JP3716334B2 - 風力揚水発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，風力を利用して揚水し，揚水の位置エネルギーを電力に変換する風力揚水発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電装置は，風車によって直接に発電機を回転させて発電する。風力発電装置には横軸型と縦軸型があり，横軸型にはプロペラ型，多翼型などがあり，縦軸型にはダリウス型，サボニウス型などがある。一般に広く実施されているのはプロペラ型である。
【０００３】
プロペラ型はいわゆる揚力利用型で高速回転ができる点については優れているが，風力エネルギーの捕捉性が十分ではなく，また，容量に応じて長大なブレードとなるので設置面積が大きくなるなどの問題がある。
【０００４】
かかる問題を解決するために，当発明者・出願人は縦軸型のサボニウス型風車を改良した風力発電装置を発明した。この発明は特願２０００−３３０６６８として日本国特許に出願しており，図７に示す構造で，集風機能のあるガイドベーン及び補助ガイドベーンを装着したサボニウス型ロータの風車ユニット１００を複数個，同軸に積み重ねて，一端に発電機１０１とフライホイール１０３を収納したナセル１０４を連結して風力発電装置ユニット１０５を構成している。それぞれの風車ユニット１００は高低各位の地表高度の風力エネルギーを捕捉する。ガイドベーンは可動式であって，開口状態では通常風力のエネルギーを風車ロータに集風させるが，強風時には通風路を閉鎖し，風車の回転を止める。フライホイール１０３は付属する速度調整機１０２によって回転速度を調整して蓄積エネルギーを加減でき，風力の強弱に応じて過剰エネルギーをフライホイールに蓄積，又は蓄積エネルギーを発電機に放出して発電機の入力を平準化する。複数の風力発電装置ユニット１０５を設置する場合には，装置間ガイドベーン１０６によってより効果的に集風するようにしている。なお，上記の風車ユニット１００及び装置間ガイドベーン１０６は本願でも同様に実施しており，その構造の詳細は本願の課題を解決するための手段で説明する。
【０００５】
この先願発明は，ガイドベーン，補助ガイドベーン及び装置間ガイドベーン１０６によって集風効果を発揮させて風力エネルギーの捕捉性を向上すること，複数の風車ユニット１００を積み重ねることによって装置占有面積を大きくすることなく，高低各位の地表高度の風力エネルギーを捕捉すること，風力の強いときは過剰なエネルギーをエネルギー貯蔵容量が調整可能なフライホイール１０３に一時的に貯えて発電機の入力を平準化するとともに，同時に風車の最大入力に比較して発電機の容量を小さくして発電機損を小さくしてエネルギー変換効率の向上ならびに装置コスト低減などを図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
現在一般に設置されている風力発電装置はプロペラ型で，近時は特に単機設備容量を大きくする傾向にあるが，これらの大型機はプロペラの長さ及び支柱の高さを大きくすることで対応している。さらに，良好な風況の立地を求めて洋上に設置されるようになってきた。風力エネルギーは秒単位で変動する不安定なエネルギーであるが，そのために通常のプロペラ式風力発電装置では安定な周波数の交流電力を出力するために高度な制御を必要とし，大容量化に伴って系統の安定性を保つ上で技術的・経済的困難も多く，大きな問題をかかえている。
【０００７】
また，プロペラ型風力発電装置は，受風面積に入力される風力エネルギー工率に対して２５％程度，風力発電装置のエネルギー捕捉限界とされている「ベッツの限界」に対しても４２％程度のエネルギー捕捉効率であって，効率が良いとはいえない。しかも，受風面が円であって設置面上空の空間面を最大限に利用しているとはいえない。さらに装置の設置間隔は通常，風車直径の３倍，最低でも２倍が必要とされているので設置総面積は大きくなり，総合的な風力エネルギー捕捉効率はかなり低下する。また，大容量機でプロペラの長大なものは強度的に脆弱になりがちである。
【０００８】
これらの問題に対処するために，本出願人による先願発明は集風作用ならびに広範囲の地表高度の風力を高度に応じて捕捉するなどの方法で風力エネルギーの捕捉効率を高めるとともに，この時間的に不安定なエネルギーを平準化することを意図している。エネルギー平準化は発電機の容量を比較的小さいものとして平常風速時の効率を高めるとともに，強風状態ではエネルギーの過剰分をフライホイールに蓄積し，入力が減衰したときには発電機の回転速度を一定に保ちながら蓄積されたエネルギーを放出するようにして平準化するものである。
【０００９】
この装置では出力の平準化を図ることができるが，周波数安定化のために高度な機械的制御が必要である。
【００１０】
本発明の課題は，前述の先願発明の風車部分の構造をすべて踏襲して，風力エネルギーの捕捉効果については先願発明と全く同様の効果をもち，さらにエネルギーの貯蔵性に優れるとともに，回転数制御が容易で安定な出力周波数の経済的な発電手段を提供することである。また，風力を直接利用するよりは回転速度の速い発電機を利用することと発電機を集約して大容量化することも課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に関わる手段は，鉛直な中心軸をもち，間隔を隔てて同軸に保持される上下一対のフレーム端板よりなるフレームにロータ軸を中心軸上に回転自在に装着し，間隔を隔てて同軸に配置された一対の円盤状のロータ端板の間に山型又は円弧状に湾曲した複数個のバケットを湾曲方向を揃えてロータ端板の中心軸に対して等しい角度間隔となるように分散して装着されたロータをロータ軸に回転自在に貫挿し，ロータとロータ軸間はロータの一定方向の回転運動をロータ軸に伝達するがロータ軸の一定方向の回転運動はロータに伝達しない方向性回転運動伝達機構で連結し，円弧状に湾曲した板で構成され，一端に装着されたガイドベーン軸によってフレーム端板のロータの外側直近部分に等角度間隔に支承される複数のガイドベーンを備え，装置の閉鎖状態ではガイドベーンがロータの外周を遮蔽し，装置の開口状態ではガイドベーンの各々が閉鎖状態より一定の角度まで回動してロータの通風口を開くようにガイドベーンを回動操作するガイドベーン操作機構と，開口状態のガイドベーンの外端に一端が接近し，開口状態のガイドベーンを延長する方向に板状の補助ガイドベーンをフレーム端板に装着して風車ユニットを構成し，風車ユニットの複数個を同軸に積み重ね，かつ，それぞれの風車ユニットのロータ軸を連結して風車タンデムを構成し，風車タンデムは支持部材により水域上に固定され，水中にあってロータ軸の下端に同軸に装着された延長軸によって駆動されるポンプと，風車タンデムの頂上に設けられた水槽と，風車タンデムの比較的下方に設けられた水車と，水車により駆動される主発電機と，ポンプと水槽とを接続する揚水管と，水槽と水車を接続する放水管と，水車から開放水域に至る排水管とにより構成される。
【００１２】
