WO2012035610A1 - 水上自然エネルギー利用装置及び水上自然エネルギー利用発電装置集合体 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、洋上等に設置して大出力でクリーンな発電出力を得ることができ、かつ、強風時や、暴風雨時においても安定性に優れ倒壊等のおそれのない水上自然エネルギー利用発電装置を提供する。 【解決手段】本発明は、平面視三角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロート153を備えて、各フロート153が水上に表出する状態で水上に浮く浮力を誘導する浮体152と、浮体152の中心位置で支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸 161と、基軸161により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機1と、発電機1から突出させた垂直軸136を内装する上部基筒170に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して垂直軸136を介して発電機1を回転させる垂直軸垂直翼型の風車2と、基軸161の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する缶体に水を封入した構造からなる錘体171と、浮体152又は錘体171を水底に係留する係留体172と、を有するものである。

Description

水上自然エネルギー利用装置及び水上自然エネルギー利用発電装置集合体
 本発明は、水上自然エネルギー利用装置及び水上自然エネルギー利用発電装置集合体に関し、詳しくは、例えば海等の海水上に設置し、風力エネルギーを利用して大出力でクリーンな発電出力を得ることができる水上自然エネルギー利用装置及び水上自然エネルギー利用発電装置集合体に関するものである。
 近年、自然環境保護、自然エネルギー活用の観点から、世界各国で風力発電の開発が進められているが、わが国又は外国においては、主に湾岸部の陸上に風力発電装置を設置することが多い。
 風力発電のエネルギー源である風は、障害物のある陸上に比べて洋上のほうが一般に風速が大きく、風向も安定しおり、わが国のような長大な海岸線を有する国においては、陸上ではなく洋上に風力発電装置を設置することが大出力でかつ安定した発電電力を得る上で好ましい。一方、わが国には毎年台風が襲来することから、風力発電装置としては強風や、暴風雨に耐え得る高い安定性を具備することが不可欠の要素となる。
 この種の洋上風力発電装置としては、従来、平面視三角形状の枠組み構造物の各頂点位置に風力発電機を立設し、風力発電機と枠組み構造物を水面上に浮かべる浮体を枠組み構造物に取り付け、さらに、枠組み構造物を洋上所定位置に係留するアンカーを設置を有する構成の洋上風力発電装置(特許文献1)や、洋上に浮かぶ浮体上に、発電用のプロペラ型風車を支持するタワーを昇降可能に設け、強風時には前記タワーの主要部を海面下に没するように下降させ、強風時に風車を退避させるように構成した洋上風力発電設備(特許文献2)が提案されている。
 しかし、特許文献1の洋上風力発電装置の場合、三角形状の枠組み構造物の各頂点位置に大重量の風力発電機を立設した構造であるため、強風時や、暴風雨時における安定性の点で必ずしも十分ではないと推定される。
 また、特許文献2の洋上風力発電設備の場合、プロペラ型風車のプロペラサイズが大きい場合、強風時や、暴風雨時においてタワーの主要部を海面下に没するように下降させたとしても、なおプロペラ型風車に大きな風圧が作用することから、やはり強風時や、暴風雨時における安定性の点で必ずしも十分ではないと推定される。
特開2002-130113号公報 特開2007-263077号公報
 本発明が解決しようとする問題点は、洋上に設置して大出力でクリーンな発電出力を得ることができ、かつ、強風時や、暴風雨時においても安定性に優れ倒壊等のおそれのない水上自然エネルギー利用発電装置が存在しない点である。
 本発明の水上自然エネルギー利用発電装置は、平面視多角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて装置全体が水上に浮く浮力を誘導する浮体と、前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する錘体と、前記浮体又は錘体を水底に係留する係留体と、を有することを最も主要な特徴とする。
 請求項1記載の発明によれば、平面視多角形状に枠組みし、端部位置にフロートを備えた浮体を採用し、この浮体の中心位置に垂直に立設した基軸により同軸反転式とした発電機を支持し、さらに、前記浮体上方に配置した垂直軸垂直翼型の風車により風力エネルギーによる回転力を発電機に伝達して発電出力を得るとともに、前記基軸の海面下の端部に取り付けられ、係留体により海底に係留される錘体により風車、浮体に揺動復原力を作用させるように構成したものであるから、洋上、湖水上等に設置して大出力でクリーンな風力による発電出力を得ることができ、かつ、強風時や、暴風雨時においても安定性に優れ 倒壊等のおそれのない水上自然エネルギー利用発電装置を提供することができる。
 請求項2記載の発明によれば、平面視三角形状に枠組みし、3箇所の端部位置にフロートを備えた浮体を採用し、この浮体の中心位置に垂直に立設した基軸により同軸反転式とした発電機を支持し、さらに、前記浮体上方に配置した垂直軸垂直翼型の風車により風力エネルギーによる回転力を発電機に伝達して発電出力を得るとともに、前記基軸の海面下の端部に取り付けられ、鎖、アンカー又は錨から選定される係留体により海底に係留される錘体により風車、浮体に揺動復原力を作用させるように構成したものであるから、請求項1記載の発明と同様、洋上、湖水上等に設置して大出力でクリーンな風力による発電出力を得ることができ、かつ、強風時や、暴風雨時においても安定性に優れ倒壊等のおそれのない水上自然エネルギー利用発電装置を提供することができる。
