JP6115743B1 - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】上空高くの安定した風を捉え、高効率、高信頼性、低コストの風力発電システムを提供する。【解決手段】本発明に係る風力発電システムは、地表または地表近傍から伸びる２本のケーブルに支持される揚力体と、この２本のケーブルそれぞれに摺動可能に支持される一対の受風体と、この一対の受風体を繋ぐ発電用ケーブルと、この発電用ケーブルの往復運動により発電を行う発電機と、上記一対の受風体のそれぞれは、受風状態を制御可能であり、一方が受風状態である時には他方は非受風状態に、一方が非受風状態である時には他方は受風状態になるように制御を行う制御機構とを備えたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電システムに関する。

プロペラや風車によって地表近くの風を捉え、電気エネルギーに変換する数々の風力発電システムが既に実用化されている。しかし、年間を通して、安定的に風が強い場所においてしか使用することができないという欠点を有している。また、地表近くでは風向が安定せず、変化する風向に対応してプロペラや風車の向きを変えることが必要であり、それを達成する機構にコストが掛かるという問題点もある。

一方、大空には偏西風等の強く且つ風向の安定した風が常に吹いているため、この大空の風を捉えて発電するシステムの研究も活発に行われている。
例えば、遊泳体本体が空気の流れを受けて遊泳する遊泳体と、遊泳体を支持して制御するとともに、遊泳体の遊泳に応じて発電する機能を有した基地体と、基端が基地体に先端が遊泳体にそれぞれ連結される制御紐とを備え、前記基地体は、制御紐が挿通する制御紐出入管と、制御紐が巻かれる巻上機と、巻上機の軸の回転に応じて発電する発電機と、巻上機を回転させる電動機とを有し、前記遊泳体が基地体から離反することによって巻上機の軸が第１の方向に回転して発電機が発電する発電期間と、巻上機の軸が電動機により第２の方向に回転することによって遊泳体が基地体に接近する電動期間とが交互に繰り返されることを特徴とする発電装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

しかし、遊泳体を引き寄せるために電動機を駆動することが必要である。そのためのエネルギー消費が発電効率を大きく低下させるという課題を有している。

また、ケーブルの両端に揚力制御可能な一対の揚力体を固定し、ケーブルの中央付近を地上に置いた発電装置のローターに取り付け、一対の揚力体の一方が上昇している間は他方が下降し、一方が下降している間は他方が上昇するように、一対の揚力体を制御することでケーブルに往復運動させて発電するシステムも提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００８−９５５１７ 特開平４−２３７８７７

特許文献２のシステムにおいては、大空高くの風を利用可能であり、場所を選ぶことなく高効率な発電ができる。
しかし、一対の揚力体の上下動を確実に制御しなければならず、そのため、揚力体は複雑で高価な浮遊姿勢の制御機構が必要である。
また、突然の突風や急な風向きの変化が生じた際には、姿勢制御が不能に陥る場合があり、揚力体が地上に落下したり、揚力体同士が絡まったりする危険性がある。仮に高所より命綱を揚力体に結び付けていたとしても、落下時には、命綱からの大きな反力が衝撃として揚力体に掛かる。このような大きな衝撃は、揚力体にダメージを与え、複雑な浮遊姿勢の制御機構を壊したり、異常をきたすことがある。

さらに、揚力体は、複雑な浮遊姿勢の制御が必要であるため、十分に風を受けることには制限があり、姿勢の制御を優先せざるおえない。したがって、発電効率を高めることに制限がある。
本発明は、大空高くの風を利用可能であるとともに、上記の課題を解決した風力発電システムを提供するものである。

本発明の請求項１に係る風力発電システムは、
地表または地表近傍、あるいは、洋上または洋上近傍から伸びる２本のケーブルに支持される揚力体と、
この２本のケーブルそれぞれに摺動可能に支持される一対の受風体と、
この一対の受風体を繋ぐ発電用ケーブルと、
この発電用ケーブルの往復運動により発電を行う発電機と、
上記一対の受風体のそれぞれは、受風状態を制御可能であり、一方が受風状態である時には他方は非受風状態に、一方が非受風状態である時には他方は受風状態になるように制御を行う制御機構とを備えたものである。

