JP7488948B1 - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体にかかる応力・負荷を複数の軸受に分散し、強風が吹く劣悪な環境下でも損傷することがなく、更に高い発電効率を得ることが継続的に可能な発電装置を提供する。【解決手段】略水平方向に延伸するシャフト２ａと、シャフト２ａの円周方向に所定の間隔で配置された複数の羽部材２ｂと、シャフト２ａを回転可能に支持する少なくとも二つの第１支持部材（第１回転体支持部２ｐ）と、発電機２ｅと、を備え、羽部材２ｂは、少なくとも二つの第１支持部材（第１回転体支持部２ｐ）の間に設けられ、風力に基づき前記発電機２ｅで発電する。【選択図】図１

Description

本発明は、主に風力によって発電する発電装置に関する。

昨今、いわゆる再生可能エネルギーの一形態として風力発電の普及が急速に進んでいる。風力発電に用いられる風力発電装置は、持続可能なエネルギーの供給に貢献し、二酸化炭素の排出を削減する有効な手段となりうる。特に小型の風力発電装置は、個人、事業主体等による自家消費や地域におけるエネルギーの地産地消を可能とし、また電力需要が逼迫した際に余剰電力をグリッドに供給することで、電力インフラの安定性を高める手段として期待されている。

小型風力発電装置に関連する技術については、例えば、複数のガイド板を円周上に配置したガイド部と、該ガイド部の内側に配置され、複数の回転翼が取付けられたドラム型風車と、該ドラム型風車の回動軸に連結された発電装置とを備え、前記ガイド部によって導かれた外部の風で前記ドラム型風車を回転させ、前記ドラム型風車の回転によって前記発電装置を駆動する風力発電装置において、風受け部分を有し、前記ガイド部の隣接するガイド板の間の開口部に移動可能に設けられた風力調整板であって、前記外部の風を前記風受け部分で受けて移動し、前記開口部の開口面積を変化させるように構成された風量調節板と、前記外部の風の大きさに応じて前記ドラム型風車の回転を制動するように構成されたブレーキ機構とを備える風力発電装置が知られている。（特許文献１）

特許文献１によれば、強風の場合でも損傷するおそれがなく、定格回転数の範囲内でドラム型風車を回転させて発電を継続して行うことができるとされている。

特開２０１２－２４１６９２号公報

特許文献１で開示された技術では、ドラム型風車の回転軸は垂直方向に延伸されており、風力発電装置は、いわゆる垂直軸型の構成を備えている。このような構成においては、回転軸は風力発電装置の底部に設けられた支持部で回転可能に支持されるが、強風が吹く劣悪な環境下では当該支持部にラジアル方向（径方向）の大きな負荷がかかることが想定される。

また、特許文献１で開示された技術では、外部の風の大きさに応じてドラム型風車の回転を制動するブレーキ機構を備えているが、当該ブレーキ機構は、制御ユニットと電気的に接続されており、制御ユニットの指示に基づいて作動する。具体的には、風力発電装置の外部に風速計が配置されており、当該風速計で計測された値が制御ユニットに入力され、制御ユニットは油圧式のブレーキ装置を作動させて風力発電装置の回転を制動する。このような構成では、油圧を加える際に電力を使用することとなり、この電力を差し引くと、発電装置の発電効率を実質的に低下させることとなる。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するべく案出されたものであり、その目的は、発電装置を構成する回転体の軸受にかかる負荷を分散し、強風が吹く劣悪な環境下でも損傷することがなく、更に高い発電効率を継続的に得ることが可能な発電装置を提供することにある。

前記課題を解決するためになされた本発明は、略水平方向に延伸するシャフトと、前記シャフトの円周方向に所定の間隔で配置された複数の羽部材と、前記シャフトを回転可能に支持する少なくとも二つの第１支持部材と、発電機と、を備え、前記羽部材は、少なくとも二つの前記第１支持部材の間に設けられ、風力に基づき前記発電機で発電する発電装置である。

これによって、シャフトと羽部材とで構成される回転体は、水平方向の少なくとも二か所で支持されることで、回転体にかかる応力・負荷が複数の軸受に分散され、強風等の劣悪な環境に晒されたとしても、損傷や故障等を防止することが可能となる。

また、本発明は、前記シャフト、前記羽部材及び前記第１支持部材を収納する風洞部を備え、前記風洞部を通過する風力に基づき前記発電機で発電するようにしたものである。

これによって、更にネット等を併用することで、風洞部の内部空間に鳥や動物等が侵入することが防止され、更に人等が不用意に回転体に接触することが防止される。

また、本発明は、前記風洞部において、風が流出する流出側開口部の開口面積を、風が流入する流入側開口部の開口面積より大きくしたものである。

これによって、風洞部の流出側開口部では気流の渦が発生して気圧が低下する。渦によって風洞部を通過する気流の風速が増加し、発電量の増大を図ることが可能となる。

また、本発明は、前記羽部材で構成された第１羽群と第２羽群とを備え、前記第１羽群と前記第２羽群とは、前記シャフトの延伸方向に順に配置されており、前記第１羽群と前記第２羽群との間に、前記シャフトを回転可能に支持する第２支持部材を備えるようにしたものである。

これによって、シャフトと羽部材とで構成される回転体は、水平方向の三か所で支持されることで、回転体にかかる応力・負荷が複数の軸受に分散され、強風等の劣悪な環境に晒されたとしても、発電装置の損傷や故障等を防止することが可能となる。