請求項２に関わる手段は，鉛直な中心軸をもち，間隔を隔てて同軸に保持される上下一対のフレーム端板よりなるフレームにロータ軸を中心軸上に回転自在に装着し，間隔を隔てて同軸に配置された一対の円盤状のロータ端板の間に山型又は円弧状に湾曲した複数個のバケットを湾曲方向を揃えてロータ端板の中心軸に対して等しい角度間隔となるように分散して装着されたロータをロータ軸に回転自在に貫挿し，ロータとロータ軸間はロータの一定方向の回転運動をロータ軸に伝達するがロータ軸の一定方向の回転運動はロータに伝達しない方向性回転運動伝達機構で連結し，円弧状に湾曲した板で構成され，一端に装着されたガイドベーン軸によってフレーム端板のロータの外側直近部分に等角度間隔で回動自在に支承される複数のガイドベーンを備え，装置の閉鎖状態ではガイドベーンがロータの外周を遮蔽し，装置の開口状態ではガイドベーンの各々が閉鎖状態より一定の角度まで回動してロータの通風口を開くようにガイドベーンを回動操作するガイドベーン操作機構と，開口状態のガイドベーンの外端に一端が接近し，開口状態のガイドベーンを延長する方向に板状の補助ガイドベーンをフレーム端板に装着して風車ユニットを構成し，風車ユニットの複数個を同軸に積み重ね，かつ，それぞれの風車ユニットのロータ軸を連結して風車タンデムを構成して支持部材により支持され，ロータ軸の下端に同軸に装着された延長軸によって駆動されるポンプと，風車タンデムの頂上に設けられた水槽と，風車タンデムの比較的下方に設けられた水車と，水車により駆動される主発電機と，ポンプと水槽とを接続する揚水管と，水槽と水車を接続する放水管と，水車から開放水域に至る排水管とにより構成される。
【００１３】
請求項３に関わる手段は，風車タンデム及び延長軸ならびにポンプ及び揚水管の集合体の複数基を一列に相互に若干の間隔を隔てて配列し，それぞれの風車タンデム相互間には装置間ガイドベーンを設け，水槽及び水車及び主発電機ならびに放水管及び排水管は前述の複数基の集合体に共通に設けるように構成される。
【００１４】
この発明による作用及び効果は次のとおりである。
【００１５】
請求項１及び２に関わる手段では，ともに，風力エネルギーで直接発電せず，風車を動力とするポンプで水をフレーム頂上に設置された水槽に揚水して位置エネルギーに変換し，一時的に貯蔵した後に，その水を落下させて主発電機により水力発電として電力に変換するもので，電気的出力及び周波数は放水管に設けられたバルブによって制御する。また，水槽によって貯えられる水の位置エネルギーの総量は水槽の高さ及び容積によって定まるが，これを大きくすることは設計的に容易である。この方法は風車が発電機を直接駆動するのではなく，ポンプを駆動するので，風力が弱い場合はロータ回転速度を更に減速して必要なトルクを発生させることと，風力が強大な場合は風車のロータ及びポンプの過速度を防止すること以外に高度な制御は必要としない。また，変動の激しい風力エネルギーによる装置入力を平準化できる。さらに，風車で直接発電する場合は回転速度が毎分数十回転と低いので発電機を１００極前後の多極機とする必要があり，発電機は大きい外形寸法のものになるという欠点があるが，水車で発電機を駆動する場合は回転速度を毎分数百回転と高くできるので発電機を小型化できるという特長がある。また，本願の風車タンデムは高層の構造物であって，水槽を頂上に設置し，揚水して水に位置エネルギーを付与するのに適した構造条件を提供している。
【００１６】
請求項１と請求項２に関わる手段の相違点は，請求項１では風車タンデムが水域上に固定されているのに対して，請求項２では特に水域上という制限を設けていないことである。何れの手段も風車タンデムの下方の延長軸によってポンプを駆動して揚水するものである。
【００１７】
請求項３に関わる手段では，装置間ガイドベーンによって装置間をすり抜けようとする気流さえも集風し，より大きい回転力が発生するという効果を奏する。また，水槽及び発電機を風車タンデム毎に分散設置するのではなく，総合的な容量のものを前述の集合体毎に集約して設置できるという経済効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本願発明の風力揚水発電装置の側面図で，風車タンデム群３２は３基の風車タンデム３１の集合体で，各風車タンデムを構成する風車ユニット３０は５個の場合について示している。それぞれの構成要素の詳細については以下に説明する。図２ , 図３及び図４は風車ユニット３０の詳細な構造図で，図２は側面図，図３及び図４は風車ユニット３０の断面平面図で，図３はガイドベーンの開口状態を，図４はその閉鎖状態を示す。図２に明示されている線Ｚ−Ｚは装置の鉛直中心軸で，以下に説明するロータなど多くの主要な部材の回転中心である。風車ユニット３０の構造は先願発明と同一である。図２，図 3 及び図 4 は，装置間ガイドベーンなどが付属していない基本的な風車ユニット３０の構成を示している。これらの諸図において，１０はフレームで，同心で平行な上下一対の円盤状のフレーム端板１１Ａ，１１Ｂと，その間隔を固定する６本のスペーサ１２で構成されている。
【００１９】
２０はロータで，同軸上で上下一対の円盤状のロータ端板２１Ａ，２１Ｂと，両ロータ端板相互間に固定された６個のバケット２２より構成されている。バケット２２は，図３及び図４に示すように山型又は円弧状に湾曲した板材で，中心軸Ｚ−Ｚの周辺に一端をロータ端板２１Ａ，２１Ｂの外周にほぼ一致させて，他端は同心の小円ｒ上に位置するよう等角度間隔で，かつ湾曲方向を揃えて配列されている。２３はロータ軸で，軸受け１５によってフレーム端板１１Ａ，１１Ｂに軸支され，ロータ軸２３は上下一対のロータ受け２４を介してロータ２０を中心軸Ｚ−Ｚに同心で軸支している。ロータ軸２３の両端にはロータ軸フランジ２３Ａが装着されている。ロータ２０の回転方向はバケット２２の湾曲方向によって定まり，図３に示す矢印Ｒの方向に風力によるトルクが発生して回転する。
【００２０】
２５は一対の爪で，下側のロータ端板２１Ｂに回転自在に軸支され，ロータ軸２３に固定された爪車２６に対峙し，ロータ２０の矢印Ｒ方向の回転をロータ軸２３に伝えるが，ロータ軸２３の同方向の回転はロータ２０には伝えない方向性回転運動伝達機構となっている。爪２５と爪車２６の関係は図２の側面図のほか，図５にロータ２０の側より見た平面図で示されている。すなわち，一対の爪２５は，ばね２５Ａで押圧されて爪車２６の歯に係合している。ロータ軸２３の回転方向もロータ２０と同じく矢印Ｒの方向で，逆回転はしない。
【００２１】
２７はガイドベーンで，バケット２２と同数の６個有り，円弧状に湾曲した板で，フレーム端板１１Ａ，１１Ｂによって軸支されたガイドベーン軸２７Ａに固定されている。ガイドベーン２７はガイドベーン軸２７Ａを中心に回動する。その回動範囲は図３の状態より図４の状態までで，図３の位置で通風口の開口状態，図４の位置で通風口の閉鎖状態となる。図４の閉鎖状態では，６枚のガイドベーン２７は集合して円を形成する。２７Ｂはガイドベーン２７の補強板で，ガイドベーン２７の上下両端に接合されている。
【００２２】
