(57)【要約】【課題】  流体を利用して行う回転翼方式の発電における規模の拡大は、回転翼の回転半径増に伴う回転翼の構造応力増と回転翼の支持構造の大規模化が制約となる。【解決手段】  回転翼を用いずに、固定部に繋がれた内空状の回転体の流入口から流体を流入させて当該回転体の内部に作用する流体力により当該回転体を流体中に浮かばせながら、流体が当該回転体の流出口から流出する時の推力を利用して当該回転体を回転させてエネルギーを得ることを特徴とし、規模の拡大に伴う構造応力増を抑制し支持構造を簡易化して規模の拡大の制約を緩和する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面が開口し末端が閉じ側面の円周概接線方向の同一周り方向に向いて一つ以上の流出口を有する内空円筒よりなる回転体において、内空円筒の閉じた末端を半球状、円錐状、あるいは角錐状とした回転体。
【請求項２】
請求項１に記載の回転体において、内空円筒の側面ではなく、内空円筒の閉じた末端の半球、円錐、あるいは角錐部分に円周概接線方向の同一周り方向に向いて一つ以上の流出口を設けた回転体。この場合、内空円筒の直管部を無くしても良い。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の回転体において、末端部中央を一部開口させた回転体。
【請求項４】
請求項１から３に記載のいずれかの回転体と、当該回転体と発電部とを連結して当該回転体の回転エネルギーを発電部に伝えるエネルギー伝達部材と、を備えてなる回転装置。
【請求項５】
請求項１から３に記載のいずれかの回転体を用いる発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海流や潮流などの流れを利用して発電を行うための回転装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海流や潮流の流れを利用する発電は、自然エネルギーを利用する発電として脚光をあびており、大型化が図られてきている。
海流や潮流の流体のエネルギーを利用する発電装置は、いずれにおいても流体のエネルギーを回転エネルギーに変換するために回転翼を備えており、回転翼の方式として、一般的なプロペラ型、ループウィング型、対向二枚羽型、あるいはマグロタービン型（非特許文献１）などがある。また、風力発電で用いられている垂直軸のダリウス型、ジャイロミル型、サボニウス型等の利用も提案されている。
【０００３】
流体のエネルギーを受けて回転エネルギーに変換するこれら回転翼は、作用する流体力を確実に受け止めるための所要の強度と剛性を備えなければならない。そのため、回転翼の回転半径を大きくする発電装置の能力規模の拡大に対しては、受け止める流体力増への回転翼における構造力学的な要件が増大し、大型化への制約となっている。その中では、ループウィング型は翼の支持が片梁状とならないので強度面から有利であり大型化を図り易くなっている。
【０００４】
一方、回転翼を安定させて流向に対峙させるためには、回転翼としての必要な回転運動を確保しながら回転翼を支える支柱あるいは支軸が必要となることが一般的である。これらの支持材は、回転翼の規模を大きくする場合は支柱あるいは支軸の規模も大きくなり、それらの設備費が装置全体費用に占める割合も極めて大きなものになることから、大型化への制約となっている。
【０００５】
この回転翼の支持においては、回転翼あるいは発電部を含めた回転翼を流体中に吹き流し風に浮かせるようにして、ロッドあるいはロープを介して固定する方式が流水を利用した発電において用いられていることがある。しかし、この方式を採用するには、回転翼が流体中に浮かべる状態であることが必要であり、そのためには、十分な流速により回転翼が浮遊できる状態とすること、あるいは回転翼に所要の浮力を持たせる構造とすること（（非特許文献１、非特許文献２）が必要となり、利用が十分な流速を確保できる場所に利用が限定されること、あるいは装置として付加的構造が課せられることとなる。
【０００６】
なお、本発明の技術的中心を占める推力を利用した回転に関しては、推力を利用して回転体を回転させる発電装置（特許文献１）および推力を利用した回転体（特許文献２）が既に本出願人により出願されている。本出願は、推力を利用した回転体に関する追加発明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２０１１−２５５６３２
【特許文献２】実用新案登録第３１６９５９２
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】株式会社ノヴァエネルギー製品  ＮＴ−０３０  マグロタービン
【非特許文献２】東芝ニュースリリース「水中浮体方式の海流発電システム」２０１１．１１．２８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする課題は、発電に用いられている回転翼は作用する流体力を確実に受け止めて回転エネルギーに変換するために所要の強度と剛性を備えなければならず、回転翼の回転半径を大きくする発電装置の規模の拡大に対しては、構造上の要求事項増大による大きな制約があることである。
