(57)【要約】【課題】  貯蔵された圧縮空気を補助的に利用する風力発電装置を提供する。【解決手段】  風力発電装置が第１及び第２サイドギヤ、第１及び第２ピニオンギヤ並びに主ギヤを具備する差動歯車装置13と、主ギヤ19により駆動される発電機30と、回転動作伝達手段43を介して主ギヤ19により駆動可能な空気圧縮機40及び圧縮空気タンク52と、圧縮空気により駆動されるエアモータ60とを有し、第１サイドギヤが風車11により回転駆動される一方、第２サイドギヤがエアモータ60により回転駆動可能であり、かつ発電量が過剰状態である場合は圧縮空気を貯蔵し、発電量が不足状態である場合はエアモータを駆動して主ギヤの回転数を一定に保持すべく制御する。【選択図】  図３
2005036769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力を風車(11)に作用させ風車軸(12)を回転させることにより発電を行わせる風力発電装置において、
（ａ）互いに対向する第１サイドギヤ(14)及び第２サイドギヤ(15)、該第１及び第２のサイドギヤ(14,15)と噛合しかつ互いに対向する第１ピニオンギヤ(16)及び第２ピニオンギヤ(17)、並びに該第１及び第２ピニオンギヤ(16,17)の公転と連動する主ギヤ(19)を具備する差動歯車装置(13)と、
（ｂ）前記主ギヤ(19)により駆動される発電機(30)と、
（ｃ）回転動作伝達手段(43)を介して前記主ギヤ(19)により駆動可能な空気圧縮機(40)及び該空気圧縮機(40)を駆動することにより吐出される空気を貯蔵する圧縮空気タンク(52)と、
（ｄ）前記圧縮空気タンク(52)から送出される圧縮空気により駆動されるエアモータ(60)とを有し、
（ｅ）前記第１サイドギヤ(14)が前記風車(11)により回転駆動される一方、前記第２サイドギヤ(15)が前記エアモータ(60)により回転駆動可能であり、かつ
（ｆ）前記発電機(30)による発電量が定常状態である場合は前記主ギヤ(19)が前記発電機(30)のみを駆動し、発電量が過剰状態である場合は前記主ギヤ(19)が前記空気圧縮機(40)を駆動して前記圧縮空気タンク(52)に圧縮空気を貯蔵し、発電量が不足状態である場合は前記エアモータ(60)を駆動して前記第２サイドギヤ(15)を回転駆動することにより前記主ギヤ(19)の回転数を一定に保持すべく制御する制御手段を有することを特徴とする
風力発電装置。
【請求項２】
前記回転動作伝達手段(43)がクラッチを具備することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力を風車に作用させ風車軸を回転させることにより発電を行わせる風力発電装置であって、余剰エネルギーを蓄積しかつ不足時にこれを利用することにより発電量を定常状態に保持する機構を備えたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、風車のブレード（羽）内に空気通路と空気吹出口とを設け、発電量の余剰時に空気圧縮機により圧縮空気を生成して圧縮空気タンクへ貯蔵し、不足時には圧縮空気タンクから圧縮空気を風車のブレードへ送出し、空気吹出口から噴出させて風車の回転力を得る風力発電装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−８３２３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では風車のブレードの構造が複雑となる上、圧縮空気の噴出により風車の回転力を補う際に一定の回転力を保持する制御が困難である。そこで、本発明では、発電量の余剰時にはそのエネルギーを圧縮空気として貯蔵する一方、不足時に圧縮空気を利用して発電量を補う風力発電装置であって、簡単な構造により発電機を常に一定の回転力（回転数）で駆動可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を解決すべく本発明は、次の構成を有する。
（１）請求項１に係る風力発電装置は、風力を風車に作用させ風車軸を回転させることにより発電を行わせる風力発電装置において、
（ａ）互いに対向する第１サイドギヤ及び第２サイドギヤ、該第１及び第２のサイドギヤと噛合しかつ互いに対向する第１ピニオンギヤ及び第２ピニオンギヤ、並びに該第１及び第２ピニオンギヤの公転と連動する主ギヤを具備する差動歯車装置と、
（ｂ）前記主ギヤ(19)により駆動される発電機(30)と、
