JP2017122429A - 構造体の周囲にある流体を利用する発電システム - Google Patents

構造体の周囲にある流体を利用する発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】海流発電の効率を上げると同時に、海流発電の設備コストと建設コストを抑えることが可能な発電システムを提供する。【解決手段】本発明は構造体の周囲にある流体１を利用する発電システムに関するものであり、発電システムは流動場に設置され、流動場の流体１により主要な流れが形成され、発電システムは支持装置と発電装置とを含み、支持装置は支持体２を含み、支持体２は、直面領域２１、側流領域２２または渦領域のうち、少なくとも一つの領域を規定し、発電装置は発電ユニット３１、３２と電力貯蔵ユニットを備え、発電ユニット３１、３２は直面領域２１、側流領域２２または渦領域のうち、少なくとも一つの領域に設置される。本発明が提供する発電システムは、既存の陸上、河川上、または海上の構造に付け加えることができる。既存の様々な構造を本発明の支持装置として利用可能なので、コスト削減につながる。【選択図】図４

Description

この発明は、構造体の周囲にある流体を利用する発電システムに関するものであり、流動場の流体が構造体を通過する時、構造体の周囲に形成される流体の運動エネルギーを利用して発電する発電システムである。
地球の自然資源は減少しつつあり、地球温暖化の状況もますます厳しくなっている。しかし、人口は引き続き増加しているため、エネルギーの需要も日々増えている。上記の課題を克服するため、化石燃料と原子力発電等の発電方式を取り替えるよう、科学者たちはクリーンな代替エネルギーを研究し続けている。現在、太陽光発電と風力発電は注目を集め、ある程度までの発展を成し遂げた。ただし、太陽光発電と風力発電は、天候や設置位置により影響を受けやすいという欠点があり、継続かつ安定したエネルギーの供給は難しいと考えられる。
それらに比べて、海洋が持つエネルギーは安定したエネルギー源になりうる。昼夜や天気の影響も受けずに、継続かつ安定した再生エネルギーになりうると考えられる。例えば、海洋温度差発電、波力発電、潮力発電、海流発電等が挙げられる。海洋温度差発電は、海洋表層の温水と深海の冷水の温度差を利用して発電を行う仕組みである。例えば、特許文献１は、海洋温度差発電システムとその冷却装置を公開した。波力発電は主に海水などの波のエネルギーを利用して発電する発電方法であり、波の上下振動を利用したものなど様々なタイプがある。例えば、特許文献２は、水面の波を利用して発電する設備を公開した。潮力発電は、満潮と干潮の間に生じる運動エネルギーを電力に変える発電方法である。例えば、特許文献３は、潮汐流が持つ運動エネルギーを利用して発電するタービン装置を公開した。しかし、海洋温度差発電は、安定したエネルギーを供給することが可能であるが、熱の変換効率が悪く、深海で冷水のパイプを設置することが難しく、発電のコストが高いという欠点がある。波力発電は、地形の制限により発展できる場所が限られており、エネルギーの変換効率が悪く、海底に設置された設備は海水で腐食されるという欠点がある。また、潮力発電も地形の制限により設置できる場所が限られており、大きな潮差が存在する海岸のみ発展することができるが、海岸地域であると、土の堆積や設備の腐食などの問題点が考えられる。
それらに比べて、海流エネルギーは、貿易風、地球の自転によるコリオリの力、海水の密度の違い、及び水陸分布の影響により、海洋の中に川のような海流が形成され、大規模な海水は一定の方向に流れ、その流動の経路はほぼ変わらない上、流れのスピードも安定したものである。そのため、海流エネルギーは安定したエネルギー源となりうる。海水の流れが持つエネルギーを利用して発電することが可能である。
現在、海流発電の発電装置は様々な形態がある。例えば、特許文献４は、海流の流れに向かって海流エネルギーを利用して発電する発電装置を公開した。その支持柱は水面下に設置され、発電ユニットと検出ユニットを備える。検出ユニットにより海流の方向を検出し、支持柱を駆動する。そのため、発電ユニットのファンホイールは常に海流の方向に向い、発電の効率を上げることができる。
