JP2014152770A - マグナス効果を用いた水力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 河川の中下流域の水流から効率的に発電するマグナス型水力発電機の設置方法を提供する
【解決手段】 タービンの回転軸は水面上空に保持し、ローターの一部が水流中を通過するよう設置したマグナス型水力発電機を、ローターが水流中で生み出す揚力の向きにローターの回転面の向きを一致させて設置する。
【選択図】図２

Description

本発明はマグナス効果を用いた水力発電機とその設置方法に関する

河川の流速は風速に比べて極めて安定しており、都市近郊に位置する河川の水流を発電に利用できれば、コストを抑えた電力の安定供給が可能になる。現在の水力発電は水の位置エネルギーを利用する発電方法が主体であり、河川の中下流域の落差のない水流からの効率的な発電技術の開発が期待されている。

米国特許４３６６３８６

マグナス効果は流体中に置かれた回転駆動する円筒の表面に、流体との摩擦によって正圧が生じ、該円筒表面の周速と流体の速度がほぼ合致する際に該正圧の分布が円筒表面の一方に偏る結果、その合力として揚力が生じる現象であると考えられる。

このマグナス効果における回転円筒表面と流体との摩擦は両者の相対速度と流体の粘性に大きく関係し、水流は相対速度において風速を下回るが、水の粘性は空気に比べると極めて大きく、従って水力発電機においても既に実用化されているマグナス型風力発電機（特許文献１参照）同様、効果的な発電が可能と考えられる。

そこで、該マグナス型風力発電機と同様の基本構造を有するマグナス型水力発電機を、河川の流水中に沈め、ローターに発生する揚力の方向がタービンの回転によってローターが移動する平面（以下「ローター回転面」という）を水流に対し垂直に設置して発電機として活用することが考えられる。

しかし、マグナス型水力発電機をこのように設置した場合、ローターに揚力が生じタービンは回転するものの、マグナス効果による揚力は流体の流れの方向と直角になる性質があるため、ローターに発生する揚力の方向がローター回転面（３３）から水流の後方側に外れ、その結果タービンの回転力に生かされない揚力成分はローター自身を損傷する可能性がある。

また、沈めた発電機自体が水流を妨げて発電効率を低下させ、さらに水流中の監視し難い漂流物による損傷リスクも増大する。

マグナス型風力発電機と基本構造を同じくするマグナス効果を利用した水力発電機を、ローターの一部が水流中を通過し、タービンの回転軸は空中に保持するよう設置し（図３）、ローターが水中で生み出す揚力の向きがローター回転面から大きく外れることなく、できるだけローター回転面（３３）に一致する向きに設置する（図７）。

ローターが生み出すローター自身を損傷する揚力を低減できる。

タービンを沈めないことで水流の流速低下を最小限にとどめ、また、河川の最も速い流れを利用し易い。（図８）

ローター回転面が水流に垂直でなく水流の方向に傾斜することで、ローターは上流部から水中に進入し下流部に向けて水中を移動することになり、漂流物との干渉が減少する。

マグナス効果を利用することで河川の水流を利用した効果的な発電が可能となる。

水流と回転円筒がマグナス効果によって揚力を生み出す仕組図 水流中に設置されるマグナス型水流発電機の平面図 図２のマグナス型水流発電機の正面図 図２のマグナス型水流発電機のタービン軸を通る水平面での断面図 ローターに生じる揚力の方向 浮体上に支持体を設けたマグナス型水流発電機の正面図 水流中を移動するローターに生じる揚力の方向とローター回転面 河川横断面の流速分布（ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄ＞ｅ）

タービン軸（７）は両端を支持部（８）にはり渡し、タービン軸の一方を支持部内に設置した発電機（１２）に連結する。

ローター回転面（３３）に複数の円筒型ローターを放射状に、隣り合う各ローターの自転駆動軸（１６）の作る角度が均等になるように設置する。

ローター自転駆動用モーター（１１）は回転速度を変えられる構造とし、少数のモーターをローターギヤカバー（１０）内に設置しその駆動力をギヤ（１１）を介して全ローターに伝える構造とすることで、全ローターの回転速度を一致させる。

ローター自転駆動用モーターの回転速度調整機能はローター表面における水流の流速にローターの周速を合わせるためのものであり、河川の流速、タービン回転速度、ローター回転面と水流の向きとの傾斜角を検知し、ローター表面（タービン回転軸からの距離を踏まえ）における流速を算出してモーターに指示する機構を備える。