本発明の請求項２に係る風力発電システムは、上記一対のそれぞれの受風体は、風をうけるための受風部を有し、この受風部の開閉により受風状態を制御することを特徴とする。

本発明の請求項３に係る風力発電システムは、上記２本のケーブルそれぞれが、上記一対のそれぞれの受風体の下方位置、または／および上方位置を制限するリミッターを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項４に係る風力発電システムは、上記揚力体が姿勢制御機構を備えたことを特徴とする。

揚力体等を用いて、空高くの風向の安定した強い風を利用する発電システムは、発電の高効率化、発電システム設置場所の自由度向上といった大きな特長を持っている。しかし、未だに実用に至っていない。その要因は、技術的難易度が高すぎるために、製造歩留まりが得られない、あるいは長期的な信頼性が改善できないといったものである。あるいは、十分な発電効率が得られない場合もある。

本発明は、こういった現状の課題を勘案してなされたものであり、数多くの優れた特長を有している。これらの優れた特長に関して、以下に順に説明する。

第一に、高い発電効率を達成できるポテンシャルを有していることである。これには、２つの理由がある。
ひとつは、上述したように、空高くの風向の安定した強い風を利用できることである。
もうひとつは、揚力体に引っ張られ、空中高くまで浮遊する２本のケーブルの存在である。一対の受風体それぞれは、２本のケーブルをガイドとして、すなわち、空中に浮遊する「浮遊レール」として、それに沿って上下動する。したがって、受風体は姿勢制御を全く必要とせず、ただ、風を効率良く受けることができる機能を満足すればよい。そのため、容易に風を最大限に受ける構造にすることが可能である。

第二に、信頼性の高い発電システムである。
揚力体を空中に浮遊させるための姿勢制御は、ほぼ確立された技術を利用できる。特許文献１や２のシステムでは、揚力体を上下動させることが必要であったため、高度な姿勢制御が必要である。一方、本発明における揚力体においては、空中に安定に浮遊させれば良いだけであり、したがって、突風や風向きの急変にも対応が容易である。

また、受風体は姿勢制御を全く必要とせず、受風状態と非受風状態の切り替えだけを行えば良い。例えば、傘状体の開閉だけを行えば良く、シンプルな構造で機能を達成できるため、長期的な信頼性も得られやすい。
その上、突風等によっても、一対の受風体同士が互いに衝突したり、落下することもない。

第三に、低コストでの製造が可能である。
これは、上述した第二の特長と関連するが、揚力体や受風体はシンプルな構造で良く、またそれらの制御も容易であるため、部品コストも低廉で、歩留まりが高い製造が可能である。

第四に、設置場所を選ばない。
大空の風を捉えるため、地表近くの風が弱い地域でも設置できる。
また、落下リスク等がほとんどないため、街中のビルの屋上等にも設置できる。
本発明に係る発電システムは、洋上での使用にも適している。例えば、船舶等で使用する場合、高波で船舶等が大きく揺れた場合であっても、安定して使用できる。姿勢制御機構を船舶等に接地し、揚力体の姿勢制御を行う際には、姿勢制御機構が揺れるために、通常は姿勢制御が困難になる。しかし、上述したように、揚力体は空中に安定に浮遊させれば良いだけであり、姿勢制御機構が大きく揺れている状態でも、比較的容易に揚力体の制御を行うことができる。

本発明に係る発電システムの全体模式図である。 本発明に係る発電システムの全体模式図である。 本発明に係る発電システムの動作フローの一例を説明するフロー図である。 本発明に係る発電システムに使用する発電機の別の一例である。 本発明に係る発電システムの別の一例の部分図である。

