JP2016217151A - 発電システムおよび発電システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】海洋もしくは河川に設置される発電システムにおいて、水中の水車が効果的に水流を受けることができる発電効率の高い発電システムを提供する。【解決手段】少なくとも部分的に水中に設置される構造体と、前記構造体の水中部分に設けられる水車と、を備え、前記水車の回転軸が前記構造体の配置される位置での主たる水流方向に対して傾斜していることを特徴とする発電システム。【選択図】 図２

Description

本発明は、水力発電に関し、特に、海流もしくは河川の水流による水力発電の発電効率を向上する技術に関する。

近年、地球環境への配慮から、再生可能エネルギーの利用が増加しつつある。これは、太陽光のエネルギーや、自然風のエネルギーなど、自然界に存在する熱、光、運動エネルギーを太陽電池パネルや、風車を用いて回収し、主として電気エネルギーに変換し、利用するものである。最近では、実用段階にある太陽光、風力に続き、潮流、海流、波力を用いて発電を行う海洋エネルギー発電の研究が盛んにおこなわれている。その中でも、水平軸タービンを用いた発電方式は効率が高く、採用されているケースが多い。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１に示されている潮流発電装置は、海中の上層部と下層部とで潮流が異なる方向に生ずる箇所に設置される潮流発電装置であって、海中の略定位置に位置する中空な支持構造体に、前記海中の上層部の潮流を受けて回転する水平軸タービンおよび下層部の潮流を受けて回転する水平軸タービンを、側方に連通突出した中空な枝構造体を介して装着し、前記水平軸タービンの回転力を、前記支持構造体及び枝構造体内に組み込んだ回転力伝達材により、前記支持構造体の上端の海面上に設けられたステーション内に設置した発電機に伝達することを特徴としている。

また、特許文献２は、流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられた水平軸タービンであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転する水平軸タービンと、前記内側筒状体に内蔵され、前記水平軸タービンの回転により発電を行う発電機と、を備え、前記外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられていることを特徴としている。

特開２００２−２５７０２３号公報 特開２０１４−１４５３４７号公報

ところで、特許文献１では、流水中に設置される支持構造体あるいは枝構造体の影響で、潮流の流動方向が変化し、その影響で水平軸タービンに到達する潮流の流速が低下したり、タービンの羽根車に垂直に（回転軸に平行に）流入しなくなり、発電量が低下する恐れがある。

また、特許文献２では、円筒ケーシングを用いて、流水の流れを整流・増速し、発電量の増大を狙っており、上記特許文献１の問題は回避しているが、一般的な発電設備に適用する場合、円筒ケーシングが巨大なものとなり、製造コストや保守コストが増大する問題が生ずる。

そこで、本発明の目的は、海洋もしくは河川に設置される発電システムにおいて、水中の水車が効果的に水流を受けることができる発電効率の高い発電システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、海洋もしくは河川に設置される発電システムにおいて、水中の水車が効果的に水流を受けることができる発電効率の高い発電システムの制御方法を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、海洋もしくは河川に係留される浮体の水中部分に設置される水車および前記浮体上に設置される風車を備える複合発電システムにおいて、前記風車の稼動制御により当該浮体の姿勢制御を行う、発電効率の高い複合発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも部分的に水中に設置される構造体と、前記構造体の水中部分に設けられる水車と、を備え、前記水車の回転軸が前記構造体の配置される位置での主たる水流方向に対して傾斜していることを特徴とする発電システムである。

また、本発明は、主たる水流方向を検出し、当該検出した主たる水流方向に応じて、水車の向きを調整することを特徴とする発電システムの制御方法である。

本発明によれば、海洋もしくは河川に設置される発電システムにおいて、水中の水車が効果的に水流を受けることができる発電効率の高い発電システムを実現できる。

また、本発明によれば、海洋もしくは河川に設置される発電システムにおいて、水中の水車が効果的に水流を受けることができる発電効率の高い発電システムの制御方法を提供できる。

