JP2015158137A - 海流発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】水深の深い場所での海流発電を可能とすること。【解決手段】海流発電システム１は、一方向の海流にて用いられる海流発電システムであって、アンカー２と浮体３との間に配置されるカーボンナノチューブを備える係留索４と、海流により回転するスクリュー６により発電する発電機に一端が電気的に接続され、他端が係留索４に電気的に接続されるカーボンナノチューブを備える係留索４ａと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は海流発電システムに関する。

発電機と水車とを備える発電システムが知られている。一例では、海流の流力によって水車を回転させ、この回転エネルギーにより、発電機を駆動して発電する方法が知られている。

特開平１１−２４７７５２号公報 特開２００２−２６６７４３号公報

図５は、海流発電システムの一例を説明する図である。

図５に示す海流発電システム９０は、金属製の係留索９１、９２と、アンカー９３と浮体９４と発電機９５とスクリュー９６と送電ケーブル９７とを備えている。
海流発電システム９０は、例えば海面６０から海底６１までの水深が２００ｍ程度の箇所で用いられる。

ところで、沖合（例えば離岸距離から３０ｋｍ程度）よりも海側に離れた場所（例えば離岸距離から１００ｋｍ程度）の海流の方が流量が大きく、より高い発電のポテンシャルを秘めている。離岸距離が離れると、一般的に水深が深くなり、例えば日本の太平洋岸では、水深が１０００ｍを超える場所もある。

ここで、海流発電システム９０を水深１０００ｍの場所で用いることを考える。海流発電システム９０は、係留索９１として金属を用いている。このため、自重により、海底６１方向へのたるみが発生する。さらに、係留索９１が海流および発電機９５の重みにより海流方向に引っ張られることにより、係留索９１全体が大きくたるんでいる。

たるみが発生すると、スクリュー９６の位置がぶれる可能性が高まる。また、スクリュー９６の位置のぶれにより、発電機９５の回転軸とスクリュー９６との間にもねじれが発生する。スクリュー９６の位置のぶれやねじれが発生すると、その分スクリュー６の回転が低下し、発電の効率が低下する。また、発電機９５の回転軸に応力がかかると、破損の可能性が高まる。

さらに係留索９１として金属を用いた場合、ぶれやねじれが発生すると、係留索９１が金属疲労を起こし、切断の可能性が高まる。また海中に電子が放電される比率が高く、発電効率も悪い。
このように、海流発電システム９０では、水深が深くなる（一例として１０００ｍを超える）場所において海流発電を行うのは非常に困難である。
１つの側面では、本発明は、水深の深い場所での海流発電を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、開示の海流発電システムが提供される。この海流発電システムは、一方向の海流にて用いられ、海流を用いて発電する発電機を備える海流発電システムであって、アンカーと浮体との間に配置されるカーボンナノチューブを備える係留索を有する。

１態様では、水深の深い場所での海流発電を可能とすることができる。

実施の形態の海流発電システムを示す図である。 係留索の接点を拡大した図である。 実施の形態の係留索の断面図である。 係留索の変形例を説明する図である。 海流発電システムの一例を説明する図である。

以下、実施の形態の海流発電システムを、図面を参照して詳細に説明する。
＜実施の形態＞

図１は、実施の形態の海流発電システムを示す図である。
実施の形態の海流発電システム１は、アンカー（錨）２と、浮体３と、多層のカーボンナノチューブを備える係留索４、４ａと、発電機５と、スクリュー６とを有している。

アンカー２は、海底５０に配置されている。実施の形態の海流発電システム１を用いる場所としては例えば、北太平洋では黒潮、北大西洋ではメキシコ湾流など、強い定常的な流れが発生する箇所が好ましい。海面５０から海底５１までの深さは、一例として１０００ｍ〜２０００ｍ程度である。また、黒潮の海面から５ｍの地点の海水の流速は、一例として０．５〜２．５ｍ／ｓである。平均流速が１ｍ／ｓより大きい地域としては、例えば四国から紀伊半島にかけて、沖縄と奄美大島西方の東シナ海等が挙げられる。
黒潮に海流発電システム１を配置することで、年間を通じて安定した水流を得ることができる。

浮体３の構造は特に限定されるものではないが、例えば、水流の上流に舳先を向けるような舟型とすることで、水流に対する抵抗を少なくすることができる。また、図１においては、浮体３が海面５０に浮かべた状態で係留する例を図示しているが、浮体３が海面５０下に位置していてもよい。

