JP2009121241A - 水流発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 水流を受けて安定して回転する水中回転体により回転動力を効率良く得て、長期間安定した発電ができる水流発電装置を提供すること。
【解決手段】 水流１１で回転する水中回転体３２と、この水中回転体３２の前端５２を水中の所定位置に保持する駆動側液圧ポンプ３４と、この駆動側液圧ポンプ３４で保持した水中回転体３２の回転動力を水面９の上方まで伝達する動力伝達部４０と、この動力伝達部４０で伝達した動力で駆動する水面の上方に配置した発電機３９とを備え、前記水中回転体３２は、前端から後端に向けて流線形状とした胴部５１と、この胴部５１の前端と前記駆動側液圧ポンプ３４との間で水中回転体軸方向４３と交差する方向に揺動可能な支持部３３と、この胴部５１の周囲から放射状に突出する複数枚の翼５４とを有するようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、潮流や黒潮、河川の流れ等の水流によって発電する水流発電（この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「水流発電」は、「潮流発電」「海流発電」「河川発電」等、水の流れを利用する発電を全て含む）装置に関するものである。
従来、自然エネルギによる発電として、水力発電や風力発電が行われている。一般的な水力発電としては、ダムで堰き止めた水の落下エネルギを利用したものがあるが、この場合には水位差を保つ必要があり、設置条件が限られる。一方、潮流や海流、又は比較的大きな河川等には大きな水の流れ（以下、単に「水流」という）があり、その水流の自然エネルギを利用して発電しようとする考えがある。例えば、潮流の場合、潮の干満によって大きな流れを生じる場所があり、そのような場所で水流を利用した発電をしようとする考えがある。
このように潮流を利用して発電する技術として、海中の定位置に中空の支持桿を設け、その支持桿に海中の上層部の潮流を受けて回転するスクリュー羽根と、下層部の潮流を受けて回転するスクリュー羽根とを設け、上層部と下層部の両潮流で回転させるスクリュー羽根の回転力で海面上に設けたステーション内の発電機を駆動して発電しようとしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、水流を利用して発電する技術として、河川の水底地盤に杭を打設し、その杭に、自然流下の水流を受けて回転する回転体（スクリュー羽根）を有する発電設備を備えた浮体を昇降可能に設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２５７０２３号公報 特開２００４−１６９５６４号公報
しかしながら、上記特許文献１の潮流発電装置及び特許文献２の水流発電設備は、水流によって回転させるスクリュー羽根が中央のボスから直交するように放射状配置された複数枚の翼形状であるため、水中の浮遊物（ロープ、木片等）が絡み付いたり衝突したりして、安定した運用を継続するのは難しい。
また、水流と直交する方向に延びるスクリュー羽根に作用する水流は、流速や流れ方向が変化しながら作用するので、スクリュー羽根の安定した強度を保つためには重量増加等を招き、効率良く発電することが難しくなる場合がある。
さらに、特許文献２の場合には、水中に発電機を設ける構成であるため、その発電機を水封するための構造が複雑になると共に、長期間安定した水封状態を保つのは難しい。
そこで、本発明は、水流を受けて安定して回転する水中回転体により回転動力を効率良く得て、長期間安定した発電ができる水流発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、水流で回転する水中回転体と、該水中回転体の前端を水中の所定位置に保持する保持部と、該保持部で保持した水中回転体の回転動力を水面の上方まで伝達する動力伝達部と、該動力伝達部で伝達した動力で駆動する水面の上方に配置した発電機と、を備え、前記水中回転体は、前端から後端に向けて流線形状とした胴部と、該胴部の前端と前記保持部との間で水中回転体軸方向と交差する方向に揺動可能な支持部と、該胴部の周囲から放射状に突出する複数枚の翼とを有している。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「流線形状」は、「ラグビーボール形状」「楕円形状」「ポッド形状」等、前端と後端とが絞られて中間部が膨出する流線形状をいう。また、「発電機」は、「タービン発電機」を含む。これにより、水中回転体は、流線形状の胴部の周囲に設けられた翼が水流を受けて回転すると共に、前端の支持部によって水中回転体軸方向と交差する方向に揺動しながら回転し、その回転動力を動力伝達部から水面の上方に配置された発電機に伝達して発電するので、水中の浮遊物が絡み付くのを抑止するとともに衝突時の衝撃を緩和して、長期間効率良く安定した発電を行うことができる。
また、前記水中回転体の胴部を中空に形成し、該胴部内に水が入るように外部と連通する連通穴を設けてもよい。これにより、中空の水中回転体の内部に水を導入し、水中での水中回転体の姿勢を安定させることができる。
