JP6719397B2 - 水流発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水流発電装置に関する。

海洋や河川の水流（海流、潮流、河川流）のエネルギーを利用して発電する水流発電装置が注目されている。水流発電装置は、水中に設置され、水流を受けるブレードを有するロータと、ロータの回転力を電気エネルギーに変換する発電ユニットと、発電ユニットを外側から覆うナセルと、を備えている。このような水流発電装置として、例えば下記特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１に記載された装置では、ロータを回転可能に支持するための軸受けユニットとして、ロータの軸方向荷重を支持するスラスト軸受と、ロータの径方向荷重を支持するラジアル軸受とが設けられている。これらのスラスト軸受、及びラジアル軸受は、いずれも外部の水を取り込んで潤滑剤として用いる水潤滑軸受である。

特開２０１５−１４５６２８号公報

しかしながら、水潤滑軸受は、一般的な機械に広く用いられている油潤滑軸受に比べて、接触面圧を下げる必要があるため、軸受の接触面として大きな面積が必要となる。特に、スラスト軸受として水潤滑軸受を用いた場合、軸受装置の外径寸法が、ナセルの外径寸法よりも大きくなってしまうこともある。このため、特許文献１に記載された装置には改善の余地がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、小型化され、かつ効率の向上した水流発電装置を目的とする。

本発明の水流発電装置は、水流の力で発電を行う水流発電装置であって、前記水流の力で回転するブレードと、前記ブレードに連結され、前記ブレードと一体で回転する回転部と、前記回転部に連結され、前記回転部の回転力で発電する発電ユニットと、前記発電ユニットを覆い、前記発電ユニットが配置された内部空間と、前記ブレードが配置された水中との境界を形成し、前記内部空間を空気雰囲気とするナセルと、前記ナセルに対して前記回転部を支持する軸受ユニットと、を備え、前記軸受ユニットは、前記内部空間に設けられ、前記回転部を該回転部の軸方向から支持するスラスト軸受と、前記ナセルと前記ブレードとの間に設けられ、前記回転部を前記軸方向に直交する径方向から支持するジャーナル軸受と、を有する。

この構成によれば、ジャーナル軸受がナセルとブレードとの間の水中に設けられることから、回転中の回転部の振れをより効果的に低減することができる。加えて、スラスト軸受がナセルの内部空間に設けられることから、当該スラスト軸受には油潤滑軸受を適用できるため、軸受の体格を小さくできる。これにより、ナセルの寸法体格を十分に小さくすることができる。すなわち、必要とされるブレードの直径に対して、ナセルを相対的に小さくすることができるため、水流発電装置の効率を向上させることができる。

本発明の水流発電装置は、前記ナセルに連結され、該ナセルから前記水中側に向かって前記軸方向に延在するジャーナル固定部と、前記回転部に連結され、前記ジャーナル固定部の前記径方向外側に設けられ、前記ジャーナル固定部と対面するジャーナル回転部と、を有し、前記ジャーナル軸受は、前記ジャーナル固定部と前記ジャーナル回転部のいずれか一方に固定されていてもよい。

この構成によれば、ジャーナル軸受がナセルとブレードとの間の水中に設けられることから、回転中の回転部の振れをより効果的に低減することができる。さらに、ジャーナル軸受の潤滑剤として水を用いることができるため、装置全体としての潤滑油の使用量を削減することができる。

本発明の水流発電装置では、前記ジャーナル回転部には、該ジャーナル回転部を前記径方向に貫通することで、前記水中の水を前記ジャーナル軸受と前記ジャーナル回転部との間に潤滑剤として取り込む回転部貫通孔、及び前記回転部貫通孔とは異なる軸線方向位置に設けられ、前記ジャーナル回転部を前記径方向に貫通することで、前記潤滑剤としての水を排出する潤滑水排出孔が形成されていてもよい。

この構成によれば、回転部貫通孔、及び潤滑水排出孔を通じて外部の水を潤滑剤としてジャーナル軸受に円滑に供給・排出することができる。特に、回転部の回転に伴って、回転部貫通孔から十分な水を取り込むことができるため、ジャーナル軸受に水を供給するための他の装置を設けることなく、当該ジャーナル軸受を潤滑することができる。

本発明の水流発電装置では、前記軸受ユニットは、前記スラスト軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給部を有してもよい。

この構成によれば、スラスト軸受として油潤滑軸受が用いられるため、スラスト軸受を水潤滑軸受とした場合に比べて、当該スラスト軸受自体の水密性を確保するための措置を施す必要がない。これにより、ナセルの寸法体格を十分に小さくすることができる。したがって、装置の寸法体格を十分に小型化することができる。

