JP6769044B2 - 水中浮遊式発電装置 - Google Patents

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Description

本開示は、水中浮遊式発電装置に関する。
水中浮遊式発電装置として、特許文献1に記載された装置が知られている。この装置(プラットフォーム)は、発電のための機器をそれぞれ含んだ4つのポッドを有している。4つのポッドは、横断翼によって結合されている。潮流によって影響されるプラットフォームの動きは、横断翼に連結された2本の前方係留線および1本の垂直係留線によって制限される。前方係留線および垂直係留線は、アンカーによって海底に固定される。
ポッドには、圧力容器が設けられている。圧力容器は、重力中心を低くするよう、できるだけポッドの下方に配置される。ポッドは、横断翼の下側に固定される。横断翼により浮力がシステムへと提供され、これにより、装置の浮力中心と重力中心との間の距離が最大化される。
特表2014−534375号公報
上記した従来の装置では、横断翼により、浮力が提供される。しかしながら、横断翼の下側にポッドが固定されるため、浮力中心と重力中心のギャップを確保することは難しい。本開示は、浮力中心と重力中心の距離を確保することにより、姿勢の安定化を図ることができる水中浮遊式発電装置を提供する。
本発明の一態様に係る水中浮遊式発電装置は、複数枚のブレードをそれぞれ含む複数の発電用タービンと、発電用タービンがそれぞれ設けられた円筒状の複数の発電ポッドと、複数の発電ポッドの間に延在して複数の発電ポッドを連結する連結部と、連結部または複数の発電ポッドに対して固定され、複数の発電ポッドよりも上側に配置された中央ポッドと、を備える。
この水中浮遊式発電装置によれば、発電用タービンが設けられた複数の発電ポッド、および、これらを連結する連結部とは別に、中央ポッドが設けられる。中央ポッドは、複数の発電ポッドよりも上側に配置されているので、中央ポッドによって得られる浮力は、発電ポッドに比べて上方に位置する。よって、水中浮遊式発電装置の全体における浮心(浮力中心)と重心(重力中心)との上下方向の距離が確保され、姿勢の安定化が図られる。
いくつかの態様において、中央ポッドは、複数の発電ポッドおよび連結部のそれぞれから離間して配置されており、連結部または複数の発電ポッドから上方側に延びる支持部に固定されることによって支持されている。これによれば、上方側に延びる支持部によって、発電ポッド等から中央ポッドを十分に離間させることができる。よって、重心に対して、浮心をより高い位置にもってくることができる。
いくつかの態様において、連結部は、連結部の上下方向における中心の位置が複数の発電ポッドのそれぞれの軸線を含む面よりも下方に位置するように配置されている。連結部が持つ体積は、水流に対する抵抗を抑えるため、限られている。よって、連結部によって得られる浮力は、比較的小さい。そこで、連結部には浮力よりも重力を主に分担させ、これを低く配置することで、重心をより低い位置にもってくることができる。
いくつかの態様において、連結部は、中央ポッドを介して複数の発電ポッドを連結している。この構成によれば、連結部によって複数の発電ポッドと中央ポッドとが直接連結される。中央ポッドを支持する支持部を別途設けなくてもよい。
いくつかの態様において、中央ポッドは、複数の発電ポッドの軸線方向から見て、ブレードの回転領域に重ならないように配置されている。この構成によれば、中央ポッドがブレードの上流側に設けられる場合でも、ブレードを通る水流は、中央ポッドによる影響を受けにくい。よって、発電用タービンに対する悪影響が防止される。
本開示のいくつかの態様によれば、水中浮遊式発電装置の全体における浮心と重心との上下方向の距離が確保され、姿勢の安定化が図られる。
本発明の一実施形態に係る水中浮遊式発電装置が適用された水流発電システムを示す図である。 水中浮遊式発電装置を上流側から見て示す図である。 発電ポッド内の機器類の設置例を示す断面図である。 図4(a)は発電ポッドにおける回転軸の断面図、図4(b)は発電ポッドにおける内蔵機器の断面図、図4(c)および図4(d)は、発電ポッドの浮心および重心をそれぞれ示す図である。 図5(a)は、図4(a)とは異なる位置に配置された回転軸の断面図、図5(b)は、図4(b)とは異なる位置に配置された内蔵機器の断面図である。 他の実施形態に係る水中浮遊式発電装置を上流側から見て示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
