JP5347048B1 - 水流エネルギーを利用した発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 海底面に固定された設置台1に縦円筒体状の回転体2を回転自在に取付け、同回転体の外周から取付枠3を放射状に取付け、同取付枠の上辺位置に平板状で海水比重より僅か小さく軽く、浮力を生じさせる受圧板4を回動自在に蝶着し、しかも同受圧板4を水平から少し下方の5°から略鉛直の90°の角度範囲に回転を制動するストッパー5b,ストッパー5aを設け、回転体2の回転を増速して発電機7を回動させる。
【選択図】図1
Description
水力、風力、太陽光、地熱、バイオ等は、技術的課題は解決されて、世界中で活用されている。しかし、最も期待の大きい海の自然エネルギーの活用は、技術的課題も大きく、いまだ実現の例も少ない。
その中で、潮流発電に関しても多数の試みが世界的にもなされてきたが、いまだ普遍性を持った技術が報告されていない。日本の潮流と水深の分布から、潮流発電を設置する海域を限定して、駆動構造の方式を考えた。潮流は速いほど良いが、3ノット以上が期待される海域は少ない。2ノットから1ノットの範囲の海域は、瀬戸内海から九州にかけて、広く分布している。水深も浅く40m程度以下であり、陸地も近く、この海域を対象に適応する潮流発電の駆動構造を考えれば、製作コスト、運転コストも有利で、採用、活用も広範囲に期待される。
しかしながら、この水車羽根型の発電装置では、流体の流れ方向が逆になったり、方向が変る海中では流体を常時流体受部へ誘導できず、発電が不安定となると判断される。
1) 海中又は水中で固定される設置台を設け、同設置台に回転体を回転自在に取付けるとともに、同回転体の回転軸線を設置される海中又は水中の水流の流れ面と略直角となる縦方向に設定し、同回転体から複数の取付枠を放射状に取付け、同取付枠の回転軸線から偏心した上辺位置に平板状の受圧板の一端を回動自在に取り付けるとともに、同受圧板の比重を設置される海水又は水の比重より僅か小さくして海・水中で受圧板に浮力を発生しえるようにし、更に各受圧板の回動角度範囲が、受圧板の自由端側が受圧板の取付け側の一端の回転軸線まわりの回転軌跡の面より少し下方となるように受圧板が傾く所定下げ角度の略水平から、受圧板が回転体の略回転軸線方向となる自由端の最下位置までの角度範囲とする制止手段を設け、回転体の設置台に対する回転で発電する発電機を設け、同発電機の出力電力を有線で設置台近くの陸上又は海上あるいは水上船体に送電するようにし、海中又は水中にある潮流又は水流によって受圧板に発生する力と、受圧板の浮力と制止手段とによって確実に回転体を回動させて発電できるようにし、しかも受圧板の回動する角度範囲が、受圧板の取付け側の一端の回転軸線まわりの回転軌跡の面から下方に4°〜90°の範囲であって、又受圧板の質量をその容積の4℃の真水の質量で割ったその受圧板の比重を設置される海水又は水の比重の0.95〜0.99倍のものとし、更に回転体が設置台に回転自在に設けられた断面円形の縦円筒体である、水流エネルギーを利用した発電装置
2) 取付枠が上下複数本の横フレームと、上下の横フレームを連結する複数本の縦フレームとからなり、受圧板は上方横フレームに取り付けた蝶番によって回動自在に取付けられ、制止手段は上方横フレームの上端に取付けられて受圧板上面を下方に押し下げるように制止する上ストッパーと、受圧板が90°以上に回転しないように抑止する下方横フレームに設けた下ストッパーからなる、前記1)記載の水流エネルギーを利用した発電装置
にある。
他方の直交する位相270°前後では、受圧板は水流からの強い受圧力と浮力と回転による受圧揚力によって、その自由端は水平方向になるように付勢され、制止手段(上ストッパー)で水平からやや自由端が低くなる軽い傾斜角で制止される。従って、この位相では、受圧板に作用する力は水流の流れ方向と略平行になることで小さく、取付枠・回転体を正回転方向と逆方向に回転させる力の発生が弱く、正回転と反対回転に回動させようとする回転トルクはきわめて小さい。