本発明の水流発電装置では、前記ブレードの直径が２０ｍ以上であってもよい。

この構成によれば、水流発電装置の効率をさらに向上させることができる。

本発明によれば、小型化され、かつ効率の向上した水流発電装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る水流発電装置の全体図である。 図２は、本発明の実施形態に係る水流発電装置の構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施形態に係る水流発電装置の要部拡大図である。 図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、図３におけるＶ−Ｖ線断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下実施形態の構成に限定されない。以下で説明する一部の構成要素を用いない構成を採ることも可能である。

水流発電装置１は、水中に配置され、水流のエネルギーで発電する。水流発電装置１は、例えば海中に配置され、海流エネルギー又は潮流エネルギーを電力に変換することで発電を行う。なお、水流発電装置１は、河川中に配置されてもよい。

本実施形態において、水流発電装置１は、海中浮遊方式と呼ばれる形式である。図１に示すように、水流発電装置１は、ケーブル（係留索１０）を介して海底に係留されている。すなわち、海流の流れる方向に応じて、水流発電装置１は姿勢を自在に変えることが可能である。

図１及び図２に示すように、水流発電装置１は、軸線（軸）Ｊ回りに回転するロータ２（回転部）と、ロータ２を支持するステータ３と、ロータ２とステータ３との間に設けられた軸受ユニット４と、を備えている。ロータ２は、軸線Ｊに沿って延びる柱状のロータ本体２１と、ロータ本体２１の軸線Ｊ方向一方側に設けられたロータヘッド２２と、ロータヘッド２２から軸線Ｊの径方向外側に向かって放射状に延在する複数のブレード２３と、を有している。複数のブレード２３は、自身の延在する方向から見て、翼型の断面を有している。ブレード２３の直径は、２０ｍ以上であることが望ましい。

なお、本実施形態では、ブレードの設けられる個数は一意に限定されず、設計や仕様に応じて適宜に決定されてよい。ブレード２３は、水中に露出している。ブレード２３に水流が当たると、当該ブレード２３に作用する水流のエネルギーにより、ロータ本体２１が軸線Ｊ回りに回転する。

ステータ３は、ドライブトレイン５と、発電機６（発電ユニット）と、ドライブトレイン５及び発電機６を外側から覆うナセル７と、を有している。ナセル７の内側は水密性が保たれた内部空間Ｖとされている。すなわち、ナセル７は、内部空間Ｖと水中との境界を形成している。ロータ本体２１は、ナセル７の軸線Ｊ方向一方側の壁部を貫通している。ナセル７の内部空間Ｖを水密に保つため、ナセル７とロータ本体２１の外周面との間には、シール部８が設けられている。

ナセル７の内部空間Ｖは空気等の気体で満たされている。すなわち、内部空間Ｖは空気雰囲気とされている。ドライブトレイン５及び発電機６は、内部空間Ｖに配置されている。ドライブトレイン５は、ロータ本体２１の回転を発電機６に伝達する。ドライブトレイン５としては、油圧を用いた増速機構が用いられる。

具体的にはドライブトレイン５は、油圧ポンプ５１と、油圧モータ５２と、を有している。油圧ポンプ５１は、ロータ本体２１の回転に伴って作動油を加圧して油圧モータ５２に供給する。油圧モータ５２は、油圧ポンプ５１から供給された高圧の作動油のエネルギーを取り出して、ロータ本体２１に回転力を付加するとともに、発電機６を駆動する。なお、詳しくは図示しないが、ドライブトレイン５は、ロータ２の回転を停止させる際に用いるブレーキや、作動油を冷却するための冷却装置を備えていてもよい。

軸受ユニット４は、ロータ２の軸線Ｊ方向の荷重を支持するスラスト軸受４１と、ロータ２の径方向の荷重を支持するジャーナル軸受４２と、スラスト軸受４１に潤滑油を供給する潤滑油供給部４３と、を有している。スラスト軸受４１は、ナセル７の内部空間Ｖ側におけるロータ本体２１の延在中途に設けられたフランジ部４４と、当該フランジ部４４を軸線Ｊ方向両側から挟みこむスラスト軸受本体４５と、を有している。潤滑油供給部４３は、油管路Ｐを経てスラスト軸受本体４５とフランジ部４４との間に潤滑油を供給する。なお、ロータ本体２１は軸線Ｊ方向に一体に形成された部材であり、その延在中途にカップリング等の補機は設けられていない。これにより、軸線Ｊ方向からロータ本体２１に付加される荷重（スラスト荷重）を、スラスト軸受４１によって安定的に支持することができる。

