JP2018197517A - 水流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレードの揚力の低下を抑制することが可能な水流発電装置を提供すること。【解決手段】水流発電装置１は、回転軸１６を備えた発電機１７と、回転軸１６の径方向に延在する複数のタービンブレード６と、を備える。タービンブレード６は、タービンブレード６の長手方向と直交する翼形断面の外周において、翼背面６ｄの後縁６ｂ側に配置された第１領域３１と、翼背面６ｄの前縁６ａ側に配置された第２領域３２と、を含む。第１領域３１には第１塗料が塗布され、第２領域３２には第１塗料とは異なる種類の第２塗料が塗布され、第１塗料の表面の塗膜強度は、第２塗料の表面の塗膜強度より高い。【選択図】図１

Description

本発明は、水流発電装置に関する。

このような分野の技術として特許文献１に記載の発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発電装置は、海中に配置された耐圧容器内に発電機を備える。発電機のロータに接続されたシャフトには複数のタービンブレードが設けられている。タービンブレードは水流を受けて回転し、この回転駆動力によってロータが回転して発電機が発電する。

特表２０１４−５３４３７５号公報

水流発電装置では、タービンブレードの翼の背面（翼背面）の後縁側において、キャビテーションが発生するおそれがある。そのため、タービンブレードの表面に塗装を施工した場合には、運転中に生じたキャビテーションによる気泡が崩壊する際に、塗装がはく離するおそれがある。タービンブレードの表面の塗装がはく離して、表面の凹凸が大きくなると、設計通りの揚力が出力されず、発電機による発電効率が低下することになる。

本開示は、タービンブレードの揚力の低下を抑制することが可能な水流発電装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る水流発電装置は、回転軸を備えた発電機と、回転軸の径方向に延在する複数のタービンブレードと、を備え、タービンブレードは、タービンブレードの長手方向と直交する翼形断面の外周において、翼背面の後縁側に配置された第１領域と、翼背面の前縁側に配置された第２領域と、を含み、第１領域には第１塗料が塗布され、第２領域には第１塗料とは異なる種類の第２塗料が塗布され、第１塗料の表面の塗膜強度は、第２塗料の表面の塗膜強度より高い。

この水流発電装置では、タービンブレードの翼背面の後縁側に、前縁側に塗布された第２塗料よりも塗膜強度が高い第１塗料が塗布されている。翼背面付近で生じたキャビテーションによる気泡は、下流側に流れて崩壊（消滅）し、その際にタービンブレードの表面に壊食（エロージョン）を生じさせるおそれがある。この水流発電装置では、後縁側の第１領域に塗膜強度が高い第１塗料が塗布されているので、キャビテーションによる気泡が崩壊しても、塗膜のはく離を抑制して、タービンブレードの表面の壊食を防止することができる。これにより、第１領域の表面形状の変化を抑制して、タービンブレードの回転時におけるタービンブレードの揚力の低下を抑制することができ、発電効率の低下が抑制される。

また、翼形断面において、前縁と後縁とを結ぶ仮想の直線を翼弦とし、翼背面のうち翼弦から最も離れた位置を最高点とし、第１領域は、最高点から後縁側の領域を含んでもよい。キャビテーションによる気泡は、翼背面のうち最高点から後縁側の領域で破壊される可能性が高い。この領域に第１塗料が塗布されていると、タービンブレードの表面の壊食を好適に防止することができる。

いくつかの態様において、第１領域は、タービンブレードの長手方向において、中央部より先端側の領域である。タービンブレードの回転時において、タービンブレードの長手方向の先端側の部分は、基端側（回転軸側）の部分よりも移動速度が速く、キャビテーションが発生するおそれがある。タービンブレードの先端側であり、翼背面の後縁側である第１領域に、第１塗料が塗布されていると、この第１塗料によって、タービンブレードの表面の壊食を好適に防止することができる。また、第１塗料が塗布される領域をより小さい範囲に限定することができる。

また、本開示の一態様に係る水流発電装置は、回転軸を備えた発電機と、回転軸の径方向に延在する複数のタービンブレードと、を備え、タービンブレードは、タービンブレードの長手方向と直交する翼形断面の外周において、翼背面の後縁側に配置された第１領域と、翼背面の前縁側に配置された第２領域と、を含み、第１領域には耐摩耗塗料が塗布されている。