２７Ｃ及び２７Ｄはガイドベーン操作板で６本のガイドベーン軸２７Ａがそれぞれ下側のフレーム端板１１Ｂの下部に突出した部分に一端が固着されている。ガイドベーン操作板２７Ｃ及び２７Ｄはともに三角形状のリンクで，１個のガイドベーン操作板２７Ｃだけは外周がギアになっている。隣接するガイドベーン操作板２７Ｃ，２７Ｄはそれぞれの隣接リンク点相互間をガイドベーン操作リンク２７Ｅで全体が環状になるように連結されている。ガイドベーン操作板２７Ｃはウオーム２８Ａを装着したガイドベーン操作モータ２８で操作される。すなわち，ガイドベーン操作モータ２８の正逆転によって，ガイドベーン操作板２７Ｃ，２７Ｄが揺動し，ガイドベーン２７を図３と図４の状態の間の開閉をする。
【００２３】
以上のガイドベーン操作機構は電動方式のものについて説明したが，油圧式又は空圧式としてもよい。また，ガイドベーン２７の全数をガイドベーン操作リンク２７Ｅで連結して一括して操作する代わりに，図は省略するが，ガイドベーン２７を複数のグループに分割してそれぞれのグループごとにガイドベーン操作リンク２７Ｅで結合し，それぞれのグループをガイドベーン操作モータ２８で個別に操作することもできる。
【００２４】
２９は補助ガイドベーンで，図３に示すようにガイドベーン２７の開口状態でおおむねその延長線上に位置し，フレーム端板１１Ａ，１１Ｂに固定されている。ガイドベーン２７及び補助ガイドベーン２９を含むフレーム１０とロータ２０とロータ軸２３との集合体を風車ユニット３０と呼称する。本願の発明は，以上に説明した風車ユニット３０を発電装置の風車部分の基本的構成要素としている。なお，図7の先願発明の風車ユニット１００は以上に述べた風車ユニット３０と同じ構造である。
【００２５】
次に，図1及び図6によって本願の風力揚水発電装置のシステムを説明する。図１で風車ユニット３０は5個を同軸に積み重ね，それぞれのロータ軸２３は回転に際して軸心の歪みによる運動抵抗を受けないようにロータ軸フランジ２３Ａで相互に緩やかに結合されている。このような積層状態の風車ユニット３０のグループを本願では風車タンデム３１と呼称する。図６は図１の揚水式の風力発電装置の風車ユニット３０の部分の断面平面図である。
【００２６】
図1では3個の風車タンデム３１が横一列に配列され，上下に連結板３１Ａで相互に連結されて風車タンデム群３２を構成している。したがって，図１の風車タンデム群３２は１５個の風車ユニット３０から構成されている。この数量は各風車タンデム３１ごとの風車ユニット３０の数量を整合した上で任意に選定できる。
【００２７】
図６及び図１に示すように風車タンデム群３２の各風車タンデム３１は若干の間隔を隔てて配列され，その間隙は図6に示すように装置間ガイドベーン３１Ｂにて固定的に仕切られている。なお，図７の先願発明の装置間ガイドベーン１０６はここに述べた装置間ガイドベーン３１Ｂと同じ構造である。
【００２８】
図６でよく分かるように示されているが，補助ガイドベーン２９の一部には一端に設けられたノード２９Ａによってヒンジ結合された回動式の次補助ガイドベーン３１Ｃを装着している。次補助ガイドベーン３１Ｃは，補助ガイドベーン２９が単独のときよりも通常の風速状態では風上の気流(矢印Ｆ)に対して集風効果を高め，風下の気流に対してディフューザ効果を高めるものである。ただ，この次補助ガイドベーン３１Ｃは風車ユニット３０より張り出した構造のために機械的強度が脆弱になりがちで，強風に耐えられないので，強風時には専用の操作手段でノード２９Ａを中心に軌跡３１Ｄのように回動させ，補助ガイドベーン２９に沿うように折りたたまれる。この専用の操作手段はガイドベーンの操作機構（図2の２８等）と類似の電動操作方式などによる構造であり，記載は省略する。なお，次補助ガイドベーン３１Ｃは機能改善の要件であるが，必須の要件ではない。
【００２９】
図１に戻って風力揚水発電装置のその他の部分を説明する。風車タンデム群３２は複数の支柱１３によって基礎１４上に支持されている。基礎１４は１４Ａを水面とする水中に沈設されている。また，上部の連結板３１Ａの上には水槽３３が3個の風車タンデム３１に共通的に設置されている。ポンプ３８は揚水のために水面１４Ａ以下の位置に設置されている。海洋上などのように水域が大きい場合は，風車タンデム群３２は水域上に設置されるが，小容量の水を循環させて使用する場合は，図１に示す基礎１４のようにポンプ３８は後に述べる排水管４５と連通した貯水槽に設置される。
【００３０】
各風車タンデム３１の最下段の風車ユニット３０の下端のロータ軸フランジ２３Ａには補助発電機３４が接続され，さらに下方にはクラッチ３４Ａを経て速度調整機３５が同軸に接続されている。補助発電機３４及び速度調整機３５はカバー３６で遮蔽されたナセル３７に収納されている。
【００３１】
各風車タンデム３１それぞれのナセル３７内に設けられた速度調整機３５の出力側の延長軸３５Ａは，さらに下方の水中に伸びて回転型のポンプ３８を駆動するように接続されている。さらに，ポンプ３８の吐出側は揚水管／Ａ３９，逆止め弁４０，揚水管／Ｂ４１を経て水槽３３に接続されている。
【００３２】
水槽３３には放水管４２，制御弁４３を経て装置の下方に設置された水車４４が接続され，水車４４の排水管４５は開放水域に導出されている。水車４４の回転部は軸受け４６に軸支され，フライホイール４７と主発電機４８が接続されている。
【００３３】
次に，以上に述べた風力揚水発電装置の動作を説明する。図３の風車ユニット３０の通風路の開口状態において，左側を風上とし，気流を矢印Ｆ１ないしＦ７とする。気流Ｆ１は補助ガイドベーン２９に衝突し，矢印Ｆ１Ａで示すように一部は装置内に，他は装置外に流れる。気流Ｆ２及びＦ３はガイドベーン２７に衝突し，Ｆ１Ａの一部と合体して気流Ｆ８となってバケット２２の凹面に作用し，ロータ２０を回転させる。気流Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６はＦ９に集合してバケット２２の凹面に作用しロータ２０を回転させる主力となる。気流Ｆ７は補助ガイドベーン２９に衝突し，矢印Ｆ７Ａで示すように一部は装置内に進行して気流Ｆ１０となり，同様にロータ２０を回転させ，残部は装置外に流れる。ロータ２０は風向に関係なく矢印「Ｒ」の方向に回転する。
【００３４】
ロータ２０を回転させた気流Ｆ８，Ｆ９，Ｆ１０は，気流Ｆ１１，Ｆ１２となって風下側に排出される。ガイドベーン２７及び補助ガイドベーン２９の配置は風下側が広がっているので排気の風圧が低下し，排出を容易とするディフューザ効果を生む。なお，バケット２２に作用した気流の一部はロータ軸２３の周辺に設けられた隙間を通って反対側のバケット２２の凹側に作用し，ロータ２０のトルクを補足するサボニウス風車特有の効果を発揮する。
【００３５】
このように，ガイドベーン２７及び補助ガイドベーン２９の存在は，集風してバケット２２の凹面に作用する順風の実効風速を高め，バケット２２の凸面に作用する逆風をカットし，排気に対してディフューザ効果を発揮してロータ２０の順風トルクを増加させ，逆風トルクを削減する。なお，補助ガイドベーン２９は，ガイドベーン２７単独の場合に比較してこれらの機能を強化するものであって，ガイドベーン２７単独であってもそれなりの機能を発揮する。また，次補助ガイドベーン３１Ｃは補助ガイドベーン２９より外へ張り出していて受風面積を増し，集風機能を更に高めるものである。
【００３６】
