JP5976414B2 - 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、上述した海流発電システムなどで使用する水平軸揚力型の翼（ランナ又はブレードともいう）は、高効率及び空力効率の最高点に対応する回転速度が速いため、古くから風力発電などで利用されている。

この種の翼は、航空機の翼とほとんど同様に翼根元から翼先端にかけて翼弦長が減少しており、これに加えて、捻りが、翼根元では強く、また翼先端では弱くなるように付与されている。一般に、このような翼形状を製作することは困難であるため、風車性能にはあまり寄与しない翼根元の捻り角は、線形化されている場合がほとんどである。

したがって、翼根元付近は、設計段階で所望したものよりも大きな迎え角での運転となるため大規模な失速を伴うこととなる。さらに、このような形状の翼を海流発電で用いる場合では、空気よりも密度の大きい水の中での運転となるため、流体のエネルギ損失を無視できなくなる。

特許第４５３５３７８号公報 特許第４００１４８５号公報

このため、翼の稼働時に翼根元付近での迎え角を小さく保つ必要がある。さらに、海流発電用の翼は、作動流体の密度やレイノルズ数の関係から、通常の風車用の翼よりも長い翼弦長で構成されるため、最適な形状の翼を設計どおりに製作すること自体が困難となっている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、翼による流体エネルギの損失を低減することで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、発電機、回転翼及び固定翼を備えている。回転翼は、水流を受けて回転し発電機の駆動力を発生させる。固定翼は、回転翼よりも水流の上流側に設けられており、回転翼の翼根元付近の翼弦線の方向に対する水流の向きを変更する。また、固定翼は、その基端部側から先端部側が、回転翼の回転中心側から回転翼の外周側方向に向かって延びる姿勢で固定されている。さらに、固定翼には、少なくとも前記基端部側と前記先端部側とで角度の異なる捻り角が付与されている。

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。 図２に示す水流発電装置を水流の上流側方向からみた図。 図２に示す水流発電装置が備えた固定翼の作用を説明するための図。 第２の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す図。 図５に示す水流発電装置のＡ−Ａ断面図。 図５に示す水流発電装置のＢ−Ｂ断面図。 図６に示す水流発電装置が備えた回転翼の抗力によって生じる水流（乱流）について説明するための図。 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に示す水流発電装置のＣ−Ｃ断面図。 図９に示す水流発電装置のＤ−Ｄ断面図。

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３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、水平軸揚力型の複数の回転翼（ランナ又はブレードともいう）３と、複数の回転翼３を支持するボス９と、複数の固定翼５と、をそれぞれ備えている。ナセル２、各回転翼３、ボス９及び各固定翼５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、図２に示すように、上流側ナセル部２ａと下流側ナセル部２ｂとのツーピース構造で構成されている。ナセル２は、水密構造を有し、発電機８や変速機構７ｂなどを上流側ナセル部２ａに内蔵（収容）する。また、ナセル２は、円柱状に構成されており、所定の浮力を有している。ナセル２は、図２、図３に示すように、ボス９と協働して、円柱状のナセル２本体と同軸的な位置関係で回転軸７を内蔵する。

ここで、回転翼３と一体となって回転するボス９は、上流側ナセル部２ａと下流側ナセル部２ｂとの間に、回転可能に挟持されている。また、一対の水流発電装置１０、２０は、各々が備える回転翼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９は、ナセル２と同様に水密構造を有しており、回転翼３の基端部側を支持する支持部としての機能を有する。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９本体に固定されている。つまり、回転翼３は、その基端部側が、ボス９（ハブ７ａ）を介して回転軸７に一体的に固定されており、回転翼３本体が水流を受けると回転軸７（ボス９）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。

回転翼３は、水流発電装置１０、２０ごとに例えば２つ又は３つずつ設けられた動翼であり、発電機８を駆動する駆動力を発生させる。例えば回転翼３が３つの場合、個々の回転翼３は、それぞれの基端部側がボス９（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回転翼３のそれぞれから得られるように、個々の回転翼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回転翼３は、図１、図２に示すように、水流（海流）Ｆ１から得た流体エネルギを回転エネルギに変換する。一方、回転翼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、各固定翼５の構成について説明する。図２、図３に示すように、固定翼５は、例えば８つ設けられており、回転翼３よりも水流（海流）Ｆ１の上流側にそれぞれ配置されている。つまり、各固定翼５は、ナセル２における上流側ナセル部２ａの外形部分にそれぞれ固定された静翼である。

各固定翼５は、後に説明する図４に示すように、断面がそれぞれ流線形に形成されている。これらの固定翼５は、各々の基端部（翼根元）側から先端部側（チップ側）が、回転翼３の回転中心側（回転軸７側）から回転翼３の外周側方向に向かって延びる（広がる）姿勢でそれぞれ固定されている。

