(57)【要約】   【課題】  流速が十分ではない海流であってもその大きなエネルギーを利用し、水力発電に理想的な、あたかもダムからの放水のような水流を作り出し、高効率で安定的に発電を行えるように工夫した海洋発電システムを提供する。  【解決手段】  海上には取水構造体１０の一例として浮力で浮いた海上浮体物があり、その内部に海水を取り込む開口部１２がある。海中には導水管２０があり、海中に空間を確保せしめている。導水管２０の一端は海上浮体物１０に接続されており、取水構造体１０である海上浮体物から取り込んだ海水が海面下の下方に向けて導入される。導水管２０には海水の落下運動または水圧により発電する発電機３０があり、発電を行う。海中には潜水体４０があり、導水管２０の他端から排出される海水を取り込む貯留空間４１が提供される。この潜水体４０に貯留空間４１に取り込まれた海水を排出部５０により潜水体４０外へ排出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海水を取り込む構造体であって、内部に海水を取り込む開口部と、前記開口部を介して取り込んだ海水を内部に流し込む上部導水部とを備えた取水構造体と、
一端が前記取水構造体の前記上部導水部に接続され、前記上部導水部から取り込んだ海水を海面下の下方に向けて導入するための空間を海中に確保せしめる導水管と、
前記導水管に対して取り付けられ、前記導水管中の空間に導入された海水の落下運動または水圧により発電する発電機と、
前記導水管の他端に接続され、前記導水管の他端から排出される海水を取り込む貯留空間を提供する潜水体と、
前記潜水体に取り込まれた海水を前記潜水体外へ排出する排出部を備えた海洋発電システム。
【請求項２】
前記取水構造体が、浮力により海上に浮いた海上浮体物である請求項１に記載の海洋発電システム。
【請求項３】
前記排出部が、シリンダーと、前記シリンダー内をピストン運動するピストン体と、前記シリンダーと前記潜水体の前記貯留空間とを逆流を防止しつつ接続する第１の逆止弁路と、前記シリンダーと前記潜水体外の海中とを逆流を防止しつつ接続する第２の逆止弁路と、前記潜水体の付近を流れる海流の力を受けて前記ピストン体にピストン運動をさせる動力を伝導する動力伝導機構を備え、
前記ピストン体のピストン運動に同期して前記貯留空間内の前記海水を前記シリンダー内に取り込む取り込みフェーズと、前記シリンダー内に取り込まれた前記海水を前記潜水体外の海中に排出する排出フェーズを備えた海水排出ピストンサイクルで稼働するピストンシリンダー式海水排出機構である請求項１に記載の海洋発電システム。
【請求項４】
前記ピストンシリンダー式海水排出機構が並列化されて前記潜水体の周囲に配置され、各々の前記ピストンシリンダー式海水排出機構が、前記ピストンサイクルにて、前記潜水体の貯留空間から前記海水を取り込んで海中へ排出するものである請求項３に記載の海洋発電システム。
【請求項５】
前記上部導水部から前記導水管に落下させる海水量を、前記ピストンシリンダー式海水排出機構の海水排出量に見合う量に制御する海水流量制御部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の海洋発電システム。
【請求項６】
前記排出部が、前記潜水体の前記貯留空間に貯留された海水を前記潜水体外の海中へ汲み上げて放出するポンプ機構と、前記潜水体の付近を流れる海流の力を受けて前記ポンプ機構を駆動する電力を得る潜水体外発電機を備えた、ポンプ式海水排出機構である請求項１に記載の海洋発電システム。
【請求項７】
前記導水管に取り付けられている前記発電機により得られた電力の一部を前記ポンプ式海水排出機構の前記ポンプ機構を駆動する電力として利用する請求項６に記載の海洋発電システム。
【請求項８】
前記ポンプ式海水排出機構が並列化されて前記潜水体の周囲に配置され、各々の前記ポンプ式海水排出機構が、前記潜水体の貯留空間から前記海水を汲み出して潜水体外へ排出するものである請求項６に記載の海洋発電システム。
【請求項９】
前記上部導水部から前記導水管に落下させる海水量を、前記ポンプ式海水排出機構の海水排出量に見合う量に制御する海水流量制御部を備えたことを特徴とする請求項６に記載の海洋発電システム。
【請求項１０】
前記導水管内のうち少なくとも前記発電機が設けられている箇所よりも下側の空間および前記潜水体の貯留空間の双方または少なくとも一方に導通する通気管を設け、システム全体が海水で満たされることを防止せしめることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１１】
前記発電機が、ペルトン型水車またはフランシス型水車を備えた発電機であり、前記導水管中に導入して落下してくる海水を前記発電機に当てることにより発電するものである請求項１から９のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１２】
前記導水管の素材としてステンレスワイヤーフレーム内蔵スペクトラ頒布配管を用いたものである請求項１から９のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１３】
海中において海水を落下させるための空間を確保せしめる導水管を立設し、
開口部を介して前記導水管中の空間に導入された海水の落下運動または水圧により発電する発電機を取り付けておき、
前記導水管の下端に接続され、前記導水管から排出される海水を取り込む貯留空間を提供する潜水体を設けておき、
前記潜水体の前記貯留空間にある海水を海中へ放出する排出部を設けておき、
前記開口部から海水を取り込み、前記海水を前記導水管の内部に流し込んで落下させ、前記発電機により発電し、前記導水管から排出され前記潜水体に取り込まれた海水を前記排出部により前記潜水体外へ排出する海洋発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水を利用した海洋発電システムおよび海洋発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界規模でのエネルギー需要の急速な増大に伴い、これまでもっぱら依存していた石油やＬＮＧ等の化石燃料や原子力等のエネルギー源の代替あるいは新たに加えるエネルギー源として、枯渇や公害の虞のない自然エネルギーを利用しようとする様々な研究開発が積極的に進められている。【０００３】
自然現象を利用して発電を行う方法として、風を利用した風力発電、海水の流れを利用した海流発電などが研究されている。風力発電に用いられる風は吹いていない状態も多く、その発電量が安定していないのに対して、海流は比較的安定して流れており、その発電量が安定している。従って、海流発電は、風力発電等と比べてより安定的に発電を行うことができるものとして期待が大きい。
本発明の発明者である西岡俊久は、米国ジョージア工科大学および神戸大学大学院海事科学研究科マリンエンジニアリング講座にて教授として教鞭を取る中、海洋での発電の研究を進め、流速が十分ではない海流であってもその大きなエネルギーを利用し、高効率で安定的に発電を行えるように工夫した海洋発電システムの可能性を探り研究を進めた。【０００４】
一般に、大型の発電タービンを回転させて電力を発生させるためには、発電タービンで捉える媒体の速度と圧力が一定以上必要となってくるが、現実に海洋で生じる潮流・海流の速度は十分なものではない。
世界中の海洋において、潮流・海流の速度が比較的大きい場所として挙げられるのはドーバー海峡（英仏海峡）である。ドーバー海峡の潮の流れは最大で６ノット、時速１２キロ程度とされている。
ドーバー海峡（英仏海峡）での海流発電を想定した技術として、英仏海峡海流発電システム（特許文献１：特開２００９−２７０４９１号公報）が知られている。この英仏海峡海流発電システムは、英仏海峡トンネルに付随する形で専用の発電用トンネル空間を数箇所掘削して発電設備を設置し、この設備の真上に当る海底部分に水車を設置して連結し、海流の流動エネルギーを水車のブレードで回転エネルギーに変換して発電機を稼動するものである。英仏海峡は６０ｍ程度の深さしかないため、大型艦船（喫水線３５ｍ程度）の航行に支障のない水深４０メートル以下の海中に発電装置を設置するとしている。【０００５】
