(57)【要約】【課題】風力発電装置の起動特性を改善し、風速の弱いときでも発電し、無風下でも水力により発電を可能とする。【解決手段】水力により水車６を回転させ、その駆動力をデファレンシャルギア３等の複数のギアを用いて風力発電機の発電機駆動軸１１ｃに伝導させる構成とした。これにより、発電開始風速以下の風速（微風）であっても風車１の風力による回転力と水車６の水力による回転力の双方によって発電機２の駆動軸１１ｃを回転させて発電し、また、無風時には連結器１０を開放させて水車６の水力のみによる回転力により発電可能となる風力と水力の双方を利用した発電設備。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と水車を備え、風車の風力による回転力を駆動軸を介して発電機に伝導し、また、同時に水車の水力による回転力を駆動軸を介して前記発電機に伝導させることにより発電可能な風力発電設備。
【請求項２】
水車の水力による回転力を発電機駆動軸に伝導させることにより、発電機の始動を補助することを可能とした請求項１に記載の風力発電設備。
【請求項３】
水車の回転力を発電機駆動軸に伝導するに際し、水車と発電機駆動軸の間にラチェット機構を有するギアを備えることにより、水車駆動軸の回転力が発電機の発電を阻害する逆トルクを発生しないよう発電を可能とした請求項１または請求項２に記載の風力発電設備。
【請求項４】
風車駆動軸と発電機駆動軸との間に相互の連結を開放するための開閉器を備え、無風下においても水車の水力による回転力によって発電を可能とする請求項２または請求項３に記載の風力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、風力と水力の２種類の自然エネルギーを同時に利用して発電する方法に関するものである。【０００２】  従来の技術においては、風力と水力エネルギーを同時に利用して発電できず、また、風力発電設備はカットイン風速（発電開始風速）が大きく蓄電池を設けて電気的な補助が無ければカットイン風速以下では発電できない（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２１４３２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  以上のような従来の風力発電設備においては、前記風力発電設備を構成する発電機と風車に決定されるカットイン風速が大きいため、例えば、充電器に蓄電された電力等の電気的な補助が無ければカットイン風速以下では発電できなかった。また、発電機は風力エネルギーのみを利用しての発電であり、水力エネルギーを同時に利用して発電できなかった。【０００５】  本発明は、前記の従来の課題を解決するもので、風力発電設備を構成する発電機に水力による水車の回転力を機械的に伝導させることにより、カットイン風速以下の風速でも風力と水力の双方のエネルギーを利用して発電を可能とし、また、無風下でも水力エネルギーを利用して発電が可能となる方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は、前記の課題を解決するために、風力発電設備を構成する発電機の駆動軸に水力による水車の回転力をデファレンシャルギア等の複数のギアと駆動軸によって伝導させることにより、カットイン風速以下でも風力発電設備の発電機の駆動軸へ発電に必要な回転力を付与するものである。これにより、従来の風力発電設備では発電できなかったカットイン風速以下の風況下においても発電を可能とするものである。【０００７】  また、無風下においては、風車が静止していることによる抵抗が発電機の発電の逆トルクとならないよう、風車と発電機駆動軸との連結を開放させて水車の水力による回転力によって発電を可能とするものである。
【発明の効果】
【０００８】  以上のように本発明のよれば、風力と水力の２つのエネルギーを同時に利用して発電が可能となり、従来のカットイン風速以下で発電できなかった風況下においても、水力を利用して発電機の始動を補助することにより効率的に発電が可能となり、また、無風下でも水力を利用して発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態を示す図面
【図２】本発明に関する計算過程を示す図面
【発明を実施するための形態】
【００１０】  請求項１に記載の発明は、風力による風車の回転力を受けて発電を行う発電機の駆動軸に、水力による水車の回転力を駆動軸を介して前記発電機の駆動軸に伝導させることにより、前記発電機は風力と水力の双方を利用して発電を行うことが可能となり、負荷側に安定した電力の供給が可能となる。
