JP7174991B2 - 自然力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力又は風力から電力を発生して外部へと伝送する自然力発電装置に関する。

水力又は風力から電力を発生して外部へと伝送する自然力発電装置は、これまでに各種のものが提案されているが、特許文献１の図５に示されるように、プロペラと発電機とを備えたものが一般的である。この種の自然力発電装置では、プロペラがその前面に水力又は風力を受けると回転するようになっており、発電機は、このプロペラの回転力を電力に変換するものとなっている。

すなわち、発電機は、プロペラのシャフトの後端部に接続されてプロペラとともに回転するロータと、ロータの外周部を覆うステータとを備えている。ステータは、発電機の基台部等に固定されており、プロペラが回転しても回転しないようになっている。ロータの外周部には、複数個の永久磁石（発電用磁石）が固定されており、ステータの内周部には、複数本のコイル（発電用コイル）が固定されている。このため、プロペラが回転すると、発電機における発電用磁石と発電用コイルとが相対的に回転して、発電用コイルを通過する発電用磁石からの磁界が変化するようになる。このときの発電用コイルには、その磁界の変化に伴う誘導電流が発生する。

特開２０１５－０５０９１４号公報

しかし、上記のように、ロータとステータとを備えた発電機（以下、この種の発電機を、発電用磁石のみが回転する構造（発電用コイルが回転しない構造）となっていることから、「単回転方式の発電機」と呼ぶことがある。）は、発電効率をそれほど高くすることができないという欠点を有していた。自然力発電装置としては、小規模な水路の水流でプロペラを回転させて発電する小水力発電装置に対する需要が高まってきているが、単回転方式の発電機をこの小水力発電装置で採用すると、その発電効率の低さが影響して、安定した電力を取り出しにくかった。小水力発電装置で単回転方式の発電機を採用した場合でも、プロペラの寸法を大きくすれば、ある程度安定した電力を取り出すことは可能であるものの、この場合には、ロータやステータの寸法も大きくする必要が生じ、小水力発電装置と言いながらも装置全体が大型化するという問題が生ずる。

ところで、発電機の発電効率を高める方法としては、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めることが挙げられる。この点、上記のプロペラを、その前面に水力等を受けると一側に回転する第一プロペラと、第一プロペラと同心に配されてその前面に水力等を受けると他側（第一プロペラとは逆側）に回転する第二プロペラとで構成して、発電機を、第一プロペラとともに回転する第一ロータと、第一ロータの外周部を囲んだ状態に配されて第二プロペラとともに回転する第二ロータとを備えたものとし、第一ロータの外周部、又は、第二ロータの内周部のうち、一方に発電用磁石を固定して、他方に発電用コイルが固定すると、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めることができる。

すなわち、単回転方式の発電機では、動かない発電用コイルに対して発電用磁石が回転する構造となっているのに対し、第一ロータと第二ロータとを備えた発電機では、発電用コイルと発電用磁石とがともに逆向きに回転することから、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めて、単回転方式の発電機よりも、発電機の発電効率を高めることが可能である。以下においては、この種の発電機（発電用コイルと発電用磁石とがともに逆向きに回転する構造の発電機）を、「相回転方式の発電機」と呼ぶことがある。

ところが、相回転方式の発電機では、発電用磁石だけでなく、誘導電流が発生する発電用コイルまで回転するため、その発電用コイルを流れる電流を、外部の静止系に取り出すことが必ずしも容易ではなかった。この点、回転系から静止系に電力を取り出す機構としては、回転する導体軸の外周部に、「ブラシ」と呼ばれる電極を常に接触させるようにしたものがある。しかし、このブラシを用いる機構は、回転する導体軸に対してブラシが常に接触する構造となっているため、ブラシに摩耗が生じやすかった。特に、上述した小水力発電装置等の自然力発電装置は、１日２４時間年中無休で回転させることが通常であるところ、このような自然力発電装置の発電機から電力を取り出すのに上記のブラシを採用すると、頻繁にブラシを交換する必要があり、メンテナンスが大変になるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、発電効率が高い相回転方式の発電機を用いたものでありながら、発電機が発生した電力を外部へと伝送する手段（電力伝送手段）に摩耗等が生じず、メンテナンスが容易な自然力発電装置を提供するものである。

