WO2015059772A1 - 水流エネルギーを利用した発電装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power generation apparatus that is installed in the sea or underwater and is effective for generating electric power by a current in the sea or in the water, in particular, by a flow of tidal current in the sea. is there.
- the sea area ranging from 2 knots to 1 knot is widely distributed from the Seto Inland Sea to Kyushu.
- the shallow water depth is about 40m or less, the land is close, and considering the tidal power generation drive structure adapted to this sea area, the production cost and operation cost are advantageous, and its adoption and utilization are expected in a wide range.
- the propeller type of the windmill As for the drive structure of the tidal current power generator, the propeller type of the windmill, the propeller type of the ship, the Darrieus turbine wheel, the Sabonius turbine wheel, etc. Many things such as a bucket conveyor type have been proposed. Both are at the trial stage because there are advantages and disadvantages to the harsh conditions of the sea, and they are not in practical use.
- Patent Document 1 The following prior art is disclosed in Patent Document 1 as an improved turbine blade type power generator.
- This prior art has a structure in which a plurality of blades are provided uniformly around the entire circumference of the rotating body, and a fluid guide plate is provided for guiding fluid to send fluid to the fluid receiving portion of the blade.
- This prior art is configured such that the blade can be raised in a predetermined angle range by a stopper portion to form a fluid receiving portion, while the blade is tilted in other angle ranges.
- this water turbine blade-type power generation device is unstable in power generation because the fluid cannot always be guided to the fluid receiving portion in the sea where the flow direction of the fluid is reversed or the direction is changed.
- Patent Document 2 a plurality of radial blades are attached to a rotating body, a gear mechanism is used to make a part of the blades perpendicular to the air flow, and the other blade is connected to the air flow.
- a wind turbine is disclosed which is adapted to be parallel to the.
- this prior art blade mounting angle adjusting mechanism is complicated, and when used for many years, it is determined that it is difficult to perform long-term stable operation due to a failure due to the force acting on the blade. Furthermore, it is judged that this blade mounting angle adjustment mechanism has a large energy loss and that it is difficult to generate power efficiently.
- the following tidal current generator drive structure that adapts to the conditions of the target sea area.
- the sea conditions are such that the tidal velocity is 2 knots to 1 knot and the water depth is about minus 40 m to minus 10 m.
- the power generation capacity can support 100 kW, 500 kW, and further 1000 kW, 2000 kW, etc.
- the power generation cost can be minimized. It is expected to have a simple structure that minimizes the manufacturing cost, and that it can respond to changes in the direction of the power flow and reliably generate power without requiring advanced technology and manufacturing accuracy. .
- JP 2012-002220 A Japanese Patent No. 4717966
- the problem to be solved by the present invention is to solve the problems and disadvantages of the conventional power generation apparatus using ocean currents and water currents, and with a simple structure, it can operate reliably with long-term durability, and also tidal currents
- the object is to provide a power generation device that uses water current energy that can automatically respond to changes in the direction of water flow and prevent a decrease in power generation.
- the present invention provides a power generation apparatus suitable for a power generation apparatus that uses a tidal current in a sea area close to land where the water depth is shallow.
- the configuration of the present invention that solves this problem is as follows. (1) Utilizing water energy comprising an installation base fixed in the sea or water, a rotating body rotatably attached to the installation base, and a generator that generates electricity by rotating the rotating body relative to the installation base.
- the rotation axis of the rotating body is set in a vertical direction that is substantially perpendicular to the flow surface of the underwater or underwater water flow installed, and a plurality of mounting frames are mounted radially from the rotating body,
- One end of a flat plate-like pressure receiving plate is rotatably attached to an upper side position of the mounting frame that is eccentric from the rotation axis, and the specific gravity of the pressure receiving plate is made slightly smaller than the specific gravity of seawater or water to be installed.
- the power generated by the pressure receiving plate by tidal current or water flow in the sea or under water, the buoyancy of the pressure receiving plate, and the restraining means can reliably rotate the rotating body to generate power, and
- the angle range in which the pressure receiving plate rotates is a range of 4 ° to 90 ° downward from the surface of the rotation locus around the rotation axis at one end on the mounting side of the pressure receiving plate, and the mass of the pressure receiving plate is Divided by the mass of fresh water with a volume of 4 ° C., the specific gravity of the pressure plate is 0.95 to 0.99 times the specific gravity of the installed seawater or water, and the rotating body rotates on the installation table.
- a power generator using water energy which is a vertical cylinder having a circular cross section provided freely.
- the mounting frame is composed of a plurality of upper and lower horizontal frames and a plurality of vertical frames connecting the upper and lower horizontal frames, and the pressure receiving plate is rotatably mounted by a hinge attached to the upper horizontal frame. Is composed of an upper stopper attached to the upper end of the upper horizontal frame and restraining the upper surface of the pressure receiving plate to be pushed downward, and a lower stopper provided on the lower horizontal frame for preventing the pressure receiving plate from rotating more than 90 °.
- a plurality of pressure receiving plates that are mounted on the upper side of the mounting frame that is mounted radially from the rotating body are capable of receiving pressure from the water flow, gravity / buoyancy of the pressure receiving plate, and pressure receiving lift force by rotation of the pressure receiving plate. receive.
- the rotational phase of the pressure receiving plate is the same as below.
- the phase angle of the mounting frame in which the protruding direction of the mounting frame indicates the upstream direction of the water flow is 0 ° (see “East” in FIG. 6 and “West” in FIG. 11).
- phase angle It refers to the rotation angle from 0 °.
- the pressure receiving plate in a rotational phase (90 ° and 270 °) in which the flow direction of the water flow and the direction of the mounting frame are orthogonal to each other receives a strong receiving pressure from the water flow and acts so that the free end of the pressure receiving plate moves in the downstream direction. (See FIGS. 6 and 11).
- the pressure receiving plate is rotated so that the free end is downward due to the received pressure of the water flow near the orthogonal phase of 90 °, but the pressure receiving plate is pressed by the restraining means (the pressure receiving plate is pressed against the lower stopper of the mounting frame).
- the plate is held substantially vertically, and the strong pressure received from the water flow acting on the pressure receiving plate in this phase causes a high rotational torque to rotate in the forward rotation direction with respect to the rotating body via the mounting frame.
- the pressure receiving plate is urged so that its free end is in the horizontal direction by the strong pressure from the water flow, the buoyancy force, and the pressure lifting force due to rotation, and is horizontally leveled by the restraining means (upper stopper). It is restrained by a light inclination angle where the free end is slightly lowered.
- the force acting on the pressure receiving plate is small by being substantially parallel to the flow direction of the water flow, and the generation of the force that rotates the mounting frame / rotating body in the direction opposite to the normal rotation direction is weak.
- the rotational torque to be rotated in the reverse direction is very small.
- the pressure receiving plate In the range of 135 ° to 225 ° and 315 ° to 0 ° to 45 ° of the intermediate phase, the pressure receiving plate is in a tilted floating state that is neither vertical nor horizontal, the generation of rotational torque is small, and the positive rotation direction There is little generation of torque resistance that hinders the rotation of Therefore, the pressure receiving plate of the present invention is rotated in the positive rotation direction by the strong rotational torque generated at the phase of 45 to 135 °, the mounting frame / rotating body is reliably rotated, and the power generation of the generator is ensured.
- a rotational torque is generated by a strong water pressure at a rotation phase of 45 to 135 ° with respect to the water flow, and the rotating body can reliably rotate to generate electric power.
- the transition of the pressure receiving plate to 90 ° (vertical state) and 270 ° (horizontal state) between the rotation phase of 135 ° to 225 ° and 315 ° to 0 ° to 45 ° is a slight inclination angle due to the upper stopper. It can be done smoothly by the force from the water, buoyancy, and lift by rotation.
- the structure of the rotation mechanism is an extremely simple structure comprising an installation table, a rotating body, a mounting frame, a pressure receiving plate rotatably mounted on the mounting frame, and a stopping means such as an upper stopper and a lower stopper. Therefore, it can be reliably operated with few failures, and can be low-cost and durable.
- FIG. 1 is a perspective view of the first embodiment.
- FIG. 2 is a front view of the first embodiment.
- FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating attachment of the pressure receiving plate according to the first embodiment.
- FIG. 4 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure that gives the buoyancy of the pressure receiving plate of the first embodiment.