 請求項3記載の発明によれば、請求項2記載の発明と同様な効果を発揮し、かつ、各フロートのうちの一部又は全てのフロート上に太陽光パネルを配置したことにより、より発電出力の大きい水上自然エネルギー利用発電装置を提供することができる。
 請求項4記載の発明によれば、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、アウターロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機を備えているので、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明の効果を奏するとともに、風力による大きな発電出力を効率よく得ることができる水上自然エネルギー利用発電装置を提供することができる。
 請求項5記載の発明によれば、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、浮力を利用して風車のスラスト荷重を分担させて、風車をフロート、垂直軸とともに浮上状態で回転可能に軸支する浮上軸受部を備えることから、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明の効果を奏するとともに、風車の回転の安定性の向上、騒音低減に寄与することができる水上自然エネルギー利用発電装置を提供することができる。
 請求項6記載の発明によれば、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、磁力を利用して風車のスラスト荷重を分担させて、風車をフロート、垂直軸とともに浮上状態で回転可能に軸支する浮上軸受部を備えることから、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明の効果を奏するとともに、風車の回転の安定性の向上、騒音低減に寄与することができる水上自然エネルギー利用発電装置を提供することができる。
 請求項7記載の発明によれば、上述した請求項1記載の水上自然エネルギー利用発電装置を、洋上、湖水上等に複数個列設する構成としたものであるから、極めて大きい発電出力を得ることができ、自然エネルギーを利用した電力基地として機能させることができる水上自然エネルギー利用発電装置集合体を提供することができる。
 請求項8記載の発明によれば、上述した請求項2記載の平面視三角形状で各頂点位置に各々フロートを有する水上自然エネルギー利用発電装置を、洋上、湖水上等に複数個列設する構成としたものであるから、極めて大きい発電出力を得ることができ、自然エネルギーを利用した電力基地として機能させることができる水上自然エネルギー利用発電装置集合体を提供することができる。
図1は本発明の実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置の全体構成を示す概略斜視図である。 図2は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における風車を構成するブレードの表面から見た概略斜視図である。 図3は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における風車を構成するブレードの裏面から見た概略斜視図である。 図4は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における発電機の概略分解断面図である。 図5は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における発電機の概略平面図である。 図6は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における上部基筒に設けた浮力式の軸受体を示す部分切欠概略斜視図である。 図7は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における上部基筒に設けた浮力式の軸受体を示す概略断面図である。 図8は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における上部基筒に設けた磁力式の軸受体を示す部分切欠概略斜視図である。 図9は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における上部基筒に設けた磁力式の軸受体を示す概略断面図である。 図10は本実施例1に係る水上自然エネルギー利用発電装置における発電電力の出力系を示すブロック図である。 図11は本発明の実施例2に係る水上自然エネルギー利用発電装置の全体構成を示す概略斜視図である。 図12は本発明の実施例3に係る水上自然エネルギー利用発電装置集合体の全体構成を示す概略平面図である。
 本発明は、海等の海水上に設置して大出力でクリーンな発電出力を実現でき、かつ、強風時や、暴風雨時においても安定性に優れ倒壊等のおそれのない水上自然エネルギー利用発電装置を提供するという目的を、平面視三角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて、各フロートが水上に表出する状態で水上に浮く浮力を誘導する浮体と、前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する缶体に水を封入した構造からなる錘体と、前記浮体又は錘体を水底に係留するアンカー又は錨からなる係留体と、を有する構成により実現した。
 以下に、本発明の実施例に係る水上自然エネルギー利用装置及び水上自然エネルギー利用装置集合体について図面を参照して詳細に説明する。
