JP2013245766A - 整流機構及び該整流機構を有する発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低速度の流体中であっても局所的に流速を増加可能な整流機構及び該整流機構を有する発電装置を提供する。
【解決手段】整流機構１０が、下流に向かって拡がるように構成されたディフューザ部１３を有する管状の外側部材１１と、前記ディフューザ部１３内に配置され且つ下流に向かって拡がるように構成された錐体状の内側部材１２とを具備し、前記ディフューザ部１３の内面と前記内側部材１２の外面との間に流路を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、整流機構及び該整流機構を有する発電装置に関する。

水や風等の流体が移動する力を利用して発電を行う発電装置が、古くから存在する。その中の１つに、海中における潮の流れ、すなわち潮流を利用した潮流発電装置が公知である（例えば、特許文献１及び２）。

ところで、最近では、海底に地震センサや津波センサ等のセンサを有する装置を設置し、地震や津波による被害を最小限にしようとする試みが行われている。こうした装置は、海底の異常をセンサで検出し、その結果を無線等で地上に伝達する。装置の動作のためには、当然電力が必要となる。電力供給の方法として、上述した潮流発電装置の利用が考えられる。

米国特許出願公開第４３８３１８２号明細書 米国特許出願公開第４８５０１９０号明細書

しかしながら、一般的に、潮流は水深が深くなるほどその速度は低速となる。例えば、水深２０００ｍでは、潮流の速度は、１〜５ｃｍ／ｓ程度である。そして、流体の運動エネルギーは、流体の質量保存の法則より、流速の３乗に比例する。このため、特許文献１及び２による潮流発電装置の発電用タービンでは、発電効率が著しく低下し、充分な発電をすることができないという問題がある。

ところで、流体の流速を増加させる手法として、風力発電では発電用タービンの周囲に下流に向かって拡がる円錐形の覆い（シュラウド）を取り付けることが有効であることが知られている。しかしながら、シュラウドを潮流、しかも深海等の低速度の潮流に利用しようとしても、シュラウドの出口開口近傍の海水がシュラウドの中に入り込む逆流が生じ、上流側に配置された発電用タービン近傍の流速を増加させることができない。従って、結局のところ、充分な発電をすることができないという問題がある。

そこで本発明は、低速度の流体中であっても局所的に流速を増加可能な整流機構及び該整流機構を有する発電装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、下流に向かって拡がるように構成されたディフューザ部を有する管状の外側部材と、前記ディフューザ部内に配置され且つ下流に向かって拡がるように構成された錐体状の内側部材とを具備し、前記ディフューザ部の内面と前記内側部材の外面との間に流路を形成する整流機構が提供される。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記流路の断面積が下流に向かって増大する整流機構が提供される。

すなわち、請求項１及び２に記載の発明では、外側部材と内側部材との間に流路を有する整流機構を用いることによって、その出口開口近傍の流体が整流機構の中に入り込む逆流を防止することができる。また、後述するような流体の挙動によって、ディフューザ部の上流端近傍の流速を効率良く増加させることが可能になるという効果を奏する。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項１又は２に記載の発明において、前記外側部材が、前記ディフューザ部の上流に配置され且つ上流に向かって拡がるように構成されたノズル部を有する整流機構が提供される。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項３に記載の発明において、前記外側部材の入口側の開口面積が出口側の開口面積よりも小さい整流機構が提供される。

すなわち、請求項３及び４に記載の発明では、上流に向かって拡がるように、すなわち下流に向かって狭まるようなノズル部をディフューザ部の上流に配置している。その結果、ノズル部の入口開口から流入した流体の流速が増加した状態で、ディフューザ部に流入する。それによって、ディフューザ部の上流端近傍の流速をさらに効率良く増加させることが可能になるという効果を奏する。

また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の整流機構と、前記ディフューザ部の上流端近傍に配置され且つ前記整流機構内を通過する流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構とを有する発電装置が提供される。

すなわち、請求項５に記載の発明では、整流機構によって流速が増加した流体の運動エネルギーを利用した、低速度の流体中であっても利用可能な発電装置を実現することが可能になるという効果を奏する。

