JP2007009833A - 海流発電装置および海底設置型海流発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電用の翼体が設けられた海流導管内に円滑に所望の海流を形成することができ、よって高い発電性能を得ることができる海流発電装置およびこれを組み込んだ海底設置型海流発電設備を提供する。
【解決手段】 上記海流発電装置は、両端に海流の流入口２４と流出口２５が形成された筒状の第１の海流導管３０と、この第１の海流導管３０内に設けられ、両端に形成された海流の流入口３２および流出口３３がそれぞれ第１の海流導管３０の内部に位置する筒状の第２の海流導管３１と、この第２の海流導管３１内に回転自在に設けられ、上記海流によって回転する翼体３５と、この翼体の回転によって発電する発電装置３６とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、海流のエネルギーを利用して発電を行う海流発電装置およびこれを組み込んで海底に設置される海流発電設備に関するものである。

近年、世界規模でのエネルギー需要の急速な増大に伴い、これまでもっぱら依存していた石油やＬＮＧ等の化石燃料や原子力等のエネルギー源の代替あるいは新たに加えるエネルギー源として、枯渇や公害の虞のない自然エネルギーを利用しようとする様々な研究開発が積極的に進められている。

このような自然エネルギーとしては、太陽光、潮流、風力等が利用可能であるが、いずれも時間や季節によって変動するという欠点を有している。これに対して、特に我が国においては、面積が小さい反面、周囲が海に囲まれているために、時間や季節に関係なく、しかも無限であってエネルギー密度の高い海流を利用した発電が可能となれば、有力なエネルギー源として活用することが可能になる。

図５は、下記特許文献１において提案されている海流を利用した海流発電潜水船を示すものである。
この海流発電潜水船は、流速と流向が安定している海流に、流れに直面する導管Ａと発電機Ｃを持つ浮体Ｂを、船首から係留索９と錨１０によって所定の深さに係留したものであり、導管Ａに流れる海流エネルギーを水車６と発電機Ｃによって電気エネルギーに変換し、海底送電線７で陸地に送電するようにしたものである。

ここで、浮体Ｂは、その船首全面が取水口１とされ、水車６が装着される取水口１と船尾の排水口２とを結ぶ導管Ａのほぼ中央の海流に垂直な断面積は、取水口１の同断面積の数十分の一に圧縮した円形に形成されている。この結果、水車６の位置の海水の流速は取水口１の海流の流速の数十倍に加速されるために、海流エネルギーを活用して、大容量の電力を得ることができるとされている。
特開平７−２５９０６４号公報

しかしながら、上記従来の海洋発電潜水船にあっては、導管Ａの中央における断面積を、取水口１の断面積の数十分の一に圧縮しているために、理論上は水車６の取付部における海流の速度が数十倍に加速されることになるが、実際には、発電機Ｃによる水車６の回転負荷抵抗や、導管Ａ内における流路抵抗によって、導管Ａ内における海流の流量が浮体Ｂの周囲よりも遙かに小さくなってしまう。

この結果、両者間の海水流量の差に起因して、浮体Ｂには、海流方向にその断面積に比例する大きな押圧力が作用し、このため、特に発電に適した流速の高い海流にあっては、係留索９によって浮体６を定位置に保持しておくことが困難になるという問題点がある。
さらに、万一水車６が回転不能に陥ったような際には、浮体Ｂの全断面積に対して、海流が圧力として作用するために、係留索９が切断される虞もある。

また、浮体Ｂを係留索９によって所定の深さに浮遊状態で係留しているために、その姿勢を安定的に保持させることが難しいという問題点もある。
加えて、１基の水車６および発電機Ｃによって大容量の電力を得ようとするものであるために、故障やメンテナンスを考慮すると、連続して所望の電力を得ることが難しいという欠点もある。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電用の翼体が設けられた海流導管内に円滑に所望の海流を形成することができ、よって高い発電性能を得ることができる海流発電装置、およびこれを組み込んだ据え付け性および操業安定性に優れる海底設置型海流発電設備を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明に係る海流発電装置は、両端に海流の流入口と流出口が形成された筒状の第１の海流導管と、この第１の海流導管内に設けられ、両端に形成された海流の流入口および流出口がそれぞれ上記第１の海流導管の内部に位置する筒状の第２の海流導管と、この第２の海流導管内に回転自在に設けられ、上記海流によって回転する翼体と、この翼体の回転によって発電する発電装置とを備えてなることを特徴とするものである。