 本発明の実施例1に係る水上自然エネルギー利用装置151について、図1乃至図10を参照して詳細に説明する。
 本実施例1に係る水上自然エネルギー利用装置151は、図1に示すように、全体として例えば平面視正三角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々1個ずつ、合計3個の缶体状のフロート153を備えた海面上に浮く浮体152と、前記浮体152の中心位置で該浮体152により支持されるとともに、海面下から海面上方にわたって垂直に立設した基軸161と、前記基軸161により支持されるとともに、風エネルギーで回転する風車2の回転力を利用して発電出力を得るロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機(同軸反転式コアレス発電機)1と、この発電機1から垂直上方に突出させた円筒状の上部基筒170に設けた複数個、例えば4個構成で、図1において上から下に順に配列したスラスト型の軸受体162、及び、ラジアル型の軸受体163、164、165により連結アーム3を介して回転可能に軸支されて風エネルギーで回転するとともに、例えばジャイロミル形(垂直軸垂直翼タイプ)で流線形のブレード5を例えば3枚有する風車2と、前記基軸161の海面下の端部に取り付けられ、いわゆるヤジロベー構造の基に水上自然エネルギー利用装置151自体が台風等の強風に晒され、揺れ動く場合でも安定した揺動復原力を作用させる錘体171と、前記錘体171に一端を連結し、海底に他端を連結して水上自然エネルギー利用装置151自体を定位置に係留する鎖174、アンカー又は錨から選定される係留体172と、を有している。
 前記フロート153の海中部には、浮体152の回転を抑制するスタビライザーを配置する構成とすることもできる。
 前記錘体171は、例えば、中空の缶体に所要量の海水を入れて封入した簡略構造としている。
 前記風車2の各ブレード5と、4段配置の前記各軸受体162、163、164、165とは、前記上部基筒170の回りに120度間隔でかつ垂直方向に所定間隔をもって配置した各々4個ずつの連結アーム3により一体に連結され、これにより各ブレード5は前記上部基筒170に内装した垂直軸136とともに回転するように構成している。
 前記浮体152を構成する3個の缶体状のフロート153は、水平配置の3個の基礎枠体156を用いて平面視正三角形状に枠組み連結されている。
 また、前記各フロート153と、基軸161との間に、基軸161を中心として120度間隔配置に3個の支持枠体157が架設され、これにより前記浮体152により基軸161をその中心位置において垂直配置に支持するようにしている。前記基礎枠体156、支持枠体157は、各々トラス構造を採用し、これらの強度を大きくしている。
 前記係留体172は、前記錘体171の底部に一端を取り付け、海底に打設した杭173に他端を取り付けた例えば鎖174とから構成することができ、これにより、水上自然エネルギー利用装置151自体を安定して定位置、又は、一定範囲内の移動を許容する状態で係留するように構成している。
 前記鎖174の長さは、前記錘体171と、杭173との間を緊張した状態で連結する長さ、前記フロート153と、杭173との間を余裕をもって連結する長さ(水上自然エネルギー利用装置151の一定範囲内の移動を許容する)等、種々の態様とすることができる。
 また、前記鎖174における前記錘体171と、杭173との間における任意の位置に、鎖を巻回収納し、鎖を繰り出したり巻き込んだりして全長を変化させる鎖伸縮機構部を配置し、水上自然エネルギー利用装置151の一定範囲内の移動を許容する構成とすることもできる。
 前記係留体172としては、この他、図示しないがアンカー、錨等を用いて構成することもできる。
 さらに、前記係留体172は、前記各フロート153と、海底との間に上述した場合と同様に配置し、水上自然エネルギー利用装置151を定位置に、又は、一定範囲内の移動を許容する状態に係留するように構成することもできる。
 前記風車2の3枚の各ブレード5は、図2、図3に示すように、その側面形状を図2に示すように風力エネルギーにより揚力を生成する流線形状とし、また、全体として平面略長方形状に形成している。
 また、前記ブレード5の裏面には、図3に示すように、複数箇所にわたって風力エネルギーを裏面側から捉える開口部5aを設けている。
 さらに、前記ブレード5は、その大型化及び強風時における強度確保、及び、重量軽減のため、ブレード5自体の外形部をアルミニウム合金、チタン合金などの軽量金属合金、炭素繊維素材、FRP(強化プラスチック)素材等から選ばれる素材で形成し、その内部に発泡ウレタン、強化発泡スチロール等を充填して、前記ブレード5内部の強化を図っている。
 前記ブレード5の外形部の成形には、ベンダー等による折り曲げ加工、型枠等による一体成型の技術を採用している。
 このようなブレード5を採用することにより、例えば風速3m/secから強風時にわたって、また、風向きを問わず風力エネルギーを効率よく発電電力に変換することができ、かつ、機械的強度が高く耐久性、安全性に優れた風車2を構成している。
 尚、前記風車2のブレード5の枚数は、図1には3枚構成として示すが、この他、2枚、4枚、5枚等とすることもでき、図1に示す例に限定されるものではない、
 次に、本実施例1の水上自然エネルギー利用装置151における発電機1について、図4、図5を参照して具体的に説明する。
 前記発電機1は、発電機本体10と、この発電機本体10を回転可能に支持する軸支体11とを有し、前記軸支体11を基軸161の上端に取り付けている
 前記発電機本体10は、前記風車2の回転力を受けて回転するアウターロータ12と、このアウターロータ12の中央部を軸支し、該アウターロータ12を回転可能とする発電機軸13と、前記発電機軸13により中央部が支持される状態でアウターロータ12内に内蔵した円盤状のコアレス型コイル体(円盤状に圧縮されたコイルの束)14と、を有している。
