WO2013094623A1 - Wind energy recovery device and wind power generation device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a wind energy recovery apparatus and a wind power generation apparatus, and more particularly, to a wind energy recovery apparatus and a wind power generation apparatus that use the motion characteristics of a wing-type kite.
- the power generation device described in Patent Document 1 when the swimming body (kite) moves away from the base body, the hoisting machine rotates to generate electric power, and the hoisting machine is rotated by the electric motor to rotate the swimming body (kite). ) Close to the base. Further, the power generation device described in Patent Document 2 generates power by rotating the winch when the wing-like member (kite) rises, and lowers the wing-like member (kite) by rotating the winch with a motor. I have to.
- a power generation device using wind energy received by a winged kite levitating in the air has already been proposed, but one of the ropes (ropes, control strings, mooring lines, etc.) connected to the kite.
- the problem is how to efficiently convert the traction force in the direction into the rotational force.
- the method of rewinding the cable body pulled out at the time of the work of the traction force of the kite with the electric motor or the like as in the power generation apparatus described in Patent Document 1 or Patent Document 2 releases a part of the recovered energy.
- the extraction of the continuous rotational force is hindered, and the energy recovery efficiency is reduced.
- the manufacturing cost is low, and if the wing area of the kite is increased, the wind energy received by the kite levitating in the air will be considerably increased, and the traction force of the kite will be efficiently converted into rotational force. If it is possible, a highly economical wind power generator can be obtained.
- the present invention was devised in view of such problems, and it is possible to continuously extract the rotational force from the traction force of the kite, and to efficiently convert the traction force of the kite into the rotational force. It aims at providing a device and a wind power generator.
- a kite that floats in response to wind power, a main rope that pulls the kite, a control line that controls the movement of the kite, a control unit that controls the tension of the control line, A power lever connected to the control unit and capable of reciprocating rotation; and a power output means coupled to the power lever for converting the reciprocating rotation into a rotational motion and outputting the same.
- the movement of the kite is controlled by controlling the power, and the power lever is driven to output power by reciprocating the kite left and right so as to draw a substantially arc-shaped locus.
- a wind energy recovery device is provided.
- the control line has a left control line connected to the left side of the kite and a right control line connected to the right side of the kite, and the control unit includes the left control line and the right control line.
- the wind energy recovery device has kite position measuring means including a transmitter disposed on the main rope and a receiver disposed on the power lever, and receives a signal from the transmitter.
- the control line may be controlled by measuring the position of the kite received by the receiver and transmitting the measurement result to the control unit.
- the wind energy recovery apparatus includes a gantry that supports the power lever and the power output means, and the gantry is rotatably arranged according to a wind direction, and the power lever and the power output means according to a wind speed. Thus, the tilt angle may be changed and supported.
- the power output means includes a first gear rotated by the power lever, a second gear and a third gear meshed with the first gear, and an output connected to the second gear and the third gear.
- the second gear and the third gear incorporate a clutch mechanism, and the second gear is configured to be rotatable when the first gear is rotated forward and to be slipped when the first gear is rotated.
- the gear may include power conversion means configured to be rotatable when the first gear is reversely rotated and slipped when the normal gear is rotated.
- the power lever includes a built-in hydraulic pump, a hydraulic motor connected to the hydraulic pump, and an elastic body that urges the piston of the hydraulic pump inward, the piston of the hydraulic pump
- the main rope is connected to the tip of the main body, and the hydraulic motor is driven to output power by moving the piston by a balance between the lift of the kite and the biasing force of the elastic body. Good.
- the wind energy recovery apparatus may include kite recovery means configured to be able to grip and retract the main rope and the control rope above the control unit, or a part of the kite.
- kite levitation assisting means configured to be able to be lifted upward in a state of gripping may be provided.
- kite may include a plurality of kite units including the kite, the main rope, the control rope, the control unit, and the power lever, and each of the kite units may be connected to the power output unit.
- a wind power generator comprising the above-described wind energy recovery device and having a generator connected to the power output means.
- the wind power generator may have a storage battery connected to the generator.
- the power lever can be reciprocated to the left and right by positively reciprocating the kite to the left and right.
- power can be extracted from the wind power.
- the rotational force can be continuously extracted from the kite's traction force, and the kite's traction force can be efficiently converted into the rotational force.
- the fabric wing kite has almost no restrictions on the structural strength associated with the expansion of the wing area, and the cost of upsizing can be kept low.
- the cost of upsizing can be kept low.
- the size of the kite blade area it is possible to obtain a larger traction force, and the driving force of the generator is increased in proportion thereto, so that the power generation cost can be significantly reduced.
- the wind speed increases in proportion to the ground altitude, it is possible to easily recover a large amount of wind energy by extending the main rope of the kite and increasing the flying height of the kite.
- propeller-type wind power generators have problems with noise from propeller wind noise and low-frequency vibration, but in general, noise from kite is much smaller than wind noise from propellers, and the neighborhood residents And the influence on the surrounding environment can be reduced.
- FIG. 1 It is a schematic block diagram which shows the wind energy recovery apparatus which concerns on 1st embodiment of this invention, (a) is the front view which turned the upwind direction back, (b) has shown the side view. It is a perspective view which shows a kite. It is a schematic block diagram which shows a steering unit, (a) is a front view, (b) has shown the side view. It is a schematic block diagram which shows a motive power output means, (a) is a front view, (b) has shown the side view.
- FIG. 5D is a side view of the first gear when the right gear is rotated to the right
- FIG. 5E is a clutch mechanism diagram of the EE cross section in FIG.
- It is a schematic block diagram which shows a mount frame. It is a figure which shows the movement state of a kite, (a) is a front view, (b) is a side view, (c) is a top view, (d) has shown the arrangement of the force which arises in a kite.
- FIG. 1 It is a figure which shows the positional relationship of the traction force of a kite and a power lever, (a) is a front view at the time of a right turn, (b) is a side view, (c) is a front view at the time of a left turn, (d) is a power It is a figure which shows the relationship between the rotational moment of a lever, and the rotational speed of a generator. It is a figure which shows the wind energy recovery apparatus which concerns on 2nd embodiment of this invention, (a) is a front view of a power output means, (b) is a side view of a power output means, (c) is the piston details of a hydraulic pump FIG.
- FIG. 12 It is a figure which shows the head part of the kite collection
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the wind energy recovery apparatus according to the first embodiment of the present invention, where (a) is a front view with the upwind direction as the back, and (b) is a side view. Show.
- FIG. 1B illustrations of the control rope and the control unit are omitted for convenience of explanation.
- a wind energy recovery apparatus 1 includes a kite 2 that floats in the sky by receiving wind power, a main rope 3 that pulls the kite 2, a control rope 4 that controls the movement of the kite 2, A control unit 5 for controlling the tension of the control line 4, a power lever 6 connected to the control unit 5 and capable of reciprocating rotation, and a power output means connected to the power lever 6 for converting the reciprocating rotation into a rotational motion and outputting it.
- the movement of the kite 2 is controlled by controlling the tension of the control line 4 by the control unit 5, and the kite 2 is reciprocated left and right so as to draw a substantially arc-shaped trajectory.
- the lever 6 is driven to output power.
- the traction force of the main rope 3 is formed by the combined force of lift and drag generated in the kite 2 by the wind force, and the traction force of the main rope 3 acting in the sky direction (upward).
- the direction of the traction force of the main rope 3 is greatly changed by using the characteristics of the movement of the kite 2 and swinging the kite 2 in the sky to the left and right.
- the power lever 6 that draws a fan-shaped trajectory and reciprocally rotates receives a traction force, converts it into power, and outputs it.
- a wind power generator can be easily configured by connecting a generator to the power output means 7.
- FIG. 2 is a perspective view showing the kite.
- the kite 2 has, for example, a symmetrical airfoil shape, and is made of a strong cloth such as a chemical fiber.
- a kite made of wing-type cloth used in marine sports such as kite surfing can be used.
- the kite 2 is stretched on the front edge portion 21 constituted by an air tube, the vertical bone 22 constituted by an air tube arranged substantially at right angles to the front edge portion 21, and the front edge portion 21 and the vertical bone 22.
- Sheet 23 The front edge portion 21 and the longitudinal bone 22 form a skeleton of the kite 2, and the sheet 23 forms a pressure receiving surface that receives wind.
- the kite 2 having a flexible structure that is lightweight and highly durable can be manufactured.
- a shape maintaining rope 24 for maintaining a curved shape may be connected to the front edge portion 21 of the kite 2.
- the main rope 3 and the control rope 4 are connected to the kite 2.
- one end of the main rope 3 is connected to the left and right ends of the shape maintaining rope 24, and the other end is connected to the steering unit 5.
- the main rope 3 is conceptually illustrated by a single line.
- the control rope 4 has, for example, a fixed end 41 having one end connected to the rear end portion of the kite 2 and a movable end 42 connected to the main rope 3 via pulleys 25 arranged on the left and right side portions of the kite 2.
- the other end is connected to the steering unit 5.
- the control line 4 includes a left control line 4L connected to the left side of the kite 2 and a right control line 4R connected to the right side of the kite 2.
- the kite 2 can maintain an appropriate airfoil shape in the airflow by the tension of the shape maintaining rope 24, the main rope 3, and the control rope 4.
- the tension of the control rope 4 can be arbitrarily adjusted by extending or retracting the control rope 4 (the left control rope 4L and the right control rope 4R), and the wind can be received by changing the shape of the kite 2.
- the kite 2 can be moved left and right and up and down.
- the main rope 3 and the control rope 4 are made of steel wire, nylon wire, or the like, and have sufficient strength to withstand the traction force generated according to the area of the kite 2.
- pulling one control line 4 causes a difference in the angle of attack at which the kite 2 receives the wind, and the kite 2 moves greatly in the direction in which the control line 4 is pulled. Differences in the speed and direction of movement of the kite 2 due to the difference in length and speed with which the control line 4 is pulled in, the pilot unit 5 is automatically operated so as to obtain the maximum kite traction force according to the wind speed.
- the angle of attack of the kite 2 can be increased by pulling both the control ropes 4 at the same time, and the angle of attack of the kite 2 can be reduced by extending both the control lines 4 simultaneously. Accordingly, the angle of attack for receiving the wind is adjusted according to the wind speed, and the maneuvering unit 5 is automatically operated so as to obtain the maximum kite traction force.
- FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing the steering unit, where (a) shows a front view and (b) shows a side view.
- the control unit 5 rotates the control plate 51 and a substantially semicircular control plate 51 to which the control rope 4 (the left control rope 4L and the right control rope 4R) is connected at both ends.
- the rotary motor 52, the control board 51, the raising / lowering stand 53 which supports the turning motor 52, the raising / lowering motor 54 which raises / lowers the raising / lowering stand 53, and the casing 55 which accommodates these are included.
- a coupling fitting 56 to which the main rope 3 is connected is disposed on the top of the casing 55.
- the control plate 51 is connected to a lift 53 so as to be rotatable, and is connected to a rotation motor 52 via a worm gear mechanism. Therefore, by driving the rotation motor 52, the control plate 51 can be moved left and right like a pendulum, the one side control line 4 (for example, the left side control line 4L) is drawn, and the one side control line 4 (for example, , The right control rope 4R) can be extended. Further, the lifting / lowering base 53 is connected to the lifting / lowering motor 54 via a ball screw mechanism, and the lifting / lowering base 53 can be slid inside the casing 55 by driving the lifting / lowering motor 54. Accordingly, the control line 4 (the left control line 4L and the right control line 4R) can be pulled in and out simultaneously, and the angle of attack of the entire kite 2 can be adjusted.
