JP7048925B2 - 自然流体による水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は自然流体である水流の流れから電力を取り出す技術分野に関する。

自然流体の定義
自然流体としての水とは、河川の水の流れおよび海流の水の流れが存在している。これらの自然な流体から電力を取り出す方法としては、各種の水力発電などの提案が多数あり、海洋の海水を利用して発電しようとする波力発電の試みや温度差発電の実験、水中プロペラ発電などの方式が試行錯誤され実験結果とともに発表されている。

従来のタービン式水力発電
従来の水力発電方式においては、河川にダムを設け、水の高低差による水圧を利用して、高圧の水流を発電タービンに導き、発電タービンを高速回転させて発電する方式が一般的であった。しかしながら、ダムからの高圧水流を発電タービンに向かわせるには、配管工事などを伴う作業が必要であり、必要な圧力格差を維持しながら河川の水流を発電機に導くため、ダムの建設、落差の確保、水流パイプ建設など多くの土木建設作業が必要だった。

海水温度差発電
一方、海水から電力を生成しようとする方法としては、試みとしては色々あるが、一例として海水温度差発電などの研究では、海水表面温度の温かい海水を使ってアンモニアなどを加熱して、アンモニアの蒸気によってタービンを回し発電し、この電力で深海の低温海水を汲み上げ、発電に使用した気化アンモニアを深海低温海水により冷却するものである。これには深海から海水を組み上げる動力と、アンモニアを気化させる余分の動力が必要であり、生成した電力は冷水の汲み上げに使われ、ほとんど余分の電力を生み出す力がないという状況であった。

海流波動発電
そのほかに、海流の波の動きから海水に浮かせた棒状浮体の、蛇のようなうねりを利用して、海面に浮かべた発電体から発電しようとする試みも存在しているが、これは海水表面のわずかなうねりを利用して棒状に浮かべた発電体の屈曲を利用し、発電体の屈曲がシリンダ内部のピストンを動かし、かろうじて発電するという方式であるが、これも発電量は小さく、実用化はほとんどされていない。

水中プロペラ発電
その他、海中にプロペラ付きの発電機を複数並べて、海流の流れのなかで発電する試みも発表されているが、プロペラの一回転によるプロペラ内での水圧変動が存在し、そのほか発電機の水中での完全密閉保持など、効率の面で問題が多く、実用化までには至っていない。

従来のダム式水力発電方式
従来のダム式水力発電方式では、巨大なダムを建設するために、巨大な川を選定しなければならず、そこに巨大ダムを設置するために測量を行い、ダムを建設するための土石、セメントを搬入し、多数の歳月をかけて、重力ダムまたはアーチ式ダムを建設し、得られた水圧を利用して発電するものであり、高圧水流を回転タービンに流し、タービンを高速回転させて発電するものであった。ナイアガラの水力発電、揚子江三峡ダムでの水力発電、ナイル川のアスワンハイダムでの水力発電などがそうであり、水力発電としては一般的な手法であった。

本発明の河川水流発電装置
本発明を河川の水流に応用した河川水力発電装置１７においては、河川流の水流方向は常に一定であるから、水力発電用の発電機７を最高位で高速回転させるには、回転軸１を逆回転させる水流だけを排除すればよく、図２に示す通り、その目的のために逆流防止壁８を設け、その逆流防止壁８は土台９に強固に固定して設置し、激しい水流にも耐えるものを設置する。図１に示す通り、左から流れてくる水流で回転軸１を回転させた場合、回転軸１を上から見て、回転軸１の左回転が正常回転であり、回転軸１を逆回転（右回転）させようとする水流を機械的に排除すればよく、その排除作用を担当するのが逆流防止壁８である。

