JP2016056798A - 潮流発電に用いる水力発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】潮流発電に関しては、最適単機出力の観点から導かれる最適設計の指針がまだ確立しておらず、また、発電ユニットを多数台利用する場合のメンテナビリティの高い技術について提示されることが少なかった。
【解決手段】同じ総発電出力を達成するのに、大単機出力・少数台を使用する方式より、小単機出力・多数台を使用する方式の方が総資材量が少なく、寸法的に量産技術により製造できるため製造コストを低減でき、小型・軽量であるため取付枠からの着脱も自動化でき、メンテナンスの全作業を海上で行うよう構成でき、潮流発電の開発と実用化を容易にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、黒潮などの潮流（海流）の持つ流体の運動エネルギーを水力タービン等により回転エネルギーとなし、発電機により電気エネルギーへと変換する潮流発電施設の中核設備となる水力発電機（以下、発電ユニットと呼ぶ）に関する。

潮流発電と風力発電には、流体の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換することで共通点がある。風力発電は陸地や水深の浅い海上での利用は、製品のライフサイクルに当てはめると既に成長後期の段階にあり、長大な円筒支柱の上に巨大な風車を持つ発電ナセルを旋回可能に搭載する方式が世界標準に収斂しつつある。

潮流発電は風力発電に次ぐ自然エネルギーとして注目を集めているテーマである。製品のライフサイクルに当てはめると、導入前期の段階にあり、多くの思考実験的アイディアが提案され、一部は試作され、或いは実証試験に入っている。現在、公に推進されている開発計画の殆どが、風力発電機の考え方をそのまま海中に持ち込んだような、大口徑翼で単機出力を大きく設定する設計方針に基づいて推進されている。

それに対し、本発明ではそれら多くの計画の数十分の一以下の小出力で、小型であるため量産技術が適用可能な安価な水力発電ユニットを、多数台集合的に密集して設置して大出力潮流発電施設を構成する設計方針にこそ、高い経済性と実現可能性があると考えている。仮に、現在の開発の主流を大単機出力・少数台方式と呼ぶと、本発明は小単機出力・多数台方式と呼べよう。

同じアスペクト比の大小二つの発電ユニットを比較してみよう。小の発電ユニットの開口部の一辺の寸法を１とし、大の発電ユニットの同じ部位の寸法は２であるとしよう。小の発電ユニットの開口面積が１の時、大の発電ユニットの開口面積は４となる。同じ総発電出力となる同じ潮流断面積４に対して、大の発電ユニットは１台、小の発電ユニットは４台が必要となる。小の発電ユニット１台を製作するに要する資材量を１とすると、４台の総資材量は４である。大の発電ユニットの資材量は体積に比例して８となる。同じ発電出力となる発電ユニットを製作するに必要な総資材量では、１台の大の発電ユニットは、４台の小の発電ユニットの２倍を要している。同じ発電出力（ｋＷ）を対象として、総資材量が倍半分も違うのは、経済性を始めとする多くの対照項目で見逃せない違いである。

面積はＬ２乗、体積はＬ３乗に比例し、同じ潮流断面積から同じ出力の発電を行う場合、Ｌを小さく、即ちＬ２乗に比例する単機出力を小さく設定する方がＬ３乗に比例する全体の資材量が少なくなる法則をＬ２乗３乗則と呼び、工学の対象となる多くの製品にも成立する場合が多い基本的な法則である。

なお、潮流発電の発電ユニットの寸法を際限なく小型化すると更に有利になるかというと、そうではない。台数が多くなると、電力やモニタリング信号を海上基地まで搬送するケーブル本数が増加すること、海中の過酷な環境に対しては大型機に比べて小型機はどうしても脆弱であること、数が多くなると管理の煩雑さが増すなどから、実用面からくる均衡点がある。均衡点は実証試験等を経て、何れ関係者が納得できる値に収斂すると思われる。

特開２００４−０６８６３８号公報 特願２０１３−２７３７７８

共同研究「海流発電の研究」報告書 海洋科学技術センター 東京電力株式会社 １９８１年９月 再生可能エネルギー技術白書 第２版 第６章 海洋エネルギー 新エネルギー・産業技術総合開発機構 ２０１３年１２月

