(57)【要約】【課題】風力を利用した発電システムで、保守性に優れ、塔の上部に設置されたナセルの小型・軽量化が可能な発電システムを提供することにある。【解決手段】発電システムＰは、風車１と、流体圧ポンプ２１と、オリフィス２３と、発電部４とを具える。風車１は風力により回転する。流体圧ポンプ２１は、上記風車１の回転に連動して駆動し、作動流体を圧送する。オリフィス２３は、上記流体圧ポンプ２１で圧送される上記作動流体の流路の途中で流路断面積を絞る。発電部４は、上記オリフィス２３を通過後に前記作動流体に生じた熱を利用して発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力により回転する風車と、
前記風車の回転に連動して駆動し、作動流体を圧送する流体圧ポンプと、
前記流体圧ポンプで圧送される前記作動流体の流路の途中で流路断面積を絞るオリフィスと、
前記オリフィスを通過後に前記作動流体に生じた熱を利用して発電する発電部とを具えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
さらに、前記作動流体に生じた熱を熱媒体に伝達する熱交換部を具え、
前記発電部は、前記熱交換部によって伝達される前記熱媒体の熱を利用して発電することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記熱媒体は、前記作動流体よりも沸点が低いことを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記作動流体には油を、
前記熱媒体には水を用いることを特徴とする請求項２または３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電部で発電するために利用する熱を蓄える蓄熱器を具えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力を利用して発電する発電システムに関する。特に、風車の回転エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを利用して発電する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガス削減の観点から、風力などの再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されている。
【０００３】
例えば非特許文献１、２には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電する。つまり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出す。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車（風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車）を取り付けた構造が一般的である。
【０００４】
ナセルには、風車の軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める（例えば１：１００）ものであり、ギアボックスが組み込まれている。また、ナセルには、増速機を設けない場合（ギアレスの可変速式）もあり、その場合は、ナセル内には発電機の極数を増やす多極発電機を用いている。
【０００５】
そして、風力発電では、風力の変動に伴い発電出力（発電量）が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。
【０００６】
最近では、発電コストを下げるため、風車（風力発電システム）を大型化する傾向があり、風車の直径が１２０ｍ以上、１基当たりの出力が５ＭＷクラスの風力発電システムが実用化されている。このような大型の風力発電システムは、巨大かつ重量物であることから、洋上に建設されるケースが多い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“風力発電（01‐05‐01‐05）”、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年4月20日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/>
【非特許文献２】“風力講座”、［online］、三菱重工業株式会社、[平成21年4月20日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_0101.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように増速機を用いる風力発電システムでは、その増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによる故障が多くみられる。ギアボックスが故障すると、通常はギアボックスを交換することで対処しているが、塔の上部にナセルが設置されている場合は、ギアボックスの取り付け・取り外しに多大な時間と労力を要する。