さらに、前記連通穴を、胴部の前部と後端とに設けてもよい。これにより、胴部の前部から入った水が後端から出るようにして、回転する水中回転体の姿勢安定化を図ることができる。
また、前記水中回転体の胴部内に、該胴部内に気体を注入して水中回転体を浮上させる気体注入機構を具備させてもよい。これにより、水中回転体を浮上させたいときに気体注入機構で胴部内に気体を注入すれば、水中回転体を迅速に浮上させることができる。
さらに、前記翼の内部に中空部を形成し、該中空部内に浮上気体を入れてもよい。これにより、水中回転体が保持部から外れたとしても自動的に浮上するので、容易に回収することができる。
また、前記翼を、胴部への結合基部から後方に向けて傾きながら該胴部の外周を巻くように形成し、水中回転体の正面視における該翼の後端を隣接する翼の結合基部まで延設してもよい。これにより、翼で胴部の周囲に広い翼面を形成することができ、その翼面で水流を受けて水中回転体を安定して回転させることができる。
さらに、前記動力伝達部を、前記水中回転体で駆動する駆動側液圧ポンプと、該駆動側液圧ポンプで送給する液体で駆動して前記発電機を回転させる従動側液圧ポンプと、を有する液圧駆動機構で構成してもよい。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「液圧ポンプ」に用いられる「液」は、例えば「油」や油と同等の粘度の液体が用いられる。これにより、水中回転体の回転動力を液体の流量に変換して水面の上方まで伝達し、この流量を水面の上方で回転動力に変換して発電機を回転させるので、水中の複数箇所から水面の上方への動力伝達を比較的容易に行うことができる。
また、前記駆動側液圧ポンプを低速回転型ポンプとし、前記従動側液圧ポンプを高速回転型ポンプとしてもよい。これにより、駆動側液圧ポンプ側の液体循環ホースを大径とし、従動側液圧ポンプ側の液体循環ホースを小径とすれば、ベルヌーイの定理により低回転の水中回転体で駆動する駆動側液圧ポンプから吐出された液で従動側液圧ポンプを高速回転させ、この高速回転する従動側液圧ポンプで駆動する発電機によって高出力の発電を行うことができる。
さらに、前記動力伝達部を、前記水中回転体で駆動する駆動軸と、該駆動軸と連結されて前記発電機を回転させる従動軸と、を有する増速駆動機構で構成してもよい。これにより、動力伝達ロスの少ない確実な動力伝達ができる。
また、前記動力伝達部を、前記水中回転体で駆動するフレキシブルシャフトと、該フレキシブルシャフトと連結されて前記発電機を回転させる増速駆動機構と、を有するフレキシブルシャフト駆動機構で構成してもよい。これにより、水中回転体を回転させて発電機を駆動する構成を比較的簡単に組立てることができる。
さらに、前記動力伝達部が液圧駆動機構又は増速駆動機構の構成において、前記保持部が、水底に固定する枠体と、該枠体の上部に位置し、前記発電機を水面の上方に配置する機器配置部と、前記枠体に沿って前記水中回転体と動力伝達部とを昇降させる昇降部とを有していてもよい。これにより、水中回転体を発電に適した水流の位置に昇降させて、より効率良く発電をすることができる。
その上、前記昇降部が、複数の前記水中回転体を枠体に沿って所定間隔で昇降させる機能を具備していれば、複数の水中回転体を発電に適した水流の位置にそれぞれ昇降させて、複数の水中回転体で更に効率良く発電をすることができる。
さらに、前記動力伝達部がフレキシブルシャフト駆動機構の構成において、前記保持部が、水面に浮く浮体と、該浮体を所定位置に保持する碇とを備えていてもよい。これにより、大規模な工事を要することなく、比較的簡単に水流発電装置を所定の位置に設置することができる。
本発明は、以上説明したような手段により、水流を利用して長期間安定して回転動力を得て、効率良く発電することが可能となる。
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態に係る水流発電装置を示す斜視図であり、図２は、図１に示す水流発電装置の部分拡大側面図である。この第１実施の形態は、海流や河川での発電を例にしており、一方向からの水流で発電する例である。
図１に示すように、この実施の形態の水流発電装置１は、櫓状に組まれた矩形状の枠体２と、この枠体２の上部中央に設けられた機器配置部３とを有している。枠体２は、上端に設けられた複数本の上部水平材４と、下端に設けられた複数本の下部水平材５と、これら上部水平材４と下部水平材５とを連結するように設けられた複数本の垂直材６（支柱）とによって矩形状に組まれている。上部水平材４の上部には、この上部水平材４上を走行する走行クレーン７が設けられている。枠体２は、下端が水底８に固定されており、機器配置部３が水面９の上方に位置する大きさに形成される。例えば、この枠体２の大きさとしては、各幅方向が約１５０ｍ程度で、高さが約１００ｍ程度の矩形状に形成される。
そして、このような枠体２の垂直材６に、複数の水中回転体１０が配設されている。この実施の形態では、１本の垂直材６に４機の水中回転体１０が配設されている。この水中回転体１０は、図に矢印で示す方向からの水流１１を受けている。