風速が強くなり，ロータ２０やポンプ３８などの装置が破壊される恐れがある場合，又は発電機（補助発電機３４，主発電機４８）がそのエネルギーを吸収しきれない場合には，図４に示すようにガイドベーン２７がロータ２０の周囲を閉鎖する。この動作は，ガイドベーン操作モータ２８によってガイドベーン操作板２７Ｃを回動させ，ガイドベーン操作リンク２７Ｅによってすべてのガイドベーン操作板２７Ｄを連動して回動させて行う。
【００３７】
図1においてロータ２０の回転はロータ軸２３を経て下方に伝えられ，補助発電機３４を回転させる。微風状態ではクラッチ３４Ａが開放されていて，補助発電機３４が単独で直接電力を発生する。風速が一定値を超えて十分な場合は，クラッチ３４Ａを結合し，速度調整機３５を作動させ，さらに延長軸３５Ａを経由してポンプ３８を作動させて揚水を行う。その際に補助発電機３４は電力を発生させるか，させないか，任意に選択できる。
【００３８】
ポンプ３８の作動によって，水は揚水管／Ａ３９，逆止め弁４０，揚水管／Ｂ４１によって水槽３３に揚水され，風力エネルギーは水の位置エネルギーに変換される。揚水の過程で風力が衰えてポンプ３８の回転速度が低下した場合，揚水途上の揚水管／Ｂ４１内の水は逆止め弁４０で落下しないようにしている。
【００３９】
水槽33の水位がある程度上昇すると放水が開始される。放水は放水管４２の下方，水車４４の直上方に設けられた制御弁４３を開放してなされる。放水は水車４４を回転させて水の持つ位置エネルギーを運動エネルギーに変換し，排水管４５を経て開放水域に放出される。
【００４０】
水車４４の回転で主発電機４８を運転する。フライホイール４７は主発電機４８の回転速度変動を抑制するために設けられている。主発電機４８の回転速度及び出力の調整は制御弁４３を制御する。
【００４１】
図6に示す装置間ガイドベーン３１Ｂは，前述の図3による動作説明で，気流Ｆ１Ａ及びＦ７Ａの装置外へ流れる部分に対してこれを阻止し，強制的にロータ２０の側に向かわせてロータ２０の回転力を高める作用をする。
【００４２】
補助発電機３４を設置する理由は，風速が微弱なときにポンプ３８で直接揚水すると，ポンプ３８のエネルギーロスのために全く揚水しないことがあるので，そのような微弱な風力エネルギーさえ電力に変換して有効に利用しょうとするものである。したがって，補助発電機３４の存在は絶対条件ではない。
【００４３】
ポンプ３８は揚水目的に使用されるので，その回転数は風まかせで精密な制御を必要とせず，風速に応じて定まるロータ軸２３の回転速度を速度調整機３５で調整し，ポンプ３８の回転維持に必要なトルクを発生するだけでよい。すなわち，風速が低い場合は延長軸３５Ａの回転を減速し，ポンプ３８のトルクを増やして，ポンプが低速でも停止することなく回転し，僅かでも揚水できるようにする。また，風速が高い場合は延長軸３５Ａの回転を増速して効率よく揚水してもよい。
【００４４】
水槽３３への揚水により量的に不安定な風力エネルギーを一時的に貯蔵して変動を抑制するとともに，発電機の速度制御を容易とする。また，発電機は回転速度が風車発電機よりも高い水車発電機を使用でき，装置が小型化できる。
【００４５】
さらに，本願の風車タンデム３１又は風車タンデム群３２の構成は水槽３３の高所設置を容易にする構造となっている。また，風車タンデム群３２とする場合は，水槽３３，水車４４及び主発電機４８を集約できる。
【００４６】
なお，本願は水をエネルギー変換の媒体とするものであるから，最近の風力発電の洋上設置の傾向は本願システムにとって好都合である。しかし，設置場所としては洋上に限定するものではなく，湖上や池沼上であってもよい。また，図１では装置は水中に沈設された基礎１４上に設置されるとしたが，基礎１４に代えて装置を浮体上に設置し，ポンプ３８を水中に設けるようにしてもよい。
さらに，本装置を陸上に設置して小容量の水を循環させて使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による風力揚水発電装置の側面図
【図２】図１の風車ユニットの側面図
【図３】風車ユニットの断面平面図で，ガイドベーンの開口状態
【図４】風車ユニットの断面平面図で，ガイドベーンの閉鎖状態
【図５】ロータに設けられた爪と爪車（方向性回転運動伝達機構）の平面図
【図６】図1の風力揚水発電装置の風車ユニット部分の断面平面図
【図７】先願の縦軸型風力発電装置
【符号の説明】
１０ フレーム，１１Ａ・１１Ｂ フレーム端板，１２ スペーサ，１３ 支柱，１４ 基礎，１４Ａ 水面， ２０ ロータ，２１Ａ・２１Ｂ ロータ端板，２２バケット，２３ ロータ軸， ２３Ａ ロータ軸フランジ，２５ 爪，２６ 爪車，（２５・２６ 方向性回転運動伝達機構）， ２７ ガイドベーン，２７Ａ ガイドベーン軸，２７Ｃ・２７Ｄ ガイドベーン操作板，２９ 補助ガイドベーン，３０ 風車ユニット，３１ 風車タンデム，３１Ｂ 装置間ガイドベーン，３２ 風車タンデム群，３３ 水槽，３４ 補助発電機，３５ 速度調整機，３５Ａ 延長軸，３８ ポンプ，３９ 揚水管／Ａ，４０ 逆止め弁，４１ 揚水管／Ｂ，４２ 放水管，４３ 制御弁，４４ 水車，４５ 排水管，４６ 軸受け，４７ フライホイール，４８ 主発電機
【発明の属する技術分野】
この発明は，風力を利用して揚水し，揚水の位置エネルギーを電力に変換する風力揚水発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電装置は，風車によって直接に発電機を回転させて発電する。風力発電装置には横軸型と縦軸型があり，横軸型にはプロペラ型，多翼型などがあり，縦軸型にはダリウス型，サボニウス型などがある。一般に広く実施されているのはプロペラ型である。
【０００３】
プロペラ型はいわゆる揚力利用型で高速回転ができる点については優れているが，風力エネルギーの捕捉性が十分ではなく，また，容量に応じて長大なブレードとなるので設置面積が大きくなるなどの問題がある。
【０００４】
かかる問題を解決するために，当発明者・出願人は縦軸型のサボニウス型風車を改良した風力発電装置を発明した。この発明は特願２０００−３３０６６８として日本国特許に出願しており，図７に示す構造で，集風機能のあるガイドベーン及び補助ガイドベーンを装着したサボニウス型ロータの風車ユニット１００を複数個，同軸に積み重ねて，一端に発電機１０１とフライホイール１０３を収納したナセル１０４を連結して風力発電装置ユニット１０５を構成している。それぞれの風車ユニット１００は高低各位の地表高度の風力エネルギーを捕捉する。ガイドベーンは可動式であって，開口状態では通常風力のエネルギーを風車ロータに集風させるが，強風時には通風路を閉鎖し，風車の回転を止める。フライホイール１０３は付属する速度調整機１０２によって回転速度を調整して蓄積エネルギーを加減でき，風力の強弱に応じて過剰エネルギーをフライホイールに蓄積，又は蓄積エネルギーを発電機に放出して発電機の入力を平準化する。複数の風力発電装置ユニット１０５を設置する場合には，装置間ガイドベーン１０６によってより効果的に集風するようにしている。なお，上記の風車ユニット１００及び装置間ガイドベーン１０６は本願でも同様に実施しており，その構造の詳細は本願の課題を解決するための手段で説明する。
【０００５】
