JP2023023558A - 水上発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】水上発電を行いつつ酸素分を水中に微細気泡として散布することで好気性生物の活性を上げプランクトンの成長を促進し漁場の改良を行うことができる水上発電ユニットを提供する。【解決手段】電装置２と、発電装置２によって供給される電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置３と、水上に浮かべたフロート４と、を備え、フロート４の上面に発電装置２および酸素分離装置３を設置した水上発電ユニット１であって、酸素分離装置３により分離された酸素を、水中に微細気泡として供給する第一の微細気泡発生媒体３３を備え、酸素分離装置３により分離された窒素を、水中に微細気泡として供給する第二の微細気泡発生媒体３４を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置などの構造物を備え、海上または湖上に浮遊するフロートに設置される水上発電ユニットであって、フロート周辺の水中に酸素を供給する酸素供給装置を備えた水上発電ユニットの技術に関する。

近年、洋上または湖上などの水上の風力、波力、潮流・海流、水流等の自然エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う、いわゆる再生可能自然エネルギーの開発が注目されている。

再生可能自然エネルギーが得られる水上発電ユニットの一例として、水上の風力を電気エネルギーに変換して発電することができる、いわゆる浮体式水上風力発電ユニットが挙げられ、その実用化が進められている。また、満潮時には堰を開放し、湾内に海水を導入し、干潮時に堰を閉鎖し、海水をタービンに導入することで潮汐流（潮汐による海水の移動）が持つ運動エネルギーを電力に変える水上潮力発電ユニットも挙げられ、その実用化がすすめられている。

水上発電ユニットの一例である、浮体式水上風力発電ユニットは、浮体設備に設けた発電用風車を、水上の風力によって回転させて電気エネルギーに変換した後、得られた電力を、水中ケーブルを通じて送電することができるように構成されている。

特開２０２１－３０８９３号公報

しかし、水上発電ユニットを配置した付近の水中においては、海流や水流が阻害されやすく、海水もしくは湖水が滞留して酸素が十分に供給されず、良好な漁場が形成されない場合があった。酸素の供給量が不足すると魚の餌となるプランクトンなどの発生量が少なくなるため、魚が集まり難く、また付近の魚の成長にも悪影響があった。

また、フロート付近の海流も滞留しやすく、フジツボなどの発生や微生物によるフロートの劣化が起こっていた。フロートの劣化によって、水上発電ユニットの維持コストが上昇してしまい、水上発電ユニットの利点である土地などを用いないことでの省コスト性が損なわれる場合があった。

そこで、本発明はかかる課題に鑑み、水上発電を行いつつ酸素分を水中に微細気泡として散布することで好気性生物の活性を上げプランクトンの成長を促進し漁場の改良を行うことができる水上発電ユニットを提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、本発明においては、発電装置と、前記発電装置によって供給される電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置と、水上に浮かべたフロートと、を備え、前記フロートの上面に前記発電装置および酸素分離装置を設置した水上発電ユニットであって、
前記酸素分離装置により分離された酸素を、水中に微細気泡として供給する第一の微細気泡発生媒体を備え、
前記酸素分離装置により分離された窒素を、水中に微細気泡として供給する第二の微細気泡発生媒体を備えるものである。

また、本発明においては、好ましくは、前記第一の微細気泡発生媒体および第二の微細気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されているものであってもよい。

また、本発明においては、好ましくは、前記第一の微細気泡発生媒体は、前記第二の微細気泡発生媒体よりも水深の深い位置に配置されているものであってもよい。

また、本発明においては、前記酸素分離装置により分離された窒素を、前記発電装置および前記酸素分離装置に供給し、前記発電装置および前記酸素分離装置内に充満させるものであってもよい。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明においては、水上発電を行いつつ、発電装置の電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置によって生成した酸素分を水中に微細気泡として散布することができる。これにより、好気性生物の活性を上げプランクトンの成長を促進し漁場の改良を行うことができる。また、酸素分離装置によって生成した窒素分をフロート付近に流出させることで、フジツボなどの発生を抑えることができる。また、酸化作用を抑制してフロートの劣化を抑制することができ、メンテナンスコストを低減することができる。また、酸化防止のためにフロート内部へ微細気泡として添加することにより、水上発電ユニットの各装置の風化を防ぎ装置の寿命を長くすることができる。