【０００９】
一方、増速機を必要としないギアレスの可変速式の場合、発電機の極数を増やす必要があるため、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化する。特に、５ＭＷクラスの大型の風力発電システムでは、発電機の重量が３００トンを超えるものと考えられ、ナセル内に配置することが困難である。
【００１０】
また、蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。また、大型の風力発電システムの場合では、発電量に応じた大容量の蓄電池が必要であり、システム全体としてのコスト増大を招く。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、風力を利用した発電システムで、保守性に優れ、塔の上部に設置されたナセルの小型・軽量化が可能な発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、風エネルギーを電気エネルギーとして取り出す構成に工夫を施すことで上記目的を達成する。
【００１３】
本発明の発電システムは、風車と、流体圧ポンプと、オリフィスと、発電部とを具える。風車は風力により回転する。流体圧ポンプは、上記風車の回転に連動して駆動し、作動流体を圧送する。オリフィスは、上記流体圧ポンプで圧送される上記作動流体の流路の途中で流路断面積を絞るものである。そして、発電部は、上記オリフィスを通過後に前記作動流体に生じた熱を利用して発電する。
【００１４】
上記発電システムは、風車で駆動する流体圧ポンプとオリフィスの組み合わせにより作動流体を加熱し、その熱を発電に利用するものであり、新規な発電システムである。つまり、風のエネルギーを風車の回転エネルギーから熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出すものである。
【００１５】
一般に風車は回転速度が低速であるが得られるトルクは大きい。本発明の発電システムによれば、その大きなトルクの利用により、流体圧ポンプは作動流体を高圧で排出することができる。そのため、作動流体をオリフィスに通過させて十分な熱を発生させることができる。したがって、増速機を用いる必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。
【００１６】
また、多極発電機と比較して流体圧ポンプおよびオリフィスの組み合わせは小型・軽量である。そして、風車の回転エネルギーを熱エネルギーに変換してその熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出して発電するため、発電機をナセル内に設ける必要がない。したがって、ナセルを小型・軽量化することができる。
【００１７】
本発明発電システムの一形態として、さらに、上記作動流体に生じた熱を熱媒体に伝達する熱交換部を具え、上記発電部は、上記熱交換部によって伝達される上記熱媒体の熱を利用して発電することが挙げられる。
【００１８】
上記の構成によれば、発電部で発電するのに十分な圧力を、高温化した作動流体自体で得ることが難しい場合でも、発電部で発電することができる。例えば、発電部に蒸気タービンを使用して発電する場合、その蒸気タービンを駆動するには、作動流体と異なる流体であって、蒸気タービンを駆動するのに十分な圧力を得られる熱媒体を用いる。この熱媒体は、熱交換部で作動流体から熱を受けて高温高圧となり、蒸気タービンの駆動に利用される。特に、作動流体は液体のままで循環される流体を用い、熱媒体は液体と気体の状態変化を伴う流体を選択することで、作動流体には流体圧ポンプとオリフィスとで熱を生じさせるのに適切な流体を、熱媒体には作動流体により発生した熱を受けて発電に利用するのに適切な流体を選択することができる。
【００１９】
本発明発電システムの一形態として、上記作動流体に生じた熱を熱媒体に伝達する熱交換部を具え、上記発電部は、上記熱交換部によって伝達される上記熱媒体の熱を利用して発電する場合、上記熱媒体は、上記作動流体よりも沸点が低いことが挙げられる。
【００２０】
上記の構成によれば、熱媒体の方が作動流体よりも沸点が低いので、作動流体から熱媒体への熱伝達により、熱媒体を蒸気化して高圧を得易い。例えば、発電するのに蒸気タービンを利用する場合、作動流体に加圧あるいは熱媒体を減圧するなどの必要以上のエネルギーを付加する必要なく熱媒体を蒸気化して発電することができる。
