JP5681459B2 - 水流発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、潮流、海流、河川流などの水流エネルギーを利用して発電する水流発電装置に関する。
近年のエネルギー問題や環境問題に鑑みて、石油等の化石エネルギー源に代替し得るクリーンな自然エネルギーを利用する種々の研究がなされている。例えば、自然エネルギーによる発電として、ダムで堰き止めた水の落下エネルギーを利用する水力発電が実施されている。しかし、水力発電を行うには水位差を保つダムを建設する必要があり、多額の建設費が必要となるとともに環境への負荷も大きい。一方、近年、海や河川には大きな水流（潮流、海流、河川流）を生じる場所があることが着目されており、その水流エネルギーを利用して発電を行う浮動性プラントが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−８０９８号公報
水流発電装置は、発電機のロータに連結されたシャフトの先端部に回転翼を固定してなり、それを大きい水流の生じる場所で水中に沈めて使用する。ところが、回転翼が先端部に固定されたシャフトは片持ち梁のように発電機で支持されるため、ロータを支持する軸受に偏った荷重が作用して耐久性がよくない。また、一般的な軸受には、摺動性能や耐摩耗性の観点から潤滑油を供給するための油潤滑装置が必要となるが、その導入及びメンテナンスに費用が掛かる。しかし、前記したように水流発電装置の軸受の支持荷重は大きく、油潤滑装置は不可欠であるのが現状である。
また、特許文献１には、支持アームの一端に発電機が支持され、他端に支持構造物に枢着された浮動性プラントが提案されているが、上述した耐久性やメンテナンス性の向上については解決されていない。
そこで本発明は、耐久性などを向上させながらも油潤滑が不要でメンテナンス性の良い水流発電装置を提供することを目的としている。
本発明に係る水流発電装置は、コイルが設けられた円環状のステータコアを支持するステータと、前記コイルに磁力を作用させる磁石と、前記ステータコアの内周側に配置されて前記磁石を支持するロータ本体部と、前記ロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に設けられた翼支持部と、前記翼支持部から径方向外方に突出する回転翼とを有するロータと、前記ロータ本体部に対向して配置されスラスト方向及びラジアル方向の荷重を支える水潤滑軸受と、エア容積調整装置と、を備え、前記翼支持部は、前記ロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に配置されており、前記ロータは、前記ロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に配置されたフロート部を有し、前記エア容積調整装置は、前記フロート部の内部のエア容積を調整する。
前記構成によれば、ロータがロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に配置されたフロート部を有しているので、ロータのうちロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側の部分に浮力が作用する。これにより、翼支持部がロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に配置された片持ち梁のような構成であっても、その自由端側が垂れ下がるように重力が作用することが緩和される。よって、ロータを支持する軸受に偏った荷重が作用して耐久性が低下することを抑制することができる。そして、このように軸受に偏った荷重が作用することが抑制されることで、潤滑媒体に油ではなく水を利用した軸受を容易に採用することができる。よって、油潤滑装置を不要とすることができ、装置コストを低減できると共にメンテナンス性を向上させることができる。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、耐久性などを向上させながらも油潤滑が不要でメンテナンス性の良い水流発電装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る水流発電装置の外観図である。 図１に示す水流発電装置の側方から見た断面図である。 図２に示す水流発電装置の一部拡大図である。 図２に示す水流発電装置の正面から見た断面図である。 図２に示す水流発電装置の水供給装置を説明する模式図である。 図２に示す水流発電装置のエア給排装置を説明する模式図である。 図２に示す水流発電装置のピッチ角駆動装置を説明する模式図である。 図２に示す水流発電装置の制御系を示すブロック図である。 （ａ）は実施例における流速とトルクとの関係及び流速とピッチ角との関係を示すグラフ、（ｂ）はその場合の流速と出力との関係及び流速と回転数との関係を示すグラフである。 比較例における流速と出力の関係及び流速と回転数との関係を示すグラフである。