また、本発明は、風力の強度に応じて変位する風受け部材と、前記シャフトの回転を制動する制動部材と、を備え、前記制動部材は、前記風受け部材の変位に基づいて、前記シャフトに当接あるいは離間するように構成したものである。

これによって、ブレーキ機構を作動させる電力を不要として、発電効率を実質的に向上させることが可能となる。

また、本発明は、水源に接続され、水を吐出する吐出部を備え、前記吐出部を、前記羽部材と対向して設けたものである。

これによって、発電装置は、風力のみならず水力を用いて発電することが可能となる。また吐出部から放出される水流によって、羽部材に付着した汚れを除去することも可能となる。

また、本発明は、前記シャフトに配置された前記羽部材のうち、円周方向に隣接する前記羽部材が成す角度をθとし、前記シャフトの中心から前記羽部材の先端までの長さをＲとしたとき、前記吐出部は、前記シャフトの中心から半径方向にＲｃｏｓθ離れた位置から前記羽部材の半径方向の外端までの間に配置されているものである。

これによって、シャフトと羽部材とで構成される回転体において、羽部材が円周方向のどの位置にあっても、吐出部から吐出された水流は、少なくとも１つの羽部材に確実に当たるため、水力発電モードにおいて、水を無駄なく発電に利用できるとともに、回転体の回転速度の変動を小さくすることが可能となる。

また、本発明は、前記羽部材で構成された第１羽群と第２羽群とを備え、前記第１羽群と前記第２羽群とは、前記シャフトの延伸方向に順に配置されており、前記シャフトの延伸方向から目視したとき、前記第１羽群を構成する前記羽部材と前記第２羽群を構成する前記羽部材とが、互いに重ならないように配置されているものである。

これによって、水力発電モードにおいて、更に回転体の回転速度の変動を小さくすることが可能となる。

また、本発明は、前記風洞部を浮体に設置し、前記浮体を貯水部に浮上させるようにしたものである。

これによって、水上に配置された風洞部は、風の向きに応じて容易に回転し、効率よく風を受けることが可能となる。

また、本発明は、水源に接続され、水を吐出する吐出部と、前記貯水部の水位を計測する水位センサと、前記水源と前記吐出部との間に設けられた開閉弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記水位センサの出力に基づいて前記開閉弁を制御するようにしたものである。

これによって、貯水部の水位が下がった場合は、吐出部から水流を放出して、発電装置の動作モードを水力発電モードに切り替えるとともに、貯水部を水で満たすことが可能となる。

また、本発明は、前記水源と前記吐出部との間に設けられた開閉弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記発電機が発電した発電量を計測し、計測された前記発電量に基づき、前記開閉弁を制御するようにしたものである。

これによって、風が吹いていない状況では発電機の動作モードを風力発電モードから水力発電モードに切り替えて発電を継続することが可能となる。

このように、本発明によれば、発電装置を構成する回転体にかかる応力・負荷が複数のの軸受に分散させ、強風が吹く劣悪な環境下でも損傷することがなく、更に高い発電効率を得ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る発電装置１の概要を示す説明図 発電装置１及びその付帯設備の構成を示す説明図 回転体２ｃ及びその周辺の構成を示す説明図 （Ａ）、（Ｂ）は、発電装置１のブレーキ機構３０の構成を説明する説明図

（実施形態）
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。図１は、本発明の実施形態に係る発電装置１の概要を示す説明図である。発電装置１は、発電装置本体２と、浮体３と、浮体３の複数個所（例えば４か所）で発電装置本体２を支持する本体支持部４と、を含んでいる。なお、以降の説明において、図１に示す気流Ｆが流入する側を前、その逆方向を後、気流Ｆが流入する側に向って右側を右、その逆方向を左、発電装置１において発電装置本体２が配置された側を上、浮体３が配置された側を下と称することがある。

発電装置本体２のサイズは特に限定されないが、例えば、幅（左右方向）は１．５ｍ、奥行（前後方向）は６０ｃｍ、高さ（上下方向）は６０ｃｍ程度に小型化されている。発電装置本体２は、略水平方向に配置されたシャフト２ａ、シャフト２ａに設けられた羽部材２ｂ（シャフト２ａと羽部材２ｂとを合わせて回転体２ｃと称することがある。）、シャフト２ａを延伸方向の両端部近傍で支持する二つの第１回転体支持部２ｐ、シャフト２ａを略中央部分で支持する第２回転体支持部２ｑ、発電機２ｅ、風受け部材６、及び風洞部２ｆで構成される。なお、発電装置本体２の上に屋根板等を配置してもよい。

シャフト２ａは、例えばアルミニウムで構成された円筒形の部材である。なお、シャフト２ａは６０６１合金、５０５２合金といったアルミニウム合金あるいはステンレス鋼で構成してもよい。羽部材２ｂもシャフト２ａと同様にアルミニウム合金等で構成される。羽部材２ｂとして、より軽量でかつ強度が高い、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）やＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic）といった、樹脂と補強材とで構成される複合材を用いてもよい。図示するように、シャフト２ａは水平方向に延伸して配置されている。ここでシャフト２ａは実質的に水平方向に延伸していればよく、例えば水平方向から１０度［ｄｅｇ］程度、傾斜していても構わない。