傾斜面での本発明の河川水流水力発電
本発明河川水流力発電装置１７は平坦な水流だけでなく傾斜面でも発電できる。本発明は高圧の噴流による発電ではなく、水の自然流、つまり水の自然重量も利用することができるものであり、傾斜面であっても回転軸を斜面に対して垂直に立て、回転増幅装置６、発電機７を水流の上に出すことができ、発電機７の水没危険性を軽減しておくことができる。また、長い傾斜面であれば、その間に多数の本発明河川水流水力発電装置１７を設置可能であり、水流の持つ位置エネルギーを有効に電力に変換して利用できるものである。水流の持つ位置エネルギーを更に有効活用するためには、回転ブレード３の上下面に円盤の蓋を設けて、水流が飛散しないように工夫すればより効果的である。傾斜面の角度は、重量のある発電装置を設置するので、河川水流発電装置１７の重量を考えて、４５度くらいまでが適切であろう。

本発明海流発電装置
本発明の一つである海流発電装置１８は、図２に示す通り、本発明で「ブロック」１４と称する囲い枠で、水平方向支柱１０で囲まれた二つの正方形と垂直方向支柱１１に隔てられた最小単位の枠組みであるブロック１４による直方体において、縦に貫通する回転軸１に、本発明で定義する「流体制御装置」１５をそれぞれのブロック１４内に取り付けたものである。本発明で定義する流体制御装置１５とは、図２の発電部分の回転軸１、回転増幅装置６、発電機７を取り除いた、回転ブレード３、逆流防止ブレード４、方向制御ブレード５のみで構成したものである。本発明海流発電装置１８はその流体制御装置１５をブロック１４毎に上下共通方向の回転軸１に取り付けて使用するものであり、流体制御装置１５を複数合体された回転軸１は、回転軸ベアリング１２によって各ブロック１４の中央に保持され、上下ブロック１４の共通回転軸１を回転させ、海面上に設けた回転増幅装置６と発電機７を回転させ、垂直回転軸１に同時結合している複数の流体制御装置１５が共同で回転軸１を回転させ発電するものである。

本発明海流発電装置１８の特長
本発明の海流発電装置１８は、方向制御ブレード５付き逆流防止ブレード４が回転軸１の周りを３６０度自由回転できるものであり、海流によって方向制御ブレード５付き逆流防止ブレード４が３６０度自由回転し、方向制御ブレード５付き逆流防止ブレード４を最適位置に移動させるものである。つまり、上下共通の１本の回転軸１を複数の流体制御装置１５が、海流の流れを受けて、海流の運動エネルギーを電力エネルギーに変換させるものである。

流体制御装置１５の複合化
図３は、一例として、横方向に２列、前後方向に１列、垂直方向に６列のブロック１４を形成したものの図示であり、縦方向に共有される共通回転軸１は、各ブロック１４内に設けた複数の流体制御装置１５（図では記載省略）によって回転させられ、海上に設けた回転増幅装置６と発電機７を回転させるものである。図３には流体制御装置１５を図示していないが、図示した場合、図２のような表示になる。この一つ一つのブロック１４内で、回転ブレード３の逆流防止ブレード４は、方向性制御ブレード５に一体結合され、回転軸１の周りを３６０度自由回転できるものであり、ブロック数を左右、前後、上下と順次拡張していくことにより、流体制御装置１５の取り付け数を随時増加させ、上下方向に流体制御装置１５を増加させることにより、回転軸１の回転力を増大させることができるものである。