また、これらの固定翼５は、図２、図３に示すように、回転翼３の回転方向に沿ってそれぞれ等間隔に配置されている。詳細には、各固定翼５は、円柱状のナセル２の上流側ナセル部２ａ上を周回する方向において（仮想的な同一円周上に）等間隔に配置されている。また、各固定翼５は、図２に示すように、水流（海流）Ｆ１の進行方向を基準にして、それぞれの固定位置がそろえられている。つまり、各固定翼５は、水流Ｆ１の流れ方向における同一の位置にそれぞれ固定されている。

次に、図４に基づき固定翼５の構成について詳述する。図４は、一つの固定翼５及び回転翼３の所定の断面をこれらの翼の先端側（チップ側）からみた図であり、水流（海流）Ｆ１の向きをＹ軸とし、Ｆ１と直交する方向をＸ軸として定め、回転翼３についての速度三角形を示している。図４中のｕは周速度、ｖ1は固定翼５を設置していない場合の絶対速度、ｖ2は固定翼５を設置した場合の絶対速度、ｗ1、ｗ2は前述したそれぞれの絶対速度と周速度とを合成した相対速度を示している。

ｖ1とｖ2とは、互いに等しい速さである。迎え角α1、α2は、相対速度ｗ1、ｗ2と回転翼３の翼弦線ｈ1とがなす角度で定義される。ここで、本実施形態の回転翼３は、製作性を優先させるために、回転翼３本体の翼根元付近での捻り角θ1を理想的な角度にはせず線形化を図っている。

そこで、本実施形態の水流発電装置１０、２０では、図４に示すように、回転翼３よりも水流（海流）Ｆ１の上流側に設けた各固定翼５が、回転翼３の翼弦線ｈ1の方向に対する前記水流Ｆ１の向きを変更する。具体的には、固定翼５は、自身の翼弦線ｈ2の向きと、回転翼３の翼弦線ｈ1の向きと、の相対的な関係を考慮して配置されている。つまり、固定翼５は、回転翼３を対象とする迎え角が小さくなる方向に水流Ｆ１の向きを変更する案内翼として機能する。

詳述すると、図４に示すように、水流Ｆ１（絶対速度ｖ1で示されるベクトル）は、回転翼３の上流側に設置された固定翼５によって予旋回を与えられた後、回転翼３側に流入する。この予旋回によって、固定翼５を設置した場合の迎え角α2は、固定翼５を設置しない場合の迎え角α1と比較して小さな値が得られる。このように迎え角α2の値を小さくすることで、回転翼３本体の翼根元付近での線形化に起因する当該回転翼３の失速を抑制することが可能となる。

したがって、本実施形態の水流発電装置１０、２０によれば、上述した固定翼５を設けたことで回転翼３による流体エネルギの損失を低減させることができ、これにより発電の効率を高めることができる。さらに、水流発電装置１０、２０では、各固定翼５が、水流Ｆ１の流れ方向における同一の位置にそれぞれ配置され、しかも、回転翼３の回転方向に沿ってそれぞれ等間隔に配置されていることで、全ての固定翼５側から偏りのない適切な向きの水流を回転翼３側に与えることができる。また、固定翼５本体の断面形状が流線形に構成されていることで、固定翼５自体による流体エネルギの損失についても極力抑えることが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図５〜図８に基づき説明する。なお、これらの図において、図１〜図４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５中において、切断線で切断する部位を明確にするために、図２中で示していた一部の固定翼の図示を省略している。

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５に示す水流発電装置３０が適用される。この水流発電装置３０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が備えていた複数の固定翼５に代えて、図５に示すように、複数の固定翼１５を備えている。

これらの固定翼１５は、その基端部側（翼根元側）から先端部側（チップ側）に向かうにつれて翼弦長が減少する形状でそれぞれ構成されている。具体的には、図６、図７に示すように、固定翼１５の基端部側では、翼弦長が例えば長さＬ1であり、固定翼１５の先端部側では、翼弦長が長さＬ1よりも短い長さＬ2となっている。

ここで、固定翼１５を設置することによって水流Ｆ１に予旋回が与えられるが、固定翼１５は、抗力によって一種の閉止板として作用し、図８に示すように、水流Ｆ１が固定翼１５の表面に接触した後、この向きとほぼ直交する固定翼１５の先端側（チップ側）方向に急激に向きを変える局所的な水流（乱流）Ｆ２を生じさせるおそれがある。

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。また局所的なこの水流Ｆ２は、回転翼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。この際、回転翼３では、翼根元付近にのみならず翼先端付近でも主流方向の速度成分が減速するため、効率的に流体エネルギを取り入れることが困難となる。

