JP2007170298A - バルブ形海流発電装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正逆両方の海水の流れのエネルギーを効率良く電力に変換することのできるバルブ形海流発電装置およびその運転方法を提供すること。
【解決手段】海水の流れを受けて回転するランナ４と、ランナ４の両側に結合された発電機１０ａ，１０ｂと、発電機１０ａ，１０ｂを覆う筒状のバルブ１ａ，１ｂと、バルブ１ａ，１ｂの外側を覆うケーシング３ａ，３ｂとを備え、バルブ１ａ，１ｂとケーシング３ａ，３ｂの間に形成される発電用流路９は、ランナ４の回転軸と直交する中心線Ｃ−Ｃに対して対称である構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、海洋の潮流または潮位差を利用して発電するバルブ形海流発電装置およびその運転方法に関する。

海洋エネルギーである潮流または潮位差を利用して発電する従来の発電装置は、典型的には図６に示すようになっている。すなわち、たまご型をしたバルブ１の内部に固定子と回転子を主要構成部分とした発電機１０が内蔵される。回転子には主軸６が備えられており、主軸６の先端部には、複数のランナベーンとこれを支持するランナボスによって構成されたランナ４が取り付けられている。ランナ４の上流側には流れを整流する複数の整流板５が設けられている。一般の大型水力発電用バルブ水車の場合は、ランナの上流には流量を調節するガイドベーンが複数枚円周上に配置されているが、海流発電の場合は、流量調整機能は不要であることからこのような機構は装備しない。

整流板５は流れを整流するだけではなく、バルブ１を支える支持部材の機能も有しており、バルブ１からケーシング３に向かって放射状に設置することで整流と強度部材の役割も果たしている。海水の流れ８ａ，８ｂはこのバルブ形発電装置の発電用流路９内に進入した後、整流板５によって均一な流れに整流され、その後ランナ４を回転させ、このランナ４の中心部に接続された主軸６によってその回転動力を発電機１０に伝達することで発電機１０を回転させ発電する。

海流発電においては、海中あるいは海底の最も潮の流れが大きいところに上記のようなバルブ形発電装置を設置して、正・逆いずれの流れに対しても対応可能なランナを設置することで発電するようにしている（特許文献１）。海水の流れ方向について図中矢印８ａ，８ｂにて示すが、海流の流れ方向は一方向ではなく双方向であることが大きな特徴である。このために正・逆両方の流れに対応できる羽根形状に構成されており、これに関する発明もなされている（特許文献２）。

しかしながら、海流発電においては１つのランナを正・逆回転して発電するのが大きな特徴であるにもかかわらず、特許文献１に記載されている発明においては、水車入口からランナに流入するまでの流路は水力発電の技術を応用し、ある程度の高効率化は狙っているものの、逆方向からの流れについては、特に留意した構成となっていない。このために、逆方向の流れに対応するランナとして適正化されておらず、効率が大きく低下するばかりか、著しい損失のために、発電能力を喪失することも考えられる。

一般に海流発電の場合は、発電能力の重要因子である水車前後の圧力差（落差）を一定に確保することおよび水量の均一性を確保することが困難である。特に我国の場合は、潮位差（潮汐差）および潮流の大きさに関して大規模なサイトがないことから、海流発電に関しては発電効率を高くすることが重要な課題である。
特開平１０−１１５２７８号公報 特開平７−２９３４２１号公報

以上述べたように、海流を利用した発電における課題は、海流の持っているエネルギーを如何に効率的に活用するかである。これには、水力発電で用いられているバルブ形発電装置をそのまま利用するのではなく、正逆両方の流れに対応し、かつ、小規模でも無尽蔵に存在するエネルギーを効率的に利用する発電装置を構成することが重要である。

本発明は、正逆両方の海水の流れのエネルギーを効率良く電力に変換することのできるバルブ形海流発電装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、海水の流れを受けて回転するランナと、前記ランナの両側に結合された発電機と、前記発電機を覆う筒状のバルブと、前記バルブの外側を覆うケーシングとを備え、前記バルブと前記ケーシングの間に形成される発電用流路は、前記ランナの回転軸と直交する中心線に対して対称である構成とする。

請求項５は、発電を停止するときは、水車と発電機の間のクラッチを切り、前記ランナから前記発電機への動力伝達を停止する運転方法とする。

請求項６は、発電機１台運転時においては発電機定格出力に対して１００％を超えた場合には２台同時運転に切り替え、２台同時運転中に発電機単機定格出力の５０％を下回った場合には１台運転に切り替える運転方法とする。

