(57)【要約】【課題】流体の流れの力を回転体によって直接受けることなく発電できるようにする。【解決手段】流体中に配置されて発電する発電装置に運動体２０とシャフト駆動機構４０と発電機６０とを備える。運動体２０は、流体の流れ９０を横切る方向９２に延びる第１のシャフト２１と、第１のシャフト２１に平行に延びる第２のシャフト２２および第３のシャフト３１と、第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とに掛け回されたベルト２３とを備える。シャフト駆動機構４０は、第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とを互いに相対的に移動させて流体の流れ９０の向きに進行する波をベルト３１に形成させる。発電機６０は、ベルトの運動によって発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に配置されて発電する発電装置において、
前記流体の流れを横切る方向に延びる第１のシャフトと、前記第１のシャフトに平行に延びる第２のシャフトおよび第３のシャフトと、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとに掛け回されたベルトと、を備えた運動体と、
前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとを互いに相対的に移動させて前記流体の流れの向きに進行する波を前記ベルトに形成させるシャフト駆動機構と、
前記ベルトの運動によって発電する発電機と、
を有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記ベルトは、前記第１のシャフトから前記第２のシャフトに向かう復路側が前記第２のシャフトから前記第１のシャフトに向かう往路側に比べて広い面積が流体排除体で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記運動体は２つであって、２つの前記運動体は互いに前記復路側が対向するように配置されていて、
前記シャフト駆動機構は、２つの前記運動体の前記ベルトに同じ位相の波を形成させるものであることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
流体中で発電する発電方法において、
前記流体の流れを横切る方向に延びる第１のシャフトと、前記第１のシャフトに平行に延びる第２のシャフトおよび第３のシャフトと、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとに掛け回されたベルトと、を備えた運動体を前記流体中に配置する工程と、
前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとを互いに相対的に移動させて前記流体の流れの向きに進行する波を前記ベルトに形成させる工程と、
前記ベルトの運動によって発電する工程と、
を有することを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中に配置されて発電する発電装置および発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海中などの流体中に配置されて発電する発電装置としては、流れに垂直に配置されたプロペラなどの回転体で力を受けて発電機の軸を回転させるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１３７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流れに垂直に配置されたプロペラなどの回転体で流体から力を受けて発電する発電装置では、発電量を大きくするためには回転体が流体を遮る面積を大きくする必要がある。また、回転体の端が流体中を大きな速度で移動する。このため、魚を損傷するなど、環境負荷が大きい場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、流体の流れの力を回転体によって直接受けることなく発電できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明は、流体中に配置されて発電する発電装置において、前記流体の流れを横切る方向に延びる第１のシャフトと、前記第１のシャフトに平行に延びる第２のシャフトおよび第３のシャフトと、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとに掛け回されたベルトと、を備えた運動体と、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとを互いに相対的に移動させて前記流体の流れの向きに進行する波を前記ベルトに形成させるシャフト駆動機構と、前記ベルトの運動によって発電する発電機と、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、流体中で発電する発電方法において、前記流体の流れを横切る方向に延びる第１のシャフトと、前記第１のシャフトに平行に延びる第２のシャフトおよび第３のシャフトと、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとに掛け回されたベルトと、を備えた運動体を前記流体中に配置する工程と、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトと前記第３のシャフトとを互いに相対的に移動させて前記流体の流れの向きに進行する波を前記ベルトに形成させる工程と、前記ベルトの運動によって発電する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、流体の流れの力を回転体によって直接受けることなく発電できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の上面図である。
