JP4028826B2 - Wind power generator - Google Patents

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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Description

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。   The present invention is a wind power generator that generates power by causing wind power to act on a windmill and rotating a windmill shaft, and accumulates surplus energy and uses this when shortage keeps the power generation amount in a steady state. It relates to what has a mechanism.

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。   In Patent Document 1, an air passage and an air outlet are provided in a blade (blade) of a windmill, and compressed air is generated and stored in a compressed air tank by an air compressor when the amount of power generation is surplus, and compressed air when insufficient. A wind power generator is disclosed in which compressed air is sent from a tank to a blade of a windmill and ejected from an air outlet to obtain the rotational force of the windmill.

特開２００３−８３２３０JP 2003-83230 A

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。   However, in Patent Document 1, the structure of the blade of the windmill is complicated, and it is difficult to control to maintain a constant rotational force when the rotational force of the windmill is compensated by the jet of compressed air. Therefore, in the present invention, when the power generation amount is surplus, the energy is stored as compressed air, and when it is insufficient, the wind power generator supplements the power generation amount using the compressed air, and the generator is always fixed by a simple structure. The purpose is to enable driving with rotational force (number of rotations).

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。 In order to solve the above object, the present invention has the following configuration.
(1) The wind turbine generator according to claim 1 is a wind turbine generator that generates power by causing wind power to act on the windmill and rotating the windmill shaft.
(A) The first side gear and the second side gear facing each other, the first pinion gear and the second pinion gear meshing with the first and second side gears and facing each other, and the revolution of the first and second pinion gears. A differential gear device comprising a main gear;
(B) a generator (30) driven by the main gear (19);
(C) An air compressor (40) driven by the main gear (19) via the rotational motion transmission means (43) and a compression for storing the air discharged by driving the air compressor (40) An air tank (52),
(D) an air motor (60) driven by compressed air delivered from the compressed air tank (52),
(E) The first side gear (14) is rotationally driven by the wind turbine (11), while the second side gear (15) is rotationally driven by the air motor (60), and (f) the generator When the power generation amount by (30) is in a steady state, the main gear (19) drives only the generator (30), and when the power generation amount is in an excessive state, the main gear (19) is compressed by the air compression. The compressor (40) is driven to store the compressed air in the compressed air tank (52). When the amount of power generation is insufficient, the air motor (60) is driven to rotate the second side gear (15). Thus, it has control means for controlling to keep the rotation speed of the main gear (19) constant.
(2) The wind turbine generator according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the rotational motion transmission means (43) includes a clutch.

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。   With the differential gear device having the above-described configuration, the main gear always rotates at the average rotational speed regardless of the rotational speeds of the first side gear and the second side gear. When the power generation amount is in a steady state, only the first side gear driven by the windmill rotates to rotate the main gear, and the main gear drives only the generator to generate power.

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。   When the power generation amount becomes excessive from the steady state, the rotation of the main gear is transmitted to the air compressor via the rotation operation transmitting means. When the main gear drives the air compressor in addition to the generator, the load increases, the rotational speed of the first side gear decreases, and the rotational speed of the main gear returns to the steady state. Thereby, the power generation amount also returns to the steady state. On the other hand, the air compressed by the air compressor is stored in a compressed air tank.

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。   When the power generation amount becomes insufficient from the steady state, the air motor is driven by the compressed air in the compressed air tank to rotate the second side gear. By adjusting and controlling the rotation speed of the second side gear according to the decrease in the rotation speed of the first side gear, the rotation speed of the main gear can be returned to the steady state, that is, kept constant. Thereby, the power generation amount also returns to the steady state.

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。   It is preferable that the rotational motion transmission means between the main gear and the air compressor is a clutch mechanism capable of gradually transmitting the rotation. This is to prevent damage to the component due to a sudden transmission of a large force.

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。   In the wind turbine generator of the present invention, the power generation amount of the generator can be maintained in a steady state with a simple structure. In addition, a cost reduction of about 20 to 30% can be realized as compared with the conventional wind power generator. Conventional wind power generation devices were about 20-50% more expensive than thermal power generation and nuclear power generation, but according to the present invention, the cost can be as high as these other power generation methods. It can promote the spread of wind power generation and contribute to environmental protection.