【００２１】
また、作動流体を液体の状態のままでも維持しておける。そのため、流体圧ポンプとオリフィスとで作動流体同士を衝突させるとき、液体同士の衝突であれば大きな摩擦熱を得易く、作動流体を加熱し易くなる。その結果、熱媒体に熱を伝達し易くなる。
【００２２】
本発明発電システムの一形態として、上記作動流体に生じた熱を熱媒体に伝達する熱交換部を具え、上記発電部は、上記熱交換部によって伝達される上記熱媒体の熱を利用して発電する場合、上記作動流体には油を、上記熱媒体には水を用いることが挙げられる。
【００２３】
上記の構成によれば、油は水よりも比熱が小さいうえに粘性が高いので流体摩擦によって温度を高め易い。また、作動流体に流体摩擦を生じさせる際、油の方が水よりも圧縮率が高いので、流体圧ポンプによる作動流体への圧力の付加とオリフィスの通過によって、流体同士を衝突（摩擦）させるのに強い力を生み出せる。したがって、高熱エネルギーを得ることができるので、熱媒体に熱を伝達するのに十分な熱エネルギーを得ることができる。また、熱媒体に水を使用するので、仮に漏れなどが生じても環境に及ぼす影響が実質的にない。
【００２４】
本発明発電システムの一形態として、上記発電部で発電するために利用する熱を蓄える蓄熱器を具えることが挙げられる。
【００２５】
上記の構成によれば、発電するために利用する熱を蓄熱器に蓄えることができ、風況に左右されることなく、必要に応じてその熱を取り出すことができる。また、風力を利用しているが、長期間にわたって無風状態が続くことはまれであり、風力による発電不能期間の電力を補償するための蓄熱器を小規模のものとすることができる。
【００２６】
さらに、発電に利用する熱を蓄熱器に蓄えて利用するので、蓄電システムを設置する必要がない。つまり、システムの簡略化と、電力損失およびコストの低減とを図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の発電システムは、風車で駆動する流体圧ポンプとオリフィスとを組み合わせる構成としたことで、風車が低速でも十分な熱を発生させることが可能であるため、増速機を用いる必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る発電システムの一例を示し、（Ａ）は全体構成を示す概略図、（Ｂ）は発熱装置内の説明概略図である。
【図２】実施形態２に係る発電システムの一例を示し、（Ａ）は全体構成を示す概略図、（Ｂ）は発熱装置内の説明概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。ここでは、風力を利用して流体摩擦により熱を生じさせ、その熱を利用して発電する発電システムを図１に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００３０】
＜＜発電システム＞＞
＜実施形態１＞
図１（Ａ）に示すように、実施形態１に係る発電システムＰは、風車１と、発熱装置２と、熱交換部３と、発電部４とを備える。各構成の詳細を以下に示す。
【００３１】
［風車］
風力によって回転する風車１は、水平方向に延びる回転軸１１の先に固定されたハブ１２に、このハブ１２を中心に３枚のブレード１０を放射状に取り付けたものである。この風車１は、回転軸１１を介してナセル１０２に支持され、ナセル１０２は、基礎（土台）から鉛直上方に延びる塔１０１の上端に支持されている。この塔１０１内には、塔１０１の下方からナセル１０２内に作動流体を流通させる供給管１０３と、ナセル１０２内から塔１０１の下方へ作動流体を流通させる排出管１０４とが設けられている。
【００３２】
[発熱装置]
発熱装置２は、風車１の回転を利用して流体摩擦により熱を発生させる装置で、上記ナセル１０２の内部に設けられている。この発熱装置２は、図１（Ｂ）に示すように、入管路２０と、流体圧ポンプ２１と、出管路２２と、オリフィス２３とを具えている。まず、装置の構成を説明し、その後、その装置を用いて熱を発生させる原理を説明する。
【００３３】
（流体圧ポンプ）
流体圧ポンプ２１は、風車１の回転エネルギー（運動エネルギー）を圧力エネルギーに変換するためのもので、熱を発生させるのに用いる作動流体を、入管路２０を介して吸引し、同ポンプ内で加圧してから出管路２２を介して排出する。この流体圧ポンプ２１には、風車１の回転に連動して駆動するように回転軸１１が直結されている。風車１は回転速度が低速であっても大トルクを得られるので、上記のように直結されていると、流体圧ポンプ２１はその大トルクを利用することができて好ましい。
【００３４】
この流体圧ポンプ２１の吐出量は、塔１０１の下方とナセル１０２との間を行き来することができる程度の吐出量であればよいし、流体圧ポンプ２１の圧力は、作動流体に所望の圧力を付加することができる程度であればよい。
