JP7212325B2 - 流体発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、再生可能エネルギーを利用する発電装置に係り、特に風力と太陽光等の流体を用いた簡素かつ高効率の流体発電装置に関する。

所謂再生可能エネルギーとして利用可能な自然エネルギーには、風力、水力、太陽光や太陽熱、地熱、バイオマス等がある。このような自然エネルギーは一度利用しても比較的短時間に再生が可能であり、石油などの化石燃料に代わるクリーンなエネルギーとして利用されている。特に、風力を用いた発電、太陽光を用いた所謂ソーラー発電は急激に普及が進んでいる。

風力を利用する発電は、一般的には回転する風車で風を受け、それから得た回転力で発電機を回転させることで電力を生成する風車発電装置が知られている。また、太陽光を利用する発電では所謂ソーラーパネルと称する光―電変換装置を用いている。

風力発電分野では、上記した風車を用いるものの他に振り子式と称する発電装置も知られている。例えば、特許文献１に開示された板状の揺動板（ブレード）の揺動運動を用いた発電装置では、横方向に設置した軸に揺動板を固定し、この揺動板が風を受けて往復揺動することによる上記軸の往復回転を、一方向クラッチを介して発電機の軸に伝達するものである。また、この特許文献１にはフライホイールで回転ムラを軽減するとの記載もある。

また、揺動板を用いた風力エネルギーと太陽光エネルギーを併用したものとして、本願の発明者等による特許文献２を挙げることができる。特許文献２は、揺動板の揺動運動を、リニヤ式電磁誘導発電装置（リニア発電機）を構成する電機子の往復運動に変換して発電を行うものを開示している。また、その揺動板の面にソーラーパネルを貼り付けて太陽エネルギーも発電に利用する流体発電装置を開示する。

特開２０１７－２８８５号公報 特許第５９６９１５４号公報

特許文献１に開示の振り子式発電装置は揺動板を懸架する軸に互いに回転反転方向が異なる一対のフライホイールを取り付けて揺動板の往復運動による軸の回転むらを抑制するものである。そのための回転変換装置は複雑な磁力回転構造を用いている。また、発電機軸を揺動板の軸とは別個に設け、かつ一方向クラッチを二個備える、等の複雑な構成としている。

特許文献２に開示のハイブリッド発電装置は、断続的な風力の瞬間発生風力による振り子運動での揺動軸の伝達トルクはリニヤ式電磁誘導発電装置では十分なエネルギー回収はできない。また、ソーラーパネルは夜間や天候次第で発電能力が低下する。このままでは風の状況（風力、風向）、夜間・天候状況に大きく影響され、安定した電力を得ることは難しい。

大規模な風力発電装置やメガソーラー発電施設などと異なり、振り子式の発電装置は簡易かつ安全な発電手段として小規模事業所や一般家庭の電源として有効である。しかしながら、上記したように、現時点では解決すべき課題は多く普及の妨げとなっている。

本発明は、上記従来技術の課題を解決することにあり、振り子式にソーラーパネルを併用することで昼間の電力生成量を増加させると共に、揺動板の形状を改良してどの方向からの風でも揺動運動が効率よく行われることを可能とした。これにより、発電装置の設置位置（発電サイト）を風向が統計的に大きい位置に固定したままで風力を効率よく利用でき、また降雪地帯では積雪の反射光も積極的に利用できることで、ソーラー発電の効率も向上できるようにした。さらに、フライホイール及びバッテリにエネルギーを蓄積することで風力あるいは太陽光エネルギーが低下したときにフライホイールの回転数をバッテリの補助で上昇させることができる。

上記目的を達成するための本発明の代表的な構成を下記する。なお、この項目では、本発明の理解を容易にするため、各構成要件に対応する実施例における符号を付記する。

本発明は、風力から得た回転エネルギーで発電機回転軸１１を回転させ電力を発生させるための揺動板（揺動ブレード）１と太陽光を電気エネルギーに変換するソーラーパネル１０との協働で電力を生成する流体発電装置であり、以下の構成としたことを特徴とする。