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
（水流発電装置１の構成）
図１は本発明の実施形態に係る水流発電装置１の外観図である。図１に示すように、水流発電装置１は、水上に浮かぶ浮体２と、浮体２から水中Ｗに向けて垂下した支柱３と、支柱３の下端に設けられた発電ユニット４と、浮体２の上面に設けられた制御室５とを備えている。発電ユニット４は、支柱３に接続された略円環状のステータ６と、ステータ６の内周側に挿入されたロータ７とを備えており、ロータ７のうちステータ６より前方に突出した部分に回転翼８が取り付けられている。即ち、水流発電装置１は、潮流、海流又は河川流などの水流が回転翼８に当たることでロータ７が回転して発電するものである。
図２は図１に示す水流発電装置１の側方から見た断面図である。図３は図２に示す水流発電装置１の一部拡大図である。図４は図２に示す水流発電装置１の正面から見た断面図である。図２に示すように、支柱３の内部には空間３ａが形成されており、その内部空間３ａが制御室５と発電ユニット４とを連絡する通路の役目を果たしている。支柱３の内部空間３ａには、電線１４、水圧管１５，１６、水流管１７，１８及びエア管１９が収容されており、それらの上端は制御室５（図１参照）に導かれ、それらの下端が固定板３ｄを介して支柱３に固定されている。固定板３ｄより下方の内部空間３ａには、別の固定板３ｅを介して支柱３に固定された旋回用モータ１１が配置されており、旋回用モータ１１の出力軸１１ａは支柱３の底壁３ｂを貫通するように下方に向けて延びている。なお、旋回用モータ１１には、内部空間３ａを通った給電線（図示せず）を介して制御室５から給電される。
支柱３の底壁３ｂの外周部には下方に向けて突出する円筒壁３ｃが設けられている。円筒壁３ｃで囲まれた内部には、ステータ６に固定されたリング状のラックギヤ１３が配置されている。ラックギヤ１３の外周面は円筒壁３ｃの内周面に対して摺動する滑面であり、その内周面は歯面である。旋回用モータ１１の出力軸１１ａの下端部にはピニオンギヤ１２が設けられており、ピニオンギヤ１２の外歯がラックギヤ１３の内歯に噛み合っている。即ち、旋回用モータ１１が駆動されて出力軸１１ａが回転すると、その回転動力はピニオンギヤ１２及びラックギヤ１３を介してステータ６に伝達されて、ステータ６及びロータ７が支柱３の中心を通る鉛直軸線Ｌ１回りに旋回する。
ステータ６は、外筒２１と、内筒２２と、外筒２１と内筒２２とを部分的に接続するスペーサ２３とを備えており、外筒２１と内筒２２との間には環状空間５５が形成されている。その環状空間５５には、電線６１、水圧管６２，６３、水流管６４，６５及びエア管６６の一部分が配置されており、それらの上端が外筒２１に固定されている。そして、それら電線６１、水圧管６２，６３、水流管６４，６５及びエア管６６の夫々の上端が、支柱３にある電線１４、水圧管１５，１６、水流管１７，１８及びエア管１９の夫々の下端に対して、フレキシブルな電線、水圧管、水流管及びエア管（図２で二点鎖線）を介して接続されている。また、スペーサ２３には、周方向に間隔をあけて部分的に穴２３ａ（図３参照）が形成されており、環状空間５５は水中Ｗと連通している。前方からスペーサ２３に向けて流れる水は、その一部がスペーサ２３の穴２３ａを通って環状空間５５に流入するため、スペーサ２３に掛かる水流からの負荷が抑えられると共に、水流が穴２３ａから環状空間５５に出るときに流速が低下するため、電線１４、水圧管１５，１６、水流管１７，１８及びエア管１９に掛かる負荷も抑えられる。