また、本発明によれば、海洋もしくは河川に係留される浮体の水中部分に設置される水車および前記浮体上に設置される風車を備える複合発電システムにおいて、前記風車の稼動制御により当該浮体の姿勢制御を行う、発電効率の高い複合発電システムを実現できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る水平軸タービンの回転軸と流体の主流の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る浮体周囲の流速を表したベクトル図である。 日本付近の海流分布図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る水平軸タービンの回転軸と流体の主流の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る浮体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る浮体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る浮体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る浮体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施例における発電システムについて説明する。図１は本実施例における発電システムの概略構成図である。この発電システムは、水車の回転エネルギーを用いて発電する発電システムである。１は水平軸タービンすなわち水平軸の水車であり、流体力によって回転するロータ（複数のブレードおよびハブ）と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（図示せず）を備えている。

２は浮体であり、水平軸タービン１を水中で支持する支持構造物である。３は係留機構であり、流動する流体中に浮体２を支持する。４は係留ワイヤーであり、一端が海底や川底もしくは陸上に固定され、他端が係留機構３に連結されて、流体の流動によって浮体が移動するのを防止する。５は浮体２が配置される位置での流体の主流の方向を示している。

なお、本実施例の発電システムは、海洋もしくは河川に設置されることを想定しており、流体は海洋における海流や潮流もしくは河川の水流である。従って、浮体２は係留機構３を介して係留ワイヤー４により海上もしくは河川に係留される。

図２は図１の発電システムにおける水平軸タービン１の回転軸と流体の主流の関係を示している。６は流体の主流の方向５と平行な方向、すなわち流体の主流方向を示す補助線であり、図２では流体は左側から右側に向かい流動している。７は水平軸タービン１の回転軸方向を示す補助線であり、本実施例における水平軸タービン１は、回転軸が流体の主流の方向５と平行な方向（すなわち流体の主流方向）６に対して、角度θ_１傾斜して浮体２に固定されている。

図３は本実施例の発電システムの浮体２（水平軸タービン１の支持構造体）の周囲の流速を概念的に表したベクトル図である。流体は左側から右側に向かい流動しており、浮体２の周囲には速度分布が生ずる。浮体２の上流側（図３では浮体２の左側）では淀み点が形成され、流速が極端に低下する。図３では流速が５％減速する例を示している。

一方、浮体２の両脇（図３では浮体２の上下側）では浮体２によって分離した流れが浮体２に沿って加速する。図３では流速が１０％〜１５％増速する例を示している。流体は、浮体２を通過後に減速を開始し、浮体の後流側（図３では浮体２の右側）に低速域を形成する。

ここで、浮体２により分離した流れは、流れの方向が変化する領域、つまり浮体２により主流の転向流が発生する領域において、顕著に加速（増速）する。この高速域は、図３では浮体２の中心よりやや前方側（主流の上流側）に発生する。従って、浮体２の両脇の加速した流体中に水平軸タービン１を設置し、かつ、その回転軸の方向を浮体２に沿って転向した流動方向（転向流）に一致させるのが望ましい。

そこで、本実施例の発電システムでは、図２に示すように、水平軸タービン１を浮体２の中心よりやや前方側（主流の上流側）に傾斜して浮体２に設けている。この傾斜角は、上述したように、水平軸タービン１の回転軸と流体の主流の方向５と平行な方向６の角度θ_１である。

図４は海上保安庁が公表した日本付近の海流分布図であり、８は黒潮の方向の一例を表している。河川においては、流体の流動方向は河川形状により固定されるが、海流や潮流は拘束物が存在しない限り主流の定義が困難である。そこで、例えば、図４のような海流データを用いて主流の方向を定義し、水平軸タービン１の回転軸が主流に対して角度θ_１傾くように水平軸タービン１を浮体２に設置する。つまり、海流データに基づき、浮体２を設置（配置）する位置における主たる水流方向を特定し、その主流の方向に対し水平軸タービン１の回転軸を角度θ_１傾斜させる。

以上説明したように、本実施例の発電システムによれば、浮体２の設置による流体の排除効果で発生する流体の高速域と低速域のうち、高速域の流体を水平軸タービンにより効果的に捉えることができる。水車による発電量は、水流の流速の３乗に比例するため、僅かな流速の上昇によっても、発電量は顕著に増大する。

これにより、特許文献２のような円筒ケーシング等の部品を付加することなく、支持構造物（浮体）の影響により増速した流れにより水平軸タービンを効率良く駆動することができ、発電量の増大が見込める。

図５乃至図７を用いて、本発明の第２の実施例における発電システムについて説明する。図５は本実施例における発電システムの概略構成図であり、実施例１との違いは、水平軸タービンが複数台（本実施例では２台）存在する点にある。

