JP2015031168A - 潮力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潮流を利用した高効率の発電を実現できる潮力発電装置を提供する。
【解決手段】水流を導入する流路２ｈが形成された、水面に浮かぶ本体２と、流路２ｈ内に、回転軸５aが流路２ｈ内の水面よりも上方に位置し、流路２ｈ内の水流によって回転するように設けられた水車５と、水車５の回転エネルギーを電力に変換する発電機構１０と、を備えており、本体２における流路２ｈは、流路２ｈを形成する互いに対向する一対の側面が、流路２ｈの端部では、流路２ｈの端部から内方に向かって互いに接近するように形成されており、流路２ｈの端部には、上方に向かう速度成分を有する水流を発生させる上昇流形成機構２０が形成されている。流路内部の水流を増速する効果をさらに高めることができるので、単に水車を有する装置を水面に浮かべて水車を回転させる場合に比べて、水車５の回転による発電効率を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、潮力発電装置に関する。さらに詳しくは、再生可能エネルギーである、潮の満引きによる水流を利用した潮力発電を行う潮力発電装置である。

近年、資源の枯渇、また、原子力発電の安全性などの問題があり、再生可能エネルギーを利用した発電に注目が集まっている。再生可能エネルギーとして、例えば、太陽光発電、風力発電などがすでに実用化されているが、これらのエネルギーは天候によって発電量が変動する。このため、安定した発電を行うことが難しいという問題を抱えている。

上述したもの以外の再生可能エネルギーとして、潮の満引きによる水流を利用した潮力発電がある。潮の満引きは、その方向や流速などが予測可能であるので、潮流発電は、上述したような再生可能エネルギーに比べて、安定したエネルギー供給が可能である。

従来の潮流発電は、海底に発電用のプロペラや水車等を設置して、深度の深い部分での潮流を利用したものが一般的である。しかし、かかる深い深度に設置されたプロペラなどは、その設置コストが莫大になるし、メンテナンスも大変である。しかも、海底に構造物を設置することによって、その周辺海域の生態系に影響を与える可能性がある。具体的には、海底の魚の生息域などに影響を与える可能性があるため、漁業権などの関係から、設置自体が難しい。

一方、水面等に浮かべて、表層の水流によって水車を稼働させて発電する技術も開発されている（特許文献１、２）。

特許文献１には、水流のある水面に浮かべるフロートと、このフロートを所定位置に係留する係留手段と、フロートの前後方向に対して直交するようにフロート上に回転自在に設けた回転軸と、回転軸の端部に設けた水車と、回転軸の回転を伝達する変速機構と、フロート上に設けて上記の変速機構に接続された発電機と、上記の回転軸を介して水車を上下方向に移動させることができる昇降手段とからなる水流による発電装置が開示されている。そして、特許文献１には、上記の発電装置によれば、水の流れのある場所に浮かべるだけで簡単に電力を得ることができる旨の記載がある。

特許文献２には、船体の船首から船尾にかけて２本の水路を通し、この水路にそれぞれ水車を設け、この水車を発電機に接続した潮流利用発電装置が開示されている。そして、特許文献２には、潮流の方向が変わっても、２本の水路に設けた水車のどちらかが必ず回転するようにする旨の記載がある。

特開２００３−９７４０６号公報 特開２００３−９７４０６号公報

しかるに、特許文献１、２の技術は、単に、水流や潮流がある水面に水車を有する発電装置を浮かべれば、水車を回転させることができるので発電ができるという発想に基いて形成されているだけであり、実際に発電する際における発電効率については何ら考慮されていない。

