JP6207092B2 - 水流発電機 - Google Patents

Description

この発明は、水流発電機に関する。

特許文献１に開示されているように、海や河川等における海流や水流を利用して発電を行う水流発電機は、羽根車と、発電機と、を備えている。羽根車は、外周側に向かって延びる複数のブレード（羽根）を有している。発電機は、回転軸の一端が羽根車に連結され、海流や水流によって回転する羽根車とともに回転軸が回転することで、発電を行う。

このような水中発電機は、メンテナンス時等に羽根車の回転を停止させるため、ブレーキ機構を備えている。

特表２０１２−５２５５３５号公報

上述した水流発電機のブレーキ装置は、油圧や電気を用いて駆動する場合が多いため、水中ではなく空気雰囲気である発電機室の中に通常配置されている。一方で、羽根車には、常に海流に応じてトルクが発生しているため、例えば、羽根車と発電機室との間の伝達系に、伝達不良等の不具合が生じた場合には、ブレーキ装置によって羽根車の回転を停止できなくなることが想定される。また、深海に水流発電機を設置する場合等には、水圧が高いため、通常のブレーキ装置を設置しようとすると、水密構造等が複雑化してコストが増加してしまう。そのため、上記水中発電機においては、緊急時等に備え、ブレーキ機構とは別に、羽根車の回転を強制的に停止させる手段を低コストで設けることが望まれている。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低コストで羽根車の回転を確実に停止させることができる水流発電機を提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
この発明の第一態様によれば、水流発電機は、基体と、前記基体に対して相対回転可能に設けられ、複数の羽根で水流を捉えて回転する羽根車と、前記基体の内部に設けられて、前記羽根車から伝達される回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電機と、前記基体に設けられ、前記羽根車の回転軌跡の外側から前記回転軌跡の内側へ進入可能な回転停止部材を有する羽根車回転停止機構と、を備え、前記回転停止部材は、その長手方向にスライド可能なロッドである。
このように構成することで、羽根車回転停止機構の回転停止部材を羽根車の回転軌跡の内側に進入させて、回転停止部材を羽根車の羽根に干渉させることができる。これにより、羽根車の回転を停止させることができる。

さらに、ロッドを羽根車の回転軌跡の内側に進入させてロッドを羽根車の羽根と干渉させることができる。そのため、羽根車の回転を停止させることができる。

この発明の第二態様によれば、水流発電機は、第一態様において、前記ロッドが、少なくとも前記回転軌跡と交差する部位に、前記羽根車の回転方向と反対方向を向く断面が鋭角な鋭角部を有しているようにしてもよい。
このように構成することで、羽根車の回転軌跡に配置されたロッドの鋭角部が羽根に衝突する際に、羽根車の羽根に食い込ませたり、羽根を切断したりすることができる。その結果、羽根車の回転をより確実に停止させることができる。

この発明の第三態様によれば、水流発電機は、基体と、前記基体に対して相対回転可能に設けられ、複数の羽根で水流を捉えて回転する羽根車と、前記基体の内部に設けられて、前記羽根車から伝達される回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電機と、前記基体に設けられ、前記羽根車の回転軌跡の外側から前記回転軌跡の内側へ進入可能な回転停止部材を有する羽根車回転停止機構と、を備え、前記回転停止部材が、前記回転軌跡の内側に向けて展開可能な索状体である。
このように構成することで、回転軌跡の内側に向けて展開された索状体が羽根車に絡みつき、羽根車の回転を停止させることができる。

この発明に係る水流発電機によれば、低コストで羽根車の回転を確実に停止させることができる。

この発明の一実施形態における水流発電機を示す斜視図である。 上記水流発電機の実施形態における羽根車とナセルとの連結部分の構成を示す断面図である。 上記水流発電機の第一実施形態における羽根車停止機構において、ロッドを突出させた状態を示す斜視図である。 上記水流発電機の第二実施形態における羽根車停止機構において、ロッドを突出させた状態を示す斜視図である。 上記水流発電機の第三実施形態における羽根車停止機構を示す斜視図である。 上記水流発電機の第三実施形態における羽根車停止機構において、索状体を展開させた状態を示す斜視図である。

次に、この発明の一実施形態における水流発電機を図面に基づき説明する。
（第一実施形態）
図１は、この実施形態における水流発電機を示す斜視図である。図２は、上記水流発電機の実施形態における羽根車とナセルとの連結部分の構成を示す断面図である。図３は、上記水流発電機の第一実施形態における羽根車停止機構において、ロッドを突出させた状態を示す斜視図である。
図１に示すように、この実施形態の水流発電機１０は、左右一対で設けられた発電ユニット１１と、左右の発電ユニット１１を連結する構造体１２と、を備えている。水流発電機１０は、構造体１２に一端を係止させた係留索１３により、海底や水中構造物等に係留されることで、海水中に設置される。