ジャーナル軸受４２は、ナセル７の内部空間Ｖではなく、ロータヘッド２２の内部に設けられている。図３に詳細に示すように、ナセル７の軸線Ｊ方向一方側の端部には、ジャーナル固定部４６が設けられている。また、ロータヘッド２２における軸線Ｊ方向他方側の部分は、ジャーナル回転部４７である。ジャーナル軸受４２は、ジャーナル固定部４６とジャーナル回転部４７との間に配置されている。なお、上述のブレード２３は、軸線Ｊ方向においてジャーナル軸受４２と対応する位置に設けられている。これにより、ブレード２３に付加される径方向荷重をより安定的に支持することができる。

ジャーナル固定部４６は、ナセル７の外面から軸線Ｊ方向一方側に向かって円筒状に突出している。ジャーナル固定部４６の軸線Ｊ方向一方側の端部は、軸線Ｊ方向に開口している。さらに図４に示すように、ジャーナル固定部４６は、当該ジャーナル固定部４６を軸線Ｊの径方向に貫通する一対の固定部貫通孔Ｈ１が形成されている。一対の固定部貫通孔Ｈ１は、軸線Ｊ方向から見た場合、周方向において１８０°の間隔をあけて形成されている。

ジャーナル軸受４２は、ジャーナル固定部４６の外周面に対して固定されている。なお、ジャーナル軸受４２は、ジャーナル回転部４７の内周面に対して固定されていてもよい。本実施形態では、一対のジャーナル軸受４２が、軸線Ｊ方向に間隔をあけて配列されている。

ジャーナル回転部４７は、一対のジャーナル軸受４２を介して、ジャーナル固定部４６の径方向外側に配置されている。ジャーナル回転部４７は、軸線Ｊ方向に延びる筒状である。ジャーナル回転部４７の内周面は、ジャーナル軸受４２の外周面と当接する摺動面Ｓとされている。図４に示すように、ジャーナル回転部４７は、当該ジャーナル回転部４７を軸線Ｊの径方向に貫通する一対の回転部貫通孔Ｈ２が形成されている。一対の回転部貫通孔Ｈ２は、軸線Ｊ方向から見た場合、周方向において１８０°の間隔をあけて形成されている。

回転部貫通孔Ｈ２の一端は水中に開孔している。したがって、当該回転部貫通孔Ｈ２を通じて、水（海水）が径方向内側に向かって取り込まれる。取り込まれた水は、ジャーナル軸受４２の外周面と摺動面Ｓとの間を潤滑する潤滑剤として作用する。より具体的には、ジャーナル軸受４２の外周面と摺動面Ｓとの間には、極薄い水膜が形成される。水が非圧縮性流体であることから、水膜は外部から力が作用した場合に、その力に対する反力を生じる。したがって、ロータ本体２１に軸振れが生じた場合であっても、水膜の反力によって軸振れを是正することができる。ジャーナル軸受４２の外周面と摺動面Ｓとの間の潤滑に用いられた水は、固定部貫通孔Ｈ１を通じてさらに径方向内側に向かって流れる。

さらに、図５に示すように、図４とは異なる軸線Ｊ方向位置（ブレード２３の軸線Ｊ方向一方側の端縁と、ロータヘッド２２との間の位置）には、ジャーナル回転部４７を軸線Ｊの径方向に貫通する一対の潤滑水排出孔Ｈ３が形成されている。一対の潤滑水排出孔Ｈ３は、軸線Ｊ方向から見た場合、周方向において１８０°の間隔をあけて形成されている。これらの潤滑水排出孔Ｈ３を通じて、ジャーナル軸受４２の外周面と摺動面Ｓとの間の潤滑に利用された水が外部に排出される。

続いて、水流発電装置１の動作について説明する。水流発電装置１は、係留索１０によって海底に係留された状態で運用される。ブレード２３に海流が当たると、海流の運動エネルギーによって、当該ブレード２３と一体に設けられたロータ本体２１が軸線Ｊ回りに回転する。ロータ本体２１の回転は、上記のドライブトレイン５を介して増速された後、発電機６に伝達される。これにより、発電機６は電力を生じる。電力は海底ケーブル等を介して外部に取り出され、種々の利用に供される。

ここで、発電を効率的に行うためには、ブレード２３を含むロータ２の回転中における振れを低減することが望まれる。また、ステータ３の大きさに対してブレード２３の直径を相対的に大きく確保することも肝要である。上記のような構成によれば、ジャーナル軸受４２がナセル７とブレード２３との間の水中に設けられることから、回転中のロータ２の振れをより効果的に低減することができる。加えて、スラスト軸受４１がナセル７の内部空間Ｖに設けられることから、当該スラスト軸受４１に油潤滑軸受を適用できるため体格を小さくすることができる。これにより、ナセル７の寸法体格を十分に小さくすることができる。すなわち、必要とされるブレード２３の直径に対して、ナセル７を相対的に小さくすることができるため、ブレード２３の有効面積を大きく確保することができる。これにより、水流発電装置１の効率を向上させることができる。

