JP7270471B2 - 潮流発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、海中において潮流エネルギーを利用して発電することのできる潮流発電装置に関する。

近年、再生エネルギーによる発電装置が見直されている。例えば海洋基本法に基づき策定された「海洋基本計画」では、管轄海域に賦存し、将来のエネルギー源となる可能性のある自然エネルギーに関し、地球温暖化対策の観点からも必要な取組や検討を進めるとして、政府として取り組む方向が示されている。
潮汐によって引き起こされる潮流や黒潮や親潮等のように定常な流れである海流のエネルギーで、プロペラやタービンを回すことにより潮流発電することができる。また、日本近海には関門海峡や明石海峡といった流速が速くて時間によって潮の流れが逆転する海峡が多くあり、潮流発電に好適であるといえる。

例えば特許文献１に記載された潮流発電装置は、中央部に設けられた角筒状または円筒状の空間の両側にそれぞれ端部の開口に向かって容積が拡大する第一拡大筒部及び第二拡大筒部を有する筒状体が海中に設置されている。この筒状体の四隅に設けられた係留ワイヤを介してアンカーを海底に設置している。筒状体の内側中央部に設けられた水車が第一拡大筒部及び第二拡大筒部内を流通する潮流を受けて回転することで、発電機で発電することができる。

特開２００５－２４０７８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された潮流発電装置では、筒状体は第一拡大筒部、中央部、第二拡大筒部がパイプによる骨組みに耐蝕鋼板を取り付けて形成され、その上部の浮体に発電機等の発電設備を設置している。そのため、筒状体が複雑な形状を有する上に発電設備を筒状体と別個に設置する必要があり、構造が複雑でコスト高になるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、効率よく発電できる上に、構造が簡単で製造コスト及び設置コストを低廉にすることができる潮流発電装置を提供することを目的とする。

本発明による潮流発電装置は、外筒と、外筒の内側に配設されていてその端部は外筒に向けてテーパ状に拡径されている内筒と、内筒内に設けられていて潮流によって回転する水車と、水車の回転によって発電する発電装置と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、外筒から流入する潮流がテーパ状に傾斜する端部で収束させられて内筒内を高速で流れるため水車が高速で回転させられて発電装置で発電され、その後、潮流は内筒のテーパ状の端部で拡散させられて外筒から流出する。

また、外筒と内筒の間は周方向の仕切り壁と支持台で仕切られており、仕切り壁と支持台で仕切られた空間内にバラストが収納されていることが好ましい。
外筒が円筒状でも潮流発電装置の姿勢をバラストで維持でき、海中での設置高さも調整できる。

また、水車は同一方向または逆方向の向きに複数個設置されていることが好ましい。
水車が同一方向に複数個設置されていると回転による発電のパワーを向上でき、逆方向に複数個設置されていると潮流の向きが変化しても水車の回転による発電を継続できる。

また、水車は内筒内で回転可能であることが好ましい。
水車が内筒内で回転可能であると潮流の向きが変化したとしても水車の向きを変えることで発電を継続できる。

本発明による潮流発電装置は、外筒と、外筒の内側に配設されていてその端部は外筒に向けてテーパ状に拡径されている内筒と、内筒内に設けられていて潮流によって回転する水車と、水車の回転によって発電する発電装置と、を備えた発電ユニットが複数個連結されていることを特徴とする。
外筒内に内筒や水車や発電装置を設けた発電ユニットを複数個連結して配列することで、発電をより高効率で行える上に海中でも安定した姿勢で保持できる。

また、発電装置は外筒と内筒の間に設置されていてもよい。
別個に発電装置を液密に収納する設備を設置する必要がなく製造コストの低減に役立つ。
また、外筒と内筒は略円弧版状のセグメントを周方向及び軸方向に連結することで形成されており、内筒のテーパ状の端部は鋼板で形成されていることが好ましい。
本発明は、外筒と内筒をセグメントを組み立てることで形成でき、組み立てが容易で海中での耐久性が高い。

