TW202240068A - 水流發電用傳動裝置，以及水流發電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明目的在於即使是水流的流勢激烈的環境，旋轉體仍穩定旋轉的同時，抑制旋轉體的流失。 將水流的水流能量變換為旋轉能量來發電的水流發電裝置(1)，具有：旋轉體(10)；軸(5)，將旋轉體(10)的旋轉傳遞至發電機；支柱(2)，於該支柱可旋轉地安裝有軸(5)；以及支撐構件(3)，其中一端固定於支柱(2)，以其他部分支撐旋轉體(10)。支撐構件(3)，一邊維持旋轉體(10)的旋轉，一邊支撐旋轉體(10)。

Description

水流發電用傳動裝置，以及水流發電裝置

本發明是有關於水流發電用傳動裝置，以及水流發電裝置。

在海流，世界中一年存在數百TWh的能源。海流因為相較於太陽光及風力的變動較為穩定，所以利用海流的發電，作為具有穩定性的發電方法而受到矚目。並且，海流發電，因為不會排出二氧化碳CO2，所以也作為環境負荷極小之以自然能源所產生的發電而受到矚目。 自以往，即存在藉由利用海及河川的水流使螺旋槳等的旋轉體旋轉，使水流的運動能源變換為電能來發電的技術。

在專利文獻1，記載有作為利用潮流來發電的技術，將中空的支撐桿設置在海中的固定位置，並在其支撐桿設置受到海中的上層部的潮流而旋轉的螺旋葉片、以及受到下層部的潮流而旋轉的螺旋葉片，靠著以上層部和下層部的兩潮流來旋轉的螺旋葉片的旋轉力，將設置於海面上的站內的發電機予以驅動而發電的技術。

在專利文獻2作為利用水流來發電的技術，記載有：為將樁安置於河川的水底地盤，將具備發電設備的浮體可昇降地設置於其樁的技術，該發電設備具有受到自然流下的水流而旋轉的旋轉體(螺旋葉片)。

在專利文獻3，記載有將複數的水中旋轉體垂直一列配置於固定在海底的垂直材料，將海流使水中旋轉體旋轉的能量傳遞至海上的發電機的技術。並記載具有從前端往後端形成為流線形狀的軀幹部分，將受到水流而旋轉的水中旋轉體的旋轉動能傳遞至海上的發電機的技術。 [先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2002-257023號公報 專利文獻2：日本特開2004-169564號公報 專利文獻3：日本特開2009-121241號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，因為海及河川的水中之水流速度快，所以水中之旋轉體，在水流的流勢下不斷承受往下游沖刷的力量，或旋轉體因亂流等發生擺動。因此，恐有旋轉體和發電裝置連接的部分遭到破損和破壞，造成旋轉體從發電裝置分離，旋轉體流失的疑慮。特別是，因為在河川及海洋有船舶航行，所以必須防止被流走的旋轉體碰撞船舶的事故。在專利文獻1~3，有關於抑制旋轉體因水流從發電裝置脫落造成流失情況的對策，並未提及，也給予建議。期望能開發出在使旋轉體藉水流旋轉來發電的情況下，即使是水流激烈的環境，仍維持旋轉體的旋轉的同時，將旋轉體牢固地支撐而防止旋轉體流失的技術。

本發明是有鑑於如此般的狀況所發明，其目的在於即使是水流的流勢激烈的環境，旋轉體仍穩定旋轉，同時抑制旋轉體的流失。 [解決問題之技術手段]

請求項1所記載的發明是一種水流發電裝置，其係具有：旋轉體，藉由水流進行旋轉；軸，將前述旋轉體的旋轉傳遞於發電機；支柱，於該支柱可旋轉地安裝有前述軸；以及支撐構件，其中一端固定於前述支柱，以其他部分將旋轉體可旋轉地支撐。

請求項2所記載的發明是如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中，前述支撐構件是朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的筒狀體，藉由從前述支撐構件朝徑向外側突出的凸部和前述旋轉體內側的凹部對峙，可旋轉地支撐前述旋轉體。