また、特許文献５は、柵立て式の海流発電装置を公開した。その発電装置はフレームと、フロートと、少なくとも３つのタービンと、少なくとも３つの発電モジュールと、柵モジュールとを備える。タービンは平行でフレームに設けられ、タービンの回転により発電モジュールで発電する。
台湾特許第Ｉ３６７９９０号明細書 中国特許出願公開１０１００００３１号明細書 米国特許第４８５９８６６号明細書 台湾特許第Ｉ３７６４５３号明細書 中国実用新案第２０３２３０５２４号明細書
しかし、上記二種類の海流発電装置は、膨大なコストをかけて海水面の下に大型の設備を設置する必要があり、メンテナンスのコストも合わせて考えてみると、投資のリターンが見込まれないため、実際に資金を投入した国は少ない。
そのため、海流発電の効率を上げると同時に、海流発電の設備と建設コストを抑えることが、海流発電の発展につながる大きな課題となっている。
本発明は、構造体の周囲にある流体を利用する発電システムを提供し、その発電システムは流動場に設置され、流動場の流体により主要な流れが形成され、発電システムは支持装置と発電装置とを含み、支持装置は支持体を含み、支持体は、直面領域、側流領域または渦領域のうち、少なくとも一つの領域を規定する。直面領域は、主要な流れに対向する支持体の表面であり、側流領域は、主要な流れが横に通過する支持体の側面であり、渦領域は、主要な流れが当たった表面から離れた表面である。流体が支持体を通過し、直面領域に当たった場合、直面領域に下降流が形成され、流体が前記側流領域を通過した場合、側流領域に側流が形成され、また、流体により渦領域に渦流が形成される。発電装置は、支持装置に設置され、少なくとも一つの発電ユニットを含み、その発電ユニットは、支持体の直面領域、側流領域または渦領域のうち、少なくとも一つの領域に設置される。
本発明において、前記構造体は支持装置である。例えば、支持装置は柱体であり、または陸地、川、海上に設けられる構造を支える軸体であり、流動場に設置される軸体である。軸体は、例えば、陸上風力発電の構造、沖合における風力發電の構造、海上の石油プラットフォーム、または海上の石油貯蔵施設の支持軸である。支持体に設置された発電ユニットは、駆動によって発電する。例えば、前記海上に設けられる構造は沖合の風力發電の構造である場合、本発明の支持装置として、風力發電構造の支持軸は杭式、三脚式、または管状フレーム式であってもよい。また、支持装置は海上の構造である場合、発電システムが海の中に浮くように、ケーブルで支持装置を海底と繋ぐことができる。なお、前記支持装置の形状は特に制限がなく、支持軸になりうる任意の形状であってもよい。例えば、直方体の柱体、円柱、三角柱、または四角柱などである。
本発明の一つの実施の形態において、発電ユニットはフリータービン発電装置または振動発電装置であり、その設置の位置は特に制限がない。例えば、発電ユニットが前記直面領域に設置される場合、少なくとも一つの発電ユニットは前記フリータービン発電装置であり、前記下降流を利用して発電する。または、少なくとも一つの発電ユニットは振動発電装置であり、主要な流れの流体または下降流を利用して発電する。発電ユニットが側流領域に設置される場合、少なくとも一つの発電ユニットは前記フリータービン発電装置であり、側流を利用して発電する。または、少なくとも一つの発電ユニットは前記振動発電装置であり、側流を利用して発電する。なお、発電ユニットが渦領域に設置される場合、少なくとも一つの発電ユニットは前記振動発電装置であり、渦流を利用して発電する。
本発明において、前記フリータービン発電装置は発電の業界において既知の任意のフリータービン発電機器であってもよい。例えば、一つ以上の羽根を持つフリータービン発電機器であり、流体の流れにより羽根が駆動され、運動エネルギーを電力に変換することができる。例えば、垂直式のフリータービンまたは水平式のフリータービンであってもよい。また、前記振動発電装置は、この業界において既知の任意の振動発電装置であり、振動を電力に変換することができる。例えば、静電気式、電磁誘導式、磁歪式または圧電式の振動発電装置である。