（ｃ）前記主ギヤ(19)により回転動作伝達手段(43)を介して駆動される空気圧縮機(40)及び該空気圧縮機(40)を駆動することにより吐出される空気を貯蔵する圧縮空気タンク(52)と、
（ｄ）前記圧縮空気タンク(52)から送出される圧縮空気により駆動されるエアモータ(60)とを有し、
（ｅ）前記第１サイドギヤ(14)が前記風車(11)により回転駆動される一方、前記第２サイドギヤ(15)が前記エアモータ(60)により回転駆動可能であり、かつ
（ｆ）前記発電機(30)による発電量が定常状態である場合は前記主ギヤ(19)が前記発電機(30)のみを駆動し、発電量が過剰状態である場合は前記主ギヤ(19)が前記空気圧縮機(40)を駆動して前記圧縮空気タンク(52)に圧縮空気を貯蔵し、発電量が不足状態である場合は前記エアモータ(60)を駆動して前記第２サイドギヤ(15)を回転駆動することにより前記主ギヤ(19)の回転数を一定に保持すべく制御する制御手段を有することを特徴とする。
（２）請求項２に係る風力発電装置は、請求項１において、前記回転動作伝達手段(43)がクラッチを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
上記の構成の差動歯車装置により、主ギヤは、第１サイドギヤと第２サイドギヤのそれぞれの回転数に関わらず、常にそれらの平均回転数で回転する。発電量が定常状態である場合は、風車により駆動される第１サイドギヤのみが回転して主ギヤを回転させ、主ギヤは発電機のみを駆動して発電を行わせる。
【０００７】
発電量が定常状態より過剰となった場合は、回転動作伝達手段を介して主ギヤの回転を空気圧縮機へも伝達する。主ギヤが発電機に加えて空気圧縮機も駆動することで負荷が大きくなり第１サイドギヤの回転数が低下して、主ギヤの回転数は定常状態へ戻る。これにより、発電量も定常状態に戻る。その一方で、空気圧縮機により圧縮された空気は圧縮空気タンクへ貯蔵される。
【０００８】
発電量が定常状態より不足となった場合は、圧縮空気タンクの圧縮空気によりエアモータを駆動して第２サイドギヤを回転駆動する。第１サイドギヤの回転数低下に応じて第２サイドギヤの回転数を調整制御することにより、主ギヤの回転数を定常状態へ戻す、すなわち一定に保持することができる。これにより、発電量も定常状態に戻る。
【０００９】
主ギヤと空気圧縮機の間の回転動作伝達手段は、徐々に回転を伝えることができるクラッチ機構によることが好ましい。急激に大きな力を伝達することによる構成要素の破損を防ぐためである。
【００１０】
本発明の風力発電装置では、簡単な構造により発電機の発電量を定常状態に保持することができる。加えて、従来の風力発電装置に比べて２０〜３０％程度のコストダウンが実現できる。従来の風力発電装置は、火力発電や原子力発電に比べて２０〜５０％程度コスト高であったが、本発明によれば、これら他の発電方法と同程度のコストとすることができるので、風力発電の普及を促進することができ、環境保護にも寄与することとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実際の形態を説明する。
図１は、本発明による風力発電装置１０の機構の一例を概略的かつ模式的に示した構成図である。尚、図１においては、風力発電装置の発電量が定常状態の場合を示している。定常状態とは、発電量が目標値の範囲内であることをいう。図示しないが、実際の風力発電装置の一般的な外観は、塔状の本体上部の外壁から風車軸１２が突き出ており、これに風車１１が取り付けられている。風力の作用により風車１１が回転することにより風車軸１２を回転する。図１における風車１１以外の構成要素は、塔状の本体内部に適宜配置され収容されている。
【００１２】
一般的な風力発電装置では、風車軸１２の回転が発電機３０の回転子軸２２へ伝えられ、回転子軸２２を回転することにより固定子に巻かれたコイルに電流を発生させる。発電機３０の構造は周知であるので省略する。本発明においては、風車軸１２と発電機３０の間に差動歯車装置１３が介在しており、これを介して風車軸１２の回転が発電機軸２２へ伝えられる。
【００１３】