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。 Hereinafter, an actual embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram schematically and schematically showing an example of a mechanism of a wind turbine generator 10 according to the present invention. In addition, in FIG. 1, the case where the electric power generation amount of a wind power generator is a steady state is shown. The steady state means that the power generation amount is within the target value range. Although not shown, the general appearance of an actual wind power generator is such that the windmill shaft 12 protrudes from the outer wall of the upper part of the tower-shaped main body, and the windmill 11 is attached to this. The windmill shaft 12 is rotated by rotating the windmill 11 by the action of wind power. Components other than the windmill 11 in FIG. 1 are appropriately arranged and accommodated inside the tower-shaped main body.

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。   In a general wind power generator, the rotation of the wind turbine shaft 12 is transmitted to the rotor shaft 22 of the generator 30, and by rotating the rotor shaft 22, an electric current is generated in a coil wound around the stator. Since the structure of the generator 30 is well known, it will be omitted. In the present invention, the differential gear device 13 is interposed between the windmill shaft 12 and the generator 30, and the rotation of the windmill shaft 12 is transmitted to the generator shaft 22 through this.

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。   The differential gear device 13 includes a first side gear 14 and a second side gear 15 that are a pair of bevel gears facing each other, and a pair of bevel gears that mesh with the first and second side gears 14 and 15 and face each other. A first pinion gear 16 and a second pinion gear 17 and a main gear 19 connected to the first and second pinion gears 16 and 17 via connecting portions 18a and 18b, respectively. The axes of the first and second side gears 14 and 15 and the main gear 19 are aligned. The axes of the first and second pinion gears 16 and 17 are orthogonal to the axes of the first and second side gears 14 and 15. The first and second pinion gears 16 and 17 can rotate about their respective axes, and at the same time can revolve integrally around the axis of the main gear 19. Since the first and second pinion gears 16 and 17 and the main gear 19 are connected, the main gear 19 is interlocked with the revolution of the first and second pinion gears 16 and 17.

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。   Such a differential gear device 13 is characterized in that the rotation speed of the main gear 19 is an average rotation speed of the rotation speed of the first side gear 14 and the rotation speed of the second side gear 15. Since the first side gear 14 is connected to the wind turbine shaft 12, the first side gear 14 is directly driven to rotate by the wind turbine 11. The second side gear 15 is connected to the air motor shaft 63 of the air motor 60 and can be driven to rotate by the air motor 60. The first and second pinion gears 16 and 17 revolve due to the rotation of both the first side gear 14 and the second side gear 15, but when there is a difference in the rotation speed of each side gear, each pinion gear rotates and averages. Revolves at the specified rotation speed. This is the same when one of the side gears is completely stopped. In the steady state, since the air motor 60 is stopped, the second side gear 15 is stopped.

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。   The rotation of the main gear 19 is transmitted to the generator shaft 22 via the generator drive gear 21. Accordingly, the generator 30 is driven by the main gear 19. The output of the generator 30 is transmitted through a power transmission line, and the amount of power generation is monitored by a power generation amount sensor 31. The power generation amount sensor 31 is, for example, an ammeter, a voltmeter, and / or a wattmeter.

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。   On the other hand, the rotation of the main gear 19 can be transmitted to the air compressor 40 via the compressor drive gear 41. However, a rotational motion transmission means 43 is provided between the compressor gear 41 and the air compressor 40, and transmission of rotational motion during this time can be connected or disconnected by control. In the example shown in the figure, the rotational motion transmission means 43 is a clutch provided in the middle of the compressor drive shaft 42. The clutch 43 can be controlled to be connected or disconnected by an electric signal. In the illustrated state, the clutch 43 is disengaged, and therefore the air compressor 40 is also stopped.

