JP5568109B2

JP5568109B2 - 海水力発電システム

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Publication number: JP5568109B2
Application number: JP2012093168A
Authority: JP
Inventors: 清行宮入
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Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: JP2013221443A

Description

本発明は、海水を利用して発電を行う海水力発電システムに関する。

従来、海水を利用して発電を行う発電装置としては波力発電装置が知られており、この種の波力発電装置としては、特許文献１及び２で開示されている。

特許文献１で開示される波力発電装置は、エネルギ効率をより向上させることを目的としたものであり、具体的には、海側から陸側にかけて間隔を空けてそれぞれ立設された垂下壁並びに当該垂下壁より吃水の深い不透過壁との間に形成されるとともに垂下壁の下端に開口部を設けた遊水室内で特定の方向へ海水の渦流を発生させ、当該渦流に応じて円弧羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギを取り出して発電するように構成されたものである。

また、特許文献２で開示される波力発電装置は、平面視した面積が狭い貯水池であっても、良好な放水効率・貯水効率・発電効率の両立を図ることを目的としたものであり、具体的には、平面視して閉塞空間を形成するように側壁を設置してなる貯水部と、この貯水部内を上下方向に遮水しながら摺動可能な浮体と、からなり、さらに、貯水部の上部は海上に露出して海水の流入を可能とし、貯水部の底部は海と連通することで、貯水部内の水位を、浮体が受ける浮力の分だけ海面の平均水位より高く設定するとともに、貯水部には、海面の平均水位と該貯水部内の貯水水位との間の高さに設けた放水口を設け、放水口の解放によって放出される海水又は浮体の上下動からエネルギーを取り出して発電するように構成されたものである。

特開２００６−２５７８９８号公報特開２０１１−１５３５６７号公報

しかし、上述した従来の波力発電装置は、次のような問題点があった。

第一に、従来の波力発電装置は、例示した特許文献１及び２をはじめ、そのほとんどが海上又は海中に設置されるとともに、送電設備等の付帯設備も海上又は海中を通して設置される。したがって、これらの各設備は、台風や嵐等の外部環境の影響を直接受けることになり、不安定動作や故障を生じやすいなど、信頼性及び安定性を確保する観点からは必ずしも望ましい設置形態とはいえない。

第二に、電力を安定供給する観点からは、上述した台風や嵐等の外部環境の影響を受けにくくするための少なくともある程度の設備を構築する必要がある。したがって、本来の発電設備に加え、耐久性や安全性を確保するための追加的な設備が必要となり、全体の設備が大掛かりになる。結局、メンテナンスが大変になるとともに、イニシャルコスト及びランニングコストの双方に係わるコストアップが無視できない。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した海水力発電システムの提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、海水Ｗを利用して発電を行う海水力発電システム１を構成するに際して、地中に造成することにより海水Ｗを貯留可能な貯水プール２と、岸壁Ｃｗの壁面における海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりも高い位置に設けることにより海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりも高い波Ｗｗに基づく海水Ｗが進入可能な海水進入口３と、この海水進入口３から進入した海水Ｗを貯水プール２内に導く導入路４と、貯水プール２に貯留された海水Ｗを流出させて海Ｓに戻す導出路５と、この導出路５の海Ｓに臨む流出口５ｅに対して付設することにより海水Ｗの水面Ｗｕの波Ｗｗを抑制する防波手段１１と、導出路５に臨ませて配設し、この導出路５を流動する海水Ｗの力学的エネルギＥｆを電気エネルギＥｅに変換する発電手段６とを備えてなることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、発電手段６には、海水Ｗの流動により回転する水車６ｒ及びこの水車６ｒの回転に基づき電力を出力する発電機６ｇとを備えて構成できる。また、海水プール２，発電手段６及び地上が臨むメンテナンス用空間１２を設けることができる。