- FIG. 5 is an explanatory diagram of a pressure receiving plate mounting structure according to the first embodiment.
- FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the state of the pressure receiving plate with respect to the flow from the east (from the right side) according to the first embodiment.
- FIG. 7 is a view taken in the direction of arrow C in FIG.
- FIG. 8 is a view taken in the direction of arrow A in FIG.
- FIG. 9 is a view taken in the direction of arrow B in FIG.
- FIG. 10 is a plan view illustrating a state of the pressure receiving plate when the tidal current is stopped according to the first embodiment.
- FIG. 11 is a plan view showing a state of the pressure receiving plate when the tidal current of Example 1 is reversed (flow from the west).
- FIG. 12 is an explanatory diagram of the rotating mechanism of the generator according to the first embodiment.
- FIG. 13 is a front view showing Example 2 of 1000 kW power generation.
- FIG. 14 is a perspective view of the second embodiment.
- FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a structure of a horizontal arm according to the second embodiment.
- FIG. 16 is a front view illustrating attachment of the horizontal arm according to the second embodiment.
- FIG. 17 is an explanatory diagram showing dimensions of the power generator of Example 3 of 2000 kW.
- FIG. 18 is a perspective view illustrating the power generation device of the third embodiment.
- the direction of the rotation axis S of the rotating body of the present invention is substantially perpendicular to the direction of the maximum underwater / underwater flow velocity, and the tidal current / water flow direction and the pressure receiving plate are approximately 90 ° of the rotational phase. Make a right angle.
- tidal currents and water currents are often almost parallel to the sea floor and the bottom of the water. Therefore, the axis of rotation of the rotating body is often in a vertical direction perpendicular to the ground of the sea bottom and the bottom of the water.
- a cylindrical type, a truncated cone or a box-shaped box type fixedly installed on the sea bottom or water bottom, and the sea fixed with anchors on the sea bottom or water bottom.
- the rotating body of the present invention is generally a cylindrical body that is rotatable with respect to the installation base, but may be a rotating body with a framework. Those that reduce water resistance are selected.
- the mounting frame of the present invention is a member protruding radially from the rotating body in a substantially horizontal direction parallel to the installation ground. Since a force is applied to the mounting frame from the pressure receiving plate, the mounting frame is composed of a plurality of upper and lower horizontal frames each having one end attached to the rotating body, and a plurality of vertical frames connecting the upper and lower horizontal frames. When the mounting frame rotates, it is preferable that the water resistance is reduced and high strength is retained.
- the pressure receiving plate of the present invention uses a metal plate or a plastic plate which is not easily damaged as the front and back surface materials, and is filled with a foamed resin material or a honeycomb material.
- the specific gravity of the entire pressure plate is such that the ratio to the specific gravity of seawater or water having a specific gravity of 1.00 to 1.05 is slightly smaller than 1.0 and is preferably in the range of 0.95 to 0.99. If the specific gravity is too light, the buoyancy will increase, the leveling force of the pressure receiving plate will become strong, the free end will fall slowly, or the rise will be accelerated, which is not preferable.
- the pressure receiving plate may be a composite plate of a plastic plate and a heavy metal or ceramic that is lighter than seawater / water specific gravity of 1.00 to 1.05.
- the generator according to the present invention is provided in an installation base or a rotating body, is housed in a waterproof space, and has a structure for transmitting the rotational force of the rotating body to the installation base to the generator via the speed increasing gear mechanism. It is common.
- the mounting method of the pressure receiving plate of the present invention on the upper side of the mounting frame may be either a hinge or a pivot, as long as the pressure receiving plate can rotate around the upper side of the mounting frame.
- a lower stopper for locking the free end of the pressure receiving plate in a substantially vertical state is provided at the lower end portion of the mounting frame, and an upper stopper is provided at the upper end of the mounting frame.
- the upper stopper prevents the pressure receiving plate from rotating further upward in a state where the free end of the pressure receiving plate has an angle of inclination (around 5 °) that is slightly lower than the horizontal (becomes 4 ° or more). Structure.
- the angle range in which the pressure receiving plate rotates is preferably in the range of 4 ° to 90 ° downward from the surface H of the rotation locus formed at one end on the mounting side of the pressure receiving plate around the rotation axis S.
- the surface H of the rotation locus (see FIGS. 6 to 8) is a virtual locus surface H formed by rotating the pivot shaft 4f of the hinge 4c around the rotation axis S of the substantially vertical rotating body. (Usually horizontal but not limited to).
- An angle formed downward from the surface H of the rotation locus is referred to as an inclination angle ⁇ .
- the main feature is to make the pressure receiving plate of the waterwheel tilted sideways into a flap type.
- the pressure receiving plate is rotatably mounted on the upper side of the mounting frame that is a frame of the rotary impeller.
- the specific gravity is about 0.999, and it floats slightly.
- the stopping means stops the rotation of the initial angle at a position around 5 degrees so as not to become more than horizontal, and the rotation stops at a position around 90 degrees. In the low speed region where the water flow rate is 0 to 0.5 knots, the generation of force due to the water flow is small, and as shown in FIG.
- the water pressure that hits the surface of the initial angle ⁇ 5 degrees from about 0.8 knots overcomes the buoyancy of the pressure receiving plate, rotates the pressure receiving plate downward, and stops at the locking means of the lower stopper with a tilt angle of 90 degrees. Is perpendicular to the water flow and is subjected to strong water pressure. By transmitting the pressure receiving pressure to the mounting frame, the pressure receiving plate / rotating body rotates continuously. The state is shown in FIGS. The principle of the present invention and the operation of the pressure receiving plate have already been demonstrated to work well in a running water tank test.
- the present invention does not require a special mechanism for changes in the tidal current direction, can be handled only by the flap pressure receiving plate, and can rotate the rotating body in any tidal current direction.
- the southern pressure receiving plate receiving the current flow (flow from the east) is shown in FIG. 10 due to the buoyancy of the pressure receiving plate itself when the tide is stopped. As shown, all are in horizontal phase.
- FIG. 11 when the flow is changed from the west, the surface of the north pressure receiving plate having an initial angle of 5 degrees receives water pressure, and the inclination angle of the pressure receiving plate becomes a right angle, and the pressure receiving plate from the west to the east on the north side. Turning the.
- the south pressure receiving plate since the south pressure receiving plate is in a horizontal phase, the pressure receiving plate does not receive water.
- the rotation direction of the water wheel is always kept constant even if the flow direction changes.
- the impeller rotates on the horizontal axis, and since the support supporting the impeller is upright, deep water depth and fast flow velocity are necessary conditions.
- power generation amount turbine diameter ⁇ (water flow rate / second ) X (efficiency, coefficient)
- the pressure receiving area is a half rotation of the rotation as compared with the propeller system in which the pressure receiving area is the entire circumference of the blade rotation.
- the power generator of the present invention is quite long like an offshore structure, but can be sufficiently realized by careful structural calculation and design of the rotation speed and speed increasing mechanism.
- the structural strength is confirmed by rough structural calculation. For example, as shown in FIG. 13, when the calculation is made with 1000 kW and a turbine diameter of 50 m, a watertight cylinder (fixed) that houses a 1000 kW generator fixed in water is the center of the turbine rotation, and the cylinder (rotating body) diameter is 8 m. Then, a 20 m rotating blade (pressure receiving plate) is attached to a rotating frame (mounting frame) around the cylinder.
- the structure of the rotor blade (pressure plate) is a SUS pipe (JIS standard stainless steel pipe) with a nominal diameter of 100A, and a combined beam whose root cross section is 2.5m in the horizontal direction and 5.0m in the vertical direction is knitted with a truss. The boom.
- the torque generated when a water flow of 2 knots hits a water receiving pressure plate attached to the boom with a rotating hinge is 153,000 kgm. Dividing this torque by the section modulus at the base of the boom gives a stress of approximately 6.5 kg / mm 2 , so the structure is sufficiently stable and safe. However, in order to increase the safety factor, ribs with appropriate shapes are added. It is easy to install.
- the installation table, the rotating body, the rotation speed, the speed increasing mechanism, and the like can be achieved using existing well-known techniques.
- the anchor cable method will be examined for fishing grounds.
- the tidal velocity is estimated at 2.0 knots.