差動歯車装置１３は、互いに対向する一対の傘歯車である第１サイドギヤ１４及び第２サイドギヤ１５と、これら第１及び第２のサイドギヤ１４、１５と噛合しかつ互いに対向する一対の傘歯車である第１ピニオンギヤ１６及び第２ピニオンギヤ１７と、これら第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７と連結部１８ａ、１８ｂをそれぞれ介して連結された主ギヤ１９とから構成されている。第１及び第２サイドギヤ１４、１５及び主ギヤ１９の軸は一致している。第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７の軸は、第１及び第２サイドギヤ１４、１５の軸と直交している。第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７は、各々の軸の周りでそれぞれ自転可能であると同時に、主ギヤ１９の軸の周りで一体的に公転可能である。第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７と主ギヤ１９は連結されているので、主ギヤ１９は第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７の公転と連動する。
【００１４】
斯かる差動歯車装置１３においては、主ギヤ１９の回転数は、第１サイドギヤ１４の回転数と第２サイドギヤ１５の回転数の平均回転数となることが特徴である。第１サイドギヤ１４は風車軸１２と連結されているので、風車１１により直接回転駆動されることになる。第２サイドギヤ１５は、エアモータ６０のエアモータ軸６３と連結されており、エアモータ６０により回転駆動可能である。第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７は、第１サイドギヤ１４及び第２サイドギヤ１５の双方の回転により公転するが、各サイドギヤの回転数に差があるときは各ピニオンギヤがそれぞれ自転することにより平均化された回転数で公転する。これは、一方のサイドギヤが完全に停止しているときも同様である。定常状態では、エアモータ６０は停止しているので、第２サイドギヤ１５は停止している。
【００１５】
主ギヤ１９の回転は、発電機駆動ギヤ２１を介して発電機軸２２へ伝えられる。従って、主ギヤ１９により発電機３０が駆動される。発電機３０の出力は送電線により伝送され、その発電量は、発電量センサ３１によりモニタリングされる。発電量センサ３１は、例えば、電流計、電圧計及び／又は電力計等である。
【００１６】
一方、主ギヤ１９の回転は、圧縮機駆動ギヤ４１を介して空気圧縮機４０へも伝達することができる。但し、圧縮機ギヤ４１と空気圧縮機４０の間には、回転動作伝達手段４３が設けられており、制御により、この間の回転動作の伝達を接続又は断絶することができる。図示の例では、回転動作伝達手段４３は、圧縮機駆動軸４２の中間に設けられたクラッチである。このクラッチ４３は、電気信号により接続又は断絶を制御可能である。図示の状態では、クラッチ４３は断絶しており、従って空気圧縮機４０も停止している。
【００１７】
空気圧縮機４０は、圧縮機駆動軸４２により回転駆動されるホイール４４に一端が取り付けられたクランク４５と、クランク４５の他端が取り付けられたピストン４７と、このピストン４７を収容しかつ吸入弁４９及び吐出弁５０を具備するシリンダ４６とを有する。吸入弁４９と吐出弁５０は逆止弁であり、空気圧縮機４０が駆動されると、ピストン４７の往復動作により吸入弁４９から圧縮室４８内へ空気を吸入し、吐出弁５０から吐出するポンプの働きをする。尚、図示の空気圧縮機４０は、一例を簡略的に示したものであり、他の公知の構造の空気圧縮機も利用可能である。
【００１８】
空気圧縮機４０から吐出された空気は、圧縮空気タンク５２へ送られ貯蔵される。本発明における圧縮空気タンク５２内の圧力目標値は約６００気圧である。空気圧縮機４０と圧縮空気タンク５２の間の仕切弁５１は、空気を送るとき以外は閉じられている。圧縮空気タンク５２には、過剰な圧力上昇を防止するための圧抜弁５４も設けられている。圧縮空気タンク５２内の圧力は、圧力センサ５５によりモニタリングされている。
【００１９】
圧縮空気タンク５２の出口は、前述とエアモータ６０と接続されている。そして、制御により、貯蔵された圧縮空気がエアモータ６０へ供給され、エアモータ６０を駆動する。圧縮空気タンク５２とエアモータ５３の間の仕切弁５３は、空気を送るとき以外は閉じられている。
【００２０】
尚、仕切弁５１、５３及び圧抜弁５４の各々の開閉及び／又は流量の制御は、電気信号により行われる。定常状態では、これらの弁は全て閉じられている。
【００２１】
エアモータ６０は、図示の例では、ロータ６２を内蔵しており、吸気口６１から流入した圧縮空気が排気口６４から排出されていく過程でロータ６２を回転駆動する。ロータ６２の軸はエアモータ軸６３であり、前述の通り、第２サイドギヤ１５へ連結されている。尚、圧縮空気を動力源として回転力を得るエアモータには、種々の構造が知られており、図示の例に限定されずいずれも利用可能である。