係留索４は、アンカー２と浮体３との間に設けられている。言い換えれば、係留索４によりアンカー２と浮体３とが接続されている。この係留索４は、発電機５を海流の一定位置に係留させる。
係留索４の所定の箇所（一例として海面から２０ｍ〜５０ｍ程度の箇所）には、係留索４ａが接続されている。
係留索４、４ａの断面の直径は、最大２０ｃｍ程度である。
係留索４、４ａは、単層のカーボンナノチューブの集合体であってもよいし、カーボンナノチューブと他部材との集合体であってもよい。
単層のカーボンナノチューブの集合体としては、例えば、以下の（１）が挙げられる。

（１）特開２０１１−２０７７２４に示すような、カーボンナノチューブが基体表面に配向して成長した配向カーボンナノチューブ、この配向カーボンナノチューブから作製されたカーボンナノチューブを備えるロープ状炭素構造物。
また、カーボンナノチューブと他部材との集合体としては、例えば、以下の（２）〜（８）が挙げられる。
（２）特開２０１２−２３６２５５に示すような、心材にカーボンナノチューブ紡糸材を使用したソーワイヤー。

（３）特開２００５−０３５８４１に示すような、金属ワイヤー表面又はガラス等のセラミックス材料、ポリマー等のプラスチックス材料等の誘電体物質からなるキャピラリー内壁面に、１又は複数のカーボンナノチューブを備えている金属ワイヤー又はキャピラリー。

（４）特開２００９−２５２７４５に示すような、複数のカーボンナノチューブ構造体及び少なくとも１つの導電性層を含むコアと、コアに被覆された絶縁層と、絶縁層に被覆された遮蔽層と、遮蔽層に被覆されたシース層を備え、カーボンナノチューブ構造体が導電性層で被覆されており、カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含む同軸ケーブル。

（５）特開２００９−１８７９４３に示すような、複数のカーボンナノチューブを含むコアと、コアに被覆された絶縁層と、絶縁層に被覆された遮蔽層と、遮蔽層に被覆されたシース層を備える同軸ケーブル。なお、この同軸ケーブルの製造方法は、例えば特開２００９−１８７９４４に記載されている。

（６）特開２００５−３０２３０９に示すような、中心導体の周囲に誘電体層を設け、この誘電体層の周囲に外部導体層を設け、この外部導体層の周囲にカーボンナノチューブを含む熱可塑性樹脂が設けられた同軸ケーブル。

（７）特開２０１２−２３００７に示すような、ポリプロピレン基本樹脂又は低密度ポリエチレン基本樹脂とカーボンナノチューブとを含む半導電性組成物によって形成された内部半導電層、外部半導電層と、ポリプロピレン基本樹脂又は低密度ポリエチレン基本樹脂とナノ無機粒子とを含む絶縁組成物によって形成された絶縁層を含む電力ケーブル。

（８）独立行政法人産業技術総合研究所の２０１３年７月２３日付けのプレスリリース銅の１００倍まで電流を流せるカーボンナノチューブ銅複合材料。インターネット＜URL：http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130723_2/pr20130723_2.html＞。
また、上記以外にも、カーボンナノチューブと各種樹脂、ゴム、フィルムとの複合材料を用いた係留索であってもよい。
係留索４、４ａは、カーボンナノチューブを主成分としている。このため、係留索４、４ａは、以下の特徴を備えている。

係留索４、４ａは、銅等の金属に比べはるかに軽いため、銅等の金属に比べて自重によるたるみが軽減する。係留索４、４ａは、海水と比重がほぼ一緒であるため、銅等の金属に比べて浮力が大きい。そのため、アンカー２と浮体３との間に直線に近い形で位置することができる。
発電機５は、係留索４ａに電気的に接続されている。また、発電機５は、係留索４ａにより、その位置が保持されている。

発電機５の回転軸には水流により回転するスクリュー６が取り付けられている。スクリュー６が回転することにより、発電機５はスクリュー６の回転運動を電力に変換する。なお、スクリュー６の回転で発電機５が回転することを抑制するために、２つのスクリューをセットにして片方を逆回転させるようにしてもよい。

なお、図１では発電機５とスクリュー６の組み合わせを１つ図示した。しかし、これに限らず、発電機５とスクリュー６の組み合わせが２つ以上設けられていても良い。また、本実施の形態では、発電機５とスクリュー６の組み合わせを浮体３と分離した場合を例に説明した。しかし、これに限らず、発電機とスクリューが浮体に取り付けられていてもよい。

また、係留索４、４ａは、送電ケーブルとしての役割を果たす。送電ケーブルとしてカーボンナノチューブを含む係留索４、４ａを用いることにより、他の部材（例えば銅等の金属）を送電ケーブルに用いる場合に比べ、海中への放電を抑制することができる。また、熱による放電も遙かに少ない。また、銅と同程度の電気伝導度をもちながら、例えば銅の１００倍〜１０００倍程度の電流を流すことができる。また、係留索４、４ａが送電ケーブルと係留索とを兼ねるため、別途送電ケーブルの配置が不要となる。