- the control line 4 (the left control line 4L and the right control line 4R) can be pulled in and out simultaneously, and the angle of attack of the entire kite 2 can be adjusted
- control line 4 includes a left control line 4L connected to the left side of the kite 2 and a right control line 4R connected to the right side of the kite 2.
- the control unit 5 includes the left control line 4L and the right side.
- the state in which the right control line 4R is retracted is constant.
- the time is held, and the right control rope 4R is returned to the neutral state before the power lever 6 moves to the right end.
- the left control rope 4L is instantaneously pulled to change the direction of the kite 2 to return to the neutral state.
- the kite 2 receives the wind and moves naturally to the center position.
- the state in which the left control rope 4L is retracted is maintained for a certain time, and the left control rope 4L is returned to the neutral state before the power lever 6 moves to the left end.
- the right control rope 4R is instantaneously pulled to change the direction of the kite 2 to return to the neutral state.
- the kite 2 receives the wind and moves naturally to the center position.
- the kite 2 reciprocates left and right.
- the operation of the control rope 4 (the left control rope 4L and the right control rope 4R) described above may be automatically controlled according to programming by simulation according to the installation environment, or may be controlled by feedback control after measuring the wind speed. It may be.
- control plate 51 and the lifting platform 53 are not limited to the illustrated one.
- control plate 51 or the lifting platform 53 may be operated by an electric actuator that does not use a gear mechanism. It is also possible to connect to an actuator that can be pulled in or out independently, and to individually control the steering and the angle of attack.
- control unit 5 is connected to the power lever 6 via a connecting rod 57.
- the connecting rod 57 is disposed on the center line extending from the lower end of the steering unit 5 and is connected to the power lever 6 via the universal joint 58, for example.
- the universal joint 58 has a degree of freedom of 180 ° at each joint part, and is configured so as not to interfere with the movement of the kite 2 and is made of a material with little wear damage.
- the connecting rod 57 may be made of the same material as that of the main rope 3 and the control rope 4. In this case, the universal joint 58 may be omitted.
- a kite position measuring means 59 provided with a transmitter 59s disposed on the main rope 3 and a receiver 59r disposed on the power lever 6 is installed, and a signal from the transmitter 59s is received by the receiver 59r.
- the control rope 4 may be controlled by receiving and measuring the relative position of the kite 2 and transmitting the measurement result to the control unit 5.
- the transmitter 59 s is disposed on the back surface of the casing 55 of the steering unit 5, and the receiver 59 r is disposed at the tip of the power lever 6.
- the control unit 5 is provided with a control base for controlling the driving of the control plate 51 and the lifting platform 53.
- FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing the power output means, where (a) shows a front view and (b) shows a side view.
- the power output means 7 includes, for example, a housing 71 that rotatably supports the power lever 6, a sector gear 72 that is connected to the power lever 6, and a power conversion means that includes a gear train connected to the sector gear 72. 73 and a generator 74 connected to the power conversion means 73.
- the wind energy recovery apparatus 1 functions as what is called a wind power generator.
- the housing 71 is a member that supports the power lever 6 and the power output means 7.
- the housing 71 is rotatably connected at one end side to a mount 8 arranged on the floor surface, and the other end side by an actuator 81. It is supported so that it can move up and down. Therefore, the housing 71 is configured so that the inclination angle can be changed. For example, the inclination angle is adjusted so that the extending direction of the main rope 3 and the direction of the rotating surface of the power lever 6 coincide.
- the sector gear 72 is fixed so that the center of rotation coincides with the center of rotation of the power lever 6, and the center line thereof is disposed so as to coincide with the axis of the power lever 6.
- the sector gear 72 has teeth cut on an arc-shaped outer peripheral surface, and constitutes a gear that reciprocates between a broken line and a solid line shown in FIG.
- the rotation angle of the power lever 6 is set within a range in which the sector gear 72 can move within the housing 71, for example, a range of about 90 ° to 100 °.
- FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a gear mechanism showing power conversion means, (a) is a front view, (b) is a side view when the first gear is rotated counterclockwise, and (c) is FIG.
- the power output means 7 includes, for example, a first gear 731 rotated by the power lever 6, a second gear 732 and a third gear 733 meshed with the first gear 731, and a second gear 732 and a third gear 733.
- the second gear 732 and the third gear 733 incorporate a clutch mechanism 737, and the second gear 732 can rotate when the first gear 731 rotates in the forward direction and can slip when the first gear 731 rotates in the reverse direction.
- the third gear 733 includes power conversion means 73 configured to be rotatable when the first gear 731 is reversely rotated and slipped when the first gear 731 is forwardly rotated.
- the clutch mechanism 737 is a so-called one-way clutch, but the clutch mechanism 737 is not limited to this as long as the rotation of the gear can be restricted in one direction.
- the first gear 731 includes a first small gear 731s that meshes with the sector gear 72, and a first large gear 731b that is integrated with the first small gear 731s and rotates in the same direction.
- the second gear 732 includes a second small gear 732 s that meshes with the first large gear 731 b, and a second large gear 732 b that is connected to the second small gear 732 s via a clutch mechanism 737.
- the third gear 733 includes a third small gear 733 s that meshes with the first large gear 731 b, and a third large gear 733 b that is connected to the third small gear 733 s via a clutch mechanism 737.
- the first gear 731 is rotating in a certain direction (for example, counterclockwise).
- the second small gear 732 s and the third small gear 733 s that mesh with the first large gear 731 b rotate (rotate clockwise) in the opposite direction to the first gear 731.
- the clutch mechanism 737 of the third gear 733 is configured to slip, so that no force is transmitted to the third large gear 733b.
- the clutch mechanism 737 of the second gear 732 is configured to lock, the second large gear 732b rotates (rotates clockwise) in the same direction as the second small gear 732s.
- the second large gear 732 b is in mesh with the fourth gear 734, and the fourth gear 734 is configured to mesh with the fifth gear 735. Accordingly, with the rotation of the second gear 732, the fourth gear 734 rotates in the opposite direction (left rotation), the fifth gear 735 rotates in the same direction (right rotation), and rotates the output shaft 736 clockwise. Will be allowed to.
- the third large gear 733b meshes with the fifth gear 735, but the clutch mechanism 737 slips, so that the third gear 733 does not hinder the rotation of the output shaft 736.
- the first gear 731 is rotating in the opposite direction (for example, clockwise rotation).
- the second small gear 732 s and the third small gear 733 s that mesh with the first large gear 731 b rotate (counterclockwise) in the opposite direction to the first gear 731.
- the clutch mechanism 737 of the third gear 733 is configured to lock
- the third large gear 733b rotates in the same direction as the third small gear 733s.
- the third large gear 733 b is configured to mesh with the fifth gear 735, and with the rotation of the third gear 733, the fifth gear 735 rotates in the opposite direction (rightward rotation), and the output shaft 736.
- the clutch mechanism 737 of the second gear 732 is configured to slip, it does not transmit force to the second large gear 732b. At this time, the fifth gear 735 is connected to the second large gear 732b via the fourth gear 734. However, since the clutch mechanism 737 is in a slipping state, the second gear 732 is connected to the output shaft 736. Does not hinder the rotation.
- the output shaft 736 can always be rotated in a constant direction.
- a continuous unidirectional rotational motion can be extracted from the rotational motion.
- the rotation speed can be amplified by passing through the plurality of gears, and the rotation speed suitable for power generation by the generator 74 can be easily obtained.
- the turning speed is reduced and temporarily stopped when the turning is reversed, so that the rotational motion output from the output shaft 736 is pulsated.
- the rotating speed of the output shaft 736 changes smoothly because the inertial force of the gear rotating idly by the clutch mechanism and the rotor of the generator 74 acts.
- the storage battery 75 electrically connected to the generator 74 is arrange
- FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the gantry 8.
- the gantry 8 has a central axis 82 set so as to be rotatable with respect to the floor surface, and is configured to rotate on a rail 83 laid on the floor surface.
- the gantry 8 includes a wheel 84 that is disposed on the bottom surface and can roll on the rail 83, and a rotation motor 85 that drives the wheel 84.
- the power lever 6 and the power output means 7 are arranged on the gantry 8, and the power output means 7 (housing 71) can be adjusted in inclination angle by the actuator 81. It is configured as follows. In FIG. 6, illustrations of the power output means 7 and the actuator 81 are omitted.
- a wind direction / anemometer 9 is arranged around the gantry 8, and the wind direction and the wind speed are regularly observed.
- the measured wind direction and wind speed are converted into an average value for a certain period of time (for example, every 10 to 15 minutes), and the gantry 8 is rotated based on the average value of the wind direction and wind speed, or the power output means 7 (housing) By tilting 71), the kite 2 can be directly opposed to the wind, and the horizontal angle between the power lever 6 and the main rope 3 can be substantially matched.
- the wind energy recovery apparatus 1 includes a gantry 8 that supports the power lever 6 and the power output means 7, and the gantry 8 is disposed so as to be rotatable according to the wind direction. It is supported on the gantry 8 so as to be movable and change the inclination angle according to the wind speed.
- the calculation time of the average value of the wind direction and the wind speed described above is not limited to the time described above, and can be appropriately set depending on the installation environment or the like.
- FIG. 7 is a diagram showing the movement state of the kite
- (a) is a front view
- (b) is a side view
- (c) is a plan view
- (d) is an arrangement diagram of forces generated in the kite, Is shown.
- FIG. 8 is a view showing the positional relationship between the kite traction force and the power lever, where (a) is a front view when turning right, (b) is a side view, and (c) is a front view when turning left.
- (D) is a figure which shows the relationship between the rotational moment of a power lever, and the rotational speed of a generator.
- the kite 2 moves on the imaginary spherical surface V on the leeward side centered on the lower end portion of the main rope 3 by the operation of the control rope 4.
- the kite 2 levitating above has an angle of attack ⁇
- the kite 2 and the rope main rope 3 and control rope 4
- the lift force L, the drag force D, the combined force R, and the traction force F are acting.
- the kite 2 descends downward in order from the upper position P1 on the phantom spherical surface V to the positions P2 and P3.
- the actuator 81 is operated so that the reciprocating rotation surface of the power lever 6 is in the leeward direction, for example, from the vertical line.
- the angle ⁇ is inclined so as to be within a range of 45 ° to 60 °. The optimum value of the inclination angle changes depending on the wind speed, and is appropriately set based on the measurement result of the wind direction / anemometer 9.
- the rotation direction component Fm of F changes in size and direction as follows: Fm6 ⁇ Fm7 ⁇ Fm8 ⁇ Fm9 ⁇ Fm10. That is, the largest rotational moment acts during the period from the state where the power lever 6 is tilted to the left and right (the state where Fm1 and Fm6 are acting) to the state where the power lever 6 stands vertically (the state where Fm3 and Fm8 are acting). Thereafter, the rotational moment gradually decreases and becomes zero at the moment of turning.
- the magnitude of the rotational moment draws a waveform as shown in FIG.
- the horizontal axis indicates time
- the solid line indicates the rotational moment
- the broken line indicates the rotational speed of the generator 74.
- Times t1 to t10 correspond to rotational direction components Fm1 to Fm10 of the traction force F, respectively.
- the generator 74 is rotated in one direction by the power conversion means 73, and due to its inertial force or the like, the rotational speed draws a waveform that is smoother than the rotational moment.
- FIG. 9 is a figure which shows the wind energy recovery apparatus which concerns on 2nd embodiment of this invention, (a) is a front view of a power output means, (b) is a side view of a power output means, (c) ) Shows a detailed view of the piston of the hydraulic pump.
- FIG. 10 is a diagram showing the positional relationship between the traction force of the kite and the power lever in the second embodiment, where (a) shows the change in the axial direction component when turning right, and (b) shows the axis when turning left.
