JPH07259064A

JPH07259064A - 海流発電潜水船

Info

Publication number: JPH07259064A
Application number: JP6336796A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Iwamoto; 淳岩本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 1995-10-09

Abstract

(57)【要約】【目的】海流エネルギーは総量では壮大であっても、
単位時間当たり、海流に垂直な単位面積当たり流れる流
水エネルギーの密度は希薄である。このエネルギーを集
約して、公害のない、大容量の電力に変換する。【構成】図１に示すように、海流のある海域に、流れ
に直面する導管Ａを持つ浮体Ｂを船首より繋留する。導
管Ａは船首の全面に取水口１、船尾に排水口２を持つ。
導管Ａの中央は、取水口１の海流に垂直な断面積の数十
分の１の同断面積の円形とし、水車６を装着、発電機Ｃ
を稼動させる。浮体Ｂの水車６の回転軸の中心の深度
が、水車６の位置における海流の流速の速度水頭の高さ
に等しい深度まで潜水させ、取水口１まできた海流を１
００％取り込む。水深数百ｍ以上の海域では中間浮力体
Ｄを利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】現在の大容量発電においては、火
力発電では大気汚染、原子力発電では放射能汚染の危
険、また、水力発電では立地適地の減少と、それぞれ構
造的な問題を抱えるとともに、多額の初期投資を必要と
する。現在、求められているのは無限の資源を活用、公
害のない、経済的な大容量の発電システムである。ここ
に本発明の海流発電潜水船が位置づけられる。

【０００２】

【従来の技術】大洋を流れる海流は後述するように壮大
なエネルギーを秘め、無限に供給され、安定した流速と
流向を持つ。この海流の壮大なエネルギーとその性質に
着目して、各国の研究者によって１９８０年頃までに
は、海流発電システムについて、多くの提案がなされて
きた。しかしながら、それらの提案の多くは方法や手段
は多岐にわたるも、奇抜なものを除いて、基本的にはプ
ロペラや水車を海流の中に置き、その回転運動を電気エ
ネルギーに変換するものであった。ところが、海流エネ
ルギーは総量では壮大であっても、単位時間当たり、海
流の流れに垂直な単位面積に流れる流水エネルギーの密
度は、大容量発電にとっては余りにも希薄である。海流
発電の出力計算は水車の海流に垂直な断面積に比例、海
流の流速の３乗に比例するから、高出力を期待して、水
車やプロペラを大きくして高速の海流を求めた。ところ
が構造物の大型化によって、その構造物の強度、工作方
法、またその係留や設置に技術的な開発が出来ず、ま
た、その建設費も増大、発電出力に見合う経済性が得ら
れず、未だに海上におけるテストも行なわれていないの
が、海流発電の技術開発の現状である。最近のクリーン
エネルギーに関する著書では海流発電は全く忘れられた
存在である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】海流エネルギーは、総
量では壮大であっても、単位時間当たり、海流に垂直な
単位面積当たりに流れる流水エネルギーの密度は希薄で
ある。このような海流のエネルギーをどのようにして集
約し、公害のない、経済的にも採算の取れる装置で、大
容量の電力を取り出すかが、本発明の課題である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、図１〜図４に示す浮体Ｂを海流のある海域に、取水
口１のある船首より係留索９、錨１０で海底に係留す
る。浮体Ｂは無人であるから、浮体Ｂの潜水、浮上、深
度の調節には海上から音波の指示で、浮体Ｂの係留索巻
取機８で係留索９を巻取り、巻戻し、同時に前後、左右
および上下に分割されたエアタンク３に注水、排水によ
って操作する。船尾に近いエアタンク３の注水量の加減
により、浮体Ｂの水平を維持する。船尾外側の上下左右
の方向舵４は、船首の取水口１を常に海流に直面させ
る。また、浮体Ｂの稼動中は、浮体Ｂ、水車６、発電機
Ｃなどの稼動状態の把握と自動調整、さらに、浮体Ｂの
周囲の海流の状況を把握し、発電効率の最もよい深度
に、浮体Ｂの潜水深度を自動調節するコンピューターを
浮体Ｂに備える。遠隔の地上局からも浮体Ｂの状況確
認、と遠隔調整が出来るようにしておく。