本発明によれば、正逆両方の海水の流れのエネルギーを効率良く電力に変換することのできるバルブ形海流発電装置およびその運転方法を提供することができる。

以下、本発明の第１ないし第３の実施の形態のバルブ形海流発電装置およびその運転方法を図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１、図２を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかるバルブ形海流発電装置の全体を示したものであり、図２は水車および発電機部分の拡大図である。

本実施の形態のバルブ形海流発電装置は、発電装置を支持する架台２０により海中に支持されている。この設置位置は海流の流れ方向に対して適切な方向となるように事前の調査結果等をもとに決定する。発電装置は、主軸６に直交するランナ４の中心線Ｃ−Ｃを対称中心として左右対称な同一形状の流路で構成されており、それぞれのバルブ１ａ，１ｂ内には発電機１０ａ，１０ｂが収納されている。

このような構成において、海流が図中に示す８ａ方向に流れる際は、海水が図中右側のバルブ１ａとケーシング３ａで構成された発電用流路９内に流れ込む。そして複数の整流板５ａにより流れの方向性を均一化され、その後プロペラ型のランナ４を回転させる。回転したランナ４の軸動力は主軸６ａ，６ｂによって発電機１０ａ，１０ｂに伝達され、発電する。さらに、ランナ４に作用した水は下流のバルブ１ｂとケーシング３ｂで構成された流路に入り、整流板５ｂによりスムーズな流れに整流され海中へと流出する。海流の方向が８ｂとなった場合は、上述の逆の動作となる。なお、ランナ４を中心として左右に同形状同定格の発電機を備えることで、水力的に生じる軸推力を相殺することができる利点もある。

各構成部分の特徴と作用を述べると、ランナ４は、海水の流れ８ａ，８ｂのいずれに対しても同様の条件で回転するようにランナベーン４ａの形状が構成されている。すなわち、海水の流れ８ａ，８ｂに応じた回転方向となるようにランナベーン４ａの中心を対称中心として対称翼型形状となっている。これは発電用流路９もランナ４を中心として対称形状となっていることからこの論理が成り立ち、しかも高効率運転が可能である。次に、ランナ４と発電機１０ａ，１０ｂ間に設けられた増速機２ａ，２ｂは、ランナ４の回転数に対して発電機１０ａ，１０ｂの回転速度を大きくする機能を有するものであり、発電機１０ａ，１０ｂの回転数を大きくすることで発電装置としてのコンパクト化を図り、低価格化する重要な役割を担っている。次に整流板５ａ，５ｂは、海流の方向を均一化するものであり、ランナ４に流れ込む角度を決定する重要な役割を持つとともに、ランナ４からの強烈な旋回流を整流する役割をもつことから、その枚数は、強度上許容できる範囲内での薄肉化を図った上で多数枚とすることが水車の水力効率向上に繋がる。

本実施の形態のバルブ形海流発電装置は、ランナ４の流路形状を左右同形状の対称型とすることによって、海流の流れ方向にかかわらず高効率の運転が可能となる。また、増速機２ａ，２ｂを設置することで発電機１０ａ，１０ｂを含めた発電装置としての小型化が達成できるので、建設コストの削減が可能となる。

（第２の実施の形態）
図３、図４を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本実施の形態によるランナ、バルブ、ケーシングの大きさの関係を示したものである。本図に示すように、ケーシング３ａ，３ｂの内径をＤs、バルブ１ａ，１ｂの外径をＤb、ランナ４の外径をＤ0とする。一方、図４は水力発電用に使われる従来のバルブ水車のこれらの寸法についての実績を示したものである。

図４から、バルブ径はランナ径に対して１．２倍程度となっていることがわかる。これはこのような寸法に適正化することで、バルブ内に納められる発電機の大きさについて適正化し、高効率・高経済性であることを意味していることに他ならない。

本実施の形態は、通常１台のランナに対して１台の発電機を設ける一般的な水力発電用発電装置の発電機容量を１／２にして、１台のランナに対して発電機を左右に２台分割設置することで発電機の小型化を図る。発電容量を１／２にすることで概ね１／２の大きさの発電機が可能となることから、ランナ径Ｄ0、バルブ径Ｄbの関係は、Ｄb＝（０．５〜０．６）Ｄ0となるように構成する。

上述したように、水力発電用に用いられるバルブ形水車の場合、発電容量に対する流路の大きさはほぼ一定値をもつように構成されている。これは水車と発電機がそれぞれ別々な設計をして接続しあうバルブ水車以外の水車と発電機の関係とは異なり、水の流れる流路内に発電機と水車が共存することが大きな特徴であるバルブ水車特有のものである。したがって、両者の大きさの関係を維持することで水の流れる流路の損失を最小化することができる。