また、本発明においては、炭素系の多孔質素材で形成されていることで微細気泡発生媒体を水中に長期間配置していても劣化することがないためメンテナンス性が向上する。

また、本発明においては、酸素分離装置によって生成した酸素分を水生生物が多い水深の深い水域に放出することが可能となる。また、酸素分離装置によって生成した窒素分をフロートの下面が配置されている水深の浅い水域に放出することができる。

また、本発明においては、酸素分離装置により分離された窒素を、前記発電装置および前記酸素分離装置内に充満させることで、発電装置および酸素分離装置内の各部品の酸化を防止し、錆の発生を抑えて劣化を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る水上発電ユニットの全体的な構成を示した正面図。 本発明の一実施形態に係る水上発電ユニットおよび風力発電装置の構成を示した正面図。 本発明の一実施形態に係る酸素分離装置の構成を示した正面図。 本発明の一実施形態に係る管及び微細気泡発生媒体の正面図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明の一実施形態にかかる水上発電ユニット１について図１を用いて説明する。
水上発電ユニット１は、海（海上）、河川（河上）もしくは湖（湖上）などの自然水系に設置され、風力、波力、潮流・海流・水流等の海洋の自然エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う装置である。

水上発電ユニット１は、発電装置２と、発電装置２によって供給される電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置３と、水上に浮かべたフロート４と、酸素を排出する酸素排出管５と、窒素を排出する窒素排出管６と、酸素排出管５および窒素排出管６に対して水流を供給するポンプ７Ａ・７Ｂと、を備える。

発電装置２は、自然エネルギーによって発電機１７を回転駆動させることにより電力を発生させる装置である。発電機１７は、波力、潮流・海流等の海洋の自然エネルギーによって回転駆動される。洋上もしくは湖上においては、水中の波の力や潮汐の力、もしくは水上の風力を利用してタービンを回転させて発電機１７を駆動する。

本実施形態における自然エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置の一例として、風力を電気エネルギーに変換して発電を行う風力発電装置２Ａについて説明する。
図２に示すように、風力発電装置２Ａは、回転軸（図では省略）を有するハブ１３と、ハブ１３に取付けられた複数のブレード１４とで構成される、回転可能なロータ１５を備えている。ロータ１５は、図示しない回転軸を介してナセル１６により回転可能に支持されており、ロータ１５の回転力をナセル１６内の発電機１７に伝達する。風力発電装置２Ａは、ブレード１４が風を受けることでロータ１５が回転し、ロータ１５の回転力で発電機１７を回転させて電力を発生させている。

発電装置２は、電力を図示せぬ陸上の各種送電設備へ送電するための主送電ケーブル１８Ａを有している。主送電ケーブル１８Ａは分岐しており、一部の電力を酸素分離装置３へ送電する酸素分離装置用送電ケーブル１８Ｂ、ポンプ７Ａ・７Ｂへ送電するポンプ用送電ケーブル１８Ｃに連結されている。

酸素分離装置３は、空気中の酸素を分離させて排出する装置であり、酸素を脱気した残存空気を窒素が大部分を占める気体として排出する装置である。酸素分離装置３の例としては、圧力変動吸着型の酸素分離装置、膜分離型の酸素分離装置、深冷分離型の酸素分離装置、真空圧力スイング吸着型の酸素分離装置などが挙げられる。

本実施形態における酸素分離装置３の一例として、吸着分離方式の一つである圧力変動吸着型の酸素分離装置３Ａについて説明する。

図3に示すように、酸素分離装置３Ａは、窒素を選択的に吸着する吸着材を用いて空気を分離する。吸着剤は、例えばゼオライトで構成される。吸着剤の窒素と酸素の平衡吸着量が、加圧下で大きく異なる性質を利用し、空気中の窒素を加圧下で吸着除去することで、酸素を効率的に得ることができる。