現在、水力発電では、水流や水圧を利用して発電機用の大型のプロペラやタービンを高速に回転させることで起電力を得ている。例えば、ペルトン型水車を利用した発電機であれば落水をペルトン型水車に当てて高速回転させるため水流の速度が必要であるし、フランシス型水車を利用した発電機であれば圧力差を利用して回転させるためフランシス型水車に高水圧をかけつつ、水車通過後は大気圧下に放出することで高速回転させている。【０００６】
一方、海流のエネルギーは総量としては膨大であるが、その媒体の流れとしての速度が遅く、また、海流中におくプロペラやタービンの前後で生じる圧力差も大きくないため、発電機用の大型のプロペラやタービンを高速に回転させるほどの圧力差を直接得ることはできない。図１１は従来の海流発電システムにおける問題点を説明する図である。図１１に示すように、海流は流れが比較的遅く、その流れをもって直接、発電機内に導いて内部の水車やタービンを回転させるには回転速度が十分には得られず、発電には向いていない。
そこで、海流を利用して発電機内の水車やタービン自体を所望の速度で回転するためには、発電機内の水車やタービン自体に工夫、改良が必要となってくる。【０００７】
従来の発電機向けには流速が十分ではない海流であっても高い効率で安定的に発電を行えるように工夫したプロペラ機構を備えた発電を備えた海流発電システムとして、以下のものが知られている。【０００８】
例えば、特許文献２（特開２０１１−２０８５３１号公報）に開示された海流発電システムは、潮流・海流によって同一方向に回転する第１のプロペラ及び第２のプロペラを組み合わせ、増速機構を介して接続するものであり、増速機構は、例えば、遊星歯車機構、すなわち、内歯車、遊星歯車、太陽歯車の組み合わせからなる機構であると開示されている。増速機構を介することで回転速度を高めようとするものである。図１２は、特許文献２において提案されている海流発電システムを示すものである。【０００９】
また、例えば、特許文献３（特開平７−２５９０６４号公報）に開示された海流発電システムは、流速と流向が安定している海流に海流発電潜水船を海中に係留するものである。図１３は、特許文献３において提案されている海流発電潜水船を示すものである。流速と流向が安定している海流に、その流れに直面するように、船首から係留索９と錨１０によって導管Ａと発電機Ｃを持つ浮体Ｂを所定の深さに係留したものであり、導管Ａに流れる海流エネルギーをプロペラ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で陸地に送電するようにしたものである。導管Ａの両端部において、プロペラ６が設置されている箇所において海流が加速されるように、中央付近がくびれ、流入口または流出口に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパーが形成されている。【００１０】
また、例えば、特許文献４（特開２００７−９８３３号公報）に開示された海流発電システムも、特許文献３と同様、流速と流向が安定している海流に海流発電潜水船を海中に係留するものである。図１４は、特許文献４において提案されている海流発電潜水船を示すものである。図１４に示すように、海流発電潜水船は、両端に海流の流入口と流出口が形成された筒状の第１の海流導管と、この第１の海流導管内中央付近に設けられた筒状の第２の海流導管と、この第２の海流導管内に回転自在に設けられたプロペラと、このプロペラの回転によって発電する発電装置とを備えたものである。ここで、第１の海流導管、第２の海流導管の両端部において海流を加速しやすいように、中央付近がくびれ、流入口または流出口に向けて漸次内法寸法が大きくなるテーパーが形成されている。
つまり、第１の海流導管内に第２の海流導管を設けた２重管構造とし、流入口から第１の海流導管内に導かれた海流は、第２の海流導管内への流れ（内側流）と、その外方の第１の海流導管と第２の海流導管との間の流れ（外側流）とに分流され、両者が第２の海流導管の出口付近で合流するが、その際に外側流により内側流が引き出されるというエジェクター効果があるとされている。【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２７０４９１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０８５３１号公報
【特許文献３】特開平７−２５９０６４号公報
【特許文献４】特開２００７−９８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記した従来技術には以下のように問題がある。
特許文献１の特開２００９−２７０４９１号公報では、海流発電に適した場所がドーバー海峡（英仏海峡）であることを開示しているものの、上記したように、
海流のエネルギーは総量としては膨大であるが、流れの速度が遅く、また、発電機用の大型のプロペラやタービンを高速に回転させるほどの圧力差を直接得ることはできないために、発電機用のプロペラやタービン自体に工夫が必要であるが、同公報には通常のプロペラ体した開示されておらず、このままでは、十分効率的に大型の発電機を回転させ、所望の起電力を得られる技術が開示されているとは言えない。【００１３】
次に、特許文献２の特開２０１１−２０８５３１号公報によれば、海流によって同一方向に回転する第１のプロペラ及び第２のプロペラを組み合わせ、増速機構を介して接続することでプロペラの回転速度を高める技術であるが、海流で得られる第１のプロペラ及び第２のプロペラの速度はかなり低速であり、それを通常の大型の発電機の所望の速度で回転させるためには回転ギア比が大きくなりすぎ、機構的に困難である。また、海流から得られるトルクと通常の大型の発電機を高速回転させるために必要なトルクを伝達するため、事実上、ギアの機械的強度に無理が生じやすく、破損しやすいという問題がある。【００１４】
次に、特許文献３の特開平７−２５９０６４号公報によれば、導管Ａの中央における断面積を、取水口１の断面積より小さくしているために、理論上は水車６の取付部における海流の速度が加速されることになるが、実際には、発電機Ｃによるプロペラ６の回転負荷抵抗や、導管Ａ内における流路抵抗によって、導管Ａ内における海流の流量が浮体Ｂの周囲よりも遙かに小さくなってしまう。この結果、両者間の海水流量の差に起因して、浮体Ｂには、海流方向にその断面積に比例する大きな押圧力が作用し、係留索９によって浮体６を定位置に保持しておくことが困難になるという問題点がある。【００１５】
また、発電機を所望の速度で回転させるほどに海流の流速を大きく加速するためには、導管Ａの中央における断面積と取水口１の断面積との差を大きくしなければならず、実働するプロペラの大きさの割には浮体の大きさが巨大となってしまうという問題がある。
また、浮体Ｂを係留索９によって所定の深さに浮遊状態で係留しているために、その姿勢を安定的に保持させることが難しいという問題点もある。【００１６】
次に、特許文献４の特開２００７−９８３３号公報によれば、第１の海流導管の中央における断面積を、取水口１の断面積より小さくしているために、理論上はプロペラの取付部における海流の速度が加速されることになる一方、特許文献３に比べて、第２の海流導管を流れる内側流に対する外側流との合流によるエジェクター効果により、内側流と外側流の両者間の海水流量の差を小さくして、浮体を安定させ、係留索によって浮体を定位置に保持しておく工夫はされているものの、やはり、浮体Ｂを係留索９によって所定の深さに浮遊状態で係留しているため、その姿勢を安定的に保持させることが難しいという問題点は特許文献３と同様である。【００１７】