請求項3所記載的發明是如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中，前述支撐構件是朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的筒狀體，藉由朝前述支撐構件的徑向內側形成的凹部和從前述旋轉體內側突出的凸部對峙，可旋轉地支撐前述旋轉體。

請求項4所記載的發明是如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中，前述支撐構件，由朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的支撐棒、以及將前述支撐棒予以固定的固定板所成，前述支撐構件，藉由前述固定板設置於前述旋轉體側之面的凹部和從前述旋轉體的端部突出的凸部對峙，可旋轉地支撐前述旋轉體。

請求項5所記載的發明是如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中，前述支撐構件，由朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的支撐棒、以及將前述支撐棒予以固定的固定板所成，從前述固定板的前述旋轉體側的面突出的凸部和形成於前述旋轉體的端部的凹部對峙，藉此可旋轉地支撐前述旋轉體。

請求項6所記載的發明是一種水流發電裝置，係安裝複數個請求項1至請求項5之任一項所述的水流發電用傳動裝置。 [發明效果]

依據本發明，由於固定於支柱的支撐構件可以一邊維持旋轉體的旋轉一邊支撐旋轉體，因而可以抑制旋轉體從發電裝置脫落而被水流沖走的情形，穩定地發電。

針對本發明所涉及之發電裝置，參照圖式進行說明。此外，本發明並未限定於下述實施方式。

(第一實施方式) 圖1是表示第一實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。如圖1所示般，本實施方式的水流發電裝置1，具有：旋轉體10；軸5，將旋轉體10的旋轉傳遞至發電機20；支柱2，於該支柱可旋轉地安裝有軸5；以及支撐構件3，其中一端固定於支柱2且以其他部分支撐旋轉體。

支柱2，為了不受水流的影響而移動，也可固定於水底，另外，也可以是從以繩索等與固定於水底的錨連結的浮體式設備往下方延伸的構件。在支柱2的內部，為了可以容納發電機20等，較理想為支柱2的內部成為空洞的構造。在支柱2設置可插入軸5之尺寸的孔，軸5雖然可旋轉，而且為了不讓水從支柱2的外部通過孔浸入，實施了適當的防水機構。

在本說明書中，「水流」是指水或海水的流動，不僅是流線呈層狀齊集之層流的方向，也包含流線混亂的亂流狀態。「水流的方向」，即使是層流或亂流，仍意指流動整體的主方向。除非另有註明，「上方」是指從水底往水面上的方向，「下方」是指從水面上往水底的方向。另外，除非另有註明，「前方」是指水流的上游方向，「後方」是指水流的下游方向。

在本說明書中，「旋轉體」是指承受水流的流勢而將水流能量變換為旋轉能量的物體或裝置。因此，在旋轉體，也可以具有承受水流而變換為旋轉的葉片。葉片也可以是朝長度方向傾斜描著螺旋的形狀。

旋轉體10是可以將水流的能源變換為旋轉體10的旋轉動能般的構造體。例如，在圖1所示的例中，旋轉體10設置於支柱2的下游側，成為附加於旋轉體10的軀幹部之複數個葉片11，承受水流使旋轉體10旋轉的構造。葉片11，因為較理想為承受水流而旋轉體容易旋轉的形狀，所以也可以形成為包圍旋轉體的軀幹部的螺旋形。旋轉體10，雖然也可以設置於支柱2的上游側，但因為有旋轉體10的擺動變強的疑慮，所以在第一實施方式中，旋轉體10設置於支柱2的後方，換言之即下游側。第一實施方式的旋轉體，形成為前方側有開口，且後方側封閉的圓筒形的構造，軸5固定於後方側的底部。