本実施例の発電システムは、図５に示すように、浮体２を挟んで浮体２の左右両側に水平軸タービン１、水平軸タービン９が設けられている。

図６は図５の発電システムにおける水平軸タービン１の回転軸および水平軸タービン９の回転軸と流体の主流の関係を示している。図３に示したように、浮体２の左右（図３における浮体２の上下側）での転向流の流動方向が異なるため、角度θもθ_１，θ_２のように異なる方向に設置するのが望ましく、各水平軸タービンの回転軸は、相異なる方向となる。

ここで、図６に示す浮体２のように断面形状が、流体の主流の方向５と平行な方向６に対して左右対称な形状である場合、浮体２の左右（図３における浮体２の上下側）の転向流は、流体の主流の方向５と平行な方向６に対してほぼ左右対称に流れるため、θ１≒θ２となるように、水平軸タービン１および水平軸タービン９を浮体２に設けることができる。

本実施例における発電システムによれば、実施例１と同様に、浮体２により発生する高速域の流体を浮体２の左右両側に設置した複数の水平軸タービンにより効果的に捉えることができ、発電量を顕著に増大することができる。

また、本実施例のように、浮体２の左右両側に水平軸タービンを設置することで水中における浮体２の姿勢を安定させることができ、より効率良く高速域の流体を水平軸タービンに受けることができる。

さらに、水中における浮体２の姿勢が安定することにより、図７に示すように、１本の係留ワイヤー４で浮体２を係留することも可能になる。

なお、本実施例では、浮体２を挟んで左右両側に１基ずつ水平軸タービンを設ける例を示したが、水平軸タービンの数はこれに限定されるものではなく、左右両側にそれぞれ複数台設置してもよい。但し、浮体２の左右両側で水平軸タービンの設置数が異なると、水中における浮体２の姿勢の維持が困難になるため、左右に同数の水平軸タービンを設けるのが望ましい。

図８を用いて、本発明の第３の実施例における発電システムについて説明する。図８は本実施例における発電システムの概略構成図であり、実施例２との違いは、水平軸タービンが浮体ではなく基礎１２により海底（川底）１１に固定された支柱１３に設けられている点にある。水平軸タービンが支柱１３の左右両側に1基ずつ設置されている点は実施例２と同様である。

比較的水深の浅い海洋や河川においては、水平軸タービンの支持構造物である基礎１２および支柱１３を海底（川底）１１に設置することができる。海底や川底に固定された支柱１３に水平軸タービン１、水平軸タービン９を設けることにより、これらの水平軸タービンがより安定して水流を受けることができ、効率的な発電が可能となる。

また、本実施例においても、実施例１或いは実施例２と同様に、流体の主流の方向５に対して水平軸タービン１および水平軸タービン９の回転軸の方向を傾斜させることにより、支柱１３により発生する高速域の流体を効果的に捉えることができ、発電効率を向上することができる。

なお、本実施例のように、海底や川底に固定された支持構造物に水平軸タービンを設置する場合、実施例１と同様に、支柱１３の片側にのみ水平軸タービンを設けても、水平軸タービンに安定して水流を受けることができる。

図９Ａ乃至図９Ｅを用いて、本発明の第４の実施例における発電システムについて説明する。図９Ａは図７で説明した発電システムであり、１本の係留ワイヤー４により海上もしくは河川に係留される。図９Ｂ乃至図９Ｅは、図９Ａにおける浮体２のＡ−Ａ’部断面を示している。

実施例１乃至実施例３では、浮体２が円柱形状、すなわち図９ＢのようにＡ−Ａ’部断面が略円形状である例を用いて説明したが、図９ＣのようにＡ−Ａ’部断面が略三角形状、すなわち浮体２が三角柱形状とすることもできる。

また、図９ＤのようにＡ−Ａ’部断面が略四角形状としたり、図９Ｅのように略楕円形状としてもよい。

浮体２のＡ−Ａ’部断面を、図９Ｃの略三角形状や図９Ｅの略楕円形状とした場合、図３で説明した浮体２による主流の転向流（副流）が、図９Ｂの略円形状に比べて、さらに増速されるため、より発電効率を向上することができる。

なお、浮体２の断面形状は、図９Ｂ乃至図９Ｅに示した例に限定されず、例えば、航空機の翼のようにストリーム型などとしてもよい。

図１０を用いて、本発明の第５の実施例における発電システムについて説明する。図１０は本実施例における発電システムの概略構成図であり、実施例１との違いは、浮体２を水平方向に回転させるためのヨー制御機構１４および流速測定手段１５を備える点にある。

