JP6727594B1 - 水中浮遊式発電装置及び水流発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】水流速度の乱れに対して安定した姿勢と水深を確保して発電を行う。【解決手段】水中浮遊式発電装置が二つの主面を有する主翼、及び前記主翼の一方の主面に設けられた尾翼を備えた翼部と、主翼の他方の主面に取り付けられた発電部と、を備える。主翼の一方の主面は流線形をなし、他方の主面は平面であることが望ましい。主翼は矩形であることが望ましい。発電部はプロペラの回転により発電する発電機を有し、プロペラの回転による生ずるトルクを相殺するように、主翼の中心から発電部をずらして配置することが望ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、水中浮遊式発電装置及び水流発電システムに係り、特に海流、潮流等の水流のエネルギーを利用して発電を行う水中浮遊式発電装置及び水流発電システムに関する。

近年、自然エネルギーを利用した発電装置の一つとして、海流、潮流等の水流のエネルギーを利用して発電を行う発電装置が注目されている。
このような発電装置の１つに、例えば特許文献１に記載された、水中浮遊式の海流発電装置がある。特許文献１には、タービン及び発電機を収容するポッドを係留索により、海底に固定されたアンカーと接続した海流発電装置が記載されている。
海流の強さは一定でなく、想定した範囲よりも海流の流れが強くなる場合がある。そのため、海流発電装置が予定の深度よりも過度に沈降する場合がある。特許文献１では、中空部に係留索を収容する環状の浮体リングをアンカー上方に浮遊させることで、浮体リングと係留索との接触により、アンカーに対する係留索の傾きである係留角度を検知し、ポッドの沈降を認識している。

特開２０１４−２１４６０２号公報

水流のエネルギーを利用して発電を行う発電装置において、海流等の水流の方向の乱れ、水流速度の乱れに対して安定した姿勢と水深を確保して発電を可能とすることが望ましい。
本発明は、水流速度の乱れに対して安定した姿勢と水深を確保して発電を可能な水中浮遊式発電装置及び水流発電システムを提供することを目的とする。

（１） 本発明の第１の態様は、二つの主面を有する主翼、及び前記主翼の一方の主面に設けられた尾翼を備えた翼部と、
前記主翼の他方の主面に取り付けられた発電部と、
を備えた、
水中浮遊式発電装置である。

（２） 上記（１）の水中浮遊式発電装置において、前記主翼の一方の主面は流線形をなし、前記他方の主面は平面であることが望ましい。

（３） 上記（１）又は（２）の水中浮遊式発電装置において、前記主翼は矩形であることが望ましい。

（４） 上記（１）から（３）のいずれかの水中浮遊式発電装置において、前記発電部はプロペラの回転により発電する発電機を有し、前記プロペラの回転による生ずるトルクを相殺するように、前記主翼の中心から前記発電部をずらして配置することが望ましい。

（５） 本発明の第２の態様は、上記（１）から（４）のいずれかの水中浮遊式発電装置と、該水中浮遊式発電装置と海底に固定されたアンカーとを接続する係留索とを備え、
前記係留索は前記水中浮遊式発電装置に接続する前で少なくとも３本の係留索に分岐され、少なくとも２本の係留索が前記水中浮遊式発電装置の主翼に接続され、少なくとも１本の係留索が前記水中浮遊式発電装置の発電部の下端に接続される、水流発電システムである。

（６） 上記（５）の水流発電システムにおいて、前記２本の係留索にはそれぞれ弾性部材が取り付けられていることが望ましい。

本発明によれば、水流速度の乱れに対して安定した姿勢と水深を確保して発電を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の構成を示す、前上方から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の構成を示す、後下方から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の翼部の上面図である。 本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の正面図である。 プロペラの回転によるモーメントに対する対策を説明するための、本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の正面図である。 水流発電システムの一実施形態の構成を示す模式的説明図である。 ３本の分岐した係留索と水中浮遊式発電装置との接続状態を示す水中浮遊式発電装置の側面図である。 ３本の分岐した係留索と水中浮遊式発電装置との接続状態を示す水中浮遊式発電装置の上面図である。 水流発電システムにおいて、迎え角が増大し、揚力が増大する効果を説明するための概略図である。 分岐された２本の係留索にそれぞれ弾性部材を設けた構成を示す水中浮遊式発電装置の上面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の構成を示す、前上方から見た斜視図である。図２は本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の構成を示す、後下方から見た斜視図である。図３は本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置の翼部の上面図である。
図１及び図２に示すように、水中浮遊式発電装置１は、翼部１０と発電部２０とを備えている。