ステータ６の内筒２２の内周側には、ステータコア２５（積層鉄芯）と、そのステータコア２５に巻かれたコイル２６と、ステータコア２５の内周面を覆う防水膜２７とが配設されている。ステータコア２５及びコイル２６は、外筒２１及び内筒２２の前側（図２の左側）に偏って配置されており、ステータコア２５及びコイル２６の側方から見た中心は鉛直軸線Ｌ１から前方（図２の左側）にずれている。ステータ６の内周側には、防水膜２７を介してステータコア２５と対向するようにして、ロータ７の後側部分であるロータ本体部３２が配置されている。即ち、ロータ本体部３２も、外筒２１及び内筒２２の前側（図２の左側）に偏って配置されており、ロータ本体部３２の側方から見た中心は鉛直軸線Ｌ１から前方（図２の左側）にずれている。これにより、内筒２２の内周側で且つロータ本体部３２の後側（図２の右側）には、背面空間５６が形成されている。
そして、内筒２２の後端には、エア空間５１を有する中空半球体２９が接続されており、その中空半球体２９が背面空間５６を後側から閉鎖している。また、内筒２２には環状空間５５と背面空間５６とを連通させるように所々に穴２２ａが形成されており、これにより背面空間５６も水中Ｗと連通している。そして、前述した電線６１、水圧管６２，６３、水流管６４，６５及びエア管６６は、内筒２２を貫通することにより環状空間５５から背面空間５６へと導かれている。
ロータ本体部３２は、コイル２６に磁力を作用させる永久磁石３１が外周に埋設された環状部３２ａと、その環状部３２ａの内周端から前方及び後方に突出する鍔部３２ｂ，３２ｃと、鍔部３２ｂ，３２ｃの前端及び後端にそれぞれ接続されてロータ本体部３２内にエア空間５２を形成する円板部３２ｄ，３２ｅとを備えている。ステータ６には、ロータ７の環状部３２ａ及び鍔部３２ｂに対向してロータ７からのスラスト方向及びラジアル方向の荷重を支えるための第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０が取り付けられている。第２水潤滑軸受４０は、第１水潤滑軸受３９よりも翼支持部３３に近い前側（図２の左側）に配置されている。第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０は、断面四角形状からなる円環状のセラミック部材である。
図３に示すように、水潤滑軸受３９，４０とロータ本体部３２との間の空隙は、上流側で水中Ｗと連通すると共に下流側で背面空間５６と連通している。即ち、水中Ｗから第１水潤滑軸受３９と鍔部３２ｃとの間の隙間に流入した水は、防水膜２７と環状部３２ａとの間の隙間を通り、第２水潤滑軸受４０と鍔部３２ｂとの間の隙間から背面空間５６に流出する。その流出する水は、ロータ７の背後に隠れた背面空間５６を経てから環状空間５５を通って外部に排出される。
第２水潤滑軸受４０のうちラジアル方向の荷重を支えるラジアル面４０ａの面積は、第１水潤滑軸受３９のうちラジアル方向の荷重を支えるラジアル面３９ａの面積よりも大きく、例えば、２〜４倍ほど大きい。但し、第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０の内径及び外径は互いに略同一であり、第２水潤滑軸受４０のうちスラスト方向の荷重を支えるスラスト面４０ｂの面積は、第１水潤滑軸受３９のうちスラスト方向の荷重を支えるスラスト面４０ｂの面積と略同一である。
第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０の下部には、ロータ本体部３２の鍔部３２ｂ，３２ｃに対向するように径方向内方に向けてラジアル面３９ａ，４０ａに開口する水吐出孔３９ｃ，４０ｃが形成されている。第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０の水吐出孔３９ｃ，４０ｃには、水流管６５に接続された水流管６７，６８が連通している。第２水潤滑軸受４０の水吐出口４０ｃに連通する水流管６８は、環状空間５５を通過して配置されている。そして、ロータ７の回転始動時に、水吐出孔３９ｃ，４０ｃから水が吐出されることで、ロータ７が下方から上方に向けて吐出される水で支持される。なお、ラジアル面３９ａ，４０ａに開口する水吐出孔３９ｃ，４０ｃは、第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０の下部にのみ設けてもよいが、上部よりも下部の方が多くなるように分布させてもよい。