また、特許文献４でも、特許文献３と同様、発電機を所望の速度で回転させるほどに海流の流速を大きく加速するためには、導管Ａの中央における断面積と取水口１の断面積との差を大きくしなければならず、実働するプロペラの大きさの割には浮体の大きさが巨大となってしまうという問題があり、さらには、特許文献４では、導管を、第１の海流導管と第２の海流導管の二重化し、内側の第２の海流導管に比べて第１の海流導管はさらにその径が巨大なこともあり、海中に没する躯体がさらに巨大化してしまうという問題がある。
つまり、特許文献３、特許文献４のテーパー形状を伴う浮体を用いる技術では、事実上、利用可能な浮体の大きさと発電機のプロペラの大きさから考えると、海流を十分加速することはできるものではない。【００１８】
本発明は、流速が十分ではない海流であってもその大きなエネルギーを利用し、水力発電に理想的な、あたかもダムからの放水のような水流を作り出し、高効率で安定的に発電を行えるように工夫した海洋発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の発明者である西岡俊久は、米国ジョージア工科大学および神戸大学大学院海事科学研究科マリンエンジニアリング講座にて教授として教鞭を取る中、海洋での発電の研究を進め、流速が十分ではない海流であってもその大きなエネルギーを利用し、高効率で安定的に発電を行えるように工夫した海洋発電システムについて研究を進め、以下の発明を行った。
本発明の海洋発電システムは、海水を取り込む構造体であって、内部に海水を取り込む開口部と、前記開口部を介して取り込んだ海水を内部に流し込む上部導水部とを備えた取水構造体と、一端が前記取水構造体の前記上部導水部に接続され、前記上部導水部から取り込んだ海水を海面下の下方に向けて導入するための空間を海中に確保せしめる導水管と、前記導水管に対して取り付けられ、前記導水管中の空間に導入された海水の落下運動または水圧により発電する発電機と、前記導水管の他端に接続され、前記導水管の他端から排出される海水を取り込む貯留空間を提供する潜水体と、前記潜水体に取り込まれた海水を前記潜水体外へ排出する排出部を備えたものである。
上記構成により、導水管の空間は海中に立てられたものであり、海面付近から海中の潜水体までの高さに相当するダムの如き落差を持った空間を得ることができる。このダムの如き落差を持った空間を利用して、通常の水力発電ダムで適用している発電装置を用いて発電することが可能となる。
なお、前記取水構造体は、海水を取り込める開口を備えたものであれば、陸上の海岸沿いに設けた構造物であっても良いし、海岸から離れた海上に浮力によって浮く海上浮体物であっても良い。いずれであっても開口部を介して取り込んだ海水を内部に流し込む上部導水部を通り、海中に設けた導水菅に導くことができる。なお、導水菅は海中に落差を持った空間を確保せしめるために立設させる必要があるため、陸上の海岸沿いに取水構造体を設ける場合、海岸線がいわゆる切り立った断崖のような地形が望ましい。【００２０】
次に、上記構成において、潜水体に搭載する“排出部”として、２つの構成例を挙げることができる。
第１の排出部の構成は、シリンダーと、当該シリンダー内をピストン運動するピストン体と、シリンダーと潜水体の貯留空間とを逆流を防止しつつ接続する第１の逆止弁路と、シリンダーと潜水体外の海中とを逆流を防止しつつ接続する第２の逆止弁路と、潜水体の付近を流れる海流の力を受けてピストン体にピストン運動をさせる動力を伝導する動力伝導機構を備え、ピストン体のピストン運動に同期して貯留空間内の海水をシリンダー内に取り込む取り込みフェーズと、シリンダー内に取り込まれた海水を潜水体外の海中に排出する排出フェーズを備えた海水排出ピストンサイクルで稼働するピストンシリンダー式海水排出機構とするものである。
つまり、ピストンシリンダー式海水排出機構は、海水をシリンダーに取り込んでピストン運動によりシリンダーから潜水体外へ排出する海水排出ピストンサイクルで作動する“水中ピストン機構”とも言えるものであり、海流を利用したいわゆる“自然排水”を行うものとなる。【００２１】
このように、ピストンシリンダー式海水排出機構は、水圧の小さな潜水体の貯留空間内から、水圧の大きな潜水体外の海中へ海水を放出するものであるが、ピストンの駆動は海流の強い流れの圧力があれば行うことができ、かならずしも海流の流速は重要ではない。【００２２】
なお、上記したピストンシリンダー式海水排出機構は並列化することが可能である。ピストンシリンダー式海水排出機構を潜水体の周囲に配置し、各々のピストンシリンダー式海水排出機構が、海水排出ピストンサイクルにて、潜水体の貯留空間から海水を取り込んで海中へ排出するものとすることができる。このようにピストンシリンダー式海水排出機構を並列化することにより、海水排出量を増大せしめることができる。潜水体の貯留空間は制限があるため、潜水体の貯留空間からピストンシリンダー式海水排出機構を介して海中へ排出される海水量相当分しか、新たに上部導水部から取り込んで導水管を通過させることができず、導水管で発電に供することができる海水量にも制限が生じてしまう。【００２３】
そこで、上部導水部から導水管に導入する海水量を、ピストンシリンダー式海水排出機構の海水排出量に見合う量に制御する海水流量制御部を備えた構成とすることが好ましい。海水流量制御部を備えることにより、潜水体のピストンシリンダー式海水排出機構による海水の潜水体外の海中への放出が追い付けるように上部導水部から導水管に取り込んで発電に供する海水量を制御することができ、システム内が海水で溢れて駆動不能に陥るのを防止することができる。【００２４】
次に、第２の排出部の構成は、潜水体の貯留空間に貯留された海水を潜水体外の海中へ汲み上げて放出するポンプ機構と、潜水体の付近を流れる海流の力を受けてポンプ機構を駆動する電力を得る潜水体外発電機を備えた、ポンプ式海水排出機構とするものである。
つまり、ポンプ式海水排出機構は、海水を潜水体外の発電機により得た電力を用いてポンプ機構で潜水体外の海中へ強制排水するものである。【００２５】
なお、このポンプ式海水排出機構を用いた第２の排出部の構成においても、ピストンシリンダー式海水排出機構を用いた第１の排出部の構成と同様、並列化することが可能である。ポンプ式海水排出機構を潜水体の周囲に配置し、各々のポンプ式海水排出機構が、ポンプ駆動にて、潜水体の貯留空間から海水を取り込んで海中へ排出するものとすることができる。このようにポンプ式海水排出機構を並列化することにより、海水排出量を増大せしめることができ、導水管で発電に供することができる海水量を増大することができる。【００２６】
なお、上記と同様、上部導水部から導水管に導入する海水量を、ポンプ式海水排出機構の海水排出量に見合う量に制御する海水流量制御部を備えた構成とすることが好ましい。海水流量制御部を備えることにより、潜水体のポンプ式海水排出機構による海水の潜水体外の海中への放出が追い付けるように上部導水部から導水管に取り込んで発電に供する海水量を制御することができ、システム内が海水で溢れて駆動不能に陥るのを防止することができる。【００２７】
さらに、システム内が海水で溢れて駆動不能に陥るのを防止するため、導水管内の少なくとも一部の空間に対する通気、および、潜水体の貯留空間に対する通気を確保するため、外気に通じる通気管を設けることが好ましい。特に、導水管の経路のうち発電機が組み合わされている箇所より下方の空間に対する通気、潜水部の貯留空間に対する通気を行えば、システム内が海水で溢れて駆動不能に陥るのを防止することができる。【００２８】
ここで、導水管中に設ける発電機のタイプは発電機に用いるものであれば適用することができる。
発電機には多様な種類が有り得る。大きく大別すると、衝動水車を用いたものと反動水車を用いたものがある。【００２９】
衝動水車は、圧力水頭を速度水頭に変えて水車に作用させるものである。つまり、水流の運動エネルギーを水車で受け、水車の運動エネルギーに変換するものである。ペルトン水車、開放周流形水車などが知られている。ペルトン水車などの衝動水車を備えた発電機であれば、導水管中に導入して落下してくる海水を発電機の水車に当てることにより発電することができる。
