JPH10213060A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範囲の風速の変化にかかわらず安定した電
気エネルギーを得ることが可能な風力発電装置の提供。 【解決手段】 可変ピッチの風車１と、風車１の回転軸
出力の直接の又は適宜増速した回転動力で主加圧流体を
生成する加圧流体発生手段２と、導入される加圧流体を
受けて回転するタービン手段３と、タービン手段３に機
械的結合手段５を介して結合しており、その回転駆動力
を受けて電気エネルギーを発生する発電機４と、発電機
４で発生する電気エネルギーの余剰分を熱エネルギーと
して蓄積する蓄熱手段６と、蓄熱手段６に蓄えられた熱
エネルギーによって補助加圧流体を発生し、必要に応じ
て、それをタービン手段３に供給するための補助加圧流
体発生手段７とを有する風力発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電装置に関
し、風速の変化にもかかわらず、例えば、風車の回転が
得られない程に風力が弱まった場合にも安定した電気エ
ネルギーを発生することが可能な風力発電装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】現代文明は、石油や石炭に代表される化
石燃料をエネルギーとして成立しているといっても過言
ではない。エネルギー形態は燃焼による熱源、機械的動
力または電気エネルギーなどに変換されている。このよ
うな化石燃料は、エネルギー変換に際して多くの大気汚
染物質を放出し、更に地球温暖化の主たる原因である二
酸化炭素を大量に発生させる。加えて、地球全体の埋蔵
量は有限であり、遠からず枯渇することが予測されてい
る。

【０００３】このような化石燃料に依存することなく電
気エネルギーを得る手段として、古典的方法である水力
発電技術があるが、天然の河川の落差を利用することか
ら新たに増設することは至難な状況にあり、ピーク電力
供給の使命を有する揚水発電が補助的に設置されている
にすぎない。また、核物質の核分裂反応を利用した原子
力発電も採用されているが、チェルノブイリ発電所の事
故やスリーマイル島発電所事故のような放射能汚染事故
の危険があることから、容易に新増設できない大きな問
題に直面している。加えて核廃棄物の処理の困難性等を
考慮すると安易な新増設は好ましくない。

【０００４】環境に優しく無尽蔵の太陽光を電気エネル
ギーに変換する光発電も種々検討されているが、太陽電
池の変換効率に限度があり、大容量発電を行うには大面
積の太陽電池パネルを設置する必要があることから、コ
スト的に難問を抱えている。例えば、一般住宅の屋上に
数ｋＷ程度の太陽電池パネルを敷設し、自家消費電力の
一部を賄い、余剰電力を電力会社に売電する太陽光発電
が普及しつつあるが、大容量設備の実現には大きな障害
がある。

【０００５】太陽光と同様に自然界に於いて無尽蔵に発
生している風力を電気エネルギーに変換しようとする風
力発電は、風車により直接動力を取り出していた古典的
風力利用技術を基礎として数十年の歴史を有している。
欧米及び国内に於いて、数１０〜数千ｋＷ程度の風力発
電装置が設置され、各種の研究に供され、あるいは実用
に供されている。この種装置類は、各種形状の風車によ
る回転力を過回転制御装置付きの増速装置を介して、例
えば、誘導発電機のような適宜形式の発電機を回転駆動
し、電気エネルギーを得るものである。

【０００６】これらの風力発電技術に於ける最大の問題
点は、風向及び風速が一定ではなく複雑に変化すること
である。風向の変化に対しては、風車の有効風受け面を
絶えず風向に対面させるように追随制御することによっ
て比較的容易に対応することができる。またプロペラ式
とは異なる特殊形状の風向に左右されない、例えば、ダ
リウス式風車のような縦軸風車を利用することによって
対応することもできる。

【０００７】これに対して、風速は、台風や突風のよう
に極めて激しい風から微風、極端な場合には無風のよう
に大幅に変動する。風車出力は風速の３乗で変化するこ
とが知られている。そのため、年間を通じて安定した風
速の風が吹く場所に設置することが求められるが、現実
にはそのような理想的な設置場所は存在しない。

【０００８】そこで変動する風速を利用してできるだけ
安定した出力エネルギーを取り出すために、可変ピッチ
風車を利用し、かつ過速度制御機構を介在させる等の配
慮がなされている。台風を始めとする激しい季節風から
装置類を守り、弱い風でも許容範囲以内の回転数を確保
するためである。