各請求項に記載の発明によれば、低速度の流体中であっても局所的に流速を増加させることが可能になるという共通の効果を奏する。

本発明の第１実施形態による整流機構の斜視図である。 本発明の第１実施形態による整流機構の縦断面斜視図である。 本発明の第１実施形態による整流機構の縦断面図である。 本発明の第１実施形態による整流機構の流路の断面を示す図である。 流体の挙動を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による整流機構の縦断面斜視図である。 本発明の第２実施形態による整流機構の縦断面図である。 本発明の第２実施形態による整流機構を利用した発電装置の具体的な実施例を説明する図である。 本発明の整流機構を利用した発電装置の適用例を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、本発明の第１実施形態による整流機構１０の斜視図であり、図２は整流機構１０の縦断面斜視図であり、図３は整流機構１０の縦断面図である。

整流機構１０は、一方の端部から他方の端部に向かって、径が拡大するように、すなわち拡がるように構成された円形断面を備える管状の外側部材１１と、一方の端部から他方の端部に向かって拡がるように構成された円錐状の内側部材１２とを有する。外側部材１１において、特に、この拡がるように構成された部分をディフューザ部１３と称す。整流機構１０は、ディフューザ部１３の内面と内側部材１２の外面との間に流路を形成する。本実施形態において、外側部材１１の肉厚及び内側部材１２の肉厚は、それぞれ略均一に設定される。整流機構１０は、流体中では、ディフューザ部１３のより径が大きい方の端部が下流側となるように配置され、他方の端部が上流側となるように配置される。

ディフューザ部１３の径の拡大傾向は、図に示されるように、下流に行くほど大きくなるように、すなわちディフューザ部１３の外面が凹曲面であるラッパ形状となるように設定される。しかしながら、ディフューザ部１３の径の拡大傾向は、線形、すなわち円錐面状であってもよい。

ディフューザ部１３は、その内面における流体の剥離を防止するため、ディフューザ部１３内の流速の速度変化を一定にするような形状に、計算によって最適化されることが好ましい。すなわち、直進する流体の慣性に対して内面の角度が急であるときに、ディフューザ部１３の内面に対して剥離が生じ、内面近傍に逆流が生じる。図に示されたラッパ形状は、計算の結果、決定された最適化なラッパ形状である。なお、外側部材１１の内面及び外面は、流体に対する抵抗が小さくなるように平滑に形成され、材料が選定される。

内側部材１２は、外側部材１１のディフューザ部１３内に配置され、二重構造を形成する。内側部材１２は、上述したように、その外面とディフューザ部１３の内面との間に流路、特に環状の流路を形成する。流路を画成する内側部材１２の外形は、流路の断面積が下流に向かって連続的に増大するように決定される。例えば、図３において、線Ａ−Ａの断面と線Ｂ−Ｂの断面を考えた場合、図４に示されるように、線Ａ−Ａの断面における流路の断面積Ｓ１の方が、線Ｂ−Ｂの断面における流路の断面積Ｓ２よりも小さい。従って、内側部材１２は、尖った上流側の端部を有すると共に外面が凹曲面であるような円錐状の外形を有する。内側部材１２は、上述したような外形を有することによって、整流機構１０内の流体の流れをディフューザ部１３の内面に沿った方向に整流し、それによって剥離を防止する効果を奏する。その結果得られる流速を増加させる効果については、図５を参照しながら次に説明する。

なお、内側部材１２の内面及び外面は、流体に対する抵抗が小さくなるように平滑に形成され、材料が選定される。また、本実施形態では、内側部材１２の下流側の端面は、外側部材１１の下流側の端面と同一面上に配置されているが、これに限定されない。例えば、内側部材１２の下流側の端面が、外側部材１１の下流側の端面よりも下流側に突出するように配置されてもよい。

図５は、流体の挙動を説明するための図である。流速Ｖの流体中に整流機構１０を配置した場合を考える。整流機構１０の入口開口から入り込んだ流体がその出口開口に向かって流れると、上述した流路の断面積の増加に伴って、ベルヌーイの定理より入口側、すなわちディフューザ部１３の上流端近傍Ｐから出口側に向かって流速が低下するような速度勾配を生む。この時の入口側の流速をＶ１とし、出口側の流速をＶ２として、速度勾配（Ｖ１／Ｖ２）をα(α＞１)と称す。さらに、外側部材１１の外面に沿って流れる流体は、下流に向かって拡がるその外形形状によって流体が外方向へ押しやられることから圧力が上昇する。その結果、整流機構１０の出口開口外側近傍の流速は、上述の流速Ｖよりも大きくなる。その速度をβＶ(β＞１)と称す。

