JP2010031793A

JP2010031793A - 潮流発電装置

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Publication number: JP2010031793A
Application number: JP2008196351A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Oe; 通博大江
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP4750830B2

Abstract

【課題】潮流発電において、漂流物等の流入による水車の回転障害の対応問題と潮流の時間経過での流れの逆転現象の対応問題を解決すると共に回転力伝達ロスの大きいチェーン等を用いず水車の脈動の影響も回避して、良好な発電を可能とする。
【解決手段】水流に対し且つ水面に対し直交方向の回転軸を有する水車と流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするために板状部材で一端部を回転軸として限定範囲を回動可能であり潮流の流れの逆転現象に対しても有効に導水出来る板状導水部材とを具有し且つ水車と板状導水部材とが装置の平面的中央部を対称軸として対称形態で一対をなしていると共に、一対の水車と板状導水部材とを囲繞する角筒状部位と、漂流物の流入防止のため角筒状部位の両端開口部に配設された板状長尺部材が水流に対して角度をなし且つ平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、更に、水車の回転力の伝達機構として歯車を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、潮流を利用し発電する潮流発電に関し、詳しくは、難題である潮流の時間経過での流れ方向の逆転現象にも容易に対応可能であり、漂流物や魚等による水車の回転障害も防止出来ると共に、水車の回転力の伝達ロスが少なくしかも良好な発電が可能な潮流発電装置に関する。

近年、埋蔵化石エネルギー資源の枯渇問題や燃焼により排出される二酸化炭素等による地球環境の悪化の問題等から、地球環境に優しい自然エネルギーである水力、風力、太陽光エネルギー等の利用技術が注目され、潮流を利用した潮流発電においても、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、等の幾多の提案が既になされて来ている。発電装置としては、水車がプロペラ方式や羽根部が板状の横軸ランナー方式等の種々の方式があるが、方式に関わりなく、流水を拘束をした方が発電能力を高められるため、筒状体に水車を内装した形態が多い。

しかし、従来提案技術を実用化しようとした場合には、何れの提案技術も漂流物や魚等が流入し水車の回転障害を惹起するという問題点がある。このため、水車の回転障害となる漂流物や魚等の流入を防止する対策が必要となって来る。

また、潮流を利用して発電するためには、潮流は時間経過で流れ方向の逆転現象が生ずるという問題点もある。この潮流の流れ方向の逆転現象への対応策は容易ではなく従来提案技術はその対応策が不十分である。特許文献１、特許文献３、特許文献４の例のプロペラ方式の水車の場合では、流れ方向の逆転現象に一応対応可能ではあるが羽根（ブレード）は流れ方向の逆転時には回転力は著しく低下するので、羽根の向きを水流に正対させる必要があるが、対応策が充分ではないという問題点があると共に、プロペラ方式の水車は水流が低速であればエネルギー変換効率は著しく低下するという問題点もある。また、発電効率を高めるための筒状体は円筒形状が好ましいがバランス的に不安定であり、角筒形状にした場合は四隅に無効水流域が生じ効率が悪くなるという問題点が生じる。一方、特許文献２の例の羽根部が板状の横軸ランナー方式の水車の場合では、水車の全領域で水流を受けると水車の回転力としては負の作用が働く部分が生じるため得られる回転力は小さくなるのでこれを解決する対策が必要であるという問題点があると共に、下流側を出来るだけ広げて水流を速やかに解放出来る状態にしなければ水車は良好に回転出来ない。前記問題点の対策がなされた場合には水流が低速でも回転トルクとしてのエネルギー変換が比較的良好に行えるという面もあるが発電のための適切な回転数に変換する必要があるという問題点もある。そして、ランナー方式の水車の場合には羽根（ランナー）の枚数が少ない時には回転時の脈動が顕著になるという問題点もある。