よって、本発明の受圧板は位相45〜135°で発生する強い回転トルクによって正回転方向に回動し、取付枠・回転体は確実に回転され、発電機の発電も確保される。
水流の流れの方向を変化しても、その水流の流れに対する回転位相45〜135°で強い水圧力による回転トルクが発生し確実に回転体は回転できて発電できるものとした。
回転位相の135°〜225°及び315°〜0°〜45°の中間における受圧板の回転位相90°、270°(鉛直状態又は水平状態)への移行は、上ストッパーによる僅かな傾斜角による水からの力と浮力と回転による揚力とによって円滑に行える。
本発明の原理と受圧板の動作は、流水水槽試験にてうまく動作することが実証された。
これにより、水車の回転方向は流れの方向が変わっても常に一定回転方向に保たれる。
これに比較して本発明は浅い水深、低流速の海域に適応する構造とするため、陸上の下掛け水車の近似理論:発電量=水車直径×水流量/秒×効率・係数に基き、縦軸横置き水平方向回転の水車に相当する。翼理論の流れ方向に、直角な揚力でなく、平行な直圧・抗力を利用する。受圧域が翼回転の全周になるプロペラ方式に比べ受圧域が回転の半周になることを補って、目標発電量に、余裕のある水車の直径、受圧板の寸法を自在に設定することができる。このことで、低い潮流速度浅い水深その他の現実条件に適応する構造とする事ができる。
上記の如く、海洋構造物らしくかなり長大なものになるが、慎重な構造計算や、回転数と増速機構の計画を行うことで、十分実現可能な手段である。
このトルクをブーム根元の断面係数で除すると応力は約6.5kg/mm2となることから、十分安定安全な構造であるが、さらに、安全係数を増すため、適切な形状のリブなどを追設することは容易である。
設置台、回転体、回転数と増速機構等にかんしては既存の周知技術内で達成される。
2.0ノット以上の急潮流域では十分余裕のある対策が必要となる。台風波浪に対しては潮流発電装置全体を低潮位以下3.0mに沈めることで安定させられる。津波対策は、別途の検討を行う。海底固定方式はアンカーケーブル式よりさらに安定は容易である。
図1〜12に示す実施例1について以下説明する。
図1,2は実施例1の概観を示す図面である。図中G1は実施例1の発電装置を示す。
図中、10は設置される海底面、Fは潮流の流れ、Rは回転体2の回転方向、θは上ストッパー5bによる受圧板4の傾角で5度に設定されている。
図中、黒の矢印は受圧板4に働く力の方向を示す。
受圧板4の回転位相180°近くでは、受圧板4は潮力の流速によって揚力を発生し、浮力と併せて受圧板4は水平方向に回動して、回転位相270°で上ストッパー5bで水平から5°下向きに保持された状態となる。この状態では受圧板4は潮流の流れと略平行になって、受圧板4の回転に対する水の抵抗は最小となり、90°前後の回転位相での強い回転トルクで受圧板4、回転体2は時計方向(正回転方向)に確実に回転できるものとなる。
図13,14に示す実施例2の発電装置G2は、1000kW出力の例で、水深28m程の海底に設置されるもので、受圧板4の外端の回転軌跡の直径は50mである。受圧板4の深さは、潮流の流速が1ノットの場合は10m程で、流速が2ノットであれば5m程のものとする。図13中の符号は実施例1の符号と共通としている、
実施例2の作用効果は、出力が1000kWと大出力となる他は、前記実施例1と同様である。尚、実施例2の増速機構6には高効率のものが必要となる。
受圧板4が受ける水圧力:F=流体密度×流量×(流速−回転周速)・・・1式
始動時(回転周速0m/s)F=102×(100m2×1.0m/s)×(1.0m/s−0m/s)=10,200kgf
水圧力Fによる始動時最大トルクT=F×圧力中心までの距離15m=153,000kgf・m
kW換算は、半径1.0mに置き換えて、nをr・p・m単位とすると下式となる。
kw=1/975×n×T
