JP2024042757A - 水流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中において、防水性を確保しつつ、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。【解決手段】水流により回転する回転体と、回転体に固定され回転体と一体となって回転するシャフトと、発電機及び発電機に繋がるシャフトの一部を収容するポッドを備え、回転体の内側に配置された回転体側磁石とシャフトの外周であって回転体側磁石と対向する位置に配置されたシャフト側磁石との反発力により回転体を支持する、ことを特徴とする水流発電装置。【選択図】図２

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、水流により回転するタービンに取り付けられたタービンシャフトが発電ポッドのタービン側の壁に設けられた開口部を貫通し、発電ポッド内部の発電機と繋がっている水流発電装置が記載されている。この水流発電装置は、海底のシンカーに係留索で固定されている状態で、浮力を調整しつつ海中に姿勢を制御しながら発電を行う浮体式発電装置である。そして、発電ポッドの開口部を取り囲むように配置された伸縮可能な蛇腹状のベローズは、発電ポッド内への海水の浸入を防止する。

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。

特開２０１９－１９９８６１号公報 特開２００９－１２１２４１号公報

しかしながら、特許文献１の発明は、ベローズが配置されているものの、ベローズが破損した場合、発電ポッドの壁に設けられた開口部から発電ポッド内に海水が浸入するおそれがある。また、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。

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。

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、防水性を確保しつつ、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、発電機及び前記発電機に繋がるシャフトの一部を収容するポッドを備え、前記回転体の内側に配置された回転体側磁石と前記シャフトの外周であって前記回転体側磁石と対向する位置に配置されたシャフト側磁石との反発力により前記回転体を支持する、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、水流により回転する回転体と、発電機及び前記発電機に繋がるシャフトを収容するポッドを備え、前記回転体の内側に配置された回転体側磁石と前記シャフトの外周であって前記回転体側磁石と対向する位置に配置されたシャフト側磁石との吸引力により前記回転体の回転をシャフトに伝える、ことを特徴とする水流発電装置。
請求項３に記載された発明は、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２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、前記ポッドは、中間部にくびれを形成しており、前記くびれの空間に前記回転体が配置されることにより、前記ポッド及び前記回転体の外側表面が、前方から後方にかけて流線形状を形成している、ことを特徴とする請求項２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、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と、前記連結部の中央に係留索を連結する中央支持部材と、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１から請求項４のいずれか１項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、前記回転体は、周囲にのこぎり状の起伏を有する表面を有する円筒であり、のこぎり状の起伏の谷に連結したブレードを備え、前記ブレードは、前記回転体とのなす角度が、水流により変化することで、回転体を回転させる、ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水流発電装置である。

本発明によれば、水中において、防水性を確保しつつ、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。

（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、本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す正面図であり、（ｃ）は、本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す背面図である。 図１（ａ）のＩＩ－ＩＩ部における断面図である。 図１（ａ）のＩＩＩ－ＩＩＩ部における断面図である。 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、第四の実施形態に係る水流発電装置を示す正面図である。 図８（ａ）のＩＸ－ＩＸ部における断面図である。 第五の実施形態に係る水流発電装置を示す側面図である。 第五の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。 第六の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。 図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ部における断面図である。 図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ部における断面図である。

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、回転体３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。図１（ａ）に示すようにポッド２の後方は回転体３に外周を覆われており、外側に面しているポッド２及び回転体３が形成する形状は、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延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の形成する外観形状は、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速めてブレード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、回転体３側にある。すなわち、回転体３の径は、ポッド２の最大径よりも大きい。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７ｍ、回転軸方向の長さは約１５ｍである。また、ポッド２及び回転体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。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の羽根であってもよい。さらに、ブレードは、回転体の回転軸を中心として回転体から放射状に延びる複数の板で構成されていてもよい。

回転体３は、水流のエネルギーを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、第一の実施形態では、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。ブレード５の最大直径は、発電量や応力に耐久できる強度に大きく影響される。ブレード５の径方向の最大直径が約６０ｍであり、平均２ノットの海流中で５００ｋＷ程度の発電量を出力可能である。