この先願発明は，ガイドベーン，補助ガイドベーン及び装置間ガイドベーン１０６によって集風効果を発揮させて風力エネルギーの捕捉性を向上すること，複数の風車ユニット１００を積み重ねることによって装置占有面積を大きくすることなく，高低各位の地表高度の風力エネルギーを捕捉すること，風力の強いときは過剰なエネルギーをエネルギー貯蔵容量が調整可能なフライホイール１０３に一時的に貯えて発電機の入力を平準化するとともに，同時に風車の最大入力に比較して発電機の容量を小さくして発電機損を小さくしてエネルギー変換効率の向上ならびに装置コスト低減などを図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
現在一般に設置されている風力発電装置はプロペラ型で，近時は特に単機設備容量を大きくする傾向にあるが，これらの大型機はプロペラの長さ及び支柱の高さを大きくすることで対応している。さらに，良好な風況の立地を求めて洋上に設置されるようになってきた。風力エネルギーは秒単位で変動する不安定なエネルギーであるが，そのために通常のプロペラ式風力発電装置では安定な周波数の交流電力を出力するために高度な制御を必要とし，大容量化に伴って系統の安定性を保つ上で技術的・経済的困難も多く，大きな問題をかかえている。
【０００７】
また，プロペラ型風力発電装置は，受風面積に入力される風力エネルギー工率に対して２５％程度，風力発電装置のエネルギー捕捉限界とされている「ベッツの限界」に対しても４２％程度のエネルギー捕捉効率であって，効率が良いとはいえない。しかも，受風面が円であって設置面上空の空間面を最大限に利用しているとはいえない。さらに装置の設置間隔は通常，風車直径の３倍，最低でも２倍が必要とされているので設置総面積は大きくなり，総合的な風力エネルギー捕捉効率はかなり低下する。また，大容量機でプロペラの長大なものは強度的に脆弱になりがちである。
【０００８】
これらの問題に対処するために，本出願人による先願発明は集風作用ならびに広範囲の地表高度の風力を高度に応じて捕捉するなどの方法で風力エネルギーの捕捉効率を高めるとともに，この時間的に不安定なエネルギーを平準化することを意図している。エネルギー平準化は発電機の容量を比較的小さいものとして平常風速時の効率を高めるとともに，強風状態ではエネルギーの過剰分をフライホイールに蓄積し，入力が減衰したときには発電機の回転速度を一定に保ちながら蓄積されたエネルギーを放出するようにして平準化するものである。
【０００９】
この装置では出力の平準化を図ることができるが，周波数安定化のために高度な機械的制御が必要である。
【００１０】
本発明の課題は，前述の先願発明の風車部分の構造をすべて踏襲して，風力エネルギーの捕捉効果については先願発明と全く同様の効果をもち，さらにエネルギーの貯蔵性に優れるとともに，回転数制御が容易で安定な出力周波数の経済的な発電手段を提供することである。また，風力を直接利用するよりは回転速度の速い発電機を利用することと発電機を集約して大容量化することも課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に関わる手段は，鉛直な中心軸をもち，間隔を隔てて同軸に保持される上下一対のフレーム端板よりなるフレームにロータ軸を中心軸上に回転自在に装着し，間隔を隔てて同軸に配置された一対の円盤状のロータ端板の間に山型又は円弧状に湾曲した複数個のバケットを湾曲方向を揃えてロータ端板の中心軸に対して等しい角度間隔となるように分散して装着されたロータをロータ軸に回転自在に貫挿し，ロータとロータ軸間はロータの一定方向の回転運動をロータ軸に伝達するがロータ軸の一定方向の回転運動はロータに伝達しない方向性回転運動伝達機構で連結し，円弧状に湾曲した板で構成され，一端に装着されたガイドベーン軸によってフレーム端板のロータの外側直近部分に等角度間隔に支承される複数のガイドベーンを備え，装置の閉鎖状態ではガイドベーンがロータの外周を遮蔽し，装置の開口状態ではガイドベーンの各々が閉鎖状態より一定の角度まで回動してロータの通風口を開くようにガイドベーンを回動操作するガイドベーン操作機構と，開口状態のガイドベーンの外端に一端が接近し，開口状態のガイドベーンを延長する方向に板状の補助ガイドベーンをフレーム端板に装着して風車ユニットを構成し，風車ユニットの複数個を同軸に積み重ね，かつ，それぞれの風車ユニットのロータ軸を連結して風車タンデムを構成し，風車タンデムは支持部材により水域上に固定され，水中にあってロータ軸の下端に同軸に装着された延長軸によって駆動されるポンプと，風車タンデムの頂上に設けられた水槽と，風車タンデムの比較的下方に設けられた水車と，水車により駆動される主発電機と，ポンプと水槽とを接続する揚水管と，水槽と水車を接続する放水管と，水車から開放水域に至る排水管とにより構成される。
【００１２】
請求項２に関わる手段は，鉛直な中心軸をもち，間隔を隔てて同軸に保持される上下一対のフレーム端板よりなるフレームにロータ軸を中心軸上に回転自在に装着し，間隔を隔てて同軸に配置された一対の円盤状のロータ端板の間に山型又は円弧状に湾曲した複数個のバケットを湾曲方向を揃えてロータ端板の中心軸に対して等しい角度間隔となるように分散して装着されたロータをロータ軸に回転自在に貫挿し，ロータとロータ軸間はロータの一定方向の回転運動をロータ軸に伝達するがロータ軸の一定方向の回転運動はロータに伝達しない方向性回転運動伝達機構で連結し，円弧状に湾曲した板で構成され，一端に装着されたガイドベーン軸によってフレーム端板のロータの外側直近部分に等角度間隔で回動自在に支承される複数のガイドベーンを備え，装置の閉鎖状態ではガイドベーンがロータの外周を遮蔽し，装置の開口状態ではガイドベーンの各々が閉鎖状態より一定の角度まで回動してロータの通風口を開くようにガイドベーンを回動操作するガイドベーン操作機構と，開口状態のガイドベーンの外端に一端が接近し，開口状態のガイドベーンを延長する方向に板状の補助ガイドベーンをフレーム端板に装着して風車ユニットを構成し，風車ユニットの複数個を同軸に積み重ね，かつ，それぞれの風車ユニットのロータ軸を連結して風車タンデムを構成して支持部材により支持され，ロータ軸の下端に同軸に装着された延長軸によって駆動されるポンプと，風車タンデムの頂上に設けられた水槽と，風車タンデムの比較的下方に設けられた水車と，水車により駆動される主発電機と，ポンプと水槽とを接続する揚水管と，水槽と水車を接続する放水管と，水車から開放水域に至る排水管とにより構成される。
【００１３】
請求項３に関わる手段は，風車タンデム及び延長軸ならびにポンプ及び揚水管の集合体の複数基を一列に相互に若干の間隔を隔てて配列し，それぞれの風車タンデム相互間には装置間ガイドベーンを設け，水槽及び水車及び主発電機ならびに放水管及び排水管は前述の複数基の集合体に共通に設けるように構成される。
【００１４】
この発明による作用及び効果は次のとおりである。
【００１５】