【０００９】しかし周知のように風は極めて複雑な変動
を伴い、各種気象条件に左右される。一般に風の息とも
呼ばれる瞬間的な風速変化は、通常、風車系の慣性によ
って補償される。これに対して長周期の風速変化は安定
出力に変動をもたらすため対策が必要となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の事実
を踏まえて、広範囲の風速の変化にかかわらず安定した
電気エネルギーを得ることが可能な風力発電装置を提供
することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１に示すよ
うに、可変ピッチの風車１と、上記風車１の回転軸出力
の直接又は増速した回転駆動力によって加圧流体を生成
するための加圧流体発生手段２と、導入される上記加圧
流体を受けて回転するタービン手段３と、上記タービン
手段３の回転力を受けて電気エネルギーを発生するため
の発電機４と、上記発電機４によって発生される電気エ
ネルギーの余剰分を熱エネルギーとして蓄積する蓄熱手
段６と、上記蓄熱手段６に蓄えられた熱エネルギーによ
って補助加圧流体を発生し、必要に応じて、上記補助加
圧流体を前記タービン手段３に供給するための補助加圧
流体発生手段７と、を備えた風力発電装置である

【００１２】前記加圧流体発生手段２は、例えば、ター
ボブロアとすることができ、タービン手段３を回転させ
るための主加圧流体、例えば、圧縮空気又は加圧蒸気を
発生する。この場合の主加圧流体は、タービン手段３を
作動させた後、大気中に排気放出されるオープンサイク
ル（大気放出方式）で運用することができる。

【００１３】空気以外の作動流体を圧縮加圧して循環さ
せつつ作動させるクローズドサイクル（排気回収・循環
方式）を採用し、この循環作動流体の圧縮加圧作用を風
車１の出力によって実施するように構成することもでき
る。

【００１４】後者の場合の作動流体は、水を使用し水蒸
気として使用する態様を始め、水よりも低温で気化し作
動流体となる媒体を使用することにより有利なエネルギ
ー変換を行うことができる。

【００１５】このようにして回転させられるタービン手
段３の回転軸は、例えば、図１に示すように、機械的結
合手段５を介して発電機４に結合するものであり、該発
電機４を回転させて発電作用を生じさせる。発電された
電気エネルギーは、図示しない負荷又は配電系統に供給
される。この場合、十分な風量があるにもかかわらず電
気エネルギーの需要が少ないか、または無い場合には当
然に余剰電力が生ずる。

【００１６】このような余剰電力は、従来はそのまま消
費せずに無駄にされるか、あるいは高価な蓄電設備（バ
ッテリー）に蓄える手段が採用されていた。しかし、こ
のような蓄電手段は高価であり、容量に比例して大形と
なり、かつ取り扱いや保守も厄介である欠点があり一般
的には利用できていなかった。

【００１７】本発明の風力発電装置に於いて発生する余
剰電力は、図１に示すように、蓄熱手段６に熱エネルギ
ーとして蓄熱する。上記蓄熱手段６は、図２に示すよう
に、例えば、特殊な油類や苛性ソーダ、食塩等の塩類の
ように加熱に応じて溶融状態となりその後冷却される間
に放熱する蓄熱媒体の充された蓄熱媒体槽（断熱材被覆
タンク）６Ｔと余剰電力によって蓄熱媒体を加熱する
（電熱）加熱手段６Ｈとで構成する。蓄熱媒体槽６Ｔに
於ける蓄熱媒体は、少なくとも２２０℃に加熱されるも
のであることが要求される。

【００１８】余剰電力によって加熱された蓄熱媒体の熱
は、図１及び図２に示すように、必要に応じて補助加圧
流体発生手段７に送られ、補助加圧流体の発生のために
使用される。この補助加圧流体は、例えば、水蒸気を採
用することができる。前述の加圧流体発生手段２に於け
る作動流体がクローズドサイクルで使用される場合は、
これと同種の流体を採用する。

【００１９】本発明の風力発電装置は、発電するために
十分な風速がある場合には、可変ピッチの風車１により
加圧流体発生手段２を作動させる。その結果発生する主
加圧流体を作動流体としてタービン手段３に導入し、こ
れを回転させる。加圧流体発生手段２が空気を作動流体
とする場合にはタービン手段３はエアータービンとな
る。なおこのタービン手段３には、補助加圧流体も選択
的に導入され、作動流体となる。したがって両者の作動
流体によって効率よく回転する構成が選択される。

【００２０】タービン手段３には発電機４が、前記した
ように、機械的結合手段５を介して接続されており、該
発電機４によって電気エネルギーが発生させられる。発
生した電気エネルギーは、電力需要がある場合には、該
当負荷に対して直接又は線路を介して所要電力が供給さ
れる。電力需要が無いか又は発電エネルギーに比して少
ない場合には、当然、余剰電力が発生する。この余剰電
力は、蓄熱手段６の加熱手段６Ｈに供給され、蓄熱媒体
槽６Ｔ内の蓄熱媒体を加熱し、熱エネルギーとして保存
される。