反動水車は、圧力水頭を水車に作用させるものである。つまり、水圧を反動水車に印加し、印加した水圧により水車の運動エネルギーに変換するものである。フランシス水車、プロペラ水車、カプラン水車などがある。フランシス型水車などの反動水車を利用した発電機であれば、導水管中を導入した海水の水圧を発電機に印加することにより発電することができる。【００３０】
次に、本発明にかかる海洋発電方法は、海中において海水を落下させるための空間を確保せしめる導水管を立設し、開口部を介して前記導水管中の空間に導入された海水の落下運動または水圧により発電する発電機を取り付けておき、前記導水管の下端に接続され、前記導水管から排出される海水を取り込む貯留空間を提供する潜水体を設けておき、前記潜水体の前記貯留空間にある海水を海中へ放出する排出部を設けておき、前記開口部から海水を取り込み、前記海水を前記導水管の内部に流し込んで落下させ、前記発電機により発電し、前記導水管から排出され前記潜水体に取り込まれた海水を前記排出部により前記潜水体外へ排出する海洋発電方法である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の海洋発電システムおよび海洋発電方法は、導水管の空間は海中に中空の筒体を立てるように確保されるものであり、海面付近から海中の潜水体までの高さに相当するダムの如き落差を持った空間を得ることができる。このダムの如き落差を持った空間を利用して、通常の水力発電ダムで適用している発電装置を用いて発電することが可能となる。【００３２】
なお、潜水体に落下してきた海水の潜水体外への排出は、第１の逆止弁路および第２の逆止弁路を介した逆流を防止しつつ、ピストンシリンダー式海水排出機構を駆動させることにより海水を排出する構成とすれば、いわゆる海流を用いた“自然排水”が可能となる。また、ポンプ式海水排出機構を駆動させることにより海水を排出する構成とすれば、いわゆる海流を用いて得た電力を利用した“強制排水”が可能となる。
つまり、ピストンシリンダー式海水排出機構は、水圧の小さな潜水体の貯留空間内から、水圧の大きな潜水体外の海中へ海水を放出するものであるが、ピストンの駆動は海流の強い流れの圧力があれば行うことができ、かならずしも海流の流速は重要ではない。その一方、ピストンシリンダー式海水排出機構により排出されて得られた潜水体の貯留空間のボリュームの分だけ、導水管を落下する海水量とすることができ、この落下する海水は水力発電に適した流速、流圧を持った水流として得られる。【００３３】
同様に、ポンプ式海水排出機構は、水圧の小さな潜水体の貯留空間内から、水圧の大きな潜水体外の海中へ海水を放出するものであるが、ポンプ機構を駆動する電力を潜水体外の発電機により得てポンプ機構を用いて強制排水させ、得られた潜水体の貯留空間のボリュームの分だけ、導水管を落下する海水量とすることができ、この落下する海水は水力発電に適した流速、流圧を持った水流として得られる。【００３４】
このように、本発明の海洋発電システムを用いれば、比較的流速が遅い海中の海流の作用を変換して、水力発電に適した流速、流圧を持った水流の形で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の海洋発電システム１００の構成例を示す図である。
【図２】本発明の海洋発電システム１００の海水の動きを示す図である。
【図３】ペルトン水車を用いた発電機３０の導水管２０中に設けた構成例を示す図である。
【図４】フランシス水車を用いた発電機３０の導水管２０中に設けた構成例を示す図である。
【図５】導水管２０、潜水体４０に対して通気管４２を設けた構成例である。
【図６】実施例１にかかるピストンシリンダー式海水排出機構を備えた排出部５０の構造が分かりやすいように示した図である。
【図７】海水取り込みフェーズ１の動きを示す図である。
【図８】海水取り込みフェーズ２の動きを示す図である。
【図９】排出フェーズの動きを示す図である。
【図１０】実施例２にかかるポンプ機構を備えた排出部５０ａの構造が分かりやすいように示した図である。
【図１１】従来技術における海流発電の問題点を説明する図である。
【図１２】従来技術の特許文献２において提案されている海流発電システムを示した図である。
【図１３】従来技術の特許文献３において提案されている海流発電潜水船を示す図である。
【図１４】従来技術の特許文献４において提案されている海流発電潜水船を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の海洋発電システムの実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に示した具体的な用途、形状、本数、個数などには限定されないことは言うまでもない。
【実施例１】
【００３７】
実施例１にかかる本発明の海洋発電システムの例を示す。
図１は、本発明の海洋発電システムの基本原理を示す図である。
図２は、本発明の海洋発電システムおよびその周囲の海水の流れを簡単に示す図である。
図１に示すように、海洋発電システム１００は、取水構造体１０、導水管２０、発電機３０、潜水体４０、排出部５０を備えたものとなっている。図２に示すように、これらの構成部材の内部またはその周囲には海水の流れがある。本発明の海洋発電システム１００は、構成部材の内部に導かれた海水の流れ、および、周囲を流れる海流の働きを用いて発電するものである。【００３８】
以下、各構成要素の説明を行い、その後に海洋発電システム１００の働きについてまとめることとする。【００３９】
まずは、各構成要素の説明を行う。
取水構造体１０は、海水を取り込める開口を備えたものであれば、陸上の海岸沿いに設けた構造物であっても良いし、海岸から離れた海上に浮力によって浮く海上浮体物であっても良い。
取水構造体１０は、陸上の海岸沿いに設けた構造物の場合でも、海上浮体物の場合でもいずれであっても開口部１２を介して取り込んだ海水を内部に流し込む構造となっている。この開口部１２は少なくとも一部が喫水線の下に位置するように設けられており、内部に海水を取り込む口となっている。さらに、開口部１２から取り込んだ海水を内部に流し込むための上部導水部１３を備えている。上部導水部１３の径や長さなどは特に限定されないが、後述するように導水管２０に必要量の海水を導くために適したものであれば良い。【００４０】
この実施例では、図１に示すように、取水構造体１０は船舶型となっており、海上浮体物１１の浮力により海上に浮かぶものとなっている。図１の例では、いわゆる玄武船の形状を持ったものが描かれている。なお、通常の船舶などの浮体物では海水を取り込んで海面下に海水を落下させるために導くという考え方はないが、本発明の海洋発電システム１００では、後述するように、海面近くの海水を内部に取り込んで発電に利用するため、海上浮体物１０であっても開口部１２を備え、さらに、開口部１２から取り込んだ海水を内部に流し込むための上部導水部１３を備えている。
取水構造体１０が陸上の海岸沿いに設けた構造物の場合であれば、導水菅２０は海中に落差を持った空間を確保せしめるために立設させる必要があるため、取水構造体１０を陸上の海岸沿いに設ける場合、海岸線がいわゆる切り立った断崖のような地形が望ましい。【００４１】
また、この構成例では、取水構造体１０には、内部に取り込む海水の量を制御するための海水流量制御部１４を備えたものとなっている。後述するように、本発明の海洋発電システム１００は、導水管２０内に海水を導入することで発電機３０を稼働して発電するが、導水管２０内すべてが海水で満たされてしまうと発電機３０の稼働が停止する。そのため、後述するように、海水の取り込み量を排出部５０の排出能力に見合う量に制御する必要がある。そこで、海水流量制御部１４を設けておき、過剰に海水が導水管２０内に取り込まれないように制御する工夫を行う。【００４２】
