に関する。

風車（風力発電装置）と太陽光（太陽光発電装置）を利用して発電を行うハイブリッド発電装置は、後述する特許文献が示すように、数多くある。
そのうち風車を使用する装置の大半は、ブレード部分がプロペラ型になっており、大電力を得るために、高い塔の上に設けられ、且つ風向きによって、そのプロペラの向きを風向に正対させるためのヨー装置などが必要であって、大電力を生成したいという要求と共に、どうしてもその装置としては、大型（大規模）になりやすい。この構成と太陽光発電を組み合わせる場合、その高い塔の壁面に太陽光パネルを設けて、少しでも発電量を増やそうとする構成が上記特許文献の大半を占める。

特開２０１９−１２９５４７号公報 実用新案登録第３２１５６１８号公報 特許第６１０８５１０号公報 特開２０１４−０９５３１８号公報 特開２００８−１５１０５３号公報

これまでの自然エネルギ発電装置は、一般的に、一基当たり何ｋＷ発電するかを問題にしている。換言すれば、後述するような先行技術文献に多数示された小規模の発電装置は、全てｋＷ単位でしか装置の性能を表示していない。

しかしながら、風車は、常に風が吹く場所であれば、ある程度安定はするが、ほとんどの場合、常に安定的に、同じ風量が吹くところは少なく、また年間を通して安定的に風が吹く場所もほとんどない（風は大小の渦の移動であるから秒分時日週月季節年によって顕著に変動している）。特に後者の季節による風の変動がそのまま電力の変動の激しさにつながって安定しない問題がある。

同様に、太陽光発電装置は、日中の太陽の日射量は日射時間で発電できる時間が決まるし、また天候によっても、発電できる量が変わる。さらに、四季のあるところでは、日射量の差によって発電についても差が出てくる。

以上のような変動の激しい電力源では、一瞬にして得られる何ｋＷの発電量を問題にしても意味がなく、年間を通して、安定的に何ｋＷｈが得られるかが問題となり、それに対応できる安定化した発電装置が望まれていた。

本考案は、以上のような問題に鑑み創案されたものであって、年間を通して安定的に発電できるハイブリッド発電装置を提供せんとするものである。

まず、本考案に創出に至る技術的背景について説明する。クリーンで再生可能エネルギ（自然エネルギ、サステナブルエネルギ）は風況、水況、日射量（太陽光）に関しては、秒分時日週月年を通して顕著に変動する。これらのクリーンで再生可能エネルギ（自然エネルギ、サステナブルエネルギ）を独立電源として安定化する方法は容易ではない。従って、今後の持続的社会の構築には、水力、風力、太陽光をいかに安定的に電気エネルギ（独立電源）に変換して利用や応用が必要不可欠である。このような技術的背景に基づき、本考案は案出された。

そのため本考案に係るハイブリッド発電装置は、
水の流れのある所の上に、その水流中にブレード部分を没して発電する垂直軸型水流発電装置が設けられ、
その上に垂直軸型風力発電装置が備えられており、
その脇に、垂直に設置される場合よりも、設置場所の緯度に応じて日中太陽光を多く受光できる（日射を受けた受光量が多くなる）角度でその太陽光パネルが設けられた太陽光発電装置を有することを基本的特徴としている。

上記構成によれば、水の流れのあるところに、上記垂直軸型水流発電装置の構成のうち、本体部分（垂直回転軸及びブレード）を構成するブレードを水流中に沈めて、該ブレードが周囲に取り付けられた垂直回転軸を中心に回して該垂直軸型水流発電装置による発電を行う。

河川などの水流は、四季を通じての変動はあるものの、一般的にその変動幅は大きくない。変動があったとしても、昼夜の変動幅のある太陽光発電装置と風況変動や風向変動の顕著な風力発電装置とは異なり、昼夜の水流の変動幅に大きな差はないし、雨・曇り・晴れなどによる天候の変動幅も水流発電装置は、風力発電装置に比べて小さい。他方雨量の多くなる季節と雨量が少なく風のみが多くなる季節の変動がある所であれば、垂直軸型水流発電装置と垂直軸型風力発電装置とがその発電量の変動を補い合って、季節変化があっても年間を通じての発電量（ｋＷｈ）の安定化につながることになる。