上記課題は、
水力又は風力を受けると回転するプロペラと、
プロペラが回転すると発電用磁石と発電用コイルとが相対的に回転して発電用コイルに交流電流を発生させる発電機と、
発電機が発生した電力を外部へと伝送する電力伝送手段と
を備えた自然力発電装置であって、
発電機として、相回転方式の発電機を用いるとともに、
電力伝送手段として、非接触方式の電力伝送装置を用いた
ことを特徴とする自然力発電装置
を提供することによって解決される。

本発明の自然力発電装置は、発電機として相回転方式のものを採用したものとなっている。具体的には、
プロペラを、
その前面に水力又は風力を受けると一側に回転する第一プロペラと、
第一プロペラと同心に配されて、その前面に水力又は風力を受けると他側に回転する第二プロペラと
で構成するとともに、
発電機を、
第一プロペラとともに回転する第一ロータと、
第一ロータの外周部を囲んだ状態に配されて、第二プロペラとともに回転する第二ロータと
を備えて、
第一ロータの外周部、又は、第二ロータの内周部のうち、一方に発電用磁石が固定されて、他方に発電用コイルが固定されたもの
としている。

このため、本発明の自然力発電装置では、プロペラ（第一プロペラ及び第二プロペラ）が水力等を受けた際に、発電用コイルと発電用磁石とがともに逆向きに回転するようになっており、発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めて、高い発電効率を得ることができるようになっている。したがって、本発明の自然力発電装置を、上記の小水力発電装置のように、大きな水力や風力が得られない環境下で使用する場合であっても、装置を大型化することなく、安定した電力を取り出すことが可能となる。

また、本発明の自然力発電装置は、電力伝送手段として非接触方式の電力伝送装置（機械的な接触を伴うことなく非接触で電力を伝送する装置）を採用したものとなっている。このため、本発明の自然力発電装置は、上記のように、相回転方式の発電機を用いるものであり、発電用磁石だけでなく発電用コイルも回転する構造でありながら、ブラシを設けることなく、回転する発電用コイルを流れる誘導電流を外部へ取り出すことが可能なものとなっている。このため、ブラシを交換する手間等を要せず、メンテナンスを容易にすることも可能である。

本発明の自然力発電装置における電力伝送手段として採用可能な非接触方式の電力伝送装置としては、電磁誘導方式のものや、磁界共鳴方式のものや、電波受信方式のものや、電界結合方式のものや、直流共鳴方式のものや、超音波方式のもの等が例示されるが、電磁誘導方式の電力伝送装置が典型的である。
電力伝送手段を、
第一ロータ又は第二ロータのうち、発電用コイルが固定された側のロータ（以下、「コイル側ロータ」という。）とともに回転する回転部分に設けられた給電用コイルと、
給電用コイルに対して隙間を隔てた箇所に、コイル側ロータとともに回転しない状態で配された受電用コイルと
を備えたものとすると、電力伝送手段を電磁誘導方式の電力伝送装置とすることができる。

本発明の自然力発電装置は、
発電機が発生した電力を直流に変換する給電側整流手段と、
給電側整流手段が整流した直流電力を周波数２０～２００ｋＨｚの交流に変換して給電用コイルに供給する給電側インバータ手段と、
受電用コイルが給電用コイルから受電した交流電力を直流に変換する受電側整流手段と、
受電側整流手段が整流した直流電力を商用周波数に変換して出力する受電側インバータ手段と
を備えたものとすることが好ましい。