- a change in direction component shows a change in rotational direction component during a right turn
- symbol is attached
- the power lever 6 is configured to be extendable and retracted, and the traction force F of the main rope 3 by the kite 2 is further recovered to improve the energy recovery rate.
- the power lever 6 has a built-in hydraulic pump 61, a hydraulic motor 62 connected to the hydraulic pump 61, and an elastic body 63 that urges the piston 61p of the hydraulic pump 61 inward.
- the main rope 3 is connected to the tip of the piston 61p of the hydraulic pump 61.
- the piston 61p is moved by the balance between the axial component Fs of the traction force F of the kite 2 and the urging force of the elastic body 63, so that the hydraulic pressure is increased.
- the motor 62 is driven to output power.
- the traction force F of the main rope 3 acting on the power lever 6 is a rotational direction component Fm that gives a rotational moment to the power lever 6 and an axial direction acting on the axis of the power lever 6.
- Vector decomposition can be performed on the component Fs.
- the rotational direction component Fm can be recovered by the wind energy recovery apparatus 1 according to the first embodiment described above.
- the above-described hydraulic pump 61 or the like is used to further recover energy by the axial component Fs.
- the tip of the piston 61p built in the power lever 6 is configured to protrude from the tip of the power lever 6, and the tip of the piston 61p
- the main rope 3 is connected. Therefore, when the main rope 3 is pulled by the kite 2, the piston 61 p is pulled up in the axial direction of the power lever 6 while overcoming the urging force of the elastic body 63 and compressing the elastic body 63. At this time, the piston 61p generates hydraulic pressure in the hydraulic pump 61 and rotates the hydraulic motor 62.
- the hydraulic motor 62 is connected to the second generator 64 via an amplifier, for example, and can drive the second generator 64 by the rotation of the hydraulic motor 62 to generate electric power.
- the piston 61 p is provided with a check valve 61 v at a head portion that slides within the hydraulic pump 61, and the piston 61 p moves upward in the axial direction of the power lever 6.
- the check valve 61v is closed so that the pressure can be increased, and when the piston 61p moves downward in the axial direction of the power lever 6, the check valve 61v is opened and no load is applied.
- the power lever 6 may be an outer cylinder, or a cylinder member that encloses hydraulic oil may be disposed inside the power lever 6.
- the hydraulic pump 61 can generate hydraulic pressure each time the power lever 6 turns right or left, and the second generator 64 can generate power. Therefore, in the present embodiment, in addition to power generation (energy recovery) by the rotational direction component Fm of the traction force F, power generation (energy recovery) can also be performed by the axial direction component Fs of the traction force F, and wind energy recovery efficiency is improved. be able to. Since power generation by the second generator 64 also pulsates, it may be stored in the storage battery 75 as in the first embodiment.
- FIG. 11 is an overall configuration diagram showing signals and a power system of the wind turbine generator according to the first embodiment of the present invention.
- the illustrated wind turbine generator is a wind energy recovery device 1 including a generator 74 and a second generator 64.
- a state in which the control unit 5, the power lever 6, the power output means 7 (housing 71), the gantry 8, the generator 74, and the second generator 64 are separated is illustrated.
- the wind energy recovery apparatus 1 includes a control unit 10 and transmits a control signal from the control unit 10 to each component.
- the control unit 10 may be mounted on the gantry 8 or may be arranged at a location separated from the wind energy recovery apparatus 1 and connected by wire or wirelessly.
- the position signal s2 of the kite 2 is measured by the kite position measuring unit 59 and transmitted to the control unit 10.
- the position signal s6 of the power lever 6 is measured by phase measuring means (not shown) such as a rotary encoder and transmitted to the control unit 10. Further, the wind direction signal s91 and the wind speed signal s92 measured by the wind direction / anemometer 9 are transmitted to the control unit 10.
- the control unit 10 Based on the transmitted signals s2, s6, s91, and s92, the control unit 10 transmits a control signal to each device to be controlled by a preset program or a program that can learn past data. .
- the control unit 10 transmits control signals s52 and s54 to the rotation motor 52 and the lifting motor 54 mounted on the control unit 5.
- the control unit 10 transmits a control signal s81 to the actuator 81 that adjusts the inclination angle of the power output means 7 (housing 71), and transmits a control signal s85 to the rotary motor 85 that adjusts the orientation of the gantry 8.
- the electric power generated by the generator 74 and the second generator 64 is stored in the storage battery 75.
- Most of the electric power stored in the storage battery 75 is externally supplied to a desired facility or the like, and a part of the electric power is driven by the above-described control devices (the rotation motor 52, the lifting motor 54, the actuator 81, the rotation motor 85), etc. Used as electric power.
- FIG. 12 is a diagram showing the kite recovery means, where (a) shows the state at the start of recovery, and (b) shows the state at the completion of recovery.
- FIG. 13 is a view showing the head portion of the kite recovery means shown in FIG. 12, wherein (a) shows a side view and (b) shows a plan view.
- the wind energy recovery apparatus 1 is the same structure as 1st embodiment mentioned above, the detailed description is abbreviate
- the wind energy recovery apparatus 1 may include a kite recovery unit 11 configured to be able to grip and retract the main rope 3 and the steering rope 4 above the steering unit 5.
- the kite collecting means 11 is constituted by, for example, a self-propelled arm car 111, and the self-propelled arm car 111 includes an arm 112 that can be raised and lowered, and a head portion 113 that can hold the main rope 3 and the control rope 4. Have.
- the self-propelled arm car 111 is moved to a predetermined position, the self-propelled arm car 111 is fixed to the anchor 114, and the arm 112 is Raise.
- the resistance at the time of recovery of the kite 2 can be reduced by operating the control rope 4 to reduce the angle of attack of the kite 2 and reducing the lift.
- these rope bodies are pulled down by frictional force etc., and the collected rope bodies are accommodated in containers, such as the bucket 115 arrange
- the kite collecting means 11 is not limited to the illustrated configuration, and the self-propelled arm vehicle 111 may be a generally available aerial work vehicle or an arm vehicle that can be moved manually. It may be.
- the head unit 113 includes, for example, two lower rollers 131 rotatably supported by the casing of the head unit 113, and a casing of the head unit 113. And an upper roller 132 that is rotatably arranged.
- the roller surfaces of the lower roller 131 and the upper roller 132 are preferably made of a soft material such as rubber and having high frictional resistance.
- one lower roller 131 is connected to a drive motor 133 and is configured to be rotationally driven.
- the other lower roller 131 is configured to be rotationally driven by a power transmission mechanism 134 such as a belt / pulley. Has been.
- the upper roller 132 is rotatably disposed on a rotation arm 136 that is rotatably supported by the casing of the head unit 113, and the rotation arm 136 is rotated by an actuator 135 built in the head unit 113. Is done. Accordingly, the upper roller 132 can be moved closer to or away from the lower roller 131 by operating the actuator 135. The upper roller 132 is rotated by frictional resistance by being pressed against the lower roller 131. When the head portion 113 grips the cable body (the main rope 3 and the control rope 4), the upper roller 132 rotates to a position separated from the lower roller 131, and the main roller 113 is interposed between the upper roller 132 and the lower roller 131. A gap that can sandwich the cord 3 is formed. Then, after the cable body is inserted between the upper roller 132 and the lower roller 131, the upper roller 132 is rotated to approach the lower roller 131 to be pressed.
- the head unit 113 has a fixed guide roll 137 and a movable guide roll 138 that restrict the lateral movement of the cable body.
- the fixed guide roll 137 has a length extending from the lower roller 131 to the upper roller 132, and restricts the ropes (main rope 3 and control rope 4) sandwiched between them from coming out from the side.
- the movable guide roll 138 is configured to be tiltable by an electric motor or the like, and is in a sleeping state when the rope body is sandwiched.
- the movable guide roll 138 stands up after the rope body is sandwiched, and is sandwiched in the same manner as the fixed guide roll 137.
- the cable body is restricted so that it does not come off from the side.
- FIG. 14 is a view showing the kite levitation assisting means.
- FIGS. 15A and 15B are views showing the head portion of the kite levitation assisting means shown in FIG. 14, wherein FIG. 15A is a side view and FIG. 15B is a front view.
- the wind energy recovery apparatus 1 is the same structure as 1st embodiment mentioned above, the detailed description is abbreviate
- the wind energy recovery apparatus 1 may include a kite levitation assisting unit 12 configured to be able to lift upward while holding a part of the kite 2.
- the kite levitation assisting means 12 has a configuration similar to that of the kite collecting means 11, and is composed of, for example, a self-propelled arm car 121. And a head portion 123 that can be stopped.
- the head portion 123 has a kite locking portion 124 arranged on the outer periphery of the head portion 113 shown in FIG. 13C, for example.
- the kite locking portion 124 includes a hook portion 124f that can be locked to the annular portion 21a disposed on the front edge portion 21 of the kite 2, and a guide member 124g that holds the front edge portion 21 of the locked kite 2.
- the hook portion 124f is configured to be rotatable by an electric motor or the like, and is configured to be able to be locked or detached from the annular portion 21a.
- the guide member 124g has a concave portion into which the front edge portion 21 in a state where air is sealed can be inserted. In FIG. 15, only a part of the kite 2 (front edge portion 21) is shown, and the other parts are omitted.
- the front edge portion 21 of the kite 2 on the guide member 124g of the head portion 123 becomes the inside of the annular portion 21a.
- the hook portion 124f is rotated and the hook portion 124f is locked to the annular portion 21a.
- the hook portion 124f may be configured to be retractable, and the front edge portion 21 may be pressed against the guide member 124g.
- the self-propelled arm car 121 is moved to a predetermined position, and the arm 122 is raised until the kite 2 winds and generates lift.
- the hook portion 124f is detached from the annular portion 21a, and the locked state of the kite 2 is released.
- the kite locking portion 124 in the head portion 113 of the kite collecting means 11, the kite collecting means 11 and the kite levitation assisting means 12 can be used together.
- the head part 113 of the kite collecting means 11 may be excluded from the head part 123 of the kite lifting assistance means 12 and used as the dedicated kite floating assistance means 12.
- Both horizontal axis wind power generators using existing propeller blades and vertical axis wind power generators using vertical blades require the construction of high-rise towers and columns as the size of the wind turbine generator increases. Including construction cost and assembly cost. Propeller blades, towers, and the like are long parts and require a large amount of cost for transportation to the installation site.
- the kite 2 is less limited in structural strength, and can be easily manufactured at a low cost with a large size, and can be folded, so the cost required for transportation can be reduced. it can.
- the power generator main body (power lever 6, power output means 7 and the like) is not high-rise, and construction costs and assembly costs can be kept low. Further, by increasing the length of the main rope 3 and the control rope 4 of the kite 2, strong wind energy in the high sky can be easily recovered, and high cost performance can be expected.
- the wind energy recovery apparatus and the wind power generation apparatus can be installed on the ground such as a coast, a plateau, and a mountain area in an environment where no obstacle exists within the range on the virtual spherical surface to which the kite 2 can move.
- the present invention is not limited to this, and it can also be installed on the roof of a ship such as a ship on the ocean, a floating structure on the ocean, and a building.
- the power generator main body power lever 6, power output means 7 etc.
- the head wind or the head wind at an oblique front is used in a navigating ship, the main characteristics of the kite 2 can be seen from the characteristics of this power generator.
- the force that the traction force of the rope 3 acts in the stern direction is weak, and it is possible to secure a power generation amount that greatly compensates for the negative effect on the propulsion of the ship.