ましてや用水路などの水路（水流）では、安定的に水の流れがあり、安定化電源、所謂ベースロード電源としての役割が大きくなる。即ち、ｋＷｈ単位での、年間を通した電力が、安定的に得られることになる。そこに、年間を通しての発電の変動幅の大きな垂直軸型風力発電装置と太陽光発電装置とを備えることで、これらの発電装置の発電が相乗的に補い合い、年間を通して安定化した発電量（ｋＷｈ）を得られることになる。

ここで上記水流発電装置を、垂直軸型の構成にするのは、その本体部分（垂直回転軸及びブレード）を構成するブレードを水中に配置すれば発電ができ、ダムなどを造って発電を行う大型の水力発電所などとは異なり、適地（河川や水路）に簡単に設置して、直ぐに安定化電源を得られるようにするためである。

本考案における上記風力発電装置を、垂直軸型の構成にするのは、回転軸が風向きに対して垂直であり、風向きに対する依存性がないことや、発電機などの重量物を地上付近に設置できること、及びブレードの製造がプロペラ式と比較して容易であるなどの利点があるからである。また本装置は水流発電ができる構成を対象としているため、水流のあるところ（サイト）を選ぶことになり、その構成と合わせて設置できる風力発電装置としては、上記垂直軸型の構成が最もサイズ的に合わせやすいためである。もちろん、上記のように、風向きに対する依存性がないことが、その意味からも重要となる。

上記太陽光発電装置が、他の発電装置の脇に設けられるのは、太陽光パネル自身の洗浄や、該太陽光パネルを含む太陽光発電装置のメインテナンスを容易に行うことが可能になるからである。また本考案の構成の場合は、その設置の仕方が、垂直に設置される場合よりも、設置場所の緯度に応じて日中太陽光を多く受光できる（日射を受けた受光量が多くなる）角度に、その太陽光パネルが設けられるようにする必要がある。特に本考案の構成の場合、その設置場所が、例えば日本の小笠原諸島や沖縄の与那国島などの様に、その緯度が低い場所において、太陽光パネルの設置角度が、日中太陽光を多く受光できる（日射を受けた受光量が多くなる）ように設置されていれば、太陽光を受光した太陽光パネルによる太陽光発電装置としての発電効率が最も良くなり、さらに一日の発電量も多くなるためである。

尚、本考案における各発電装置には、水流発電、風力発電電に必要な、水流水車または風車、発電機、蓄電器、制御構成、インバータ、出力用コンセント等を一体化した装置が内蔵されていたり、或いはそれらの構成の一部（例えば充電器など）を本構成の外部に設置しても良い。また、太陽光発電装置も、例えば太陽光パネルを設置したその下面に（蓄電器、制御構成、インバータ、出力用コンセント等を一体化した装置）内蔵されていたり、或いはそれらの構成の一部（例えば同じく充電器など）を本構成の外部に設置しておいても良い。

さらに、上記垂直軸型水流発電装置の本体部分（垂直回転軸及びブレード）を構成するブレードは上下動可能で、必要に応じて水中に配置して発電を行い、また水中から引き上げて安全に待避させることができるようにすることが望ましい。該装置は、水没させることを前提に最初から上下動可能な構成にせずに組んでも良いが、水の勢いが激し過ぎて、発電を行う回転軸部分が焼き切れたり、水の勢いで流れてきた物体がブレードに当たって壊れることを防ぐことや、川の氾濫や水路から水が溢れ出して、本装置が発電装置として機能しなくなることを防ぐ意味からも、上記のような構成とすることが望ましい。

加えて上記垂直軸型風力発電装置は、一本のシャフトと少なくとも上下２軸受で支えられており、該垂直軸型風力発電装置の本体部分を構成するブレードの垂直回転軸は、上下２軸受で支持され、該シャフト以外は解放されていることが望ましい。元々垂直軸型風力発電装置は、上述のように、風向きに対する依存性がないことから、あらゆる方向から風を受けて回転しやすいように、上記のような水流発電装置の上に設置されることが望まれる。また上下２軸受けで固定されことで、その強度も増すことになる。

他方、本考案に係るハイブリッド発電装置のうち上記太陽光発電装置は、上記垂直軸型水流発電装置及びその上の垂直軸型風力発電装置の隣りであって、上記水の流れのある所の上に併設されることが望ましい。もちろん他の発電装置の近くに設置してあれば問題は無いのであるが、例えばこれらの他の発電装置のある箇所から水の流れに対して直交する方向にハングアウトして設けると、出っ張った状態の余計な設置場所を必要とすることになるからである。そのため、本考案構成では、太陽光発電装置は、上述のように、水の流れに沿って設けた方が好ましい。

