CN103562547B - 自然能量取出装置 - Google Patents

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Abstract

提供这样的装置：是具备纵旋转轴和支撑纵旋转轴的浮体的自然能量取出装置，与现有技术相比，浮体的内部构造简单，浮体和拴系装置小型化，制造成本低。自然能量取出装置具备形成能够摆动的纵旋转轴的第一浮体、被拴系并包围第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，设置于水上。

Description

自然能量取出装置
技术领域
本发明涉及自然能量取出装置。
背景技术
在专利文献1中公开了这样的海上风力能量取出装置：具备纵旋转轴、支撑纵旋转轴的浮体、以及配设于浮体内并工作卡合于纵旋转轴而被旋转驱动的发电机，浮体被水上拴系。
专利文献1：WO03/089787。
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1的装置中，由于将以能够旋转的方式支撑纵旋转轴的支撑装置和发电机配设于浮体内，因而存在着浮体的内部构造变得复杂且制造成本上升这一问题。另外，预定纵旋转轴大致铅垂地延伸，为了达成该预定，存在着浮体和拴系装置大型化这一问题。
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于，提供这样的装置：是具备纵旋转轴和支撑纵旋转轴的浮体的自然能量取出装置，与现有技术相比，浮体的内部构造简单，浮体和拴系装置小型化，制造成本低。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，在本发明中，提供一种自然能量取出装置，其特征在于，具备形成能够摆动的纵旋转轴的第一浮体、被拴系并包围第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，设置于水上。
在本发明中，由于纵旋转轴为第一浮体且由水的浮力支撑，因而相当于现有技术浮体的第二浮体不需要第一浮体的支撑构造。由于第一浮体能够摆动，因而相当于现有技术浮体的第二浮体没有必要阻止第一浮体的摆动。动力传递装置配设于第一浮体与第二浮体之间的空隙。因此，相当于现有技术浮体的第二浮体的内部构造与现有技术相比简化，第二浮体和拴系装置与现有技术相比小型化，第二浮体的制造成本与现有技术相比降低。作为被驱动设备，列举发电机、泵、压缩机、能量储存用的飞轮等。
在本发明中，提供一种风力发电装置，该装置具备上述的自然能量取出装置和固定于该装置的第一浮体并向上方延伸的纵旋转轴风轮，被驱动设备是发电机。
将向上方延伸的纵旋转轴风轮固定于第一浮体，将第一浮体的旋转动能变换为发电机的驱动转矩，最终变换为电能，由此得到风力发电装置。由于第一浮体拥有大惯性矩，因而能够吸收风速变动而使发电输出平均化，另外由于陀螺仪效应而使风轮旋转轴的方向稳定。
在本发明的优选方式中，在风力发电装置配设有多个动力传递装置和发电机。
通过配设多个动力传递装置和发电机，从而与配设单个大容量的动力传递装置和发电机的情况相比，动力传递装置和发电机小型化，动力传递装置和发电机的开发成本和制造成本降低。另外，能够继续发电并同时保养或更换任一个动力传递装置和发电机。
在本发明的优选方式中，风力发电装置具备固定于第一浮体的下端部或从第一浮体的下端悬挂的重物。
通过将重物固定于第一浮体的下端部或从第一浮体的下端悬挂重物，从而强化风力发电装置对波浪和侧风的复原力。
在本发明的优选方式中，风力发电装置具备安装于纵旋转轴风轮的避雷针。
打雷的电流从避雷针通过纵旋转轴风轮和第一浮体而放出至水中，不流动于安装于第二浮体的动力传递装置，进而不流动于作为被驱动设备的发电机。结果，保护发电机免受打雷。
在本发明的优选方式中，风力发电装置具备容纳于第一浮体并能够从第一浮体的周侧面沿径向出没的制动体、或者安装于第一浮体的周侧面并能够在沿着第一浮体的周侧面延伸的闭合位置与从第一浮体的周侧面向径向突出的打开位置之间摆动的制动体。
通过将制动体设于第一浮体，从而能够在事故发生时等使旋转中的第一浮体紧急停止。
在本发明的优选方式中，第一浮体具备压载水收纳空间，在发电时将压载水注入第一浮体。
在风轮的保养检查时，排出压载并使第一浮体浮起而横倒，在悬挂重物的情况下，放出悬挂用绳索而使重物着地，并且排出压载并使第一浮体浮起而横倒，使纵旋转轴风轮接近水面，能够使保养检查作业容易化。
在本发明的优选方式中，风力发电装置具备一对第一浮体、固定于所述一对第一浮体并向上方延伸的一对纵旋转轴风轮、被拴系并包围所述一对第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将所述一对第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，对第二浮体进行带有中间浮标的多点拴系，将连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成：在俯视时，关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称。
