JP2012225302A - 潜水式流体機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】流体エネルギーを電気エネルギーに安定させて変換することができるようにする。
【解決手段】水中に配設される潜水浮体11と、該潜水浮体11を係留するための係留ユニット12とを有する。潜水浮体11は、複数の筒状の胴部及び連結部材から成るフレーム15、並びに水流によって互いに反対方向に回転させられる少なくとも一対の水中タービン51、52を備える。各水中タービン51、52は、互いに所定の距離を置いて並列に配設される。フレーム15に加わる反力が相殺されるので、潜水浮体11が左右に傾いたり、鉛直方向軸を中心にして回転したりするのを抑制することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、潜水式流体機械に関するものである。
従来、水中にプロペラを配設し、水流、例えば、潮流が有する流体エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力を発生させるようにした潮流発電装置が提供されている。
該潮流発電装置においては、プロペラと水底に配設されたおもり部分とがロープによって接続され、潮流によってプロペラが回転させられ、回転に伴って発生させられた電力が電力施設に送られるようになっている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−74455号公報
しかしながら、前記従来の潮流発電装置においては、潮流の向きが変化すると、プロペラを水中において安定させることができず、流体エネルギーを電気エネルギーに安定させて変換することができない。
本発明は、前記従来の潮流発電装置の問題点を解決して、流体エネルギーを電気エネルギーに安定させて変換することができる潜水式流体機械を提供することを目的とする。
そのために、本発明の潜水式流体機械においては、水中に配設される潜水浮体と、該潜水浮体を所定の位置に係留するための係留ユニットとを有する。
そして、前記潜水浮体は、複数の筒状の、かつ、中空の胴部、及び該各胴部を連結する連結部材から成るフレーム、並びに該フレームによって支持され、水流によって互いに反対方向に回転させられる少なくとも一対の水中タービンを備える。
また、該各水中タービンは、互いに所定の距離を置いて並列に配設される。
本発明によれば、潜水式流体機械においては、水中に配設される潜水浮体と、該潜水浮体を所定の位置に係留するための係留ユニットとを有する。
そして、前記潜水浮体は、複数の筒状の、かつ、中空の胴部、及び該各胴部を連結する連結部材から成るフレーム、並びに該フレームによって支持され、水流によって互いに反対方向に回転させられる少なくとも一対の水中タービンを備える。
また、該各水中タービンは、互いに所定の距離を置いて並列に配設される。
この場合、複数の筒状の胴部、及び該各胴部を連結する連結部材から成るフレームによって各水中タービンが支持されるので、水流の向きが変化しても、水中タービンを水中において安定させることができる。
また、前記各水中タービンが、互いに所定の距離を置いて並列に配設されるので、フレームに加わる反力が相殺される。したがって、潜水浮体が左右に傾いたり、鉛直方向軸を中心にして回転したりするのを抑制することができ、潜水浮体を安定させることができる。
その結果、流体エネルギーを電気エネルギーに安定させて変換することができる。
本発明の実施の形態における水中発電装置の斜視図である。 本発明の実施の形態における潜水浮体の正面図である。 本発明の実施の形態における潜水浮体の平面図である。 本発明の実施の形態における潜水浮体の側面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この場合、潜水式流体機械としての水中発電装置について説明する。
図1は本発明の実施の形態における水中発電装置の斜視図である。
図において、10は水中発電装置であり、該水中発電装置10は、水中(海中)の所定の深さ、例えば、数十〔m〕〜100〔m〕の深さに潜水させて、かつ、水中で浮かせて配設される潜水浮体11、該潜水浮体11を水流、本実施の形態においては、潮流に抗して所定の位置に係留するための係留ユニット12、前記水中発電装置10が係留されている位置を知らせるために水面S上に浮かせて配設された標識としての、かつ、浮標としてのブイ16、該ブイ16と潜水浮体11とを接続する水面(海面)側の接続部材としてのワイヤ13、流体エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発生させられた電力を集める集電ユニット14等を備える。