上記のように、給電側整流手段と給電側インバータ手段とを設けて、給電用コイルを高周波駆動することにより、受給電のカプラ（発電コイル、鉄心及び磁気遮蔽板等を組み合わせたユニット）を小型化することが可能になる。ただし、給電用コイルを高周波駆動すると、受電用コイルを通じて外部へと出力される電力の安定性が低下しやすい傾向になる。この点、上記のように、受電側整流手段と受電側インバータ手段とを設けることにより、外部へと出力される電力の安定性を高めることが可能になる。

本発明の自然力発電装置を、上記のように、給電側整流手段と、給電側インバータ手段と、受電側整流手段と、受電側インバータ手段とを備えたものとする場合には、給電側整流手段、給電側インバータ手段及び給電コイルを、コイル側ロータとともに回転する部分に固定することが好ましい。

これにより、発電機の発電用コイルと給電側整流手段とが相対的に回転しないようにして、発電用コイルと給電側整流手段とを結線することや、給電側整流手段と給電用コイルも相対的に回転しないようにして、給電側整流手段と給電用コイルとを結線することが可能になる。すなわち、発電機の発電用コイルと給電用コイルとの間に位置する電気回路を、ブラシや非接触方式の電力伝送装置を介することなく構成することが可能になる。したがって、発電機が発生した電力の損失を抑え、自然力発電装置の発電効率をより高めることが可能になる。

また、本発明の自然力発電装置を、上記のように、給電側整流手段と、給電側インバータ手段と、受電側整流手段と、受電側インバータ手段とを備えたものとする場合には、受電側インバータ手段への入力電圧が定格以上となる場合に通電されて受電側インバータ手段への入力電圧を低下させる安全用抵抗器を給電側整流手段に接続することも好ましい。

というのも、受電用コイルから受電側整流手段を経て受電側インバータ手段に入力される電圧が定格値を超えると、受電側インバータ手段が壊れる虞があるところ、上記の安全用抵抗器を設けることによって、受電側インバータ手段に入力される電圧が定格値を超えそうになったときに、給電側整流手段を流れる電流を安全用抵抗器に分流することにより、給電用コイルへの入力電圧を低下させることが可能になる。給電用コイルへの入力電圧が低下すると、それに比例して受電用コイルの出力電圧も低下するため、受電側インバータ手段に入力される電圧を定格値以内に収めることが可能になるからである。

本発明の自然力発電装置の出力電力（自然力発電装置の外部へと取り出される電力）は、特に限定されない。しかし、本発明の自然力発電装置は、大規模な発電設備で採用するものとしてよりも、小規模な発電設備で採用するものとして適している。小規模な発電設備は、発電効率の向上に対する要求や、小型化に対する要求が強いところ、本発明の自然力発電装置は、これらの要求をともに満たすことができるからである。具体的には、外部への出力電力が１０ｋＷ以下である場合に、本発明の自然力発電装置を好適に用いることができる。

以上のように、本発明によって、発電効率が高い相回転方式の発電機を用いたものでありながら、発電機が発生した電力を外部へと伝送する手段（電力伝送手段）に摩耗等が生じず、メンテナンスが容易な自然力発電装置を提供することが可能になる。

本発明に係る水力発電装置（自然力発電装置）を、プロペラの中心線Ｌ_１を含む平面で切断した状態を示した断面図である。 本発明に係る水力発電装置（自然力発電装置）を構成する電気回路の構成図である。

本発明の自然力発電装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。

本発明の自然力発電装置は、水力発電装置と風力発電装置とのいずれとすることもできる。水力発電装置及び風力発電装置のいずれも、自然力（水力又は風力）を受けたプロペラの回転力で発電機のロータを回転させ、そのロータの回転によって、発電用磁石と発電用コイルとを相対的に回転させ、発電用磁石を通過する発電用磁石からの磁界が変化することに伴って発電用コイルに誘導電流を生じさせることは共通しており、その機構に共通点が多いからである。以下においては、説明の便宜上、水力発電装置として利用する場合を例に挙げて本発明の自然力発電装置を説明する。