本発明による潮流発電装置は、外筒と内筒を二重に配設させており、内筒の内部に水車を配設して発電装置で発電するため、潮流によって効率よく発電できる上に構造が簡単で製造コストと設置コストを低廉にすることができる。

本発明の第一実施形態による潮流発電装置の概略斜視図である。 図１に示す外筒及び内筒の断面図である。 外筒及び内筒を示す斜視図である。 外筒及び内筒の長手方向に直交する断面図である。 第二実施形態による潮流発電装置の断面図である。 第三実施形態による潮流発電装置の断面図である。 第四実施形態による潮流発電装置の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は変形例による潮流発電装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態による潮流発電装置について添付図面により説明する。
図１～図４は本発明の第一実施形態による潮流発電装置１を示すものである。
図１に示す潮流発電装置１は、海中に設置された二重管タイプの発電用筒体２と、発電用筒体２を海中の所定位置に係留するためのアンカー３と、発電用筒体２を海中に支持するための浮き４とを概略で備えている。アンカー３は係留ロープ６を介して発電用筒体２の下部に連結されている。浮き４は吊りロープ７を介して発電用筒体２の上部に連結されていて、発電用筒体２の上下方向位置が変動することを抑制している。なお、アンカー３が設置されていれば、浮き４は設置しなくてもよい。

次に潮流発電装置１の発電用筒体２について図２から図４により詳細に説明する。
発電用筒体２は図２～図４に示すように、略円筒状の外筒９と外筒９の内部に装着された内筒１０とを備えている。外筒９と内筒１０はいずれも例えばトンネル工事等に用いられるセグメントとしてＲＣセグメント１１を用いて周方向及び軸方向に千鳥に組み立てている。
ＲＣセグメント１１は鋼材部分が腐食しないようにコンクリートの内側に配設され、表面はコンクリートで覆われている。ＲＣセグメント１１は板状で円弧版状に形成されており、複数のＲＣセグメント１１を周方向及び軸方向に連結することで略円筒状に形成されている。

外筒９と内筒１０は複数枚のＲＣセグメント１１を継手を介して継手面同士を周方向に連結することでそれぞれセグメントリングを構築し、ＲＣセグメント１１の円弧状をなす主桁面同士を継手を介して千鳥に連結することで軸方向に連結してそれぞれ筒状に形成されている。内筒１０は外筒９よりも少ない枚数でセグメントリングを構築するため比較的小径であり、しかもその軸方向長さも外筒９よりも短い。なお、セグメントとしてＲＣセグメント１１に代えてコンクリートセグメントを採用してもよい。

図２に示すように、発電用筒体２は、外筒９の内部中央の下側に長手方向の所定間隔に略扇型の隔壁として複数の支持台１３を設置して固定し、各支持台１３の上部凹曲部１３ａに内筒１０の底部を連結する。外筒９と内筒１０と支持台１３との間に挟まれた空間で支持台１３の周方向両側は仕切り壁１４によって封止されている。これら外筒９及び内筒１０及び仕切り壁１４で仕切られた空間内で支持台１３に区分けされた複数の小空間内にはそれぞれバラスト１５が収納されている。

バラスト１５は砂利や土砂、石、コンクリ－ト、鉄材等でもよいし、海水や真水等でもよい。一対の仕切り壁１４で区画されたバラスト１５の空間は外筒９及び内筒１０の底部の周方向で例えば１/４円程度の幅に設定されている(図４参照)。これにより、外筒９及び内筒１０の１/４円の底部にバラスト１５が収納されるため、外筒９が円筒形状でも海中でのバランスが良く、ローリングに対してバラスト１５が底部に着座する正しい位置、姿勢を確保できる。