そして、プロペラ方式や羽根部が板状のランナー方式等の方式に関係なく水車の回転軸が水面に平行な場合には、水車の回転軸に近接させて発電機を配設すれば水流の大きな抵抗体となるか装置がアンバランスとなり、発電機を水車の上部等配設すると回転力の伝達方法は無端チェーンやベルト等を用いた方法が主となるため歯車同士による伝達方法よりも回転力の伝達効率が悪化することは避け難いという問題点もある。この様に、潮流を利用して良好な発電を可能とするためには、従来技術には解決すべき多くの問題点を抱えている。
特開２００５−３５１２０１号公報特開２００５−２７３４６４号公報特開２００５−２４０７８６号公報特開平１０−１１５２７８号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来技術の問題点である、漂流物や魚等が流入し水車の回転障害を惹起するという問題点、及び、潮流の時間経過での流れ方向の逆転現象への対応が不十分であるという問題点であると共に、羽根部が板状のランナー方式の水車を用いる場合には水車が全領域で水流を受けると水車の回転力としては負の作用が働く部分が生じるため得られる回転力は小さくなるという問題点および羽根の枚数が少ない時には回転時の脈動が顕著になるという問題点並びに回転力の伝達方法としては無端チェーンやベルト等を用いた場合には歯車同士による伝達方法よりも回転力の伝達効率が悪化するという問題点等があることを勘案し、それらの問題点を解決して良好な発電が期待出来る潮流発電装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明の潮流発電装置は、羽根が板状で水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸を有する水車と流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状部材で一端部を回転軸として限定範囲を回動可能であり潮流の流れ方向の逆転現象に対しても有効に導水出来る様に水車の上流側と下流側両側に配設された板状導水部材とを具有し且つ前記水車と板状導水部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されているとともに、前記一対の水車と板状導水部材とを囲繞する角筒状部位を具有し、更に、前記角筒状部位の両端開口部に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材を水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車の回転力を歯車による回転伝達機構で発電機に伝達して発電出来る様にしていることを最も主要な特徴とする。

更に、前記一対の水車の中間部と角筒状部位の両側部内側に一対の水車軸を結ぶ線から下流方向に各々の水車軸心角度として約１０〜３０度を目処とした範囲に水車の外周に沿い僅少の間隙を確保し湾曲状をなした水流制御補助部材が付設されていることを特徴とする。

付加して、前記角筒状部位の両端開口部の近傍外周部に、下流側の開口部への外部側流水の回り込みを抑制するため、回動可能で上流側に位置する場合には開角が約１０〜３０度の範囲の角度をなし且つ下流側に位置する場合には開角が約４０〜８０度の範囲の角度をなすことが出来る外部流水誘導部材が付設されていることを特徴とする。

更に付加して、前記角筒状部位の少なくとも上部に浮力機能部位を具有し浮体式であることを特徴とする。

本発明によれば、水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材を水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有させ、流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状部材で一端部を回転軸として限定範囲を回動可能であり潮流の流れ方向の逆転現象に対しても有効に導水出来る様に水車の上流側と下流側両側に配設された板状導水部材とを具有させることにより、漂流物や魚等が流入し水車の回転障害を惹起するという問題点および潮流の時間経過での流れ方向の逆転現象への対応の問題点が容易に解決出来る潮流発電装置を提供出来る様になる。

そして、羽根部が板状のランナー方式の水車を用いる場合には水車が全領域で水流を受けると水車の回転力としては負の作用が働く部分が生じるため得られる回転力は小さくなるという問題点は流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にすることにより解決出来て水車の回転力を高めることが出来、羽根の枚数が少ない時には回転時の脈動が顕著になるという問題点は水車を一対として用いることにより解決出来て、水車の回転力の発電機への伝達方法として歯車を用いるので回転力の伝達ロスは少なくなり、更に、一対の水車の中間部と角筒状部位の両側部内側に一対の水車軸を結ぶ線から下流方向に各々の水車軸心角度として約１０〜３０度を目処とした範囲に水車の外周に沿い僅少の間隙を確保し湾曲状をなした水流制御補助部材を配設すると共に、角筒状部位の両端開口部の近傍外周部に下流側の開口部への外部側流水の回り込みを抑制するために回動可能で上流側に位置する場合には開角が約１０〜３０度の範囲の角度をなし且つ下流側に位置する場合には開角が約４０〜８０度の範囲の角度をなすことが出来る外部流水誘導部材を配設することにより、流水エネルギーを水車の回転力としてより有効に変換することが期待出来るため、良好な発電が期待出来る潮流発電装置を提供出来る様になる。