エネルギー源として見た黒潮は、極めて巨大な潜在力を秘める。黒潮は平均的に海面から水深２００ｍ付近までに強流帯を有する表層流であり、時には深さ５００ｍにも強流帯が及ぶことがある。
黒潮の流路は長期間安定しており、日間変動も季節変動も比較的少ないことが知られている。天気まかせの太陽光発電の総合発電効率が２０％台にとどまり、風まかせの風力発電の総合発電効率が２０％乃至３０％台にとどまるのに較べて、黒潮発電は８０％乃至９０％の高い総合発電効率を期待できる。このことは、年間を通した総合発電量能力で比較すると、黒潮発電の１００ｋＷ施設はほぼ太陽光発電の４００ｋＷ施設、風力発電の３００ｋＷ機、潮汐流発電の２００ｋＷ施設に相当する総電力量（ｋＷｈ）を得ることができることを意味する。

黒潮発電を行う場合には、数十気圧の水圧を始めとする過酷な海中の環境に長期間耐えうる安価な水力発電装置を生産・運営・保守するという困難な課題を解決しなければならない。従って、本発明の第一の課題は高水圧に長期間耐える構造の発電ユニットを提供すること、第二の課題は保守が容易な構造の発電ユニットを提供すること、第三の課題は製造コストが適正な範囲に収まるように量産化が容易な構造の発電ユニットを提供することである。

第一の課題を解決する手段について説明する。この発明になる発電ユニットは、どの部位にも内外圧間に差を発生させないという設計方針に貫かれている。発電ユニットは大きくは発電機筐体、それを収容する発電ナセル、水力タービン、内側にコンバージョン・ダイバージョンノズルを有するダクト構造体（以下、発電ダクトと呼ぶ）、発電ダクトから発して発電ナセルを機械的に支持するパイロンから成り立つ。発電機筐体の内部空間には潤滑油（以下、封油と呼ぶ）を満たした油封状態に保たれ、その封油は伸縮自在な構造を持つ均圧機構により、外部の海水圧と等しい圧力に保たれるように構成する。

水力タービンからの主軸は油封シールを潜って発電機筐体内部に入る。海水と封油の圧力差がない状態で油封シールが正常に働いていれば、そこから発電機筐体内部に海水が侵入することはない。発電機筐体内部には前述主軸からの力を受け止める軸受機構、低速回転の主軸からの駆動力を増速する増速機構、増速された回転軸で駆動される高周波発電機、均圧機構、各種振動・温度・圧力等のセンサーと、それらからの信号を処理して送り出すローカルプロセッサー等が収められており、発電機筐体の外部に引き出した電力・信号ケーブルは、発電ダクトに組み込まれた電磁カップラーに至る。発電ユニットの電磁カップラーに対応して保持体に設置された電磁カップラーは、発電ユニットからの電力と信号を受け取り、海上の所定設備まで送電・伝送する。
発電ユニットを構成する部品で、海水が侵入して問題を起こす可能性があるものは全て発電機筐体内部に集め、その他の部位では海水との問題が殆ど存在しないように構成する。これが第一の課題に対する解決手段である。

第二の課題を解決する手段について説明する。稼働状態では発電ユニットは保持体と称する取付枠に取り付けられてある。保持体は発電パネルと呼ぶ大きな構造体の一部である。発電船タイプの潮流発電施設では、稼働状態において海水中に発電パネルを船体に対して垂直に懸垂・固定する。保守時には９０度回転させて発電パネルを水平状態となして海上に露出させる。その状態で保守を必要とする発電ユニットを自動着脱装置によりワンタッチ動作で取り外し、別の場所にある工場まで搬送して必要な保守を行う保守システムをとる。
常時、予備の発電ユニットを所要台数保有し、取り外した発電ユニットの跡には自動着脱装置により代替の発電ユニットを挿入・装着して最短時間で整備を終え、再び発電パネルを懸垂して稼働状態に戻る。これが第二の課題に対する解決手段である。人手による作業が難しい海中での保守活動が一切存在しないのが、この保守システムの特長である。

