(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の移動により回転する羽根車と、
前記羽根車とともに回転する回転軸と、
前記回転軸の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機と、
前記回転軸の回転を停止させる第一流体駆動式ブレーキ及び第二流体駆動式ブレーキと、
制御流体供給源に連結された複数の制御弁を有し、前記第一流体駆動式ブレーキと前記第二流体駆動式ブレーキを解除した状態から、前記第一流体駆動式ブレーキを作動させた後に、前記第二流体駆動式ブレーキを作動させる流体制御部と、
前記回転軸の回転に応じて、前記流体制御部を動作させるブレーキ制御部と、
を備えることを特徴とする流体発電装置。
【請求項２】
前記流体制御部は、
前記第一流体駆動式ブレーキにより前記回転軸の回転を停止又は減速させた後に、前記第二流体駆動式ブレーキを作動させることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【請求項３】
前記流体制御部は、
前記複数の制御弁として、前記第一流体駆動式ブレーキに連結される電気駆動式の第一制御弁及び前記第二流体駆動式ブレーキに連結される流体駆動式の第二制御弁を有し、
前記第一制御弁と前記第二制御弁間に、前記第二制御弁への制御流体の供給を遅らせる第一流体遅延部が連結される
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【請求項４】
前記流体制御部は、
前記複数の制御弁として、前記第一流体駆動式ブレーキに連結される電気駆動式の第三制御弁及び前記第二流体駆動式ブレーキに連結される電気駆動式の第四制御弁を有し、
前記第四制御弁と前記第二流体駆動式ブレーキの間に、前記第二流体駆動式ブレーキからの制御流体の還流を遅らせる第二流体遅延部が連結される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の流体発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体発電装置に関する。特に、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流れを利用して発電を行う流体発電装置として、例えば、風力発電装置が開発されている。そして、風力発電装置では、強風時における風車（羽根車）の損傷等を回避するため、過回転を防ぐ必要がある。
【０００３】
いわゆる水平軸型の風力発電装置においては、風車の羽根の取付角を変化させることにより、風車の過回転を防ぐことも可能である。しかし、いわゆる垂直軸型の風力発電装置においては、風車の羽根の取付角を変化させたとしても、風車の過回転を防ぐことができない。
このため、特に垂直軸型の風力発電装置においては、風車に連結された回転軸に対して直接又は間接に摩擦接触して、回転軸の回転を強制停止させるブレーキシステムが必須の構成となっている。
【０００４】
また、当該ブレーキシステムとしては、急停止による風車（羽根車）の損傷等を防止するため、ブレーキを徐々に作動させる必要がある。このようなブレーキシステムは、例えば、特許文献１，２等に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２９６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、フェイルセーフの観点から、上記ブレーキシステムとして、２つのブレーキを設けることが考えられる。
しかし、２つのブレーキを同時に作動させると、急停止による風車の損傷等が発生する虞が高くなる。また、２つのブレーキを選択的に作動させるブレーキシステムや、異なる２つのブレーキ機構を用いたブレーキシステムでは、構成が複雑になって製品コストの上昇を招いてしまう問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、羽根車の過回転を防ぐことができ、しかも、簡素な構成でフェイルセーフを実現できる流体発電装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る流体発電装置は、作動流体の移動により回転する羽根車と、前記羽根車とともに回転する回転軸と、前記回転軸の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電する発電機と、前記回転軸の回転を停止させる第一流体駆動式ブレーキ及び第二流体駆動式ブレーキと、制御流体供給源に連結された複数の制御弁を有し、前記第一流体駆動式ブレーキと前記第二流体駆動式ブレーキを解除した状態から、前記第一流体駆動式ブレーキを作動させた後に、前記第二流体駆動式ブレーキを作動させる流体制御部と、前記回転軸の回転に応じて、前記流体制御部を動作させるブレーキ制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、羽根車の過回転を確実に防ぐことができる。特に、２つのブレーキが同時に作動することがないので、羽根車の急停止による損傷等が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の概略構成図である。
