JP2011017264A - 回転体及び流体発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車のように複数の流体受け部材を有しながらも、回転体の回転を低減する作用を極力抑制できて回転力を効率的に発現させることができる流体発電用の回転体を提供する。
【解決手段】回転体３は、水に浮く材料で形成された円盤状の回転体本体４と、この回転体本体４の下面（着水面）に周方向に略等間隔に配置された複数の流体受け部材５とを有している。流体受け部材５は軟質材料で形成されており、流体が流入する受け口２１を有する袋状ないしポケット状に形成されている。受け口２１側が流体の流れに対向する部位では回転体を回転させるように膨らみ、流体の流れに逆向きとなる部位では回転体の回転に対する流体抵抗を低減する扁平状に変化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水や空気等の流体の流動エネルギーを利用して回転する回転体、該回転体の回転力を電気エネルギーに変換する流体発電装置に関するものである。

この種の発電装置としては、例えば用水路や川の水流、潮流等で水車（羽根車）を回し、その回転力で発電機を駆動する構成のものが知られている。
上記例は羽根車の一部が水没するタイプであるが、羽根車全体を水没させて使用する場合、複数の羽根は回転体に位置固定されているために、一部の羽根は水流を受けて回転体を回転させるのに作用するが、同時に他の羽根の一部は回転体の回転方向において水流に対して逆らう抵抗面となり、回転を低減するように作用する。水中使用の場合、羽根車タイプでは水平置き、垂直置きにかかわらずこのような問題が生じる。
このため、水中使用タイプでは特許文献１、２等に開示されるように、全ての羽根が回転に寄与するプロペラ方式のものが多い。
しかしながら、プロペラ方式の場合、水流方向が限定されたり、回転体と発電機とが大きく離れたりしているために発電機への入力構成が複雑化することを避けられない。
水流の変化に対応してプロペラの向きを追随させる制御も行われているが、構成の複雑化、コストアップに繋がる。

特開２００４−０６８６３８号公報 特開２００９−１１５０２７号公報

例えば水面に浮かせた回転体の下面（着水面）に複数の流体受け部材を設けて潮流を受け且つ潮流の向きにかかわらず回転させることができれば、発電機を上面側に搭載して回転力を直接伝達できるなど、極めて簡易な構成で発電効率の高い発電装置を実現することができる。

本発明は、このような着想の下に創案されたもので、羽根車のように複数の流体受け部材を有しながらも、回転体の回転を低減する作用を極力抑制できて回転力を効率的に発現させることができる回転体、該回転体を有する流体発電装置の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための、請求項１記載の発明は、回転体本体と、該回転体本体に設けられ、流体を受ける複数の流体受け部材とを有し、前記流体受け部材が受ける流体抵抗によって回転する回転体において、前記流体受け部材は、流体が流入する受け口を有し、該受け口側が流体の流れに対向する部位では前記回転体を回転させるように膨らみ、流体の流れに逆向きとなる部位では前記回転体の回転に対する流体抵抗を低減する形状に変化することを特徴とする回転体である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転体において、前記流体受け部材が柔軟性を有する材料で袋状ないしポケット状に形成されていることを特徴とする回転体である。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の回転体において、前記流体受け部材の一面を前記回転体本体の表面が兼ねることを特徴とする回転体である。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転体において、前記回転体本体が、浮力で浮くことが可能で且つ円盤状に形成され、前記流体受け部材は周方向に略等間隔で設けられていることを特徴とする回転体である。

請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転体において、前記回転体本体は上下一対の円盤からなり、前記流体受け部材は前記円盤間に周方向に略等間隔で設けられ、前記受け口は前記上下の円盤に固定されていることを特徴とする回転体である。

請求項６記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の回転体において、前記回転体本体が、複数の支持部材間に循環移動可能に掛け回された無端状の移動体であることを特徴とする回転体である。

請求項７記載の発明は、流体抵抗によって回転する回転体と、該回転体の回転により駆動される発電機とを有する流体発電装置において、前記回転体が請求項１〜６のいずれかに記載の回転体であることを特徴とする流体発電装置である。