【００２１】このようにして蓄熱媒体槽６Ｔに蓄えられ
た熱エネルギーは、電気エネルギーの需要が高いにもか
かわらず、風力が小さく、風車１による十分なエネルギ
ーが得られない場合に於いて、不足エネルギー分を補償
するために使用される。このようなエネルギーの過不足
の判断や、どの段階で補助加圧流体を発生させ、作動さ
せるか、余剰電力による加熱手段６Ｈの加熱をどの時点
で開始又は停止するか等については、図示していない周
知の制御用コンピュータに対して所望条件を付与するこ
とにより容易に制御できる。制御条件の設定、制御に要
する周辺装置等に関しても当該分野に於ける周知技術が
適用できる。

【００２２】図３は、本発明の風力発電装置を実施する
場合のエネルギーの流れを示すブロック図であり、図１
と同じ構成要素は同一の符号で示している。風の保有す
るエネルギーは、風車１に於いて回転駆動力Ｗに変換さ
れ、加圧流体発生手段２、例えば、ターボブロアに於い
て空気又はその他の作動流体の加圧（圧縮）を行い、主
加圧流体ｐＭ1を発生させる。

【００２３】図４はタービン手段３に於ける動力発生機
構の主要構成を図示したもので、主加圧流体ｐＭ1は、
混合・切替え手段８を介して、補助加圧流体ｐＭ2が生
じていないかまたは使用する状況下にない場合には、単
独でタービン手段３の導入口から導入され、詳述してい
ないタービンブレードに衝突してトルクを発生する。こ
のように補助加圧流体ｐＭ2を使用しない条件とは、風
車１のみによる発生電力Ｐwが、発電機４から供給すべ
き需要電力Ｐeとの間で下式の関係が成立する場合であ
る。

【００２４】

【数１】Ｐw≧Ｐe 〔ｋＷ〕

【００２５】このような関係が成立しない場合、即ち、
風車１の回転駆動力Ｗによる発生電力ＰWが需要電力Ｐe
を下回る場合には、下式に従って補助加圧流体ｐＭ2に
よる補助的発生電力ＰSの付加的供給が行われるように
制御する。

【００２６】

【数２】 （Ｐw＋ＰS）≧Ｐe ∴ ＰS≧（Ｐe−Ｐw）

【００２７】当然、このような補償制御が可能となるた
めには、蓄熱手段６に対して十分な余剰電力が前もって
供給されている必要がある。図３に示すエネルギーの流
れに従う自動制御を行うためには、当初、蓄熱手段６の
蓄熱状態を確保しておくのが良い。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、そ
の風力発電装置を実施するに適する各種構成要素の例を
図１〜図４を参照しつつ示すことにより説明する。もっ
とも本発明の範囲に於いて、例示したものの外に種々の
態様の構成要素の組み合わせが可能であることは言うま
でもない。

【００２９】風車１としては、大別して水平軸風車と縦
軸風車とがある。多くの使用実績を有する水平軸風車で
は、翼車直径が数十メートルに及ぶ３枚翼風車、２枚翼
風車、単翼風車等が使用可能である。また、風車の支持
点からみて翼車を風上側で回転させるＵｐ−Ｗｉｎｄ形
と下流側で回転させるＤｏｗｎ−Ｗｉｎｄ形とがある。
これらの多様な風車の中から設置場所の年間の風の状況
を十分に検討し、最適の形式を選定する必要がある。

【００３０】風向の変化に左右されない縦軸風車として
は、ダリウス形風車が知られているが、このような風車
であっても適用可能である。

【００３１】これらの実施例に適する風車にあっては、
風向に従って最適の指向方向が決められているものが多
いから、これらの使用に合わせて最適の指向性を付与す
る必要があることは言をまたない。更に風速の大小は自
然条件によって大きく左右されることから、いずれの風
車であっても風速の強弱に応じて最適のピッチで運転す
る必要がある。このような目的のために、例えば、周知
の油圧機構により、翼車のピッチ調整が可能である必要
がある。

【００３２】更に、風車１の発生する回転駆動力を利用
するために、本発明に於いては、一旦加圧流体発生手段
２を介してタービン手段３を回転させるが、作動流体と
して空気を圧縮しタービン手段３を作動させた後、大気
中に放出されるオープンサイクルを使用するものであっ
ても良い。また、図４のようにタービン手段３で作動し
た後の作動流体を回収して循環利用するクローズドサイ
クルとしても差し支えない。またタービン形式は反動形
又は衝動形のいずれであっても良い。

