JP2005120959A

JP2005120959A - 複合発電システム

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Publication number: JP2005120959A
Application number: JP2003358656A
Authority: JP
Inventors: Takashi Uchida; 内田隆志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】海洋上等の複合した運動エネルギーを電力に変換するシステムを実現する。
【解決手段】海流・潮流・波浪・洋上風あるいは河川流・川風中に矩形状の風車、水車を配置した浮体構造物を設置することにより風力発電、水力発電を同時に行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、海流、潮流、波浪、洋上風あるいは河川流、川風のエネルギーを電力に変換する風・水力複合発電システムに関する。

従来、海洋発電の考え方は、潮流、海流、波浪、洋上風を個別に扱っている。また、河川流と川風も同様である。しかしながら、現実にはこれらが複合あるいは同時に存在しているので、設備効率を高めるために複合したエネルギー変換システムが有効である。また、従来の風車・水車は静止し、媒体（風、水）が流入してくることを前提としているが、風車・水車自体が移動運動して媒体と相対運動することによっても風車・水車として機能させることができる。共振現象を利用して風車あるいは水車の大気あるいは海水等流水に対する相対運動を強めれば発電量を増す事ができる。

潮流、海流、波浪、洋上風、あるいは河川流、川風のエネルギーを複合的に電力に変換するシステムを考案する。

以下では、主として海洋上での複合発電システムについて記述するが、河川流、川風の複合発電も同様である。
海洋の運動エネルギーは一方向運動エネルギーと往復運動エネルギーに分類できる。潮流、海流、洋上風は前者であり波浪は後者である。風車、水車を複数個浮体構造物上に設置して両運動エネルギーを電力に変換する。河川流、川風は筏等プラットフォームに水車および風車を併設し両者のエネルギーを電力に変換する。

従来は風力、波力等の自然エネルギーを単独、個別に電力に変換していた。本考案により、一つのシステムで多種の自然エネルギーを電力に変換できるため、従来以上に経済性の高い自然エネルギー利用が可能になる。

複合して存在する海洋運動エネルギー等を新風車、新水車を用いて電力に変換するシステムを実現した。

図１は本発明の実施例である。新風車１および新水車２を海洋風および海水の流れ方向に正対して浮体構造物５に設置する。新風車３および新水車４は５の上下運動方向に正対して設置する。１，２は流れのエネルギーを吸収し、３，４は波動のエネルギーを吸収する。海流、潮流、波浪、洋上風の各エネルギーは１，２，３，４を駆動し、さらに発電機に伝達して電力に変換される。発電機は各新風車、新水車に個別に取り付けるか、５に設置された発電機にベルトあるいはチェーン等により伝達する。4の設置に関し、海水の波動は波長に応じた水深でほぼ無くなるので４はこの水深より深いところにあるように設置する。
また、３、４はブレード６のピッチ角制御により運動の方向が逆になっても回転方向を一定に保持できる。新風車、新水車は必要に応じ複数台を設置する。特願２００２−０７１２７０では新水車あるいは新風車の回転軸は垂直配置としている。これにより、横方向に大きな横型新水車あるいは横型新風車が可能であるがブレードあるいはブレード駆動索等の重量を支持する機構が必要となり、支持機構での摩擦等によるエネルギーロスが生じやすい。これに対し、回転軸を水平配置とすることにより、縦方向に大きな縦型新水車あるいは縦型新風車が可能になる。縦型のものは、ブレードやブレード駆動索等の重量は回転軸中心に振り分けて互いに引合いの状態になるので横型のような重量支持機構は不要となる。

風向変化に対し、新風車１は６のピッチ角を風向に適した方向に制御することで回転を持続する事ができる。また、新風車１をターンテーブル上に設置することにより、あるいは新風車１を５への取りつけ支柱周りに回転自在に設置し風車全体を風向に正対するように方向制御することにより任意方向の風向に対処できる。図２は風向変化への対処の別の一実施例である。新風車７は４本の回転軸８を有している。したがって、四方からの風に対処することが出来る。この場合、風向に平行部分は片側は追い風、他方は迎え風となるが、迎え風部分のブレード迎え角をほぼゼロにし、追い風部分ではピッチ角を風に対して90度近くに設定すれば、全体の回転トルクを増やすことができる。回転軸は２本以上任意に設定可能であり、軸数は必要に応じ選定される。その際のピッチ角は上記の軸数4の場合を一例とし、軸数に応じかつ風況に応じて設定される。また、図２の５の替わりに４本の各軸個別の浮体を設置することにより全体構造をコンパクトにできる。図２のような配置は、支柱上に大きなプロペラや重い発電機を装備する従来の風車装置の力学的不安定さを避けられるため、海上に浮かべておくことが容易である。なお、図２のような配置は建築物の屋上等への設置にも適している。