上記実施形態では、ジャーナル回転部４７には、当該ジャーナル回転部４７を径方向に貫通することで、水をジャーナル軸受４２とジャーナル回転部４７との間の摺動面Ｓに潤滑剤として取り込む回転部貫通孔Ｈ２が形成されている。さらに、ジャーナル回転部４７には、当該ジャーナル回転部４７を径方向に貫通することで、潤滑剤としての水を排出する潤滑水排出孔Ｈ３が形成されている。この構成によれば、回転部貫通孔Ｈ２、及び潤滑水排出孔Ｈ３を通じて外部の水を潤滑剤としてジャーナル軸受に円滑に供給・排出することができる。特に、ロータ２の回転に伴って、回転部貫通孔Ｈ２から十分な水を取り込むことができるため、ジャーナル軸受４２に水を供給するための他の装置を設けることなく、当該ジャーナル軸受４２を潤滑することができる。すなわち、ブレード２３の有効面積を大きく確保することができ、水流発電装置１の効率を向上させることができる。

上記実施形態では、軸受ユニット４は、スラスト軸受４１に潤滑油を供給する潤滑油供給部４３を有している。この構成によれば、スラスト軸受４１として油潤滑軸受が用いられるため、例えばスラスト軸受４１を水潤滑軸受とした場合に比べて、装置の寸法体格を小さくすることができる。すなわち、ナセル７の寸法体格を十分に小さくすることができる。

上記実施形態では、ブレード２３の直径が２０ｍ以上であることが望ましい。この構成によれば、水流発電装置の効率をさらに向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、軸受ユニット４が、一対（２つ）のジャーナル軸受４２を有する例について説明した。しかしながら、ジャーナル軸受４２の個数は２つに限定されず、３つ又は４つ以上であってもよい。

１ 水流発電装置
２ ロータ
３ ステータ
４ 軸受ユニット
５ ドライブトレイン
６ 発電機
７ ナセル
８ シール部
１０ 係留索
２１ ロータ本体
２２ ロータヘッド
２３ ブレード
４１ スラスト軸受
４２ ジャーナル軸受
４３ 潤滑油供給部
４４ フランジ部
４５ スラスト軸受本体
４６ ジャーナル固定部
４７ ジャーナル回転部
５１ 油圧ポンプ
５２ 油圧モータ
Ｈ１ 固定部貫通孔
Ｈ２ 回転部貫通孔
Ｈ３ 潤滑水排出孔
Ｊ 軸線
Ｓ 摺動面
Ｖ 内部空間

Claims (6)

1. 水流の力で発電を行う水流発電装置であって、
   前記水流の力で回転するブレードと、
   前記ブレードに連結され、前記ブレードと一体で回転する回転部と、
   前記回転部に連結され、前記回転部の回転力で発電する発電ユニットと、
   前記発電ユニットを覆い、前記発電ユニットが配置された内部空間と、前記ブレードが配置された水中との境界を形成し、前記内部空間を気体雰囲気とするナセルと、
   前記ナセルと前記ブレードとの間に設けられ、前記回転部を軸方向に直交する径方向から支持するジャーナル軸受と、
   前記ナセルに連結され、該ナセルから前記水中側に向かって前記軸方向に延在するジャーナル固定部と、
   前記回転部に連結され、前記ジャーナル固定部の前記径方向外側に設けられ、前記ジャーナル固定部と対面するジャーナル回転部と、を有し、
   前記ジャーナル回転部には、該ジャーナル回転部を前記径方向に貫通することで、前記水中の水を前記ジャーナル軸受と前記ジャーナル回転部との間に潤滑剤として取り込む回転部貫通孔、及び前記回転部貫通孔とは異なる軸線方向位置に設けられ、前記ジャーナル回転部を前記径方向に貫通することで、前記潤滑剤としての水を排出する潤滑水排出孔が形成されている水流発電装置。
2. 前記内部空間に設けられ、前記回転部を該回転部の軸方向から支持するスラスト軸受を有し、
   前記スラスト軸受には、油潤滑軸受が適用される、請求項１に記載の水流発電装置。
3. 前記ジャーナル軸受は、前記ジャーナル固定部と前記ジャーナル回転部のいずれか一方に固定されている請求項１に記載の水流発電装置。
4. 前記潤滑水排出孔は、前記ジャーナル回転部の軸線方向から見た場合、周方向において１８０°の間隔をあけて形成される請求項１に記載の水流発電装置。
5. 前記スラスト軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給部を有する請求項２に記載の水流発電装置。
6. 前記ブレードの直径が２０ｍ以上である請求項１から５のいずれか一項に記載の水流発電装置。
   

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