ヨー制御機構１４は、図１０に示すように、浮体２の水平方向の向きを変えることができる。従って、浮体２に設置された水平軸タービン１の流体の主流の方向５に対する向きを変えることができる。

流速測定手段１５は、例えば、３孔もしくは５孔ピトー管、あるいは多次元超音波流速計のような流動方向が計測可能な流速計である。

本実施例のような構成により、流速測定手段１５で主流方向を測定し、ヨー制御機構１４を駆動して、浮体２の方向を調整することが可能であり、例えば、海流などの主流方向が変化した場合に対処することが可能となる。

この場合においても、流速測定手段１５およびヨー制御機構１４を用いて、水平軸タービン１の回転軸の方向が流体の主流の方向５に対して傾斜するように制御することで、浮体２により発生する高速域の流体を効果的に捉えることができ、発電効率を向上することができる。

図１１を用いて、本発明の第６の実施例における発電システムについて説明する。図１１は本実施例における発電システムの概略構成図であり、実施例５との違いは、ヨー制御機構１４に替えて、水平軸タービン１の浮体２に対する位置、つまり水平軸タービン１の方向を変える水平軸タービン駆動機構１６を備える点にある。

実施例５と同様に、流速測定手段（図示せず）で主流方向を測定し、水平軸タービン駆動機構１６を駆動し、水平軸タービン１の方向を調整可能であり、例えば、海流などの主流方向が変化した場合に対処することが可能となる。

この場合においても、流速測定手段１５および水平軸タービン駆動機構１６を用いて、水平軸タービン１の回転軸の方向が流体の主流の方向に対して傾斜するように制御することで、浮体２により発生する高速域の流体を効果的に捉えることができ、発電効率を向上することができる。

図１２を用いて、本発明の第７の実施例における発電システムについて説明する。図１２は本実施例における発電システムの概略構成図であり、実施例２との違いは、浮体２の水上部分に風を受けて発電する風車を備える点である。つまり、図１２の発電システムは、水中に設置される水車による発電と風車による発電の両方を備えた複合発電システムである。

水面１７より下の水中部分の構成は、実施例２の図５と同様であり、詳細な説明は省略する。図１２の複合発電システムは、浮体２上に風車の支柱となるタワー１９が設置されている。図１２では、浮体２とタワー１９の間に基礎となる構造物を介在させ、その構造物と喫水線１８がほぼ同じ位置になるような構成としている。

タワー１９の上端には、ナセル２０が設けられている。ナセル２０の一端には、ハブ２１および複数のブレード２２からなるロータが設けられている。このロータ、すなわちハブ２１および複数のブレード２２が風を受けて回転することにより、風力を回転エネルギーに変換する。その回転エネルギーを、ナセル２０内に設置された増速機および発電機（図示せず）に伝達することで、発電を行う。

図１２の風車は、ロータに風を最大限に受けるため、風向きに対してロータの向きを調節するヨー制御機構（図示せず）を備えている。このヨー制御機構は、例えば、タワー１９とナセル２０の連結部に設けられ、タワー１９に対するナセル２０の位置を変えることで風向に対するロータの向きを調節する。

また、図１２の風車は、ハブ２１に対するブレード２２の設置角度（ピッチ角）を調節するピッチ制御機構（図示せず）を備えている。このピッチ制御機構は、例えば、ハブ２１とブレード２２の連結部に設けられ、ブレード２２が受ける風の量を調節する。

風車には、風がロータ面を通過する際に生じるスラスト力が生じる。このスラスト力は、風の変動に応じて不規則に変動する。また、スラスト力は、風車を風下側へ傾倒する方向に働くため、風車を設置した浮体２も水中において姿勢を維持できず、傾倒する。その結果、浮体２に設置された水平軸タービン（水車）が効率良く水流を受けることができなくなり、複合発電システム全体としての発電効率が低下してしまう。

そこで、風車のヨー制御或いはピッチ制御により、風車に発生するスラスト力を調節し、水中における浮体２の姿勢制御を行う。これにより、水中において水平軸タービン１、水平軸タービン９が効果的に水流を受けることができようになり、複合発電システム全体としての発電効率を向上することができる。