【０００５】図１〜図４に示す浮体Ｂには、海流に直面
する船首全面に導管Ａの取水口１を、また船尾全面に排
水口２を設ける。導管Ａの取水口１と排水口２のほぼ中
央の海流に垂直な断面は、取水口１の同断面積の数十分
の一の円形の断面にして、その断面に水車６を装着す
る。以下、導管Ａの水車６の位置の海流に垂直な断面積
と、取水口１の同断面積の割合を圧縮比と言う。

【０００６】海流のある海域は水深数百ｍ以上の海域が
大部分を占める。水深が数百ｍを越えると、係留索９の
海中の重量で浮体Ｂの浮力が不安定になる。係留索９の
重量を軽減するために、中間浮力体Ｄを浮体Ｂより２０
０ｍほど海底よりの係留索９に装着する。中間浮力体Ｄ
は中間浮力体Ｄから錨１０までの係留索９の海中の重量
に見合う浮力があり、例えば図５〜図７に示すように、
海流の中にあって流体抵抗の少ない、安定のよいものに
する。中間浮力体Ｄによって、浮体Ｂの係留可能な海域
がより広範囲になる。

【０００７】

【作用】浮体Ｂの作用について同じ流速（２ｍ／ｓｅ
ｃ）の海流の中に、同じ海流に垂直な断面積（１０
ｍ^２）の水車６（直径３．５７ｍ）を使用した次ぎの
（イ）、（ロ）及び（ハ）の三者の比較において説明す
る。（第８図参照）以下、説明の便宜上、海水の比重＝
１として、また適宜四捨五入をしている。

【０００８】（イ）の海流の中に直接、水車やプロペラ
をおいた場合。理論出力は次ぎのように計算される。Ｑ＝１／２・Ｓ・Ｖｏ^３・Ｃｐここで、Ｑ：理論出力（ｋＷ）Ｓ：水車の位置における海流に垂直な断面積（ｍ^２）Ｖｏ：海流の流速（ｍ／ｓ）Ｃｐ：ベッツの限界値ベッツの限界値は海流の中に直接、変換効率１００％の
水車をおいた場合、水車の海流に垂直な断面を通過する
海流エネルギーを水車の回転エネルギーに変換される割
合で１６／２７と言われる。いま、Ｓ＝１０ｍ^２Ｖｏ＝２ｍ／ｓＣｐ＝１６／２７と設定すると理論出力はＱ＝２３．７ｋＷにな
る。最大出力は理論出力に水車と発電機の変換効率を乗じた
ものになる。

【０００９】（ロ）の円筒型の導管の中に、水車をおい
た場合。理論出力は次ぎのように計算される。Ｑ＝１／２・Ｓ・Ｖｏ^３ここで、Ｑ：理論出力（ｋＷ）Ｓ：水車の位置における海流に垂直な断面積（ｍ^２）Ｖｏ：海流の流速（ｍ／ｓ）ベッツの限界値は限りなく１に近づき無視できる。い
ま、（イ）と同様に、Ｓ＝１０ｍ^２Ｖｏ＝２ｍ／ｓと設定すると理論出力はＱ＝４０ｋＷにな
る。最大出力は理論出力に水車と発電機の変換効率を乗じた
ものである。

