JP5818743B2 - 自然エネルギー取出装置 - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギー取出装置に関するものである。

風によって回転駆動される縦回転軸と、縦回転軸を支持する浮体と、浮体内に配設され縦回転軸に作動係合して回転駆動される発電機とを備え、浮体が水上係留された、洋上風力エネルギー取出装置が特許文献１に開示されている。

ＷＯ０３／０８９７８７

特許文献１の装置には、縦回転軸を回転可能に支持する支持装置と、発電機とを浮体内に配設するので、浮体の内部構造が複雑になり、製造コストが上昇するという問題がある。また、縦回転軸が略鉛直に延在することが予定されており、当該予定を達成するために、浮体と係留装置とが大型化するという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、縦回転軸と、縦回転軸を支持する浮体とを備える自然エネルギー取出装置であって、従来技術に比べて浮体の内部構造が簡素で、浮体と係留装置とが小型化され、製造コストが低い装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、揺動可能な縦回転軸を形成し風又は水流によって回転駆動される第１浮体と、係留されて第１浮体を取り巻く第２浮体とを備え、第１浮体は、縦回転軸に直交する軸線回りの第２浮体に対する相対揺動と、縦回転軸延在方向の第２浮体に対する相対直進運動とが可能であり、更に第２浮体に取り付けられて第１浮体の回転運動エネルギーを被駆動機器の駆動トルクに変換する動力伝達装置を備え、水上に設置されることを特徴とする自然エネルギー取出装置を提供する。
本発明においては、縦回転軸は第１浮体であって水の浮力で支持されるので、従来技術の浮体に相当する第２浮体は第１浮体の支持構造を要さない。第１浮体は揺動可能なので、従来技術の浮体に相当する第２浮体は第１浮体の揺動を阻止する必要が無い。動力伝達装置は第１浮体と第２浮体の間のオープンスペースに配設される。従って、従来技術の浮体に相当する第２浮体の内部構造は従来技術に比べて簡素化され、第２浮体と係留装置とは従来技術に比べて小型化され、第２浮体の製造コストは従来技術に比べて低減する。
被駆動機器として、発電機、ポンプ、圧縮機、エネルギー貯蔵用のフライホイール等が挙げられる。

本発明においては、上述の自然エネルギー取出装置と、当該装置の第１浮体に固定されて上方へ延びる縦回転軸風車とを備え、被駆動機器は発電機であることを特徴とする風力発電装置を提供する。
上方へ延びる縦回転軸風車を第１浮体に固定し、第１浮体の回転運動エネルギーを、発電機の駆動トルクに変換し、最終的に電気エネルギーに変換することにより、風力発電装置が得られる。第１浮体は大きな慣性モーメントを持つので、風速変動を吸収して発電出力を平準化することができ、またジャイロ効果により、風車回転軸の方向を安定させる。

本発明の好ましい態様においては、風力発電装置には複数の動力伝達装置と発電機とが配設されている。
複数の動力伝達装置と発電機とを配設することにより、単一の大容量の動力伝達装置と発電機とを配設する場合に比べて動力伝達装置と発電機とが小型化され動力伝達装置と発電機の開発コストと製造コストとが低減する。また、発電を継続しつつ何れかの動力伝達装置と発電機とを保守し或いは交換することが可能になる。
本発明の好ましい態様においては、風力発電装置は第１浮体の下端部に固定され或いは第１浮体の下端から吊り下げられた錘を備える。
第１浮体の下端部に錘を固定し或いは第１浮体の下端から錘を吊り下げることにより、波浪や横風に対する風力発電装置の復原力が強化される。
本発明の好ましい態様においては、風力発電装置は縦回転軸風車に取り付けられた避雷針を備える。
落雷の電流は、避雷針から縦回転軸風車と第１浮体とを通って水中に放出され、第２浮体に取り付けられた動力伝達装置、ひいては被駆動機器である発電機には流れない。この結果、発電機が落雷から保護される。
本発明の好ましい態様においては、風力発電装置は第１浮体に収容されて第１浮体の周側面から径方向に出没可能な制動体、又は第１浮体の周側面に取り付けられて第１浮体の周側面に沿って延在する閉位置と第１浮体の周側面から径方向へ突出した開位置との間で揺動可能な制動体を備える。
制動体を第１浮体に設けることにより、事故発生時等に回転中の第１浮体を緊急停止させることが可能になる。
本発明の好ましい態様においては、第１浮体はバラスト水収納空間を備え、発電時には第１浮体にバラスト水が注入されている。
風車の保守点検時に、バラストを排出して第１浮体を浮上させて横倒しにし、錘を吊り下げている場合には吊り下げ用の索を繰り出して錘を着底させると共にバラストを排出して第１浮体を浮上させ横倒しにし、縦回転軸風車を水面に接近させて、保守点検作業を容易化できる。

本発明の好ましい態様においては、風力発電装置は一対の第１浮体と、前記一対の第１浮体に固定されて上方へ延びる一対の縦回転軸風車と、係留されて前記一対の第１浮体を取り巻く第２浮体と、第２浮体に取り付けられて前記一対の第１浮体の回転運動エネルギーを被駆動機器の駆動トルクに変換する動力伝達装置とを備え、第２浮体は中間ブイ付多点係留され、第２浮体と中間ブイとを連結する係留索は、上面視で、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線の前記一対の第１浮体間の中間点を通り第１直線に直交する第２直線に関して線対称に配設されている。
第２浮体と中間ブイとを連結する係留索が、上面視で、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線の前記一対の第１浮体間の中間点を通り第１直線に直交する第２直線に関して線対称に配設されているので、風力発電装置の稼働時に、第２浮体は中間ブイの風下に在り、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線は風に正対し、一対の縦回転軸風車は互いに逆方向に回転する。この結果、一対の第１浮体から第２浮体に伝達されるトルクが相殺され、第２浮体の回転が防止される。また一対の縦回転軸風車がマグヌス効果によって受ける横方向力も互いに相殺される。この結果、係留が容易化されて係留コストが低減する。