【図３】第一実施形態に係るブレーキシステムの空気圧回路図である。
【図４】第二実施形態に係るブレーキシステムの空気圧回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、以下の説明において、空気圧用語、空気圧システム及び機器、図記号及び回路図については、例えばＪＩＳＢ０１２５−1、ＪＩＳＢ８３７３〜ＪＩＳＢ８３７５等に従っている。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１の外観図である。図２は、
本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１の概略構成図である。
【００１３】
図１に示すように、垂直軸型風力発電装置（流体発電装置）１は、風車１０の回転軸（回転主軸２０）が地面Ｆに対して垂直となるように設置される。つまり、風車１０の回転軸は、地面Ｆに沿って流れる風（作動流体）Ｗに対して常に交差する。
そして、垂直軸型風力発電装置１は、風向きに対して依存性がなく、どの方向からの風Ｗに対しても風車１０が回転できる。したがって、季節や時間帯で風向きが変動する場合であっても発電が可能である。
【００１４】
垂直軸型風力発電装置１は、主に、地面Ｆに対して垂直に立つように固定された支柱２と、この支柱２上に設置された風車部５から構成される。
【００１５】
図２に示すように、風車部５は、風Ｗを受けて回転する風車（羽根車）１０と、風車１０の回転中心に配置されて、風車１０と共に回転する回転主軸２０と、回転主軸２０の回転を利用して発電を行う発電部３０と、回転主軸２０の回転を停止させるブレーキシステム４０等から構成される。
また、風車部５は、回転主軸２０の一部、発電部３０及びブレーキシステム４０等を収容するケーシング６を備えている。そして、ケーシング６の底面が、支柱２の上端面に固定される。
【００１６】
風車１０は、翼に発生する揚力を利用して回転するジャイロミル型風車である。具体的には、風車１０は、回転主軸２０に対して平行に配置された複数の翼ブレード１１を有している。そして、複数の翼ブレード１１は、回転主軸２０の外周側の同一半径の位置に、均等角度間隔に配置される。本実施形態では、風車１０は、５つの翼ブレード１１を有している。
なお、各翼ブレード１１は、それぞれ、回転主軸２０に対して略直交に接続された一対の翼支持体１２を介して、その両端側が回転主軸２０に固定される。
【００１７】
各翼ブレード１１は、風Ｗを受けると揚力を発生する形状に成形されている。各翼ブレード１１に発生する揚力は、回転主軸２０の半径方向に対して交差する方向に発生するため、この揚力によって風車１０が一定方向に回転する。
【００１８】
風車１０の回転中心に配置された回転主軸（回転軸）２０は、その一端側が風車１０（翼ブレード１１）よりも下方（地面）側に向けて伸びている。そして、回転主軸２０のうち、下方側に向けて伸びた部分は、ケーシング６に対して回転可能に収容される。
【００１９】
ケーシング６は、二段階に半径が変化する円筒状部材であり、回転主軸２０の一部を複数のベアリング９を介して支持する小径の円筒形の第一ケーシング７と、第一ケーシング７の下方側において発電部３０及びブレーキシステム４０等を収容する大径の円筒形の第二ケーシング８から構成される。
【００２０】
発電部（発電機）３０は、回転主軸２０の回転によって得られる回転力を変換して電力を発電するものである。発電部３０は、第二ケーシング８の内部の下方側において、回転主軸２０の下端に連結配置される。
発電部３０は、回転主軸２０に連結されて、回転主軸２０と共に回転するマグネットロータ３２と、マグネットロータ３２の外周側を取り囲むように配置されたコイルステータ３４とから構成される。
そして、風車１０の回転が回転主軸２０を介してマグネットロータ３２に伝わって、マグネットロータ３２が風車１０及び回転主軸２０と同軸上で回転する。そして、第二ケーシング８に対して固定されたコイルステータ３４との間で、電磁誘導が発生して、電力が発電される。
なお、発電部３０において発電した電力は、不図示の整流回路を介してバッテリ３６に充電される。
【００２１】
［ブレーキシステムの第一実施形態］
ブレーキシステム４０は、回転主軸２０の回転が過回転となった際に、回転主軸２０の回転を停止させるものである。ブレーキシステム４０は、第二ケーシング８の内部の上方側に配置される。
ブレーキシステム４０は、回転主軸２０に連結されて、回転主軸２０と共に回転する回転ディスク４２と、回転ディスク４２に対して摩擦接触して、回転主軸２０の回転を制動する第一，第二ブレーキ４５，４６等から構成される。
【００２２】
