JP5863575B2 - 水流発電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水流発電装置に関する。

水を動力として用いる発電システムには、ダムなどの高低差を利用した水車による発電、海の波力、潮汐を利用する発電、浸透膜や温度差を利用する発電など数多くの種類が存在する。中でも大容量のエネルギが容易に得られる発電システムは、高低差を利用する発電システム以外では、潮流や海流などの海水の流れを利用する発電システムである。

しかしながら、海水の流れを利用する潮流発電システムや海流発電システムは、大容量機に関しては改良の余地を残しており、欧州の一部で先行して開発が進められている。

ところで、プロペラ型の海流（又は潮流）発電装置は、海流の運動エネルギを翼を介して回転エネルギに変換し、この回転エネルギで発電機を駆動することによって発電を行うものである。したがって、海流発電装置は、翼の回転数の増加や翼径の増大によりそれ相応の発電量を得ることができる。また、翼自体の高性能化を図ることなどによっても、発電用のエネルギをより多く取り出すことが可能となる。

しかしながら、翼の高性能化や高効率化を図るための既存の技術は、既にいくつか提案されてはいるものの、機構の複雑化を招く傾向にある。一方、翼の回転数の増加は、いわゆるキャビテーションを生じさせやすくすると共に、翼端渦の発生も顕著となり、翼自体や翼周辺の海中の生態系などに悪影響を及ぼすことが考えられる。また、翼径の増大は、翼と船舶との接触や、翼と海底との接触が懸念される。このため、所定寸法を超えて翼径を増大させる設計は、難しくなっている。

特許第４５３５３７８号公報 米国特許第７，８３０，０３３号 米国特許第７，９４８，１０７号 特許第４００１４８５号公報 米国特許出願公開第２０１１／００８１２５１号 米国特許第６，０９１，１６１号

そこで、翼の回転数や翼径を増大させずに高出力を得る翼形状を考える必要がある。例えば風車で通常使用される翼を海流発電用の翼として適用することを想定した場合、作動流体の密度やレイノルズ数の違いから翼のコード長を長くする設計が必要である。これは風車用の翼のコード長を長くすることで海中での周速比が小さくなる状況が得られ、これにより海中で翼を所定の定格回転数で回転させることを可能にする。しかしながら、上述した理由から、風車用の翼を海流発電用の翼としてそのまま適用することは難しくなっている。

このような事情を踏まえたうえで、本発明が解決しようとする課題は、水流を有効に活用することにより発電の効率を高めることができる水流発電装置を提供することである。

実施の形態の水流発電装置は、回転軸、翼、筐体及び水流誘導部を備えている。回転軸は、発電機側に動力を伝達する。翼は、回転軸に対して基端部側が一体的に固定され、水流を受けて回転軸と共に回転する。筐体は、発電機を内蔵し翼よりも水流の上流側に設けられている。水流誘導部は、筐体の外形部分によって構成され、筐体で受けた水流を放射状に広げるようにして翼の先端部側方向に誘導する。

第１の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す図。 図１の水流発電装置の構成をより具体的に示す図。 比較例の水流発電装置の構成を示す図。 図２の水流発電装置とはナセルの構造が異なる他の水流発電装置の構成を示す図。 図２の水流発電装置とはボス及びその周辺の構造が異なる他の水流発電装置の構成を示す図。 第２の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す図。 図３に示した比較例の水流発電装置において、翼近傍で生じる水流について説明するための図。 図６の水流発電装置とはナセルの構造が異なる他の水流発電装置の構成を示す図。 第３の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す図。 図９の水流発電装置とは翼の構造が異なる他の水流発電装置の構成を示す図。 第４の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１に示すように、例えば一対で用いられる本実施形態の水流発電装置１０、２０は、海中１６に設置されるプロペラ型の海流発電（又は潮流発電）システムである。水流発電装置１０、２０は、連結部材１２によって互いが連結されており、さらに係留ロープ１４を介して例えば水深２００ｍを超える海底１５にアンカ（係留）されている。