 前記発電機軸13は、下端にネジ13aを、上端側に大径部13bを、この大径部13bの下側に突出円板部13cを各々設けている。
 前記アウターロータ12は、下側が開口した皿円盤状の上部ロータ21と、上側が開口した皿円盤状の下部ロータ31とを上下配置に突き合わせて接合し、両者の外周近傍位置において、円形に配列する多数の固定ボルト22を用いて一体的に固定されるようになっている。
 前記アウターロータ12のうちの上部ロータ21は、その中央部下側に発電機軸13の上端部を嵌合させるとともに、その中央部に上側に突出する円柱状の取り付け部21aを設けている。
 前記取り付け部21aには、図5に示すように、円形配置に多数のネジ孔21bが設けられ、前記垂直軸136の下端部136aに接合して取り付けボルト137により上部ロータ21と垂直軸136の下端部136aとを一体的に結合し、垂直軸136の回転力をアウターロータ12に伝達するように構成している。
 尚、前記垂直軸136は、図示省略するが、前記取り付けボルト137を下端部136aの内底部側から前記取り付け部21aのネジ孔21bに螺合し得るように複数分割構造としている。
 また、前記発電機軸13における大径部13bの上面側と、その近傍の上部ロータ21の内底部との間に主軸受23を配置し、上部ロータ21、したがってアウターロータ12を回転可能に軸支している。
 前記上部ロータ21の内底部における前記主軸受23の外側位置には、大径部13bよりも若干大きい内径を有する円形突部25が設けられ、この円形突部25の下端面に全周にわたって円形ギア26を設けている。
 前記上部ロータ21の内底部における外周近傍位置には、端面を内底面に臨ませる状態で所要数のマグネット24を円形配置に埋設している。
 前記下部ロータ31は、前記上部ロータ21と上下略対称形状に形成されている。すなわち、その中央部上面には前記突出円板部13cが入り込む円形凹段部32が設けられるとともに、この円形凹段部32の中心位置を前記発電機軸13が貫通するように構成している。
 また、下部ロータ31の内底部における外周近傍位置には、端面を内底面に臨ませる状態で、かつ、前記上部ロータ21側のマグネット24と対向する配置で所要数のコイル部41を円形配置に埋設している。
 このような上部ロータ21、下部ロータ31の構成により、両者の内部にコアレス型コイル体14を収容する収容室33を形成している。
 前記下部ロータ31の下面側には、その中央部に下側に突出する円柱状の取り付け部34を設け、この取り付け部34に円形配置にネジ孔35を設けている。
 前記コアレス型コイル体14は、前記収容室33内において前記アウターロータ12と同軸配置されるとともに、その中央部には、前記上部ロータ21の円形突部25が入り込む内径を有する上孔と、前記発電機軸13の大径部13bより若干大径の下孔とが設けられ、大径部13bが貫通するように構成している。
 そして、大径部13bの下端外周と、前記コアレス型コイル体14の下孔との間に配置した軸受46を介してコアレス型コイル体14を前記発電機軸13により回転可能に支持している。
 また、前記コアレス型コイル体14の上面には、前記上部ロータ21側のマグネット24と対応配置で、かつ、近接する状態にコイル部41を配置し、同様にその下面には、前記下部ロータ31側のマグネット24と対応配置で、かつ、近接する状態にコイル部41を配置している。
 さらに、前記コアレス型コイル体14における上下の各コイル部41における各コイル部出力端42は、このコアレス型コイル体14の下面に臨む位置に配置され、前記円形凹段部32内に位置する発電機軸13における突出円板部13cに対向させるように構成している。
 そして、前記突出円板部13cの上面に設けた前記各コイル部出力端42に対応する配置の各ブラシ(集電子)43、この各ブラシ43に接続した出力ケーブル44を介して発電機本体10による発電出力を取り出すように構成している。
 前記各コイル部出力端42、ブラシ43の構成に替えて、例えば一次トランス、二次トランスの電磁誘導結合を利用する構成や、コアレス型コイル体14に磁石を、突出円板部13c側にコイル及び転流用の電子回路を設けた構成等からなるブラシレス型の集電子とすることもできる。
 前記前記コアレス型コイル体14における下孔を形成する円形突出部14aの上面側(上孔側)には、前記円形突部25の円形ギア26と同様な円形ギア45を全周にわたって設けている。
 また、前記発電機軸13の大径部13b外周には、前記上孔内に位置して回転軸を水平方向とした複数の逆転用ギア51が取り付けられ、この逆転用ギア51を前記円形ギア26、円形ギア45に各々ギア結合している。
 このような構成により、前記アウターロータ12が図4に示す矢印a方向(反時計方向)に回転するとき、コアレス型コイル体14は逆転用ギア51により図4に示す矢印b方向に逆回転するように構成している。
 すなわち、前記アウターロータ12と、コアレス型コイル体14とを逆転用ギア51を用いて同軸反転するように構成している。
 前記軸支体11は、前記発電機軸13を中央孔61a内に嵌装して下方に突出させ、発電機軸13のネジ13aに下側からナット62をねじ込んで固定支持する固定支持体61と、この固定支持体61上に密接状態で配置され中央部に設けた前記中央孔61aと同径の貫通孔71aを前記発電機軸13が貫通する回転支持体71との重合構造としている。
 すなわち、前記回転支持体71は固定支持体61に対してこれら両者間に設けた軸受63を介して回転可能に支持されるとともに、固定支持体61の上面外周部に設けた円形溝61bに回転支持体71の下面外周部に設けた円形突条71bを嵌め込み、これにより、回転支持体71は固定支持体61上で密接しつつ円滑に回転し得るように構成している。