また、浮体式も有することにより様々な水流条件や水深条件の場所でも広範に且つ容易に活用出来ると共に、海洋や海峡の潮流のみならず、浅瀬や護岸付近の波力も混在した水力を利用した発電にも活用が期待出来る潮流発電装置を提供出来る様になる。

以下、本発明の実施の形態例を図を参照して説明する。
図１〜８は本発明装置の一形態例の説明図である。図１、図２は平面断面図、図３は側面断面図、図４は側面図、図５、図６は正面断面図、図７は正面図である。図８は外部流水誘導部材が配設される場合の平面断面図である。図９は浮体式の場合の例の側面断面図である。図１０は浮体式の場合の繋留方法例の説明図である。図１１は本発明装置に用いる水車の形状例の説明図である。

［実施例１］
本発明の実施の一形態例を図を参照して説明する。本発明装置１は、図１〜図７に示す様に、形態保持のために骨格部材７１により骨格形成されていて、装置本体の主要部としては、羽根１２が板状で水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸１１を有する図１１に詳細を示す水車１０と流水の水力が水車１０の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状部材で一端部を回転軸として限定範囲を回動可能であり潮流の流れ方向の逆転現象に対しても有効に導水出来る様に水車の上流側と下流側両側に配設された板状導水部材２１とを具有し且つ水車１０と板状導水部材２１とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されているとともに、一対の水車１０と板状導水部材２１とを囲繞する角筒状部位３０を具有し、更に、角筒状部位３０の両端開口部に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材４１を水流に対して傾斜角θ２が約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車１０の回転力を歯車５２による回転伝達機構で発電機５１に伝達して発電出来る様にしている。そして、流水エネルギーを水車１０の回転力により有効に変換させるために、付加して、図１に示す様に、一対の水車１０の中間部と角筒状部位３０の両側部内側に一対の水車軸を結ぶ線から下流方向に各々の水車軸心角度として約１０〜３０度を目処とした範囲に水車の外周に沿い僅少の間隙を確保し湾曲状をなした水流制御補助部材６１が付設されていて、更には、図８に示す様に、角筒状部位３０の両端開口部の近傍外周部に下流側の開口部への外部側流水の回り込みを抑制するために回動可能で上流側に位置する場合には開角θ３が約１０〜３０度の範囲の角度をなし且つ下流側に位置する場合には開角θ４が約４０〜８０度の範囲の角度をなすことが出来る外部流水誘導部材６２が付設されている。そして、本装置１の設置方法としては、例えば、図３〜図７に示す様に、装置基礎１００を介して水底地盤等１１０に固設される。尚、装置基礎１００は杭打ち方式でも良く、本発明の目的を達成出来る水底地盤等への固設方法であれば限定はされない。また、本装置１は、図示は省略するが、角筒状部位３０と発電機５１との間に回転軸１１と骨格部材７１のみを延長させ空間を確保し外部流水が流れる様にした形態のものでも良い。

［実施例２］
次に、本発明の実施の他の形態例として、浮体式の場合の例を説明する。本発明装置１は、図９に示す様に、角筒状部位３０の少なくとも上部に浮力機能部位８０を具有していて上部の一部が水面上に露出する浮体式となっている。これにより、水車１０は干満に関係なく常時水中にある状態が保たれる。そして、本装置１の繋留方法としては、例えば、図１０（Ｇ）に示す様に、繋留架構９１を水底地盤等１１０に装置基礎１００を介して固設し、装置本体側にスライドガイド部材９２を付設して装置本体が繋留架構９１の縦部材に沿って上下にスライド出来る様にした繋留方式や、図１０（Ｈ）に示す様に、繋留索・チェーン等９３でアンカーブロック等９４に繋留する繋留方式が考えられるが、本発明の目的を達成出来る繋留方式であれば限定はされない。