- the posture can be stabilized by appropriately setting the total buoyancy, the weight of the anchor, and the position of the anchor cable as numerical values obtained by calculation.
- Typhoon waves can be stabilized by sinking the entire tidal power generation device to a position of 3.0 m below the low tide level.
- the tsunami countermeasure will be examined separately.
- the seafloor fixing method is easier to stabilize than the anchor cable method.
- Example 1 shown in FIGS. 1 to 12 will be described below.
- 1 and 2 are drawings showing an overview of the first embodiment.
- G1 represents the power generator of the first embodiment.
- reference numeral 1 denotes a fixedly installed on the bottom of the sea.
- the upper part is a watertight cylindrical part, and the lower part is an installation base for a truncated cone.
- Reference numeral 2 denotes a vertical cylindrical rotating body, which is attached to the installation table 1 so as to be rotatable about a rotation axis S (substantially vertical) perpendicular to the ground on which the installation table 1 is installed.
- Reference numeral 3 denotes an attachment frame for the pressure receiving plate 4 attached radially at eight locations from the outer periphery of the rotating body.
- the mounting frame 3 includes three upper and lower horizontal frames 3a extending in the radial direction from eight positions every 45 ° on the outer periphery of the rotating body 2, and a plurality of vertical frames that connect the horizontal frames 3a in the vertical direction. It consists of a frame 3b.
- 4 is a flap type pressure receiving plate rotatably attached to the upper horizontal frame 3a of the attachment frame 3 by a hinge 4c, and has a specific gravity of 0.999.
- 5a is a lower stopper which is a restraining means, and is attached to the lower side member of the lower horizontal frame 3a which restrains the pressure receiving plate 4 in a substantially vertical state of 90 °.
- An upper stopper 5b is a restraining means, and is attached to an upper horizontal frame 3a that restrains the upper surface of the pressure receiving plate 4 by tilting the pressure receiving plate 4 downward by 5 ° from the horizontal.
- Reference numeral 6 denotes a speed increasing mechanism for transmitting the power of the rotating body 2 to the generator 7 with respect to the fixed installation base 1.
- Reference numeral 6 a denotes a ring gear provided on the inner upper portion of the rotating body 2.
- 6b is a spur gear meshing with the ring gear 6a
- 6c is a rotating shaft of the spur gear 6b
- 6d is a belt wheel attached to the rotating shaft 6c
- 6e is a belt wheel attached to the rotating shaft of the generator 7.
- Reference numeral 7 denotes a generator that is operated by a rotational force on the output side of the speed increasing mechanism 6.
- 7a is a submarine cable which stores the power transmission line and the control signal line of the generator 7 and sends them out to land.
- 10 is the bottom of the sea
- F is the tidal current flow
- R is the direction of rotation of the rotating body 2
- ⁇ is the inclination of the pressure receiving plate 4 by the upper stopper 5b, which is set to 5 degrees.
- the black arrow indicates the direction of the force acting on the pressure receiving plate 4.
- the pressure receiving plate 4 of Example 1 has a maximum thickness of 200 mm in a streamlined cross section, and the foamed resin 4d is injected into the SUS thin plates 4a and 4b in which the front and back of 1 mm are integrated to increase the specific gravity. 0.999, lower than seawater.
- FIG. 5 is an explanatory view showing a mounting structure of the pressure receiving plate 4.
- the hinge 4c includes three mounting members 4e and a pivot shaft 4f.
- Example 1 The dimension of each structure of Example 1 is shown.
- the diameter of the rotating body 2 is 2 m and the height is 5 m.
- the outer diameter of the mounting frame 3 is 10 m, the height is 3 m, the length of the pressure receiving plate 4 is 3 m, and the width (depth) is about 3 m.
- the power generation device G1 of the first embodiment is a power generation device installed in a shallow water area 10 having a water depth of about 10 m and in a sea area with a tidal current velocity of 1 knot.
- the pressure receiving plate 4 of the first embodiment By giving the flap type pressure receiving plate 4 of the first embodiment a slight buoyancy (specific gravity 0.999), the pressure receiving plate 4 becomes horizontal by this buoyancy when the flow velocity of the tidal current is small or there is no flow. Rotated in the direction.
- the working flow pressure is small, and when the buoyancy is greater than the pressure receiving pressure F received by the pressure receiving plate 4 due to the flow of tidal current, the free end of the pressure receiving plate 4 is , Float a little upward and then tilt. That is, when the buoyancy is larger than the receiving pressure F, the pressure receiving plate 4 is held at a tilt angle ⁇ of 5 ° from the horizontal by the upper stopper 5b.
- This state is shown in FIG. This state is the state where the pressure received from the tidal current is the smallest, and the rotational torque of the rotating body 2 by the pressure receiving plate 4 is hardly generated, and the generator 7 does not generate power.
- the state of the pressure receiving plate 4 becomes as shown in FIGS.
- a tidal current flows on the upper surface of the inclined pressure receiving plate 4 and pushes the pressure receiving plate 4 downward, and the water pressure is lifted by buoyancy and swiveling of the pressure receiving plate 4.
- the pressure receiving plate 4 is gradually pushed downward to rotate the pressure receiving plate 4 in the vertical direction.
- the pressure receiving plate 4 has a rotation phase of 90 °, the pressure receiving plate 4 is braked by the lower stopper 5a and maintained in a substantially vertical state.
- the pressure receiving plate 4 receives the tidal current almost at right angles and applies a strong force and rotational torque to the mounting frame 3 and the rotating body 2, and these are clockwise (forward rotational direction). Turn to.
- the rotational phase of the pressure receiving plate 4 is close to 180 °, the pressure receiving plate 4 generates lift by the flow velocity of the tidal power, and the pressure receiving plate 4 rotates in the horizontal direction together with the buoyancy.
- the upper stopper 5b is held downward by 5 ° from the horizontal.
- the pressure receiving plate 4 is substantially parallel to the flow of the tidal current, and the resistance of water to the rotation of the pressure receiving plate 4 is minimized.
- the rotating body 2 receives a strong rotational torque with a rotational phase of about 90 ° on the pressure receiving plate 4, and the rotating body 2 can reliably rotate in the clockwise direction (forward rotation direction).
- FIG. 9 shows the pressure receiving plate 4 at a rotational phase of 90 °.
- FIG. 8 shows a state in which the pressure receiving plate 4 is near a rotation phase of 0 °.
- FIG. 7 shows a state in which the pressure phase of the pressure receiving plate 4 is 270 °.
- FIG. 1 shows the state of the pressure receiving plate 4 at each rotational phase.
- a black arrow in FIG. 1 indicates the direction of the force. It shows that the rotational phase works downward near 0 ° and upwards near 180 °.
- FIG. 11 shows the state of the pressure receiving plate 4 in the case of a tidal flow from the west direction with respect to the same power generator G1 of the first embodiment.
- the pressure receiving plate 4 becomes substantially vertical at the 90 ° rotation phase on the north side and receives the maximum pressure as in the flow of the tidal current from the east.
- the pressure receiving plate 4 is in a horizontal state substantially parallel to the tide flow.
- the rotator 2 and the pressure receiving plate 4 are rotated in the clockwise direction in the same manner as the tide in the east direction, and the power can be generated.
- a strong rotational torque can be generated similarly.
- the pressure receiving plate having the flow velocity of 1 knot is equivalent to the pressure receiving plate having a depth of 5 m. It becomes the rotation ability.
- Example 2 The power generation device G2 of Example 2 shown in FIGS. 13 and 14 is an example of 1000 kW output, and is installed on the seabed at a depth of about 28 m.
- the diameter of the rotation locus of the outer end of the pressure receiving plate 4 is 50 m.
- the depth of the pressure receiving plate 4 is about 10 m when the flow velocity of the tidal current is 1 knot, and about 5 m when the flow velocity is 2 knots.
- Reference numerals in FIG. 13 are the same as those in the first embodiment.
- the operational effect of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the output is as large as 1000 kW.
- the speed increasing mechanism 6 of the second embodiment requires a high efficiency.
- the calculation of the output power generation amount is as follows.
- the kW conversion is as follows when the radius is replaced with 1.0 m and n is expressed in units of r ⁇ p ⁇ m.
- Example 3 The third embodiment shown in FIGS. 17 and 18 is an example of a 2000 kW power generation output installed on the seabed at a depth of about 32 m.
