WO2014136203A1 - 没水式発電機 - Google Patents

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金元　敏明
公 左村
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株式会社協和コンサルタンツ
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a submerged generator.
  • a submerged generator comprising a relatively rotating inner and outer armature, a propeller for relatively rotating and driving the inner and outer armatures, and a casing for housing the armature, the outer rotating armature and the inner fixed armature having two stages of front and rear
  • the power generation mechanism, the front and rear two-stage propellers that rotate in opposite directions and rotate the front and rear two-stage outer rotating armatures in opposite directions, and the front and rear two-stage inner fixed armatures are sealed against the external environment.
  • the buoyancy acting on the submerged generator is submerged power generation, which is connected to an anchor placed on the bottom of the water via a mooring line and is placed in the water flow in the submerged state.
  • Patent Document 1 discloses a submerged generator characterized by being larger than the gravity acting on the machine.
  • the submerged generator is submerged by a mooring line or a support member that extends from the structure above or above the water surface. Will be moored by
  • the front outer rotating armature that is rotationally driven by the front propeller and the rear outer rotating armature that is rotationally driven by the rear propeller are not operatively engaged.
  • the rotational torque applied to the front inner fixed armature opposed to the armature and the rotational torque applied to the rear inner fixed armature opposed to the rear outer rotating armature during power generation are mechanically and electromagnetically independent from each other. Therefore, the magnitudes of both rotational torques do not necessarily match. Therefore, the above-mentioned submerged generator cannot be stably moored in water.
  • the electromotive force of the power generation mechanism is proportional to the speed at which the rotating armature cuts the magnetic field.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and is a submerged generator in which gravity larger than buoyancy is applied in water, which can be stably moored in water and is high without causing an increase in size.
  • An object of the present invention is to provide a submerged generator capable of obtaining electromotive voltage and high efficiency.
  • a submerged generator including an inner and outer armatures that rotate relative to each other, a propeller that drives the inner and outer armatures to rotate relative to each other, and a casing that houses the armatures.
  • An inner and outer double-rotating armature-type power generation mechanism having an inner rotating armature that faces the armature and the outer rotating armature and rotates in a direction opposite to the outer rotating armature, and an axial center that is arranged with the axis aligned And a pair of propellers whose directions of twisting of the blades are opposite to each other in the extending direction, wherein one of the pair of propellers is one of the inner and outer rotary armatures and the other of the pair of propellers is the inner and outer Each of which is connected to the other of the rotary armatures, and further includes a casing for accommodating the inner and outer double rotary armature power generation mechanisms in a sealed manner against the external environment, and is placed in a water flow in a submerged state.
  • the working gravity W is larger than the buoyancy F working on the submersible generator, and the gravity W and the buoyancy F working on the submersible generator are viewed on the meridian plane (vertical plane including the propeller rotation axis).
  • a submerged generator characterized in that a rotational moment center at which a sum of rotational moments due to a drag D acting on a submerged generator in a water flow is zero exists on a casing.
  • the magnitude of the reciprocal rotational torque acting on the inner and outer double-rotating armature during power generation agrees mechanically and electromagnetically from the third law of motion (action and reaction).
  • the submerged generator according to the present invention can be stably moored in water without causing rotation of the casing around the propeller axis regardless of the amount of power generation or the flow velocity.
  • the rotational moment center is present on the casing when viewed on the meridian plane, so the casing is supported by some means on the axis passing through the rotational moment center and orthogonal to the meridian plane.
  • the submerged generator can be stably held in water.
  • a pair of propellers that are arranged with their axes aligned in the opposite directions and the twist directions of the blades with respect to the extending direction of the axes rotate in the opposite directions, Since the inner and outer rotating armatures are driven to rotate in opposite directions, the relative rotating speed of the inner and outer rotating armatures is increased while suppressing the increase in the rotating speed of the propeller, thereby increasing the speed at which the inner and outer rotating armatures cut the magnetic field.
  • the speed at which the inner and outer rotating armatures cut the magnetic field is larger than that of conventional submersible generators.
  • the generator can be reduced in size as compared with a conventional submerged generator by reducing the size of the permanent magnet forming the armature of the synchronous generator or by reducing the rotation radius of the armature. It is also possible to prevent cavitation by reducing the rotation speed of the propeller.
  • the rotational moment center is positioned on the line of action of the drag D acting on the submerged generator, and the casing is rotatable about the axis on the axis passing through the rotational moment center and orthogonal to the meridian plane. It is supported by.
  • the submerged generator can be held in a horizontal state regardless of the power generation amount or the flow velocity.
  • the submerged generator is moored in the water via at least one mooring line attached to the casing so as to be relatively rotatable about an axis passing through the center of the rotational moment and orthogonal to the meridian plane.
  • a submerged power generation system is provided.