本実施の形態によれば、バルブ径Ｄbをランナ径Ｄ0の０．５倍ないし０．６倍と限定することによって流体抵抗の少ない流路が形成され、高効率なバルブ形海流発電装置を提供することができる。さらに、発電装置の標準化をすることで安価な発電装置を提供することも可能となる。

（第３の実施の形態）
図５を用いて本発明の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態は、海流の持つ発電可能な能力に応じて発電機の接続台数を１台または２台のいずれの場合にも対応できるような構造としたものである。すなわち、ランナボス４ｂ内に動力切り替え装置であるクラッチ７を装備し、クラッチ７によって発電機１０ａ，１０ｂを１台運転するか２台同時運転するかの選択ができるような構造となっている。発電機の運転台数選択は発電機１０ａ，１０ｂから出力される発電量の検出、あるいは発電装置に与えられる入力（例えば海流の速度）等を図示しないセンサーで検出し運転条件とする。

発電装置内に流れ込む海流は止めることなく、発電が不要な場合は、クラッチ７を切ることで両方の発電機１０ａ，１０ｂに動力を伝えなくなるので、発電用流路９内に流れる水によりランナ４だけが回転するものの、発電は行われない。ランナ４は海流のエネルギーが作用して回転することになるが、定格状態からの大きな乖離がないためにランナ４だけが急激に高速で回転することはない。

発電機１０ａ，１０ｂは、水車として得られる入力されるエネルギーから求められる出力（水車定格出力）の１／２の容量を発電機の定格出力として構成されている。つまり２台の発電機１０ａ，１０ｂが同時に運転した場合が、この水車としての定格状態となる。本実施の形態では、発電機１０ａ，１０ｂを２台同時に運転している場合に、それぞれの発電機出力が発電機定格出力に対して５０％を下回った場合には１台運転とし、１台単独運転時に発電機出力が１００％付近に到達した時には２台同時に運転する。それぞれの運転切り替えはクラッチ７によって行う。

本実施の形態によれば、クラッチ７を装備し、海流の条件によって発電機１０ａ，１０ｂの運転台数を切り替えることができることから、水力エネルギーを無駄にすることなく有効に発電に利用することができる。また、クラッチ７によって両発電機１０ａ，１０ｂに対して動力伝達しない状態を形成することができるために、海中に沈めた発電装置内に海流が流れている状態でも発電機内の点検が可能となる利点もある。

本発明の第１の実施の形態のバルブ形海流発電装置を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態のバルブ形海流発電装置の要部を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態のバルブ形海流発電装置の要部を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態のバルブ形海流発電装置の構成を説明するグラフ。 本発明の第３の実施の形態のバルブ形海流発電装置の要部を示す断面図。 従来のバルブ形海流発電装置を示す断面図。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…バルブ、２，２ａ，２ｂ…増速機、３ａ，３ｂ…ケーシング、４…ランナ、４ａ…ランナベーン、４ｂ…ランナボス、５，５ａ，５ｂ…整流板、６，６ａ，６ｂ…主軸、７…クラッチ、８ａ，８ｂ…海水の流れ、９…発電用流路、１０，１０ａ，１０ｂ…発電機、２０…発電装置架台。

Claims (6)

1. 海水の流れを受けて回転するランナと、前記ランナの両側に結合された発電機と、前記発電機を覆う筒状のバルブと、前記バルブの外側を覆うケーシングとを備え、前記バルブと前記ケーシングの間に形成される発電用流路は、前記ランナの回転軸と直交する中心線に対して対称であることを特徴とするバルブ形海流発電装置。
2. 前記ランナはプロペラ型であり、前記ランナの外径をＤ0とし、前記バルブの外径をＤbとするとき、
   Ｄb＝（０．５〜０．６）Ｄ0
   であることを特徴とする請求項１記載のバルブ形海流発電装置。
3. 海流の速度あるいは前記発電機の発電量を検出することによって前記発電機の運転台数を切り替える切替え手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のバルブ形海流発電装置。
4. 前記切替え手段は、ランナボス内に設けられたクラッチを備えていることを特徴とする請求項３記載のバルブ形海流発電装置。
5. 発電を停止するときは、前記クラッチを切り、前記ランナから前記発電機への動力伝達を停止することを特徴とする請求項４記載のバルブ形海流発電装置の運転方法。
6. 前記切替え手段は、発電機１台運転時において発電機定格出力に対して１００％を超えた場合には２台運転に切り替え、２台運転中に発電機単機定格出力の５０％を下回った場合には１台運転に切り替えることを特徴とする請求項３記載のバルブ形海流発電装置の運転方法。
   
   

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