以下の説明において、「上流」または「下流」との語は、水の流れを基準として用いられる。また、「前」との語は、水の流れの上流側を意味し、「後」との語は、水の流れの下流側を意味する。たとえば、ダウンウィンド型のタービンが用いられる場合には、ポッドの後部側にブレード(翼)が配置される。「左」または「右」との語は、水の流れに対して垂直で且つ水平な方向を意味し、後方すなわち下流側から見た場合を基準として用いられる。「上」または「下」との語は、水中浮遊式発電装置1の浮心Bと重心Gとを結んだ直線(浮体の姿勢が安定した状態における鉛直方向線)を基準とする。「ポッド」との語は、「耐圧殻」または「ナセル」との語に置き換えられ得る。
図1および図2を参照して、本実施形態の水中浮遊式発電装置1が適用された海流発電システムSについて説明する。図1に示されるように、海流発電システムSは、たとえば海水中に設置されて浮遊し、海流を利用して発電を行う水中浮遊式発電装置1を備える。水中浮遊式発電装置1は、左右に離間して配置された右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bと、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bを連結するクロスビーム(連結部)3とを備える。右発電ポッド2Aの後部には、発電用タービン4Aが設けられている。左発電ポッド2Bの後部には、発電用タービン4Bが設けられている。以下の説明では、水中浮遊式発電装置1を海流発電装置1という。海流発電装置は、水流発電装置の一種である。また、発電用タービン4A,4Bを、それぞれ、右タービン4Aおよび左タービン4Bという。
右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bは、それぞれ円筒状をなしている。右発電ポッド2Aは、右タービン4Aを回転可能に支持しつつ、右タービン4Aに適正な浮力を付与する。左発電ポッド2Bは、左タービン4Bを回転可能に支持しつつ、左タービン4Bに適正な浮力を付与する。右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bは、円筒状をなしており、たとえば、同じ大きさおよび構造を有している。
右タービン4Aの回転軸線は、右発電ポッド2Aの第1軸線L1に一致している。左タービン4Bの回転軸線は、左発電ポッド2Bの第2軸線L2に一致している。第1軸線L1と第2軸線L2とは平行である。
右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bの間には、これらを連結する構造体であるクロスビーム3が延在している(すなわち横断するように延びている)。クロスビーム3は、前後方向に所定の長さを有し、所定の厚みを有する。クロスビーム3は、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bの各端部に設けられたロータブレード(後述の第1ブレード6Aおよび第2ブレード6B)に対する流れを極力阻害しないように、たとえば翼形状をなしている。クロスビーム3の左右の両端は、たとえば、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bの胴部の略中央にそれぞれ固定されている。なお、クロスビーム3が固定される位置は、上記の位置に限られない。クロスビーム3は、ポッドの上部または下部に固定されてもよいし、ポッドの前部または後部に固定されてもよい。クロスビーム3は、その延在方向(すなわち横断方向)において等しい断面形状を有してもよく、延在方向において変化する断面形状を有してもよい。クロスビーム3は、内部に空洞を有して浮力を発生する構造であってもよいし、内部に空洞を有さず(たとえばトラス構造など)浮力を発生しない構造であってもよい。
海流発電装置1は、クロスビーム3の上方に配置された中央ポッド7を備える。中央ポッド7は、円筒状をなしており、クロスビーム3に対してブラケット(支持部)13により固定されている。中央ポッド7は、海流発電装置1の全体に適正な浮力を付与する。中央ポッド7の詳細については、後述する。
