(57)【要約】 【課題】風力の変化に対して効率的な運用が行え、安定した出力を得ることができる風力発電システムおよび風力発電方法を提供する。【解決手段】風力発電システムは、発電機、回転軸、質量移動装置を備える。発電機は風力で回転する風車部を支持し風車部の回転により発電する。回転軸には風車部の回転力が伝達される。質量移動装置は回転軸に軸支された円環部を有し、回転軸の回転に応じて円環部と回転軸との間の径方向の質量を変化させる。【選択図】図１
2016014331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力で回転する風車部を支持し前記風車部の回転により発電する発電機と、
前記風車部の回転力が伝達される回転軸と、
前記回転軸に軸支された円環部を有し、前記回転軸の回転状況に応じて前記円環部と前記回転軸との間の径方向の質量を変化させる質量移動装置と
を具備する風力発電システム。
【請求項２】
前記質量移動装置が、
前記円環部と回転軸との間に径方向に並べて設けられ、流動体が充填された第１および第２の液体室と、
前記第１および第２の液体室間を前記流動体が流通可能な通路と、
前記円環部と前記回転軸との間に、前記第１および第２の液体室を、径方向に弾性を持って支持する弾性支持部材と、
前記第１および第２の液体室との間に固定して設けられ、前記第１および第２の液体室の互いに対向する壁面を摺動自在に構成する壁面を有する剛体と
を具備する請求項１記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記流動体が、機械油である請求項２記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記流動体が、機械油に金属粉を懸濁させた金属懸濁液である請求項２または請求項３いずれかに記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記質量移動装置が、
前記回転軸と前記円環部とに弾性支持部材を介して支持されたおもりと、
前記回転軸および前記円環部との間に前記弾性支持部材と並行して配置され、前記おもりの移動速度を緩和する緩和装置と
を備える請求項１記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記質量移動装置が、
前記円環部の内周面の側から前記回転軸の外周側へ向かって高さが低下するように設けられた傾斜部と、
前記傾斜部の傾斜に沿って摺動自在に、前記回転軸と前記円環部との間に弾性支持部材を介して配置されたおもりと
を具備する請求項１記載の風力発電システム。
【請求項７】
風力で回転する風車部を支持し前記風車部の回転により発電する発電機と、前記風車部の回転力が伝達される回転軸とを有する風力発電システムにおける風力発電方法において、
前記回転軸に軸支された円環部と前記回転軸との間の径方向の質量を、前記回転軸の回転状況に応じて変化させる風力発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、風力発電システムおよび風力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギーは、資源が枯渇せず繰り返し使え、発電時や熱利用時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素をほとんど排出しないことから優れたエネルギー源として期待されている。
【０００３】
このような再生可能エネルギーのうち、風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電は、運転期間中安定した出力が得られないことが想定され、その変動は数秒から数十秒周期と不規則であり、出力自体も大きく変動すると考えられる。
【０００４】
このような出力特性を持った電源は、単独あるいは既存の電力系統と連係して運用する場合のいずれにおいても、電圧変動や周波数変動を引き起こすなどの悪影響を与えると考えられ、積極的に導入していくには、この変動を吸収し出力を安定化させることが重要である。
【０００５】
風力発電の出力を安定させる技術の一つに、例えばフライホイール装置を用いてエネルギーを貯蔵することで出力変動を吸収する技術が考案されている。
【０００６】
この技術におけるフライホイール装置は、１つのモータに回転する円盤が直結した構造であり、電気エネルギーを回転エネルギーとして蓄積する装置である。フライホイール装置の慣性モーメントについては特に規定がない。
【０００７】
このような回転体を用いてエネルギー貯蔵を行う場合、回転体に付与する回転トルクが回転慣性モーメントを超える場合、回転体が回転を開始し、その回転運動エネルギーとしてエネルギーが貯蔵され、この運動エネルギーを回転トルクとして駆動軸等で取り出すことにより、貯蔵されたエネルギーを消費すると考えられる。
【０００８】
この場合、フライホイール装置の慣性モーメント力が一定であると、風力が小さく、フライホール装置に付与できる駆動力（回転トルク）が小さい場合には、ホイール自体の回転抵抗に対し駆動力が小さくなり、フライホイール装置が駆動しないためエネルギー貯蔵ができなくなる。