また、本考案に係るハイブリッド発電装置は、水の流れのある所（例えば水路）に沿って一定の間隔を開けて、複数設けられると良い。これは、各ハイブリッド発電装置によって発電されたものが、例えばある一帯の狭い場所でも、その数が多くなればなるほど、一日の発電量は大きくなるからである。ただし、水の流れの中におかれてブレードを回した場合、その下流では一定間隔を置かないと、その流れに乱れが起き、下流の発電装置の発電効率を下げることになる。同様なことは、風力発電装置の場合についても言える。そのため、一定の間隔（後述する実施例で詳細に説明する）を開けて、これらの本考案に係るハイブリッド発電装置は設置される必要がある。さらに、上記太陽光発電装置もその方向に各並べて隣り合って併設されていることで、本ハイブリッド発電装置の施工も容易になって、見た目の環境も向上するようになる。

本考案のハイブリッド発電装置によれば、上記垂直軸型水流発電装置が年間を通しての発電の変動幅を小さなものに資するため、各発電装置の組み合わせの相乗効果によって、年間を通しての発電の変動幅を小さなものとし、ｋＷｈで平準化することが出来るという優れた効果を奏し得る。特に、垂直軸型水流発電装置の年間を通じての発電変動幅の低減化には特筆するものがあり、本ハイブリッド発電装置におけるベースロード電源として機能するので、安定化電源として用いるのに有用である。

本考案の一実施例を示す斜視説明図である。 上記実施例構成が設けられた水路を含む断面構成を示す説明図である。 上記図２をその横方向から見た構成が示される水路を含む構成を示す説明図である。 本実施例構成を１の水路に沿って複数設けた状態を示す上記実施例構成が設けられた水路を含む断面構成を示す説明図である。 上記図４の構成を図２に準ずる方向から見た状態を示す水路を含む断面構成を示す説明図である。

以下、本考案の実施の形態を図示例と共に説明する。

本考案の一実施例に係るハイブリッド発電装置は、図１〜図３に示すように、一の水路Ｗの上に、その水流中にブレード１ａ部分を没して発電する直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置１が設けられ、また、その上に直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２が備えられており、さらにこれら２つの発電装置１及び２の水路Ｗに沿った隣りに、垂直に設置される場合よりも、設置場所の緯度に応じて日中太陽光を多く受光できる（日射を受けた受光量が多くなる）角度でその太陽光パネル３ａが設けられた太陽光発電装置３が併設されている。

上記実施例構成では、水路Ｗで、直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置１の本体部分（垂直回転軸及びブレード）を構成する一体型のブレード１ａを水流中に沈めて、該ブレード１ａが周囲に取り付けられた垂直回転軸を中心に回して該直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置１による発電を行う。

上記水流発電装置１につき、一体化した直線翼垂直軸型ブレード１ａを用いるのは、その本体を構成する直線翼垂直軸型ブレード１ａを水中に配置すれば発電ができ、ダムなどを造って発電を行う大型の水力発電所などとは異なり、適地（本実施例では水路Ｗ）に簡単に設置して、直ぐに安定化電源を得られるようにするためである。

さらに、水流発電装置１に、直線翼垂直軸型固定ピッチのものを用いるのは、直線翼の迎角、直線翼・支持翼・シャフトとの各取り付け角、直線翼の空気力学的中心を最適化すれば、全て固定ピッチで良いのであり、これらは理論と実験で究明しており、特に「固定ピッチ」に限定するのはブレード１ａの「一体型」の製造製作による構造強度強化、空気力学的性能増大、ユニット化、コスト低減化等に寄与することになるからである。

河川などの水流は、四季を通じての変動はあるものの、一般的にその変動幅は大きくない。変動があったとしても、昼夜の変動幅のある太陽光発電装置３とは異なり、水流発電装置１は昼夜の水流の変動幅に大きな差はないし、雨・曇り・晴れなどによる天候の変動幅も水流発電装置１は、風況変動や風向変動等の顕著な風力発電装置２に比べて小さい。他方雨量の多くなる季節と雨量が少なく風のみが多くなる季節の変動がある所であれば、直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置１と直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２とがその発電量の変動を補い合って、季節変化があっても年間を通じての発電量（ｋＷｈ）の安定化につながることになる。