図２に示すように、上記水中回転体１０は、垂直材６に前端１２が回転可能に保持された流線形状の胴部１３を有し、この胴部１３の周囲に複数枚の翼１４が放射状に設けられている。この例では３枚の翼１４が等間隔で放射状に設けられており、胴部１３の軸方向中央部から後端に向けて所定のひねり角でひねられている。この水中回転体１０の支持部１５は、垂直材６から横方向に支持された状態で、胴部１３が水中回転体軸方向と交差する方向に揺動可能となっている。この支持部１５には、ユニバーサルジョイント機構４５（後述する図４と同一構造）が採用される。これにより、水中回転体１０は、前端１２側が垂直材６の所定の位置に保持された状態で、胴部１３と翼１４とが一体的に回転しながら水中を泳いでいるように後端側が水流１１に沿って揺動する。この水中回転体１０としては、長さ方向が約２０ｍ程度で、回転直径が約８ｍ程度に形成されたものが用いられる。また、水中回転体１０の材質としては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の樹脂や金属が用いられる。水中回転体１０をチタン合金製とすれば、水中でも錆びることなく、半永久的に使用することができる。
この水中回転体１０の支持部１５の前端には、水中回転体１０と一体的に回転する傘歯車１６が設けられており、この傘歯車１６は、垂直材６の内部に垂直配置された動力伝達軸１７の傘歯車１８と噛合している。動力伝達軸１７は、垂直材６に軸受１９で回転自在に支持されている。この動力伝達軸１７は、上端に傘歯車１８が設けられ、この傘歯車１８は、水面９の上方で水平方向に配置された発電機２０の軸２１の傘歯車２２と噛合している。これらが動力伝達部２３であり、支持部１５の前端の傘歯車１６を傘歯車１８で所定位置に保持する構成が保持部２４である。発電機２０としては、低回転大出力の多極型同期発電機が好ましく、例えば、２０００ｋｗ程度の発電能力を有しているものが好ましい。
以上のように構成された水流発電装置１によれば、水流１１に沿って泳ぐように揺動しながら回転する水中回転体１０によって回転動力を得て、この回転動力を動力伝達軸１７を介して水面９の上方まで導き、この動力伝達軸１７で発電機２０を回転させて発電が行われる。例えば、上記水中回転体１０を、上記したように長さ約２０ｍ、回転直径約８ｍで形成し、この水中回転体１０を備えた水流発電装置１を３ノットの水流１１中に配置したとすると、１機の水中回転体１０で約５００ｋｗを発電することができる。
従って、図１に示すように複数の水中回転体１０を設けた水流発電装置１として、例えば、水中回転体１０が４８機設けられた１ユニットを水流３ノットの海中に設置したとすると、水中回転体１０の１機が上記したように約５００ｋｗを発電するので、１ユニットで約２４０００ｋｗを発電することができる。そのため、５１ユニットを海中に設置すれば、大型原子力発電所１基分に相当する１２２４ＭＷの電力を発電することができる。
図３は、本発明の第２実施の形態に係る水流発電装置を示す拡大側面図であり、図４は、図３に示す水流発電装置の一部断面した部分拡大側面図、図５は、図４に示すＶ−Ｖ断面図、図６は、図３に示す水流発電装置における水中回転体の周囲の流体流れを模式的に示す側面図、図７は、図４に示すＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図である。この第２実施の形態に係る水流発電装置３０は、上記実施の形態におけるギア駆動機構の動力伝達部２３を液圧駆動機構で構成している。なお、上記第１実施の形態と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図３に示すように、この実施の形態の水流発電装置３０は、機器配置部３から下方に向けて設けられた垂直材３１（支柱）の内部に駆動側液圧ポンプ３４が設けられ、この駆動側液圧ポンプ３４に水中回転体３２の支持部３３が連結されている。これにより、水中回転体３２が回転すると、この水中回転体３２の支持部３３が駆動側液圧ポンプ３４を回転駆動して動力を得ることができる。
上記駆動側液圧ポンプ３４に液体を循環させる液体循環ホース３５は、上記垂直材３１の内部を通って機器配置部４の上部まで導かれている。この液体循環ホース３５は、機器配置部３の上部に設けられた巻取り機３６に巻取られるようになっている。液体循環ホース３５は、液体を循環させるために２本が設けられている。機器配置部３の上部には、上記駆動側液圧ポンプ３４からの液体で回転駆動される従動側液圧ポンプ３８と、この従動側液圧ポンプ３８で回転駆動されるタービン発電機３９とが設けられている。巻取り機３６と従動側液圧ポンプ３８との間は、液体循環ホース３７で接続されている。これら駆動側液圧ポンプ３４と、従動側液圧ポンプ３８と、液体循環ホース３５，３７とが、動力伝達部４０となる。
なお、これらの液圧ポンプ３４，３８としては、油圧ポンプ等が用いられるが、「油」を用いた場合には、「海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律」上、油を海上に漏らすことができないので、油と同等の粘度を有する液体（例えば、バリウム等）を用いるのが好ましい。