（１）機枠４と、機枠の横方向に装架した揺動軸（揺動回転軸とも称する）２と、前方風受け面１ｆと後方風受け面１ｇを有し、前記揺動軸２に上方縁を固定して懸垂して当該揺動回転軸の周りに往復揺動を行う揺動ブレード１と、前記揺動回転軸２で回転される発電機６と、前記揺動回転軸２と前記発電機６との間に設置されて前記揺動回転軸２の往復動回転を一方向回転に変換して前記発電機回転軸１１に接続する回転変換器３と、前記発電機回転軸１１に固定されて回転するフライホイール５と、前記揺動ブレード１の前方風受け面１ｆと後方風受け面１ｇの双方又は一方に貼り付けた表面ソーラーパネル１０ａ及び／又は裏面ソーラーパネル１０ｂとを有する。

（２）前記（１）における揺動板１は横断面が前方風受け面側に凸のアーク形状とした。

（３）前記（２）における揺動板１は縦方向の側縁から中央部にかけた横方向断面の厚みが漸次小さい翼形状とした。

（４）前記（１）の揺動板１の横断面の両側端縁は前方風受け面側に弓弦形状（凹）で、後方風受け面側は平面とした。

（５）前記（４）の揺動板１は縦方向の側縁から中央部にかけた横方向断面の厚みが漸次小さい翼形状とした。

（６）前記（１）乃至（５）の揺動板１の前方面及び後方面に、通過する空気流に乱流を与える多数の微小凸部（突状部）１２ａをランダムに形成した。この微小凸部はソーラー基板の表面に透明樹脂などをスポット的に滴下し、硬化させて形成することができる。これにより、揺動板の表面を高速に通過する空気流に発生する乱流やボルテックス等を回避して揺動板の震度王などを抑制する。

（７）前記（１）乃至（５）の揺動板１の前方面及び後方面に、通過する空気流に乱流を与える多数の微小凹部１２ｂをランダムに形成した。この微小凹部１２ｂはソーラーパネルの表面基板に予めディンプル状に形成することで得ることができる。

（８）前記発電機は電動機として動作する電動発電機（ＭＧ）であり、発電した電力を貯蔵するバッテリ２３を備え、このバッテリの電力で前記電動発電機が前記フライホイールを回転可能とした。

なお、本発明は上記の構成及び後述する実施例に記載される構成で限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明に係る流体発電装置は、振り子式発電装置にソーラーパネルを併用すると共に、揺動板の形状を改良してどの方向からの風でも揺動運動が効率よく行われることが可能である。また、揺動板の設置位置を、年間の風向が統計的に大きい位置に固定したままで、風向が変化しても風力を効率よく利用できる。さらに、降雪地帯では背面のソーラーパネルが積雪からの反射光を利用して発電効率を向上させることができる。

揺動板の形状を航空機などの翼形状の類似としたことで、揺動板の揚力効果が向上する。また、表面に微小な凹部または凸部を形成することで、空気流の乱流による揚力低下を低減して効率よく揺動させることができる。

発電機の回転と共に回転するフライホイールの回転数が十分でないとき（始動時、無風時など）、フライホイールに回転状況を検出するセンサを設け、設定値以下の回転を検出したときに発電機を電動機モードとしてバッテリからの電力でフライホイールを所定回転数まで回転させる。これにより、バッテリだけでなく、フライホイールによるエネルギー貯蔵を確保でき、間欠揺動する揺動板による発電ムラを低減できる。

本発明に係る流体発電装置の第1実施例の全体構成の説明図。 図１における揺動板の作用の説明図。 図２のＢ－Ｂ線に沿った断面図。 図２の矢印Ｃから視た揺動板の上面図。 本発明に係る流体発電装置の第２実施例に用いる揺動板の説明図。 本発明に係る流体発電装置の第３実施例に用いる揺動板の説明図。 本発明に係る流体発電装置の第４実施例に用いる揺動板の説明図。 図１における回転変換器の構成例の説明図。 本発明に係る流体発電装置の第５実施例の全体構成の説明図。 本発明に係る流体発電装置の制御系を説明するブロック図。