本発明は上記事情に鑑み、潮流を利用した高効率の発電を実現できる潮力発電装置を提供することを目的とする。

第１発明の潮力発電装置は、水面に浮かべた状態において水流を利用して発電する発電装置であって、水流を導入する流路が形成された、水面に浮かぶ本体と、前記流路内に、回転軸が流路内の水面よりも上方に位置し、該流路内の水流によって回転するように配設された水車と、該水車の回転エネルギーを電力に変換する発電機構と、を備えており、前記本体における流路は、該流路を形成する互いに対向する一対の側面が、該流路の端部では、該流路の端部から内方に向かって互いに接近するように形成されており、該流路の端部には、該流路内に上方に向かう速度成分を有する水流を発生させる上昇流形成機構が形成されていることを特徴とする。
第２発明の潮力発電装置は、第１発明において、前記上昇流形成機構が、前記流路の端部から内方に向かって上傾する傾斜面を有していることを特徴とする。
第３発明の潮力発電装置は、第２発明において、前記上昇流形成機構は、前記流路の軸方向が水平になった状態において、前記傾斜面が水平に対して３０度となるように設けられていることを特徴とする。
第４発明の潮力発電装置は、第１、第２または第３発明において、前記本体は、前記流路に水流が流入する側の端部を上方に押し上げる浮力を発生させる姿勢安定部材を備えていることを特徴とする。
第５発明の潮力発電装置は、第４発明において、前記姿勢安定部材が、前記本体の両外側面に配置された翼状部材であることを特徴とする。
第６発明の潮力発電装置は、第１乃至第５発明のいずれかに、前記本体が、軸方向に長尺な複数の浮体から形成されており、該複数の浮体は、隣接する浮体の軸方向が互いに平行となるように配設されていることを特徴とする。

第１発明によれば、流路内に流入する水流によって水車を回転させれば、その回転エネルギーによって発電することができる。また、流路の一対の側面が、流路の端部から内方に向かって互いに接近するように形成されているので、流路内部の水流の流速を速くすることができる。しかも、流路の端部には、上方に向かう速度成分を有する水流を発生させる上昇流形成機構が形成されているので、流路内部の水流を増速する効果をさらに高めることができる。したがって、水車を有する装置を単に水面に浮かべて水車を回転させる場合に比べて、水車の回転による発電効率を高くすることができる。また、本体を水面に浮かべているだけであるので、発電装置のメンテナンスなどを容易に行うことができる。
第２発明によれば、上昇流形成機構が上傾する傾斜面を有しているので、この傾斜面に沿って水を流すことによって、上方に向かう速度成分を有する水流（上昇流）を少ない抵抗でかつ確実に形成することができる。
第３発明によれば、傾斜面が適切な角度に形成されているので、形成される上昇流によって水車を回転させる効果を高めることができ、発電効率を高くすることができる。
第４発明によれば、上昇流形成機構が上昇流を発生させることに伴う本体先端部の沈み込みを抑制することができるので、流路内に安定した水流を供給することができる。しかも、水面に対する水車の姿勢を適切な状態に維持することができるので、安定した状態で水車を回転させることができ、発電効率を高くすることができる。
第５発明によれば、翼状部材によって本体先端部を浮き上がらせる力を発生させているので、本体先端部の沈み込みを抑制することができる。
第６発明によれば、本体部の構造を簡素化することができるので、メンテナンス性等を向上させることができる。

本実施形態の潮力発電装置１の概略側面図である。 本実施形態の潮力発電装置１の概略平面図である。 本実施形態の潮力発電装置１の概略正面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 他の実施形態の潮力発電装置１の概略平面図である。 他の実施形態の潮力発電装置１の概略正面図である。

本発明の潮力発電装置は、海上や河川などに生じる水流を利用する発電装置であって、水面に浮かべた状態で発電することができるものであり、高効率で発電することができるようにしたことに特徴を有するものである。

以下、本実施形態の潮力発電装置１の実施形態を図面に基づき説明する。

図１において、符号２は本実施形態の潮力発電装置１の本体を示している。図１に示すように、本体２は、一対の浮体３，３と、この一対の浮体３，３を連結する一対の連結部材４，４と、を備えている。

図１に示すように、一対の浮体３，３は、中空な箱状に形成された部材であり、水面ＷＬに浮かべると水面ＷＬ上に現れる部分ができる程度の浮力を発生するように形成されている。