【０００９】
また回転トルクが十分に大きい場合には、フライホイール装置の慣性モーメントが相対的に小さくなり、さらに回転エネルギーを貯蔵しようとしてもその上限が限定されてしまうことが想定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特願２００２−１５５８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように慣性モーメントが一定のフライホイール装置を備えた風力発電システムにおいては、風力の変化（強弱）に対応した効率的な運用ができないという課題があった。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、風力の変化に対して効率的な運用が行え、安定した出力を得ることができる風力発電システムおよび風力発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態の風力発電システムは、発電機、回転軸、質量移動装置を備える。発電機は風力で回転する風車部を支持し風車部の回転により発電する。回転軸には風車部の回転力が伝達される。質量移動装置は回転軸に軸支された円環部を有し、回転軸の回転に応じて円環部と回転軸との間の径方向の質量を変化させる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】風力発電システムの概要構成を示す図である。
【図２】第１実施形態のフライホイール装置の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態において慣性力が高まることを示す図である。
【図４】第２実施形態のフライホイール装置の構成を示す図である。
【図５】第３実施形態のフライホイール装置の構成を示す図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施例について、図面を参照して説明する。
【００１６】
まず、図１および図２を参照して第１実施形態を説明する。
【００１７】
図１に示すように、第１実施形態の風力発電システム１は、基礎２に固設されたタワー部３と、このタワー部３の上端に設けられた発電機本体部４と、風車部６と、変電部３０とを備える。
【００１８】
風車部６はハブ８と、このハブ８にほぼ等間隔に支持された３つのブレード７と、可変ピッチ機構部９とを備える。可変ピッチ機構部９はブレード７の角度（迎角、ピッチ角およびヨー角など）を可変（調整）してブレード７の回転を制御する機構である。
【００１９】
発電機本体部４は、ナセル５の内部に、回転軸１３（第１回転軸）を有する発電機１２と、ブレーキ装置１１と、倍速機１０とを収容してなる。
【００２０】
回転軸１３には風車部６が支持されており、風車部６の回転に応じて回転軸１３が回転する。倍速機１０は回転軸１３と回転軸１４とを機械的に接続し回転軸１３の回転速度に対して回転軸１４の回転速度を数倍に高める増速機器（例えば２倍ギアなど）である。
【００２１】
ブレーキ装置１１は回転軸１３に対してブレーキ（回転抑制）をかけるための機器である。発電機１２は風力で回転する風車部６を支持し風車部６の回転により発電する。
【００２２】
タワー部３は、内部がくりぬかれた柱状のタワー１５と、このタワー１５内に設けられた回転軸１４（第２回転軸）と、この回転軸１４の端部に支持された質量移動装置またはエネルギー貯蔵装置としてのフライホイール装置５０と、発電機本体部４側の発電機１２に通電ケーブル１７を介して接続された変圧器としてのトランス１６とを備える。
【００２３】
回転軸１４は発電機本体部４の回転軸１３に機械的に連結されており、回転軸１３の回転に伴い回転する。つまり回転軸１４は風車部６の回転力が伝達される回転軸である。トランス１６は発電機１２で発電された電圧を所定の電圧へ変圧（昇圧）し変電部３０へ送る。
【００２４】
このように風力によって回転力を得て発電する風力発電システム１では、発電機本体部４の回転軸１３はその回転トルクを発電機１２に伝達するとともに、フライホイール装置５０を支持する回転軸１４にも回転トルクを伝達する。
【００２５】
風力の低下によって回転軸１３の角速度が低下する場合、回転軸１４はその慣性力に起因した回転トルクを回転軸１３に付与する。
【００２６】
変電部３０は系統連係保護装置３１と電力系統３２などを備える。系統連係保護装置３１は発電機本体４側と電力系統３２の側との間で送配電関連の連携を行う上での系統保護を行う装置である。電力系統３２は例えば送電線や配電設備などである。
【００２７】
風力発電において、より効率のよいエネルギーの貯蔵には、フライホイール装置５０の回転速度に応じて、慣性モーメントが可変であり、特に回転速度が小さい場合には慣性モーメントが小さく、回転速度が高い場合には、慣性モーメントが大きく設定されることがよく、より多くの回転エネルギーを効率的に貯蔵できるフライホイール構造が適している。
【００２８】