図２は、図１（ａ）のＩＩ－ＩＩ部における断面図である。ポッド２は、回転体３の内側の空間に挿入可能な円筒形状を形成している。回転体３の内壁には回転体側磁石１７が埋設されている。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、発電機２０と、増速器３０と、回転体３から延びるシャフト１１の一部、シャフト１１の外周に装着されたシャフト側磁石１８を収容している。シャフト側磁石１８は、回転体側磁石１７と対向する位置に同じ磁極が配置されている。つまり回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８とは磁石の反発力が働いている。この磁石の反発力は、回転を阻止する抵抗を減少させる役割を果たすため、回転の起動が早く、スムーズに回転する回転体３を提供することができる。
磁石の反発力のために、ポッド２と回転体３とが形成する空間内に余計な接点を不要とする。このため、ポッド２と回転体３との接触点が少なくてすむため、回転体３の振動、揺動、回転がポッド２に伝わりにくいという効果も奏する。
シャフト１１の回転は増速器３０に伝えられてさらに高速回転となり、発電機２０にて発電される。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。
図示していないが、ポッド２の内部空間内には、浮力調整機構を備える浮体が設置されている。浮体へのバラスト水の注排水で浮力を調整する機構としても良い。

回転体３と回転体を支持するポッド２とは、ベアリング１５を介して接触している。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、回転体３とポッド２との間のベアリング１５をシールベアリング構造とし、他にＯリング等を配置して、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とすることもできる。つまり、ベアリング１５の周囲はシール機構を有し、回転体３の内部に水が浸入することはないことが望ましい。ポッド２は、シャフト１１の回転軸に平行に延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。ポッド２内部への水の浸入を防ぐように、ポッド２の穴とシャフト１１の間には、Ｏリング等のシール機構が設けられている。

回転体側磁石１７及びシャフト側磁石１８は、ネオジム磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石などの永久磁石であればよい。ただし、回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との対向する磁極は、互いに同極同士が反発しあうように、磁石が配置されている。
ポッド２は、中空状の内部空間を有し、中空空間内において、シャフト１１が発電機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は増速器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、又は、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。

強い水流により、ポッド２から回転体３が離れて流されてしまうことを防ぐために、図示していないが、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が円筒の外周に形成され、回転体３の内側壁面に溝状に形成された凹部に対峙するように配置されていてもよい。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。

図３は、図１（ａ）のＩＩＩ－ＩＩＩ部における断面図である。回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との間には、ポッド２の壁が介在している。この突出した円筒の壁の素材は、回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との間の磁力を減少させないよう、磁性体でなく、樹脂などの非磁性体であることが望ましい。図３の対の磁石は、リング状の磁石であっても、Ｓ極とＮ極が交互に配置され、かつ対抗する磁石が同極の対を形成するように構成されてもよい。いずれにしても回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との間の反発力により、回転体３とシャフト１１との間の反発力が滑らかな回転を促すものであればよい。
なお、回転体側磁石１７は、回転体３の内壁の表面に貼られるように配置されていてもよく、壁面内部に埋設されていてもよい。シャフト側磁石１８は、シャフトの外周であって回転体側磁石１７と対向する位置に配置されている。ここで、「シャフトの外周に配置する」とは、シャフトの外側表面の周囲だけでなく、外側表面に埋設された状態をも含む。

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、磁石の反発力を利用して、回転効率が向上し、回転体３の振動、揺動、回転がポッド２に伝わりにくい特徴を有する。このため、海流の方向が変動する環境下であっても、安定して効率的に発電できる。

（第二の実施形態）
図４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４に示すように後方に延びる板状の整流板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５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延びていることが望ましい。

また、本実施形態の水流発電装置は、図４に示すように中央支持部材５０の前方に係留索の巻き取り機構５２を備えている。係留索の巻き取り機構５２は、図示しないが、電力供給されているため、係留索の巻き取り機構５２を電気的に制御することにより、係留索の長さを調整することができる。水流の環境変化により、水流発電装置の水深の浅い位置で稼働させたい、又は水深の深い場所で稼働させたい場合がある。水流発電装置の水深を変化させたい場合には、電気的に制御された係留索の巻き取り機構５２で、係留索の長さを調整することができる。係留索の調整は、水流発電装置が現在の発電量から自律的に判断して係留索の巻き取り機構５２を制御してもよく、遠隔で制御してもよい。

図６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６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まで延びている。
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６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７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。分岐する係留索は、ステーション９０とアンカー７０とを結ぶ係留索に、別の係留索を結びつけるように設置されていてもよい。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はほぼ垂直に維持される。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８（ａ）及び（ｂ）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及び正面図である。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２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。

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延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速めてブレード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。