以下、本発明に係る流体発電装置の実施の形態について実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明に係る流体発電装置の第1実施例の全体構成の説明図である。図２は図１における揺動板の作用の説明図、図３は図２のＢ－Ｂ線に沿った断面図、図４は図２の矢印Ｃから視た揺動板の上面図である。この発電機は地面等（発電機設置場所）に基礎１４で設置された機枠４に組み込まれ、南側を前方として設置するものとして説明する。機枠４は強風にも耐えられるように鉄パイプを好適とする強靭な材料で組み立てられている。この機枠４の中央領域で横方向（水平方向）に装架した揺動軸２に揺動板（風受け板、ブレードとも称する）１が固定されている。

揺動板１は、前方風受け面１ｆと後方風受け面１ｇを有し、前記揺動軸２に上方縁に設けられた上部カバー１ａを固定して懸垂され、当該揺動軸２の周りに往復揺動を行う揺動板１と、前記揺動軸２から伝達される回転力で回転される発電機６と、前記揺動軸２と前記発電機６との間に設置されて前記揺動軸２の往復動回転（往復揺動）を一方向回転に変換して発電機回転軸１１に接続する回転変換器３からなる。

揺動板１の往復運動からシャフト回転運動へ変換に於いて、安定した発電量を得るには発電機につながるシャフトを増速する必要がある。そのため往復運動を一方向回転運動に変換する回転変換器３に、増速ギアを設けることができる。また、発電機回転軸１１に固定されて回転するフライホイール５が設けられている。フライホイール５は、風が強いときの瞬間的な高いエネルギーを保存することができ、蓄積されたエネルギーは必要に応じ回転を増速することができるため、風力エネルギーを平均化する効果がある。フライホイール５の容量は、設置場所の風力データ、発電機の必要トルク等を勘案して決定される。
そして、揺動板１の前方風受け面１ｆと後方風受け面１ｇの双方又は一方に、前方ソーラーパネル１０ａと後方ソーラーパネル１０ｂが貼り付けられている。なお、Ｘ－Ｘは横方向（水平方向）、Ｙ－Ｙは垂直方向（縦方向）、図５と図６に示されたＺ－Ｚは前後方向を示す。

揺動板１の横断面（水平方向断面）は、表面風受け面側に凸のアーク形状としてある（図１乃至図３参照）。図２に示したように、この揺動板１に対して大まかに４方向からの風が到来すると考えることができる。これらの風は、揺動板１の前方で範囲がＷ１で示した方向から到来する前方風、揺動板１の後方で範囲がＷ２で示した方向から到来する後方風、揺動板１の右側方で範囲がＷ３で示した方向から到来する右方風、揺動板１の左側方で範囲がＷ４で示した方向から到来する左方風、の４方向で示すことができる。

自然に地上に吹く風は常に一方向からとは決まっておらず、季節、気圧配置、地形、建造物や樹林などの周囲環境などで常に変化している。回転翼を用いる風車発電では、風向きセンサで風向を検出し、回転翼の向きをその風向きに向ける制御を行っているものが多い。しかしながら、小規模の発電装置に風向対応機構を付与することは構成を複雑とし、コスト高を招く。特に、揺動板を利用する簡易な発電装置では、できるだけ簡単な構造とすることが要求される。

本実施例に係る揺動板１は、図２に示したように、周囲３６０度の何れの方向からの風にも対応できるようにしたことで、揺動板の向きを風向きに対抗することなく好適に発電を行うことができるようにしたものである。もっとも、揺動板１が効率よく風力を受ける方向は図２の前方風Ｗ１と後方風Ｗ２である。図２に揺動板１の前方風受け面１ｆ、後方風受け面１ｇの主要領域を示した。なお、図２にはソーラーパネルの図示は省略してある。

また、図２に示した右方風Ｗ３と左方風Ｗ４のうちの真横近辺の風に対しては、揺動板１の横断面を弧状（弓弦形（アーク形状））として航空機の翼と同様の原理を用いた揚力を利用することで、単なる平板状の揺動板と比べて横方向からの風に対して格段に効率のよい揺動運動を得ることができる。右方風Ｗ３と左方風Ｗ４の前方領域側の風は主として前方風受け面１ｆに作用し、右方風Ｗ３と左方風Ｗ４の後方領域側の風は主として後方風受け面１ｇに作用する。

