JP7714228B2 - 水流発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水流発電装置に関する。

海流には、世界中で年間数百ＴＷｈのエネルギーが存在するともいわれている。海流は太陽光や風力の変動に比べると安定しているため、海流を利用した発電は、安定性を有する発電方法として注目されている。さらに、海流発電は、二酸化炭素ＣＯ２を排出しないため、環境負荷が極めて小さい自然エネルギーによる発電としても注目されている。
従来より、海や河川の水流を用いてプロペラ等の回転体を回転させることにより、水流の運動エネルギーを電気エネルギーに変換させて発電させる技術は存在する。

特許文献１には、潮流を利用して発電する技術として、海中の定位置に支持桿を設け、その支持桿に潮流を受けて回転するスクリュー羽根を設け、潮流で回転させるスクリュー羽根の回転力で海面上に設けたステーション内の発電機を駆動して発電する技術が記載されている。スクリュー羽根を支持している筒桿は、スクリュー羽根が潮流に対向する姿勢になるように、支持桿に回転自在に装着されている。

特許文献２には、海底に固定した垂直材に水中回転体を配置し、海流が水中回転体を回転させた回転エネルギーを海上の発電機に伝達する技術が記載されている。水中回転体と支持部とはユニバーサルジョイント機構で接続されているため、回転体は上下左右の自在の方向に向きを変えることができる。

特開２００２－２５７０２３号公報 特開２００９－１２１２４１号公報

しかしながら、特許文献１の発明は、変速機や発電機が海上に浮遊するステーションに配置されており、潮流からスクリュー羽根が受けた回転エネルギーを海上の変速機や発電機に伝達する歯車等の回転力伝達材を必要とする。回転力伝達材を用いて回転を伝達すると機構が複雑になったり、エネルギー損失が発生するおそれがある。

また、特許文献２の発明は、海流の流れの向きの変化に応じて、水中回転体の向きを自在に変化させることはできるが、ユニバーサルジョイント機構という小さな接点で連結されているため、充分な強度を確保することが困難であり、ジョイントが破損するリスクがある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、水流の方向に変動がある環境であっても、安定して水流から効率よく発電することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、中空状の支柱と、前記支柱に連結され、回転可能な中空状の回転支柱と、水流により回転する回転体と、前記回転支柱に一端が固定され、前記回転体を支持する回転体支持部材と、前記回転体に固定され前記回転体と一体となって回転するシャフトと、を備え、前記シャフトは前記回転体支持部材の内部空間を通り発電機と繋がり、前記回転体支持部材は、前記回転体の回転軸の方向に伸びる筒状体を有し、前記回転体支持部材から径方向外側に向けて突出した凸部と前記回転体の内側の凹部とが対峙することにより前記回転体を回転可能に支持する、ことを特徴とする水流発電装置である。

請求項２に記載された発明は、前記発電機に繋がれた送電ケーブルは、前記回転体支持部材又は前記支柱の内部空間に敷設された、ことを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置である。

請求項３に記載された発明は、前記回転支柱の回転可能な角度の範囲は１８０度未満であることを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置である。

本発明によれば、水流の方向に変動がある環境であっても、安定して水流から効率よく発電できる。

本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。 本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置の断面図である。 第二の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。 第三の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。 第四の実施形態に係る水流発電装置を示す図である。 第一又は第三の実施形態に係る水流発電装置を複数配置した事例を示す図である。 第二又は第四の実施形態に係る水流発電装置を複数配置した事例を示す図である。 第三の実施形態に係る水流発電装置を複数配置した事例を示す図である。 第三の実施形態に係る水流発電装置を複数配置した別の事例を示す図である。 第三及び第四の実施形態に係る水流発電装置を組み合わせた事例を示す図である。

本発明に係る発電装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る水流発電装置を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の水流発電装置１は、海上の浮体式のステーション２から鉛直方向に伸びる支柱３、回転支柱４、支柱５、アンカー６、係留索７、回転体８、回転体支持部材９とからなる。