請求項１及び２に関わる手段では，ともに，風力エネルギーで直接発電せず，風車を動力とするポンプで水をフレーム頂上に設置された水槽に揚水して位置エネルギーに変換し，一時的に貯蔵した後に，その水を落下させて主発電機により水力発電として電力に変換するもので，電気的出力及び周波数は放水管に設けられたバルブによって制御する。また，水槽によって貯えられる水の位置エネルギーの総量は水槽の高さ及び容積によって定まるが，これを大きくすることは設計的に容易である。この方法は風車が発電機を直接駆動するのではなく，ポンプを駆動するので，風力が弱い場合はロータ回転速度を更に減速して必要なトルクを発生させることと，風力が強大な場合は風車のロータ及びポンプの過速度を防止すること以外に高度な制御は必要としない。また，変動の激しい風力エネルギーによる装置入力を平準化できる。さらに，風車で直接発電する場合は回転速度が毎分数十回転と低いので発電機を１００極前後の多極機とする必要があり，発電機は大きい外形寸法のものになるという欠点があるが，水車で発電機を駆動する場合は回転速度を毎分数百回転と高くできるので発電機を小型化できるという特長がある。また，本願の風車タンデムは高層の構造物であって，水槽を頂上に設置し，揚水して水に位置エネルギーを付与するのに適した構造条件を提供している。
【００１６】
請求項１と請求項２に関わる手段の相違点は，請求項１では風車タンデムが水域上に固定されているのに対して，請求項２では特に水域上という制限を設けていないことである。何れの手段も風車タンデムの下方の延長軸によってポンプを駆動して揚水するものである。
【００１７】
請求項３に関わる手段では，装置間ガイドベーンによって装置間をすり抜けようとする気流さえも集風し，より大きい回転力が発生するという効果を奏する。また，水槽及び発電機を風車タンデム毎に分散設置するのではなく，総合的な容量のものを前述の集合体毎に集約して設置できるという経済効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本願発明の風力揚水発電装置の側面図で，風車タンデム群３２は３基の風車タンデム３１の集合体で，各風車タンデムを構成する風車ユニット３０は５個の場合について示している。それぞれの構成要素の詳細については以下に説明する。図２ , 図３及び図４は風車ユニット３０の詳細な構造図で，図２は側面図，図３及び図４は風車ユニット３０の断面平面図で，図３はガイドベーンの開口状態を，図４はその閉鎖状態を示す。図２に明示されている線Ｚ−Ｚは装置の鉛直中心軸で，以下に説明するロータなど多くの主要な部材の回転中心である。風車ユニット３０の構造は先願発明と同一である。図２，図 3 及び図 4 は，装置間ガイドベーンなどが付属していない基本的な風車ユニット３０の構成を示している。これらの諸図において，１０はフレームで，同心で平行な上下一対の円盤状のフレーム端板１１Ａ，１１Ｂと，その間隔を固定する６本のスペーサ１２で構成されている。
【００１９】
２０はロータで，同軸上で上下一対の円盤状のロータ端板２１Ａ，２１Ｂと，両ロータ端板相互間に固定された６個のバケット２２より構成されている。バケット２２は，図３及び図４に示すように山型又は円弧状に湾曲した板材で，中心軸Ｚ−Ｚの周辺に一端をロータ端板２１Ａ，２１Ｂの外周にほぼ一致させて，他端は同心の小円ｒ上に位置するよう等角度間隔で，かつ湾曲方向を揃えて配列されている。２３はロータ軸で，軸受け１５によってフレーム端板１１Ａ，１１Ｂに軸支され，ロータ軸２３は上下一対のロータ受け２４を介してロータ２０を中心軸Ｚ−Ｚに同心で軸支している。ロータ軸２３の両端にはロータ軸フランジ２３Ａが装着されている。ロータ２０の回転方向はバケット２２の湾曲方向によって定まり，図３に示す矢印Ｒの方向に風力によるトルクが発生して回転する。
【００２０】
２５は一対の爪で，下側のロータ端板２１Ｂに回転自在に軸支され，ロータ軸２３に固定された爪車２６に対峙し，ロータ２０の矢印Ｒ方向の回転をロータ軸２３に伝えるが，ロータ軸２３の同方向の回転はロータ２０には伝えない方向性回転運動伝達機構となっている。爪２５と爪車２６の関係は図２の側面図のほか，図５にロータ２０の側より見た平面図で示されている。すなわち，一対の爪２５は，ばね２５Ａで押圧されて爪車２６の歯に係合している。ロータ軸２３の回転方向もロータ２０と同じく矢印Ｒの方向で，逆回転はしない。
【００２１】
２７はガイドベーンで，バケット２２と同数の６個有り，円弧状に湾曲した板で，フレーム端板１１Ａ，１１Ｂによって軸支されたガイドベーン軸２７Ａに固定されている。ガイドベーン２７はガイドベーン軸２７Ａを中心に回動する。その回動範囲は図３の状態より図４の状態までで，図３の位置で通風口の開口状態，図４の位置で通風口の閉鎖状態となる。図４の閉鎖状態では，６枚のガイドベーン２７は集合して円を形成する。２７Ｂはガイドベーン２７の補強板で，ガイドベーン２７の上下両端に接合されている。
【００２２】
２７Ｃ及び２７Ｄはガイドベーン操作板で６本のガイドベーン軸２７Ａがそれぞれ下側のフレーム端板１１Ｂの下部に突出した部分に一端が固着されている。ガイドベーン操作板２７Ｃ及び２７Ｄはともに三角形状のリンクで，１個のガイドベーン操作板２７Ｃだけは外周がギアになっている。隣接するガイドベーン操作板２７Ｃ，２７Ｄはそれぞれの隣接リンク点相互間をガイドベーン操作リンク２７Ｅで全体が環状になるように連結されている。ガイドベーン操作板２７Ｃはウオーム２８Ａを装着したガイドベーン操作モータ２８で操作される。すなわち，ガイドベーン操作モータ２８の正逆転によって，ガイドベーン操作板２７Ｃ，２７Ｄが揺動し，ガイドベーン２７を図３と図４の状態の間の開閉をする。
【００２３】
以上のガイドベーン操作機構は電動方式のものについて説明したが，油圧式又は空圧式としてもよい。また，ガイドベーン２７の全数をガイドベーン操作リンク２７Ｅで連結して一括して操作する代わりに，図は省略するが，ガイドベーン２７を複数のグループに分割してそれぞれのグループごとにガイドベーン操作リンク２７Ｅで結合し，それぞれのグループをガイドベーン操作モータ２８で個別に操作することもできる。
【００２４】
２９は補助ガイドベーンで，図３に示すようにガイドベーン２７の開口状態でおおむねその延長線上に位置し，フレーム端板１１Ａ，１１Ｂに固定されている。ガイドベーン２７及び補助ガイドベーン２９を含むフレーム１０とロータ２０とロータ軸２３との集合体を風車ユニット３０と呼称する。本願の発明は，以上に説明した風車ユニット３０を発電装置の風車部分の基本的構成要素としている。なお，図7の先願発明の風車ユニット１００は以上に述べた風車ユニット３０と同じ構造である。
【００２５】
次に，図1及び図6によって本願の風力揚水発電装置のシステムを説明する。図１で風車ユニット３０は5個を同軸に積み重ね，それぞれのロータ軸２３は回転に際して軸心の歪みによる運動抵抗を受けないようにロータ軸フランジ２３Ａで相互に緩やかに結合されている。このような積層状態の風車ユニット３０のグループを本願では風車タンデム３１と呼称する。図６は図１の揚水式の風力発電装置の風車ユニット３０の部分の断面平面図である。
【００２６】
図1では3個の風車タンデム３１が横一列に配列され，上下に連結板３１Ａで相互に連結されて風車タンデム群３２を構成している。したがって，図１の風車タンデム群３２は１５個の風車ユニット３０から構成されている。この数量は各風車タンデム３１ごとの風車ユニット３０の数量を整合した上で任意に選定できる。
