JP2013044300A - 水流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼の端部での渦の発生を効率的に低減する。
【解決手段】実施の形態の水流発電装置は、回転軸、翼及び水流発生部を備えている。回転軸は、発電機に動力を伝達する。翼は、回転軸に対して基端部が一体的に固定され、第１の水流を受けて回転軸と共に回転する。水流発生部は、翼の先端部分に設けられ、回転中の翼の圧力面側から負圧面側へこの翼の先端を乗り越えて回り込む第２の水流を抑えるための第３の水流を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水流発電装置に関する。

水を動力として用いる発電システムには、ダムなどの高低差を利用した水車による発電、海の波力、潮汐を利用する発電、浸透膜や温度差を利用する発電など数多くの種類が存在する。中でも大容量のエネルギが容易に得られる発電システムは、高低差を利用する発電システム以外では、潮流や海流などの海水の流れを利用する発電システムである。

しかしながら、海水の流れを利用する潮流発電システムや海流発電システムは、大容量機に関して改良の余地を残しており、欧州の一部で先行して開発が進められている。

ここで、海流（又は潮流）発電システムは、海流を受けて回転する翼や発電機本体などを含む種々の設備が海中に設置されることになるため、海中に存在する生態系への影響を考慮する必要がある。具体的には、回転中の翼の端部で生じる渦の影響で魚類などが死傷する場合が考えられる。このため、発電の効率の低下を極力抑えつつこの渦の発生を低減することの可能な発電装置の開発が望まれている。

米国特許第７，５３０，２２４号公報 米国特許第７，４２５，７７２号公報

本発明が解決しようとする課題は、翼の端部での渦の発生を効率的に低減することができる水流発電装置を提供することである。

実施の形態の水流発電装置は、回転軸、翼及び水流発生部を備えている。回転軸は、発電機に動力を伝達する。翼は、回転軸に対して基端部が一体的に固定され、第１の水流を受けて回転軸と共に回転する。水流発生部は、翼の先端部分に設けられ、回転中の翼の圧力面側から負圧面側へこの翼の先端を乗り越えて回り込む第２の水流を抑えるための第３の水流を発生させる。

第１の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す側面図。 翼端渦について模式的に示す側面図。 翼を先端側からみた状態で翼端渦の発生原理を説明するための斜視図。 図１の水流発電装置が備えた水流発生部の機能を説明するための図。 第２の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す側面図。 図５の水流発電装置を示す正面図。 図５の水流発電装置が備えた翼の先端部分の構造を示す図。 第３の実施形態に係る水流発電装置が備えた翼の先端部分の構造を示す図。 第４の実施形態に係る水流発電装置が備えた翼の先端部分の構造を示す図。 第５の実施形態に係る水流発電装置が備えた翼の内部構造を示す図。 図１０に示す翼をその長手方向に沿った方向からみた断面図。 第６の実施形態に係る水流発電装置が備えた翼の先端部分の構造を示す図。 図１、図５に示す水流発電装置と設置方法が異なる他の水流発電装置を示す斜視図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本実施形態の水流発電装置１は、キャップ２と、複数の翼３と、回転軸５と、ナセル７と、支柱９と、を主に備えたプロペラ型の海流発電（又は潮流発電）システムである。

水流発電装置１は、海水に対しての耐腐食性の高い材料や、耐腐食性の高い塗料をコーティングした材料を用いた海底固定式の装置である。支柱９の下端部は、例えば水深２００ｍを超える海底に固定される。一方、支柱９の上端部は、ナセル７を底部側から支持する。

ナセル７は、発電機を内蔵する筐体である。回転軸５は、ナセル７内の発電機に動力を伝達する。つまり、回転軸５の一端部（後端部）は、ナセル７内の発電機にカップリング機構などを介して連結されている。一方、回転軸５の他端部（先端部）には、キャップ２が固定されている。

キャップ２は、図１に示すように、略円錐形状に形成されており、球状に膨出させた頂点部分２ａ、及びわずかに中央部分を凹ませた傾斜面２ｂを有する。キャップ２は、回転軸５と同軸的に配置されると共に、その頂点部分２ａが、海流（第１の水流Ｆ１）の方向と対向する向きで回転軸５に固定されている。このようなキャップ２は、頂点部分２ａで受けた海流（第１の水流）を、傾斜面２ｂによって放射状に分散して各翼３側へ送る水流分散部として機能する。

翼３は、例えば３つ設けられている。各翼３は、回転軸５に対して基端部３ａが一体的に固定され、海流（第１の水流）を受けて回転軸５と共に回転する。具体的には、翼３のぞれぞれは、回転軸５の軸方向におけるキャップ２とナセル７との間に配置されている。さらに、各翼３は、それぞれの基端部３ａが回転軸５の軸まわりに１２０°の間隔をおいて各々固定されている。