ステーション２は、浮力により海上に浮かぶ設備である。支柱５は、海底に設置されたアンカー６に係留索７を介して繋がれているので、水流発電装置１は、海流の影響で流されてしまうことがなく、定点に位置できる。海流の水勢を受けた回転体８は、回転することにより発電を行う。海流の方向に対し回転体８及び回転体支持部材９が回転支柱４よりも下流側に位置するように、回転支柱４は回転する。

本明細書において、「水流」とは、水又は海水の流れを指し、流線が層状にそろっている層流の方向だけでなく、流線が乱れた乱流状態をも含む。「水流の方向」は、層流でも乱流であっても、流れ全体の主方向を指すものとする。特に断りのない限り、「上方」とは水底から水面上の方向を指し、「下方」とは、水面上から水底の方向を指す。また、特に断りのない限り「前方」は、水流の上流方向、「後方」は、水流の下流方向を指す。

本明細書において、「回転体」とは、水流の勢いを受けて水流エネルギーを回転エネルギーに変える物体又は装置である。そのため、回転体は、水流を受けて回転に変えられるようなブレードを備えていることが望ましい。ブレードは、プロペラであってもよく、回転体の軸方向に対し斜めに螺旋を描く形状であってもよい。

回転体８は、水流のエネルギーを回転体８の回転エネルギーに変換できるような構造体である。例えば、図１に示す例では、回転体８は、回転支柱４の下流側に設置されており、回転体８についている複数のブレード１０が水流を受けて回転体８を回転させる構造となっている。ブレード１０は、水流を受けて回転体が回転しやすい形状であることが望ましいため、回転体の胴体部を取り巻く螺旋形に形成されていてもよい。

回転体８の回転軸方向の長さは（胴体部の中央における）径方向の直径よりも大きい形状とすることにより、水流により回転しつつも下流方向に伸びる形状のために上下方向揺動を受けにくい構造としてもよい。第一の実施形態においては、回転体８の径方向の直径は約１０ｍ、回転軸方向の長さは約２０ｍである。また、回転体８の材質としては、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の樹脂や金属が用いられる。回転体をチタン合金製とすれば、水中でも錆びることなく、半永久的に使用できる。

図２は、第一の実施形態に係る水流発電装置の断面図である。支柱３と支柱５との間には回転支柱４が回転可能なように配置されている。支柱３と回転支柱４との連結部分は、回転支柱４の凹部に支柱３の凸部が対峙するように配置され、ベアリング１６ａで接している。回転支柱４と支柱５との連結部分も、支柱３との連結部分と同様の構成である。回転支柱４は、海流の流向の変化することにより、回転体８が、海流の下流側に位置するか、または上流に対向するように位置できるように、支柱の中心軸の周りを自在に回転する。回転支柱４は３６０°自在に回転できる機構としてもよいが、海流が右回り又は左回りの回転が継続すると送電ケーブルがねじれてしまうため、回転角度の制約は、海流の主要な方向を中心として、１８０°未満の予め定めた角度としてもよい。回転支柱の角度に制約をかける機構については、一定角度回転したら、それ以上は回転しないストッパーなどを設置した構造としてもよい。

回転支柱４は送電ケーブル２１または発電機２０を収容するための中空の空間が必要である。支柱３または支柱５は、送電ケーブルが延伸できるような空間を確保するため、中空状であることが望ましい。送電ケーブルを海底へ導く場合は、少なくとも下方の支柱５を中空状として、送電ケーブルを下方に通す。一方、送電ケーブルを海上の中継点へ導く場合は、少なくとも上方の支柱３を中空状とすればよい。

回転体８と回転体支持部材９とは、回転体内部の凹部１２と回転体支持部材９の凸部１３とが噛み合うように配置され、ベアリング１４ａ及び１４ｂと接触している。回転体支持部材９は、中空状である。回転体８の内部に固定されたシャフト１１は、回転体支持部材９の中空となっている空間に収容されており、回転支柱４の内部空間に配置された発電機２０まで繋がっている。このため、回転体８の回転エネルギーがシャフト１１を介して発電機２０に伝えられることにより、発電する。「回転体の回転を発電機に伝達するシャフト」とは、直接発電機に繋がるシャフトだけでなく、変速機等を介して回転を発電機に伝えているシャフトも含める。

