JP2014111932A - フラッター水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼の往復運動方向が変わる際にも発電機の駆動軸の回転を停止させることなく、効率良く発電を行うことが可能なフラッター水力発電装置の提供。
【解決手段】発電機の駆動軸を回転させる回転軸４と、水の流れに浸漬させてフラッター現象を生起させる翼２と、翼２を回動可能に支持し、翼２とともに往復動する支持部材３と、支持部材３の往復動により回転軸４を回転させる第１のリンク機構５と、回転軸４の回転により、支持部材３の往復動方向の転換点近傍で翼２が水の流れに対する迎え角をプラスマイナス転換するように、翼２を回動させる第２のリンク機構６とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、水の流れの中で生起させたフラッター現象を利用して水のエネルギーを電力に変換するフラッター水力発電装置に関する。

従来、水の流れの中で生起させたフラッター現象を利用して水のエネルギーを電力に変換するフラッター水力発電装置が開発されている。例えば、特許文献１および非特許文献１には、水の流れに浸漬された翼にフラッター現象を生起させ、そのフラッター現象を構成する翼の振動のうち、流れを横切るように動く往復並進運動を抽出し、電力に変換する水力発電装置が開示されている。

特開２０１０−９６０７７号公報

阿比留 久徳、吉武 朗，フラッタ水力発電システムの研究，日本機械学会論文集（Ｂ編），２００９年，７５巻，７５８号，ページｐ．１４８−１５３

上記従来のフラッター水力発電装置では、翼の往復動をボールねじ等を用いて回転動に変換し、発電機の駆動軸を回転させる方法が採られている。しかしながら、この方法では、翼の往復動方向が変わる際に発電機の駆動軸の回転が正逆反転し、翼の１往復の間に２回停止する瞬間が生じるため、発電機の効率が大きく低下するという問題がある。また、特許文献１に記載の水力発電装置では、翼のフラッター現象を効率良く発生させるために、モーターを用いて強制的に翼の回動（ピッチング運動）を起こさせるが、このモーターの駆動電力は発電された電力の一部を利用するため、一定の電力損失が発生する。

そこで、本発明においては、翼の往復運動方向が変わる際にも発電機の駆動軸の回転を停止させることなく、効率良く発電を行うことが可能なフラッター水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明のフラッター水力発電装置は、発電機の駆動軸を回転させる回転軸と、水の流れに浸漬させてフラッター現象を生起させる翼と、翼を回動可能に支持し、翼とともに往復動する支持部材と、支持部材の往復動により回転軸を回転させる第１のリンク機構と、回転軸の回転により、支持部材の往復動方向の転換点近傍で翼が水の流れに対する迎え角をプラスマイナス転換するように、翼を回動させる第２のリンク機構とを含むものである。

本発明のフラッター水力発電装置によれば、水の流れに浸漬させた翼に対してフラッター現象が生起され、それによって翼が支持部材とともに一方向に移動し、第１のリンク機構を通じて回転軸を一方向に回転させる。また、この回転軸の回転により第２のリンク機構を通じて翼が回動し、翼の水の流れに対する迎え角が徐々に変化し、この迎え角がプラスマイナス転換すると、翼は支持部材とともに移動方向を転換して逆方向に移動し、第１のリンク機構を通じて回転軸を同じ方向に回転させる。このような現象が繰り返し行われることで、翼が支持部材とともに往復動し、翼の往復運動方向が変わる際にも回転軸は停止することも回転数があまり低下することもなく、ほぼ一定の回転数で一方向に回転し続ける。

本発明のフラッター水力発電装置によれば、モーターを用いることなく水の流れによって翼を回動させることができ、翼の往復運動方向が変わる際にも回転軸は停止することも回転数があまり低下することもなく、ほぼ一定の回転数で一方向に回転し続けるため、発電機の駆動軸を発電効率の良いほぼ一定の回転数で回転させ、効率良く発電を行うことが可能となる。また、モーターを用いないため、コスト面やメンテナンス面においても有利となる。

本発明の第１の実施の形態におけるフラッター水力発電装置の斜視図である。 図１のフラッター水力発電装置の動作説明図である。 図１のフラッター水力発電装置を用いた実験結果を示す図である。 図１のフラッター水力発電装置を用いた実験結果を示す図である。 図１のフラッター水力発電装置を用いた実験結果を示す図である。 図１のフラッター水力発電装置を用いた実験結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるフラッター水力発電装置の正面図である。 図７のフラッター水力発電装置の斜視図である。 図７のフラッター水力発電装置の動作説明図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるフラッター水力発電装置の斜視図、図２は図１のフラッター水力発電装置の動作説明図である。