より詳細には、各翼３のそれぞれの基端部３ａは、例えば、ハブやロータなどを介して回転軸５に固定されている。また、回転軸５が一定の方向に回転する回転力を翼３のそれぞれから得られるように、個々の翼３は、圧力面（正圧面）及び負圧面のそれぞれが一定の向きにそろう形状に形成されている。なお、図１では、翼３の先端部分３ｂの構造を視覚的に把握しやすくするために、図１中の上下の翼３のひねられた形状を模式的に図示している。

このように構成された各翼３は、海流を受けてキャップ２及び回転軸５と共に一体となって回転することにより、海流を回転エネルギに変換し、さらに、出力軸としての回転軸５は、この回転力（動力）をナセル７内の発電機に伝達する。

ここで、本実施形態の水流発電装置１を用いて海流発電を行う場合、日本近海では例えば対馬海流、黒潮、親潮などが流れる海域を利用することが可能である。一方、水流発電装置１で潮流発電を行う場合、日本近海では最大級の鳴門海峡のうず潮などの利用を例示できる。しかしながら、プロペラ型の水流発電装置では、回転中の翼の先端部で生じる渦の影響で魚類などが死傷する場合が考えられ、海中に存在する生態系への影響を考慮する必要がある。

具体的には、図２、図３に比較例として示すように、海流である第１の水流Ｆ１を受けて回転方向Ｒに回転する翼１０の先端部分１０ｂでは、この翼１０の圧力面Ｐ側から負圧面Ｎ側へこの翼１０の先端を乗り越えて回り込む第２の水流Ｆ２が翼端渦Ｗとなって出現する。

そこで、本実施形態の水流発電装置１は、図４に示すように、全ての翼３の先端部分３ｂに水流発生部８が設けられている。水流発生部８は、翼端渦Ｗとなる第２の水流Ｆ２を抑えるための第３の水流Ｆ３を積極的に発生させる。この水流発生部８は、翼３の先端部分３ｂから流体を吐出（又は噴出）させる吐出部８ａを有している。吐出部８ａは、翼３の先端部分３ｂの端面に開口する複数の吐出孔８ｂによって構成されている。

これらの吐出孔８ｂから流体が吐出されることで発生する水流Ｆ３は、図４に示すように、翼３の圧力面側から負圧面側へ翼３の先端を乗り越えて回り込もうとする第２の水流Ｆ２を妨げるように作用し、この第２の水流Ｆ２を抑え込むことが可能となる。また、吐出孔８ｂが、翼３の先端部分３ｂのしかも端面に選択的に設けられていることで、翼３の回転力の低下、つまり発電効率の低下が極力抑えられる。

また、翼３の内部は例えば中空構造になっている。翼３内を通って吐出孔８ｂから吐出させる流体としては、水流発電装置１本体内に、例えば予め圧力を加えつつ蓄えておいた水や海水の他、適宜の気体などを例示することができる。また、水流発電装置１本体の外部から翼３内へ吐出用の水、海水、気体などを取り込める機構を水流発電装置１が予め備えていてもよい。

既述したように、本実施形態の水流発電装置１によれば、翼３の先端部分３ｂでの翼端渦Ｗの発生を効率良く低減することができる。これにより、海中の生態系へ水流発電が及ぼす影響を抑制することが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図５〜図７に基づき説明する。なお、これらの図において、図１〜図４に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図５〜図７に示すように、本実施形態の水流発電装置１１は、水流発電装置１に加え、取水部１４及び導水路１５をさらに有している。また、水流発電装置１１は、キャップ２及び翼３に代えて、キャップ１２及び翼１３を備えている。

取水部１４は、海流（第１の水流Ｆ１）に沿った方向から流水（海水）を取り入れる。導水路１５は、取水部１４から取り入れた流水をそれぞれの翼１３の内部を通して吐出部８ａ（複数の吐出孔８ｂ）へと導く。取水部１４は、図５、図６に示すように、キャップ１２の頂点部分１２ａに形成された取水孔１４ａ、及び、キャップ１２の傾斜面１２ｂに形成された複数の取水孔１４ｂを有する。

翼１３は、内部が中空構造で構成されている。具体的には、翼１３は、例えば圧力面側を構成するプレートと負圧面側を構成するプレートとの周縁部どうしを接合して形成されている。導水路１５は、中空の翼１３内に例えば導水用のパイプを配置することで形成されている。図７に示すように、導水路１５は、翼１３の長手方向に沿って延びる主水路１５ａと、翼１３の先端部分１３ｂの内部で主水路１５ａから各吐出孔８ｂに向けてそれぞれ分岐する複数の分岐水路１５ｂと、を備えている。