旋轉體10的旋轉軸方向的長度，藉由形成為比(在軀幹部的中央之)徑向的直徑更大的形狀，因為是藉由水流旋轉的同時朝下游方向延伸的形狀，故也可以形成為不易受到上下方向擺動的構造。在第一實施方式中，旋轉體10的徑向的直徑約10m，旋轉軸方向的長度約20m。另外，就旋轉體10的材質而言，使用纖維強化塑膠(FRP)及碳纖維強化塑膠(CFRP)等的樹脂及金屬。將旋轉體以鈦合金製形成的話，即使水中也不生鏽，可以半永久地使用。

軸5固定於旋轉體10，藉由與旋轉體10成為一體來進行旋轉，將旋轉體10的旋轉傳遞至發電機20。軸5和旋轉體10，成為一體來一起旋轉。或者也可以經由固定有軸5的固定板等來與旋轉體連結。而且，如圖1所示般，由於軸5與配置於支柱2內部的發電機20連結，因而可以將旋轉體10的旋轉傳遞至發電機20。發電機20將藉由軸5傳遞的旋轉動能變換為電能。此外，「將旋轉體的旋轉傳遞至發電機的軸」，不僅直接連結於發電機的軸，也包含經由齒輪等將旋轉傳遞至發電機的軸。

支撐構件3是與軸5的旋轉軸平行延伸之圓筒形狀的構件，軸5貫穿支撐構件3的內部。支撐構件3的其中一端固定於支柱2，並且成為旋轉體10將支撐構件3的圓筒形狀之構件的外周局部包住的構造。從支撐構件3的圓筒形的外側壁面，朝軸的徑向外側突出的凸部4，形成於圓筒的外周。凸部4，配置成與槽狀形成於旋轉體10的內側壁面的凹部7對峙。藉此，旋轉體10即使是在水流的流勢較強的情況下，旋轉體10仍藉由固定於支柱2的支撐構件3的凸部4支撐，旋轉體10不會從水流發電裝置1脫落而被沖往水流的下游方向，而且可以維持旋轉運動。 另外，雖然未圖示，但支撐構件3雖然是固定於支柱2的狀態，但也可以是可伸縮的構造。只要是可伸縮的構造的話，由於可以調整旋轉體10距離支柱2的距離，因而可以將旋轉體10配置於水流中之支柱2的阻力影響較少的最佳位置。

在本說明書中，雖然「對峙」是指相對向的構件彼此嵌合的狀態，但也包含未必須要對抗的構件彼此接觸，雖然彼此分離仍起到制約正對面的對方構件之特定活動的狀態。例如，「對峙」，包含即使凸部和凹部不直接接觸，仍經由油、軸承或其組合等而相對向的構件彼此互相支撐的構造。

在凸部4的前方側和後方側，也可以將軸承8a、8b複數個配置於支撐構件的圓筒的外周。後部的軸承8b，須具有承受得起水流欲將旋轉體10沖刷的力量的強度。藉由軸承8的存在，可以將對於旋轉體10的旋轉運動的阻力縮小，使其更高速旋轉。並且，使油充填於形成旋轉體10的凹部7和凸部4的空間，可以使旋轉體10順利穩定地旋轉。使油充填於凹部7的情況下，作為密閉成不漏油的構造使用公知的技術即可。

凸部4和凹部7，只要具有經得起旋轉體10所受的水流流勢，且可以維持穩定地旋轉的強度的話，不限定大小及材質。另外，只要是凹部7的深度比凸部4的高度更大的構造的話，因為可將油及軸承充填於凸部4和凹部7之間的空間，所以能順利地旋轉。

凸部4的前方側的軸承8a和凸部4的後方側的軸承8b，也可以是相同大小，或非相同大小。後方側的軸承8b，由於必須有可承受水流欲沖刷旋轉體10的力量的強度，同時也必須維持旋轉，因而也可以設為比前方側的軸承8a更大直徑的軸承。藉著將後方側的軸承8b形成為比前方側的軸承8a更大，可以牢固地支撐住水流將旋轉體往後方推的力量。 另外，也可以將凸部4的後方側的軸承8b的數量，增加為比配置於旋轉體10周圍的凸部4之前方側的軸承8a的個數更多。由於藉由凸部4的後方側的軸承8b增加配置，凸部4和複數的軸承8b的接點增加，因而可以牢固地支撐對於水流將旋轉體往後方推的力量，也可以發揮抑制旋轉體10的擺動的效果。

