JP2023167084A - 水流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水流に変動がある環境であっても、安定して水流から効率よく発電できる水流発電装置を提供すること。【解決手段】水流発電装置は、水流により回転する回転体３と、回転体３に固定され回転体３と一体となって回転するシャフトと、シャフトの一部及びシャフトに繋がれた発電機を収容する、回転しないポッド２と、ポッド２の外側に配置され水流の方向に平行な平面上に沿って延びる複数のフィン４と、を備え、ポッド２及び回転体３の外側表面は、前方から後方にかけての中間に膨らみのある流線形状を形成している。【選択図】図１

Description

本発明は、水流発電装置に関する。

従来より、海や河川の水流の中でプロペラ等の回転体を回転させることにより、水流の運動エネルギーを電気エネルギーに変換させて発電させる技術は存在する。

特許文献１には、潮流を利用して発電する技術として、海中の定位置に支持桿を設け、その支持桿に潮流を受けて回転するスクリュー羽根を設け、潮流で回転させるスクリュー羽根の回転力で海面上に設けたステーション内の発電機を駆動して発電する技術が記載されている。スクリュー羽根を支持している筒桿は、スクリュー羽根が潮流に対向する姿勢になるように、支持桿に回転自在に装着されている。

特許文献２には、海底に固定した垂直材に水中回転体を配置し、海流が水中回転体を回転させた回転エネルギーを海上の発電機に伝達する技術が記載されている。水中回転体と支持部とはユニバーサルジョイント機構で接続されているため、回転体は上下左右の自在の方向に向きを変えることができる。

特許文献３には、海底に固定したシンカーに対して、係留ロープを介して接続された水中浮遊式発電装置が記載されている。水流発電装置は、左右に離間して配置された一対の円筒状のポッドと一対のポッドを連結する連結部とを備える。ポッドは、円筒状をなし、タービンを回転可能に支持している。

特開２００２－２５７０２３号公報 特開２００９－１２１２４１号公報 特開２０１８－１９７５１７号公報

しかしながら、特許文献１の発明は、変速機や発電機が海上に浮遊するステーションに配置されており、潮流からスクリュー羽根が受けた回転エネルギーを海上の変速機や発電機に伝達する歯車等の回転力伝達材を必要とする。回転力伝達材を用いて回転を伝達すると機構が複雑になり、エネルギー損失が発生するおそれがある。

また、特許文献２の発明は、海流の流れの向きの変化に応じて、水中回転体の向きを自在に変化させることはできるが、ユニバーサルジョイント機構という小さな接点で連結されているため、水中回転体の水中における振動や揺動の影響がジョイントに集中し、ジョイントが破損するリスクがある。

さらに、特許文献３の発明は、タービンを支柱で支持することができない深い海域において、海底に設置されたアンカーに浮体式発電装置が繋がれているため、支柱でタービンを支持する必要がない。しかしながら、浮体式発電装置が海流の影響を受けやすく振動や揺動にさらされているため、発電効率の低下に繋がるおそれがある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、水中において、支柱の支持が無くても安定して水流から効率よく発電する水流発電装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、水流により回転する回転体と、前記回転体に固定され前記回転体と一体となって回転するシャフトと、前記シャフトの一部及び前記シャフトに繋がれた発電機を収容する、回転しないポッドと、前記ポッドの外側に配置され水流の方向に平行な平面上に沿って延びる複数のフィンと、を備え、前記ポッド及び前記回転体の外側表面は、前方から後方にかけての中間に膨らみのある流線形状を形成している、ことを特徴とする水流発電装置である。

請求項２に記載された発明は、前記ポッドは、前記回転体の回転軸の方向に伸びる筒状体を有し、前記ポッドから径方向外側に向けて突出した凸部と前記回転体の内側の凹部とが対峙することにより前記回転体を回転可能に支持することを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置である。

請求項３に記載された発明は、水平方向に並列に配置された複数の前記ポッドを繋ぐ連結部を備えることを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置である。

請求項４に記載された発明は、前記連結部は、中央に係留索を連結する中央支持部材を備え、該中央支持部材の後端に整流板を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の水流発電装置である。

請求項５に記載された発明は、前記中央支持部材に繋がれた係留索は、水上のステーションと水底のアンカーを繋ぐ係留索に繋がれている、ことを特徴とする請求項４に記載の水流発電装置である。

請求項６に記載された発明は、前記連結部は板状であり、前記連結部の断面形状は、後端側の方が前端側よりも尖っており、上面側のほうが下面側よりも翼が膨らんでいる流線形状を有する、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の水流発電装置である。