第１水潤滑軸受３９には、ロータ本体部３２の環状部３２ａに対向するように水流方向と逆に向けてスラスト面３９ｂに開口する水吐出孔３９ｄが形成されている（第２水潤滑軸受４０には、スラスト面４０ｂに開口する水吐出孔は形成されていない。）。水吐出孔３９ｄは、第１水潤滑軸受３９の全周に均等に分布している。水吐出孔３９ｄには、水流管６４が連通している。即ち、水吐出孔３９ｄから水が吐出されることで、回転翼８に水流が当たってロータ７に生じるスラスト方向の荷重が当該荷重と逆方向に吐出される水で支持される。
図２に示すように、ロータ７は、ロータ本体部３２の回転軸線Ｌ２方向の前側（図２の左側）に設けられた翼支持部３３と、翼支持部３３から径方向外方に突出する回転翼８とを備えている。回転翼８は、ロータ７の回転軸線Ｌ２方向の中央部分（前端を０％、後端を１００％とした場合に、３５〜６０％の範囲）に配置されている。翼支持部３３は、周方向に等間隔をあけて複数（本例では２つ）の翼支持穴３３ｃが形成された円環部３３ａと、円環部３３ａの前端に接続されて円環部３３ａ及び円板部３２ｅとの間でエア空間５３を形成する円板部３３ｂとを備えている。
回転翼８は、基部８ａと、基部８ａから径方向外方に突出するブレード部８ｂと、基部８ａから径方向内方に突出する軸部３５ｃを有している。翼支持穴３３ｃには、回転翼８の基部８ａが径方向に移動せず且つ径方向回りに回転してピッチ角を変更可能なように装着されている。なお、ピッチ角とは、回転軸線Ｌ２に対するブレード部８ｂの翼弦の角度である。即ち、ピッチ角が小さいと、ブレード部８ｂは水流からより多くのエネルギーを取り出し、ピッチ角が大きいと、ブレード部８ｂは水流からより少ないエネルギーを取り出すことになる。
図２及び４に示すように、翼支持部３３のエア空間５３には、水圧シリンダ３７が配置されている。水圧シリンダ３７は、翼支持部３３に固定されたシリンダ本体部３７ａと、シリンダ本体部３７ａから進出／退避するロッド部３７ｂとを備えている。そして、回転翼８の軸部３５ｃには、径方向に直交する方向に突出したレバー部３５ｄが設けられており、水圧シリンダ３７のロッド部３７ｂがレバー部３５ｄに接続されている。
ロータ本体部３２には、そのエア空間５２を通る多流路管７１が固設されている。この多流路管７１は、水圧管６２，６３及びエア管６６に対してスイベルジョイント７０を介して接続されている（なお、スイベルジョイント７０は、回転自在な流体継手として公知のものである。）。多流路管７１には、第１水流路７３、第２水流路７５及びエア流路７７が形成されている。第１水流路７３は、水圧管（図４の二点鎖線）を介して水圧シリンダ３７のヘッド側に連通すると共に、第２水流路７５は、水圧管（図４の二点鎖線）を介して水圧シリンダ３７のキャップ側に連通する。そして、水圧シリンダ３７が第１水流路７３又は第２水流路７５からの水圧で駆動されてロッド部３７ｂが進出／退避することで、回転翼８のピッチ角が変更される。
図２に示すように、ロータ７は、翼支持部３３の回転軸線Ｌ２方向の前側（図２の左側）に設けられたフロート部４３を備えている。フロート部４３は、エア室４５と、エア室４５を画定して且つ翼支持部３３の円板部３３ｂの前面に取り付けられた袋部４４とを有している。そして、翼支持部３３の円板部３３ｂには、フロート部４３のエア室４５に連通するエアノズル４１が固定されており、このエアノズル４１は、エア管（図２の二点鎖線）を介して多流路管７１のエア流路７７（図４参照）と連通している。即ち、フロート部４３は、エアノズル４１によるエアの給排により膨縮可能なエアーバッグである。
フロート部４３は、最も膨らんだ状態において前方に向けて先窄まりの半球状となる。翼支持部３３の前端には、前方に向けて先窄まりとなるように半球状の先端ドーム部４６が固定されており、最も膨らんだ状態でフロート部４３と隙間をあけるように配置されている。この先端ドーム部４６には、部分的に穴４６ａが形成されており、その穴４６ａを介して先端ドーム部４６とフロート部４３の間の隙間が水中Ｗと連通している。よって、フロート部４３の袋部４４が、水中Ｗとエア室４５とを区分けし且つエア室４５の容積を変更しうる可動仕切部材の役目を果たしている。
前記のような水流発電装置１では、前方から流れてくる水がブレード部８ｂに当たってロータ７が回転すると、ロータ７に固定された永久磁石３１がステータコア２５に対して相対回転してコイル２６に起電力が生じ、そのコイル２６に生じた電力が電線１４，６１を介して制御室５（図１参照）に送電される。なお、本実施形態の水流発電装置１では、増速機は設けていない。
