JP2012225302A

JP2012225302A - 潜水式流体機械

Info

Publication number: JP2012225302A
Application number: JP2011095103A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yoshida; 穰吉田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-11-15

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。

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

（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。
（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。
（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。
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。
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。