そこで、本実施形態の水流発電装置３０では、固定翼１５の断面形状を流線形にすることに加え、その基端部側から先端部側に向けて翼弦長が減少するテーパ形状で固定翼１５を構成していることで、固定翼１５での抗力を小さくすることができ、図８に示す上記した水流（乱流）Ｆ２の発生を抑制することができる。

また、このように固定翼１５での抗力を低減できるので、動翼である回転翼３と静翼である固定翼１５との間での、いわゆる動静翼間干渉（水流を対象とした例えば周期的な非定常圧力変動など）を抑制することも可能となる。したがって、本実施形態の水流発電装置３０によれば、固定翼１５及び回転翼３による流体エネルギの損失を抑えることができ、発電の効率のさらなる向上を図ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施形態を図９〜図１１に基づき説明する。なお、図９〜図１１において、図１〜図８に示した第１及び第２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９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５に示した第２の実施形態の水流発電装置３０が備えていた複数の固定翼１５に代えて、図９に示すように、複数の固定翼３５を備えている。

これらの固定翼３５には、図１０及び図１１に示すように、少なくとも基端部側（翼根元側）と先端部側（チップ側）とで角度の異なる（固定翼３５の径方向の位置によって異なる）捻り角が付与されている。具体的には、図１０及び図１１に示すように、固定翼３５の基端部側には、例えば捻り角θ2が付与されており、固定翼３５の先端部側には、捻り角θ2よりも大きい捻り角θ3が付与されている。

ここで、図４に示した回転翼３についての速度三角形から、迎え角は周速度に比例して小さくなる。回転翼３に作用する荷重の変動や回転翼３の失速を防止するといった観点から、回転翼３は、径方向の位置の違いによらずに一定の迎え角が得られる状態で回転することが望ましい。しかしながら、前述したように、回転翼３は、製作性を優先させるために、回転翼３本体の翼根元付近での捻り角θ1を理想的な角度にはせず線形化を図っている。

そこで、本実施形態の水流発電装置５０では、回転翼３本体の実際の形状（捻り角）に対応させて、固定翼３５の径方向における所定の位置ごとに（固定翼３５の各半径位置において）適切な捻り角が与えられている。ここで、図１０及び図１１に例示した固定翼３５の捻り角θ2、θ3は、下記の数式を満足するように構成されている。

３５°＜θ2 ＜θ3 ＜９０°…数式

固定翼３５の基端部側の捻り角θ2が例えば３５°以下になると、迎え角が許容値よりも大きくなり、回転翼３の失速が懸念される。

これに対して、本実施形態の水流発電装置５０では、上記数式の条件を満たしたうえで、固定翼３５の径方向の位置に応じて適切な捻り角を与えているので、捻り角と周速度にあわせた最適な予旋回を発生させることができる。したがって、水流発電装置５０によれば、流体エネルギの損失を効果的に抑制することができ、これにより、発電の効率をさらに高めることができる。

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３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３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。

１０，２０，３０，５０…水流発電装置、２…ナセル、３…回転翼、５，１５，３５…固定翼、８…発電機、Ｆ１…水流（海流）。

Claims (7)

1. 発電機と、
   水流を受けて回転し前記発電機の駆動力を発生させる回転翼と、
   前記回転翼よりも前記水流の上流側に設けられ、前記回転翼の翼根元付近の翼弦線の方向に対する前記水流の向きを変更する固定翼と、
   を具備し、
   前記固定翼は、その基端部側から先端部側が、前記回転翼の回転中心側から前記回転翼の外周側方向に向かって延びる姿勢で固定されており、
   さらに前記固定翼には、少なくとも前記基端部側と前記先端部側とで角度の異なる捻り角が付与されている、水流発電装置。
2. 前記固定翼は、前記回転翼を対象とする迎え角が小さくなる方向に前記水流の向きを変更する、
   請求項１記載の水流発電装置。
3. 前記発電機を内蔵する筐体をさらに備え、
   前記固定翼は、前記筐体の外形部分に固定されている、
   請求項１又は２記載の水流発電装置。
4. 前記固定翼は、その基端部側から先端部側が、前記回転翼の回転中心側から前記回転翼の外周側方向に向かって延びる姿勢で固定されており、
   さらに前記固定翼は、前記基端部側から前記先端部側に向かうにつれて翼弦長が減少する形状で構成されている、
   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. 前記固定翼は、複数設けられており、
   前記複数の固定翼は、前記回転翼の回転方向に沿ってそれぞれ等間隔に配置されている、
   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. 前記固定翼は、複数設けられており、
   前記複数の固定翼は、前記水流の進行方向を基準にして、それぞれの固定位置がそろえられている、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水流発電装置。
7. 前記固定翼は、断面が流線形に形成されている、
   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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