ましてや用水路などの水路Ｗでは、安定的に水の流れがあり、水流発電装置１は、安定化電源としての役割が大きくなる。即ち、垂直軸型水流発電装置１の年間を通じての発電変動幅の低減化には特筆するものがあり、本ハイブリッド発電装置におけるベースロード電源として機能するため、ｋＷｈ単位での、年間を通した電力が、安定的に得られることになる。そこに、年間を通しての発電の変動幅の大きな直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２と太陽光発電装置３とを備えることで、これらの発電装置の発電が相乗的に補い合い、年間を通して安定化した発電量（ｋＷｈ）を得られることになる。

さらに、上記直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置１の本体部分（垂直回転軸及びブレード）を構成するブレード１ａは、図面に示すように、上下動可能で、必要に応じて水中に配置して発電を行い、また水中から引き上げて安全に待避させることができるようにしている。該装置は、水没させることを前提に最初から上下動可能な構成にせずに組んでも良いが、水の勢いが激し過ぎて、発電を行う回転軸部分が焼き切れたり、水の勢いで流れてきた物体がブレード１ａに当たって壊れることを防ぐことや、川の氾濫や水路Ｗから水が溢れ出して、本装置１が発電装置として機能しなくなることを防ぐ意味からも、上記のような構成とした。

上記水流発電装置１の上に直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２が備えられて、それにより更に発電を行う。

上記風力発電装置２を、垂直軸型の構成にするのは、回転軸が風向きに対して垂直であり、風向きに対する依存性がないことや、発電機などの重量物を地上付近に設置できること、及びブレードの製造がプロペラ式と比較して容易であるなどの利点があるからである。また本装置は水流発電ができる構成を対象としているため、水流のあるところ（サイト）を選ぶことになり（本実施例では水路Ｗ）、その構成と合わせて設置できる風力発電装置２としては、上記垂直軸型の構成が最もサイズ的に合わせやすいためである。もちろん、上記のように、風向きに対する依存性がないことが、その意味からも重要となる。

また、上記直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２の構成は、一本のシャフトと上下２つの軸受で支えられており、該直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２の本体部分（垂直回転軸及びブレード）を構成するブレードの軸は、上下２軸受で支持され、シャフト以外は解放されている。元々直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置２は、上述のように、風向きに対する依存性がないことから、あらゆる方向から風を受けて回転しやすいように、上記のような直線翼垂直軸型の構成とし、上記水流発電装置１の上に設置されるようにした。また上下２軸受けで固定されるため、その強度も増すことになる。

ここで、該風力発電装置２に、直線翼垂直軸型固定ピッチのものを用いるのは、直線翼の迎角、直線主翼・支持翼・シャフトとの各取り付け角、直線翼の空気力学的中心を最適化すればすべて固定ピッチで良いのであり、これらは理論と実験で究明しており、特に「固定ピッチ」に限定するのはブレードの「一体型」の製造製作による構造強度強化、空気力学的性能増大、ユニッ化、コスト低減化等に寄与することになるからである。

上記太陽光発電装置３が、他の発電装置１及び２の脇に設けられるのは、太陽光パネル３ａ自身の洗浄や、該太陽光パネル３ａを含む太陽光発電装置３のメインテナンスを容易に行うことが可能になるからである。また本実施例の構成の場合は、その設置の仕方が、垂直に設置される場合よりも、設置場所の緯度に応じて日中太陽光を多く受光できる（日射を受けた受光量が多くなる）角度に、その太陽光パネル３ａが設けられるようにする必要がある。特に本実施例の構成の場合、その設置場所が、例えば日本の小笠原諸島や沖縄の与那国島などの様に、その緯度が低い場所において、太陽光パネル３ａの設置角度が、日中太陽光を多く受光できる（日射を受けた受光量が多くなる）ように設置されていれば、太陽光を受光した太陽光パネル３ａによる太陽光発電装置３としての発電効率が最も良くなり、さらに一日の発電量も多くなるためである。