【図２】本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の側面図である。
【図３】本発明に係る発電装置の第１の実施の形態による発電出力の計算例を示す表である。
【図４】本発明に係る発電装置の第２の実施の形態の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る発電装置のいくつか実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の上面図である。図２は、本実施の形態における発電装置の側面図である。
【００１２】
本実施の形態の発電装置１０は、潮流のある海の中など、流体中に配置されて発電する。この発電装置１０は、運動体２０とシャフト駆動機構４０と発電機６０とを有している。
【００１３】
運動体２０は、第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とベルト２３とを有している。第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とは、流体の流れ９０を横切る方向９２に互いに平行に延びている。ベルト２３は、第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とに掛け回されている。
【００１４】
第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とは、たとえば鋼製である。ベルト２３は、たとえばゴム製である。ベルト２３は、たとえば鋼製で第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１との軸と同じ方向に延びる長方形の板を折れ曲がり可能に連結したものであってもよい。
【００１５】
シャフト駆動機構４０は、ベルト２３を流体の流れ９０を横切るように（矢印９２のように）往復運動させる。これにより、シャフト駆動機構４０は、第１のシャフト２１と第２のシャフト２２と第３のシャフト３１とを互いに相対的に移動させて流体の流れ９０の向きに進行する波をベルト２３に形成させる。第３のシャフト３１と第２のシャフト２２の往復運動の振幅は、第１のシャフト２１からの距離が大きくなるほど大きくなり、第２のシャフト２２で最大となる。シャフト駆動機構４０は、ベルト２３に沿って複数配置されたシャフト３１とシャフト２２のそれぞれの一方の端部に固定されたラック４２と、そのラック４２に噛み合わされたピニオン４３とを有している。ピニオン４３は、モータ４４の軸の回転運動によって直線運動する。シャフト駆動機構４０の各部品、すなわちラック４２、ピニオン４３、モータ４４などは、たとえば基台４５の中に収納されている。モータ４４を駆動する電力は、たとえば外部から供給される。
【００１６】
本実施の形態では、シャフト駆動機構４０は、第２のシャフト２２と第３の補助シャフト３１を直線往復運動させるものであるが、第１のシャフト２１を中心とした弧を描くような往復運動をさせるものでもよい。また、シャフト駆動機構４０は、流体から受ける力によって第２のシャフト２２と第３のシャフト３１を往復運動をさせてもよい。たとえばプロペラで別途設けた発電機の軸を回転させて発生させた電力を用いてモータ４４を駆動してもよい。プロペラで受けた力によって直接ピニオン４３を回転させて第２のシャフト２２と第３の補助シャフト３１を往復運動させてもよい。
【００１７】
発電機６０の軸は、第１のシャフト２１に連結されている。発電機６０は、第１のシャフト２１のシャフトの回転によって、発電する。発電機６０の軸は、第１のシャフト２１に直接連結されていてもよいし、たとえば減速あるいは増速などのギアを介して連結されていてもよい。
【００１８】
ベルト２３において、第２のシャフト２２から第１のシャフト２１に向かう側を往路側と呼び、第１のシャフト２１から第２のシャフト２２に向かう側を復路側と呼ぶこととする。ベルト２３の往路側は、直接、海水の流れ９０に面している。一方、ベルト２３の復路側は、流体排除体８０でおおわれている。流体排除体８０は、たとえばベルト２３と同一の素材で形成された膜である。流体排除体８０は、第１のシャフト２１の近傍で固定されている。また流体排除体８０は、第２のシャフト２２の近傍で第２のシャフトとともに運動する物に固定されている。
【００１９】
次に、本実施の形態の発電装置１０を用いた発電方法を説明する。
【００２０】
まず、発電装置１０を潮流や海流のある海の中などに配置する。さらに、シャフト駆動機構４０によって、第２のシャフト２２および第３のシャフト３１を位相を制御しながら往復運動させて、その振動がベルト２３に伝達され、第１のシャフト２１から第２のシャフト２２に向かって波が伝播する。本実施の形態において、シャフト駆動機構４０は、第２のシャフト２２および第３のシャフト３１をいずれも流れ９０を横切る方向にのみ運動させるが、いずれか一方、あるいは両方を、流れ９０の方向に移動させてもよい。
【００２１】