このような構成を有する本発明に係る海水力発電システム１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１）地中に造成した貯水プール２に対して岸壁Ｃｗの壁面における海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりも高い位置に設けた海水進入口３から進入した海水Ｗを貯留し、この貯水プール２に貯留された海水Ｗを流出させるとともに、流動する海水Ｗに基づき発電手段６により発電させるようにしたため、発電設備や送電設備等の全ての設備を地中に設けることができる。したがって、設備は台風や嵐等の外部環境の影響を直接受けることが無くなり、不安定動作や故障の発生を大幅に低減できるなど、設備に対する十分な保護を図れるとともに、信頼性及び安定性を飛躍的に高めることができる。

（２）信頼性及び安定性を十分に確保できるため、これらを確保するための別途の追加的な設備が不要になる。したかって、設備自体は極めてシンプルに構成することができ、トラブル要因の低減に基づくメンテナンスの容易化を図れるとともに、特に、ランニングコストの削減に寄与できる。

（３）海Ｓに臨む導出路５の流出口５ｅに対して、海水Ｗの水面Ｗｕの波Ｗｗを抑制する防波手段１１を付設したため、海Ｓの海水Ｗが導出路５に逆流する不具合を回避し、貯水プール２から流出する海水Ｗを円滑かつ確実に海Ｓに戻すことができる。

（４）好適な態様により、発電手段６を、海水Ｗの流動により回転する水車６ｒ及びこの水車６ｒの回転に基づき電力を出力する発電機６ｇとを備えて構成すれば、公知の水力発電方式を利用できるとともに、特に、近時、注目されている小水力発電システムを容易かつ確実に構築できる。

（５）好適な態様により、海水プール２，発電手段６及び地上に臨むメンテナンス用空間１２を設ければ、海水Ｗを利用する発電設備であっても、海Ｓの存在や状況に左右されることなく、当該メンテナンス用空間１２を利用して必要なメンテナンスを行うことができ、メンテナンスの容易化，安定化及び迅速化に寄与できる。

本発明の好適実施形態に係る海水力発電システムの海水導入側における原理的断面構成図、同海水力発電システムの海水導出側における原理的断面構成図、同海水力発電システムの平面視の原理的断面構成図、同海水力発電システムを設けた際における岸壁の外観図、同海水力発電システムの原理及び作用に係わる説明図、

次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る海水力発電システム１における全体の構成について、図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態に係る海水力発電システム１は、図１に示すように、岸壁Ｃｗの近傍における地中、即ち、近傍における地面Ｇの下方に造成した設置室（設置空間）Ｒを備える。そして、この設置室Ｒの内部に、海水力発電システム１の設備を設置する。また、設置室Ｒと地上（地面Ｇ）間には出入口空間Ｒｉｅを設ける。したがって、設置室Ｒの内部と地上は、出入口空間Ｒｉｅを介して連通するため、管理者等はこの出入口空間Ｒｉｅを通って設置室Ｒの内部に出入りすることができる。なお、図１中、出入口空間Ｒｉｅにおいて、２１は出入口開閉蓋、２２は昇降用ステップを示している。これにより、設置室（設置空間）Ｒと出入口空間Ｒｉｅはメンテナンス用空間１２を構成する。

このメンテナンス用空間１２に対しては、後述する、海水プール２，発電手段６及び地上がそれぞれ臨む。したがって、本実施形態に係る海水力発電システム１に備える発電設備、即ち、海水Ｗを利用する発電設備であっても、海Ｓの存在や状況に左右されることなく、当該メンテナンス用空間１２を利用して必要なメンテナンスを行うことができ、メンテナンスの容易化，安定化及び迅速化に寄与できる利点がある。

一方、海水力発電システム１は、大別して、貯水プール２，海水進入口３，導入路４，導出路５及び発電手段６を備えて構成する。この場合、貯水プール２は、地中に空洞を設け、この空洞の内部にコンクリート等により海水Ｗを貯留可能に設ける。貯水プール２を設けるに際しては、図３に示すように、できるだけ水平方向における面積を確保する。したがって、鉛直方向の深さは、さほど重要ではなく、例えば、１〔ｍ〕前後に選定可能である。そして、貯水プール２の内方（海Ｓに対して反対側）の側面は前述した設置室Ｒに臨ませる。

