JP2011033019A - 自然エネルギー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギーを、水力、及び風力として捉え、それぞれ位置エネルギー・運動エネルギー・圧力エネルギーとして解析を行う中で、風に揺れる大樹や、海流に揺らめく巨大海草の如く、生態系や周辺環境への負荷が少ない、無理な風速、水速の創出を伴わない、流量による変換効率の高い、保守管理を容易とした、自然エネルギー発電装置を提供する。
【解決手段】流入する流体は、本装置中央前部に設けられたアール形状のガイドベーン１により強制分岐され、可変デュアルローターブレード２，３へと、圧力変動、水流に於けるベルヌーイによる減圧、乱流による速度変化を伴い、遠心力、求心力による相反回転性エネルギーを得て、後部へと導かれていく。後部ガイドベーン１−ｂは、後部流体放出部の乱流、圧力変動によるエネルギー損失の抑制と可変ロータリーブレードの回転性を保持し、エネルギー効率の高度化、環境保護と、生態系への影響の極小化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡易で環境負荷の少ない、流量による自然エネルギー発電装置に関するものである。

世界危機時計は未だに時を刻む事を止めず、その秒針は速度を増していくばかりである。化石燃料に依存した世界のエネルギー体系は、大きな変更を余儀なくされ、新エネルギーに対する緊急需要は日を追う毎に増しており、世界各国は、ある意味において総力を挙げて技術革新に取り組んでいる。しかし「新エネルギー」と同義語となる「自然エネルギー」の利用という観点に於いて、人々に、その期待する姿を容易に見せてくれることはない。人類の共有財産である、太陽光、水力、そして風を利用した発電システムは、急速な進歩を遂げており、僅かではあるが、人々に環境保全への道程を示してくれている。

この人類共有財産を活用したエネルギー創出は、未だに数多くの課題を抱えており、風力発電に於ける、生態系への影響・環境・騒音・低周波・落雷・崩壊・稼働率・景観問題、太陽光発電に於ける、コスト・稼働時間・出力変動・維持メンテナンス・製作時の膨大なエネルギー消費などが挙がられる。しかし、一部の地域では、グリッドバリティに到達する地域も見られる事から、今後の技術開発が望まれている。

風力発電に於いては、ベッツの法則により、最大効率５９％という目標値の上に研究開発がなされており、稼動効率上、横軸３ブレードのプロペラタイプ主流となっているが、特許文献１にあるジャイロタイプの高効率化も目覚しいものがある。

数ある再生エネルギーの中で、王者といわれる水力発電であるが、ダム建設による環境破壊や、建設に伴うコスト、許認可申請時における膨大な資料提出、耐久性、維持管理に伴う諸課題などから、敬遠される存在となって久しい。しかし、世界的な新エネルギーに対する緊急需要から、再び脚光を浴びる事となり、既存の新エネルギー分野の中で、製造、運転に係わる二酸化炭素排出量がもっとも少ないこと、安定的な運用が可能であること、また、政策面での見直しが急ピッチで進んでいる事などから、環境破壊を誘発するダムなどを造らず、上下水道、河川、農業用水、工場排水などを利用して発電を行う、マイクロ・ミニ・小水力発電への需要が急激に増えてきた。国内基幹農業用水の総延長が４万Km以上に及ぶこと、稼動されずに放置された小型発電施設も多数に及ぶ事などから、自然環境、特に生態系への負荷が少ない小水力発電への期待が高まっている。この水力発電分野の特筆は、年間平均稼働率が７０％から９５％に達し、実に太陽光、風力発電の４倍から５倍のエネルギー回収効率を有する事にある。

大規模な開発行為を伴わない小水力発電は、横軸ベルトン水車、横軸フランシス水車、チューブラ水車、ポンプ逆転水車、プロペラ水車などが使用され、落差２ｍから２００ｍ、流量０．２m3／ｓから２０m3／ｓにより、出力２ｋＷから２０００ｋＷの電力を得ることを目標としている。これらの既存水車は、落差、水量により運転範囲、及び適応範囲が明示されており、使用環境や、条件により選定がなされている。

特許文献３に開示された縦軸プロペラ水車を用いた水力発電装置は、予旋回流を２次予旋回として効率化と安定化を企図したシステムであるが、堰を設ける必要があり、異物除去を前提とすることから、維持管理面や、発電原価、建設単価などにおけるコスト面でも多くの課題を抱えている。特許文献５に開示された横軸プロペラ水車は、水車と発電機を一体化した優れた機能と能力を有する小水力発電装置であるが、駆動上異物除去が前提と
なり、既存の圧力管への接続を前提としたことから、汎用性という観点からは、設置条件、設置環境が限定される。