図３は図２に示した揺動板１のＢ－Ｂ線断面を示す。また、図４は図２の→Ｃ方向から視た上面図である。揺動板１は横断面が弧状で揺動板１ｂの上部を覆って上部カバー１ａが取り付けられている。この上部カバー１ａは後方から到来する風が上方に抜け去って揺動板１にかかる風圧が低減するのを回避する作用を持つ。この上部カバーに揺動軸２が固定されており、揺動板１が揺動軸２に懸垂した状態で前後に揺動するようになっている。

揺動板１の前方と後方の各表面には、それぞれ前方ソーラーパネル１０ａ、後方ソーラーパネル１０ｂが貼付されている。本実施例では、これらのソーラーパネルは揺動板１の前方と後方の各全面を覆って貼付したものとしてあるが、これに限るものではなく、これらの各表面を部分的に覆うようにしてもよい。

揺動板１が風力を受けて揺動し、揺動軸２の往復揺動を発電機軸の一方向回転に変換して発電機回転軸１１（後述する図８参照）を回転させることで発電を行う。風力が一定でないことによる発電機回転軸１１の回転不均一をフライホイール５に蓄積されている回転エネルギーで補足し平滑化する。

また、揺動板１に貼付されたソーラーパネル１０ａ，１０ｂは昼間においては太陽光を受けて発電する。後方風受面に貼付したソーラーパネル１０ｂは周囲の反射光を受けて発電する。雪国などでは、積雪からの反射光が強いので、ソーラーパネル１０ｂはより有効に機能する。砂漠地帯、水面状あるいはその近傍でも同様である。

以上説明した実施例１により、風力から得た回転エネルギーで発電機回転軸１１を回転させ電力を発生させるための揺動板（揺動ブレード）１と太陽光を電気エネルギーに変換するソーラーパネル１０との協働で電力を生成する流体発電装置を提供できる。

図５は本発明に係る流体発電装置の第２実施例に用いる揺動板の説明図である。この実施例では、実施例１に使用されている揺動板の横方向Ｘ－Ｘの側端縁１ｃ断面形状を航空機の翼型に近似させたものである。すなわち、揺動板１の両側側縁１ｃの厚みｄ１を大とし、縦方向Ｙ－Ｙの中央部１ｄの板厚ｄ２を最も薄くなるように漸次薄くしたものである。なお、Ｚ－Ｚは前後方向を示す。そのほかの構成は実施例１と同様である。

本実施例によれば、このような揺動板形状としたことで、右方向からの風Ｗ３あるいは左方向からの風Ｗ４による揺動板１の前方方向への揚力を増加させて揺動量（揺動角）を大きくすることができ、モータ軸の回転量を大きくして発電量を増すことができる。

図６は本発明に係る流体発電装置の第３実施例に用いる揺動板の説明図である。この実施例では、実施例１に使用されている揺動板に代えて単一板体とし、横方向Ｘ－Ｘの側端縁断面形状を前方側のみ大きな厚みｄ３とし、航空機の他の翼型に近似させたものである。すなわち、揺動板１の両側側縁１ｃの厚み１ｃの厚みを大とし、縦方向Ｙ－Ｙの中央部の中央部１ｄを最小板厚ｄ４として漸次薄くしたものである。そのほかの構成は実施例１と同様である。

本実施例によっても、右方向からの風Ｗ３あるいは左方向からの風Ｗ４による揺動板１の前方方向への揚力を増加させて揺動量（揺動角）を大きくすることができ、モータ軸の回転量を大きくして発電量を増すことができる。

図７は本発明に係る流体発電装置の第４実施例に用いる揺動板の説明図である。本実施例の揺動板１は、その表面及び背面に、通過する空気流に乱流を与える多数の微小凸部１２ａをランダムに形成したものである。この微小凸部はソーラー基板の表面に透明樹脂などをスポット的に滴下し、硬化させて形成することができる。これにより、揺動板の表面を高速に通過する空気流に発生する乱流やボルテックスの発生等を回避して揺動板の振動などを抑制することができる。

なお、前記した微小凸部１２ａに代えて多数の微小凹部１２ｂをランダムに形成することもできる。この微小凹部１２ｂはソーラーパネルの表面基板に予めディンプル状を形成することで得ることができる。