由于连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成在俯视时关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称，因而在风力发电装置运转时，第二浮体位于中间浮标的下风，将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线正对风，一对纵旋转轴风轮沿彼此相反的方向旋转。结果，从一对第一浮体传递至第二浮体的转矩抵消，防止第二浮体的旋转。另外，一对纵旋转轴风轮由于马格努斯效应受到的横向力也彼此抵消。结果，使拴系容易化，拴系成本降低。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴风轮是具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的翼的升力型纵旋转轴风轮，所述多个翼维持周向的相对位置关系且围绕风轮纵旋转轴扭转。
如果对多个上下延伸的翼维持周向的相对位置关系且围绕风轮纵旋转轴扭转，则在俯视时，各翼从基部向着顶端围绕风轮纵旋转轴沿周向延伸。结果，风轮旋转时的转矩变动降低。另外，在停止的风轮起动时，多个翼中任一个的一部分置于从翼后缘向着翼前缘的空气流中，在翼前缘侧产生漩涡而产生负压，产生起动转矩。结果，风轮的起动变得容易。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴风轮是具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的翼的升力型纵旋转轴风轮，所述翼能够在上端接近风轮纵旋转轴的第一位置与上端远离风轮纵旋转轴的第二位置之间摆动。
在风轮的维护时，能够使翼摆动而使翼上端接近水面，使维护作业容易化。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴风轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩固定于杆。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴风轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩安装于杆，所述罩的整体能够围绕杆的长度轴线转动，或者所述罩的后缘部能够围绕与杆的长度轴线平行的轴线转动。
在纵旋转轴风轮具备从纵旋转轴沿方向延伸并连结至叶片且支撑叶片的杆的情况下，为了使杆的空气阻力降低，期望将翼型截面的罩安装于杆。
由于在专利文献1的海上风力能量取出装置中，纵旋转轴大致铅垂地延伸，因而即使将翼型截面的罩安装在连结纵旋转轴与叶片的杆，罩所形成的翼也相对于相对空气流不拥有迎角，不使升力产生。可是，在本发明所涉及的风力发电装置中，由于纵旋转轴风轮倾斜至下风侧，因而罩相对于相对空气流拥有迎角，使升力产生，并且还在翼端部使感应阻力产生。因此，有必要考虑升力和感应阻力对纵旋转轴风轮的转矩造成的影响。
在罩的展弦比大的情况下，由于感应阻力小且升力阻力比大，因而期望将罩固定于杆，使产生于罩的升力有助于纵旋转轴风轮的转矩。在罩的展弦比小的情况下，由于感应阻力大且升力阻力比小，因而期望使罩转动自如，或者使罩的后缘部转动自如，抑制罩导致的升力产生，进而抑制感应阻力产生。
在本发明中，提供一种水流发电装置，该装置具备上述的自然能量取出装置和固定于该装置的第一浮体并向下方延伸的纵旋转轴水轮，被驱动设备是发电机。
将向下方延伸的纵旋转轴水轮固定于第一浮体，将第一浮体的旋转动能变换为发电机的驱动转矩，最终变换为电能，由此得到水流发电装置。由于第一浮体拥有大惯性矩，因而能够吸收水流速变动而使发电输出平均化，另外，由于陀螺仪效应而使水轮旋转轴的方向稳定。
在本发明的优选方式中，在水流发电装置配设有多个动力传递装置和发电机。
通过配设多个动力传递装置和发电机，从而与配设单个大容量的动力传递装置和发电机的情况相比，动力传递装置和发电机小型化，动力传递装置和发电机的开发成本和制造成本降低。另外，能够继续发电并同时保养或更换任一个动力传递装置和发电机。
在本发明的优选方式中，水流发电装置具备固定于纵旋转轴水轮的纵旋转轴下端部或从纵旋转轴的下端悬挂的重物。
通过将重物固定于纵旋转轴水轮的纵旋转轴下端部或从纵旋转轴的下端悬挂重物，从而强化水流发电装置对波浪和海流的复原力。
在本发明的优选方式中，水流发电装置具备容纳于第一浮体并能够从第一浮体的周侧面沿径向出没的制动体、或者安装于第一浮体的周侧面并能够在沿着第一浮体的周侧面延伸的闭合位置与从第一浮体的周侧面向径向突出的打开位置之间摆动的制动体。
通过将制动体设于第一浮体，从而能够在事故发生时等使旋转中的第一浮体紧急停止。
在本发明的优选方式中，第一浮体和纵旋转轴水轮具备压载水收纳空间，在发电时将压载水注入第一浮体和纵旋转轴水轮。
在水轮的保养检查时，排出压载并使第一浮体和纵旋转轴水轮浮起而横倒，在悬挂重物的情况下，放出悬挂用绳索而使重物着地，并且排出压载并使第一浮体和纵旋转轴水轮浮起而横倒，使纵旋转轴水轮接近水面，能够使保养检查作业容易化。
在本发明的优选方式中，水流发电装置具备一对第一浮体、固定于所述一对第一浮体并向下方延伸的一对纵旋转轴水轮、被拴系并包围所述一对第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将所述一对第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，对第二浮体进行带有中间浮标的多点拴系，将连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成：在俯视时，关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称。