原子力発電への代替適用
本発明の海流発電装置１８を原子力発電装置と比較した場合、福島第一原子力発電所を例にとれば、この原子力発電所は、１号機４６．０万ＫＷ、２号機７８．４８万ＫＷ、３号機７８．４８万ＫＷ、４号機７８．４８万ＫＷであり、４台の原子力発電機の合計は２８１．４万ＫＷの出力となっていた。これをウィンドパーク波崎風力発電所と比較すれば、この発電所は定格出力０．１９８万ＫＷであるから、常時出力を２０％と計算し、常時０．０３６９万ＫＷの出力であるとする。この時のプロペラの半径は、半径４０メータであり、その時の回転プロペラの面積は、
πｒ^２ ＝ ３．１４ ｘ ４０ｍ ｘ ４０ｍ ＝ ５０２４ｍ^２
これを本発明で定義した流体制御装置１５で代用するとすれば、回転ブレード３の面積は、３ｍ ｘ ５ｍ ｘ ７８８（水／空気の重量比率）＝１１８２０ｍ^２ となるから、ここでの面積比率は １１８２０ ÷ ５０２４ ＝ ２．３５２倍 である。福島第一原子力発電所と波崎風力発電所を比較すれば、
２８１．４万ＫＷ ÷ ０．０３６９万ＫＷ ＝ ７６２６．０２倍
それを流体制御装置１５に対応させれば、
７６２６．０２ ÷ ２．３５２ ＝３２４２倍 となるので、
複合ブロックを、垂直方向に１５０メータとすれば、垂直方向に３０台、
手前方向に１０台、横方向に１１台、にすればよく、
つまり、１５０メータ Ｘ ２００メータ Ｘ ２２０メータ
の複合ブロックの中に流体制御装置１５を配置すれば良い。

ブロック規模の根拠
このときの計算根拠としては、一例として、一個のブロック１４の大きさを、横２０メータ、縦２０メータ、深さ５メータとして、取り付ける流体制御装置１５の回転ブレード３の半径を３メータ、深さ５メータ弱とし、方向制御ブレード５を横７メータ弱、深さ５メータ弱とすれば、一ブロック１４内の回転軸１の周りに流体制御装置１５を一個取り付けることができる。

海流の永続性
海流の流れは０．５ｍから５ｍ程度（黒潮最大２ｍ、メキシコ湾流最大９ｍ）と言われており、海流には急激な速度変化がなく、エルニーニョなどで海流の方向が経年的に徐々に変化することもあるが、本発明では海流の方向がどのように変わろうとも、３６０度回転可能な逆流防止ブレード４の回転によって最適位置が常に制御されている。

排除海流の再利用
逆転防止ブレード４によって排除された海流は、次の回転ブレードに向かい、次の回転軸１を回転させるように働き、運動エネルギーをほぼ電力エネルギーとして換算し回収できる。逆流防止ブレード４によって回転ブレード３から排除された海流は、その運動エネルギーを次の回転ブレード３に導かれ、次の回転ブレード３に運動エネルギーとして回収され、電力生成のために再度利用される。つまり一旦排除された海流の運動エネルギーは次の回転ブレード３で電力エネルギーとして回収される可能性が高く、海流の持つかなりの運動エネルギーが電力エネルギーに変換されると考えて良い。

海流発電装置１８の構成
流体制御装置１５を保持する複数のブロックを、上下方向に１５０メータ、横方向に２００メータ、縦方向に２２０メータで構成するとすれば、流体制御装置１５は、深さ方向に３０機設置することができ、この３０機で海上にある一つの発電機７を回転させて発電することができる。このとき発電機７の総数は、縦Ｘ横
を計算して、１０ Ｘ １１ で１１０機の発電機７を動かすことになる。これが福島第一原子力発電所とほぼ同等の出力である。

海流発電装置１８による原子力発電所の代替
このようにブロック１４を増加させ、流体制御装置１５を上下左右に増大していけば、発電力を増大させていくことができ、原子力発電に匹敵する海流発電装置１８を提供することができる。わずか、２００メータ Ｘ ２２０メータの大陸棚面積で、４機の原子力発電機を代替できるのであるから、世界地図で、海岸線と同等の長さを持つ大陸棚の面積を考えれば、ほとんど無限の設置場所があると考えてよく、世界の電力需要１００％の２、３倍を簡単に提供できるものである。

海流
日本の太平洋側には黒潮、寒流の親潮、日本海側には対馬海流、リマン海流などが流れており、西欧諸国にも米国東海岸からのメキシコ湾流が流れている。そのほかにも世界の海流としては、北太平洋海流、北赤道海流、赤道反流、南赤道海流、南インド海流、南大西洋海流、北大西洋海流、南極海流、カリフォルニア海流があり、それぞれの海流は更に多くの支流をもち、本発明の海流発電装置１８を適用できる海流はほとんど無限と言っていいほどである。