なお、水深が200〔m〕以下の海域に前記水中発電装置10を配設する場合、数十〔m〕〜100〔m〕の深さの領域において潮流の速度が最も高くなるので、前記潜水浮体11を、水中の数十〔m〕〜100〔m〕の深さに配設し、作動させると、流体エネルギーを電気エネルギーに十分に変換することができる。また、潜水浮体11を、数十〔m〕未満の深さ、又は100〔m〕より大きい深さに配設することができる。
前記潜水浮体11は、鋼材によって三角柱の形状に形成されたフレーム15、該フレーム15によって回転自在に支持され、潮流によって対ごとに互いに反対方向に回転させられる複数の対の、本実施の形態においては、一対の水中タービン51、52、及び該各水中タービン51、52の回転に伴って電力を発生させる図示されない発電機を備える。前記水中タービン51、52は、互いにフレーム15の高さ方向における同じ位置に所定の距離(例えば、一方の水中タービンの回転が他方の水中タービンの回転に影響を与えることがなく、互いに干渉することがない距離)を置いて並列に配設される。なお、本実施の形態において、水中タービン51、52は、フレーム15の高さ方向における同じ位置に配設されるようになっているが、フレーム15の高さ方向における異なる位置に、例えば、垂直方向に並べて配設することができる。
また、前記係留ユニット12は、潮流の流れ方向における上流側、本実施の形態においては、潜水浮体11より前方の左右の2箇所に配設された複数の、本実施の形態においては、一対のアンカー部材としての水中アンカーAn1、該各水中アンカーAn1と潜水浮体11の前端とを接続する水底前側(潮流の流れ方向における上流側)の接続部材としてのチェーン・ワイヤユニット23、及び前記水中アンカーAn1と反対側の各チェーン・ワイヤユニット23の先端に取り付けられた重り24から成る前方ユニット12a、並びに潮流の流れ方向における下流側の所定の箇所に配設された複数の、本実施の形態においては、潜水浮体11の下方の左右の2箇所に配設された一対のアンカー部材としての水中アンカーAn2、該各水中アンカーAn2と潜水浮体11の後端とを接続する水底後側(潮流の流れ方向における下流側)の接続部材としてのチェーン・ワイヤユニット27、及び前記水中アンカーAn2と反対側の各チェーン・ワイヤユニット27の先端に取り付けられた重り28から成る後方ユニット12bを備える。なお、前記チェーン・ワイヤユニット23、27は、軽量化するために、水中アンカーAn1、An2の近傍、及び潜水浮体11の近傍がチェーンによって形成され、それ以外の部分がワイヤによって形成される。
前記各水中アンカーAn1、An2は潮流の流れ方向に対して直角の方向において所定の距離を置いて、水底、本実施の形態においては、海底に置かれる。
前記前方ユニット12aは、主として潮流によって潜水浮体11が下流側に移動するのを防止するために、後方ユニット12bは、主として潜水浮体11を水中における所定の深さに維持するために配設される。そのために、前記前方ユニット12aのチェーン・ワイヤユニット23は、後方ユニット12bのチェーン・ワイヤユニット27より長くされ、潜水浮体11の前端から水中アンカーAn1に向けて緩やかな角度で傾斜させられ、潜水浮体11の後端から水中アンカーAn2に向けて急な角度で(ほぼ鉛直に)傾斜させられる。
そして、前記集電ユニット14は、潜水浮体11より前方の海底に置かれた集電装置17、及び該集電装置17と潜水浮体11の前端とを接続する送電線18を備える。前記集電装置17は図示されない別の送電線を介して陸上の電力施設と接続される。
次に、前記潜水浮体11について説明する。
図2は本発明の実施の形態における潜水浮体の正面図、図3は本発明の実施の形態における潜水浮体の平面図、図4は本発明の実施の形態における潜水浮体の側面図である。
図において、11は潜水浮体、15は鋼材によって三角柱の形状に形成されたフレームであり、該フレーム15は、潜水浮体11を前方から見たときに、底辺が水平に、頂点が上端に置かれた三角形(本実施の形態においては、二等辺三角形)の形状を有する。
そして、前記フレーム15は、複数の、本実施の形態においては、4個の筒状の、かつ、中空の胴部を備え、前記三角形の頂点を形成する稜線上に、第1の胴部としての上胴部31が、底辺の一端を形成する稜線上に第2の胴部としての左胴部32が、底辺の他端を形成する稜線上に第3の胴部としての右胴部33が、底辺の中央部における前記頂点の直下の線上に第4の胴部としての中央胴部34が、互いに平行に延在させて配設される。
