JP2011001920A - 潮流発電方式 - Google Patents

Abstract

【課題】潮流に対する受流面積が大きく構造が簡単で大型化しやすく発電効率が良い発電量当たりの建設費の少ない経済的な潮流発電を可能とする。
【解決手段】潮流の流圧で変形する多数の受動可変ピッチの受流翼１を装備した走行ベルト２を潮流とほぼ垂直の方向に潮流中に設置し潮流から推進力を得てエネルギーを吸収し循環走行させ、該走行ベルトで発電機４を駆動し、最小の構成で効率良く発電する。走行ベルトに垂直にかかる力を軽減するためにこれを支える固定ワイア３等を平行して設置する。走行ベルトの走行方向にかかる力を軽減するために走行ベルトからエネルギーを吸収する個所を複数個配置する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、自然エネルギーである海流、潮汐流、波流を含む海水流またはこれと同等の性格を持つ低落差河川流（以下これらを総称して潮流と称する）により発電する方式に関するものである。

自然エネルギーを利用した発電は化石燃料によらない発電方式として地球温暖化防止、公害防止、資源の偏在防止など、その効果は計り知れないものがある。その中でも海流エネルギー、潮汐流エネルギー、波エネルギー等の動的海洋エネルギーは、エネルギー量も大きく利用価値がある。

しかしながら従来の潮流発電方式は商業性のあるレベルでの実用化は容易ではなかった。
現在検討されている方式の多くは水中設置型の水平軸または垂直軸のプロペラによる方法であるが、この方法の問題点として、水中での設置工事、保守が容易ではなく、出力あたりの建設費、運営費が高くなること、水流に対する受流断面積が大きくとれず大出力がとれないことなどの欠点があった。

他の検討されている方式はセールカノピー方法と称されるものであり、一連多数のパラシュートが海流の流れによって広げられ，抗力の差を回転力に変換するものである。
この方式は、潮流に対して大きな断面積が取れないこと、およびプロペラのような揚力型ではなく抗力型であり効率が低いという欠点があった。また潮汐流のように流れの方向が180度変わるときに方向の変化への対応が容易ではないという欠点があった。

他の方式は長大な堤防を建設し潮汐により満潮時の海水を貯え、落差により発電するものであるが、建設費が膨大であり、しかも潮汐落差を利用できる場所も限られているという欠点があった。

特許公開２００５−３５１２０１

近藤俶郎著 「海洋エネルギー利用技術」森下出版 １９９６年

解決しようとする問題点は、潮流発電の設置工事、保守が容易ではないこと、出力あたりの建設費、運営費が高くなること、潮流に対する受流断面積が大きくとれず大出力がとれないこと、エネルギー変換効率が高くとれない点である。

本発明は、多数の受動可変ピッチの受流翼を装備した走行ベルトを潮流とほぼ垂直の方向に設置しエネルギー源である潮流から推進力を得て循環走行させることを最も主要な特徴とする。

本発明の潮流発電方式は、潮流を受ける受流翼は潮流とほぼ垂直な方向にあり、また多数の受流翼は簡単な構造のベルト状に構成されているので受流面積を大きく取れやすく大きな発電量が得られるという利点がある。

また受流翼はカノピー型のような抵抗型ではなくプロペラと同じ揚力型であるので、高効率が実現できるという利点がある。

また各受流翼は受動型の可変ピッチ型であるので、潮流の方向が変化しても潮流によるベルトの推進方向は同一であり、同一方向の循環走行が行われ、安定した動作が実現できるという利点がある。

また本発明の方式の構造は簡単であり設置もしやすく、建設費、保守費を低く抑えられるという利点がある。

図１は潮流発電方式の基本動作を示した上面図および側面図である。 図２は受流翼の角度変化を示した説明図である。 図３は受流翼の角度変化を示した説明図である。 図４は受流翼の形状を示した外観図である。 図５は受流翼の形状を示した外観図である。 図６は受流翼の受ける力を示すベクトル図である。 図７は走行ベルトの垂直力を支持する機構の実施方法を示した外観図である。 図８は走行ベルトの水平力を支持する機構の外観図である。 図９は走行ベルトの水平力を支持する機構の実施方法を示した外観図である。 図１０は走行ベルトの水平力を支持する機構の実施方法を示した外観図である。 図１１は走行ベルトの走行終端部の実施方法を示した外観図である。