由于连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成在俯视时关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称，因而在水流发电装置运转时，第二浮体位于中间浮标的下游侧，将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线正对水流，一对纵旋转轴水轮沿彼此相反的方向旋转。结果，从一对第一浮体传递至第二浮体的转矩抵消，防止第二浮体的旋转。另外，一对纵旋转轴水轮由于马格努斯效应受到的横方向力也彼此抵消。结果，使拴系容易化，拴系成本降低。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴水轮是具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的翼的升力型纵旋转轴水轮，所述多个翼维持周向的相对位置关系且围绕水轮纵旋转轴扭转。
如果对多个上下延伸的翼维持周向的相对位置关系且围绕水轮纵旋转轴扭转，则在俯视时，各翼从基部向着顶端围绕水轮纵旋转轴沿周向延伸。结果，水轮旋转时的转矩变动降低。另外，在停止的水轮起动时，多个翼中任一个的一部分置于从翼后缘向着翼前缘的水流中，在翼前缘侧产生漩涡而产生负压，产生起动转矩。结果，水轮的起动变得容易。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴水轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩固定于杆。
在本发明的优选方式中，纵旋转轴水轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩安装于杆，所述罩的整体能够围绕杆的长度轴线转动，或者所述罩的后缘部能够围绕与杆的长度轴线平行的轴线转动。
在纵旋转轴水轮具备从纵旋转轴沿径向延伸并连结至叶片且支撑叶片的杆的情况下，为了使杆的流体阻力降低，期望将翼型截面的罩安装于杆。
由于在专利文献1的海上风力能量取出装置中纵旋转轴大致铅垂地延伸，因而即使将翼型截面的罩安装在连结纵旋转轴与叶片的杆，罩也相对于相对空气流不拥有迎角，不使升力产生。可是，在本发明所涉及的水流发电装置中，由于纵旋转轴水轮倾斜至下游侧，因而罩相对于相对水流拥有迎角，使升力产生，并且还在翼端部使感应阻力产生。因此，有必要考虑升力和感应阻力对纵旋转轴水轮的转矩造成的影响。
在罩的展弦比大的情况下，由于感应阻力小且升力阻力比大，因而期望将罩固定于杆，使产生于罩的升力有助于纵旋转轴水轮的转矩。在罩的展弦比小的情况下，由于感应阻力大且升力阻力比小，因而期望使罩转动自如，或者使罩的后缘部转动自如，抑制罩导致的升力产生，进而抑制感应阻力产生。
在本发明中，提供一种能量贮存装置，该装置具备上述的自然能量取出装置，被驱动设备是发电机，将供给至发电机的电力变换为第一浮体的旋转能量并贮存于第一浮体。
通过将供给至发电机的电力变换为第一浮体的旋转能量，从而得到能量贮存装置。
在本发明的优选方式中，能量贮存装置具备一对第一浮体和被拴系并包围所述一对第一浮体的第二浮体，对第二浮体进行带有中间浮标的多点拴系，将连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成：在俯视时，关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称。
如果在能量贮存装置运转时，使一对第一浮体向彼此相反的方向旋转，则从发电机传递至第二浮体的转矩抵消，防止第二浮体的旋转。结果，使拴系容易化，拴系成本降低。
附图说明
图1是本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的构造图。(a)是第一浮体直立时的部分侧面图，(b)是俯视图，(c)是辊和支撑臂的示意性的立体图，(d)是第一浮体倾斜时的部分侧面图，(e)是示出第一浮体向上方移动时的第一浮体周侧面上的辊抵接部的轨迹与辊的姿势的关系的部分侧面图。
图2是本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的侧面图。(a)是风力发电装置的侧面图，(b)是水流发电装置的侧面图，(c)是能量贮存装置的侧面图。
图3是本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的立体图。(a)、(c)是风力发电装置的立体图，(b)、(d)是水流发电装置的立体图。
图4是作为本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的风力发电装置的构造图。(a)是立体图，(b)是(a)的b-b向视图。