請求項７に記載された発明は、前記連結部の上側に、水流の方向に平行な平面上に沿って延びるフィンを備えた、請求項３又は請求項４に記載の水流発電装置である。

本発明によれば、水流に変動がある環境であっても、安定して水流から効率よく発電できる水流発電装置を提供できる。

（ａ）は本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す側面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は背面図である。 本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。 第二の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。 第二の実施形態に係る水流発電装置を示す平面図である。 第二の実施形態に係る水流発電装置の連結部を示す断面図である。 第三の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。 （ａ）は第四の実施形態に係る水流発電装置を示す側面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は背面図である。

本発明に係る発電装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

（第一の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、それぞれ本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す側面図、正面図、及び背面図である。本実施形態の水流発電装置１は、ポッド２と、ポッド２に支持された回転体３と、ポッドに設けられたフィン４と、回転体に設けられたブレード５から構成される。ポッド２は、回転体３を支持する構造体であり、ポッド２の内部には、後述するように発電機や浮体が収容される。ポッド２は、流線形状を有していることが望ましい。本明細書において「流線形状」とは、前端と後端が絞られて中間部が膨出する形状をいう。

ポッド２の回転軸方向の長さは（胴体部の中央における）径方向の直径よりも大きい形状とすることにより、水流により回転しつつも下流方向に伸びる形状のために上下方向揺動を受けにくい構造としてもよい。
ポッド２及び回転体３の形成する外形形状は、流れ方向中央部が大径な流線形であるため、中央付近で水流の流速を早めてブレード５へと流すことができるので安定した回転動力を得ることができる。その上、水流を速めることによって、水中を漂う藻やロープ等がブレード５に絡み付くのを抑えることができる。

本実施形態では、ポッド２及び回転体３の形成する外形形状の最大径は、ポッド２側にある。すなわち、回転体３の径は、ポッド２の最大径よりも小さい。ポッド２及び回転体３の形成する外形形状の最大径が、回転しないポッド２にあることにより、海流がポッド２の表面に引き寄せられるコアンダ効果を高めることで水流を速めることができ、発電効率を向上できる。

第一の実施形態においては、ポッド２の径方向の最大直径は約７ｍ、回転軸方向の長さは約１５ｍである。また、ポッド２の材質としては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の樹脂や金属が用いられる。ポッド２をチタン合金製とすれば、水中でも錆びることなく、半永久的に使用できる。

本明細書において、「水流」とは、水又は海水の流れを指し、流線が層状にそろっている層流の方向だけでなく、流線が乱れた乱流状態をも含む。「水流の方向」は、層流でも乱流であっても、流れ全体の主方向を指すものとする。特に断りのない限り、「上方」とは水底から水面上の方向を指し、「下方」とは、水面上から水底の方向を指す。また、特に断りのない限り「前方」は、水流の上流方向、「後方」は、水流の下流方向を指す。

本明細書において、「回転体」とは、水流の勢いを受けて水流エネルギーを回転エネルギーに変える物体又は装置である。そのため、回転体は、水流を受けて回転に変えられるようなブレードを備えていることが望ましい。ブレードは、プロペラであってもよく、回転体の軸方向に対し斜めに螺旋を描く形状であってもよい。

回転体３は、水流のエネルギーを回転体３の回転エネルギーに変換できるような構造体である。例えば、発電時には、回転体３は、回転しないポッド２の下流側で支持され、回転体３に設けられた複数のブレード５が水流を受けて回転体３を回転させる構造となっている。ブレード５は、水流を受けて回転体が回転しやすい形状であることが望ましいため、プロペラであってもよく、回転体を取り巻くように螺旋形状の羽根として形成されていてもよい。

第一の実施形態においては、回転体３の径方向の最大直径は約５ｍ、回転軸方向の長さは約５ｍである。また、回転体３の材質としては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の樹脂や金属が用いられる。回転体をチタン合金製とすれば、水中でも錆びることなく、半永久的に使用できる。

本実施形態では、フィン４は、３つの同じ形状のものが、ポッド２の前方の外側表面に設けられている。フィン４は、水流の方向に平行な平面上に沿って延びる複数のフィンであり、ポッド２の前方の周囲に１２０°ずつ均等に配置されている。フィン４のあることにより、ポッドは水中で振動、揺動、回転の影響を受けにくくなり、定位置で安定した状態を保つことができる。