- the diameter of the rotation locus of the outer end of the pressure receiving plate 4 is about 80 m.
- the depth of the pressure receiving plate 4 is 12 m for a tidal current with a flow rate of 1 knot, and about 6 m for a tidal current with a flow rate of 2 knots.
- the reference numerals are the same as those in the first embodiment.
- the operational effect of the third embodiment is the same as that of the first embodiment except that the output is a very large output of 2000 kW.
- the speed increasing mechanism 6 needs to be more efficient.
- the target power generation amount and the size of the pressure receiving plate 4 may be set freely according to the flow velocity of the tidal current.
- the present invention mainly generates power from tidal energy at the bottom of the sea, but it can also be installed on a river bed with a large river flow to generate power.
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Abstract
海底面に固定された設置台1に、縦円筒体状の回転体2を回転自在に取付け、回転体2の外周から取付枠3を放射状に取付け、取付枠3の上辺位置に平板状で海水比重より僅か小さく軽く、浮力を生じさせる受圧板4を回動自在に蝶着し、しかも同受圧板4を水平から少し下方の4°から略鉛直の90°の角度範囲に回転を制動するストッパー5b、ストッパー5aを設け、回転体2の回転を増速して発電機7を回動させる。
Description
本発明は、海中又は水中に設置され、海中又は水中にある水流によって、特に海中の潮汐流(ちょうせき、潮の満ち干)の流れによって電力を発生させることに有効な、発電装置に関するものである。
再生可能自然エネルギーの活用は地球的課題であるとしても過言ではない。
水力、風力、太陽光、地熱、バイオ等は、技術的課題は解決されて、世界中で活用されている。しかし、最も期待の大きい海の自然エネルギーの活用は、技術的課題も大きく、いまだ実現の例も少ない。
その中で、潮流発電に関しても多数の試みが世界的にもなされてきたが、いまだ普遍性を持った技術が報告されていない。日本の潮流と水深の分布から、潮流発電を設置する海域を限定して、駆動構造の方式を考えることが必要である。潮流は速いほど良いが、3ノット以上が期待される海域は少ない。2ノットから1ノットの範囲の海域は、瀬戸内海から九州にかけて、広く分布している。水深も浅く40m程度以下であり、陸地も近く、この海域を対象に適応する潮流発電の駆動構造を考えれば、製作コスト、運転コストも有利で、採用、活用も広範囲に期待される。
水力、風力、太陽光、地熱、バイオ等は、技術的課題は解決されて、世界中で活用されている。しかし、最も期待の大きい海の自然エネルギーの活用は、技術的課題も大きく、いまだ実現の例も少ない。
その中で、潮流発電に関しても多数の試みが世界的にもなされてきたが、いまだ普遍性を持った技術が報告されていない。日本の潮流と水深の分布から、潮流発電を設置する海域を限定して、駆動構造の方式を考えることが必要である。潮流は速いほど良いが、3ノット以上が期待される海域は少ない。2ノットから1ノットの範囲の海域は、瀬戸内海から九州にかけて、広く分布している。水深も浅く40m程度以下であり、陸地も近く、この海域を対象に適応する潮流発電の駆動構造を考えれば、製作コスト、運転コストも有利で、採用、活用も広範囲に期待される。
潮流発電装置の駆動構造に関しても、風車のプロペラ式、船のプロペラ式、ダリウス翼車式(Darrieus turbine wheel)、サボニウス翼車式(Sabonius turbine wheel)など、さらに固定翼、クロスフロー、捩れ翼、バケットコンベアー式、等多数のものが提案されている。いずれも、海の過酷な条件に対して、一長一短の理由があるためか、試行の段階であり、実用の域に無い。
製造コスト最小な単純構造として、古来から現在まで活用されてきた地上の水車のモデルがある。しかし、開放型横軸片掛け水車(overshot or undershot water wheel with a horizontal axis in open path)を横に倒して流水中に沈めるとそのままでは回らない。このため、導水板を使って水流を片側だけにかかる様にすれば回転する。これがクロスフロー式であるが、実際の海面での導水板の設置は、固定式でも、可動式でも、コストも過大で、実現していない。
改良された水車羽根型の発電装置として、特許文献1に次のような先行技術が開示されている。この先行技術は、回転体の全周に均等に羽根を複数枚設け、羽根の流体受け部に流体を送るために流体を誘導する流体ガイド板を設ける構造を有している。この先行技術は、羽根を、ストッパ部によって所定角度範囲では立上げ可能にして、流体受け部を形成する一方、それ以外の角度範囲では羽根を倒れるように構成している。しかしながら、この水車羽根型の発電装置は、流体の流れ方向が逆になったり、方向が変る海中では、流体を常時流体受部へ誘導できず、発電が不安定となるものと考えられる。
一方、特許文献2には、回転体に放射状の羽根を複数板取り付け、ギア機構を用いて、その羽根の一部を空気の流れに対して直角にし、その反対側の羽根を、空気の流れに対して平行にするようにした風車が、開示されている。しかしながら、この先行技術の羽根取付角度調整機構は、複雑であり、長年使用すると羽根に作用する力によって故障し、長期安定作動が難しいと判断される。さらに、この羽根取付角度調整機構によってはエネルギー損失が大きく、効率的な発電は難しいと判断される。
現在、対象とする海域の条件に適応する、次のような潮流発電装置の駆動構造の開発が必要とされている。海域の条件は潮流速度が2ノットから1ノット、水深がマイナス40mからマイナス10m程度の海域とする。潮流方向の変化にたいしてはクロスフローの導水板や、プロペラ方式の旋回機構、など特段の機構を必要としないシンプルな構造であること必要とされる。さらに、(1)広範囲に採用され活用されることを図るため、発電容量は100kW、500kW、さらには1000kW,2000kW等に対応できること、(2)最終的には発電コストを最小にすること、すなわち、製造コストが最小となるような単純な構造とし、高度な技術・製造精度を要しないで、潮流の方向の変化に対応できて確実に発電出来るようにすること、が期待されるものである。
本発明が解決しようとする課題は、従来の海流、水流を使った発電装置の構造上の問題点・欠点を解消し、簡単な構造でもって長期間耐久性をもって確実に作動でき、しかも潮汐流・水流の流れの方向の変化に対して自動的に対応して発電力の低下がないようにできる、水流エネルギーを利用した発電装置を提供することにある。特に、水深が浅い陸地に近い海域の潮流を使用した発電装置に適した発電装置を提供する。
かかる課題を解決した本発明の構成は、次のようなものである。