图5是示出作为本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的风力发电装置的拴系状态的构造图。(a)是具有一对风轮的风力发电装置的立体图，(b)将具有一对风轮的风力发电装置的风轮除掉的状态下的俯视图，(c)是具有单个风轮的风力发电装置的立体图，(d)是将具有单个风轮的风力发电装置的风轮除掉的状态下的俯视图。
图6是作为本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的风力发电装置的构造图。(a)是立体图，(b)、(c)是俯视图。
图7是作为本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的风力发电装置的立体图。
图8是作为本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的风力发电装置所具备的杆和安装于杆的翼型截面的罩的部分构造图。(a)是立体图，(b)是截面图。
图9是作为本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置的应用示例的风力发电装置所具备的杆和安装于杆的翼型截面的罩的截面图。
具体实施方式
说明本发明的实施例所涉及的自然能量取出装置。
如图1(a)(b)(c)所示，自然能量取出装置A具备圆柱状的第一浮体1和被水上拴系并包围第一浮体1的第二浮体2，第一浮体1形成纵旋转轴，即上下延伸的旋转轴。
第二浮体2具有俯视时配设于以第一浮体1为中心的正三角形的各顶点的圆柱状的浮体2a和将邻接的浮体2a彼此连结的臂部件2b。三根臂部件2b位于同一平面上。
支撑臂3具有这样的构造：具有第一部分3a和第二部分3b，第一部分3a是具有U型的两胯部3a′和从两胯部的基部延伸的轴部3a″的音叉形状部件，第二部分3b将两胯部3b′彼此碰触而将具有U型的两胯部3b′和从两胯部的基部延伸的轴部3b″的一对音叉形状部件一体化，第二部分3b的两轴部3b″转动自如地支撑于第一部分3a的两胯部3a′，该支撑臂3使第一部分3a的轴部3a″与臂部件2b正交，安装于臂部件2b的长度方向中央部。支撑臂3在包括三根臂部件2b的平面内向着第一浮体1的中心轴线L延伸。第一部分3a的轴部3a″以能够围绕该轴部的中心轴线转动的方式而且受到未图示弹簧的作用力而在既定的行程内从臂部件2b出没自如地安装于臂部件2b。在各臂部件2b安装有一个支撑臂3。
在各支撑臂3的第二部分3b，转动自如地安装有厚壁圆盘状的辊4。
辊4围绕圆盘的中心轴线X、围绕在圆盘的壁厚中心平面内与轴线X正交并向着第一浮体1的中心轴线L延伸的轴线Y并围绕在圆盘的壁厚中心平面内通过轴线X与轴线Y的交点且与前述两条轴线正交的轴线Z转动自如地由支撑臂3支撑。
三个辊4在俯视时沿周向每120度隔开间隔而包围第一浮体1，辊4的周侧面抵接于第一浮体1的周侧面。辊4的周侧面由对臂部件3的轴部3a″施力的前述未图示的弹簧按到第一浮体1的周侧面。
在辊4安装有发电机5。
自然能量取出装置A设置于水上。第二浮体2由未图示的锚及链或线材拴系而浮在水面，第一浮体1除了由辊4制约水平移动的点以外以自如状态浮在水面。辊4和发电机5比水面更位于上方。
在自然能量取出装置A中，第一浮体1的旋转传递至辊4，安装于辊4的发电机5被驱动而发电。第一浮体1的旋转动能变换为发电机5的驱动转矩，最终变换为电能而取出。
辊4不仅能够围绕作为中心轴线的轴线X转动，而且还能够围绕与轴线X正交的轴线Y、Z转动，因而以从旋转的第一浮体1受到的阻力变得最小的姿势抵接于第一浮体1。结果，如图1(d)所示，如果第一浮体1摆动而倾斜，则辊4围绕轴线Z转动，使轴线X与第一浮体1的中心轴线L平行地延伸，抵接于第一浮体1周侧面，且被第一浮体1旋转驱动。如果旋转中的第一浮体1接受波而上下运动，则辊4围绕轴线Y转动，如图1(e)所示向第一浮体1周侧面上的辊4抵接部的轨迹S的延伸方向指向周侧面，抵接于第一浮体1周侧面，被第一浮体1旋转驱动。
辊4如前所述被按到第一浮体1的周侧面，因而即使第一浮体1摆动而倾斜、上下运动或水平运动，也可靠地抵接于第一浮体1的周侧面，被第一浮体1旋转驱动。
由于相当于现有技术纵旋转轴的第一浮体1利用水的浮力来支撑，因而相当于现有技术浮体的第二浮体2不需要第一浮体1的支撑构造。由于第一浮体1能够摆动，因而相当于现有技术浮体的第二浮体2没有必要阻止第一浮体1的摆动。另外，辊4和发电机5配设于第一浮体1与第二浮体2之间的空隙。结果，相当于现有技术浮体的第二浮体2的构造与现有技术相比简化，第二浮体2和拴系装置与现有技术相比小型化，第二浮体2进而自然能量取出装置A的制造成本与现有技术相比降低。
通过配设多个辊4和发电机5，从而与配设单个大尺寸辊和大容量发电机的情况相比，辊4和发电机5小型化，辊4和发电机5的开发成本和制造成本降低。如果使辊4和发电机5的个数为4以上，则能够继续发电并同时保养或更换任一个辊4和发电机5。
如图2(a)所示，将向上方延伸的纵旋转轴风轮B的纵旋转轴B′固定于自然能量取出装置A的第一浮体1的上端，将第一浮体1的旋转动能变换为电能，由此得到风力发电装置C。由于第一浮体1拥有大惯性矩，因而能够吸收风速变动而使发电输出平均化，另外，由于陀螺仪效应而使纵旋转轴B′的方向稳定。
如图2(b)所示，将向下方延伸的纵旋转轴水轮D的纵旋转轴D′固定于自然能量取出装置A的第一浮体1的下端，将第一浮体1的旋转动能变换为电能，由此得到水流发电装置E。由于第一浮体1拥有大惯性矩，因而能够吸收水流速变动而使发电输出平均化，另外，由于陀螺仪效应而使纵旋转轴D′的方向稳定。