大陸棚
本発明海洋発電装置１８は大陸棚上に設置する方がよく、各国は海岸線と同等の距離の大陸棚を海浜に持ち、大陸棚は平均の深さが１００～２００メータ、その広がりは海岸線から７２キロメータあり、全海洋面積の７．４％を占めており、海流発電装置１８を設置するための面積は十分すぎるほどあり、大陸棚底面の傾斜角が１度から３度程度しかなく、ここに海流発電装置１８を設置するためには、底辺の垂直方向支柱１１を調整すればよい。

世界の都市
世界の大都市は臨海地区にあり、巨大な電力需要がありながら、原発の事故や暴走が危険であり、原子力発電所は人口過密地帯から離れた場所に建設されることが多い。本発明海洋発電装置１８は、危険因子がまったくないので、主要な都市に対して近隣の海流から発電して送電することができる。このような都市部での電力需要を、近隣の海流からエネルギーを回収利用することができれば、原子力発電のように、人口過密地帯を避けて過疎地に建設しなければならないという危険性もない。

電気自動車
電気自動車の普及において、動力を電気エネルギーに頼ることになっても、その電力を生成するのに火力発電や原子力発電を使用するのであれば、化石燃料を消費しての電力生成であり、いずれ消滅する資源の利用にすぎないのであるが、河川水流、海洋水流を利用した本発明であれば、自然から提供される動力がほぼ無限であり、自動車のもたらす排気ガスの規制にも十分に役に立つものである。つまり地球温暖化の防止としてのＣＯ２の削減にも役に立つものである。当然ながら、本発明の電気は、自動車だけでなく人の移動に伴う交通手段である列車や電気機関車にも適用可能であり、日常によく使う交通手段の動力として使うことかできる。

本発明河川水流発電装置１７の利用
本発明河川水流発電装置１７は、装置そのものがコンパクトに仕上がっているので、運搬、移動、設置が容易であり、アラスカのような河川の多い山岳地帯の川の流れのある所に沈めて設置すればよい。河川が渓流であっても４５度くらいまでの勾配なら設置可能である。組み立ては、土台９、逆流防止壁８などを分解組み立て式として運搬し、現場で組み立てる。また、設置箇所が斜面であれば、回転ブレードの上下を板で囲ってバスケット状にすれば、重力の作用がより顕著になり、効率が上がる。

本発明海洋発電装置１８の組み立て
本発明の海洋発電装置１８においては、まず水平方向支柱１０、垂直方向支柱１１により、図４のようにブロック１４を一段ずつ形成し、最小ブロック１４の中央に回転軸１を設け、回転軸ベアリング１２の設置、ベアリングホールダー１３と回転軸ベアリング１２との組み合わせがあるので、組み立て方法としては、海上面に組み立て用の臨時浮体を浮かべ、一段ずつ組み立てて水中に沈めていく方法が最適である。
● 一段ごとに水平支柱、垂直支柱の組み立て
● ベアリングホルダーの組み立て
● 回転軸の挿入
● 流体制御装置の組み立て取り付け
● 回転ブレードの取り付け
● 密着用ゴムホルダーの取り付け
● ボルトでの密着
● 逆流防止ブレードの取り付け
● 方向制御ブレードの取り付け

潮流発電
一日に流れの方向が二度変わる潮流に対しては海流発電装置１８を適用すれば、問題なく発電することができる。潮流によって流路が変わる河口付近での発電も同様である。

海流発電装置１８に対する保守
海洋発電装置１８においては、海中に長時間放置される回転ブレード、逆流防止ブレード、方向制御ブレードにフジツボなどの付着物が増加する可能性があるが、海水１００メータ位までは潜水夫による人力清掃、それ以上では清掃ロボットなどを利用して定期的に清掃するようにすれば良い。