- FIG. 16 is a diagram showing an energy recovery device according to the third embodiment of the present invention, where (a) is a schematic configuration diagram, (b) is a conceptual diagram showing a kite operating method, and (c) is a diagram. It is a conceptual diagram which shows the modification of the operating method of a kite.
- symbol is attached
- the wind energy recovery apparatus 1 includes a kite 2a, 2b, main ropes 3a, 3b, a steering rope 4a, 4b, a steering unit 5a, 5b,
- the kit has two kite units 20a and 20b constituted by power levers 6a and 6b, and the kite units 20a and 20b are connected to the power output means 7, respectively. According to such a configuration, a plurality of kites 2 can be arranged in one wind energy recovery device 1, and energy recovery efficiency can be improved.
- power is distributed from one power output means 7 via a power transmission mechanism (gear mechanism) and the two power levers 6a and 6b are rotated, but the kite units 20a and 20b are arranged.
- the power output means 7 may be arranged in each of the above.
- the kite units 20a and 20b are not limited to two, and may be three or more as long as the kites 2a and 2b do not collide and the main ropes 3a and 3b are entangled.
- the kites 2a and 2b have different power levers 6a and 6b when the height of the main ropes 3a and 3b is different from each other while the height at the time of floating is different. Even when the kites 2a and 2b are turned by rotating at an arbitrary phase, the possibility of the collision of the kites 2a and 2b and the entanglement of the main ropes 3a and 3b is sufficiently low. Further, the height of the kite 2a, 2b can be adjusted by shortening the length of the main rope 3b of the kite 2b (or increasing the length of the main rope 3a of the kite 2a). Accordingly, the lengths of the main ropes 3a and 3b may be adjusted. By providing the kites 2a and 2b with a height difference, the kites 2a and 2b can be separated more effectively.
- the kites 2a and 2b are shown in FIG. As shown in FIG.
- the kites 2a and 2b are in the trajectory between the zenith and the right end or the left end, and have the positional relationship shown in FIG.
- the collision of 2a, 2b and the entanglement of the main ropes 3a, 3b can be effectively suppressed.
- the shift in the period of the kites 2a and 2b is not limited to a quarter period.
- the height of the upper kite 2a is adjusted to the height of the lower kite 2b by adjusting the lengths of the main ropes 3a and 3b. If the height of the main rope 3a is adjusted to be larger than that of the lower main rope 3b by maneuvering with the control ropes 4a and 4b, the height of the main rope 3b is adjusted to be larger than that of the lower main rope 3b. ), As shown in FIG. 16B and 16C, the positions of the kites 2a and 2b are represented on the same trajectory for convenience of explanation.
- the output shaft 736 of the power output means 7 does not necessarily have to be continuously rotated in one direction, and does not depart from the spirit of the present invention.
- various modifications are possible.
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Abstract
Description
本発明は、風力エネルギー回収装置及び風力発電装置に関し、特に、翼型カイトの運動特性を利用した風力エネルギー回収装置及び風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind energy recovery apparatus and a wind power generation apparatus, and more particularly, to a wind energy recovery apparatus and a wind power generation apparatus that use the motion characteristics of a wing-type kite.
風力エネルギーによる発電装置としては、プロペラ翼の回転を利用したプロペラ式のものが一般的に実用化されている。一方、空中を浮揚する翼型カイトによる牽引力を利用する発電装置も考案されているが(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)、カイトの牽引力を連続的な回転力に効率的に変換することが不十分であり、実用化には至っていない。
As a power generator using wind energy, a propeller type utilizing the rotation of a propeller blade is generally put into practical use. On the other hand, although a power generation device that uses the traction force of an airfoil kite that floats in the air has been devised (see, for example,
例えば、特許文献1に記載された発電装置では、遊泳体(カイト)が基地体から離反するときに巻上機が回転して発電し、巻上機を電動機で回転することによって遊泳体(カイト)を基地体に接近させるようにしている。また、特許文献2に記載された発電装置は、翼様部材(カイト)が上昇するときにウインチが回転して発電し、ウインチをモータで回転することによって翼様部材(カイト)を下降させるようにしている。
For example, in the power generation device described in
上述したように、再生自然エネルギーである風力の利用は、プロペラ式風力発電装置として既に実用化されているが、装置の製造コストを発電量単価により比較すると、一般的に他の発電装置(例えば、火力発電装置、原子力発電装置等)よりも相対的に高いのが現状である。また、装置を大型化することによりスケールメリットが出るものの、付帯設備の建設コストも大きくなり、やはり火力発電等の化石燃料発電には経済性で敵わない。 As described above, the use of wind power, which is a renewable natural energy, has already been put into practical use as a propeller-type wind power generator. However, when the manufacturing cost of the device is compared with the unit price of power generation, generally other power generators (for example, , Thermal power generation devices, nuclear power generation devices, etc.) are currently relatively high. Moreover, although the scale merit comes out by increasing the size of the device, the construction cost of incidental facilities also increases, and it is not economically competitive with fossil fuel power generation such as thermal power generation.
一方、上述したように、空中を浮揚する翼型カイトが受ける風力エネルギーを利用した発電装置も既に提案されているが、カイトに繋がれた索体(ロープ、制御紐、係留索等)の一方向の牽引力を如何に効率的に回転力に変換するかが課題となる。特に、特許文献1や特許文献2に記載された発電装置のように、カイトの牽引力の仕事時に引き出された索体を再び電動機等で巻き戻す方法は、回収したエネルギーの一部を放出することになるとともに、連続した回転力の抽出を阻害し、エネルギーの回収効率を低下させる要因となっていた。
On the other hand, as described above, a power generation device using wind energy received by a winged kite levitating in the air has already been proposed, but one of the ropes (ropes, control strings, mooring lines, etc.) connected to the kite. The problem is how to efficiently convert the traction force in the direction into the rotational force. In particular, the method of rewinding the cable body pulled out at the time of the work of the traction force of the kite with the electric motor or the like as in the power generation apparatus described in
また、翼型カイトを布製とすれば製造コストも安く、カイトの翼面積を大きくすれば空中を浮揚するカイトの受ける風力エネルギーは相当大きくなり、カイトの牽引力を効率的に回転力に変換することができれば、経済性の高い風力発電装置を得ることができる。 In addition, if the wing type kite is made of cloth, the manufacturing cost is low, and if the wing area of the kite is increased, the wind energy received by the kite levitating in the air will be considerably increased, and the traction force of the kite will be efficiently converted into rotational force. If it is possible, a highly economical wind power generator can be obtained.
本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、カイトの牽引力から連続的に回転力を抽出することができ、カイトの牽引力を効率的に回転力に変換することができる、風力エネルギー回収装置及び風力発電装置を提供することを目的とする。 The present invention was devised in view of such problems, and it is possible to continuously extract the rotational force from the traction force of the kite, and to efficiently convert the traction force of the kite into the rotational force. It aims at providing a device and a wind power generator.
本発明によれば、風力を受けて上空に浮揚するカイトと、該カイトを牽引する主索と、前記カイトの運動を制御する操縦索と、該操縦索の張力を制御する操縦ユニットと、該操縦ユニットに接続され往復回動可能なパワーレバーと、該パワーレバーに連結され往復回動を回転運動に変換して出力する動力出力手段と、を有し、前記操縦ユニットにより前記操縦索の張力を制御することによって前記カイトの運動を制御し、前記カイトを略円弧状の軌跡を描くように左右に往復動させることにより、前記パワーレバーを駆動させて動力を出力する、ことを特徴とする風力エネルギー回収装置が提供される。 According to the present invention, a kite that floats in response to wind power, a main rope that pulls the kite, a control line that controls the movement of the kite, a control unit that controls the tension of the control line, A power lever connected to the control unit and capable of reciprocating rotation; and a power output means coupled to the power lever for converting the reciprocating rotation into a rotational motion and outputting the same. The movement of the kite is controlled by controlling the power, and the power lever is driven to output power by reciprocating the kite left and right so as to draw a substantially arc-shaped locus. A wind energy recovery device is provided.
前記操縦索は、前記カイトの左側に接続された左側操縦索と、前記カイトの右側に接続された右側操縦索と、を有し、前記操縦ユニットは、前記左側操縦索及び前記右側操縦索を交互に引き込み又は繰り出しを行うことにより前記カイトの左右の移動方向を制御し、前記左側操縦索及び前記右側操縦索を同時に引き込み又は繰り出しを行うことにより前記カイト全体の迎角を調整して上下の移動方向を制御するように構成されていてもよい。 The control line has a left control line connected to the left side of the kite and a right control line connected to the right side of the kite, and the control unit includes the left control line and the right control line. By alternately pulling or drawing the kite, the left and right moving directions of the kite are controlled, and by simultaneously pulling or drawing the left and right control ropes, the angle of attack of the entire kite is adjusted to You may be comprised so that a moving direction may be controlled.
また、前記風力エネルギー回収装置は、前記主索上に配置された発信器と、前記パワーレバーに配置された受信器と、を備えたカイト位置計測手段を有し、前記発信器からの信号を前記受信器により受信して前記カイトの位置を計測し、この計測結果を前記操縦ユニットに送信することによって前記操縦索を制御するようにしてもよい。 In addition, the wind energy recovery device has kite position measuring means including a transmitter disposed on the main rope and a receiver disposed on the power lever, and receives a signal from the transmitter. The control line may be controlled by measuring the position of the kite received by the receiver and transmitting the measurement result to the control unit.
また、前記風力エネルギー回収装置は、前記パワーレバー及び前記動力出力手段を支持する架台を有し、該架台は風向に応じて回転可能に配置され、前記パワーレバー及び前記動力出力手段を風速に応じて傾斜角度変更可能に支持するようにしてもよい。 The wind energy recovery apparatus includes a gantry that supports the power lever and the power output means, and the gantry is rotatably arranged according to a wind direction, and the power lever and the power output means according to a wind speed. Thus, the tilt angle may be changed and supported.
また、前記動力出力手段は、前記パワーレバーにより回転される第一歯車と、該第一歯車に噛合された第二歯車及び第三歯車と、該第二歯車及び第三歯車に連結された出力軸と、を有し、前記第二歯車及び前記第三歯車はクラッチ機構を内蔵し、前記第二歯車は前記第一歯車の正転時に回転可能かつ逆転時にスリップ可能に構成され、前記第三歯車は前記第一歯車の逆転時に回転可能かつ正転時にスリップ可能に構成された動力変換手段を有していてもよい。 The power output means includes a first gear rotated by the power lever, a second gear and a third gear meshed with the first gear, and an output connected to the second gear and the third gear. And the second gear and the third gear incorporate a clutch mechanism, and the second gear is configured to be rotatable when the first gear is rotated forward and to be slipped when the first gear is rotated. The gear may include power conversion means configured to be rotatable when the first gear is reversely rotated and slipped when the normal gear is rotated.
また、前記パワーレバーは、内蔵された油圧ポンプと、該油圧ポンプに接続された油圧モータと、前記油圧ポンプのピストンを内方に付勢する弾性体と、を有し、前記油圧ポンプのピストンの先端に前記主索が接続されており、前記カイトの揚力と前記弾性体の付勢力とのバランスによって前記ピストンを移動させることにより、前記油圧モータを駆動させて動力を出力するようにしてもよい。 The power lever includes a built-in hydraulic pump, a hydraulic motor connected to the hydraulic pump, and an elastic body that urges the piston of the hydraulic pump inward, the piston of the hydraulic pump The main rope is connected to the tip of the main body, and the hydraulic motor is driven to output power by moving the piston by a balance between the lift of the kite and the biasing force of the elastic body. Good.