  • the submerged power generator is connected to at least one mooring line attached to the casing so as to be relatively rotatable about an axis passing through the center of rotational moment and orthogonal to the meridian plane. Because it is moored in the water, it is stably held in the water even when viewed on the meridian plane regardless of the amount of power generation or flow velocity.
  • the mooring line is attached to the casing symmetrically with respect to the action line of the drag D as seen in the extending direction of the action line of the drag D.
  • a bifurcated arm is attached to the casing so as to be relatively rotatable about an axis passing through the center of rotational moment and perpendicular to the meridian plane
  • the mooring line is attached to the arm so as to be relatively rotatable or relatively pivotable. It is attached.
  • the mooring line is attached to the arm symmetrically with respect to the action line of the drag D as seen in the extending direction of the action line of the drag D.
  • the submerged generator is stably held in water without causing a lateral swing motion by the drag D.
  • a stopper for restricting the swing of the free end of the bifurcated arm in the propeller direction is attached to the casing.
  • the mooring line does not loosen due to gravity W, buoyancy F, and drag D regardless of the flow velocity, but it is attached to the free end by attaching a stopper to the casing that restricts the swinging of the free end of the bifurcated arm in the propeller direction.
  • the bifurcated arm has a length that can wrap around the upstream end of the casing in the water flow direction.
  • interference with the free end of a bifurcated arm and a casing can be prevented, and holding
  • the line of gravity W acting on the submerged generator is positioned upstream of the line of buoyancy F action.
  • the center of rotational moment is located further upstream than the action line of gravity W, so the mooring line moves away from the propeller, and the mooring line and propeller Is more effectively prevented.
  • the line of action of the gravity W acting on the submerged generator is located downstream of the line of action of the buoyancy F.
  • the center of rotation moment is located further downstream than the action line of gravity W, so the mooring line approaches the propeller.
  • the submerged generator described above is supported by a support column that is fixed to the bottom of the water and extends upward on an axis that passes through the center of rotational moment and is orthogonal to the meridian plane.
  • the submerged generator described above is supported by a support column extending downward from a structure on the water surface or above the water surface on an axis passing through the center of rotational moment and orthogonal to the meridian surface.
  • a force is applied to the column from the submersible generator except for the downward force between the gravity and buoyancy of the submersible generator and the drag in the flow direction perpendicular to the force. If no flow is applied and the flow velocity is relatively high, the submersible generator will not use the vertical force perpendicular to the Karman vortex flow, although it is smaller than the drag force in addition to the two forces. Since no force is applied and the rotational torque is canceled between the two propellers and does not act on the support column, the configuration of the connecting portion between the support column and the casing of the submerged generator can be simplified.
  • the cross section of the strut is streamlined with the leading edge directed upstream of the water stream.
  • corrugation is provided in the column outer periphery in the height direction.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a submerged power generation system including a submerged power generator according to an embodiment of the present invention.
  • (A) is a side view
  • (b) is a bb arrow view of (a).
  • the submerged generator A includes a cylindrical outer shaft 1a, an inner shaft 1b inserted into the outer shaft 1a with the axial center aligned, and an outer side fixed to the outer shaft 1a.
  • An inner / outer double-rotating armature power generation mechanism 3 having a rotating armature 2a, an inner rotating armature 2b fixed to the inner shaft 1b and facing the outer rotating armature 2a, and an outer shaft fixed to the outer shaft 1a 1a and thus a front propeller 4a for rotationally driving the outer rotary armature 2a and a rear propeller 4a with respect to the direction of the water flow indicated by the white arrow in FIG.
  • the casing 5 is provided.
  • the twisting directions of the blades with respect to the extending direction of the shaft center are set to be opposite to each other.
  • the polar inertia moment of the rear stage propeller 4b is set to a value smaller than the polar inertia moment of the front stage propeller 4a. As shown in FIG.
  • the submerged generator A relatively rotates a bifurcated arm 6 symmetric with respect to the propeller axis extending direction about an axis C ′ passing through the center of rotation C and orthogonal to the meridian plane. As shown in FIG. 3 (b), it can be attached to both sides of the casing 5 and can be rotated relative to the free end of the arm 6 having a length that can wrap around the top of the shell-shaped casing 5 via a slip ring 7.
  • One end of the mooring line 8 is attached symmetrically with respect to the action line of the drag D as viewed in the extending direction of the action line of the drag D, that is, at the intersection of the arm 6 with the vertical plane including the action line of the drag D,
  • the other end of the mooring line 8 is connected to a structure 200 such as a float, a bridge pier or a bridge girder on the sea surface or river water surface or above the sea surface or river water surface, and the propellers 4a and 4b are dragged by the drag D in FIG.
  • the operation of the submerged generator A and the submerged power generation system B will be described.
  • the front and rear propellers 4a and 4b in which the twisting directions of the blades with respect to the extending direction of the shaft center are set to be opposite to each other are rotated in the opposite directions by the water flow indicated by the white arrows in FIG.