【００１０】
解決しようとする課題は、回転翼の支持を簡易化するために回転翼を流体中に吹き流し風に浮かせるにあたっては、十分な流速により回転翼が浮遊できる状態とすること、あるいは回転翼に所要の浮力を持たせる構造とすることが必要であり、設置環境における制約あるいは付加的構造要求があることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、回転翼を用いておらず、固定部に繋がれた内空状であり末端部が閉じた回転体の前面の流入口から流体を流入させることにより、当該回転体の特に末端部に作用する流体力により当該回転体が固定部から引っ張られた状態で当該回転体を流体中に浮遊させ、流体が当該回転体の側面等にある流出口から流出する時の推力を利用して回転エネルギーを得ることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、前面が開口し末端が閉じ側面の円周概接線方向の同一周り方向に向いて一つ以上の流出口を有する内空円筒よりなる回転体と、当該回転体と発電部とを連結して当該回転体の回転エネルギーを発電部に伝えるエネルギー伝達部材と、を備えてなることを特徴とする。なお、推力を得るために流出口は一方向に開口した筒状の形状を有していなければならない。当該回転体を流体中に配置することにより、当該回転体の前面から流入する流体力を受けて当該回転体は流体中に吹流し風に浮かぶ。当該回転体に流入した流体は当該回転体の側面の円周概接線方向に向いた当該流出口から流出するが、その時に流出方向と反対方向に作用する推力により当該回転体に回転エネルギーを与える。この回転エネルギーがエネルギー伝達部材を介して発電部に伝えられて発電が行われる。当該回転体と当該エネルギー伝達部材との連結は、当該回転体の前面部から末端部に至るどの箇所でも可能である。
【００１３】
前記回転体の構造的配慮に関して、内空円筒の閉じた末端部は、半球状、円錐状、あるいは角錐状とすることにより構造的安定性が増す。また、末端部中央を一部開口させて流体を流出させることにより回転体の回転安定性が増す。また、末端部の半球、円錐、あるいは角錐部分を流出部とすることも可能であり、この場合は内空円筒の直管部を無くすることも可能である。なお、流入口断面より外側に突出する流出部は、流出部の上流側の面に傾斜を設けることにより流体エネルギーを回転力に変換することができる。
【００１４】
なお、本発明の回転体は、風力発電にも用いることが可能であるが、質量の小さな空気を流体とするため吹流し風に浮遊させることよりも、当該回転体の流入口前面において支柱により支持する利用が現実的である。
【発明の効果】
【００１５】
回転翼の場合は、受圧力と回転翼付け根からの距離との積による曲げモーメントが回転翼付け根部分に作用するため、規模の拡大は三次元的な応力増となるが、本発明の内空状の回転体の場合は、規模の拡大への対応の多くは受圧面積増として二次元的な応力増で済むことから、発電装置の規模の拡大に対する構造力学的要求は緩和される。本発明の回転装置において、前記エネルギー伝達部材との連結を前面部で行う場合の回転体では、流体力に対する支持部となる流入口の枠構造において強度剛性面での要求が一番大きくなり、また、流出口の断面構造を確保するための強度剛性およびねじれに対する円筒部の強度剛性を確保する必要がある。しかし、これらの強度剛性への対応を骨組み構造で確保すれば、回転体の他の部分は水密性が確保されれば剛性は特に必要ではないことから、素材としては大部分を剛性の無い材質とすることも可能であり、軽構造とすることが可能である。ただし、回転体の回転エネルギーを発電部に伝えるためのエネルギー伝達部材に応力が集中することを考慮しておく必要がある。
【００１６】
一方、前記エネルギー伝達部材との連結を末端部で行う回転体では末端部の中心に応力が集中するが、末端部における当該連結は片持ち梁状となる回転翼のような曲げモーメントの発生は抑制される。また、当該回転体の流体力に対する構造応力上の課題は、当該回転体の前面部において当該エネルギー伝達部材と補助連結を行うことで改善される。
【００１７】
内空状の回転体に流入する流体力により当該回転体を流体中に吹き流し風に浮かべることができることから、当該回転体を浮遊させるための付加的構造は必要なく、流速に関する設置環境の制約も緩和される。さらに、流体のエネルギーは当該回転体の開口した前面の全面積で取り込まれていることから回転体の回転面積あたりの流体捕捉率は１００％に近い。そのため、本発明による回転面積あたりのエネルギー確保効率は、浮体断面分や翼間通過分の流体を捕捉できず、かつ、流体の側方逸散が生じる浮体式回転翼による場合に比べて高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明における回転体の概要を示す上流面図である。
【図２】本発明における回転体の概要を示す側面図である。