如图2(c)所示，在自然能量取出装置A中，经由发电机5和辊4而将电力变换为第一浮体1的旋转能量，由此得到能量贮存装置F。贮存于第一浮体1的动能在必要时能够作为电能取出。
能够将自然能量取出装置A设置于海、湖沼、河川等而构成风力发电装置、水流发电装置、能量贮存装置。
在上述实施例中，将第一浮体1的旋转动能变换为发电机5的驱动转矩，最终作为电能取出，但也可以不是将第一浮体1的旋转动能变换为电能，而是直接变换为泵、压缩机等的驱动转矩，或者也可以直接变换为另外设置的飞轮等能量储存装置的驱动转矩。
也可以是，在图2(a)的风力发电装置C中，如图3(a)所示从第一浮体1的下端悬挂重物6，或者在图2(b)的水流发电装置E中，如图3(b)所示从纵旋转轴水轮D的纵旋转轴D′的下端悬挂重物6。从第一浮体1悬挂重物6，或者从纵旋转轴D′悬挂重物6，由此强化相对于波浪或侧风或海流的第一浮体1进而风力发电装置C、水流发电装置E的复原力。也可以将重物6固定于第一浮体1的下端部或将重物6固定于纵旋转轴D′的下端部，代替从第一浮体1的下端悬挂重物6或从纵旋转轴D′的下端悬挂重物6。
在图2(a)的风力发电装置C中，如图4(a)所示，也可以在纵旋转轴风轮B的纵旋转轴B′或作为纵旋转轴风轮B的叶片的翼13安装避雷针7。打雷的电流从避雷针7通过纵旋转轴风轮B和第一浮体1而放出至水中，不流动于作为安装于第二浮体2的动力传递装置的辊4，进而不流动于作为被驱动设备的发电机5。结果，保护发电机5免受打雷。
在图2(a)的风力发电装置C中，也可以是，如图4(a)、(b)所示，配设容纳于第一浮体1并能够从第一浮体1的周侧面沿径向出没的制动体8，或者如图4(b)所示，配设安装于第一浮体1的周侧面并能够在沿着第一浮体1的周侧面延伸的闭合位置与从第一浮体1的周侧面向径向突出的打开位置之间摆动的制动体9。通过将制动体8、9设在第一浮体1，从而能够在事故发生时等使旋转中的第一浮体1紧急停止。
在图2(a)的风力发电装置C中，也可以构成为：在第一浮体1设置压载水收纳空间，在发电时将压载水注入第一浮体1而如图3(a)所示使第一浮体1直立。在纵旋转轴风轮B的保养检查时，排出第一浮体1的压载水并使第一浮体1浮起而横倒，在第一浮体1悬挂重物6的情况下，如图3(c)所示，放出悬挂用绳索而使重物6着地，并且排出第一浮体1的压载水且使第一浮体1浮起横倒，使纵旋转轴风轮B接近水面，能够使保养检查作业高效化。
如图5(a)、(b)所示，也可以由一对第一浮体1、固定于一对第一浮体1并向上方延伸的一对纵旋转轴风轮B、包围一对第一浮体1的第二浮体2、安装于第二浮体2并抵接于一对第一浮体1的一对三个辊4以及安装于各辊4的发电机5构成风力发电装置，对第二浮体2进行带有中间浮标的多点拴系。将连结第二浮体2与中间浮标10的两根拴系绳索11配设成：在俯视时，关于通过将一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′的前述一对第一浮体1之间的中间点而与第一直线X′正交的第二直线Y′线对称。
由于连结第二浮体2与中间浮标10的两根拴系绳索11配设成在俯视时关于通过连结一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′的前述一对第一浮体1之间的中间点而与第一直线X′正交的第二直线Y′线对称，因而在风力发电装置运转时，第二浮体2位于中间浮标10的下风，将前述一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′正对风，一对纵旋转轴风轮B沿彼此相反的方向旋转。结果，从一对第一浮体1传递至第二浮体2的转矩抵消，防止第二浮体2的旋转。另外，一对纵旋转轴风轮B由于马格努斯效应受到的横向力也彼此抵消。结果，使拴系容易化，拴系成本降低。
在拴系由单个纵旋转轴风轮B以及单个第一浮体1和第二浮体2构成的风力发电装置时，如图5(c)、(d)所示，期望将向径向外侧延伸的臂部件12固定于第二浮体2，使拴系绳索11从臂部件12向中间浮标10延伸，对第二浮体2进行带有中间浮标的一点拴系。通过设置臂部件12而使第二浮体2的旋转杠杆增加，从而能够为了消除从第一浮体1向第二浮体2传递的转矩而降低产生于拴系绳索11的张力。
在图2(a)的风力发电装置C中，如图6(a)所示，也可以使纵旋转轴风轮B为具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的长形翼13的升力型纵旋转轴风轮B1，对前述多个翼13维持周向的相对位置关系且围绕风轮纵旋转轴B1′扭转，将升力型纵旋转轴风轮B1作为螺旋风轮。如果对多个上下延伸的翼13维持周向的相对位置关系且围绕风轮纵旋转轴B1′扭转，则如图6(b)所示，在俯视时，各翼13从基部向着顶端围绕风轮纵旋转轴B1′沿周向延伸。结果，风轮旋转时的转矩变动降低。另外，在停止的风轮B1起动时，如图6(c)所示，多个翼13中任一个的一部分置于从翼后缘13a向着翼前缘13b的空气流中，在翼前缘13b侧产生漩涡而产生负压，产生起动转矩。结果，风轮B1的起动变得容易。