図１は、本発明に係る水力発電装置１０（自然力発電装置）を、プロペラ１１の中心線Ｌ_１を含む平面で切断した状態を示した断面図である。図２は、本発明に係る水力発電装置１０（自然力発電装置）を構成する電気回路の構成図である。本発明の水力発電装置は、図１に示すように、プロペラ１１と、発電機１２と、電力伝送手段１３とを備えている。

プロペラ１１は、その前面（図１における紙面に向かって左側を向く面。以下同じ。）に水力を受けると、その中心線Ｌ_１を回転中心として回転するようになっている。本発明の水力発装置１０においては、プロペラ１１を、中心線Ｌ_１上で同心に配された第一プロペラ１１ａと第二プロペラ１１ｂとで構成している。第一プロペラ１１ａ及び第二プロペラ１１ｂのそれぞれは、中心線Ｌ_１回りに回転対称に配された複数枚のプロペラブレードで構成されているところ、第一プロペラ１１ａを構成するプロペラブレードの傾斜と、第二プロペラ１１ｂを構成するプロペラブレードの傾斜とが逆向きとされている。このため、その前面に水力を受けたときに回転する向きが、第一プロペラ１１ａと第二プロペラ１１ｂとでは逆向きとなるようになっている。本実施態様においては、第一プロペラ１１ａは、その前面に水力を受けると図１の矢印Ａ_１の向きに回転し、第二プロペラ１１ｂは、その前面に水力を受けると図１の矢印Ａ_２の向きに回転するようになっている。

第一プロペラ１１ａの後面中心部には、第一プロペラシャフト１１ａ_１が後ろ向きに突出した状態で固定されており、第二プロペラ１１ｂの後面中心部には、第二プロペラシャフト１１ｂ_１が後ろ向きに突出した状態で固定されている。第二プロペラシャフト１１ｂ_１は、内部が中空な筒状に形成されており、第一プロペラシャフト１１ａ_１は、第二プロペラシャフト１１ｂ_１の内側に挿通された状態となっている。第一プロペラシャフト１１ａ_１の後端部は、後述する発電機１２における第一ロータ１２ａの前端部に固定され、第二プロペラシャフト１１ｂ_１の後端部は、後述する発電機１２における第二ロータ１２ｂの前端部に固定されている。

このため、第一プロペラ１１ａが中心線Ｌ_１を回転中心として矢印Ａ_１の向きに回転すると、第一ロータ１２ａも、第一プロペラ１１ａと一体となって、中心線Ｌ_１を回転中心として矢印Ａ_１の向きに回転するようになっており、第二プロペラ１１ｂが矢印Ａ_２の向きに回転すると、第二ロータ１２ｂも、第二プロペラ１１ｂと一体となって、中心線Ｌ_１を回転中心として矢印Ａ_２の向きに回転するようになっている。第一プロペラシャフト１１ａ_１及び第二プロペラシャフト１１ａ_２の外周部は、軸受（図示省略）を介して、それぞれ、第二プロペラシャフト１１ａ_２の内周部及び水力発電装置１０の基台部分に軸支された状態となっている。

発電機１２は、プロペラ１１の回転を電力に変換するものとなっている。より具体的に説明すると、発電機１２は、プロペラ１１の回転に伴って発電用磁石Ｍ_１と発電用コイルＣ_１とを相対的に回転させて、発電用コイルＣ_１を貫く発電用磁石Ｍ_１からの磁界を継時的に変化させることにより、発電用コイルＣ_１に交流電流を発生させるものとなっている。本実施態様の水力発電装置１０では、発電用磁石Ｍ_１と発電用コイルＣ_１は、プロペラ１１の中心線Ｌ_１を回転中心として相対的に回転するようになっている。