本実施形態の３つのフィン４のうち、ポッド２の左右に設けられた２つのフィンは、弾性体で構成されており、垂直に立つように設けられた１つのフィンは、非弾性体で構成されている。弾性体のフィンは水中で上下に柔軟に屈曲することにより、水流の変化の影響による水流発電装置の振動を吸収し、水流発電装置を安定的に定位置に維持することができる。

さらに、ポッド２の左右に設けられた２つのフィンは、可動式フィンとしてもよい。ポッド２の中空空間内に設けられた蓄電装置の電力に駆動されるフィン制御機構が可動式フィンのピッチ角度を調整することができる。

図２は、本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。ポッド２は、内部に中空の空間を有し、深い海中の水圧にも耐えられる耐圧性の高い構造を有する。中空の空間内には、浮体１０と、発電機２０と、増速機３０と、シャフト１１の少なくとも一部を収容している。発電機２０により発電された電力は、例えば送電ケーブルを介して海底のアンカー内に設けられた中継器に接続される。

浮体１０は、空気が充填された単なる浮体袋であってもよく、外部との間で海水を注排水してポッド２全体の重量を調整する浮力調整機構を備える浮体であってもよい。浮体１０の形成する空間は、発電機２０を収容する空間１６とは隔離され、空間１６の周囲を取り囲むように形成されたバラストタンクの役割を有していてもよい。浮体１０へのバラスト水の注入で、浮力を小さくすると、後端側が下向きとなる方向に傾動されるように構成されている。逆に、バラスト水を排出させて、浮力を大きくすると、ポッド２は、後端側が上向となる方向に傾動されるように構成されている。

回転体３と回転体を支持するポッド２とは、回転体３内部の凹部１２とポッド２の凸部１３とが噛み合うように配置され、ベアリング１４ａ及び１４ｂと接触している。ポッド２は、中空状の内部空間を有し、回転体３の内部で固定されたシャフト１１は、ポッド２の中空空間内に配置された発電機２０と繋がっている。このため、回転体３の回転エネルギーがシャフト１１を介して発電機２０に伝えられることにより、発電する。「回転体の回転を発電機に伝達するシャフト」とは、直接発電機に繋がるシャフトだけでなく、増速機等の変速機を介して回転を発電機に伝えているシャフトも含める。本実施形態では、シャフト１１は増速機３０を介して発電機２０に連結されている。

発電機２０は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する機器であり、回転体３の回転駆動力がシャフト１１を介して伝動されて発電する。発電機２０にはパワーコンディショナが接続されていてもよい。発電機２０がパワーコンディショナに対し発電力を出力する場合、パワーコンディショナは交流電力を直流電力に変換したり、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換する制御を行うことができる。

ポッド２は、シャフト１１の回転軸に平行に伸びる円筒形状の部材であり、ポッド２の内部をシャフト１１が貫通している。ポッド２の一端は、回転体３の内部に収容されるように配置される。回転体３の内部に収容されたポッド２の外側壁面からは、軸の径方向外側に突出した凸部１３が円筒の外周に形成されている。凸部１３は、回転体３の内側壁面に溝状に形成された凹部１２に対峙するように配置される。これにより、回転体３は水流の勢いが強い場合であっても、ポッド２の凸部１３によって支えられることになり、回転体３が水流発電装置からはずれて水流の下流方向へ流されてしまうことなく、しかも回転運動を維持できる。

本明細書において、「対峙」とは、対向する部材同士が嵌り合っている状態をいうが、必ずしも対抗する部材同士が接触している必要はなく、互いに離間していながらも向き合う相手部材の特定の動きに制約を及ぼす状態をも含む。例えば、「対峙」は、凸部と凹部とが直接に触れ合っていなくても油やベアリング、又はその組み合わせ等を介して対向する部材同士が互いに支持しあう構造を含む。

凸部１３の前方側と後方側には、ベアリング１４ａ、１４ｂを支持部材の円筒の外周に複数配置してもよい。後部のベアリング１４ｂは、水流が回転体３を押し流そうとする力を受けるに耐え得る強度が必要とされる。ベアリング１４ａ、１４ｂの存在により、回転体３の回転運動に対する抵抗を小さくして、より高速に回転させることができる。さらに、回転体３の凹部１２と凸部１３とが形成する空間に油を充填させて、回転体３を滑らかに安定的に回転させることができる。凹部１２に油を充填させる場合は、油が漏れないような密閉する構造として公知の技術を使えばよい。

凹部１２と凸部１３は、回転体３が受ける水流の勢いに耐え、安定的に回転を維持できる強度を有していれば、特に大きさや材質は限定されない。また、凸部１３の高さよりも凹部１２の深さの方が大きい構造であれば、凹部１２と凸部１３の間の空間に油やベアリングを充填できるため、滑らかに回転することが可能になる。