 前記固定支持体61の側面には、中央孔61aの軸線方向と直交する配置にネジ孔64が設けられ、固定支持体61の下側から前記基軸161の上端部を嵌め込み、ボルト65を用いて前記軸支体11を基軸161の上端部に取り付けるように構成している。
 前記回転支持体71には、前記下部ロータ31における取り付け部34のネジ孔35に対応する配置に取り付けボルト72が配置され、回転支持体71と固定支持体61とを組み付ける前段階において、この回転支持体71を前記下部ロータ31に取り付け、その後固定支持体61を回転支持体71に組みつけるように構成している。
 前記回転支持体71における貫通孔71aの上端部には、発電機軸13用の支持軸受73を配置している。
 尚、図4において、52は上部ロータ21とコアレス型コイル体14間、及び、下部ロータ31とコアレス型コイル体14間に各々配置したコロ軸受である。
 また、図4において、74は前記上部基筒170の下端部に対して前記発電機1の上方及び側方を非接触で被うように配置した発電機カバー体である。
 上述した水上自然エネルギー利用装置151における発電機1によれば、前記風車2が風エネルギーにより例えば図4に示す矢印a方向に回転するとき、前記アウターロータ12も矢印a方向に回転し、このアウターロータ12の回転力は、逆転用ギア51に伝達され、この結果逆転用ギア51を介してコアレス型コイル体14は図4に示す矢印b方向に回転する(同軸反転)。
 この結果、前記各マグネット24とコイル部41との相対速度の上昇に応じた大きい発電出力を前記コアレス型コイル体14のコイル部出力端42から前記ブラシ43、出力ケーブル44を介して図示しないコントローラに伝送し、さらには負荷に電力供給を行うことができる。
 さらに詳述すると、前記発電機1によれば、前記アウターロータ12とコアレス型コイル体14とを、前記風車2の回転に応じて回転する逆転用ギア51という簡略な要素のみで同軸反転させるように構成しているので、通常のロータ、ステータを使用する発電機に比べてアウターロータ12、コアレス型コイル体14間に例えば2倍の相対速度を得ることができ、同一の風エネルギーという条件下において通常の風力発電用の発電機よりも大きい発電出力を得ることが可能となる。
 具体的には、通常の発電機において100の回転速度で発電出力が100であると仮定した場合、本実施例に係る発電機1によれば、50の回転速度で100の発電出力を得ることができる。又は、100の回転速度であれば200の発電出力を得ることができる。
次に、前記水上自然エネルギー利用装置151における上部基筒170に設けた軸受体162乃至165について説明する。
 前記軸受体162、163、164、165のうちの最上段の軸受体162は、図6、図7に示すように、風車2のスラスト荷重を分担する浮上軸受部121を構成している。
 前記浮上軸受部121は、上部基筒170の頂部に、各連結アーム3の基端部を各々連結する中心円盤部112を配置している。
 前記浮上軸受部121は、上部基筒170の開口端側から内方下方に所定寸法分下がった位置である下部において、例えば半球状の閉塞部材132の開口端を上部基筒170の内周部に溶接等で固着し閉塞することにより形成した浮力室131を有している。
 そして、前記浮力室131内に浮力発生用の不凍液133及びこの不凍液133の液面を被うオイル134からなる液体を収納している。前記オイル134は、不凍液133の液面を被うことで、この不凍液133の蒸発を防止するものである。
 また、前記浮上軸受部121は、前記中心円盤部112の下面に、連結部材116を介して上端部が連結された状態で垂下され、略全体を前記浮力室131の不凍液133内に臨ませた外形が略長楕円体形状のフロート135と、このフロート135の下端から前記閉塞部材132を例えば図示しないがシール部材を介在させつつ液密状態で貫いて上部基筒170内を下方に延長し、発電機1に連結する垂直軸136と、を具備している。
 また、前記上部基筒170の上端と前記中心円盤部112の内周部には上部側のラジアル軸受部122を設けている。
 このラジアル軸受部122は、前記上部基筒170の頂部の外周部に設けた円形軸受片部170aと、前記中心円盤部112の内周側の円形内周部112aに設けた円形軸受片部112bとを対向配置とし、これらの間に軸受用の鋼球124を多数介在させたボールベアリング構造としている。
 前記軸受体163、164、165は、例えばボールベアリング構造を採用し、前記上部基筒170の外周部に所定の間隔で設けられて、各々3個の連結アーム3に連結されて前記風車2のラジアル荷重を分担するように構成している。
 前記軸受体162乃至165の軸支動作について図7をも参照して説明する。
 前記浮上軸受部121においては、前記浮力室131内で不凍液133内に臨ませたフロート135に対して不凍液133による浮力Fが作用する。
 このとき、フロート135を垂直下方に押し下げる方向に作用する前記風車2の荷重Mとすると、浮力F>荷重(スラスト荷重)Mとなるように予め設定しておくことにより、前記風車2は前記浮上軸受部121により不凍液133を介して浮上した状態で支持されることになる。
 一方、前記上部側のラジアル軸受部122は、前記上部基筒170の頂部の外周部領域において、前記風車2のラジアル荷重を分担し、また、前記軸受体163、164、165は、上部基筒170の頂部から所定間隔下方に隔てた位置において各々前記風車2のラジアル荷重を分担する。
 この結果、上述した浮力室131、不凍液133、フロート135を用いた簡略構造からなる浮上軸受部121によって、大重量の風車2をフロート135、垂直軸136とともにこの垂直軸136を軸心としてその回りに横揺れを伴うことなく高精度にかつ安定した状態で回転可能に軸支し、かつ、そのスラスト荷重を相殺し又は大幅に低減した状態で軸支することができ、風車2の回転に伴う騒音低減を図ることもできる。