このように流体の流れ９０の中でベルト２３が波打つと、流れ９０に逆らう方向の力がベルト２３に与えられる。このことは、魚が体を波打つようにくねらせることにより推進力を得ていることから明らかである。ベルト２３の往路側は、直接、海水の流れ９０に面しているため、流体の流れ９０から力を受ける。一方、ベルト２３の復路側は、流体排除体８０によって、流体の流れ９０からの影響をほとんど受けない。したがって、ベルト２３が流体の流れ９０から受ける力の総和は、ベルト２３を一方向に動かす力となる。流体排除体８０は、ベルト２３の一方の側が流れ９０から受ける力が他方の側が受ける力よりも大きくなるようなものであればよい。たとえばベルト２３の一部を覆うものであってもよい。
【００２２】
本実施の形態では、この流体の流れ９０の中でベルト２３が波打つことによりベルト２３に与えられる力によってベルトが第１のシャフト２１および第２のシャフト２２の周りを回る。このベルト２３の動きによって第１のシャフト２１が回転し、発電機６０の軸が回転し、発電機６０が発電する。
【００２３】
ここで、第１のシャフト２１の位置を原点とし、ベルト２３の往復運動の中心がｘ軸上にあると考える。第２のシャフト２２および第３のシャフト３１は、ｙ方向に往復運動するとする。流れ９０の速度をＵ、ベルト２３の速度をｕ、流体の密度をρｗ、ベルト２３の変位をｈ（ｘ，ｔ）とすると、得られる力Ｐは、以下の式で与えられる（Ｍ．Ｊ．Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ、”Ｎｏｔｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｓｗｉｍｍｉｎｇ  ｆｉｓｈ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、９、３０５−３１７、１９６０）。
【００２４】
【数１】
2019019786.tif 000003
得られる力Ｐは、魚などの流体中を動く物体においては推進力である。
【００２５】
ここで、第２のシャフト２２がｘ軸上にあるときの座標を（ｌ、０）、すなわち、第１のシャフト２１と第２のシャフト２２との距離をｌとする（第１のシャフト２１と第２のシャフト２２の大きさは無視した）。ρｗＡ（ｌ）は、ｘ＝ｌに（ベルト２３の後端）における単位長さ当たりの付加質量であり、以下の式で近似できる。
【００２６】
【数２】
2019019786.tif 000004
【００２７】
（１）式中の下付き添え字のｘ＝ｌは、ｘ＝ｌ（ベルト２３の後端、すなわちベルト２３の第２のシャフト２２側の端部）における値をとることを示す。したがって、（１）式および（２）式により、流体からベルト２３が受ける力は、ベルト２３後端の幅ｄ（ｌ）とベルト２３後端のｙ方向変位ｈ（ｘ，ｔ）だけによって決まることがわかる。
【００２８】
流れ９０による抗力Ｄは、抗力係数をＣＤとし、次式で評価できると仮定する。
【００２９】
【数３】
2019019786.tif 000005
【００３０】
正味の時間平均の力Ｐｎｅｔは、次式で計算できる。
【００３１】
【数４】
2019019786.tif 000006
ここで、Ｆｔｕｒｂｉｎｅは、発電機６０の軸を回すために必要な力である。
【００３２】
ベルト２３の速度ｕは、Ｐｎｅｔ＝０となるところまで加速して定常（等速）状態となると考えられるから、以下のようになる。
【００３３】
【数５】
2019019786.tif 000007
【００３４】
【数６】
2019019786.tif 000008
【００３５】
【数７】
2019019786.tif 000009
【００３６】
発電機６０の軸を回すために利用されるパワーＷｔｕｒｂｉｎｅは、次式で与えられる。
【００３７】
【数８】
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【００３８】
つまり、この発電装置１０では、最大Ｗｔｕｒｂｉｎｅの発電量が得られる。ベルト２３の振動、すなわち第２のシャフト２２と第３のシャフト３１の往復運動に、流体の流れ９０から受ける力を用いた場合には、Ｗｔｕｒｂｉｎｅの発電量が得られる。
【００３９】
ベルト２３の振動、すなわち第２のシャフト２２および第３のシャフト３１の往復運動に、発電機６０が発電した電力、あるいは、外部から供給された電力を用いた場合について考える。第２のシャフト２２と第３のシャフト３１によってベルト２３に往復運動ｈ（ｘ，ｔ）をさせるためには、パワーＷｌａｔｅｒａｌが必要であるから、発電装置１０により海流・潮流などの流れ９０から得られる単位時間当たりのエネルギーから第２のシャフト２２と第３のシャフト３１を往復運動ｈ（ｘ，ｔ）させるためのパワーＷｌａｔｅｒａｌを差し引いた正味のパワーＷｎｅｔは、次式で与えられる。
【００４０】
【数９】
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次に、Ｗｌａｔｅｒａｌを求める方法を考える。
【００４１】
ベルト２３のｙ方向変位を弾性梁の振動（変位ｈ（ｘ，ｔ））とみなし、弾性梁の弾性率（ヤング率）をＥ（ｘ）とすると、振動の運動方程式は次のように書ける。
【００４２】
【数１０】
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ここで、Ｓ（ｘ）：ベルト２３の断面積、Ｅ（ｘ）Ｉ（ｘ）：ベルト２３の曲げ剛性、ρ（ｘ）：ベルト２３の密度、である。
【００４３】
（１０）式の右辺のＦ（ｘ，ｔ）は、ベルト２３に働く外力であり、以下のように起源の異なる２つの成分からなると考えられる。
【００４４】
【数１１】
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上述のＬｉｇｈｔｈｉｌｌの文献によれば、Ｆ２は次式で表される。
【００４５】
【数１２】