【００３３】図４に示す通り、この例では、風車１によ
って直接加圧される主加圧流体ｐＭ1と補助加圧流体ｐ
Ｍ2とを同一作動流体とし、混合・切替え手段８に於い
て混合又は切り替えられた加圧流体ｐＭがタービン手段
３に供給され、両者あいまって又は選択的にタービン手
段３を作動させる。クローズドサイクルでタービン手段
３を作動させた排気は、混合された場合はそれぞれの比
率にしたがって回収され、その後必要に応じて加圧流体
発生手段２並びに補助加圧流体発生手段７に回収され、
循環的に作動状態を継続する。

【００３４】発電機４は、通常は厳密な同期条件を要求
されず、かつ構造簡単で保守整備の容易な誘導発電機が
広く使用される。ただし、自装置のみでは安定した周波
数制御は不可能であるため、系統内の他装置による周波
数によって同期を確保する必要がある。その他、同期発
電機とすることもできるが、始動時にその都度系統との
同期を取り、周波数を所定値に維持する必要がある。

【００３５】本発明の風力発電装置は、このような構成
を採用した結果、負荷に対して直接又は線路を介して供
給すべき電力が、風車１のみによって発生可能である場
合には、主加圧流体ｐＭ1のみによって発電を行う。こ
の場合、電力需要を上回る電力を発生する場合には、こ
の余剰電力により加熱手段６Ｈを作動させ蓄熱手段６内
の蓄熱媒体の加熱を行い、熱エネルギーの形態で保存す
る。

【００３６】このように蓄えられた熱エネルギーは、風
力のみによる発生電力が負荷の電力需要以下になった場
合に放出され、補助加圧流体ｐＭ2を発生させる。発生
させられた補助加圧流体ｐＭ2をタービン手段３に導入
して、単独で又は主加圧流体ｐＭ1を補償しつつ発電を
行う。このような構成を採用した結果、風力が弱まった
ために生ずる発電量の低減が補償され、常時所定電力が
供給される。

【００３７】

【発明の効果】したがって、本発明の風力発電装置によ
れば、風の強弱を絶えず補償して所定の発電力を確保す
ることが可能となる。この場合の風の強弱の周期は比較
的広範囲に対応することができるため、従来技術に於い
て困難とされた設置箇所でも安定した発電力の確保が可
能となり、無公害かつ無尽蔵の自然エネルギーである風
力の積極利用のより一層の普及が期待されることとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の風力発電装置の基本構成を示すブロッ
ク図。

【図２】本発明の風力発電装置に於ける補助加圧流体発
生機構の好適な実施例を示すブロック図。

【図３】本発明の風力発電装置のエネルギーの変化を示
すブロック図。

【図４】本発明の風力発電装置の動力発生機構の主要構
成を示すブロック図。

【符号の説明】

１ 風車 ２ 加圧流体発生手段 ３ タービン手段 ４ 発電機 ５ 機械的結合手段 ６ 蓄熱手段 ６Ｈ 加熱手段 ６Ｔ 蓄熱媒体槽 ７ 補助加圧流体発生手段 Ｗ 回転駆動力 Ｐｅ 需要電力 ｐＭ 加圧流体 ｐＭ1 主加圧流体 ｐＭ2 補助加圧流体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可変ピッチの風車(１)と、 上記風車(１)の回転軸出力の直接又は増速した回転駆動
   力によって加圧流体を生成するための加圧流体発生手段
   (２)と、 導入される上記加圧流体を受けて回転するタービン手段
   (３)と、 上記タービン手段(３)の回転力を受けて電気エネルギー
   を発生するための発電機(４)と、 上記発電機(４)によって発生される電気エネルギーの余
   剰分を熱エネルギーとして蓄積する蓄熱手段(６)と、 上記蓄熱手段(６)に蓄えられた熱エネルギーによって補
   助加圧流体を発生し、必要に応じて、上記補助加圧流体
   を前記タービン手段(３)に供給するための補助加圧流体
   発生手段(７)と、 を備えた風力発電装置。
2. 【請求項２】 前記加圧流体発生手段(２)によって発生
   する主加圧流体が、前記タービン手段(３)を作動せしめ
   た後、大気中に放出されるオープンサイクルである請求
   項１の風力発電装置。
3. 【請求項３】 前記加圧流体発生手段(２)によって発生
   する主加圧流体が、前記タービン手段(３)を作動せしめ
   た後、回収され循環使用されるクローズドサイクルであ
   る請求項１の風力発電装置。
4. 【請求項４】 前記蓄熱手段(６)によって得られる補助
   加圧流体が、前記風車(１)に対する風速が所定レベル以
   下に低下した際に発生させられ、主加圧流体の低減量を
   補償し、常時一定レベルの電気エネルギーの出力を保持
   する発電を行うように制御される請求項１、２又は３の
   風力発電装置。