実施の形態１．
本発明に係る発電システムの構成および動作等に関して、以下において、図面を用いて説明する。なお、以下の説明は本発明に関する良好な一例を開示するものであり、本発明が当該実施の形態に限定されるものではない。

＜構成＞
まず、図１を用いて、発電システムの構成について説明する。図１は、発電システムの全体模式図である。

発電システムは、地上だけではなく洋上でも使用可能なシステムであり、地表または地表近傍、あるいは、洋上または洋上近傍から伸びる２本のケーブル２ａ、２ｂに支持される揚力体１と、この２本のケーブル２ａ、２ｂそれぞれに摺動可能に支持される一対の受風体４ａ、４ｂと、この一対の受風体４ａ、４ｂを繋ぐ発電用ケーブル６と、この発電用ケーブル６の往復運動により発電を行う発電機７と、上記一対の受風体４ａ、４ｂのそれぞれは、受風状態を制御可能であり、一方が受風状態である時には他方は非受風状態に、一方が非受風状態である時には他方は受風状態になるように制御を行う制御機構とを備えたものである。
なお、後述するが、揚力体１を支持するケーブルは２本に限定されるわけではなく、さらに多くの本数であっても良い。また、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれは、少なくとも各１本のケーブルに摺動可能に支持されれば良く、それぞれが２本、４本等のケーブルに支持されても良い。したがって、上記における「２本のケーブル」という表現は、「２組のケーブル」と同じ意である。

揚力体１は、例えば、凧やパラグライダーであり、風を揚力として浮遊するものである。揚力体１は、風の強さや風向の変化に対応し、安定な浮遊状態を維持するための姿勢制御機構３ａ、３ｂを備えていることが望ましい。姿勢制御機構３ａ、３ｂは、地表または地表近傍の建造物に接地され、２本のケーブル２ａ、２ｂや揚力体１に設けられた可動部を操作することにより、揚力体１の姿勢制御を行う。姿勢制御の方法は、例えば、特許文献１に開示された方法等であり、既存の制御方法を用いれば良い。

一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれは、受風状態を制御可能であり、一方が受風状態である時には他方は非受風状態に、一方が非受風状態である時には他方は受風状態になるように制御を行う制御機構を有している。
受風体４ａ、４ｂは、例えば、傘状、あるいはパラシュート状のものであり、風を受けるための受風部を有し、それを開閉することにより、風を受けやすい受風状態になったり、風を受けにくい非受風状態になったりする。

受風体４ａ、４ｂを制御するための制御機構は、例えば、地上に接地すれば良く、無線や有線で受風体４ａ、４ｂと通信し、開閉等の動作を制御する。受風体４ａ、４ｂの基本動作は、一方が受風状態のときは他方が非受風状態になり、一方が非受風状態のときは他方が受風状態になる。そして、これを交互に繰り返す。

一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれは、２本のケーブル２ａ、２ｂそれぞれに摺動可能に支持されている。例えば、図１に示すように、２本のケーブル２ａ、２ｂそれぞれに沿って上下するリング５ａ、５ｂを介して、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれが支持される。
このように、２本のケーブル２ａ、２ｂは、揚力体１を支持するとともに、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれをガイドするレールとしての役割も持つ。すなわち、空中に浮遊する「浮遊レール」としての役割を有している。

また、２本のケーブル２ａ、２ｂにリミッター９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂを設けても良い。
リミッター９ａ、９ｂは、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれの下方位置を制限するためのものである。リミッター９ａ、９ｂを設けることで、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれが、地表や地表近くにある建造物等に接触することを防止し、且つ、常に風を受けやすい最小高度を維持することができる。
リミッター１０ａ、１０ｂは、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれの上方位置を制限するためのものである。リミッター１０ａ、１０ｂを設けることで、一対の受風体４ａ、４ｂそれぞれが、揚力体１に接触することを防止できる。