本実施の形態において、フレーム15は、頂点が上端に置かれた三角形の形状を有するようになっているが、頂点が下端に置かれた三角形の形状を有するようにすることができる。その場合、三角形の頂点を形成する稜線上に、第1の胴部としての下胴部が配設される。
また、前記上胴部31、左胴部32、右胴部33及び中央胴部34の前端の近傍に、前側連結位置が、前記上胴部31、左胴部32、右胴部33及び中央胴部34の後端の近傍に、後側連結位置が設定される。そして、前記前側連結位置及び後側連結位置において、上胴部31と左胴部32とが第1の連結部材としてのステー121によって、上胴部31と右胴部33とが第2の連結部材としてのステー122によって、上胴部31と中央胴部34とが第3の連結部材としてのステー123によって、左胴部32と中央胴部34とが第4の連結部材としてのステー124によって、右胴部33と中央胴部34とが第5の連結部材としてのステー125によって、ステー121のほぼ中央において、ステー121と中央胴部34とが第6の連結部材としてのステー126によって、ステー122のほぼ中央において、ステー122と中央胴部34とが第7の連結部材としてのステー127によって連結される。また、前記後側連結位置における上胴部31と前側連結位置における中央胴部34とが第8の連結部材としてのステー128によって連結される。
左胴部32及び右胴部33の後端の近傍には、上方向に突出させて第1のスタビライザ73が、中央胴部34の後端の近傍には、左右方向に突出させて第2のスタビライザ74がそれぞれ配設される。前記各第1のスタビライザ73は、潜水浮体11が左右に振れるのを抑制し、前記各第2のスタビライザ74は、潜水浮体11が上下に振れるのを抑制する。前記第1、第2ののスタビライザ73、74は、いずれも揺動自在に配設され、図示されない制御装置によって駆動部としての図示されないモータを駆動することにより、揺動させられる。
前記上胴部31、左胴部32、右胴部33及び中央胴部34は、いずれも、気密構造を有し、筒状の壁体によって中空室が形成され、前記潜水浮体11に所定の浮力が与えられる。なお、前記壁体が水圧で変形するのを防止するために、所定の圧力の高圧媒体としての圧縮空気を中空室内に充填することができる。
前記前側連結位置及び後側連結位置における、ステー121とステー126との連結部間に、前記水中タービン51及び第1の発電機筐体としての発電機室53が、ステー122とステー127との連結部間に、前記水中タービン52及び第2の発電機筐体としての発電機室54が配設され、発電機室53、54内に、それぞれ軸受け、増速器、前記発電機等が収容される。
また、潜水浮体11の前側におけるステー121とステー126との連結部に軸受け44が、潜水浮体11の前側におけるステー122とステー127との連結部に軸受け45が、潜水浮体11の後側におけるステー121とステー126との連結部に前記発電機室53が、潜水浮体11の後側におけるステー122とステー127との連結部に前記発電機室54が取り付けられ、前記軸受け44及び発電機室53内の軸受けによって水中タービン51が、前記軸受け45及び発電機室54内の軸受けによって水中タービン52が回転自在に支持される。そして、前記水中タービン51、52は潮流によって互いに反対方向に回転させられ、潜水浮体11を前方から見たときに、水中タービン51が矢印A方向(反時計回り)に、水中タービン52が矢印B方向(時計回り)に回転させられる。
前記水中タービン51は、軸受け44及び発電機室53内の軸受けによって回転自在に支持された軸61、該軸61の前端の近傍に固定された第1のハブとしての前側ハブ62、該前側ハブ62と所定の距離を置いて、かつ、前記軸61の後端の近傍に固定された第2のハブとしての後側ハブ63、及び前記前側ハブ62と後側ハブ63との間に架設された複数の、本実施の形態においては、3個の翼64を備える。該各翼64は、薄い金属プレート、本実施の形態においては、船体鋼板を湾曲させることによって形成される。前記軸61、前側ハブ62及び後側ハブ63によって翼支持部が構成される。なお、本実施の形態においては、前側ハブ62及び後側ハブ63が配設されるようになっているが、一つのハブだけを配設することができる。