翼部１０は、主翼１１と尾翼１２から構成される。主翼１１は一方の主面となる上面１１Ａが流線形をなし、他方の主面となる下面１１Ｂは平面となっている。上面１１Ａには尾翼１２が設けられている。主翼１１の下面１１Ｂに発電部２０が取り付けられる。主翼１１の形状は、例えば、台形、矩形等が用いられるが、図３に示すような矩形が好ましい。主翼１１は水流の方向に対して長手方向（長さ方向）が直角となるように配置される。主翼１１が台形の場合は上底又は下底が長手方向となる。
主翼１１の形状を図３に示すような矩形とした場合、主翼１１の長さＤと翼弦長（幅）Ｌとの比は特に限定されないが、水平方向の安定性を高めるために、空中の飛行体と比較して主翼１１の長さＤに対して翼弦長（幅）Ｌが大きいことが好ましく、具体的には、主翼１１の長さＤと翼弦長（幅）Ｌとの比はＤ：Ｌ＝１：０．４〜１：０．６が好ましい。
主翼１１の上面と下面の形状は、揚力を生じさせる形状であればよく、上面と下面とが平面であっても海流又は潮流等の水流に対して斜めに傾けることで揚力を生じさせることができるが、上面１１Ａを流線形とし、下面１１Ｂを平面とする形状とすることで揚力を増大させることができ、かかる形状が好ましい。なお、下面１１Ｂは平面でなくともよく、凹面又は凸面（例えば、上面よりも膨らみの少ない流線形とすることができる。）であってもよい。

尾翼１２は数が１つの場合には、例えば垂直尾翼が用いられ、垂直尾翼となる尾翼１２は上面１１Ａの中心線上に設けられる。尾翼１２の数が２つの場合には、上面１１Ａの中心線に対して線対称な位置に、例えば、２つの垂直尾翼又は上面１１Ａに対して２つの尾翼が外側に傾斜して延びるＹ型尾翼が設けられる。尾翼１２は翼部１０が回転しようとした場合、その回転を元に戻す働きがある。
尾翼１２の大きさは、回転を抑制し、水平方向の安定性を高めるために、空中の飛行体と比較して大きいことが好ましい。具体的には、尾翼１２が１枚の垂直尾翼である場合、図３のＡ−Ａ線方向の主翼１１の縦断面積ＣＳ１と図３のＢ−Ｂ線方向の尾翼１２の縦断面積ＣＳ２との比は、ＣＳ１：ＣＳ２＝１：１．２〜１：２．０であることが好ましい。
主翼１１の下面１１Ｂには、後述する発電部２０の２つの円形フレーム２３Ａ，２３Ｂを、接続フレーム２４を介して下面１１Ｂに取り付ける取り付け板１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが取り付けられている。また、主翼１１の下面１１Ｂには、後述する係留索２Ｃ、２Ｂと接続するための留め具１３Ａ、１３Ｂが取り付けられている。留め具１３Ａ、１３Ｂはそれぞれ取り付け板１４Ａ、１４Ｃの外側に取り付けられる。

発電部２０は、プロペラ２１、プロペラ２１と接続される発電機２２、発電機２２を支持する２つの円形フレーム２３Ａ，２３Ｂ、円形フレーム２３Ａと円形フレーム２３Ｂが平行に配置されるように円形フレーム２３Ａと円形フレーム２３Ｂとを接続する６本の接続フレーム２４、発電部２０の側面を接続フレーム２４に接続する６枚の接続板２５、及び後述する係留索２Ｃと接続するために、下端の接続フレーム２４に設けられた留め具２６を備えている。留め具２６は後述する係留索２Ａと接続される。
プロペラ２１は３枚羽としているが、特に３枚羽に限定されず、２枚又は４枚以上であってよい。

発電部２０は、図１及び図２では翼部１０に対して１つ設けているが、翼部１０の中心線に対して対称の位置に２つ設けてもよい。なお、必要に応じて翼部１０に対して発電部２０を３つ以上設けることも可能である。
なお、発電部２０は図４に示すように、主翼１１の中心に発電部２０の中心が一致するように、主翼１１の下面１１Ｂに取り付けられている。
発電部２０のプロペラ２１が回転すると水中浮遊式発電装置１を回転するようなモーメントが生じ得る。