海流発電装置1は、海底に固定するためのシンカーまたはアンカー(図示例はシンカー14)に対して、係留索10を介して接続されている。係留索10は、シンカー14に連結された下部係留索11eと、下部係留索11eの上端から2本に分岐し、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bにそれぞれ連結された上部係留索11a,11bとを含む。上部係留索11a,11bは、Y字状に分岐している。なお、係留索10の形態はこれに限られず、1点でクロスビーム3に連結されていてもよいし、2本の上部係留索11a,11bがクロスビーム3に対して連結されていてもよい。
なお、図示は省略されているが、タービン部4において発電された電力を送電するための送電ケーブルが、係留索10に沿うように設けられている。送電ケーブルの一端は右発電ポッド2A内および左発電ポッド2B内の発電機17(図2参照)に接続されており、送電ケーブルの他端は、たとえばシンカー14内に設けられた中継器(または変圧器等)に接続されている。さらに、海流発電システムSは、海底に敷設されて地上まで延びる送電ケーブルを備えている。海流発電システムSは、これらの送電ケーブルを介して、右タービン4Aおよび左タービン4Bにおいて発電された電力を地上に送電するように構成されている。
海流発電装置1に適用される右タービン4Aおよび左タービン4Bは、いわゆるダウンウィンド型のタービンである。右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bは、海流の向きに対向した姿勢で浮遊する。海流の向きが略水平である場合、右タービン4Aおよび左タービン4Bの回転軸線は、略水平に維持される。なお、右タービン4Aおよび左タービン4Bは、アップウィンド型のタービンであってもよい。
右タービン4Aは、2枚の第1ブレード6Aを含んでいる。左タービン4Bは、2枚の第2ブレード6Bを含んでいる。第1ブレード6Aは、右発電ポッド2Aの後端部に配置されている。第2ブレード6Bは、左発電ポッド2Bの後端部に配置されている。ダウンウィンド型のタービンを採用した海流発電装置1においては、海流の向きを基準として、右発電ポッド2Aの下流側に第1ブレード6Aが配置され、左発電ポッド2Bの下流側に第2ブレード6Bが配置される。
右タービン4Aと左タービン4Bとは、海流を受けて互いに逆向きに回転する。これにより、右タービン4Aおよび左タービン4Bで発生する回転トルクが相殺される。なお、1つのタービンに対して、3枚以上のブレードが設けられてもよい。
次に、図3を参照して、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B内の構成について説明する。以下、右ポッド2Aが備える構成を主に説明するが、右ポッド2Bも、同様の構成を備える。
図3に示されるように、右ポッド2A内には、第1ブレード6Aと一緒に回転するハブに連結された回転軸16と、回転軸16に連結された発電機17とが設けられている。回転軸16は、右発電ポッド2Aの第1軸線L1を中心に配置されている。第1ブレード6Aの回転は、回転軸16を介して発電機17に伝達される。右ポッド2A内には、制御装置等を含む内蔵機器18が設けられている。内蔵機器18は、右発電ポッド2A内に設けられた重量物である。内蔵機器18の位置は、右発電ポッド2Aにおける重心の位置に影響する。
続いて、図2を参照して、中央ポッド7の配置および構成について説明する。中央ポッド7は、円筒状をなしている。中央ポッド7の第3軸線L3は、第1軸線L1および第2軸線L2に平行である。中央ポッド7は、これらの第1軸線L1および第2軸線L2を含む仮想平面よりも上側に配置されている。ここで言う「上側」とは、中央ポッド7の第3軸線L3が少なくとも第1軸線L1および第2軸線L2よりも高い位置にあればよいことを意味する。中央ポッド7の下端が、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bが設けられた高さの範囲内に位置してもよいし、中央ポッド7の下端が、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bが設けられた高さの範囲よりも上に位置してもよい。中央ポッド7は、第1軸線L1および第2軸線L2に平行であってこれらの中間を通り、且つ左右方向に垂直な平面上に位置している。海流発電装置1の浮心Bは、当該平面上に位置している。海流発電装置1の重心Gは、当該平面上に位置する。