前記各翼64は、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成され、ループ状の形状を有し、前側ハブ62から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第1の翼素としての前側翼部76、後側ハブ63から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第2の翼素としての後側翼部77、及び前記前側翼部76と後側翼部77とを最大半径の部分で連結し、軸61に対してほぼ平行に延びる第3の翼素としての中央翼部78を備え、前記後側翼部77は水中タービン51の回転方向における前側翼部76より下流側に形成される。
また、前記水中タービン52は、軸受け45及び発電機室54内の軸受けによって回転自在に支持された軸66、該軸66の前端の近傍に固定された第1のハブとしての前側ハブ67、該前側ハブ67と所定の距離を置いて、かつ、前記軸66の後端の近傍に固定された第2のハブとしての後側ハブ68、及び前記前側ハブ67と後側ハブ68との間に架設された複数の、本実施の形態においては、3個の翼69を備える。該各翼69は、薄い金属プレート、本実施の形態においては、船体鋼板を湾曲させることによって形成される。前記軸66、前側ハブ67及び後側ハブ68によって翼支持部が構成される。なお、本実施の形態においては、前側ハブ67及び後側ハブ68が配設されるようになっているが、一つのハブだけを配設することができる。
前記各翼69は、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成され、ループ状の形状を有し、前側ハブ67から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第1の翼素としての前側翼部81、後側ハブ68から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第2の翼素としての後側翼部82、及び前記前側翼部81と後側翼部82とを最大半径の部分で連結し、軸66に対してほぼ平行に延びる第3の翼素としての中央翼部83を備え、前記後側翼部82は水中タービン52の回転方向における前側翼部81より下流側に形成される。
そして、前記水中タービン51の回転方向において前側翼部76は後側翼部77より上流側に、水中タービン52の回転方向において前側翼部81は後側翼部82より上流側に位置させられ、水中タービン51、52が回転させられるのに伴い、後側翼部77、82は前側翼部76、81より先行して回転させられる。
なお、前記左胴部32及び右胴部33の前端の近傍には、チェーン・ワイヤユニット23を巻き取ったり、繰り出したりするための第1の係留調整装置としての接続操作部71が、前記左胴部32及び右胴部33の後端の近傍には、チェーン・ワイヤユニット27を巻き取ったり、繰り出したりするための第2の係留調整装置としての接続操作部72が水平方向に突出させて形成される。前記接続操作部71、72は、図示されない歯車装置、及び該歯車装置を回転させるための駆動部としての図示されないモータから成る。したがって、前記制御装置によってモータを駆動し、前記歯車装置を回転させることにより、左胴部32及び右胴部33と水中アンカーAn1との間のチェーン・ワイヤユニット23の長さ、左胴部32及び右胴部33と水中アンカーAn2との間のチェーン・ワイヤユニット27の長さを調整することができる。なお、接続操作部71はチェーン・ワイヤユニット23のチェーン部分と、接続操作部72はチェーン・ワイヤユニット27のチェーン部分と螺合(係合)させられる。
前記水中発電装置10においては、潮流によって水中タービン51、52が回転させられ、該水中タービン51、52の回転に伴って前記発電機が駆動され、発電が行われ、電力が発生させられる。このようにして、流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。なお、本実施の形態においては、水中タービン51、52の回転が前記発電機に伝達されるようになっているが、水中タービン51、52の回転を油圧モータに伝達し、該油圧モータを駆動することによって、発電機を駆動することができる。また、水中タービン51、52の回転を歯車機構、チェーン等の回転伝達機構を介して発電機に伝達し、発電機を駆動することができる。
このように、本実施の形態においては、フレーム15に、4個の筒状の、かつ、中空の上胴部31、左胴部32、右胴部33及び中央胴部34が、互いに平行に延在させて配設されるので、潮流の向きが変化したり、潜水浮体11に横方向から外力が加わったりしても、潜水浮体11を水中において安定させることができ、水中タービン51、52の軸61、66の向きが変化するのを抑制することができる。