  • the outer and inner rotary armatures 2a and 2b are rotationally driven in opposite directions via the shafts 1a and 1b to generate electric power.
  • the generated electric power is taken out through a cable (not shown) integrated with the arm 6, the slip ring 7, and the mooring line 8, and is supplied to an electric device on the float or on land.
  • the submerged generator A according to the present invention can be stably moored in water without causing rotation of the casing 5 around the propeller axis regardless of the amount of power generation or the flow velocity.
  • the rotational moment center where the sum of the rotational moments due to gravity W, buoyancy F, and drag D acting on the submerged generator A in the water flow is zero when viewed on the meridian plane, Since it exists on the casing 5, the submerged generator A is stably held in the water even on the meridian plane by supporting the casing 5 by some means on the axis passing through the center of the rotational moment and orthogonal to the meridian plane. be able to.
  • the power generation mechanism 3 has an outer rotating armature 2a and an inner rotating armature 2b that rotates in the opposite direction to the outer rotating armature, and two stages of front and rear that rotate in opposite directions. Since the outer and inner rotary armatures 2a and 2b opposed to each other by the propellers 4a and 4b are driven to rotate in opposite directions, the relative rotation of the outer and inner rotary armatures 2a and 2b is suppressed while suppressing an increase in the rotational speed of the propellers 4a and 4b. The rotational speed can be increased to increase the speed at which the rotating armatures 2a and 2b cut off the magnetic field.
  • the conventional submerged type can be achieved without increasing the size due to the provision of a speed increasing gear or a pulley mechanism.
  • High electromotive voltage and high efficiency can be obtained compared to the generator.
  • the armatures 2a and 2b are used when the electromotive voltage is equal to that of the conventional submerged generator.
  • the generator can be downsized compared to a conventional submerged generator by reducing the number of windings, reducing the size of the permanent magnet that forms the armature of the synchronous generator, reducing the rotation radius of the armature, etc. .
  • Cavitation can also be prevented by reducing the rotational speed of the propellers 4a and 4b. Since the polar moment of inertia of the rear stage propeller 4b is set to a value smaller than the polar moment of inertia of the front stage propeller 4a, the activation of the rear stage propeller 4b in the water flow is promoted, and consequently the activation of the generator A is promoted.
  • the rotational moment center is taken on the line of reaction of the reaction force D, and both sides of the casing 5 are supported around the axis C ′ passing through the rotational moment center C and orthogonal to the meridian plane.
  • the submerged generator A can be held in a horizontal state regardless of the amount of power generation or the flow rate.
  • the submerged power generator A is submerged via a mooring line 8 attached to the casing 5 so as to be relatively rotatable about an axis C ′ that passes through the rotational moment center C and is orthogonal to the meridian plane. So that it is stably held in water regardless of the amount of power generation or flow velocity.
  • the mooring line 8 is attached to the casing 5 symmetrically with respect to the action line of the reaction force D when viewed in the extending direction of the action line of the reaction force D. That is, the mooring line 8 and the action line of the reaction force D are Are included in the same vertical plane, the submerged generator A is stably held in the water without causing a lateral swing motion by the drag D.
  • the bifurcated arm 6 is attached to the casing 5 so as to be relatively rotatable about an axis C ′ passing through the center of rotational moment C and orthogonal to the meridian plane, and a slip ring 7 is attached to the free end of the arm 6.
  • the generator A can be stably held in water by the single mooring rope 8 regardless of the power generation amount or the flow velocity. Holding the generator A can be further stabilized by making the arm 6 long enough to go around the top of the shell-shaped casing 5 to prevent the slip ring 7 and the casing 5 from interfering with each other.
  • the present invention is not limited to the above embodiments. Symmetrically symmetrical with respect to the action line of the drag D when viewed in the extending direction of the action line of the drag D on both sides of the casing 5 so as to be rotatable around the axis C ′ that passes through the center C of the rotation moment and is orthogonal to the meridian plane.
  • a pair of mooring lines 8 may be attached to the positions, and the submerged generator A may be moored underwater via the pair of mooring lines 8.
  • a mooring line 8 may be attached to the free end of the arm 6 so as to be capable of relative pivoting via a universal joint.
  • a plurality of mooring lines 8 may be attached to the arm 6.
  • the position where one end of the mooring line 8 is attached to the free end of the arm 6 is arranged symmetrically with respect to the action line of the drag D when viewed in the extending direction of the action line of the drag D.
  • a stopper 9 that restricts swinging of the free end of the bifurcated arm 6 in the direction of the propellers 4 a and 4 b may be attached to the casing 5.
  • a bifurcated arm 6 ′ is attached to the casing 5 so as to be relatively rotatable around an axis C ′ that passes through the rotational moment center C and is orthogonal to the meridian plane, and is fixed to the seabed or riverbed 100 and extends upward.
  • the support 10 may support the base of the arm 6 'so that it can rotate about the vertical axis, or as shown in FIG.