図１および図２に示すように、本発明の第１の実施の形態におけるフラッター水力発電装置１は、水の流れに浸漬させてフラッター現象を生起させる翼２と、翼２を回動可能に支持し、翼２とともに往復動する支持部材３と、支持部材３の往復動により回転軸４を回転させる第１のリンク機構５と、回転軸４の回転により、支持部材３の往復動方向の転換点近傍で翼２が水の流れに対する迎え角α（図２参照。）をプラスマイナス転換するように、翼２を回動させる第２のリンク機構６とを備える。

回転軸４には、図示しない発電機の駆動軸１１に設けられた歯車としての駆動ギア１２と噛み合って、駆動軸１１を回転させるための歯車としての伝達ギア１３が設けられている。回転軸４には、第１のリンク機構５の一端が取り付けられる第１のクランクアーム７と、第２のリンク機構６の一端が取り付けられる第２のクランクアーム８とが設けられている。第１のクランクアーム７と第２のクランクアーム８とは、略９０°位相がずれている。なお、この第１のクランクアーム７と第２のクランクアーム８との位相は、発電効率を最適化するために調整可能となっている。

翼２は、水の流れに浸漬させてフラッター現象を生起させる翼であって、翼弦長が略水の流れに沿って延び、かつ翼幅が水深（上下）方向に延びるよう、その姿勢が設定されている。なお、フラッター現象による翼２の動きは、
（１）翼２が流れに対する迎え角αをプラスマイナス変化させる回動（ピッチング運動）
（２）翼２が流れを横切るように動く往復並進運動
を重ね合わせたものであって、（１）および（２）の動きは、略９０°位相がずれていて、そのとき翼２は魚が身体をくねらせて泳ぐような挙動を示す。また、本発明の発電は、上記動きのうちの（２）の動きを利用したものである。

翼２の上端には、上下方向に延びる軸としての翼支持軸２０が垂直に設けられている。翼支持軸２０は、支持部材３に設けられた上下２個の軸受２１ａ，２１ｂによって回動可能に支持されている。これらの軸受２１ａ，２１ｂにより、翼２は、翼支持軸２０の周りに回動（ピッチング運動）可能となっている。また、翼支持軸２０の上端部には、翼２をピッチング運動させるための第３のクランクアームとしての翼ピッチングアーム２２が設けられている。なお、本実施形態においては、翼ピッチングアーム２２は、翼２の翼弦長方向に対して９０°の方向に延設されている。

支持部材３は、フレーム９に対して支持軸１０により回動可能に支持されている。なお、図示しないが、支持軸１０は、フレーム９に設けられた上下２個の軸受によって回動可能に支持されている。また、この支持軸１０には、第２のリンク機構６を構成する第４のクランクアームとしてのＬ形クランクアーム６０が回動可能に支持されている。また、支持部材３の支持軸１０と翼支持軸２０との間の位置に、第１のリンク機構５の一端が回動可能に支持される上下方向に延びる軸３０が設けられている。

第１のリンク機構５は、一端が第１のクランクアーム７に取り付けられ、他端が支持部材３の軸３０に取り付けられたクランクロッド５０を有する。第１のクランクアーム７には、回転軸４に対して平行な軸７０が設けられている。クランクロッド５０は、この軸７０の周りに回転可能、かつ、この軸７０に対して直交する軸５１の周りに回動可能に設けられている。また、クランクロッド５０は、軸３０に対して、この軸３０の周りに回動可能、かつ、この軸３０に対して直交する軸５２の周りに回動可能に設けられている。さらに、クランクロッド５０は、そのクランクロッド５０の中心軸周りに回動可能に設けられている。

第２のリンク機構６は、一端が第２のクランクアーム８に取り付けられ、他端がＬ形クランクアーム６０の第１の軸６１に取り付けられたクランクロッド６３を有する。第２のクランクアーム８には、回転軸４に対して平行な軸８０が設けられている。クランクロッド６３は、この軸８０の周りに回転可能、かつ、この軸８０に対して直交する軸６４の周りに回動可能に設けられている。また、クランクロッド６３は、軸６１に対して、この軸６１の周りに回動可能、かつ、この軸６１に対して直交する軸６５の周りに回動可能に設けられている。さらに、クランクロッド６３は、そのクランクロッド６３の中心軸周りに回動可能に設けられている。