図５は図２に示す水流発電装置１の水供給装置８１を説明する模式図である。図３及び５に示すように、第１水潤滑軸受３９及び第２水潤滑軸受４０のラジアル面３９ａ，４０ａの水吐出孔３９ｃ，４０ｃには導水路８３を介して水が供給され、第２水潤滑軸受４０のスラスト面３９ｂの水吐出孔３９ｄには導水路８４を介して水が供給される。これら導水路８３，８４は、前述した水流管１５，１６，６４，６５などから形成されている。水供給装置８１は、各導水路８３，８４に水を供給する水ポンプ８２と、各導水路８３，８４を開閉する電磁開閉弁８５，８６と、水ポンプ８２への水の逆流を防ぐ逆止弁８７，８８とを備えている。なお、水ポンプ８２、電磁開閉弁８５，８６及び逆止弁８７，８８は、制御室５に配置されている。また、回路保護用のリリーフ弁は図示省略している。
図６は図２に示す水流発電装置１のエア給排装置９１を説明する模式図である。図２及び６に示すように、エアノズル４１にはエア路９３を介してエアが給排される。このエア路９３は、前述したエア管１９，６６などから形成されている。エア給排装置９１は、エア路９３にエアを供給するためのエアポンプ９２と、エア路９３を閉鎖状態／給気状態／排気状態に切り換える電磁切換弁９４と、エアポンプ９２へのエアの逆流を防ぐ逆止弁９５とを備えている。なお、エアポンプ９２、電磁切換弁９４及び逆止弁９５は、制御室５に配置されている。また、回路保護用のリリーフ弁は図示省略している。
図７は図２に示す水流発電装置１のピッチ角駆動装置１０１を説明する模式図である。図２及び７に示すように、ピッチ角駆動装置１０１は、回転翼８のピッチ角を変化させるための水圧シリンダ３７と、前述した水圧管１５，１６，６２，６３などから形成されて水圧シリンダ３７に水圧を伝達する水圧路１０３，１０４と、水圧路１０３又は水圧路１０４に水を供給する水圧ポンプ１０２と、水圧路１０３，１０４を閉鎖状態／ロッド側水圧供給状態／キャップ側水圧供給状態に切り換える電磁切換弁１０５と、水圧ポンプ１０２への水の逆流を防ぐ逆止弁１０６とを備えている（なお、回路保護用のリリーフ弁は図示省略している。）。なお、水圧ポンプ１０２、電磁切換弁１０５及び逆止弁１０６は、制御室５に配置されている。また、回路保護用のリリーフ弁は図示省略している。
図８は図２に示す水流発電装置１の制御系を示すブロック図である。図８に示すように、水流発電装置１は、制御室５（図１参照）に配置されたコントローラ１１４を備えている。コントローラ１１４には、ロータ７（図２参照）の回転数を検出する回転数センサ１１１と、ユーザが指令を入力可能な入力装置１１２と、発電ユニット４（図２参照）の周囲の水流の流速を検出可能な流速センサ１１３とが接続されている。また、コントローラ１１４には、前述した水供給装置８１、エア給排装置９１及びピッチ角駆動装置１０１が接続されている。具体的には、コントローラ１１４には、水ポンプ８２、電磁開閉弁８５，８６、エアポンプ９２、電磁切換弁９４、水圧ポンプ１０２及び電磁切換弁１０５（図５〜７参照）が接続されている。コントローラ１１４は、水供給制御部１１５、エア給排制御部１１６及びピッチ角制御部１１７を有している。なお、エア給排装置９１とエア給排制御部１１６とでエア容積調整装置が構成されている。
図３，５及び８に示すように、水供給制御部１１５は、回転数センサ１１１で検出されたロータ７の回転数に応じて水供給装置８１を制御する。具体的には、水供給制御部１１５は、ロータ７の回転始動時（略停止状態にあるロータ７が回転し始めてから所定の回転数になるまでの期間）において、水潤滑軸受３９，４０のラジアル面３９ａ，４０ａの水吐出孔３９ｃ，４０ｃから水を吐出させるように水供給装置８１を制御する。また、水供給制御部１１５は、ロータ７の停止時以外の回転全域において、水潤滑軸受３９のスラスト面３９ｂの水吐出孔３９ｄから水を吐出させるように水供給装置８１を制御する。
図２，６及び８に示すように、エア給排制御部１１６は、入力装置１１２によるユーザ入力又は流速センサ１１３で検出された流速に応じてエア給排装置９１を制御する。具体的には、エア給排制御部１１６は、メンテナンス時等にユーザにより入力装置１１２に排気指令が入力されると、電磁切換弁９４を排気状態に切り換えることでフロート部４３を収縮させて、先端ドーム部４６の内部に水を流入させる。また、エア給排制御部１１６は、後述するように、流速センサ１１３で検出された流速がカットアウト値よりも大きくなって回転翼８がフェザリング状態であるときに、電磁切換弁９４を排気状態に切り換えることでフロート部４３を収縮させて、先端ドーム部４６の内部に水を流入させ、ロータ７を安定的に停止させる。