この発電機１２は、発電用磁石Ｍ_１と発電用コイルＣ_１とのいずれもが逆向きに回転する相回転方式のものとなっている。すなわち、発電機１２は、上記の発電用磁石Ｍ_１と発電用コイルＣ_１とに加えて、第一ロータ１２ａと第二ロータ１２ｂを備えたものとなっている。第一ロータ１２ａは、第一プロペラシャフト１１ａ_１を介して第一プロペラ１１ａに接続されており、第一プロペラ１１ａと一体的に回転するように構成されている。一方、第二ロータ１２ｂは、第二プロペラシャフト１１ｂ_１を介して第二プロペラ１１ｂに接続されており、第二プロペラ１１ｂと一体的に回転するように構成されている。第二ロータ１２ｂは、第一ロータ１２ａの外周部を囲んだ状態に配された筒状の部材となっている。

第一ロータ１２ａの外周部、又は、第二ロータ１２ｂの内周部のうち、いずれか一方に上記の発電用磁石Ｍ_１が固定されて、他方に発電用コイルＣ_１が固定される。本実施態様の水力発電装置１０においては、第一ロータ１２ａの外周部に発電用磁石Ｍ_１を固定しており、第二ロータ１２ｂの内周部における、発電用磁石Ｍ_１と対向する位置に発電用コイルＣ_１を固定している。このため、第一プロペラ１１ａ及び第二プロペラ１１ｂがそれぞれの前面側に水力を受けて逆向きに回転すると、発電用磁石Ｍ_１及び発電用コイルＣ_１もそれぞれ逆向きに回転するようになっている。したがって、本発明に係る水力発電装置１０は、発電機１２における発電用磁石と発電用コイルとの相対的な回転速度を高めて、高い発電効率を得ることができるものとなっている。

発電用磁石Ｍ_１及び発電用コイルＣ_１は、通常、１つの発電機１２につき、それぞれ複数個ずつ設けられる。複数の発電用磁石Ｍ_１及び複数の発電用コイルＣ_１は、それぞれ、中心線Ｌ_１に対して回転対称な位置に設けられる。このうち、発電用コイルＣ_１の個数は、発電機１２の出力相数に応じて適宜決定される。例えば、発電機１２の出力を２相とする場合には、発電用コイルＣ_１の個数は、２×Ｎ個（Ｎは任意の自然数。以下同じ。）とされ、発電機１２の出力を３相とする場合には、発電用コイルＣ_１の個数は、３×Ｎ個とされる。本実施態様の水力発電装置１０においては、発電機１２の出力を３相としており、発電用コイルＣ_１の個数を３×Ｎ個としている。後述するように、本実施態様の水力発電装置１０では、発電用コイルＣ_１で発生した電力を給電側インバータ手段１７で高周波に変換する構成を採用しているところ、発電機１２の出力相数を３相とすると、給電側インバータ手段１７で高周波に変換するときのリップルを少なく抑えることができる。

電力伝送手段１３は、発電機１２が発生した電力を外部（水力発電装置１０の外部）へと伝送するためのものとなっている。既に述べたように、本発明に係る水力発電装置１０では、発電機１２で発生した電力を取り出す発電用コイルＣ_１が、静止系に対して回転する第二ロータ１２ｂに設けられている。回転系で生じた電力を静止系に取り出すためには、通常であれば、「ブラシ」等を用いる必要がある。この点、本発明に係る水力発電装置１０においては、電力伝送手段１３として、非接触方式の電力伝送装置を用いることにより、回転系にある発電用コイルＣ_１に生じた誘導電流（電力）を、ブラシを用いることなく、静止系にある外部（外部機器等）に取り出すことができるようにしている。