ブレーキシステム４０は、上述したように、回転ディスク４２、第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６の他に、第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６の作動と解除を制御する空圧制御系５０と、回転主軸２０の回転数を検出して、空圧制御系５０を動作させるブレーキ制御部６０と、から構成される。
【００２３】
回転ディスク４２は、回転主軸２０に対して直交するように固定された金属性の円板部材である。
第一，第二ブレーキ（第一流体駆動式ブレーキ）４５，４６は、いわゆる空気ブレーキ（空気制動器の一種で、エアタンクに貯めた圧縮空気でブレーキをかける装置）であって、空気圧により駆動するエアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａを有している。エアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａとしては、具体的には、エアシリンダやダイヤフラム等が用いられる。
そして、第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６は、圧縮空気Ａの供給又は排出により本体からロッド４５Ｒ，４６Ｒを押し出し、その先端に設けた摩擦パッド４５Ｐを回転ディスク４２の主面に接触させる。これにより、第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６は、回転ディスク４２を介して、回転主軸２０及び風車１０に対して制動力を与えて、これらの回転を停止させる。
【００２４】
第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６の主構成要素であるエアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａは、共に単動型エアアクチュエータである。すなわち、本体に内蔵したバネやダイヤフラムの復元力によって、ロッド４５Ｒ，４６Ｒが常に一定方向に向けて付勢される。本実施形態では、エアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａは、圧縮空気Ａを排出すると、ロッド４５Ｒ，４６Ｒが本体から押し出される方向に常に付勢される。
【００２５】
第一，第二ブレーキ４５，４６（エアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａ）は、同一仕様のブレーキであって、回転ディスク４２に対してほぼ同一の摩擦力（制動力）を与えることができる。すなわち、第一，第二ブレーキ４５，４６は、ほぼ同一の停止能力を有する。そして、第一，第二ブレーキ４５，４６は、それぞれ単独で、風車１０の回転を停止させることができる能力を有している。
なお、第一，第二ブレーキ４５，４６は、回転主軸２０を中心にして、回転ディスク４２に対して、対称な位置に配置される。
【００２６】
図３は、ブレーキシステム４０の空圧制御系５０の空気圧回路図である。
空圧制御系（流体制御部）５０は、主に、圧縮空気（制御流体）Ａを生成する空気圧供給源５１と、空気圧供給源５１と第一ブレーキ４５の間に接続される第一制御弁５２と、空気圧供給源５１と第二ブレーキ４６の間に接続される第二制御弁５３と、第一制御弁５２と第二制御弁５３の間に接続されるタイムディレイバルブ（流体緩衝部）５４と、から構成されている。
【００２７】
空気圧供給源（制御流体供給源）５１は、エアコンプレッサー５１ａ、圧縮空気貯留タンク５１ｂ等から構成される。この空気圧供給源５１の下流側には、第一制御弁５２と第二制御弁５３が並列に接続される。
【００２８】
第一制御弁５２は、第一ブレーキ４５と空気圧供給源５１との間に配置（接続）される。
第一制御弁５２は、５ポート２位置方向の電磁弁（シングルソレノイド弁）である。また、第一制御弁５２は、ソレノイドの磁力を取り去ったとき、圧縮空気によって弁体が初期位置に復帰するプレッシャーリターン方式の単動操作方式制御弁でもある。
【００２９】
第一制御弁５２の圧縮空気入力用のＰポートには、空気圧供給源５１からの配管５８ａ（チューブ等）が接続される。
第一制御弁５２の圧縮空気出力用のＡポートには、第一ブレーキ４５のエアアクチュエータ４５Ａからの配管５８ｂが接続される。また、Ｂポートには、タイムディレイバルブ５４の入力側に繋がる配管５８ｃが接続される。
そして、排気用のＥＡポート、ＥＢポートには、それぞれサイレンサ（消音器）やスピードコントローラ（速度調整弁）が取り付けられる。
なお、第一制御弁５２として、４ポート２位置方向制御弁を用いていてもよい。
【００３０】
第二制御弁５３は、第二ブレーキ４６と空気圧供給源５１との間に接続される。
第二制御弁５３は、３ポート２位置方向制御弁である。また、第二制御弁５３は、流体駆動式（エアオペレーション式）の制御弁である。また、第二制御弁５３は、駆動用空気の圧力を取り去ったとき、バネの復元力によって弁体が初期位置に復帰するスプリングリターン方式の単動操作方式制御弁でもある。