【００１０】（ハ）の圧縮比３０の導管Ａを持つ浮体Ｂ
の中に、水車６をおいた場合。理論出力は次ぎのように
計算される。Ｑ＝１／２・Ｓ・Ｖ^３Ｖ＝ｔ・ＶｏＳｏ＝ｔ・Ｓしたが
ってＱ＝１／２・Ｓ（ｔ・Ｖｏ）^３Ｑ＝１／２・Ｓ・ｔ^３Ｖｏ^３またはＱ＝１／２・Ｓｏ・ｔ^２・Ｖｏ^３［注］ここで、Ｑ：理論出力（ｋＷ）Ｓ：水車６の位置における海流に垂直な断面積（ｍ^２）Ｖ：水車６の位置における海流の流速（ｍ／ｓ）ｔ：圧縮比Ｖｏ：取水口１における海流の流速（ｍ／ｓ）いま、（イ）、（ロ）と同様に、Ｓ＝１０ｍ^２Ｖｏ＝２ｍ／ｓさらにｔ＝３０と設定すると理論出力はＱ＝１，０８０，０００ｋＷにな
る。

【００１１】しかるに、浮体Ｂを海面の近くにおいた場
合、取水口１まで来た海流の大部分は、浮体Ｂの外側を
迂回して船尾に流れ、非常に効率の悪いものになる。と
ころが、浮体Ｂが潜水するにしたがって、取水口１まで
来た海流を導管Ａの中に取り込む割合が増加する。水車
６の回転軸の中心の深度が、水車６の位置における海流
の流速の速度水頭の高さに等しい深度まで浮体Ｂが潜水
した場合、取水口１まで流れて来た海流を導管Ａの中に
１００％取り込み、先の理論出力が成立つことになる。
速度水頭とはベルヌーイの定理（流体力学）に出てくる
概念で、導管の中の流体の速度を水圧の高さで表現した
ものである。その関係式は次ぎの通りである。Ｖ＝ｔ・ＶｏＨ＝Ｖ^２／２・ｇここで、Ｖ：水車６の位置における海流の流速
（ｍ／ｓ）ｔ：圧縮比Ｖｏ：取水口１における海流の流速（ｍ／ｓ）Ｈ：速度水頭（ｍ）ｇ：重力の加速度いま、ｔ＝３０Ｖｏ＝２ｍ／ｓｇ＝９．８と設定すると速度水頭はＨ＝１８４ｍにな
る。したがって、水車６の回転軸の中心の深度が１８４ｍに
なるように浮体Ｂを潜水させる。

【００１２】最大出力は理論出力から次ぎのように計算
される。Ｐ＝ｎ・Ｑここで、Ｐ：最大出力（ｋＷ）ｎ：水車６と発電機Ｃの合成変換効率（％）Ｑ：理論出力（ｋＷ）水車６と発電機Ｃの変換効率は水力発電において使用さ
れるものを利用する。水車の効率は通常８８〜９１％、
発電機の効率は９７％、それらの効率の積は８５〜８８
％である。以下、合成変換効率は８７％で計算する。いま、Ｑ＝１，０８０，０００ｋＷｎ＝８７％を代入すると、最大出力はＰ＝９３９，６００ｋＷにな
る。

【００１３】以上の説明で、海流に垂直な単位面積当り
希薄な海流エネルギーを集約するために、浮体Ｂの構
造、導管Ａの形状、および浮体Ｂの潜水の組合せが如何
に大きな作用をするかが理解できた。浮体Ｂの作用は、
その出力において、（ロ）の円筒型の導管の中に水車を
おいた場合と比較して、水車６の海流に垂直な断面積を
基準にすると導管Ａの圧縮比の３乗倍になる。また、海
流が通過する海流に垂直な断面積を基準にすると圧縮比
の２乗倍になる。（