 次に、前記水上自然エネルギー利用装置151における上部基筒170に設けた前記軸受体162の他例である軸受体162Aについて、図8、図9を参照して説明する。尚、前記軸受体162の場合と同一の要素には同一の符号を付し、その詳細説明は省略する。
 図8、図9に示す軸受体162Aは、磁力による浮上軸受部210としたものであり、この浮上軸受部210は、前記上部基筒170内においてその中心線方向に間隔を隔て水平配置、かつ、同心配置に固定した円環状の第1磁石211及び第2磁石212を有している。
 また、前記浮上軸受部210は、中心円盤部112の中心部に取り付けた連結部材116に上端を取り付けつつ垂直下方に垂下され、前記第1磁石211及び第2磁石212を貫通して上部基筒170内を下方に延長した垂直軸136と、この垂直軸136に対して前記第1磁石211、第2磁石212間で、かつ、各々第1磁石211、第2磁石212と間隙をもって、かつ、同心配置で垂直軸136に水平状態で連結した円板状の浮上磁石221とを有している。
 前記第1磁石211、浮上磁石221、第2磁石212は、上から下に順番に概略円筒状のハウジング213内に収納している。このハウジング213により、前記第1磁石211及び第2磁石212を固定支持するとともに、これらの間に前記浮上磁石221を非接触で上下から挟む態様に構成している。前記ハウジング213の外周部は、連結片214を介して前記上部基筒170の内周部に固定連結している。
 さらに、前記軸受体162Aは、図7、図8に示す場合と同一構造のラジアル軸受部122を設けている。
 次に、前記軸受体162Aによる風車2の軸支動作について図9をも参照して説明する。
 前記軸受体162Aを構成する浮上軸受部210においては、図9に原理的に示すように、前記第1磁石211と浮上磁石221を例えばS極同士の同磁極で対向させ、前記第2磁石212と浮上磁石221を例えばN極同士の同磁極で対向させて、これら第1磁石211と浮上磁石221間及び第2磁石212と浮上磁石221間に作用する各反発力により浮上磁石221を介して前記風車2の荷重(スラスト荷重)Mを相殺し、これにより、浮上磁石221を介して前記風車2を垂直軸136とともに浮上状態で回転可能に軸支する。
 一方、前記上部側のラジアル軸受部122は、前記上部基筒170の頂部の外周部領域において、前記風車2のラジアル荷重を分担する。
 また、図8、図9には図示していないが、前記軸受体163、164、165は、上部基筒170の頂部から所定間隔下方に隔てた位置において前記風車2のラジアル荷重を各々分担する。
 この結果、上述した磁力利用の軸受体162Aによって、大重量の風車2を、垂直軸136とともにこの垂直軸136を軸心としてその回りに横揺れを伴うことなく高精度かつ安定した状態で回転可能に軸支し、かつ、そのスラスト荷重を大幅に低減した状態で軸支することができ、風車2の回転に伴う騒音低減を図ることもできる。
 次に、本実施例1の水上自然エネルギー利用装置151における発電電力の出力系について図10を参照して説明する。
 この発電電力の出力系は、具体的配線は省略するが、前記発電機1の発電出力を、出力ケーブル44を介して例えば水上自然エネルギー利用装置151のフロート153内に設置したコントローラ141に送電し、さらに、水上自然エネルギー利用装置151から電力ケーブル142を経て前記水上自然エネルギー利用装置151の設置箇所近くの陸上に設けた配電設備180に送電し、各種負荷設備に電力供給したり、電力会社に売電するように構成することができる。
 また、水上自然エネルギー利用装置151のフロート153内に図示しないが蓄電設備(バッテリー)を配置して、コントローラ141からの電力により蓄電設備を充電し、必要に応じて水上自然エネルギー利用装置151に設けた負荷設備(例えばレストラン、フロート153上に設置したヘリポート等)に電力供給するようにすることもできる。
 さらに、本実施例1に係る水上自然エネルギー利用装置151の発電電力運用方式としては、商用電源と連系する電力系統連系式、電力系統と連系し電力系統停電時のバックアップを行なうバックアップ電源式、電力系統とは連系しない独立発電式等の各種の発電電力運用方式を採用することができる。
 本実施例1における前記風車2、発電機1等の仕様の具体例について言及すれば、前記風車2の最高部の高さは海面から90m、前記ブレード5のサイズは、長さ60m、幅9m、発電機1の出力1200kW、前記フロート153の直径30m、隣り合うフロート153同士の間隔90m等の例を挙げることができる。
 本実施例1の水上自然エネルギー利用装置151によれば、風力エネルギーを利用して地球温暖化を招来しないクリーンで、かつ、大きい発電出力を得ることができ、電力供給の観点から産業の発達に大きく貢献できる。
 次に、本発明の実施例2に係る水上自然エネルギー利用装置151Aについて図11を参照して説明する。
 尚、本実施例2に係る水上自然エネルギー利用装置151Aにおいて、実施例1に係る水上自然エネルギー利用装置151の場合と同一の要素には同一の符号を付し、その詳細説明は省略する。
 本実施例2に係る水上自然エネルギー利用装置151Aは、基本的構成は実施例1に係る水上自然エネルギー利用装置151の場合と同様であるが、前記浮体152におけるフロート153の上面に太陽光パネル154を設置したこと、及び、前記上部基筒170上の最上段の軸受体162の上部にさらに支持円板155を配置し、この支持円板155上にも太陽光パネル154を設置したことが特徴である。残余の構成は、既述した実施例1の場合と同様である。
 尚、前記各フロート153上に対する太陽光パネル154の設置態様は、3個のフロート153の全てに設置する、3個のフロート153のうちの2個に設置する、3個のフロート153のうちの1個のみに設置する等、任意の設置態様を採用し得ることはいうまでもない。
 本実施例2に係る水上自然エネルギー利用装置151Aによれば風力エネルギー、太陽光エネルギーの双方を利用して地球温暖化を招来しないクリーンで、かつ、大きい発電出力を得ることができ、電力供給の観点から産業の発達に大きく貢献できる。
