JP2017172572A

JP2017172572A - ロープ支持による海流発電方法

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Publication number: JP2017172572A
Application number: JP2016079128A
Authority: JP
Inventors: 勉天尾; Tsutomu Amao
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-09-28

Abstract

【課題】平成２７年４月１０日に特許出願した増速洞の適用による高流速海流発電方法に係る装置の経済的な取り付けを図る。【解決手段】相互に逆回転するタービン翼２２を設置したそれぞれの増速洞１をペアとして連結し１４、浮き１２で浮遊させ、支持ロープ１３を海底に固定設置したアンカーに繋ぎ、当該増速洞１によって海流の流速を上げることにより、回転エネルギーの出力に対する支持ロープ１３に掛かる力を小さくし、しかも増速洞の海流の流れに沿うような姿勢の安定化の自己調整機能などにより海中での増速洞１の姿勢がより一層安定化し、当該装置の経済的な取り付けができることを特徴としている。【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は、海流発電方法に係り、当該方法に関して１提案を行うものである。

海流発電は、火力発電のような炭酸ガスの排出がなく、風力発電や太陽光発電のような天候に左右されないために、特に注目されている。

海水の流速は１〜２ｍ／ｓで非常に小さい。当該低流速の運動のエネルギーを有効に取り入れるため、本発明の出願人は平成２７年４月１０日に特許出願をし、海水の流速を上げる方法に関して１提案をした。本出願は、当該先の出願をさらに発展させて行ったものであり、増速洞の適用は流速を大きくして、流量を少なくして発電を行うことに特徴があり、当該装置の取り付け手段としてロープ支持によることが適していることに着目した。

フリー百科事典「ウイキペディア（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）」ＩＨＩ技報Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．２（２０１３）東芝レビューＶｏｌ．６８，Ｎｏ．６（２０１３）

発明が解決しようとする課題は、上述の先に出願した増速洞の適用による高流速海流発電方法に係る装置の経済的な取り付け方法を確立することにある。当該先の出願は、海底固定設置方式を採用し、流速の高速化と相俟ってタービン翼の小型化が可能であり、当該タービン翼の製造コストの低減を図ることができると共に、適正な流速を設定することにより高出力の回転エネルギーを得ることが可能であることを明らかにした。また、海流のルートの変動により海流の流速が減少した場合には、増速洞の追加設置等によって対応できることも明らかにした。さらには、発電用タービン翼の小型化と共に増速洞の小型化によって、これら装置の保守整備や老朽化による新設のため、取り付け及び取り外し作業が容易となるような構成とした。

上述の［非特許文献２］には、海流浮遊方式のロープ支持による海流発電装置の取り付け方法が開示されている。そして、当該海流浮遊方式の長所としては、互いに逆回転するタービンを連結することでタービンの回転に伴う回転トルクを相殺でき海中で安定した姿勢を保持できる点、タービンの向きや浮力を調整することで必要に応じて海上に浮上させることができメンテナンス及び修理が容易である点及び海底に大規模な構造物を固定設置するよりもコスト面で有利な点が記載されている。ロープとしては、鋼鉄製ではなく、繊維ロープとし、水と同じぐらいの軽さであり、１，０００トン以上の力に耐えると述べられているが、高価であると考えられる。ロープを繋ぐアンカーを海底に固定する方式としては、泥や砂地であれば空き缶を逆さまにしてドンと打ち込むと抜けなくなるのと同じ原理を使って固定し、岩盤であればパイルを打ち込む方式が述べられている。しかし、本発明が対象とする高流速発電方法に係る増速洞とロープ支持との組み合わせについては記載が無い。
［非特許文献３］には、海水潤滑樹脂軸受の開発について記載され、特に現在水力発電に適用している水潤滑樹脂材料と比べて摩擦係数を半減した樹脂材料を開発した旨が述べられている。