【００３１】
第二制御弁５３の圧縮空気入力用のＰポートには、空気圧供給源５１からの配管５８ｄ（チューブ等）が接続される。
第二制御弁５３の圧縮空気出力用のＡポートには、第二ブレーキ４６のエアアクチュエータ４６Ａからの配管５８ｅが接続される。そして、排気用のＲポートには、サイレンサやスピードコントローラが取り付けられる。
なお、第二制御弁５３を駆動するための圧縮空気を入力するＰＡポートには、タイムディレイバルブ５４の出力側に繋がる配管５８ｆが接続される。
【００３２】
タイムディレイバルブ（第一流体遅延部）５４は、空気圧信号（圧縮空気Ａ）の伝達時間に遅れをもたせるものである。具体的には、タイムディレイバルブ５４は、並列配置された逆止弁と絞り弁からなるスピードコントローラ５４ａと、空気貯留タンク５４ｃと、流体駆動式の３ポート２位置方向制御弁５４ｄとから構成されている。
また、スピードコントローラ５４ａの入力側には、第一制御弁５２のＢポートに繋がる配管５８ｃが接続される。スピードコントローラ５４ａの出力側は、空気貯留タンク５４ｃを介して、制御弁５４ｄの駆動用空気入力ポートに接続される。
そして、制御弁５４ｄの圧縮空気入力用のＰポートには、空気圧供給源５１からの配管５８ｇが接続される。また、圧縮空気出力用のＡポートには、第二制御弁５３のＰＡポートに繋がる配管５８ｆが接続される。
【００３３】
図２に戻り、ブレーキ制御部６０は、回転主軸２０の回転数が閾値を超えた場合に、空圧制御系５０に指令を出して、空圧制御系５０を動作（ブレーキを作動）させるものである。
具体的には、ブレーキ制御部６０は、回転主軸２０の回転を検出する検出センサ６２と、検出センサ６２の検出結果に基づいて、回転主軸２０の回転が過回転であるか否かを判断し、過回転と判断した際には、空圧制御系５０を動作させる演算部６４と、から構成されている。
【００３４】
検出センサ６２としては、例えば、回転主軸２０に連結したロータリーエンコーダを用いることができる。
演算部６４には、検出センサ６２からの出力パルスを入力される。そして、演算部６４は、パルス数をカウントして、基準時間当りのパルス数が閾値を超えた場合には、空圧制御系５０を動作させる指令等を出力する。
本実施形態では、ブレーキ制御部６０（演算部６４）は、空圧制御系５０の第一制御弁５２への電気信号（及び駆動電力）を遮断することにより、空圧制御系５０を動作させる。
【００３５】
なお、ブレーキ制御部６０は、例えば１〜１０分間程度の回転主軸２０の回転数の平均値等から風速を求めてもよい。この求めた風速が閾値を超えた場合に空圧制御系５０を動作させる指令等を出力する。
このように、風速を求めるのは、実際の風速と風車１０（回転主軸２０）の回転数が必ずしも一対一に対応しないからである。風車１０には慣性力があるため、実際の風速が変化としても、風車１０の回転は遅れて変化（タイムラグが発生）するからである。
更に、回転主軸２０の回転数及び回転主軸２０の回転から求めた風速の両者がそれぞれの閾値を超えた場合に空圧制御系５０を動作させる指令等を出力してもよい。
風速を求める手段としては、検出センサ６２とは別に、回転主軸２０に連結した風速計を用いてもよい。
【００３６】
次に、ブレーキシステム４０（空圧制御系５０、ブレーキ制御部６０）の作用について説明する。
まず、図２，３に示すように、ブレーキシステム４０は、通常時（回転主軸２０の回転数が閾値以下の場合）には、第一ブレーキ４５及び第二ブレーキ４６が解除された状態となっている。すなわち、第一ブレーキ４５及び第二ブレーキ４６のロッド４５Ｒ，４６Ｒの先端に設けた摩擦パッド４５Ｐ，４６Ｐが、回転主軸２０に連結された回転ディスク４２から離れた位置に退避している。
【００３７】
この際、第一，第二ブレーキ４５，４６のエアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａには、常時、圧縮空気Ａが供給されている。
具体的には、ブレーキ制御部６０から第一制御弁５２への電気信号（制御信号）は、常にＯＮとなっており、これにより、第一制御弁５２のソレノイドの磁力の作用により、弁体が保持位置に移動した状態が維持される。
これにより、第一制御弁５２のＰポートとＡポートが繋がって、圧縮空気Ａが第一ブレーキ４５のエアアクチュエータ４５Ａに供給される。したがって、エアアクチュエータ４５Ａでは、ロッド４５Ｒが本体に向けて引っ込む方向に移動した状態が維持される。
【００３８】
一方、第二制御弁５３は、駆動流体である圧縮空気ＡがＰＡポートに入力されない状態が維持される。なぜなら、第一制御弁５２の弁体が保持位置に移動した状態となっているため、第一制御弁５２のＢポートからタイムディレイバルブ５４に向けて圧縮空気Ａが供給されず、したがって、タイムディレイバルブ５４の制御弁５４ｄが作動しないからである。