(1)海中又は水中で固定される設置台と、前記設置台に回転自在に取付けた回転体と、前記回転体の前記設置台に対する回転で発電する発電機と、を具備する水流エネルギーを利用した発電装置であって、前記回転体の回転軸線を、設置される海中又は水中の水流の流れ面と略直角となる縦方向に設定し、前記回転体から複数の取付枠を放射状に取付け、前記取付枠の、前記回転軸線から偏心した上辺位置に、平板状の受圧板の一端を回動自在に取り付けるとともに、前記受圧板の比重を、設置される海水又は水の比重より僅か小さくして海・水中で前記受圧板に浮力を発生し得るようにし、前記各受圧板の回動する角度範囲を制限する制止手段を設け、前記発電機の出力電力を有線で前記設置台近くの陸上又は海上あるいは水上船体に送電するようにし、海中又は水中にある潮流又は水流によって前記受圧板に発生する力と、前記受圧板の浮力と、前記制止手段とによって確実に回転体を回動させて発電できるようにし、さらに、前記受圧板の回動する角度範囲が、前記受圧板の取付け側の一端の、前記回転軸線まわりの回転軌跡の面から、下方に4°~90°の範囲であって、前記受圧板の質量をその容積の4℃の真水の質量で割った、前記受圧板の比重を、設置される海水又は水の比重の0.95~0.99倍とし、前記回転体が、前記設置台に回転自在に設けられた断面円形の縦円筒体である、水流エネルギーを利用した発電装置。
(2)取付枠が上下複数本の横フレームと、上下の横フレームを連結する複数本の縦フレームとからなり、受圧板は上方横フレームに取り付けた蝶番によって回動自在に取付けられ、制止手段は上方横フレームの上端に取付けられて受圧板上面を下方に押し下げるように制止する上ストッパーと、受圧板が90°以上に回転しないように抑止する下方横フレームに設けた下ストッパーからなる、前記(1)記載の水流エネルギーを利用した発電装置。
(1)海中又は水中で固定される設置台と、前記設置台に回転自在に取付けた回転体と、前記回転体の前記設置台に対する回転で発電する発電機と、を具備する水流エネルギーを利用した発電装置であって、前記回転体の回転軸線を、設置される海中又は水中の水流の流れ面と略直角となる縦方向に設定し、前記回転体から複数の取付枠を放射状に取付け、前記取付枠の、前記回転軸線から偏心した上辺位置に、平板状の受圧板の一端を回動自在に取り付けるとともに、前記受圧板の比重を、設置される海水又は水の比重より僅か小さくして海・水中で前記受圧板に浮力を発生し得るようにし、前記各受圧板の回動する角度範囲を制限する制止手段を設け、前記発電機の出力電力を有線で前記設置台近くの陸上又は海上あるいは水上船体に送電するようにし、海中又は水中にある潮流又は水流によって前記受圧板に発生する力と、前記受圧板の浮力と、前記制止手段とによって確実に回転体を回動させて発電できるようにし、さらに、前記受圧板の回動する角度範囲が、前記受圧板の取付け側の一端の、前記回転軸線まわりの回転軌跡の面から、下方に4°~90°の範囲であって、前記受圧板の質量をその容積の4℃の真水の質量で割った、前記受圧板の比重を、設置される海水又は水の比重の0.95~0.99倍とし、前記回転体が、前記設置台に回転自在に設けられた断面円形の縦円筒体である、水流エネルギーを利用した発電装置。
(2)取付枠が上下複数本の横フレームと、上下の横フレームを連結する複数本の縦フレームとからなり、受圧板は上方横フレームに取り付けた蝶番によって回動自在に取付けられ、制止手段は上方横フレームの上端に取付けられて受圧板上面を下方に押し下げるように制止する上ストッパーと、受圧板が90°以上に回転しないように抑止する下方横フレームに設けた下ストッパーからなる、前記(1)記載の水流エネルギーを利用した発電装置。
回転体から放射状に取付けた取付枠の上辺に回動自在に取付けた複数の受圧板は、水流からの受圧力と、受圧板の重力・浮力と、受圧板の回転による受圧揚力との力を受ける。しかしながら、本発明によれば、受圧板の回転位相によって、これらの力のバランスを変化させて、回転トルクを常時得るようにすることができる。
ここで、受圧板の回転位相とは、以下同様に、取付枠の突出方向が水流の上流方向を示す取付枠の位相角を0°(図6の「東」、図11の「西」参照。)とし、受圧板が水流の力でその自由端が押し下げられて略鉛直に制止される側に向う方向(以下正回転方向という)に、取付枠・受圧板を回転させたとき、位相角0°からの回転角度のことをさすものとする。
ここで、受圧板の回転位相とは、以下同様に、取付枠の突出方向が水流の上流方向を示す取付枠の位相角を0°(図6の「東」、図11の「西」参照。)とし、受圧板が水流の力でその自由端が押し下げられて略鉛直に制止される側に向う方向(以下正回転方向という)に、取付枠・受圧板を回転させたとき、位相角0°からの回転角度のことをさすものとする。
水流の流れ方向と取付枠の方向とが直交する回転位相(90°及び270°)にある受圧板は、水流から強い受圧力を受け、受圧板の自由端が下流方向に動くように作用する(図6、11参照)。
一方、直交する位相90°付近では受圧板はその水流の受圧力で自由端が下方になるように回動されるが、制止手段によって(取付枠の下ストッパーに受圧板が押し付けられて)受圧板は略鉛直に保持され、この位相での受圧板に作用する水流からの強い受圧力は、取付枠を介して回転体に対して正回転方向に回動させようとする、高い回転トルクを与える。
他方、直交する位相270°前後では、受圧板は水流からの強い受圧力と浮力と回転による受圧揚力によって、その自由端は水平方向になるように付勢され、制止手段(上ストッパー)で水平からやや自由端が低くなる軽い傾斜角で制止される。この位相では、受圧板に作用する力は、水流の流れ方向と略平行になることで小さく、取付枠・回転体を正回転方向と逆方向に回転させる力の発生が弱く、正回転方向と逆方向に回動させようとする回転トルクはきわめて小さい。
一方、直交する位相90°付近では受圧板はその水流の受圧力で自由端が下方になるように回動されるが、制止手段によって(取付枠の下ストッパーに受圧板が押し付けられて)受圧板は略鉛直に保持され、この位相での受圧板に作用する水流からの強い受圧力は、取付枠を介して回転体に対して正回転方向に回動させようとする、高い回転トルクを与える。
他方、直交する位相270°前後では、受圧板は水流からの強い受圧力と浮力と回転による受圧揚力によって、その自由端は水平方向になるように付勢され、制止手段(上ストッパー)で水平からやや自由端が低くなる軽い傾斜角で制止される。この位相では、受圧板に作用する力は、水流の流れ方向と略平行になることで小さく、取付枠・回転体を正回転方向と逆方向に回転させる力の発生が弱く、正回転方向と逆方向に回動させようとする回転トルクはきわめて小さい。
中間の位相の135°~225°及び315°~0°~45°の範囲では、受圧板は鉛直でも又は水平でもない傾いた浮遊状態にあって、回転トルクの発生は小さく、又正回転方向の回転を阻害するトルク抵抗の発生は少ない。
よって、本発明の受圧板は位相45~135°で発生する強い回転トルクによって正回転方向に回動し、取付枠・回転体は確実に回転され、発電機の発電も確保される。
本発明は、水流の流れの方向を変化しても、その水流の流れに対する回転位相45~135°で強い水圧力による回転トルクが発生し確実に回転体は回転できて発電できるものである。
回転位相の135°~225°及び315°~0°~45°の中間における受圧板の回転位相90°(鉛直状態)、270°(水平状態)への移行は、上ストッパーによる僅かな傾斜角による水からの力と、浮力と、回転による揚力とによって円滑に行える。
よって、本発明の受圧板は位相45~135°で発生する強い回転トルクによって正回転方向に回動し、取付枠・回転体は確実に回転され、発電機の発電も確保される。
本発明は、水流の流れの方向を変化しても、その水流の流れに対する回転位相45~135°で強い水圧力による回転トルクが発生し確実に回転体は回転できて発電できるものである。
回転位相の135°~225°及び315°~0°~45°の中間における受圧板の回転位相90°(鉛直状態)、270°(水平状態)への移行は、上ストッパーによる僅かな傾斜角による水からの力と、浮力と、回転による揚力とによって円滑に行える。
本発明によれば、その回転機構の構造は、設置台、回転体、取付枠、同取付枠に回動自在に取付けられる受圧板、上ストッパー・下ストッパー等の制止手段からなる、きわめて簡単なものであるから、故障が少なく、確実に作動でき、しかも低コストで耐久性があるものにできる。
本発明の回転体の回転軸線Sの方向は、設置した海中・水中の最大流速の方向と略直角となるように、且つ潮流・水流の方向と受圧板とがその回転位相の90°で略直角となるようにする。一般に潮流・水流は海底面・水底面に略平行となることが多いので、回転体の回転軸線は設置する海底面・水底面の地面に直角の縦方向となることが多い。