中央ポッド7は、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B、クロスビーム3のそれぞれから、離間して配置されている。中央ポッド7は、クロスビーム3から上方側に延びるブラケット13に固定されている。中央ポッド7は、ブラケット13を介して、クロスビーム3に対して固定されている。一例として、2本のブラケット13が設けられる。このように、中央ポッド7はクロスビーム3の上方に設置されている。
海流発電装置1では、中央ポッド7、右発電ポッド2A、左発電ポッド2B、およびクロスビーム3等の重量、体積、形状、および配置(内部の機器の配置を含む)を工夫することにより、海流発電装置1全体としての浮心Bと重心Gの間の距離が大きくなっている。浮心Bと重心Gとは鉛直方向線上に並んでおり、浮心Bの方が高い。
より詳しくは、中央ポッド7は、中央ポッド7が設けられない従来の海流発電装置において右発電ポッドおよび左発電ポッドで発生させていた浮力のうち、一部の浮力を分担している。中央ポッド7単体で見た場合に、重力よりも浮力が大きいことが望ましい。一方、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bのそれぞれを単体で見た場合に重力が浮力よりも大きいことが望ましい。なお、クロスビーム3に関しては、重力よりも浮力が大きくてもよく、重力が浮力より大きくてもよい。翼形状をなすクロスビーム3の体積は、各ポッドの体積に比して小さいため、クロスビーム3が浮力を有するとしても、その浮力は、各ポッドの浮力よりは小さい。
海流発電装置1では、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bと、中央ポッド7との上下方向の相対位置に関し、中央ポッド7を上側に配置し、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bを下側に配置している。重力を主に分担する右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bを下側に配置することで重心Gの位置を下げ、浮力を主に分担する中央ポッド7をなるべく上側に配置することで浮心Bの位置を高くしている。これにより、重心Gと浮心Bとの間の距離(ギャップ)が確保されている。
中央ポッド7内には、たとえば、中央ポッド7の外部との間で海水を注排水して海流発電装置1全体の重量を変化させる浮力調整装置等(図示せず)が設けられてもよい。浮力調整装置は、たとえばバラストタンクやポンプ類を含む。しかしながら、上記したように、中央ポッド7において浮力が重力を上回るように、中央ポッド7内に収容され得る機器類は一定重量以下に限られ得る。
一方、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B内に配置される機器類は、以下に説明する思想に基づいて配置されている。図4(a)および図4(b)に示されるように、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B内には、回転軸16および内蔵機器18が設置される。図4(a)に示されるように、回転軸16は、強度的な観点から、右発電ポッド2Aの中心(すなわち第1軸線L1上)に配置される。図4(b)に示されるように、重量物である内蔵機器18は、なるべく断面におけるスペースを埋めるように、右発電ポッド2Aの中央に配置される。その結果、図4(c)に示されるように、右発電ポッド2Aの浮心B1は右発電ポッド2Aの筐体の円形の中心に位置する。さらに、図4(d)に示されるように、右発電ポッド2Aの重心G1は右発電ポッド2Aの筐体の円形の中心に位置する。このように、右発電ポッド2Aを単体でみると、浮心B1の高さ位置はそれらのほぼ中央(第1軸線L1)上とならざるを得ない。さらに、スペースを有効活用にするには内蔵機器18を軸中心で配置する必要があり、重心G1も第1軸線L1上とならざるを得ない。したがって、浮心B1を重心G1より高くすることは困難となる。
ここで、仮定の話として、上記の課題を解決すべく、図5(a)および図5(b)に示される案も考え得る。すなわち、図5(a)に示されるように、回転軸16の位置を第1軸線L1に対して下方に距離dだけオフセットさせる案も考え得る。或いは、図5(b)に示されるように、内蔵機器19の断面積を小さくし、第1軸線L1よりも下側に内蔵機器19を配置する案も考え得る。これらの方策により、重心の位置は下がると思われる。しかしながら、図5(a)に示される案は、非対称の形状となるため、変形も非対称となり、強度的な検討が煩雑である。図5(b)に示される案は、内蔵機器19の上に無駄な空きスペースが生まれる。これは、右発電ポッド2Aの径を増加させることにつながる。よって、これらの方策は、強度面や、スペースの有効活用の観点から、不利である。
