(57)【要約】【課題】電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給することができるエネルギー貯蔵装置を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、風力を受けて回転するブレード２と、ブレード２と一体で回転するロータ３と、ロータ３の回転軸４ａに結合され且つ回転軸４ａの回転速度を増速する増速機５と、増速機５から増速された回転軸４ｂに結合されたフライホイール６と、回転軸４ｂに結合され且つフライホイール６の回転速度を調整するトロイダル型無段変速機７と、トロイダル型無段変速機７により安定した回転速度に調整された回転軸４ｃに結合されて発電する発電機８と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーにより回転駆動されるフライホイールを備え、自然エネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵するエネルギー貯蔵装置であって、
前記フライホイールにトロイダル型無段変速機の入力軸を結合したことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
自然エネルギーである風力を受けて回転するロータと、前記ロータの回転速度を増速する増速機と、発電機とを備え、前記増速機と前記発電機との間に、請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置を設けたことを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵するエネルギー貯蔵装置に係り、詳しくは、風力発電等の自然エネルギーを利用した発電装置における電圧変動及び周波数変動等を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーを利用した風力発電、太陽光発電等が、環境問題を考慮した発電方法として利用されている。しかし、風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した発電装置の出力は不安定であり、数秒から数十秒周期で変動している。このような電力は使いにくいだけでなく、既存の電力系統と連係した場合、電力系統に電圧変動や周波数変動を引き起こしたり、様々な悪影響を与える虞がある。そのため、風力発電などの自然エネルギーを積極的に導入していくには、周波数等の変動を抑制して出力を安定化させる必要がある。
【０００３】
風力発電の場合、自然の風力を利用するため、発電機を駆動させる風車の回転が一定しない。そのため、変速機を用いて風車の回転数を変速させることにより、一定量の電力を安定供給できるようにする技術が知られている（特許文献１）。
【０００４】
これに対し、特許文献２は、風車の回転を増速装置により所定の回転数に増速して発電機を駆動するように構成された風力発電装置において、発電機の回転軸に発電機の回転変動を緩和するフライホイールを装着する構成を開示している。本構成により、回転運動エネルギーの蓄積、放出が可能で、回転変動を所要レベルまで緩和して、安定的な電力の供給を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２００８６４号公報
【特許文献２】特開２００２−１５５８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フライホイールは、蓄積エネルギー密度が高い、環境に優しい、長寿命などの特長があるため、発電能力の平準化、電力系統の安定度を向上する電力蓄蔵技術として利用可能である。しかしながら、フライホイールを発電機の回転軸に装着することで出力は安定するが、フライホイールの回転速度は、その中に蓄えた回転運動のエネルギー量に比例して変化する。従って、発電の周波数を安定化するため、可変速発電（電力変換）装置やインバータ装置などを別に設置する必要がある。さらに、インバータ装置などの電力変換装置は発熱が大きい（変換効率が低い）。
【０００７】
また、出力電力の変動を抑制するためには、発電機と並列にエネルギー貯蔵装置を設置する方法も考えられる。自然エネルギーの増減に伴い、発電電力が大きい時にエネルギー貯蔵装置に電力を貯え、発電電力が小さくなった時にエネルギー貯蔵装置から電力を取り出すことで、電力系統には安定した電力を供給できる。一般的に、エネルギー貯蔵装置としては、バッテリー（蓄電池）が用いられるが、バッテリーの寿命は短く、廃棄する際に環境問題が発生する。
【０００８】
本発明は、前記事情に鑑みて成されたものであり、電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給可能なエネルギー貯蔵装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のエネルギー貯蔵装置は、自然エネルギーにより回転駆動されるフライホイールを備え、自然エネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーとして貯蔵する。