本発明によれば、流体の流れる向きにかかわらず流動エネルギーを効率的に回転力に変換することができ、簡易且つ低コストな構成で発電効率を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る回転体の下側から見た斜視図である。 流体発電装置の要部を示す平面図である。 流体発電装置の全体構成を示す概要側面図である。 水の流れによって回転体が回転する状態を示す斜視図である。 流体受け部材の起伏動作を示す図で、（ａ）は袋状に膨らんで回転力を生じさせる状態を示す図、（ｂ）は回転力を低減する位置にきたときに抵抗を少なくするために扁平状となった状態を示す図である。 第２の実施形態に係る回転体の上側円盤を除いた平面図である。 第２の実施形態に係る回転体の概要側面図である。 第３の実施形態に係る流体発電装置の要部を示す斜視図である。 第３の実施形態に係る回転体の設置状態を示す側面図である。 第４の実施形態に係る流体発電装置の要部を示す側面図である。

本発明の実施の形態に係る流体発電装置を図面にしたがって説明する。
まず、図１〜図５に基づいて第１の実施の形態を説明する。図２及び図３に示すように、本実施の形態に係る流体発電装置１は、水面又は海面に浮き、流体抵抗（流動エネルギー）によって回転する回転体３と、回転体３の上面に設けられた発電機７と、これらのフローティングユニットを所定領域に係留する係留手段９とを有している。
回転体３は、回転体本体４と、この回転体本体４の下面（着水面）に設けられた複数の流体受け部材５とを有している。
係留手段９は、上記フローティングユニットを支持する支持アーム１１と、岩場等の不動領域に固定された支柱１３と、支持アーム１１と支柱１３との間に回動自在に連結されたリンク部材１５とを有している。
支持アーム１１の先端部にはベアリング１７が固定されており、このベアリング１７を介して図示しない回転体３の回転軸と発電機７の回転軸７ａが接続されている。
潮流による回転体３の回転力は発電機７によって電気エネルギーに変換され、得られた電力は図示しないケーブルにより蓄電器に蓄えられ、あるいは電力消費体へ送られる。

図１は、水面に浮く回転体３をその下面（着水面）側から見た斜視図である。
回転体本体４は発泡スチロール等の浮力が得られる材質で円盤状に形成されており、その下面には周方向に略等間隔に複数の流体受け部材５が設けられている。
回転体本体４の中央部は上記回転軸を固定する軸ベース１９となっている。本実施形態では回転体本体４をその材質による浮き性によって浮かせているが、内部を空洞化して浮力を得るようにしてもよい。
流体受け部材５は、ビニール樹脂等の柔軟性を有する材料で袋状ないしポケット状に形成されており、流体（水）が流入する受け口２１を同一向きにして配置されている。流体受け部材５の一面としての上面は、回転体本体４の表面が兼ねている。
流体受け部材５は、水があまり漏れないように数箇所でねじ等により回転体本体４に固定されている。もちろん、回転体本体４と接する縁を全て固着してもよい。
図１では分かり易いように、各流体受け部材５が完全に膨れた状態、換言すれば、回転体３に最も大きな回転力を与える最大の抵抗形状になった状態を示しているが、水流が作用しない状態ではこのような保形性は有しておらず、上記柔軟性によって型崩れして扁平化し、受け口２１がある程度開口した形状となるだけである。

図４に示すように、破線矢印で示す潮流（水流）は回転体３の全体に対して同一向きに流れる。この流れに対して図４の手前側の流体受け部材５は、受け口２１が水流の向きに対向するため、図５（ａ）に示すように、水が受け口２１から入り込み、袋状に膨れる。膨れた流体受け部材５は水流に対して抵抗体となり、回転体３を図４の矢印Ａ方向に回転させる回転力を生じさせる。
水が入り込んで膨れた流体受け部材５は回転体３の回転に伴って移動する。流体受け部材５が従来の水車羽根のように一定の固定形状を有している場合、回転体３の反対側では回転体３を逆向きに回転させる抵抗体となり、回転力が極端に弱まるか拮抗して回転しない状態となる。
しかしながら、本実施形態における流体受け部材５は柔軟性を有する材質で形成されているので、回転体３の反対側に近づいて流れの抵抗を受けると、図５（ｂ）に示すように、内部の水が吐き出されて扁平状となり、回転を弱める抵抗体としての影響は極力少なくなる。
このような構成とすれば、水面に浮かべておくだけでどの方向の水流も同様に利用することができ、簡易かつ低コストな構成で発電効率を高めることができる。
本実施形態では流体受け部材５の変形容易性（可変性）を柔軟な材質によって得ることとしたが、予め折り畳み可能な折り目を付けておけば、柔軟性を有する材質ではなくても上記起伏変形機能を得ることができる。