つまり、第二制御弁５３は、バネの復元力によって弁体が初期位置に復帰した状態が維持される。これにより、第二制御弁５３のＰポートとＡポートが繋がって、圧縮空気Ａが第二ブレーキ４６のエアアクチュエータ４６Ａに供給される。
したがって、エアアクチュエータ４６Ａでは、ロッド４６Ｒが本体に向けて引っ込む方向に移動した状態が維持される。
【００３９】
次いで、異常時（回転主軸２０の回転数が閾値を超えた場合）の作用について説明する。
上述したように、回転主軸２０の回転数が閾値を超えた場合には、ブレーキ制御部６０の演算部６４は、空圧制御系５０の第一制御弁５２への電気信号（及び駆動電力）をＯＦＦ（遮断）する。
ブレーキ制御部６０から第一制御弁５２への電気信号（制御信号）がＯＦＦになると、第一制御弁５２では弁体が自動的に初期位置に復帰する。なぜならば、第一制御弁５２は、プレッシャーリターン方式の単動操作方式制御弁だからである。
【００４０】
これにより、第一制御弁５２のＡポートとＥＢポートが繋がって、第一ブレーキ４５のエアアクチュエータ４５Ａに供給されていた圧縮空気Ａが還流して、ＥＢポートから外部に排出される。
圧縮空気Ａがエアアクチュエータ４５Ａから排気されると、ロッド４５Ｒが本体から押し出される方向に移動し始める。なぜなら、第一ブレーキ４５（エアアクチュエータ４５Ａ）は、本体にバネ等を内蔵した単動型エアアクチュエータだからである。
【００４１】
そして、第一ブレーキ４５では、本体から押し出されたロッド４５Ｒの先端の摩擦パッド４５Ｐが回転ディスク４２の主面に接触する。これにより、回転ディスク４２を介して、回転主軸２０及び風車１０に対して制動力が与えられて、風車１０の回転が停止する。
【００４２】
第一ブレーキ４５は、例えば数十秒から数分程度の時間をかけて、回転ディスク４２に対して徐々に制動力を与えるようになっている。急激に制動力を与えて、風車１０の回転を急停止すると、風車１０が慣性力により損傷、破壊してしまうからである。
なお、第一制御弁５２のＥＢポートに接続したスピードコントローラの開度等を調整することにより、第一ブレーキ４５の作動速度が調整される。
【００４３】
また、第一制御弁５２のＡポートとＥＢポートが繋がると同時に、ＰポートとＢポートが繋がる。これにより、タイムディレイバルブ５４に向けて圧縮空気Ａが供給される。
そして、タイムディレイバルブ５４では、第一制御弁５２から供給された圧縮空気Ａは、スピードコントローラ５４ａを介して、徐々に、空気貯留タンク５４ｃに向けて供給される。
その後、例えば数十秒から数分程度の時間をかけて空気貯留タンク５４ｃが圧縮空気Ａで満たされると、この圧縮空気Ａにより制御弁５４ｄが作動する。
こうして、制御弁５４ｄのＰポートとＡポートが繋がって、第二制御弁５３のＰＡポートに圧縮空気Ａが供給される。
【００４４】
第二制御弁５３のＰＡポートに圧縮空気Ａが供給されると、弁体が保持位置に移動する。これにより、第二制御弁５３のＡポートとＲポートが繋がって、第二ブレーキ４６のエアアクチュエータ４６Ａに供給されていた圧縮空気Ａが還流して、Ｒポートから外部に排出される。
そして、圧縮空気Ａがエアアクチュエータ４６Ａから排気されると、ロッド４６Ｒが本体から押し出される方向に移動し始める。なぜなら、第二ブレーキ４６（エアアクチュエータ４６Ａ）は、本体にバネ等を内蔵した単動型エアアクチュエータだからである。
【００４５】
そして、第二ブレーキ４６では、本体から押し出されたロッド４６Ｒの先端の摩擦パッド４６Ｐが回転ディスク４２の主面に接触する。
もっとも、回転ディスク４２は、すでに第一ブレーキ４５によって制動力が与えられて、風車１０の回転が停止した状態となっている。
つまり、タイムディレイバルブ５４の作用により、第一制御弁５２（第一ブレーキ４５）が作動してから、第二制御弁５３（第二ブレーキ４６）が作動するまでの間に、一分以上の時間がかかるようになっている。
なお、第一ブレーキ４５によって風車１０の回転を完全に停止させる場合に限らない。第一ブレーキ４５によって風車１０の回転が、例えば風速１ｍ時程度の回転数に相当する程度に減少（減速）した時に、第二ブレーキ４６が作動するようにしてもよい。
【００４６】
このように、ブレーキシステム４０では、異常時には、第一ブレーキ４５によって回転ディスク４２に制動力を与えて、風車１０の回転を停止させる。そして、風車１０が停止又は減速した後に、第二ブレーキ４６が作動するようになっている。つまり、第二ブレーキ４６は、フェイルセーフ設計に基づいて、設けられている。
すなわち、仮に第一ブレーキ４５により風車１０の回転を停止させることができなくなった場合であっても、第二ブレーキ４６により風車１０の回転を停止させることが可能となっている。
【００４７】
なお、第一ブレーキ４５により風車１０の回転を停止させることができなくなる場合としては、例えば、第一ブレーキ４５のロッド４５Ｒの先端の摩擦パッド４５Ｐが磨耗して、回転ディスク４２に対して十分な制動力（接触抵抗）を与えることができない場合や、ロッド４５Ｒが本体側に引っ掛かって押し出されなくなった場合等が考えられる。
【００４８】