如图7(a)、(b)所示，也可以使纵旋转轴风轮为具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的长形翼13的升力型纵旋转轴风轮B1，能够使前述翼13在图7(a)所示的上端接近纵旋转轴B1′的第一位置与图7(b)、(c)所示的上端远离纵旋转轴B1′的第二位置之间摆动。可变地控制连结纵旋转轴B1′与翼13的线材14的长度而进行翼13的摆动。在强风时，将翼13定位于图7(a)所示的第一位置而保护翼13，在适当风时，将翼13定位于图7(b)所示的翼13适度摆动的第一阶段的第二位置而发电，在纵旋转轴风轮B1的保养检查时，将翼13定位于图7(c)所示的摆动大致90度的第二阶段的第二位置，使翼13接近水面而使保养检查作业容易化。
在以能够摆动的方式构成翼13的升力型纵旋转轴风轮B1中，如图7(d)所示，如果由具有三个以上回旋关节15的连杆机构16连结纵旋转轴B1′与翼13，则能够不仅从翼13的基部而且还从翼13的长度方向中间部经由纵旋转轴B1′将旋转转矩传递至第一浮体1。结果，翼13的耐久性提高。
在图2(b)的水流发电装置E中，也可以构成为：在第一浮体1和纵旋转轴水轮D的翼17设置压载水收纳空间，在发电时将压载水注入第一浮体1与翼17，如图3(b)所示使纵旋转轴水轮D直立。在纵旋转轴水轮D的保养检查时，排出第一浮体1和翼17的压载水并使翼17浮起而横倒，在从纵旋转轴水轮D悬挂重物6的情况下，如图3(d)所示，放出悬挂用的绳索而使重物6着地，并且排出第一浮体1和翼17的压载且使翼17浮起而横倒，使纵旋转轴水轮D接近水面，能够使保养检查作业容易化。
在图2(b)的水流发电装置E中，与图4(a)、(b)同样，也可以配设容纳于第一浮体1并能够从第一浮体的周侧面沿径向出没的制动体、或者安装于第一浮体1的周侧面并能够在沿着第一浮体1的周侧面延伸的闭合位置和从第一浮体1的周侧面向径向突出的打开位置之间摆动的制动体。通过将制动体设于第一浮体1，从而能够在事故发生时等使旋转中的第一浮体1紧急停止。
也可以由一对第一浮体1、固定于一对第一浮体1并向下方延伸的一对纵旋转轴水轮D、包围一对第一浮体1的第二浮体2、安装于第二浮体2并抵接于一对第一浮体1的一对三个辊4以及安装于各辊4的发电机5构成水流发电装置，对第二浮体2进行带有中间浮标的多点拴系。与图5(b)同样，将连接第二浮体2与中间浮标10的拴系绳索11配设成：在俯视时，关于通过将一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′的前述一对第一浮体1之间的中间点而与第一直线X′正交的第二直线Y′线对称。
由于连结第二浮体2与中间浮标10的拴系绳索11配设成在俯视时关于通过将一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′的前述一对第一浮体1之间的中间点而与第一直线X′正交的第二直线Y′线对称，因而在水流发电装置E运转时，第二浮体2位于中间浮标10的下游侧，将前述一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′正对水流，一对纵旋转轴水轮D沿彼此相反的方向旋转。结果，从一对第一浮体1传递至第二浮体2的转矩抵消，防止第二浮体2的旋转。另外，一对纵旋转轴水轮D由于马格努斯效应受到的横向力也彼此抵消。结果，使拴系容易化，拴系成本降低。
在拴系由单个纵旋转轴水轮D以及单个第一浮体1和第二浮体2构成的水流发电装置时，与图5(d)同样，期望将向径向外侧延伸的臂部件12固定于第二浮体2，使拴系绳索11从臂部件12向中间浮标10延伸，对第二浮体2进行带有中间浮标的一点拴系。通过设置臂部件12而使第二浮体2的旋转杠杆增加，从而能够为了消除从第一浮体1向第二浮体2传递的转矩而降低产生于拴系绳索11的张力。
在图2(b)的水流发电装置E中，与图6(a)同样，也可以使纵旋转轴水轮D为具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的长形翼的升力型纵旋转轴水轮，对前述多个翼维持周向的相对位置关系，且围绕水轮纵旋转轴扭转，将升力型纵旋转轴水轮作为螺旋水轮。如果对多个上下延伸的翼维持周向的相对位置关系且围绕水轮纵旋转轴扭转，则与图6(b)同样，在俯视时，各翼从基部向着顶端围绕水轮纵旋转轴沿周向延伸。结果，水轮旋转时的转矩变动降低。另外，在停止的水轮起动时，与图6(c)同样，多个翼中任一个的一部分置于从翼后缘向着翼前缘的水流中，在翼前缘侧产生漩涡而产生负压，产生起动转矩。结果，水轮的起动变得容易。
在图3(a)、图4(a)、图5(a)、图5(c)、图6(a)的风力发电装置中，杆18从纵旋转轴B′、B1′沿径向延伸且连结至作为纵旋转轴风轮B、B1的叶片的长形翼13并支撑翼13，为了使该杆18的空气阻力降低，期望将翼型截面的罩安装于杆18。
由于在专利文献1的海上风力能量取出装置中，纵旋转轴大致铅垂地延伸，因而即使将翼型截面的罩安装在连结纵旋转轴与叶片的杆，罩也相对于相对空气流不拥有迎角，不产生升力。可是，在图3(a)、图4(a)、图5(a)、图5(c)、图6(a)的风力发电装置中，如从图3(a)得知，由于在风力发电装置运转时，纵旋转轴风轮B、B1倾斜至下风侧，因而如图8(a)所示，安装于杆18的翼型截面的罩20相对于相对空气流拥有迎角，使升力产生，并且还使翼端部产生感应阻力。因此，有必要考虑升力和感应阻力对纵旋转轴风轮B、B1的转矩造成的影响。
如图8(b)所示，由于升力向罩20的前缘方向倾斜，因而有助于纵旋转轴风轮B、B1的转矩。由于如果增大罩20的展弦比，则感应阻力变小，升力阻力比变大，因而固定于杆18的罩20有助于纵旋转轴风轮B、B1的转矩产生。