この時、整流機構１０から流出する流速Ｖ２の流体は、整流機構１０の外側を流れる流速βＶの流体に合流し、該流速βＶの流体によって下流方向に吸引されて加速され、流速βＶと同一速度になるような挙動を示す。その結果、ディフューザ部１３の上流端近傍Ｐの流速Ｖ１の流体は、αβＶの速度に加速されるような作用を受け、周囲の流速Ｖよりも増加した流速を有することになる。さらに、内側部材１２によって、整流機構１０の出口部分の流路が狭くなっていることから、出口近傍の流体が整流機構１０の中に入り込む逆流Ｖ’を防止することができる。

以上より、整流機構１０は、その内部への逆流を防止すると共にディフューザ部１３の上流端近傍Ｐにおける流速Ｖ１を効率良く増加させることが可能になるという効果を奏する。従って、上流端近傍Ｐに発電用タービン等の発電機構を配置することによって、深海のような低速度の潮流でも効率的な発電をすることができる発電装置を実現することが可能となる。

図６は、本発明の第２実施形態による整流機構２０の縦断面斜視図であり、図７は整流機構２０の縦断面図である。

整流機構２０は、外側部材２１と、第１実施形態による整流機構１０と同様の内側部材１２とを有する。本実施形態による整流機構２０と第１実施形態による整流機構１０との相違点は、本実施形態による整流機構２０の外側部材２１が、ディフューザ部１３の上流に配置され且つ上流に向かって拡がるように構成されたノズル部２４を有する点である。言い換えると、外側部材２１は、管状部材の中央部分を最小径部として両端部に向かって拡がるように構成されたディフューザ部１３とノズル部２４とを有する。その他の点において、両実施形態は同様である。

なお、整流機構２０は、流体中では、ディフューザ部１３が下流側となるように配置され、ノズル部２４が上流側となるように配置される。また、本実施形態において、外側部材２１の肉厚は、略均一に設定される。さらに、外側部材２１の内面及び外面は、流体に対する抵抗が小さくなるように平滑に形成され、材料が選定される。

ノズル部２４の径の拡大傾向は、図に示されるように、上流に行くほど大きくなるように、すなわちノズル部２４の外面が凹曲面であるラッパ形状となるように設定される。しかしながら、ノズル部２４の径の拡大傾向は、線形、すなわち円錐面状であってもよい。また、ノズル部２４の入口開口の直径φ１は、ディフューザ部１３の出口開口の直径φ２よりも小さい方が望ましい。すなわち、外側部材２１の入口側の開口面積は、出口側の開口面積よりも小さい方が望ましい。仮に、外側部材２１の入口側の開口面積の方が、出口側の開口面積よりも大きい場合には、入口側の開口内に流入する流体の流量が増大し、図５を参照しながら説明したように、外側部材２１の外面に沿って流れる流体の流量が減少する。その結果、整流機構２０から流出する流体に対する吸引作用が充分に得られないからである。

整流機構２０が、ノズル部２４を有することによって、その入口開口から流入した流体を、整流機構２０周囲の流体の流速（図５における流速Ｖ）に比べて、増加した流速でディフューザ部１３内に流入させることができる。すなわち、ノズル部２４は、下流に向かって狭まるような形状を有することから、ノズル部２４に流入した流体は、下流に行くほど圧縮される。そのとき上昇した圧力が運動エネルギーに変換されて、流体の流速は増加する。その結果、ディフューザ部１３の上流端近傍の流速をさらに効率良く増加させることが可能になる。

図８は、本発明の第２実施形態による整流機構２０を利用した発電装置１００の具体的な実施例を説明する図である。発電装置１００は、整流機構１１０と発電機構１２０とを有している。

整流機構１１０は、外側部材１１１と内側部材１１２と骨格部材１３０とを有している。外側部材１１１は、ディフューザ部１１３とノズル部１１４とを有している。外側部材１１１は、骨格部材１３０に対して水に対する非浸透性の薄膜素材（シュラウド）を巻き付けることで、その外形が形成される。すなわち、骨格部材１３０は、外側部材１１１の薄膜素材を巻き付けるために、軸線方向に整列した大小複数のリング部材又は円筒部材１３１を有している。特に、骨格部材１３０の両端部には、整流機構１１０の入口開口を形成する入口リング１３２と出口開口を形成する第１出口リング１３３が配置されている。

内側部材１１２は、骨格部材１３０に対して水に対する非浸透性の薄膜素材を巻き付けることで、その外形が形成される。すなわち、骨格部材１３０は、内側部材１１２の薄膜素材を巻き付けるために、図示しないが軸線方向に整列した大小複数のリング部材を有している。特に、骨格部材１３０の第１出口リング１３３は、そのリング構造内で直交する十字部材１３４を有し、第２出口リング１３５がそれに同心円状に取り付けられている。この構成によって、第１実施形態及び第２実施形態に関して説明したような、外側部材１１１と内側部材１１２との二重構造が実現される。