【００２７】
図６及び図１に示すように風車タンデム群３２の各風車タンデム３１は若干の間隔を隔てて配列され，その間隙は図6に示すように装置間ガイドベーン３１Ｂにて固定的に仕切られている。なお，図７の先願発明の装置間ガイドベーン１０６はここに述べた装置間ガイドベーン３１Ｂと同じ構造である。
【００２８】
図６でよく分かるように示されているが，補助ガイドベーン２９の一部には一端に設けられたノード２９Ａによってヒンジ結合された回動式の次補助ガイドベーン３１Ｃを装着している。次補助ガイドベーン３１Ｃは，補助ガイドベーン２９が単独のときよりも通常の風速状態では風上の気流(矢印Ｆ)に対して集風効果を高め，風下の気流に対してディフューザ効果を高めるものである。ただ，この次補助ガイドベーン３１Ｃは風車ユニット３０より張り出した構造のために機械的強度が脆弱になりがちで，強風に耐えられないので，強風時には専用の操作手段でノード２９Ａを中心に軌跡３１Ｄのように回動させ，補助ガイドベーン２９に沿うように折りたたまれる。この専用の操作手段はガイドベーンの操作機構（図2の２８等）と類似の電動操作方式などによる構造であり，記載は省略する。なお，次補助ガイドベーン３１Ｃは機能改善の要件であるが，必須の要件ではない。
【００２９】
図１に戻って風力揚水発電装置のその他の部分を説明する。風車タンデム群３２は複数の支柱１３によって基礎１４上に支持されている。基礎１４は１４Ａを水面とする水中に沈設されている。また，上部の連結板３１Ａの上には水槽３３が3個の風車タンデム３１に共通的に設置されている。ポンプ３８は揚水のために水面１４Ａ以下の位置に設置されている。海洋上などのように水域が大きい場合は，風車タンデム群３２は水域上に設置されるが，小容量の水を循環させて使用する場合は，図１に示す基礎１４のようにポンプ３８は後に述べる排水管４５と連通した貯水槽に設置される。
【００３０】
各風車タンデム３１の最下段の風車ユニット３０の下端のロータ軸フランジ２３Ａには補助発電機３４が接続され，さらに下方にはクラッチ３４Ａを経て速度調整機３５が同軸に接続されている。補助発電機３４及び速度調整機３５はカバー３６で遮蔽されたナセル３７に収納されている。
【００３１】
各風車タンデム３１それぞれのナセル３７内に設けられた速度調整機３５の出力側の延長軸３５Ａは，さらに下方の水中に伸びて回転型のポンプ３８を駆動するように接続されている。さらに，ポンプ３８の吐出側は揚水管／Ａ３９，逆止め弁４０，揚水管／Ｂ４１を経て水槽３３に接続されている。
【００３２】
水槽３３には放水管４２，制御弁４３を経て装置の下方に設置された水車４４が接続され，水車４４の排水管４５は開放水域に導出されている。水車４４の回転部は軸受け４６に軸支され，フライホイール４７と主発電機４８が接続されている。
【００３３】
次に，以上に述べた風力揚水発電装置の動作を説明する。図３の風車ユニット３０の通風路の開口状態において，左側を風上とし，気流を矢印Ｆ１ないしＦ７とする。気流Ｆ１は補助ガイドベーン２９に衝突し，矢印Ｆ１Ａで示すように一部は装置内に，他は装置外に流れる。気流Ｆ２及びＦ３はガイドベーン２７に衝突し，Ｆ１Ａの一部と合体して気流Ｆ８となってバケット２２の凹面に作用し，ロータ２０を回転させる。気流Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６はＦ９に集合してバケット２２の凹面に作用しロータ２０を回転させる主力となる。気流Ｆ７は補助ガイドベーン２９に衝突し，矢印Ｆ７Ａで示すように一部は装置内に進行して気流Ｆ１０となり，同様にロータ２０を回転させ，残部は装置外に流れる。ロータ２０は風向に関係なく矢印「Ｒ」の方向に回転する。
【００３４】
ロータ２０を回転させた気流Ｆ８，Ｆ９，Ｆ１０は，気流Ｆ１１，Ｆ１２となって風下側に排出される。ガイドベーン２７及び補助ガイドベーン２９の配置は風下側が広がっているので排気の風圧が低下し，排出を容易とするディフューザ効果を生む。なお，バケット２２に作用した気流の一部はロータ軸２３の周辺に設けられた隙間を通って反対側のバケット２２の凹側に作用し，ロータ２０のトルクを補足するサボニウス風車特有の効果を発揮する。
【００３５】
このように，ガイドベーン２７及び補助ガイドベーン２９の存在は，集風してバケット２２の凹面に作用する順風の実効風速を高め，バケット２２の凸面に作用する逆風をカットし，排気に対してディフューザ効果を発揮してロータ２０の順風トルクを増加させ，逆風トルクを削減する。なお，補助ガイドベーン２９は，ガイドベーン２７単独の場合に比較してこれらの機能を強化するものであって，ガイドベーン２７単独であってもそれなりの機能を発揮する。また，次補助ガイドベーン３１Ｃは補助ガイドベーン２９より外へ張り出していて受風面積を増し，集風機能を更に高めるものである。
【００３６】
風速が強くなり，ロータ２０やポンプ３８などの装置が破壊される恐れがある場合，又は発電機（補助発電機３４，主発電機４８）がそのエネルギーを吸収しきれない場合には，図４に示すようにガイドベーン２７がロータ２０の周囲を閉鎖する。この動作は，ガイドベーン操作モータ２８によってガイドベーン操作板２７Ｃを回動させ，ガイドベーン操作リンク２７Ｅによってすべてのガイドベーン操作板２７Ｄを連動して回動させて行う。
【００３７】
図1においてロータ２０の回転はロータ軸２３を経て下方に伝えられ，補助発電機３４を回転させる。微風状態ではクラッチ３４Ａが開放されていて，補助発電機３４が単独で直接電力を発生する。風速が一定値を超えて十分な場合は，クラッチ３４Ａを結合し，速度調整機３５を作動させ，さらに延長軸３５Ａを経由してポンプ３８を作動させて揚水を行う。その際に補助発電機３４は電力を発生させるか，させないか，任意に選択できる。
【００３８】
ポンプ３８の作動によって，水は揚水管／Ａ３９，逆止め弁４０，揚水管／Ｂ４１によって水槽３３に揚水され，風力エネルギーは水の位置エネルギーに変換される。揚水の過程で風力が衰えてポンプ３８の回転速度が低下した場合，揚水途上の揚水管／Ｂ４１内の水は逆止め弁４０で落下しないようにしている。
【００３９】
水槽33の水位がある程度上昇すると放水が開始される。放水は放水管４２の下方，水車４４の直上方に設けられた制御弁４３を開放してなされる。放水は水車４４を回転させて水の持つ位置エネルギーを運動エネルギーに変換し，排水管４５を経て開放水域に放出される。
【００４０】
水車４４の回転で主発電機４８を運転する。フライホイール４７は主発電機４８の回転速度変動を抑制するために設けられている。主発電機４８の回転速度及び出力の調整は制御弁４３を制御する。
【００４１】
図6に示す装置間ガイドベーン３１Ｂは，前述の図3による動作説明で，気流Ｆ１Ａ及びＦ７Ａの装置外へ流れる部分に対してこれを阻止し，強制的にロータ２０の側に向かわせてロータ２０の回転力を高める作用をする。
【００４２】
補助発電機３４を設置する理由は，風速が微弱なときにポンプ３８で直接揚水すると，ポンプ３８のエネルギーロスのために全く揚水しないことがあるので，そのような微弱な風力エネルギーさえ電力に変換して有効に利用しょうとするものである。したがって，補助発電機３４の存在は絶対条件ではない。