在罩20的展弦比小的情况下，由于感应阻力变大且升力阻力比变小，因而罩20成为对抗纵旋转轴风轮B、B1的转矩产生的阻力。在这种情况下，如图9(a)、(b)所示，期望使罩20围绕杆18的长度轴线转动自如，罩20相对于相对空气流不拥有迎角，抑制罩20导致的升力产生，进而抑制感应阻力产生。此外，有必要在罩20的前缘内部或前缘外部设置平衡重物21。
在罩20的展弦比小的情况下，如图9(c)、(d)所示，也可以使弦长方向中央部固定于杆18的罩20的后缘部20a围绕与杆18的长度轴线平行地延伸的轴线转动自如，后缘部20a相对于相对空气流不拥有迎角，抑制后缘部20a处的升力产生，进而抑制感应阻力产生，使产生于罩20的感应阻力降低。此外，有必要在罩后缘部20a的前缘部设置平衡重物22。
在图3(b)的水流发电装置中，与前述的风力发电装置同样，杆19从纵旋转轴D′沿径向延伸并连结至作为纵旋转轴水轮D的叶片的长形翼17且支撑翼17，为了使该杆19的流体阻力降低，期望在杆19安装翼型截面的罩。
如从图3(b)得知，由于在水流发电装置运转时纵旋转轴水轮D向下游侧倾斜，因而与前述的风力发电装置同样，也可以增大固定于杆19的罩的展弦比，使产生于罩的升力有助于纵旋转轴水轮的转矩，在罩的展弦比小的情况下，将罩转动自如地安装于杆19的长度轴线而抑制罩导致的升力产生，进而抑制感应阻力产生，或者使固定于杆的罩的后缘部围绕与杆的长度轴线平行地延伸的轴线转动自如，抑制后缘部处的升力产生，进而抑制感应阻力产生，使产生于罩的感应阻力降低。在这种情况下，也有必要在罩的前缘部设置与平衡重物21同样的重物，另外在罩后缘部的前缘部设置与平衡重物22同样的重物。
在图2(c)的能量贮存装置F中，与图5(b)同样，也可以由一对第一浮体1、包围一对第一浮体1的第二浮体2、安装于第二浮体2并抵接于一对第一浮体1的一对三个辊4以及安装于各辊4的发电机5构成能量贮存装置F，对第二浮体2进行带有中间浮标的多点拴系。将连接第二浮体2与中间浮标10的两根拴系绳索11配设成：在俯视时，关于通过将一对第一浮体1的旋转轴线连结的第一直线X′的前述一对第一浮体1之间的中间点而与第一直线X′正交的第二直线Y线对称。
如果在能量贮存装置F运转时，使一对第一浮体1向彼此相反的方向旋转，则从电动机或发电机传递至第二浮体2的转矩抵消，防止第二浮体2的旋转。结果，使拴系容易化，拴系成本降低。
本发明中使用的纵旋转轴风轮、纵旋转轴水轮不限定于特定型式的装置。能够使用大流士(Darius)型、垂直轴风力机(gyromill)型、萨沃纽斯(Savonius)型、交叉流(cross-flow)型等各种型式的装置。
产业上的可利用性
本发明能够广泛利用于设置在水上的发电装置、能量贮存装置、被驱动设备的驱动装置等。
符号说明
A自然能量取出装置
B、B1纵旋转轴风轮
B′、B1′纵旋转轴
C风力发电装置
D纵旋转轴水轮
D′纵旋转轴
E水流发电装置
F能量贮存装置
X中心轴线
Y、Z轴线
X′第一直线
Y′第二直线
1第一浮体
2第二浮体
2a浮体
2b臂部件
3支撑臂
4辊
5发电机
6重物
7避雷针
8、9制动体
10中间浮标
11拴系绳索
12臂部件
13、17翼
14线材
15回旋关节
16连杆机构
18、19杆
20罩
20a后缘部
21、22平衡重物。

Claims (23)

1.一种自然能量取出装置，其特征在于，具备形成被风或水流旋转驱动的能够摆动的纵旋转轴的第一浮体、被拴系并包围第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，设置于水上。
2.一种风力发电装置，其特征在于，具备根据权利要求1所述的自然能量取出装置和固定于该装置的第一浮体并向上方延伸的纵旋转轴风轮，被驱动设备是发电机。
3.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，配设有多个动力传递装置和发电机。
4.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，具备固定于第一浮体的下端部或从第一浮体的下端悬挂的重物。
5.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，具备安装于纵旋转轴风轮的避雷针。
6.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，具备容纳于第一浮体并能够从第一浮体的周侧面沿径向出没的制动体、或者安装于第一浮体的周侧面并能够在沿着第一浮体的周侧面延伸的闭合位置与从第一浮体的周侧面向径向突出的打开位置之间摆动的制动体。
7.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，第一浮体具备压载水收纳空间，在发电时将压载水注入第一浮体。
8.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，具备一对第一浮体、固定于所述一对第一浮体并向上方延伸的一对纵旋转轴风轮、被拴系并包围所述一对第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将所述一对第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，对第二浮体进行带有中间浮标的多点拴系，将连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成：在俯视时，关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称。