羽部材２ｂは、表面に塗装（コーティング）を行ってもよい。塗装においては、例えば黒色塗料を用いてもよい。表面を黒色にすることで日照によって表面温度が上昇し、表面に付着した有機物等の分解が促進される。また羽部材２ｂに光触媒塗装を施してもよい。光触媒塗料に含まれる酸化チタンは、紫外線が照射されると親水性を発揮して羽部材２ｂの表面に水の薄膜を生成するとともに、更に触媒として作用して活性酸素を生成する。活性酸素は有機物を分解することから、分解された有機物は親水性をもつ羽部材２ｂの表面を雨（あるいは、吐出部１０ａ（図３参照）から放出される水流ＷＳ（後述する））の勢いで流される。このように、光触媒塗料はセルフクリーニング機能を有しており、羽部材２ｂに有機物等が付着するのを防止し、回転体２ｃを常に円滑に回転させるのに寄与しうる。もちろん、シャフト２ａについても同様に塗装を施してよい。

羽部材２ｂは、シャフト２ａの外周に例えばボルトで固定されており、複数の羽部材２ｂ（ここでは８つ）が円周方向に等角度で（所定の間隔で）配置されている。なお、羽部材２ｂを金属で構成した場合は、羽部材２ｂとシャフト２ａとを溶接で接合してもよく、羽部材２ｂを樹脂を含む複合材で構成した場合は、例えばシャフト２ａに溝部（図示せず）を形成し、当該溝部に羽部材２ｂの端部を挿入し、これを接着剤で固定してもよい。羽部材２ｂは、シャフト２ａの延伸方向において、左右の二領域に配置されており、それぞれ第１羽群２ｂＦ、第２羽群２ｂＳを構成している。

風洞部２ｆは、例えば金属製フレームに、金属製あるいは樹脂製の板材を組み付けて構成される。風洞部２ｆの前方には流入側開口部２ｇが設けられ、後方には流出側開口部２ｈ（図３参照）が設けられている。気流Ｆ（風）は流入側開口部２ｇから内部空間Ｓに流入し、流出側開口部２ｈから流出する。なお、流出側開口部２ｈの後方に風見安定用の翼を設けてもよい。風見安定用の翼を設けることで、流入側開口部２ｇは、安定して風上の方向を向くようになる。

回転体２ｃ、第１回転体支持部２ｐ、第２回転体支持部２ｑは、風洞部２ｆの内部空間Ｓに収納されている。風洞部２ｆは、後方において前部よりも開口面積が徐々に大きくされ、後部はいわゆるラッパ形状を成している。風洞部２ｆの後部をラッパ形状とすることで、風洞部２ｆは風レンズ（風集中器）を構成する。

このように、本実施形態の発電装置１は、風洞部２ｆにおいて、風が流出する流出側開口部２ｈの開口面積を、風が流入する流入側開口部２ｇの開口面積より大きくしている。これによって、風洞部２ｆの流出側開口部２ｈでは気流の渦ＳＴ（図３参照）が発生して気圧が低下する。これによって、気流Ｆの流入側開口部２ｇの風速が増加する。発電量は風速の３乗に比例することから、発電量の増大が図られる。なお、流入側開口部２ｇ及び流出側開口部２ｈに、ネット等（図示せず）を配置してもよい。これによって、シャフト２ａ、羽部材２ｂ及び第１支持部材（第１回転体支持部２ｐ）を風洞部２ｆに収納することと併せ、風洞部２ｆの内部空間Ｓに、鳥や動物等が侵入することが防止され、更に人等が不用意に回転体２ｃに接触することが防止される。

風洞部２ｆの内部空間Ｓにおいて、風洞部２ｆの下部の内面にはベアリングを含む第１回転体支持部２ｐ（第１支持部）が立設されている。第１回転体支持部２ｐは、少なくともシャフト２ａの両端部の近傍に配置され、シャフト２ａを回転可能に支持する。即ち、羽部材２ｂは、シャフト２ａの延伸方向において、二つの第１回転体支持部２ｐの間に設けられている。

ここでベアリングは、ボールベアリング、ローラーベアリング等が採用され、径方向の負荷を受けるラジアル軸受として機能する。また、第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとの間には第２回転体支持部２ｑ（第２支持部）が設けられている。第２回転体支持部２ｑもベアリングで構成されており、シャフト２ａを回転可能に支持する。シャフト２ａの一端は発電機２ｅと機械的に連結されている。発電機２ｅとしては、例えばアジテーション発電機、永久磁石発電機が用いられる。

発電機２ｅには増速機（図示せず）が内蔵され、発電機２ｅとシャフト２ａとは増速機を介して連結されている。後述するように、本実施形態の発電装置１は、風力で発電する風力発電モード、及び水力で発電する水力発電モードの二つの動作モードを切り替え可能に構成されている。そして、動作モードによって増速機の増速比が変更される。風力発電モードでは、風力が弱い場合であっても回転体２ｃが容易に回転するよう増速率は小さく設定される。他方、水流ＷＳ（図３参照）は、気流Ｆよりも運動量を大きくしやすいことから、水力発電モードでは増速率は大きく設定される。

風洞部２ｆ（発電装置本体２）は、本体支持部４を介して浮体３の上に設置されている。本体支持部４の材質は特に限定されないが、例えば金属や樹脂製のブロックが好適に利用できる。浮体３は、表面に耐候・耐光性塗装を施したポリプロピレン等の樹脂で構成され、上下に扁平な円柱形状を呈し、更に浮力を増大させるため中空構造とされている。そして、発電装置本体２が設置された浮体３は、水を蓄えた貯水部８に浮上した状態で使用に供される。