海水進入口３は、図４に示すように、岸壁Ｃｗの壁面における水平方向へスリット状に設けるとともに、設ける位置（高さ）は、海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりも高い位置Ｈｓ（図５）に設ける。即ち、平均的高さＨｗよりも高い波Ｗｗに基づく海水Ｗが進入可能となる位置、例えば、海面Ｗｕの平均的高さＨｗに対して、１〔ｍ〕前後高い位置に設けることができる。

導入路４は、海水進入口３から進入した海水Ｗを貯水プール２内に導く機能を備える。したがって、導入路４は、貯水プール２の上端縁と海水進入口３の下端縁を直結させてもよいし、地形等により貯水プール２を岸壁Ｃｗの壁面に対して離れた位置に設ける場合には、所定長さの流水路として形成してもよいなど、その機能を有していれば、形態や長さは問わない。なお、流水路として形成する場合には、導入路４を僅かに傾斜させ、貯水プール２側が低くなるように傾斜すればよい。例示の場合、図１及び図３に示すように、海水進入口３に対して貯水プール２を近接させているため、その長さは僅かである。

導出路５は、貯水プール２に貯留された海水Ｗを発電手段６に対して供給する機能を備えるとともに、発電手段６で使用した海水Ｗを海Ｓに戻す機能を備える。したがって、発電手段６は、導出路５に臨ませて配設する。例示の導出路５は、所定の径を有する送水管５ｐである。したがって、送水管５ｐは、発電手段６に対して上流側に配する前段送水管５ｐｆと発電手段６に対して下流側に配する後段送水管５ｐｒからなる。この場合、前段送水管５ｐｆの前端口は、導出路５の流入口５ｉとなるため、貯水プール２の上端付近に臨ませるとともに、後段送水管５ｐｒの後端口は、導出路５の流出口５ｅとなるため、海Ｓに臨ませる。

一方、発電手段６は、図５に示すように、海水Ｗの流動により回転する水車６ｒとこの水車６ｒの回転に基づき電力を出力する発電機６ｇとを備え、この発電手段６は設置室Ｒの内部に設置する。この場合、水車６ｒの羽根部を導出路５内に臨ませるため、上述した前段送水管５ｐｆの後端口を、水車６ｒを備えるケーシングに接続し、水車６ｒの羽根部に放水可能に構成する。また、水車６ｒの位置は、海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりもやや高い位置を選定して設置する。これにより、前段送水管５ｐｆの前端口（流入口５ｉ）と水車６ｒの高低差Ｈｐは、海水進入口３の高さＨｓ（１〔ｍ〕前後）とほぼ同じにすることができる。この際、前段送水管５ｐｆを流れ落ちる海水Ｗにより水車６ｒが最も効率的に回転できるように、前段送水管５ｐｆの径，形態及び角度を選定する。これにより、事実上、貯水プール２に対する水車６ｒの相対位置が決定される。

発電手段６は、前段送水管５ｐｆ（導出路５）を流動する海水Ｗの力学的エネルギＥｆを電気エネルギＥｅに変換する機能を有する。この場合、力学的エネルギＥｆは、海水Ｗの保有する運動エネルギＥｍとポテンシャルエネルギＥｐの和である。なお、発電手段６には、図５に示す、交流−直流変換器３１、蓄電器（バッテリ）３２等を含ませることができる。これらを含む付帯設備３０も設置室Ｒの内部に設置することができる。したがって、例示の場合、発電機６ｇの出力部は、交流−直流変換器３１の入力部に接続するとともに、交流−直流変換器３１の出力部は、蓄電器３２に接続する。