9.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，纵旋转轴风轮是具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的翼的升力型纵旋转轴风轮，所述多个翼维持周向的相对位置关系且围绕风轮纵旋转轴扭转。
10.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，纵旋转轴风轮是具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的翼的升力型纵旋转轴风轮，所述翼能够在上端接近风轮纵旋转轴的第一位置与上端远离风轮纵旋转轴的第二位置之间摆动。
11.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，纵旋转轴风轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩固定于杆。
12.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，纵旋转轴风轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩安装于杆，所述罩的整体能够围绕杆的长度轴线转动，或者所述罩的后缘部能够围绕与杆的长度轴线平行的轴线转动。
13.一种水流发电装置，其特征在于，具备根据权利要求1所述的自然能量取出装置和固定于该装置的第一浮体并向下方延伸的纵旋转轴水轮，被驱动设备是发电机。
14.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，配设有多个动力传递装置和发电机。
15.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，具备固定于纵旋转轴水轮的纵旋转轴的下端部或从纵旋转轴的下端悬挂的重物。
16.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，具备容纳于第一浮体并能够从第一浮体的周侧面沿径向出没的制动体、或者安装于第一浮体的周侧面并能够在沿着第一浮体的周侧面延伸的闭合位置与从第一浮体的周侧面向径向突出的打开位置之间摆动的制动体。
17.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，第一浮体和纵旋转轴水轮具备压载水收纳空间，在发电时将压载水注入第一浮体和纵旋转轴水轮。
18.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，具备一对第一浮体、固定于所述一对第一浮体并向下方延伸的一对纵旋转轴水轮、被拴系并包围所述一对第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将所述一对第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，对第二浮体进行带有中间浮标的多点拴系，将连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成：在俯视时，关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称。
19.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，纵旋转轴水轮是具有沿周向彼此隔开间隔配设的多个上下延伸的翼的升力型纵旋转轴水轮，所述多个翼维持周向的相对位置关系且围绕水轮纵旋转轴扭转。
20.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，纵旋转轴水轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩固定于杆。
21.根据权利要求13所述的水流发电装置，其特征在于，纵旋转轴水轮具备从纵旋转轴沿径向延伸且连结至叶片并支撑叶片的杆，翼型截面的罩安装于杆，所述罩的整体能够围绕杆的长度轴线转动，或者所述罩的后缘部能够围绕与杆的长度轴线平行的轴线转动。
22.一种能量贮存装置，其特征在于，具备形成能够摆动的纵旋转轴的第一浮体、被拴系并包围第一浮体的第二浮体、以及安装于第二浮体并将第一浮体的旋转动能变换为被驱动设备的驱动转矩的动力传递装置，设置于水上，被驱动设备是发电机，将供给至发电机的电力变换为第一浮体的旋转能量并贮存于第一浮体。
23.根据权利要求22所述的能量贮存装置，其特征在于，具备一对第一浮体和被拴系并包围所述一对第一浮体的第二浮体，对第二浮体进行带有中间浮标的多点拴系，将连结第二浮体与中间浮标的拴系绳索配设成：在俯视时，关于通过将所述一对第一浮体的旋转轴线连结的第一直线的所述一对第一浮体之间的中间点而与第一直线正交的第二直线线对称。
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