JP2014058911A - 水流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで設置することができ、台風等の外力によっても破壊されにくく、しかも安定に発電することができる、水流発電機を提供すること。
【解決手段】 上部にフロート部、下部にバラスト部を有し、これらを連結するシャフトに発電機を設けてなり、当該シャフトの軸方向にほぼ直交する、当該発電機の回転軸に複数枚のプロペラを取り付け、水流によるプロペラの回転で発電することを特徴とする水流発電装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、海流、特に海洋の中層ないし低層を流れる海流を利用して発電を行う、水流発電装置に関する。

従来、潮流や海流を利用する装置として、海底に垂直に固定された支柱に、風力発電機様のプロペラと発電機を取り付けた装置が開発されている（特許文献１、非特許文献１等）。

しかし、この方式では海底に支柱を固定するための工事が必要であり、海底の土壌や岩盤を破壊し、環境への悪影響が考えられることが問題である。また、水深が５０ｍ程度より浅い海域に潮流発電機を設置した場合、台風などの悪天候時に強風や波浪により、発電装置が破壊されるという問題がある。

一方、水深が５０ｍ程度以上の深い海には、安定した海流が流れる海域があることが知られてはいるが、上記した潮流発電装置を設置するには、深い海底に支柱を固定することが必須であり、大規模な工事が必要となるため、コスト面からは大きな問題となる。

別の方式として、フランスのランス川の河口には、ダムを設けて潮汐流を利用する発電所があり、潮位の変化を利用して水力発電を行っており、すでに４０年以上の運転実績がある。

しかしこの方式では、河口にダムを建設するために大規模工事を必要とすること、またそれに伴なう自然環境への悪影響が懸念されることがある。また、このダム方式に適した候補地には限りがあり、数多くの発電所を建設できず、基幹電力とは成り得ない。

また流線型の回転体に短いプロペラを設けた潮流発電機が開発されている（特許文献２）。しかし、大きな出力の発電機を製造するには、大型の回転体を制作する必要があり、製造コストが高くなることが問題である。また回転体を固定するための支柱が必要であり、深い海を流れる海流を使う目的には使用できない。

更に、船の形をした２個の浮体を平行に配置し、その間にプロペラを有する発電機を置いて、潮流により発電する方式が提案されている（特許文献３）。しかし、この方式は、海面に浮体があり、発電機は海面近くの水中に保持するため、台風などの荒天時に構造体が破壊される危険性がある。

特開２００４ー１６９５６４ 特開２００９−１２１２４１ 実用新案登録第３０８００８３

http://verdantpower.com/

従って、低コストで設置することができ、台風等の外力によっても破壊されにくく、しかも安定に発電することができる水流発電機を提供することが本発明の課題である。

本発明者らは、上述した問題点を解決するために検討を行った結果、基本的に上部にフロート、下部にバラストを設け、その間に発電のためのプロペラおよび発電機を取り付けた水流発電機を、水中、特に海洋の中ないし低層を流れる海流中に係留、設置することで、前述の各種の従来の技術が抱えていた問題を解決できることを見いだし、本発明を完成した。

すなわち本発明は、上部にフロート部、下部にバラスト部を有し、これらを連結するシャフトに発電機を設けてなり、当該シャフトの軸方向にほぼ直交する、当該発電機の回転軸に複数枚のプロペラを取り付け、水流によるプロペラの回転で発電することを特徴とする水流発電装置である。

本発明の水流発電装置は、極めて簡単な構成であり、低コストで製作、設置することが可能であるとともにその保守も容易である。そして、本発明の水流発電装置は、水中においてもその姿勢を安定に保つことができるものであるため、海洋の中ないし低層を流れる海流中に係留、設置することができ、今までほとんど利用されていなかったこの海流のエネルギーを有利に利用することが可能となる。

本発明の水流発電装置の一態様を示す側面図。 本発明の水流発電装置の一態様を示す背面図。 図１、２で示す水流発電装置の使用態様を示す模式図 別の態様の本発明の水流発電装置を示す図面。図中、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは背面図をそれぞれ示す。 係留索の一部を重くしてバラストとした水流発電装置の使用態様を示す図面。 本発明の水流発電装置でのフロートとバラストの作用を説明する図面

以下、図面により、本発明の好ましい形態のいくつかを説明する。

図１は、本発明の水流発電装置１１の一態様の側面図であり、図２は、その背面図である。図中、１はフロート部、２はプロペラ、３は回転軸、４は発電機、５はバラスト部であり、６はシャフトである。

本発明の水流発電装置１１は、図１および２から分かるように、上部にフロート部１および下部にバラスト部５があり、それらを結合するシャフト６の中間部にプロペラ２が取り付けられた発電機４が設置されている。