発電機５において発生した電力は、係留索４ａ、４を介して図示しない変電設備に送られる。変電設備は電圧変換を行い、海底５１に敷設された図示しない送電ケーブルを介して、地上の変電所に送電される。なお、海底５０に敷設された送電ケーブルの種別は特に限定されない。また、海底５０に敷設された送電ケーブルがカーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブを含む導体であってもよい。

図２は、係留索の接点を拡大した図である。
係留索４ａは、係留索４ａに設けられた環により係留索４に係合している。カーボンナノチューブの特性により、係留索４ａをカーボンナノチューブ４に固着しなくても通電が可能である。このため、係留索４ａは、発電機５やスクリュー６にかかる圧力等に応じて係留索４との係合位置を変えることができる。

ところで、カーボンナノチューブの特性により、係留索４と係留索４ａとの係合部分が図２に示すように、応力がかかった部分（局所部分）から曲がっている。これにより、係留索４全体のしなりやたるみを抑制することができる。

図３は、実施の形態の係留索の断面図である。
係留索４は、多層のカーボンナノチューブを備えており、複数のカーボンナノチューブが係留索４内に配置されている。係留索４の断面は、周辺部４１から中央部４２に向かうにつれてカーボンナノチューブの密度が漸増する。これにより、電子が中央部４２を通り、海中への放電を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、周辺部４１から中央部４２に向かうにつれてカーボンナノチューブの密度が漸増する。しかし、これに限らず、周辺部から中央部に向かうにつれて段階的に断面の密度が増加するようになっていてもよいし、断面の密度の濃い部分が螺旋状（渦巻き状）に表れるようになっていてもよい。
なお、図３では、係留索４について説明したが、係留索４ａについても係留索４と同様の構成をなしている。

以上述べたように、海流発電システム１によれば、係留索４がアンカー２と浮体３との間を直線状に結ぶ。このため、スクリュー６の左右方向の位置のぶれを抑制することができる。また、係留索４と係留索４ａとの係合部において、係留索４が局所的に曲がることにより、スクリュー６の上下方向の位置のぶれを抑制することができる。従って、スクリュー６の遠心力によって発電機５が回転することを抑制し、発電効率を高めることができる。

例えば、１００ｍ程度の浅い海底であれば、発電機から変電設備までの送電ケーブルに金属を用いる例もあるが、水深が１５００ｍ程度になると、海水に対する耐腐食の問題から金属を用いた場合は、腐食するおそれがある。また、腐食を抑制するために金属に何らかの加工を施せば、それだけ送電ケーブルの重量が増してしまう。これに対し、海水への耐性の高いカーボンナノチューブを含む係留索４、４ａを送電ケーブルとして用いることにより、重量の増加を抑制することができる。
また、カーボンナノチューブを含む係留索４、４ａを用いることにより、発電機５が発電した電力を変電設備に導くまでの電力の損失を抑制することができる。
なお、本発明に適用できる水車の形式は、特に限定されず、例えば揚力型、抗力型、混合型等が挙げられる。
（変形例）
係留索４側に係留索４ａを所定の位置に配置するための加工（曲げ加工）が施されていても良い。

図４は、係留索の変形例を説明する図である。
図４では、係留索４の係留索４ａとの係合部分に曲げ加工を施している。これにより、係留索４ａの配置位置をさらに安定させることができ、係留索４全体のしなりやたるみを、さらに抑制することができる。

以上、本発明の海流発電システムを、図示の実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物や工程が付加されていてもよい。

１ 海流発電システム
２ アンカー
３ 浮体
４、４ａ 係留索
４１ 周辺部
４２ 中央部
５ 発電機
６ スクリュー

Claims (6)

1. 一方向の海流にて用いられ、海流を用いて発電する発電機を備える海流発電システムにおいて、
   アンカーと浮体との間に配置されるカーボンナノチューブを備える係留索を有することを特徴とする海流発電システム。
2. 水深１０００ｍ以上の箇所で用いられる請求項１に記載の海流発電システム。
3. 前記カーボンナノチューブは多層をなし、前記第１の係留索および第２の係留索の断面は、中央部のカーボンナノチューブの密度が周辺部の密度よりも高い請求項１または２に記載の海流発電システム。
4. 前記発電機に一端が電気的に接続され、他端が前記係留索に電気的に接続されカーボンナノチューブを備える係留索を有する請求項１ないし３のいずれかに記載の海流発電システム。
5. 前記係留索が導電性を有し、送電線として機能する請求項１に記載の海流発電システム。
6. 前記係留索が前記発電機に電気的に接続されている請求項１または５に記載の海流発電システム。

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