回転体支持部材９は、シャフト１１の回転軸に平行に伸びる円筒形状の部材であり、回転体支持部材９の内部をシャフト１１が貫通している。回転体支持部材９の一端は回転支柱４に固定されており、他方の一端は、回転体８の内部に収容されるように配置される。回転体８の内部に収容された回転体支持部材９の外側壁面からは、軸の径方向外側に突出した凸部１３が円筒の外周に形成されている。凸部１３は、回転体８の内側壁面に溝状に形成された凹部１２に対峙するように配置される。これにより、回転体８は水流の勢いが強い場合であっても、回転支柱４に固定された回転体支持部材９の凸部１３によって支えられることになり、回転体８が水流発電装置からはずれて水流の下流方向へ流されてしまうことなく、しかも回転運動を維持できる。
また、図示しないが、回転体支持部材９は、回転支柱４に固定された状態でありながら、伸縮可能な構造であってもよい。伸縮可能な構造であれば、回転支柱４からの回転体８の距離を調整できるので、水流における回転支柱４の抵抗の影響の少ない最適な位置に回転体８を配置できる。

本明細書において、「対峙」とは、対向する部材同士が嵌り合っている状態をいうが、必ずしも対抗する部材同士が接触している必要はなく、互いに離間していながらも向き合う相手部材の特定の動きに制約を及ぼす状態をも含む。例えば、「対峙」は、凸部と凹部とが直接に触れ合っていなくても油やベアリング、又はその組み合わせ等を介して対向する部材同士が互いに支持しあう構造を含む。

凸部１３の前方側と後方側には、ベアリング１４ａ、１４ｂを支持部材の円筒の外周に複数配置してもよい。後部のベアリング１４ｂは、水流が回転体８を押し流そうとする力を受けるに耐え得る強度が必要とされる。ベアリング１４ａ、１４ｂの存在により、回転体８の回転運動に対する抵抗を小さくして、より高速に回転させることができる。さらに、回転体８の凹部１２と凸部１３とが形成する空間に油を充填させて、回転体８を滑らかに安定的に回転させることができる。凹部１２に油を充填させる場合は、油が漏れないような密閉する構造として公知の技術を使えばよい。

凹部１２と凸部１３は、回転体８が受ける水流の勢いに耐え、安定的に回転を維持できる強度を有していれば、特に大きさや材質は限定されない。また、凸部１３の高さよりも凹部１２の深さの方が大きい構造であれば、凹部１２と凸部１３の間の空間に油やベアリングを充填できるため、滑らかに回転することが可能になる。

凸部１３の前方側のベアリング１４ａと凸部１３の後方側のベアリング１４ｂとは、同じ大きさであってもよく、同じ大きさでなくてもよい。後方側のベアリング１４ｂは、回転体８を水流が押し流そうとする力を受け止めるだけの強度が必要であると同時に回転も維持する必要があることから、前方側のベアリング１４ａよりも大きな径のベアリングとしてもよい。後方側のベアリング１４ｂを前方側のベアリング１４ａよりも大きくすることで、水流が回転体を後方へ押す力に対する支持を強固にできる。
また、回転体８の周囲に配置される凸部１３の前方側のベアリング１４ａの個数よりも凸部１３の後方側のベアリング１４ｂの数を多くしてもよい。凸部１３の後方側のベアリング１４ｂが多く配置されることにより、凸部１３と複数のベアリング１４ｂとの接点が増えるので、水流が回転体を後方へ押す力に対する支持を強固にすることができ、回転体８の揺動抑制の効果も発揮できる。

また、回転体８の内部の空洞に水が浸入しないように、防水機構を設けてもよい。防水機構は公知の防水技術でよく、例えば、図２に示すように、回転体８と回転体支持部材９との間の隙間にＯリング１５を配置して、回転は維持しつつも、回転体の内部に水が浸入しないような構造であってもよい。