上記フロート部１は、水流発電装置１１に一定の浮力を与え、海中に安定に保持すると共に、プロペラ２の回転に伴い生じる力を、バラスト部５と共同して打ち消す働きがある。このフロート部１の形態は、水流中で抵抗が少ない形態が好ましく、例えば、偏平円状、楕円形状、紡錘形状等が望ましい。また、フロート部１は、金属またはＦＲＰ成型体の本体中に、例えば浮力を与える発泡性樹脂等を充填することで形成することができる。

一方、バラスト部５は、フロート部１の浮力と釣り合いを取り、水流発電装置１１を一定の深度の海中に保持する機能と、上記のプロペラ２の回転に伴い生じる力を打ち消す働きがある。このバラスト部５は、上記した作用に適した重量であることが必要であり、種々の金属材料により調製することができる。なお、このバラスト部５は、係留索の一部を重量の重い材料（例えば金属索）等にしても良い。

本発明の水流発電装置１１において、発電機４の回転軸３に取り付けられるプロペラ２は、水流によりプロペラ２が下流方向へ受ける力を出来るだけ低く抑えながら効率良く発電するために、近代的な風力発電機に採用されている高アスペクト比のプロペラ形状であることが好ましい。プロペラ２の先端速度は大型海洋生物の遊泳速度より遅くし、衝突を回避させる事が望ましい。例えば各種クジラの最高速度を考慮して、先端速度を毎秒１０ｍ以下、または時速３６ｋｍ以下とすることが望ましい。水流の最高速度を毎秒１.５ｍとすると、先端速度と水流の比（周速比）は ７：１以下となる。よって、プロペラ２先端のピッチ（迎え角度）は８度またはそれ以上となる。このプロペラ２は、風力発電などと比べ、強い力がかかるので、これに対応した構造とすることが好ましい。例えば、CＦＲＰ等でプロペラ２の形状を成型した後、この空隙内に ポリアミド等の樹脂を充填し、強度を高めたものを使用することが好ましい。なお、本発明で用いる発電機４としては、一定の深さの水中であっても気密が保てるものであれば、従来の潮流発電等で使用されるものが利用できる。

また、この発電機４の回転軸３は、シャフト６の軸方向に対し、ほぼ直交するようにすること（例えば、±１０゜以内）が好ましい。こうすることで、水面とほぼ平行して流れる水中の水流を使用し、安定的に発電することができる。

上記の、フロート部１、バラスト部５および発電機４を結合するシャフト６には、水流の力と、水流を受けた後のプロペラ２からの力がかかるので、強度の高いものを利用することが好ましく、例えば、ステンレスや、炭素繊維で形成したものが利用できる。なお、上記シャフト６に発電機４を取り付ける位置は、特に制約されるものではないが、後記するように、バラスト部５の重力とフロート部１の浮力でプロペラ２の回転に伴い生じる力を打ち消すため、中央部あるいはここに近い中間部とすることが好ましい。より具体的には、フロート部１と発電機４の距離はプロペラの長さより若干長い程度が好ましく、バラスト部５と発電機４の距離はプロペラの長さ程度、またはそれより短く、最短で半分程度であることが好ましい。

次に、本発明の水流発電装置１１の一使用態様を図３により説明する。図３中、８はアンカーであり、９は係留索である。

図３では、海流ａは矢印の方向に流れ、これが水流発電装置１１に当たり、背面に存在するプロペラ２を回すことで発電する。この水流発電装置１１の係留索９は、当該装置の近くで２つに分岐しているが、こうすることにより姿勢をより安定に保つことが可能となる。また、図３には記載していないが、発電機４で発電した電気を送電するためのケーブルが係留索９に沿ってアンカー８まで伸び、更にここから陸上の施設まで設置されている。

この使用態様では、本発明の水流発電装置１１は、水深５００ｍ程度の海底に設置されたアンカー８と係留索９により連結され、深さｈ１の海中に浮遊可能に設置される。この深さｈ１は、使用する海流によって決められるが、通常は水面下５０ないし１５０ｍ程度である。本発明の水流発電装置１１の大きさ（高さ）ｈ２は、４０ないし１００ｍに想定されているので、前記深度に設置したとしてもその上部は、海面下３０ないし１００ｍ程度であるため、船舶の航行の邪魔になることはない。逆にその程度の深度では、台風などで水面が荒れても影響を受けにくく、更に溶存酸素が少ないため装置の腐食を受けにくいという利点がある。

そして、上記態様で直径８０ｍのプロペラを使用し、黒潮の海流速度、毎秒１〜１．５ｍでその電気出力を算出すると、１０００〜３０００キロワットとなり、十分な水流発電が可能となる。