ここで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記第１の海流導管および／または第２の海流導管は、少なくともその両端部が上記流入口または流出口に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパー状に形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の本発明に係る回転設置型海流発電設備は、曳航可能な浮力を有する構造体に、請求項１または２に記載の海流発電装置が組み込まれるとともに、上記構造体には、当該構造体を海底に着底させるに十分な容量の海水を貯水可能なバラストタンクと、このバラストタンクに上記海水を流入させる貯水手段とが設けられていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の構造体に、複数基の請求項１または２に記載の海流発電装置が並列的に組み込まれていることを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の海流発電装置およびこれを組み込んだ請求項３または４に記載の海底設置型海流発電設備においては、発電を行う海流発電装置が、両端に海流の流入口と流出口が形成された筒状の第１の海流導管内に、この第１の海流導管よりも長さの短い第２の海流導管を設けた２重管構造とし、この第２の海流導管内に発電を行うための翼体を回転自在に設けているので、流入口から第１の海流導管内に導かれた海流は、第２の海流導管内への流れと、その外方の第１の海流導管と第２の海流導管との間の流れとに分流される。

次いで、第２の海流導管内に流入した海流によって、翼体が回転し、発電装置によって発電が行われる。そして、翼体を回転させることによりエネルギーが減少した海流は、その流速を落として第２の海流導管内を流出口に向けて流れ、第１および第２の海流導管間を流れた海流と合流する。

この際に、第１および第２の海流導管間を流れる海流は、エネルギーを減じることなく、流入時の流速とほぼ等しい流速で流れるために、第２の海流導管内の海水は、いわゆるエジェクター効果により第１および第２の海流導管間を流れる海流によって吸引される。
この結果、第２の海流導管内の海水の流れが促進されて発電効率が向上する。

また、第２の海流導管へと流入する海流と、第１および第２の海流導管間へと流入する海流との圧力は略等しいために、万一第２の海流導管側への流入抵抗が高くなった場合においても、海流がその外周側の第１および第２の海流導管間へと迂回流入するために、装置全体に海流方向へ過度の押圧力が作用することがない。

さらに、請求項２に記載の発明によれば、第１の海流導管および／または第２の海流導管の少なくとも両端部を、流入口または流出口に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパー状に形成しているので、第２の海流導管内に流入する海流の速度を高めて大きな発電容量を得ることができる。したがって、上記第１の海流導管および第２の海流導管共に、それらの少なくとも両端部を、流入口または流出口に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパー状に形成すれば、一層大きな発電容量を得ることが可能になって好適である。

また、請求項３または４に記載の海底設置型海流発電設備によれば、構造体を曳航して所望の海域まで搬送した後に、貯水手段によってバラストタンク内に海水を注入することにより、海底に着底させて使用することができる。このため、上記海流発電装置が、２重管構造とした結果、海流側から過度の押圧力を受けないことと相俟って、安定的な発電を行うことができる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、上記構造体に、複数基の請求項１または２に記載の海流発電装置を並列的に組み込んでいるために、仮に１基または数基の発電装置が損傷を受けた場合にも、得られる電力は低下するものの、継続的な電力供給を行うことが可能になる。また、メンテナンス時においても、順次上記海流発電装置を停止させることにより、必要な電力供給に支承を招くことがない。

図１〜図４は、本発明に係る海流発電装置およびこれを組み込んだ海底設置型海流発電設備の一実施形態を示すもので、図中符号２０が構造体である。
この構造体２０は、底板２１と天板２２とが一対の側板２３によって一体化された外観略筒状のもので、長手方向の両端に開口部が形成されている。そして、一方の開口部に、海流の流入口２４が形成されるとともに、他方の開口部に、海流の流出口２５が形成されている。

また、この構造体２０の内部には、断面積が流入口２４および流出口２５の面積よりも小さい角筒状の据付枠２６が配設されている。そして、構造体２０の底板２１、天板２２および側板２３と、対向する据付枠２６の底板、天板および側板との間が、傾斜板状の内壁板２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって塞がれることにより、構造体２０の上下部および側部には、それぞれバラストタンク２７が形成されている。

