JP5638429B2 - 海流発電システム - Google Patents

Description

本発明は、海流発電システムに関する。

水を用いた発電システムには、ダム等の高低差を利用した水車、海の波力、潮汐を用いた発電、浸透膜や温度差を用いた発電等、数多く存在する。高低差を利用する発電システム以外で容易に大容量のエネルギを得ることのできる発電システムは、潮流や海流の流れのエネルギを用いた発電システムである。しかし、大容量機に関してはまだ一般的ではなく、欧州の一部で先行して開発が進められている。

図７に、係留式海流発電システムの概略構成を示し、その基礎概念について述べる。このシステムは、流れを回転エネルギに変換する翼１０２と、翼１０２に接続された箇所がキャップ１０６で覆われ回転エネルギを発電機に伝える回転軸とを有し、発電機がナセル１０１に内包されている。ナセル１０１は構造部材１０３により支持され、構造部材１０３は係留ワイヤ１０４を介して海底にアンカー１０５により固定されている。

図８に、固定式海流発電システムの概略構成を示す。翼１０２やナセル１０１に関しては、図７に示された係留式海流発電システムにおけるものと同様の構造であるが、ナセル１０１を海底に固定するために支柱１１２が用いられている。係留式、固定式の両方の海流発電システムにおいて、風車でよく見られるように図示されたような形状を有するキャップ１０６が用いられていることが多い。

日本近海で海流発電を実施できる地点は限られており、主に黒潮、対馬海流、親潮等が挙げられる。これに対して潮流発電は潮の流れを利用するものであり、鳴門海峡のうず潮が最大級である。潮流・海流発電システムは共に周辺環境に対する影響が非常に大きく、またこれらの地点は豊富なプランクトンに支えられる漁場として利用されている。このため、新たな発電システムを構築する際には、漁業を生業としている生活者に対し、生態系の混乱等を伴う環境破壊が起こらないように十分な考慮が必要である。

以下に、従来の海流発電システムを開示した文献名を記載する。

米国特許第７５３０２２４号公報 米国特許第７４２５７７２号公報

上述のように、環境影響の少ない海流発電システムを構築する必要があり、生態系への影響に配慮すべきである。

通常の発電システム、特に風車を海流発電として適用した場合、発電システムに魚類が衝突して死亡すること、また魚類が死亡したことによるその上位捕食者の衰退等、生態系へ及ぼす影響が考えられる。

これらの内、発電システムに魚類が衝突して死亡することについては、翼を弾性体で覆う手法等が考案され、魚類の死亡率低減に一定の効果を挙げている。またこれにより、魚類が死亡したことによるその上位捕食者の衰退等、生態系へ及ぼす影響も緩和されている。

しかし、従来は海流発電システムを設置すると、翼の下流域で旋回流が発生して小型魚類が平衡感覚を失い大型魚類に捕食されることと、あるいはナセルの下流で発生するキャビテーションにより魚類が殺傷されること等の現象が発生していた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、環境影響の少ない海流発電システムを提供することを目的とする。

本発明の海流発電システムは、
流れを回転エネルギに変換する翼と、
変換された前記回転エネルギを、前記翼に接続された回転軸を介して与えられて発電を行う、ナセルに内包された発電機と、
を備える海流発電システムにおいて、
前記ナセル上に、前記回転軸と直交する方向に放射状に延在するように複数枚の放射板が取り付けられたことを特徴とする。

本発明の海流発電システムによれば、海流発電システムを設置したことによる下流生態系への影響を低減することができる。

本発明の実施の形態１による海流発電システムの構成を示した外観図。 比較例による海流発電システムの下流域の流れを示した説明図。 本発明の実施の形態２による海流発電システムの構成を示した外観図。 同実施の形態２の部位Ｗにおける海流の流れ及び整流板がない場合の海流の流れを示した拡大図。 本発明の実施の形態３による海流発電システムの構成を示した外観図。 本発明の実施の形態４による海流発電システムの構成を示した外観図。 係留式海流発電システムの構成を示した外観図。 固定式海流発電システムの構成を示した斜視図。