他方、海Ｓに臨ませる導出路５の流出口５ｅ（後段送水管５ｐｒの後端口）の高さは、海面Ｗｕの平均的高さＨｗと同程度或いはやや高い位置を選定できる。この場合、水車６ｒの位置も、海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりもやや高い位置を選定して設置するため、水車６ｒから放出された海水Ｗが流出口５ｅから円滑に放出されるように、流出口５ｅの高さは水車６ｒよりもやや低い位置を選定する。なお、流出口５ｅの高さは、図２のように、流出口５ｅは海面Ｗｕ以下であってもよい。この態様では、後段送水管５ｐｒ内にも海水Ｗが進入するが、後段送水管５ｐｒ内における海面Ｗｕの平均的高さＨｗで停止するため、後段送水管５ｐｒの径を大きくするなどの対応が必要になる。

また、海Ｓに臨む流出口５ｅに対しては、海水Ｗの水面Ｗｕの波Ｗｗを抑制する防波手段１１を付設する。防波手段１１には、図３及び図１に示すように、流出口５ｅの周りを囲む防波パネル１１ｐにより、周知の防波堤と同様の機能を持たせることができる。したがって、防波パネル１１ｐの外方で大きな波Ｗｗが生じても、防波パネル１１ｐの内方における海面Ｗｕは平均的高さＨｗに安定に維持される。海Ｓに臨む流出口５ｅに対して、このような防波手段１１を付設すれば、海Ｓの海水Ｗが導出路５に逆流する不具合を回避し、貯水プール２から流出する海水Ｗを円滑かつ確実に海Ｓに戻すことができる利点がある。

次に、本実施形態に係る海水力発電システム１の原理及び作用について、主に、図５を参照して説明する。

図５において、岸壁Ｃｗの壁面には、通常、波Ｗｗが打ち寄せるため、波Ｗｗの上部にある海水Ｗは、海水進入口３から矢印Ｆｉの方向に進入し、導入路４を通って貯水プール２内に貯留される。そして、貯水プール２に海水Ｗが満たされれば、貯水プール２内の海水Ｗは流入口５ｉに流入する。流入口５ｉに流入した海水Ｗは、図５に示す矢印Ｆｆ方向に流動する。この際、海水Ｗは、傾斜した前段送水管５ｐｆを流れ落ちる。

一方、前段送水管５ｐｆを流れ落ちた海水Ｗは、発電手段６の水車６ｒに放水されるため、水車６ｒが回転し、さらに、この水車６ｒの回転により発電機６ｇのロータが矢印Ｆｒ方向に回転する。これにより、発電機６ｇでは発電が行われ、発電した交流電力は発電機６ｇから出力する。そして、交流−直流変換器３１により直流電力に変換された後、蓄電器３２に蓄電される。この場合、前段送水管５ｐｆを流れ落る海水Ｗは、運動エネルギＥｍとポテンシャルエネルギＥｐの和となる力学的エネルギＥｆ（＝Ｅｍ＋Ｅｐ）を保有するため、この力学的エネルギＥｆは、発電手段６により電気エネルギＥｅに変換される（Ｅｆ→Ｅｅ）。この際の発電原理は、一般に河川に設けられる周知の水力発電方式と同様の原理となる。なお、前段送水管５ｐｆは、上流側の開口を大きくし、下流側の開口を小さくすれば、運動エネルギＥｍを大きくできるため、発電量を大きくすることができるなど、前段送水管５ｐｆの形態を変えることによって、所望の発電性能を確保できる。

ところで、本実施形態に係る海水力発電システム１は、ダムの貯水を用いた大規模な水力発電には及ばないが、近時、原子力発電方式や火力発電方式が限界といわれている中でクローズアップされている小水力発電方式としての有効性がある。特に、本実施形態に係る海水力発電システム１は、いわば海岸線に沿って多数の海水力発電システム１…を併設可能となるため、全体的に考えた場合には、各種用途に対応した総発電量を確保できる可能性を有している。