【図３】本発明における回転体の流出部の概要を示す断面図である。
【図４】本発明の回転体における推力作用の概要の説明図である。
【図５】本発明における回転体の末端部の形状に関する説明図である。                                                      （１）末端部を半球状にした場合の側面図である。                                                                    （２）末端部を円錐状にした場合の側面図である。                                                                    （３）末端部を角錐状にした場合の側面図である。
【図６】本発明における回転体の末端部の中心を開口する説明図である。                                                    （１）末端部を半球状にした場合の側面図である。                                                                    （２）末端部を円錐状にした場合の側面図である。                                                                    （３）末端部を半球状あるいは円錐状にした場合の上流投影面図である。                                                （４）末端部を角錐状にした場合の側面図である。                                                                    （５）末端部を角錐状にした場合の上流投影面図である。
【図７】本発明における回転体の前面部にエネルギー伝達部材を備えた回転装置の概要を示す説明図である。
【図８】本発明における回転体の末端部にエネルギー伝達部材を備えた回転装置の概要を示す説明図である。
【図９】本発明における回転体の流出部を回転体末端部の半球に設けた概要を示す説明図である。
【図１０】本発明における回転体の流出部の前面を傾斜面とした概要を示す説明図である。
【図１１】本発明における回転体を風力発電装置に用いる場合の概要を示す断面図である。
【図１２】本発明における回転体を風力発電装置に用いる場合の概要を示す説明図である。                                        （１）風力発電装置の上流面図である。                                                                            （２）風力発電装置のＤ−Ｄ断面投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１および図２は、回転体１を説明する上流面図および側面図であって、前面が流入口２として開口し末端部３が閉じた内空円筒４の側面の流出部５において、円周概接線方向の同一周り方向に向いた一つ以上の流出口６が設けられている。
【００２０】
図３は、回転体１の流出部５における流出口６を説明する断面図であり、図４は、流出口６から流体７が流出する時に作用する推力８の方向と回転体１の回転方向９を説明する図である。流体７が流入口２から流入し流出口６から流出する時に、推力８が回転体１に作用し回転体１が回転する。
【００２１】
図５は、回転体１の末端部３の形状に関する説明図であり、（１）は半球状にした末端部３ａ、（２）は円錐状にした末端部３ｂ、および（３）は角錐状にした末端部３ｃである。末端部３は流体１のエネルギーを受け止める場所であり、回転体１の構造応力上の面から、および流体を捕捉して安定した回転を促すために、末端部の形状に関する配慮は必要なものである。
【００２２】
図６は、回転体１の末端部３の中心の一部における開口部１０の説明図であり、（１）は半球状の末端部３ａに設けた開口部１０ａの側面図、（２）は円錐状の末端部３ｂに設けた開口部１０ｂの側面図、（３）は半球状あるいは円錐状の末端部３ａあるいは末端部３ｂにおける開口部１０ａあるいは開口部１０ｂの上流投影面図である。また、（４）は角錐状の末端部３ｃに設けた開口部１０ｃの側面図、（５）は角錐状の末端部３ｃにおける開口部１０ｃの上流投影面図である。
【００２３】
図７は、回転体１を発電部１１に直接あるいは間接的に装着するためのエネルギー伝達部材１２ａを回転体１の前面部に取り付けた例の概要を示す説明図であり、発電部１１への装着は接続治具１３ａにおいて行う。回転体１の前面部の流入口２の周りで一端を均等間隔で固定した数本のロッド１４ａの他の一端を接続治具１３ａに集結する。回転体１の回転エネルギーがロッド１４ａから接続治具１３ａを介して発電部１１に伝えられる。
【００２４】