そこで、第１の実施形態では、図２に示すように、フライホイール装置５０は、このフライホイール装置の外壁を構成する筒状の筐体（円環部）であるガイド２０と、このガイド２０内に回転軸１４を介して対向（軸対称に）配置された液体室２３（第１の液体室）と、液体室２３よりも遠心側に設けられた液体室２４（第２の液体室）と、液体室２３と液体室２４との間を流動体が流通可能な通路２５、２６と、液体室２３と液体室２４の間に固定して設けられた剛体２７と、弾性支持部材としてのばね２８、２９を備える。
【００２９】
ガイド２０は回転軸１４に軸支されている。液体室２３、２４はガイド２０と回転軸１４との間に径方向に並べて設けられている。液体室２３、２４には、流動体（質量があり、流動する性質をもつ、または流動しやすいもの）、例えば金属懸濁液４１などの機械油が充填されている。
【００３０】
金属懸濁液４１は機械油に金属粉を懸濁させた液体であり、比重が大きく、遠心力が作用する径方向（以下「遠心方向」という）の移動で、より慣性力を高めることができる。
【００３１】
液体室２４のガイド２０の内周面側の面と回転軸１４とは、ばね２８を介して接続されている。液体室２３の回転軸１４側の面と回転軸１４とはばね２９を介して接続されている。ばね２８とばね２９は互いに釣り合いがとれる程度の付勢力を持っている。
【００３２】
剛体２７は液体室２３、２４の互いに対向する壁面を摺動自在に構成する壁面を有している。剛体２７の壁面は液体室２３、２４の対向する面を摺動自在に塞いでおり、剛体２７の位置は固定されている。このため液体室２３、２４が遠心力で移動すると剛体２７の壁面の位置との関係で液体室２３、２４の容積（内容量）が変化する。
【００３３】
液体室２３、２４、ばね２８、２９および剛体２７などにより遠心方向および求心方向の質量移動装置が構成されている。遠心方向および求心方向などを包含して径方向という。
【００３４】
すなわちこのフライホイール装置５０は、回転軸１４に軸支されたガイド２０を有し、回転軸１４の回転状況に応じてガイド２０と回転軸１４との間の径方向の質量（重量）を変化させる質量移動装置である。フライホイール装置５０は、回転軸１４の回転速度が増加すると、径方向の質量（重量）を大きくし、回転軸１４の回転速度が低下すると、径方向の質量（重量）を小さくする。
【００３５】
続いて、この風力発電システムの動作を説明する。  
この風力発電システムの場合、風力によって回転トルクを得た回転軸１３はその回転トルクを発電機１２に伝達するとともに、回転軸１４を介してフライホイール装置５０にも回転トルクを伝達し、フライホイール装置５０が回転する。
【００３６】
フライホイール装置５０の回転により、液体室２３、２４全体が得る遠心力が、ばね２８、２９の収縮力（付勢力）を上回ると、図３に示すように、液体室２３、２４全体がガイド２０の側、つまりホイール外周方向（矢印Ｐの方向）に移動し、液体室２３、２４の内容量が剛体２７の壁面によって変化する。
【００３７】
このとき内容量が小さくなった液体室２３の液体が通路２５、２６を通じて内容量が大きくなった液体室２４に送られる。
【００３８】
これにより、回転軸１４（重心）から離れた位置の質量が大きくなり、慣性モーメントが大きくなり、フライホイール装置５０に、より多くの回転エネルギーを蓄積できる。
【００３９】
一方、フライホイール装置５０の回転の角速度が低下すると、液体室２３、２４に作用する遠心力が低下し液体室２３、２４全体が回転軸１４へ向かう求心方向（または遠心方向と逆の方向）に移動する。このとき液体室２４の側面が棒状の剛体２７の壁面によって圧迫されて液体室２４の液体が液体室２３に送り込まれる。
【００４０】
このようにこの第１実施形態によれば、風力が低下し液体室２３、２４全体が得る遠心力がばね２８、２９の収縮力を下回ると、液体室２３、２４全体が回転軸１４の側、つまり回転中心の方向に移動し、液体室２３、２４内の液体が剛体２７の壁面によって圧迫されて回転軸１４に近い液体室２３に液体が移動し、慣性モーメントは小さくなり、低い回転トルクにおいてもフライホイール装置５０を駆動することができる。
【００４１】
一方、風力が高まった場合には、液体室２３の容積が小さくなり液体室２４の容積が増えることで、回転軸１４から遠い液体室２４に液体が移動するので、慣性モーメントが大きくなり、より多くの回転エネルギーを蓄積できる、という効果を得ることができる。
【００４２】
また筒状のガイド２０内の液体室２３、２４内に充填する液体として機械油を用いることで、遠心力の変化に対応して油が速やかに液体室２３、液体室２４間を移動し速やかに慣性力が変化するフライホイール装置５０を実現できる。
【００４３】
特に実施形態のような金属懸濁液４１を用いて流体の比重を大きくすることで、慣性モーメントの最大値を大きくし、より多くの回転エネルギーを蓄積できる効果が得られる。
【００４４】
すなわち、風力が低下したときにも、回転エネルギーが蓄積されたフライホイール装置５０からの回転トルクを受けることで発電機１２の回転軸１３は比較的安定した角速度を得ることができ、発電出力の安定化を図ることができる。
【００４５】
次に、図４を参照してフライホイール装置５０の第２実施形態を説明する。