本実施形態では、図４に示すように、主翼１１の長さＤを発電部２０のプロペラ２１の直径ｄよりも大きくしており、主翼１１の長さＤを確保することで、プロペラ２１の回転時の水中浮遊式発電装置１のモーメントの影響を小さくしている（第１の対策）。なお、主翼１１の長さＤは発電部２０のプロペラ２１の直径ｄよりも大きければよいが、好ましい範囲は、ｄ：Ｄ＝１：２〜１：２．５である。
また、主翼１１の中央下部に発電部２０を配置することで、主翼１１に対するねじれモーメントの影響を小さくしている（第２の対策）。
また、図１に示すように、主翼１１の中央後部に尾翼１２を設けることで、主翼１１のモーメントに対する傾きを抑制し、主翼１１が水平に保たれるようにしている（第３の対策）。
さらに、図５に示すように、発電部２０の中心を主翼１１の中心からずらして、発電部２０の重心が主翼１１の中心からずれるようにしてモーメントを生じさせ、プロペラ２１により生ずるモーメントと相殺するようにしてもよい（第４の対策）。発電部２０の中心を主翼１１の中心からずらす方向は、プロペラ２１の回転により主翼１１に生ずるモーメントの方向と反対方向にモーメントが生ずるような方向である。例えば、図５ではプロペラ２１が時計と反対方向に回転し、主翼１１に時計と反対方向に回転するモーメントが生ずるため、時計方向に回転するモーメントが生ずるように、発電部２０の中心を主翼１１の中心からずらす（図５において、右方向にずらす）。
以上の第１〜第４の対策のいずれか、又は第１〜第４の対策から適宜組み合わせて、プロペラ２１の回転によって水中浮遊式発電装置１を回転させるモーメントの影響を抑制することができる。

次に、上記水中浮遊式発電装置を用いた水流発電システムについて説明する。
図６は水流発電システムの一実施形態の構成を示す模式的説明図である。
図６に示すように、水流発電システムは、水中浮遊式発電装置１、係留索２、及びアンカー３を備えている。アンカー３は海底に固定される。係留索２は水中浮遊式発電装置１に接続する前で３本の係留索２Ａ、２Ｂ及び２Ｃに分岐しており、係留索２は水中浮遊式発電装置１とアンカー３とを接続する。

水中浮遊式発電装置１は、アンカー３を中心として海底面と係留索２とが一定の角度、例えば３０°の角度で浮遊するように設定される。翼部１０は、海流、潮流等の水流によって押され、水中浮遊式発電装置１は係留索２で限定された場所で生ずる水流の方向に向かい合うように浮遊する。

図７及び図８は係留索２Ａ、２Ｂ及び２Ｃと水中浮遊式発電装置１との接続状態を示す水中浮遊式発電装置１の側面図及び上面図である。
水中浮遊式発電装置１は水流によって、水平方向に押す力が働き、係留索２の長さ方向と直角な方向の分力により生ずるモーメントにより、水中浮遊式発電装置１は下方（海底方向）に押し下げる力を受ける。一方、水中浮遊式発電装置１の主翼１１は例えば、図１及び図２に示すように、上面１１Ａが流線形をなし、下面１１Ｂは平面となっており、大きな揚力が生ずる構成となっている。
水流速度が速くなると、水中浮遊式発電装置は下方（海底方向）に押し下げる力が大きくなるが、上面１１Ａが流線形をなし、下面１１Ｂは平面となる構成をとる主翼１１は、水流速度が速くなると揚力が増加する（第１の揚力の増大という）。よって水流速度が速くなっても、水中浮遊式発電装置１が予定の深度範囲を超えて過度に沈降することを抑制することができる。

なお、係留索２を水中浮遊式発電装置１に接続する前で３本の係留索２Ａ、２Ｂ及び２Ｃに分岐させて、２本の係留索２Ｂ及び２Ｃを主翼１１の中心線に対して対称の位置に接続することで、主翼１１の迎え角を設定することができる。
水流速度が速くなって、水中浮遊式発電装置１が下方に押し下げられると、図９に示すように迎え角が増大し、揚力が増大する（第２の揚力の増大という）。なお、水中浮遊式発電装置１の平常の浮遊状態において、迎え角は０°でも０°よりも大きい角度に設定されてもよい。

以上説明したように、水流速度が速くなっても、第１の揚力の増大又は／及び第２の揚力の増大により、水中浮遊式発電装置１が予定の深度範囲を超えて過度に沈降することを抑制することができる。

