JP2019515193A - 潮流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】潮流発電機を提供する。【解決方法】本発明は、水上の発電手段と水中の動力獲得手段を分離して、効率的な発電が可能であり、水中に位置した施設物が故障しても容易に水上に引上げが可能であり、水上で容易に管理できるだけではなく、回転プロペラに形成された溝構造と連結紐を通じて、潮流の流れを最大限活用でき、潮流の流れ状態によって、回転手段と水上発電機間の動力連結の個数を制御することにより、動力伝達にムダや不足がないようにし、効率性を極大化できることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は潮流発電機に係り、より詳しくは、水上の発電手段と水中の動力獲得手段を分離して、効率的な発電が可能であり、水中に位置した施設物が故障しても容易に水上に引上げが可能であり、水上で容易に管理できるだけではなく、回転プロペラに形成された溝構造と連結紐を通じて潮流の流れを最大限活用でき、潮流の流れ状態により回転手段と水上発電機間の動力連結の個数を制御することにより、動力伝達にムダや不足がないようにして、効率を極大化できる潮流発電機に関する。

電気を発生させるための発電システムは非常に多様な方法で行われている。火力発電の場合、化石エネルギーなどを利用して深刻な環境汚染を招き、原子力発電の場合、核廃棄物などの保管と爆発の虞があるなど危険な要素が多く存在する。
一方、新らたな再生可能なエネルギーとして脚光を浴びている風力発電と太陽光発電は気候の影響を非常に大きく受ける。風力は風が吹かないと発電できず、風の発生も予測することが難しく、太陽光は曇りや雨では発電量が低下し、また夜になると発電ができなくなる。
これに比較して、海洋発電である潮流発電は歴史が浅く、まだ理想的な発電モデルが登場してはいないが、潮流発電量の予測が可能であり、一定時間を除いては年中無休で稼動が可能という点において、非常に魅力的なクリーンエネルギー技術である。

潮流発電は、潮力ダムを作り、落差を利用して発電する潮力発電とは異なり、潮流の流れが速い場所を選定して、その地点で水車型発電機を設置し、自然の潮流を利用し設置された水車型発電機を稼動させて発電するものである。
潮流発電は、潮力ダムを作ることも無しに、発電に必要な水車型発電機を設置するだけであるため、設置費用が少なくて済むが、適地を選定することが難しく、潮流の自然な流れの強さにより発電量が左右される。環境の面からは、海水の流動が自由であり、海洋環境に及ぼす影響がほとんどないため潮力発電よりさらに環境にやさしい発電と見なされる。
潮流発電は風力発電と同様に流体の運動エネルギーを利用し水車を回転させて発電するが、風の代わりに海水の流れを利用する点が相違する。潮流発電が陸上の風力発電より魅力的なのは、海水の密度が空気より約８４０倍高いため、同じ施設容量の場合、風力発電用タービンに比べて潮流タービンの大きさが一般的に遥かに小さくすることができる。一般的に流体の流れによる発電エネルギーは流速が速くなると指数関数的に増加するため、流速が速い場所が潮流発電に絶対的に有利である。

このような長所にもかかわらず、従来の潮流発電機システムでは、水中に設置した回転プロペラ（ブレード）、連結ベアリングなどの施設に故障が発生した場合、容易に修理できない短所が存在した。水中では強い潮流により発電機が常に回転し続けており、作業者が接近することさえ困難な状態があるためである。
それだけでなく、従来の回転プロペラ構造では駆動力を発生する部分の断面で渦流が多く発生して潮流の流れをそのまま受けることができず、その効率が低下する問題点が存在した。また、潮流の流れは状況と地形により継続して変わるが、その度に発電効率が安定しておらず、潮流発電機の全体的な発電効率が良いと言えるものではなかった。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、水上の発電手段と水中の動力獲得手段を分離して効率的な発電を可能にし、水中に位置した施設物が故障しても容易に水上に引上げが可能であり、水上で容易に管理できる潮流発電機を提供することにある。
本発明の他の目的とするところは、回転プロペラに形成された溝構造と連結紐を通じて潮流の流れを最大限活用するため、潮流の流れ状態により回転手段と水上発電機間の動力連結の個数を制御することにより、動力伝達に過不足を無くし、効率性を極大化できる潮流発電機を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の潮流発電機は、海水面の上側に形成されて発電機を通じて電気を発生させる水上発電部、及び海水面の下側に形成されて水上発電部を支持して、潮流の流れを動力源に常時発電機に動力を伝達する水中動力部、を含み、水中動力部は水上発電部の下段部を海底面に支持させる１つ以上の支持台、上段が水上発電部側に露出し、発電機に回転動力を伝達するように海水面と垂直に形成される１つ以上の回転台、回転台の一側に互いに所定の角度で離隔されるように配置され潮流の流れにより回転する複数個のプロペラを含むプロペラ部、回転台の下段一側と支持台の一側を連結して、回転台の均衡を維持させる下部支持台、及び支持台で下部支持台と連結される部分に形成して、回転台が支持台に沿って上下方面に移動可能にする上下移動手段、を含むことを特徴とする。