另外，為了不使水浸入旋轉體10內部的空洞，也可以設置防水機構。防水機構以公知的防水技術即可，例如，也可以是如圖1所示般，將O型環9配置於旋轉體10和支撐構件3之間的間隙，一邊維持旋轉，一邊不讓水浸入於旋轉體內部的構造。

雖然在圖1所示的事例中，凹部7設置於旋轉體10，且凸部4設置於支撐構件3，但凹凸關係也可以是相反的。換言之，也可以形成為凹部設置於支撐構件3側，從旋轉體的內側壁面朝徑向內側突出的凸部，與支撐構件3的凹部對峙的構成。

(第二實施方式) 圖2是表示第二實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。第二實施方式和第一實施方式，是在凸部的數量，和旋轉體的形狀上不同。如圖2所示般，藉由將旋轉體10形成為軀幹部分的流動方向中央部大直徑且前方端和後方端縮小的流線形狀，可以在軀幹部分的中央附近將水流的流速提高往翼部流動因而即使長度短的旋轉體仍可以取得穩定的旋轉動力。因此，水流阻力少，可以有效率地將高速的水流能量變換為旋轉動能。

另外，支撐構件3在兩個部位突出有凸部4a、4b，形成將該等分別接受的凹部7a、7b。軸承8a和8b，分別配置於凸部4a、4b的前後。另外，雖然凸部4a、4b的高度和厚度也可以相同，但在為了將在後方支持旋轉體的支撐更加牢固，也可以將凸部4b形成為比凸部4a更大。藉著將後方側的凸部4b形成為比前方側的凸部4a更大，即使在凸部4a破損的情況下，仍可以單獨靠凸部4b來支撐對於水流將旋轉體往後方推的力量。另外，凸部4b和凸部4a的任一個的高度和厚度改變，也可以發揮出避免旋轉體10同樣的上下振動，並抑制旋轉體10的擺動的效果。

如圖2所示般，藉著設置複數個凸部4和凹部7來支撐旋轉體10的部位增加，對於旋轉體10的擺動也能穩定地支撐旋轉體。另外，雖然在圖2未圖示，但也可以在軀幹部分的周圍以等間隔來放射狀設置3片的翼部，從軀幹部分的軸方向中央部往後端以既定的扭轉角扭轉。

(第三實施方式) 圖3是表示第三實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。圖4是圖3的水流發電裝置的立體圖。支撐構件，由將與旋轉體10的旋轉軸平行的兩根支撐棒3a、3b予以固定的固定板6所成，且凹部7形成於固定板6的支柱側的面。因為凹部7成為承接從旋轉體的後端突出的凸部4的構造，所以能發揮將被水流沖往下游的旋轉體10予以支撐的效果。

第三實施方式所涉及之水流發電裝置1與第一實施方式較大不同的點，是支撐兩根支撐棒3a、3b的固定板6將旋轉體10予以支撐，該兩根支撐棒3a、3b是固定於支柱2，配置於旋轉體10的外側。

第三實施方式之凸部4，也可以是作為旋轉體10的局部而形成為從旋轉體10的後端之突起的形態，或作為貫穿旋轉體10的中心軸之軸5的後端而從旋轉體後端突出的形態。總之，凸部4與旋轉體10的旋轉一起，將旋轉軸相同地進行旋轉。

在形成固定板6的凹部7和凸部4之空間，也可以配置複數的軸承8。藉由軸承8的存在，可以將對於旋轉體10的旋轉運動的阻力縮小，使其更高速旋轉。雖然凹部7負責凸部4的軸承的功用，但藉著如前述般將軸承配置於凹部7，可以一邊維持旋轉體的旋轉，一邊以後端支撐旋轉體。凹部7藉著包圍從旋轉體10的後端延伸的軸5來支撐旋轉體10。