具体的には、電力伝送装置１３を、互いに隙間を隔てて配された給電用コイル１３ａと受電用コイル１３ｂとで構成しており、給電用コイル１３ａから受電用コイル１３ｂへと前記隙間を通じて電力を送信できるようにしている。給電用コイル１３ａは、第一ロータ１２ａ又は第二ロータ１２ｂのうち、発電用コイルＣ_１が固定された側のロータ（本実施態様の水力発電装置１０では第二ロータ１２ｂ）とともに回転する回転部分（本実施態様の水力発電装置１０では、第二ロータ１２ｂの後端部中央から後側に突出して設けられた回転軸部１２ｂ_１の後端部分）に設けている。一方、受電用コイル１３ｂは、水力発電装置１０の基台部分（図示省略）等、水力発電装置１０において静止系にある箇所に設けられた部分（本実施態様の水力発電装置１０では、水力発電装置１０の基台部分に設けた受電用コイル支持部材１５の前端部）に設けている。

このため、給電用コイル１３ａは、第二ロータ１２ｂに固定された発電用コイルＣ_１とともに中心線Ｌ_１回りに回転するものの、受電用コイル１３ｂは、動かない状態となっている。給電用コイル１３ａは、電気ワイヤＷ_１，Ｗ_２，Ｗ_３等を介して発電用コイルＣ_１と電気的に接続されている。このため、プロペラ１１が水力を受けて回転し、発電用コイルＣ_１に誘導電流が発生すると、給電用コイル１３ａにも電流が流れ、給電用コイル１３ａの周辺に磁界が発生する。

ここで、給電用コイル１３ａは、受電用コイル１３ｂに対して相対的に回転しているため、受電用コイル１３ｂを貫く給電用コイル１３ａからの磁界は経時的に変化する。したがって、受電用コイル１３ｂには、その磁界の変化に伴う誘導電流が発生する。受電用コイル１３ｂは、静止系にあるため、受電用コイル１３ｂを流れる誘導電流は、ブラシ等を用いることなく、電気ワイヤＷ_４，Ｗ_５，Ｗ_６等を通じて容易に外部へと取り出すことができるようになっている。

給電用コイル１３ａ及び受電用コイル１３ｂは、上記のような機能を発揮できるものであれば特に限定されない。しかし、本実施態様の水力発電装置１０においては、給電用コイル１３ａに、後述する給電側インバータ手段１７で高周波化された電流が流され、それに呼応して受電用コイル１３ｂを流れる誘導電流も高周波化されたものとなるところ、このような高周波化された電流が導線を流れると、表皮作用で導線の電気抵抗が大きくなり、水力発電装置１０の発電効率に悪影響を及ぼすようになる。このため、給電用コイル１３ａ及び受電用コイル１３ｂは、リッツ線（複数本に細分化して撚り合わせた導線）で形成したものを用いることが好ましい。これにより、水力発電装置１０の発電効率を維持することが可能になる。本実施態様の水力発電装置１０においても、給電用コイル１３ａ及び受電用コイル１３ｂは、リッツ線で形成したものを用いている。

また、給電用コイル１３ａ及び受電用コイル１３ｂは、それぞれ、平板状を為すフェライトコアに、導線を１段当たり７～１２ターンで１～３段で巻回したものとすることが好ましい。これにより、給電用コイル１３ａから受電用コイル１３ｂへの伝送効率を高めることが可能になる。フェライトコアは、直径が１５０～３００ｍｍのものを用いることが好ましく、導線は、断面積が３．５～８．０ｍｍ^２のものを用いることが好ましい。本実施態様の水力発電装置１０においても、給電用コイル１３ａ及び受電用コイル１３ｂは、上記の構成を満たすものとしている。

給電用コイル１３ａには、発電機１２で生じた交流電力をそのまま入力するようにしてもよい。しかし、発電機１２が発電する交流電力の周波数は、プロペラ１１の回転数により定まるため、発電機１２が発電する交流電力の周波数はそれほど高くならない。このような低い周波数の交流電力が給電用コイル１３ａに入力されるときに、給電用コイル１３ａから受電用コイル１３ｂへの伝送効率を高くしようとすると、給電用コイル１３ａや受電用コイル１３ｂ等をある程度大型化する必要がある。