図２に示す事例では、回転体８に凹部１２が設けられ、回転体支持部材９に凸部１３が設けられているが、凹凸関係は逆であってもよい。即ち、回転体支持部材９側に凹部が設けられ、回転体の内側壁面から径方向内側に突出した凸部が、回転体支持部材９の凹部と対峙する構成とすることもできる。

本実施形態の回転体は、回転支柱４よりも下流側で回転するダウンウィンド型の回転体である。海流が回転支柱４の抵抗により流速が減少したり流れが乱れるため、回転支柱４から回転体８を一定距離だけ離して配置することが望ましい。少なくとも回転支柱の直径以上の距離に回転体を配置することが望ましい。

以上、説明したように第一の実施形態に係る水流発電装置は、回転体８の揺動を抑制しつつ、海流の方向が変動する環境下であっても効率的に発電できる。また、第一の実施形態に係る水流発電装置は、回転体８と一体に回転するシャフト１１が回転支柱４内の発電機に直結しているため、発電機２０が海上に設置された場合に比べると歯車等を用いた伝動機構による回転エネルギー損失が少なくて済む。

（第二の実施形態）
図３は、第二の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。第二の実施形態は、海流の水勢を受けて回転体８が回転して発電をする際に、回転体８が回転支柱４よりも上流側に位置する、すなわち、アップウィンド型である点が第一の実施形態と異なる。第一の実施形態では、回転体８が回転支柱４の下流側に位置しているため、回転支柱４による水流の抵抗が発電効率を低下させる影響を考慮して、回転体支持部材９の長さを長く流線形にする必要があった。第二の実施形態では、回転体８が回転支柱４よりも上流にあるため、回転体８の下流側に配置される回転体支持部材９を長くする必要がない。
また、回転体８と回転体支持部材９との間には、防水機構を設けることが望ましい。図３では、Ｏリング１５が配置されているが、例えば、ベローズのようなその他の既知の防水機構であってもよい。

回転体８が海流の水勢を受けることにより上流の方向を向くように、回転支柱４が回転する。すなわち回転体８が海流に対向するように回転支柱４が回転する。仮に、回転支柱４の代わりに回転しない支柱に対し特定の方角に回転体支持部材９が固定されている場合であれば、回転体８が斜めや横方向などから水流を受け止めるため、回転体８は効率的に回転せず、振動も大きくなるため、発電効率は低下してしまう。本実施形態では、回転支柱４の回転により最も効率のよい方角に回転体８を向けることができるため、効率的に発電をすることが可能になる。

（第三の実施形態）
図４は、第三の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。第三の実施形態は、発電機２０が回転体支持部材９の内部空間に収容されている点と発電機２０とシャフト１１の間に変速機３０が介在している点が第一の実施形態と異なるが、その他の構成は第一の実施形態と同じである。
発電機２０と変速機３０を回転体支持部材９の内部空間に収容することで、シャフト１１の長さを短くし、回転支柱４の内部空間が小さくても足りることになる。

（第四の実施形態）
図５は、第四の実施形態に係る水流発電装置を示す断面図である。第四の実施形態は、発電機２０が回転体支持部材９の内部空間に収容されている点と発電機２０とシャフト１１の間に変速機３０が介在している点が第二の実施形態と異なるが、その他の構成は第二の実施形態と同じである。
発電機２０と変速機３０を回転体支持部材９の内部空間に収容することで、シャフト１１の長さを短くし、回転支柱４の内部空間が小さくても足りることになる。

（複数の回転体を配置した実施形態）
第一の実施形態に係る水流発電装置及び第三の実施形態に係る水流発電装置は、回転体８が回転支柱４よりも下流側に位置して発電を行う装置である。第一の実施形態又は第三の実施形態における水流発電装置を複数配置できる。
例えば、図６に示す事例では、鉛直方向の深さの異なる３つの位置にそれぞれ回転体が直列に配置されている。海流は、深さにより流れの方向が異なることがある。そのような場合、本事例であれば、異なる深さのそれぞれにおいて最適な方位に回転体が位置するようにそれぞれの回転支柱４が回転できるので、回転体が特定方向に固定されたシステムに比べると、全体として発電効率が向上することになる。