回転台にはプロペラ部を複数個形成することができ、プロペラは回転台側に行くほど半径が狭くなる半円柱で、円柱の切られた面には内側に歯模様の溝が複数個形成される形態に備えられ、円柱の切られた面が潮流の流れと向き合う方向になるように回転台に設置されることが好ましい。

プロペラは一側に連結輪が形成され、プロペラ部の各プロペラは連結輪を通じて連結紐で連結させることが可能であることがよい。
回転台の１つ当たり、水上発電部で発電機が複数個動力連結されることが可能であり、動力外し手段を通じて必要によって特定発電機と回転台の動力連結を切ることができることがよい。

潮流の流れ状態によって回転台の１つ当たり動力連結される発電機の個数を制御することができる。
また、水上発電部には発電機で発生した電気を貯蔵するか、又は陸上に電送して活用できるようにする蓄電手段をさらに形成することが好ましい。

本発明によれば、本発明の潮流発電機は、水上の発電手段と水中の動力獲得手段を分離して発電手段が海水などの被害を受けず、故障の可能性が低くなり、効率的な発電が可能であり、水中に位置した施設物が故障しても、容易に水上に引上げが可能であり、水上で容易に管理でき、生産性が良く維持費が少なくて済む効果がある。
また、回転プロペラに形成された溝構造と連結紐などの構造を通じて、リアルタイムで変化する潮流の流れを最大限活用でき、潮流の流れ状態によって回転手段と水上発電機間の動力連結の個数を制御することにより、動力伝達にムダや不足がないようにして、効率性を極大化でき、莫大な潮流エネルギーをそのまま発電に活用できる効果がある。
それと共に、水上の構造物に風力発電や太陽光発電などの設備を併行して具備することが容易であり、蓄電設備に貯蔵された電気を陸上の自動車などに提供することが可能であり、停泊中の船舶などに連結して自家発電ができるなど、その応用範囲が非常に広い効果がある。

本発明の一実施例による潮流発電機の構成図である。 本発明の一実施例による潮流発電機で回転台が海水面の上側に上昇した形態を示した側面図である。 本発明の一実施例による潮流発電機のプロペラを示した斜視図であり、（ａ）は一方向から見た図であり、（ｂ）は別の方向から見た図である。 本発明の一実施例による潮流発電機でプロペラ部を示した斜視図である。 本発明の一実施例による潮流発電機の平面図であり、（ａ）は回転台１つに発電機４個が動力連結された形態を示し、（ｂ）は潮流の流れが弱い時、回転台１つに発電機１つだけが動力連結されるように調節された形態を示す。

以下では、添付した図面を基にして、本発明をより詳細に説明する。図面の中で同一な構成要素は可能な限り、何れの図面においても、同じ符号で表示した。一方、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常の意味や辞書上の意味に限定して解釈してはならず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義することができる。したがって、本明細書に記載された実施例と図面に図示された構成は、本発明の最も好ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを包含するものではない。このため、本発明の出願時点において、本発明に加えられる多様な均等物と変形例が本発明の権利範囲に含まれることを理解しなければならない。

図１は本発明の一実施例による潮流発電機の構成図であり、図２は本発明の一実施例による潮流発電機で回転台が海水面の上側に上昇した形態を示した側面図である。
図１及び図２に示したとおり、本発明の一施例による潮流発電機（１１）は水上発電部（１０）及び水中動力部（２０）を含んで構成される。