また、内筒１０の長手方向両端部には外筒９の両側端部の内面に向けて次第に拡径するラッパ状の傾斜面部１７が固定されている(図２，３参照)。傾斜面部１７は断面視テーパ状であって例えば耐蝕鋼板等の鋼板からなり、予め工場等で製造されている。傾斜面部１７は内筒１０の端部から外筒９の端部の内側に固定されてもよいし、外筒９の端部に到達して固定されてもよい。
内筒１０の内部には複数本、例えば２本の水車２０が設置されている。各水車２０は軸部２１と軸部２１に固定された複数枚のスクリュー２２とを備えている。軸部２１の長手方向に対してスクリュー２２は潮流Ａ方向側に固定されている。

内筒１０と外筒９の間の上部空間２４内には各水車２０に接続された発電装置２５が設置されている。発電装置２５は水車２０の回転の伝達を受けて発電することができる。内筒１０内には複数の水車２０が直列に配列されている。本実施形態では、内筒１０内には複数の水車２０が直列に配列され、上部空間２４内に各水車２０に接続された発電装置２５を複数台設置したため発電能力をパワーアップすることができる。

なお、図２及び図４に示すように、上部空間２４は内筒１０と外筒９と内筒１０の前後に設けた傾斜面部１７と左右両側の仕切り壁１４によって液密の閉鎖空間を形成している。これによって、上部空間２４内に設置した発電装置２５に海水が接触して漏電や故障等することを防止できる。発電装置２５を設置する上部空間２４はその周方向の両端部を仕切り壁１４とは別個に設置した隔壁によって液密に仕切ってより小さいスペースに設定してもよい。

本第一実施形態による潮流発電装置１は上述の構成を有しており、次にその設置方法と使用方法について説明する。
発電用筒体２として、それぞれＲＣセグメント１１から構成される外筒９の内側中心に比較的小径で長さも短い内筒１０を例えば地上で組み立てる。そのため、まずＲＣセグメント１１によって外筒９の下側部分を断面円弧状に組み立てる。次に外筒９の下側部分の中央に支持台１３を所定間隔で配列し、その上に外筒９のＲＣセグメント１１より曲率半径の小さいＲＣセグメント１１で内筒１０の下側部分を断面円弧状にセットする。支持台１３の間にバラスト１５を収納すると共に支持台１３の周方向両端を仕切り壁１４で閉鎖する。

そして、内筒１０内の上側部分に水車２０を所定間隔で設置し、更に内筒１０の上側部分をＲＣセグメント１１で組み立てて円筒状に形成する。ついで、内筒１０の両端にラッパ状の傾斜面部１７を連結し、内筒１０の上部に発電装置２５を設置する。更に、外筒９の上側部分をＲＣセグメント１１で組み立てて上部空間２４を液密に封止する。
その後、完成された発電用筒体２をタグボートによって所要の海流エネルギーの得られる海域に搬送し、発電用筒体２に係留ロープ６を連結してアンカー３を海底に打設する。更に、浮き４を吊りロープ７を介して発電用筒体２に連結して浮力を得て潮流発電装置１を海中に設置する。

本第一実施形態による潮流発電装置１では、図２に示すように、潮流が発電用筒体２の外筒９の一方の開口から他方の開口へ向けてＡ方向に流れる。外筒９の一方の開口から流入する潮流はラッパ状の傾斜面部１７を通過することによって収束させられて流速が増大し、内筒１０内で水車２０の回転速度をより高速化させる。これにより、発電装置２５による発電効率を向上させることができる。しかも、内筒１０内には複数の水車２０が直列に配列されているため、発電装置２５による発電効率と発電出力を向上できる。
水車２０を通過した潮流は内筒１０からラッパ状の傾斜面部１７に移行することで潮流の流れが拡散し、水圧が低下して潮流の流速が低下し、外筒９の他方の開口から流出させられる。また、潮流の向きが変化して逆方向（Ｂ方向）から潮流が流れる場合に対応できるように、別個の潮流発電装置１を設置して水車２０の向きを逆向きに配設したものを設けるとよい。