ここで、浮体３の浮力は、発電装置本体２を設置した状態で、少なくとも浮体３の上部が貯水部８に張られた水の水面から露出するように設定される。なお、上方から見たとき、浮体３及び発電装置本体２の全体（即ち、発電装置１）の重心と、浮体３の中心とが重なるように、浮体３の所定位置にバランサを設置してもよい。もちろん、浮体３上における発電装置本体２の位置を適宜調整して、発電装置１の重心と浮体３の中心とを重ねてもよい。また、上述した風見安定用の翼は、浮体３に設けてもよい。特に、当該翼を発電装置本体２の後方で、かつ浮体３の外縁近傍に設けることで、風速が小さい場合であっても、流入側開口部２ｇは、安定して風上の方向を向くようになる。

貯水部８は、浮体３を設置した際、浮体３の側面と貯水部８の内面との間に間隙が生じる大きさに形成されており、更に、当該間隙には、複数（少なくとも３つ）の浮体位置規制部９が設けられている。浮体位置規制部９は、ゴム等で構成されて浮体３の側面と当接して回動するローラ部材と、貯水部８の底面等に設けられローラ部材を回転可能に支持する支柱部（共に図示せず）とを含む。これによって、貯水部８において、浮体位置規制部９は、風等によって浮体３が水平方向に移動するのを規制する。ただし、浮体位置規制部９によって浮体３の水平面内における回転は規制されない。即ち、浮体３は、浮体３の上面における中心を軸として水平面内を回転可能とされている。これによって、浮体３とともに発電装置本体２は、風向きに応じて貯水部８の中で回転し、気流Ｆは流入側開口部２ｇから風洞部２ｆに流れ込む。

このように、本実施形態の発電装置１は、風洞部２ｆを浮体３に設置し、浮体３を貯水部８に浮上させるようしている。これによって、水上に配置された風洞部２ｆは、風の向きに応じて容易に回転し、効率よく風を受けることが可能となる。

浮体３の下部には、接続部７が設けられている。接続部７は、更に貯水部８の底面と連結されている。接続部７は、少なくとも回転フランジ（ロータリージョイント）とスリップリング（共に図示せず）とが一体に構成されており、浮体３は接続部７を介して貯水部８に対して相対的に回転可能とされている。

更に、接続部７において回転フランジは上下方向に伸縮する蛇腹ホース（図示せず）と接続されている。後述するように、発電装置１は風力のみならず水力によっても発電を行う。水力発電に用いる水は、回転フランジと蛇腹ホースとを介して発電装置本体２に供給される。この構成によって、気流Ｆの風向に応じて浮体３が回転したとしても、あるいは貯水部８の水位が変動して、浮体３と接続部７との上下位置が多少変動したとしても、継続的かつ安定して発電装置本体２に水を供給することが可能となる。

また、発電機２ｅで発電された電力は、スリップリングを介して外部に取り出される。スリップリングを採用することで、浮体３が回転したとしても、あるいは浮体３と接続部７との上下位置が多少変動したとしても、継続的かつ安定して発電装置本体２から電力を取り出すことが可能となる。

更に、貯水部８の側面には、余剰水排出口８ａが設けられており、降雨等により貯水部８に水が流れ込んだ際、余剰の水は余剰水排出口８ａから排出され、貯水部８の水位が高くなることが防止される。また、例えば浮体３の縁部には水位センサ１１が設けられており、水位センサ１１の出力に基づいて、貯水部８の水位が低くなったと判断された場合は、貯水部８に水が注入され、貯水部８の水位が低くなることが防止される（詳細は後述する）。即ち、貯水部８の水位は実質的に一定となるように管理される。

なお、貯水部８の一部は地下に設けられてもよいが、この際、余剰水排出口８ａは地上に露出するように設けられる。なお、余剰水排出口８ａから溢れ出た水は、図示しない貯水槽に導かれてもよく、当該貯水槽に蓄えられた水は、別途ポンプで汲みだされ、例えば農業用水や濾過をしたうえで生活用水として利用されうる。もちろん、ポンプ等で貯水部８から直接水を汲みだして生活用水等に利用してもよい。この場合も上述した水位センサ１１の出力に基づき、貯水部８に水が補充される。

また、風洞部２ｆの前部には、左右に風受け部材６が設けられている。後述するように、風受け部材６は風力に応じて変位し、この変位量に基づいて回転体２ｃの回転が制動される。

なお、シャフト２ａは円筒形のみならず、その延伸方向と直交する断面の形状を多角形としてもよい。また発電装置１から風洞部２ｆを除去した態様、あるいは発電装置本体２、浮体３を貯水部８に浮かせず地上に配置した態様、貯水部８を用いず、浮体３を海洋や池、湖沼に浮かせた態様であっても発電装置１として機能しうる。