水流速度が速くなることにより水中浮遊式発電装置１が下方に押し下げる力に対する揚力を、更に増大させるには、図１０に示すように、分岐された２本の係留索２にそれぞれスプリングＳＰ１、ＳＰ２等の弾性部材を設ける。水流速度が速くなって、水中浮遊式発電装置１にかかる力が増大しスプリングＳＰ１、ＳＰ２が伸びることで、主翼１１の迎え角の増大によって揚力が増加する（第３の揚力の増大という）。
以上説明した、第１の揚力の増大又は／及び第２の揚力の増大に加えて、第３の増大を加えることで、水中浮遊式発電装置１が予定の深度範囲を超えて過度に沈降することを抑制する効果を高めることができる。

上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態であるが、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
例えば、発電部２０の発電機２２を支える、円形フレーム２３Ａ，２３Ｂ、接続フレーム２４及び６枚の接続板２５は特にこの構成に限定されず、プロペラ２１の回転を妨げず、発電機２２を支持できる構成であれば、四角フレームを用いる等の他の構成であってもよい。
また、係留索２は水中浮遊式発電装置１に接続する前で３本の係留索２Ａ、２Ｂ及び２Ｃに分岐しているが、係留索２は主翼１１が水平に維持できるように、水中浮遊式発電装置１とアンカー３とが接続できれば、分岐された係留索の本数は特に限定されない。主翼１１に３本の分岐された係留索を接続したり、発電部２０の下端に接続フレーム２４を２本設け、それぞれ留め具２６を設けることで２本の分岐された係留索を接続してもよい。
さらに、発電部２０を、翼部１０の中心線に対して対称の位置に２つ設けた場合、２つのプロペラの回転により主翼に生ずるモーメントが相殺されるように、発電部２０の２つのプロペラの回転方向が逆になるように、２つのプロペラの形状を決めることが望ましい。

１ 水中浮遊式発電装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 係留索
３ アンカー
１０ 翼部
１１ 主翼
１２ 尾翼
１３Ａ、１３Ｂ 留め具
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ 取り付け板
２０ 発電部
２１ プロペラ
２２ 発電機
２３Ａ，２３Ｂ 円形フレーム
２４ 接続フレーム
２５ 接続板
２６ 留め具

Claims (6)

1. 二つの主面を有する主翼、及び前記主翼の一方の主面に設けられた尾翼を備えた翼部と、
   前記主翼の他方の主面に取り付けられた発電部と、
   を備え、
   前記主翼は、前記一方の主面が流線形をなし、前記他方の主面は平面である矩形板であり、
   前記発電部の全体は前記他方の主面の真下に配置され、前記発電部の長さと幅は前記主翼の長さと幅よりも小さい、
   水中浮遊式発電装置。
2. 前記発電部はプロペラの回転により発電する発電機を有し、
   前記プロペラの直径ｄと前記主翼の長さＤとの比は、ｄ：Ｄ＝１：２〜１：２．５の範囲に設定される、請求項１に記載の水中浮遊式発電装置。
3. 前記主翼の長さＤと幅Ｌとの比は、Ｄ：Ｌ＝１：０．４〜１：０．６の範囲に設定される、請求項１又は２に記載の水中浮遊式発電装置。
4. 前記発電部は前記他方の主面に１つ取り付けられ、
   前記発電部はプロペラの回転により発電する発電機を有し、前記プロペラの回転による生ずるトルクを相殺するように、前記主翼の中心から前記発電部をずらして配置した請求項１から３のいずれか１項に記載の水中浮遊式発電装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の水中浮遊式発電装置と、該水中浮遊式発電装置と海底に固定されたアンカーとを接続する係留索とを備え、
   前記係留索は前記水中浮遊式発電装置に接続する前で少なくとも３本の係留索に分岐され、少なくとも２本の係留索が前記水中浮遊式発電装置の主翼に接続され、少なくとも１本の係留索が前記水中浮遊式発電装置の発電部の下端に接続され、
   前記主翼の他方の面には、前記少なくとも２本の係留索を接続するための少なくとも２個の留め具が取り付けられ、該少なくとも２個の留め具は前記主翼の幅方向に前記少なくとも２本の係留索が接続される複数の穴をそれぞれ有し、
   前記複数の穴のいずれかの穴と前記係留索が接続される、水流発電システム。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の水中浮遊式発電装置と、該水中浮遊式発電装置と海底に固定されたアンカーとを接続する係留索とを備え、
   前記係留索は前記水中浮遊式発電装置に接続する前で少なくとも３本の係留索に分岐され、少なくとも２本の係留索が前記水中浮遊式発電装置の主翼に接続され、少なくとも１本の係留索が前記水中浮遊式発電装置の発電部の下端に接続され、
   前記２本の係留索にはそれぞれ前記係留索の長さを水流速度によって伸縮させるための弾性部材が取り付けられている水流発電システム。

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