上述したように本第一実施形態による潮流発電装置１によれば、外筒９が単純な円筒形状でその内部にラッパ状の傾斜面部１７と内筒１０を設け、内筒１０内に複数の水車２０を設置した。そのため、外筒９から流入して傾斜面部１７を介して内筒１０内を流れる潮流が増速されて複数の水車２０を高速で回転させて発電できるため発電効率が高い。
しかも、外筒９の周囲を流れる潮流の抵抗が小さく、内筒１０と外筒９の間の下側部分にバラスト１５を収納しているため、ローリングに対して正しい姿勢を維持できる上に設置高さの調整を容易に行える。また、水車２０の発電装置２５は外筒９及び内筒１０の間の液密の上部空間２４内に設置したため漏電や故障等を防止できる。

以上、本発明の第一実施形態による潮流発電装置１について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本発明の他の実施形態や変形例等について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。

図５は本発明の第二実施形態による潮流発電装置１Ａを示すものである。
図５に示す潮流発電装置１Ａの発電用筒体２において、潮流は、外筒９に対して左側から流れ込むＡ方向の潮流と右側から流れ込むＢ方向の潮流とに切り換わる。本第二実施形態では、両方の潮流の流れに対応できる。潮流発電装置１Ａにおいて、内筒１０内に設置された複数、例えば２つの水車２０は第一水車２０Ａ、第二水車２０Ｂとされ、軸部２１の長手方向に対してスクリュー２２が逆向きに設置されている。
即ち、図５において、内筒１０内で左側に設置された第一水車２０ＡはＡ方向の潮流に対応できるように軸部２１の左側にスクリュー２２が設置され、右側に設置された第二水車２０ＢはＢ方向の潮流に対応できるように軸部２１の右側にスクリュー２２が設置されている。

本第二実施形態による潮流発電装置１Ａによれば、Ａ方向の潮流が発電用筒体２の外筒９内に流入するとラッパ状の傾斜面部１７を通過することで集束させられて流速を増大させて内筒１０内に流入する。そして、左側に設置されたＡ方向を向く第一水車２０Ａでスクリューが高速回転させられ、発電装置２５Ａにより効率よく発電させられる。第一水車２０Ａを通過した潮流は第二水車２０Ｂを通過して内筒１０から傾斜面部１７に拡散されて外筒９の開口から流出する。

同様に潮流がＡ方向の潮流からＢ方向の潮流に切り換わった場合、Ｂ方向の潮流が外筒９内に流入するとラッパ状の傾斜面部１７で集められて流速を増大させて内筒１０内に流入する。そして、Ｂ方向を向く第二水車２０Ｂでスクリューが高速回転させられ、発電装置２５Ｂにより効率よく発電させられる。潮流は第二水車２０Ｂから第一水車２０Ａを通過して内筒１０から傾斜面部１７に拡散されて流速が低下し、外筒９の開口から流出する。そのため、潮流の方向が切り換えられても潮流発電装置１Ａによって効率よく発電できる。

次に本発明の第三実施形態による潮流発電装置１Ｂを図６により説明する。
本実施形態による潮流発電装置１Ｂでは、発電用筒体２の内筒１０内に複数、例えば２台の水車２０が直列に設置されている。これらの水車２０は軸部２１にスクリュー２２が固定され、内筒１０と外筒９の間の上部空間２４内には発電装置２５がそれぞれ設置されている。各水車２０の軸部２１は内筒１０の上下方向に設置された旋回軸２８によって回転可能に連結されている。しかも、旋回軸２８の一端は上部空間２４内に設置された駆動モータＭに連結され、旋回軸２８によって水車２０を正逆回転させることができる。