また、潜水浮体11と各水中アンカーAn1とがチェーン・ワイヤユニット23によって、潜水浮体11と各水中アンカーAn2とがチェーン・ワイヤユニット27によって接続されるので、潜水浮体11を水中において安定させることができ、水中タービン51、52が回転するのに伴って、軸61、66の向きが変化することはない。
そして、ブイ16と潜水浮体11とがワイヤ13によって接続されるので、潮流の速度が高くなり、潜水浮体11が潮流の流れ方向における下流側に押されても、ワイヤ13のテンションによって、潜水浮体11が下流側に移動するのを阻止することができる。また、水中アンカーAn2と潜水浮体11とがチェーン・ワイヤユニット27によって接続されるので、潮流の速度が低くなり、潜水浮体11が浮力で上方に押されても、チェーン・ワイヤユニット27のテンションによって、潜水浮体11が上方に移動するのを阻止することができる。
すなわち、潮流の向きによって、水中タービン51、52の軸61、66の向きが変化したり、潮流の速度の高低によって、潜水浮体11が水中における深さ方向の位置が変化したりすることがないので、流体エネルギーを電気エネルギーに安定させて変換することができる。
また、前記水中タービン51、52は、互いに所定の距離を置いて並列に配設され、潮流によって互いに反対方向に回転させられるので、水中タービン51、52が回転させられるときにフレーム15に加わる反力が相殺される。したがって、潜水浮体11が左右に傾いたり(ローリングしたり)、鉛直方向軸を中心にして回転(ヨーイング)したりするのを軽減(抑制)することができ、潜水浮体11を安定させることができる。
そして、本実施の形態においては、二つの水中タービン51、52が配設されるので、該水中タービン51、52を小型化することができ、水中発電装置10のコストを低くすることができる。
また、翼64、69がループ状の形状を有しているので、翼64、69を回転させているときに水中を漂う物が当たっても、翼64、69に加わる衝撃を小さくすることができる。
本実施の形態においては、一定方向の潮流を利用して発電を行う場合について説明しているが、引潮時及び満潮時の潮流を利用して発電を行う場合は、潮が潜水浮体11の前側から後側にかけて流れたり、潜水浮体11の後側から前側にかけて流れたりするので、前記水中タービン51、52として可逆式のものが使用される。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
10 水中発電装置
11 潜水浮体
12 係留ユニット
15 フレーム
51、52 水中タービン
121〜128 ステー

Claims (5)

  1. (a)水中に配設される潜水浮体と、
    (b)該潜水浮体を所定の位置に係留するための係留ユニットとを有するとともに、
    (c)前記潜水浮体は、複数の筒状の、かつ、中空の胴部、及び該各胴部を連結する連結部材から成るフレーム、並びに該フレームによって支持され、水流によって互いに反対方向に回転させられる少なくとも一対の水中タービンを備え、
    (d)該各水中タービンは、互いに所定の距離を置いて並列に配設されることを特徴とする潜水式流体機械。
  2. (a)前記水中タービンは、前記フレームによって回転自在に支持された翼支持部、及び該翼支持部の円周方向における複数箇所に径方向外方に突出させて形成された複数の翼を備え、
    (b)該各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、前記翼支持部における第1のハブから径方向外方に延在させて配設された第1の翼素、前記翼支持部における第2のハブから径方向外方に延在させて配設された第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結する第3の翼素を有する請求項1に記載の潜水式流体機械。
  3. (a)前記係留ユニットは、水底に配設されるアンカー部材、及び前記潜水浮体と前記アンカー部材とを接続する水底側の接続部材を備え、
    (b)前記潜水浮体と前記アンカー部材との間の水底側の接続部材の長さが係留調整装置によって調整される請求項1に記載の潜水式流体機械。
  4. 前記胴部内に高圧媒体が充填される請求項1に記載の潜水式流体機械。
  5. 前記潜水浮体は水面のブイと水面側の接続部材によって接続される請求項1〜4のいずれか1項に記載の潜水式流体機械。
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