前述したように、受風体４ａ、４ｂの一方が受風状態のときには他方が非受風状態になり、一方が非受風状態のときには他方が受風状態になるが、リミッター９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂは、この２つの状態を切り替える際のトリガ―として機能させることもできる。
例えば、リミッター１０ａ、１０ｂそれぞれに、接触型または非接触型のセンサーを設け、リング５ａ、５ｂが、リミッターに接触したことをセンサーで検知し、その信号に基づいて、２つの状態を切り替えることも可能である。

＜動作＞
次に、図１から図３を用いて、発電システムの動作について説明する。
まず、図１に示すように、受風体４ａが受風状態で、受風体４ｂが非受風状態の時には、受風体４ａが風を受けて上昇する。これにより、発電用ケーブル６が発電機７のローター８を回転させることで、電力が生み出される。

そして、受風体４ａが揚力体１近くまで上昇すると、受風体４ａ、４ｂを制御するための制御機構は、受風体４ａを非受風状態に、受風体４ｂを受風状態にする切り替え制御を行う。切り替え後は、図２に示すように、受風体４ｂが風を受けて上昇する。これにより、発電用ケーブル６が発電機７のローター８を逆に回転させることで、電力が生み出される。
以上のように、一対の受風体４ａ、４ｂが上下動を繰り返すことで、発電用ケーブル６が往復運動を行い、発電機７のローター８を往復回転させることで電力が得られる。

図３の動作フロー図を用いて、発電システムの動作例をさらに具体的に説明する。
発電を開始する際には、揚力体１の姿勢制御を行い、揚力体１を安定に大空高く浮遊させる（Ｆ１）。
次に、受風体４ａを受風状態に、受風体４ｂを非受風状態にする（Ｆ２）。

受風体４ａの位置をセンサー等で監視し（Ｆ３）、受風体４ａが上限位置に達していない時は監視を続け、上限位置に達した際には、次の動作に移行する（Ｆ４）。
次の動作は、受風体４ａを非受風状態に、受風体４ｂを受風状態にする切り替え動作である（Ｆ５）。
受風体４ｂの位置をセンサー等で監視し（Ｆ６）、受風体４ｂが上限位置に達していない時は監視を続け、上限位置に達した際には、次の動作に移行する（Ｆ７）。

次の動作は、受風体４ａを受風状態に、受風体４ｂを非受風状態にする切り替え動作である（Ｆ２）。
以上のように、Ｆ２からＦ７の動作が繰り返されることで、電力が得られる。

なお、Ｆ３では、受風体４ａが上限位置に達しているかを監視したが、その代わりに、受風体４ｂが下限位置に達しているかを監視しても良い。Ｆ６についても同様である。

また、Ｆ３やＦ６の動作は、上述したように、受風体４ａ、４ｂとリミッター９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂとの接触を監視することでも良いし、あるいは、発電用ケーブル６の位置や、ローター８の回転位置を監視することでも良い。

さらに、本実施の形態においては、揚力体１が２本のケーブル２ａ、２ｂによって支持されるケースを説明したが、揚力体１は４本、６本等、多くのケーブルに支持されても良い。図５は、支持するケーブルが４本の場合の一例である。２本のケーブル２０ａは、受風体４ａの「浮遊レール」として使用することができる。同様に、２本のケーブル２０ｂは、受風体４ｂの「浮遊レール」として使用することができる。このように複数のケーブルの組を「浮遊レール」として使用することで、受風体をより安定にガイドすることが可能となる。

＜その他の構成＞
上述した発電システムの構成は良好な一例であり、発明の本質が大きく変わらない範囲で異なる構成であっても良い。
例えば、発電機７およびローター８の構成は、図４に示す構成であっても良い。

＜本発明のまとめ＞
揚力体等を用いて、空高くの風向の安定した強い風を利用する発電システムは、発電の高効率化、発電システム設置場所の自由度向上といった大きな特長を持っている。しかし、未だに実用に至っていない。その要因は、技術的難易度が高すぎるために、製造歩留まりが得られない、あるいは長期的な信頼性が改善できないといったものである。あるいは、十分な発電効率が得られない場合もある。