図３は共振現象を利用して新風車と大気との相対運動を強める一実施例である。５の上下運動を加振源とし、加振源固有振動数と新風車系の固有振動数を合わせることにより新風車を共振運動させる。発電機は新風車に直接取り付けてもよい。新水車に関しても同様である。なお、既存の波浪発電に見られる浮体構造物の上下動をクランクやリンクを介して直接発電機を回す系統を並置すれば複合発電システムの能力はさらに高まる。

図４は端板翼１０を装備したブレード６を示す。１０は６の性能向上効果と、さらに１０の揚力によりブレードの重量を減殺する効果があり、新風車あるいは新水車の性能向上、さらに請求項１のシステム効率を向上する。図4では１０をフ゛レート゛に付けているが、１０を新風車あるいは新水車の駆動用チェーンにつけてもよい。

風あるいは海流等の流速が変動しても新風車あるいは新水車の回転数を一定に保持するために、回転数の増減に応じてピッチ角を減増する調速器１１を装備することにより、特願2002-071270の電気的ピッチ角制御方法を機械的方法に代替できる。電気系統の故障によるピッチ角制御が不能の場合でも確実にピッチ角制御ができるため、例えば暴風時等に回転数超過による装置破壊等を防止することができる。調速器は既存の方法を利用できる。図５に一例を示す。駆動軸（回転軸８）に連結された軸の回転に応じ錘１２の遠心力によりアーム１３が上下し、１３の上下に応じて軸変換ギア１４も上下する。１４の上下により軸変換ギア１５をかいして軸変換ギア１６に回転が伝わる。１４の上下に応じ１６の回転方向が逆転する。

新風車あるいは新水車はブレード６のピッチ角設定を、ガイド溝を滑動するハンドルにより行うが、ブレード軸にアクチュエータを設置することにより各ブレードのピッチ角制御を個別に行うことが出来る。これにより、システムの大型化により、たとえば風速に局所的分布がある場合などもその場所に適したピッチ角設定ができるためシステムの効率を高められる。図６はその実施例である。アクチュエータとしては例えば電動アクチュエータを使用する場合、ブレード位置決め用ガイド板１９に通電された電力を電源として利用することが出来る。ブレードに取り付けられた風速計、風向計からの出力を電動アクチュエータに入力し、最適な迎角（あらかじめ制御データとして設定）となるようにアクチュエータでブレード軸を回転する。

ピッチ角を各場所ごとで異なった角度に設定する場合、特に回転軸が3本以上になると新風車あるいは新水車のブレード６が回転軸８回りを回転移動するとき、ピッチ角設定用ガイド溝は、特願２００２−０７１２７０の図１０のようなテレスコピックな構造ではガイド溝の変形が複雑になる。３軸以上の場合は、特願２００２−０７１２７０請求項７のブレードのピッチ角を制御するハンドルを結合索で連結し結合索の位置制御でブレードのピッチ角制御を行う方法が適している。この方法では、回転軸８周りをブレードが回転移動するとき、ピッチ角を制御するハンドル結合索２４の回転中心は回転軸８とはピッチ角の取りように応じて回転軸８に垂直な面内で一方向を含む任意方向に変心する必要がある。その対処の一方法として図７の回転中心の変位を許すスプロケットを装置する。スプロケットは回転軸８に非回転的に接続される内筒部分２１とベアリング等回転体２２を挟んで回転する外筒部２３からなる。内筒部分２１は回転軸８とばね等の弾性体２０で結合されており、ピッチ角の変更に応じピッチ角を制御するハンドル結合索２４が外筒２３に任意方向の力を加えるが、その力に応じ弾性体２０の伸縮によりスプロケット全体の中心は変位しつつハンドル結合索２４の回転移動を外筒２３の回転で受け２３と２４との間に摺動摩擦を生じることなく各場所ごとで任意のピッチ角を設定することができる。なお、回転中心の変位を許すスプロケットは特願平８−２３４７３５に記載の全ての装置にも適用できる。