なお、バラストタンク２７は、空の状態で構造体２０に曳航可能な浮力を与えるとともに、内部に海水を貯水した際に、当該構造体２０を海底４０に着底させるに十分な容量に設定されている。

これにより、流入口２４から取付枠２６の一端開口側に向けて漸次内法寸法が小さくなる海流の流入路２８が形成されるとともに、さらに取付枠２８の他端開口側から流出口２５に向けて漸次内法寸法が大きくなる海流の流出路２９が形成されている。
また、構造体２０の天板２２の四角隅部には、それぞれバラストタンク２７内を開閉する開閉弁（貯水手段）３４ａが設けられるとともに、側板２３の下部角隅部にも、同様の開閉弁（貯水手段）３４ｂが取り付けられている。

他方、取付枠２６内は、水平方向中央部に設けられた１枚の隔壁２６ａおよび上下方向に設けられた４枚の隔壁２６ｂによって合計１０の海流導管（第１の海流導管）３０が区画形成されている。なお、中央部の隔壁２６ａは、さらに流入口２４および流出口２６に向けて延出されることにより、流入路２８および流出路２９の約１／２を仕切るように形成されている。

そして、各海流導管３０内には、当該海流導管３０と２重管構造となる海流導管（第２の海流導管）３１が設けられている。この海流導管３１は、外側の海流導管３０よりも長さ寸法が小さい角管状に形成されており、これにより両端に海流の流入口３２と流出口３３とが形成されるとともに、両端部３１ａがそれぞれ流入口３２または流出口３３に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパー状に形成されている。

そして、各々の海流導管３１における流入口３２および流出口３３の間の中央部に、軸流水車（翼体）３５が回転自在に取り付けられるとともに、この軸流水車３５の回転軸と一体化された発電機（発電装置）３６が設けられている。これにより、構造体２０内の内壁板２０ａ、２０ｂによって形成される海流の流入路２８および流出路２９と、取付枠２６によって画成された海流導管３０と、各海流導管３０内に設けられた海流導管３１と、この海流導管３１内に設けられた軸流水車３５および発電機３６によって、海流発電装置が構成されている。

なお、図中符号３７は、構造体２０の底板２１に長手方向に突設されて、海底４０の砂地内に食い込む係留板であり、符号３８は、構造体２０の天板２２の４隅に一端が固定され、他端に係留用の錨３９が取り付けられた錨鎖である。

以上の構成からなる海流発電装置が組み込まれた海底設置型海流発電設備においては、バラストタンク２７をほぼ空の状態で、別途タグボート等によって、例えば津軽海峡等の常時流速の高い海流が得られる海域に曳航する。次いで、据付海域において、構造体２０の海水の流入口２４を海流の流れ方向に対向させた状態で、開閉弁３４ａ、３４ｂを開くことによりバラストタンク２７内に海水を流入させ、海底４０に着底させる。すると、係留板３７が海底４０の砂地に食い込んで当該海底４０に姿勢保持されるとともに、さらに錨鎖３８を引き延ばして投錨する。

このようにして海底４０に据え付けられた海底設置型海流発電設備によれば、海流が構造体２０の流入口２４から流入路２８内へと流れ込み、流速を増しながら据付枠２６によって仕切られた各々の海流発電設備における海流導管３０内へと流入する。そして、各海流発電設備においては、海流導管３０内にさらに海流導管３１を設けた２重管構造としているために、海流導管３０内に流入した海流は、流入口３２から海流導管３１内への流れと、その外方の海流導管３１と据付枠２６との間の海流導管３０への流れとに分流される。

次いで、海流導管３１内に流入した海流によって、軸流水車３５が回転し、その回転軸に一体化された発電機３６によって発電が行われる。そして、得られた電力は、発電機３６から図示されない電線によって構造体２０の天板２２上に集電され、さらに近隣の陸地まで送られる。他方、軸流水車３５を回転させることによりエネルギーが減少した海流は、その流速Ｖ₁を落として流出口３３側に向けて流れ、外側の海流導管３０を流れた海流と合流する。