また、第一ブレーキ４５によって風車１０の回転を停止又は減速させた後に、第二ブレーキ４６が作動するようになっているので、２つのブレーキが同時に作用して風車１０の急停止により損傷等してしまう事態を防止できる。
【００４９】
また、ブレーキシステム４０では、ブレーキ制御部６０の演算部６４から、空圧制御系５０の第一制御弁５２への電気信号（及び駆動電力）を遮断することで、第一ブレーキ４５，第二ブレーキ４６が作動するようになっている。したがって、停電等により、風車部５への電力供給が遮断した場合であっても、風車１０の回転を停止させることが可能となっている。
つまり、異常時（過回転時）に限らず、停電等の場合であっても、風車１０の回転を停止させるという、フェイルセーフ設計に基づいて、ブレーキ制御部６０が構築されている。
【００５０】
同様に、共通の空気圧供給源５１であるエアコンプレッサー５１ａが停止等した場合においても、第一ブレーキ４５，第二ブレーキ４６が作動するようになっている。つまり、空圧制御系５０もフェイルセーフ設計に基づいて構築されている。
【００５１】
［ブレーキシステムの第二実施形態］
次に、第二実施形態に係るブレーキシステム７０について説明する。なお、第一実施形態に係るブレーキシステム４０と同一の機器、部材等には、同一の符号を付して、その説明を省略等する。
【００５２】
ブレーキシステム７０は、回転ディスク４２、第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６の他に、第一ブレーキ４５、第二ブレーキ４６の作動と解除を制御する空圧制御系８０と、回転主軸２０の回転数を検出して、空圧制御系５０を動作させるブレーキ制御部９０と、から構成される。
【００５３】
図４は、ブレーキシステム７０の空圧制御系８０の空気圧回路図である。
空圧制御系（流体制御部）８０は、主に、圧縮空気Ａを生成する空気圧供給源５１と、空気圧供給源５１と第一ブレーキ４５の間に接続される第三制御弁８１と、空気圧供給源５１と第二ブレーキ４６の間に接続される第四制御弁８２と、第四制御弁８２と第二ブレーキ４６の間にマニホールド（分岐部材）８９ｈを介して接続されるエアタンク８５と、から構成されている。
【００５４】
更に、空圧制御系８０は、第三制御弁８１と第一ブレーキ４５の間にマニホールド８９ｃを介して接続される第五制御弁８３と、第四制御弁８２と第二ブレーキ４６の間にマニホールド８９ｈを介して接続される第六制御弁８４と、を有している。
【００５５】
第三制御弁８１〜第六制御弁８４は、いずれもノーマルクローズ型の３ポート２位置方向の電磁弁（シングルソレノイド弁）である。つまり、第三制御弁８１〜第六制御弁８４は、ソレノイドの磁力を取り去ったとき、バネの復元力によって弁体が初期位置に復帰するスプリングリターン方式の単動操作方式制御弁である。
【００５６】
第三制御弁８１の圧縮空気入力用のＰポートには、空気圧供給源５１からの配管８９ａ（チューブ等）が接続される。第三制御弁８１の圧縮空気出力用のＡポートには、レギュレータ（減圧弁）８６ａを介してマニホールド８９ｃからの配管８９ｂが接続される。
マニホールド８９ｃには、第三制御弁８１からの配管８９ｂの他、第一ブレーキ４５からの配管８９ｄ、第五制御弁８３のＲポートに繋がる配管８９ｅが接続される。なお、第五制御弁８３のＡポートには、スピードコントローラ８７が接続される。
【００５７】
第四制御弁８２の圧縮空気入力用のＰポートには、空気圧供給源５１からの配管８９ｆが接続される。第四制御弁８２の圧縮空気出力用のＡポートには、レギュレータ８６ｂを介してマニホールド８９ｈからの配管８９ｇが接続される。
マニホールド８９ｈには、第四制御弁８２からの配管８９ｇの他、第二ブレーキ４６からの配管８９ｉ、第六制御弁８４のＲポートに繋がる配管８９ｊが接続される。なお、第六制御弁８４のＡポートには、スピードコントローラ８８が接続される。
更に、上述したように、マニホールド８９ｈには、エアタンク（第二流体遅延部、制御流体貯留タンク）８５も接続される。
【００５８】
ブレーキ制御部９０は、ブレーキ制御部６０と略同一構成である。すなわち、回転主軸２０の回転を検出する検出センサ６２と、検出センサ６２の検出結果に基づいて、回転主軸２０の回転が過回転であるか否かを判断し、過回転と判断した際に空圧制御系８０を動作させる演算部６４と、から構成されている。
本実施形態では、ブレーキ制御部９０（演算部６４）は、空圧制御系８０の第三制御弁８１〜第六制御弁８４への電気信号（及び駆動電力）をＯＦＦ（遮断）することにより、空圧制御系８０を動作させる。
【００５９】
次に、ブレーキシステム７０（空圧制御系８０、ブレーキ制御部９０）の作用について説明する。
まず、ブレーキシステム７０は、通常時には、第一ブレーキ４５及び第二ブレーキ４６が解除されている。すなわち、第一ブレーキ４５及び第二ブレーキ４６のロッド４５Ｒ，４６Ｒの先端に設けた摩擦パッド４５Ｐ，４６Ｐが、回転主軸２０に連結された回転ディスク４２から離れた位置に退避している。
【００６０】