なお、クロスビーム3の取り付け位置を下方にオフセットさせるという案も考え得る。これにより、重心は下がると思われる。しかし、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bの重量と、クロスビーム3の重量の比を考慮すると、この案は効果的ではない。たとえば、右発電ポッド2Aの重量を10トンとし、クロスビーム3の重量を3トンとし、オフセット量が1mであるとすると、重心の低下量は、0.13m(3t/(10t+10t+3t)×1m)に留まる。
そこで、本実施形態では、図4(a)〜図4(d)に示された思想を維持しつつ、中央ポッド7の設置によって浮心Bを重心Gよりも高くし、浮心Bと重心Gとの間の距離(ギャップ)を確保している。内蔵機器18は右発電ポッド2Aの中心に位置するので、右発電ポッド2A全体のコンパクト化が図られている。
さらに、海流発電装置1では、図2に示されるように、中央ポッド7は、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bの軸線方向(第1軸線L1および第2軸線L2の方向)から見て、第1ブレード6Aの円形の第1回転領域R1および第2ブレード6Bの円形の第2回転領域R2に重ならないように配置されている。言い換えれば、中央ポッド7を、第1軸線L1および第2軸線L2に直交する平面上に投影した場合、第1回転領域R1および第2回転領域R2に重ならない。これにより、ダウンウィンド型の海流発電装置1における右タービン4Aおよび左タービン4Bへの悪影響が回避されており、流れの阻害に起因する発電効率の低下も防止されている。
以上説明した海流発電装置1によれば、右タービン4Aおよび左タービン4Bが設けられた右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B、および、これらを連結するクロスビーム3とは別に、中央ポッド7が設けられる。中央ポッド7は、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bよりも上側に配置されているので、中央ポッド7によって得られる浮力は、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bに比べて上方に位置する。よって、海流発電装置1の全体における浮心Bと重心Gとの上下方向の距離が確保され、復元力が確保されている。その結果として、姿勢の安定化が図られている。上記した特許文献1のように、従来は、浮力を得るためには横断翼に体積を持たせなければならず、ポッドの端部に設けられたロータブレードに対する流れが阻害されるおそれがあった。しかし、海流発電装置1によれば、クロスビーム3の体積は小さくなっており、そのような悪影響は最小限に抑えられている。
上方側に延びるブラケット13によって、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B等から中央ポッド7を十分に離間させることができる。よって、重心Gに対して、浮心Bをより高い位置にもってくることができる。
中央ポッド7が第1回転領域R1および第2回転領域R2に重ならないように配置されているため、中央ポッド7が第1ブレード6Aおよび第2ブレード6Bの上流側に設けられる場合(すなわちダウンウィンド側の場合)でも、第1ブレード6Aおよび第2ブレード6Bを通る水流は、中央ポッド7による影響を受けにくい。よって、右タービン4Aおよび左タービン4Bに対する悪影響が防止されている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、図6に示されるように、クロスビーム3Aの上下方向における中心の位置が右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bの第1軸線L1および第2軸線L2を含む面よりも下方に位置するように配置された海流発電装置1Aであってもよい。クロスビーム3Aが持つ体積は、上述したように水流に対する抵抗を抑えるため、限られている。よって、クロスビーム3によって得られる浮力は、比較的小さい。そこで、クロスビーム3には浮力よりも重力を主に分担させ、これを低く配置することで、重心をより低い位置にもってくることができる。上記したようにクロスビーム3Aを低くすることによる重心の低下は比較的小さいが、全体の配置や設計を工夫することにより、大きなメリットを得ることもできる。