多数の受動可変ピッチの受流翼を装備した走行ベルトを潮流とほぼ垂直の方向に設置し潮流からの推進力を得て循環走行させるという目的を最小の構成で効率を損なわずに実現可能とした。

図１は本発明の基本動作を示す１実施例であり、第１図（ａ）は実施例の上面図であり潮流が図の上から下に向かう方向に流れる場合、（ｂ）は同じく上面図であり潮流が図の下から上に向かう方向に流れる場合、（ｃ）は実施例の側面図を示す。

受流翼１は走行ベルト２に装着されおり、走行ベルト２は走行路を維持する回転体２１をめぐって循環走行する。受流翼１は潮流を受けて走行方向に力を受けて走行ベルト２を循環走行させる。走行ベルト２は発電機４を回転させ、受流翼１が潮流から受けたエネルギーで発電する。

受流翼は弾力性を持ちそのピッチ（傾き）潮流の流圧を受けて受動的に変化する。図１(a)は潮流の方向が図の上から下に向かう場合を示し、この場合には受流翼は下方向に力を受けピッチは図のように下側に変化する。この結果受流翼には図の上の部分には右方向、下の部分には左方向に揚力が生じ走行ベルトは時計方向に循環走行する。

図(b)は潮流の方向が図の下から上に向かう場合を示し、この場合には受流翼は上方向に力を受けピッチは図のように上側に変化する。この結果として受流翼には図(a)と同様に図の上の部分には右方向、下の部分には左方向に揚力が生じ走行ベルトは時計方向に循環走行する。

すなわち走行ベルトは潮汐の関係で潮流の方向が逆になっても、その方向とは無関係に常に時計方向に循環走行する。これにより発電機を含む全体システムとして安定した動作が得られる。

図２、図３は潮流の方向と受流翼のピッチの関係を示したものであり、図２では潮流の方向が図の下側に向かっている場合で、受流翼１のピッチは流圧を受けて下側に変化し、その結果左側に揚力を受け、走行ベルト２は左方向に力を受けて走行する。

図３は潮流方向が上に向かっている場合で、受ける揚力および走行方向は同じく左側になり、図２の場合と同じになる。

図４は受流翼を含む走行ベルトの実施例をしめした外観図である。図において受流翼１は走行ベルト２の上下両端の走行チェーン１１に装着され、全体として走行ベルト２を形成する。受流翼１の左端は受流翼支持軸１２に固定されこれを軸としてのピッチ角度を支える。弾性索１３は受流翼１の右端は受流翼１の右端を走行チェーン１１に連結させる。

弾性索１３の変化量は受流翼１のピッチ変化量を決定する。弾性索１３は、その弾性によりピッチ変化量を抑えまたピッチ変化の上限値を与える。

弾性が強いと潮流の流圧により生ずるピッチ変化は小さくなり、弾性が弱いと大きくなる。

また弾性索１３の変化量は上限値を持たせてあり、これにより潮流が過度に大きい場合でも受流翼１のピッチが過度に大きくなることを防止する。

図５は受流翼を含む走行ベルトの他の実施例をしめした外観図である。この実施例ではピッチ変化を与える弾性を受流翼自体に持たせている。図５において受流翼１の左端は剛体の軸１２に固定されている。受流翼１の右端１４の上下は直接走行チェーン１１に接続されている。受流翼１は弾性を持つ材料でできており、潮流の流圧を受けると受ける方向に膨らみ、結果としてピッチが生ずる。このピッチにより図下側においては左方向への揚力が生じ走行ベルトを左方向に走行させる。

図４および図５の実施例において、潮流がない場合には受流翼１は流圧を受けないのでピッチはゼロになり、走行に伴う抵抗は抑制される。これは長い走行チェーンで場所により受ける流圧が異なる場合に、その場所に応じた最適なピッチ角が得られ、余分なピッチにより抵抗が生ずることなくシステム全体としての効率を上げることができる。

本発明によるシステムの定量的発電量例は以下のようになる。
図６は潮流により受流翼に生ずる力を示すためのベクトル図である。図において各パラメータおよび変数を以下のように定める。
Fo : 潮流により受流翼にかかる力
Fa: ベルトにかかる水平力（走行推進力）
Fb: ベルトにかかる垂直力（非走行力）
P: 走行ベルトによる利用可能な時間当たりのエネルギー（発電量）
Vc: 潮流速度
Va: ベルト走行速度
Vd: ベルト走行による等価潮流減速分
So: 実効翼面積
θ: 受流翼のピッチ角度
ρ: 水の重量密度