=1/975×6.37×153,000=1000kW
尚、回転時は回転周速が0.5m/sとなり、上式1式よりFが1/2となるが、受圧側の他の2受圧板4のFが加算されて、合計では1000kWに必要なトルクTを維持して、連続回転する。
取付枠3の構造強度の試算:150A(9.3t)SUS管の合成梁として計算する。
梁根元の断面が横2.5m縦5.0mとして、合成梁の(横方向)断面係数Z=23,235cm3
始動時最大トルクT=最大曲げモーメント(横方向)M=153,000kg・m
梁根元の最大応力M/Z=153,000kgm/23,235cm3=6.5kg/mm2
となることから、十分安全安定した構造となる。尚、梁の流水抵抗を低減するため、150ASUS管を楕円形状に圧縮加工する。圧縮後横方向の断面係数は少し増加するので強度も増加する。更に安全係数を増すため、適切なリブ材等を施すこともできる。
図17,18に示す実施例3は、水深約32mの海底に設置され、2000kW発電出力の例であり、受圧板4の外端の回転軌跡の直径80m程で、受圧板4の深さは流速1ノットの潮流であれば12m、流速2ノットの潮流であれば6m程とする。符号は実施例1と共通している。実施例3の作用効果は出力が2000kWときわめて大きい大出力となる他は、実施例1と同様である。増速機構6には、更に高効率なものが必要となる。
目標発電量と受圧板4(水車とみなす)の大きさを潮流の流速に応じて自在に設定される。
1 設置台
2 回転体
3 取付枠
3a 横フレーム
3b 縦フレーム
4 受圧板
4a,4b 薄板
4c 蝶番
4d 発泡樹脂
4e 取付部材
4f 枢支軸
5a 下ストッパー
5b 上ストッパー
6 増速機構
6a リングギア
6b 平ギア
6c 回転軸
6d ベルト車
6e ベルト車
6f ベルト
7 発電機
7a 海中ケーブル
10 海底面
F 潮流の流れ方向
R 回転体の回転方向
θ 傾角
Claims (2)
- 海中又は水中で固定される設置台を設け、同設置台に回転体を回転自在に取付けるとともに、同回転体の回転軸線を設置される海中又は水中の水流の流れ面と略直角となる縦方向に設定し、同回転体から複数の取付枠を放射状に取付け、同取付枠の回転軸線から偏心した上辺位置に平板状の受圧板の一端を回動自在に取り付けるとともに、同受圧板の比重を設置される海水又は水の比重より僅か小さくして海・水中で受圧板に浮力を発生しえるようにし、更に各受圧板の回動角度範囲が、受圧板の自由端側が受圧板の取付け側の一端の回転軸線まわりの回転軌跡の面より少し下方となるように受圧板が傾く所定下げ角度の略水平から、受圧板が回転体の略回転軸線方向となる自由端の最下位置までの角度範囲とする制止手段を設け、回転体の設置台に対する回転で発電する発電機を設け、同発電機の出力電力を有線で設置台近くの陸上又は海上あるいは水上船体に送電するようにし、海中又は水中にある潮流又は水流によって受圧板に発生する力と、受圧板の浮力と制止手段とによって確実に回転体を回動させて発電できるようにし、しかも受圧板の回動する角度範囲が、受圧板の取付け側の一端の回転軸線まわりの回転軌跡の面から下方に4°〜90°の範囲であって、又受圧板の質量をその容積の4℃の真水の質量で割ったその受圧板の比重を設置される海水又は水の比重の0.95〜0.99倍のものとし、更に回転体が設置台に回転自在に設けられた断面円形の縦円筒体である、水流エネルギーを利用した発電装置。
- 取付枠が上下複数本の横フレームと、上下の横フレームを連結する複数本の縦フレームとからなり、受圧板は上方横フレームに取り付けた蝶番によって回動自在に取付けられ、制止手段は上方横フレームの上端に取付けられて受圧板上面を下方に押し下げるように制止する上ストッパーと、受圧板が90°以上に回転しないように抑止する下方横フレームに設けた下ストッパーからなる、請求項1記載の水流エネルギーを利用した発電装置。
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