図２および図３に示すように、この一対の浮体３，３は、間隔を開けた状態でかつ軸方向（図２では左右方向）が互いに並行となるように一対の連結部材４，４によって連結されている。つまり、一対の浮体３，３の互いに対向する面間に水流を通すことができる流路２ｈが形成されるように、一対の連結部材４，４によって一対の浮体３，３は連結されている。なお、流路２ｈは、その軸方向ＣＬが一対の浮体３，３の軸方向とほぼ平行となるように形成される。

そして、一対の浮体３，３における軸方向の両端部では、互いに対向する内面が、その端部から内方に向かって互いに接近するように（平面視で略Ｖ字状に）形成されている。つまり、一対の浮体３，３の互いに対向する内面の軸方向の両端部には、浮体３の軸方向（言い換えれば流路２ｈの軸方向ＣＬ）に対して傾斜した傾斜面３ｓが形成されている。

すると、流路２ｈの入口から徐々に流路２ｈの幅が狭くなるので、流路２ｈ内に水流が流入するにしたがって、水流の流速を速くすることができる。しかも、一対の浮体３，３の端部では、互いに対向する内面が傾斜面３ｓになっているから、流路２ｈの幅が狭くなっても、水流が流路２ｈに流入する際の抵抗を小さくすることができる。

なお、傾斜面３ｓの傾斜角度θ１（流路２ｈの軸方向ＣＬに対してなす角度、図２参照）はとくに限定されない。しかし、一対の浮体３，３に加わる水流の抵抗を抑えつつ水流を増速する効果を高くする上では、傾斜角度θ１は、３〜２０度程度が好ましく、５〜１５度程度がより好ましく、１０〜１２度程度がさらに好ましい。

上記一対の浮体３，３の互いに対向する内面が、特許請求の範囲にいう、「流路を形成する互いに対向する一対の側面」に相当する。

図１〜図３に示すように、一対の浮体３，３間の流路２ｈには、水車５が配置されている。
図１〜図３において、符号５ａは、水車５の回転軸を示している。この回転軸５aには、複数枚の羽根５ｃが、羽根固定部材５ｂを介して固定されている。この複数枚の羽根５ｃは板状の部材であり、回転軸５aを中心として放射状かつ回転軸５a周りに等角度間隔に並ぶにように配列されている。

そして、水車５は、その回転軸５aの両端が、それぞれ一対の浮体３，３に回転可能に支持されている。具体的には、流路２ｈ内に水流が発生すると、その水流を複数枚の羽根５ｃが受けて回転するように、水車５は流路２ｈに配置されている。
例えば、水車５の直径Ｄ（羽根５ｃの先端間の距離、図３参照）が１６００ｍｍであれば、本実施形態の潮力発電装置１を水流のない水面に浮かべたときに、水面とほぼ平行にかつ水面上に回転軸５が位置し、かつ、水面から回転軸５aまでの距離Ｌ（図３参照）が１００〜１５０ｍｍ程度となるように、水車５は配設される。
なお、水車５の回転軸５aは、本実施形態の潮力発電装置１を水流のない水面に浮かべたときにおける水面と平行となるように配設される。

また、回転軸５aの一方の端部には、発電機構１０が連結されている。発電機構１０は、回転軸５aを伝導機構（例えば、ベルトプーリ機構やチェーン・スプロケット機構等）を介して連結された増速機と、増速機に連結された発電機とを備えている。このため、水車５が水流によって回転されて回転軸５aが回転すると、回転軸５aの回転エネルギーが伝導機構、増速機を介して発電機に伝達されるので、発電機によって発電することができる。
なお、発電した電気は、送電線などによって直接外部（例えば沿岸部や隣接した島等）に供給してもよいし、本体２に蓄電池を設けて蓄電しておくようにしてもよい。