まず潮流により受流翼にかかる力Foは、
Fo = ρSo (Vc − Vd) ^{2 =} ρSo (Vc − Va sinθ)² ---------- (1)
ここで
Vd = Va sinθ
--------- (2)
走行ベルトがうける走行推進力Faは、
Fa = Fo sinθ =ρSo (Vc − Va sinθ)² sinθ ----------- (3)
走行ベルトが持つ利用可能な時間あたりのエネルギーPは、
P =Va Fa = ρSo Va (Vc −Va sinθ)² sinθ -----------
(4)
ここで
Vd / Vc
= Va sinθ /Vc=k -------------------------- (5)
とすると、

P = ρSo Vc³(1− k)² k ---------- (6)
Pをkで微分してPの最大値を求めると、Pは k = 1/3の時最大となる。
これをPmaxとすると、
Pmax = ρSo Vc³ (1−k)²k =0.148ρSo Vc³ ------------------( 7)
となる。

具体的数値を求めるために、鳴門海峡の地理的データおよび潮流のデータを参考として各パラメータに数値をあてはめて計算すると以下のようになる。
ρ= 1,026 Kg/m³
So = 20,000 m²（往復長さL 2.0Km, ベルト幅H 10m）
Vc = 3.8 m / s
θ = 10 度
とすると、
Pmax =
1,635 MW(約163万KW)
--------------------- (8)
となる。

現実に走行ベルトの走行時に受ける抵抗や各種機械構造の効率を考慮して、総合的な発電効率μを0.5とすると最終発電量Pavは
Pav =μPmax = 817MW (約82万KW)
---------------- (9)
となる。

このような発電量の大きなシステムを実現するためには構造力学的強度が問題となる。
上記のパラメータを適用した場合の走行ベルトにかかる水平力（走行ベルトに平行して加わる力）Faおよび垂直力（走行ベルトに直角に加わる力）Fbは以下のようになる。
Fa = Fo sinθ =ρSo (Vc − Va sinθ)² sinθ = 22,857 ton -----------
(10)
Fb = Fo cosθ =ρSo (Vc −Va sinθ)² cosθ = 129,694 ton
----------- (11)
この力を走行ベルトのみで支えるのは困難である。

以下の実施例では、この力を走行ベルトに平行して張られた固定ワイアで支える。
固定ワイアは吊り橋等にも使用されており、巨大な張力にも耐えられ、多くの構造物に使用されている。

図７は固定ワイアを使用して走行ベルトの垂直力を支える垂直力支持構造の実施例を示す。

図において大きな張力に耐えられる固定ワイア３は受流翼１および走行チェーン２で構成される走行ベルトに平行して張られている。走行チェーン２は固定フレーム５１にレール支持フレーム５２に固定されたレール５３に沿って走行する。走行チェーン２にかかる垂直力は、レール５３、レール支持フレーム５２、固定フレーム５を介して固定ワイア３に力学的に支持される。この力学的支持は反対方向に走行する走行チェーンに対しても行われる。

レール５３は走行チェーン２の走行に対して摩擦等の抵抗が少ないような材料および構造で作られている。レールと走行チェーンの間には水の膜が作られるので、摩擦は比較的少ない。更に摩擦を少なくするためには、固定したレールではなく、ローラを介して走行チェーンを支持するなどの構造をとる。

図８，９は固定ワイアを使用して走行ベルトの水平力を支える水平力支持構造の実施例を示す。

基本的には受流翼に生じた水平力は走行ベルトの長さ方向に蓄積されるので、これを複数個所で分割し蓄積量を抑える。蓄積量を抑える方法は、各箇所で水平力を吸収する。水平力は発電をすべきエネルギーの基になるので、これを吸収するということは走行ベルトのエネルギーを吸収し発電するということになる。