本発明は、先の出願で示した海底固定設置方式の例示をロープ支持１３による方式にすれば、一層経済的な装置の取り付けができるのではないかということに着目した。回転タービン２２，２３は、当該タービンよりも大型の増速洞１に設置するために、タービンの回転による回転トルクによる姿勢の不安定化は当該大型増速洞によって抑制され、さらには互いに逆回転するタービンを設置したそれぞれの増速洞を連結することで、より一層姿勢が安定するからである。また、増速洞には、海流の流れに沿うように姿勢を安定化しようとする自己調整機能も備えられているからである。したがって、当該タービン設置増速洞１の設置方式としては、当該装置が海流によって流されないようにロープ支持１３で十分であり、海流の流量発電よりも海流の流速発電の方は当該ロープに掛かる力が小さくなり、当該ロープ１３を細くすることができ経済的である。

次に、具体的に説明をする。海流発電装置のロープ１３に掛かる力（ｋｇｆ／ｓ）は［数１］により計算され、タービン翼の直径の２乗と流速に比例するのに対し、発電用タービン翼２２，２３の回転エネルギー（ｋｇｆ−ｍ／ｓ）は［数２］により計算され、タービン翼の直径の２乗と流速の３乗に比例する。なお、［数１］に示すタービン翼の掃過面積はタービン翼の直径の２乗に比例する。

具体的な計算例で示すと次のようになる。但し、上述の式に示した回転エネルギーへの変換効率はすべて等しいとした場合である。４０ｍ直径のタービン翼、海水の流速が１ｍ／ｓであることを基準にする。これの１／４の１０ｍ直径のタービン翼、海水の流速が８ｍ／ｓである場合について検討する。ロープに掛かる力は、１／１６×８＝１／２で上記基準の１／２倍であり、回転エネルギーは１／１６×８×８×８＝３２で上記基準の３２倍である。これの１／８の５ｍ直径のタービン翼、海水の流速が１６ｍ／ｓである場合について検討する。ロープに掛かる力は、１／６４×１６＝１／４で上記基準の１／４倍であり、回転エネルギーは１／６４×１６×１６×１６＝６４で上記基準の６４倍である。

したがって、上述の先に出願した増速洞による高流速海流発電方法に係る装置のロープ支持１３による取り付け方法は、上述の［非特許文献２］に記載の長所に加えて、海中での姿勢の一層の安定化及びロープに掛かる力を小さくすることができ、しかも大きな回転エネルギーを得ることができる。このことにより、当該支持ロープをより一層細くすることができ、若しくは２基の増速洞をペアとするのみならず４基等もペアとすることもでき、又は、アンカーを海底に固定する工事もし易くなり、より一層経済的な取り付け方法の実現が可能となる。

本発明に係る［請求項１］に記載のロープ支持１３による海流発電方法は、タービン設置増速洞のくびれ部分４の垂直断面積に対する当該タービン設置増速洞の海水流入口７の垂直断面積の比（以下、「面積比」という。）が大きくなればなるほどタービン設置増速洞のくびれ部分４の流速が大きくなるのを利用して、回転エネルギーの出力に対する支持ロープに掛かる力を小さくし、海中での増速洞の姿勢が安定化することを特徴としている（［図１］）。当該タービン設置増速洞１のロープ支持１３による取り付け方法は、相互に逆回転するタービン２２を設置したそれぞれの増速洞１をペアとして連結１４し、浮き１２で浮遊させる海流浮遊方式としても良い。浮き１２と連結する箇所は、重心の位置が望ましいが、増速洞には海流の流れに沿うように姿勢を安定化しようとする機能も有しているため当該位置からずれても良い（［図１（ａ）］）。海底が平地であれば浮きに代えて［図１（ｂ）］に示すように脚部１６を設け、海底に置いても良い。この場合、海流の向きに対応して旋回１５できるようにするのが望ましい。