軸5的後端，雖然也可以接於固定板6，但因為旋轉的軸5和固定板6之摩擦力成為對於旋轉的阻力，所以也可以形成為將軸承8配置於凸部內，旋轉體10的後端和軸承8抵接，軸5的後端從固定板6分離的構造。藉由軸承8的存在，因為在旋轉順利進行的同時，軸承8支撐旋轉體10的後端，所以對於激烈水流發揮防止旋轉體10的擺動及防止旋轉體10的流失的效果。

雖然在圖2所示的事例中，凹部7a、7b設置於旋轉體10，凸部4a、4b設置於支撐構件3，但凹凸關係也可以是相反的。換言之，也可以形成為凹部設置於支撐構件3側，從旋轉體的內側壁面朝徑向內側突出的凸部，與支撐構件3的凹部對峙的構成。

在圖3及圖4的例中，支撐構件由兩根支撐棒3a、3b和固定板6所成，但支撐棒即使是1根，或3根以上也無妨。但是，因為支撐棒3a、3b位於旋轉體10的外側，所以若支撐棒3a、3b成為水流阻力，使水流速度減少會造成對於旋轉動能的變換效率降低，故較理想為以具強度的支撐棒來減少根數，或配置複數根細棒。

(第四實施方式) 圖5是表示第四實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。第四實施方式與第三實施方式不同點，是在於凹部和凸部相反的構造。換言之，也可以如圖5所示般，形成為凹部7形成於旋轉體10的後端，承接從固定板6突出的凸部4的構造。

(第五實施方式) 圖6是表示第五實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。相對於在第一實施方式所涉及之水流發電裝置1中，軸5直接連結於支柱2的內部的發電機20，第五實施方式的水流發電裝置1，如圖6所示般，軸5的一端成為齒輪G1，與從水上的發電機往下方延伸的傳遞軸30端部的齒輪G2進行嚙合。因此，軸5的旋轉，可以經由齒輪G1和G2變換為傳遞軸30的旋轉，將旋轉動能傳遞於上方的發電機20。 將發電機設置於水面下，例如即使是防水構造，仍容易成為故障原因且維修也不易進行。第五實施方式的水流發電裝置，由於發電機20配置於水面上方，因而在降低發電機的故障和提昇維修性的觀點可發揮效果。

(第六實施方式) 圖7是表示第六實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。在第五實施方式中，雖然旋轉體10是一個，但在旋轉體有兩個的情況下，經由如圖7所示般的差動齒輪將旋轉傳遞於發電機的話，可以將複數的旋轉體10a、10b的旋轉動能變換為發電能源。

並且，雖針對如圖7般，將複數的旋轉體縱向排列的構成進行說明，但使用上述的差動齒輪的話，也可以將複數的旋轉體水平配置。

圖8是表示將複數的旋轉體連結於1個支柱的實施方式的圖。分別對於各旋轉體的軸，也可與配置於支柱內部的發電機直接連結，或藉由使用複數個圖7所示的差動齒輪，將複數的旋轉體連結於1個的支柱，將旋轉傳遞至配置於水面上方的發電機。就發電機而言，較佳為低旋轉大輸出的發電機，例如，較佳為具有2000kw左右的發電能力。

依據如上述般構成的水流發電裝置，藉由沿著水流旋轉的水中的旋轉體10而獲得旋轉動力，將此旋轉動力，經由傳遞軸30引導至水面的上方，且以此傳遞軸30使發電機20旋轉來進行發電。例如，將上述水中旋轉體，如上述般以長度約20m，旋轉直徑約10m來形成，若將具備此水中旋轉體的水流發電裝置配置於3節的水流中時，以1台的旋轉體可以發電約500kw。