【００１０】の［注］）

【００１４】

【実施例】本発明には実施例はないが、実在の水力発電
所と、その出力に等しい作用を持つように計算された浮
体Ｂの実施案との比較を検討する。

【００１５】図９の（イ）の水力発電所は神奈川県相模
川水系の城山揚水発電所（稼動中）である。（ロ）は実
施案である。（イ）の水力発電所の電力会社の公表数値使用水量：Ｍｅ＝１９２ｍ^３／
ｓ有効落差：Ｈｅ＝１５３ｍ最大出力：Ｐｅ＝２５０，００
０ｋＷ（ロ）の実施案の設定数値海流の流速：Ｖｏ＝１．５ｍ／ｓ取水口１の海流に垂直な断面積：Ｓｏ＝１２８ｍ^２圧縮比：ｔ＝３６．５以下、（イ）と（ロ）の主要諸元について比較検討す
る。

【００１６】水車の位置における水流の流速は次ぎのよ
うに計算される。（イ）の場合。ここで、Ｖｅ：水車の位置におけるの水流の流速
（ｍ／ｓ）ｇ：重力の加速度Ｈｅ：有効落差（ｍ）いま、ｇ＝９．８Ｈｅ＝１５３ｍを代入すると（イ）の水車の位置における水流の流速はＶｅ＝５４．８ｍ／ｓ（ロ）の場合。Ｖ＝ｔ・Ｖｏここで、Ｖ：水車６の位置における海流の流速
（ｍ／ｓ）ｔ：圧縮比Ｖｏ：取水口１における海流の流速（ｍ／ｓ）いま、ｔ＝３６．５Ｖｏ＝１．５ｍ／ｓを代入すると（ロ）の水車６の位置における海流の流速はＶ＝５４．８ｍ／ｓ（イ）と（ロ）の水車の位置における水流の流速は一致
する。

【００１７】水車の位置の流量は次ぎのように計算され
る。（イ）の場合。公表されている使用水量はＭｅ＝１９２ｍ^３／ｓ（ロ）の場合。Ｓ＝Ｓｏ／ｔＭ＝Ｖ・Ｓここで、Ｓ：水車６の位置における海流に垂直な
断面積（ｍ^２）Ｓｏ：取水口１の海流に垂直な断面積（ｍ^２）ｔ：圧縮比Ｍ：水車６の位置における海流の流量（ｍ^３／ｓ）Ｖ：水車６の位置における海流の流速（ｍ／ｓ）いま、Ｓｏ＝１２８ｍ^２ｔ＝３６．５Ｖ＝５４．８ｍ／ｓを代入すると（ロ）の水車６の位置における流量はＭ＝１９２ｍ^３／ｓとなる。（イ）の公表使用水量と（ロ）の水車６の位置における
海流の流量とは一致する。

【００１８】（イ）の有効落差と（ロ）の水車６の位置
における海流の流速の速度水頭は、次ぎのように計算さ
れる。（イ）の場合。公表されている有効落差はＨｅ＝１５３ｍ（ロ）の場合。Ｈ＝Ｖ^２／２ｇここで、Ｈ：水車６の位置における海流の流速の
速度水頭（ｍ）Ｖ：水車６の位置における海流の流速（ｍ／ｓ）ｇ：重力の加速度いま、Ｖ＝５４．８ｍ／ｓｇ＝９．８を代入すると（ロ）の水車６の位置における海流の流速の速度水頭はＨ＝１５３ｍとなる。（イ）の有効落差と（ロ）の水車６の位置における海流
の流速の速度水頭とは一致する。

【００１９】理論出力は次ぎのように計算される。（イ）の場合。Ｑｅ＝ｇ・Ｈｅ・Ｍｅここで、Ｑｅ：理論出力（ｋＷ）ｇ：重力の加速度Ｈｅ：有効落差Ｍｅ：使用水量いま、ｇ＝９．８Ｈｅ＝１５３ｍＭｅ＝１９２ｍ^３／ｓを代入すると（イ）の理論出力はＱｅ＝２８８，０００ｋＷとなる。（ロ）の場合。Ｑ＝１／２・Ｓｏ・ｔ^２・Ｖｏ^３ここで、Ｑ：理論出力（ｋＷ）Ｓｏ：取水口１の海流に垂直な断面積（ｍ^２）ｔ：圧縮比Ｖｏ：取水口１における海流の流速（ｍ／ｓ）いま、Ｓｏ＝１２８ｍ^２ｔ＝３６．５Ｖｏ＝１．５ｍ／ｓを代入すると（ロ）の理論出力はＱ＝２８８，０００ｋＷとなる。（イ）と（ロ）
の理論出力は一致する。