この際、第一，第二ブレーキ４５，４６のエアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａには、常時、圧縮空気Ａが供給された状態となっている。
具体的には、ブレーキ制御部９０から第三制御弁８１，第四制御弁８２への電気信号（制御信号）は、常にＯＮとなっている。これにより、第三制御弁８１，第四制御弁８２のソレノイドの磁力の作用により、弁体が保持位置に移動した状態が維持される。
したがって、第三制御弁８１，第四制御弁８２のＰポートとＡポートが繋がって、圧縮空気Ａが第一，第二ブレーキ４５，４６のエアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａに供給される。したがって、エアアクチュエータ４５Ａ，４６Ａでは、ロッド４５Ｒ，４６Ｒが本体に向けて引っ込む方向に移動した状態が維持される。
【００６１】
また、第五制御弁８３，第六制御弁８４においても、ブレーキ制御部９０からの電気信号（制御信号）は、常にＯＮとなっている。これにより、第三制御弁８１，第四制御弁８２のソレノイドの磁力の作用により、弁体が保持位置に移動した状態が維持される。
したがって、第五制御弁８３，第六制御弁８４のＰポートとＡポートが繋がる状態となり、圧縮空気Ａが第五制御弁８３，第六制御弁８４を介して外部に排気されない状態が維持される。
なお、マニホールド８９ｈに接続されたエアタンク８５には、第四制御弁８２からの圧縮空気Ａが供給され、圧縮空気Ａが満たされる。
【００６２】
次いで、異常時の動作について説明する。
上述したように、回転主軸２０の回転数が閾値を超えた場合には、ブレーキ制御部９０の演算部６４は、空圧制御系８０の第三制御弁８１〜第六制御弁８４への電気信号（及び駆動電力）をＯＦＦ（遮断）する。
すると、第三制御弁８１〜第六制御弁８４では、弁体が自動的に初期位置に復帰する。なぜならば、第三制御弁８１〜第六制御弁８４は、スプリングリターン方式の単動操作方式制御弁だからである。
【００６３】
これにより、第三制御弁８１のＡポートとＲポートが繋がって、圧縮空気Ａの供給が遮断される。その一方で、第五制御弁８３のＡポートとＲポートが繋がって、第一ブレーキ４５のエアアクチュエータ４５Ａに供給されていた圧縮空気Ａが還流して、Ａポートから外部に排出される。
圧縮空気Ａがエアアクチュエータ４５Ａから排気されると、ロッド４５Ｒが本体から押し出される方向に移動し始める。なぜなら、第一ブレーキ４５（エアアクチュエータ４５Ａ）は、本体にバネ等を内蔵した単動型エアアクチュエータだからである。
【００６４】
そして、第一ブレーキ４５では、本体から押し出されたロッド４５Ｒの先端の摩擦パッド４５Ｐが回転ディスク４２の主面に接触する。これにより、回転ディスク４２を介して、回転主軸２０及び風車１０に対して制動力が与えられて、風車１０の回転が停止する。
第一ブレーキ４５は、例えば数十秒から数分程度の時間をかけて、回転ディスク４２に対して徐々に制動力を与えるようになっている。急激に制動力を与えて、風車１０の回転を急停止すると、風車１０が慣性力により損傷、破壊してしまうからである。
なお、第五制御弁８３のＡポートに接続したスピードコントローラ８７の開度を調整することにより、第一ブレーキ４５を作動速度が調整される。
【００６５】
同時に、第四制御弁８２では、ＡポートとＲポートが繋がって、圧縮空気Ａの供給が遮断される。その一方で、第六制御弁８４のＡポートとＲポートが繋がって、第二ブレーキ４６のエアアクチュエータ４６Ａに供給されていた圧縮空気Ａが還流して、Ａポートから外部に排出される。
【００６６】
そして、エアタンク８５とエアアクチュエータ４５Ａから圧縮空気Ａが排気されると、ロッド４６Ｒが本体から押し出される方向に移動し始める。同時に、第二ブレーキ４６のエアアクチュエータ４６Ａに供給されていた圧縮空気Ａと共に、マニホールド８９ｈに接続されたエアタンク８５に供給されていた圧縮空気Ａも、第六制御弁８４のＡポートから外部に排出される。
すなわち、第六制御弁８４からは、エアタンク８５に供給されていた圧縮空気Ａの分だけ、第五制御弁８３よりも多量の圧縮空気Ａが排出される。したがって、エアタンク８５の圧縮空気Ａを排出する分だけ、第二ブレーキ４６が作動する時間（所要時間）が、第二ブレーキ４６が作動する時間よりも遅れることになる。
【００６７】
そして、第二ブレーキ４６では、本体から押し出されたロッド４６Ｒの先端の摩擦パッド４６Ｐが回転ディスク４２の主面に接触する。
もっとも、回転ディスク４２は、すでに第一ブレーキ４５によって制動力が与えられて、風車１０の回転が停止した状態となっている。
つまり、エアタンク８５の作用により、第一ブレーキ４５が作動してから、第二ブレーキ４６が作動するまでの間に、一分以上の時間がかかるようになっている。
なお、第一ブレーキ４５によって風車１０の回転を完全に停止させる場合に限らない。第一ブレーキ４５によって風車１０の回転が、例えば風速１ｍ時程度の回転数に相当する程度に減少（減速）した時に、第二ブレーキ４６が作動するようにしてもよい。