【００１１】  請求項２に記載の発明は、請求項１の発明に加えて、風力が存在しカットイン風速以下の風況下において、風車の駆動軸が連結された状態の発電機の駆動軸の始動時に必要なトルクに対し、水力による水車のトルクを付与することによって発電機の始動を補助するものであり、これによりカットイン風速以下でも発電可能となる。
【００１２】  請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の発明に加えて、水車の回転力を発電機の駆動軸に伝導させるにあたって、水車と発電機駆動軸との間にラチェット機構を有するギアを備えることにより、風車の回転力を受けて回転する発電機の駆動軸の回転数が、水車の駆動軸の回転数を上回ることによって水車の駆動軸から受ける発電を阻害する逆トルクの発生を防止するものである。これにより、水車の回転が停止した場合であっても発電機は風力による回転力によって発電可能となる。
【００１３】  請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３の発明に加えて、風車駆動軸と発電機駆動軸との間に相互の駆動軸の連結を任意に解除するための連結器を備えることにより、無風下でも、前記連結器を解除することによって、発電機は風車の摩擦等による発電を阻害する逆トルクを受けることなく、水車の水力による回転力によってのみ発電可能となる。
【００１４】  以下、本発明の実施の形態について図１、図２に基づいて説明する。
【００１５】  図１に本発明の構成図を示す。図１においては本発明を構成する機器構成の概要を示すものである。また、図２は本発明に関する計算の過程を示すものである。風力については風車１が風力により回転し駆動軸１１ａを介して発電機２に回転力を付与する構造となっている。なお、風車としては鉛直軸型のクロスフロー型、サボニウス型、タリウス型、パドル型等があるがタイプはどれであっても良く、また、水平軸型風車により風力を受ける構造とする場合は、水平軸風車から発電機に至る間において直交ギアボックス等を介させて、発電機２の駆動軸１１ｂと一致するように風力による風車の駆動軸の向きを偏向すれば良い。
【００１６】  次に、水車の水力を受けて発生する動力（仕事率）は図示された落差Ｈと流量Ｑによって固定されるものの、駆動軸の回転速度を変速ギア４によって変速することにより、動力は同一であっても任意のトルク（力のモーメント）を有する駆動軸の回転に変更することが可能であり、水力による一定動力を軸の回転数を変えることにより任意のトルク（力のモーメント）を有する軸の回転力に変換し、発電機の駆動軸へ機械的に動力を伝導させる構成とするものである。
【００１７】  なお、ギアボックス５は水車６から発電機の駆動軸１１ｃに至るまでの駆動軸の経路を偏向するためのものであり、デファレンシャルギア３は経路の偏向とともに、前記デファレンシャルギアに内蔵されたラチェット機構により水車側からの駆動軸の回転力を発電機の駆動軸へ一方向に伝導させるためのものである。すなわち、水車側の駆動軸の回転力は発電機へ伝導されるが、発電機駆動軸の回転力は水車側の駆動軸へは伝導されない機構とするものである。
【００１８】  （カットイン風速以下で発電機の駆動軸を回転させるための条件）
次に、カットイン風速以下で発電機の駆動軸を水車側の駆動軸の回転力をもって回転させるための条件について説明する。風車に接続された発電機の駆動軸の始動時に必要なトルク（力のモーメント）を図示するようにＭａ、水力により得られる駆動軸のトルク（力のモーメント）を図示するようにＭｂとすると、カットイン風速以下において発電機の駆動軸を回転させるためには、式（１）に示されるように水力による駆動軸のトルクＭｂが発電機の駆動軸の始動に必要なトルクＭａよりも大きい場合にカットイン風速以下でも発電機の駆動軸を回転させることが可能となる。
【００１９】  （水力から得られる水車駆動軸のトルク）
ここで、前記の水力から得られる駆動軸のトルク（力のモーメント）Ｍｂは、水車が水力から受ける動力（仕事率）から算定可能である。次に、水車が水力から受ける動力とその動力から得られるトルク（力のモーメント）についてその算出方法を説明する。また、以下に記載の式（１）〜式（６）については、その計算過程を含めて図２に示されるものである。
【００２０】  （水車が水力から受ける動力）
水車が水力から受ける動力をＰとすると、動力Ｐは、水の密度をρ、重力加速度をｇ、流量をＱ、落差をＨ、損失をηとすると式（２）に示すとおりＰ＝ρ×ｇ×Ｑ×Ｈ×ηの関係があることから、ρ＝１．０ｔ／ｍ３、ｇ＝９．８ｍ／ｓ２とすると、水車が水力から受ける動力Ｐは式（３）に示すようにＰ（Ｎ・ｍ／ｓ）＝９．８×１０３×ＱＨηとして算定できる。なお、ここで水車の動力変換効率ηについては、中水力発電用の水車でη＝０．６〜０．８程度であることが知られている。