河川水流発電装置１７の個人使用
本発明の河川流発電装置１７においては、水流のある河川にそのまま回転ブレードの部分を土台９とともに、水没させるだけでよく、すぐに発電が開始できる。本発明はアラスカなどの小河川があるところで山中に個人住宅があるような所での使用に適している。

海流発電装置１８による人口密集地域での発電
これまでの原子力発電は、核分裂による核エネルギーを利用するため、原子炉での不慮の事故を想定しなければならず、原子力の安全を標榜しても、結局は人口密集地帯から離れたところに原子力発電所を建設しなければならないという問題が発生し、東京で使う電力を過疎地の福島で発電しなければならないという問題があり、そのため遠距離送電という問題も発生していた。しかし、本発明の海流発電装置１８では人口密集地の近隣海流で発電して送電する、いわゆる地産地消の典型的な発電が可能である。

濾過膜による淡水製造
本発明海洋発電装置１８においては夜間での発電も常時可能であり、昼間の需要に対して余分の電力が生成されるが、その電力は夜間でも無料で生産されるから、濾過膜を通しての淡水製造装置運転に使用すればよい。濾過膜を使った淡水製造装置は電力を大量に消費することで有名であったが、原油などを持っている富裕国に適した手法と思われてきたが、これからは本発明の海流発電装置１８で安い電力を四六時中使うことができるので、余った電力を濾過膜使用淡水製造装置に使用することができる。

淡水での農業生産
濾過膜で製造された淡水は、人々の飲料水に使用するだけでなく、日常生活の水使用にも十分供給できる量を生産すると考えられ、農業での野菜生産、ビニールハウス内での水耕栽培の活用など、水の蒸発離散を防ぎながら淡水を活用していくことができる。入浴にも使用可能な量の淡水も十分提供できる。

過疎地への住居拡大
本発明は２４時間発電可能であるため、河川水流発電装置を利用して日常的な電気器具を２４時間使用することができる。照明、水道、冷暖房装置、洗濯機、冷蔵庫、電気調理器、入浴施設など、個人の使用に関わる電気器具全てを、個人所有の発電装置の中で自由に使用し、個人の生活を山間部、高原部、草原部、砂漠部、河川部へと拡大することができる。

河川水流発電装置１７の基本的構造図 海流発電装置１８の基本的構造図 海流発電装置１８を複合的に組み立て配置するための基本的構造支柱の略図

１ 回転軸
２ ベアリング
３ 回転ブレード
４ 逆流防止ブレード
５ 方向制御ブレード
６ 回転増幅装置
７ 発電機
８ 逆流防止壁
９ 土台
１０ 水平支柱
１１ 垂直支柱
１２ 回転軸ベアリング
１３ ベアリングホルダー
１４ ブロック
１５ 流体制御装置
１６ なし
１７ 河川水流発電装置
１８ 海流発電装置

Claims (1)

1. 海流中に組み立てた水平方向支柱と、垂直方向支柱により、海水中に組み立てられた複数のブロックと、各ブロックの中に回転軸と一個の流体制御装置を持ち、各垂直ブロックのなかで共通の回転軸と、各ブロックに流体制御装置を持ち、回転軸の回転力を増幅させる回転増幅装置と、増幅された回転数で回転する発電機をもった海流発電装置であって、
   各垂直ブロックは、垂直方向に複数のブロックを並べ、前記共通の回転軸と一体回転するものであり、
   前記複数のブロックは、前記複数の垂直ブロックが縦方向および横方向に並べられており、前期流体制御装置は、回転ブレード、逆流防止ブレード、方向制御ブレードから構成され
   前期回転ブレードは、前期共通の回転軸を回転させ、
   前期逆流防止ブレードは、前期回転ブレードの周りを円弧状に囲むものであって、
   前記方向制御ブレードは、長方形状の板状であって、
   前記回転ブレードと前記方向制御ブレードとは一体結合され、前記共通の回転軸の周りを３６０度自由回転できるものであり、
   前記逆転防止ブレードによって排除された海流は、別の回転ブレードに向かい、別の回転軸を回転させることを特徴とする海流発電装置。

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