特許文献４、５などに、見られる。流水流入部から発電駆動部へと流入面積を絞り込み、ベルヌーイの法則による圧力低下、流速変化による発電駆動部におけるエネルギー回収。下流部において再度排出面積を広げ排出効率を高める工夫がなされているが、キャビテーションの発生、ロータリーブレードの絞込みによる生態系への影響、異物の事前除去の必要性が懸念される。また、構造上、機材設置環境、増水時などへの対応が不可欠となり、定期的なメンテナンスが必要とされる。

特開２００８−２４８７０２号公報 特開２００３−０６５１９９号公報 特開２００６−１８９０１４号公報 特開２００７−２７８２９７号公報 特開２００７−１７７７９７号公報 米国公開公報ＵＳ２００３／０１８６６０１Ａ１

生態系、環境負荷の低減化を図り、保守管理を容易化した、運動エネルギーの効率化が高い、流量、風量による自然エネルギー発電装置を提供する。

本発明が解決しようとする課題は、自然エネルギーを、水力、及び風力として捉え、それぞれ位置エネルギー・運動エネルギー・圧力エネルギーとして解析を行う中で、生態系や周辺環境への負荷が少ない、風に揺れる大樹や海流に揺らめく巨大海草の如く、無理な風速、水速の創出を伴わない、流量による変換効率の高度化を目指す。

流水量、受風量を確実に捕捉する為に、デュアルローター中央前部に、流入速度の確保とローターの回転性を高める為のガイドベーンを設置、流入部の受水、受風断面の強制分岐により、圧力変化、遠心力、求心力を伴った相反回転性の創出と、装置全体の駆動バランスを確保し、水中内の異物として回避していく流体特性を、可変ブレードを採用することにより、水車効率７５％オーバーの具現化及び高度化と、本発明の特性である、流量による低速回転エネルギー回収から、周辺環境保全、生態系保護、両面における負荷軽減を提供していく。

流水量、受風量の捕捉によるトルクの確保を指向しており、受水、受風容量の最大化を、アール形状のガイドベーン、及びアール形状のブレード、可変ブレード、並びに増設ガイドベーンにより実現し、同時にデュアルローター部への相反回転性と旋回力の確保を行っていく。

本発明は、センサーを要した機械駆動による風向への正対補正機能を必要とせず、中央部ガイドベーン、支柱軸の位置設定、偏圧、ローターの逆回転制御、水力の分野に於けるジェネレーターコキングトルクにより、常に風向、水流に対して正対していく、自由回転を行なう事が可能となっている。

本発明は、重要駆動部分である、発電機をセンター部ガイドベーンに埋設する事が可能であり、本体駆動上障害となる突起部の極小化を行なう事ができる。

本発明により得られた自然エネルギーは、各ローターブレードの回転素子となる駆動軸に、プーリー、及び高強度ベルトを介して、相反回転発電機へと連結される。その際、風力発電の重要要素となる風速変動や初期駆動に対して、プーリーの特性とされる無段階変速機能を活かし、柔軟に対応させていく。

本発明の特性である、デュアルローターブレードの相反回転エネルギーを確実に捕捉活用していくために、韓国、及び国内１社が保有する相反回転発電機を使用していく。

今後有効な自然エネルギー発電システムとして、小水力発電が挙げられるが、本発明によるこの分野への対応は、ケーシングを活用したダブルデュアルローターシステムを採用していく。この４軸によるエネルギー回収システムは、ベルヌーイによる減圧、流速変化の特性と、前後に配置したデュアルローター中間部で生じる乱流、容量変化による減圧、及び流速変化を、ナビエストークスによる概算数値から、両サイド、及び中央部にガイドベーンを設置、後部排出部のキャビテーションから開放部のガイドベーンを同様に配置し、前後のローター配列による位置エネルギーの回収と、流量によるエネルギー回収を行なう。

この小水力発電装置は、大きな落差と急速な流速変化を必要とする既存の装置と違い、流量によるエネルギー回収を行なっている事から、微小生物や周辺環境への影響は極小であり、市街地へ設置が想定されている、マイクロ・ミニ発電装置から発生する騒音も、本体を水没させる事から皆無である。

河川、並びに潮力、潮流の自然エネルギー回収に於いては、前述の、本発明の特性を活かして、自然災害に対する防御を行なう中で稼動を実現していく。河川中流域、上流域に設置される装置は、水位センサーにより、通常は水面域の水流を割り出して、油圧リフトにより基軸の上下を行っていくが、災害時には１０ｍ前後リフトアップがなされ、破損回避を行なう事を可能とする。
また、潮力、潮流発電に於いては、発電単位であるユニットの組み合わせにより、最小２ユニットの構成から、複数ユニットに至る、連結中央部からの投錨により固定、高流速域にて稼動させていく。風災害時や津波などの自然災害に対しては、各ユニット下部に設置された、バラスト部への海水投入により、約１０ｍの潜水を行なう事で、突発的な自然災害に対応させていく。