本発明の好ましい態様においては、縦回転軸風車は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する翼を有する揚力型縦回転軸風車であり、前記複数の翼は周方向の相対位置関係を維持しつつ、風車縦回転軸回りに捩じられている。
複数の上下に延在する翼を周方向の相対位置関係を維持しつつ、風車縦回転軸回りに捩じると、上面視で、各翼が基部から先端へ向けて風車縦回転軸回りに周方向に延在することになる。この結果、風車回転時のトルク変動が低減する。また停止していた風車が起動する際に、複数の翼の何れかの一部が、翼後縁から翼前縁へ向かう空気流中に置かれることになり、翼前縁側に渦が発生して負圧が発生し、起動トルクが発生する。この結果、風車の起動が容易になる。
本発明の好ましい態様においては、縦回転軸風車は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する翼を有する揚力型縦回転軸風車であり、前記翼は、上端が風車縦回転軸に近接した第１位置と上端が風車縦回転軸から離隔した第２位置との間で揺動可能である。
風車のメンテナンス時に、翼を揺動させて翼上端を水面に接近させ、メンテナンス作業を容易化することができる。

本発明の好ましい態様においては、縦回転軸風車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに固定されている。
本発明の好ましい態様においては、縦回転軸風車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに取り付けられており、前記カバーの全体がアームの長手軸線回りに回動可能であるか、又は前記カバーの後縁部がアームの長手軸線に平行な軸線回りに回動可能である。
縦回転軸風車が縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備える場合、アームの空気抵抗を低減させるために、アームに翼型断面のカバーを取り付けるのが望ましい。
特許文献１の洋上風力エネルギー取出装置では縦回転軸は略鉛直に延在するので、縦回転軸と羽根とを連結するアームに翼型断面のカバーを取り付けてもカバーが形成する翼は相対空気流に対して迎角を持たず、揚力を発生させない。しかし本発明に係る風力発電装置では、縦回転軸風車は風下側に傾斜するので、カバーは相対空気流に対して迎角を持ち、揚力を発生させると共に翼端部に誘導抵抗も発生させる。従って、揚力と誘導抵抗とが縦回転軸風車のトルクに与える影響を考慮する必要がある。
カバーのアスペクト比が大きい場合、誘導抵抗が小さく揚抗比が大きいので、カバーをアームに固定し、カバーに発生する揚力を縦回転軸風車のトルクに寄与させるのが望ましい。カバーのアスペクト比が小さい場合には、誘導抵抗が大きく揚抗比が小さいので、カバーを回動自在とし、或いはカバーの後縁部を回動自在としてカバーによる揚力発生、ひいては誘導抵抗発生を抑制するのが望ましい。

本発明においては、上述の自然エネルギー取出装置と、当該装置の第１浮体に固定されて下方へ延びる縦回転軸水車とを備え、被駆動機器は発電機であることを特徴とする水流発電装置を提供する。
下方へ延びる縦回転軸水車を第１浮体に固定し、第１浮体の回転運動エネルギーを、発電機の駆動トルクに変換し、最終的に電気エネルギーに変換することにより、水流発電装置が得られる。第１浮体は大きな慣性モーメントを持つので、水流速変動を吸収して発電出力を平準化することができ、またジャイロ効果により、水車回転軸の方向を安定させる。

本発明の好ましい態様においては、水流発電装置には複数の動力伝達装置と発電機とが配設されている。
複数の動力伝達装置と発電機とを配設することにより、単一の大容量の動力伝達装置と発電機とを配設する場合に比べて動力伝達装置と発電機とが小型化され動力伝達装置と発電機の開発コストと製造コストとが低減する。また、発電を継続しつつ何れかの動力伝達装置と発電機とを保守し或いは交換することが可能になる。
本発明の好ましい態様においては、水流発電装置は縦回転軸水車の縦回転軸の下端部に固定され或いは縦回転軸の下端から吊り下げられた錘を備える。
縦回転軸水車の縦回転軸の下端部に錘を固定し或いは縦回転軸の下端から錘を吊り下げることにより、波浪や潮流に対する水流発電装置の復原力が強化される。
本発明の好ましい態様においては、水流発電装置は第１浮体に収容されて第１浮体の周側面から径方向に出没可能な制動体、又は第１浮体の周側面に取り付けられて第１浮体の周側面に沿って延在する閉位置と第１浮体の周側面から径方向へ突出した開位置との間で揺動可能な制動体を備える。
制動体を第１浮体に設けることにより、事故発生時等に回転中の第１浮体を緊急停止させることが可能になる。
本発明の好ましい態様においては、第１浮体と縦回転軸水車とはバラスト水収納空間を備え、発電時には第１浮体と縦回転軸水車とにバラスト水が注入されている。
水車の保守点検時に、バラストを排出して第１浮体と縦回転軸水車とを浮上させて横倒しにし、錘を吊り下げている場合には吊り下げ用の索を繰り出して錘を着底させると共にバラストを排出して第１浮体と縦回転軸水車とを浮上させ横倒しにし、縦回転軸水車を水面に接近させて、保守点検作業を容易化できる。