図４に示すように、第２実施形態は、回転軸１４の外周部とガイド２０の内周部に、ばね５２、５３を介して連結および支持された錘５１と、回転軸１４の外周部と錘５１の内側の面との間にばね５３と並行して配置された緩和装置としてのダッシュポット５４とを備える。
【００４６】
ダッシュポット５４は、連結された錘５１の移動量を変えずに移動させる速度を変えるもの、つまり錘５１の移動速度を緩和するダンパーの一種である。
【００４７】
この例の場合、錘５１を支持するばね５３と並行にダッシュポット５４を設け、回転速度が上昇するときには、錘５１に作用する遠心力によって錘５１が回転軸１４から遠い側に移動して質量が外周側に移動し慣性モーメントが高まる作用が得られる一方、回転速度の低下時には、錘５１が回転軸１４の方へ近づく時間がダッシュポット５４の緩和作用により長くなる。
【００４８】
このようにこの第２実施形態によれば、錘５１を支持するばね５３と並行にダッシュポット５４を備えることで、回転速度の上昇時には、錘５１に作用する遠心力によって錘５１が遠心方向に移動して質量が外周側に寄り慣性モーメントが高まる作用が得られる一方、回転速度の低下時には、錘５１が回転軸１４の方へ近づく時間が長くなり、ダッシュポットがない場合と比べて変化前の慣性モーメントが働き続ける時間を長くすることができ、高い回転エネルギーをより長時間維持することができる。
【００４９】
次に図５、図６を参照して第３実施形態を説明する。
図５、図６に示すように、第３実施形態は、回転軸１４の外周部とガイド２０の内周部との間に、ばね６２、６３を介して接続および支持された錘６１と、この錘６１の鉛直方向の重量を支持する傾斜部としてのスロープ６４とを備える。
【００５０】
ばね６２は回転軸１４の外周部と錘６１との間に配置されている。ばね６３はガイド２０の内周部と錘６１との間に配置されている。ばね６２とばね６３とは付勢力がほぼ同じであり、回転軸１４が静止した状態では錘６１が動かないように支持されている。
【００５１】
スロープ６４は、回転軸１４の外周側からガイド２０側に向かって（遠心方向に向かって）高さが低下していく斜面構造となっている。錘６１はスロープ６４の傾斜に沿って摺動自在に、回転軸１４とガイド２０との間にばね６２、６３などの弾性支持部材を介して配置されている。
【００５２】
フライホイール装置５０が回転していない場合は、錘６１がスロープ６４の上部側（回転軸側）に寄っており、フライホイール装置５０の回転によって錘６１が遠心力を受けスロープ６４の下側（外周側）に移動する。
【００５３】
この結果、フライホイール装置５０の回転し始めに錘６１が重力によって容易に外周側に移動し、逆に回転速度の低下時には、錘６１に作用する重力に逆らって回転軸１４の側への移動するための移動抑制作用が生じゆっくり戻る。
【００５４】
このようにこの第３実施形態によれば、回転軸１４とガイド２０間にスロープ６４を設け、このスロープ６４の傾斜に沿って錘６１をばね６２とばね６３を介して接続および支持することで、回転速度の上昇段階では、慣性モーメントが小さく、回転速度が低下する段階では慣性モーメントが下がり難いフライホイール装置５０を得ることができ、回転エネルギーの貯蔵をより効率的に行うことができるようになる。
【００５５】
すなわち、上記実施形態によれば、風車部６の回転力が伝達される回転軸１４の回転速度の変化に対して可変な慣性モーメントを与えるフライホイール構造を導入することで、安定した出力を得ることができる風力発電システムおよび風力発電方法を提供することができる。
【００５６】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００５７】
上記実施形態では、各液体室２３、２４に充填する媒質として金属懸濁液４１などの機械油を一例に挙げたが、油以外に、例えば水や水銀などでもよく、流動性があればゲル状のものでも粉体や砂などでもよく、通路２５、２６を通じて室間を流通可能な質量のあるものであれば媒質、媒体、材料、材質は限定されるものではない。
【００５８】
また上記実施形態では、機械油が常に流動（流通）する通路２５，２６としたが、各通路２５，２６にバルブを設けて通路毎に機械油の流通量を制御してもよい。
上記実施形態では、弾性支持部材として、ばね２８、２９、５２、５３、６２、６３を用いた例を示したが、これ以外に例えばゴムなどを利用してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…風力発電システム、３…タワー部、４…発電機本体部、５…ナセル、６…風車部、７…ブレード、８…ハブ、９…可変ピッチ機構部、１０…倍速機、１１…ブレーキ装置、１２…発電機、１３，１４…回転軸、２３，２４…液体室、２５，２６…通路、２７…剛体、２８，２９，５２，５３，６２，６３…ばね、４１…金属懸濁液（機械油）、５０…フライホイール装置、５１，６１…錘（おもり）、５４…ダッシュポット、６４…スロープ。
【図１】
2016014331.tif 000003
【図２】
2016014331.tif 000004
【図３】
2016014331.tif 000005
【図４】
2016014331.tif 000006
【図５】
2016014331.tif 000007
【図６】
2016014331.tif 000008