特に、本発明のエネルギー貯蔵装置は、前記フライホイールにトロイダル型無段変速機の入力軸を結合している。
【００１０】
また、本発明の風力発電装置は、自然エネルギーである風力を受けて回転するロータと、前記ロータの回転速度を増速する増速機と、発電機とを備え、前記増速機と前記発電機との間に、エネルギー貯蔵装置を設けている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、増速機と発電機との間に、フライホイールとトロイダル型無段変速機とから成るエネルギー貯蔵装置を設けているので、電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給可能な発電装置を提供できる。
即ち、自然エネルギーである風力は、回転運動エネルギーとしてフライホイールに蓄積されるが、風速等の変化により、フライホイールに蓄積される運動エネルギー量（即ち、フライホイールの回転速度）は変動する。そして、風力エネルギーの変動をフライホイールで吸収した後、変速比が連続的に調整できるトロイダル型無段変速機を介することにより、発電機へ安定した回転速度の回転エネルギーを伝達することができる。この様に、一般的な発電機により、常に安定的に電力を発電することができる。しかも、フライホイールとトロイダル型無段変速機は機械製品であり、バッテリー等の電気化学製品によりも安価で環境に優しく、小型で寿命も長い。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係わるエネルギー貯蔵装置を備えた風力発電装置の概略構成図。
【図２】トロイダル無段変速機の原理構造を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係るエネルギー貯蔵装置を備えた風力発電装置１の概略構成図である。図示のように、風力発電装置１は、風力を受けて回転するブレード２と、ブレード２と一体で回転するロータ３と、ロータ３の回転軸４ａに結合され且つ回転軸４ａの回転速度を増速する増速機５と、増速機５により増速された回転軸４ｂに結合されたフライホイール６と、回転軸４ｂに結合され且つフライホイール６の回転速度を調整するトロイダル型無段変速機７と、トロイダル型無段変速機７により安定した一定の回転速度に調整された回転軸４ｃに結合された発電機８と、を備えている。そしてフライホイール６とトロイダル型無段変速機７とによりエネルギー貯蔵装置１０を構成している。
【００１４】
増速機５は、変速比が可変な可変変速比型の増速装置であり、風力により回転駆動される回転軸４ａの回転速度を発電に適した回転速度にまで増速すると共に、ブレード２により発生した回転エネルギーを、回転軸４ｂの回転速度を変更することによりフライホイール６に蓄積している。
フライホイール６は、鋼等の金属を素材としており、外周部の厚みを大きくすることで回転時のモーメントを大きくし、これにより、大きな運動エネルギーを貯蔵可能としている。尚、フライホイール６と空気との摩擦抵抗を少なくするため、フライホイール６をハウジングに収納して真空引きすることもできる。
また、回転軸４ｂは、摩擦抵抗が小さい深溝玉軸受、或いは磁気軸受により回転自在に支持されている。
【００１５】
トロイダル型無段変速機７は、図２に示す様に、回転軸４ｂに結合される入力軸２１と同心に入力側ディスク２２を固定し、入力軸２１と同心に配置されて回転軸４ｃに結合される出力軸２３に出力側ディスク２４を固定している。トロイダル型無段変速機７を納めたケーシング（不図示）の内側には、入力軸２１並びに出力軸２３に対し捻れの位置にある枢軸（傾転軸）２５を中心として揺動する１対のトラニオン２６が設けられている。各トラニオン２６には、パワーローラ３１が回転自在に支持されており、各パワーローラ３１は、入力側ディスク２２および出力側ディスク２４の間に挟持（転接）されている。
【００１６】
入力側ディスク２２および出力側ディスク２４の互いに対向する周面の断面は、それぞれ、枢軸２５を中心とする円弧或いはこのような円弧に近い曲線を回転させて得られる凹面を成している。そして、球状の凸面形状に形成された各パワーローラ３１の周面が、入力側ディスク２２および出力側ディスク２４の各周面に当接されている。
【００１７】
このような構成のトロイダル型無段変速機７においては、入力軸２１を回転させると、入力軸２１に固定された入力側ディスク２２が回転する。入力側ディスク２２の回転が、各パワーローラ３１を介して、出力側ディスク２４に伝達され、この出力側ディスク２４に固定された出力軸２３が回転する。
【００１８】
入力軸２１と出力軸２３の回転速度を変える場合であって、入力軸２１と出力軸２３との間で増速を行なう場合には、枢軸２５を中心として各トラニオン２６を揺動させ、各パワーローラ３１の周面が、図２に示すように、入力側ディスク２２の周面の外周寄り部分と、出力側ディスク２４の周面の中心寄り部分とにそれぞれ当接するように、各トラニオン２６を傾斜させる。