【００３５】
この流体圧ポンプ２１により吸引・加圧・排出される作動流体には、作動流体同士の衝突により十分な熱を発生させることができるものであればよく、特に粘性の高いものを利用すると衝突の際に生じる摩擦（熱エネルギー）が大きくて好ましい。例えば、オレフィン、パラフィン油、シリコーン油などの油が挙げられる。
【００３６】
（入・出管路）
入管路２０と出管路２２は、共に、作動流体が流れるものであり、両管路２０、２２は、流体圧ポンプ２１で連結されている。両管路２０、２２のうち、入管路２０は、そのもう一方の端部が塔の下方に伸びる供給管１０３に接続されており、流体圧ポンプ２１によって吸引される作動流体が塔１０１の下方から供給管１０３を介して流通される。
【００３７】
一方、出管路２２は、そのもう一方の端部が塔１０１の下方に伸びる排出管１０４に接続されている。この出管路２２には、液体圧ポンプ２１により吸引されて入管路２０を通ってきた作動流体が、流体圧ポンプ２１によってさらに加圧されて出管路２２に排出される。この出管路２２の構成は、流体圧ポンプ２１の圧力に耐えることができる程度の強度と耐熱性を具えていることが必要である。
【００３８】
（オリフィス）
出管路２２の途中には、作動流体の流路断面積を絞るオリフィス２３が設けられている。作動流体は、このオリフィス２３を通過することで、下流側に高速で噴射される。このオリフィス２３を設ける位置は、流体圧ポンプ２１により圧送された作動流体の流路の途中にあればよく、適宜選択するとよい。
【００３９】
オリフィス２３の孔形状は、流体圧ポンプ２１によって圧送される作動流体を高速噴射することができるような形状であればよい。その孔径としては、特に、オリフィス２３を通過して高速噴射された作動流体が、オリフィス２３の出口側に停滞している作動流体に衝突することで、所望の熱が発生することができる程度の孔径を適宜選択することが挙げられる。
【００４０】
オリフィス２３の厚みと材質は、流体圧ポンプ２１が圧送する作動流体による圧力に耐えられるよう適宜選択すればよい。
【００４１】
（発熱原理）
以上の上記発熱装置２を用いて熱を発生させる原理としては、まず、風車１の回転運動を回転軸１１によって流体圧ポンプ２１に伝達して同ポンプ２１が駆動する。その流体圧ポンプ２１により、入管路２０を通して塔１０１の下方から作動流体が吸い上げられる。次に、作動流体はさらに流体圧ポンプ２１により加圧され、出管路２２に圧送される。圧送された作動流体は、その出管路２２の途中に設けられているオリフィス２３を通過することで高速に噴射される。すると、高速で噴射された作動流体は、オリフィス２３の後方に停滞して存在する作動流体に衝突する。その結果、作動流体同士の衝突、摩擦によって熱が発生する。この発生装置２により、作動流体を例えば１００℃〜６００℃、好ましくは２５０℃〜４００℃まで加熱する。つまり、風車１の回転エネルギーを流体圧ポンプ２１により圧力エネルギーに変換し、さらに圧力エネルギーをオリフィス２３により運動エネルギーに変換して、オリフィス２３の出口流路において作動流体の衝突、摩擦により熱エネルギーに変換する。
【００４２】
本例では、作動流体に油を使用して説明したが、作動流体が所望の温度となるように、さらに作動流体の他、流体圧ポンプの圧送量、オリフィスの形態等を適宜選択すればよい。
【００４３】
このようにして、オリフィス２３を通過して加熱された作動流体は、発熱装置２の出管路２２から排出管１０４を介して塔１０１の下方に設けられる建屋１０５内の熱交換部３に送られる。
【００４４】
［熱交換部］
熱交換部３は、上記発熱装置２で加熱された作動流体の熱を熱媒体に伝達するもので、熱交換部３内に作動流体の熱を熱媒体に伝達する熱交換管３０を具えている。その熱交換管３０の一方の端部に排出管１０４が、他方の端部に供給管１０３が接続され、それにより排出管１０４によって輸送される作動流体が熱交換管３０を通って供給管１０３へと送られる。そして作動流体は、その供給管１０３を通って、発熱装置２内の流体圧ポンプ２１により発熱装置２に供給される。つまり、作動流体は発熱装置２と熱交換部３との間で循環される。本例では、上記のように発熱装置２内に設けられる流体圧ポンプ２１で作動流体を循環しているが、発熱装置２に作動流体を送るための循環ポンプを供給管の途中に別途設けてもよい。
【００４５】
また、熱交換部３内には、作動流体の熱を受け取る熱媒体が流通する熱媒体導管５１が設けられている。この熱媒体導管５１を熱媒体が流れることで、その熱媒体は熱交換管３０を流れる作動流体から熱を受け取り加熱されて蒸発する。この熱交換により、熱媒体を例えば１００℃〜４００℃、好ましくは２００℃〜３５０℃まで加熱し、熱媒体の蒸気を発生させる。
【００４６】