この水流発電装置では、タービンブレードの翼背面の後縁側の第１領域に、耐摩耗塗料が塗布されている。翼背面付近で生じたキャビテーションによる気泡は、下流側に流れて崩壊（消滅）し、その際にタービンブレードの表面に壊食（エロージョン）を生じさせるおそれがある。この水流発電装置では、塗膜強度が高い耐摩耗塗料が塗布されているので、キャビテーションによる気泡が崩壊しても、塗膜のはく離を抑制して、タービンブレードの表面の壊食を防止することができる。これにより、第１領域の表面形状の変化を抑制して、タービンブレードの回転時におけるタービンブレードの揚力の低下を抑制することができ、発電効率の低下が抑制される。なお、「耐摩耗塗料」とは、一般的な塗料と比較して、塗膜強度が高い塗料であり、キャビテーションによる気泡の崩壊に対して有効な塗膜強度を備えた塗料である。

本開示によれば、キャビテーションによる気泡が崩壊しても、塗膜のはく離を抑制することができ、タービンブレードの表面形状の変化を抑えて、タービンブレードの揚力の低下を抑制することができる。その結果、発電効率の低下が抑制される。

本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の概略構成を示す図である。 図１中のタービンブレードを軸線方向から示す正面図である。 図１中のポッドの概略構成を示す図である。 第１変形例に係るタービンブレードを軸線方向から示す図である。 第２変形例に係るタービンブレードを回転軸の径方向外側から示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

以下の説明において、「上流」または「下流」との語は、水の流れを基準として用いられる。また、「前」との語は、水の流れの上流側を意味し、「後」との語は、水の流れの下流側を意味する。たとえば、ダウンウィンド型のタービンが用いられる場合には、ポッドの後部側にブレード（翼）が配置される。

図１〜図３を参照して、水中浮遊式発電装置（水流発電装置）１について説明する。図１に示されるように、水中浮遊式発電装置１は、たとえば海水中に設置されて浮遊し、海流（水流）ＦＬを利用して発電を行う。以下の説明では、水中浮遊式発電装置１を発電装置１という。発電装置１は発電機１７を搭載するポッド２を備える。また、ポッド２は耐圧性能を有する。

発電装置１は、例えば左右に離間して配置された一対のポッド２と、一対のポッド２を連結する連結部であるクロスビーム３とを備える。ポッド２の後部には、発電用タービン４が設けられている。以下の説明では、発電用タービン４を、タービン４という。ポッド２は、例えば円筒状をなし、タービン４を回転可能に支持しつつ、タービン４に適正な浮力を付与する。ここで、ポッド２の主断面形状は、円に限られず、本開示では円の直径や形状に限定はない。

発電装置１は、海底に固定されたシンカー１４に対して、係留ロープ１１を介して接続されている。なお、係留ロープ１１の他端を海底に固定する固定部として、シンカー１４に代えて、アンカーが用いられてもよい。また、係留ロープ１１の上端は、クロスビーム３に接続されている。係留ロープ１１の上端は、ポッド２に接続されていてもよい。

また、発電装置１では、タービン４の回転により発電された電力を送電するための送電ケーブル１０が設けられている。送電ケーブル１０の一端は、ポッド２やクロスビーム３を介してポッド２内の発電機１７に接続されている。送電ケーブル１０の他端は、たとえばシンカー１４内に設けられた中継器（または変圧器等）に接続されている。中継器には、海底に敷設されて地上まで延びる送電ケーブル１０が接続されており、これらの送電ケーブル１０を介して、タービン４において発電された電力が地上に送電されるようになっている。また、発電装置１は、例えば地上のコントロールセンタと接続された通信ケーブル（不図示）を備える。コントロールセンタから送信された信号は、通信ケーブルを介してポッド２内の制御部に伝達される。

なお、各ケーブルが設けられる形態は上記形態に限られない。たとえば、発電機１７で発電された電力を送電する送電ケーブルと、発電機１７を電動モータとして駆動する際の電力を送電する送電ケーブルとを別々に備える構成でもよい。中継器は、シンカー１４外の海底に設定されてもよい。