元来、自然エネルギーに於ける発電効率の高効率化は、速度変化の捕捉にあるとされ、その為に、高度な研究開発や設備投資、既知の産業技術などを駆使し、且つ、膨大な資金投入を行なう事により、進められてきた経緯を持つが、設置条件が満たされるなら、環境や、生態系への影響が小ないとされる、流量によるエネルギー回収を実現させていくべきである。特に水力発電における本発明は、全世界での運用が可能であり、自然エネルギーに対する緊急需要に対応する回答を、僅かではあるが、提案することが可能と思われる。

小水力発電装置、ケーシングタイプの透視斜視図である。 小水力発電装置の透視斜視図である。 小水力発電装置の流体概念図である。 小水力発電装置の流体概念図である。 自然エネルギー発電装置のフリーヨー概念図である。 小水力発電装置、ケーシングタイプの斜視図である。 小水力発電装置、後方開放型落差タイプ透視斜視図である。 小水力発電装置、エアインテークブレード透視斜視図である。 小水力発電装置、エアインテークブレード上方図である 小水力発電装置、４軸ケーシングタイプの透視斜視図である。 小水力発電装置、４軸ケーシングタイプの上方図である。 小水力発電装置、リフトアップ／ダウンの概念図である。 潮力、潮／海流発電装置の1 ユニット全体図である。 潮力、潮／海流発電装置の1 ユニット全体図である。 風力発電の設置例概念図である。

図１、２は、本実施例の透視斜視図である。世界共有の財産である自然エネルギーを、本発電装置の設置用件を満たした、世界のあらゆる地域、場所に於いて、水力、及び風力として自然エネルギーを捉え、それぞれ、位置エネルギー・運動エネルギー・圧力エネルギーによる状況解析及び分析から、周辺環境、自然への負荷軽減を行ないながら、流量による高効率の発電装置として、自然エネルギーによる発電を行っていく。

図１,３は、本実施例の透視斜視図並びに、流体概念図である。流体は、本装置中央前
部に設けられたアール形状のガイドベーン１により強制分岐され、デュアルローター２、３の可変ブレードへと、圧力変動、水流に於けるベルヌーイによる減圧、乱流による速度変化を伴い、遠心力、求心力による相反回転性エネルギーを得て、後部へと導かれていく。後部ガイドベーン１−ｂは、ロータリーブレード後部流体放出部の乱流、圧力変動によるエネルギー損失の防御と、回転性を保持する役割を持つ。

図２は、自然エネルギー回収装置の透視斜視図である。デュアルローターブレード２，３による相反回転エネルギーは、駆動素子となるプーリー４，５を介して、ガイドベーンに設置された発電機６へ、プーリーの特性となる、無段変速による初期低トルク駆動を実現しながら、高強度ベルト７によりエネルギー伝達がなされ、相反回転による高効率発電を行っていく。本発明は、定期的なメンテナンスを必要とする発電機６を、装置上部、或いは装置下部に、距離を置いて設置することが出来、フリー回転軸８に、相反回転2 重構造軸を組み込むことで、地上、或いは、水上部に発電機を置く事ができることから、発電機の維持管理の簡素化を図る効果がある。

図３、４は、水中に於ける運動エネルギー捕捉の基本概念図であるが、通常の概念では、水中内の揚力（一部マグヌス）を２〜３ブレードのプロペラ或いはスクリュー、ダリウス、クロスフローなどにより、運動エネルギー捕捉を前提としてとして展開されているが、大気中の駆動条件とは異なり、密度，Pseudoplastic Fluid から、想定、或いは期待
される周速比・トルクが得られていないのが現状である。水中の膨大な運動エネルギーを水量として捕捉していく事が大きな命題となっているが、前述の揚力をベースとした概念では、自ずから限界があり、受水量の補足を前提とした本発明の実現が望まれている。
本発明は、開放周流型の水没駆動装置であり、以下の概念により、水車効率 ０．８５
≧θ1−θ2−θ3−θ4を指向。図３において減圧による旋回流は、θ１にて、受水断面の全水量捕捉をしたと仮定した場合、想定される水流の変化は、減圧による旋回流として可変ブレードが捕捉出来ない領域がこのブレード内に存在。この領域がθ2、θ3、θ4の
マイナス要因領域となり、この領域の負荷エネルギーの解消が命題となり、フルード／ベルヌーイによる想定数値から、前部ガイドベーンの流速に比した数値構成が必要となる。θ1で捕捉した運動エネルギーは、θ2で可変ブレードによりマイナス要因となる負荷を開放し、θ3、θ4において、可変ブレードフレーム部の流体負荷数値を抑制しながら、ブレードのフレーム部への衝撃を伴うことなくθ1のエネルギー捕捉領域へ移行し、回転エネ
ルギーの捕捉を継続していく。図３の１−ｃは増設ガイドベーンであり、中央前段部ガイ
ドベーンに於ける旋回流捕捉の補助機能としてデュアルローター前部に設置され、適切な流体流入角の設定により、遷移域の特定と旋回流の捕捉域を流体内に置くことで決定され、遷移域の特定による回転エネルギーの捕捉により、層流域の水流捕捉も可能となる。