本発明の好ましい態様においては、水流発電装置は一対の第１浮体と、前記一対の第１浮体に固定されて下方へ延びる一対の縦回転軸水車と、係留されて前記一対の第１浮体を取り巻く第２浮体と、第２浮体に取り付けられて前記一対の第１浮体の回転運動エネルギーを被駆動機器の駆動トルクに変換する動力伝達装置とを備え、第２浮体は中間ブイ付多点係留され、第２浮体と中間ブイとを連結する係留索は、上面視で、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線の前記一対の第１浮体間の中間点を通り第１直線に直交する第２直線に関して線対称に配設されている。
第２浮体と中間ブイとを連結する係留索が、上面視で、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線の前記一対の第１浮体間の中間点を通り第１直線に直交する第２直線に関して線対称に配設されているので、水流発電装置の稼働時に、第２浮体は中間ブイの下流側に在り、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線は水流に正対し、一対の縦回転軸水車は互いに逆方向に回転する。この結果、一対の第１浮体から第２浮体に伝達されるトルクが相殺され、第２浮体の回転が防止される。また一対の縦回転軸水車がマグヌス効果によって受ける横方向力も互いに相殺される。この結果、係留が容易化されて係留コストが低減する。
本発明の好ましい態様においては、縦回転軸水車は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する翼を有する揚力型縦回転軸水車であり、前記複数の翼は周方向の相対位置関係を維持しつつ、水車縦回転軸回りに捩じられている。
複数の上下に延在する翼を周方向の相対位置関係を維持しつつ、水車縦回転軸回りに捩じると、上面視で、各翼が基部から先端へ向けて水車縦回転軸回りに周方向に延在することになる。この結果、水車回転時のトルク変動が低減する。また停止していた水車が起動する際に、複数の翼の何れかの一部が、翼後縁から翼前縁へ向かう水流中に置かれることになり、翼前縁側に渦が発生して負圧が発生し、起動トルクが発生する。この結果、水車の起動が容易になる。

本発明の好ましい態様においては、縦回転軸水車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに固定されている。
本発明の好ましい態様においては、縦回転軸水車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに取り付けられており、前記カバーの全体がアームの長手軸線回りに回動可能であるか、又は前記カバーの後縁部がアームの長手軸線に平行な軸線回りに回動可能である。
縦回転軸水車が縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備える場合、アームの流体抵抗を低減させるために、アームに翼型断面のカバーを取り付けるのが望ましい。
特許文献１の洋上風力エネルギー取出装置では縦回転軸は略鉛直に延在するので、縦回転軸と羽根とを連結するアームに翼型断面のカバーを取り付けてもカバーは相対空気流に対して迎角を持たず、揚力を発生させない。しかし本発明に係る水流発電装置では、縦回転軸水車は下流側に傾斜するので、カバーは相対水流に対して迎角を持ち、揚力を発生させると共に翼端部に誘導抵抗も発生させる。従って、揚力と誘導抵抗とが縦回転軸水車のトルクに与える影響を考慮する必要がある。
カバーのアスペクト比が大きい場合、誘導抵抗が小さく揚抗比が大きいので、カバーをアームに固定し、カバーに発生する揚力を縦回転軸水車のトルクに寄与させるのが望ましい。カバーのアスペクト比が小さい場合には、誘導抵抗が大きく揚抗比が小さいので、カバーを回動自在とし、或いはカバーの後縁部を回動自在としてカバーによる揚力発生、ひいては誘導抵抗発生を抑制するのが望ましい。

本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の構造図である。（ａ）は第１浮体が直立した時の部分側面図であり、（ｂ）は上面図であり、（ｃ）はローラーと支持腕の模式的な斜視図であり、（ｄ）は第１浮体が傾斜した時の部分側面図であり、（ｅ）は第１浮体が上方へ移動した時の第１浮体周側面上でのローラー当接部の軌跡とローラーの姿勢との関係を示す部分側面図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例の側面図である。（ａ）は風力発電装置の側面図であり、（ｂ）は水流発電装置の側面図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例の斜視図である。（ａ）、（ｃ）は風力発電装置の斜視図であり、（ｂ）、（ｄ）は水流発電装置の斜視図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例である風力発電装置の構造図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例である風力発電装置の係留状態を示す構造図である。（ａ）は一対の風車を有する風力発電装置の斜視図であり、（ｂ）は一対の風車を有する風力発電装置の風車を取り除いた状態での上面図であり、（ｃ）は単一の風車を有する風力発電装置の斜視図であり、（ｂ）は単一の風車を有する風力発電装置の風車を取り除いた状態での上面図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例である風力発電装置の構造図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は上面図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例である風力発電装置の斜視図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例である風力発電装置が備えるアームとアームに取り付けた翼型断面のカバーの部分構造図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置の応用例である風力発電装置が備えるアームとアームに取り付けた翼型断面のカバーの断面図である。