図８の実施例では、固定フレーム５１には２つの歯車４１、とひとつの歯車４２が設けられている。固定ワイアを挟んで両方にある歯車４１は走行チェーン１１と噛み合って回転し、両方の歯車４１は中央の歯車４２と噛みあっており、これを回転させる。歯車４２は発電機４３と連結されており、これを回転させ発電する。発電出力は固定ワイアに沿って設けられた電力ケーブルを介して陸上に送られる。この構造を発電ブロックと称する。この発電ブロックは固定ワイアに沿って複数個所に設けられており、水平力を分散し吸収する。その結果走行チェーンに蓄積される水平力は抑制される。

図９の水平力支持構造の実施例では固定フレーム５には歯車４１、４２に加えて歯車４４が設けられている。歯車４４は歯車４２に直結されているが、歯車４４の口径は歯車４２よりも大きく周辺速度は歯車４２よりも大きい。

歯車４４は高速走行チェーン３１と噛みあっており、これを駆動し水平方向に走らせる。
この構造を水平加速ブロックと称する。

高速走行チェーン３１は各水平加速ブロックで走行チェーン１１の水平力とともにエネルギーを吸収する。

高速走行チェーン３１は各水平加速ブロックで吸収されたエネルギーを蓄積し、次に述べるシステムの末端にある発電機４４を駆動する。

この高速走行チェーン３１は、歯車の増速により水平力は小さくなるが、水平速度は大きくなる。また走行ベルトに比べると受流翼はないので、走行方向の断面積は小さくなる。すなわち走行による抵抗は小さい。すなわち低速の走行チェーン３と高速の高速走行チェーン３１を分離することにより、全体の発電効率は改善される。

高速走行チェーンの速度を更に上げる場合には、歯車４２と歯車４３の間に増速機またはギアボックスを設ける。ただしあまり高速にすると走行抵抗が増大するので、システム設計において最適値を選定する。

また高速走行チェーン３１の水中を走る抵抗を低減させるために、歯車４４とともにシステム全体を通じて密閉し内部を空気で満たして水を排除すれば走行抵抗を低減できる。水中の潮流のエネルギーは受流翼１および走行チェーン１１で吸収されるので、もはや高速走行チェーン３１および歯車４３は潮流または水中に晒される必要はない。

図８、９に示す水平力支持構造は、走行チェーン１１の垂直方向の位置を固定ワイアに固定しているので、垂直力支持構造としても働く。

図１０は走行ベルト等の終端部の構造の実施例を示すものである。この構造部は陸の部分にあり、固定ワイア３、走行ベルト２、高速走行チェーン３１の位置を陸に固定する。システム全体における位置はこの後で図１１にて説明する。まず固定ワイア３は陸に建設さえた土台６１に固定され、大きな張力がかかっている固定ワイア３を支える。

走行チェーン２は歯車Ｄ６３で支えられまた回転反転が行われる。この軸には大きな張力がかかるが、これは土台６２と軸上部の構造６５で支えられる。

高速走行チェーン３１は歯車６４で支えられまた回転反転は行われる。この軸は発電機４に連結され、高速走行チェーンを経由した潮流エネルギーにより発電される。この軸には大きな張力がかかるが、歯車６３と同様土台６２と軸上部の構造６５で支えられる。

図１１は全体の構成の実施例を示すものである。図１１(a)は上面図であり、(b)は側面図である。

図において、受流翼１、走行ベルト１１、固定ワイア３は上の各図で説明したものである。図の左端の終端部７は図１０で示した構造物である。

固定ワイア３に沿って、図７で示した垂直力支持構造７４、図９で示した水平力支持構造が固定ワイア３に沿って多数配置され固定されている。これにより走行チェーン１１の垂直方向張力および水平方向張力が軽減される。

更に潮流による固定ワイア３の水平方向の変形や張力負荷を防ぐために支持ワイア７１および吊ワイア７２が設けられている。

固定ワイア３への重力による張力負荷は、各部分の構造物に浮力を持たせることによりほとんどゼロにすることができる。

システム構造のほとんどは水面下に入っており、景観を損なうことはなく、船舶等の航行を妨げることはない。また本実施例においては途中の海底に土台を必要とせず、これを建設する費用が節減できる。

ただし大電力を得るために発電システムを大型化する場合には、固定ワイア等にかかる力学的負荷を軽減するために、途中で海底に土台を建設する必要も生ずる可能性がある。または途中の島を利用して力学的負荷の軽減や建設、保守作業の軽減化を図ることもあり得る。