また、前記風力エネルギー回収装置は、前記操縦ユニットよりも上方の前記主索及び前記操縦索を把持可能かつ引き込み可能に構成されたカイト回収手段を有していてもよいし、前記カイトの一部を把持した状態で上方に持ち上げ可能に構成されたカイト浮上補助手段を有していてもよい。 In addition, the wind energy recovery apparatus may include kite recovery means configured to be able to grip and retract the main rope and the control rope above the control unit, or a part of the kite. A kite levitation assisting means configured to be able to be lifted upward in a state of gripping may be provided.
また、前記カイト、前記主索、前記操縦索、前記操縦ユニット及び前記パワーレバーにより構成される複数のカイトユニットを有し、該カイトユニットはそれぞれ前記動力出力手段に接続されていてもよい。 Further, the kite may include a plurality of kite units including the kite, the main rope, the control rope, the control unit, and the power lever, and each of the kite units may be connected to the power output unit.
また、本発明によれば、上述した前記風力エネルギー回収装置を備え、前記動力出力手段に接続された発電機を有する、ことを特徴とする風力発電装置が提供される。該風力発電装置は、前記発電機に接続された蓄電池を有していてもよい。 Further, according to the present invention, there is provided a wind power generator comprising the above-described wind energy recovery device and having a generator connected to the power output means. The wind power generator may have a storage battery connected to the generator.
上述した本発明に係る風力エネルギー回収装置及び風力発電装置によれば、カイトを積極的に左右に往復運動させることにより、パワーレバーを左右に往復回動させることができ、かかる往復回動を回転運動に変換することにより、風力から動力を抽出することができる。したがって、カイトの牽引力から連続的に回転力を抽出することができ、カイトの牽引力を効率的に回転力に変換することができる。 According to the wind energy recovery apparatus and the wind power generator according to the present invention described above, the power lever can be reciprocated to the left and right by positively reciprocating the kite to the left and right. By converting to motion, power can be extracted from the wind power. Accordingly, the rotational force can be continuously extracted from the kite's traction force, and the kite's traction force can be efficiently converted into the rotational force.
また、布製の翼型カイトは、翼面積の拡大に伴う構造強度上の制約がほとんどなく、大型化のコストも安く抑えることができる。そして、カイト翼面積を大型化することにより、より大きな牽引力を得ることができ、それに比例して発電機の駆動力も大きくなり、発電コストを大幅に低減することができる。また、一般に、風速は地上高度に比例して速くなることから、カイトの主索を延長してカイトの浮揚高度を高くすることにより、大きな風力エネルギーを容易に回収することができる。 In addition, the fabric wing kite has almost no restrictions on the structural strength associated with the expansion of the wing area, and the cost of upsizing can be kept low. By increasing the size of the kite blade area, it is possible to obtain a larger traction force, and the driving force of the generator is increased in proportion thereto, so that the power generation cost can be significantly reduced. In general, since the wind speed increases in proportion to the ground altitude, it is possible to easily recover a large amount of wind energy by extending the main rope of the kite and increasing the flying height of the kite.
さらに、プロペラ式風力発電装置では、プロペラの風切り音等による騒音や低周波振動が問題となっているが、一般に、カイトからの騒音は、プロペラの風切り音と比較すれば格段に小さく、近隣住民や周辺環境に与える影響を低減することができる。 Furthermore, propeller-type wind power generators have problems with noise from propeller wind noise and low-frequency vibration, but in general, noise from kite is much smaller than wind noise from propellers, and the neighborhood residents And the influence on the surrounding environment can be reduced.
以下、本発明に係る風力エネルギー回収装置及び風力発電装置の実施形態について、図1~図15を用いて説明する。ここで、図1は、本発明の第一実施形態に係る風力エネルギー回収装置を示す概略構成図であり、(a)は風上方向を背にした正面図、(b)は側面図、を示している。なお、図1(b)では、説明の便宜上、操縦索及び操縦ユニットの図を省略してある。 Hereinafter, embodiments of a wind energy recovery apparatus and a wind power generation apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the wind energy recovery apparatus according to the first embodiment of the present invention, where (a) is a front view with the upwind direction as the back, and (b) is a side view. Show. In FIG. 1B, illustrations of the control rope and the control unit are omitted for convenience of explanation.
本発明の第一実施形態に係る風力エネルギー回収装置1は、風力を受けて上空に浮揚するカイト2と、カイト2を牽引する主索3と、カイト2の運動を制御する操縦索4と、操縦索4の張力を制御する操縦ユニット5と、操縦ユニット5に接続され往復回動可能なパワーレバー6と、パワーレバー6に連結され往復回動を回転運動に変換して出力する動力出力手段7と、を有し、操縦ユニット5により操縦索4の張力を制御することによりカイト2の運動を制御し、カイト2を略円弧状の軌跡を描くように左右に往復動させることにより、パワーレバー6を駆動させて動力を出力するようにしたものである。
A wind
本実施形態に係る風力エネルギー回収装置1は、風力によりカイト2に生ずる揚力と抗力との合成力によって主索3の牽引力が形成されるところ、天空方向(上方)に作用する主索3の牽引力を連続的に利用するために、図1(a)に示すように、カイト2の運動特性を活かし、上空のカイト2を左右に大きく振ることにより、主索3の牽引力の方向を大きく変化させ、扇形状の軌跡を描き往復回動するパワーレバー6で牽引力を受け、動力に変換して出力することに特徴がある。また、動力出力手段7に発電機を接続することにより、容易に風力発電装置を構成することができる。
In the wind
ここで、図2は、カイトを示す斜視図である。カイト2は、図2に示したように、例えば、左右対称の翼型形状を有し、化学繊維等の丈夫な布で製作する。カイト2には、例えば、マリンスポーツであるカイトサーフィン等で使われている翼型布製のカイトを利用することができる。かかるカイト2は、エアチューブにより構成される前縁部21と、前縁部21に略直角に配置されるエアチューブにより構成される縦骨22と、前縁部21及び縦骨22に展張されたシート23と、により構成される。前縁部21及び縦骨22はカイト2の骨格を形成し、シート23は風を受ける受圧面を形成する。かかる構成により、軽量かつ耐久性の高い柔軟構造のカイト2を作製することができる。なお、カイト2の前縁部21には、湾曲した形状を維持するための形状維持索24が接続されていてもよい。
Here, FIG. 2 is a perspective view showing the kite. As shown in FIG. 2, the
また、カイト2には、主索3及び操縦索4が接続されている。主索3は、例えば、一端が形状維持索24の左右両端部にそれぞれ接続され、他端が操縦ユニット5に接続される。なお、図1では、説明の便宜上、主索3を一本の線で概念的に図示している。操縦索4は、例えば、一端が、カイト2の後端部に接続された固定端41と、カイト2の左右両側部に配置された滑車25を介して主索3に接続された可動端42と、を有し、他端が操縦ユニット5に接続される。また、操縦索4は、カイト2の左側に接続された左側操縦索4Lと、カイト2の右側に接続された右側操縦索4Rと、を有する。
The
かかる構成により、カイト2は、形状維持索24、主索3及び操縦索4の張力によって気流内で適正な翼型形状を維持することができる。また、操縦索4(左側操縦索4L及び右側操縦索4R)を繰り出し又は引き込むことにより、操縦索4の張力を任意に調整することができ、カイト2の形状を変化させることによって風の受け方を変更することができ、カイト2を左右上下に移動させることができる。なお、主索3及び操縦索4は、鋼製ワイヤーやナイロン製線材等により構成され、カイト2の面積に応じて発生する牽引力に耐え得る充分な強度を持たせるようにする。
With this configuration, the
例えば、片方の操縦索4を引くことによりカイト2の風を受ける迎角に左右で違いが生じ、操縦索4の引かれた方向にカイト2が大きく移動する。操縦索4を引き込む長さと速度の違いによりカイト2の動く速さと方向に違いが生じ、風速に応じた最大限のカイト牽引力が得られるように操縦ユニット5で自動操縦する。また、例えば、両方の操縦索4を同時に引き込むことによりカイト2の迎角を大きくすることができ、両方の操縦索4を同時に繰り出すことによりカイト2の迎角を小さくすることができる。そこで、風速に応じて、風を受ける迎角を調整し、最大限のカイト牽引力が得られるように、操縦ユニット5で自動操縦する。
For example, pulling one
ここで、図3は、操縦ユニットを示す概略構成図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、を示している。操縦ユニット5は、図3に示したように、両端に操縦索4(左側操縦索4L及び右側操縦索4R)が接続された略半円形状の操縦板51と、操縦板51を回動させる回動モータ52と、操縦板51及び回動モータ52を支持する昇降台53と、昇降台53を昇降させる昇降モータ54と、これらを収容するケーシング55と、を有する。ケーシング55の頂部には、主索3が接続される結合金具56が配置されている。
Here, FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing the steering unit, where (a) shows a front view and (b) shows a side view. As shown in FIG. 3, the
操縦板51は、昇降台53に回動可能に接続されており、回動モータ52とウォーム歯車機構を介して接続されている。したがって、回動モータ52を駆動させることにより、操縦板51を振り子状に左右に移動させることができ、片側の操縦索4(例えば、左側操縦索4L)を引き込み、片側の操縦索4(例えば、右側操縦索4R)を繰り出すことができる。また、昇降台53は、昇降モータ54とボールねじ機構を介して接続されており、昇降モータ54を駆動させることにより、ケーシング55の内側で昇降台53をスライド移動させることができる。したがって、操縦索4(左側操縦索4L及び右側操縦索4R)を同時に引き込んだり繰り出したりすることができ、カイト2全体の迎角を調整することができる。
The
すなわち、操縦索4は、カイト2の左側に接続された左側操縦索4Lと、カイト2の右側に接続された右側操縦索4Rと、を有し、操縦ユニット5は、左側操縦索4L及び右側操縦索4Rを交互に引き込み又は繰り出しを行うことによりカイト2の左右の移動方向を制御し、左側操縦索4L及び右側操縦索4Rを同時に引き込み又は繰り出しを行うことによりカイト2全体の迎角を調整して上下の移動方向を制御するように構成されている。
That is, the
例えば、カイト2が中央に位置する状態、すなわち、左側操縦索4L及び右側操縦索4Rがニュートラルにある状態から、カイト2を右旋回させる場合には、右側操縦索4Rを引き込んだ状態を一定時間保持し、パワーレバー6が右端に移動する前に右側操縦索4Rをニュートラルの状態に戻す。そして、パワーレバー6が右端に到達したとき又は到達する直前に左側操縦索4Lを瞬間的に引き込んでカイト2を方向転換させ、ニュートラルの状態に戻す。カイト2は風を受けて自然に中央の位置へと移動する。
For example, when the
次に、カイト2を左旋回させる場合には、左側操縦索4Lを引き込んだ状態を一定時間保持し、パワーレバー6が左端に移動する前に左側操縦索4Lをニュートラルの状態に戻す。そして、パワーレバー6が左端に到達したとき又は到達する直前に右側操縦索4Rを瞬間的に引き込んでカイト2を方向転換させ、ニュートラルの状態に戻す。カイト2は風を受けて自然に中央の位置へと移動する。
Next, when turning the