図１、図２に示すように、一対の水流発電装置１０、２０は、筐体としてのナセル２と、複数の翼３と、翼３を支持するボス５と、をそれぞれ備えている。ナセル２、ボス５及び翼３は、海水に対しての耐腐食性の高い材料や、耐腐食性の高い塗料をコーティングした材料を用いて構成されている。

ナセル２は、水密構造を有し、図２に示すように、発電機８や変速機構７ｂなどが内蔵（収容）されている。また、ナセル２は、所定の浮力を有している。ここで、一対の水流発電装置１０、２０は、各々が備える翼３が逆方向に回転しさらに同等の推力を発生させることで、互いの位置が静的に確保される。

図２に示すように、ボス５は、翼３の基端部側を支持する支持部としての機能を有する。また、ボス５は、ナセル２と同様に水密構造を有しており、ナセル２と協働して回転軸７を内蔵する。回転軸７の一端部側は、ナセル２内の変速機構７ｂに連結され、回転軸７の他端部側は、ハブ７ａを介してボス５本体に固定されている。つまり、翼３は、その基端部側が、ボス５（ハブ７ａ）を介して回転軸７に一体的に固定されており、翼３本体が水流を受けると回転軸７（ボス５）と共に一体となって回転する。

回転軸７の動力（駆動力）は、ナセル２内の発電機８に伝達される。具体的には、回転軸７の回転は、変速機構７ｂによって減速又は増速され、変速機構７ｂと発電機８との間の伝達軸７ｃを介して発電機８側に伝達される。

翼３は、水流発電装置１０、２０ごとに例えば２つ又は３つずつ設けられている。例えば翼３が３つの場合、個々の翼３は、それぞれの基端部側がボス５（回転軸７）の軸まわりに１２０°の間隔をおいて各々固定されている。また、回転軸７が一定の方向に回転する回転力を翼３のそれぞれから得られるように、個々の翼３は、圧力面（正圧面）及び負圧面のそれぞれが一定の向きにそろう形状に形成されている。

このように構成された各翼３は、図２に示すように、水流（海流）Ｆ１から得た運動エネルギを回転エネルギに変換する。一方、翼３と共に一体となって回転する回転軸７は、変換された回転エネルギを、変速機構７ｂ、伝達軸７ｃを介してナセル２内の発電機８に伝達し、発電機８は、この回転エネルギを用いて発電を行う。

次に、ナセル２の特徴的構成について説明する。図２に示すように、ナセル２は、翼３よりも海流Ｆ１の上流側に設けられている。ナセル２は、略円錐形状に形成されており、回転軸７と同軸的に配置されている。ナセル２は、ナセル２本体の外形部分によって構成された水流受け部２ａ及び水流誘導部２ｂを有している。水流受け部２ａは、図２に示すように、ナセル２本体において海流Ｆ１の最上流側に設けられており、上記の略円錐形状の頂点部分を構成する。この水流受け部２ａの表面は、球面状に形成されている。

一方、水流誘導部２ｂは、図２に示すように、上記した略円錐形状の側面部分で構成されている。より具体的には、水流誘導部２ｂは、水流Ｆ１の上流側から下流側に向かうにつれて、ナセル２の外形部分における外周長が増大して行く形状で構成されている。つまり、水流誘導部２ｂは、ナセル２本体の水流受け部２ａで受けた水流Ｆ１を、放射状に広げるようにして（放射状に分散して）各翼３のチップ側方向（翼の先端部側方向）に誘導する。

詳述すると、翼３を回転させる力を高めようとする場合、回転軸７の軸周りの力のモーメント（トルク）を考慮すると、図２に示すように、相対的に、ハブ７ａ側（翼の基端部側）よりも翼３のチップ側に水流Ｆ２を導いたほうが、翼３の回転力の向上には効果的である。そこで、本実施形態の水流発電装置１０、２０では、水流Ｆ１、Ｆ２を放射状に広げて翼３のチップ側方向に導く水流誘導部２ｂをナセル２に設けたことで、発電のための回転エネルギを効率的に、より多く取り出すことが可能となる。

ここで、図３を用いて比較例のナセル１００について説明する。比較例のナセル１００は、翼３と一体となって回転するボス９５を、上流側ナセル部９２ａと下流側ナセル部９２ｂとで挟んだ構成の円柱状のナセル９２を備えている。つまり、円柱状のナセル９２は、ナセル２本体の外形部分における外周長が、水流Ｆ１の上流側、下流側のいずれにおいても、等しくなるように構成されている。したがって、図３に示すように、比較例のナセル１００は、水流Ｆ３が放射状に広がることはなく、そのまま翼３の基端部側に導かれる。このため、比較例のナセル１００は、上記した力のモーメントの観点から、翼３の回転力を向上させることが難しくなっている。

これに対して、本実施形態の水流発電装置１０、２０では、図２に示すように、略円錐形状に構成されたナセル２の水流誘導部２ｂによって、水流Ｆ２が翼３のチップ側方向に誘導され、これにより、流体力が効果的に翼３に作用し翼３の回転力を増大させることができる。したがって、本実施形態の水流発電装置１０、２０によれば、水流（海流）Ｆ１の有効な活用によって発電の効率を高めることができる。

また、水流発電装置１０、２０が備えるナセル２に代えて、図４に示すように、ナセル３２を備えた水流発電装置３０によっても、水流発電装置１０、２０と同様の効果を得ることができる。図４に示すように、水流発電装置３０におけるナセル３２の外形部分は、水流Ｆ１の上流側に配置される上流側外形部分３２ｃと水流Ｆ１の下流側に配置される下流側外形部分３２ｄとに区分される。

上流側外形部分３２ｃは、円柱状に形成されている。一方、下流側外形部分３２ｄは、水流Ｆ１、Ｆ５の上流側から下流側に向かうにつれて末広がりとなる形状で形成されている。ナセル３２が備える水流誘導部３２ｂは、このような下流側外形部分３２ｄによって構成されている。言い換えると、水流誘導部３２ｂにおいてその外周長の増大して行く比率は、水流Ｆ１、Ｆ５の上流側から下流側に向かうにつれて増加することになる。

したがって、水流発電装置３０においても、図４に示すように、末広がりのナセル３２の水流誘導部３２ｂによって、水流Ｆ５が翼３のチップ側方向に導かれることになるので、翼３の回転力が増大し発電の効率を向上させることが可能となる。

なお、翼３よりも水流Ｆ１、Ｆ５の下流側に位置するボスの構造は、発電効率を向上させるうえで特に制約を受けるものではないため、図２に示したボス５を、例えば図５に示すように、翼３と一体となって回転するボス１５と、回転しない下流側ナセル部９とに分けた水流発電装置４０を構成してもよい。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図６〜図８に基づき説明する。なお、これらの図において、図１〜図５に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

この実施形態では、第１の実施形態と同様、翼の回転方向が互いに異なる例えば一対の図６に示す水流発電装置５０が適用される。この水流発電装置５０は、図１、図２に示した第１の実施形態の水流発電装置１０、２０の翼３に代えて、図６に示すように、翼５３を備えている。

翼５３は、水流発電装置５０ごとに例えば２つ又は３つずつ設けられている。個々の翼５３は、図６に示すように、ハブ７ａ側（翼の基端部側）よりもチップ側（翼の先端部側）が水流Ｆ１の下流側に位置する形状で構成されている。

ここで、図７に示すように、円柱状のナセル９２を備える上述した比較例の水流発電装置１００では、ナセル９２の円柱状の外形部分に沿って直線的に進行する水流Ｆ３が翼３表面に軸方向から接触した後、この向きとほぼ直交する翼３の径方向（外周方向）に急激に向きを変える局所的な水流（乱流）Ｆ７を生じさせることになる。

この局所的な水流Ｆ７は、翼３が閉止板のように作用することで発生する。この場合、急激に進行方向を変える局所的な流れによって流体エネルギの損失を招く結果となる。また局所的な水流Ｆ７は、翼３における径方向の基端部側（ハブ７ａ側）より発生し、翼３の先端部側（チップ側）へ向かうにつれて増大して行く乱流となる。

そこで、本実施形態の水流発電装置５０は、図６に示すように、翼５３を、基端部側よりも先端部側が水流Ｆ１の下流側に位置する後退翼とすることで、翼近傍での水流の向きの急激な変化を抑制し、乱流の発生を抑えるものである。したがって、水流発電装置５０によれば、水流を放射状に広げる水流誘導部２ｂをナセル２に設け、しかも翼５３を後退翼にしたことで、第１の実施形態の効果に加え、翼近傍での流体エネルギの損失を低減でき、これにより、翼５３において効果的にトルクを発生させることが可能となる。

また、水流発電装置５０が備えるナセル２に代えて、図８に示すように、前述した末広がり形状のナセル３２を設けた水流発電装置６０によっても、水流発電装置５０と同様の効果を期待できる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施形態を図９、図１０に基づき説明する。なお、図９、図１０において、図１〜図５に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。また、図９、図１０は、後述する水流発電装置７０、８０を、それぞれ水流（海流）の上流側方向からみた図である。

この実施形態では、第１の実施形態と同様に、翼の回転方向が互いに異なる例えば一対の図９に示す水流発電装置７０が適用される。この水流発電装置７０は、図１、図２に示した第１の実施形態の水流発電装置１０、２０の翼３に代えて、図９に示すように、翼７３を備えている。

翼７３は、水流発電装置７０ごとに例えば２つ又は３つずつ設けられている。図９に示すように、個々の翼７３の基端部側から先端部側に向かう長さ方向の中央部分７３ａには、翼７３の回転方向Ｒと相対する方向に中央部分７３ａを膨出させるようにスキュー角が付与されている。

これにより、水流発電装置７０では、図９に示すように、翼７３の径方向の基端部側（ハブ７ａ側）で発生し得る乱流Ｆ９（図７で例示した急激に進行方向を変える水流Ｆ７）が、上記のスキュー角が付与されたことで、翼７３の先端部側（チップ側）へ伝播されることを抑制できる。

したがって、本実施形態の水流発電装置７０では、翼近傍での流体エネルギの損失（乱流Ｆ９の増大）を抑えることで、翼７３が効果的にトルクを発生させることが可能となる。つまり、水流発電装置７０によれば、翼７３の高性能化及び高効率化によって、水流（海流）を有効に活用して発電の効率を高めることができる。

また、水流発電装置７０が備える翼７３に代えて、図１０に示すように、翼８３を設けた水流発電装置８０によっても、水流発電装置７０と同様の効果を得ることができる。水流発電装置８０の翼８３の全体には、図１０に示すように、翼８３の基端部側（ハブ側）よりも先端部側（チップ側）を、より翼８３の回転方向Ｒ側に後退させるようにスキュー角が付与されている。

したがって、水流発電装置８０においても、図１０に示すように、翼８３の径方向の基端部側で生じ得る乱流Ｆ１０が、前記のスキュー角が付与されたことで、翼８３の先端部側へ伝播されることを抑制でき、翼８３の高性能化及び高効率化を図ることができる。なお、本実施形態の翼７３、８３の構成を、もちろん、図２、図４、図５、図６、図８で例示した水流発電装置の翼の構成に追加してもよい。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施形態を図１１に基づき説明する。なお、この図１１において、図１〜図５に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

この実施形態では、第１の実施形態と同様、翼の回転方向が互いに異なる例えば一対の図１１に示す水流発電装置９０が適用される。この水流発電装置９０は、図１、図２に示した第１の実施形態の水流発電装置１０、２０の翼３に代えて、図１１に示すように、翼９３を備えている。

翼９３は、水流発電装置９０ごとに例えば２つ又は３つずつ設けられている。個々の翼９３は、図１１に示すように、ハブ７ａ側（翼の基端部側）よりもチップ側（翼の先端部側）が水流Ｆ１の上流側に位置する形状で構成されている。

つまり、水流発電装置９０では、翼９３においてトルクを発生するうえで有利なチップ側へ水流Ｆ１、Ｆ２を導くナセル２を備えていること、及びその導かれた水流Ｆ１、Ｆ２を受けるように翼９３のチップ側が前進していること、によって、第２、第３の実施形態で述べたハブ側より発生してチップ側へ向かう局所的な乱流（水流Ｆ１１）の影響を直接受けることなく、導かれた水流Ｆ１、Ｆ２を効率的に回転エネルギへ変換することが可能となる。これにより、翼の例えば回転数や翼径を増大させることなく、水流Ｆ１、Ｆ２の運動エネルギを効率良く取り入れることができる。

したがって、本実施形態の水流発電装置９０によれば、水流（海流）Ｆ１、Ｆ２の有効な活用によって発電の効率を高めることができる。なお、本実施形態の翼９３の構成を図２、図４、図５、図９、図１０で例示した水流発電装置の翼の構成に追加してもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１〜第４の実施形態では、主に海流発電や潮流発電など、海水の流れを利用した発電について例示したが、水深方向に対して直交する方向から水流を得られる環境であれば、海中以外の例えば河川などの水中においても、第１〜第４の実施形態の水流発電装置を適用することが可能である。

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０…水流発電装置、２，３２…ナセル、２ｂ、３２ｂ…水流誘導部、３，５３，７３，８３，９３…翼、５，１５…ボス、７…回転軸、７ａ…ハブ、７ｃ…伝達軸、８…発電機、３２ｃ…上流側外形部分、３２ｄ…下流側外径部分、９…下流側ナセル、７３ａ…翼の中央部分、Ｆ１…水流（海流）、Ｆ２，Ｆ５…水流。

Claims (8)

1. 発電機側に動力を伝達する回転軸と、
   前記回転軸に対して基端部側が一体的に固定され、水流を受けて前記回転軸と共に回転する翼と、
   前記発電機を内蔵し前記翼よりも前記水流の上流側に設けられた筐体と、
   前記筐体の外形部分によって構成され、当該筐体で受けた前記水流を放射状に広げるようにして前記翼の先端部側方向に誘導する水流誘導部と、
   を具備する水流発電装置。
2. 前記水流誘導部は、前記水流の上流側から下流側に向かうにつれて前記筐体の前記外形部分における外周長が増大して行く形状で構成されている、
   請求項１記載の水流発電装置。
3. 前記水流誘導部において前記外周長の増大して行く比率は、前記水流の上流側から下流側に向かうにつれて増加する、
   請求項２記載の水流発電装置。
4. 前記筐体の外形部分は、前記水流の上流側に配置される上流側外形部分と前記水流の下流側に配置される下流側外形部分とに区分され、
   前記水流誘導部は、前記下流側外形部分によって構成されている、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水流発電装置。
5. 前記翼は、基端部側よりも先端部側が前記水流の下流側に位置する形状で構成されている、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水流発電装置。
6. 前記翼は、基端部側よりも先端部側が前記水流の上流側に位置する形状で構成されている、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水流発電装置。
7. 前記翼の長さ方向における中央部分には、前記翼の回転方向と相対する方向に前記中央部分を膨出させるようにスキュー角が付与されている、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水流発電装置。
8. 前記翼の全体には、前記翼の基端部側よりも先端部側を、より前記翼の回転方向に後退させるようにスキュー角が付与されている、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水流発電装置。

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