導水管２０は、この構成例では筒状の管体であり、図１に示すように、一端が取水構造体１０に接続され、他端が潜水体４０に接続されており、取水構造体１０と潜水体４０の間に設けられた構造物となっている。
導水管２０は、上部導水部１３から取り込んだ海水を海面下の下方に向けて導入するための空間を海中に確保せしめるものとなっている。つまり、海中に略縦方向に、海面近くから潜水体４０がある海中までの落差がある空間が確保されることとなる。
構造強度は海中で受ける水圧に耐えうるように頑強なものとなっている。例えば、素材として、ステンレスワイヤーフレーム内蔵スペクトラ頒布配管を使うことができる。ステンレスワイヤーフレーム内蔵スペクトラ頒布配管は、軽量で柔軟性がある上、鉄の約十倍の強度がある。また、金属疲労が起きず、錆びにくいという利点がある。海上および海中に適用する上では錆びないという利点も大きい。【００４３】
このように、導水管２０を設けることにより、海面近くから潜水体４０がある海中までの落差がある空間が確保され、あたかも、海水を下方に放水できる“ダム”のように見立てることもできる。つまり、導水管２０の一端より上にある海面は、あたかも“ダム湖に貯えられた水”と見立てることができ、導水管２０の壁面は、あたかも“ダムの壁面”と見立てることができる。導水管２０の内部に導かれた海水は、あたかもダムの水力発電に供される水塊と見立てることができる。【００４４】
発電機３０は、導水管２０に対して取り付けられ、導水管２０中の空間に導入された海水の落下運動または水圧により発電する発電機である。水力発電に用いられている発電機であれば本発明の海洋発電システム１００に適用することが可能である。【００４５】
発電機３０には多様な種類が有り得る。大きく大別すると、衝動水車を用いたものと反動水車を用いたものがある。
衝動水車は、圧力水頭を速度水頭に変えて水車に作用させるものである。つまり、水流の運動エネルギーを水車で受け、水車の運動エネルギーに変換するものである。ペルトン水車、開放周流形水車などが知られている。
ペルトン水車は、衝動水車の一つであり、水流をランナー周囲のバケットに当てて回転させる水車である。ここでは、一般のペルトン水車はノズルからジェット水流を噴き出してバケットに当てているが、本発明の海洋発電システム１００の場合、導水管２０に対してペルトン水車を組み合わせ、導水管２０を流れ落ちる水流をバケットに当てて衝動させる。
開放周流形水車は、いわゆる古来から用いられている普通の水車であり、水流をランナー周囲のプレートに当てて回転させる水車である。【００４６】
図３は、衝動水車のペルトン水車を用いる場合の導水管２０内の海水の流れと発電機３０の様子を簡単に描いたものである。海水が導かれる導水管２０に対してペルトン水車のバケットが当たる位置に設けられており、導水管２０に導かれた海水が勢いよくペルトン水車のバケットに衝突し。ペルトン水車を勢いよく回す。このようにペルトン水車の取り付けられているランナーを衝動回転させ、発電機のジェネレーター（図示せず）を回転させて起電力を得る。【００４７】
次に、反動水車は、圧力水頭を水車に作用させるものである。つまり、水圧を反動水車に印加し、印加した水圧により水車の運動エネルギーに変換するものである。フランシス水車、プロペラ水車、カプラン水車などがある。
フランシス水車は、導かれた流水が、渦巻き型ランナーの外周部に半径方向から流入し軸方向に流出する水車である。構造が簡単で保守が容易であるとされており、水力発電用の水車として広く利用されている。
プロペラ水車は、軸方向から流入した流水が、軸方向に流出するものであり、回転軸に複数のランナー羽根が所定角度で設けられている。
カプラン水車は、プロペラ水車の一種であり、落差や水量の変化によってランナー羽根の角度を変えるものをカプラン水車と呼ばれる。
クロスフロー水車は、流水がランナー（羽根車）に対して交差して流れるものである。【００４８】
図４は、反動水車のフランシス水車を用いる場合の導水管２０内の海水の流れと発電機３０の様子を簡単に描いたものである。海水が導かれる導水管２０に対してフランシス水車の周辺部分が位置しており、導水管２０に導かれた海水はフランシス水車を用いた発電機３０の上部の導水管２０に充填され、フランシス水車の周辺にある羽根に対して水圧が印加されている状態である。フランシス水車には大きな水圧がかかっており、その水圧で羽根を反動回転させる。羽根はねじられてランナーに取り付けられており、海水はフランシス水車の周辺から中央の奥側へねじられるように方向を変え、図４の構成例では再び曲げられて導水管２０を下方に流れてゆく構成となっている。フランシス水車の取り付けられたランナーが回転し、発電機のジェネレーター（図示せず）を回転させて起電力を得る。【００４９】
次に、潜水体４０は、導水管２０の下端側に接続され、導水管２０の下端から排出される海水を取り込む貯留空間４１を提供する構造物となっている。潜水体４０は海中に没した状態で稼働するものであり、海中の水圧に耐えうる構造的強度が必要である。内部の貯留空間４１には導水管２０の下端から排出される海水を取り込む空間であるが、後述する排出部５０で排出するため、一時的な海水の貯留空間である。【００５０】
潜水体４０が海水で満水状態となると、本発明の海洋発電システム１００の稼働が限界に近づいており、そのまま導水管２０から海水を受け入れるとシステム全体が海水で満たされて稼働不能に陥る恐れがある。そこで、海水流量制御部１４を備えたものとなっているが、さらなる工夫として、通気管４２を設ける工夫も可能である。【００５１】
図５（ａ）は、潜水体４０に対して導水管２０の一部に通気管４２を設けた構成例である。図５（ｂ）は、潜水体４０に対して導水管２０とは別に通気管４２を設けた構成例である。
上記したように、導水管２０内に海水が導入されるが、潜水部４０に対して外気と通じる通気路がない場合、通気も導水管２０を介して行わねばならない。しかし、想定よりも海水の比率が大きく通気が確保されていない場合、徐々に潜水部４０および導水管２０に海水が満たされてゆく。そこで、海水流量制御部１４による導入される海水量の制御とともに、通気管４２で通気を確保する。【００５２】
通気管４２による通気は、例えば、導水管２０内のうち少なくとも発電機３０が設けられている箇所よりも下側の空間、さらには、潜水体４０の貯留空間に通気が確保されるように通気管４２を設けることが好ましい。【００５３】
排出部５０は、潜水体４０に取り込まれた海水を潜水体４０の外へ排出する機能を備えたものである。排出部５０は、潜水体４０に取り込まれた海水を潜水体４０の外へ排出するものであれば特に限定されない。
排出部５０の構成例として、ピストンシリンダー式海水排出機構を採用したもの、ポンプ機構を採用したものなどがあるが、以下、実施例１にかかる本発明の海洋発電システム１００は、排出部５０として、ピストンシリンダー式海水排出機構を採用したものとして説明する。ポンプ機構を採用した排出部５０を適用した構成例は実施例２において説明する。【００５４】
図６は、実施例１にかかるピストンシリンダー式海水排出機構を備えた排出部５０の構造が分かりやすいように示した図である。動作原理を分かりやすく示したものであり、細かい機械的な構造や形状は省略している。
図６に示すように、ピストンシリンダー式海水排出機構を備えた排出部５０は、シリンダー５１と、ピストン体５２と、第１の逆止弁路５３、第２の逆止弁路５４、第３の逆止弁路５５、動力伝導機構５６、排出口５７を備えたものとなっている。【００５５】
シリンダー５１は、潜水体４０外の海中へ放出する海水を一時的に取り込むキャビティであり、後述するように高圧に耐えうる機械的構造強度を備えた筒体となっている。シリンダー５１の内径は後述するようにピストン体５２の外径と略同一のものであり、ここではＤとする。
シリンダー５１の設置場所は、潜水体４０内外のいずれの箇所でも良いが、この構成例では、潜水体４０の最後尾の部分に設けられている。【００５６】
シリンダー５１は、後述する第１の逆止弁路５３を介して、潜水体４０の貯留空間と通じており、また、後述する第２の逆止弁路５４を介して、潜水体４０外の海中と通じており、潜水体４０の貯留空間から海水を取り込み、潜水体４０外へ放出することができる。【００５７】