図４にも示すように、駆動側液圧ポンプ３４は、上下位置に設けられた車輪４１によって垂直材３１の下流側側壁４２に沿って昇降可能となっており、これにより駆動側液圧ポンプ３４と一体的に水中回転体３２を垂直材３１に沿って昇降させることができるようになっている。
図５に示すように、駆動側液圧ポンプ３４に設けられた上記車輪４１は、駆動側液圧ポンプ３４の両側部で上下方向に離れて４個が設けられており、これら４個の車輪４１によって、垂直材３１にレールとして形成された下流側側壁４２に沿って、水中回転体３２とこの水中回転体３２を回転可能な状態で保持する駆動側液圧ポンプ３４とが一体的に昇降するようになっている。この実施の形態では、駆動側液圧ポンプ３４が水中回転体３２の保持部となる。
また、上記液体循環ホース３５に所定の硬度を有するものを用いることにより、図３に示すように、水面９の上方に設けられた機器配置部３の巻取り機３６で液体循環ホース３５を巻取ることで、この液体循環ホース３５と一体的に水中回転体３２を上昇させることができるようにしている。この実施の形態では、水中回転体３２を下降させるときは駆動側液圧ポンプ３４等の自重で下降させ、水中回転体３２を上昇させるときは巻取り機３６で液体循環ホース３５を巻取って一体的に上昇させるようにしている。なお、水中回転体３２を昇降させる方法としては、上記図２に示すような走行クレーン７を設け、この走行クレーン７の吊下ワイヤで行ってもよい。
さらに、駆動側液圧ポンプ３４を低速回転型液圧ポンプとし、従動側液圧ポンプ３８を高速回転型流体ポンプとし、駆動側液圧ポンプ３４側では大径の液体循環ホース３５を用い、従動側液圧ポンプ３８側では小径の液体循環ホース３７を用いることにより、駆動側液圧ポンプ３４側では水中回転体３２によって低速回転（例えば、３０〜４０ｒｐｍ）高トルクの液圧を得て、従動側液圧ポンプ３８側ではこの液圧を高速回転（例えば、１０００ｒｐｍ）低トルクの液圧として従動側液圧ポンプ３８を高速回転させ、タービン発電機３９を高速で回転駆動して発電するようにしてもよい。
つまり、液体循環ホース３５，３７の径を駆動側液圧ポンプ３４側を大径、従動側液圧ポンプ３８側を小径として異ならせることにより、ベルヌーイの定理によってタービン発電機３９の従動側液圧ポンプ３８側で高速の回転動力得てタービン発電機３９を高速回転させて高出力の安定した発電をすることができる。
さらに、水中回転体３２を駆動側液圧ポンプ３４の水流下流側（図の右側）で支持する支持部３３には、ユニバーサルジョイント機構４５が採用されている。このユニバーサルジョイント機構４５は、水中回転体３２の胴部５１の前端５２に設けられた前端連結部材４６と中間連結部材４７とポンプ連結軸４８（駆動軸）とがそれぞれピン４９，５０で連結されたものであり、９０度ずれて配置された２本のピン４９，５０によって、水中回転体３２は回転しながら水中回転体軸方向４３と交差する方向に揺動可能となっている。従って、このようなユニバーサルジョイント機構４５で保持された水中回転体３２は、支持部３３の前端が駆動側液圧ポンプ３４で所定位置に保持された状態で、後端側が水流に沿って揺動しながら回転する。
しかも、水中回転体３２を中空で形成して上記ユニバーサルジョイント機構４５で保持することにより、水中を流れる浮遊物が水中回転体３２に当接したとしても水中回転体３２は容易に揺動し、浮遊物が絡みつくのを抑えると共に衝撃を緩和し、長期間安定して発電することができる。
また、図６に示すように、水中回転体３２を、胴部５１の流れ方向中央部が大径で前端５２と後端５３とが絞られた流線形状とすることにより、胴部５１の中央付近で水流１１の流速を速めて翼５４へと流すことができるので、長さの短い水中回転体３２でも安定した回転動力を得ることができる。その上、水流１１を速めることによて、水中を漂う藻やロープ等が翼５４に絡み付くのを抑えることができる。
さらに、図７に示すように、この実施の形態の水中回転体３２の胴部５１には、中空の内部に水が入るように連通穴５５が設けられている。この連通穴５５は、胴部５１の前部と後端５３（図４）とに設けられており、前部の連通穴５５から入った水が後端の連通穴５５から出るようになっている。このように、胴部５１の中に水を入れることにより、水中回転体３２の水深が変化しても水中回転体３２が大きく浮上したり沈下したりすることなく安定して回転するようにしている。
このような第２実施の形態の水流発電装置３０によれば、水中回転体３２が回転することによって支持部３３が駆動側液圧ポンプ３４を回転駆動し、この駆動側液圧ポンプ３４から吐出された圧液を液体循環ホース３５から水面９の上方に設けられた従動側液圧ポンプ３８に供給して従動側液圧ポンプ３８を駆動し、この従動側液圧ポンプ３８でタービン発電機３９を回転駆動して発電することができる。
そのため、この水流発電装置３０によれば、上層流と低層流とで流速が異なる水流１１を利用して発電する場合等でも、各水中回転体３２で駆動側液圧ポンプ３４を駆動して吐出した液圧によって従動側液圧ポンプ３８を回転させるので、各水中回転体３２の回転差を吸収した状態で従動側液圧ポンプ３８を回転させてタービン発電機３９で発電することができ、異なる流速の水流１１で安定した発電が可能となる。