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。   The air compressor 40 includes a crank 45 having one end attached to a wheel 44 that is rotationally driven by a compressor drive shaft 42, a piston 47 to which the other end of the crank 45 is attached, and a piston 47 that accommodates the piston 47. 49 and a cylinder 46 having a discharge valve 50. The suction valve 49 and the discharge valve 50 are check valves. When the air compressor 40 is driven, air is sucked into the compression chamber 48 from the suction valve 49 by the reciprocating operation of the piston 47 and discharged from the discharge valve 50. Acts as a pump. The illustrated air compressor 40 is a simplified example, and other well-known air compressors can be used.

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。   The air discharged from the air compressor 40 is sent to the compressed air tank 52 and stored. The target pressure value in the compressed air tank 52 in the present invention is about 600 atmospheres. The gate valve 51 between the air compressor 40 and the compressed air tank 52 is closed except when air is sent. The compressed air tank 52 is also provided with a pressure relief valve 54 for preventing an excessive pressure rise. The pressure in the compressed air tank 52 is monitored by a pressure sensor 55.

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。   The outlet of the compressed air tank 52 is connected to the air motor 60 as described above. Then, the stored compressed air is supplied to the air motor 60 by the control, and the air motor 60 is driven. The gate valve 53 between the compressed air tank 52 and the air motor 53 is closed except when air is sent.

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。   The opening / closing and / or flow rate control of each of the gate valves 51 and 53 and the pressure relief valve 54 is performed by an electrical signal. In steady state, these valves are all closed.

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。   In the illustrated example, the air motor 60 incorporates a rotor 62 and rotationally drives the rotor 62 in a process in which compressed air flowing in from the intake port 61 is discharged from the exhaust port 64. The shaft of the rotor 62 is the air motor shaft 63 and is connected to the second side gear 15 as described above. Various structures are known for an air motor that obtains rotational force using compressed air as a power source, and any structure can be used without being limited to the illustrated example.

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。   The control unit 70 continuously obtains the output signal S1 of the power generation amount sensor 31 and the output signal S2 of the pressure sensor 55 as input data, and controls the connection and disconnection of the clutch 43 based on these as well as the control signal C1 and each valve. A control signal C2 for controlling the opening and closing and the flow rate is output. These controls can be executed using a computer and a program installed therein.

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。   In the steady state of FIG. 1, the windmill shaft 12 rotates in the direction of arrow R1, while the air motor shaft 63 is stopped. Accordingly, the rotational speed of the main gear 19 is determined by the rotational speed of the wind turbine shaft 12, and the main gear 19 rotates in the direction of the arrow R2 (revolution of the first and second pinion gears 16 and 17). At this time, the first pinion gear rotates in the direction of arrow R3, and the second pinion gear rotates in the direction of arrow R4. The clutch 43 is in a disconnected state, and the air compressor 40 and the air motor 60 are stopped.

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。   FIG. 2 is a configuration diagram similar to FIG. 1 showing a case where the power generation amount of the generator 30 is in an excessive state. If the wind power is sufficient, the power generation amount of the generator 30 may exceed the target value range. When detecting an excessive power generation state based on the output of the power generation amount sensor 31, the control unit 70 transmits a control signal for setting the clutch 43 in a connected state. At the same time, a control signal for opening the gate valve 51 is also transmitted.

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。   As a result, when the clutch 43 is in the connected state, the compressor drive shaft 42 and the wheel 44 rotate in the direction of the arrow R6. Thereby, the crank 45 of the air compressor 40 reciprocates the piston 47 as indicated by an arrow M1. Then, air is sucked into the compression chamber 48 from the suction valve 49 as indicated by an arrow M <b> 2 and is sent from the discharge valve 50 to the compressed air tank 52. As the arrow M3 indicates, the pressure rises as air is sent into the compressed air tank 52. The pressure value is monitored by the pressure sensor 55. The pressure relief valve 54 is closed until the target pressure value (about 600 atm in the embodiment) is reached, but when the control unit 70 detects that the pressure has risen above the target pressure value, the pressure relief valve 55 is opened. A control signal is transmitted. Prevents the pressure from rising above the target pressure value.