【００２２】
制御部７０は、発電量センサ３１の出力信号Ｓ１及び圧力センサ５５の出力信号Ｓ２を入力データとして継続的に取得し、これらに基づいてクラッチ４３の接続及び断絶を制御する制御信号Ｃ１並びに各弁の開閉及び流量を制御する制御信号Ｃ２を出力する。これらの制御は、コンピュータ及びこれに搭載するプログラムを用いて実行可能である。
【００２３】
図１の定常状態においては、風車軸１２が矢印Ｒ１の方向に回転する一方、エアモータ軸６３は停止している。従って、風車軸１２の回転数により主ギヤ１９の回転数が決定され、主ギヤ１９は矢印Ｒ２の方向に回転する（第１及び第２ピニオンギヤ１６、１７の公転）。このとき、第１ピニオンギヤは矢印Ｒ３の方向に自転し、第２ピニオンギヤは矢印Ｒ４の方向に自転する。クラッチ４３は断絶状態であり、空気圧縮機４０及びエアモータ６０は停止している。
【００２４】
図２は、発電機３０の発電量が過剰状態の場合を示す図１と同様の構成図である。風力が十分すぎると、発電機３０の発電量が目標値の範囲を超えることがある。制御部７０は、発電量センサ３１の出力により発電過剰状態を検知すると、クラッチ４３を接続状態とする制御信号を送信する。同時に、仕切弁５１を開状態とする制御信号も送信する。
【００２５】
これによりクラッチ４３が接続状態となると、圧縮機駆動軸４２及びホイール４４が矢印Ｒ６の方向に回転する。これにより、空気圧縮機４０のクランク４５が、矢印Ｍ１のようにピストン４７を往復動作させる。そして、吸入弁４９から矢印Ｍ２のように空気を圧縮室４８内に吸い込み、吐出弁５０から圧縮空気タンク５２へと送出する。矢印Ｍ３のように、圧縮空気タンク５２内へ空気が送り込まれることにより、圧力が上昇する。圧力値は、圧力センサ５５によりモニタリングされる。目標圧力値（実施例では、約６００気圧）に達するまでは、圧抜弁５４は閉じられているが、目標圧力値以上に圧力上昇したことを制御部７０が検知すると、圧抜弁５５を開とする制御信号を送信する。目標圧力値以上に圧力上昇することを防止する。
【００２６】
このように、主ギヤ１９の回転力が、発電機３０の駆動と空気圧縮機４０の駆動の双方に用いられることで負荷が大きくなり、回転数が低下し、その結果、発電機３０の発電量は定常状態へ戻る。発電量が定常状態へ戻ったことを、制御部７０が検知したならば、制御部７０は、各構成要素を図１の定常状態とする制御信号を送信する。
【００２７】
図３は、発電機３０の発電量が不足状態の場合を示す図１と同様の構成図である。風力が足りないと、発電機３０の発電量が目標値の範囲に達しなくなることがある。制御部７０は、発電量センサ３１の出力により発電不足状態を検知すると、圧縮空気タンク５２とエアモータ６０の間の仕切弁５３を開状態とする制御信号を送信する。
【００２８】
これにより、矢印Ｍ４のように、エアモータ６０に圧縮空気が送られる。エアモータ６０の吸気口６１から流入した圧縮空気は、排気口６４から排出されていく過程でロータ６２を回転駆動する。この結果、矢印Ｒ７の方向にエアモータ軸６３が回転し、第２サイドギヤ１５を回転駆動する。
【００２９】
このとき、第２サイドギヤ１５の回転数を、発電機３０の発電量が定常状態となるように調整する。第１サイドギヤ１４の回転数は風力により変動する。前述の通り、第１サイドギヤ１４と第２サイドギヤの平均回転数が主ギヤ１９の回転数となり、主ギヤ１９が発電機３０を駆動するからである。第２サイドギヤ１５の回転数は、すなわちエアモータ軸６３の回転数であるから、仕切弁５３を制御してエアモータ６０への圧縮空気の流入量を調整することにより制御可能である。図示の場合は、風車軸１２が完全に停止した最も極端な例であり、エアモータ６０のみにより（すなわち圧縮空気エネルギーのみにより）発電機３０が駆動され、発電が行われる。
【００３０】
図４は、図１〜図３にそれぞれ示した本発明の風力発電装置の動作状態を実現する制御フローの一例を概略的に示した流れ図である。この制御は、図１〜図３の制御部７０により行われる。以下、順に説明する。説明においては、図１〜図３に示した符号を用いる。
【００３１】
・ステップ１１１：発電量センサ３１の出力信号に基づいて、発電量が定常範囲内であるか否か、つまり発電状況が定常状態であるか否かを判断する。定常範囲内は、例えば、一定の目標値のプラスマイナス１０％の範囲内等と設定する。この範囲内での変動であれば、定常状態と判断する。
【００３２】