水上発電部（１０）は海水面の上側に形成されて発電機（１１）を通じて電気を発生させる部分であり、バージ船形態の水上施設が備えられる。内部には電気を発生させる発電機（１１）と、発電機（１１）で発生した電気を貯蔵するか、又は陸上に電送して活用できるようにする蓄電手段（１２）が具備される。
水上で発電が行われるため、水の影響を受けず、直下段部から海水などによる腐食が起きないように適切な防止手段を設けることが好ましい。そして、蓄電手段（１２）は移動が容易になるように設置されて、地上あるいは必要な装置に円滑に供給できるようにする。
潮流発電機（１１）では規模と生産性のために複数個の発電機（１１）が備えられることが一般的であるが、このような複数個の発電機（１１）と回転台（２２）とが、動力連結を通じて電気を発生させる動作構造については後でより詳細に説明する。

水中動力部（２０）は海水面の下側に形成されて水上発電部（１０）を支持する。水中動力部（２０）は、潮流の流れを動力源として発電機（１１）に動力を伝達する役割を遂行し、支持台（２１）、回転台（２２）、プロペラ部（２３）、下部支持台（２４）、上下移動手段（２５）を含んで構成される。
支持台（２１）は水上発電部（１０）の下段部を海底面に支持させる役割をする。バージ船形態の水上発電部（１０）の構造物が水深の変動にもかかわらず、沈水されず、波などによって位置が移動しないように海底面の底と堅固に固定される。

回転台（２２）の上段は水上発電部（１０）側に露出し、発電機（１１）に回転動力を伝達するように海水面に対し垂直に位置し、その大部分が水中に形成される。回転台（２２）は、水中で潮流の流れによる回転力を水上に連結させる連結軸の役割をするため、耐久性が良く、海水などとの接触による腐食が起きないように強度と耐腐食性を兼ね備えることがよい。
このような回転台（２２）は、一体型あるいは分離結合型などで備えられるが、これは本発明による潮流発電機（１１）が設置される場所の地形によって回転台（２２）の長さが変わるため必要な構造である。
プロペラ部（２３）は、回転台（２２）一側に互いに所定の角度で離隔されて配置され、潮流の流れによって回転する複数個のプロペラ（２３ａ）で構成される。水中で各プロペラ（２３ａ）が潮流の流れを受けて回転するため、その力を最大に利用するために挺子の原理を応用した長軸の形態に備えられる。より詳細なプロペラ部（２３）の構成は後で説明する。

下部支持台（２４）は回転台（２２）下段一側と支持台（２１）一側とを連結して回転台（２２）の均衡を維持させる。地形によって非常に大きいサイズのプロペラ（２３ａ）が設置される回転台（２２）は、潮流の流れが強くなるほど位置がずれる可能性がある。回転台（２２）の位置がずれると、当然回転台（２２）に連結されたプロペラ（２３ａ）の機能性が低下するため、強固な固定が必要であり、下部支持台（２４）は各回転台（２２）の下段を支持台（２１）と連結することにより、回転の中心軸を強固に維持することができる。
下部支持台（２４）と回転台（２２）の連結部品は回転台（２２）が継続して回転が行われるように、ベアリング（２４ａ）などの連結手段を介して連結されることが好ましい。支持台（２１）と下部支持台（２４）とが連結される部分には上下移動手段（２５）が形成され、回転台（２２）が支持台（２１）に沿って上下方面に移動できることがよい。

従来の潮流発電機では、水中に位置したプロペラ（２３ａ）、連結ベアリング（２４ａ）などの施設に故障が発生した場合、容易に修理できないという短所が存在した。水中では、強い潮流によりプロペラが常時回転しているため、作業者が接近することさえ困難な状況があった。
そこで、本発明の実施例による潮流発電機（１１）では、下部支持台（２４）を通じて連結された回転台（２２）が上下移動手段（２５）の動きによって海水面上に上昇できるようにすることで、水中設備に問題が発生した場合、作業者が水上発電部（１０）で容易に修理を実施することができる。
このような上下移動手段（２５）は油圧式、ギア式などの方式あるいはワイヤー、ボールスクリュー、ガイドレールを使用するなど多様な手段により形成される。回転台（２２）と水中設備などの重さは相当なものであるが、水中で上昇が行われるため、地上からより少ない力でも引上げが可能になる。