第二の実施形態に係る水流発電装置及び第四の実施形態に係る水流発電装置は、回転体８が回転支柱４よりも上流側に位置して発電を行う装置である。第二の実施形態又は第四の実施形態における水流発電装置を複数配置できる。
例えば、図７に示す事例では、鉛直方向の深さの異なる３つの位置にそれぞれ回転体が直列に配置されている。海流は、深さにより流れの方向が異なることがある。そのような場合、本事例であれば、異なる深さのそれぞれにおいて最適な方位に回転体が位置するようにそれぞれの回転支柱４が回転できるので、回転体が特定方向に固定されたシステムに比べると、全体として発電効率が向上することになる。

第三の実施形態に係る水流発電装置は、発電機２０が回転体支持部材９の内部に収容されていた。ここで、回転体支持部材は、図４に示すように回転体から回転支柱４に向かう方向に直線的に伸びる部材だけで構成されている部材に限定されない。例えば、図８は、第三の実施形態に係る水流発電装置を複数配置した事例を示す図である。本事例では、回転体支持部材９は、部材９ａ、９ｂ、９ｃが連結して構成されている。図示していないが、部材９ａ、９ｂ、９ｃのいずれの部材も内部が中空の空間を有しているため、発電機に繋がれた送電ケーブルは、回転体支持部材９の中空空間を経由して、支柱の内部に到達させることができる。

図９は、第三の実施形態に係る水流発電装置を複数配置した別の事例を示す図である。本事例では、同じ深さの水平面上に３つの回転体を配置した事例である。発電機は各回転体支持部材内に配置されている。発電機を回転支柱４の内部に配置する場合、回転支柱４の内部空間に３つの発電機を配置するか、各回転体の回転を回転支柱４まで伝える複雑な伝動機構が必要となる。本事例であれば、発電機は各回転体支持部材の内部に配置されており、各発電機から送電ケーブルが各回転体支持部材の内部を経由して回転支柱４の内部に到達することができ、支柱内部のスペースが不足することがない。

図１０は、第三及び第四の実施形態に係る水流発電装置を組み合わせた事例を示す図である。回転体を同じ深さで前後に配置すると、後方の回転体は、前方の回転体による水流の変化の影響を受けてしまうので、なるべく前後の回転体の距離を長くとることが望ましい。

本明細書の実施形態では、海中の海流による発電装置として説明を行ったが、本発明は海流に限定されず、河川、湖など水の流れのある場所における発電装置を含むものである。

１…水流発電装置、２…ステーション、３…支柱、４…回転支柱、５…支柱、６…アンカー、７…係留索、８…回転体、９…回転体支持部材、１０…ブレード、１１…シャフト、１２…凹部、１３…凸部、１４ａ、１４ｂ…ベアリング、１５…Ｏリング、１６ａ、１６ｂ…ベアリング、２０…発電機、２１…送電ケーブル、３０…変速機

Claims (3)

1. 中空状の支柱と、
   前記支柱に連結され、回転可能な中空状の回転支柱と、
   水流により回転する回転体と、
   前記回転支柱に一端が固定され、前記回転体を支持する回転体支持部材と、
   前記回転体に固定され前記回転体と一体となって回転するシャフトと、を備え、
   前記シャフトは前記回転体支持部材の内部空間を通り発電機と繋がり、
   前記回転体支持部材は、前記回転体の回転軸の方向に伸びる筒状体を有し、
   前記回転体支持部材から径方向外側に向けて突出した凸部と前記回転体の内側の凹部とが対峙することにより前記回転体を回転可能に支持する、
   ことを特徴とする水流発電装置。
2. 前記発電機に繋がれた送電ケーブルは、前記回転体支持部材又は前記支柱の内部空間に敷設された、ことを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置。
3. 前記回転支柱の回転可能な角度の範囲は１８０度未満であることを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置。