つまり、水中回転体３２の回転エネルギを機械的に伝達するのではなく、液圧エネルギに変換して水上まで導き、水上で再び回転エネルギに変換してタービン発電機３９を回転駆動するので、異なる回転数の水中回転体３２から得られた動力で同一のタービン発電機３９を安定して駆動することができる。
また、この実施の形態の水流発電装置３０の場合、駆動側液圧ポンプ３４を昇降させることにより水中回転体３２を任意の位置に昇降させることが容易にできるので、水流の速い位置（水深）に水中回転体３２を配置する操作も容易にできる。
図８は、本発明の第３実施の形態に係る水流発電装置を示す側面図である。この第３実施の形態に係る水流発電装置６０は、上記第１実施の形態における枠体２に代えて、碇６１によって位置保持されたチェーン６２によって水面９に浮かぶ浮体６３（以下、「ブイ」という）を用いたものである。この第３実施の形態は、潮流での発電を例にしており、任意の方向からの水流で発電できる例である。なお、この実施の形態でも、上記第２実施の形態と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、この実施の形態では、上記第２実施の形態の水中回転体３２を用いて説明する。
図示するように、この実施の形態の水流発電装置６０では、水面９に浮かぶブイ６３の一端から下方に整流板６４が設けられ、この整流板６４の内部には軸受７５によって回転自在に支持された従動軸６５が設けられている。整流板６４は、ブイ６３の下面に固定されたチェーン６２に対して一方に偏って設けられており、碇６１に連結されたチェーン６２が水流１１の上流側に位置することによって、この整流板６４は常に水流１１の下流側に位置するようになっている。
上記従動軸６５は、下端に設けられた傘歯車６６が、水中回転体３２の支持部６７に設けられた駆動軸６８の傘歯車６９と噛合している。駆動軸６８は、軸受７６によって回転自在に支持されている。この実施の形態でも、支持部６７はユニバーサルジョイント機構４５となっている。これにより、水中回転体３２が回転すると、駆動軸６８の傘歯車６９が回転させられ、この傘歯車６９によって傘歯車６６を介して従動軸６５が回転させられる。この従動軸６５の上部は水上に設けられた駆動側プーリ７０に連結されている。ブイ６３の上部には発電機７１が設けられており、この発電機７１の軸に設けられた従動側プーリ７２がベルト７３を介して上記駆動側プーリ７０によって駆動されている。駆動側プーリ７０は大径で、従動側プーリ７２は小径に形成されているため、これらの径差によって増速されて発電機７１が高速回転で駆動されて発電するようになっている。この発電機７１を回転させる構成が動力伝達部７４であり、増速駆動機構である。
このような水流発電装置６０によれば、任意の位置にブイ６３を固定すれば、例えば、潮流発電のように、水流１１の方向が変化しても水中回転体３２の前端５２は常に上流側を向くように３６０度回転するので、水中回転体３２は常に水流１１によって回転して発電機７１を回転させて発電することができる。しかも、この水流発電装置６０によっても、水中回転体３２は支持部６７のユニバーサルジョイント機構４５によって水流１１に沿って泳ぐように揺動しながら回転するので、浮遊物等の絡み付き抑止や衝撃を緩和して水流１１に応じた発電ができる。
図９は、本発明の第４実施の形態に係る水流発電装置を示す斜視図であり、図１０は、図９に示す水流発電装置の平面図、図１１は、図９に示す水流発電装置の部分拡大断面図である。この実施の形態でも、上記第２実施の形態の水中回転体３２を用いて説明する。この実施の形態の水流発電装置８０は、櫓状に組まれた枠体８１の中央部に水中回転体３２を備えた例である。なお、この実施の形態でも、上記第２実施の形態と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図９，１０に示すように、この水流発電装置８０の枠体８１は、水底８に固定される下部水平材８２と、水面９から所定距離上方に設けられる上部水平材８３と、これらを連結する垂直材８４とが組まれたものである。上部水平材８３の中央部には機器配置部８５が設けられ、この機器配置部８５上に発電機８６が設けられている。
図１１に示すように、機器配置部８５の中央部から下方に向けて支持筒８７が設けられている。この支持筒８７は、外筒８８と内筒８９との二重構造になっており、外筒８８は機器配置部８５の下面に固定されており、内筒８９はこの外筒８８の内部で旋回可能なように軸受９０によって支持されている。この内筒８９の内部には、従動軸９１が垂直方向に設けられている。従動軸９１は、軸受９２によって回転自在に支持されている。
内筒８９の下端にはカバー部９３が設けられており、このカバー部９３の内部に従動軸９１を回転駆動する傘歯車９４が設けられている。また、カバー部９３の内部には、水中回転体３２が回転することによって回転させられる駆動軸９５が水平方向に設けられており、この駆動軸９５に設けられた傘歯車９６が上記従動軸９１の傘歯車９４と噛合している。この駆動軸９５は、カバー部９３内に設けられた軸受９７によって回転可能に支持されている。この駆動軸９５も、９０度ずれた２本のピン４９，５０によって連結された前端連結部材４６と中間連結部材４７とによるユニバーサルジョイント機構４５の支持部９８によって水中回転体３２と連結されている。