第三の課題を解決する手段について説明する。現在開示されている潮流発電開発計画の多くは、単機出力が数百ｋＷから数万ｋＷ級の大単機出力のものである。このような大単機出力の発電装置は水力タービンも発電機も大型であるために個別生産方式で製造せざるを得ず、製造コストが高くなることは避けられない。
小単機出力機、例えば開口部の一辺が２〜３ｍ程度であれば、年間数十万台量産される乗用車生産ライン等で広範に使われている量産技術が適用可能となる。量産技術が採用できれば、個別生産的な製造法による場合よりも、製造コストが数分の一から数十分の一にまで劇的に低減することは工業常識である。例示の寸法が適当かどうかは検討の余地があるが、一辺が１０ｍもある発電ユニットが量産技術で製造できるとは、とても考えられない。自動車産業等で扱い慣れたサイズの発電ユニットを多数台集合して、大規模な総発電出力の潮流発電施設を構成せんとするのが、第三の課題に対する解決手段である。

本発明は規格化された単機出力が比較的小さい発電ユニットを大量に幾何学的に密集させて大出力潮流発電施設を構成せんとするものであり、同一総発電出力に対して、従来の単機出力が大きい設計よりも単機出力が小さい故に使用台数が多くても総資材量が格段に少なくて済む。また、形状が単純で保守が容易な発電ダクト構造とすることにより、コンバージョン・ダイバージョンノズルを容易に設けることができて、発電能力を格段に向上でき、更に、小型故に量産技術の適用が可能となって製造コストも格段に少ない総合経済性に優れた潮流発電施設を提供することができる。

発電ユニットの中心軸を通る垂直部分断面図である。（実施例１） 発電ユニットの中心軸を通る４５度斜め平面部分断面図である。（実施例１） 保持体に１２台の発電ユニットが装着された状態を上流側から見た正面図である。（実施例１） ナセル・パイロン複合体を構成する５部品を組立前の分離した状態で上流側から見た正面図である。（実施例２）

図１は本発明になる発電ユニット１の簡略化した垂直断面図である。
この発電ユニット１を斜め４５度の断面で見たのが図２であり、ここには発電ダクト２の内側に、図１では現れなかったコンバージョン・ダイバージョンノズル３の断面を見ることができる。
この発電ユニット１を潮流の上流側から見た正面図が図３であり、１２台の発電ユニット１が保持体４に装着されている状況が示されている。

図１の中央部に見える発電機筐体１０は左端に発電ナセル６に装着するための取付フランジ１１を有し、横になった円筒形状をなす。発電機筐体１０から左側に突き出た主軸は水力タービン８と直結している。
前述主軸は油封シールを潜って軸受ブロック１２に至る。水力タービン８が発電を行う場合は、潮流の流速２．５ｍ／ｓの場合、発電量１０ｋＷ当たり約０．７トン重の推力を受け、これを軸受ブロック１２が受け止める。

コンバージョン・ダイバージョンノズル３により水力タービン８が受ける流速が５ｍ／ｓに増速された場合、タービン翼端の速度は流速と同レベルの５ｍ／ｓ前後となり、発電ユニットの開口部の一辺が２ｍの場合はタービンの回転速度はほぼ毎秒１回転、毎分６０回転オーダーとなる。

増速機ブロック１３は、低速回転する主軸の回転数を十倍以上の高速回転にまで増速して高周波発電機１４の主軸を駆動する。数値例を挙げれば、高周波発電機１４が６０極機である場合、毎秒１５回転まで増速すれば、高周波発電機１４の出力周波数は４５０Ｈｚとなる。なお、高周波発電機１４はコギング現象を抑制するために、単相交流機ではなく、３相交流機であることが望ましい。