  • the bifurcated arm 6' passes through the center of rotational moment C and is orthogonal to the meridian plane. 'Attached to the casing 5 so as to be relatively rotatable around, and supported by a support column 10 extending downward from a structure 200 such as a float or bridge girder on or above the water surface, the base of the arm 6' is supported so as to be rotatable around the vertical axis. You may do it.
  • the submersible power generator A uses the submersible power generator A except for the downward force between the gravity W and the buoyancy F and the drag D in the flow direction perpendicular to the force.
  • the submerged water is submerged in addition to the two forces, except for the vertical force perpendicular to the flow caused by the Karman vortex. Since no force is applied from the power generator A to the column 10 and the rotational torque is canceled between the two-stage propellers 4a and 4b and does not act on the column, the connection between the column 10 and the casing 5 of the submerged generator A
  • the configuration of the part can be simplified.
  • the structure 200 is a float, it is easy to moor the float.
  • the submerged generator A can be made to follow the water flow.
  • the submerged generator A By making the support column 10 extendable and retractable, the submerged generator A can be positioned at the optimum position in the depth direction.
  • the cross section of the support column 10 By making the cross section of the support column 10 a streamline with the leading edge facing the upstream side of the water flow, or by providing spiral irregularities on the outer periphery of the support column 10 in the height direction, the generation of Karman vortex is suppressed, The vertical force received from the Karman vortex can be reduced.
  • the present invention is widely applicable to submerged generators and submerged power generation systems regardless of the ocean or river.

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Abstract

【課題】　安定して水中に係留することができ、大型化を招くことなく高起電圧、高効率が得られる没水式発電機を提供する。 【解決手段】　没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く重力Ｗは没水式発電機に働く浮力Ｆよりも大であり、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、没水式発電機に働く前記重力Ｗと前記浮力Ｆと水流中で没水式発電機に働く抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング上に存在する。

Description

没水式発電機
本発明は、没水式発電機に関するものである。
相対回転する内外電機子と内外電機子を相対回転駆動するプロペラと電機子を収容するケーシングとを備える没水式発電機であって、前後二段の外側回転電機子と内側固定電機子とを有する発電機構と、互いに逆方向に回転して前後二段の外側回転電機子を互いに逆方向に回転駆動する前後二段のプロペラと、前後二段の内側固定電機子を外部環境に対して密閉して収容するケーシングとを備え、水底に置かれたアンカーに係留索を介して連結され、没水状態で水流中に置かれて稼働し、没水式発電機に働く浮力は没水式発電機に働く重力よりも大であることを特徴とする没水式発電機が、特許文献１に開示されている。
特許文献１の没水式発電機に働く重力が浮力よりも大である場合には、当該没水式発電機は、水面上又は水面よりも上方の構造物から延びる係留索或いは支持部材によって水中に係留されることになる。
特開２００７－０１６７８６号公報
上述の没水式発電機においては、前段プロペラにより回転駆動される前段外側回転電機子と後段プロペラにより回転駆動される後段外側回転電機子とは作動係合していないので、発電時に前段外側回転電機子が対峙する前段内側固定電機子に印加する回転トルクと、発電時に後段外側回転電機子が対峙する後段内側固定電機子に印加する回転トルクとは、互いに力学的および電磁気学的に独立しており、両回転トルクの大きさは必ずしも一致しない。従って、上述の没水式発電機は安定して水中に係留することができない。