上述した右旋回及び左旋回の操作を繰り返すことにより、カイト2は左右に往復運動することになる。上述した操縦索4(左側操縦索4L及び右側操縦索4R)の操作は、設置環境に応じたシミュレーションによりプログラミングに従って自動操縦するようにしてもよいし、風速を計測してフィードバック制御により操縦するようにしてもよい。
繰 り 返 す By repeating the above-mentioned right turn and left turn operations, the
なお、操縦板51及び昇降台53の駆動機構は、図示したものに限定されず、例えば、歯車機構を使用しない電動アクチュエータにより操縦板51又は昇降台53を操作するようにしてもよいし、左右独立して引き込み又は繰り出し可能なアクチュエータに接続して個別に操縦及び迎角調整の操作をするようにしてもよい。
The driving mechanism of the
また、操縦ユニット5は、連結ロッド57を介してパワーレバー6に接続されている。連結ロッド57は、操縦ユニット5の下端から中心線延長上に配置されており、例えば、ユニバーサルジョイント58を介してパワーレバー6に接続される。ユニバーサルジョイント58は、各ジョイント部で180°の自由度を確保し、カイト2の運動時に支障のないように作用するように構成されるとともに、摩耗損傷の少ない材質により構成される。なお、連結ロッド57は、主索3や操縦索4と同じ素材により構成するようにしてもよく、この場合にはユニバーサルジョイント58を省略するようにしてもよい。
Further, the
また、カイト2の操縦に際しては、パワーレバー6の位置とカイト2の位置を正確に把握する必要がある。そこで、主索3上に配置された発信器59sと、パワーレバー6に配置された受信器59rと、を備えたカイト位置計測手段59を設置し、発信器59sからの信号を受信器59rにより受信してカイト2の相対的な位置を計測し、この計測結果を操縦ユニット5に送信することによって操縦索4を制御するようにしてもよい。例えば、発信器59sは操縦ユニット5のケーシング55の背面に配置され、受信器59rはパワーレバー6の先端部に配置される。なお、図示しないが、操縦ユニット5には操縦板51及び昇降台53の駆動を制御する制御基盤が配置されている。
Also, when operating the
ここで、図4は、動力出力手段を示す概略構成図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、を示している。動力出力手段7は、例えば、パワーレバー6を回動可能に支持するハウジング71と、パワーレバー6に接続された扇形歯車72と、扇形歯車72に連結された歯車列により構成される動力変換手段73と、動力変換手段73に接続された発電機74と、を有する。このように、動力出力手段7が発電機74を有する場合、風力エネルギー回収装置1は、いわゆる風力発電装置として機能する。
Here, FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing the power output means, where (a) shows a front view and (b) shows a side view. The power output means 7 includes, for example, a
ハウジング71は、パワーレバー6及び動力出力手段7を支持する部材であり、ハウジング71は、床面に配置される架台8上に一端側が回動可能に接続されるとともに、他端側がアクチュエータ81により上下移動可能に支持されている。したがって、ハウジング71は、傾斜角度を変更できるように構成されており、例えば、主索3の延伸方向とパワーレバー6の回動面の方向とが一致するように傾斜角度が調整される。
The
扇形歯車72は、回動中心をパワーレバー6の回動中心と一致するように固着され、その中心線はパワーレバー6の軸線と一致するように配置されている。扇形歯車72は、円弧状の外周面に歯が切られており、図4(a)に示した破線と実線との間で往復運動する歯車を構成している。なお、パワーレバー6の回動角度は、扇形歯車72がハウジング71内で可動できる範囲、例えば、90°~100°程度の範囲内に設定される。
The
ここで、図5は、動力変換手段を示す歯車機構の概略構成図であり、(a)は正面図、(b)は第一歯車の左回転時における側面図、(c)は図5(b)におけるC-C断面のクラッチ機構図、(d)は第一歯車の右回転時における側面図、(e)は図5(d)におけるE-E断面のクラッチ機構図、を示している。動力出力手段7は、例えば、パワーレバー6により回転される第一歯車731と、第一歯車731に噛合された第二歯車732及び第三歯車733と、第二歯車732及び第三歯車733に連結された出力軸736と、を有し、第二歯車732及び第三歯車733はクラッチ機構737を内蔵し、第二歯車732は第一歯車731の正転時に回転可能かつ逆転時にスリップ可能に構成され、第三歯車733は第一歯車731の逆転時に回転可能かつ正転時にスリップ可能に構成された動力変換手段73を有している。かかるクラッチ機構737は、いわゆるワンウェイクラッチであるが、クラッチ機構737は、歯車の回転を一方向に制限可能な構成であれば、これに限定されるものではない。
Here, FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a gear mechanism showing power conversion means, (a) is a front view, (b) is a side view when the first gear is rotated counterclockwise, and (c) is FIG. The clutch mechanism diagram of CC section in b), (d) is a side view when the first gear rotates clockwise, and (e) is the clutch mechanism diagram of EE section in FIG. 5 (d). . The power output means 7 includes, for example, a
第一歯車731は、扇形歯車72と噛み合う第一小歯車731sと、第一小歯車731sと一体に構成され同一方向に回転する第一大歯車731bと、を有する。また、第二歯車732は、第一大歯車731bと噛み合う第二小歯車732sと、第二小歯車732sとクラッチ機構737を介して連結された第二大歯車732bと、を有する。また、第三歯車733は、第一大歯車731bと噛み合う第三小歯車733sと、第三小歯車733sとクラッチ機構737を介して連結された第三大歯車733bと、を有する。
The
いま、図5(b)に示したように、第一歯車731が一定の方向に回転(例えば、左回転)しているものとする。このとき、第一大歯車731bと噛み合う第二小歯車732s及び第三小歯車733sは、第一歯車731と反対方向に回転(右回転)することとなる。そして、図5(c)に示したように、第三歯車733のクラッチ機構737は、スリップするように構成されていることから、第三大歯車733bには力を伝達しない。一方、第二歯車732のクラッチ機構737は、ロックするように構成されていることから、第二大歯車732bは第二小歯車732sと同一方向に回転(右回転)する。さらに、第二大歯車732bは、第四歯車734と噛み合っており、第四歯車734は第五歯車735と噛み合うように構成されている。したがって、第二歯車732の回転に伴って、第四歯車734は反対方向に回転(左回転)し、第五歯車735は同一方向に回転(右回転)し、出力軸736を右回りに回転させることとなる。このとき、第三大歯車733bは、第五歯車735と噛み合っているが、クラッチ機構737はスリップする状態になっていることから、第三歯車733が出力軸736の回転を阻害することがない。
Now, as shown in FIG. 5B, it is assumed that the
次に、図5(d)に示したように、第一歯車731が反対の方向に回転(例えば、右回転)しているものとする。このとき、第一大歯車731bと噛み合う第二小歯車732s及び第三小歯車733sは、第一歯車731と反対方向に回転(左回転)することとなる。そして、図5(e)に示したように、第三歯車733のクラッチ機構737は、ロックするように構成されていることから、第三大歯車733bは第三小歯車733sと同一方向に回転(左回転)する。さらに、第三大歯車733bは、第五歯車735と噛み合うように構成されており、第三歯車733の回転に伴って、第五歯車735は反対方向に回転(右回転)し、出力軸736を右回りに回転させることとなる。一方、第二歯車732のクラッチ機構737は、スリップするように構成されていることから、第二大歯車732bには力を伝達しない。このとき、第五歯車735は、第四歯車734を介して第二大歯車732bと連結されているが、クラッチ機構737はスリップする状態になっていることから、第二歯車732が出力軸736の回転を阻害することがない。
Next, as shown in FIG. 5D, it is assumed that the
上述した歯車列を有する動力変換手段73によれば、扇形歯車72がパワーレバー6と連動して往復運動した場合であっても、出力軸736を常に一定の方向に回転させることができ、往復回動運動から連続した一方向の回転運動を抽出することができる。また、複数の歯車を介することによって、回転数を増幅することができ、発電機74の発電に適した回転数を容易に得ることができる。
According to the power conversion means 73 having the gear train described above, even when the
ところで、パワーレバー6の回動方向反転直前時には、回動速度が低下し反転時は一時的に停止することから、出力軸736から出力される回転運動は脈動したものとなる。ただし、クラッチ機構により空転する歯車及び発電機74の回転子の慣性力が作用することから、出力軸736の回転速度は滑らかに変化することになる。また、図4(b)に示したように、発電機74に電気的に接続された蓄電池75を架台8に配置しておくことにより、一時的に電気を貯蔵して安定した電力供給を行うようにすることもできる。
By the way, immediately before the turning direction of the
ここで、図6は、架台8を示す概略構成図である。架台8は、床面に対して回転可能となるように中心軸82が設定され、床面に敷設されたレール83上を回転できるように構成されている。具体的には、架台8は、底面部に配置されレール83上を転動可能な車輪84と、車輪84を駆動させる回転モータ85と、を有している。また、図4(b)に示したように、架台8上には、パワーレバー6及び動力出力手段7が配置されており、動力出力手段7(ハウジング71)はアクチュエータ81により傾斜角度が調整できるように構成されている。なお、図6において、動力出力手段7及びアクチュエータ81の図を省略してある。
Here, FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the
また、架台8の周辺には、図4(b)に示したように、風向・風速計9が配置されており、風向及び風速を定期的に観測している。計測された風向や風速は、一定時間(例えば、10~15分ごと)の平均値に換算され、かかる風向及び風速の平均値に基づいて、架台8を回転させたり、動力出力手段7(ハウジング71)を傾斜させたりすることにより、カイト2を風に対して正対させたり、パワーレバー6と主索3との水平角度を略一致させたりすることができる。すなわち、本実施形態に係る風力エネルギー回収装置1は、パワーレバー6及び動力出力手段7を支持する架台8を有し、架台8は風向に応じて回転可能に配置され、パワーレバー6は往復回動可能かつ風速に応じて傾斜角度変更可能に架台8に支持されている。なお、上述した風向及び風速の平均値の算出時間は、上述した時間に限定されるものではなく、設置環境等により適宜設定することができる。
In addition, as shown in FIG. 4B, a wind direction /
次に、上述した風力エネルギー回収装置1の作用について説明する。ここで、図7は、カイトの運動状態を示す図であり、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は平面図、(d)はカイトに生じる力の配置図、を示している。また、図8は、カイトの牽引力とパワーレバーの位置関係を示す図であり、(a)は右旋回時における正面図、(b)は側面図、(c)は左旋回時における正面図、(d)はパワーレバーの回転モーメントと発電機の回転速度との関係を示す図、である。
Next, the operation of the wind
図7(a)~(c)に示したように、カイト2は、操縦索4の操縦により、主索3の下端部を中心とする風下側の仮想球面V上を移動することとなる。図7(d)に示したように、上空に浮揚するカイト2は迎角θを有し、カイト2及び索体(主索3及び操縦索4)には、カイト自重Gk、索体自重Gr、揚力L、抗力D、合成力R及び牽引力Fの力が作用している。いま、カイト2が、仮想球面V上の上方の位置P1から位置P2、位置P3と順に下方に向って下降する場合を想定する。このとき、カイト2が位置P1から位置P2、位置P3と移動するにつれて、迎角θが大きくなり、牽引力Fも増大する。したがって、カイト2が下方に下降した場合の牽引力Fをパワーレバー6に効率よく伝達するために、アクチュエータ81を作動させてパワーレバー6の往復回動面を風下方向に、例えば、鉛直線からの角度φが45°~60°の範囲内となるように傾斜させる。この傾斜角度の最適値は、風速により変化するものであり、風向・風速計9の計測結果に基づいて適宜設定される。
7 (a) to (c), the
図8(a)及び(b)に示したように、パワーレバー6の右旋回時には、パワーレバー6が左端に倒れた状態から右端に移動するまでの間に、パワーレバー6に作用する回転モーメントを生じさせる主索3の牽引力Fの回転方向成分Fmは、Fm1→Fm2→Fm3→Fm4→Fm5のように大きさ及び方向が変化する。そして、右端に移動したパワーレバー6は、図8(c)に示したように、右端に倒れた状態から左端に移動するまでの間(左旋回する間)に、パワーレバー6に作用する牽引力Fの回転方向成分Fmは、Fm6→Fm7→Fm8→Fm9→Fm10のように大きさ及び方向が変化する。すなわち、パワーレバー6が左右に倒れた状態(Fm1,Fm6が作用している状態)から垂直に立ち上がる状態(Fm3,Fm8が作用している状態)に至る間に最も大きな回転モーメントが作用し、その後、回転モーメントは徐々に減少し、折り返す瞬間にゼロとなる。
As shown in FIGS. 8A and 8B, when the
したがって、回転モーメントの大きさは、図8(d)に示したような波形を描くこととなる。ここで、図8(d)に示したグラフは、横軸が時間を示し、実線が回転モーメントを示し、破線が発電機74の回転速度を示している。時間t1~t10は、それぞれ牽引力Fの回転方向成分Fm1~Fm10に対応している。また、上述したように、発電機74は、動力変換手段73により一方向に回転され、その慣性力等により回転速度は回転モーメントよりも滑らかな波形を描くこととなる。
Therefore, the magnitude of the rotational moment draws a waveform as shown in FIG. Here, in the graph shown in FIG. 8D, the horizontal axis indicates time, the solid line indicates the rotational moment, and the broken line indicates the rotational speed of the