このように、本実施形態の発電装置１は、略水平方向に延伸するシャフト２ａと、シャフト２ａの円周方向に所定の間隔で配置された複数の羽部材２ｂと、シャフト２ａを回転可能に支持する少なくとも二つの第１支持部材（第１回転体支持部２ｐ）と、発電機２ｅと、を備え、羽部材２ｂは、少なくとも二つの第１支持部材（第１回転体支持部２ｐ）の間に設けられ、風力に基づき発電機２ｅで発電する。これによって、シャフト２ａと羽部材２ｂとで構成される回転体２ｃは、水平方向の少なくとも二か所で支持されることで、回転体２ｃにかかる応力・負荷が複数の軸受に分散され、強風等の劣悪な環境に晒されたとしても、損傷や故障等を防止することが可能となる。

図２は、発電装置１及びその付帯設備の構成を示す説明図である。図２においては、発電装置１を流入側開口部２ｇの側から目視した状態を示している。図示するように、回転体２ｃのシャフト２ａは、左側の端部（開放端）において、及び第２羽群２ｂＳと発電機２ｅとの間において、それぞれ第１回転体支持部２ｐに回転可能に支持され、更にシャフト２ａは、その延伸方向（左右方向）に順に配置された第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとの間において、第２回転体支持部２ｑで回転可能に支持されている。

このように、本実施形態の発電装置１は、羽部材２ｂで構成された第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとを備え、第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとは、シャフト２ａの延伸方向に順に配置されており、第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとの間に、シャフト２ａを回転可能に支持する第２支持部材（第２回転体支持部２ｑ）を備えている。これによって、シャフト２ａと羽部材２ｂとで構成される回転体２ｃは、水平方向の三か所でラジアル軸受によって支持されることで、回転体２ｃにかかる応力・負荷が複数の軸受に分散され、強風等の劣悪な環境に晒されたとしても、発電装置１の損傷や故障等を防止することが可能となる。

また、シャフト２ａを両端部以外でも支持することで、シャフト２ａ全体の剛性が向上し、振動や変形を抑制できる。結果的にシャフト２ａ、第１回転体支持部２ｐ、第２回転体支持部２ｑの耐久性が向上し、発電装置１の長寿命化を図ることが可能となる。なお、シャフト２ａを略水平方向に配置することで、複数の羽群、第１回転体支持部２ｐ、第２回転体支持部２ｑは、比較的低所に配置される。これによって、メンテナンス（清掃、修理、交換等）を行う際において、いわゆる高所作業が不要となり、作業性・安全性が向上する。

回転体２ｃの後方の上方には、シャフト２ａの延伸方向に、第１羽群２ｂＦ及び第２羽群２ｂＳと並行して放水部１０が設けられている（併せて図３を参照）。放水部１０には、羽部材２ｂと対向する位置に複数の吐出部１０ａが設けられている。そして吐出部１０ａからは水流ＷＳ（図３参照）が放出される。この水流ＷＳによって回転体２ｃが回転し、このとき発電装置１は水力発電モードで動作する。

以下、発電装置１の付帯設備について説明する。付帯設備としては、制御部２０、水源１３、開閉弁１４、交流／直流変換器１５、蓄電池１７、水位センサ１１が挙げられる。制御部２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)等で構成され、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random access memory）等の記憶部に記憶された制御プログラムに従って動作する。制御部２０は図示しない外部電源あるいは蓄電池１７から電力を供給されて動作する。なお、制御部２０は、例えば発電装置１の近傍において発電装置１とは別筐体に収納される。

水源１３としては、例えば、河川、池等から水路を経由して引かれた水や、所定の貯水槽（図示せず）に蓄えられた雨水、上水道が用いられる。これらは所定の水圧を確保するために、発電装置１よりも高所から引き込まれ、あるいは高所に貯水される。もちろん所定の水圧が得られるのであれば、水源１３として上水道を直接用いてもよい。

水位センサ１１は、貯水部８に張られた水の水位を計測する。水位センサ１１としては、例えば水面に向けて音波を発射し、音波が水面で反射して戻ってくるまでの時間を計測する超音波式水位センサ、ウキを水面に浮かせ、ウキに接続されたポテンショメータ、あるいはウキの位置を非接触で検出する光学センサを用いることができる。なお、水位センサ１１は浮体３上に配置されてもよく、貯水部８あるいはその近傍に配置されてもよい。

制御部２０は、水位センサ１１の出力に基づいて開閉弁１４を制御する。具体的には、水位センサ１１によって貯水部８の水位が所定の水位より低くなった場合、制御部２０は開閉弁１４を開弁する。他方、水位が所定の水位以上となった場合、開閉弁１４を閉弁する。貯水部８の水位が所定の値より低くなる場合としては、主にポンプ等で貯水部８から直接水を汲み出した場合が該当する。ここで「所定の水位」とは、例えば余剰水排出口８ａの下縁の水位を意味する。

開閉弁１４が開弁されると、水源１３の水は、排水管１２によって開閉弁１４、接続部７を経由して放水部１０に送られ、吐出部１０ａから水流ＷＳ（図３参照）が放出される。吐出部１０ａから水流ＷＳを放出することで、発電装置１の動作モードは、風力発電モードから水力発電モードに切り替わる。上述したように、接続部７は上下方向に伸縮する蛇腹ホースを含むため、貯水部８の水位が変動した場合であっても、水源１３から吐出部１０ａに安定して水を供給することができる。なお、制御部２０が開閉弁１４を開弁した後、吐出部１０ａから吐出された水が貯水部８に到達するまでには遅延が発生するため、水が過剰供給される場合がある。しかしながら、余剰の水は上述した余剰水排出口８ａから排出された後（あるいは、貯水部８から汲み上げられて）再利用されるため、水源１３として上水道を使用した場合であっても、水資源が無駄にされることはない。