図３は、本発明の一実施例による潮流発電機のプロペラを示した斜視図であり、（ａ）は一方向から見た図であり、（ｂ）は別の方向から見た図であり、図４は本発明の一実施例による潮流発電機でプロペラ部を示した斜視図である。
図３及び図４に示したとおり、本発明の一実施例による潮流発電機（１１）で各回転台（２２）にはプロペラ部（２３）の複数個が上下に離隔して形成され、各プロペラ部（２３）には複数個のプロペラ（２３ａ）が矢車状に配置されて備えられる。プロペラ部（２３）にプロペラ（２３ａ）が何個備えられるか、長さがどうなるかは、潮流発電機（１１）が設置される環境に合わせ適宜選択される。
例えば、潮流の流れが巨大な場所では、プロペラ（２３ａ）１つの長さが１０ｍに形成されることもある一方、潮流の流れが弱い場所では１ｍ程度のものが使用されることもある。また、プロペラ（２３ａ）１つの長さが長ければ、各プロペラ（２３ａ）が回転しながら次のプロペラ（２３ａ）が到達するまでのタームが長くなるから、これを補完するためにプロペラ（２３ａ）の間隔を狭くしてより多くのプロペラ（２３ａ）を具備することが好ましい。

各プロペラ（２３ａ）は一側では潮流による抵抗を最大に受けるために表面積を大きくし、他側では潮流による抵抗を最小に受けるように表面積が小さい形状に形成される。これらのプロペラを組み合わせて効率を極大化することが好ましい。
そのため、本発明の実施例では、各プロペラ（２３ａ）が回転台（２２）側の連結台（２３ｃ）方向に行くほど半径が小さくなる半円柱模様を基本にして、円柱の長さ方向に沿って切られた面（２３ａａ）に沿って内側に歯模様の溝（２３ａｂ）を複数個形成させることが好ましい。その後、円柱の切られた面（２３ａａ）が潮流の流れと直に向き合う方向になるように回転台（２２）に設置する。
潮流が有する質量エネルギーを最大限受ける一側面がプロペラ（２３ａ）を押す力を最大化させて、他側面では押す力によりプロペラ（２３ａ）が回転して通過できるように水の抵抗を最小化させる流線型の模様を持たせるが、これに加えて本発明では潮流の流れと向き合う面に歯模様の溝（２３ａｂ）を形成することにより、潮流の抵抗を極大化できるように表面積を最大化し、それと共にプロペラ（２３ａ）が潮流の抵抗を全部受けた後、回転して通過する時は、歯の隙間に沿って速かに水を排出させる構成とした。

このように一般的なブレード形態のプロペラ（２３ａ）に比較してはるかに大きく潮流の流れを回転力に変換でき、潮流の抵抗の大きさからプロペラ（２３ａ）の回転に問題が生じないように、追加で各プロペラ（２３ａ）の一側に連結輪（２３ａｃ）を形成させ、隣接するプロペラ（２３ａ）の連結輪（２３ａｃ）を連結紐（２３ｂ）で結束させることにより、さらに均一な回転力を誘導することができる。
連結紐（２３ｂ）で各プロペラ（２３ａ）が互いに連結されるため、万が一あるかも知れないプロペラ（２３ａ）の離脱を防止することができ、現在回転の力を受けているプロペラ（２３ａ）が次の番のプロペラ（２３ａ）を牽引する効果があるため、全体プロペラ部（２３）の回転が均一なパルスでなされ、回転による潮流の抵抗を克服できる。
このように本発明による潮流発電機（１１）では回転プロペラ（２３ａ）に形成された溝構造と連結紐（２３ｂ）などの構造を通じて、リアルタイムで変化する潮流の流れに影響を受けながらその力を最大限利用できるようになる。

図５は、本発明の一実施例による潮流発電機の平面図であり、（ａ）は回転台１つに発電機４個が動力連結された形態を示し、（ｂ）は潮流の流れが弱い時、回転台１つに発電機１つだけが動力連結されるように調節された形態を示す。
図５に示したとおり、本発明の一実施例による潮流発電機（１１）では、水上発電部（１０）で各回転台（２２）当たり複数個の発電機（１１）が動力連結することができる。動力連結する方式はギア形態も可能であるが、ベルト（１１ａ）連結することが最も好ましい。ここに本発明では動力外し手段（１１ｂ）を具備して必要によって特定発電機（１１）と回転台（２２）の動力連結を切ることができる。