この実施の形態の水流発電装置８０によれば、水中回転体３２の前端５２が水流１１の上流側に向くように内筒８９が回転し、水流１１によって水中回転体３２が回転すると駆動軸９５が傘歯車９６，９４を介して従動軸９１を回転させる。この従動軸９１が回転させられると、図９，１０に示すように、機器配置部８５の上部に設けられた駆動歯車９９が回転させられ、この駆動歯車９９によって発電機８６の従動歯車１００が回転させられて発電機８６によって発電される。この駆動歯車９９を大径、従動歯車１００を小径としているので、発電機８６を増速回転させて効率良く発電することができる。この構成が、増速駆動機構である。
また、この水中回転体３２も、前端５２の支持部９８に設けられたユニバーサルジョイント機構４５により、水流１１に沿って泳ぐように揺動しながら回転するので、水中の浮遊物が当接しても絡み付きを抑えると共に衝撃を緩和し、長期間安定して回転することができる。
図１２は、本発明の第５実施の形態に係る水流発電装置の一部分を示す側面図であり、図１３は、図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図、図１４は、図１２に示す水流発電装置の一部を拡大した側面図である。この実施の形態は、水深が浅い場合等、水面９に近い位置の水流１１で発電したい場合に好ましい例である。なお、この実施の形態でも、上記第２実施の形態の水中回転体３２を用いて説明する。また、この実施の形態でも、上記第２実施の形態と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１２に示すように、この実施の形態の水流発電装置１１０は、水低の碇（図示略）にチェーン１１１で固定されて水面９に浮いたブイ１１２を有している。このブイ１１２の上面が水上の機器配置部１１３となっており、この機器配置部１１３に発電機１１４と、この発電機１１４の従動プーリ１１５をベルト１１６で駆動する駆動プーリ１１７とが設けられている。これらの構成が、増速駆動機構である。
ブイ１１２の下面には、水中に向けて下方に伸びるシャフト案内部１１８が設けられている。このシャフト案内部１１８は、図１３に示すように、断面が流線形状に形成されており、内部にフレキシブルシャフト１１９が設けられている。図１２に示すように、このフレキシブルシャフト１１９の上端は上記駆動プーリ１１７と連結されており、このフレキシブルシャフト１１９によって駆動プーリ１１７を回転させるようになっている。また、フレキシブルシャフト１１９の上部は、機器配置部１１３に設けられた軸受１２１によって回転自在に支持されている。このフレキシブルシャフト１１９としては、例えば、硬鋼線や軟鋼線を組合せて巻き上げたり、バネ材を巻き上げたものが用いられる。このフレキシブルシャフト１１９には、中心にワイヤを入れて強度を上げてもよい。
図１４に示すように、フレキシブルシャフト１１９の下部は、シャフト案内部１１８の下部に設けられた軸受１２０によって回転自在に支持されている。軸受１２０の外側には、シール材１２２が設けられている。このフレキシブルシャフト１１９の下端は、ユニバーサルジョイント機構４５の支持部１２３によって水中回転体３２の前端５２と連結されている。このユニバーサルジョイント機構４５も、９０度ずれた２本のピン４９，５０によって連結された前端連結部材４６と中間連結部材４７とによって構成されている。
この水流発電装置１１０によれば、比較的水面に近い水深において、水中回転体３２が水流１１に沿って揺動しながら回転し、フレキシブルシャフト１１９を介して発電機１１４を回転させて発電することができる。この実施の形態の場合、比較的水面に近い位置で十分な速度の水流１１が得られるときに採用される。
図１５は、本発明の水流発電装置における水中回転体の他の例を示す拡大部分側面図である。なお、この例では、上記第２実施の形態と同一の構成には同一符号を付して説明する。この水中回転体１３０は、水中回転体１３０が垂直材３１から外れてしまった場合や、水中回転体１３０を迅速に浮上させたい場合等に好適な例である。
図示するように、水中回転体１３０の中空状胴部１３１の内部には二酸化炭素ボンベ１３２が設けられている。この二酸化炭素ボンベ１３２には噴射レバー１３３が設けられており、この噴射レバー１３３と駆動側液圧ポンプ３４のポンプ連結軸４８に固定されたフランジ１３４とがワイヤ１３５で接続されている。
このような水中回転体１３０によれば、水中回転体１３０がユニバーサルジョイント機構４５の部分で外れて垂直材３１から分離してしまったとしても、自動的にワイヤ１３５が切れて胴部１３１内に二酸化炭素ガスが噴射されるので、水中回転体１３０をそのガスによって自動的に浮上させることができる。従って、水中回転体１３０が垂直材３１から外れた場合でも、水中回転体１３０は水面９上を漂うため迅速な回収ができる。
また、上記二酸化炭素ボンベ１３２の噴射レバー１３３を遠隔操作可能とすれば、必要に応じて二酸化炭素ボンベ１３２内のガスを胴部１３１内に噴射させて水中回転体１３０を迅速に浮上させることができる。この例では胴部１３１内に二酸化炭素ボンベ１３２を設けているが、他のガスボンベを設けるようにしてもよい。