本発明の実施例に係る自然エネルギー取出装置を説明する。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、自然エネルギー取出装置Ａは、縦回転軸、即ち上下に延在する回転軸、を形成する円柱状の第１浮体１と、水上係留されて第１浮体１を取り巻く第２浮体２とを備えている。
第２浮体２は、上面視で、第１浮体１を中心とする正三角形の各頂点に配設された円柱状の浮体２ａと、隣接する浮体２ａ同士を連結する腕部材２ｂとを有している。３本の腕部材２ｂは同一平面上に在る。
Ｕ型の二股部３ａ’と二股部の基部から延びる軸部３ａ”とを有する音叉形状部材である第１部分３ａと、Ｕ型の二股部３ｂ’と二股部の基部から延びる軸部３ｂ”とを有する一対の音叉形状部材が、二股部３ｂ’を互いに突き当てて一体化された第２部分３ｂとを有し、第２部分３ｂの両軸部３ｂ”が第１部分３ａの二股部３ａ’に回動自在に支持された構造を有する支持腕３が、第１部分３ａの軸部３ａ”を腕部材２ｂに直交させて、腕部材２ｂの長さ方向中央部に取り付けられている。支持腕３は、３本の腕部材２ｂが含まれる平面内で、第１浮体１の中心軸線Ｌへ向けて延びている。第１部分３ａの軸部３ａ”は、当該軸部の中心軸線回りに回動可能に、また図示しないバネの付勢力を受けて、所定のストローク内で腕部材２ｂから出没自在に、腕部材２ｂに取り付けられている。各腕部材２ｂに１個の支持腕３が取り付けられている。
各支持腕３の第２部分３ｂに、厚肉円盤状のローラー４が回動自在に取り付けられている。
ローラー４は、円盤の中心軸線Ｘ回りと、円盤の肉厚中心平面内で軸線Ｘに直交して第１浮体１の中心軸線Ｌへ向けて延在する軸線Ｙ回りと、円盤の肉厚中心平面内で軸線Ｘと軸線Ｙとの交点を通り且つ前記２軸線に直交する軸線Ｚ回りとに、回動自在に、支持腕３によって支持されている。
３個のローラー４が、上面視で、周方向に１２０度づつ間隔を隔てて第１浮体１を取り囲んでおり、ローラー４の周側面が第１浮体１の周側面に当接している。ローラー４の周側面は、腕部材３の軸部３ａ”を付勢する前述の図示しないバネによって、第１浮体１の周側面に押し付けられている。
ローラー４に発電機５が取り付けられている。
自然エネルギー取出装置Ａは水上に設置されている。第２浮体２は図示しないアンカー及びチェーン又はワイヤーにより係留されて水面に浮いており、第１浮体１はローラー４によって水平移動が制約される点を除いて自由状態で水面に浮いている。ローラー４と発電機５とは水面よりも上方に在る。

自然エネルギー取出装置Ａにおいては、第１浮体１の回転が、ローラー４に伝達され、ローラー４に取り付けられた発電機５が駆動されて発電される。第１浮体１の回転運動エネルギーが発電機５の駆動トルクに変換され、最終的に電気エネルギーに変換されて取り出される。
ローラー４は、中心軸線である軸線Ｘ回りのみならず、軸線Ｘに直交する軸線Ｙ、Ｚ回りにも回動可能なので、回転する第１浮体１から受ける抵抗が最小になる姿勢で第１浮体１に当接する。この結果、図１（ｄ）に示すように第１浮体１が揺動して傾斜すると、ローラー４は、軸線Ｚ回りに回動し、軸線Ｘを第１浮体１の中心軸線Ｌに平行に延在させて、第１浮体１周側面に当接し、第１浮体１によって回転駆動される。波を受けて回転中の第１浮体１が上下動すると、ローラー４は、軸線Ｙ回りに回動し、図１（ｅ）に示すように、第１浮体１周側面上のローラー４当接部の軌跡Ｓの延在方向へ周側面を差し向けて、第１浮体１周側面に当接し、第１浮体１によって回転駆動される。
ローラー４は、前述のごとく第１浮体１の周側面に押し付けられているので、第１浮体１が揺動して傾斜し、上下動し、或いは水平動しても、確実に第１浮体１の周側面に当接し、第１浮体１によって回転駆動される。
従来技術の縦回転軸に相当する第１浮体１は、水の浮力で支持されるので、従来技術の浮体に相当する第２浮体２は第１浮体１の支持構造を要さない。第１浮体１は揺動可能なので、従来技術の浮体に相当する第２浮体２は第１浮体１の揺動を阻止する必要が無い。またローラー４と発電機５とは第１浮体１と第２浮体２の間のオープンスペースに配設される。この結果、従来技術の浮体に相当する第２浮体２の構造は従来技術に比べて簡素化され、第２浮体２と係留装置とは従来技術に比べて小型化され、第２浮体２ひいては自然エネルギー取出装置Ａの製造コストは従来技術に比べて低減する。
複数のローラー４と発電機５とを配設することにより、単一の大寸法のローラーと大容量の発電機とを配設する場合に比べてローラー４と発電機５とが小型化されローラー４と発電機５の開発コストと製造コストとが低減する。ローラー４と発電機５の個数を４以上にすれば、発電を継続しつつ何れかのローラー４と発電機５とを保守し或いは交換することが可能になる。

図２（ａ）に示すように、上方へ延びる縦回転軸風車Ｂの縦回転軸Ｂ’を、自然エネルギー取出装置Ａの第１浮体１の上端に固定し、第１浮体１の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、風力発電装置Ｃが得られる。第１浮体１は大きな慣性モーメントを持つので、風速変動を吸収して発電出力を平準化することができ、またジャイロ効果により、縦回転軸Ｂ’の方向を安定させる。
図２（ｂ）に示すように、下方へ延びる縦回転軸水車Ｄの縦回転軸Ｄ’を、自然エネルギー取出装置Ａの第１浮体１の下端に固定し、第１浮体１の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、水流発電装置Ｅが得られる。第１浮体１は大きな慣性モーメントを持つので、水流速変動を吸収して発電出力を平準化することができ、またジャイロ効果により、縦回転軸Ｄ’の方向を安定させる。
自然エネルギー取出装置Ａを、海、湖沼、河川等に設置して、風力発電装置、水流発電装置、エネルギー貯留装置を構成することができる。
上記実施例では、第１浮体１の回転運動エネルギーを発電機５の駆動トルクに変換し、最終的に電気エネルギーとして取り出したが、第１浮体１の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することなく、ポンプ、圧縮機等の駆動トルクに直接変換しても良く、或いは別置きのフライホイール等のエネルギー貯蔵装置の駆動トルクに直接変換しても良い。