この点、本実施態様の水力発電装置１０では、図１に示すように、発電機１２の発電用コイルＣ_１と給電用コイル１３ａとの間に、給電側整流手段１６と給電側インバータ手段１７とを設けている。図２に示すように、給電側整流手段１６は、ダイオード等の整流素子を用いた整流回路となっており、発電機１２が発生した交流電力を直流に変換する電気回路により構成されている。また、給電側インバータ手段１７は、トランジスタ等のスイッチング素子を用いた変調回路となっており、給電側整流手段１６から出力される直流電力を所定の周波数の交流電力へと変換する電気回路により構成されている。本実施態様の水力発電装置１０では、半導体に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたＳｉＣインバータ回路を、給電側インバータ手段１７として用いている。給電側インバータ手段１７から出力される交流電力の周波数は、それに併設した制御回路１７ａにより制御されるようになっている。

発電機１２が発生した電力を、上記の給電側インバータ手段１７によって高周波化した状態で給電用コイル１３ａに入力することにより、電力伝送手段１３の伝送効率を高めるとともに、給電用コイル１３ａや受電用コイル１３ｂを小型化することが可能になる。給電側インバータ手段１７の出力電力の周波数は、発電機１２の出力電力よりも高ければ特に限定されないが、通常、２０～２００ｋＨｚ程度とされる。本実施態様の水力発電装置１０において、給電側インバータ手段１７の出力電力の周波数は、約４０ｋＨｚとしている。

上記の給電側整流手段１６、給電側インバータ手段１７（制御回路１７ａを含む。）及び給電コイル１３ａは、図１に示すように、第二ロータ１１ｂとともに回転する部分に固定している。これにより、発電機１２の発電用コイルＣ_１と給電側整流手段１６と給電側インバータ手段１７と給電用コイル１３ａとが相対的に回転しないようにして、これらを電気ワイヤＷ_１，Ｗ_２，Ｗ_３で結線することが可能となっている。

ただし、上記のように、給電用コイル１３ａを高周波駆動すると、受電用コイル１３ｂから後段へ出力される電力の安定性が低下しやすい傾向になる。このため、本実施態様の水力発電装置１０では、受電用コイル１３ｂから後段へ出力される交流電力を、受電側整流手段１８に入力して直流電力に変換した後、受電側インバータ手段１９に入力して使用に供される所望の交流電力へと変換するようにしている。これにより、水力発電装置１０から外部へと出力される電力の安定性を高めることが可能となっている。受電側整流手段１８は、給電側整流手段１６と同様の電気回路で構成され、受電側インバータ手段１９は、給電側インバータ手段１７と同様の電気回路で構成される。受電側整流手段１８や受電側インバータ手段１９には、整流時やスイッチング時に生じるリップルの発生を抑えるために、コンデンサを追加することもできる。

また、本実施態様の水力発電装置１０では、給電側整流手段１６に、図示省略の安全用抵抗器を接続している。すなわち、受電用コイル１３ｂから受電側整流手段１８を経て受電側インバータ手段１９に入力される電圧が定格値を超えると、受電側インバータ手段１９が壊れる虞がある。この点、受電側インバータ手段１９に入力される電圧が定格値を超えそうになったときには、給電側整流手段１６を流れる電流を上記の安全用抵抗器に分流して、給電用コイル１３ａへの入力電圧を低下させることで、受電用コイル１３ｂの出力電圧を低下させ、受電側インバータ手段１９に入力される電圧を定格値以内に収めることができるようにしている。安全用抵抗器によって電圧が５～１０％程度低下すると、所定時間（５～１５秒程度）が経過後に安全用抵抗器が切り離されるようになっている。