図５は風向、水流変化への対応概念図である。刻々と変化する自然エネルギーの指向性を確実に捕捉していくためには、風向、水流への即応性と追従性が不可欠である。フリー回転軸８は、ガイドベーン中央部前方に設置され、回転軸に対する受風、受水面の比率差異、デュアルローター一方の逆回転制御による偏圧、水力の分野に於けるジェネレーターコキングトルクの偏力作用などにより、常に風向、流水に正対する自由回転性の効果を持つ。

図６は増設ガイドベーンＤ−１を設置した小水力発電装置の前方斜視図であり、簡易ケーシングにより、発電効率に優れた構造体となっている。

図７は、デュアルローター回転中心部に、エアインテーク構造を持った積層型の自然エネルギー発電装置であり、圧力配管端末部へと設置されていくタイプである。
位置エネルギーの補足を前提として設計されており、導入コストが抑えられると同時に、高効率の発電能力を発揮していく。

図８、９は、(００２９)へ記載のロータリーブレードの概念図であり、前述のθ１以降の、水の粘性によるマイナス要因(θ2〜θ４）を、簡易可変ブレードによるインテークとして機能させ、躯体後部の水流の開放、放出をより効率的に実現させていく。このタイプは汎用性に優れ、取水口や、用水路端末、或いは簡易ダムなどへの設置が可能である。小型のタイプは、配管端末への流用も可能であり縦置き駆動により、高効率の小水力発電装置としての稼動を期待することができる。また、このエアインテークタイプのデュアルローターは、風力発電のブレードとして大変に有効であり、ビルの間や、サービスエリアなどへ縦型の新型風力発電装置として設置していくことが出来る。

小水力発電装置、４軸ケーシングタイプの透視斜視図
図１０は、小水力発電４軸ケーシングタイプの透視斜視図であり、用水路など、自然エネルギーの形態変動の少ない、工業用水、農業用水、灌漑用水、上下水道、河川、中上流域取水、ため池など、限定的条件下における実施例である。流入部、ケーシング１０中央に、前段デュアルローター２，３へと導かれるガイドベーン１を設け、流水を左右に分岐し、前段ローター部に正逆の水平回転要素を与え、前段ローターブレード２，３外周部、ケーシングサイドに設けられた後部ガイドベーン１―a により、後段デュアルローター２―a、３−a へと流水を導き、後段ローターブレード外周部、ケーシング中央に設けられ
たガイドベーン１−b により、それぞれ前段デュアルローターとは正逆となる水平回転が与えられる。ケーシング１０最後部に設置されたガイドベーン１−c により、急激な圧力変化の抑制と、流入部と同量の流水放出を行ない、キャビテーションの発生や、エネルギー損失を抑えていく。

図１１は、小水力発電装置の駆動部連結図である。駆動部の連結方式は、前段デュアルローターの連結、前後段ライトサイド、及びレフトサイドの組み合わせによる連結図９、前後段ライト、レフトのクロス連結図８があり、それぞれ流速、流量、水位の変動性などの設置環境、及び条件により、回転素子のプーリー径の設定と併せて組み合わせを行っていく。