また、第２のリンク機構６は、一端がＬ形クランクアーム６０の第２の軸６２に取り付けられ、他端が翼ピッチングアーム２２に取り付けられたクランクロッドとしての翼ピッチングロッド６６を有する。翼ピッチングロッド６６は、Ｌ形クランクアーム６０の第２の軸６２の周りに回動可能に設けられている。翼ピッチングアーム２２には、翼支持軸２０に対して平行な軸２３が設けられており、翼ピッチングロッド６６は、この翼ピッチングアーム２２の軸２３の周りに回動可能に設けられている。なお、Ｌ形クランクアーム６０の第１の軸６１と第２の軸６２とは、支持軸１０を中心として９０°間隔で設けられている。

次に、上記構成のフラッター水力発電装置１の動作について説明する。
（１）図２に示す状態で、水の流れが翼２に当たると、翼２は揚力により左方向へ移動する（水平動を起こす）。翼２は、支持軸１０を支点して回動する支持部材３に取り付けられているため、この支持部材３に取り付けられている軸３０も左方向へ移動する。
（２）これにより、軸３０に取り付けられているクランクロッド５０が第１のクランクアーム７が取り付けられている回転軸４を回す。
（３）回転軸４は第２のクランクアーム８を回し、クランクロッド６３を介してＬ形クランクアーム６０を動かす。
（４）Ｌ形クランクアーム６０は、翼ピッチングロッド６６を介して翼ピッチングアーム２２を動かし、翼２にピッチングの動きをさせる。
（５）上記（１）〜（４）によって、水の流れがあると、翼２は水平動とピッチング動を同時に起こす。
（６）なお、翼２の水平動とピッチング動の位相差は第１のクランクアーム７と第２のクランクアーム８の回転軸４の軸周りの角度を変えることで調整できる。
（７）また、翼２の水平動の振幅は、第１のクランクアーム７の長さを変えることで調整でき、ピッチング動の振幅は第２のクランクアーム８の長さを変えることで調整できる。

すなわち、本実施形態におけるフラッター水力発電装置１では、水の流れに浸漬させた翼２に対してフラッター現象が生起され、それによって翼２が支持部材３とともに一方向に移動し、第１のリンク機構５のクランクロッド５０や第１のクランクアーム７を通じて回転軸４を一方向に回転させる。このとき、回転軸４の回転により第２のクランクアーム８や第２のリンク機構６のクランクロッド６３、Ｌ形クランクアーム６０、翼ピッチングロッド６６、翼ピッチングアーム２２を通じて翼２が回動し、翼２の水の流れに対する迎え角αが徐々に変化する。

そして、この迎え角αがプラスマイナス転換すると、翼２は支持部材３とともに移動方向を転換して逆方向に移動し、第１のリンク機構５のクランクロッド５０や第１のクランクアーム７を通じて回転軸４を同じ方向に回転させる。このような現象が繰り返し行われることで、翼２が支持部材３とともに往復動し、翼２の往復運動方向が変わる際にも回転軸４は停止することなく、一方向に回転し続ける。これにより、このフラッター水力発電装置１では、発電機の駆動軸１１の回転を停止させることなく、効率良く発電を行うことができる。

（実施の形態２）
図７は本発明の第２の実施形態におけるフラッター水力発電装置の正面図、図８は図７のフラッター水力発電装置の斜視図、図９は図７のフラッター水力発電装置の動作説明図である。図７および図８に示すように、本発明の第２の実施形態におけるフラッター水力発電装置１００は、水力を伝達する水力伝達部１０１ａと、水力伝達部１０１ａから伝達された水力を電力に変換する電力変換部１０１ｂとからなる。

水力伝達部１０１ａは、水の流れに浸漬させてフラッター現象を生起させる翼１０２と、翼１０２を回動可能に支持し、翼１０２とともに往復動する支持部材１０３と、支持部材１０３の往復動により回転軸１０４を回転させる第１のリンク機構１０５と、回転軸１０４の回転により、支持部材１０３の往復動方向の転換点近傍で翼１０２が水の流れに対する迎え角α（図９参照。）をプラスマイナス転換するように、翼１０２を回動させる第２のリンク機構１０６とを備える。

翼１０２は、水の流れに浸漬させて、水力によりフラッター現象を生起させる翼であり、翼弦長がほぼ水の流れ方向に沿って延び、かつ翼幅が水深（上下）方向に伸びるように、その姿勢が設定されている。翼１０２は、支持部材１０３に設けられた軸受１２１ａおよび軸受１２１ｂによって回動可能に軸支された軸としての翼支持軸１２０に取り付けられている。支持部材１０３は、その上端部に設けられた同心を有する支持軸１１０ａおよび支持軸１１０ｂを支点として、往復揺動可能になっている。なお、本実施形態においては、支持軸１１０ａ，１１０ｂは、その軸心が水の流れ方向に対して平行に配置されている。