本発明において、発電ユニットは直面領域、側流領域または渦領域のいずれかに設置される。例えば、直面領域の発電効率が良く、発電ユニットを設置する価値がある場合もあり、発電ユニットが海岸の堤防に設置され、直面領域のみが存在する場合もある。また、発電ユニットは、直面領域、側流領域または渦領域のうち、２つの領域に設置できる場合もある。なお、発電ユニットは、同時に直面領域と、側流領域と、渦領域に設置できる。特に制限はない。流動場のタイプや地形などに応じて発電ユニットを設置することができる。また、同じ領域に設置される発電ユニットの数量は特に制限がなく、発電ユニットのタイプや発電効率などに応じて種々変更することができる。
本発明のもう一つの実施の形態において、支持装置はさらに第１開口と第２開口を含む貫通領域を備え、貫通領域は支持装置を貫通し、流体が貫通領域を通過できるよう、第１開口は直面領域に設置され、第２開口は側流領域または渦領域に設置され、少なくとも一つの発電ユニットは貫通領域に設置される。好ましくは、貫通領域に設置される発電ユニットはフリータービン発電装置または振動発電装置である。
本発明において好ましい実施形態として、支持装置はさらに直面領域に設置されるガイド面を備え、流動場の流体がガイド面に当たった場合、ガイド面により流動場の流体は発電ユニットを駆動する下降流となる。ガイド面の形状は特に制限がなく、支持装置から伸びるケースでガイド面を形成することができ、支持装置の表面より凹む凹面でガイド面を形成することも可能である。例えば、ガイド面は支持装置上に凹む円弧形のケースである。ただし、ケースの形状は特に制限がない。流体が流動場の流れの方向に沿って直面領域を通過したとき、ガイド面は大量な流体を集め、直面領域で下降流を形成し、発電ユニットを駆動することができるので、発電ユニットの発電効率を上げることが可能になる。
なお、本発明において好ましい実施形態において、発電装置はさらに電力貯蔵ユニットを備え、電力貯蔵ユニットは支持体の表面または支持体の内部に設置され、発電ユニットと電気的に接続されている。
本発明のもう一つの実施形態において、支持装置はさらに側流領域に設置されるガイド溝を備え、ガイド溝により流動場の流体は側流となる。側流はガイド溝のガイドによりガイド溝に設置された発電ユニットに流れ、発電ユニットを駆動する。ガイド溝は主要な流れと平行し、発電ユニットはガイド溝に設置されている。ガイド溝の形状は特に制限がない。例えば、円弧形や長方形などである。流体が側流領域を通過したとき、ガイド溝は大量な流体を集め、側流を形成し、その側流によってガイド溝に設置されている発電ユニットを駆動する。そのため、発電効率を上げることができる。また、ガイド溝の数量は特に制限がない。支持体の側流領域に複数のガイド溝を設けて、ガイド溝に複数の発電ユニットを設けてもよい。
また、本発明において、流動場は風の流動場、川水の流動場または海水の流動場である。好ましくは海水の流動場であり、より好ましくは海流である。
本発明が提供する発電システムは、流動場の流体が構造体を通過した時に発生した下降流、側流または渦流をエネルギー源とし、発電ユニットによってエネルギーを電力に変換する。また、本発明が提供する発電システムは、既存の陸上、河川上、または海上の構造に付け加えることができる。例えば、陸上風力発電の構造、海岸線における海流発電装置、沖合における風力發電の構造、海上の石油プラットフォーム、または海上の石油貯蔵施設の構造に付け加えることによって、周囲の流動場にある運動エネルギーを十分に利用することができ、発電効率を上げることができる。さらに、既存の様々な構造を本発明の発電システムの支持装置として利用可能なので、コスト削減にもつながる。
海流の流体が支持体を通過したときに発生した異なる方向の流れを示す斜視図。 本発明の実施例において、支持体を複数の領域に規定する前方斜視図。 本発明の実施例において、支持体を複数の領域に規定する後方斜視図。 本発明の実施例において、発電ユニットが設けられていることを示す斜視図。 本発明の実施例において発電ユニットが設けられていることを示す局部斜視図。 本発明のもう一つの実施例において、発電ユニットが設けられていることを示す前方斜視図。 本発明の実施例において、発電ユニットが設けられていることを示す後方斜視図。 本発明の実施例において、ガイド面を示す斜視図。 本発明のもう一つの実施例において、ガイド面を示す斜視図。 本発明の実施例において、ガイド溝を示す斜視図。 本発明の実施例において、貫通の構造を示す斜視図。 本発明の実施例において、海底に設けられている発電アレイモジュールを示す模式図。 本発明のもう一つの実施例において、海底に設けられている発電アレイモジュールを示す模式図。