以下、本発明の実施の形態による海流発電システムについて、図面を参照して説明する。

（１）実施の形態１
本発明の実施の形態１による海流発電システムについて、図１、図２を用いて説明する。

図１に、本実施の形態１による海流発電システムにおける主要な構成要素を示す。このシステムは、矢印Ａで示された海流の流れを回転エネルギに変換する翼２と、翼２に取り付けられた箇所がキャップ６で覆われ、変換された回転エネルギを発電機に伝える回転軸と、回転軸に接続され回転エネルギにより発電を行う発電機とを備え、発電機はナセル１に内包されている。

翼２の前面側において、回転中心から外径側に向かって所定半径を覆うように、内側に凹となる円錐形状を有するキャップ６が設けられている。図７、図８に示された海流発電システムで用いられているキャップ１０６は外側に凸で半径の小さい円錐形状を有する。このようなキャップ１０６を用いた場合より、本実施の形態１におけるキャップ６によれば矢印Ａで示されたように翼２のより外周側へ向かって分散されるように海流が流れる。これにより、魚類の衝突確率が低減される。

さらに本実施の形態１では、翼２の下流側において、ナセル１の後部に複数枚、望ましくは少なくとも４枚の放射板７が、放射状に延在するように設けられている。尚、放射板７は図中縦方向の寸法ｙより、矢印Ａで示された海流の流れに平行な図中横方向の寸法ｘの方が長い形状を有する。

このような放射板７がナセル１に設けられていない海流発電システム、並びにこの場合における海流発電システムの下流域における海流の流れを図２に模式的に示す。

翼２の下流域では、矢印Ｂで示されたようなナセル１の外周を旋回するように旋回流が発生する。これにより、小型魚類が平衡感覚を失い大型魚類に捕食される現象が発生する。

さらに、ナセル１の下流において矢印Ｃで示されたようなキャビテーションが発生し、この影響を受けて魚類が殺傷されるおそれがある。

これに対し本実施の形態１によれば、翼２の下流側に発生する旋回流れ及びキャビテーションが放射板７により軽減される。このため、小型魚類が平衡感覚を失って大型魚類に捕食されたり魚類が殺傷される事態が回避されるような事態が回避され、魚の殺傷確率をさらに低減することが可能となる。

（２）実施の形態２
本発明の実施の形態２による海流発電システムについて、図３、図４を用いて説明する。尚、上記実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に、本実施の形態２による海流発電システムの構成を示す。本実施の形態２は、上記実施の形態１と同様にナセル１の後部に複数枚の放射板７が放射状に設けられている。

さらに本実施の形態２では、ナセル１の後部における放射板７の上流側に、翼２の断面の傾きと反対側に傾けた整流板８が複数枚、望ましくは少なくとも４枚設けられている。

図３において、Ｗの点線で囲まれた整流板８、放射板７が設けられた部位における海流の流れを図４（ａ）に、また整流板８が設けられておらず放射板７のみ設けられている場合における海流の流れを図４（ｂ）にそれぞれ拡大して示す。

整流板８が設けられていない場合には、図４（ｂ）において矢印Ａ１で示されたように、翼２の回転により生じた入射角度が大きい旋回流れが放射板７に流入し、点線で囲まれた領域Ｅにおいてキャビテーションが発生する。このキャビテーションは、放射板７の先端部における反作用面側、この場合は図中下面側に発生し、このキャビテーションが発生した部位が壊食される。このため、放射板７を定期的に交換して旋回流れを防止する作用を維持していく必要がある。

本実施の形態２によれば、図４（ａ）において示されたように、放射板７の上流側に整流板８が設けられている。この整流板８は、翼２の回転により生じた海流の入射角度と向きは同一ではあるが、回転軸に対する角度がより小さく抑えられている。

この整流板８により、矢印Ａ１で示された入射角度が大きい旋回流れが、矢印Ａ２で示されたように整流板８と同一の小さい角度に縮小される。この入射角度が縮小された流れが、下流側の放射板７に流入する。放射板７は回転軸と平行に設けられており、矢印Ａ３に示されたような図中水平方向の流れとなることで、放射板７の周辺領域におけるキャビテーションの発生が抑制される。この結果、放射板７の定期的な交換が不要となりコストが低減され、長期的に魚の殺傷確率を低減した状態で海流発電システムを運用することができる。