図２（ａ）の風力発電装置Ｃにおいて、図３（ａ）に示すように第１浮体１の下端から錘６を吊り下げ、或いは図２（ｂ）の水流発電装置Ｅにおいて、図３（ｂ）に示すように縦回転軸水車Ｄの縦回転軸Ｄ’の下端から錘６を吊り下げても良い。第１浮体１から錘６を吊り下げ、或いは縦回転軸Ｄ’から錘６を吊り下げることにより、波浪や横風や潮流に対する第１浮体１、ひいては風力発電装置Ｃ、水流発電装置Ｅの、復原力が強化される。第１浮体１の下端から錘６を吊り下げ或いは縦回転軸Ｄ’の下端から錘６を吊り下げるのに代えて、第１浮体１の下端部に錘６を固定し或いは縦回転軸Ｄ’の下端部に錘６を固定しても良い。
図２（ａ）の風力発電装置Ｃにおいて、図４（ａ）に示すように、縦回転軸風車Ｂの縦回転軸Ｂ’や縦回転軸風車Ｂの羽根である翼１３に避雷針７を取り付けても良い。落雷の電流は、避雷針７から縦回転軸風車Ｂと第１浮体１とを通って水中に放出され、第２浮体２に取り付けられた動力伝達装置であるローラー４、ひいては被駆動機器である発電機５には流れない。この結果、発電機５が落雷から保護される。
図２（ａ）の風力発電装置Ｃにおいて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１浮体１に収容されて第１浮体の周側面から径方向に出没可能な制動体８、又は図４（ｂ）に示すように、第１浮体１の周側面に取り付けられて第１浮体１の周側面に沿って延在する閉位置と第１浮体１の周側面から径方向へ突出した開位置との間で揺動可能な制動体９を配設しても良い。制動体８、９を第１浮体１に設けることにより、事故発生時等に回転中の第１浮体１を緊急停止させることが可能になる。
図２（ａ）の風力発電装置Ｃにおいて、第１浮体１にバラスト水収納空間を設け、発電時に第１浮体１にバラスト水を注入して図３（ａ）に示すように第１浮体１を直立させるように構成しても良い。縦回転軸風車Ｂの保守点検時に、第１浮体１のバラスト水を排出し第１浮体１を浮上させ横倒しにし、第１浮体１が錘６を吊り下げている場合には図３（ｃ）に示すように吊り下げ用の索を繰り出して錘６を着底させると共に第１浮体１のバラスト水を排出し第１浮体１を浮上させ横倒しにし、縦回転軸風車Ｂを水面に接近させて、保守点検作業を効率化することができる。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、一対の第１浮体１と、一対の第１浮体１に固定されて上方へ延びる一対の縦回転軸風車Ｂと、一対の第１浮体１を取り巻く第２浮体２と、第２浮体２に取り付けられて一対の第１浮体１に当接する一対の３個のローラー４と、各ローラー４に取り付けられた発電機５とで、風力発電装置を構成し、第２浮体２を中間ブイ付多点係留しても良い。第２浮体２と中間ブイ１０とを連結する２本の係留索１１を、上面視で、一対の第１浮体１の回転軸線を結ぶ第１直線Ｘ’の前記一対の第１浮体１間の中間点を通り第１直線Ｘ’に直交する第２直線Ｙ’に関して線対称に配設する。
第２浮体２と中間ブイ１０とを連結する２本の係留索１１が、上面視で、一対の第１浮体１の回転軸線を結ぶ第１直線Ｘ’の前記一対の第１浮体１間の中間点を通り第１直線Ｘ’に直交する第２直線Ｙ’に関して線対称に配設されているので、風力発電装置の稼働時に、第２浮体２は中間ブイ１０の風下に在り、前記一対の第１浮体１の回転軸線を結ぶ第１直線Ｘ’は風に正対し、一対の縦回転軸風車Ｂは互いに逆方向に回転する。この結果、一対の第１浮体１から第２浮体２に伝達されるトルクが相殺され、第２浮体２の回転が防止される。また一対の縦回転軸風車Ｂがマグヌス効果によって受ける横方向力も互いに相殺される。この結果、係留が容易化されて係留コストが低減する。
単一の縦回転軸風車Ｂと単一の第１浮体１と第２浮体２とから成る風力発電装置を係留する際には、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、径方向外方へ延びる腕部材１２を第２浮体２に固定し、腕部材１２から中間ブイ１０へ係留索１１を延ばして、第２浮体２を中間ブイ付一点係留するのが望ましい。腕部材１２を設けて第２浮体２の回転レバーを増加させることにより、第１浮体１から第２浮体２へ伝達されるトルクを打ち消すために係留索１１に発生する張力を低減することができる。