図２、７及び８に示すように、ピッチ角制御部１１７は、流速センサ１１３で検出された流速に応じてピッチ角駆動装置１０１を制御する。具体的には、ピッチ角制御部１１７は、流速がゼロから所定の低速値までの低速域では、回転翼８が回転しやすいピッチ角となるようにピッチ角駆動装置１０１を制御する。また、ピッチ角制御部１１７は、流速が低速域よりも大きく且つ定格発電量に対応する定格値よりも小さい通常域では、回転翼８がトルク発生効率（発電効率）の最も良いピッチ角となるようにピッチ角駆動装置１０１を制御する。
また、ピッチ角制御部１１７は、流速が前記定格値よりも大きく且つ所定のカットアウト値よりも小さい高速域では、発電出力が定格を超えるのを防止するために、回転翼８のピッチ角を増加させるようにピッチ角駆動装置１０１を制御する。詳細には、ピッチ角制御部１１７は、流速が前記高速域になると、発電出力が定格に収束するように、流速の増加に伴って徐々に回転翼８のピッチ角を増加させるようにピッチ角駆動装置１０１を制御する。
また、ピッチ角制御部１１７は、流速が所定のカットアウト値（前記定格値よりも所定量大きい値）よりも大きくなると、回転翼８のピッチ角を略９０度とするようにピッチ角駆動装置１０１を制御し、回転翼８をフェザリング状態にする。また、それと同時に、エア給排制御部１１６は、流速が前記カットアウト値よりも大きくなると、エア給排装置９１を制御してフロート部４３を収縮させ、先端ドーム部４６内に水を浸入させてロータ７を安定的に停止させる。
（水流発電装置１の作用効果）
以上に説明した構成によれば、ロータ７がロータ本体部３２よりも回転軸線Ｌ２方向の前側に配置されたフロート部４３を有しているので、ロータ７のうちロータ本体部３２よりも回転軸線Ｌ２方向の前側の部分に浮力が作用する。これにより、翼支持部３３がロータ本体部３２よりも回転軸線Ｌ２方向の前側に配置された片持ち梁のような構成であっても、その自由端側が垂れ下がるように重力が作用することが緩和される。よって、ロータ７を支持する軸受３９，４０に偏った荷重が作用して耐久性が低下することを抑制することができる。そして、このように軸受３９，４０に偏った荷重が作用することが抑制されることで、潤滑媒体に油ではなく水を利用した水潤滑軸受３９，４０を容易に採用することができることとなる。よって、複雑なシール構造を要する油潤滑装置が不要となり、装置コストを低減できると共に、海洋等の汚染の恐れもなくメンテナンス性も向上させることができる。
また、第２水潤滑軸受４０のラジアル面４０ａの面積は、第１水潤滑軸受３９のラジアル面３９ａの面積よりも大きいので、回転翼８が設けられた翼支持部３３の荷重を十分に支持することが可能となる。また、水供給制御部１１５は、ロータ７の回転始動時に、水吐出孔３９ｃ，４０ｃからラジアル方向の上方に向けて水を吐出させるように水供給装置８１を制御するので、ロータ７を円滑に始動させることが可能となる。また、水供給制御部１１５は、ロータ７の回転時に、水吐出孔３９ｄから水流の向きと逆向きに水を吐出させるように水供給装置８１を制御するので、回転翼８に水流が当たることでロータ７に生じるスラスト方向の荷重を十分に支持して、ロータの円滑な回転を継続させることが可能となる。
ピッチ角制御部１１７が、流速センサ１１３で検出された流速に応じてピッチ角駆動装置１０１を制御しているので、流速に応じてロータ７の回転数を適宜制御することができ、定格容量の低い発電機でも高流速まで効率良く発電することが可能となる。また、ピッチ角駆動装置１０１には水圧シリンダ３７が用いられているので、油圧シリンダを用いる場合に比べて海洋等の汚染の恐れがないとともに、水潤滑軸受３９，４０と水媒体を共用することができる。
また、フロート部４３の内部のエア容積は調整可能であるので、運転状況に応じてロータ７の前側部分に生じる浮力を調整することができる。また、エア給排制御部１１６は、流速センサ１１３で検出された流速がカットアウト流速（最大流速）よりも大きくなると、フロート部４３を収縮させてロータ７の先端ドーム部４６内に水を浸入させるので、ロータ７の安定した回転停止を促進させることができる。また、入力装置１１２によってもフロート部４３を収縮させることができるので、作業者によるメンテナンス時などにもロータ７を安定して停止させることが可能となる。