図１〜図４に示すように、本実施形態の潮力発電装置１は、流路２ｈの端部近傍に上昇流形成機構２０が設けられている。この上昇流形成機構２０は、流路２ｈに流入する水流の方向を一部変化させて、上方に向かう速度成分を有する水流（上昇流）を発生させるものである。具体的には、上昇流形成機構２０は、一対の浮体３，３の端部下部を連結する連結部材２１を設けており、この連結部材２１の上部に流路の端部から内方に向かって上傾する傾斜面２１ａを備えている。例えば、上面が平坦面に形成された板状の部材からなる連結部材２１を一対の浮体３，３間に配置し、その表面が、本実施形態の潮力発電装置１を水流のない水面に浮かべたときにおける水面と平行な面（以下水平面という）に対して傾斜した状態となるように設ける。すると、連結部材２１の上面を傾斜面２１ａとすることができる。

そして、かかる傾斜面２１ａが流路２ｈに設けられているので、傾斜面３ｓによる流速増加効果に加えて、さらに、上昇流による水路２ｈ内の水流の流速を増速する効果を得ることができる。すると、水路２ｈ内の水流をより速くすることができるので、水車５による発電効果をさらに高くすることができる。しかも、上昇流を形成することによって潮流水圧集中効果も得ることができる。

しかも、傾斜面２１ａに沿って水を流すことによって上昇流を形成しているので、上昇流を少ない抵抗でかつ確実に形成することができるし、上昇流を発生させる際の抵抗も小さくすることができる。

以上のごとき構造を有しているので、本実施形態の潮力発電装置１によれば、水流を有する水面に本体２を浮かべるだけで、流路２ｈ内に水流を流入させることができる。そして、この水流によって水車５を回転させれば、その回転エネルギーによって発電することができる。しかも、潮力発電装置１は、水面に浮かべているだけであるので、移動させたりする陸上に引き上げたりすることが容易であるから、メンテナンスを簡単に行うことができる。

また、流路２ｈを形成する一対の浮体３，３の互いに対向する内面が、その端部から内方に向かって互いに接近する傾斜面３ｓを有しており、流路２ｈ内に流入した水流の流速を、流路２ｈに入る前の流速に比べて増速することができる。しかも、上方に向かう水流を発生させる上昇流形成機構２０が設けられているので、水流を増速する効果を更に高めることができる。したがって、単に水面に水車を有する装置を浮かべて水車を回転させる場合に比べて、水車５の回転による発電効率を高くすることができる。

なお、上述したように上昇流形成機構２０における傾斜面２１ａの水平面に対してなす角度はとくに限定されない。例えば、水平面に対してなす角度θ２（図４参照）が１０〜３５度程度が好ましく、２５〜３５度程度がより好ましく、水平面に対して約３０度がさらに好ましい。傾斜面２１ａがかかる角度にとなるように配設されていれば、形成された上昇流によって水車を回転させる効果を高めることができ、発電効率を高くすることができる。例えば、水平面に対して傾斜面２１ａを約３０度とすれば、上昇流形成機構２０がない場合に比べて、約３０％程度、発電効率を向上させることが可能となる。

（姿勢安定部材３０）
上述したように、上昇流形成機構２０を設けたことによって、流路２ｈ内に上昇流を形成することができるので、水流の流速増加による発電効率を上昇させることができる一方、上昇流を形成する際の反力として、水流が流入する側の本体２の端部（以下先端という）を下方に押し下げる力（言い換えれば本体２の端部を下方に沈める力）が発生する。かかる反力が大きくなると、本体２の先端が沈んでしまい、本体２が傾いてしまう可能性がある。そして、本体２の傾きが生じると、水車５と水面の相対的な位置が変化し、水流５を水車の回転に変換する効率が低下し、発電効率も低下する可能性がある。つまり、上昇流に起因する水流の流速増加による発電効率の向上が、流速増加に起因する反力による本体２の傾きによって相殺されてしまう可能性がある。

かかる問題を防ぐ上では、本体２に、本体２の先端を上方に押し上げる浮力を発生させる姿勢安定部材を設けておくことが好ましい。かかる姿勢安定部材を設ければ、本体２の先端の沈み込みを防止でき、本体２の傾きを抑えることができるので、上昇流に起因する水流の流速増加によって向上した発電効率の低下を防止することができる。