図２（ａ）の風力発電装置Ｃにおいて、図６（ａ）に示すように、縦回転軸風車Ｂを周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する長尺の翼１３を有する揚力型縦回転軸風車Ｂ１とし、前記複数の翼１３を周方向の相対位置関係を維持しつつ、風車縦回転軸Ｂ1’回りに捩じって、揚力型縦回転軸風車Ｂ１を螺旋風車としても良い。複数の上下に延在する翼１３を周方向の相対位置関係を維持しつつ、風車縦回転軸Ｂ1’回りに捩じると、図６（ｂ）に示すように、上面視で、各翼１３が基部から先端へ向けて風車縦回転軸Ｂ1’回りに周方向に延在することになる。この結果、風車回転時のトルク変動が低減する。また停止していた風車Ｂ１が起動する際に、図６（ｃ）に示すように、複数の翼１３の何れかの一部が、翼後縁１３ａから翼前縁１３ｂへ向かう空気流中に置かれることになり、翼前縁１３ｂ側に渦が発生して負圧が発生し、起動トルクが発生する。この結果、風車Ｂ１の起動が容易になる。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、縦回転軸風車を、周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する長尺の翼１３を有する揚力型縦回転軸風車Ｂ１とし、前記翼１３を、図７（ａ）に示す上端が縦回転軸Ｂ１’に近接した第１位置と、図７（ｂ）、（ｃ）に示す上端が縦回転軸Ｂ１’から離隔した第２位置との間で揺動可能としても良い。翼１３の揺動は、縦回転軸Ｂ１’と翼１３とを連結するワイヤ１４の長さを可変制御して行う。強風時には翼１３を図７（ａ）に示す第１位置に位置決めして翼１３を保護し、適正風時には翼１３を図７（ｂ）に示す翼１３が適度に揺動した第１段階の第２位置に位置決めして発電し、縦回転軸風車Ｂ１の保守点検時には、翼１３を図７（ｃ）に示す略９０度揺動した第２段階の第２位置に位置決めし、翼１３を水面に接近させて、保守点検作業を容易化する。
翼１３を揺動可能に構成した揚力型縦回転軸風車Ｂ１において、図７（ｄ）に示すように、縦回転軸Ｂ１’と翼１３とを、３個以上の旋回関節１５を有するリンク機構１６で連結すれば、翼１３の基部からのみならず、翼１３の長手方向中間部からも、縦回転軸Ｂ１’を介して第１浮体１に回転トルクを伝達することができる。この結果、翼１３の耐久性が向上する。

図２（ｂ）の水流発電装置Ｅにおいて、第１浮体１と縦回転軸水車Ｄの翼１７とにバラスト水収納空間を設け、発電時に第１浮体１と翼１７とにバラスト水を注入して図３（ｂ）に示すように縦回転軸水車Ｄを直立させるように構成しても良い。縦回転軸水車Ｄの保守点検時に、第１浮体１と翼１７のバラスト水を排出し翼１７を浮上させて横倒しにし、縦回転軸水車Ｄから錘６を吊り下げている場合には図３（ｄ）に示すように吊り下げ用の索を繰り出して錘６を着底させると共に第１浮体１と翼１７のバラストを排出し翼１７を浮上させ横倒しにし、縦回転軸水車Ｄを水面に接近させて、保守点検作業を容易化することができる。
図２（ｂ）の水流発電装置Ｅにおいて、図４（ａ）、（ｂ）と同様に、第１浮体１に収容されて第１浮体の周側面から径方向に出没可能な制動体、又は第１浮体１の周側面に取り付けられて第１浮体１の周側面に沿って延在する閉位置と第１浮体１の周側面から径方向へ突出した開位置との間で揺動可能な制動体を配設しても良い。制動体を第１浮体１に設けることにより、事故発生時等に回転中の第１浮体１を緊急停止させることが可能になる。

一対の第１浮体１と、一対の第１浮体１に固定されて下方へ延びる一対の縦回転軸水車Ｄと、一対の第１浮体１を取り巻く第２浮体２と、第２浮体２に取り付けられて一対の第１浮体１に当接する一対の３個のローラー４と、各ローラー４に取り付けられた発電機５とで、水流発電装置を構成し、第２浮体２を中間ブイ付多点係留しても良い。図５（ｂ）と同様に、第２浮体２と中間ブイ１０とを連する係留索１１を、上面視で、一対の第１浮体１の回転軸線を結ぶ第１直線Ｘ’の前記一対の第１浮体１間の中間点を通り第１直線Ｘ’に直交する第２直線Ｙ’に関して線対称に配設する。
第２浮体２と中間ブイ１０とを連結する係留索１１が、上面視で、一対の第１浮体１の回転軸線を結ぶ第１直線Ｘ’の前記一対の第１浮体１間の中間点を通り第１直線Ｘ’に直交する第２直線Ｙ’に関して線対称に配設されているので、水流発電装置Ｅの稼働時に、第２浮体２は中間ブイ１０の下流側に在り、前記一対の第１浮体１の回転軸線を結ぶ第１直線Ｘ’は水流に正対し、一対の縦回転軸水車Ｄは互いに逆方向に回転する。この結果、一対の第１浮体１から第２浮体２に伝達されるトルクが相殺され、第２浮体２の回転が防止される。また一対の縦回転軸水車Ｄがマグヌス効果によって受ける横方向力も互いに相殺される。この結果、係留が容易化されて係留コストが低減する。
単一の縦回転軸風水車Ｄと単一の第１浮体１と第２浮体２とから成る水流発電装置を係留する際には、図５（ｄ）と同様に、径方向外方へ延びる腕部材１２を第２浮体２に固定し、腕部材１２から中間ブイ１０へ係留索１１を延ばして、第２浮体２を中間ブイ付一点係留するのが望ましい。腕部材１２を設けて第２浮体２の回転レバーを増加させることにより、第１浮体１から第２浮体２へ伝達されるトルクを打ち消すために係留索１１に発生する張力を低減することができる。

図２（ｂ）の水流発電装置Ｅにおいて、図６（ａ）と同様に、縦回転軸水車Ｄを周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する長尺の翼を有する揚力型縦回転軸水車とし、前記複数の翼を周方向の相対位置関係を維持しつつ、水車縦回転軸回りに捩じって、揚力型縦回転軸水車を螺旋水車としても良い。複数の上下に延在する翼を周方向の相対位置関係を維持しつつ、水車縦回転軸回りに捩じると、図６（ｂ）と同様に、上面視で、各翼が基部から先端へ向けて水車縦回転軸回りに周方向に延在することになる。この結果、水車回転時のトルク変動が低減する。また停止していた水車が起動する際に、図６（ｃ）と同様に、複数の翼の何れかの一部が、翼後縁から翼前縁へ向かう水流中に置かれることになり、翼前縁側に渦が発生して負圧が発生し、起動トルクが発生する。この結果、水車の起動が容易になる。