酸素分離装置３Ａは、空気を圧縮する圧縮機２３と、圧縮機２３より圧送される空気を除湿する除湿機２４と、二つの吸着塔２５Ａ・２５Ｂとで構成される。

酸素分離装置３Ａは、吸着・脱着工程を繰り返す事によって酸素を生成するものである。
まず、圧縮機２３において原料の空気を大気から取り込む。圧縮した空気は除湿機２４にて水分を取り除き吸着塔２５Ａ・２５Ｂに送られる。二つの吸着塔２５Ａ・２５Ｂへの経路は、弁の開閉によって以下に示す工程で、数十秒単位で交互に切り替えられる。

第一の吸入弁２７ａを開にすることで第一の吸着塔２５Ａに導入された空気は、吸着圧力まで昇圧される。一方、第二の吸着塔２５Ｂの第二の窒素排出弁２８ｂを開にし、大気圧まで減圧して吸着された窒素ガス等を窒素排出管６へ排出する。

第一の吸着塔２５Ａに導入された空気は、吸着剤に窒素ガス、炭酸ガス、水分等が吸着され、第一の酸素排出弁２７ｃから酸素ガスが酸素排出管５を通って送気される（吸着工程）。一方、第二の吸着塔２５Ｂにおいては、二つの塔上部のオリフィスを通ってきた第一の吸着塔２５Ａからの酸素ガスで吸着剤が再生される（脱着工程）。

第一の吸着塔２５Ａにおける吸着工程、第二の吸着塔２５Ｂの脱着工程が終わると第一の吸入弁２７ａ、第二の窒素排出弁２８ｂ、第一の酸素排出弁２７ｃを閉めて、両塔の上下にある連結弁２９を開けて両塔を均等な圧力にする。

次に、第二の吸入弁２８ａ、第一の窒素排出弁２７ｂ、第二の酸素排出弁２８ｃを開けて、第一の吸着塔２５Ａにおいて脱着工程を行い、第二の吸着塔２５Ｂにおいて吸着工程を行う。そして、第二の吸着塔２５Ｂにおける吸着工程、第一の吸着塔２５Ａの脱着工程が終わると第二の吸入弁２８ａ、第一の窒素排出弁２７ｂ、第二の酸素排出弁２８ｃを閉めて、両塔の上下にある連結弁２９を開けて両塔を均等な圧力にする。
これを繰り返すことにより、酸素排出管５から酸素を供給し、窒素排出管６から窒素を排出する。

フロート４は、水上に発電装置２および酸素分離装置３を設置するための土台である。フロート４は、浮体ブロック４ａを複数の支持柱４ｂによって支持することにより構成した構造物であり、上面に設置された発電装置２および酸素分離装置３を水上に保持するのに十分な浮力を有する。フロート４の内部には、湖水または海水等が流入可能であり、前記湖水または海水がフロート内に流入することで、フロートの浮力を調節しバランスをとることができる。
フロート４は、図示せぬ紐および杭によって、海底や湖底に固定されており、慣性モーメントを利用することで傾いた状態および回転した状態から復帰させる。

酸素排出管５は、酸素分離装置３において生成された酸素を水中に送り排出する管である。酸素排出管５の排出口５ａは水面よりも下方であって、魚や貝などの水生生物が繁殖している深さに配置されている。排出口５ａには、微細気泡発生媒体３３が設けられている。

微細気泡発生媒体３３は、図１及び図２に示すように、排出口５ａに連結して配置されている。微細気泡発生媒体３３は、ポンプ７Ｂから圧送される水が流れる方向（図２の黒塗り矢印方向）に対して平行となるように配置されている。なお、本実施形態においては、微細気泡発生媒体３３は、ポンプ７Ｂから圧送される水が流れる方向に対して平行となるように配置されているが、これに限定するものではなく、微細気泡発生媒体３３は、ポンプ７Ｂから圧送される水が流れる方向に対して下流側が下方へ傾くように配置されてもよい。微細気泡発生媒体３３は、排出口５ａと連結される内部空間３３ａが設けられている。