発電効率を上げるには多くのローターが水面下で揚力を生み出す必要があるが、ローター数が増えれば駆動用電力消費が増えると同時にローター間が狭まり過ぎて発電効率が低下するため、ローター回転面上の先行ローターが乱した水流が回復して後続のローターに影響が及ばない、十分なローター間隔を確保する。

両端を支持体（８）に支えられたタービン軸は水面上の空中に保持され、ローターの一部が水流中を通過するよう設置する（図３）。

支持体の基礎（９）は河床に固定した構造（図３）とするほか、浮体構造（図６）にして著しい水面上昇に対応することも可能である。

タービンは、河川の水流とローターが生み出す揚力の方向をローターの回転面に可能な限り合致する向きに設置することが求められる。

しかし、ローター表面の水流の方向は、タービンの回転速度だけでなくローター表面のタービン軸からの距離によって変化し、水流の方向と直角に生じるマグナス効果による揚力の方向もタービン軸からの距離によってわずかづつの違いが生じる（図５）。

さらに、このローター表面の水流の方向は、ローターの水中における位置（進入部〜最深部〜水上への離脱部）によっても変化するため、水中の各ローター毎に発生する揚力の方向もわずかづつ相異することになる。

そこで、ローター先端部（Ｑ）が最深部を通過する際に、Ｑに生じる揚力の向きにローター回転面を一致させるようタービンの向きを定めることで、水中の全ローターで発生するすべての揚力の向きをローター回転面上、若しくはローター回転面から大きく外れない範囲に納めることができる。

なお、ローターの水流中での移動速度が速すぎると、河川の水流（１８）の向きとローター表面における水流の向き（２１・２２）との作る傾斜角（Ｍ・Ｎ）が大きくなるだけでなく、ＭとＮの差がさらに拡大する。

このことは、ローターの水流中での移動速度が速すぎると、水中のローターで発生するすべての揚力の向きのわずかな違いがさらに拡大し、水中のローターで発生する揚力の向きがローター回転面から外れ易くなることを意味する。

したがって、ローターの水中における移動速度はできるだけ遅くし、Ｑの移動速度が河川の水流（１８）の流速の２倍を超えて上回ることのないようタービンの定格回転速度を設定する。

ローターが揚力を効果的に生み出すためには、ローター表面における水流の流速とローター表面の周速がおおむね一致することが望ましい。

この場合、ローター表面の流速は、タービンの回転速度、ローターのタービン軸からの距離、ローターの水流中での位置（進入部〜最深部〜水上への離脱部）などで異なり、水流中の全ローターの表面全域で水流の流速とローターの周速を一致させることはできないため、ローターが最深部を通過する際に、ローター水中進入部（１４）のいずれかの位置でのローター表面の流速がローター表面周速に合致するようローターの自転駆動速度を調整する。

１ ローター周辺の水流（矢印の長さは流速）
２ ローター表面
３ 摩擦による正圧
４ ローター表面の正圧分布
５ 揚力
６ ローター
７ タービン軸
８ 支持体
９ 支持体基礎
１０ ローターギアカバー
１１ ローター自転駆動用モーター
１２ 発電機
１３ 水面
１４ ローター水中進入部
１５ 河床
１６ ローターの自転駆動軸
１７ 歯車
１８ 河川の水流
１９ タービンの回転に伴うローター表面Ｐ（タービン回転軸に近い部分）の移動速度
２０ タービンの回転に伴うローター表面Ｑ（先端部）の移動速度
２１ ローター表面Ｐにおける水流方向
２２ ローター表面Ｑにおける水流方向
２３ ローター表面Ｐにおける揚力の方向
２４ ローター表面Ｑにおける揚力の方向
２５ 浮体
２６ アンカー
２７ ワイヤー
２８ タービン静止時の水流
２９ タービン静止時の水流中のローターに生じる揚力の方向
３０ タービン回転時のローター表面水流
３１ タービン回転時のローターに生じる揚力の方向
３２ 直角
３３ ローター回転面

Claims (2)

1. タービン軸に垂直に取り付けた複数の円筒ローターが回転速度を変えられる機構を有するモーターにより自転駆動するマグナス型水力発電機において、タービンの回転軸は河川の水面上の空中に保持し、ローターの一部が流水中を通過するよう設置し、マグナス効果により生じる各ローターの各部位毎にそれぞれ僅かづつ方向の異なる揚力が、ローター回転面上若しくはローター回転面から大幅に外れることがない向きとなるようローター回転面の向きを定めて設置することを特徴とするマグナス型水力発電機
2. タービン軸の両端の支持体のいずれか一方若しくは両方を係留する浮体上に設置する構造とした請求項１記載のマグナス型水力発電機

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