このように、本実施形態の発電装置１は、水源１３に接続され、水を吐出する吐出部１０ａと、貯水部８の水位を計測する水位センサ１１と、水源１３と吐出部１０ａとの間に設けられた開閉弁１４と、制御部２０と、を備え、制御部２０は、水位センサ１１の出力に基づいて開閉弁１４を制御する。これによって、貯水部８の水位が下がった場合は、吐出部１０ａから水流ＷＳを放出して、発電装置１の動作モードを水力発電モードに切り替えるとともに、貯水部８を水で満たすことが可能となる。

発電機２ｅで発電された電力は、接続部７に設けられたスリップリング（図示せず）を介して、導線１６によって発電装置１の外部に引き出され、交流／直流変換器１５に入力される。交流／直流変換器１５は、発電機２ｅが出力した交流を直流に変換する。そしてその電力は蓄電池１７に蓄えられる。蓄電池１７に蓄えられた電力は、直流／交流変換器（図示せず）を介して一般家庭等で使用（地産地消）されてもよく、電力グリッドを介して外部に送電されてもよい。

ここで交流／直流変換器１５の出力は、制御部２０に入力される。制御部２０は、電力計（図示せず）を備えており、電力計の出力に基づき発電装置１の発電量を計測する。そして、発電量が所定の値より小さいあるいはゼロの場合（以降、「条件Ａ」と称することがある。）、制御部２０は、開閉弁１４を開弁し、上述した吐出部１０ａから水を吐出する。この場合も、発電装置１の動作モードは、風力発電モードから水力発電モードに切り替わる。

このように、本実施形態の発電装置１は、水源１３と吐出部１０ａとの間に設けられた開閉弁１４と、制御部２０と、を備え、制御部２０は、風洞部２ｆを通過する風（気流Ｆ（図１参照））の力に基づいて発電機２ｅが発電した発電量を計測し、計測された発電量に基づき、開閉弁１４を制御する。これによって、風が吹いていない状況では発電モードを風力発電モードから水力発電モードに切り替えて発電を継続することが可能となる。

水力発電モードに移行する際、制御部２０は、発電機２ｅに所定の制御コマンドを送信する。制御コマンドを受信した発電機２ｅは、上述した増速機のギアトレインを増速率が大きくなるように組み替える。これによって、水力発電モードにおいては、回転体２ｃの回転が増速されて発電が行われる。水力発電モードは所定の期間（例えば５分間）継続され、その後、制御部２０は開閉弁１４を閉弁し、動作モードを風力発電モードに切り替える。風力発電モードでは、増速機のギアトレインは増速率が小さくなるように組み替えられる。風力発電モードに切り替えた後、制御部２０は交流／直流変換器１５の出力を参照し、上述した条件Ａが満たされる場合、再度動作モードを再度水力発電モードに切り替える。

図３は、回転体２ｃ及びその周辺の構成を示す説明図である。図３は、発電装置本体２を右側から側面視した状態を示している。ただし、風洞部２ｆの筐体や発電機２ｅの記載は省略している。また、シャフト２ａに配置された羽部材２ｂのうち、第１羽群２ｂＦは実線で描き、第２羽群２ｂＳは二点鎖線で描いている。

図示するように、羽部材２ｂは外周に向うほど、円周方向に湾曲するように形成され、更にその外端部は、略Ｌ字形状とされている。このように、羽部材２ｂは凹部２ｂｉで気流Ｆを受ける構造とされ、気流Ｆを受けた回転体２ｃは方向Ｄ１に回転し、回転体２ｃと連結された発電機２ｅ（図２参照）で発電が行われる。羽部材２ｂのうちシャフト２ａに当接する基部は、シャフト２ａの外周面と同じ曲率に形成され、羽部材２ｂとシャフト２ａとは、ボルト（図示せず）あるいは溶接で接合される。なお、羽部材２ｂを更に左右方向（シャフト２ａの延伸方向）に湾曲させて凹部２ｂｉを椀状に構成してもよい。

そして側面視にて、第１羽群２ｂＦを構成する羽部材２ｂと第２羽群２ｂＳを構成する羽部材２ｂとは、シャフト２ａの円周方向に所定の角度だけ互いにシフトして配置されている。具体的には第１羽群２ｂＦ、第２羽群２ｂＳのそれぞれにおける羽部材２ｂの枚数を８枚とするとき、各羽群において円周方向に隣接する羽部材２ｂは、θ＝３６０／８＝４５［ｄｅｇ］の間隔で配置されている。そして、第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとの関係においては、各羽群を構成する羽部材２ｂは、円周方向にθ／２＝２２．５［ｄｅｇ］の間隔で配置されている。

もちろん一つの羽群を構成する羽部材２ｂの枚数は任意に定めてよい。羽部材２ｂの枚数をＮとするとき、一つの羽群における羽部材２ｂは、円周方向にθ＝３６０／Ｎ［ｄｅｇ］の間隔で配置され、二つの羽群の関係において、羽部材２ｂは、θ／２＝３６０／２Ｎ［ｄｅｇ］の間隔で配置される。更に、シャフト２ａの延伸方向に順に配置される羽群の数をＭとするとき、Ｍ個の羽群の関係において、羽部材２ｂは、θ／Ｍ＝３６０／（Ｍ×Ｎ）［ｄｅｇ］の間隔で配置される。