第１のリンク機構１０５は、一端が回転軸１０４に連結された第１のクランクアーム１０７と、一端が第１のクランクアーム１０７に連結され、他端が支持部材１０３に連結された第１のクランクロッド１５０とから構成される。第２のリンク機構１０６は、一端が回転軸１０４に連結された第２のクランクアーム１０８と、一端が翼支持軸１２０に連結された第３のクランクアームとしての翼ピッチングアーム１２２と、一端が第２のクランクアーム１０８に連結され、他端が翼ピッチングアーム１２２に連結された第２のクランクロッド１６３とから構成される。

第１のクランクロッド１５０の支持部材１０３との連結部１５０ａは、翼支持軸１２０の軸心と離れた位置に翼支持軸１２０と平行に設けられた軸１３０に、回動可能に取り付けられている。また、第１のクランクロッド１５０の第１のクランクアーム１０７との連結部１５０ｂは、回転軸１０４の軸心と離れた位置に回転軸１０４と平行に設けられた軸１７０に、回動可能に取り付けられている。

第２のクランクロッド１６３の第２のクランクアーム１０８との連結部１６３ａは、回転軸１０４の軸心と離れた位置に回転軸１０４と平行に設けられた軸１６４に、回動可能に取り付けられている。また、第２のクランクロッド１６３の翼ピッチングアーム１２２との連結部分１６３ｂは、翼支持軸１２０の軸心と離れた位置に翼支持軸１２０と平行に設けられた軸１２３に、回動可能に取り付けられている。

回転軸１０４は、上下方向がそれぞれ軸受１０９ａおよび軸受１０９ｂにより回転自在に軸支されている。前述の第１のクランクアーム１０７は、回転軸１０４の下端部に、第２のクランクアーム１０８は、回転軸１０４の上端部にそれぞれ連結されており、第１のクランクアーム１０７と第２のクランクアーム１０８とは略９０°位相がずれている。この第１のクランクアーム１０７と第２のクランクアーム１０８の位相は、発電効率を最適化するように調整可能となっている。また、回転軸１０４には、回転軸１０４とともに回転する伝達ギア１１３が設けられている。

電力変換部１０１ｂは、上下方向がそれぞれ軸受１１５および軸受１１６によって回転可能に軸支された、図示しない発電機を駆動する駆動軸１１１と、前述の伝達ギア１１３と噛み合って、駆動軸１１１を回転させるための駆動ギア１１２とを備える。

次に、上記構成のフラッター水力発電装置１００の動作について説明する。

図９（ａ）の（１）の最大迎え角マイナスαの状態で、翼１０２は水の流れによりＡ方向の水力を受け、支持軸１１０ａ，１１０ｂを支点としてＡ方向に揺動を開始する。また、この揺動に伴い、第１のリンク機構１０５により、回転軸１０４が回転を始める。この回転軸１０４の回転は、第２のリンク機構１０６に伝えられ、第２のリンク機構１０６により翼支持軸１２０が回動する。これにより、翼１０２が徐々に反時計方向に回動し、迎え角αが小さくなる方向に徐々に変化し、（２）の状態から（３）の最大迎え角プラスαの状態になる。そして、（３）の最大迎え角プラスαの状態になると、図９（ｂ）に示すように、翼１０２は水の流れによりＢ方向の水力を受け、Ｂ方向に揺動を切り換える。

そして、第２のリンク機構１０６により翼支持軸１２０の回動に伴って、翼１０２が徐々に時計方向に回動し、迎え角αが小さくなる方向に徐々に変化し、（４）の状態から（１）の状態に戻ることになる。このような（１）→（２）→（３）→（４）→（１）の動作が繰り返されることにより、翼１０２が支持部材１０３とともに往復揺動し、翼１０２の往復揺動の方向が変わっても回転軸１０４は停止することなく、一方向に回転をし続ける。

なお、フラッター現象による翼１０２の動きは、（１）翼支持軸１２０を回動させることで、翼１０２が水の流れに対する迎え角αをプラス方向およびマイナス方向に変化させる回動と、（２）翼１０２が支持軸１１０ａ，１１０ｂを支点として、水の流れに対して、水を横切る方向の往復揺動とを重ね合わせたものとなっており、翼１０２は魚が体をくねらせて泳ぐような挙動をする。