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。   As described above, the rotational force of the main gear 19 is used for both the driving of the generator 30 and the driving of the air compressor 40, so that the load increases and the rotational speed decreases. As a result, the power generation of the generator 30 is reduced. The amount returns to steady state. If the control unit 70 detects that the power generation amount has returned to the steady state, the control unit 70 transmits a control signal for setting each component to the steady state of FIG.

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。   FIG. 3 is a configuration diagram similar to FIG. 1 showing a case where the power generation amount of the generator 30 is in a shortage state. If there is not enough wind power, the power generation amount of the generator 30 may not reach the target value range. When the controller 70 detects a power generation shortage state based on the output of the power generation amount sensor 31, the control unit 70 transmits a control signal for opening the gate valve 53 between the compressed air tank 52 and the air motor 60.

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。   Thereby, compressed air is sent to the air motor 60 as shown by the arrow M4. The compressed air flowing in from the intake port 61 of the air motor 60 rotates the rotor 62 in the process of being discharged from the exhaust port 64. As a result, the air motor shaft 63 rotates in the direction of the arrow R7, and the second side gear 15 is driven to rotate.

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。   At this time, the rotation speed of the second side gear 15 is adjusted so that the power generation amount of the generator 30 is in a steady state. The rotation speed of the first side gear 14 varies depending on the wind force. This is because, as described above, the average rotational speed of the first side gear 14 and the second side gear becomes the rotational speed of the main gear 19, and the main gear 19 drives the generator 30. Since the rotational speed of the second side gear 15 is the rotational speed of the air motor shaft 63, it can be controlled by controlling the gate valve 53 and adjusting the amount of compressed air flowing into the air motor 60. The illustrated case is the most extreme example in which the wind turbine shaft 12 is completely stopped, and the generator 30 is driven only by the air motor 60 (that is, only by compressed air energy) to generate power.

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。   FIG. 4 is a flowchart schematically showing an example of a control flow for realizing the operating state of the wind turbine generator of the present invention shown in FIGS. This control is performed by the control unit 70 shown in FIGS. Hereinafter, it demonstrates in order. In the description, the reference numerals shown in FIGS. 1 to 3 are used.

・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。   Step 111: Based on the output signal of the power generation amount sensor 31, it is determined whether the power generation amount is within a steady range, that is, whether the power generation state is in a steady state. The steady range is set, for example, within a range of plus or minus 10% of a certain target value. If the fluctuation is within this range, it is determined as a steady state.

・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。   Step 112: If it is determined in step 111 that the steady state is present, if either the air compressor 40 or the air motor 60 is operating, it is set to a stopped state. Alternatively, if both are already stopped, the stopped state is maintained as it is. Specifically, the clutch 43 is disengaged, and the inlet gate valve 51, outlet gate valve 53, and pressure relief valve 54 are closed.

・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。   Step 113: When it is determined in step 111 that the power generation amount is outside the steady range, it is determined whether the power generation amount exceeds the steady range (is excessive) or is less than the steady range (is insufficient). .

・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。   Step 114: When it is determined in step 113 that the air compressor 40 is in an excessive state exceeding the steady range, the air compressor 40 is in an operating state if it is stopped, and if it is already operating, the operating state is maintained as it is. To do. On the other hand, if the air motor 60 is operating, it is set to a stopped state, and if it has already stopped, the stopped state is maintained as it is. Specifically, the clutch 43 is connected, the inlet gate valve 51 is opened, and the outlet gate valve 53 and the pressure relief valve 54 are closed. Thereby, the compressed air is stored in the compressed air tank 52.

・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。   Step 115: Following Step 114, it is determined based on the output signal of the pressure sensor 55 whether or not the pressure in the compressed air tank 52 has reached a specified pressure (for example, about 600 atm). If it is determined that the specified pressure has not been reached, the process returns to step 111 and the above control flow is repeated.