面積比を大きくするには、増速洞の海水流入口７を大きくする必要があるが、［図２］に示すような付加増速洞３をタービン設置増速洞１の周囲に数個設けても良い。特に、海流ルートの変動により海流の流速が減少した場合の対策の一つになるからである。すなわち、予め当該増速洞の海水流入口９を塞いでおき、海流の流速が減少した場合に当該流入口９を開放すればタービン設置増速洞のくびれ部分４の流速が回復するからである。このような対策は、後述する［図５］及び［図１０］に示す海水流入口１０，１１を予め塞いでおき、必要に応じて開放することによっても達成することができる。

増速洞のくびれ部分４の寸法は、タービン翼２２の直径が１１ｍ以下を収容できる大きさが望ましい。当該１１ｍ以下の数字は、［非特許文献１］によるとタービンが鋳造品である場合の製造できる大きさの限界値に対応した値であり、コストの安い経済的な製品を提供するためである。一方、面積比は、設計上及び経済上、許容される範囲内で大きい方が望ましい。タービン翼の回転エネルギーの出力に対して支持ロープ１３に掛かる力を小さく押さえることができるからである。

本発明に係る［請求項２］に記載のロープ支持による海流発電方法は、先に出願した［請求項１］の下位概念に属するが、タービン設置増速洞１の外部に椀状バケットの発電用タービン翼２３を接続設置し、当該タービン設置増速洞のくびれ部分４の面積を小さくすることにより面積比を著しく大きくし、当該箇所に高速の噴流を発生させ、当該高速噴流を椀状バケットに効率良く衝突させ、回転エネルギーの出力に対するロープに掛かる力を小さくし、海中での増速洞の姿勢が安定化することを特徴としている（［図３］）。また、タービン設置増速洞のくびれ部分４の内部に発電用タービン翼２２を設置するよりも増速洞を小型化できることも特徴である。［図３（ａ）］はタービン翼２３の下部の椀状バケットに高速の噴流を衝突させ右回転であるのに対し、［図３（ｂ）］は、タービン翼２３の上部の椀状バケットに高速の噴流を衝突させ左回転である。これらのタービン翼を設置したそれぞれの増速洞１を当該増速洞くびれ部分４の位置が一致するように並列に並べてペアとしても良い。圧力容器，発電機２５の図示を省略しているが、それぞれのタービン翼２３の手前側と後方側のそれぞれの位置に設置しても良い。当該発電用タービン翼２３はいわゆるペルトン方式のタービン翼であり、高速噴流が有効にバケット衝突してエネルギーを伝えるためには［図４］に示すようにバケット数はできるだけ多い方が良い。また、高速噴流を椀状バケットに効率よく衝突させるためには、タービン設置増速洞のくびれ部分４の先端と発電用タービン翼２３の椀状バケットとの位置関係を微調整するようにしても良い。したがって、椀状バケットの発電用タービン翼２３を接続設置した増速洞１の支持方式としては、ロープ支持が最も適しているとも言える。

本発明に係る［請求項３］に記載のロープ支持による海流発電方法は、タービン設置増速洞のくびれ部分４の周囲に海水吸い込み口１０を設け、多量の海水を吸い込ませて海流の流速を上げ、回転エネルギーの出力に対する支持ロープに掛かる力を小さくし、海中での増速洞の姿勢が安定化することを特徴としている（［図５］）。ここで、海水の流入効果は海流の流速や海流の向きによって影響されるが、海水の吸い込み効果はこれらの影響を受けない点で、海水の流入効果と相違する。

本発明に係る［請求項４］に記載のロープ支持による海流発電方法は、海水の流入口を多くして多量の海水を流入させ海流の流速を上げ、回転エネルギーの出力に対する支持ロープに掛かる力を小さくし、海中での増速洞の姿勢が安定化することを特徴としている（［図６］）。

本発明に係る［請求項５」に記載のロープ支持による海流発電方法は、海水の流入口を多くして多量の海水の流入及び吸い込みにより海水の流速を上げ、回転エネルギーの出力に対する支持ロープに掛かる力を小さくし、海中での増速洞の姿勢が安定化することを特徴としている（［図７］）。タービン設置増速洞１と増速洞２との接続又は増速洞同士の接続は、［図８］及び［図９］に示すように取り付けや取り外しが容易にできる数本のロープ接続１９，２０が望ましい。メンテナンス、修理及び老朽化したタービン翼の交換などの作業をし易くするためである。