また、微細気泡発生媒体３３は、炭素系の多孔質素材で構成されており、図３に示すように、直径数μｍ～数十μｍの細かな孔３３Ａを多数有している。また、微細気泡発生媒体３３は導電体であり、微細気泡発生媒体３３から発生する気泡は負の電荷が帯電される。言い換えれば、導電体である微細気泡発生媒体３３を通過する際に超微細気泡に自由電子が付加されることにより、負の電荷が帯電するものである。この負の電荷により、気泡同士が互いに反発し、合体して大きな気泡になることを防ぐことができる。

炭素系の多孔質素材とは、炭素のみ若しくは炭素及びセラミックを含む複合素材であり、無機質の素材である。また、炭素系の多孔質素材の表面には、厚さ数ｎｍの膜が形成されている。前記膜はケイ素を含む無機質の膜で形成されている。炭素系の多孔質素材は、耐酸化性を有しており、錆が発生せず長期間水中に配置した場合であっても参加による劣化が発生しない。また、表面がケイ素を含む無機質の膜で形成されており、フジツボ等の水生生物が付着しにくい性質も有する。

酸素排出管５から内部空間３３ａへ送られた酸素は、微細気泡発生媒体３３に設けられた直径数μｍ～数十μｍの細かな孔３３Ａを通って、微細気泡発生媒体３３の表面へ移動する。微細気泡発生媒体３３の表面に移動した酸素は超微細気泡となり、ポンプ７Ｂから圧送される水の力によって水中へ放出される。

窒素排出管６は、酸素分離装置３において生成された窒素を、酸素分離装置３自体および水中に送り排出する管である。窒素排出管６は分岐しており、一つの窒素排出管６は、酸素分離装置３内部に還流する。これにより、酸素分離装置３の各部品の酸化を抑制し、錆の発生を防止する。また、別の窒素排出管６は、発電装置２の内部に還流する。これにより、発電装置２内の各部品、特に電極や接点などの酸化を抑制し、劣化を防ぐことができる。

また、窒素排出管６の排出口６ａは水面よりも下方であって、フロート４の内部に還流するように配置されている。すなわち、窒素排出管６から排出された窒素が、フロート４の内部に入る海水または湖水に排出されるように構成されている。これにより、窒素をふくむ海水または湖水がフロート４の浮体ブロック４ａや支持柱４ｂなどの各部品に接触しやすくなり、各部品の酸化を抑制し、錆の発生を防止する。排出口６ａには、微細気泡発生媒体３４が設けられている。

微細気泡発生媒体３４は、図１及び図２に示すように、排出口６ａに連結して配置されている。微細気泡発生媒体３４は、ポンプ７Ａから圧送される水が流れる方向（図２の黒塗り矢印方向）に対して平行となるように配置されている。なお、本実施形態においては、微細気泡発生媒体３４は、ポンプ７Ａから圧送される水が流れる方向に対して平行となるように配置されているが、これに限定するものではなく、微細気泡発生媒体３４は、ポンプ７Ａから圧送される水が流れる方向に対して下流側が下方へ傾くように配置されてもよい。微細気泡発生媒体３４は、排出口６ａと連結される内部空間３４ａが設けられている。

ポンプ７Ａは、フロート４内部の海水または湖水を循環させる循環ポンプとしても作用する。フロート４内部の海水または湖水は循環して供給され、フロート４の内部において、繰り返し窒素を微細気泡として供給されることにより、フロート４内部の海水または湖水内の窒素濃度が上がる。