図１６は、本発明の水流発電装置における水中回転体の他の例を示す側面図であり、図１７は、図１６に示す水中回転体の背面図、図１８は、図１６に示す水中回転体の翼の断面図である。図１６に示すように、この水中回転体１４０は、翼１４１の形状が上記実施の形態と異なっている。この翼１４１は、胴部１４２への結合基部である前端から緩やかな角度で後方に向けて傾きながら胴部１４２の外周を巻くように延びて形成されている。この例では、図１７に示すように、３枚の翼１４１が設けられ、各翼１４１の後端が隣接する翼１４１の結合基部に近接する位置まで延設され、これらの翼１４１によって正面視（図１７は背面視）で胴部１４２の周囲に広い翼面１４３が形成されている。この翼１４１の枚数や形状等は、胴部１４２の直径等の条件によって決定すればよい。また、この例では、翼１４１によって形成されている翼面１４３の面積を広くすることにより、この翼面１４３が水流１１に対して大きな抗力生じるようにしている。これにより、水流１１が遅い場合でも、水中回転体１４０の姿勢を保ちながら安定して回転できるようにしている。この水中回転体１４０でも、翼１４１は前端のみを胴部１４２に固定し、後部と胴部１４２との間に隙間を設けることにより、翼１４１に水中の浮遊物が当接したとしても後方へ流され易いようにしている。
また、図１８に示すように、この例の翼１４１の断面形状は、前面がほぼ平面で、後面が流線形状の翼断面に形成されている。翼１４１をこのような断面形状とすることにより、翼１４１の前面では抗力を生じ、後面では揚力を生じるようにし、これらの合力で水中回転体１４０が水流１１中で回転中心を保ちながら安定して回転できるようにしている。
さらに、各翼１４１内には中空部１４４が形成されており、各中空部１４４は胴部１４２の内部とは区切られた独立空間を形成している。各中空部１４４内には、水中回転体１４０を浮上させることができる気体が入っている。この浮上気体としては、空気等が用いられる。このように翼１４１の内部に中空部１４４を設け、その中空部１４４に空気を入れておくことにより、水中回転体１４０が垂直材（図１５）から外れてしまったとしても自動的に水上に浮上し、迅速な回収が可能となる。
図１９は、図１６に示す水中回転体と翼形状が異なる例の水中回転体を示す側面図である。この例の水中回転体１５０は、上記図１６に示す水中回転体１４０と翼１４１の形状が異なるものである。図示するように、この水中回転体１５０の翼１５１は、胴部１５２への結合基部である前端から大きな角度で後方に向けて傾きながら胴部１５２の外周を巻くように延びて形成されている。この水中回転体１５０も３枚の翼１５１が設けられ、各翼１５１の後端が隣接する翼１５１の結合基部に近接する位置まで延設され、これらの翼１５１によって正面視で胴部１５２の周囲に広い翼面１５３が形成されている。この例の翼１５１は、上記翼１４１に比べて翼面１５３の面積が狭く形成されているとともに、翼１５１の後方への傾斜角が大きくなっている。このような翼１５１の形状とすることにより、水流１１が速い場合でも、水中回転体１５０の姿勢を保ちながら安定して回転できるようにしている。また、この水中回転体１５０も、翼１５１の前端のみを胴部１５２に固定し、後部と胴部１５２との間に隙間を設けることにより、水中の浮遊物が当接したとしても後方へ流れ易くなっている。この例のように狭い面積の翼面１５３とするか、上記した翼１４１ように広い翼面１４３とするかは、水流１１の速度等の使用する条件によって決定すればよい。
なお、上述したいずれかの実施の形態における各構成を組合わせることは可能であり、使用条件等に応じて各実施の形態における構成を適宜組合わせて構成すればよく、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
また、上記各実施の形態におけるユニバーサルジョイント機構４５は、水中回転体をこの水中回転体軸方向と交差する方向に揺動可能に支持できる支持部であれば、他の構成であってもよい。
さらに、上述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。
本発明に係る水流発電装置は、潮流や黒潮、河川等、所定の水流が安定して得られる場所における水流発電に利用できる。
本発明の第１実施の形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。 図１に示す水流発電装置の部分拡大側面図である。 本発明の第２実施の形態に係る水流発電装置を示す拡大側面図である。 図３に示す水流発電装置の一部断面した部分拡大側面図である。 図４に示すＶ−Ｖ断面図である。 図３に示す水流発電装置における水中回転体の周囲の流体流れを模式的に示す側面図である。 図４に示すＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図である。 本発明の第３実施の形態に係る水流発電装置を示す側面図である。 本発明の第４実施の形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。 図９に示す水流発電装置の平面図である。 図９に示す水流発電装置の部分拡大断面図である。 本発明の第５実施の形態に係る水流発電装置の一部分を示す側面図である。 図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。 図１２に示す水流発電装置の一部を拡大した側面図である。 本発明の水流発電装置における水中回転体の他の例を示す拡大部分側面図である。 本発明の水流発電装置における水中回転体の他の例を示す斜視図である。 図１６に示す水中回転体の背面図である。 図１６に示す水中回転体の翼の断面図である。 図１６に示す水中回転体と翼形状が異なる例の水中回転体を示す側面図である。