かかる姿勢安定部材の構造はとくに限定されないが、図５および図６に示すように、本体２の両外側面に翼状部材３０を設けて、姿勢安定部材とすることができる。かかる翼状部材３０の形状は、上述したような機能を発揮できる形状であればよい。例えば、一般的な飛行機の翼と同等の断面形状を有するようにすれば、水流に起因する下降流を形成することができるので、上述したような機能を発揮させることができる。

また、翼状部材３０を設ける位置はとくに限定されないが、図５および図６に示すような位置に配設することが望ましい。つまり、本体２の両端部近傍の両側面に、翼状部材３０ａ，３０ｂをそれぞれ設ける。そして、翼状部材３０ａ，３０ｂを、両者が側面視で逆ハの字状となるように配置する（図６参照）。かかる配置とすれば、右方向からの水流に対しては、翼状部材３０ｂによって、上昇流の発生により生じた本体２の右端部を押し下げる力を打ち消す力、つまり、本体２の右端部を上方に押し上げる力を発生させることができる。一方、左方向からの水流に対しては、翼状部材３０ａによって、上昇流の発生により生じた本体２の左端部を押し下げる力を打ち消す力、つまり、本体２の左端部を上方に押し上げる力を発生させることができる。

しかも、本体２の両端部近傍の両側面にそれぞれ翼状部材３０ａ，３０ｂを配置すれば、右方向からの水流に対しては、翼状部材３０ａによって、本体２の左端部を下方に押し下げる力を発生させることができる。逆に、左方向からの水流に対しては、翼状部材３０ｂによって、本体２の右端部を下方に押し下げる力を発生させることができる。つまり、翼状部材３０ａ，３０ｂを、両者が側面視で逆ハの字状となるように配置すれば、翼状部材３０ａ，３０ｂのいずれか一方だけを設ける場合に比べて、本体２の姿勢をほぼ水平に維持する効果を高めることができる。

なお、一方向からのみ流路２ｈに水流を導入する場合には、翼状部材３０ａ，３０ｂのうち、一方のみを設けるようにしてもよい。例えば、右方向からのみ流路２ｈに水流を導入する場合には翼状部材３０ｂだけを設け、左方向からのみ流路２ｈに水流を導入する場合には翼状部材３０ａだけを設けてもよい。しかし、一方向からのみ流路２ｈに水流を導入する場合でも、翼状部材３０ａ，３０ｂを両方も設けておけば、上述したように、本体２の姿勢をほぼ水平に維持する効果を高めることができるので、好ましい。

（姿勢安定について）
なお、本体２が幅方向（図３の左右方向）に傾いた場合は、水車５の回転軸５aが水平面から傾いてしまい、発電効率が低下する可能性がある。このため、本体２の幅方向の傾きを防ぐ上では、本体２の下端（図１、図３では浮体３の下端）に板状の部材を設けることが好ましい。例えば、図１に示すように、浮体３の軸方向に沿って伸びた板状の部材３ｂを設ければ、本体２の幅方向への傾きを防止することができる。

また、一対の浮体３，３によって本体２を形成した場合、両浮体３の重量が同じであれば、水面に浮かべたときに、水車５の回転軸５aを水平面に対して平行とすることができる。しかし、上述した潮力発電装置１のように、一方の浮体３にのみ発電機構１０を設ければ、本体２が傾いてしまう。もちろん、各浮体３に同じ構造の発電機構１０をそれぞれ設ければ、本体２を水平にできるものの、潮力発電装置１の構造が複雑になる。そこで、一方の浮体３にのみ発電機構１０を設ける場合には、他方の浮体３にカウンターウエイトを設置して、本体２のバランスをとるようにすることが望ましい。

（連結部材４について）
一対の連結部材４，４によって一対の浮体３，３を連結する位置はとくに限定されない。しかし、一対の浮体３，３の軸方向の両端同士を一対の連結部材４，４によって連結すれば、一対の浮体３，３を安定した状態で連結しておくことができる。