なお、浮体２上に設置される風車は、ナセル２０の風上側にロータを設けるアップウィンド型風車であってもよく、ナセル２０の風下側にロータを設けるダウンウィンド型風車であってもよい。

また、海流や河川の水は常に流動しているため、水平軸タービン（水車）による継続的な水力発電が可能である。そこで、水平軸タービン（水車）により発電した電力を、浮体２上に設置した風車の稼動制御に用いることも可能である。従って、例えば、風車の稼動制御を行う電源のトラブル等により停電した場合であっても、水力発電による電力を浮体上の風車の予備電源とすることもでき、補完効果の高い電源供給系統を構築することができる。

なお、図４で説明した海流フローのパターンは、一般的にほぼ一定である場合が多い。従って、海流の変化に応じて水平軸タービンの回転軸を変化させる必要は少ないが、実施例５や実施例６で説明したようなヨー制御機構１４、水平軸タービン駆動機構１６などを用いて、海流の微小な変化に対応することも可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１，９…水平軸タービン、２…浮体、３…係留機構、４…係留ワイヤー、５…流体の主流の方向、６…流体の主流の方向５と平行な方向、７…水平軸タービン１の回転軸方向、８…黒潮の方向、１０…水平軸タービン９の回転軸方向、１１…海底（川底）、１２…基礎、１３…支柱、１４…ヨー制御機構、１５…流速測定手段、１６…水平軸タービン駆動機構、１７…水面、１８…喫水線、１９…タワー、２０…ナセル、２１…ハブ、２２…ブレード。

Claims (15)

1. 少なくとも部分的に水中に設置される構造体と、
   前記構造体の水中部分に設けられる水車と、を備え、
   前記水車の回転軸が前記構造体の配置される位置での主たる水流方向に対して傾斜していることを特徴とする発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムにおいて、
   前記水車の回転軸は、前記構造体による前記主たる水流の転向流の向きと略同一であることを特徴とする発電システム。
3. 請求項１または２に記載の発電システムにおいて、
   前記構造体は、少なくとも１本以上の係留体により海上もしくは河川に係留される浮体であることを特徴とする発電システム。
4. 請求項１または２に記載の発電システムにおいて、
   前記構造体は、海底もしくは川底に設置される固定体であることを特徴とする発電システム。
5. 請求項１または２に記載の発電システムにおいて、
   前記構造体の断面形状が、略円形、略三角形、略四角形、略楕円形のいずれかであることを特徴とする発電システム。
6. 請求項１または２に記載の発電システムにおいて、
   前記水車は、前記構造体を挟んで左右に少なくとも１基ずつ設けられることを特徴とする発電システム。
7. 請求項１または２に記載の発電システムにおいて、
   前記構造体は、水流方向に対する当該構造体の向きを変更可能なヨー制御機構を備えることを特徴とする発電システム。
8. 請求項１または２に記載の発電システムにおいて、
   前記構造体は、水流方向に対する前記水車の向きを変更可能な駆動手段を備えることを特徴とする発電システム。
9. 請求項３に記載の発電システムにおいて、
   前記構造体の水上部分に設けられる風車をさらに備え、
   前記風車のヨー制御或いはピッチ制御により、前記構造体の姿勢制御を行うことを特徴とする発電システム。
10. 請求項９に記載の発電システムにおいて、
    前記水車により発電した電力を前記風車の稼動制御に用いることを特徴とする発電システム。
11. 主たる水流方向を検出し、
    当該検出した主たる水流方向に応じて、水車の向きを調整することを特徴とする発電システムの制御方法。
12. 請求項１１に記載の発電システムの制御方法において、
    前記水車を水中において支持する構造体による前記主たる水流の転向流の向きと略同一方向に当該水車の向きを調整することを特徴とする発電システムの制御方法。
13. 請求項１１または１２に記載の発電システムの制御方法において、
    前記構造体は、少なくとも１本以上の係留体により海上もしくは河川に係留される浮体であることを特徴とする発電システムの制御方法。
14. 請求項１３に記載の発電システムの制御方法において、
    前記構造体の水上部分に設けられる風車のヨー制御或いはピッチ制御により、前記構造体の姿勢制御を行うことを特徴とする発電システムの制御方法。
15. 請求項１１または１２に記載の発電システムの制御方法において、
    前記構造体は、海底もしくは川底に設置される固定体であることを特徴とする発電システムの制御方法。

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