本発明に係る［請求項６］に記載のロープ支持による海流発電方法は、タービン設置増速洞以外の増速洞のくびれ部分の周囲に海水吸い込み口１１を設けて海水を吸い込ませて流量増加を図り、タービン設置増速洞のくびれ部分の流速を上げ、回転エネルギーの出力に対する支持ロープに掛かる力を小さくし、海中での増速洞の姿勢が安定化することを特徴としている（［図１０］）。

ロープ支持によるタービン設置増速洞のくびれ部分４の内部にプロペラ状の発電用タービン翼２２を設置する方法においては、流速を上げることによって回転エネルギーの出力に対する支持ロープ及び当該ロープを繋ぐアンカーに掛かる力を小さくし、しかも増速洞の海流の流れに沿うような姿勢の安定化の自己調整機能などにより海中での増速洞の姿勢がより一層安定化し、当該発電装置の経済的な取り付けができる。一方、ロープ支持によるタービン設置増速洞１の外部に椀状バケットの発電用タービン翼２３を接続設置する方法においては、上述の効果に加えて上述の増速洞よりも小型化できるという有利な効果もある。

は、２個の増速洞１をペアとし、海中に浮遊させ、ロープ支持装置の正面図である。は、２個の増速洞１をペアとし、海底に置き、ロープ支持装置の正面図である。は、タービン設置増速洞１の周囲に数個の付加増速洞３を設けた場合の正面図である。は、タービン設置増速洞１の外部に椀状バケットの発電用タービン翼２３を接続設置し、当該タービン翼２３が右回転する場合の正面図である。は、タービン設置増速洞１の外部に椀状バケットの発電用タービン翼２３を接続設置し、当該タービン翼２３が左回転する場合の正面図である。は、椀状バケットタービン翼２３のバケット形状を示す正面図である。は、増速洞のくびれ部分４を長く伸ばし、その周囲に海水吸い込み口１０を設けた場合の正面図である。は、２個の増速洞を直列的に連結し、海水の流入口７，８を多くし海水の流入量を多くした場合の正面図である。は、２個の増速洞を直列的に連結し、海水の流入口７，８を多くし海水の流入量及び海水の吸い込み量を多くした場合の正面図である。は、２個の増速洞を直列的に連結する場合の支持部材１７とその受け部材１８を示す［図９］で表示したＡ−Ａ´面の断面図である。は、２個の増速洞をエル棒１９とフック２０で直列的に連結する場合の正面図である。は、２個の増速洞を直列的に連結し、増速洞２の周囲に海水の吸い込み口１１を設けた場合の正面図である。

比較例として直径４０ｍのプロペラ翼を用いた場合のロープに掛かる力及び発電用タービン翼の回転エネルギーを基準値とし、次に記載の実施例の場合に当該基準値の何倍に相当するかで求めた。ロープ１３に掛かる力は前述の［数１］により求め、発電用タービン翼２２，２３の回転エネルギーは前述の［数２］により求めた。但し、上述の式で示した回転エネルギーへの変換効率は等しいとした。
［実施例１］は、直径１０ｍのプロペラ翼２２をタービン設置増速洞のくびれ部分４の直径１０．６ｍの内部に設置し、当該増速洞の海水の流入口７の直径は３０ｍであり、面積比は８倍である。
［実施例２］は、直径５ｍのプロペラ翼２２をタービン設置増速洞のくびれ部分４の直径５．３ｍの内部に設置し、当該増速洞の海水流入口７の直径は［実施例１］と同じ３０ｍであり、面積比は１６倍である。
［実施例３］は、椀状バケットの発電用タービン翼２３をタービン設置増速洞１の外部に接続設置し、増速洞の海水流入口７の直径が［実施例２］のタービン翼の直径に等しい１０ｍとし、当該くびれ部分４の直径を１ｍとし、面積比は１００倍である。