【００２１】  （水車の動力によるトルク）
次に、水車の動力Ｐと前出の水力による駆動軸のトルク（力のモーメント）Ｍｂは、駆動軸の回転速度をω（ｒａｄ／ｓ）とすると、式（４）に示すように、Ｐ＝Ｍｂ・ωの関係があることからＭｂ＝Ｐ／ωとなり、式（５）に示すように水車による駆動軸のトルクＭｂはＭｂ＝９．８×１０３ＱＨη／ω（Ｎ・ｍ）として算定できる。
【００２２】  式（６）に示すように、この水車による駆動軸のトルク（Ｍｂ）が風車に接続された発電機の駆動軸の始動時に必要なトルク（Ｍａ）よりも大きくなることが発電機の駆動軸をカットイン風速以下でも回転させるための条件である。
【００２３】  式（６）に意味されるように、水位の落差Ｈが固定された場合、流量Ｑと駆動軸の角回転速度ωを変えることによって、任意に水車の駆動軸のトルク（力のモーメント）を得ることが可能である。したがって図１においては、水車から発電機に水車の駆動力を伝導するにあたって角回転速度ωを調整するための変速ギア１４を備えているものであり、また、流量Ｑを調整するための流量調整弁１７を備えるものである。なお、式（６）においては、水車の駆動軸のトルクの算定にあたっての水車の動力変換効率ηは水車から発電機の駆動軸に至る間までの動力の変換効率を現すものである。
【００２４】  （風車側駆動軸のトルクの計測方法）
次に風車側の駆動軸の始動時に必要なトルクＭａの算定方法について説明する。
【００２５】  市販される既存の風車や風力発電設備については、発電を開始する風速（カットイン風速）や風速と発生電力の関係を現す曲線（所謂”性能曲線”）が既知としてユーザーに開示される場合が多く、風車が発電機に連結された状態や連結されていない状態での発電機が始動に必要なトルク（力のモーメント）Ｍａは開示されないので、このＭａを予め知ることは困難である。
【００２６】  次に発電機の駆動軸の始動時に必要なトルクＭａの簡易的な計測方法について説明する。発電機の駆動軸は風車の駆動軸に連結されているので、発電機の駆動軸の始動時に必要なトルクは、風車から発電機に至る間の駆動軸の回転に必要なトルクと、発電機自体の回転に必要なトルクの２者である。したがって、無風状態下に発電機に風車の駆動軸が連結された状態において発電機の駆動軸の回転し始める際のトルクを計測するか、若しくは、無風状態下に風車の駆動軸が連結されていない状態において風車軸側の駆動軸の回転し始めるトルク及び発電機の駆動軸の回転し始めるトルクを個別に計測し、両者を合算することにより発電機に風車が連結された場合の発電機の駆動軸の回転し始めるトルクＭａを求めることができる。前記両者のトルクの計測方法としては、例えば直読式トルクレンチ等の計測器具を用いて容易に計測可能である。
【００２７】  （風車と水車相互の軸回転力の伝導方向について）
発電機の駆動軸と水車の駆動軸が完全に連結されていた場合には、無風状態から風力によるトルクを受けて回転し始め、その後風速の増大に伴い更に回転数が上がって水車側駆動軸の回転数を上回ろうとする際には、発電機の駆動軸にその回転を抑えようとする逆トルクを水車側の駆動軸から受けることになる。この逆トルクの発生を防止するためには、水車側の駆動軸トルクは発電機に伝導されるが、逆に、発電機駆動軸のトルクは水車側駆動軸に伝導されない様にすれば良く、そのための機構として水車駆動軸から発電機への一方向のみ駆動力を伝導する機構としてラチェット機能を有するデファレンシャルギア３を備えているものである。
【００２８】  なお、図１においては、デファレンシャルギア３を用いて水車駆動軸を鉛直方向へと偏向させているが、デファレンシャルギアの替わりに、直交ギアとラチェット機能を有する他の種類のギアの組合せの構成にしても良く、例えば直交ギアとフリーホイールの組合せによって駆動軸の偏向を行っても良い。なお、デファレンシャルギア３を用いて駆動軸の向きを偏向させる場合には、自在にフレキシブルに偏向が可能である。
【００２９】  （変速ギアについて）
変速ギア４は前記したように、一定の動力（一定の仕事率）を有する水車側駆動軸から軸の回転数を調整することによって発電機の駆動軸１１ｃへ伝導されるトルク（力のモーメント）の大小を調整するためのものである。
【００３０】  従来の風力発電設備を構成する風車や発電機の駆動軸に作用するトルクについては、風車は静止状態の方が回転している状態時よりも大きなトルクを必要とし、また、発電機は発電状態で回転している場合よりも始動時の回転に大きなトルクを必要とされることが知られている。