放水部１０には前後方向に複数列（ここでは三列）の吐出部１０ａが設けられている。吐出部１０ａは各羽群あたり左右方向に複数行（三行）設けられており（図２参照）、本実施形態では計９個×羽群の数（ここでは２つ）の吐出部１０ａが羽部材２ｂの凹部２ｂｉと向き合うように配置されている。吐出部１０ａから水流ＷＳを放出することによって、羽部材２ｂは方向Ｄ１に回転する。

このように、本実施形態の発電装置１は、水源１３（図２参照）に接続され、水（水流ＷＳ）を吐出する吐出部１０ａを備え、吐出部１０ａを、羽部材２ｂと対向して設けている。吐出部１０ａは放水部１０から射出口に向けて開口がテーパー状に絞り込まれており、水流ＷＳの吐出速度が高速化される。発電装置１は風力のみならず水流ＷＳを用いて発電する。また水流ＷＳによって、羽部材２ｂに付着した汚れを除去することも可能となる。特に羽部材２ｂに光触媒塗装を施した場合、クリーニング効果は顕著なものとなる。

ここで、各羽群において円周方向に隣接する羽部材２ｂの配置間隔、即ち、隣接する二つの羽部材２ｂが成す角をθとし、シャフト２ａの中心から羽部材２ｂの先端までの長さ（回転体２ｃの半径）をＲとしたとき、吐出部１０ａは、シャフト２ａの中心から半径方向にＲｃｏｓθ離れた位置と羽部材２ｂの半径方向の外端との間に配置されている。即ち、シャフト２ａの半径方向における吐出部１０ａの水（水流ＷＳ）の吐出範囲Ｌ１は、Ｌ１＝Ｒ（１－ｃｏｓθ）となる。

これによって、回転体２ｃにおける羽部材２ｂが円周方向のどの位置にあっても、吐出部１０ａから吐出された水流ＷＳは、少なくとも１つの羽部材２ｂに確実に当たるため、水力発電モードにおいて、水を無駄なく発電に利用できるとともに、回転体２ｃの回転速度の変動を小さくすることが可能となる。

また、本実施形態の発電装置１は、上述したように羽部材２ｂで構成された第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとを備え、第１羽群２ｂＦと第２羽群２ｂＳとは、シャフト２ａの延伸方向に順に配置されており（図２参照）、シャフト２ａの延伸方向から目視したとき、第１羽群２ｂＦを構成する羽部材２ｂと第２羽群２ｂＳを構成する羽部材２ｂとが、互いに重ならないように（非重畳に）配置されている。これによって、水力発電モードにおいて、更に回転体２ｃの回転速度の変動を小さくすることが可能となる。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、発電装置１のブレーキ機構３０の構成を説明する説明図である。以降、図４に図１を併用して説明する。シャフト２ａの延伸方向の両端部近傍には、一対のブレーキ機構３０が設けられている。ブレーキ機構３０は、風受け部材６、風受け部材支持部３０ａ、板ばね部材３０ｂ、リンク機構３０ｃ、ブレーキベルト３０ｄで構成される。

風受け部材６は、樹脂あるいはステンレスやアルミニウム合金等の金属で構成された板状の部材であり、風洞部２ｆの左右前面において、風洞部２ｆから突出するように設けられている（図１参照）。風受け部材６は、風洞部２ｆの内部において上下方向に延伸する風受け部材支持部３０ａで回動可能に支持され、回転軸Ａｘを中心として方向Ｄ２と方向Ｄ３との間で変位する。

風受け部材支持部３０ａと風洞部２ｆとの間には、ステンレスあるいはチタン等の金属で構成された板ばね部材３０ｂが配置されている。板ばね部材３０ｂによって、風受け部材６は無風状態では方向Ｄ３に付勢され、風を受けると方向Ｄ２に変位する。そして強い風を受けるほど、方向Ｄ２への変位量が大きくなる。

風受け部材支持部３０ａのうち、風洞部２ｆの内部に延伸する側の端部には、リンク機構３０ｃの一端が接続されている。そしてリンク機構３０ｃの他端にはブレーキベルト３０ｄが接続されている。ここでブレーキベルト３０ｄの材料としては、例えばゴム等を用いることができるが、ベース材に金属や繊維材といった摩擦材を混入した材料を用いて構成してもよい。

図４（Ｂ）に示すように、ブレーキベルト３０ｄのうち、リンク機構３０ｃと接続されていない側は、風洞部２ｆに係合されている。そして、ブレーキベルト３０ｄは、シャフト２ａの外面に沿って、その一部を周回するように設けられている。

無風状態においては、風受け部材支持部３０ａが方向Ｄ３に付勢されることで、リンク機構３０ｃは方向Ｄ５に付勢されている。この状態においては、シャフト２ａとブレーキベルト３０ｄとは離間しており、ブレーキベルト３０ｄがシャフト２ａの回転を妨げることはない。他方、強風が吹く状況では、風受け部材支持部３０ａは方向Ｄ２に変位し、これによってリンク機構３０ｃは方向Ｄ４に変位する。これに伴って、リンク機構３０ｃと接続された側のブレーキベルト３０ｄの端部も、方向Ｄ４に変位する。そしてブレーキベルト３０ｄが方向Ｄ４に引かれて、シャフト２ａの外面と当接し、シャフト２ａの回転に制動がかかる。このときの制動力は風力が大きくなるほど強くなる。なお、ブレーキベルト３０ｄと対面する部位において、シャフト２ａの表面に梨地処理等の面粗し加工を施してもよく、これによって制動力を更に大きくすることができる。