凸部１３の前方側のベアリング１４ａと凸部１３の後方側のベアリング１４ｂとは、同じ大きさであってもよく、同じ大きさでなくてもよい。後方側のベアリング１４ｂは、回転体３を水流が押し流そうとする力を受け止めるだけの強度が必要であると同時に回転も維持する必要があることから、前方側のベアリング１４ａよりも大きな径のベアリングとしてもよい。後方側のベアリング１４ｂを前方側のベアリング１４ａよりも大きくすることで、水流が回転体３を後方へ押す力に対する支持を強固にできる。
また、回転体３の周囲に配置される凸部１３の前方側のベアリング１４ａの個数よりも凸部１３の後方側のベアリング１４ｂの数を多くしてもよい。凸部１３の後方側のベアリング１４ｂが多く配置されることにより、凸部１３と複数のベアリング１４ｂとの接点が増えるので、水流が回転体を後方へ押す力に対する支持を強固にすることができ、回転体３の揺動抑制の効果も発揮できる。

また、回転体３の内部の空洞に水が浸入しないように、防水機構を設けてもよい。防水機構は公知の防水技術でよく、例えば、図２に示すように、回転体３とポッド２との間の隙間にＯリング１５を配置して、回転は維持しつつも、回転体の内部に水が浸入しないような構造であってもよい。

図２に示す事例では、回転体３に凹部１２が設けられ、ポッド２に凸部１３が設けられているが、凹凸関係は逆であってもよい。即ち、ポッド２側に凹部が設けられ、回転体の内側壁面から径方向内側に突出した凸部が、ポッド２の凹部と対峙する構成とすることもできる。

本実施形態の回転体は、ポッド２よりも下流側で回転するダウンウィンド型の回転体である。海流は絶えず乱流がポッド２に、影響を与えている。このため、ポッド２は、振動、揺動、回転方向の力を受ける。ポッド２を安定させるために、本実施形態では、フィン４が有効に作用する。フィンの存在により、ポッド２の振動、揺動、回転を抑止し、ポッド２を安定させることができる。

以上、説明したように第一の実施形態に係る水流発電装置は、ポッド２の振動、揺動、回転を抑制しつつ、海流の方向が変動する環境下であっても効率的に発電できる。また、第一の実施形態に係る水流発電装置は、回転体３と一体に回転するシャフト１１がポッド２内の発電機２０に直結しているため、発電機２０が海上に設置された場合に比べると歯車等を用いた伝動機構による回転エネルギー損失が少なくて済む。

（第二の実施形態）
図３は、第二の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。第二の実施形態は、２つの並列に配置された第一の実施形態の水流発電装置が板状の連結部により連結されている。それぞれのポッド２の先端部に設けられた支持部材４１が連結部４０の側方端部に連結している。連結部４０の中央には、中央支持部材５０が配置されている。中央支持部材５０の前部に係留索６０が繋がれている。係留索６０の他方の端部は、海底に設置されたアンカー７０に繋がれている。連結部４０には、支持部材４１と中央支持部材５０との中間にフィン４２が設けられている。
フィン４２は、海流の流れを整えるとともに、連結部４０が左右に揺動することを抑制する効果を発揮する。

中央支持部材は、図３に示すように後方に伸びる板状の整流板５１を備えていても良い。整流板５１は、水流の流れを整え、回転体３のブレード５に水流が集中する役割を果たす。また、整流板５１は、回転体３の回転による水流の乱れが隣の回転体３の回転に悪影響を与えないように遮断する壁としての機能も有する。このため、図４に示すように整流板５１は、少なくともポッド２と回転体３の連結部の境界よりも後方まで伸びていることが望ましい。

図４は、第二の実施形態に係る水流発電装置を示す平面図である。図５は、第二の実施形態に係る水流発電装置の連結部を示す断面図である。連結部４０は、ポッド２を支持する役割を果たす。
図５に示すように、連結部４０は内部に中空の空間を有し、発電機からの延びる送電ケーブル８０が内部空間に延在している。送電ケーブル８０は、連結部４０の中央付近の図示しない穴から外部に通じ係留索６０に絡ませるようにアンカー７０まで伸びている。
また、連結部４０の材質としては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の樹脂や金属が用いられる。連結部４０をチタン合金製とすれば、水中でも錆びることなく、半永久的に使用できる。