なお、図６に示した構成例では、シリンダー５１内は、ピストン５２により２つのシリンダー室に分けられ、ここでは、潜水体４０の貯留空間４１に近い方を第１のシリンダー室５１１、潜水体４０外の海中に近い方を第２のシリンダー室５１２とする。【００５８】
ピストン体５２は、シリンダー５１の内部をいわゆるピストン運動するように動作する円筒体であり、その外径はシリンダー５１の内径と対応するものとなっており、ここではＤとする。【００５９】
図６に示した構成例では、ピストン５２の上面側と下面側を結ぶ水路５２１があり、後述するように、ピストン運動のサイクルの中で、第１のシリンダー室５１１に導入された海水を第２のシリンダー室５１２に移動させる際にピストン５２内の水路５２１を通過するようになっている。【００６０】
なお、シリンダー５１およびピストン体５２には、いわゆるピストン機関に用いられる様々な技術を適用することが可能であり、例えば、ピストンリングなどの部材を取り付けて後述する海水の圧送排出などにおいて十分昇圧できるように工夫しておくことが好ましい。【００６１】
第１の逆止弁路５３は、シリンダー５１と潜水体４０の貯留空間とを逆流を防止しつつ接続する逆止弁路となっている。図６に示した例では逆止弁路であることが簡単に分かるように蝶番式の逆止弁路として示しているが、蝶番式の逆止弁路に限定されない。
後述するように、第１の逆止弁路５３は、ピストン運動のサイクルの中で、潜水体４０の貯留空間から海水を第１のシリンダー室５１１に導入する際には開くが、第１のシリンダー室５１１に導入された海水を第２のシリンダー室５１２に移動させる際には逆流しないように制止する働きをする。【００６２】
第２の逆止弁路５４は、シリンダー５１と潜水体４０外の海中とを逆流を防止しつつ接続する逆止弁路となっている。図６に示した例では、第１の逆止弁路５３と同様、逆止弁路であることが簡単に分かるように蝶番式の逆止弁路として示しているが、蝶番式の逆止弁路に限定されない。図６に示した構成例では、第２の逆止弁路５４は、潜水体４０の排出口５７に設けられている。
後述するように、第２の逆止弁路５４は、ピストン運動のサイクルの中で、第２のシリンダー室５１２の海水を排出口５７から排出する際には開くが、第１のシリンダー室５１１に導入された海水を第２のシリンダー室５１２に移動させる際には逆流しないように制止する働きをする。【００６３】
第３の逆止弁路５５は、ピストン５２の上面側と下面側を結ぶ水路５２１の開閉を制御するための逆止弁路である。
後述するように、第３の逆止弁路５５は、ピストン運動のサイクルの中で、第１のシリンダー室５１１に導入された海水を第２のシリンダー室５１２に移動させる際にピストン５２内の水路５２１を通過する方向には開くが、第２のシリンダー室５１２の海水を排出口５７から排出する際には逆流しないように制止する働きをする。【００６４】
動力伝導機構５６は、潜水体４０の付近を流れる海流の力を受けてピストン５２にピストン運動をさせる動力を伝導する機構である。動力伝導機構５６は海流の力をピストン動作に変換できる機構であればその構造は特に限定されないが、この構成例では、潜水体４０の付近を流れる海流の力を受けて回転するプロペラ体５６１、プロペラ体の回転軸５６２、回転軸５６２で得られる回転動力をピストン動作に変換する変換機構５６３を備えたものとなっている。【００６５】
排出口５７は海中に開いた開口であり、第２のシリンダー室５１２と海中をつなぐ部分である。
後述するように、排出口５７は、ピストン運動のサイクルの中で、第２のシリンダー室５１２から海水を放出する際には開放されるが、第１のシリンダー室５１１に導入された海水を第２のシリンダー室５１２に移動させる際には第３の逆止弁５５により閉鎖される。【００６６】
ピストンシリンダー式海水排出機構を備えた排出部５０のピストンサイクルについて実際の動きと参照しつつ説明する。【００６７】
［海水取り込みフェーズ１］
海水取り込みフェーズ１は、ピストン５２のピストン運動に同期して潜水体４０の貯留空間４１内の海水をシリンダー５１の第１のシリンダー室５１１内に取り込むフェーズである。
図７（ａ）から図７（ｃ）は、海水取り込みフェーズ１の動きを示している。
図７（ａ）は海水取り込みフェーズ１の開始時点の状態であるとともに、後述の海水排出フェーズの開始時点の状態でもある。ピストン５２は第１のシリンダー室５１１の空間を最小化させ、第２のシリンダー室５１２を最大化させる位置（図中、シリンダー５１内の最右側）にある。【００６８】
図７（ａ）から図７（ｂ）への動きのように、ピストン５２が第１のシリンダー室５１１の空間を拡張させ、第２のシリンダー室５１２を圧縮する方向に移動を始めると、第１の逆止弁路５３は開き、潜水体４０の貯留空間４１内の海水をシリンダー５１の第１のシリンダー室５１１内に取り込む流れが生じる一方、第３の逆止弁路５５は閉鎖され、第１のシリンダー室５１１が拡張した分はすべて潜水体４０の貯留空間４１内の海水が取り込まれることとなる。【００６９】
図７（ｃ）の状態は、ピストン５２により第１のシリンダー室５１１の空間が最大化され、第２のシリンダー室５１２が最小化された位置（図中、シリンダー５１内の最左側）にある。【００７０】
［海水取り込みフェーズ２］
海水取り込みフェーズ２は、ピストン５２のピストン運動に同期して、水路５２１を通じてシリンダー５１の第１のシリンダー室５１１内の海水を第２のシリンダー室５１２内に取り込むフェーズである。
この、海水取り込みフェーズ１と海水取り込みフェーズ２の２段階のフェーズを通じて、潜水体４０の貯留空間４１内の海水がシリンダー５１の第２のシリンダー室５１２内に取り込まれる。【００７１】
図８（ａ）から図８（ｃ）は、海水取り込みフェーズ２の動きを示している。
図８（ａ）は海水取り込みフェーズ２の開始時点の状態である。ピストン５２により第１のシリンダー室５１１の空間が最大化され、第２のシリンダー室５１２が最小化された位置（図中、シリンダー５１内の最左側）にある。【００７２】
図８（ａ）から図８（ｂ）への動きのように、ピストン５２が第１のシリンダー室５１１の空間を圧縮させ、第２のシリンダー室５１２を拡張する方向に移動を始めると、第１の逆止弁路５３は閉鎖し、第１のシリンダー室５１１内の海水が潜水体４０の貯留空間４１側へ逆流するのが防止される一方、第３の逆止弁５５が開放されるため、第１のシリンダー室５１１内の海水が水路５２１を通じて第２のシリンダー室５１２内に取り込まれてゆく。なお、第２の逆止弁路５４は閉鎖されているため、潜水体４０外の海中から第２のシリンダー室５１２内へ海水が逆流することはない。【００７３】
図８（ｃ）の状態は、ピストン５２により第１のシリンダー室５１１の空間が最小化され、第２のシリンダー室５１２が最大化された位置（図中、シリンダー５１内の最右側）にある。【００７４】
［海水排出フェーズ］
排出フェーズは、ピストン５２のピストン運動に同期して、シリンダー５１の第２のシリンダー室５１２内の海水を排出口５７から潜水体４０外の海中へ排出するフェーズである。【００７５】
図９（ａ）から図９（ｃ）は、海水排出フェーズの動きを示している。
図９（ａ）は海水排出フェーズの開始時点の状態であり、前述した図７（ａ）に示した海水取り込みフェーズ１の開始時点の状態でもある。ピストン５２により第２のシリンダー室５１２の空間が最大化され、第１のシリンダー室５１１が最小化された位置（図中、シリンダー５１内の最右側）にある。【００７６】
図９（ａ）から図９（ｂ）への動きのように、ピストン５２が第２のシリンダー室５１２の空間を圧縮させ、第１のシリンダー室５１１を拡張する方向に移動を始めると、第１の逆止弁路５３は開放され、第３の逆止弁路５５は閉鎖され、第２のシリンダー室５１２内の海水が水路５２１を介して第１のシリンダー室５１１内へ逆流することはない。【００７７】