符号の説明
１…水流発電装置
２…枠体
３…機器配置部
６…垂直材
９…水面
１０…水中回転体
１１…水流
１３…胴部
１４…翼
１５…支持部
２０…発電機
２３…動力伝達部
２４…保持部
３０…水流発電装置
３１…垂直材
３２…水中回転体
３３…支持部
３４…駆動側液圧ポンプ
３５…液体循環ホース
３６…巻取り機
３７…液体循環ホース
３８…従動側液圧ポンプ
３９…タービン発電機
４０…動力伝達部
４１…車輪
４２…下流側側壁
４５…ユニバーサルジョイント機構
５１…胴部
５２…前端
５３…後端
５４…翼
５５…連通穴
６０…水流発電装置
６３…浮体（ブイ）
６７…支持部
７１…発電機
７４…動力伝達部
８０…水流発電装置
８１…枠体
８４…垂直材
８５…機器配置部
８６…発電機
８７…支持筒
８８…外筒
８９…内筒
９８…支持部
１１０…水流発電装置
１１３…機器配置部
１１４…発電機
１１９…フレキシブルシャフト
１２３…支持部
１３０…水中回転体
１３１…胴部
１３２…二酸化炭素ボンベ
１４０，１５０…水中回転体
１４１，１５１…翼
１５１…翼

Claims (13)

  1. 水流で回転する水中回転体と、
    該水中回転体の前端を水中の所定位置に保持する保持部と、
    該保持部で保持した水中回転体の回転動力を水面の上方まで伝達する動力伝達部と、
    該動力伝達部で伝達した動力で駆動する水面の上方に配置した発電機と、を備え、
    前記水中回転体は、前端から後端に向けて流線形状とした胴部と、該胴部の前端と前記保持部との間で水中回転体軸方向と交差する方向に揺動可能な支持部と、該胴部の周囲から放射状に突出する複数枚の翼とを有していることを特徴とする水流発電装置。
  2. 前記水中回転体の胴部を中空に形成し、該胴部内に水が入るように外部と連通する連通穴を設けた請求項１に記載の水流発電装置。
  3. 前記連通穴を、胴部の前部と後端とに設けた請求項２に記載の水流発電装置。
  4. 前記水中回転体の胴部内に、該胴部内に気体を注入して水中回転体を浮上させる気体注入機構を具備させた請求項１〜３のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  5. 前記翼の内部に中空部を形成し、該中空部内に浮上気体を入れた請求項１〜３のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  6. 前記翼を、胴部への結合基部から後方に向けて傾きながら該胴部の外周を巻くように形成し、水中回転体の正面視における該翼の後端を隣接する翼の結合基部まで延設した請求項１〜５のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  7. 前記動力伝達部を、前記水中回転体で駆動する駆動側液圧ポンプと、該駆動側液圧ポンプで送給する液体で駆動して前記発電機を回転させる従動側液圧ポンプと、を有する液圧駆動機構で構成した請求項１〜６のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  8. 前記駆動側液圧ポンプを低速回転型ポンプとし、前記従動側液圧ポンプを高速回転型ポンプとした請求項７に記載の水流発電装置。
  9. 前記動力伝達部を、前記水中回転体で駆動する駆動軸と、該駆動軸と連結されて前記発電機を回転させる従動軸と、を有する増速駆動機構で構成した請求項１〜６のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  10. 前記動力伝達部を、前記水中回転体で駆動するフレキシブルシャフトと、該フレキシブルシャフトと連結されて前記発電機を回転させる増速駆動機構と、を有するフレキシブルシャフト駆動機構で構成した請求項１〜６のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  11. 前記保持部が、
    水底に固定する枠体と、
    該枠体の上部に位置し、前記発電機を水面の上方に配置する機器配置部と、
    前記枠体に沿って前記水中回転体と動力伝達部とを昇降させる昇降部と、を有している請求項７〜９のいずれか１項に記載の水流発電装置。
  12. 前記昇降部が、複数の前記水中回転体を枠体に沿って所定間隔で昇降させる機能を具備している請求項１１に記載の水流発電装置。
  13. 前記保持部が、水面に浮く浮体と、該浮体を所定位置に保持する碇とを備えている請求項１０に記載の水流発電装置。
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