【００２０】最大出力は次ぎのように計算される。（イ）の場合。公表されている最大出力Ｐｅ＝２５０，０００ｋＷ（ロ）の場合。Ｐ＝ｎ・Ｑここで、Ｐ：最大出力（ｋＷ）ｎ：水車６と発電機Ｃの合成変換効率（％）Ｑ：理論出力（ｋＷ）いま、ｎ＝８７％Ｑ＝２８８，０００ｋＷを代入すると（ロ）の最大出力はＰ＝２５０，０００ｋＷ（イ）と（ロ）の最大出力は一致する。以上の説明で水
力発電との比較において、海流発電潜水船がどのよう
に、具体化されるかが判明した。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載きれるような効果を奏する。

【００２２】浮体Ｂの資源、海流エネルギーは無限に近
い。例えば、黒潮は沖縄から房総半島まで１，５００ｋ
ｍ，幅１００〜２００ｋｍ，深さ１，０００ｍにわたっ
て流れ、その中心部は、幅６０〜１００ｋｍ、深さ２０
０ｍで１〜１．５ｍ／ｓの流速があり、中心部から周辺
部へ、また、深さ２００ｍ以上になると、流速は漸減す
る。この黒潮の総流量は６０，０００，０００ｍ^３／ｓ
と言われる。その年間総流量は全国の年間降雨量の３，
０００倍以上である。水力発電では全国降雨量の１０％
も利用出来ず、河川に流れる雨水の落差による位置エネ
ルギーは上流から下流まで１回の利用にとどまる。一
方、海流エネルギーは、上流から下流まで何回でも利用
できる。その利用効率の悪い火力発電でも我国の電力総
需要の２０％を担っている。如何に海流エネルギーが壮
大であるかが理解できる。

【００２３】低速（０．５ｍ／ｓ以下）の海流で高出力
の発電が可能である。表１の（イ）で見られるように
０．２５ｍ／ｓの流速の海流において、２００，０００
ｋｗ以上の発電が可能である。従来の海流発電の提案で
は高出力を求めて高速（１ｍ／ｓ以上）の海流を求め
て、黒潮やメキシコ湾流などに限られたが、０．５ｍ／
ｓ以下の海流となると世界の多くの海流の広範囲の海域
において浮体Ｂの繋留が可能になる。同表（ロ）は現在
の火力発電に匹敵する。また、同表（ハ）のように超高
出力のものも計算上は考えられるが、水車６や発電機Ｃ
などの周辺技術の開発を待たねばならない。

【００２４】低速の海流では浮体Ｂに加わる流れによる
抗力（流体抗力）は少ない。さらに都合の良いことに
は、海流の流速が低速で良いとなると、浮体Ｂに加わる
流体抗力は少ない。流体抗力は海流の流速の２乗に比
例、海流に垂直な断面積（海流の上流から見た投影面
積）に比例するから従来の提案では高速（１ｍ／ｓ以
上）の海流の中に発電システムの構造物を繋留あるいは
設置しようとして非常に大きな流体抗力が考えられ、提
案の挫折の一因にもなった。それに対して、例えば同表
（ハ）においても流体抗力は３１トンである。安全率を
乗じて繋留装置の荷重は１００トンもあれば良いことに
なる。

【００２５】潮汐流や河川も利用できる。潮汐流や大河
の河口の場合のように、水深が１００ｍ未満の海域にお
いても、圧縮比を小さくして対応できる。ただ、潮潮流
では１日に４回の転流があり、浮体Ｂの稼動は１日１０
時間にとどまるが、流速の変化が確実に予測できる。ま
た、陸地に近いと言う利点もある。河川では流砂の問題
がある。