図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図５（ｃ）、図６（ａ）の風力発電装置において、縦回転軸Ｂ’、Ｂ１’から径方向に延び縦回転軸風車Ｂ、Ｂ１の羽根である長尺の翼１３に連結して翼１３を支持するアーム１８の空気抵抗を低減させるために、アーム１８に翼型断面のカバーを取り付けるのが望ましい。
特許文献１の洋上風力エネルギー取出装置では縦回転軸は略鉛直に延在するので、縦回転軸と羽根とを連結するアームに翼型断面のカバーを取り付けてもカバーは相対空気流に対して迎角を持たず、揚力を発生させない。しかし図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）、図５（ｃ）、図６（ａ）の風力発電装置では、図３（ａ）から分かるように風力発電装置の稼働時に縦回転軸風車Ｂ、Ｂ１は風下側に傾斜するので、図８（ａ）に示すように、アーム１８に取り付けた翼型断面のカバー２０は相対空気流に対して迎角を持ち、揚力を発生させると共に翼端部に誘導抵抗も発生させる。従って、揚力と誘導抵抗とが縦回転軸風車Ｂ、Ｂ１のトルクに与える影響を考慮する必要がある。
図８（ｂ）に示すように、揚力はカバー２０の前縁方向へ傾斜するので縦回転軸風車Ｂ、Ｂ１のトルクに寄与する。カバー２０のアスペクト比を大きくすれば誘導抵抗が小さくなり揚抗比が大きくなるので、アーム１８に固定されたカバー２０は縦回転軸風車Ｂ、Ｂ１のトルク発生に寄与する。
カバー２０のアスペクト比が小さい場合には、誘導抵抗が大きくなり揚抗比が小さくなるので、カバー２０は縦回転軸風車Ｂ、Ｂ１のトルク発生に対する抵抗となる。この場合には、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、カバー２０をアーム１８の長手軸線回りに回動自在とし、カバー２０が相対空気流に対して迎角を持たないようにして、カバー２０による揚力発生、ひいては誘導抵抗発生を抑制するのが望ましい。尚、カバー２０の前縁内部又は前縁外部に、釣合錘２１を設ける必要がある。
カバー２０のアスペクト比が小さい場合に、図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、弦長方向中央部がアーム１８に固定されたカバー２０の後縁部２０ａをアーム１８の長手軸線と平行に延在する軸線回りに回動自在とし、後縁部２０ａが相対空気流に対して迎角を持たず、後縁部２０ａでの揚力発生、ひいては誘導抵抗発生が抑制されるようにして、カバー２０に発生する誘導抵抗を低減させても良い。尚、カバー後縁部２０ａの前縁部に、釣合錘２２を設ける必要がある。
図３（ｂ）の水流発電装置においても、前述の風力発電装置と同様に、縦回転軸Ｄ’から径方向に延び縦回転軸水車Ｄの羽根である長尺の翼１７に連結して翼１７を支持するアーム１９の流体抵抗を低減させるために、アーム１９に翼型断面のカバーを取り付けるのが望ましい。
図３（ｂ）から分かるように水流発電装置の稼働時に縦回転軸水車Ｄは下流側へ傾斜するので、前述の風力発電装置と同様に、アーム１９に固定したカバーのアスペクト比を大きくしてカバーに発生する揚力を縦回転軸水車のトルクに寄与させ、カバーのアスペクト比が小さい場合には、カバーをアーム１９の長手軸線に回動自在に取り付けてカバーによる揚力発生、ひいては誘導抵抗発生を抑制し、或いはアームに固定したカバーの後縁部をアームの長手軸線に平行に延在する軸線回りに回動自在とし、後縁部での揚力発生、ひいては誘導抵抗発生が抑制されるようにして、カバーに発生する誘導抵抗を低減させても良い。この場合も、カバーの前縁部に釣合錘２１と同様の錘を設け、またカバー後縁部の前縁部に釣合錘２２と同様の錘を設ける必要がある。

本発明で使用する縦回転軸風車、縦回転軸水車は、特定型式のものに限定されない。ダリウス型、ジャイロミル型、サポニウス型、クロスフロー型等、種々型式のものを使用可能である。

本発明は、水上に設置する発電装置、被駆動機器の駆動装置等に広く利用可能である。

Ａ 自然エネルギー取出装置
Ｂ、Ｂ１ 縦回転軸風車
Ｂ’、Ｂ１’ 縦回転軸
Ｃ 風力発電装置
Ｄ 縦回転軸水車
Ｄ’ 縦回転軸
Ｅ 水流発電装置
Ｘ 中心軸線
Ｙ、Ｚ 軸線
Ｘ’ 第１直線
Ｙ’ 第２直線
１ 第１浮体
２ 第２浮体
２ａ 浮体
２ｂ 腕部材
３ 支持腕
４ ローラー
５ 発電機
６ 錘
７ 避雷針
８、９ 制動体
１０ 中間ブイ
１１ 係留索
１２ 腕部材
１３、１７ 翼
１４ ワイヤー
１５ 旋回関節
１６ リンク機構
１８、１９ アーム
２０ カバー
２０ａ 後縁部
２１、２２ 釣合錘

Claims (21)