図６及び図７に基づいて第２の実施の形態を説明する。なお、上記実施の形態で説明した構成上及び機能上の重複した説明は特に必要がない限り省略し、要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
本実施形態における回転体２３は、上側円盤２５と下側円盤２７とからなる回転体本体２９と、この回転体本体２９の中心部を貫通する回転軸３１とを有している。
上側円盤２５と下側円盤２７との間には、複数（ここでは４つ）の袋状の流体受け部材３３が周方向に等間隔で配置されている。各流体受け部材３３の受け口３５の上下端は上側円盤２５と下側円盤２７とにそれぞれ斜め配置で固定された支持片３７に支持されている。
したがって、受け口３５は常に全開口した状態となっており、且つ、支持片３７に支持されてその受け口形状が変化しないため、強い抵抗を受けることができ、風力発電にも好適に用いることができる。
図６に示すように、風の向きＷに対して位置Ｐでの流体受け部材３３は大きく膨らみ、矢印Ｂ方向への回転力が生じる。
回転体２３の回転を減じる抵抗体となる位置にいくにつれて流体受け部材３３はしぼんで風に対する抵抗面積は小さくなり、回転を弱める抵抗体としての影響は極力少なくなる。
本実施形態では受け口３５の上下縁を固定する構成としたが、支持片３７を円盤間に垂直に設けて左右縁を固定するようにしてもよい。

図８及び図９に基づいて第３の実施の形態を説明する。
本実施形態における回転体３９は、図９に示すように、例えば川の傾斜面４１に設置して使用するものである。
回転体３９は、傾斜面４１に間隔をおいて固定された脚４３、４３と、各脚４３に回転可能に支持された支持部材としてのローラ４５と、これらのローラ４５間に循環移動可能に掛け回された移動体で且つ回転体本体としての無端状のベルト４７と、ベルト４７の表面に略等間隔に配置された複数の流体受け部材５とを有している。
川の流れに沿って下る方向には水流を受けて流体受け部材５が膨らんでベルト４７を回転させる回転力が生じる。上る方向においては、流体受け部材５は扁平状となり、回転を弱める抵抗体としての影響は極力少なくなる。

図１０に基づいて第４の実施の形態を説明する。
本実施形態における回転体５１は、上述したベルトやチェーンスプロケット方式の循環移動構成を有し、一部が水没する回転体本体５３と、複数の流体受け部材５とを有している。
発電機７は岸に固定された支持部材５５に支持されており、回転体本体５３は発電機７に一体に固定されたアーム５７に回動自在に連結されている。
回転体５１の回転はアーム５７内に設けられた図示しないベルト等の伝達機構によって発電機７に伝達されるようになっている。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
上記実施形態では、流体として水又は風を例示したが、ガス、蒸気、水中を上昇する泡などにおいても同様に実施することができる。

１ 流体発電装置
３ 回転体
４ 回転体本体
５、３３ 流体受け部材
２１、３５ 受け口
２５ 円盤としての上側円盤
２７ 円盤としての下側円盤
４７ 無端状の移動体としてのベルト

Claims (7)

1. 回転体本体と、該回転体本体に設けられ、流体を受ける複数の流体受け部材とを有し、前記流体受け部材が受ける流体抵抗によって回転する回転体において、
   前記流体受け部材は、流体が流入する受け口を有し、該受け口側が流体の流れに対向する部位では前記回転体を回転させるように膨らみ、流体の流れに逆向きとなる部位では前記回転体の回転に対する流体抵抗を低減する形状に変化することを特徴とする回転体。
2. 請求項１記載の回転体において、
   前記流体受け部材が柔軟性を有する材料で袋状ないしポケット状に形成されていることを特徴とする回転体。
3. 請求項２記載の回転体において、
   前記流体受け部材の一面を前記回転体本体の表面が兼ねることを特徴とする回転体。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転体において、
   前記回転体本体が、浮力で浮くことが可能で且つ円盤状に形成され、前記流体受け部材は周方向に略等間隔で設けられていることを特徴とする回転体。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転体において、
   前記回転体本体は上下一対の円盤からなり、前記流体受け部材は前記円盤間に周方向に略等間隔で設けられ、前記受け口は前記上下の円盤に固定されていることを特徴とする回転体。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の回転体において、
   前記回転体本体が、複数の支持部材間に循環移動可能に掛け回された無端状の移動体であることを特徴とする回転体。
7. 流体抵抗によって回転する回転体と、該回転体の回転により駆動される発電機とを有する流体発電装置において、
   前記回転体が請求項１〜６のいずれかに記載の回転体であることを特徴とする流体発電装置。

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