この小水力発電装置は、異物の事前除去の必要性が少ない、開放周流型発電装置の特性を持ち、微小生物や、枯葉などの混入に対して、常に柔軟に対応していくことができる。

図１２から図１５は、河川、風力、並びに潮力、潮流の自然エネルギー発電装置である。前述の、本発明の特性を活かして、自然災害に対する防御を行なう中で稼動を実現していく。河川中流域、上流域に設置される装置図１２は、水位センサーにより、通常は水面域の水流を割り出して、油圧により基軸の上下を行っていくが、災害時には１０m前後リ
フトアップし、破損回避を行なう事を可能とする。風力発電分、野図１５に於いては、２００９年現在直面している数々の課題に対する回答を持っており、特に環境問題として提起されている、騒音、低周波、風災害、落雷によるブレード破壊などに対しては、条件クリアが成されている。また、潮力、潮流発電図１３、１４に於いては、発電単位であるユニットの組み合わせにより、最小２ユニットの構成から、複数ユニットに至る、連結中央部からの投錨により固定、高流速域にて稼動させていく。風災害時や津波などの自然災害に対しては、各ユニット下部に設置された、バラスト部への海水投入により、約１０ｍの潜水を行なう事で、突発的な自然災害に対応させていく。

新エネルギーに対する需要は、米国に於けるグリーンニューディール政策を初めとして、世界各国が国策として挙げている数々の政策の中に反映されている。温暖化防止という緊急テーマの基、二酸化炭素排出権取引、グリーンエネルギー関連の証明書、商品、基金、など、枚挙に暇がない。産業上、環境への負荷が少ないエネルギー創出は、世界各国、全ての企業で今や命題となっており、一日でも早い新技術創出が望まれている。

1 アール形状ガイドベーン
１−ｃ増設ガイドベーン
2 前段可変ロータリーブレードR（右サイド）
2−a 後段可変ロータリーブレードR
3 前段可変ロータリーブレードL（左サイド）
3−a 後段可変ロータリーブレードL
4 前部プーリーR
4−a 後部プーリーR
5 前部プーリーL
5−a 後部プーリーL
6 発電機
7 強化ベルト
8 フリー回転軸
9 水潤滑軸受（水力発電分野）
10 小水力発電分野ケーシング
11 小水力発電分野圧力ケーシング

Claims (8)

1. デュアルローター中央前部に、流入速度の確保とローターの回転性を高める為のガイドベーン、並びに増設ガイドベーンを設置、流入流体断面の強制分岐により、圧力変化、遠心力、求心力を伴った可変ローターブレードによる相反回転性の創出と、駆動バランスを確保、流量による、低速回転領域からのエネルギー変換効率を高めることを特徴とする、自然エネルギー発電装置
2. ガイドベーン中央前部に設置されたフリー回転軸は、回転軸を中心とする、流入流体面積の比率差異、偏圧、デュアルローター片方の逆回転制御による偏力、ジェネレーターコキングトルクの偏力作用により、常に風向、流水に正対する自由回転性の特徴を持つ請求項１記載の自然エネルギー発電装置。
3. デュアルローターによる、正逆の相反回転性エネルギーを、無段変速機能を持つ、プーリー駆動装置を介して、二重回転子を有する、相反回転型発電機へと伝達することを特徴とした、請求項１及び２に記載の自然エネルギー発電装置。
4. 流入部、ケーシング中央に、前段デュアルローターへと導かれるガイドベーンを設け、流水を左右に分岐し、前段ローター部に正逆の水平回転要素を与え、前段可変ローターブレード外周部、ケーシングサイドに設けられた後部ガイドベーンにより、後段可変デュアルローターへと流水を導き、後段ローターブレード外周部、ケーシング中央に設けられたガイドベーンにより、それぞれ前段デュアルローターとは正逆となる水平回転を与え、流水を後部へと放出する、４軸の２デュアルロータリーブレードを有する、流量によるエネルギー変換を特徴とする、請求項１及び３に記載の自然エネルギー発電装置。
5. 前記４軸の２デュアル可変ローターブレードは、環境保護のための水潤滑軸受を介し、４軸上部それぞれに、回転素子となるプーリーが与えられ、設置条件適合のため、各４素子のプーリー径、及び4 軸のタイミングベルト結合の組み合わせによる、流排出効率、キャビテーション抑制を特徴とする、請求項１及び３、４に記載の自然エネルギー発電装置。
6. ４軸の回転素子となるプーリー、高強度ベルト、及びガイドベーンに設置された発電機は、設置水深に比した高圧空気で満たされたケーシングにより、保護される事を特徴とする、請求項１及び３、４、５に記載の自然エネルギー発電装置。
7. 可変ロータリーブレードは、各ブレード上部、及び下部に補強部材を接合し、それぞれを積層することにより、高耐水圧性の確保と高速流速への対応を可能とすること、並びにエアインテークによる水の粘性からの離反性を特徴とする請求項１及び３から６に記載の自然エネルギー発電装置。
8. 請求項１から３に記載の、水量、或いは風量による、河川、河川中上流域、ダム、ため池、潮力、潮流、風力による発電装置として、周辺環境や、生態系への負荷が少ないことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の自然エネルギー発電装置。