各発電ユニット１１は、羽根車２０と、ナセル３０と、を備えている。
羽根車２０は、ハブ２１と、ブレード２２と、を備えている。

図１、図２に示すように、ハブ２１は、羽根車２０の中央部に配置されている。ハブ２１は、先端２１ａ（図１参照）に向かって外径が漸次縮小するいわゆる砲弾状に形成されている。このハブ２１は、先端２１ａと反対側に、羽根車２０の回転中心軸Ｃ（以下、単に軸線Ｃと称する）に直交する端面２１ｂを有している。また、ハブ２１の端面２１ｂの外周部には、回転中心軸Ｃの延びる方向（以下、単に軸線Ｃ方向と称する）で先端２１ａと反対側に向かって延びる円筒状の筒状部２１ｃが一体に設けられている。また、ハブ２１の端面２１ｂには、シャフト２３が一体に設けられている。このシャフト２３は、軸線Ｃ方向で先端２１ａとは反対側に向けて突出している。

ブレード２２は、ハブ２１の外周部に、周方向に間隔をあけて複数本設けられている。この実施形態においては、２本のブレード２２が設けられ、それぞれ回転対称な位置に配されている。各ブレード２２は、基端部２２ａがハブ２１の筒状部２１ｃに一体に固定され、先端部２２ｂに向かってハブ２１から放射方向外側に延びている。

ナセル３０は、ケーシング３１と、発電機３２と、メインシャフト３３と、を備えている。
ケーシング３１は、軸線Ｃ方向に延びる円筒状に形成されている。このケーシング３１は、その一端部３１ａに羽根車２０を回転自在に支持する羽根車支持部３４が設けられている。羽根車支持部３４の外周面には、軸線Ｃ方向に間隔をあけて、一対の外部軸受３５が設けられている。羽根車２０は、これら外部軸受３５を介して、羽根車支持部３４に回転自在に支持されている。各外部軸受３５は、例えば、樹脂で形成され、周囲の海水を潤滑剤として羽根車２０を回転自在に支持する、いわゆる滑り軸受として機能する。

ケーシング３１内には、隔壁３６が設けられている。この隔壁３６は、軸線Ｃに直交し、軸線Ｃ方向で一端部３１ａとは反対側（以下、単に他端側と称する）を向く平面を有している。ケーシング３１内には、軸線Ｃ方向で隔壁３６よりも他端側に、密閉された発電機室３７が形成されている。この発電機室３７内は、空気雰囲気とされ、発電機３２が収容されている。

発電機３２は、軸線Ｃに沿って隔壁３６側に突出する入力軸３２ａを備えている。この発電機３２は、入力軸３２ａと一体に設けられたロータ（図示無し）と、ロータに対向するステータ（図示無し）と、を備え、入力軸３２ａとともにロータがステータに対して相対的に回転することで発電する。この発電機３２によって発電された電力は、送電線（図示無し）を介して外部に供給される。この発電機３２の入力軸３２ａには、増速器（図示無し）、ブレーキ４０等を介してメインシャフト３３が連結されている。

ブレーキ４０は、水流発電機１０が備えるコントローラ（図示無し）の制御により、例えば所定の回転数を超える等、異常が発生した場合や、定期メンテナンスを行うときに、メインシャフト３３に制動力を付与し、羽根車２０の回転速度を低減、および、停止させることが可能となっている。

メインシャフト３３は、隔壁３６に形成されたシャフト孔３６ｈを通じて羽根車支持部３４内に延びている。これらメインシャフト３３とシャフト孔３６ｈとの間には、リング状のシール部材３８が設けられ、メインシャフト３３周りから発電機室３７内への浸水を防止している。

メインシャフト３３と、羽根車２０のハブ２１に設けられたシャフト２３との間には、カップリング継手５０が設けられている。このカップリング継手５０を介し、メインシャフト３３とシャフト２３とが、軸方向、径方向、傾斜方向の相対変位が可能な状態で接続されている。

図１に示すように、このような各発電ユニット１１は、羽根車回転停止機構６０Ａを備えている。
羽根車回転停止機構６０Ａは、ナセル（基体）３０または構造体（基体）１２（図１の例ではナセル３０）に設けられている。羽根車回転停止機構６０Ａは、ケース６１と、ロッド（回転停止部材）６２と、を備える。

ケース６１は、筒状で、ナセル３０の外周面に固定されている。
ロッド６２はケース６１内に設けられ、バネ力、油圧、空圧等を用いた駆動機構（図示無し）により羽根車２０側に向けてスライド変位可能とされている。
図３に示すように、ロッド６２は、ケース６１から突出した状態で、羽根車２０のブレード２２の回転軌跡Ｒ内、すなわち回転軌跡Ｒの回転面と交差する位置に配される。つまり、ロッド６２が回転軌跡Ｒの内側に進入することで、ロッド６２がブレード２２に干渉して羽根車２０の旋回が阻害されることとなる。