 次に、本発明の実施例3に係る水上自然エネルギー利用装置集合体201について図12を参照して説明する。
 本実施例3に係る水上自然エネルギー利用装置集合体201は、図1に示す水上自然エネルギー利用装置151を、水上(洋上)に多数個列設配置し、風力エネルギーによる複合的で、かつ、極めて大きい発電出力を得るようにしたことが特徴である。
 前記水上自然エネルギー利用装置151の列設個数の一例をあげると、図12に示すように、我国の沿岸部の洋上における3km×3kmの広大なスペースに、前記水上自然エネルギー利用装置151を例えば縦横配置に100基列設する例を挙げることができる。
 この場合、一基の発電出力を1200kWとすれば、全体として合計12万kWの極めて大きい発電出力を得ることが可能である。
 さらには、このような水上自然エネルギー利用装置集合体201を例えば10箇所我国の沿岸部に設置することにより、その総発電出力は120万kWとなり、原子力発電所一基分にも相当する大出力を実現することができる。
 また、図11に示す既述した実施例2の水上自然エネルギー利用装置151Aを用いて水上自然エネルギー利用装置集合体201を構築した場合には、風力エネルギー、太陽光エネルギーの双方を利用した発電出力がより大きく、かつ、発電出力がより安定した水上自然エネルギー利用装置集合体201とすることができる。
 尚、前記水上自然エネルギー利用装置151、151Aにおいては、フロート153内に例えばレストランを構築し遊覧船等で顧客を招いたり、フロート153上でヘリコプターを発着させたり、前記浮体152の内部に魚礁を付加して魚を集めたり等の多目的、広範の用途への適用も可能である。また、前記水上自然エネルギー利用装置151、151Aのフロート153に図示しないが蓄電設備(バッテリー)を配置して、コントローラ141からの電力により蓄電設備を充電し、水上自然エネルギー利用装置151内における負荷設備に電力供給するようにすることもできる。
 本発明の水上自然エネルギー利用装置は、洋上はもちろんのこと、風や太陽光の条件が良好な港湾近辺や湖上等に自然エネルギーを利用した電力基地として設置し、近辺の工場、ビル、住宅等に対して地球温暖化を招来しないクリーンな発電方式による電力供給を行なう等の用途に好適に適用可能である。
  1  発電機
  2  風車
  3  連結アーム
  5  ブレード
  5a 開口部
 10  発電機本体
 11  軸支体
 12  アウターロータ
 13  発電機軸
 13a ネジ
 13b 大径部
 13c 突出円板部
 14  コアレス型コイル体
 14a 円形突出部
 21  上部ロータ
 21a 取り付け部
 21b ネジ孔
 22  固定ボルト
 23  主軸受
 24  マグネット
 25  円形突部
 26  円形ギア
 31  下部ロータ
 32  円形凹段部
 33  収容室
 34  取り付け部
 35  ネジ孔
 41  コイル部
 42  コイル部出力端
 43  ブラシ
 44  出力ケーブル
 45  円形ギア
 46  軸受
 51  逆転用ギア
 61  固定支持体
 61a 中央孔
 61b 円形溝
 62  ナット
 63  軸受
 64  ネジ孔
 65  ボルト
 71  回転支持体
 71a 貫通孔
 71b 円形突条
 72  ボルト
 73  支持軸受
112  中心円盤部
112a 円形内周部
112b 円形軸受片部
116  連結部材
121  浮上軸受部
122  ラジアル軸受部
124  鋼球
131  浮力室
132  閉塞部材
133  不凍液
134  オイル
135  フロート
136  垂直軸
136a 下端部
137  ボルト
141  コントローラ
142  電力ケーブル
151  水上自然エネルギー利用装置
151A 水上自然エネルギー利用装置
152  浮体
153  フロート
154  太陽光パネル
155  支持円板
156  基礎枠体
157  支持枠体
161  基軸
162  軸受体
162A 軸受体
163  軸受体
164  軸受体
165  軸受体
170  上部基筒
170a 円形軸受片部
171  錘体
172  係留体
173  杭
174  鎖
180  配電設備
201  水上自然エネルギー利用装置集合体
210  浮上軸受部
211  第1磁石
212  第2磁石
213  ハウジング
214  連結片
221  浮上磁石
  F  浮力
  M  荷重

Claims (8)

  1.  平面視多角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて装置全体が水上に浮く浮力を誘導する浮体と、
     前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、
     前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、
     前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、
     前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する錘体と、
     前記浮体又は錘体を水底に係留する係留体と、
     を有することを特徴とする水上自然エネルギー利用発電装置。
  2.  平面視三角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて、各フロートが水上に表出する状態で水上に浮く浮力を誘導する浮体と、
     前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、