以下、具体的な実施例に基づいて本発明の実施形態を説明する。当業者はこの明細書の記載によって本発明のメリットと効果を理解することができる。以下の図面は簡略化した図面であり、部材の数量と、形状と、サイズとは必要に応じて種々変更することができ、実際の構造は図面より複雑な場合もある。また、複数の実施例を組合せ、必要に応じて種々変更することができる。この明細書の詳細内容についても、様々な観点や応用などに基づいて、本発明の原理を背けないことを前提として、種々変更することができる。
以下は、沖合における風力發電装置の支持軸を本発明の支持体として、海流を流動場として、流動場の流体が支持軸に接触したときに発生した下降流と側流と渦流を説明する。図１を参照すると、支持体２は海流の流体１が通過するところに設置され、海流の流体１は主要な流れ１０の方向に沿って支持体２に向かって前進する。支持体２の主要な流れに向かう面に流体１が当たった場合、流体１は力を受けて下方に流れ、下降流１１を形成する。また、一部の流体は支持体２に押され、支持体２の側面で圧縮された側流１２になる。また、一部の流体は支持体２を通過した後、支持体２により別れた流体は掻き回され渦流１３となる。下記の実施形態は海流を流動場とする例である。
図２は本発明の発電システムにおいて、海流の流動場に設置された支持体２の前方斜視図である。支持体２は直面領域２１と、側流領域２２と、渦領域２３を規定する。流体１が支持体２を通過し、直面領域２１に当たった場合、直面領域２１に下降流１１が形成される。流体１が側流領域２２を通過した場合、側流領域２２に側流１２が形成される。また、図３は海流の流動場に設置された支持体２の後方斜視図である。流体１が支持体２を通過した場合、支持体２により別れた流体は掻き回され、渦領域２３で渦流１３となる。
図４は本発明の実施例において、支持体２の直面領域２１と側流領域２２に発電ユニットが設けられていることを示す斜視図である。図５ａを合わせて参照する。図５ａは図４に示された発電システムの局部斜視図である。下降流１１の運動エネルギーを電力に変換するため、直面領域２１に発電ユニット３１として複数のフリータービン発電装置を上に向けて設置する。それによって、発電ユニット３１は下降流１１に駆動されて発電する。また、図５bを参照する。図５bは図４に示された発電システムのもう一つの局部斜視図である。側流１２の運動エネルギーを電力に変換するため、側流領域２２に発電ユニット３２として複数のフリータービン発電装置を前（側流１２の方向）に向けて設置する。それによって、発電ユニット３２は側流１２に駆動されて発電する。
図６は本発明のもう一つの実施例において、支持体２の直面領域２１と側流領域２２に発電ユニットが設けられていることを示す斜視図である。図６は、直面領域２１と側流領域２２に異なる種類の発電ユニット３１、３１´、３２、３２´を交錯して設けることを示す図である。一例として、発電ユニット３１、３２はフリータービン発電装置であり、発電ユニット３１´、３２´は振動発電装置である。
図７は、支持体２の渦領域２３に設置された複数の発電ユニット３３を示す斜視図である。支持体２の後方にある渦流は安定した方向性がなく、流れの状態が予測できないので、一例として、渦領域２３に設置された発電ユニット３３は振動発電装置である。その振動発電装置は不安定な渦流の振動エネルギーを利用して発電する。
次に、図８に示すように、本発明の実施例において、好ましくは直面領域２１で外に伸びるガイド面４１を設ける。ガイド面４１で流体１を集めることによって、直面領域２１で強まった下降流１１が形成され、その下降流の運動エネルギーで直面領域２１に設置された発電ユニット３１を駆動する。また、図９に示すように、本発明のもう一つの実施例において、好ましくはガイド面４１は支持体２の表面より凹む凹面である。その凹面で流体１を集めることによって、強まった下降流１１が形成される。下降流１１で直面領域２１に設置された発電ユニット３１を駆動する。