また、微細気泡発生媒体３４は、炭素系の多孔質素材で構成されており、図３に示すように、直径数μｍ～数十μｍの細かな孔３４Ａを多数有している。また、微細気泡発生媒体３４は導電体であり、微細気泡発生媒体３４から発生する気泡は負の電荷が帯電される。言い換えれば、導電体である微細気泡発生媒体３４を通過する際に超微細気泡に自由電子が付加されることにより、負の電荷が帯電するものである。この負の電荷により、気泡同士が互いに反発し、合体して大きな気泡になることを防ぐことができる。
炭素系の多孔質素材とは、炭素のみ若しくは炭素及びセラミックを含む複合素材であり、無機質の素材である。また、炭素系の多孔質素材の表面には、厚さ数ｎｍの膜が形成されている。前記膜はケイ素を含む無機質の膜で形成されている。
窒素排出管６から内部空間３４ａへ送られた窒素は、微細気泡発生媒体３４に設けられた直径数μｍ～数十μｍの細かな孔３４Ａを通って、微細気泡発生媒体３４の表面へ移動する。微細気泡発生媒体３４の表面に移動した酸素は超微細気泡となり、ポンプ７Ａから圧送される水の力によって水中へ放出される。

次に水上発電ユニット１において、酸素および窒素を微細気泡として供給する工程を説明する。
発電装置２において、発電された電力を供給することにより、酸素分離装置３が駆動する。酸素分離装置３では、圧縮機２３において原料の空気を大気から取り込む。圧縮した空気は除湿機２４にて水分を取り除き吸着塔２５Ａ・２５Ｂに送られる。二つの吸着塔２５Ａ・２５Ｂにおいて吸着・脱着工程を繰り返す事によって酸素が生成され、酸素排出管５へと送られる。また、酸素を脱気した残存空気を窒素が大部分を占める気体として窒素排出管６から排出する。

酸素排出管５から送られた酸素は、微細気泡発生媒体３３の内部空間３３ａへ送られ、微細な孔３３Ａから微細気泡として排出される。微細気泡として微細気泡発生媒体３３の表面に発生した酸素は、ポンプ７Ｂから圧送される水の力によって表面から離間して水中へ放出される。酸素が微細気泡として排出されることにより、好気性生物の活性を上げプランクトンの成長を促進し漁場の改良を行うことができる。これにより、水上発電ユニット１付近の漁場の生態系が崩されることなく豊富な水産資源を確保することができる。水上発電ユニット１を設置した水域においては、本来漁場であった場所に構造物ができるため水流がせき止められていた。このため酸素の供給量が変化し、水生生物の生育環境が悪化する場合があった。しかし、本願発明に記載された水上発電ユニット１においては、水上発電ユニット１付近の水域に十分な酸素を供給することができる。これにより、一つの水域において発電事業および漁業の共存を図ることができる。

また、窒素排出管６から送られた窒素は、微細気泡発生媒体３４の内部空間３４ａへ送られ、微細な孔３４Ａから微細気泡として排出される。微細気泡として微細気泡発生媒体３４の表面に発生した窒素は、ポンプ７Ａから圧送される水の力によって表面から離間して水中へ放出される。窒素が微細気泡として排出されることにより、付近のフロート４の酸化が防止されることとなり錆の発生を抑制することができる。また、酸素分離装置３によって生成した窒素分は酸化作用がないためフロート４の劣化を抑制することができる。
このように、水上発電ユニット１は、空気中の酸素および窒素を用いて、周辺の漁場の環境を改良し、また、ユニットの劣化を防止しメンテナンスの回数を低減することができるという効果を奏することができるのである。

また、図１に示すように、発電装置２および酸素分離装置３の内部には、内部の湿気を除去するための除湿機１１が配置されていてもよい。これにより、水上の湿気の多い環境に配置された発電装置２および酸素分離装置３における水分による劣化を防ぐことができる。除湿機１１には、発電装置２から電力が供給される。

除湿機１１によって吸湿された水分は、除湿機内に液体状態で貯蔵され、一定量貯蔵された後、フロート４内の海水または湖水に排出される。水上発電ユニットを海上に配置した場合、フロート４内の海水の塩分濃度を下げることができるため、フロート４の塩分による劣化を防ぐことができる。