連結部４０の断面形状は、海流を受けた際に揚力が得られるように、図５に示す通り迎え角のある流線形の形状をしている。連結部の前縁から後縁にかけての外形線は上面の方が下面よりも長く設定されている。この連結部４０の形状により、水平方向の海流に対し、水流発電装置に揚力が発生するために、水流発電装置は下降することはない。

（第三の実施形態）
図６は、第三の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。海上に浮いているステーション９０とアンカー７０とは係留索６０で繋がれている。そして、分岐した係留索６０が水流発電装置を保持している。ステーション９０の浮力とアンカー７０の重量による接地圧が十分に大きいため、ステーション９０とアンカー７０とを結ぶ係留索６０は略垂直に維持される。ステーション９０とアンカー７０とを結ぶ係留索６０の長さは、水深と同じくらいに設定してある。このため、水流発電装置が海流の影響で水平方向へ力を受けステーション９０を水平方向に移動させようとする力が働くが浮力が大きいために、ステーション９０とアンカー７０とを繋ぐ係留索６０はほぼ垂直に維持することができる。係留索６０は常に垂直方向を保つことができるので、係留索６０は固定された支柱のような役割を果たすことができる。このため、水流発電装置は、流亡することなく、安定した位置で発電を行うことができる。

アンカー７０は、例えば、水流発電装置が海流から受ける力によって移動しない重量を有する載置式の錘であってもよいし、杭等によって海底に固定されるものであってもよい。ステーション９０の浮力は、水流発電装置が海流から受ける力によって水中に潜らないように十分な浮力を有するものとする。

（第四の実施形態）
図７（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、それぞれ本発明の第四の実施形態に係る水流発電装置を示す側面図、正面図、及び背面図である。本実施形態の水流発電装置１は、フィン４がポッド２の前方に水平に対のフィンが左右に配置され、ポッド２の後方に対の配置が上下に配置されている点が、第一の実施形態の水流発電装置と異なる。フィン４の存在により、水流発電装置が受ける振動、揺動を抑制することができる。

本実施形態の４つのフィン４のうち、ポッド２の左右に設けられた２つのフィンは、弾性体で構成されており、上下の２つのフィンは、非弾性体で構成されている。弾性体のフィンは水中で上下に柔軟に屈曲することにより、水流の変化の影響による水流発電装置の振動を吸収し、水流発電装置を安定的に定位置に維持することができる。

本明細書の実施形態では、海流による発電装置として説明を行ったが、本発明は海流に限定されず、河川、湖など水の流れのある場所における発電装置を含むものである。

１…水流発電装置、２…ポッド、３…回転体、４…フィン、５…ブレード、１０…浮体、１１…シャフト、１２…凹部、１３…凸部、１４ａ、１４ｂ…ベアリング、１５…Ｏリング、２０…発電機、３０…増速機、４０…連結部、４１…支持部材、４２…フィン、５０…中央支持部材、６０…係留索、７０…アンカー、８０…送電ケーブル、９０…ステーション

Claims (7)

1. 水流により回転する回転体と、
   前記回転体に固定され前記回転体と一体となって回転するシャフトと、
   前記シャフトの一部及び前記シャフトに繋がれた発電機を収容する、回転しないポッドと、
   前記ポッドの外側に配置され水流の方向に平行な平面上に沿って延びる複数のフィンと、を備え、
   前記ポッド及び前記回転体の外側表面は、前方から後方にかけての中間に膨らみのある流線形状を形成している、
   ことを特徴とする水流発電装置。
2. 前記ポッドは、前記回転体の回転軸の方向に伸びる筒状体を有し、
   前記ポッドから径方向外側に向けて突出した凸部と前記回転体の内側の凹部とが対峙することにより前記回転体を回転可能に支持することを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置。
3. 水平方向に並列に配置された複数の前記ポッドを繋ぐ連結部を備えることを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置。
4. 前記連結部は、中央に係留索を連結する中央支持部材を備え、該中央支持部材の後端に整流板を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の水流発電装置。
5. 前記中央支持部材に繋がれた係留索は、水上のステーションと水底のアンカーを繋ぐ係留索に繋がれている、ことを特徴とする請求項４に記載の水流発電装置。
6. 前記連結部は板状であり、前記連結部の断面形状は、後端側の方が前端側よりも尖っており、上面側のほうが下面側よりも翼が膨らんでいる流線形状を有する、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の水流発電装置。
7. 前記連結部の上側に、水流の方向に平行な平面上に沿って延びるフィンを備えた、請求項３又は請求項４に記載の水流発電装置。