発電機構の起電圧は回転電機子が磁界を切る速度に比例する。没水式発電機においてはプロペラキャビテーションの発生を抑制する観点からプロペラ回転速度の上昇を抑制する必要がある。従って、対峙する外側回転電機子と内側固定電機子の組がそれぞれ独立して配設されている上記没水式発電機において高起電圧を得るためには、或いは電気的な高効率を得るためには、増速ギアやプーリ機構を取り付けて、プロペラの回転を増速して外側回転電機子に伝達する必要があり、発電機の大型化を招く。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、水中において浮力よりも大きな重力が加わる没水式発電機であって、安定して水中に係留することができ、大型化を招くことなく高起電圧、高効率が得られる没水式発電機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明においては、相対回転する内外電機子と内外電機子を相対回転駆動するプロペラと電機子を収容するケーシングとを備える没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く重力Ｗは没水式発電機に働く浮力Ｆよりも大であり、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、没水式発電機に働く前記重力Ｗと前記浮力Ｆと水流中で没水式発電機に働く抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング上に存在することを特徴とする没水式発電機を提供する。
本発明に係る没水式発電機においては、発電中、内外二重回転電機子に働く相反回転トルクの大きさは、運動の第３法則（作用反作用）から力学的および電磁気学的に一致し、ひいては、内側回転電機子と当該電機子に連結されたプロペラが形成する内側回転系と、外側回転電機子と当該電機子に連結されたプロペラが形成する外側回転系に働く相反トルクは一致し、相殺するので、ケーシングには反作用としての回転トルクは一切発生しない。従って、本発明に係る没水式発電機は発電量や流速に関わらず、ケーシングのプロペラ軸心回りの回転を惹起することなく、安定して水中に係留することができる。
本発明に係る没水式発電機においては、子午面上で見て、回転モーメント中心がケーシング上に存在するので、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングを何らかの手段で支持することにより、没水式発電機を安定して水中に保持することができる。
本発明に係る没水式発電機においては、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラが互いに逆方向に回転して、内外回転電機子を互いに逆方向に回転駆動するので、プロペラの回転速度の上昇を抑制しつつ内外回転電機子の相対回転速度を上昇させて、内外回転電機子が磁界を切る速度を増加させることができ、その結果、増速ギヤやプーリ機構の配設等による大型化を招くことなく従来の没水式発電機に比べて高起電圧、高効率を得ることができる。他方、内外回転電機子が磁界を切る速度が従来の没水式発電機に比べて大きいので、起電圧を従来の没水式発電機と同等にする場合には、電機子の巻線数の低減や、同期発電機の電機子を形成する永久磁石の小型化や、電機子の回転半径の低減等により、従来の没水式発電機に比べて発電機を小型化できる。プロペラの回転速度を低下させてキャビテーションを防止することもできる。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心が位置決めされ、当該回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングが前記軸線回りに回転自在に支持されている。
上記構成により、発電量や流速によらず没水式発電機を水平状態に保持することができる。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた少なくとも一本の係留索を介して水中に係留されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
本発明に係る没水式発電システムにおいては、没水式発電機は、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた少なくとも一本の係留索を介して水中に係留されるので、発電量や流速に関わりなく子午面上で見ても安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、前記係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシングに取り付けられている。
上記構成により、没水式発電機は抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームが回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられ、前記係留索が相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けられる。
二股のアームを回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付け、前記係留索を相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けることにより、一本の係留索で安定して発電機を水中に保持することができる。
本発明の好ましい態様においては、前記係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アームに取り付けられている。
上記構成により、没水式発電機は抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーがケーシングに取り付けられている。
重力Ｗと浮力Ｆと抗力Ｄとにより係留索は流速に関わらず弛まないが、二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーをケーシングに取り付けることにより、当該自由端に取り付けられた係留索がプロペラと干渉するのを確実に防止することができる。
本発明の好ましい態様においては、二股のアームは、ケーシングの水流方向上流端を回り込める長さを有している。
上記構成により、二股アームの自由端とケーシングとの干渉を防止し、係留索による没水式発電機の保持をより安定化することができる。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く前記重力Ｗの作用線が浮力Ｆの作用線より上流側に位置する。