本実施例により、前記各実施例における効果に加えて、揺動板の表面を高速に通過する空気流に発生する乱流やボルテックスの発生等を回避して揺動板の振動などを抑制することができる。

図８は図１における回転変換器３の構成例の説明図である。図９の流体発電装置にも同様に適用できる。この回転変換器３は、揺動板１と発電機６との間に設置して揺動板１の往復運動による揺動板１の往復回転を発電機回転軸１１の一方向回転に変換するための機構の一例である。図８において、第１ギア３１は揺動軸２に固定され、第５ギア３５は発電機回転軸１１に固定されている。

第３ギア３３と第４ギア３４は従動ギア軸３７に固定されて共に同一方向に回転可能とされている。ただし第３ギア３３は一方向回転ギアで白抜き太矢印方向の回転のみを従動ギア軸３７に伝える。中間軸３６に回転可能に装荷された中間ギアである第２ギア３２も一方向回転ギアとすることで、白抜き太矢印の方向の回転のみを第３ギア３３を介して従動ギア軸３７に伝える。符号３０は揺動軸２と発電機回転軸１１を断接するクラッチを示す。

揺動板１の揺動で揺動軸２が黒太矢印方向に回転するとき、クラッチ３０はＯＮ（接）となり、ＯＮとなったクラッチ３０から発電機回転軸１１を黒太矢印方向に回転させ、発電機を回転させて発電を行う。このとき、第１ギア３１にかみ合う第２ギア３２、及び第３ギア３３はフリーに回転し、第１ギア３１の回転を第５ギア３５に伝達しない。

一方、揺動板１の揺動で揺動軸２が白抜き太矢印方向に回転するとき、クラッチ３０はＯＦＦ（断）となり、この回転は第２ギア３２→第３ギア３３→第４ギア３４から第５ギア３５に伝達される。これにより、発電機回転軸１１は黒太矢印方向と同じ白抜き太矢印方向に回転され、発電機６は継続して発電を行う。

発電機回転軸１１にはフライホイールが固定されるが、図８では図示を省略してある。
図８に示した回転変換機構は一例にすぎず、同様の作用を得るためのギア機構は、この他にも多数考えられる。

図９は本発明に係る流体発電装置の第５実施例の全体構成の説明図である。この実施例は前記実施例１で説明した発電機まわりの構成を揺動板１の左右両側に配置したものである。図９は図１の（ａ）に相当する。
本実施例の流体発電装置は図１で説明した本発明の実施例１に発電部を２台としたものである。その他の構成は実施例１と同様なので説明は省略する。

本実施例によれば、揺動板１の受風面積を大きくして比較的に大規模な流体発電装置を構成できる。図９に示したものに限らず、さらに多数の揺動板と多数の発電機及びソーラーパネルを接続してより大きな電力源とすることも可能である。

図１０は本発明に係る流体発電装置の制御系を説明するブロック図である。なお、本発明に係る流体発電装置に使用する発電機は電動機モード（モータモード）を備えた電動発電機（ＭＧ）とするのが好適である。
図１０では発電機６として図９に示した二個の電動発電機６ａ、６ｂを用いたものとして説明するが、図１の場合は一個の電動発電機６ａ、及び一枚のソーラーパネル１０ａのみを用いたものと理解すべきである。

図１０において、この流体発電装置で構成される制御系（発電システム）は発電機６の発電電力（交流電力）を所要の電圧と電流に変換して負荷等の利用者の利用に対応する形式に変換するための電力変換/変圧器２１、ソーラーパネルの発電電力（直流電力）を、同様に負荷等の利用者の利用に対応する形式に変換するパワーコンデショナ（コンバータ/インバータ含む）２０、電力変換/変圧器２１からの発電機６の発電電力と、パワーコンデショナ２０からのソーラーパネル１０の電力を統合して負荷や系統に供給するための電力統合器２３、ローカル負荷２５と電力系統２６への電力供給を切替える切替器２４、及びバッテリ２９で構成される。そして、これらの構成部分を統括制御する制御装置２２を備える。