ここで、第２の逆止弁路５４は、潜水体４０外の海中の水圧と、第２のシリンダー室５１２内の海水の水圧の大小によりその開閉が決まる。ここで、第２のシリンダー室５１２内の海水の水圧は、動力伝導機構５６により力が印加されるため、動力伝導機構５６を介して、ピストン５２の端面が海中から受ける圧力と、プロペラ体５６１が海中かつ海流の流れから受ける圧力の大小で決まる。
ここで、プロペラ体５６１の実効面積がピストン５２の端面の面積よりも大きいものであれば、以下の式が成り立つ。
（潜水体４０外の海中の水圧）＜（第２のシリンダー室５１２内の海水の水圧）【００７８】
上記の式に示すように、第２の逆止弁路５４が開放され、圧力の高い第２のシリンダー室５１２内の海水が圧力の低い海中側に排出されることとなる。
なお、上記したように、第１のシリンダー室５１１側では、同時に潜水体４０の貯留空間４１内の海水が第１のシリンダー室５１１内に取り込まれる動作が同時に行われている。【００７９】
以上が、ピストンシリンダー式海水排出機構を備えた排出部５０の海水排出ピストンサイクルの概要である。【００８０】
なお、排出部５０において、ピストンシリンダー式海水排出機構を並列化することも可能である。つまり、潜水体の周囲にピストンシリンダー式海水排出機構を複数セット配置し、各々のピストンシリンダー式海水排出機構が、それぞれのピストンサイクルにて、潜水体４０の貯留空間４１から海水を取り込んで海中へ排出することも可能であり、排出部５０全体の排出能力が大きくなる。【００８１】
ここで、本発明の海洋発電システム１００全体の発電能力を説明する。
潜水体４０の貯留空間４１は、導水管２０の発電に供される水流を一時的に貯めておく一種の“バッファ”であるため、このバッファである潜水体４０の貯留空間４１に対する排出部５０による排水能力に依存する。
実施例１にかかる本発明の海洋発電システム１００は、海流という比較的低速であるが、膨大な力を得ることができる資源を利用するものであり、プロペラ体５６１により比較的低速の海流を捉えて動力伝導機構５６を介してピストン運動に変換するものであり、伝達する回転比やカムの回転／往復運動変換比などを調整すれば、比較的低速の海流によって、海流の数倍の速さで往復するピストン運動に変換することも十分に可能である。【００８２】
一例を算出してみる。
シリンダー室５１の断面積Ｄが３ｍ２（半径１ｍ程度）、第１のシリンダー室５１１の最大幅Ｌ１が９ｍ、第２のシリンダー室５１２の最大幅Ｌ２が９ｍ、海流の速度がドーバー海峡の時速１２ｋｍから換算して秒速３ｍ、動力伝導機構５６によるピストン往復速度の変換比を１：３とすると、１秒当たりの排出能力は、以下のように計算できる。【００８３】
海流の秒速３ｍと動力伝導機構５６によるピストン往復速度の変換比を１：３より、１秒間でピストン５２は９ｍ移動することとなり、第１のシリンダー室５１１の最大幅Ｌ１および第２のシリンダー室５１２の最大幅Ｌ２が９ｍであるため、結局２秒で海水排出ピストンサイクル１回を行うことができる。
第２のシリンダー室５１２の容積が、シリンダー室５１の断面積Ｄ?第２のシリンダー室５１２の最大幅Ｌ２から２７ｍ３である。つまり、排出能力は、毎秒２７ｍ３（２７トン）である。ピストンシリンダー式海水排出機構を１基搭載した排出部５０でも理論上、毎秒２７トンの排出能力が得られる。【００８４】
なお、上記計算では、海流の秒速３ｍは、ドーバー海峡の海流の最大速度であり、常に最高速度が得られる訳ではないため、黒潮の場合を計算すると、黒潮は時速６〜７ｋｍと程度と言われており、秒速１．５ｍ程度であり、上記過程の半分である。つまり、海流として黒潮を用いた場合、ピストンシリンダー式海水排出機構を１基搭載した排出部５０でも理論上、毎秒１４トン程度の排出能力が得られる。
排出部５０において毎秒１４トンの排出能力が得られることより、毎秒１４トンの海水を導水管２０より導入して発電機３０の発電に供することができる。【００８５】
ちなみに、日本の黒部第四ダムは毎秒１０ｔの水を放水して発電していると言われており、上記の過程で、ピストンシリンダー式海水排出機構を１基搭載した排出部５０とした本発明の海洋発電システム１００は、日本の黒部第四ダムに匹敵する発電能力があると計算できる。【００８６】
本発明の海洋発電システム１００は、ピストンシリンダー式海水排出機構を並列化することができ、４基並列化すると毎秒５０万トン程度の水量を排出する能力が得られる。本発明の海洋発電システム１００は排水部５０より海水を排出して得られた空間の容積分、新たに取水構造体１０から導水管２０に向けて海水を取り込むことができるため、毎秒５０万トン程度の水量を落水させ、発電に供することができる。黒部第四ダムの発電は毎秒１０トンの放水で３０万ｋｗ（３００メガＷ）と言われていることから、毎秒５０万トンの放水であれば１５０万ｋｗ（１．５ギガＷ）と計算できる。【００８７】
このような大規模な発電が可能となるのも、“海流”という低速ではあるものの、流圧の大きい流れを利用してピストン運動に変換して排出能力を確保し、排出に成功した容積分の海水を、導水管２０において水力発電ダム同様の水圧の“放水”という形に変換できるからである。
なお、上記構成において、取水構造体１０、導水管２０、発電機３０、潜水体４０、排出部５０のいずれか、または、それらいずれかの組み合わせなどを並列化した構成であっても良い。
さらに、本発明の海洋発電システム１００を複数個並べて稼働して大規模に電力を得ることも可能である。
【実施例２】
【００８８】
実施例２は、排出部の構成例として、ポンプ機構を採用した強制排水による海洋発電システム１００ａの構成例を説明する。
実施例２にかかる本発明の海洋発電システム１００ａは、排水部５０ａにおける廃水をポンプ５８によって強制排水を行うものである。
なお、その他の取水構造体１０、導水管２０、発電機３０、潜水体４０、その他、以下の実施例２の説明において特に説明しない構成物については実施例１と同様で良く、ここでの説明は省略し、図示も省略する。【００８９】
図１０は、実施例２にかかるポンプ機構を備えた排出部５０ａの構造が分かりやすいように示した図である。動作原理を分かりやすく示したものであり、細かい機械的な構造や形状は省略している。
図１０に示すように、ポンプ機構を備えた排出部５０ａは、ポンプ５８、電力供給装置５９を備えたものとなっている。【００９０】
ポンプ５８は潜水体４０が位置する水深における水圧に抗して海水を海中へ排水できる能力が必要である。
電力供給装置５９はポンプ５８を稼働させる電力を供給するものであり、電力供給装置５９への電力供給にあてる電力を得る方法は特に限定されない。潜水体４０の周囲の深層海流を利用した発電で得られた電力を供給しても良いし、導水管２０に設けた発電機３０において本発明の海洋発電システム１００ａの発電で得られた電力を供給しても良いし、両者を組み合わせるものであっても良い。【００９１】
例えば、潜水体４０の周囲の深層海流を利用した発電の構成例としては、潜水体４０の周囲に取り付けたプロペラ体を海流中におくことで回転トルクを得て発電機を回転させて電力を得るものなどがある。
潜水体４０の周囲に取り付けた電力供給装置５９により電力が得られれば、その電力によりポンプ５８を駆動し、潜水部４０の位置する水深の海中に海水を放出することができる。【００９２】
このように、潜水体４０の周囲に取り付けた電力供給装置５９により得られる電力に見合う分だけ、ポンプ５８の排出能力が得られ、このポンプ５８が排出した海水の容積分の海水を海面付近から導水管２０に導かれるように海水流量制御部１４によって導入される海水量を制御する。
なお、潜水体４０の周囲に取り付けた電力供給装置５９により得られる電力は、いわゆる深層海流の潮流発電の発電能力の進歩により向上が期待できる。
さらに、潜水体４０の周囲に取り付けた電力供給装置５９に加え、導水管２０に設けた発電機３０において本発明の海洋発電システム１００の発電で得られた一部の電力を利用する構成でも良い。【００９３】
なお、上記構成において、電力供給装置５９を並列化して複数個の電力供給装置５９によりポンプ５８へ電力を供給しても良い。