また、一対の連結部材４，４の形状や構造はとくに限定されず、一対の浮体３，３を安定した状態で連結できればよい。例えば、一対の連結部材４，４として、軸状の部材や板状の部材を使用して一対の浮体３，３を連結することができる。

（本体２について）
さらに、上記例では、本体２が一対の浮体３，３を有する場合を説明したが、本体２を形成する浮体３の数はとくに限定されない。例えば、浮体３を３つ以上設けてもよい。この場合には、流路２ｈを複数設けることができるので、水車１０も複数設けることができ、発電量を多くすることができる。

さらに、一つの浮体だけで本体２を形成して、この浮体に溝を設けて流路２ｈとしてもよい。例えば、浮体に正面視Ｕ字状やＶ字状の溝を設けて流路２ｈとしてもよい。しかし、本体２を複数の浮体３を連結した構造とすれば、本体２の構造を簡素化することができるので、メンテナンス性等を向上させることができる。

（傾斜面３ｓについて）
また、上記例では、一対の浮体３，３の互いに対向する内面の軸方向の両端部に傾斜面３ｓを形成した場合を説明したが、浮体３の内面において、軸方向の一方の端部にだけ傾斜面３ｓを形成してもよい。この場合には、流路２ｈに、常時、浮体３における一方の端部側から水流が流入するように潮流発電装置１を配置すればよい。

一方、水車５がいずれの方向に回転した場合でも発電できるようにしておけば、流路２ｈに、いずれの方向から水流が流入しても、発電が可能となる。かかる場合には、上記例のように、浮体３の内面における軸方向の両端部に傾斜面３ｓを形成すればよい。すると、水流の方向が反対になる場所（例えば、潮の流れが変わる場所等）に本実施形態の潮力発電装置１を配置すれば、水流の方向が変化しても発電を継続することができるので、好ましい。

本発明の潮力発電装置は、海上や河などの水流を利用して発電する装置として適している。

１ 潮力発電装置
２ 本体
２ｈ 流路
３ 浮体
３ｓ 傾斜面
５ 水車
５ａ 回転軸
５ｃ 羽根
１０ 発電機構
２０ 上昇流形成機構
２１ 連結部材
２１ａ 傾斜面
３０ 翼状部材

Claims (6)

1. 水面に浮かべた状態において水流を利用して発電する発電装置であって、
   水流を導入する流路が形成された、水面に浮かぶ本体と、
   前記流路内に、回転軸が流路内の水面よりも上方に位置し、該流路内の水流によって回転するように配設された水車と、
   該水車の回転エネルギーを電力に変換する発電機構と、を備えており、
   前記本体における流路は、
   該流路を形成する互いに対向する一対の側面が、該流路の端部では、該流路の端部から内方に向かって互いに接近するように形成されており、
   該流路の端部には、上方に向かう速度成分を有する水流を発生させる上昇流形成機構が形成されている
   ことを特徴とする潮力発電装置。
2. 前記上昇流形成機構が、
   前記流路の端部から内方に向かって上傾する傾斜面を有している
   ことを特徴とする請求項１記載の潮力発電装置。
3. 前記上昇流形成機構は、
   前記流路の軸方向が水平になった状態において、前記傾斜面が水平に対して３０度となるように設けられている
   ことを特徴とする請求項２記載の潮力発電装置。
4. 前記本体は、
   前記流路に水流が流入する側の端部を上方に押し上げる浮力を発生させる姿勢安定部材を備えている
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の潮力発電装置。
5. 前記姿勢安定部材が、
   前記本体の両外側面に配置された翼状部材である
   ことを特徴とする請求項４記載の潮力発電装置。
6. 前記本体が、
   軸方向に長尺な複数の浮体から形成されており、
   該複数の浮体は、
   隣接する浮体の軸方向が互いに平行となるように配設されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の潮力発電装置。

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