本発明の設置台としては、海底面又は水底面上に固定的に設置される円筒体・切頭円錐体又は箱体の形状の筺体タイプと、海底面又は水底面にアンカーで固定された海中又は水中内のトラス構造体のタイプと、海面・水面上の空中構造体(橋・水中タワー等)から海・水中へ垂設された取付台タイプ、又は、海・水面に浮ぶ係留された浮体・船体から海・水中へ垂設された取付台タイプとがある。
本発明の回転体は、設置台に対して回転自在な円筒体が一般的であるが、骨組作りの回転体でもよい。水の抵抗を少なくするものが選ばれる。
本発明の取付枠は、回転体から設置地面に平行な略水平方向に放射状に突出した部材である。この取付枠には受圧板から力が負荷されるので、取付枠は、回転体に一端が取付けられた上下の複数の横フレームと、上下の横フレームを連結する複数の縦フレームとで構成し、取付枠が回転する際に、水の抵抗を少なく且つ高い強度を保有させることが好ましい。
本発明の受圧板は、表と裏の表面材として傷付きにくい金属板又はプラスチック板を用いるとともに、内部に発泡樹脂材又はハニカム材を充填さる。受圧板全体の比重は、1.00~1.05の比重をもつ海水又は水中の比重に対する比が、1.0より僅か小さく、0.95~0.99の範囲が好ましい。比重が軽くなり過ぎると浮力が大きくなり、受圧板の水平になる力が強くなって、自由端の下降が遅くなり、又は、その上昇が早くなるので好ましくない。受圧板は、海水・水の比重1.00~1.05より軽い、プラスチック板と、重たい金属やセラミックスとの複合板であってもよい。
本発明の発電機は、設置台又は回転体内に設けられ、防水された空間内に収容され、回転体の設置台に対する回転力を、増速ギア機構を介して発電機に伝動させる構造とするのが一般的である。
本発明の受圧板の取付枠の上辺での取付け方法は、蝶番又は枢着いずれでもよく、取付枠の上辺まわりに受圧板が回転できるものであればよい。
本発明の受圧板の制止手段として、取付枠の下端部に受圧板の自由端を略鉛直状態で係止する下ストッパーを設け、取付枠の上端に上ストッパーを設ける。上ストッパーは、受圧板をその自由端が水平より僅か低くなる(4°以上となる)受圧板の傾きの角度(5°前後)を有する状態で、これ以上に上方へ回動しないようにする構造とする。この下ストッパーと上ストッパーの制止手段の他の方法として受圧板の枢支軸においてその回転の角度を制限する方法もある。受圧板の回動する角度範囲は、受圧板の取付け側の一端が回転軸線Sまわりに形成する回転軌跡の面Hから、下方に4°~90°の範囲にあることが好ましい。この回転軌跡の面H(図6~8参照)とは、蝶番4cの枢支軸4fが、略垂直な回転体の回転軸線Sのまわりに、回転して形成される仮想上の軌跡面H(通常は水平であるがこれに限定されない)を指している。回転軌跡の面Hから、下方になす角度を傾角θという。
本発明では、横に倒した水車の受圧板をフラップ式にする事を、最も主要な特徴とする。受圧板は、回転翼車のフレームである取付枠の上辺で、回動自在に取付けられている。その比重を0.999程とし、僅かに浮く様にする。制止手段により、初期角度を5度前後の位置で回転停止して水平以上にならないようにし、90度前後の位置で回転が停止する。水流速が0~0.5ノットの低速域では水流による力の発生が小さく、図10に示すように全受圧板は浮力により略水平になり、水圧をうけないため受圧板は回らない。0.8ノット頃から初期角度θ=5度の面に当たる水圧が、受圧板の浮力に勝って、受圧板を下方へ回転させ、傾角が90度の下ストッパーの係止手段で止まり、受圧板は水流に直角となり強い流水圧を受ける。その受圧力を取付枠に伝えることで、受圧板・回転体は連続回転する。その状態を図1、6、7、9、11に示している。
本発明の原理と受圧板の動作は、既に流水水槽試験にて良好に動作することが実証されている。
本発明の原理と受圧板の動作は、既に流水水槽試験にて良好に動作することが実証されている。
本発明は、潮流方向の変化に対して、特段の機構を必要とせず、フラップ式受圧板だけで対応することができ、いずれの潮流方向でも回転体を回転可能としている。図6,9に示すように、今の流れ(東からの流れ)を受水受圧している南側の受圧板は、潮の満ち干の潮流停止時には、受圧板自体の浮力により、図10に示すように全て水平位相になる。次に、図11に示すように、西からの流れに変わると北側の受圧板の初期角度5度の面が受水受圧して受圧板の傾角が直角となり、北側において西から東へ受圧板を回す。そのとき南側受圧板は水平位相になるので、受圧板は受水受圧しない。これにより、水車の回転方向は流れの方向が変わっても常に一定回転方向に保たれる。
本発明において、潮流速度が2ノットから1ノット、水深がマイナス40mからマイナス10m程度の海域に適応する手段としては、まずプロペラ式やダリウス翼方式がある。何れも翼の揚力を利用する方式であり、発電量が翼直径の2乗・流速の3乗に比例するという理論に基づく方式である。これらの方式では翼車は横軸での回転であって、翼車を支える支柱が直立となるため、深い水深と速い流速が必要条件となる。
これに比して、本発明は浅い水深、低流速の海域に適応する構造とするため、陸上の下掛け水車(undershot water wheel)の近似理論、すなわち発電量=水車直径×(水流量/秒)×(効率、係数)に基き、縦軸横置き水平方向回転の水車に相当する。翼理論の流れ方向に、直角に働く揚力でなく、平行な圧力・抗力を利用する。本発明では、受圧域が翼回転の全周になるプロペラ方式に比べ、受圧域が回転の半周になる。これを補うように、目標発電量に、余裕のある水車の直径、受圧板の寸法を自在に設定することができる。これにより、低い潮流速度や浅い水深などの現実的条件に適応する構造とする事ができる。
これに比して、本発明は浅い水深、低流速の海域に適応する構造とするため、陸上の下掛け水車(undershot water wheel)の近似理論、すなわち発電量=水車直径×(水流量/秒)×(効率、係数)に基き、縦軸横置き水平方向回転の水車に相当する。翼理論の流れ方向に、直角に働く揚力でなく、平行な圧力・抗力を利用する。本発明では、受圧域が翼回転の全周になるプロペラ方式に比べ、受圧域が回転の半周になる。これを補うように、目標発電量に、余裕のある水車の直径、受圧板の寸法を自在に設定することができる。これにより、低い潮流速度や浅い水深などの現実的条件に適応する構造とする事ができる。
次に、目標発電量を達成するための、水車の概算寸法を設定してみる。基本的には、前出の下掛け水車の近似理論に基づく。その他の理論式、余裕、バランス等を考慮して、設定する。1000kWでは、水車直径50mのとき、水車翼幅は、流速1ノットで10m、流速2ノットで5mとなる。2000kWでは、水車直径80mのとき、水車翼幅は、流速1ノットで12m、流速2ノットで6mとなる。100kWでは、水車直径10mのとき、水車翼幅は、流速1ノットで5m、流速2ノットで3mとなる。
上記の如く、本発明の発電装置は、海洋構造物らしくかなり長大なものになるが、慎重な構造計算や、回転数と増速機構の設計を行えば十分実現可能である。
上記の如く、本発明の発電装置は、海洋構造物らしくかなり長大なものになるが、慎重な構造計算や、回転数と増速機構の設計を行えば十分実現可能である。
概略の構造計算により、構造強度を確認する。例えば、図13に示すように、1000kW、水車直径50mで試算すると、水中に固定された1000kWの発電機を内装する水密円筒(固定)を水車回転の中心とし、円筒(回転体)直径を8m、円筒周りの回転枠(取付枠)に20mの回転翼(受圧板)を取り付ける。回転翼(受圧板)の構造を呼び径100AのSUS管(JIS規格のステンレス鋼管)で、根元の断面が水平方向2.5m垂直方向5.0mの組合せ梁をトラスで編んだ、長さ20mのブームとする。このブームに回転ヒンジで取り付けられた受水受圧板に、2ノットの水流が当たって発生するトルクは153,000kgmとなる。
このトルクをブーム根元の断面係数で除すると応力は約6.5kg/mm2となることから、十分安定安全な構造であるが、さらに、安全係数を増すため、適切な形状のリブなどを追加的に設置することは容易である。
設置台、回転体、回転数と増速機構等に関しては既存の周知技術を用いて達成することができる。
このトルクをブーム根元の断面係数で除すると応力は約6.5kg/mm2となることから、十分安定安全な構造であるが、さらに、安全係数を増すため、適切な形状のリブなどを追加的に設置することは容易である。
設置台、回転体、回転数と増速機構等に関しては既存の周知技術を用いて達成することができる。