制御装置２２は発電機６とソーラーパネルの１０の通常動作を制御すると共にフライホイール５の回転数を監視する回転数センサ２７、揺動板１の揺動方向（前後移動）を検知する揺動板の揺動板方向を検出する揺動板揺動方向検出センサ２８を備えている。なお、この他に発電機６の発電電力やソーラーパネルの発電電力を監視して最適発電状態を得るための各種センサ、制御プログラムを備えている。余剰な電力が生じた場合には電力系統に接続して売電することもできる。

回転数センサ２７は、フライホイールの回転が規定値以下になった場合に、バッテリ２９に常時充電されている電力を利用して回転を上げるように制御装置２２に指令を発することができる。なお、バッテリ２９は発電機やソーラーパネルの発電電力が低下した場合のバックアップ電源として負荷２５に電力を供給する。

方向検出センサ２８は揺動板１の揺動方向を検出して図８のクラッチ３０のＯＮ／ＯＦＦを実行する。これにより、揺動板１の揺動方向に関わらずに発電機の軸に対して一方向の回転力を供給する。
［産業上の利用分野］

本発明は、風力、波力等の流体を用いた発電装置に適用できる。波力エネルギーを用いた発電装置の場合、揺動板を水中に全没する方法と、揺動板の一部または相当部分を空中に露出させることで、その露出部分にソーラーパネルを設置して太陽光の直接エネルギーと水面反射光のエネルギーを利用できる。

１・・・揺動板（揺動ブレード）
２・・・揺動軸（揺動回転軸）
３・・・回転変換器
４・・・機枠
５・・・フライホイール
６・・・発電機（電動発電機：ＭＧ）
７・・・（７ａ，７ｂ・・・）回転軸受
８・・・ジョイント
９・・・ブラケット
１０・・・ソーラーパネル
１１・・・発電機回転軸
１２・・・微小突起
１３・・・設置面
１４・・・基礎
２０・・・パワーコンデショナ
２１・・・電力変換/変圧器（コンバータ/インバータを含む）
２２・・・制御装置
２３・・・統合器
２４・・・切替器
２５・・・負荷
２６・・・電力系統
２７・・・回転数センサ
２８・・・方向検出センサ
２９・・・バッテリ
３０・・・クラッチ
３１・・・第１ギア
３２・・・第１２ギア
３３・・・第３ギア
３４・・・第４ギア
３５・・・第５ギア
３６・・・中間ギア軸
３７・・・従動ギア軸

Claims (6)

1. 風力から得た回転エネルギーで発電機回転軸を回転させて電力を発生させるための揺動板と太陽光を電気エネルギーに変換するソーラーパネルとの協働で電力を生成する流体発電装置であって、
   機枠と、
   機枠の横方向に装架した揺動軸と、
   前方風受け面と後方風受け面を有し、前記揺動軸に上方縁を固定して懸垂し、当該揺動軸の周りに往復揺動を行う揺動板と、
   前記揺動軸の往復揺動に基づく発電機回転軸の回転により発電する発電機と、
   前記揺動軸と前記発電機との間に設置されて前記揺動軸の往復動揺動を一方向の回転に変換して前記発電機の発電機回転軸に回転力を接続する回転変換器と、
   前記発電機回転軸に固定されて回転するフライホイールと、
   前記揺動板の前方風受け面と後方風受け面の一方又は双方に貼り付けられた前方ソーラーパネル及び／又は後方ソーラーパネルとを有し、
   前記揺動板は縦方向の側縁から中央部にかけた横方向断面の厚みが漸次小さい翼形状であることを特徴とする流体発電装置。
2. 前記揺動板は横方向断面が前方風受け面側に凸のアーク形状であることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
3. 前記揺動板の横方向断面が前方風受け側に両側端縁が凸形状を有し、後方風受け面は平面であることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
4. 前記揺動板の前方風受け面及び後方風受け面の一方又は双方に、通過する空気流に乱流を与える多数の微小凸部をランダムに形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の流体発電装置。
5. 前記揺動板の前方風受け面及び後方風受け面の一方又は双方に、通過する空気流に乱流を与える多数の微小凹部をランダムに形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の流体発電装置。
6. 前記発電機は電動機として動作する電動発電機であり、発電した電力を貯蔵するバッテリを備え、このバッテリの電力で前記電動発電機が前記フライホイールを回転可能としたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の流体発電装置。

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