重力Ｗの作用線が浮力Ｆの作用線より上流側に位置すると、回転モーメント中心は重力Ｗの作用線よりさらに上流側に位置することになるので、係留索がプロペラから遠ざかり、係留索とプロペラとの干渉が更に効果的に防止される。
本発明の好ましい態様においては、没水式発電機に働く前記前記重力Ｗの作用線が浮力Ｆの作用線より下流側に位置する。
重力Ｗの作用線が浮力Ｆの作用線より下流側に位置すると、回転モーメント中心は重力Ｗの作用線よりさらに下流側に位置することになるので、係留索がプロペラに近づくが、回転モーメント中心からプロペラまでの距離を長く設定し、或いはストッパトーの位置を適正化することにより、係留索とプロペラとの干渉を防止することができる。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水底に固定されて上方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
本発明においては、上記の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水面上又は水面より上方の構造物から下方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システムを提供する。
上記没水式発電システムにおいては、支柱には、没水式発電機の重力と浮力の差分の下向きの力と当該力に直交する流れ方向の抗力以外には没水式発電機からは力が印加されず、また流れの速度が比較的大きい場合には、前記二つの力に加えて抗力に比べて小さいもののカルマン渦による流れに直交する垂直方向の力以外には没水式発電機からは力が印加されず、回転トルクが二段のプロペラ間で相殺されて支柱に作用しないので、支柱と没水式発電機のケーシングとの連結部の構成を簡素化できる。
本発明の好ましい態様においては、支柱の断面は前縁を水流の上流側へ差し向けた流線形である。
本発明の好ましい態様においては、高さ方向に螺旋状の凹凸が支柱外周に設けられている。
上記構成により、カルマン渦の発生が抑制され、カルマン渦から受ける流れに直交する垂直方向の力を減少させることができる。
本発明の実施例に係る没水式発電機の側断面図である。 本発明の実施例に係る没水式発電機に加わる浮力による回転モーメントと重力による回転モーメントと抗力による回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心を示す没水式発電機の側面図である。 本発明の実施例に係る没水式発電機を備える没水式発電システムの構造図である。（ａ）は側面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ－ｂ矢視図である。 本発明の実施例に係る没水式発電機を備える没水式発電システムの変形例の正面図である。 本発明の実施例に係る没水式発電機を備える没水式発電システムの他の変形例の正面図である。
本発明の実施例に係る没水式発電機および没水式発電システムを説明する。
図１に示すように、没水式発電機Ａは、筒状の外軸１ａと、軸心を一致させて外軸１ａに内挿された内軸１ｂと、外軸１ａに固定された外側回転電機子２ａと、内軸１ｂに固定されて外側回転電機子２ａに対峙する内側回転電機子２ｂとを有する内外二重回転電機子形発電機構３と、外軸１ａに固定されて外軸１ａひいては外側回転電機子２ａを回転駆動する前段プロペラ４ａと、図１に白抜き矢印で示す水流の方向に関して前段プロペラ４ａの後方に且つ軸心を一致させて前段プロペラ４ａに整列して配設され、内軸１ｂに固定されて内軸１ｂひいては内側回転電機子２ｂを回転駆動する後段プロペラ４ｂと、内外二重回転電機子形発電機構３を外部環境に対して密閉して収容する砲弾形状のケーシング５とを備えている。前段プロペラ４ａと後段プロペラ４ｂとは、軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向に設定されている。後段プロペラ４ｂの極慣性モーメントは前段プロペラ４ａの極慣性モーメントよりも小さな値に設定されている。
図２に示すように、没水式発電機Ａが没水して図２に白抜矢印で示す水流中に置かれた時に没水式発電機Ａに働く重力をＷとし、没水式発電機Ａに働く浮力をＦとし、没水式発電機Ａに働く抗力をＤとした時に、Ｗ>Ｆとなるように構成機器の寸法形状と重量とが設定されている。また、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、鉛直下方に向く重力Ｗと鉛直上方に向く浮力Ｆと流れに平行な抗力Ｄとによる回転モーメントの和を零にする点である回転モーメント中心が、ケーシング５上に存在するように、構成機器の寸法形状と重量とが設定されている。尚、図２に示すように、前記各力Ｗ、Ｆ、Ｄをそれぞれの作用点を通るベクトル（作用線）で表示し、前段プロペラ４ａの中心からベクトルＷ、Ｆまでの距離をＳＷ、ＳＦとし、抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとると、プロペラ４ａの中心から軸方向に測った回転モーメント中心Ｃまでの距離Ｓは次式で与えられる。
Ｓ=(Ｗ・ＳＷ-Ｆ・ＳＦ)/(Ｗ-Ｆ)
なお、回転モーメント中心Ｃの位置は前記子午面に平行な面上で見ても前記子午面上で見た位置と同じである。
図３に示すように、没水式発電機Ａは、プロペラ軸心延在方向からみて左右対称の二股のアーム６を、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５の両側部に取り付け、砲弾形ケーシング５の頂部を回り込める長さのアーム６の自由端に、スリップリング７を介して相対回転可能に、且つ図３（ｂ）から分かるように、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、即ち抗力Ｄの作用線を含む鉛直面とアーム６の交点で、係留索８の一端を取り付け、係留索８の他端を海面や河川水面上又は海面や河川水面よりも上方のフロートや橋脚や橋桁等の構造物２００に連結することにより、抗力Ｄによってプロペラ４ａ、４ｂを図３（ａ）に白抜矢印で示す水流の下流側へ自動的に差し向け、それに伴ってケーシング５のプロペラ４ａ、４ｂから離隔する砲弾頂部形状の端部を自動的に水流の上流側へ差し向けて、水平に水中に係留され、没水式発電システムＢを形成している。
没水式発電機Ａ及び没水式発電システムＢの作動を説明する。
軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向に設定された前後段のプロペラ４ａ、４ｂが、図３（ａ）に白抜矢印で示す水流により互いに逆方向に回転し、外内軸１ａ、１ｂを介して外内回転電機子２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転駆動し、発電する。発生した電力はアーム６、スリップリング７、係留索８と一体にした図示しないケーブルを介して外部に取り出され、フロート上や陸上の電気機器に供給される。