また、図１０に示すように、もう一つの実施例において、好ましくは側流領域２２に複数のガイド溝４２を設けることによって、側流１２を集めることが可能になる。それによって、ガイド溝４２に設けられている発電ユニット３２を駆動するエネルギーを増えることができる。
次に、図１１を参照する。本発明の実施例において、好ましくは、支持体２は更に貫通領域４４を備える。貫通領域４４は第１開口４４１と第２開口４４２を有し、支持体２を貫通する。複数の発電ユニット３４は貫通領域４４に設けられ、貫通領域４４を通過する流体１４によって駆動されて発電する。発電ユニット３４は、フリータービン発電装置及び／または振動発電装置である。
上記の本発明の実施例において、電力貯蔵ユニット（図示せず）は発電ユニットと電気的に接続されて、電力を貯蔵する。電力貯蔵ユニットは支持体の表面、または支持体の内部に設置される。電力貯蔵ユニットは貯蔵した電力をケーブル（図示せず）でエネルギーを消費する設備（図示せず）に出力することが可能である。また、上記の実施例においては一つの直立の支持体を例として説明してきたが、支持体はそれに限られない。例えば、複数の支持体で組み立てられた柵式またはグリッド式の構造であってもよい。流体の流れに応じて適宜に発電ユニットを設置すれば、本発明の効果を得ることができる。そのため、本発明では支持体の構造に特に制限がない。
よって、支持装置として複数の支持体を備える柵式またはグリッド式の構造を採用した場合、発電システムは発電アレイモジュールであることが好ましい。例えば、図１２は海底に設けられている発電アレイモジュールを示す模式図である。発電アレイモジュール５０は、複数の支持体２と、支持体２に設置された発電装置とを含む。発電装置の複数の発電ユニット３１、３２は流体の流れに応じて適宜に設置される。上述のように、流れの形態に応じてフリータービン発電装置または振動発電装置を設けることが可能である。なお、本発明の発電システムで構成された発電アレイモジュールは、図１２に示すように海底５２に固定することができるほか、図１３に示すように、発電アレイモジュール５０が海の中に浮くように、スチールケーブル５１で海底５２に固定することができる。
上記の実施例は、本発明の実施形態と特徴を説明するための例である。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その他種々の変更が可能である。特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、種々の実施の形態を含むことは言うまでもない。
上述のように、本発明は流動場の流体が支持体に接触したときに発生した流れの変化を利用し、支持体に設置された発電ユニットで流体の運動エネルギーを電力エネルギーに変換する。好ましくは、海流が柱体を通過するとき、一部の流れの変化によって生じた下降流、側流、または渦流を利用する。柱体の上にある海上の設備は本発明の影響を受けずに元の機能を果たせるので、既存の海上設備の柱体を利用して本発明を設置することが可能である。そのため、莫大な建設資金を投入することなく済むものである。また、本発明の使用できる場面は上記に限らず、流動場の流体が一定の運動エネルギーを持って、支持体に向かって流れることによって一部の流れの変化が発生するだけで、本発明を利用することが可能である。例えば、陸上または河川にある支持体、または波の衝撃を受ける防波堤にも利用できる。
１、１４ 流体
２ 支持体
１０ 主要な流れ
１１ 下降流
１２ 側流
１３ 渦流
２１ 直面領域
２２ 側流領域
２３ 渦領域
３１、３１´、３２、３２´、３３、３４ 発電ユニット
４１ ガイド面
４２ ガイド溝
４４ 貫通領域
４４１ 第１開口
４４２ 第２開口
５０ 発電アレイモジュール
５１ スチールケーブル
５２ 海底

Claims (12)