河川流、海流には塵埃がある。これらが水車に絡まらないようにする必要がある。そのために、水車の上流で塵埃を除去する装置を設置する。
図８はその実施例である。流れてくる塵埃は、流れを横切って動くレーク２５により取り払われ水車２６の方へ流れることはない。レークは縦型水車２７により駆動される。図９は縦型水車の細部を示す。ブレード２８はヒンジ２９に取り付けられている。２９はヒンジ軸３０に対し、時計周りに回転ができる。２８はカバー３１から出て流れに当るとその水力により回転軸３２周りに回転トルクを発生するが、３１内に入るとヒンジ軸周りに回転して折りたたまれた状態になり回転を妨げるトルクを小さくする。あるいは、２８は３０周りに回らないように固定してあっても機能するが、この場合、カバーの下流端３３を適度に長くして流れを受けて３１内に川の流れとは逆方向の流れを作る配置にすると３１内のブレードは逆流のない場合より２７の回転トルクを大きくする。２９の３０回りの回転方向を逆にするか、２８が３０回りに回らないように固定されている場合、３１を３２まわりに１８０度回転して設置すれば２７の回転方向を逆転することができる。

本発明のシステムにより海洋等の持つ全種運動エネルギーを電力に変換することができ、膨大、クリーン、再生可能なエネルギーを入手することが可能になり、現在言われる地球環境問題やエネルギー枯渇問題は杞憂となる。さらに、海洋エネルギーは地球上に広く存在するため火石燃料のような偏在にもとづく国際問題を大きく緩和できる。得られた電力は陸上へ送電するか、海水の電気分解により水素に変換してエネルギーの保存あるいは輸送を容易にする。さらに、水素を燃料とする船舶等への洋上燃料供給ステーションや浮体構造物の一部を洋上空港とすることにより航空機への水素燃料補給基地の構成が可能である。

洋上複合発電システムの実施例を示す。（実施例１）四角配置の新風車の実施例を示す。（実施例２）共振現象を利用した新風車の実施例を示す。（実施例３）端板翼を装備したブレード例を示す。（実施例４）調速器の例を示す。（実施例５）ピッチ角制御用アクチュエータ装備の例を示す。（実施例６）回転中心の変位を許すスプロケットの例を示す。(実施例７) 縦型水車を用いた除塵装置の例を示す。（実施例８）縦型水車の構造を示す。（実施例９）

符号の説明

１新風車
２新水車
３新風車
４新水車
５浮体構造物
６ブレード
７四角配置新風車
８回転軸
９ばね
１０端板翼
１１調速器
１２錘
１３アーム
１４１５１６マイタギア
１７アクチュエータ
１８ブレード軸受け
１９ブレード位置決め用ガイド板(変型抑制板)
２０ばね等弾性体
２１内筒
２２ベアリング等回転体
２３外筒
２４ピッチ角を制御するハンドル結合索
２５除塵レーク
２６新水車
２７縦型水車
２８縦型水車ブレード
２９ブレードヒンジ
３０ヒンジ軸
３１縦型水車カバー
３２縦型水車回転軸
３３縦型水車カバー下流端

Claims

特願平８−２３４７３５、特願２００２−０７１２７０の風車あるいは水車を以下で新風車、新水車と呼ぶ。海上、河川上等水上に設置された浮体構造物で新水車、新風車を用い、海流、潮流、波浪、洋上風あるいは河川流、川風の運動エネルギーを複合的に電力に変換するシステム。
回転軸を水平に設置した新水車あるいは新風車およびこれらを装備した請求項１のシステム。
回転軸３本以上の新風車、新水車およびこれらを装備した請求項１のシステム。
共振運動可能な構造の新水車あるいは新風車およびこれらを装備した請求項１のシステム。
端板翼を装備したブレードを用いた新水車あるいは新風車およびこれらを装備した請求項１のシステム。
ブレードピッチ角制御に調速器を設置した新風車あるいは新水車を装備した請求項１のシステム。
ピッチ角制御用アクチュエータを装備したブレードを用いた新風車あるいは新水車およびこれらを装備した請求項１のシステム。
回転中心の変位を許すスプロケットを装備した新風車、新水車およびこれらを装備した請求項１のシステム。
漂流、流下してくる塵埃を縦型水車の回転力を動力として除去する装置およびこの装置を装備した請求項１のシステム。