発電機構１２０は、整流機構１１０内に収容され、一端が支持ロッド１４０に接続された接続ロッド１２１を有し、他端にはプロペラ１２２及びモータ１２３を有している。流体によってプロペラ１２２を回転させることでモータ１２３を回転させ、それによって発電が行われる。骨格部材１３０の入口リング１３２は、そのリング構造内で直交する十字部材１３６を有し、その直交部分、すなわち入口リング１３２の中心部分には、接続ロッド１２１が整流機構１１０の軸線方向に延びるように取り付けられている。プロペラ１２２が、ディフューザ部１１３の上流端近傍、すなわち外側部材１１１の最小径部に配置されるように、接続ロッド１２１の長さや取り付け位置が調整される。

上述した発電装置１００の説明の中で、本発明の第２実施形態による整流機構２０の具体的な構成を説明したが、当該構成は、本発明の第１実施形態による整流機構１０に対しても同様に適用可能である。さらに、ディフューザ部の外側部材及び内側部材の二重構造を有する限りにおいて、その他の具体的な構成によって整流機構を実現してもよい。

図９は、本発明の整流機構を利用した発電装置１００の適用例を説明する図である。海底に固定されたアンカー１４１とブイ１４２とが、支持ロッド１４０を介してワイヤ１４３によって連結されている。ワイヤ１４３は、ブイ１４２による海面方向への浮力によって、或る程度緊張した状態を維持している。ブイ１４２の浮力によって緊張状態のワイヤ１４３に両端部が接続された支持ロッド１４０は、ワイヤ１４３の伸張方向に整列して配置されている。支持ロッド１４０の中間部には、発電装置１００が、接続ロッド１２１を介して支持ロッド１４０に対して回転可能に接続されている。従って、発電装置１００は、潮流Ｔの方向変化に対応して、整流機構１１０の軸線方向と流体の流れの方向とが整列するように、受動的に方向変化が可能となっている。また、発電装置１００は、支持ロッド１４０に接続されていることから、発電機構１２０のプロペラ１２２の回転による反力が抑えられ、発電装置１００全体が軸線周りに回転することが防止される。

アンカー１４１には、地震センサや津波センサ等のセンサ１４４が接続され、センサ１４４による信号は、図示しない通信ケーブルを介して、ブイ１４２の内部に配置された通信ユニット１４５へと伝達される。ブイ１４２の内部には、通信ユニット１４５の他に、蓄電池１４６も配置されている。発電装置１００によって発電された電気は、図示しない送電ケーブルを介して、蓄電池１４６へ送電され、そこに蓄電される。蓄電池１４６は、センサ１４４及び通信ユニット１４５に対してその動作に必要な電力を、図示しない給電ケーブルを介して供給している。センサ１４４による信号は、通信ユニット１４５から通信ケーブル１４７及びアンテナ１４８を介して送信される。

上述の実施形態による整流機構は、その流路が円形断面を有するものであったが、四角形や六角形等の多角形の断面の流路を有するように構成してもよい。また、本発明による実施例として、水、特に海の中の潮流を利用する場合について説明してきた。当然のことながら、その他の流体、例えば空気や油等においても本発明を適用してもよい。しかしながら、非圧縮性流体が好ましい。本発明による整流機構は、図５を参照しながら説明したように、特に、同一又は単一の流体媒体中においてより機能を発揮する。

１０ 整流機構
１１ 外側部材
１２ 内側部材
１３ ディフューザ部

Claims (5)

1. 下流に向かって拡がるように構成されたディフューザ部を有する管状の外側部材と、前記ディフューザ部内に配置され且つ下流に向かって拡がるように構成された錐体状の内側部材とを具備し、前記ディフューザ部の内面と前記内側部材の外面との間に流路を形成する整流機構。
2. 前記流路の断面積が下流に向かって増大する請求項１に記載の整流機構。
3. 前記外側部材が、前記ディフューザ部の上流に配置され且つ上流に向かって拡がるように構成されたノズル部を有する請求項１又は２に記載の整流機構。
4. 前記外側部材の入口側の開口面積が出口側の開口面積よりも小さい請求項３に記載の整流機構。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の整流機構と、前記ディフューザ部の上流端近傍に配置され且つ前記整流機構内を通過する流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構とを有する発電装置。

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