（実施例）
図９（ａ）は実施例における流速とトルクとの関係及び流速とピッチ角との関係を示すグラフ、図９（ｂ）はその場合の流速と出力との関係及び流速と回転数との関係を示すグラフである。図９（ａ）（ｂ）に示すように、実施例では、流速が０〜１．５ｍ／ｓの低速域では、回転翼８が回転しやすいようにピッチ角が約８０度の一定値に制御される。また、流速が１．５〜４ｍ／ｓの通常域では、トルク発生効率（発電効率）が良くなるようにピッチ角が約４０度の一定値に制御される（４ｍ／ｓが定格流速）。また、流速が４〜６ｍ／ｓの高速域では、発電出力が定格に収束するように、ピッチ角が約４０から約６０度まで流速の増加に伴って徐々に増加するように可変制御される（６ｍ／ｓがカットアウト流速）。そして、流速が６ｍ／ｓを超えると、ピッチ角が約９０度の一定値に制御される。
（比較例）
図１０は比較例における流速と出力の関係及び流速と回転数との関係を示すグラフである。図１０に示すように、比較例では、ピッチ角を固定（例えば、４０度）としているため、定格流速とカットアウト流速（発電可能な最大流速）とは一致する。そこで、実施例と比較例とを発電範囲が同じ状態で対比できるようにすべく、比較例の定格流速を実施例の最大流速（カットアウト流速）と一致させている。これにより、比較例では、実施例よりも発電定格容量が３倍以上の発電機を用意する必要が生じている。比較例では、流速が０〜６ｍ／ｓの発電域で（６ｍ／ｓが定格流速）、流速の増加に伴って徐々に発電出力が増加している。そして、流速が６ｍ／ｓを超えると、発電機から電気的な負荷を切り離して電流が流れない状態とし、回転翼が自由に回転している状態としている。
（実施例と比較例の対比）
比較例の場合、ピッチ角を固定としているので、定格流速をカットアウト流速（最大流速）と同じにするため、発電定格容量が３倍以上の発電機を用意する必要が生じ、コスト高となる。これに対し、実施例の場合、定格流速を最大流速を小さい値とすることを実現しているので、発電定格容量の小さい発電機でも効率良く高流速まで発電することが可能となっている。また、比較例では、６ｍ／ｓを超えた無負荷運転状態において、電流が流れなくてもコイルには回転数に応じた誘起電圧が生じるため、絶縁破壊を生じないようにケーブルや遮断器等の各電気部品の耐電圧を上げる必要が生じ、コスト高となる。これに対し、実施例では、６ｍ／ｓを超えるとピッチ角を約９０度としたフェザリング状態とするため、回転数が上がらず誘起電圧の発生が防止されるため、各電気部品の耐電圧を上げる必要もない。
なお、前述した実施形態では、フロート部４３の水中Ｗとエア室４５とを区切る可動仕切部材はエアーバッグの袋部４４により構成しているが、エア室と水室とを区切るピストンのようなものを用いてもよい。また、前述した実施形態では、回転翼８のピッチ角が一定の場合に水流の流速の増減につれて増減するパラメータを検出するセンサとして流速センサ１１３を用いているが、流速センサ１１３の代わりに回転数センサ１１１を用いてピッチ角を制御してもよい。その場合には、検出されるロータ回転数が定格発電量に対応する定格回転数を超えようとしたときに、定格回転数に収束するようにピッチ角をフィードバック制御し、その制御によっても定格回転数を超えてしまう場合には、ピッチ角を約９０度にするよう制御すればよい。また、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよい。
なお、本実施の形態に係る水流発電装置は、浮体２に垂下する構成としたが、これに限られず、水底に固定した台座や支柱上に設置されてもよい。
以上のように、本発明に係る水流発電装置は、耐久性などを向上させながらも油潤滑が不要でメンテナンス性の良い水流発電装置を提供することができる優れた効果を有し、潮流、海流又は河川流などの水流による発電に広く適用すると有益である。
１ 水流発電装置
６ ステータ
７ ロータ
８ 回転翼
２６ コイル
３１ 永久磁石
３２ ロータ本体部
３３ 翼支持部
３７ 水圧シリンダ
３９，４０ 水潤滑軸受
３９ａ，４０ａ ラジアル面
３９ｂ スラスト面
３９ｃ，３９ｄ，４０ｃ 水吐出孔
４３ フロート部
４４ 袋部（可動仕切部材）
４５ エア室
８１ 水供給装置
８３，８４ 導水路
９１ エア給排装置（エア容積調整装置）
１０１ ピッチ角駆動装置
１１１ 回転数センサ
１１３ 流速センサ
１１５ 水供給制御部