1. 揺動可能な縦回転軸を形成し風又は水流によって回転駆動される第１浮体と、係留されて第１浮体を取り巻く第２浮体とを備え、第１浮体は、縦回転軸に直交する軸線回りの第２浮体に対する相対揺動と、縦回転軸延在方向の第２浮体に対する相対直進運動とが可能であり、更に第２浮体に取り付けられて第１浮体の回転運動エネルギーを被駆動機器の駆動トルクに変換する動力伝達装置を備え、水上に設置されることを特徴とする自然エネルギー取出装置。
2. 請求項１に記載の自然エネルギー取出装置と、当該装置の第１浮体に固定されて上方へ延びる縦回転軸風車とを備え、被駆動機器は発電機であることを特徴とする風力発電装置。
3. 複数の動力伝達装置と発電機とが配設されていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
4. 第１浮体の下端部に固定され或いは第１浮体の下端から吊り下げられた錘を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の風力発電装置。
5. 縦回転軸風車に取り付けられた避雷針を備えることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の風力発電装置。
6. 第１浮体に収容されて第１浮体の周側面から径方向に出没可能な制動体、又は第１浮体の周側面に取り付けられて第１浮体の周側面に沿って延在する閉位置と第１浮体の周側面から径方向へ突出した開位置との間で揺動可能な制動体を備えることを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の風力発電装置。
7. 第１浮体はバラスト水収納空間を備え、発電時には第１浮体にバラスト水が注入されていることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の風力発電装置。
8. 一対の第１浮体と、前記一対の第１浮体に固定されて上方へ延びる一対の縦回転軸風車と、係留されて前記一対の第１浮体を取り巻く第２浮体と、第２浮体に取り付けられて前記一対の第１浮体の回転運動エネルギーを被駆動機器の駆動トルクに変換する動力伝達装置とを備え、第２浮体は中間ブイ付多点係留され、第２浮体と中間ブイとを連結する係留索は、上面視で、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線の前記一対の第１浮体間の中間点を通り第１直線に直交する第２直線に関して線対称に配設されていることを特徴とする請求項２乃至７の何れか１項に記載の風力発電装置。
9. 縦回転軸風車は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する翼を有する揚力型縦回転軸風車であり、前記複数の翼は周方向の相対位置関係を維持しつつ、風車縦回転軸回りに捩じられていることを特徴とする請求項２乃至８の何れか１項に記載の風力発電装置。
10. 縦回転軸風車は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する翼を有する揚力型縦回転軸風車であり、前記翼は上端が風車縦回転軸に近接した第１位置と上端が風車縦回転軸から離隔した第２位置との間で揺動可能であることを特徴とする請求項２乃至８の何れか１項に記載の風力発電装置。
11. 縦回転軸風車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに固定されていることを特徴とする請求項２乃至９の何れか１項に記載の風力発電装置。
12. 縦回転軸風車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに取り付けられており、前記カバーの全体がアームの長手軸線回りに回動可能であるか、又は前記カバーの後縁部がアームの長手軸線に平行な軸線回りに回動可能であることを特徴とする請求項２乃至９の何れか１項に記載の風力発電装置。
13. 請求項１に記載の自然エネルギー取出装置と、当該装置の第１浮体に固定されて下方へ延びる縦回転軸水車とを備え、被駆動機器は発電機であることを特徴とする水流発電装置。
14. 複数の動力伝達装置と発電機とが配設されていることを特徴とする請求項１３に記載の水流発電装置。
15. 縦回転軸水車の縦回転軸の下端部に固定され或いは縦回転軸の下端から吊り下げられた錘を備えることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の水流発電装置。
16. 第１浮体に収容されて第１浮体の周側面から径方向に出没可能な制動体、又は第１浮体の周側面に取り付けられて第１浮体の周側面に沿って延在する閉位置と第１浮体の周側面から径方向へ突出した開位置との間で揺動可能な制動体を備えることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか１項に記載の水流発電装置。
17. 第１浮体と縦回転軸水車とはバラスト水収納空間を備え、発電時には第１浮体と縦回転軸水車とにバラスト水が注入されていることを特徴とする請求項１３乃至１６の何れか１項に記載の水流発電装置。
18. 一対の第１浮体と、前記一対の第１浮体に固定されて下方へ延びる一対の縦回転軸水車と、係留されて前記一対の第１浮体を取り巻く第２浮体と、第２浮体に取り付けられて前記一対の第１浮体の回転運動エネルギーを被駆動機器の駆動トルクに変換する動力伝達装置とを備え、第２浮体は中間ブイ付多点係留され、第２浮体と中間ブイとを連結する係留索は、上面視で、前記一対の第１浮体の回転軸線を結ぶ第１直線の前記一対の第１浮体間の中間点を通り第１直線に直交する第２直線に関して線対称に配設されていることを特徴とする請求項１３乃至１７の何れか１項に記載の水流発電装置。
19. 縦回転軸水車は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の上下に延在する翼を有する揚力型縦回転軸水車であり、前記複数の翼は周方向の相対位置関係を維持しつつ、水車縦回転軸回りに捩じられていることを特徴とする請求項１３乃至１８の何れか１項に記載の水流発電装置。
20. 縦回転軸水車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに固定されていることを特徴とする請求項１３乃至１９の何れか１項に記載の水流発電装置。
21. 縦回転軸水車は縦回転軸から径方向に延び羽根に連結して羽根を支持するアームを備え、翼型断面のカバーがアームに取り付けられており、前記カバーの全体がアームの長手軸線回りに回動可能であるか、又は前記カバーの後縁部がアームの長手軸線に平行な軸線回りに回動可能であることを特徴とする請求項１３乃至１９の何れか１項に記載の水流発電装置。

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