発電機筐体１０の内部は封油で満たされている。このため回転速度が高くなると、高周波発電機１４の固定子である電機子と、回転子である永久磁石界磁との磁気間隙内で封油の摩擦熱による発熱が大きくなる。対策として狭い空間に熱が蓄積しないように前述磁気間隙に軸方向の油流を作り、封油を冷却する必要がある。回転子の回転で前述磁気間隙の軸方向の吐き出し側に向かって駆動する油流を作り出し、油流の帰路を発電機筐体１０の外筒部内側と電機子鉄心の間を通して冷却し、再び前述磁気間隙の吸い込み側から封油が吸い込まれるような冷却のための封油の循環流を作り出す必要がある。請求項２はそのような機能を実現するために設けられた。

発電機筐体１０の解放端側には、海水と封油の圧力差をなくすように作用する均圧装置１５が設けられている。具体的には、耐久性あるゴム袋や金属ベローズ等の内側に封油を導き、外側は海水に曝される構造になる。発電ナセル６と発電機筐体１０との間の空間には、圧力差を発生させないように発電ナセル６のノーズコーン７に設けた穴から海水が導き入れられている。

保持体４がその一部をなす発電パネルは縦横数十ｍから数百ｍに及ぶこともある巨大な構造物である。これを潮流に向かって正対させると水流の前後には相当な水頭（圧力差）を発生する。その水頭がコンバージョン・ダイバージョンノズル３を有する発電ユニット１に大きな発電能力を与えるのであるが、上下左右に有限寸法である発電パネルのどの位置に装着されるかにより、各発電ユニットの作動状態は相当に変化する。多数の発電ユニットはその装着位置により、異なった成績を示すのである。

従って、各発電ユニット１には水圧、流速、発電ダクト２が受ける低周波振動等を検出するセンサー類から、海上のコントロールルームに情報を送信して、各発電ユニット１の働きが正常範囲内に収まっているのか、故障等による異常なものであるのかを判断する運転成績自動監視システムを構成できる。
また、軸受や増速機や高周波発電機等の機械的運動を行う部位の振動、音響、温度等のデータをコントロールルームに送信すれば、消耗性機械部品類の予防保全に役立てることができる。そのための各種センサー類と、センサーからの信号を処理してコントロールルームに送信するローカルプロセッサーを発電機筐体１０の内部に収容する。このような発電ユニットは一種の自己診断機能を有しており、多数台を相手にする保守作業の正確性と能率向上に有効である。

高周波発電機１４からの電力と、ローカルプロセッサーからの信号は電力・信号ケーブル１６により発電機筐体１０より引き出され、パイロン５に沿って発電ダクト２の電磁カップラー１７まで導かれる。発電ユニット１が保持体４に装着された状態で、保持体には前述電磁カップラー１７に対面して電力・信号を受け取る電磁カップラーがあり、そこから保持体と発電パネルに配線された電力・信号ケーブルを通って電力と信号が海上の所定位置まで導かれる。

ここから電力線と信号線に分かれて、電力線は水素生成プラントに導かれ、信号線はコントロールルームに導かれる。
本発明では、１台の発電ユニットから送られてきた電力は１台の水素生成ユニットに給電する一対一編成方式をとり、多数の水素生成ユニットからの水素ガスを主幹配管に集めて大型の貯蔵タンク、ＭＣＨ（メチル・シクロ・ヘキサン）製造プラント等の後工程に流す方式をとる。この編成方式により、電気回路が極めて簡単になり、比較的小容量の水素生成ユニットを多数使用することにより、量産技術の採用が可能になり、管理・保守が単純・明快になる効果を得ることができる。請求項４はそのような潮流発電・水素生成プラントを提供するために設けられた。

前述サイズの発電ユニット１であれば、量産技術が広範に採用可能である。一例を挙げよう。大容量機であれば製造に当たって数十の部品と大きな作業工数を必要としそうな、発電ナセル６と４本のパイロン５について、仮に量産技術が適用できれば、どこまで部品点数と加工工数を低減できるかを示す。図１、図２及び図３によれば、パイロン５は横からは長方形、正面からはやや膨らみを持ったフィン形状であり、それに接続する発電ナセル６は円筒形状である。