図４は、別の態様の水流発電装置１１を示す図面であり、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは背面図をそれぞれ示す。また、図中、７は水平翼である。

この態様の水流発電装置は、Ｂから明らかなように、シャフト６がフロート部１側へ傾いている。これは、左側からの水流が水流発電装置に当たった場合、フロート部１が右側へ傾く力がかかるが、これをバラスト部５の重力で復元し易くしているのである。また、シャフト６は、棒状でなく断面が流線型になる板状になっており、安定的に水流発電装置を水流方向に向けることが可能となる。更に水平翼７は、プロペラ２の回転により全体が傾くことを防ぐ作用を有するものである。

図５は、図３とは別の態様の水流発電装置である。この装置では、バラスト部５はないが、これに変わるものとして、重量のある金属で構成される係留索１０を装置の下部に設置し、バラスト部５と同様な作用をさせているのである。

最後に、本発明の水流発電装置１１におけるフロート部１とバラスト部５の働きについて図６により説明する。本発明の発電装置１１では、プロペラ２が水流を受けて回転し、これで発電するのであるが、この回転にはｂで示す反動回転トルクが発生する。この反動回転トルクを放置すると、装置自体が回転してしまうが、本発明では、前記フロート部１とバラスト部５（あるいはこれに対応する重量のある係留索１０）によりこの力を抑制し、発電装置１１自体が回転することを防ぐのである。

具体的に、図６のモーメント図により、フロート部１とバラスト部５による復元力を説明する。いま、発電装置本体がプロペラ２の回転に伴い、右へ角度qだけ傾いた場合、フロート部１とバラスト部５による復元モーメントは、次式で与えられる。

［ここで、Ｌ_１はプロペラ回転軸からフロートまでの距離、Ｆ_１はフロートの実効浮力
（フロート浮力から自重を引いたもの）、Ｌ_２はプロペラ回転軸からバラストまでの
距離、Ｆ_２はバラストの自重である］

この復元モーメントと、発電装置が発電に必要とするトルクとが釣り合う条件で、海流発電装置本体の傾きが決まる。発電装置の出力がＰワット、プロペラの回転速度がｆ(Hz)とすると、次の式が成立する。

（ここで、Ｔはトルクである）

上記数式（１）と（２）から、釣り合う傾きは、次の式で表される。

後記実施例で使用した試験機のパラメータ（P ＝５００ワット、 f ＝1 Hz、Ｌ_１ ＝1ｍ、Ｆ_１＝８０ｋｇ重＝８００ニュートン、Ｆ_２＝４００ｋｇ重＝４００ニュートン)を用いて算出すると、下式、

となり、これより釣り合いの角度は４度であり、殆ど傾かず安定となることが分かる。

次に実施例を挙げ本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこの実施例に何ら制約されるものではない。

実 施 例 １
図１の構造で、下の表１に示す規格の水流発電装置を製作した。この水流発電装置を用い、海流に代えて実際に船による牽引を行い、発電実験を行った。

この水流発電装置は、速度が毎秒1メートルのとき、プロペラの回転周波数は、１Hzであり、その電気出力は４００ワットであった。この際の内部ロスを考慮したプロペラの機械出力は５００ワットであった。なお、船による牽引発電のとき水流発電装置本体に大きな傾きは観測されず、非常に安定な運転が実現された。

本発明の水流発電装置は、極めて簡単な構成であり、低コストで製作、設置することが可能であるとともにその保守も容易なものである。

そして、本発明の水流発電装置は、前記したフロート部１とバラスト部５により、水中においてもその姿勢を安定に保つことができるものである。

従って、本発明の水流発電装置により、今までほとんど利用されていなかった、海洋の中層ないし低層を流れる海流のエネルギーを有効に利用することが可能となり、新たな自然エネルギーを提供することができる。

１……フロート部
２……プロペラ
３……回転軸
４……発電機
５……バラスト部
６……シャフト
７……水平翼
８……アンカー
９……係留索
１０……係留足
１１……水流発電装置

Claims (3)

1. 上部にフロート部、下部にバラスト部を有し、これらを連結するシャフトに発電機を設けてなり、当該シャフトの軸方向にほぼ直交する、当該発電機の回転軸に複数枚のプロペラを取り付け、水流によるプロペラの回転で発電することを特徴とする水流発電装置。
2. 海底に設置したアンカーに、係留索を介して接続され、全体が水中で浮遊する状態で発電する請求項１記載の水流発電装置。
3. バラスト部として、重量のある係留索を利用する請求項１または２記載の水流発電装置。
   

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