本発明は、こういった現状の課題を勘案してなされたものであり、数多くの優れた特長を有している。これらの優れた特長に関して、以下に順に説明する。

第一に、高い発電効率を達成できるポテンシャルを有していることである。これには、２つの理由がある。
ひとつは、上述したように、空高くの風向の安定した強い風を利用できることである。
もうひとつは、揚力体に引っ張られ、空中高くまで浮遊する２本のケーブルの存在である。一対の受風体それぞれは、２本のケーブルをガイドとして、すなわち、空中に浮遊する「浮遊レール」として、それに沿って上下動する。したがって、受風体は姿勢制御を全く必要とせず、ただ、風を効率良く受けることができる機能を満足すればよい。そのため、容易に風を最大限に受ける構造にすることが可能である。

第二に、信頼性の高い発電システムである。
揚力体を空中に浮遊させるための姿勢制御は、ほぼ確立された技術を利用できる。特許文献１や２のシステムでは、揚力体を上下動させることが必要であったため、高度な姿勢制御が必要である。一方、本発明における揚力体においては、空中に安定に浮遊させれば良いだけであり、したがって、突風や風向きの急変にも対応が容易である。

また、受風体は姿勢制御を全く必要とせず、受風状態と非受風状態の切り替えだけを行えば良い。例えば、傘状体の開閉だけを行えば良く、シンプルな構造で機能を達成できるため、長期的な信頼性も得られやすい。
その上、突風等によっても、一対の受風体同士が互いに衝突したり、落下することもない。

第三に、低コストでの製造が可能である。
これは、上述した第二の特長と関連するが、揚力体や受風体はシンプルな構造で良く、またそれらの制御も容易であるため、部品コストも低廉で、歩留まりが高い製造が可能である。

第四に、設置場所を選ばない。
大空の風を捉えるため、地表近くの風が弱い地域でも設置できる。
また、落下リスク等がほとんどないため、街中のビルの屋上等にも設置できる。
本発明に係る発電システムは、洋上での使用にも適している。例えば、船舶等で使用する場合、高波で船舶等が大きく揺れた場合であっても、安定して使用できる。姿勢制御機構を船舶等に接地し、揚力体の姿勢制御を行う際には、姿勢制御機構が揺れるために、通常は姿勢制御が困難になる。しかし、上述したように、揚力体は空中に安定に浮遊させれば良いだけであり、姿勢制御機構が大きく揺れている状態でも、比較的容易に揚力体の制御を行うことができる。

１ 揚力体
２ａ、２ｂ、２０ａ、２０ｂ 揚力体支持ケーブル（浮遊レール）
３ａ、３ｂ 浮遊体姿勢制御部
４ａ、４ｂ 受風体
５ａ、５ｂ、５０ａ、５０ｂ 受風体支持部
６ 発電用ケーブル
７、７０ 発電機
８、８０ ローター
９ａ、９ｂ リミッター（下方位置制限用）
１０ａ、１０ｂ リミッター（上方位置制限用）

Claims (4)

1. 地表または地表近傍、あるいは、洋上または洋上近傍から伸びる２本のケーブルに支持される揚力体と、
   この２本のケーブルそれぞれに摺動可能に支持される一対の受風体と、
   この一対の受風体を繋ぐ発電用ケーブルと、
   この発電用ケーブルの往復運動により発電を行う発電機と、
   上記一対の受風体のそれぞれは、受風状態を制御可能であり、一方が受風状態である時には他方は非受風状態に、一方が非受風状態である時には他方は受風状態になるように制御を行う制御機構と、
   を備えた風力発電システム。
2. 上記一対のそれぞれの受風体は、風をうけるための受風部を有し、この受風部の開閉により受風状態を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
3. 上記２本のケーブルそれぞれは、上記一対のそれぞれの受風体の下方位置、または／および上方位置を制限するリミッターを備えた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電システム。
4. 上記揚力体は姿勢制御機構を備えた
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風力発電システム。