以上で述べた本実施態様の水力発電装置１０は、発電効率が高い相回転方式の発電機１２を用いたものでありながら、発電機１２が発生した電力を外部へと伝送する電力伝送手段１３に摩耗等が生じず、メンテナンスが容易であるだけでなく、長寿命なものとなっている。このため、本実施態様の水力発電装置１０は、１日２４時間年中無休で駆動されることが多い環境下でも好適に使用することができるものとなっている。また、本実施態様の水力発電装置１０は、小型化を図ることも可能なものとなっている。したがって、本実施態様の水力発電装置１０は、発電効率の向上に対する要求や、小型化に対する要求が強い小規模な発電設備においても好適に用いることができる。具体的には、出力電力が１０ｋＷ以下の場合に好適に用いることができ、０．３～５ｋＷの場合に特に好適に用いることができる。このような小規模な水力発電装置１０は、大規模な河川がない地域や、発電設備が整っていない発展途上国等において安定した電力を供給する一助になることが期待される。

１０ 水力発電装置
１１ プロペラ
１１ａ 第一プロペラ
１１ａ_１ 第一プロペラシャフト
１１ｂ 第二プロペラ
１１ｂ_１ 第二プロペラシャフト
１２ 相回転方式の発電機（発電機）
１２ａ 第一ロータ
１２ｂ 第二ロータ
１３ 非接触方式の電力伝送装置（電力伝送手段）
１３ａ 給電用コイル
１３ｂ 受電用コイル
１４ 回転軸部
１５ 受電用コイル支持部材
１６ 給電側整流手段
１７ 給電側インバータ手段
１７ａ 制御回路
１８ 受電側整流手段
１９ 受電側インバータ手段
Ｃ_１ 発電用コイル
Ｌ_１ プロペラの中心線
Ｍ_１ 発電用磁石
Ｗ_１ 電気ワイヤ
Ｗ_２ 電気ワイヤ
Ｗ_３ 電気ワイヤ
Ｗ_４ 電気ワイヤ
Ｗ_５ 電気ワイヤ
Ｗ_６ 電気ワイヤ

Claims (2)

1. 水力又は風力を受けると回転するプロペラと、
   プロペラが回転すると発電用磁石と発電用コイルとが相対的に回転して発電用コイルに交流電流を発生させる発電機と、
   発電機が発生した電力を外部へと伝送する電力伝送手段と
   を備え、
   外部へ伝送される出力電力の定格値が１０ｋＷ以下とされた自然力発電装置であって、
   プロペラが、
   その前面に水力又は風力を受けると一側に回転する第一プロペラと、
   第一プロペラと同心に配されて、その前面に水力又は風力を受けると他側に回転する第二プロペラと
   で構成され、
   発電機が、
   第一プロペラとともに回転する第一ロータと、
   第一ロータの外周部を囲んだ状態に配されて、第二プロペラとともに回転する第二ロータと
   を備えて、
   第一ロータの外周部、又は、第二ロータの内周部のうち、一方に発電用磁石が固定されて、他方に発電用コイルが固定されたものとされ、
   電力伝送手段が、
   第一ロータ又は第二ロータのうち、発電用コイルが固定された側のロータ（以下、「コイル側ロータ」という。）とともに回転する回転部分に設けられた給電用コイルと、
   給電用コイルに対して隙間を隔てた箇所に、コイル側ロータとともに回転しない状態で配された受電用コイルと
   を備えたものとされ、
   発電機が発生した電力を直流に変換する給電側整流手段と、給電側整流手段が整流した直流電力を周波数２０～２００ｋＨｚの交流に変換して給電用コイルに供給する給電側インバータ手段と、給電コイルとが、コイル側ロータとともに回転する部分に固定され、
   受電用コイルが給電用コイルから受電した交流電力を直流に変換する受電側整流手段と、受電側整流手段が整流した直流電力を商用周波数に変換して出力する受電側インバータ手段とが、受電側コイルの後段に設けられた
   ことを特徴とする自然力発電装置。
   
2. 受電側インバータ手段への入力電圧が定格以上となる場合に通電されて受電側インバータ手段への入力電圧を低下させる安全用抵抗器が給電側整流手段に接続された請求項１記載の自然力発電装置。

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