このように、発電手段６を、海水Ｗの流動により回転する水車６ｒ及びこの水車６ｒの回転に基づき電力を出力する発電機６ｇとを備えて構成すれば、公知の水力発電設備（水力発電方式）を利用できるとともに、特に、本実施形態に係る海水力発電システム１を利用することにより、小水力発電システムを容易かつ確実に構築できる利点がある。他方、水車６ｒを通過した海水Ｗは後段送水管５ｐｒを流れ、最終的に、流出口５ｅから海Ｓに戻される。

よって、このような本実施形態に係る海水力発電システム１によれば、地中に造成した貯水プール２に対して岸壁Ｃｗの壁面における海面Ｗｕの平均的高さＨｗよりも高い位置に設けた海水進入口３から進入した海水Ｗを貯留し、この貯水プール２に貯留された海水Ｗを流出させるとともに、流動する海水Ｗに基づき発電手段６により発電させるようにしたため、発電設備や送電設備等の全ての設備を地中に設けることができる。したがって、設備は台風や嵐等の外部環境の影響を直接受けることが無くなり、不安定動作や故障の発生を大幅に低減できるなど、設備に対する十分な保護を図れるとともに、信頼性及び安定性を飛躍的に高めることができる。

特に、メンテナンス用空間１２は、海水プール２，発電手段６及び地上がそれぞれ臨むため、台風や嵐等の外部環境の影響により海Ｓに近づくのが危険な場合であっても、地面Ｇから出入りできる出入口空間Ｒｉｅを利用して、海水プール２や発電手段６の点検や修理等の必要なメンテナンスを容易かつ迅速に行うことができる。

また、本実施形態に係る海水力発電システム１は、信頼性及び安定性を十分に確保できるため、これらを確保するための別途の追加的な設備が不要になる。したかって、設備自体は極めてシンプルに構成することができ、トラブル要因の低減に基づくメンテナンスの容易化を図れるとともに、特に、ランニングコストの削減に寄与できる。

以上、好適実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、海水進入口３には必要により異物混入防止用のネットを付設してもよい。また、発電手段６は、水車６ｒと発電機６ｇを組合わせた原理的構造を示したが、同様の機能を有する各種構成により置換することができる。さらに、防波手段１１を設けた例を示したが、防波手段１１は例示の原理構造のみならず、同様の作用を呈する他の原理構造に基づく防波手段１１であってもよい。一方、実施形態では、最も基本となるシステム構成を示したが、通常の水力発電方式で必要となる各種付属機材、例えば、送水管５ｐに接続するバルブ類、貯水プール２に付設するドレン部等も必要に応じて設けることができる。

本発明に係る海水力発電システムは、海水を利用した発電システムとして、単独、或いは風力発電システム等の他の発電システムと組合わせることにより、特に、自然エネルギを利用した各種用途の電源として利用できる。

１：海水力発電システム，２：貯水プール，３：海水進入口，４：導入路，５：導出路，５ｅ：流出口，６：発電手段，６ｒ：水車，６ｇ：発電機，１１：防波手段，１２：メンテナンス用空間，Ｃｗ：岸壁，Ｈｗ：海面の平均的高さ，Ｓ：海，Ｗ：海水，Ｗｕ：海面，Ｗｗ：波

Claims

海水を利用して発電を行う海水力発電システムであって、地中に造成することにより海水を貯留可能な貯水プールと、岸壁の壁面における海面の平均的高さよりも高い位置に設けることにより海面の平均的高さよりも高い波に基づく海水が進入可能な海水進入口と、この海水進入口から進入した海水を前記貯水プール内に導く導入路と、前記貯水プールに貯留された海水を流出させて海に戻す導出路と、この導出路の海に臨む流出口に対して付設することにより海水の水面の波を抑制する防波手段と、前記導出路に臨ませて配設し、この導出路を流動する海水の力学的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段とを備えてなることを特徴とする海水力発電システム。
前記発電手段は、海水の流動により回転する水車及びこの水車の回転に基づき電力を出力する発電機とを備えることを特徴とする請求項１記載の海水力発電システム。
前記海水プール，前記発電手段及び地上が臨むメンテナンス用空間を設けることを特徴とする請求項１又は２記載の海水力発電システム。