第四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。

回転体３は、水流のエネルギーを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、第一の実施形態では、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。ブレード５の最大直径は、発電量や応力に耐久できる強度に大きく影響される。第一の実施形態においては、ブレード５の径方向の最大直径は約６０ｍであり、平均２ノットの海流中で５００ｋＷ程度の発電量を出力可能である。

第四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があることにより、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９は、図８（ａ）のＩＸ－ＩＸ部における断面図である。ポッド２は、回転体３の内側の空間に挿入可能なように、後方部分がすぼむように突出した円筒形状を形成している。回転体３の内壁には回転体側磁石１７が埋設されている。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、増速器３０と、シャフト１１、シャフト１１の外周に装着されたシャフト側磁石１８を収容している。シャフト側磁石１８は、回転体側磁石１７と対向する位置に異なる磁極が配置されている。回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８とは磁石の吸引力が働いている。この磁石の吸引力により、回転体３の回転とともに、シャフト１１が回転するため、回転体３とシャフト１１とは固定されている必要がない。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の内壁に設けられた凹部１２とポッド２の後部で突出する円筒上の凸部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。凹部１２と凸部１３とが噛み合うために、回転体３は、ポッド２から離れてしまうことなく回転可能に接続された状態を維持できる。
回転体側磁石１７及びシャフト側磁石１８は、ネオジム磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石などの永久磁石であればよい。ただし、回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との対向する磁極は、互いに異極同士が引き合うように、磁石が配置されている。
ポッド２は、中空状の内部空間を有し、中空空間内において、シャフト１１が発電機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は増速器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、又は、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の回転軸に平行に延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、必ずしも対向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９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１９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９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。

回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との間には、ポッド２の後方に突出した円筒の壁が介在している。この突出した円筒の壁の素材は、回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との間の磁力による吸引力を減少させないよう、磁性体でなく、樹脂などの非磁性体であることが望ましい。対の磁石が配置されていても、リング状の磁石において、Ｓ極とＮ極が交互に配置され、かつ対抗する磁石が異極の対を形成するように構成されてもよい。いずれにしても回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８との間の吸引力により、回転体３の回転とともにシャフト１１が回転するように、磁石が配置されていればよい。
なお、回転体側磁石１７は、回転体３の内壁の表面に貼られるように配置されていてもよく、壁面内部に埋設されていてもよい。シャフト側磁石１８は、前記シャフトの外周であって回転体側磁石１７と対向する位置に配置されている。ここで、「シャフトの外周に配置する」とは、シャフトの外側表面の周囲だけでなく、外側表面に埋設された状態をも含む。

本実施形態の水流発電装置１は、ポッド２に回転体３が回転可能に固定されながらも、シャフト１１は回転体３から離間した状態でポッド２の内部空間に隔離されている。シャフト１１が回転体３から延びる構造に比べると、ポッド２と回転体３とは隔離されているために、ポッド内への水の流入のおそれが少ないという防水効果も発揮する。つまり、本実施形態の水流発電装置１は、シャフト１１と回転体３とは非接触でありながら、回転体３の回転をシャフト１１に伝えることが可能であり、高い防水構造を有する。

また、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安定して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とシャフト１１とが隔離され、ポッド２と回転体３のそれぞれを閉じた空間として形成できるため、ポッド２の空間内への水の浸入を防ぐことができる。

（第五の実施形態）
図１０は、第五の実施形態に係る水流発電装置を示す側面図である。図１１は、第五の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。本実施形態の水流発電装置１は、回転体３をポッド２の前方だけでなく後方でも支持する点が、第四の実施形態と異なる。図１１に示すように、ポッド２の前方部と後方部とは一体となっており、回転体の内部空間を貫通するように繋がっている。また、ポッド２が中間部分でくびれた形状を有し、回転体３をポッド２が前後で支持する構造であることから、第一の実施形態の凹部１２と凸部１３のような構造が不要になる。ポッド２と回転体３とのなす空間には、回転自在に支持する構成であればよく、ベアリング１４が配置されている。公知の防水機構を用いることで適宜、回転体とポッド２とのなす空間への水の浸入を防ぐこともでき、潤滑油を満たした空間としてもよい。

第五の実施形態では、第四の実施形態の凹部１２と凸部１３が不要になるため、回転体側磁石１７を配置するスペースをより確保することができる。回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８とは互いに異極が向かい合う構造であるために、回転体３の回転を、ポッド２の内部の空間に配置されたシャフト１１に非接触で伝えることができる。このため、ポッド２と回転体３をそれぞれ閉じた空間として形成することができるため、ポッド２内部への水の浸入を防ぐという防水の観点において優れている。