【００４３】
ポンプ３８は揚水目的に使用されるので，その回転数は風まかせで精密な制御を必要とせず，風速に応じて定まるロータ軸２３の回転速度を速度調整機３５で調整し，ポンプ３８の回転維持に必要なトルクを発生するだけでよい。すなわち，風速が低い場合は延長軸３５Ａの回転を減速し，ポンプ３８のトルクを増やして，ポンプが低速でも停止することなく回転し，僅かでも揚水できるようにする。また，風速が高い場合は延長軸３５Ａの回転を増速して効率よく揚水してもよい。
【００４４】
水槽３３への揚水により量的に不安定な風力エネルギーを一時的に貯蔵して変動を抑制するとともに，発電機の速度制御を容易とする。また，発電機は回転速度が風車発電機よりも高い水車発電機を使用でき，装置が小型化できる。
【００４５】
さらに，本願の風車タンデム３１又は風車タンデム群３２の構成は水槽３３の高所設置を容易にする構造となっている。また，風車タンデム群３２とする場合は，水槽３３，水車４４及び主発電機４８を集約できる。
【００４６】
なお，本願は水をエネルギー変換の媒体とするものであるから，最近の風力発電の洋上設置の傾向は本願システムにとって好都合である。しかし，設置場所としては洋上に限定するものではなく，湖上や池沼上であってもよい。また，図１では装置は水中に沈設された基礎１４上に設置されるとしたが，基礎１４に代えて装置を浮体上に設置し，ポンプ３８を水中に設けるようにしてもよい。
さらに，本装置を陸上に設置して小容量の水を循環させて使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による風力揚水発電装置の側面図
【図２】図１の風車ユニットの側面図
【図３】風車ユニットの断面平面図で，ガイドベーンの開口状態
【図４】風車ユニットの断面平面図で，ガイドベーンの閉鎖状態
【図５】ロータに設けられた爪と爪車（方向性回転運動伝達機構）の平面図
【図６】図1の風力揚水発電装置の風車ユニット部分の断面平面図
【図７】先願の縦軸型風力発電装置
【符号の説明】
１０ フレーム，１１Ａ・１１Ｂ フレーム端板，１２ スペーサ，１３ 支柱，１４ 基礎，１４Ａ 水面， ２０ ロータ，２１Ａ・２１Ｂ ロータ端板，２２バケット，２３ ロータ軸， ２３Ａ ロータ軸フランジ，２５ 爪，２６ 爪車，（２５・２６ 方向性回転運動伝達機構）， ２７ ガイドベーン，２７Ａ ガイドベーン軸，２７Ｃ・２７Ｄ ガイドベーン操作板，２９ 補助ガイドベーン，３０ 風車ユニット，３１ 風車タンデム，３１Ｂ 装置間ガイドベーン，３２ 風車タンデム群，３３ 水槽，３４ 補助発電機，３５ 速度調整機，３５Ａ 延長軸，３８ ポンプ，３９ 揚水管／Ａ，４０ 逆止め弁，４１ 揚水管／Ｂ，４２ 放水管，４３ 制御弁，４４ 水車，４５ 排水管，４６ 軸受け，４７ フライホイール，４８ 主発電機
Claims (3)
- 鉛直な中心軸をもち，間隔を隔てて同軸に保持される上下一対のフレーム端板よりなるフレームにロータ軸を前記中心軸上に回転自在に装着し，間隔を隔てて同軸に配置された一対の円盤状のロータ端板の間に山型又は円弧状に湾曲した複数個のバケットを湾曲方向を揃えて前記ロータ端板の中心軸に対して等しい角度間隔となるように分散して装着されたロータを前記ロータ軸に回転自在に貫挿し，前記ロータと前記ロータ軸間は前記ロータの一定方向の回転運動を前記ロータ軸に伝達するが前記ロータ軸の前記一定方向の回転運動は前記ロータに伝達しない方向性回転運動伝達機構で連結し，円弧状に湾曲した板で構成され，一端に装着されたガイドベーン軸によって前記フレーム端板の前記ロータの外側直近部分に等角度間隔で回動自在に支承される複数のガイドベーンを備え，装置の閉鎖状態では前記ガイドベーンが前記ロータの外周を遮蔽し，装置の開口状態では前記ガイドベーンの各々が閉鎖状態より一定の角度まで回動して前記ロータの通風口を開くように前記ガイドベーンを回動操作するガイドベーン操作機構と，開口状態の前記ガイドベーンの外端に一端が接近し，開口状態の前記ガイドベーンを延長する方向に板状の補助ガイドベーンを前記フレーム端板に装着して風車ユニットを構成し，前記風車ユニットの複数個を同軸に積み重ね，かつ，それぞれの前記風車ユニットの前記ロータ軸を連結して風車タンデムを構成し，前記風車タンデムは支持部材により水域上に固定され，水中にあって前記ロータ軸の下端に同軸に装着された延長軸によって駆動されるポンプと，前記風車タンデムの頂上に設けられた水槽と，前記風車タンデムの比較的下方に設けられた水車と，前記水車により駆動される主発電機と，前記ポンプと前記水槽とを接続する揚水管と，前記水槽と前記水車を接続する放水管と，前記水車から開放水域に至る排水管とにより構成されたことを特徴とする風力揚水発電装置
- 鉛直な中心軸をもち，間隔を隔てて同軸に保持される上下一対のフレーム端板よりなるフレームにロータ軸を前記中心軸上に回転自在に装着し，間隔を隔てて同軸に配置された一対の円盤状のロータ端板の間に山型又は円弧状に湾曲した複数 個のバケットを湾曲方向を揃えて前記ロータ端板の中心軸に対して等しい角度間隔となるように分散して装着されたロータを前記ロータ軸に回転自在に貫挿し，前記ロータと前記ロータ軸間は前記ロータの一定方向の回転運動を前記ロータ軸に伝達するが前記ロータ軸の前記一定方向の回転運動は前記ロータに伝達しない方向性回転運動伝達機構で連結し，円弧状に湾曲した板で構成され，一端に装着されたガイドベーン軸によって前記フレーム端板の前記ロータの外側直近部分に等角度間隔で回動自在に支承される複数のガイドベーンを備え，装置の閉鎖状態では前記ガイドベーンが前記ロータの外周を遮蔽し，装置の開口状態では前記ガイドベーンの各々が閉鎖状態より一定の角度まで回動して前記ロータの通風口を開くように前記ガイドベーンを回動操作するガイドベーン操作機構と，開口状態の前記ガイドベーンの外端に一端が接近し，開口状態の前記ガイドベーンを延長する方向に板状の補助ガイドベーンを前記フレーム端板に装着して風車ユニットを構成し，前記風車ユニットの複数個を同軸に積み重ね，かつ，それぞれの前記風車ユニットの前記ロータ軸を連結して風車タンデムを構成して支持部材により支持され，前記ロータ軸の下端に同軸に装着された延長軸によって駆動されるポンプと，前記風車タンデムの頂上に設けられた水槽と，前記風車タンデムの比較的下方に設けられた水車と，前記水車により駆動される主発電機と，前記ポンプと前記水槽とを接続する揚水管と，前記水槽と前記水車を接続する放水管と，前記水車から開放水域に至る排水管とにより構成されたことを特徴とする風力揚水発電装置
- 前記風車タンデム及び前記延長軸ならびに前記ポンプ及び前記揚水管の集合体の複数基を一列に相互に若干の間隔を隔てて配列し，それぞれの前記風車タンデム相互間には装置間ガイドベーンを設け，前記水槽及び前記水車及び前記主発電機ならびに前記放水管及び前記排水管は前記複数基の集合体に共通に設けることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風力揚水発電装置
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