固定ワイア３、走行チェーン２、高速走行チェーン３１にかかる定量的張力は以下の通りである。
走行チェーン２のにかかる垂直力は
受流翼の受ける垂直力Fbと同じであり、
Fb = Fo cosθ /
2
-------------------------------- (13)
走行チェーン２にかかる水平力（走行方向と平行にかかる力）の全体は受流翼にかかる力の総和Faと同じであり、
Fa = Fo sinθ
------------------------------- (14)
高速走行チェーンにかかる水平力 Frは、
Fr = Fa / λ
ただしλは図９の水平力支持構造の 歯車４３に対する増速比とする。
これらの力は、図７の垂直支持機構、図８，９の水平支持機構により分割される。
図８，９の水平支持機構は垂直支持機構としても働く。
図１１に示す全体の構成図において、水平支持機構の数をNa, 垂直支持機構の数をNb とし、分割された後の走行チェーンにかかる水平力をFad、垂直力をFbdとすると、
Fad = Fa / 2 Na
Fbd = Fb / 2 (Na + Nb )

ここで前記のパラメータを適用し、Na を100、Nbを50, kの値を10 とすると、
Fad = 114,283 Kg （約114 ton）
Fbd = 162,118 Kg （約162 ton）
高速走行チェーンにかかる水平力Frは、
Fr = 2,285. 674 Kg （約 2,286 ton ）
となる。

発電システムの規模およびパラメータの設定によって発電量、各部の力は大きく異なる。
規模を変えた場合の各パラメータ、計算結果を表１に示す。

走行チェーンおよび高速走行チェーンにかかる力は大きいが、これを軽減するにはエネルギー吸収個所を多くすることである。効果的であるのは図８に示す発電機を装備したブロックを多く設置することである。この場合には高速走行チェーンも使わなくて済む。走行チェーンにかかる水平方向の力も発電機の数に反比例して低減される。ただし多数の発電機を装備するための建設費は増える。低コストの発電機を利用できればこの方法の利点は大きい。

ひとつの方法は図８の発電機型と図９の高速走行チェーン型をハイブリッド型として組み合わせることである。全体をブロックに分けて、各ブロック内で他のブロックから独立した高速走行チェーンを走行させ、これでブロック内に設置された発電機を駆動する。各ブロックは比較的小規模に作れるので、高速走行チェーン走行機構、発電機を密閉し水が入らないようにすれば走行抵抗によるエネルギー損失を低減させることができる。

本発明による発電方式は、水以外の他の自然流体のエネルギー利用、例えば風力発電に適用することも可能である。この場合においてもほぼ同じ構造を使用でき、また同様の利点が得られる。

受動的可変ピッチ形の潮流受流翼を装備した走行ベルトを潮流中に循環走行させることによって、簡潔かつ大型に自然エネルギーである潮流から発電する用途に適用できる。

１ 受流翼
２ 走行ベルト
３ 固定支持ワイア
４ 発電機
５ 固定フレーム
７ 終端部
１１ 走行チェーン
１２ 受流翼支持軸
１３ 弾性索
１４ 弾性受流翼
２１ ベルト支持回転体
３１ 高速走行チェーン
４１ 歯車
４２ 歯車
４３ ガイドレール
４４ 歯車Ｃ
４５ 発電機
５２ レール支持フレーム
５３ レール
６１ 土台
６３ 歯車
６４ 歯車
６５ 上部構造
７１ 支持ワイア
７２ 吊ワイア
７３ 水平支持構造
７４ 垂直支持構造

Claims (4)

1. 多数の受動可変ピッチの受流翼を装備した走行ベルトを潮流とほぼ垂直の方向に設置し該走行ベルトをエネルギー源である潮流から推進力を得て循環走行させ発電機を駆動させることを特徴とする潮流発電方式。
2. 請求項１の潮流発電方式において、潮流の流圧により走行ベルトにかかる力を、固定支持機構で支えて、該走行ベルトにかかる力を軽減させることを特徴とする潮流発電方式。
3. 請求項１の潮流発電方式において、走行ベルトと増速機を介して連動し循環走行する高速走行チェーンを設け、該高速走行チェーンで発電機を駆動して発電させることを特徴とする潮流発電方式。
4. 請求項１、２，３の潮流発電方式において、これを潮流を対象とせず風力を対象として発電する風力発電方式。