また、このフラッター水力発電装置１００では、回転軸１０４の軸心と軸１７０の軸心を結ぶ線が、第１のクランクロッド１５０の軸線と一直線になった場合が支持軸１１０ａ，１１０ｂを支点とした翼１０２の往復揺動の最大振れとなる。この場合、図９に示すように、翼１０２は水の流れに対する迎え角αが最大となる。

これにより、回転軸１０４に設けた伝達ギア１１３から駆動軸１１１に設けた駆動ギア１１２を介して、駆動軸１１１が回転をし続け、効率よく水力を電力に変換し、発電を行うことができる。このフラッター水力発電装置１００では、第１の実施形態におけるフラッター水力発電装置１と比較して、部材数が減少してシンプルになっており、また、強度的な弱点となる翼ピッチングロッド６６を省略することができており、故障が生じにくい。

上記実施形態におけるフラッター水力発電装置１を用いて実験を行った。実験結果を図３〜図６に示した。図３〜図６から、発電機は２５０〜３００ｒｐｍで回転し、変動は１０％程度に収まることが確認できた。また、所定の往復動振幅、ピッチング動振幅、位相差で作動していることも確認できた。

本発明のフラッター水力発電装置は、河川などの流れがある水の中で発電することが可能な水力発電装置として有用である。

１，１００ フラッター水力発電装置
１０１ａ 水力伝達部
１０１ｂ 電力変換部
２，１０２ 翼
３，１０３ 支持部材
４，１０４ 回転軸
５，１０５ 第１のリンク機構
６，１０６ 第２のリンク機構
７，１０７ 第１のクランクアーム
８，１０８ 第２のクランクアーム
９ フレーム
１０，１１０ａ，１１０ｂ 支持軸
１１，１１１ 駆動軸
１２，１１２ 駆動ギア
１３，１１３ 伝達ギア
１１５，１１６ 軸受
２０，１２０ 翼支持軸
２１ａ，２１ｂ，１２１ａ，１２１ｂ 軸受
２２，１２２ 翼ピッチングアーム
５０，１５０ クランクロッド
６０ Ｌ形クランクアーム
６３，１６３ クランクロッド
６６ 翼ピッチングロッド

Claims (5)

1. 発電機の駆動軸を回転させる回転軸と、
   水の流れに浸漬させてフラッター現象を生起させる翼と、
   前記翼を回動可能に支持し、前記翼とともに往復動する支持部材と、
   前記支持部材の往復動により前記回転軸を回転させる第１のリンク機構と、
   前記回転軸の回転により、前記支持部材の往復動方向の転換点近傍で前記翼が前記水の流れに対する迎え角をプラスマイナス転換するように、前記翼を回動させる第２のリンク機構と
   を含むフラッター水力発電装置。
2. 前記回転軸は、
   前記第１のリンク機構の一端が取り付けられる第１のクランクアームと、
   前記第２のリンク機構の一端が取り付けられ、前記第１のクランクアームと略９０°位相がずれた第２のクランクアームと
   を備えたものである請求項１記載のフラッター水力発電装置。
3. 前記第１のクランクアームと前記第２のクランクアームとの位相は調整可能である請求項２記載のフラッター水力発電装置。
4. さらに前記支持部材を回動可能に支持する支持軸を有し、
   前記翼は、前記翼を回動させる第３のクランクアームを有するものであり、
   前記第１のリンク機構は、一端が前記第１のクランクアームに取り付けられ、他端が前記支持部材に取り付けられたクランクロッドを有するものであり、
   前記第２のリンク機構は、前記支持軸に回動可能に支持され、前記支持軸を中心として９０°間隔で第１の軸および第２の軸を有する第４のクランクアームと、一端が前記第２のクランクアームに取り付けられ、他端が前記第４のクランクアームの第１の軸に取り付けられたクランクロッドと、一端が前記第４のクランクアームの第２の軸に取り付けられ、他端が前記第３のクランクアームに取り付けられたクランクロッドとを有するものである
   請求項２または３に記載のフラッター水力発電装置。
5. さらに前記支持部材を水の流れ方向に対して平行な軸周りに回動可能に支持する支持軸を有し、
   前記翼は、前記翼を回動させる第３のクランクアームを有するものであり、
   前記第１のリンク機構は、一端が前記第１のクランクアームに取り付けられ、他端が前記支持部材に取り付けられたクランクロッドを有するものであり、
   前記第２のリンク機構は、一端が前記第２のクランクアームに取り付けられ、他端が前記第３のクランクアームに取り付けられたクランクロッドを有するものである
   請求項２または３に記載のフラッター水力発電装置。