この際に、外側の海流導管３０を流れる海流は、エネルギーを減じることなく、流入時の流速とほぼ等しい流速Ｖ₀で流れるために、海流導管３１内の海水は、いわゆるエジェクター効果によりその外側の海流導管３０内を流れる海流によって吸引される。この結果、海流導管３１内の海水の流れが促進されて発電効率が向上する。

また、海流導管３１へと流入する海流と、外側の海流導管３０へと流入する海流との圧力は略等しいために、万一軸流水車３５の故障等によって海流導管３１側への流入抵抗が高くなった場合においても、海流がその外周側の海流導管３０へと迂回流入するために、装置全体に海流方向へ過度の押圧力が作用することがない。

さらに、構造体２０の流入路２８が、海流導管３０に向けて漸次内法寸法が小さくなるテーパー状に形成されているとともに、さらに海流導管３１も流入口３２から内方に向けて漸次内法寸法が小さくなるテーパー状に形成されているために、海流導管３１内において流入する海流の速度を高めて大きな発電容量を得ることができる。

また、この海底設置型海流発電設備によれば、構造体２０を曳航して所望の海域まで搬送した後に、開閉弁３４ａ、３４ｂによってバラストタンク２７内に海水を注入することにより、海底４０に着底させて使用することができるため、上記海流発電装置が、海流導管３０，３１による２重管構造とした結果、海流側から過度の押圧力を受けないことと相俟って、安定的な発電を行うことができる。

さらに、構造体２０に、複数基（本実施形態においては１０基）の海流発電装置を並列的に組み込んでいるために、仮に１基または数基の発電装置が損傷を受けた場合にも、得られる電力は低下するものの、継続的な電力供給を行うことが可能になる。また、メンテナンス時においても、順次上記海流発電装置を停止させることにより、必要な電力供給に支承を招くことがない。

しかも、バラストタンク２７に設けた開閉弁３４ａを閉じて、一方の側板２３側に設けた開閉弁３４ｂを開くとともに、他方の側板２３側に設けた開閉弁３４ｂから圧縮空気を導入して、内部の海水を上記一方の側板２３の開閉弁３４ｂから排水することにより、再び海面上に浮上させて、別の海域に曳航し、再設置して発電を行うこともできる。

なお、上記実施の形態においては、構造体２０内に１０基の海流発電装置を組み込んだ場合についてのみ説明したが、これに限定されるものではなく、それ以上、あるいはそれ以下の海流発電装置を組み込むこともできる。
また、発電手段としては、上記軸流水車３５に変えて、プロペラ状の発電機等の他の翼体および発電装置を使用することも可能である。

本発明の一実施形態を示す全体の斜視図である。 図１の正面図である。 図１の水平方向に断面視した平面図である。 図３の要部拡大図である。 従来の海流発電潜水船を示す全体斜視図である。

符号の説明

２０ 構造体
２４、３２ 流入口
２５、３３ 流出口
２６ 据付枠
２７ バラストタンク
３０ 海流導管（第１の海流導管）
３１ 海流導管（第２の海流導管）
３１ａ 端部
３４ａ、３４ｂ 開閉弁（貯水手段）
３５ 軸流水車
３６ 発電機（発電装置）
４０ 海底

Claims (4)

1. 両端に海流の流入口と流出口が形成された筒状の第１の海流導管と、この第１の海流導管内に設けられ、両端に形成された海流の流入口および流出口がそれぞれ上記第１の海流導管の内部に位置する筒状の第２の海流導管と、この第２の海流導管内に回転自在に設けられ、上記海流によって回転する翼体と、この翼体の回転によって発電する発電装置とを備えてなることを特徴とする海流発電装置。
2. 上記第１の海流導管および／または第２の海流導管は、少なくともその両端部が上記流入口または流出口に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の海流発電装置。
3. 曳航可能な浮力を有する構造体に、請求項１または２に記載の海流発電装置が組み込まれるとともに、上記構造体には、当該構造体を海底に着底させるに十分な容量の海水を貯水可能なバラストタンクと、このバラストタンクに上記海水を流入させる貯水手段とが設けられていることを特徴とする海底設置型海流発電設備。
4. 上記構造体には、複数基の請求項１または２に記載の海流発電装置が並列的に組み込まれていることを特徴とする請求項３に記載の海底設置型海流発電設備。

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