［実施例１］は、前述の段落［０００８］に記載の海流の流速が８ｍ／ｓである場合に相当し、ロープに掛かる力は基準値の１／２倍であり、回転エネルギーは基準値の３２倍となる。

［実施例２］は、前述の段落［０００８］に記載の海流の流速が１６ｍ／ｓである場合に相当し、ロープに掛かる力は基準値の１／４倍であり、回転エネルギーは基準値の６４倍となる。

ロープに掛かる力は、１／１，６００×１００＝１／１６で基準値の１／１６倍である。一方、回転エネルギーは、１／１，６００×１００×１００×１００＝６２５で基準値の６２５倍となる。

１：タービン設置増速洞、２：増速洞、３：付加増速洞、４：タービン設置増速洞のくびれ部分、５：増速洞のくびれ部分、６：付加増速洞のくびれ部分、７：タービン設置増速洞の海水流入口、８：増速洞の海水流入口、９：付加増速洞の海水流入口、１０：タービン設置増速洞の海水吸い込み口、１１：増速洞の海水吸い込み口、１２：浮きに繋ぐロープ、１３：海底に設置したアンカーに繋ぐロープ、１４：２基の増速洞をペアとする連結部材、１５：１４の連結部材に固定した回転軸、１６：海底に置く脚部、１７：増速洞のくびれ部分の外周面の上部に設けた支持部材、１８：タービン設置増速洞の内周面の上部に設けた１７の支持部材受け、１９：増速洞同士の連結用エル棒、２０：増速洞同士の連結用フック、２１：連結用ロープ、２２：増速洞のくびれ部分４の内部に設置するプロペラ状の発電用タービン翼、２３；増速洞１の外部に接続設置する椀状バケットの発電用タービン翼、２４：２３の接続設置部材、２５：圧力容器及び発電機、ｍ：メートル、ｓ：秒

Claims

タービン設置増速洞のくびれ部分４の内部にプロペラ状の発電のタービン翼２２を設置し、当該タービン設置増速洞の海水流入口７から多量の海水を流入させ、当該くびれ部分に高速の海流を発生させ、かつ当該一体化装置のロープ支持１３をすることを特徴とする海流発電方法。
タービン設置増速洞１の外部に椀状バケットの発電用タービン２３を接続設置し、当該タービン設置増速洞のくびれ部分４に高速の噴流を発生させ、当該高速噴流を椀状バケットに衝突させ、かつ当該一体化装置のロープ支持１３をすることを特徴とする海流発電方法。
タービン設置増速洞のくびれ部分４の周囲に海水吸い込み口１０を設け、当該吸い込み口１０からも海水を吸い込ませることを特徴とする［請求項１］及び［請求項２］記載の海流発電方法。
タービン設置増速洞１以外に、１又は２個以上の増速洞２を設け、それぞれの増速洞のくびれ部分４，５同士が所定の間隔を有し、かつ、それぞれの増速洞の海水流入口７，８を有するように直列的に設置し、それぞれの増速洞の海水流入口から海水を流入させることを特徴とする［請求項１］、［請求項２］及び［請求項３］記載の海流発電方法。
タービン設置増速洞１以外に、１又は２個以上の増速洞２を設け、それぞれの増速洞のくびれ部分４，５同士が所定の間隔を有し、かつ、それぞれの増速洞の海水流入口７，８を有するように直列的に設置し、それぞれの増速洞の海水流入口から海水の流入及び海水を吸い込ませることを特徴とする［請求項１］、［請求項２］及び［請求項３］記載の海流発電方法。
タービン設置増速洞１以外に、１又は２個以上の増速洞２を設け、それぞれの増速洞のくびれ部分４，５同士が所定の間隔を有するように直列的に設置し、かつ、タービン設置増速洞以外の増速洞のくびれ部分５の周囲に海水吸い込み口１１を設けて海水を吸い込ませることを特徴とする［請求項１］、［請求項２］、［請求項３］、［請求項４］及び［請求項５］記載の海流発電方法。