本発明になる発電ユニット１は量産可能サイズであるから、発電ナセル６と４本のパイロン５の主要部分を僅か五つの部品で製造することができる。図４は中央部が発電ナセル６の円筒の４分の１に当たる部分であり、その両側は直交する２本のパイロン５のフィン状部の片面であるナセル・パイロン複合鋼板１８の４点が四方に置かれ、中央に発電ナセル６の内側に接合されるナセル内部シリンダー１９が置かれた状態を示した。図４では、太線は鋼板の切断面を現し、細線部は輪郭線を現す。図４には２種・５点の部品があることになる。これらは量産段階では、全てプレス加工等の量産技術で製造される。

この５点の部品を中心軸に向かって接触させ、接合すれば一体化したナセル・パイロン複合体が出来上がる。接合方法としてスポット溶接、シーム溶接、ＴＩＧ溶接等の量産技術が適用可能である。ナセル内側シリンダー１９は軸方向に角形コリュゲートを成型し、外周とナセル・パイロン複合鋼板のナセル部内周とをスポット溶接等で接合すれば極めて強固な構造体となる。この他に、発電ナセル６の下流側端部には発電機筐体１０の取付フランジ１１と締結する相手になる発電ナセル６側のフランジが必要であるが、図面では省略した。

ナセル・パイロン複合体が接合されて組み上がると、その内部空間は全て繋がっているから、パイロンとナセルをなす鋼板の内側空間に発泡コンクリートや中空ガラス球をフィラーとした樹脂等を真空充填して固化させれば、極めて堅牢で軽量なナセル・パイロン複合体が完成する。発電ダクト内部の主要構成要素であるナセル・バイロン複合体を、より少ない部品点数と加工工数で得られるための製造技術を提供するために請求項５を設けた。

量産技術が応用できる場合は、発電ユニットのあらゆる部位に、ここに例示したような部品点数と加工工数の大幅な低減が実現可能であり、個別生産的手法で製造される場合との製造コストの違いは大きい。
課題３の解決手段で説明したように、徒に大単機出力化を追わず、量産技術が適用できるサイズに単機出力を選ぶことにより、如何に製造コストを低減できるかを示すために、ナセル・パイロン複合体を例に説明した。

更にＬ２乗３乗則により、大単機出力機に比べて、同じ総発電出力に対する総資材量が数分の一にまで低減する効果との相乗効果を考えると、小単機出力・多数台方式の大単機出力・少数台方式に対する製造コストの優位性は明白である。
発電ユニットは潮流発電施設を構成する一部に過ぎないが、エネルギー変換の中核機能を担う装置であり、ここでの原価低減効果は総コストに大きな影響を与え、潮流発電の実現性を高める重要な働きをすると期待する。

海洋エネルギー利用の中でも潮流（海流）発電は巨大な潜在力があることを理解されながらも、現状では最も開発が遅れている。その主たる理由は、沿岸から遠いため送電線の敷設が困難で採算が取れないこと、海中での施設建設や保守作業が現行技術では極めて難易度が高く、敬遠されていることなどである。本発明は発電船方式の水素プラント用発電施設の中核装置である発電ユニットを安価に提供する技術を提供し、加えて保守作業は全て海上で行うことにより、海中での作業を一切要しない技術を提供することにより、黒潮に代表される潮流エネルギー利用への開発と実用化を容易にする。

１ 発電ユニット
２ 発電ダクト
３ コンバージョン・ダイバージョンノズル
４ 保持体
５ パイロン
６ 発電ナセル
７ 発電ナセルのノーズコーン
８ 水力タービン
９ 水力タービンのノーズコーン
１０ 発電機筐体
１１ 発電機の取付フランジ
１２ 軸受ブロック
１３ 増速機ブロック
１４ 高周波発電機
１５ 均圧機構
１６ 電力・信号ケーブル
１７ 電磁カップラー
１８ ナセル・パイロン複合板
１９ ナセル内部シリンダー

Claims (5)