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（１２）式を（１０）式に代入して、Ｆ２の部分を左辺に移項すると、次式が得られる。
【００４６】
【数１３】
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結局、（１３）式のＦ１（ｘ，ｔ）を使って、（９）式中のＷｌａｔｅｒａｌは、以下のように書ける。
【００４７】
【数１４】
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【００４８】
次に、本実施の形態の発電装置１０によって得られる発電出力（（９）式のＷｎｅｔ）の例を計算した。ただし、Ｋａｇｅｍｏｔｏ（Ｈ．Ｋａｇｅｍｏｔｏ、”Ｗｈｙ  ｄｏ  ｆｉｓｈ  ｈａｖｅ  ａ  ’ｆｉｓｈ−ｌｉｋｅ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ’？”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１３６（１）、０１１１０６−１−０１１１０６−７、２０１４）によれば、ベルト２３を往復運動させるために必要なパワーは、ベルト２３の弾性率（ヤング率）Ｅを調節することによって非常に小さくすることができるので、ここではＷｌａｔｅｒａｌ＝０とした。
【００４９】
ベルト２３の変位は、以下の通りとした。
【００５０】
【数１５】
2019019786.tif 000017
また、流速Ｕ＝１．０（ｍ／ｓ）、ベルト２３長さｌ＝１０．０（ｍ）、ベルト２３幅ｄ（ｌ）＝１．０（ｍ）、ベルト２３の往復運動の最大振幅ａ＝１．０（ｍ）、発電機６０の軸を回すために必要な力Ｆ＝５０，０００（Ｎ）、とした。
【００５１】
図３は、本実施の形態における発電装置による発電出力の計算例を示す表である。
【００５２】
長さ１０ｍ、幅１ｍ級のベルト２３を持つ発電装置１０によって、ＭＷ級の出力が得られることが、図３からわかる。
【００５３】
このように、本実施の形態の発電装置では、流体の流れをベルトの運動に変換することができる。よって、本実施の形態の発電装置では、流体の流れの力を回転体によって直接受けることなく、発電することができる。このため、流体の流れを横切る面のより狭い領域で発電することが可能である。その結果、狭い流路でもより大きな発電量が得られる。また、プロペラなどの回転体を用いないため、魚などに損傷を与えるなどの環境負荷が小さい。
【００５４】
また、プロペラ型の風車の理論的な最大効率はベッツ係数５９．３％としてよく知られていて、効率１００％にはなり得ない。したがって、海流・潮流発電でプロペラ型風車を水中に設置するものの最大効率は５９．３％を超えることはできない。一方で、魚の推進効率は、理論上１００％になり得ることが示されており、本実施の形態の発電装置でも高い効率で流体の流れのエネルギーを電力に変換できる。プロペラ型発電装置は発電コストが高い。一方、本実施の形態の発電装置は、魚の泳法の流体力学的原理を利用している。魚の泳法は、推進効率が非常に高いことが知られている。よって、本実施の形態の発電装置は、高い発電効率が得られる「魚の泳法を利用した」発電装置である。
【００５５】
ベルト２３の弾性率（ヤング率）を設置想定海域の流れの速度に合わせて最適化することにより、ベルト２３を振動させるために必要なパワーを小さくすることができる。その結果、発電効率を向上させることができる。また、海洋だけでなく、川の流れを利用した小規模発電にも適用することができる。川の流れを利用する場合、流れの方向の変動がほとんどなく一定であるというメリットがある。
【００５６】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る発電装置の第２の実施の形態の上面図である。
【００５７】
本実施の形態の発電装置１１は、運動体２０を２個としたものである。２つの運動体２０は、互いに、ベルト２３の復路が対向するように配置されている。また２つの運動体２０の第２のシャフト２２および第３のシャフト３１は、それぞれ同じラック４２に固定されていて、同じ位相で往復運動する。
【００５８】
２つの運動体２０は、互いにベルト２３の復路側を覆う流体排除体８０（図１参照）としても機能している。また、第１のシャフト２１に対して流れ９０の上流側には、カバー８１が配置されている。このカバー８１によって、２つの運動体２０の間、すなわちベルト２３の復路側が向かい合う領域に、流体があまり流れ込まないようになっている。したがって、ベルト２３の復路側は、流体の流れ９０の影響をほとんど受けない。
【００５９】
このような発電装置１１であっても、第１の実施の形態と同様に、流体の流れをベルトの運動に変換することができる。よって、本実施の形態の発電装置では、流体の流れの力を回転体によって直接受けることなく、発電することができる。このため、流体の流れを横切る面のより狭い領域で発電することが可能である。その結果、狭い流路でもより大きな発電量が得られる。また、プロペラなどの回転体を用いないため、魚などに損傷を与えるなどの環境負荷が小さい。
【符号の説明】
【００６０】
１０…発電装置、１１…発電装置、２０…運動体、２１…第１のシャフト、２２…第２のシャフト、２３…ベルト、３１…第３のシャフト、４０…シャフト駆動機構、４２…ラック、４３…ピニオン、４４…モータ、４５…基台、６０…発電機、８０…流体排除体、８１…カバー、９０…流れ、９２…横切る方向
【図１】
2019019786.tif 000018
【図２】
2019019786.tif 000019
【図３】
2019019786.tif 000020
【図４】
2019019786.tif 000021