このように、本実施形態の発電装置１は、風力の強度に応じて変位する風受け部材６と、シャフト２ａの回転を制動する制動部材（ブレーキベルト３０ｄ）と、を備え、制動部材は、風受け部材６の変位に基づいて、シャフト２ａに当接あるいは離間するように構成されている。これによって、ブレーキ機構３０を作動させる電力を不要として、発電効率を実質的に向上させることが可能となる。

以上、本発明に係る発電装置１について特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、上述した実施形態において、回転体２ｃは、第１羽群２ｂＦ及び第２羽群２ｂＳの二つの羽群を備えるものとして説明したが、羽群の数を３以上に増やし、複数の羽群の間に、第２支持部材（第２回転体支持部２ｑ）を設けてもよい。

また、回転体２ｃとして実施形態とは異なる構成を採用してもよく、例えばダリウス型、ジャイロミル型、直線翼型、クロスフロー型、サボニウス型、パドル型、Ｓ字ロータ型の風車を用いることも可能である。

本発明に係る発電装置は、回転体にかかる応力・負荷が複数の軸受に分散され、強風が吹く劣悪な環境下でも損傷することがなく、更に高い発電効率を継続的に得ることが可能であるから、例えば一般家庭、事業所、商業施設や電力が供給しにくい地域における電力供給源として、広く利用することができる。

１ 発電装置
２ 発電装置本体
２ａ シャフト
２ｂ 羽部材
２ｂｉ 凹部
２ｂＦ 第１羽群
２ｂＳ 第２羽群
２ｃ 回転体
２ｅ 発電機
２ｆ 風洞部
２ｇ 流入側開口部
２ｈ 流出側開口部
２ｐ 第１回転体支持部
２ｑ 第２回転体支持部
３ 浮体
６ 風受け部材
７ 接続部
８ 貯水部
８ａ 余剰水排出口
１０ 放水部
１０ａ 吐出部
１１ 水位センサ
１３ 水源
１４ 開閉弁
１５ 交流／直流変換器
１７ 蓄電池
２０ 制御部
３０ ブレーキ機構
３０ａ 風受け部材支持部
３０ｂ 板ばね部材
３０ｃ リンク機構
３０ｄ ブレーキベルト
Ａｘ 回転軸
Ｆ 気流
ＷＳ 水流

Claims (10)

1. 略水平方向に延伸するシャフトと、
   前記シャフトの円周方向に所定の間隔で配置された複数の羽部材と、
   ラジアル軸受で構成され、前記シャフトを回転可能に支持する少なくとも二つの第１支持部材と、
   風力の強度に応じて変位する風受け部材と、
   前記シャフトの延伸方向の両端側に設けられ、前記シャフトの回転を制動する一対のブレーキ機構と、
   発電機と、
   を備え、
   前記羽部材は、少なくとも二つの前記第１支持部材の間に設けられ、
   風力に基づき前記発電機で発電し、
   前記ブレーキ機構は、前記シャフトの外面に沿って、前記シャフトの一部を周回するように配置されたブレーキベルトを含み、
   前記ブレーキベルトは、前記風受け部材の変位に基づいて、前記シャフトに当接あるいは離隔するように構成されており、
   前記ブレーキベルトは、前記シャフトに当接した際、前記シャフトにラジアル荷重を加えて、前記シャフトの回転を制動することを特徴とする発電装置。
2. 前記ブレーキベルトと対面する部位において、前記シャフトの表面に面粗し加工を施したことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記シャフト、前記羽部材及び前記第１支持部材を収納する風洞部を備え、
   前記風洞部を通過する風力に基づき前記発電機で発電することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
4. 前記風洞部において、風が流出する流出側開口部の開口面積を、風が流入する流入側開口部の開口面積より大きくしたことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
5. 前記羽部材で構成された第１羽群と第２羽群とを備え、
   前記第１羽群と前記第２羽群とは、前記シャフトの延伸方向に順に配置されており、
   前記第１羽群と前記第２羽群との間に、前記シャフトを回転可能に支持する第２支持部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
6. 水源に接続され、水を吐出する吐出部を備え、
   前記吐出部を、前記羽部材と対向して設けたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
7. 前記羽部材で構成された第１羽群と第２羽群とを備え、
   前記第１羽群と前記第２羽群とは、前記シャフトの延伸方向に順に配置されており、
   前記シャフトの延伸方向から目視したとき、前記第１羽群を構成する前記羽部材と前記第２羽群を構成する前記羽部材とが、互いに重ならないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
8. 前記風洞部を浮体に設置し、
   前記浮体を貯水部に浮上させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
9. 水源に接続され、水を吐出する吐出部と、
   前記貯水部の水位を計測する水位センサと、
   前記水源と前記吐出部との間に設けられた開閉弁と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水位センサの出力に基づいて前記開閉弁を制御することを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
10. 前記水源と前記吐出部との間に設けられた開閉弁と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記発電機が発電した発電量を計測し、
    計測された前記発電量に基づき、前記開閉弁を制御することを特徴とする請求項６に記載の発電装置。

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