     前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、
     前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、
     前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する缶体に水を封入した構造からなる錘体と、
     前記浮体又は錘体を水底に係留する鎖、アンカー又は錨から選定される係留体と、
     を有することを特徴とする水上自然エネルギー利用発電装置。
  3.  平面視三角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて、各フロートが水上に表出する状態で水上に浮く浮力を誘導する浮体と、
     前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、
     前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、
     前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、
     前記浮体における各フロートのうちの一部又は全てのフロート上に配置した太陽光パネルと、
     前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する缶体に水を封入した構造からなる錘体と、
     前記浮体又は錘体を水底に係留する鎖、アンカー又は錨から選定される係留体と、
     を有することを特徴とする水上自然エネルギー利用発電装置。
  4.  前記同軸反転式とした発電機は、
    前記基軸により固定支持された発電機軸と、該発電機軸により回転可能に支持され、前記風車により回転駆動されるマグネット付きのアウターロータと、前記アウターロータ内に同軸配置にかつ発電機軸により支持されて回転可能に内蔵され、前記マグネットと対応配置にコイル部を配置したコアレス型コイル体と、前記発電機軸により軸支され、前記アウターロータ、コアレス型コイル体双方に円形配置に設けた円形ギアとギア結合してアウターロータの回転に応じてコアレス型コイル体を逆方向に回転させる逆転用ギアと、を有し、前記アウターロータ、コアレス型コイル体の逆方向の回転による前記マグネットとコイル部との相対速度の上昇に応じた発電出力を前記コアレス型コイル体のコイル部出力端から前記発電機軸の周りに固定配置した集電子を介して取り出すように構成したこと、
     を特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の水上自然エネルギー利用発電装置。
  5.  前記上部基筒に設けた軸受体は、
     前記上部基筒内に設けた浮力発生用の液体を収納した浮力室と、前記風車の中心円盤部から垂下され前記浮力室の液体内に臨ませた軸内フロートと、この軸内フロートの下端から前記浮力室を液密状態で貫いて前記上部基筒内で下方に延長され発電機に連結した垂直軸と、を具備し、前記浮力室内の液体から前記軸内フロートに作用する浮力により前記風車のスラスト荷重を分担させて該風車を前記フロート、垂直軸とともに浮上状態で回転可能に軸支する浮上軸受部を有すること、
     を特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の水上自然エネルギー利用発電装置。
  6.  前記上部基筒に設けた軸受体は、
     前記上部基筒内において上部基筒内周部に固定した円環状の磁石と、前記風車の中心円盤部の中心部から垂下され前記円環状の磁石を貫通して上部基筒内で下方に延長され発電機に連結した垂直軸と、該垂直軸に対して前記円環状の磁石に対向する配置で固定した円板状の浮上磁石とを具備し、前記磁石と浮上磁石との反発力により浮上磁石を介して前記風車のスラスト荷重を分担させ該風車を垂直軸とともに浮上状態で回転可能に軸支する浮上軸受部を有すること、
     を特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の水上自然エネルギー利用発電装置。
  7.  平面視多角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて装置全体が水上に浮く浮力を誘導する浮体と、前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する錘体と、前記浮体又は錘体を水底に係留する係留体と、を有し、前記発電機による発電電力を出力するように構成した水上自然エネルギー利用発電装置を、
     水上に複数個列設したことを特徴とする水上自然エネルギー利用発電装置集合体。
  8.  平面視三角形状に枠組みされ、各頂点位置に各々フロートを備えて、各フロートが水上に表出する状態で水上に浮く浮力を誘導する浮体と、前記浮体の中心位置で該浮体により支持されるとともに、水面下から水面上方にわたって垂直に立設した基軸と、前記基軸により支持した回転力を受けて発電するロータ、コアレス型コイル体を同軸反転式とした発電機と、前記発電機から突出させた垂直軸を内装する上部基筒に設けた軸受体により回転可能に軸支され、風力エネルギーにより回転して前記垂直軸を介して発電機を回転させる垂直軸垂直翼型の風車と、前記基軸の水面下の端部に取り付けた揺動復元作用を発揮する缶体に水を封入した構造からなる錘体と、前記浮体又は錘体を水底に係留する鎖、アンカー又は錨から選定される係留体と、を有し、前記発電機による発電電力を出力するように構成した水上自然エネルギー利用発電装置を、
     水上に複数個列設したことを特徴とする水上自然エネルギー利用発電装置集合体。
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