如圖9所示般，此實施方式的水流發電裝置1，具有：組裝成樓塔狀的矩形的框體40、以及此設置於框體40的上部中央的機器配置部50。框體40由下述構件組裝成矩形：設置於上端的複數根的上部水平材40a、設置於下端的複數根的下部水平材40b、以及以將這些上部水平材40a和下部水平材40b連結的方式設置的複數根的支柱2。框體40，也可以是下端固定於水底面G，或固定於錨60的繩索R將框體40或浮體式的機器配置部50予以支撐的構造，該錨60係配置於水底面G。機器配置部50，較理想為浮體式構造，作業員可以在其上方檢查維修機器。也可以將發電機20設置於機器配置部50。藉由發電機20配置於水面S的上方，發電機20的故障疑慮較少，維修也較容易。例如，就機器配置部50的大小而言，形成為各寬邊方向約50m左右，且高度約100m左右的矩形。

如圖7至圖9般，安裝複數的旋轉體的情況下，未必須要齒輪。也可以與分別對應於各旋轉體的發電機直接連結來進行發電。在該情況下，例如，可以經由從個別的發電機連接至配置於機器配置部50的蓄電裝置的複數條電纜，將在各旋轉體發電的發電量予以蓄電。

1:水流發電裝置 2:支柱 3:支撐構件 3a,3b:支撐棒 4,4a,4b:凸部 5:軸 6:固定板 7,7a,7b:凹部 8,8a,8b:軸承 9:O型環 10,10a,10b:旋轉體 11:葉片 20:發電機 30:傳遞軸 40:框體 50:機器配置部 60,60a,60b,60c:錨 S:水面 G:水底面 G1,G2:齒輪 DG:差動齒輪 R1,R2,R3:繩索

[圖1]是表示第一實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。 [圖2]是表示第二實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。 [圖3]是表示第三實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。 [圖4]是圖3的水流發電裝置的立體圖。 [圖5]是表示第四實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。 [圖6]是表示第五實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。 [圖7]是表示第六實施方式所涉及之水流發電裝置的圖。 [圖8]是將4個旋轉體垂直排列的水流發電裝置的圖。 [圖9]是配置多數個支柱的水流發電裝置的圖。

1:水流發電裝置

2:支柱

3:支撐構件

4:凸部

5:軸

6:固定板

7:凹部

8a,8b:軸承

9:O型環

10:旋轉體

11:葉片

20:發電機

S:水面

Claims (6)

1. 一種水流發電用傳動裝置，具有： 旋轉體，藉由水流進行旋轉； 軸，將前述旋轉體的旋轉傳遞於發電機； 支柱，於該支柱可旋轉地安裝有前述軸；以及 支撐構件，其中一端固定於前述支柱，以其他部分將前述旋轉體可旋轉地支撐。
2. 如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中， 前述支撐構件是朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的筒狀體， 藉由從前述支撐構件朝徑向外側突出的凸部和前述旋轉體內側的凹部對峙，可旋轉地支撐前述旋轉體。
3. 如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中， 前述支撐構件是朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的筒狀體， 藉由朝前述支撐構件的徑向內側形成的凹部和從前述旋轉體內側突出的凸部對峙，可旋轉地支撐前述旋轉體。
4. 如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中， 前述支撐構件，由朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的支撐棒、以及 將前述支撐棒予以固定的固定板所成， 前述支撐構件，藉由前述固定板設置於前述旋轉體側之面的凹部和從前述旋轉體的端部突出的凸部對峙，可旋轉地支撐前述旋轉體。
5. 如請求項1所述的水流發電用傳動裝置，其中， 前述支撐構件，由朝前述旋轉體的旋轉軸之方向延伸的支撐棒、以及 將前述支撐棒予以固定的固定板所成， 從前述固定板的前述旋轉體側的面突出的凸部和形成於前述旋轉體的端部的凹部對峙，藉此可旋轉地支撐前述旋轉體。
6. 一種水流發電裝置，係安裝複數個請求項1至請求項5之任一項所述的水流發電用傳動裝置。

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