・ステップ１１２：ステップ１１１において定常状態と判断された場合、空気圧縮機４０及びエアモータ６０のいずれかが稼働していればそれを停止状態とする。あるいは、いずれも既に停止していればそのまま停止状態を維持する。具体的には、クラッチ４３を断絶状態とし、入口仕切弁５１、出口仕切弁５３及び圧抜弁５４を閉状態とする。
【００３３】
・ステップ１１３：ステップ１１１において定常範囲外であると判断された場合、発電量が定常範囲を超えているのか（過剰であるのか）、定常範囲未満であるのか（不足であるのか）を判断する。
【００３４】
・ステップ１１４：ステップ１１３において定常範囲を超えている過剰状態であると判断された場合、空気圧縮機４０が停止していればこれを稼働状態し、既に稼働していればそのまま稼働状態を維持する。一方、エアモータ６０が稼働していればこれを停止状態とし、既に停止していればそのまま停止状態を維持する。具体的には、クラッチ４３を接続状態とし、入口仕切弁５１を開状態とし、出口仕切弁５３及び圧抜弁５４を閉状態とする。これにより、圧縮空気タンク５２内に圧縮空気を貯蔵する。
【００３５】
・ステップ１１５：ステップ１１４に続いて、圧縮空気タンク５２内の圧力が規定圧力（例えば、約６００気圧）に達しているか否かを、圧力センサ５５の出力信号に基づいて判断する。規定圧力に達していないと判断された場合は、ステップ１１１へ戻り、上記の制御フローを繰り返す。
【００３６】
・ステップ１１６：ステップ１１５において、圧縮空気タンク５２内の圧力が規定圧力に達していると判断された場合、空気圧縮機４０をそのまま稼働状態に維持すると同時に、圧抜弁５４を開放することにより、規定圧力を維持する。これにより圧力の異常上昇を防止する。具体的には、クラッチ４３を接続状態、入口仕切弁５１を開状態、出口仕切弁５３を閉状態のままとする一方、圧抜弁５４を開状態とする。その後、ステップ１１１へ戻り、上記の制御フローを繰り返す。
【００３７】
・ステップ１１７：ステップ１１３において定常範囲未満である不足状態であると判断された場合、空気圧縮機４０が稼働していればこれを停止状態とし、既に停止していればそのまま停止状態を維持する。一方、エアモータ６０が停止していればこれを稼働状態とし、既に稼働していればそのまま稼働状態を維持する。具体的には、クラッチ４３を断絶状態とし、入口仕切弁５１を閉状態、出口仕切弁５３を開状態、圧抜弁５４を閉状態とする。その後、ステップ１１１へ戻り、上記の制御フローを繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による風力発電装置の内部機構を概略的かつ模式的に示した構成図である。発電機の発電量が定常状態の場合である。
【図２】発電機の発電量が過剰状態の場合を示す図１と同様の構成図である。
【図３】発電機の発電量が不足状態の場合を示す図１と同様の構成図である。
【図４】図１〜図３にそれぞれ示した本発明の風力発電装置の動作状態を実現する制御フローの一例を概略的に示した流れ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  風力発電装置
１１  風車
１２  風車軸
１３  差動歯車装置
１４  第１サイドギヤ
１５  第２サイドギヤ
１６  第１ピニオンギヤ
１７  第２ピニオンギヤ
１８ａ、１８ｂ  連結部
１９  主ギヤ
２０  ベアリング
２１  発電機駆動ギヤ
２２  発電機軸
３０  発電機
４０  空気圧縮機
４１  圧縮機駆動ギヤ
４２  圧縮機駆動軸
４３  クラッチ
４４  ホイール
４５  クランク
４６  シリンダ
４７  ピストン
４８  圧縮室
４９  吸入弁
５０  吐出弁
５１  入口仕切弁
５２  圧縮空気タンク
５３  出口仕切弁
５４  圧抜弁
６０  エアモータ
６１  吸気口
６２  ロータ
６３  エアモータ軸
６４  排気口
７０  制御部
Ｒ１  風車軸の回転方向
Ｒ２  両ピニオンギヤの公転方向
Ｒ３  第１ピニオンギヤの自転方向
Ｒ４  第２ピニオンギヤの自転方向
Ｒ５  発電機軸の回転方向
Ｒ６  圧縮機駆動軸の回転方向
Ｒ７  エアモータ軸の回転方向
Ｓ１  発電量センサ信号の流れ
Ｓ２  圧力センサ信号の流れ
Ｃ１  クラッチ制御信号の流れ
Ｃ２  各弁の制御信号の流れ
Ｍ１  圧縮機ピストンの動き
Ｍ２  吸気の流れ
Ｍ３、Ｍ４  圧縮空気の流れ
【図１】
2005036769.tif 000003
【図２】
2005036769.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005036769.tif 000006