続いて、本発明の第二実施形態に係る風力エネルギー回収装置について、図9及び図10を参照しつつ説明する。ここで、図9は、本発明の第二実施形態に係る風力エネルギー回収装置を示す図であり、(a)は動力出力手段の正面図、(b)は動力出力手段の側面図、(c)は油圧ポンプのピストン詳細図、を示している。また、図10は、第二実施形態におけるカイトの牽引力とパワーレバーの位置関係を示す図であり、(a)は右旋回時における軸方向成分の変化、(b)は左旋回時における軸方向成分の変化、(c)は右旋回時における回転方向成分の変化、(d)は左旋回時における回転方向成分の変化、を示している。なお、上述した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。 Subsequently, a wind energy recovery apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10. Here, FIG. 9 is a figure which shows the wind energy recovery apparatus which concerns on 2nd embodiment of this invention, (a) is a front view of a power output means, (b) is a side view of a power output means, (c) ) Shows a detailed view of the piston of the hydraulic pump. FIG. 10 is a diagram showing the positional relationship between the traction force of the kite and the power lever in the second embodiment, where (a) shows the change in the axial direction component when turning right, and (b) shows the axis when turning left. A change in direction component, (c) shows a change in rotational direction component during a right turn, and (d) shows a change in rotational direction component during a left turn. In addition, about the same component as 1st embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図9及び図10に示した第二実施形態は、パワーレバー6を伸縮可能に構成し、カイト2による主索3の牽引力Fをさらに回収して、エネルギー回収率を向上させたものである。具体的には、パワーレバー6は、内蔵された油圧ポンプ61と、油圧ポンプ61に接続された油圧モータ62と、油圧ポンプ61のピストン61pを内方に付勢する弾性体63と、を有し、油圧ポンプ61のピストン61pの先端に主索3が接続されており、カイト2の牽引力Fの軸方向成分Fsと弾性体63の付勢力とのバランスによってピストン61pを移動させることにより、油圧モータ62を駆動させて動力を出力するようにしたものである。
In the second embodiment shown in FIGS. 9 and 10, the
図9(a)に示したように、パワーレバー6に作用する主索3の牽引力Fは、パワーレバー6に回転モーメントを与える回転方向成分Fmと、パワーレバー6の軸線上に作用する軸方向成分Fsと、にベクトル分解することができる。回転方向成分Fmは、上述した第一実施形態に係る風力エネルギー回収装置1によりエネルギー回収することができる。第二実施形態に係る風力エネルギー回収装置1では、上述した油圧ポンプ61等を利用して、さらに軸方向成分Fsによってもエネルギー回収しようとするものである。
As shown in FIG. 9A, the traction force F of the
例えば、図9(a)及び(b)に示したように、パワーレバー6に内蔵されたピストン61pの先端は、パワーレバー6の先端から突出するように構成されており、ピストン61pの先端に主索3が接続されている。したがって、主索3がカイト2により引っ張られると、ピストン61pは、弾性体63の付勢力に打ち勝って弾性体63を圧縮させながら、パワーレバー6の軸方向に引き上げられる。このとき、ピストン61pは、油圧ポンプ61内で油圧を発生させ、油圧モータ62を回転させる。油圧モータ62は、例えば、増幅器を介して第二発電機64に接続されており、油圧モータ62の回転により第二発電機64を駆動させて発電することができる。
For example, as shown in FIGS. 9A and 9B, the tip of the
ピストン61pは、例えば、図9(c)に示したように、油圧ポンプ61内で摺動するヘッド部に逆止弁61vが配置されており、ピストン61pがパワーレバー6の軸方向上方に移動する際には逆止弁61vが閉鎖されて昇圧可能となり、ピストン61pがパワーレバー6の軸方向下方に移動する際には逆止弁61vが開放されて無負荷となるように構成される。なお、油圧ポンプ61は、パワーレバー6を外筒としてもよいし、パワーレバー6の内部に作動油を封入する筒部材を配置するようにしてもよい。
For example, as shown in FIG. 9C, the
図10(a)及び(b)に示したように、パワーレバー6の右旋回時及び左旋回時において、牽引力Fの軸方向成分Fsは、パワーレバー6が折り返し点に向かうにつれて増大するが、パワーレバー6が折り返し点に到達してカイト2が方向転換を終了した時点では略ゼロの大きさとなる。したがって、ピストン61pは、パワーレバー6の折り返し点において、弾性体63(例えば、コイルスプリング)の復元力により軸方向下方に押し戻されることとなる。すなわち、ピストン61pは、パワーレバー6の往復回動ごとに伸縮を繰り返すこととなる。なお、図10(c)及び(d)に示したように、パワーレバー6の右旋回時及び左旋回時において、牽引力Fの回転方向成分Fmは、パワーレバー6が折り返し点に向かう中間点で増大し、折り返し点に到達した時点では略ゼロの大きさとなる。
As shown in FIGS. 10A and 10B, when the
かかる構成により、パワーレバー6の右旋回運動又は左旋回運動ごとに油圧ポンプ61で油圧を発生させ、第二発電機64で発電することができる。したがって、本実施形態では、牽引力Fの回転方向成分Fmによる発電(エネルギー回収)に加え、牽引力Fの軸方向成分Fsによっても発電(エネルギー回収)することができ、風力エネルギーの回収効率を向上させることができる。なお、第二発電機64による発電も脈動するものとなることから、第一実施形態と同様に、蓄電池75に貯蔵するようにしてもよい。
With this configuration, the
次に、上述した本発明の第一実施形態に係る風力発電装置の信号及び電力系統について、図11を参照しつつ説明する。ここで、図11は、本発明の第一実施形態に係る風力発電装置の信号及び電力系統を示す全体構成図である。 Next, the signal and power system of the wind turbine generator according to the first embodiment of the present invention described above will be described with reference to FIG. Here, FIG. 11 is an overall configuration diagram showing signals and a power system of the wind turbine generator according to the first embodiment of the present invention.
図示した風力発電装置は、発電機74及び第二発電機64を備えた風力エネルギー回収装置1である。図11では、説明の便宜上、操縦ユニット5、パワーレバー6、動力出力手段7(ハウジング71)、架台8、発電機74、第二発電機64の構成要素ごとに分離した状態を図示している。図示したように、風力エネルギー回収装置1は、制御部10を有し、制御部10から各構成要素に制御信号を送信している。かかる制御部10は、例えば、架台8に搭載されていてもよいし、風力エネルギー回収装置1から離隔した場所に配置されて有線又は無線で接続されていてもよい。
The illustrated wind turbine generator is a wind
そして、カイト2の位置信号s2は、カイト位置計測手段59により計測され制御部10に送信される。また、パワーレバー6の位置信号s6は、ロータリエンコーダ等の位相計測手段(図示せず)により計測され制御部10に送信される。また、風向・風速計9により計測された風向信号s91及び風速信号s92は制御部10に送信される。
The position signal s2 of the
制御部10は、送信された信号s2,s6,s91,s92に基づいて、予め設定されたプログラムにより又は過去のデータを学習可能なプログラムにより、制御対象の各機器に対して制御信号を発信する。例えば、制御部10は、操縦ユニット5に搭載された回動モータ52及び昇降モータ54に制御信号s52,s54を発信する。また、制御部10は、動力出力手段7(ハウジング71)の傾斜角度を調整するアクチュエータ81に制御信号s81を発信するとともに、架台8の向きを調整する回転モータ85に制御信号s85を発信する。
Based on the transmitted signals s2, s6, s91, and s92, the
また、発電機74及び第二発電機64により発電された電力は蓄電池75に貯蔵される。蓄電池75に貯蔵された電力は、大部分が所望の施設等に外部供給されるとともに、一部は上述した制御機器(回動モータ52、昇降モータ54、アクチュエータ81、回転モータ85)等の駆動電力として利用される。
Further, the electric power generated by the
次に、カイト回収手段について、図12及び図13を参照しつつ説明する。ここで、図12は、カイト回収手段を示す図であり、(a)は回収開始時の状態、(b)は回収完了時の状態、を示している。また、図13は、図12に示したカイト回収手段のヘッド部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は平面図、を示している。なお、風力エネルギー回収装置1は、上述した第一実施形態と同じ構成であるため、その詳細な説明は省略する。
Next, the kite collecting means will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 12 is a diagram showing the kite recovery means, where (a) shows the state at the start of recovery, and (b) shows the state at the completion of recovery. FIG. 13 is a view showing the head portion of the kite recovery means shown in FIG. 12, wherein (a) shows a side view and (b) shows a plan view. In addition, since the wind
図12に示したように、風力エネルギー回収装置1は、操縦ユニット5よりも上方の主索3及び操縦索4を把持可能かつ引き込み可能に構成されたカイト回収手段11を有していてもよい。カイト回収手段11は、例えば、自走式アーム車111により構成され、自走式アーム車111は、昇降可能なアーム112と、主索3及び操縦索4を把持可能なヘッド部113と、を有する。
As shown in FIG. 12, the wind
図12(a)に示したように、カイト2の回収開始時には、自走式アーム車111を所定の位置に移動させた後、自走式アーム車111をアンカー114に固定し、アーム112を上昇させる。このとき、操縦索4を操作してカイト2の迎角を小さくし、揚力を小さくしておくことにより、カイト2の回収時における抵抗力を低減することができる。そして、ヘッド部113で主索3及び操縦索4を把持した後、これらの索体を摩擦力等により下方に引き込み、架台8に配置されたバケット115等の容器に回収した索体を収容する。そして、カイト2を地上に降ろしても大丈夫な程度まで索体(主索3及び操縦索4)を回収した後、アーム112を折り畳んで下降させ、カイト2を回収する。なお、カイト回収手段11は、図示した構成に限定されるものではなく、自走式アーム車111は一般的に入手可能な高所作業車であってもよいし、手動で移動可能なアーム車であってもよい。
As shown in FIG. 12 (a), at the start of the recovery of the
ヘッド部113は、図13(a)及び(b)に示したように、例えば、ヘッド部113の筐体に回転可能に支持された二本の下部ローラ131と、ヘッド部113の筐体に回動可能に配置された一本の上部ローラ132と、を有している。下部ローラ131及び上部ローラ132のローラ表面は、ゴム等の軟らかい材質で摩擦抵抗の大きなものを使用することが好ましい。また、一方の下部ローラ131は、駆動モータ133に接続されて回転駆動可能に構成されており、他方の下部ローラ131は、ベルト・プーリ等の動力伝達機構134により追従して回転駆動可能に構成されている。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the
上部ローラ132は、ヘッド部113の筐体に回動可能に支持された回動アーム136に回転可能に配置されており、回動アーム136は、ヘッド部113に内蔵されたアクチュエータ135により回動される。したがって、アクチュエータ135を作動させることによって、上部ローラ132を下部ローラ131に対して接近又は離隔することができる。上部ローラ132は、下部ローラ131に圧接することにより摩擦抵抗で回転される。ヘッド部113が索体(主索3及び操縦索4)を把持する際には、上部ローラ132は下部ローラ131から離隔した位置に回動し、上部ローラ132と下部ローラ131との間に主索3を挟み込むことができる隙間が形成される。そして、上部ローラ132と下部ローラ131との間に索体が挿入された後、上部ローラ132を回動させて下部ローラ131に接近させ、圧接する。
The
また、ヘッド部113は、索体の横方向の移動を規制する固定ガイドロール137及び可動ガイドロール138を有している。固定ガイドロール137は、下部ローラ131から上部ローラ132に渡る長さを有し、これらの間に挟み込まれた索体(主索3及び操縦索4)が側面から抜けないように規制する。可動ガイドロール138は、電動モータ等より傾倒可能に構成されており、索体を挟み込むときには寝た状態になっており、索体を挟み込んだ後に起立して、固定ガイドロール137と同様に、挟み込まれた索体が側面から抜けないように規制する。
Further, the