したがって、本実施形態の水流発電装置１１によれば、キャップ１２表面の取水孔１４ａ、１４ｂによって海流（第１の水流Ｆ１）に沿った方向から取り入れた海水を、導水路１５を介して各吐出孔８ｂから吐出（第３の水流を発生）させることで、翼１３の先端部分１３ｂでの翼端渦の発生を効果的に低減することができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施形態を図８に基づき説明する。なお、図８において、図７に示した第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

本実施形態の水流発電装置は、図８に示すように、第２の実施形態の翼１３に代えて翼２３を備えている。翼２３は、導水路１５の分岐水路１５ｂに代えて分岐水路１５ｃを有する。この分岐水路１５ｃには、水流増勢部２２が設けられている。水流増勢部２２は、分岐水路１５ｃ内の流水を通す開口面積を、取水部側から吐出部８ａ（吐出孔８ｂ）側へ向かう方向に除々に縮小させるように構成され、ベルヌーイの定理に基づき水流を増勢する。

したがって、本実施形態の水流発電装置によれば、分岐水路１５ｃの水流増勢部２２で増勢された水流を各吐出孔８ｂから吐出（第３の水流を発生）させることで、翼２３の先端部分２３ｂでの翼端渦の発生をより効果的に低減することができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施形態を図９に基づき説明する。なお、図９において、図３、図４に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。図９は、第４の実施形態に係る水流発電装置が備えた翼をその先端側からみた斜視図である。

本実施形態の水流発電装置は、図９に示すように、第１の実施形態の翼３に代えて翼３３を備えている。翼３３には、取水部２４が設けられている。取水部２４は、翼３３における海流（第１の水流Ｆ１）を直接受ける部位に形成された複数の取水孔２４ａを有する。さらに、翼３３には、各取水孔２４ａから取り入れた流水を当該翼３３の内部を通して各吐出孔８ｂへとそれぞれ導く複数の導水路３５が形成されている。

したがって、本実施形態の水流発電装置によれば、翼３３表面の複数の取水孔２４ａによって海流（第１の水流）に沿った方向から取り入れた海水を、導水路３５を介して各吐出孔８ｂから吐出（第３の水流を発生）させることで、翼端渦の発生を効果良く低減することができる。また、第３の実施の形態と同様に、導水路３５に水流増勢部を設けることで、翼端渦の発生をより効果的に抑えることが可能となる。

［第５の実施の形態］
次に、第５の実施形態を図１０及び図１１に基づき説明する。なお、図１０、図１１において、図３、図４に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。ここで、図１０は、第５の実施形態に係る水流発電装置が備えた翼をその厚さ方向に沿った方向からみた図である。図１１は、図１０に示す翼をその長手方向に沿った方向からみた断面図である。

本実施形態の水流発電装置は、図１０及び図１１に示すように、第１の実施形態の翼３に代えて翼４３を備えている。また、この水流発電装置は、第２の実施形態の導水路１５に代えて、導水路４５を備えている。翼４３は、例えば圧力面側を構成するプレートと負圧面側を構成するプレートとの周縁部どうしを接合して形成されており、内部が中空構造で構成されている。

さらに、この翼４３は、補強用の複数の梁（フレーム）４２を内部に有している。これらの梁４２は、翼４３の内部で例えば格子状に配置されている。また、翼４３の内部には、前述した導水路４５が設けられている。この導水路４５は、梁４２どうしの間の間隙で構成されている。

したがって、本実施形態の水流発電装置によれば、翼４３の内部に複数の梁４２を配置することによって同時に導水路４５を形成することができるので、導水路形成用のパイプなどを別途配置する必要がなく、しかも翼４３本体の機械的強度を高めることができる。

また、この水流発電装置において、導水路４５内の流水を通す開口面積を、取水部側から吐出部（吐出孔）側へ向かう方向に除々に縮小させるようにして梁４２を構成することで、第３の実施の形態と同様に、吐出部から吐出させる水流を増勢することができ、これにより、翼端渦の発生を効果的に抑制することができる。

［第６の実施の形態］
次に、第６の実施形態を図１２に基づき説明する。なお、図１２において、図４に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

本実施形態の水流発電装置は、図１２に示すように、第１の実施形態の翼３に代えて翼５３を備えている。この翼５３は、翼３の水流発生部８に代えて水流発生部５８を備えている。この水流発生部５８は、翼５３の先端部分５３ｂの圧力面（正圧面）Ｐと負圧面Ｎとの間を貫通する複数の貫通孔５８ａを有している。