羽根車回転停止機構６０Ａの作動は、水流発電機１０に備えられたコントローラ（図示無し）により制御される。例えば、ナセル３０内に、メインシャフト３３の回転数と、シャフト２３の回転数とを計測するセンサ（図示無し）を設けておく。コントローラーでは、センサで検出するメインシャフト３３とシャフト２３との回転数の差が、予め定めた基準値を超えた場合、カップリング継手５０に故障等が発生したと判断し、羽根車回転停止機構６０Ａを作動させ、ロッド６２の突出により羽根車２０の旋回を停止させる。ここでは、予め定めた回転数の基準値に基づいて羽根車回転停止機構６０Ａを作動させる場合について説明したが、どのような条件で羽根車回転停止機構６０Ａを停止させるかは適宜設定すればよい。

したがって、上述した第一実施形態の水流発電機によれば、羽根車回転停止機構６０Ａのロッド６２を羽根車２０の回転軌跡Ｒ内に進入させて、ロッド６２を羽根車２０のブレード２２に干渉させることによって、羽根車２０の回転を停止させることができる。これにより、緊急時等においても、羽根車２０を確実に停止させることができる。

（第二実施形態）
次に、この発明にかかる水流発電機の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態と羽根車回転停止機構６０Ｂの構成のみが異なるので、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図４は、上記水流発電機の第二実施形態における羽根車停止機構において、ロッドを突出させた状態を示す斜視図である。
図４に示すように、この実施形態における水流発電機１０の各発電ユニット１１は、羽根車回転停止機構６０Ｂを備えている。この羽根車回転停止機構６０Ｂは、ナセル３０または構造体１２（図４の例ではナセル３０）に設けられている。羽根車回転停止機構６０Ｂは、ケース６１と、ロッド（回転停止部材）６３と、を備える。

ケース６１は、筒状に形成されて、ナセル３０の外周面に固定されている。
ロッド６３はケース６１内に設けられ、バネ力、油圧、空圧等を用いた駆動機構（図示無し）により羽根車２０側に向けてスライド変位可能とされている。ロッド６３は、ケース６１から突出した状態で、羽根車２０のブレード２２の回転軌跡Ｒの回転面内、すなわち回転軌跡Ｒと交差する位置に配される。これにより、ロッド６３がブレード２２に干渉して羽根車２０の旋回が阻害される。

このロッド６３には、旋回するブレード２２の側面に対向する位置に鋭角部６３ｓが形成されている。この鋭角部６３ｓは、その断面が鋭角に形成されたクサビ状、刃物状等に形成されている。鋭角部６３ｓのロッド６３は、少なくともその鋭角部６３ｓが、ブレード２２よりも硬度の高い材料で形成されている。例えば、ブレード２２が強化繊維プラスチック製の場合、鋭角部６３ｓは金属製とすることができる。

羽根車回転停止機構６０Ｂの作動は、水流発電機１０に設けられたコントローラー（図示無し）により制御される。このコントローラーは、所定の条件を満足したときに、ロッド６３を羽根車２０側に向けてスライド変位させて突出させる。すると、ロッド６３には、鋭角部６３ｓが形成されているので、旋回中の羽根車２０のブレード２２に対し、ロッド６３が干渉して鋭角部６３ｓがブレード２２の側部に食い込んだり、ブレード２２が切断されたりする。ブレード２２に鋭角部６３ｓが食い込んだ場合には、ブレード２２に対して鋭角部６３ｓが係止されて羽根車２０が停止する。一方で、ブレード２２が切断された場合には、ブレード２２が海流を受けて回転することができなくなるため羽根車２０が停止する。

したがって、上述した第二実施形態の水流発電機によれば、羽根車回転停止機構６０Ｂのロッド６３を羽根車２０の回転軌跡Ｒ内に進入させ、ロッド６３が羽根車２０のブレード２２と干渉することによって、羽根車２０の回転を停止させることができる。
さらに、ロッド６３の鋭角部６３ｓがブレード２２の側部に食い込ませたり、ブレード２２を切断したりすることができる。その結果、羽根車２０の回転をより確実に停止させることができる。

（第一、第二実施形態の変形例）
ここで、上述した第一、第二実施形態においては、羽根車回転停止機構６０Ａ，６０Ｂをナセル３０の外周面に設置するようにした。しかし、この構成に限られるものではない。羽根車回転停止機構６０Ａ，６０Ｂは、構造体１２の外周面に設けるようにしてもよいし、構造体１２の内部に収容し、ロッド６２，６３を構造体１２から外部に突出させるようにしてもよい。