発電装置１に適用されるタービン４は、いわゆるダウンウィンド型のタービンである。ポッド２は、海流ＦＬの向きに対向した姿勢で浮遊する。この浮遊状態において、タービン４の回転軸線は、略水平に維持される。なお、タービン４は、アップウィンド型のタービンであってもよい。

タービン４は、ハブ５と、ハブ５に設けられた複数枚（例えば２枚）のブレード（タービンブレード）６と、を含んでいる。ハブ５は、ポッド２の後端部に配置されている。ダウンウィンド型のタービンを採用した発電装置１においては、海流ＦＬの向きを基準として、ポッド２の下流側にブレード６が配置されている（図１、図３参照）。ブレード６は、例えば金属製でもよく、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）製でもよく、その他の材質からなるものでもよい。

ハブ５は回転軸１６に固定されてこの軸回りに回転可能となっている。図２及び図３に示されるように、複数のブレード６は、回転軸１６の径方向に延在している。ハブ５及びブレード６は一体として回転する。ブレード６の回転は回転軸１６を介して発電機１７に伝達される。回転軸１６はたとえばポッド２の中心軸線に沿って設けられている。

例えば、発電装置１において、ブレード６のピッチ角度は可変になっている。発電装置１は、ブレード６のピッチ角度を調整可能なピッチ角度調整装置２０を備える。ピッチ角度調整装置２０は、駆動装置２１と、ブレード軸２２とを備える。より詳細には、各ブレード６の基端部には、ブレード軸２２が設けられている。このブレード軸２２に、駆動装置２１が連結されている。駆動装置２１は、たとえばハブ５内に搭載される。駆動装置２１は、たとえば、歯車機構を含んでいる。駆動装置２１としては、公知の機構を用いることができる。駆動装置２１は、ブレード軸２２を回転させて、ブレード６のピッチ角度を任意の角度に調整可能である。なお、駆動装置は、油圧式の駆動方式でも電動式の駆動方式でもよく、他の方式でもよい。

ここで、ブレード６の表面は、図４及び図５に示されるように、第１領域３１及び第２領域３２を含む。図４では、ブレード６を前側（翼腹面６ｃ側）から図示している。第１領域３１及び第２領域３２は、ブレード６の長手方向と直交する翼形断面（図５参照）の外周において、異なる位置に設定されている。第１領域３１は、ブレード６の翼形断面の外周において、翼背面６ｄの後縁６ｂ側に配置されている。第２領域３２は、ブレード６の翼形断面の外周において、翼背面６ｄの前縁６ａ側に配置されている。なお、ブレード６では２つの領域が設定されているが、３つ以上の領域が設定されていてもよい。２つ以上の領域に設定されている場合は、領域ごとに回転軸１６に対して対称に設定されていてもよい。また、ブレード６の表面とは、塗料が塗布されていない状態において、外部に露出されている面である。

また、図５に示す翼形断面において、前縁６ａと後縁６ｂとを結ぶ仮想の直線を翼弦とし、翼背面６ｄのうち翼弦から最も離れた位置を最高点６ｅとしている。図５では、翼弦に沿う方向を矢印（Ｌｃｈ）で示し、翼弦と交差する方向を矢印（Ｌｔｈ）で示している。図５に示す場合には、第１領域３１は、最高点６ｅから後縁６ｂ側の領域を含んでいる。第１領域３１は、翼背面６ｄにおいて、最高点６ｅから後縁６ｂまで設定されている。

また、第１領域３１は、ブレード６の長手方向（回転軸の回転方向）において、中央部よりも先端６ｆ側の領域に設定されている。第１領域３１は、ブレード６の全長において、例えば１／３程度の範囲に設定されている。第１領域は３１、ブレード６の長手方向において例えば先端６ｆまで形成されている。

また、ブレード６の翼形断面の外周において、例えば翼腹面６ｃは第２領域３２となっている。

第１領域３１には第１塗料が塗布されている。第２領域３２には第１塗料とは異なる種類の第２塗料が塗布されている。異なる種類の塗料とは、例えば材料、成分、等級、グレード、品名等が異なる場合を含む。第１領域３１には、第１塗料が塗布された第１塗料部が形成され、第２領域３２には、第２塗料が塗布された第２塗料部が形成されている。