・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。   Step 116: When it is determined in Step 115 that the pressure in the compressed air tank 52 has reached the specified pressure, the air compressor 40 is maintained in an operating state, and at the same time, the pressure relief valve 54 is opened. Maintain specified pressure. This prevents an abnormal increase in pressure. Specifically, the clutch 43 is connected, the inlet gate valve 51 is opened, the outlet gate valve 53 is kept closed, and the pressure relief valve 54 is opened. Then, it returns to step 111 and repeats said control flow.

・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。   Step 117: When it is determined in step 113 that the air compressor 40 is in an insufficiency state that is less than the steady range, the air compressor 40 is stopped if it is operating, and if it has already stopped, the stop state is maintained as it is. . On the other hand, if the air motor 60 has stopped, this will be made into an operation state, and if it has already been operated, the operation state will be maintained as it is. Specifically, the clutch 43 is disengaged, the inlet gate valve 51 is closed, the outlet gate valve 53 is opened, and the pressure relief valve 54 is closed. Then, it returns to step 111 and repeats said control flow.

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。It is the block diagram which showed schematically and typically the internal mechanism of the wind power generator by this invention. This is a case where the power generation amount of the generator is in a steady state. 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。It is a block diagram similar to FIG. 1 which shows the case where the electric power generation amount of a generator is an excess state. 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。It is a block diagram similar to FIG. 1 which shows the case where the electric power generation amount of a generator is insufficient. 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。It is the flowchart which showed roughly an example of the control flow which implement | achieves the operation state of the wind power generator of this invention shown in FIGS. 1-3, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Wind power generator 11 Windmill 12 Windmill shaft 13 Differential gear apparatus 14 1st side gear 15 2nd side gear 16 1st pinion gear 17 2nd pinion gear 18a, 18b Connection part 19 Main gear 20 Bearing 21 Generator drive gear 22 Generator shaft 30 Power generation 40 Air compressor 41 Compressor drive gear 42 Compressor drive shaft 43 Clutch 44 Wheel 45 Crank 46 Cylinder 47 Piston 48 Compression chamber 49 Suction valve 50 Discharge valve 51 Inlet gate valve 52 Compressed air tank 53 Outlet gate valve 54 Depressurization valve 60 Air motor 61 Intake port 62 Rotor 63 Air motor shaft 64 Exhaust port 70 Control unit R1 Rotation direction of windmill shaft R2 Revolution direction of both pinion gears R3 Rotation direction of first pinion gear R4 Rotation direction of second pinion gear R5 Rotation direction of generator shaft R6 Compression Direction of rotation of drive shaft R7 Direction of rotation of air motor shaft S1 Flow of power generation sensor signal S2 Flow of pressure sensor signal C1 Flow of clutch control signal C2 Flow of control signal of each valve M1 Movement of compressor piston M2 Flow of intake air M3, M4 Compressed air flow

Claims (2)

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。 In a wind turbine generator that generates power by causing wind power to act on the wind turbine (11) and rotating the wind turbine shaft (12),
(A) First side gear (14) and second side gear (15) facing each other, first pinion gear (16) and second pinion gear meshing with the first and second side gears (14, 15) and facing each other (17) and a differential gear device (13) comprising a main gear (19) interlocking with the revolution of the first and second pinion gears (16, 17);
(B) a generator (30) driven by the main gear (19);
(C) An air compressor (40) that can be driven by the main gear (19) via the rotational motion transmission means (43) and a compression that stores the air discharged by driving the air compressor (40). An air tank (52),
(D) an air motor (60) driven by compressed air delivered from the compressed air tank (52),
(E) The first side gear (14) is rotationally driven by the wind turbine (11), while the second side gear (15) is rotationally driven by the air motor (60), and (f) the generator When the power generation amount by (30) is in a steady state, the main gear (19) drives only the generator (30), and when the power generation amount is in an excessive state, the main gear (19) is compressed by the air compression. The compressor (40) is driven to store the compressed air in the compressed air tank (52). When the amount of power generation is insufficient, the air motor (60) is driven to rotate the second side gear (15). Accordingly, the wind turbine generator has control means for controlling the rotation speed of the main gear (19) to be kept constant. 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。 The wind power generator according to claim 1, wherein the rotational motion transmission means (43) includes a clutch.
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