（３）実施の形態３
本発明の実施の形態３による海流発電システムについて、図５を用いて説明する。尚、上記実施の形態１、２と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に示されるように、本実施の形態３においては、上記実施の形態１における放射板７として、翼２により発生した旋回流れを無旋回流れに転向する整流作用を有する整流翼９が設けられている。

この整流翼９は、海流の入り口側のキャンバーラインが、翼２により生じた海流の旋回流れの向きと平行になるような角度を有している。即ち、整流翼２の入口角度が無衝突流入流れになるように設定されている。そして整流翼９の出口側が、ナセル１内の回転軸と平行になる角度を有しており、その間の翼弦長が十分に確保されており滑らかで連続的な曲線を描いている。ここで、図中に示された９ａは圧力面、９ｂは負圧面である。

このような整流翼９を設けることで、翼２により発生した旋回流れが無旋回流れに転向される。さらに、旋回流れの周方向速度動圧が静圧に変換されるため、ナセル１の下流側におけるキャビテーションの発生も低減することができる。この結果、ナセル１の下流側においてキャビテーションによる魚類の殺傷が低減される。

上記実施の形態２における整流板８と放射板７との組み合わせと比較し、本実施の形態３による整流翼９によればより滑らかに旋回流れを無旋回流れに転向することができる。

キャビテーションの発生が防止されることで、整流翼９の定期的交換が不要となり、生態系への影響が小さな海流発電システムを低コストで運用することが可能である。

尚、整流翼９の入口角度や翼弦長の最適化は、流れ解析若しくは模型試験に基づいて行うことが望ましい。

（４）実施の形態４
本発明の実施の形態４による海流発電システムについて、その構成を示した図６を用いて説明する。尚、上記実施の形態１〜３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施の形態４では、図６に示されたように、ナセル１の後端部１ａが、終端を頂点とするような円錐形状を有している。上記実施の形態３と同様な整流翼９が、ナセル１の後端部１ａより上流側の位置に設けられている。

ナセル１の後端部１ａが円錐形状を有することにより、本実施の形態４によればナセル１の下流域において死水領域が形成されない。このため、ナセル１の下流域におけるキャビテーションの発生が抑制され、キャビテーションが原因となる魚類の殺傷が回避される。この結果、海流発電システムの下流域における魚類の殺傷確率を低減することが可能となる。

上記実施の形態はいずれも一例であって、本発明の技術的範囲内において様々に変形することが可能である。例えば、上記実施の形態４では整流翼９が設けられているが、これに限定されず、上記実施の形態１における放射板７、あるいは上記実施の形態２における放射板７及び整流板８を設けてもよい。

１ ナセル
２ 翼
３ 構造部材
４ 係留ワイヤ
５ アンカ
６ キャップ
７ 放射板
８ 整流板
９ 整流翼

Claims (4)

1. 流れを回転エネルギに変換する翼と、
   変換された前記回転エネルギを、前記翼に接続された回転軸を介して与えられて発電を行う、ナセルに内包された発電機と、
   を備える海流発電システムにおいて、
   前記ナセル上に、前記回転軸と直交する方向に放射状に延在するように複数枚の放射板が取り付けられ、
   前記ナセル上における前記放射板の上流側に、前記翼の回転により生じた旋回流れの前記回転軸に対する入射角度より減少した角度で、複数枚の整流板が取り付けられており、前記放射板は前記回転軸と平行になるように取り付けられたことを特徴とする海流発電システム。
2. 前記放射板は、前記回転軸に平行な方向の寸法が前記回転軸と直交する方向の寸法より長いことを特徴とする請求項１記載の海流発電システム。
3. 前記ナセルの後端部が、後端を頂点とする円錐形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の海流発電システム。
4. 前記翼の回転中心から外径側へ所定半径を覆うように設けられ、円錐形状を有するキャップをさらに備えることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか１項に記載の海流発電システム。

Images