第１塗料部の塗膜強度は、第２塗料部の塗膜強度より高い。塗膜強度とは、塗布された塗料の剥がれにくさの程度を表すものである。塗膜強度が高い場合には、塗膜強度が低い場合と比較して、塗料が剥がれにくい。塗膜強度については、例えば、「ＪＩＳ Ｋ ５６００−５−７ 塗料一般試験方法−第５部：塗膜の機械的性質−第７節：付着性（プルオフ法）」を用いて、測定することができる。その他の方法を用いて塗膜強度を判定してもよい。

第１塗料としては、例えば、中国塗料株式会社製、「バイオクリン Ｒ」（商品名）、「バイオクリン ＳＧ−Ｒ」（商品名）を使用することができる。第１塗料として、無毒性塗料であるシリコーン系塗料を用いることができる。

第２塗料としては、例えば、中国塗料株式会社製、「バイオクリンＥＣＯ−２」（商品名）、「バイオクリン ＥＣＯ」（商品名）を使用することができる。第２塗料として、無毒性塗料であるシリコーン系塗料を用いることができる。また、第２塗料はその他の塗料でもよい。

また、ブレード６の表面に塗料を塗布する場合の施工手順としては、例えば、けれん処理（表面粗面化）、洗浄脱脂、下塗り、中塗り、上塗り等を行う。第１領域３１では、上塗りとして第１塗料が塗布される。第２領域３２では、上塗りとして第２塗料が塗布される。下塗りで使用される塗料は、例えばブレード６の材質に応じて選定される。中塗りで使用される塗料は、例えば下塗りの塗料及び上塗りの塗料に応じて選定される。また、塗膜厚さは、塗料メーカにより推奨される厚さとする。

このような発電装置１では、ブレード６の長手方向と直交する翼形断面の外周において、翼背面６ｄの後縁６ｂ側に第１領域３１が配置され、翼背面６ｄの前縁６ａ側に第２領域３２が配置されている。ブレード６の翼背面６ｄの第１領域３１には、第２領域に塗布された第２塗料よりも塗膜強度が高い第１塗料が塗布されているので、ブレード６の回転時において、発生したキャビテーションによる気泡が、下流側に流されて崩壊しても、第１塗料のはく離が抑制される。そのため、第１塗料によって、ブレード６の第１領域３１が保護されて、当該第１領域３１におけるブレード６の表面の壊食が防止される。この結果、第１領域３１の表面形状の変化を抑制して、ブレード６の回転時におけるブレード６の揚力の低下を抑制することができ、発電効率の低下が抑制される。

また、発電装置１のブレード６では、翼背面６ｄの最高点６ｅから後縁６ｂ側の領域に配置されているので、最高点６ｅより下流側でキャビテーションによる気泡が崩壊しても、第１塗料によってブレード６の表面の壊食を好適に抑制することができる。ブレード６では、キャビテーションによる気泡の崩壊の影響を受けやすい位置に、第１塗料を施工することができ、ブレード６の表面の壊食を抑制することができる。

ブレード６の回転時において、ブレード６の長手方向の先端６ｆ側の部分は、基端６ｇ側（回転軸１６側）の部分よりも移動速度が速く、ブレード６に対する水流の相対速度が高いので、キャビテーションが発生する可能性がある。ブレード６では、その長手方向の先端６ｆ側であって、翼背面６ｄの後縁６ｂ側の部分に第１領域３１が設定されて、この第１領域３１に塗膜強度が高い第１塗料が塗布されている。これにより、ブレード６の表面の壊食を好適に防止することができると共に、第１塗料が塗布される第１領域３１の範囲を抑制することができる。