（第六の実施形態）
図１２は、第六の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図であり、図１３は、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ部における断面図である。本実施形態の水流発電装置は、ポッド２と、ポッド２を覆う回転体３、回転体３に接続された可動式のブレード３２、ポッド２の内部空間には、シャフト１１と、増速器３０、発電機２０、パワーコントローラを備える。図示しないが、ポッド２内部には、浮力を有する浮体も備えているため、水流発電装置装置は、水中で浮いた状態を維持できる。ブレード３２の一方の端部は、ブレード連結部材３４を中心として一定の角度回転できるように、ブレード連結部材３４を介して回転体３に接続されている。ブレード３２の他方の端部には、柱状部材３３が備えつけられている。

回転体３１の外周表面は、図１２及び図１３に示すように、のこぎり状の起伏を有し、のこぎりの谷にブレード３２を備える。のこぎりの起伏形状は、ブレード３２の可動角度を規定しており、ブレード３２は、可動角度内の範囲において、水流を受ける方向に可動できる。仮に角度が可変でないブレードを用いて水中に配置すると一方向からの一様な水流の環境下では、回転体３１の上方及び下方のブレード３２がともに同じ力を受けてしまい、回転体３１が回転しにくくなってしまう。本実施形態では、図１３に示すように、回転体３１の上方のブレード３２は水流の作用を受けやすい角度になり、回転体３１の上方のブレード３２は、水流の作用を受けにくい角度となっているため、一方向から一様な水流の環境下でも回転体３１が回転をする。

柱状部材３３の重量は、ブレード３２の動きに影響を与えるので、ブレードの角度が適度に変化するように、柱状部材３３の重量を調整することができる。連結部材３４は円筒形状としてもよく、連結部材３４の両端の穴にブレード３２と接続された軸状の部材が挿入されるようにしてブレードが回転可能となるように固定することもできる。

図１４は、図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ部における断面図である。円筒状の回転体３の内壁には回転体側磁石１７が埋設され、ポッド２の内部空間に配置されているシャフト１１には、回転体側磁石１７に対向する位置にシャフト側磁石１８が設置されている。回転体側磁石１７とシャフト側磁石１８とは、互いに異なる磁極が対向するように配列されている。このため、回転体３の回転により、回転体３と接触していないシャフト１１が回転することができる。シャフト１１の回転は、増速器で増速された回転が、発電機で電気に変換される。発電した電気は、送電ケーブル８０を介して、外部へ送電される。

図１４では、ポッド２の左半分程度をシャフト１１が占め、右半分に増速器、発電機、パワーコントローラが配置されているが、シャフトの長さポッド２の空間の広さは適宜変更してもよい。

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…ベアリング、１６…空間、１７…回転体側磁石、１８…シャフト側磁石、１９…Ｏリング、２０…発電機、３０…増速器、３１…回転体、３２…ブレード、３３…柱状部材、３４…連結部材、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 (6)

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、
   発電機及び前記発電機に繋がるシャフトの一部を収容するポッドを備え、
   前記回転体の内側に配置された回転体側磁石と前記シャフトの外周であって前記回転体側磁石と対向する位置に配置されたシャフト側磁石との反発力により前記回転体を支持する、
   ことを特徴とする水流発電装置。
2. 水流により回転する回転体と、
   発電機及び前記発電機に繋がるシャフトを収容するポッドを備え、
   前記回転体の内側に配置された回転体側磁石と前記シャフトの外周であって前記回転体側磁石と対向する位置に配置されたシャフト側磁石との吸引力により前記回転体の回転をシャフトに伝える、
   ことを特徴とする水流発電装置。
3. 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２に記載の水流発電装置。
4. 前記ポッドは、中間部にくびれを形成しており、
   前記くびれの空間に前記回転体が配置されることにより、前記ポッド及び前記回転体の外側表面が、前方から後方にかけて流線形状を形成している、
   ことを特徴とする請求項２に記載の水流発電装置。
5. 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と、
   前記連結部の中央に係留索を連結する中央支持部材と、
   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１から請求項４のいずれか１項に記載の水流発電装置。
6. 前記回転体は、周囲にのこぎり状の起伏を有する表面を有する円筒であり、のこぎり状の起伏の谷に連結したブレードを備え、
   前記ブレードは、前記回転体とのなす角度が、水流により変化することで、回転体を回転させる、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水流発電装置。