没水式発電機Ａにおいては、発電中、内外二重回転電機子２ｂ、２ａに働く相反回転トルクは一致し、ひいては、内側回転電機子２ｂと当該電機子に連結された内軸１ｂと後段プロペラ４ｂとが形成する内側回転系と、外側回転電機子２ａと当該電機子に連結された外軸１ａと前段プロペラ４ａとが形成する外側回転系に働く相反トルクの大きさは、運動の第３法則から力学的および電磁気学的に一致し、相殺するので、ケーシング５には反作用としての回転トルクは一切発生しない。この結果、本発明に係る没水式発電機Ａは、発電量や流速に関わらず、ケーシング５のプロペラ軸心回りの回転を惹起することなく、安定して水中に係留することができる。
没水式発電機Ａにおいては、子午面上で見て、水流中で没水式発電機Ａに働く重力Ｗと浮力Ｆと抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング５上に存在するので、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシング５を何らかの手段で支持することにより、没水式発電機Ａを子午面上でも安定して水中に保持することができる。
没水式発電機Ａにおいては、発電機構３は外側回転電機子２ａと外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子２ｂとを有し、互いに逆方向に回転する前後二段のプロペラ４ａ、４ｂが対峙している外内回転電機子２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転駆動するので、プロペラ４ａ、４ｂの回転速度の上昇を抑制しつつ外内回転電機子２ａ、２ｂの相対回転速度を上昇させて、回転電機子２ａ、２ｂが磁界を切る速度を上昇させることができ、その結果、増速ギヤやプーリ機構の配設等による大型化を招くことなく従来の没水式発電機に比べて高起電圧、高効率を得ることができる。他方、回転電機子２ａ、２ｂが磁界を切る速度が従来の没水式発電機に比べて大きいので、起電圧を従来の没水式発電機と同等にする場合には、電機子２ａ、２ｂの巻線数の低減や、同期発電機の電機子を形成する永久磁石の小型化や、電機子の回転半径の低減等により、従来の没水式発電機に比べて発電機を小型化できる。プロペラ４ａ、４ｂの回転速度を低下させてキャビテーションを防止することもできる。
後段プロペラ４ｂの極慣性モーメントは前段プロペラ４ａの極慣性モーメントよりも小さな値に設定されているので、水流中での後段プロペラ４ｂの起動が促進され、ひいては発電機Ａの起動が促進される。
没水式発電システムＢにおいては、抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心をとり、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに回転自在にケーシング５の両側部を支持したので、発電量や流速によらず没水式発電機Ａを水平状態に保持することができる。
没水式発電システムＢにおいては、没水式発電機Ａは、回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付けられた係留索８を介して水中に係留されるので、発電量や流速に関わらず安定して水中に保持される。係留索８は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシング５に取り付けられるので、即ち一本の係留索８と抗力Ｄの作用線とが同一鉛直面に含まれるので、没水式発電機Ａは抗力Ｄにより左右方向の首振り運動を惹起されることなく安定して水中に保持される。
没水式発電システムＢにおいては、二股のアーム６を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、アーム６の自由端に、スリップリング７を介して相対回転可能に、且つ抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、即ち抗力Ｄの作用線を含む鉛直面とアーム６の交点で、係留索８を取り付けることにより、発電量や流速に関わらず一本の係留索８で安定して発電機Ａを水中に保持することができる。アーム６を砲弾形ケーシング５の頂部を回り込める長さにして、スリップリング７とケーシング５との干渉を防止することにより、発電機Ａの保持をより安定化することができる。
本発明は上記実施例に限定されない。
回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに回転自在に、ケーシング５の両側部に、且つ抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称位置に、一対の係留索８を取り付け、当該一対の係留索８を介して、没水式発電機Ａを水中に係留しても良い。
ユニバーサルジョイントを介して相対枢動可能にアーム６の自由端に係留索８を取り付けても良い。
複数の係留索８をアーム６に取り付けても良い。この場合、係留索８の一端をアーム６の自由端に取り付ける位置は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に配設するのが望ましい。
図３に示すように、二股のアーム６の自由端のプロペラ４ａ、４ｂ方向への揺動を規制するストッパー９をケーシング５に取り付けても良い。
二股のアーム６の自由端のプロペラ４ａ、４ｂ方向への揺動を適正値に規制することにより、当該自由端に取り付けられた係留索８がプロペラ４ａ、４ｂと干渉するのを容易に防止することができる。
図２に実線で示すように、重力Ｗの作用線が浮力Ｆの作用線より下流側に位置する場合には、回転モーメント中心Ｃは重力Ｗの作用線よりさらに下流側に位置することになり、係留索８がプロペラ４ａ、４ｂに近づくが、回転モーメント中心Ｃからプロペラ４ａ、４ｂまでの距離を長く設定し、或いはストッパー９の位置を適正化することにより、係留索８とプロペラ４ａ、４ｂとの干渉を防止することができる。
図２に二点鎖線の矢印で示すように、重力Ｗの作用線を浮力Ｆの作用線より上流側に位置させると、回転モーメント中心ＣＬは重力Ｗの作用線よりさらに上流側に位置することになるので、係留索８がプロペラ４ａ、４ｂから遠ざかり、係留索８とプロペラ４ａ、４ｂとの干渉が流速によらず効果的に防止される。