１１６ エア給排制御部（エア容積調整装置）
１１７ ピッチ角制御部

Claims (11)

  1. コイルが設けられた円環状のステータコアを支持するステータと、
    前記コイルに磁力を作用させる磁石と、前記ステータコアの内周側に配置されて前記磁石を支持するロータ本体部と、前記ロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に設けられた翼支持部と、前記翼支持部から径方向外方に突出する回転翼とを有するロータと、
    前記ロータ本体部に対向して配置され、スラスト方向及びラジアル方向の荷重を支える水潤滑軸受と、
    エア容積調整装置と、を備え、
    前記翼支持部は、前記ロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に配置されており、
    前記ロータは、前記ロータ本体部よりも回転軸線方向の一方側に配置されたフロート部を有し、
    前記エア容積調整装置は、前記フロート部の内部のエア容積を調整する、水流発電装置。
  2. 前記フロート部は、前記翼支持部よりも回転軸線方向の一方側に設けられている、請求項１に記載の水流発電装置。
  3. 前記水潤滑軸受は、第１水潤滑軸受と、前記第１水潤滑軸受と前記翼支持部との間に配置された第２水潤滑軸受とを含み、
    前記第２水潤滑軸受のうちラジアル方向の荷重を支えるラジアル面の面積は、前記第１水潤滑軸受のうちラジアル方向の荷重を支えるラジアル面の面積よりも大きい、請求項１又は２に記載の水流発電装置。
  4. 前記水潤滑軸受の前記ロータ本体部に対向する面に水を導く導水路と、
    前記導水路に水を供給する水供給装置と、
    前記水供給装置の動作を制御する水供給制御装置と、を備えている、請求項１乃至３のいずれかに記載の水流発電装置。
  5. 前記水潤滑軸受は、ラジアル方向の荷重を支えるラジアル面と、前記ロータ本体部に対向するように径方向内方に向けて前記ラジアル面に開口する水吐出孔とを有し、
    前記導水路は、前記水吐出孔に連通し、
    前記水供給制御装置は、前記ロータの回転始動時に前記水吐出孔から水を吐出させるように前記水供給装置を制御する、請求項４に記載の水流発電装置。
  6. 前記水潤滑軸受は、前記回転翼に水流が当たることで前記ロータに生じるスラスト方向の荷重を支えるスラスト面と、前記ロータ本体部に対向するように水流方向と逆に向けて前記スラスト面に開口する水吐出孔と、を有し、
    前記導水路は、前記水吐出孔に連通し、
    前記水供給制御装置は、前記ロータの回転時に前記水吐出孔から水を吐出させる、請求項４に記載の水流発電装置。
  7. 前記回転翼のピッチ角が一定の場合に水流の流速の増減につれて増減するパラメータまたは水流の流速を検出可能なセンサと、
    前記回転翼のピッチ角を変化させるピッチ角駆動装置と、
    前記センサで検出された値に応じて前記ピッチ角駆動装置を制御するピッチ角制御装置と、を備えている、請求項１乃至６のいずれかに記載の水流発電装置。
  8. 前記ピッチ角駆動装置には、水圧シリンダを用いている、請求項７に記載の水流発電装置。
  9. 前記ピッチ角制御装置は、前記センサで検出された値が前記定格値よりも大きく且つ所定のカットアウト値よりも小さいとき、前記ピッチ角駆動制御を制御して発電量を定格発電量とし、前記センサで検出された値が前記カットアウト値よりも大きくなると、前記ピッチ角駆動制御を制御して前記回転翼のピッチ角をフェザリング状態の角度とする、請求項７又は８に記載の水流発電装置。
  10. 前記回転翼のピッチ角が一定の場合に水流の流速の増減につれて増減するパラメータまたは水流の流速を検出可能なセンサをさらに備え、
    前記エア容積調整装置は、前記センサで検出された値が定格発電量に対応する定格値よりも大きい所定のカットアウト値よりも大きくなると、前記エア容積を減少させる、請求項１乃至９のいずれかに記載の水流発電装置。
  11. 前記フロート部は、エア室と、前記エア室を画定し且つ外面が水中に接する可動仕切部材と、を有し、
    前記エア容積調整装置は、前記可動仕切部材を移動させて前記エア室の容積を変更する、請求項１乃至１０のいずれかに記載の水流発電装置。
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