潮流の流れ状態によって回転台（２２）１つ当たりに動力連結する発電機（１１）の個数を制御することができる。本発明の動力外し手段（１１ｂ）は、図５の（ｂ）の右側に矢印で示したとおり、発電機（１１）方向に移動すれば、自然に発電機（１１）の回転軸にかかったベルト（１１ａ）連結が解ける。
台風が吹くか潮流の流れが非常に強い場合は、こういう方法でできるだけ多くの発電機（１１）を回転台（２２）ごとに連結させて余剰動力がないようにして最大の発電効率を誘導できる。一方、停潮期など潮流の流れが穏やかな時はむしろ多くの発電機（１１）の連結は非効率になるので、他の発電機（１１）の動力連結は切って、１つの発電機（１１）だけが動力を受けるようにすることが好ましい。

このように本発明による潮流発電機（１１）では潮流の流れ状態により、回転手段と水上発電機（１１）間の動力連結の個数を制御することにより、動力伝達にムダや不足がないようにして効率性を極大化でき、莫大な潮流エネルギーをそのまま発電に活用できる効果がある。
それと共に、水上の構造物に風力発電や太陽光発電などの設備を併行して設置することが容易であり、蓄電設備に貯蔵された電気を陸上の自動車などに提供することが可能であり、停泊中の船舶などに連結して自家発電できるなど、その応用範囲が非常に広いという長所がある。

以上、本発明の好ましい実施例と関連して説明したが、発明の要旨と範囲から逸することなく、多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、下記の特許請求の範囲には本発明の要旨に沿って、このような修正や変形が含まれる。

１０：水上発電部
１１：（潮流）発電機、特定発電機
１１ａ：ベルト
１１ｂ：動力外し手段
１２：蓄電手段
２０：水中動力部
２１：支持台
２２：回転台
２３：プロペラ部
２３ａ：プロペラ
２３ａａ：円柱の切られた面
２３ａｂ：歯模様の溝
２３ａｃ：連結輪
２３ｂ：連結紐
２３ｃ：連結台
２４：下部支持台
２４ａ：ベアリング
２５：上下移動手段

Claims (6)

1. 海水面上側に形成されて発電機を通じて電気を発生する水上発電部、及び
   海水面下側に形成されて前記水上発電部を支持して、潮流の流れを動力源に常時発電機に動力を伝達する水中動力部、を含み、
   前記水中動力部は、
   前記水上発電部の下段部を海底面に支持させる１つ以上の支持台、
   上段が前記水上発電部側に露出し、前記発電機に回転動力を伝達するように海水面と垂直に形成される１つ以上の回転台、
   前記回転台一側に互いに所定角度で離隔されるように配置されて、潮流の流れによって回転する複数個のプロペラを含むプロペラ部、
   前記回転台の下段一側と前記支持台の一側を連結して、前記回転台の均衡を維持させる下部支持台、及び
   前記支持台で前記下部支持台と連結する部分に形成して、前記回転台が前記支持台に沿って上下方面に移動できるようにする上下移動手段、を含むことを特徴とする潮流発電機。
2. 前記回転台には前記プロペラ部を複数個形成することができ、
   前記プロペラは、
   前記回転台側に行くほど狭くなる半円柱で、円柱の切られた面には内側に歯模様の溝が複数個形成される形態に備えられ、
   前記円柱の切られた面が潮流の流れと向き合う方向になるように、前記回転台に設置されることを特徴とする請求項１に記載の潮流発電機。
3. 前記プロペラは一側に連結輪が形成されて、前記プロペラ部の各プロペラは前記連結輪を通じて連結紐で連結されることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の潮流発電機。
4. 前記回転台１つ当たり、前記水上発電部で前記発電機が複数個動力連結されることが可能であり、
   動力外し手段を通じて、必要によって、特定発電機と前記回転台の動力連結を切ることができることを特徴とする請求項１に記載の潮流発電機。
5. 潮流の流れ状態によって、
   前記回転台１つ当たり、動力連結される前記発電機の個数を制御できることを特徴とする請求項４に記載の潮流発電機。
6. 前記水上発電部には、
   前記発電機で発生した電気を貯蔵するか、又は陸上に電送して活用できるようにする蓄電手段をさらに形成したことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電機。

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