図４に示すように、二股のアーム６’を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、海底や河底１００に固定されて上方へ延びる支柱１０によって、上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持しても良く、或いは図５に示すように、二股のアーム６’を回転モーメント中心Ｃを通り子午面に直交する軸線Ｃ’回りに相対回転可能にケーシング５に取り付け、水面上又は水面よりも上方のフロートや橋桁等の構造物２００から下方へ延びる支柱１０によって、上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持しても良い。上記の没水式発電システムにおいては、没水式発電機Ａの重力Ｗと浮力Ｆの差分の下向きの力と、当該力に直交する流れ方向の抗力Ｄ以外には没水式発電機Ａから支柱１０へ力が印加されず、また流れの速度が比較的大きい場合には、前記二つの力に加えて抗力に比べて小さいもののカルマン渦による流れに直交する垂直方向の力以外には没水式発電機Ａから支柱１０へ力が印加されず、回転トルクが二段のプロペラ４ａ、４ｂ間で相殺されて支柱に作用しないので、支柱１０と没水式発電機Ａのケーシング５との連結部の構成を簡素化できる。また、構造物２００がフロートの場合、当該フロートの係留も容易である．
上下軸線回りに回転可能にアーム６’の基部を支持することにより、没水式発電機Ａを水流に沿わせることができる。
支柱１０を伸縮可能にすることにより、水深方向の最適位置に没水式発電機Ａを位置決めすることができる。
支柱１０の断面を前縁を水流の上流側へ差し向けた流線形とすることにより、或いは高さ方向に螺旋状の凹凸を支柱１０の外周に設けることにより、カルマン渦の発生を抑制し、カルマン渦から受ける垂直方向の力を減少させることができる。
本発明は、海洋、河川を問わず没水式発電機及び没水式発電システムに広く利用可能である。
Ａ　没水式発電機
Ｂ　没水式発電システム
Ｃ、ＣＬ　回転モーメント中心
Ｃ’　軸線
１ａ　外軸
１ｂ　内軸
２ａ　外側回転電機子
２ｂ　内側回転電機子
３　発電機構
４ａ　前段プロペラ
４ｂ　後段プロペラ
５　ケーシング
６、６’　アーム
７　スリップリング
８　係留索
９　ストッパー
１０　支柱
１００　海底や河底
２００　構造物

Claims (14)

  1. 相対回転する内外電機子と内外電機子を相対回転駆動するプロペラと電機子を収容するケーシングとを備える没水式発電機であって、外側回転電機子と外側回転電機子に対峙し外側回転電機子とは逆方向に回転する内側回転電機子とを有する内外二重回転電機子形発電機構と、軸心を一致させて配設され軸心の延在方向に対する翼の捩れ方向が互いに逆方向の一組のプロペラとを備え、前記一組のプロペラの一方は前記内外の回転電機子の一方に、前記一組のプロペラの他方は前記内外の回転電機子の他方に、それぞれ連結されており、更に、内外二重回転電機子形発電機構を外部環境に対して密閉して収容するケーシングを備え、没水状態で水流中に置かれて稼働し、稼働時に没水式発電機に働く重力Ｗは没水式発電機に働く浮力Ｆよりも大であり、子午面（プロペラ回転軸を含む鉛直面）上で見て、没水式発電機に働く前記重力Ｗと前記浮力Ｆと水流中で没水式発電機に働く抗力Ｄとによる回転モーメントの和が零になる回転モーメント中心が、ケーシング上に存在することを特徴とする没水式発電機。
  2. 没水式発電機に働く抗力Ｄの作用線上に回転モーメント中心が位置決めされ、当該回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上でケーシングが前記軸線回りに回転自在に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の没水式発電機。
  3. 請求項１又は２に記載の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられた少なくとも一本の係留索を介して水中に係留されていることを特徴とする没水式発電システム。
  4. 前記係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、ケーシングに取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の没水式発電システム。
  5. 二股のアームが回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線回りに相対回転可能にケーシングに取り付けられ、前記係留索が相対回転可能に又は相対枢動可能にアームに取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の没水式発電システム。
  6. 前記係留索は、抗力Ｄの作用線の延在方向に見て抗力Ｄの作用線に対して左右対称に、アームに取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の没水式発電システム。
  7. 二股のアームの自由端のプロペラ方向への揺動を規制するストッパーがケーシングに取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の没水式発電システム。
  8. 二股のアームは、ケーシングの水流方向上流端を回り込める長さを有していることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の没水式発電システム。
  9. 没水式発電機に働く前記重力Ｗが前記浮力Ｆより上流側に位置することを特徴とする請求項３乃至８の何れか１項に記載の没水式発電システム。
  10. 没水式発電機に働く前記重力Ｗが前記浮力Ｆより下流側に位置することを特徴とする請求項３乃至８の何れか１項に記載の没水式発電システム。
  11. 請求項１又は２に記載の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、海底や河底に固定されて上方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システム。
  12. 請求項１又は２に記載の没水式発電機が、回転モーメント中心を通り子午面に直交する軸線上で、水面上或いは水面より上方の構造物から下方へ延びる支柱によって支持されていることを特徴とする没水式発電システム。
  13. 支柱の断面が前縁を水流の上流側へ差し向けた流線形であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の没水式発電システム。
  14. 高さ方向に螺旋状の凹凸が支柱外周に設けられていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の没水式発電システム。
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