さらに、本実施例の上記太陽光発電装置３が、他の発電装置１及び２の隣りであって、且つ水路Ｗに沿って設けられている。もちろん他の発電装置の近くに設置してあれば問題は無いのであるが、例えばこれらの他の発電装置のある箇所から水の流れに対して直交する方向にハングアウトして設けると、出っ張った状態の余計な設置場所を必要とすることになるため、本実施例構成では、太陽光発電装置３は、上述のように、水の流れに沿って設けている。

また、本実施例に係るハイブリッド発電装置は、図４及び図５に示されるように、水路Ｗに沿って一定の間隔を開けて、複数設けられている。これは、各ハイブリッド発電装置によって発電されたものが、例えばある一帯の狭い場所でも、その数が多くなればなるほど、一日の発電量は大きくなるからである。ただし、水の流れの中におかれてブレード１ａを回した場合、その下流では一定間隔を置かないと、その流れに乱れが起き、下流の発電装置１の発電効率を下げることになる。同様なことは、風力発電装置２の場合についても言える。そのため、一定の間隔を開けて、これらの本実施例に係るハイブリッド発電装置は設置される必要がある。より具体的には、ベースロード電源としての直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置１におけるブレード１ａが回転することで構成される水車の直径の１０倍以上離すことで、その下流にあるブレード１ａには上流のブレード１ａで生じた渦流等の影響が無くなり、通常の水の流れに戻るため、その間隔としてはブレード１ａが回転することで構成される水車の直径の１０倍程度離すこととした。さらに、上記太陽光発電装置３もその水路Ｗに沿って各並べて隣り合って併設されているので、本ハイブリッド発電装置の施工も容易になって、見た目の環境も向上することになる。

本実施例における各発電装置には、水流発電、風力発電電に必要な、各ブレード構成、発電機、蓄電器、制御構成、インバータ、出力用コンセント等を一体化した装置を内蔵させる事も出来るが、本実施例構成では、それらの構成の一部（例えば充電器など）を本構成の外部に設置している。また、太陽光発電装置３も、例えば太陽光パネル３ａを設置したその下面に（蓄電器、制御構成、インバータ、出力用コンセント等を一体化した装置）内蔵されるようにしたり、或いはそれらの構成の一部（例えば同じく充電器など）を本構成の外部に設置しておいても良い。

本実施例に係るハイブリッド発電装置によれば、上記垂直軸型水流発電装置１が年間を通しての発電の変動幅を小さなものに資するため、各発電装置の組み合わせの相乗効果によって、年間を通しての発電の変動幅を小さなものとし、ｋＷｈで平準化することが出来るようになる。

尚、本考案のハイブリッド発電装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本考案のハイブリッド発電装置は、再生可能エネルギを生成する装置の中でも、２０１９年の台風１５号及び１９号等で被害が明らかになった現状を踏まえると、地産地消型の発電装置として、日本ばかりか、世界各国での利用、特に緯度の低い地域の利用が考えられる。

１ 直線翼垂直軸型固定ピッチ水流発電装置
１ａ ブレード
２ 直線翼垂直軸型固定ピッチ風力発電装置
３ 太陽光発電装置
３ａ 太陽光パネル
Ｗ 水路

Claims (5)

1. 水の流れのある所の上に、その水流中にブレード部分を没して発電する垂直軸型水流発電装置が設けられ、
   その上に垂直軸型風力発電装置が備えられており、
   その脇に、垂直に設置される場合よりも、設置場所の緯度に応じて日中太陽光を多く受光できる角度でその太陽光パネルが設けられた太陽光発電装置を有することを特徴とするハイブリッド発電装置。
2. 上記水流発電装置の本体部分を構成する上記ブレードは上下動可能で、必要に応じて水中に水没させて発電を行い、また水流から引き上げて安全に待避させることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド発電装置。
3. 上記垂直軸型風力発電装置は、一本のシャフトと少なくとも上下２軸受で支えられており、該垂直軸型風力発電装置の本体部分を構成するブレードの垂直回転軸は、上下２軸受で支持され、該シャフト以外は解放されていることを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド発電装置。
4. 上記太陽光発電装置は、上記垂直軸型水流発電装置及びその上の垂直軸型風力発電装置の隣りであって、上記水の流れのある所の上に併設されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１つに記載のハイブリッド発電装置。
5. 上記ハイブリッド発電装置は、水の流れのある所に沿って一定の間隔を開けて、複数設けられることを特徴とする請求項１〜４いずれか１つに記載のハイブリッド発電装置。