これらの貫通孔５８ａにより、圧力面Ｐと負圧面Ｎとの圧力差が緩和されることなり、図４に示すように、翼３の圧力面Ｐ側から負圧面Ｎ側へ翼３の先端を乗り越えて回り込む第２の水流Ｆ２を抑えることが可能となる。また、貫通孔５８ａが、翼５３の先端部分５３ｂに選択的に設けられていることで、翼５３の動力の低下（発電効率の低下）を極力抑えることができる。

このように、本実施形態の水流発電装置によれば、翼５３の先端部分５３ｂでの翼端渦の発生を低減することができる。また、貫通孔５８ａの形成位置を避けるようにして、第１の実施形態と同様に複数の吐出孔８ｂ（水流発生部８）を翼５３の先端部分５３ｂに設けることで、翼端渦の発生をより効果的に低減することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また、例えば図１及び図５では、水流発電装置を支柱で海底に固定する固定式の水流発電装置を例示したが、これに代えて、図１３に示すように、係留式の水流発電装置６１を適用してもよい。この水流発電装置６１は、水中での浮力を発生させる構造体６２によりナセル７を介して水流発電装置本体が支持されている。この構造体６２は、係留ワイヤ６３によって海底にアンカ部６４を介して固定（アンカ）されている。上述した第１〜第６の実施形態の水流発電装置をこのような方式で設置することも可能である。

また、第１〜第６の実施形態では、主に海流発電や潮流発電など、海水の流れを利用した発電について例示したが、水深方向に対して直交する方向から水流を得られる環境であれば、海中以外の水中でも、第１〜第６の実施形態の水流発電装置を適用することが可能である。

１，１１，６１…水流発電装置、２，１２…キャップ、２ａ，１２ａ…頂点部分、２ｂ，１２ｂ…傾斜面、３，１３，２３，３３，４３，５３…翼、３ａ…翼の基端部、３ｂ，１３ｂ，２３ｂ，５３ｂ…翼の先端部分、５…回転軸、７…ナセル、８，５８…水流発生部、８ａ…吐出部、８ｂ…吐出孔、１４，２４……取水部、１４ａ，１４ｂ，２４ａ…取水孔、１５，３５，４５…導水路、１５ａ…主水路、１５ｂ，１５ｃ…分岐水路、２２…水流増勢部、４２…梁、５８ａ…貫通孔、Ｆ１…第１の水流（海流）、Ｆ２…第２の水流、Ｆ３…第３の水流、Ｎ…負圧面、Ｐ…圧力面（正圧面）、Ｒ…回転方向、Ｗ…翼端渦。

Claims (8)

1. 発電機に動力を伝達する回転軸と、
   前記回転軸に対して基端部が一体的に固定され、第１の水流を受けて前記回転軸と共に回転する翼と、
   前記翼の先端部分に設けられ、回転中の前記翼の圧力面側から負圧面側へこの翼の先端を乗り越えて回り込む第２の水流を抑えるための第３の水流を発生させる水流発生部と、
   を具備する水流発電装置。
2. 前記水流発生部は、前記翼の先端部分から流体を吐出させる吐出部を有する、
   請求項１記載の水流発電装置。
3. 前記第１の水流に沿った方向から流水を取り入れる取水部と、
   前記取水部から取り入れた流水を前記翼の内部を通して前記吐出部へと導く導水路と、
   をさらに備える請求項２記載の水流発電装置。
4. 前記回転軸と同軸的に配置され、受けた前記第１の水流を放射状に分散して前記翼側へ送る水流分散部をさらに具備し、
   前記取水部は、前記水流分散部に形成された孔を有する、
   請求項３記載の水流発電装置。
5. 前記導水路は、流水を通す開口面積を、前記取水部側から前記吐出部側へ向かう方向に除々に縮小させて水流を増勢する水流増勢部を含む、
   請求項３又は４記載の水流発電装置。
6. 前記取水部は、前記翼における前記第１の水流を直接受ける部位に形成された孔を有する、
   請求項３ないし５のいずれか１項に記載の水流発電装置。
7. 前記翼は、中空構造であると共に補強用の複数の梁を内部に有し、
   前記翼の内部を通している前記導水路は、前記梁どうしの間の間隙で構成されている、
   請求項３ないし６のいずれか１項に記載の水流発電装置。
8. 前記水流発生部は、前記翼の先端部分の圧力面と負圧面との間を貫通する貫通孔を有する、
   請求項１ないし７のいずれか１項に記載の水流発電装置。

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