【００６８】
このように、ブレーキシステム７０では、ブレーキシステム４０と同様の効果を奏する。すなわち、ブレーキシステム７０では、異常時には、第一ブレーキ４５によって回転ディスク４２に制動力を与えて、風車１０の回転を停止させる。そして、風車１０が停止又は減速した後に、第二ブレーキ４６が作動する。
つまり、仮に第一ブレーキ４５により風車１０の回転を停止させることができなくなった場合であっても、第二ブレーキ４６により風車１０の回転を停止させることが可能となっている。
【００６９】
また、第一ブレーキ４５によって風車１０の回転を停止又は低減させた後に、第二ブレーキ４６が作動するようになっているので、２つのブレーキが同時に作用して風車１０の急停止により損傷等してしまう事態を防止できる。
【００７０】
また、ブレーキシステム７０では、ブレーキ制御部９０の演算部６４から、空圧制御系８０の第三制御弁８１〜第六制御弁８４への電気信号（及び駆動電力）を遮断することで、第一ブレーキ４５，第二ブレーキ４６が作動するようになっている。したがって、停電等により、風車部５への電力供給が遮断した場合であっても、風車１０の回転を停止させることが可能となっている。
つまり、異常時（過回転時）に限らず、停電等の場合であっても、風車１０の回転を停止させるという、フェイルセーフ設計に基づいて、ブレーキ制御部９０が構築されている。
【００７１】
同様に、共通の空気圧供給源５１であるエアコンプレッサー５１ａが停止等した場合においても、第一ブレーキ４５，第二ブレーキ４６が作動するようになっている。つまり、空圧制御系５０もフェイルセーフ設計に基づいて構築されている。
【００７２】
なお、ブレーキシステム７０では、第五制御弁８３，第六制御弁８４として、ノーマルクローズ型の３ポート２位置方向の電磁弁（シングルソレノイド弁）に代えて、ノーマルオープン型の３ポート２位置方向の電磁弁を用いてもよい。
また、ブレーキシステム７０では、４つの電磁弁（第三制御弁８１〜第六制御弁８４）を用いる場合について説明したが、これに限らない。第五制御弁８３，第六制御弁８４を省略して、第三制御弁８１，第四制御弁８２のＲポートにスピードコントローラを取り付けてもよい。
【００７３】
以上、説明したように、本発明によれば、風車１０の過回転を確実に防ぐことができる。特に、第一ブレーキ４５，第二ブレーキ４６が同時に作動することがないので、風車１０の急停止による損傷等が防止できる。
また、簡素な構成でフェイルセーフを実現したブレーキシステム４０，７０を備える垂直軸型風力発電装置１が得られる。つまり、複数のブレーキ制御系を具備することなく、一つ（同一）のブレーキ制御系により、フェイルセーフを実現することができる。
また、制御電源や制御流体の供給が停止した場合であっても、風車１０の回転を確実に停止させることができる。
【００７４】
なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００７５】
例えば、上述の実施形態では、垂直軸型風力発電装置について説明したが、水平軸型水力発電装置であってよい。
【００７６】
垂直軸型風力発電装置（垂直軸型風車）としては、ジャイロミル型に限らない。ダリウス型、直線翼型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、Ｓ型ロータ型等であってもよい。
【００７７】
また、作動流体として、風力に限らず、水力であってもよい。つまり、本発明は、水力発電装置に適用することができる。
【００７８】
また、制御流体として、圧縮空気に限らず、油（油圧）等を用いても良い。
【符号の説明】
【００７９】
1…垂直軸型風力発電装置（流体発電装置）、  １０…風車（羽根車）、  ２０…回転主軸（回転軸）、  ３０…発電部（発電機）、  ４０…ブレーキシステム、  ４５…第一ブレーキ（第一流体駆動式ブレーキ）、  ４５Ａ…エアアクチュエータ（単動型エアアクチュエータ）、  ４６…第二ブレーキ（第二流体駆動式ブレーキ）、  ４６Ａ…エアアクチュエータ（単動型エアアクチュエータ）、  ５０…空圧制御系（流体制御部）、  ５１…空気圧供給源（制御流体供給源）、  ５２…第一制御弁（制御弁）、  ５３…第二制御弁（制御弁）、  ５４…タイムディレイバルブ（第一流体遅延部）、  ６０…ブレーキ制御部、  ７０…ブレーキシステム、  ８０…空圧制御系（流体制御部）、  ８１…第三制御弁（制御弁）、  ８２…第四制御弁（制御弁）、  ８３…第五制御弁（制御弁）、  ８４…第六制御弁（制御弁）、  ８５…エアタンク（第二流体遅延部、制御流体貯留タンク）、  ９０…ブレーキ制御部、  Ｗ…風（作動流体）、  Ａ…圧縮空気（制御流体）、  Ｆ…地面
【図１】
0005518582.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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