また、この発電装置１のブレード６では、第２領域３２に、第１塗料よりも防汚性が高い第２塗料を塗布してもよい。これにより、第２領域３２に付着する付着物の量を減らすことができる。そのため、第２領域３２の表面形状の変化を抑制して、設計通りの揚力を維持し、ブレード６の揚力の低下を抑制することができる。その結果、発電効率の低下が抑制される。このような発電装置１では、ブレード６全体として、壊食を抑制すると共に付着物の付着を抑制することができ、ブレード６の表面形状の変化を抑制して、設計通りの揚力を維持し、ブレード６の揚力の低下を抑制することができる。

本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記の実施形態では、本開示の発電装置１は、水中浮遊式発電装置としているが、発電装置は、水中浮遊式発電装置に限定されず、海底に対して、発電機及びポッドの位置が固定されている海底固定式の発電装置でもよい。また、発電装置は潮流発電装置でもよく、水中に発電タービンを配置するその他の発電装置でもよい。

また、第１領域３１は、ブレード６の長手方向において、例えば、全長にわたって配置されていてもよく、部分的に配置されているものでもよい。例えば、ブレード６の長手方向において、先端部を含む領域のみに第１領域３１が配置されていてもよく、先端部から中間位置（先端６ｆと基端６ｇとの中間位置）を超えて回転軸１６（基端６ｇ）側まで配置されていてもよい。

また、第１領域３１と第２領域３２との境界は、ブレード６の翼弦に沿う方向Ｌｃｈにおいて、最高点６ｅよりも、前縁６ａ側に配置されていてもよく、最高点６ｅよりも後縁６ｂ側に配置されていてもよい。

上記の実施形態では、第１領域３１に第１塗料が塗布され、第２領域３２に第２塗料が塗布されているが、第１領域３１に第１塗料が塗布され、第２領域３２に塗料が塗布されていない構成でもよい。第１塗料は、一般的な塗料と比較して、塗膜強度が高い塗料であり、キャビテーションによる気泡の崩壊に対して、塗膜のはく離を防止可能な塗膜強度を備えた塗料である。

このような発電装置１では、第１領域３１に、塗膜強度が高い耐摩耗塗料が塗布されているので、キャビテーションによる気泡が崩壊しても、塗膜のはく離を抑制して、ブレード６の表面の壊食を防止することができる。これにより、第１領域３１の表面形状の変化を抑制して、ブレード６の回転時におけるブレード６の揚力の低下を抑制することができる。その結果、発電効率の低下が抑制される。

１ 発電装置（水流発電装置）
４ タービン（発電用タービン）
６ ブレード（タービンブレード）
６ａ 前縁
６ｂ 後縁
６ｃ 翼腹面
６ｄ 翼背面
６ｅ 最高点
６ｆ 先端
１６ 回転軸
１７ 発電機
３１ 第１領域
３２ 第２領域
Ｌｃｈ 翼弦に沿う方向
Ｌｔｈ 翼弦と交差する方向

Claims (4)

1. 回転軸を備えた発電機と、
   前記回転軸の径方向に延在する複数のタービンブレードと、を備え、
   前記タービンブレードは、前記タービンブレードの長手方向と直交する翼形断面の外周において、翼背面の後縁側に配置された第１領域と、前記翼背面の前縁側に配置された第２領域と、を含み、
   前記第１領域には第１塗料が塗布され、前記第２領域には前記第１塗料とは異なる種類の第２塗料が塗布され、
   前記第１塗料の表面の塗膜強度は、前記第２塗料の表面の塗膜強度より高い水流発電装置。
2. 前記翼形断面において、前記前縁と前記後縁とを結ぶ仮想の直線を翼弦とし、
   前記翼背面のうち前記翼弦から最も離れた位置を最高点とし、
   前記第１領域は、前記最高点から前記後縁側の領域を含む請求項１に記載の水流発電装置。
3. 前記第１領域は、前記タービンブレードの長手方向において、中央部より先端側の領域である請求項１又は２に記載の水流発電装置。
4. 回転軸を備えた発電機と、
   前記回転軸の径方向に延在する複数のタービンブレードと、を備え、
   前記タービンブレードは、前記タービンブレードの長手方向と直交する翼形断面の外周において、翼背面の後縁側に配置された第１領域と、前記翼背面の前縁側に配置された第２領域と、を含み、
   前記第１領域には耐摩耗塗料が塗布されている水流発電装置。

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