そのため、駆動モータＭの制御により、外筒９から内筒１０内を流れる潮流の向きがＡ方向の場合には、旋回軸２８によって水車２０のスクリュー２２がＡ方向側を向くように回転させる。また、潮流の向きがＢ方向の場合には、旋回軸２８によって水車２０のスクリュー２２がＢ方向側を向くように回転させる。これにより、潮流がＡ方向とＢ方向とで切り換わっても水車２０を対応させて効率よく発電することができる。

次に本発明の第四実施形態による潮流発電装置１Ｃを図７により説明する。
本第四実施形態による潮流発電装置１Ｃは、上述したいずれかの実施形態による潮流発電装置１、１Ａ、１Ｂの少なくともいずれかを複数本(図では３本)並列に連結したものである。この場合、例えば潮流発電装置１の発電用筒体２を３本連結したとして、隣り合う外筒９同士の接線部分を内面からボルト２９とナット３０等で連結すればよい。或いは３本の外筒９の外周面を枠体３１や鋼材、線材等で囲うことで連結してもよい。
本実施形態による潮流発電装置１によれば、発電用筒体２を複数本並列に連結したため、海中での姿勢がより安定する上に、水車２０による発電効率が一層高くなる。

また、第四実施形態による潮流発電装置１Ｃの変形例として、図８（ａ）に示すように、３本の発電用筒体２を略三角形を構成するように配列して互いに連結してもよい。或いは、図８（ｂ）に示すように、３本以上の複数本の発電用筒体２が四角形やその他の多角形を構成するように互いに当接させて連結してもよい。この場合、発電用筒体２は少なくとも２個以上の複数個が並列配列されている。
上述した各実施形態等では、内筒１０内に水車２０を複数個配設したが、１個でもよいことはいうまでもない。
なお、各潮流発電装置１～１Ｃの発電用筒体２の組み立ては工場やドッグだけでなく洋上の施工現場等で構築して、海中に沈めることができる。また、発電用筒体２は発電ユニットに含まれる。

１ 潮流発電装置
２ 発電用筒体
３ アンカー
９ 外筒
１０ 内筒
１３ 支持台
１４ 仕切り壁
１５ バラスト
１７ 傾斜面部
２０ 水車
２０Ａ 第一水車
２０Ｂ 第二水車
２１ 軸部
２２ スクリュー
２４ 上部空間
２５ 発電装置
２８ 旋回軸
Ｍ 駆動モータ

Claims (6)

1. 外筒と、
   前記外筒の内側に配設されている内筒と、
   前記内筒の両端部に固定され、前記外筒に向けてテーパ状に拡径されている傾斜面部と、
   前記内筒内に設けられていて潮流によって回転する水車と、
   前記水車の回転によって発電する発電装置と、
   を備え、
   前記外筒と内筒は、円弧版状のセグメントを、継手面同士を周方向に連結するとともに、主桁面同士を軸方向に連結することで形成されている、
   ことを特徴とする潮流発電装置。
2. 前記外筒と内筒の間は周方向の仕切り壁と支持台で仕切られており、前記仕切り壁と支持台で仕切られた空間内にバラストが収納されている請求項１に記載された潮流発電装置。
3. 前記水車は同一方向または逆方向の向きに複数個設置されている請求項１または２に記載された潮流発電装置。
4. 前記水車は前記内筒の上下方向に設置された旋回軸の回りで回転可能である請求項１または２に記載された潮流発電装置。
5. 外筒と、
   前記外筒の内側に配設されている内筒と、
   前記内筒の両端部に固定され、前記外筒に向けてテーパ状に拡径されている傾斜面部と、
   前記内筒内に設けられていて潮流によって回転する水車と、
   前記水車の回転によって発電する発電装置と、
   を備え、
   前記外筒と内筒は、円弧版状のセグメントを、継手面同士を周方向に連結するとともに、主桁面同士を軸方向に連結することで形成されている、
   発電ユニットが並列に複数個連結されていることを特徴とする潮流発電装置。
6. 前記発電装置は前記外筒と内筒の間に設置されている請求項１から５のいずれか１項に記載された潮流発電装置。

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