【００３１】  したがって、水車による駆動力を発電機駆動軸の始動時に必要なトルクとしてのみ伝導させ利用するだけでなく、さらに積極的に発電機の始動回転後の発電に必要なトルクとして水車の駆動力を伝導させるためには、発電機駆動軸が始動時の低速な回転から定常発電時の高速な回転状態に追随して水車駆動軸の回転数を上げる必要がある。そのため、変速ギア４については水車駆動軸の回転力を発電機に伝導させるにあたって、発電機の始動時に主に用いる低速ギアと発電機始動後の高回転に追随させるための高速ギアの複数のギア比の歯車を有し、また、任意に手動若しくは自動でギアの変速比の切り替えが設定可能な変速ギアを用いることが好ましい。
【００３２】  （無風時の対処方法）
完全に無風状態においては風車は風力エネルギーを受けることができず、風力は発電機の発電に寄与することができない。したがって、その時は仕切弁９ｂを遮断し水の流下（滴下）を制止させることにより水車を駆動させるための水の無駄な流出を防止することが可能である。
【００３３】  （無風時の発電方法）
また、水の流下（滴下）を制止させない場合、発電機の駆動軸には無風状態であっても水力の水車による回転力が発電機駆動軸に伝導され、発電機の駆動軸は微回転しわずかではあるが発電機として機能している。しかし、無風状態では風車の駆動軸が発電機の発電を抑止する逆のトルクが発生した状態となっているので、この逆トルクを発電機駆動軸から開放させ、水車からの回転力のみを発電機に伝導させれば、発電機の回転数は増大し水車からの駆動力のみでさらに多くの発電をすることが可能となる。したがって、無風状態においても発電機を水車の回転力のみを用いて効率的に発電可能となるよう、発電機と風車の間に両者間の回転力を任意に連結と開放が可能となるよう連結器１０を備えているものである。これにより、無風時には、風車１と発電機２の間の連結器１０を解除することにより、発電機は水力を利用して効率的に発電可能となる。
【００３４】  以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許の請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【産業上の利用の可能性】
【００３５】  近年、地球温暖化対策のための二酸化炭素排出削減手段として太陽光等の自然エネルギーを利用した発電システムの普及が拡大してきているが、太陽光発電は日射が無い夜間は発電できず、また、風力発電も風況変化に大きく影響を受ける等、自然エネルギーを利用した従来の発電手段はその発電に不安定な要素が多い。したがって、現状の利用者にとってこれら発電手段は通常の公共電力供給に代わる補佐的な電気の供給手段として利用される場合が多く、生活する上で絶対に必要なものとして利用される場合は少ない。
しかしながら、公共発電所からの遠隔地、自然災害を受けやすい地理的条件を有する島嶼地域や農漁山間地域、また、沖縄のように有事に関連する事故等の発生が特に顕在化する地域、また、高齢者や障害者等の社会的弱者にとって、公共電力供給が事故等により遮断された場合、自然エネルギーにのみ依存して自活する他に術がないのが実状である。例えば、高齢者や障害者等の社会的弱者にとっては、電力供給が喩え１分間遮断した場合であっても生命を失う場合がある。それ故、これらの地域や前述した生活者にとって身近な自然エネルギーを利用した電力供給手段を日頃より確保することが急務となっており、その供給手段に求められる必要条件として、効率良く安定的に、かつ、絶え間なく継続的に利用可能な自然エネルギーによる発電システムの構築が強く求められているところである。
今回発明された風力と水力の双方を利用して発電を可能とする方式（風水力発電設備）に、例えば、太陽光発電と蓄電池等を組み合わせて、ハイブリッドな発電システムの構築も従来技術により容易に可能であり、従来よりもさらに自然エネルギーを安定・継続的に有効利用することが可能となる。
したがって、今回発明された技術を用いることにより、地球温暖化対策のみならず、防災・有事対策、高齢化対策等の社会福祉に係る産業の利用に大きく貢献することが期待できる。
【符号の説明】
【００３６】１  風車
２  発電機
３  デファレンシャルギア
４  変速ギア
５  ギアボックス
６  水車
７  貯水槽
８  水面
９ａ  流量調整弁
９ｂ  仕切弁
１０  連結器
１１ａ  駆動軸ａ
１１ｂ  駆動軸ｂ
１１ｃ  駆動軸ｃ
１２  水面
【図１】
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【図２】
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