反対に、減速を行なう場合には、各トラニオン２６を揺動させ、各パワーローラ３１の周面が、入力側ディスク２２の周面の中心寄り部分と、出力側ディスク２４の周面の外周寄り部分とにそれぞれ当接するように、各トラニオン２６を傾斜させる。各トラニオン２６の傾斜角度を、減速時と増速時の中間にすれば、入力軸２１と出力軸２３との間で、中間の変速比が得られる。
【００１９】
本実施形態の風力発電装置１では、増速機５と発電機８との間に、エネルギー貯蔵装置であるフライホイール６とトロイダル型無段変速機７が連結され、風力エネルギーがフライホイール６に回転運動エネルギーとして貯蔵されるようになっている。このような構成によれば、風が弱い時に、フライホイール６に貯蔵されている運動エネルギーを発電機８に供給することにより、電力供給を安定化させることができる。
【００２０】
具体的には、風が強い時には、フライホイール６の回転速度が上昇する方向に増速機５を変速して、フライホイール６に運動エネルギーを蓄積する。一方、トロイダル型無段変速機８は、発電機８の回転速度が一定になるように、フライホイール６の回転速度が減少する方向に変速する。これにより、フライホイール６にエネルギーを蓄積しながら、発電機８の回転速度を一定に保ち、安定した発電が可能となる。この時、増速機５は、フライホイール６を増速させる為の負荷トルクが大きくなるので、ロータ３の回転速度を下げて、ロータ３の回転数が大きくなり過ぎないように作用する。
【００２１】
一方、ロータ３の回転数が低い時（風が弱い時）には、増速機５の回転軸４ｂの出力が発電機８を回転駆動するのに対して不十分となる場合がある。この場合には、フライホイール６に貯蔵した運動エネルギーから電力供給を補うことが可能である。この時、フライホイールの回転速度は減少するが、トロイダル型無段変速機７の変速比を調整することにより、発電機８の回転速度を一定に保つことができる。
【００２２】
以上の構成を有する本実施形態の風力発電装置１では、増速機５と発電機８との間に、エネルギー貯蔵装置１０を構成するフライホイール６とトロイダル型無段変速機７とを設けているので、電圧変動と周波数変動を抑制し、一定の発電量を常に安定的に供給することができる。
即ち、自然エネルギーである風力は、回転運動エネルギーとしてフライホイール６に蓄積されるが、風速等の変化により、フライホイール６に蓄積されるエネルギー（フライホイールの回転速度）は変動する。そして、風力エネルギーの変動をフライホイール６で吸収した後、変速比が連続的に調整できるトロイダル型無段変速機７を介することにより、発電機８へ安定した回転速度の回転エネルギーを伝達することができる。この様に、一般的な発電機８により、常に安定的に電力を発電することができる。しかも、フライホイール６とトロイダル型無段変速機７は機械製品であり、バッテリー等の電気化学製品よりも安価で環境に優しく、小型で寿命も長い。
【００２３】
運動エネルギーの蓄積と放出により、フライホイール６の回転速度は変動するが、本発明のエネルギー貯蔵装置１０は、フライホイール６とトロイダル型普段変速機７を組み合わせる構成により、変動するフライホイール６の回転速度を定格速度に変速し、常に一定の回転速度を出力することができる。
トロイダル型無段変速機７によってフライホイール６の回転速度を調整（変速比を連続的に可変）して、発電機８を定格回転速度で安定して回転駆動させることができるので、電力系統に一定周波数の安定した電力を供給できる。また、トロイダル型無段変速機は、ベルト（チェーン）式無段変速機等の他の無段変速機と比較して、大きなトルクを伝達可能であるので、大容量のエネルギーを蓄積して発電する装置に適している。
【００２４】
尚、本発明のエネルギー貯蔵装置の構成は、風力発電装置に限らず、あらゆる自然エネルギー（太陽熱、地熱、海流、波力、潮力等）を利用した発電装置において適用することができる。
また、トロイダル型無段変速機として、それぞれ１個ずつの入力側ディスクと出力側ディスクとを設けた、所謂シングルキャビティ型のものを例示したが、それぞれ複数の入力側ディスクと出力側ディスクとを、動力の伝達方向に関して互いに並列に配置した構成（ダブルキャビティ型など）とすることにより、より高いトルクを伝達することができる。これにより、大容量のエネルギーが蓄積可能となり、発電能力が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明のエネルギー貯蔵装置は、風力発電装置等の自然エネルギーを利用した発電装置に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  風力発電装置
２  ブレード
３  ロータ
４ａ，４ｂ，４ｃ  回転軸
５  増速機
６  フライホイール
７  トロイダル型無段変速機
８  発電機
１０  エネルギー貯蔵装置
２１  入力軸
２２  入力側ディスク
２３  出力軸
２４  出力側ディスク
２５  枢軸
３１  パワーローラ
【図１】
2016084708.tif 000003
【図２】
2016084708.tif 000004