また、上記構成において、ポンプ５８と電力供給装置５９のセットを並列化して複数個の排出部５０ａを設けて海水を排水しても良い。
なお、上記構成において、取水構造体１０、導水管２０、発電機３０、潜水体４０、排出部５０ａのいずれか、または、それらいずれかの組み合わせなどを並列化した構成であっても良い。
さらに、本発明の海洋発電システム１００ａを複数個並べて稼働して大規模に電力を得ることも可能である。
また、排出部として、実施例１で示した海中ピストン駆動による排水と、実施例２で示したポンプ駆動による強制排水を組み合わせたものとする構成も可能である。【００９４】
以上、本発明の海洋発電システムの好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の海洋発電システムは、海流が速くかつ安定して流れている海域であれば、取水構造体１０を浮かべるとともに潜水体４０を海中に沈め、導水管２０を設置することにより、発電システムとして広く適用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１００  海洋発電システム
１０  取水構造体
１１  浮体部
１２  開口部
１３  上部導水部
１４  海水流量制御部
２０  導水管
３０  発電機
４０  潜水体
４１  貯留空間
４２  通気管
５０  排出部
５１  シリンダー
５１１  第１のシリンダー室
５１２  第２のシリンダー室
５２  ピストン体
５２１  水路
５３  第１の逆止弁路
５４  第２の逆止弁路
５５  第３の逆止弁路
５６  動力伝導機構
５６１  プロペラ体
５６２  プロペラ体の回転軸
５６３  変換機構
５７  排出口
５８  ポンプ
５９  電力供給装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月13日(2012.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海水を取り込む構造体であって、内部に海水を取り込む開口部と、前記開口部を介して取り込んだ海水を内部に流し込む上部導水部とを備えた取水構造体と、
一端が前記取水構造体の前記上部導水部に接続され、前記上部導水部から取り込んだ海水を海面下の下方に向けて導入するための空間を海中に確保せしめる導水管と、
前記導水管に対して取り付けられ、前記導水管中の空間に導入された海水の落下運動または水圧により発電する発電機と、
前記導水管の他端に接続され、前記導水管の他端から排出される海水を取り込む貯留空間を提供する潜水体と、
前記潜水体に取り込まれた海水を前記潜水体の付近を流れる海流の力を受けて駆動する駆動機構を用いて前記潜水体外へ排出する排出部を備えた海洋発電システム。
【請求項２】
前記取水構造体が、浮力により海上に浮いた海上浮体物である請求項１に記載の海洋発電システム。
【請求項３】
前記排出部が、前記潜水体の前記貯留空間に貯留された海水を前記潜水体外の海中へ汲み上げて放出するポンプ機構と、前記潜水体の付近を流れる海流の力を受けて前記ポンプ機構を駆動する電力を得る潜水体外発電機を備えた、ポンプ式海水排出機構である請求項１または２に記載の海洋発電システム。
【請求項４】
前記導水管に取り付けられている前記発電機により得られた電力の一部を前記ポンプ式海水排出機構の前記ポンプ機構を駆動する電力として利用する請求項３に記載の海洋発電システム。
【請求項５】
前記ポンプ式海水排出機構が並列化されて前記潜水体の周囲に配置され、各々の前記ポンプ式海水排出機構が、前記潜水体の貯留空間から前記海水を汲み出して潜水体外へ排出するものである請求項３または４に記載の海洋発電システム。
【請求項６】
前記上部導水部から前記導水管に落下させる海水量を、前記ポンプ式海水排出機構の海水排出量に見合う量に制御する海水流量制御部を備えたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項７】
前記排出部が、シリンダーと、前記シリンダー内をピストン運動するピストン体と、前記潜水体の付近を流れる海流の力を受けて前記ピストン体にピストン運動をさせる動力を伝導する動力伝導機構を備え、
前記ピストン体のピストン運動に同期して前記貯留空間内の前記海水を前記潜水体外の海中に排出するピストンシリンダー式海水排出機構である請求項１に記載の海洋発電システム。
【請求項８】
前記ピストンシリンダー式海水排出機構が、前記シリンダーと前記潜水体の前記貯留空間とを逆流を防止しつつ接続する第１の逆止弁路と、前記シリンダーと前記潜水体外の海中とを逆流を防止しつつ接続する第２の逆止弁路を備え、前記貯留空間内の前記海水を前記シリンダー内に取り込む取り込みフェーズと、前記シリンダー内に取り込まれた前記海水を前記潜水体外の海中に排出する排出フェーズを備えた海水排出ピストンサイクルで稼働するピストンシリンダー式海水排出機構である請求項７に記載の海洋発電システム。
【請求項９】
前記取水構造体が、浮力により海上に浮いた海上浮体物である請求項７または８に記載の海洋発電システム。
【請求項１０】
前記ピストンシリンダー式海水排出機構が並列化されて前記潜水体の周囲に配置され、各々の前記ピストンシリンダー式海水排出機構が、前記ピストンサイクルにて、前記潜水体の貯留空間から前記海水を取り込んで海中へ排出するものである請求項７乃至９のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１１】
前記上部導水部から前記導水管に落下させる海水量を、前記ピストンシリンダー式海水排出機構の海水排出量に見合う量に制御する海水流量制御部を備えたことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１２】
前記導水管内のうち少なくとも前記発電機が設けられている箇所よりも下側の空間および前記潜水体の貯留空間の双方または少なくとも一方に導通する通気管を設け、システム全体が海水で満たされることを防止せしめることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１３】
前記発電機が、ペルトン型水車またはフランシス型水車を備えた発電機であり、前記導水管中に導入して落下してくる海水を前記発電機に当てることにより発電するものである請求項１から１２のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【請求項１４】
前記導水管の素材としてステンレスワイヤーフレーム内蔵の超高強度繊維管を用いたものである請求項１から９のいずれか１項に記載の海洋発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
導水管２０は、この構成例では筒状の管体であり、図１に示すように、一端が取水構造体１０に接続され、他端が潜水体４０に接続されており、取水構造体１０と潜水体４０の間に設けられた構造物となっている。
導水管２０は、上部導水部１３から取り込んだ海水を海面下の下方に向けて導入するための空間を海中に確保せしめるものとなっている。つまり、海中に略縦方向に、海面近くから潜水体４０がある海中までの落差がある空間が確保されることとなる。
構造強度は海中で受ける水圧に耐えうるように頑強なものとなっている。例えば、素材として、ステンレスワイヤーフレーム内蔵の超高強度繊維管を使うことができる。高強度繊維は、スペクトラ繊維（ＳＰＥＣＴＲＡはハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッドの商標）とも呼ばれ、軽量で柔軟性がある上、鉄の約十倍の強度がある。また、金属疲労が起きず、錆びにくいという利点がある。海上および海中に適用する上では錆びないという利点も大きい。ステンレスワイヤーフレームを内蔵させたものとすればさらに好ましい。
【国際調査報告】
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