以下、主要な部位・部材等について特記すべきことを記載する。
水車１０に関しては、図１１に示す様に、主要部が、回転軸１１と板状部材で断面形状が水力を効果的に回転力に変換出来うる彎曲又は屈曲形状をした羽根１２と羽根１２を両端で支持する円盤状部材１３からなり、図５に示す様に、骨格部材７１に軸受部材を介して回転可能な状態で留め付けられている。そして、羽根１２の枚数は８〜２０枚程度の範囲とし、軸からの間隙寸法は回転半径の約１／３〜１／２の寸法を目処とした形態が好ましい。また、羽根１２の回転位相位置を図１においては対称位置に表示しているが、実際には調整して対称位置から少しずらして脈動の影響を低減させる。そして、水車の規模が大きくなる場合には中間部にも円盤状部材１３が適宜配設されて良い。また、材質としては、例えば、ステンレス又は非鉄金属材、合金材もしくは高強度で耐久性及び耐食性を有するエンジニアリングプラスチック又はＦＲＰやＣＦＲＰ等のプラスチック複合材等が考えられ好ましいが、防錆処理が施された鉄鋼でも良く、前述以外の材質でも本発明の目的を達成出来るものであれば限定されない。そして、他の部位・部材の材質に関しても、与条件を勘案し前述の材質の中から適切なものを適宜選択して用いられる。

板状導水部材２１に関しては、図１に示す様に、回転軸側端部２１ａを回転軸として回動可能であり、丸棒状の回動範囲限定部材Ａ２２と回動範囲限定部材Ｂ２３および板状の回動範囲限定部材Ｃ２４ならびに角筒状部位３０の両側部により回動範囲が限定される。そして、板状導水部材２１は導水機能を発揮する場合の水流に対しての傾斜角θ１は約３０〜６０度の範囲を目処として設定される。また、回動範囲限定部材Ａ２２は水車１０の軸心延長線上より若干外部側の位置に配設され、回動範囲限定部材Ｂ２３は水車１０の軸心延長線上より若干内部側の位置に配設される。

角筒状部位３０に関しては、板状部材にて形成され外部側から骨格部材７１にて強度補強され形態保持される。また、筋状スクリーン部位に関しては、図１、図４、図７に示す様に、板状長尺部材４１が平面的に装置の中央線部から角筒状部位３０の開口部の両側端部に向かって傾斜角θ２が約３０〜６０度の範囲の角度をなして配設され、中央部は形態保持補強部材４２に固設され両端部は骨格部材７１に固設され形態保持される。

発電機５１に関しては、防水型発電機が好ましく、発電出力規模およびその他の与条件を勘案して仕様を設定し其れに好適なものが選定され用いられてよく本発明の目的を達成出来るものであれば限定されないが、発電効率の向上の観点から永久磁石式同期発電機が好適である。そして、歯車５２に関しては、装置規模および回転数等の与条件から用いる歯車の大きさや数等が設定され其れに好適なものが選定され用いられてよい。

水流制御補助部材６１に関しては、上流側は鋭角にすることが好ましく、下流側に水流に悪影響を及ぼさない様に配慮して形態保持補強のための補強部材を付設することが好ましい。そして、外部流水誘導部材６２に関しては、上流側に位置する場合には開角θ３が約１０〜３０度の範囲の角度をなし且つ下流側に位置する場合には開角θ４が約４０〜８０度の範囲の角度をなすことが出来る様にするためには、例えば、図８に示す様に、ヒンジ機構を活用して、外部流水誘導部材６２が所定の角度をなした状態の維持を可能とする板状の角度保持部材６２ａを外部流水誘導部材６２に適宜な位置及び間隔で付設する方法が考えられるが、他の方法でも前述と同様な本発明の目的を達成出来る方法であれば用いられてよく限定されない。

浮力機能部位８０に関しては、角筒状部位３０の上部だけでなく側部および下部にも適宜付設されて良い。その場合は本装置の安定性を勘案して配設される。また、所要の浮力を確保するためには、縦方向の寸法拡大のみならず、図１０に示す様に横方向の寸法拡大により体積確保することも出来て好ましい。そして、浮力機能を確保する方法としては、例えば、防食処理鋼又はステンレス、非鉄金属材・合金材、高強度・高耐久エンジニアリングプラスチック、ＦＲＰやＣＦＲＰ等のプラスチック複合材等の高強度で耐久性および耐食性等を有する材質の板状部材を外周部に用いて内部に気密空間を確保して気密タンクとする方法が考えられ、他には、気密が多少欠損しても浮力機能を損なわない様に、例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリウレタン等の独立気泡樹脂発泡体を内部に充填する方法も考えられ好ましく、内部にゴム質の材料を用いてゴム風船玉やタイヤのチューブの様に空気を注入して浮力機能を発揮する様な形態の方法でもよく、本発明の目的を達成出来る浮力機能を有する限りその手段は限定されない。