図８は、回転体１を発電部１１に直接あるいは間接的に装着するためのエネルギー伝達部材１２ｂを回転体１の末端部に取り付けた例の概要を示す説明図である。回転体１の末端の中心部にロッド１４ｂの一端を固定する。ロッド１４ｂの他の一端は発電部１１への装着を行う接続治具１３ｂを備えており、回転体１の回転エネルギーがロッド１４ｂから接続治具１３ｂを介して発電部１１に伝えられる。
【００２５】
図９は、回転体１の流出部５を半球状の末端部３ａに設けた例の概要を示す説明図である。流体７が内空円筒４の側面に限定されずに広範囲から流出できるメリットがある。
【００２６】
図１０は、回転体１の流出部５の上流面を傾斜面１５とした例の概要を示す説明図である。流入口２の断面より外側へ突出した流出部５の上流面を傾斜面１５とすることにより、流出部５の上流面に作用する流体力を回転エネルギーに変換する効果がある。
【００２７】
図１１および図１２は、回転体１を風力発電装置に利用する例の概要を示す説明図である。そのうち、図１１は側方断面図、図１２（１）は上流面図、および図１２（２）はＤ−Ｄ断面からの下流投影図である。回転体１は、半球状の末端部３ａとして内空円筒の直管部を削除し、末端部の開口部は設けていない。回転体１は、末端中心部で発電機１６からのびた回転軸１７に固定され、発電機１６は発電機支持具１８を介して支柱１９および支持台２０により安定支持されている。回転体１の前面部には流入口２の周囲に支持板２１が設けてあり、支柱１９により支えられ風向に対応して回転できるように風向対応回転具２２を備えたリング２３に設置した回転支持具２４と対面して回転体１を支持するようにしてある。
【００２８】
風を受けて、水平回転を許容されて支柱に支えられている回転体１は帆を張る様に末端部３ａを下流に向ける。前面から流入する風は、流出口６から流出する時に回転体１に推力７を及ぼし回転力を与える。末端中央部に回転軸１７が固定され、回転支持具２４により回転を許容された状態で支えられている回転体１から回転力が発電機１６に伝えられて発電が行われる。
【実施例】
【００２９】
前述したいずれかの回転体を用いて海流発電装置として利用する。海中であるので装置規模を大きくする上での水深の制約は無い。海流を受けて、回転体１は流入口２を上流に向ける。海流は流入口２より進入し、内空の回転体１は流体力を内部に受けて安定した吹き流し風に海流の方向に沿って海中に浮く。回転体１の内部に進入した流体７は、流出部５の流出口６から外部へ流出するが、その時に反力として作用する推力８により回転体１が回転する。回転体１からエネルギー伝達部材１２を介して発電部１１に回転エネルギーが伝達されて発電が行われる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の利用は、海流、潮流、河川流、あるいは風を対象として様々な規模において実施することが可能であるが、発電装置の大規模化が比較的容易に可能であり、質量の大きな水を対象とすれば低流速であっても回転体の浮遊が容易となることから、特に海流発電あるいは潮流発電に向いている。海流あるいは潮流は、我が国のような周囲を海洋に取り囲まれている国家においては豊富に利用できる資源であり、再生可能な自然エネルギーである。このことから、本発明は、産業のみならず地球環境保全および社会全体に及ぼす貢献度が高く、利用可能性は極めて大きい。
【符号の説明】
【００３１】
１  回転体
２  流入口
３  末端部
３ａ  半球状末端部
３ｂ  円錐状末端部
３ｃ  角錐状末端部
４  内空円筒
５  流出部
６  流出口
７  流体
８  推力
９  回転方向
１０  開口部（末端部における）
１０ａ  開口部（半球状末端部）
１０ｂ  開口部（円錐状末端部）
１０ｃ  開口部（角錐状末端部）
１１  発電部
１２  エネルギー伝達部材
１２ａ  エネルギー伝達部材（回転体の前面部に固定）
１２ｂ  エネルギー伝達部材（回転体の末端部に固定）
１３  接続治具
１３ａ  接続治具（回転体の前面部に固定）
１３ｂ  接続治具（回転体の末端部に固定）
１４  ロッド
１４ａ  ロッド（回転体の前面部に固定）
１４ｂ  ロッド（回転体の末端部に固定）
１５  傾斜面
１６  発電機
１７  回転軸
１８  発電機支持具
１９  支柱
２０  支持台
２１  支持板
２２  風向対応回転具
２３  リング
２４  回転支持具                                                            
【図１】
2014001653.tif 000003
【図２】
2014001653.tif 000004
【図３】
2014001653.tif 000005
【図４】
2014001653.tif 000006
【図５】
2014001653.tif 000007
【図６】
2014001653.tif 000008
【図７】
2014001653.tif 000009
【図８】
2014001653.tif 000010
【図９】
2014001653.tif 000011
【図１０】
2014001653.tif 000012
【図１１】
2014001653.tif 000013
【図１２】
2014001653.tif 000014