以上のように、本実施形態にかかる水上発電ユニット１は、発電装置２と、発電装置２によって供給される電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置３と、水上に浮かべたフロート４と、を備え、フロート４の上面に発電装置２および酸素分離装置３を設置した水上発電ユニット１であって、酸素分離装置３により分離された酸素を、水中に微細気泡として供給する第一の微細気泡発生媒体３３を備え、酸素分離装置３により分離された窒素を、水中に微細気泡として供給する第二の微細気泡発生媒体３４を備えるものである。
このように構成することにより、水上発電を行いつつ、発電装置２の電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置３によって生成した酸素分を水中に微細気泡として散布することができる。これにより、好気性生物の活性を上げプランクトンの成長を促進し漁場の改良を行うことができる。また、酸素分離装置３によって生成した窒素分をフロート４付近に流出させることで、フジツボなどの発生を抑えることができる。また、酸化作用を抑制してフロート４の劣化を抑制することができ、メンテナンスコストを低減することができる。また、微細気泡発生媒体３４を用いた発生方法においては、微細気泡を発生させる動力が小さいので発電した電気を無駄なく使うことができる。

また、第一の微細気泡発生媒体３３および第二の微細気泡発生媒体３４は、炭素系の多孔質素材で形成されているものであってもよい。
このように構成することにより、炭素系の多孔質素材で形成されていることで第一の微細気泡発生媒体３３および第二の微細気泡発生媒体３４を水中に長期間配置していても劣化することがないためメンテナンス性が向上する。

また、第一の微細気泡発生媒体３３は、第二の微細気泡発生媒体３４よりも水深の深い位置に配置されているものであってもよい。
このように構成することにより、酸素分離装置３によって生成した酸素分を水生生物が多い水深の深い水域に放出することが可能となる。また、酸素分離装置３によって生成した窒素分をフロートの下面が配置されている水深の浅い水域に放出することが可能となる。

１ 水上発電ユニット
２ 発電装置
２Ａ 風力発電装置２Ａ
３ 酸素分離装置
３Ａ 酸素分離装置
４ フロート
４ａ 浮体ブロック
４ｂ 支持柱
５ 酸素排出管
５ａ 排出口
５Ａ 孔
６ 窒素排出管
６ａ 排出口
６Ａ 孔
７Ａ・７Ｂ ポンプ
１１ 除湿機
１３ ハブ
１４ ブレード
１５ ロータ
１６ ナセル
１７ 発電機
１８Ａ 主送電ケーブル
１８Ｂ 酸素分離装置用送電ケーブル
１８Ｃ ポンプ用送電ケーブル
２３ 圧縮機
２４ 除湿機
２５Ａ 第一の吸着塔
２５Ｂ 第二の吸着塔
２７ａ 第一の吸入弁
２７ｂ 第一の窒素排出弁
２７ｃ 第一の酸素排出弁
２８ａ 第二の吸入弁
２８ｂ 第二の窒素排出弁
２８ｃ 第二の酸素排出弁
２９ 連結弁
３３ 第一の微細気泡発生媒体
３３ａ 内部空間
３３Ａ 孔
３４ 第二の微細気泡発生媒体
３４ａ 内部空間
３４Ａ 孔

Claims (4)

1. 発電装置と、前記発電装置によって供給される電力を用いて空気中の酸素と窒素を分離する酸素分離装置と、水上に浮かべたフロートと、を備え、前記フロートの上面に前記発電装置および酸素分離装置を設置した水上発電ユニットであって、
   前記酸素分離装置により分離された酸素を、水中に微細気泡として供給する第一の微細気泡発生媒体を備え、
   前記酸素分離装置により分離された窒素を、水中に微細気泡として供給する第二の微細気泡発生媒体を備える、
   ことを特徴とする水上発電ユニット。
2. 前記第一の微細気泡発生媒体および第二の微細気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水上発電ユニット。
3. 前記第一の微細気泡発生媒体は、前記第二の微細気泡発生媒体よりも水深の深い位置に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の水上発電ユニット。
4. 前記酸素分離装置により分離された窒素を、前記発電装置および前記酸素分離装置に供給し、前記発電装置および前記酸素分離装置内に充満させる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の水上発電ユニット。
   

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