上記熱交換により加熱される熱媒体には、本例では水を用いるが、作動流体よりも沸点温度が低いものであればよい。もちろん、水よりも低い温度で蒸気化する低沸点媒体を用いてもよい。具体的には、アルコール、アンモニア、ペンタンなどが挙げられる。作動流体よりも低い沸点温度の熱媒体を用いることで、作動流体の熱で熱媒体を蒸気化し易い。
【００４７】
そして、上記熱交換管３０を介する熱交換により蒸発した上記熱媒体は、熱媒体導管５１を介して発電部４に送られる。
【００４８】
［発電部］
発電部４は、熱交換部３で加熱された熱媒体の熱を利用して発電する。本例では、蒸気タービン４１と発電機４２を組み合わせた構成であり、熱媒体導管５１を介して供給される蒸気によって蒸気タービン４１が回転し、発電機４２が駆動して発電する。
【００４９】
また、発電部４（蒸気タービン４１）から排出された熱媒体の蒸気は、復水器５２に送られて冷却され、液体に戻される。そして、液体に戻された熱媒体が循環ポンプ５３により熱媒体導管５１に供給され、熱交換部３と発電部４との間で熱媒体が循環するように構成されている。
【００５０】
［作用効果］
上述した実施形態に係る発電システムによれば、以下の効果を奏する。
【００５１】
（１）風力を利用して熱を発生させるのに、流体圧ポンプとオリフィスとを組み合わせる構成としたことで、風車が低速でも十分な熱を発生させることが可能である。そのため、増速機を用いる必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。
【００５２】
（２）風車の回転エネルギーを熱エネルギーに変換してその熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出すため、ナセル内に発電機を設ける必要がなく、発電機を地上などの設置自由度の高い箇所に設置することができる。そのため、ナセルを小型・軽量化することができる。
【００５３】
（３）流体圧ポンプとオリフィスの組み合わせにより流体摩擦で熱を発生させているため、固体同士の摩擦に伴う部材の摩耗がない。したがって、固体同士の摩擦と違って、摩耗する部材の交換などが不要となり、その交換の手間もかからない。
【００５４】
＜実施形態２＞
実施形態２は、蓄熱器を具える点が実施形態１と相違する。以下、図２を参照して蓄熱器５を具える構成について説明する。その他の点については、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００５５】
［蓄熱器］
蓄熱器５は、発熱装置で発生した熱を蓄えるものであり、さらに本例では、発電に必要な熱を取り出すことができる熱交換機能も有する。その場合、蓄熱器５内に蓄熱材が充填されると共に、熱交換管３０と熱媒体導管５１とが配置されている。そして、熱交換管３０に流れる作動流体によって蓄熱材に熱を蓄える。そして、熱媒体導管５１には、熱媒体が流通しているので、蓄熱材と熱媒体との熱交換により、熱媒体導管５１内の熱媒体を蒸気化する。
【００５６】
この蓄熱器５としては、例えば、蒸気アキュムレーターや、溶融塩や油などを用いた顕熱型、或いは、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型の蓄熱器を利用することができる。潜熱型の蓄熱方式は蓄熱材の相変化温度で蓄熱を行うため、一般に、顕熱型の蓄熱方式に比べて蓄熱温度域が狭帯域であり、蓄熱密度が高い。
【００５７】
［作用効果］
上述した実施形態２に係る発電システムによれば、発電に利用する熱を蓄熱器に蓄えることができ、風況に左右されることなく、必要に応じてその熱を取り出すことができるので安定して発電することができる。
【００５８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１で説明した発熱装置で加熱した作動流体を、熱交換部で熱媒体に熱伝達することなく直接発電に利用してもよい。その場合、排出管を直接発電部に接続して、その排出管を介して輸送される作動流体の熱で発電すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の発電システムは、風力を利用して発電するのに好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
Ｐ  発電システム
１  風車
１０  ブレード  １１  回転軸  １２  ハブ
１０１  塔  １０２  ナセル  １０３  供給管  １０４  排出管  １０５  建屋
２  発熱装置
２０  入管路  ２１  流体圧ポンプ  ２２  出管路  ２３  オリフィス
３  熱交換部
３０  熱交換管
４  発電部
４１  蒸気タービン  ４２  発電機
５  蓄熱器
５１  熱媒体導管  ５２復水器  ５３  熱媒体循環ポンプ
【図１】
2011236790.tif 000003
【図２】
2011236790.tif 000004