本発明装置の一形態例の説明図であり、図５に示すＡ−Ａ位置の平面断面図である。（Ａ）左から水流が有る場合の説明図（Ｂ）右から水流が有る場合の説明図図１と同じ例の説明図。（Ｃ）図５に示すＢ−Ｂ位置の平面断面図（Ｄ）図５に示すＣ−Ｃ位置の平面断面図図１と同じ例の説明図であり、図５に示すＤ−Ｄ位置の側面断面図である。図１と同じ例の説明図であり、側面図である。図１と同じ例の説明図であり、図３に示すＥ−Ｅ位置の正面断面図である。図１と同じ例の説明図であり、図３に示すＦ−Ｆ位置の正面断面図である。図１と同じ例の説明図であり、正面図である。外部流水誘導部材が付設されている例の平面断面説明図である。（Ｅ）左から水流が有る場合の説明図（Ｆ）右から水流が有る場合の説明図浮体式の場合の例の側面断面図である。浮体式の場合の繋留方法例の説明図である。（Ｇ）繋留架構方式による繋留方法例の説明図（Ｈ）繋留索・チェーン等による繋留方法例の説明図本発明装置に用いる水車の形状例の説明図である。（Ｉ）１形態例の平面断面図（Ｊ）円盤状部材が端部のみに配設した例の正面図（Ｋ）端部の円盤状部材と同じ部材を中間部にも配設した例の正面図

符号の説明

１；本発明の水力発電装置
１０；水車
１１；回転軸
１２；羽根
１３；円盤状部材
２１；板状導水部材
２１ａ；板状導水部材の回転軸側端部
２２；板状導水部材の回動範囲限定部材Ａ
２３；板状導水部材の回動範囲限定部材Ｂ
２４；板状導水部材の回動範囲限定部材Ｃ
３０；角筒状部位
４１；スクリーン部位の板状長尺部材
４２；スクリーン部位の形態保持補強部材
５１；発電機
５２；歯車
６１；水流制御補助部材
６２；外部流水誘導部材
６２ａ；外部流水誘導部材の角度保持部材
７１；骨格部材
７２；板状部材
８０；浮力機能部位
９１；繋留架構
９２；スライドガイド部材
９３；繋留索・チェーン等
９４；アンカーブロック等
１００；装置基礎
１１０；水底地盤等

Claims

羽根が板状で水流に対し直交方向で且つ水面に対し直交方向の回転軸を有する水車と流水の水力が水車の回転力に有効に働かない約半分の領域の流水を水車の回転力に寄与する側の領域に導水出来る様にするための板状部材で一端部を回転軸として限定範囲を回動可能であり潮流の流れ方向の逆転現象に対しても有効に導水出来る様に水車の上流側と下流側両側に配設された板状導水部材とを具有し且つ前記水車と板状導水部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなして配設されているとともに、前記一対の水車と板状導水部材とを囲繞する角筒状部位を具有し、更に、前記角筒状部位の両端開口部に配設される部位で水車の回転に障害となる漂流物や魚等の流入を防止するために板状長尺部材を水流に対して約３０〜６０度の範囲の角度をなし且つ約２０〜５０ｍｍの範囲の間隔で平行に配列した筋状スクリーン部位を具有し、水車の回転力を歯車による回転伝達機構で発電機に伝達して発電出来る様にしていることを特徴とする潮流発電装置。
前記一対の水車の中間部と角筒状部位の両側部内側に一対の水車軸を結ぶ線から下流方向に各々の水車軸心角度として約１０〜３０度を目処とした範囲に水車の外周に沿い僅少の間隙を確保し湾曲状をなした水流制御補助部材が付設されていることを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
前記角筒状部位の両端開口部の近傍外周部に、下流側の開口部への外部側流水の回り込みを抑制するため、回動可能で上流側に位置する場合には開角が約１０〜３０度の範囲の角度をなし且つ下流側に位置する場合には開角が約４０〜８０度の範囲の角度をなすことが出来る外部流水誘導部材が付設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の潮流発電装置。
前記角筒状部位の少なくとも上部に浮力機能部位を具有し浮体式であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の潮流発電装置。