【００２６】公害がない。浮体Ｂの設置は、広大な海洋
から見ると、ほとんど無視できるほどの海域で、深さ１
００ｍ以上の海中である。また、排出物もない。したが
って公害は全く考えられない。荒天の時化からも全く開
放され、長時間の安定した稼動が可能である。また、付
近の海上を航海する船舶にも支障を与えない。

【００２７】現在の大容量発電に比較して初期投資が少
なくて経済的である。海流の立体的な調査がゆきわた
り、浮体Ｂ、水車６および発電機Ｃの開発が進み、海流
の流速や設置海域の水深によって規格品ができると、大
量生産によるコストの大幅な低減を計ることができる。
大容量発電では、年１回の分解整備が要求され、３ヶ月
の運転休止で年間稼働率は７５％になるが、浮体Ｂの場
合は年１回、整備された同規格の浮体Ｂと交換すればよ
く、年間稼働率１００％に近い。浮体Ｂは一般船舶と同
様に、錆、電食、キャビテーション、および船底汚損生
物による被害から免れることはできないが、年間１回の
整備で対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】海流発電潜水船の全体構成の斜視図である。

【図２】浮体の側面図である。

【図３】浮体の平面図である。

【図４】浮体の正面図である。

【図５】中間浮力体の側面図である。

【図６】中間浮力体の平面図である。

【図７】中間浮力体の正面図である。

【図８】浮体の作用を説明する図である。

【図９】水力発電所と海流発電潜水船の実施案との比較
図である。

【符号の説明】

Ａ導管Ｂ浮体Ｃ発電機Ｄ中間浮力体１取水口２排水口３エアタンク４方向舵５ハッチ６水車７海底送電線８係留索巻取機９係留索１０錨Ｓ水車の位置の海流に垂直な断面Ｓｏ取水口の海流に垂直な断面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流速と流向が安定している海流、潮汐
流、または河川の水面に、図１に示すように、流れに直
面する導管Ａと発電機Ｃを持つ浮体Ｂ（海流発電潜水
船）を船首から係留索９と錨１０によって係留し、潜水
させる。導管Ａに流れる海流エネルギーを水車６と発電
機Ｃによって電気エネルギーに変換し、海底送電線７で
陸地に送電する。図２〜図４に示すように、浮体Ｂの船
首全面を取水口１とし、取水口１と船尾の排水口２とを
結ぶ導管Ａのほぼ中央の海流に垂直な断面積は、取水口
１の同断面積の数十分の一に圧縮して、円形にする。そ
こに水車６を装着する。その水車６の位置の海水の流速
は取水口１の海流の流速の数十倍に加速される。しかる
に浮体Ｂが海面近くにあると取水口１まで来た海水は導
管Ａの中に吸込まれずに浮体Ｂの外側を迂回して船尾に
流れる。浮体Ｂの水車６の回転軸の中心の深度が、水車
６の位置における海流の流速の速度水頭（後出）の高さ
に等しい深度まで浮体Ｂを潜水させることによって、取
水口１まで流れてきた海流を導管Ａの中に１００％取り
込むことができる。本発明は浮体Ｂの構造、導管Ａの形
状、および浮体Ｂの潜水の組合せによって、海流エネル
ギーと言う無限の資源を活用、公害のない、経済的にも
採算の合う大容量の電力を得るものである。
【請求項２】水深数百ｍ以上の海域において、浮体Ｂ
を係留する場合には係留索９の海中の重量を軽減するた
めに、図５〜図７に示す中間浮力体Ｄを浮体Ｂから２０
０ｍほど海底よりの係留索９に装着する。中間浮力体Ｄ
には中間浮力体Ｄから錨１０までの係留索９の海中の重
量に等しい浮力があり、装着によって、浮体Ｂの設置可
能海域がより広範囲になる。