最後に、潮流・流水中における本発明の発電装置の姿勢安定対策が必要である。漁場を対象としてアンカーケーブル方式を検討する。潮流速は2.0ノットで試算する。1000kW型の概算の寸法、重量を設定して試算した結果、計算により求められる数値の、全体浮力、アンカーの重量、アンカーケーブルの位置を適宜設定することで、姿勢を安定させることができる。
2.0ノット以上の急潮流域では、十分余裕のある対策をとることが必要となる。台風波浪に対しては、潮流発電装置全体を、低潮位以下3.0mの位置に沈めることで安定させられる。津波対策は、別途の検討を行う。海底固定方式はアンカーケーブル式よりさらに安定は容易である。
2.0ノット以上の急潮流域では、十分余裕のある対策をとることが必要となる。台風波浪に対しては、潮流発電装置全体を、低潮位以下3.0mの位置に沈めることで安定させられる。津波対策は、別途の検討を行う。海底固定方式はアンカーケーブル式よりさらに安定は容易である。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
(実施例1)
図1~12に示す実施例1について以下説明する。
図1、2は実施例1の概観を示す図面である。図中G1は実施例1の発電装置を示す。
図1~12に示す実施例1について以下説明する。
図1、2は実施例1の概観を示す図面である。図中G1は実施例1の発電装置を示す。
図1、2中、1は、海底面に固定的に設置される、上方が水密の円筒部で、下方が切頭円錐体の設置台である。2は、縦円筒体状の回転体であって、設置台1が設置された地面と直角となる(略鉛直の)回転軸線Sまわりに回転自在に、設置台1に取付けられている。3は、同回転体の外周から放射状に8個所取付けた受圧板4の取付枠である。この取付枠3は、回転体2の外周の45°毎の8個所の各個所から、半径方向に延びた上下3本の横フレーム3aと、この横フレーム3aを縦方向に連結する複数の縦フレーム3bから構成されている。図1、2中、4は、取付枠3の上方横フレーム3aに、蝶番4cで回動自在に取付けられたフラップ式受圧板であり、比重は0.999である。図1中、5aは、制止手段である下ストッパーであって、受圧板4を90°の略鉛直状態で制止させる下方の横フレーム3aの下辺部材に、取付けられている。5bは、制止手段である上ストッパーであって、受圧板4を水平から5°下方へ傾くようにして受圧板4上面を抑える、上方の横フレーム3aに、取付けられている。6は、固定の設置台1に対する回転体2の回転を、発電機7へ動力伝達する増速機構である。6aは、回転体2の内側上部に設けたリングギアである。6bは、リングギア6aと噛合する平ギア、6cは、平ギア6bの回転軸、6dは、回転軸6cに軸着したベルト車、6eは、発電機7の回転軸に軸着したベルト車、6fは、ベルト車6dとベルト車6eとに架けられたベルトである。7は、増速機構6の出力側の回転力で作動する発電機である。7aは、発電機7の送電線と制御信号線を納めて陸上へ送り出す海中ケーブルである。
図中、10は設置される海底面、Fは潮流の流れ、Rは回転体2の回転方向、θは上ストッパー5bによる受圧板4の傾角で、5度に設定されている。
図中、黒の矢印は受圧板4に働く力の方向を示す。
図中、10は設置される海底面、Fは潮流の流れ、Rは回転体2の回転方向、θは上ストッパー5bによる受圧板4の傾角で、5度に設定されている。
図中、黒の矢印は受圧板4に働く力の方向を示す。
実施例1の受圧板4は、図4に示すように流線形断面で最大厚み200mmであり、1mmの表裏が一体となったSUS薄板4a、4b内に、発泡樹脂4dを注入して比重を海水より低くして0.999としている。図5は受圧板4の取付構造を示す説明図である。蝶番4cは、3個の取付部材4eと枢支軸4fからなっている。
実施例1の各構成の寸法を示す。回転体2の直径は2mで高さは5mであり、取付枠3の外径は10mで高さは3m、受圧板4の長さは3mで、巾(深さ)は3m程である。
実施例1の発電装置G1は、水深約10mの浅い水域の海底面10に設置され、潮流の流速が1ノットの海域での発電装置である。
本実施例1のフラップ式受圧板4に僅かな浮力(比重0.999)を持たせたことで、潮流の流速が小さい場合又は流れがない場合は、この浮力により受圧板4は水平となる方向に回動される。一方、潮流の流水が取付枠3に流れ込んでもその作用流圧は小さく、浮力の方が、潮流の流れによる受圧板4が受ける受圧力Fより、大きい場合には、受圧板4の自由端が、少し上方向に浮くようにして、傾くようになる。すなわち、浮力の方が、受圧力Fに比べて大きい場合は、受圧板4は上ストッパー5bによって水平から5°の傾き角θの状態に保持される。この状態は、図10に示される。この状態は潮流からの受圧力が最も少ない状態であり、受圧板4による回転体2の回転トルクはほとんど発生されず、発電機7は発電しない。
次に、潮流の流速が大きくなると、受圧板4の状態は、図6,7,8,9に示すようになる。受圧板4の回転位相が0°→45°になると、傾いた受圧板4の上面に潮流が流れて、受圧板4を下方へ押し、その水圧力が浮力及び受圧板4の旋回による持ち上げの水圧力(揚力)に勝って、受圧板4を徐々に下方へ押し下げて受圧板4を鉛直方向に回動させる。受圧板4が90°の回転位相では、下ストッパー5aによって制動されて略鉛直状態を保持される。この回転位相(60°~150°)の間受圧板4は潮流を大略直角に受けて、強い力と回転トルクを、取付枠3、回転体2に与え、これらを時計方向(正回転方向)に回動させる。
受圧板4の回転位相180°近くでは、受圧板4は潮力の流速によって揚力を発生し、浮力と併せて受圧板4は水平方向に回動する。回転位相270°では、上ストッパー5bで水平から5°下向きに保持された状態となる。この状態では受圧板4は潮流の流れと略平行になって、受圧板4の回転に対する水の抵抗は最小となる。
以上のように、回転体2は、90°前後の回転位相での強い回転トルクを受圧板4に受けて、回転体2は時計方向(正回転方向)に確実に回転することができる。
受圧板4の回転位相180°近くでは、受圧板4は潮力の流速によって揚力を発生し、浮力と併せて受圧板4は水平方向に回動する。回転位相270°では、上ストッパー5bで水平から5°下向きに保持された状態となる。この状態では受圧板4は潮流の流れと略平行になって、受圧板4の回転に対する水の抵抗は最小となる。
以上のように、回転体2は、90°前後の回転位相での強い回転トルクを受圧板4に受けて、回転体2は時計方向(正回転方向)に確実に回転することができる。
図9は受圧板4の回転位相90°における状態を示す。図8は受圧板4の回転位相0°近くの状態を示す。図7は受圧板4の回転位相270°の状態を示すものである。そして図1に各回転位相での受圧板4の状態を示す。図1中の黒の矢印が力の方向を示す。回転位相0°近くで下向きに、180°近くで上向きに働くことを示している。
上記の実施例1の発電装置G1の流水水槽での実験によれば、流速が0~0.3m/sでは、受圧板4は全て水平状態であり、回転体2は回転しなかった。又、流速が0.4m/sで受圧板4は90°回転位相で鉛直方向になって、回転体2、受圧板4は回転始めた。
図11は、実施例1の同じ発電装置G1に対し、西方向からの潮流れに対する場合の受圧板4の状態を示す。この場合も東方向からの前記潮流の流れと同様に、北側の90°の回転位相で受圧板4は略鉛直となり、最大の受圧力を受ける。南側の270°の回転位相では、潮の流れと略平行になって受圧板4は水平状態となる。これによって、東方向の潮流と同様に回転体2,受圧板4は時計方向に回転され、発電できる状態となる。このように潮流の流れの方向が、東西南北いずれの方向から流入しても、同様に強い回転トルクを発生させられる。
本実施例1において、潮流の流速が2ノットの場合、受圧板4の回転軌跡の外径を10mで深さを3mにすれば、上記流速1ノットの受圧板の深さ5mのものと同等の回転能力となる。
(実施例2)
図13、14に示す実施例2の発電装置G2は、1000kW出力の一例で、水深28m程の海底に設置される。受圧板4の外端の回転軌跡の直径は50mである。受圧板4の深さは、潮流の流速が1ノットの場合は10m程で、流速が2ノットであれば5m程のものとする。図13中の符号は実施例1の符号と共通としている。
実施例2の作用効果は、出力が1000kWと大出力となる他は、前記実施例1と同様である。尚、実施例2の増速機構6には高効率のものが必要となる。