（第三実施形態）
次に、この発明にかかる水流発電機の第三実施形態について説明する。この第三実施形態においては、第一、第二実施形態と羽根車回転停止機構６０Ｃの構成のみが異なるので、第一、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図５は、水流発電機の第三実施形態における羽根車停止機構を示す斜視図である。図６は、索状体を展開させた状態を示す斜視図である。
図５、図６に示すように、この実施形態における水流発電機１０の各発電ユニット１１は、羽根車回転停止機構６０Ｃを備えている。

羽根車回転停止機構６０Ｃは、ナセル３０または構造体１２（図５の例では構造体１２）に設けられている。羽根車回転停止機構６０Ｃは、ケース６５と、索状体（回転停止部材）６６と、を備えている。

ケース６５は、中空の蓋状で、ナセル３０の外周面に開閉可能に設けられている。このケース６５は、水流発電機１０に設けられたコントローラ（図示無し）により制御され、所定の条件を満足した場合に開くようになっている。このケース６５は、羽根車２０に対して海流の上流側に配されている。

索状体６６は、複数本がケース６５内に設けられている。索状体６６は、例えば金属ワイヤーや、その他所定の破断強度を有したケーブル、ロープ等からなる。索状体６６は、通常時においては、ケース６５内に収容されている。図６に示すように、索状体６６は、ケース６５が開くと、海流によって、羽根車２０側に向けて延びるように展開される。索状体６６は、ケース６５から延びた状態で、羽根車２０のブレード２２の回転軌跡Ｒの回転面内に進入してブレード２２に干渉する。すると、羽根車２０の旋回にともなって、索状体６６が羽根車２０に徐々に絡みつき、羽根車２０の旋回が阻害される。

したがって、上述した第三実施形態の水流発電機によれば、索状体６６が羽根車２０に絡みつくことによって、羽根車２０の回転を停止させることができる。

（第３実施形態の変形例）
第３実施形態においては、索状体６６の先端部に、海流による圧力を受けるパラシュート等を備えてもよい。このような構成とすることで、パラシュート等で海流の圧力を受けることによって、索状体６６は、羽根車２０に向けてスムーズに展開される。
また、索状体６６に代えて、網状のネット等、他のものを用いてもよい。

（その他の変形例）
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
上述した各実施形態、および、各変形例においては、水流発電機１０が深海に設置される場合について説明したが、深海に限られるものではない。
さらに、上述した各実施形態、および、各変形例においては、発電ユニット１１が２つ設けられている場合について説明したが、発電ユニット１１の個数は２つに限られない。また羽根車２０のブレード２２の枚数も複数枚であれば、上述した枚数に限られない。
また、これ以外にも、水流発電機１０の各部の構成等については、適宜他の構成を採用することが可能である。

１０ 水流発電機
１１ 発電ユニット
１２ 構造体（基体）
１３ 係留索
２０ 羽根車
２１ ハブ
２１ａ 先端
２１ｂ 端面
２１ｃ 筒状部
２２ ブレード
２２ａ 基端部
２２ｂ 先端部
２３ シャフト
３０ ナセル（基体）
３１ ケーシング
３１ａ 一端部
３２ 発電機
３２ａ 入力軸
３３ メインシャフト
３４ 羽根車支持部
３５ 外部軸受
３６ 隔壁
３６ｈ シャフト孔
３７ 発電機室
３８ シール部材
４０ ブレーキ
５０ カップリング継手
６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ 羽根車回転停止機構
６１ ケース
６２，６３ ロッド（回転停止部材）
６３ｓ 鋭角部
６５ ケース
６６ 索状体（回転停止部材）

Claims (3)

1. 基体と、
   前記基体に対して相対回転可能に設けられ、複数の羽根で水流を捉えて回転する羽根車と、
   前記基体の内部に設けられて、前記羽根車から伝達される回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電機と、
   前記基体に設けられ、前記羽根車の回転軌跡の外側から前記回転軌跡の内側に進入可能な回転停止部材を有する羽根車回転停止機構と、
   を備え、
   前記回転停止部材は、
   その長手方向にスライド可能なロッドである水流発電機。
2. 前記ロッドは、
   少なくとも前記回転軌跡と交差する部位に、前記羽根車の回転方向と反対方向を向く断面が鋭角な鋭角部を有している請求項１に記載の水流発電機。
3. 基体と、
   前記基体に対して相対回転可能に設けられ、複数の羽根で水流を捉えて回転する羽根車と、
   前記基体の内部に設けられて、前記羽根車から伝達される回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する発電機と、
   前記基体に設けられ、前記羽根車の回転軌跡の外側から前記回転軌跡の内側に進入可能な回転停止部材を有する羽根車回転停止機構と、
   を備え、
   前記回転停止部材は、
   前記回転軌跡の内側に向けて展開可能な索状体である水流発電機。

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