1. 潮流発電施設の本体構造体の一部をなす保持体に自動着脱装置によりワンタッチ動作で挿入して固定状態となし、或いは前述自動着脱装置で前述保持体からワッタッチ動作で固定状態から解放して引き出すことができるダクト構造体であって、水流に接する内側にコンバージョン・ダイバージョンノズルが形成されており、水流の中心軸上の前述コンバージョン・ダイバージョンノズルが最も絞られた位置に発電機筐体の主軸に直結された水力タービンが設置されており、前述発電機筐体を収納する発電ナセルは前述ダクト構造体に発するパイロンにより支持されており、前述発電機筐体は内部に軸受、増速装置、高周波発電機等を封油に満たされた油封空間に置いて伸縮可能な均圧装置によって水流の水圧と前述油封空間の油圧に圧力差が生じないように構成されており、前述高周波発電機により発電された電力は前述ダクト構造体に設けられた電磁カップラーにより前述ダクト構造体を固定保持する前述保持体側の対向する電磁カップラーへと電力を送るようにしてなる水力発電装置。
2. 前述高周波発電機の回転子の表面は平滑に仕上げられており、電機子に対する回転子の回転運動による磁気間隙の封油の摩擦熱による発熱や、電機子のコイルに発する電気損失による発熱を冷却するために、前述回転子の表面に螺旋状、またはタービン翼状の溝を彫り、或いは前述回転子の前述封油の吸い出し側に小型のタービン翼を置き、回転時に封油に前述回転子の一方から他方へと流れる油流を作り出し、前述発電機筐体の外筒部の内側と電機子鉄心が接する個所に前述油流のリターン流路を設けてなる請求項１に記載の水力発電機。
3. 前述ダクト構造体が前述保持体に装着された位置の水圧、水流の流速を測定するセンサー、水流から受ける力で前述ダクト構造体が揺動・振動する状況や、前述水力タービンのブレード等の異常で発生する低周波・超低周波を検知するセンサー、前述軸受部や前述増速装置や前述高周波発電機の回転部品類が発する音波・超音波を検知するセンサー、前述封油中の塩素濃度を検出して油封状態が正常に維持されているかを検知する塩素イオン濃度センサー、前述封油や前述軸受部の温度を監視する温度センサー等の監視システムを処理・報告するローカルプロセッサーを有し、その情報を前述電磁カップラーの一部を利用して前述保持体側の電磁カップラーに伝達し、それらの情報を海上のコントロールルームで一括自動監視するようにしてなる請求項１に記載された水力発電装置。
4. 請求項１に記載された水力発電装置を多数集合して使用する潮流発電施設において、海中に置かれた前述水力発電装置の１台から電磁カップラーを介して受け取った電力を、海上のデッキに置かれた１台の水素生成装置に送電して水素ガスを生成し、前述水素ガスの生成量を各水素生成装置単位で計測するまでを一対一ユニット構成とし、水素生成量計測後は複数のユニット水素生成装置の水素を主幹配管に集めて後工程に流すようにしてなる潮流発電・水素生成プラント。
5. 請求項１に記載された水力発電装置のダクト構造体の内側の水路において、水力タービンに直結した発電機筐体を格納した発電ナセルと、前述ダクト構造体から発して前述発電ナセルを機械的に支持するパイロンを少ない部品点数で構成するため、前述ナセルの外殻の円周方向の４分の１の部分と、それに接続して互いに直角に位置する２本のパイロンを軸方向対称面で２枚に切り分けたパイロンの片面を一枚の鋼板から打ち抜いてプレス加工で成形したナセル・パイロン複合鋼板を４枚作り、前述ナセル・パイロン複合鋼板４枚を接合してナセルとパイロンの外側を作り、軸方向に向かって凹凸を繰り返すコリュゲートを設けたナセル部の内周に嵌合するナセル内部シリンダーを挿入し、前述ナセルの内周と、前述ナセル内部シリンダーの外周の接する位置を接合し、組み上がったナセル・パイロン複合体の内部空間に発泡コンクリートや中空ガラス球を充填材とする樹脂等の軽量強固物質を充填・固化させたナセル・パイロン複合体。

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