  1. 流動場に設置される発電システムであり、前記流動場の流体により主要な流れが形成され、前記発電システムは支持装置と発電装置とを含み、
    前記支持装置は、少なくとも一つの支持体を含み、前記支持体は、直面領域、側流領域または渦領域のうち、少なくとも一つの領域を規定し、前記直面領域は、前記主要な流れに対向する前記支持体の表面であり、前記側流領域は、前記主要な流れが横に通過する前記支持体の側面であり、前記渦領域は、前記主要な流れが当たった表面から離れた表面であり、前記流体が前記支持体を通過し、前記直面領域に当たった場合、前記直面領域に下降流が形成され、前記流体が前記側流領域を通過した場合、前記側流領域に側流が形成され、前記流体により前記渦領域に渦流が形成され、
    前記発電装置は、前記支持装置に設置され、少なくとも一つの発電ユニットを含み、前記発電ユニットは、前記支持体の前記直面領域、前記側流領域または前記渦領域のうち、少なくとも一つの領域に設置されることを特徴とする発電システム。
  2. 前記発電ユニットは、フリータービン発電装置または振動発電装置であることを特徴とする請求項１記載の発電システム。
  3. 前記発電ユニットが前記直面領域に設置された場合、前記少なくとも一つの発電ユニットは前記フリータービン発電装置であり、前記下降流を利用して発電することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
  4. 前記発電ユニットが前記直面領域に設置された場合、前記少なくとも一つの発電ユニットは前記振動発電装置であり、前記主要な流れの流体または前記下降流を利用して発電することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
  5. 前記発電ユニットが前記側流領域に設置された場合、前記少なくとも一つの発電ユニットは前記フリータービン発電装置であり、前記側流を利用して発電することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
  6. 前記発電ユニットが前記側流領域に設置された場合、前記少なくとも一つの発電ユニットは前記振動発電装置であり、前記側流を利用して発電することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
  7. 前記発電ユニットが前記渦領域に設置された場合、前記少なくとも一つの発電ユニットは前記振動発電装置であり、前記渦流を利用して発電することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
  8. 前記支持装置は第１開口と第２開口を含む貫通領域を備え、前記貫通領域は前記支持装置を貫通し、前記流体が前記貫通領域を通過できるよう、前記第１開口は前記直面領域に設置され、前記第２開口は前記側流領域または前記渦領域に設置され、少なくとも一つの発電ユニットは前記貫通領域に設置されることを特徴とする請求項１記載の発電システム。
  9. 前記貫通領域に設置される前記発電ユニットはフリータービン発電装置及び／または振動発電装置であることを特徴とする請求項８記載の発電システム。
  10. 前記支持装置は前記直面領域に設置されるガイド面を備え、前記流動場の流体が前記ガイド面に当たった場合、前記ガイド面により前記流動場の流体は前記下降流となり、前記下降流は前記発電ユニットを駆動することを特徴とする請求項１記載の発電システム。
  11. 前記支持装置は前記側流領域に設置されるガイド溝を備え、前記発電ユニットは前記ガイド溝に設置され、前記ガイド溝により前記流動場の流体は側流となり、前記側流は前記発電ユニットを駆動することを特徴とする請求項１記載の発電システム。
  12. 前記発電装置は少なくとも一つの電力貯蔵ユニットを備え、前記電力貯蔵ユニットは前記支持体の表面または前記支持体の内部に設置され、前記発電ユニットと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の発電システム。
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