3台以上の発電ポッドを備えた海流発電装置であってもよい。その場合に、すべての軸線が同一平面上に位置しなくてもよい。中央ポッド7は、いずれか2本の軸線を含む平面よりも上方に配置されればよい。
中央ポッド7は、右発電ポッド2Aまたは左発電ポッド2Bに対して固定されてもよい。その場合に、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bと中央ポッド7との間にブラケットが設けられてもよい。その場合に、上流側から見て、右発電ポッド2A、左発電ポッド2B、および中央ポッド7が二等辺三角形(正三角形を含む)の頂点の位置に配置されてもよい。クロスビーム(連結部)は三角形の底辺に相当し、ブラケット(支持部)は三角形の斜辺に相当する。
クロスビーム(連結部)が、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2Bと中央ポッド7との間に設けられて、中央ポッド7を支持してもよい。すなわち、連結部は、中央ポッド7を介して、右発電ポッド2Aおよび左発電ポッド2B(複数の発電ポッド)を連結してもよい。言い換えれば、クロスビーム(連結部)が、左右のポッド2B,2Aと中央ポッド7とを直接連結してもよい。この構成によれば、中央ポッド7を支持する支持部を別途設けなくてもよい。
この場合に、上流側から見て、右発電ポッド2A、左発電ポッド2B、および中央ポッド7が二等辺三角形(正三角形を含む)の頂点の位置に配置されてもよい。クロスビーム(連結部)は三角形の斜辺に相当する。水平面を基準として、クロスビームが延びる角度を大きくする(山形状のクロスビームとする)ことによって、クロスビームの変形等を防止することができる。言い換えれば、クロスビームの小型化・薄型化が図られる。クロスビームの角度は、水平面に対して、30°以上であってもよいし、40°以上であってもよいし、50°以上であってもよい。クロスビームの角度は、水平面に対して、60°以上であってもよい(60°の場合に正三角形になる)。ここで言う水平面とは、たとえば、第1軸線L1および第2軸線L2を含む仮想平面である。
1 海流発電装置(水中浮遊式発電装置)
2A 右発電ポッド(発電ポッド)
2B 左発電ポッド(発電ポッド)
3 クロスビーム(連結部)
4A 右タービン(発電用タービン)
4B 左タービン(発電用タービン)
6A、6B ブレード
7 中央ポッド
13 ブラケット(支持部)
B 浮心
G 重心

Claims (4)

  1. 複数枚のブレードをそれぞれ含む複数の発電用タービンと、
    前記発電用タービンがそれぞれ設けられた円筒状の複数の発電ポッドと、
    前記複数の発電ポッドの間に延在して前記複数の発電ポッドを連結する連結部と、
    前記連結部に対して固定され、前記複数の発電ポッドよりも上側に配置された中央ポッドと、を備え、
    前記発電用タービンは、前記ブレードに連結された回転軸を有し、
    前記発電ポッドはそれぞれ中心軸線を有すると共に、前記発電ポッド内には内蔵機器が設けられ、
    前記回転軸は前記発電ポッドの前記中心軸線上に配置され、前記内蔵機器が前記発電ポッドの断面における中央に配置され、それらの構成によって前記発電ポッドの浮心および重心が前記中心軸線上に位置し、
    前記中央ポッドは、前記複数の発電ポッドおよび前記連結部のそれぞれから離間して配置されており、前記連結部から上方側に延びる支持部に固定されることによって支持されている、水中浮遊式発電装置。
  2. 前記連結部は、前記連結部の上下方向における中心の位置が前記複数の発電ポッドのそれぞれの軸線を含む面よりも下方に位置するように配置されている、請求項1に記載の水中浮遊式発電装置。
  3. 前記連結部は、前記中央ポッドを介して前記複数の発電ポッドを連結している、請求項1に記載の水中浮遊式発電装置。
  4. 前記中央ポッドは、前記複数の発電ポッドの軸線方向から見て、前記ブレードの回転領域に重ならないように配置されている、請求項1〜のいずれか一項に記載の水中浮遊式発電装置。
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