続いて、カイト浮上補助手段について、図14及び図15を参照しつつ説明する。ここで、図14は、カイト浮上補助手段を示す図である。また、図15は、図14に示したカイト浮上補助手段のヘッド部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は正面図、を示している。なお、風力エネルギー回収装置1は、上述した第一実施形態と同じ構成であるため、その詳細な説明は省略する。
Subsequently, the kite levitation assisting means will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 14 is a view showing the kite levitation assisting means. FIGS. 15A and 15B are views showing the head portion of the kite levitation assisting means shown in FIG. 14, wherein FIG. 15A is a side view and FIG. 15B is a front view. In addition, since the wind
図14に示したように、風力エネルギー回収装置1は、カイト2の一部を把持した状態で上方に持ち上げ可能に構成されたカイト浮上補助手段12を有していてもよい。カイト浮上補助手段12は、カイト回収手段11と類似する構成を有し、例えば、自走式アーム車121により構成され、自走式アーム車121は、昇降可能なアーム122と、カイト2を係止可能なヘッド部123と、を有する。
As shown in FIG. 14, the wind
ヘッド部123は、図15に示したように、例えば、図13(c)に示したヘッド部113の外周部にカイト係止部124を配置したものである。カイト係止部124は、カイト2の前縁部21に配置された環状部21aに係止可能なフック部124fと、係止したカイト2の前縁部21を保持するガイド部材124gと、を有する。フック部124fは、電動モータ等により回動可能に構成されており、環状部21aに係止又は離脱可能に構成されている。ガイド部材124gは、空気を封入した状態の前縁部21を挿入可能な凹部を有している。なお、図15において、カイト2の一部(前縁部21)のみを図示し、他の部分の図を省略している。
As shown in FIG. 15, the
カイト2をカイト浮上補助手段12に把持させるには、まず、アーム122を地上付近に下ろした状態で、ヘッド部123のガイド部材124gにカイト2の前縁部21を環状部21aが内側となるように宛がい、フック部124fを回動させて環状部21aにフック部124fを係止させる。このとき、フック部124fを引き込み可能に構成して、前縁部21をガイド部材124gに押し付けるようにしてもよい。この状態で、自走式アーム車121を所定の位置に移動させ、カイト2が風を孕んで揚力を発生するまでアーム122を上昇させる。カイト2が浮上可能なことを確認した後、フック部124fを環状部21aから離脱させて、カイト2の係止状態を解除する。
In order to hold the
上述したように、カイト回収手段11のヘッド部113にカイト係止部124を配置することにより、カイト回収手段11とカイト浮上補助手段12とを兼用することができる。また、カイト浮上補助手段12のヘッド部123からカイト回収手段11のヘッド部113を除外して、専用のカイト浮上補助手段12としてもよいことは勿論である。
As described above, by arranging the
既存のプロペラ翼を用いた水平軸型風力発電装置や垂直翼を利用した垂直軸型風力発電装置は、いずれも大型化に伴って高層のタワーや支柱の建設が必要となり、基部の土木工事を含めた建設コスト、組立てコストが多大となる。また、プロペラブレードやタワー等は長尺の部品となり設置場所への運搬についても多大なコストを要する。 Both horizontal axis wind power generators using existing propeller blades and vertical axis wind power generators using vertical blades require the construction of high-rise towers and columns as the size of the wind turbine generator increases. Including construction cost and assembly cost. Propeller blades, towers, and the like are long parts and require a large amount of cost for transportation to the installation site.
一方、上述した本発明は、大型化しても、カイト2は構造強度的制約が少なく、容易に安価で大型のものが製作可能であるとともに、折り畳み可能なため運搬に要するコストも低減することができる。また、発電装置本体(パワーレバー6、動力出力手段7等)も高層にはならず、建設コストや組立てコストも安価に抑えることができる。さらに、カイト2の主索3及び操縦索4を長くすることで高空の強い風力エネルギーを容易に回収することができ、高いコストパーフォマンスを期待することができる。
On the other hand, even if the present invention described above is increased in size, the
また、プロペラ式風力発電装置と異なり、カイト2からは騒音や低周波振動はほとんど生じず、周辺地域への騒音等の問題が発生し難く、野鳥の衝突等の発生も起こり難くいことから、環境アセスメント面での課題も少ない。また、カイト2が地上に落下したとしても自重は軽く地上物への被害も軽微である。さらに、カイト2の索体のいずれかが破断した場合、カイト2は翼形状を保つことができずに浮遊しながら落下することになるが、少なくとも一本の索体が繋がれている限り、遠方に飛び去ってしまうという事態は生じない。したがって、設置場所の制約が相対的に低く、その地理的利用範囲を拡大することができる。
Also, unlike propeller-type wind power generators, there is almost no noise or low-frequency vibration from the
また、本発明に係る風力エネルギー回収装置及び風力発電装置は、カイト2が移動し得る仮想球面上の範囲内に障害物が存在しない環境であれば、海岸、高原、山地等の地上への設置に限定されるものではなく、大洋航海中の船舶、海洋上の浮体構造物、ビル等の建造物の屋上にも設置することができる。例えば、船尾上甲板上に発電装置本体(パワーレバー6、動力出力手段7等)を据え付け、正面又は斜め正面の向かい風を航行中の船舶において利用すれば、本発電装置の特性からカイト2の主索3の牽引力が船尾方向に働く力は弱く、船舶の推進に与えるマイナス影響を大きく補う発電量を確保することができる。
In addition, the wind energy recovery apparatus and the wind power generation apparatus according to the present invention can be installed on the ground such as a coast, a plateau, and a mountain area in an environment where no obstacle exists within the range on the virtual spherical surface to which the
最後に、本発明の第三実施形態に係る風力エネルギー回収装置について、図16を参照しつつ説明する。ここで、図16は、本発明の第三実施形態に係るエネルギー回収装置を示す図であり、(a)は概略構成図、(b)はカイトの操作方法を示す概念図、(c)はカイトの操作方法の変形例を示す概念図、である。なお、上述した第一実施形態と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。 Finally, a wind energy recovery apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 16 is a diagram showing an energy recovery device according to the third embodiment of the present invention, where (a) is a schematic configuration diagram, (b) is a conceptual diagram showing a kite operating method, and (c) is a diagram. It is a conceptual diagram which shows the modification of the operating method of a kite. In addition, about the same component as 1st embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本発明の第三実施形態に係る風力エネルギー回収装置1は、図16(a)に示したように、カイト2a,2b、主索3a,3b、操縦索4a,4b、操縦ユニット5a,5b及びパワーレバー6a,6bにより構成される二つのカイトユニット20a,20bを有し、カイトユニット20a,20bをそれぞれ動力出力手段7に接続したものである。かかる構成によれば、複数のカイト2を一つの風力エネルギー回収装置1に配置することができ、エネルギーの回収効率を向上させることができる。
As shown in FIG. 16 (a), the wind
図示した実施形態では、一つの動力出力手段7から動力伝達機構(歯車機構)を介して動力を分配し、二つのパワーレバー6a,6bを回動させるようにしているが、カイトユニット20a,20bのそれぞれに動力出力手段7を配置するようにしてもよい。なお、カイトユニット20a,20bは二つに限定されるものではなく、カイト2a,2bの衝突や主索3a,3bの絡まりを生じない限りにおいて三つ以上であってもよい。
In the illustrated embodiment, power is distributed from one power output means 7 via a power transmission mechanism (gear mechanism) and the two
カイト2a,2bは、図16(a)に示したように、空中浮揚時の高さが異なるとともに、主索3a,3bの対地角度が異なっている場合には、パワーレバー6a,6bをそれぞれ任意の位相で回動させてカイト2a,2bを旋回させた場合であっても、カイト2a,2bの衝突や主索3a,3bの絡まりが生じる可能性は十分に低い。また、カイト2a,2bの高さは、カイト2bの主索3bの長さを短くする(又はカイト2aの主索3aの長さを長くする)ことにより調節することができることから、設置環境に応じて主索3a,3bの長さを調節するようにしてもよい。カイト2a,2bに高低差を付与することによって、カイト2a,2bをさらに効果的に離隔することができる。
As shown in FIG. 16 (a), the
ここで、カイト2a,2bが右旋回及び左旋回を一回ずつ行う軌道(八の字を描く軌道)を一周期とした場合、カイト2a,2bは、例えば、図16(b)に示したように、1/4周期だけずらして旋回される。このように周期をずらすことによって、カイト2a,2bは、天頂と右端又は左端との間の軌道で、図16(a)に示した位置関係となり、互いに距離を保ってすれ違うことができ、カイト2a,2bの衝突や主索3a,3bの絡まりを効果的に抑制することができる。
Here, when the orbit (the trajectory that draws the figure of eight) where the
カイト2a,2bの周期のずれは、1/4周期に限定されるものではなく、例えば、主索3a,3bの長さ調整により、上側のカイト2aの高さを下側のカイト2bの高さよりも高く調整するとともに、操縦索4a,4bによる操縦により、上側の主索3aの対地角度を下側の主索3bの対地角度よりも大きくなるように調整しておけば、図16(c)に示したように、1/2周期であってもよい。なお、図16(b)及び(c)では、説明の便宜上、カイト2a,2bの位置を同一軌道上で表現している。
The shift in the period of the
本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、例えば、動力出力手段7の出力軸736は必ずしも連続して一方向に回転させなくてもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments. For example, the
Claims (11)
前記操縦ユニットにより前記操縦索の張力を制御することによって前記カイトの運動を制御し、前記カイトを略円弧状の軌跡を描くように左右に往復動させることにより、前記パワーレバーを駆動させて動力を出力する、ことを特徴とする風力エネルギー回収装置。 A kite that floats in response to wind power, a main rope that pulls the kite, a control line that controls the movement of the kite, a control unit that controls the tension of the control line, and a reciprocation connected to the control unit A power lever that can be rotated, and a power output means that is connected to the power lever and converts the reciprocating rotation into a rotational motion and outputs the rotational motion.
By controlling the tension of the control line by the control unit, the movement of the kite is controlled, and by reciprocating the kite left and right so as to draw a substantially arcuate locus, the power lever is driven to drive the power. The wind energy recovery device characterized by outputting.
The wind turbine generator according to claim 10, further comprising a storage battery connected to the generator.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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| ENP | Entry into the national phase |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12859871 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |