JP5897534B2 - 潮汐利用発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、潮汐を利用して発電する潮汐利用発電装置に関する。

潮汐を利用した発電装置として、例えば特許文献１には、浮力のある物質に歯車のついた支柱を取り付け、その支柱の歯に連動して動くように、陸上部に歯車を設置し、潮の満ち引きによって、台が上下に動き、それによって歯車が回転し、モーターを回して発電が行われるようにしたものが記載されている。また、特許文献２，３には、複数の滑車または歯車を組み合わせることにより増速して、発電機のシャフトを回転させるようにしたものが記載されている。

実開平６−１４４７３号公報 特開平７−１９１５４号公報 特開平１０−２７４１４５号公報

上記従来の潮汐を利用した発電装置は、いずれも潮汐による浮体の上下運動を回転運動に変換して発電機を直接回転させることにより発電を行うものであるが、潮位が変化する速度は非常に小さく、特許文献１に記載の発電装置では発電に必要な回転速度を得ることは不可能である。また、特許文献２，３に記載の発電装置では、理論上は増速して発電機を回転させれば良いと思われるが、実際には増速比がとてつもなく大きくなるため、増速機構に掛かる負荷が非常に大きく、増速機構を破壊せずにきちんと増速できるかどうか不明である。

そこで、本発明においては、非常に小さな潮位の変化であっても効率良くエネルギーを蓄積して発電することが可能な潮汐利用発電装置を提供することを目的とする。

本発明の潮汐利用発電装置は、海面に浮いて潮位の変化に伴い上下に移動する浮体と、浮体の上下運動を回転運動に変換する変換機構と、変換機構により変換された回転運動により巻かれる発条と、発条により回転駆動される発電機とを含むものである。本発明の潮汐利用発電装置によれば、非常に小さな潮位の変化であっても、この潮位の変化に伴い上下に移動する浮体の上下運動が回転運動に変換され、この回転運動により発条が巻かれる。これにより、発条に潮汐のエネルギーが随時蓄積されるので、必要時にはこの発条により発電機を回転駆動することで、発電することができる。

また、本発明の潮汐利用発電装置は、変換機構と発条との間に設けられ、変換機構により変換された回転運動が発条を巻く方向の回転運動のときのみ連結するクラッチを含むものであることが望ましい。これにより、潮位の変化に伴い浮体が上方向または下方向の一方向に移動する際、変換により変換される回転運動が発条を巻く方向となるときのみクラッチが連結され、発条に潮汐のエネルギーが随時蓄積される。また、潮汐だけでなく、波による浮体の上下運動に対しても、変換により変換される回転運動が発条を巻く方向となるときのみクラッチが連結されるので、発条に波による潮位変化のエネルギーまでもが随時蓄積される。

また、本発明の潮汐利用発電装置は、発条およびクラッチを複数備え、複数のクラッチは、浮体の上下に応じて複数の発条を交互に巻くようにそれぞれ断続されるものであることが望ましい。これにより、潮位の変化に伴い浮体が上方向または下方向のいずれの方向に移動する場合であっても、変換機構により変換される回転運動がそれぞれの発条を巻く方向となるときのみそれぞれのクラッチが連結され、それぞれの発条に潮汐のエネルギーが随時蓄積される。また、波により浮体が上下方向に移動する場合にも、複数の発条に波による潮位変化のエネルギーまでもがそれぞれ随時蓄積される。

また、変換機構は、浮体に固定されたナットにより発条に連結されるねじ軸を回転させるボールねじであることが望ましい。これにより、浮体の上下運動をねじ軸の回転運動へスムーズに変換することができ、このねじ軸により発条を巻いてエネルギーを蓄積することができる。

（１）海面に浮いて潮位の変化に伴い上下に移動する浮体と、浮体の上下運動を回転運動に変換する変換機構と、変換機構により変換された回転運動により巻かれる発条と、発条により回転駆動される発電機とを含む構成により、非常に小さな潮位の変化であっても発条に潮汐のエネルギーを効率良く随時蓄積して、必要時にはこの発条により発電機を回転駆動することで、発電することができる。

（２）発条およびクラッチを複数備え、複数のクラッチは、浮体の上下に応じて複数の発条を交互に巻くようにそれぞれ断続される構成とすることもできるので、潮位の変化に伴い浮体が上方向または下方向のいずれの方向に移動する場合であっても、変換により変換される回転運動がそれぞれの発条を巻く方向となるときのみそれぞれのクラッチが連結され、それぞれの発条に潮汐のエネルギーを無駄なく蓄積することができる。

本発明の実施の形態における潮汐利用発電装置の概念図である。 潮汐および波による潮位の変化を示す説明図である。 本発明の潮汐利用発電装置のより具体的な実施形態を示す説明図であって、（ａ）は潮が引いた状態を示す図、（ｂ）は潮が満ちた状態を示す図である。 図３の発電機構の詳細構成を示す平面図である。 図４の遊星歯車機構を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 発電機構の別の実施形態を示す平面図である。

図１は本発明の実施の形態における潮汐利用発電装置の概念図である。
図１において、本発明の実施の形態における潮汐利用発電装置１は、海面Ｌに浮いて潮位の変化に伴い上下に移動する浮体２と、浮体２の上下運動を回転運動に変換する変換機構３と、変換機構３により変換された回転運動により巻かれる複数の発条４ａ，４ｂと、発条４ａ，４ｂにより回転駆動される発電機５とを有する。

浮体２は、海面Ｌに浮く浮力を有する物体であり、潮汐および波による潮位の変化に追従して上下に移動するものである。浮体２は、ガイド６によって上下方向にのみ移動するように案内されている。

変換機構３は、浮体２に固定されたナット７ａと、発条４ａに連結されるねじ軸７ｂと、ボール７ｃとからなるボールねじ７と、ねじ軸７ｂの上端に回転軸がねじ軸７ｂと同軸に設けられた平歯車８ａと、平歯車８ａと噛み合って回転する平歯車８ｂとから構成されている。浮体２はガイド６によって上下方向にのみ移動するように案内されているため、浮体２が上下に移動すると、ナット７ａは回転せずにねじ軸７ｂが回転する。

変換機構３と発条４ａ，４ｂとの間、すなわち平歯車８ａ，８ｂと発条４ａ，４ｂとの間には、それぞれクラッチ９ａ，９ｂが設けられている。クラッチ９ａ，９ｂは、変換機構３により変換された回転運動が、それぞれ発条４ａ，４ｂを巻く方向の回転運動のときのみ連結し、開く方向の回転運動のときは連結せずに発条４ａ，４ｂの回転を拘束するものである。クラッチ９ａ，９ｂは、電磁式や機械式等を採用することが可能である。なお、本実施形態においては、浮体２の上下に応じて発条４ａ，４ｂを交互に巻くように、発条４ａ，４ｂの巻き方向が設定されているが、これに限られるものではない。

また、発条４ａ，４ｂと発電機５とは、クラッチ１０ａ，１０ｂおよび平歯車１１ａ，１１ｂ，１１ｃにより連結されている。クラッチ１０ａ，１０ｂは、巻かれた発条４ａ，４ｂを開放して発電機５により発電する際に、発条４ａ，４ｂと平歯車１１ａ，１１ｂとをそれぞれ連結するものである。平歯車１１ｂの回転は、平歯車１１ｃを介して平歯車１１ａに伝達され、発電機５を回転させる。

次に、上記構成の潮汐利用発電装置１の動作について説明する。図２は波および潮汐による潮位の変化を示す説明図である。

図２に示すように、海面Ｌの潮位は、潮汐の振幅だけでなく、これに波の振幅が合成されたものである。本実施形態における潮汐利用発電装置１では、この潮汐および波による潮位の変化に伴って海面Ｌに浮く浮体２が上下に移動した際、この浮体２の上下運動が変換機構３によって回転運動に変換され、この回転運動により発条４ａまたは発条４ｂのいずれか一方が巻かれることになる。

本実施形態においては、浮体２が上方向に移動した場合にクラッチ９ａが連結され、発条４ａが巻かれるようになっている。このとき、クラッチ９ｂは切断されており、発条４ｂは巻かれない。一方、浮体２が下方向に移動した場合には、クラッチ９ｂが連結されて発条４ｂが巻かれ、クラッチ９ａが切断されて発条４ａは巻かれないようになっている。

すなわち、浮体２の上下に応じて複数の発条４ａ，４ｂが交互に巻かれるようになっており、潮汐および波による潮位の変化に伴い浮体２が上方向または下方向のいずれの方向に移動する場合であっても、それぞれの発条４ａ，４ｂを巻く方向となるときのみそれぞれのクラッチ９ａ，９ｂが連結され、それぞれの発条４ａ，４ｂに潮位変化のエネルギーが蓄積される。

そして、発条４ａ，４ｂに蓄積されたエネルギーを利用して発電機５により発電する際には、エネルギーを利用する発条４ａ，４ｂのクラッチ１０ａ，１０ｂを連結し、発条４ａ，４ｂにより発電機５を回転駆動する。このとき、クラッチ１０ａ，１０ｂは交互に連結して発条４ａ，４ｂにより順次発電機５を回転駆動したり、同時に連結して発条４ａ，４ｂの両方により発電機５を回転駆動したりすることが可能である。これにより、１日２回の干満を順次利用して２４時間連続的に発電することも可能となる。

なお、上記実施形態においては、２個の発条４ａ，４ｂおよびクラッチ９ａ，９ｂを備えたものであるが、これらはそれぞれ１個としても良い。また、２個以上を並列または直列に設けた構成とすることも可能である。さらに、発電機５についても複数備えた構成とすることも可能であり、クラッチ１０ａ，１０ｂおよび平歯車８ａ，８ｂ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃについても適宜変更することが可能である。このように装置を増やしたり、大型化したりすることで、大きなエネルギーを取り出すことができる。また、発条４ａ，４ｂにはエネルギーが蓄えられているため、このエネルギーが蓄えられたままの状態で発条４ａ，４ｂを運搬して、別の場所にて発電機を回転駆動して利用することも可能である。

次に、本発明の潮汐利用発電装置のより具体的な実施形態について説明する。図３は本発明の潮汐利用発電装置のより具体的な実施形態を示す説明図であって、（ａ）は潮が引いた状態を示す図、（ｂ）は潮が満ちた状態を示す図、図４は図３の発電機構の詳細構成を示す平面図、図５は図４の遊星歯車機構を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

図３に示す潮汐利用発電装置２０は、枠体２１と、枠体２１内にガイドされて上下に移動する昇降体２２と、昇降体２２の下部に設けられた浮体２３と、昇降体２２の上下運動を回転運動に変換する変換機構２４と、変換機構２４により変換された回転運動により発電を行う発電機構２５とを有する。

枠体２１の上部には、ねじ軸２７ａが回転自在に支持されている。昇降体２２は、浮体２３が海面Ｌに浮くことで、潮位の変化に伴って浮体２３とともに上下に移動する。また、昇降体２２の上部には、ねじ軸２７ａとともにボールねじ２６を構成するナット２７ｂが固定されている。このボールねじ２６によって、昇降体２２の上下の移動によりねじ軸２７ａを回転させる変換機構２４が構成されている。また、ねじ軸２７ａの上部には傘歯車２８が固定されており、この傘歯車２８と噛み合う傘歯車２９を介して発電機構２５の駆動軸３０を回転させる。

発電機構２５は、図４に示すように、駆動軸３０に遊星歯車機構３１を介して連結された発条ユニット３２を備える。発条ユニット３２内には、回転軸３３の回転により巻かれる発条（図示せず。）が内蔵されている。また、回転軸３３には、減速機構３４を介して発電機３５が連結されている。

遊星歯車機構３１は、図５に示すように、太陽歯車３１ａ、遊星歯車３１ｂ、遊星キャリア３１ｃおよび内歯車３１ｄから構成される。太陽歯車３１ａは駆動軸３０に連結され、遊星キャリア３１ｃは回転軸３３に連結されている。

減速機構３４は、回転軸３３に固定されたギア３６の回転を複数のギアの組み合わせにより減速して、発電機３５の駆動軸３７に固定されたギア３８に伝達するものである。また、この減速機構３４の途中には、一方向の回転しか伝達しないワンウェイクラッチ３９が組み込まれており、発条の巻き上げ時にはギア３６の回転を発電機３５へ伝達しないようになっている。

上記構成の潮汐利用発電装置２０では、駆動軸３０の回転により発条を巻き上げる場合には、遊星歯車機構３１の内歯車３１ｄを固定する。これにより、太陽歯車３１ａと遊星キャリア３１ｃとが同じ方向に回転するようになり、駆動軸３０の回転により発条を巻き上げることが可能となる。一方、巻かれた発条により発電する場合には、内歯車３１ｄを開放することにより、駆動軸３０は自由となり、回転軸３３の回転により減速機構３４を通じて発電機３５が駆動される。

次に、上記発電機構の別の実施形態について説明する。図６は発電機構の別の実施形態を示す平面図である。なお、図６において、図４に示した発電機構２５と共通の構成部分については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６に示す発電機構４０では、傘歯車２９に連結された駆動軸３０が、クラッチ４１を介して第２駆動軸４２に接続されている。クラッチ４１は、切換レバー４１ａの位置によって、駆動軸３０と第２駆動軸４２とを結合または分離するものである。第２駆動軸４２はギア４３が固定されている。ギア４３は、回転軸３３に固定されたギア４４と噛み合わされている。

また、回転軸３３には、切換レバー４１ａを作動させるための往復作動機構４５が設けられている。往復作動機構４５は、ボールねじ機構によって回転軸３３の回転方向に応じて左右に移動する移動体４６ａ，４６ｂを備えている。また、発電機構４０は、減速機構３４と同様の減速機構４７を介して発電機３５に接続されている。

上記構成の発電機構４０において、クラッチ４１は、図６に示す切換レバー４１ａの位置（右側位置）では駆動軸３０と第２駆動軸４２とが結合され、駆動軸３０の回転力が第２駆動軸４２へ伝わるようになっている。このとき、傘歯車２９が左回転（図６の左側から見た方向。以下同じ。）すると、第２駆動軸４２も左回転し、ギア４３，４４を介して回転軸３３が右回転し、発条ユニット３２内の発条が巻き上げられるとともに、移動体４６ａ，４６ｂが左方向へ移動していく。

そして、移動体４６ｂが切換レバー４１ａに到達すると、切換レバー４１ａが左側へ押されて左側位置へ切り換えられる。クラッチ４１は、切換レバー４１ａが左側位置にあるとき、駆動軸３０と第２駆動軸４２とが分離される。これにより、第２駆動軸４２が開放され、発条ユニット３２内の発条が開放されるので、回転軸３３が逆回転（左回転）し、減速機構４７を通じて発電機３５が駆動される。

このとき、移動体４６ａ，４６ｂは、回転軸３３が左回転することで、右方向へ移動していき、移動体４６ａが切換レバー４１ａに到達すると、切換レバー４１ａが右側へ押されて右側位置へ切り換えられ、図６に示す初期位置へ戻る。

以上の構成により、発電機構４０では、傘歯車２９が左回転、すなわち発条ユニット３２内の発条を巻く方向に回転するときのみクラッチ４１を結合して発条を巻き上げ、巻き上げ後はクラッチ４１を分離して発条を開放し、発電機３５を駆動して、発電することができる。この発条の巻き上げ、開放のタイミングは、移動体４６ａ，４６ｂ間の距離で調整することができる。また、同様の機構を応用して、傘歯車２９が左右どちらの方向に回転しても発条を巻き上げるように構成することも可能である。

本発明の潮汐利用発電装置は、再生可能エネルギーである潮汐を利用して発電を行う装置として有用である。

１，２０ 潮汐利用発電装置
２，２３ 浮体
３，２４ 変換機構
４ａ，４ｂ 発条
５，３５ 発電機
６ ガイド
７，２６ ボールねじ
７ａ，２７ｂ ナット
７ｂ，２７ａ ねじ軸
７ｃ ボール
８ａ，８ｂ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 平歯車
９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ クラッチ
２１ 枠体
２２ 昇降体
２５ 発電機構
２８，２９ 傘歯車
３０ 駆動軸
３１ 遊星歯車機構
３１ａ 太陽歯車
３１ｂ 遊星歯車
３１ｃ 遊星キャリア
３１ｄ 内歯車
３２ 発条ユニット
３３ 回転軸
３４ 減速機構
３６，３８ ギア
３７ 駆動軸
３９ ワンウェイクラッチ
４０ 発電機構
４１ クラッチ
４１ａ 切換レバー
４２ 第２駆動軸
４３，４４ ギア
４５ 往復作動機構
４６ａ，４６ｂ 移動体
４７ 減速機構

Claims (4)

1. 海面に浮いて潮位の変化に伴い上下に移動する浮体と、
   前記浮体の上下運動を回転運動に変換する変換機構と、
   前記変換機構により変換された回転運動により巻かれる複数の発条と、
   前記発条により回転駆動される発電機と
   前記変換機構と前記複数の発条との間にそれぞれ設けられ、前記変換機構により変換された回転運動が前記複数の発条をそれぞれ巻く方向の回転運動のときのみ連結するクラッチであり、前記浮体の上下に応じて前記複数の発条を交互に巻くようにそれぞれ断続されるものである複数のクラッチと
   を含む潮汐利用発電装置。
2. 海面に浮いて潮位の変化に伴い上下に移動する浮体と、
   前記浮体の上下運動を回転運動に変換する変換機構と、
   前記変換機構により変換された回転運動により巻かれる発条と、
   前記発条により回転駆動される発電機と
   を含み、
   前記変換機構が、前記浮体に固定されたナットにより前記発条に連結されるねじ軸を回転させるボールねじである潮汐利用発電装置。
3. 前記変換機構と前記発条との間に設けられ、前記変換機構により変換された回転運動が前記発条を巻く方向の回転運動のときのみ連結するクラッチを含む請求項２記載の潮汐利用発電装置。
4. 前記発条および前記クラッチを複数備え、
   前記複数のクラッチは、前記浮体の上下に応じて前記複数の発条を交互に巻くようにそれぞれ断続されるものである請求項３記載の潮汐利用発電装置。