図13、14に示す実施例2の発電装置G2は、1000kW出力の一例で、水深28m程の海底に設置される。受圧板4の外端の回転軌跡の直径は50mである。受圧板4の深さは、潮流の流速が1ノットの場合は10m程で、流速が2ノットであれば5m程のものとする。図13中の符号は実施例1の符号と共通としている。
実施例2の作用効果は、出力が1000kWと大出力となる他は、前記実施例1と同様である。尚、実施例2の増速機構6には高効率のものが必要となる。
その出力発電量の計算は下記の概算となる。
受圧板4が受ける水圧力:F=流体密度×流量×(流速-回転周速)・・・1式
始動時(回転周速0m/s)F=102×(100m2×1.0m/s)×(1.0m/s-0m/s)=10,200kgf
水圧力Fによる始動時最大トルクT=F×圧力中心までの距離15m=153,000kgf・m
kW換算は、半径1.0mに置き換えて、nをr・p・m単位とすると下式となる。
kw=1/975×n×T
=1/975×6.37×153,000=1000kW
尚、回転時は回転周速が0.5m/sとなり、上式1式よりFが1/2となるが、受圧側の他の2受圧板4のFが加算されて、合計では1000kWに必要なトルクTを維持して、連続回転する。
受圧板4が受ける水圧力:F=流体密度×流量×(流速-回転周速)・・・1式
始動時(回転周速0m/s)F=102×(100m2×1.0m/s)×(1.0m/s-0m/s)=10,200kgf
水圧力Fによる始動時最大トルクT=F×圧力中心までの距離15m=153,000kgf・m
kW換算は、半径1.0mに置き換えて、nをr・p・m単位とすると下式となる。
kw=1/975×n×T
=1/975×6.37×153,000=1000kW
尚、回転時は回転周速が0.5m/sとなり、上式1式よりFが1/2となるが、受圧側の他の2受圧板4のFが加算されて、合計では1000kWに必要なトルクTを維持して、連続回転する。
(強度計算)
取付枠3の構造強度の試算:呼び径150A(9.3t、tはJIS規格で管の厚さmm)SUS管の合成梁として計算する。
梁根元の断面が、横2.5m、縦5.0mとして、合成梁の(横方向)断面係数Z=23,235cm3
始動時最大トルクT=最大曲げモーメント(横方向)M=153,000kg・m
梁根元の最大応力M/Z=153,000kgm/23,235cm3=6.5kg/mm2
となることから、十分安全安定した構造となる。尚、梁の流水抵抗を低減するため、150ASUS管を楕円形状に圧縮加工する。圧縮後横方向の断面係数は少し増加するので強度も増加する。更に安全係数を増すため、適切なリブ材等を施すこともできる。
取付枠3の構造強度の試算:呼び径150A(9.3t、tはJIS規格で管の厚さmm)SUS管の合成梁として計算する。
梁根元の断面が、横2.5m、縦5.0mとして、合成梁の(横方向)断面係数Z=23,235cm3
始動時最大トルクT=最大曲げモーメント(横方向)M=153,000kg・m
梁根元の最大応力M/Z=153,000kgm/23,235cm3=6.5kg/mm2
となることから、十分安全安定した構造となる。尚、梁の流水抵抗を低減するため、150ASUS管を楕円形状に圧縮加工する。圧縮後横方向の断面係数は少し増加するので強度も増加する。更に安全係数を増すため、適切なリブ材等を施すこともできる。
(実施例3)
図17,18に示す実施例3は、水深約32mの海底に設置され、2000kW発電出力の一例である。受圧板4の外端の回転軌跡の直径は、80m程である。受圧板4の深さは、流速1ノットの潮流であれば、12mであり、流速2ノットの潮流であれば、6m程とする。符号は実施例1と共通している。実施例3の作用効果は出力が2000kWときわめて大きい大出力となる他は、実施例1と同様である。増速機構6には、更に高効率なものが必要となる。
図17,18に示す実施例3は、水深約32mの海底に設置され、2000kW発電出力の一例である。受圧板4の外端の回転軌跡の直径は、80m程である。受圧板4の深さは、流速1ノットの潮流であれば、12mであり、流速2ノットの潮流であれば、6m程とする。符号は実施例1と共通している。実施例3の作用効果は出力が2000kWときわめて大きい大出力となる他は、実施例1と同様である。増速機構6には、更に高効率なものが必要となる。
(受圧板の寸法の設定)
目標発電量と受圧板4(水車とみなす)の大きさを、潮流の流速に応じて自在に設定するとよい。
目標発電量と受圧板4(水車とみなす)の大きさを、潮流の流速に応じて自在に設定するとよい。
本発明は、主に海底の潮流エネルギーの発電を主とするが、大きな河川の流れがある河床に設置して発電させることもできる。
G1、G2、G3 実施例の発電装置
1 設置台
2 回転体
3 取付枠
3a 横フレーム
3b 縦フレーム
4 受圧板
4a、4b 薄板
4c 蝶番
4d 発泡樹脂
4e 取付部材
4f 枢支軸
5a 下ストッパー
5b 上ストッパー
6 増速機構
6a リングギア
6b 平ギア
6c 回転軸
6d ベルト車
6e ベルト車
6f ベルト
7 発電機
7a 海中ケーブル
10 海底面
F 潮流の流れ方向
H 回転軌跡
R 回転体の回転方向
S 回転軸線
θ 傾角
1 設置台
2 回転体
3 取付枠
3a 横フレーム
3b 縦フレーム
4 受圧板
4a、4b 薄板
4c 蝶番
4d 発泡樹脂
4e 取付部材
4f 枢支軸
5a 下ストッパー
5b 上ストッパー
6 増速機構
6a リングギア
6b 平ギア
6c 回転軸
6d ベルト車
6e ベルト車
6f ベルト
7 発電機
7a 海中ケーブル
10 海底面
F 潮流の流れ方向
H 回転軌跡
R 回転体の回転方向
S 回転軸線
θ 傾角
Claims (2)
- 海中又は水中で固定される設置台(1)と、
前記設置台(1)に回転自在に取付けた回転体(2)と、
前記回転体(2)の前記設置台(1)に対する回転で発電する発電機(7)と、を具備する水流エネルギーを利用した発電装置であって、
前記回転体(2)の回転軸線(S)を、設置される海中又は水中の水流の流れ面と略直角となる縦方向に設定し、
前記回転体(2)から複数の取付枠(3)を放射状に取付け、前記取付枠(3)の、前記回転軸線(S)から偏心した上辺位置に、平板状の受圧板(4)の一端を回動自在に取り付けるとともに、前記受圧板(4)の比重を、設置される海水又は水の比重より僅か小さくして海・水中で前記受圧板(4)に浮力を発生し得るようにし、
前記各受圧板の回動する角度範囲を制限する制止手段(5a、5b)を設け、
前記発電機(7)の出力電力を有線で前記設置台(1)近くの陸上又は海上あるいは水上船体に送電するようにし、海中又は水中にある潮流又は水流によって前記受圧板(4)に発生する力と、前記受圧板(4)の浮力と、前記制止手段(5a、5b)とによって確実に回転体を回動させて発電できるようにし、
さらに、前記受圧板(4)の回動する角度範囲が、前記受圧板(4)の取付け側の一端(4f)の、前記回転軸線(S)まわりの回転軌跡の面(H)から、下方に4°~90°の範囲であって、前記受圧板(4)の質量をその容積の4℃の真水の質量で割った、前記受圧板(4)の比重を、設置される海水又は水の比重の0.95~0.99倍とし、前記回転体(2)が、前記設置台(1)に回転自在に設けられた断面円形の縦円筒体である、水流エネルギーを利用した発電装置。 - 前記取付枠(3)が上下複数本の横フレーム(3a)と、上下の横フレーム(3a)を連結する複数本の縦フレームと(3b)からなり、前記受圧板(4)は上方横フレーム(3a)に取り付けた蝶番(4c)によって回動自在に取付けられ、前記制止手段は上方横フレーム(3a)の上端に取付けられて受圧板上面を下方に押し下げるように制止する上ストッパー(5b)と、前記受圧板(4)が90°以上に回転しないように抑止する下方横フレーム(3a)に設けた下ストッパー(5a)からなる、請求項1記載の水流エネルギーを利用した発電装置。
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PCT/JP2013/078606 WO2015059772A1 (ja) | 2013-10-22 | 2013-10-22 | 水流エネルギーを利用した発電装置 |
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Legal Events
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