(57)【要約】【課題】発電装置において、ナセルの取り外しを容易にすることにある。【解決手段】ステータ２１は支柱２０に設けられ、ロータ１１は支柱２０に着脱可能に構成されたナセル１０に内蔵されている。また、ステータ２１は、支柱２０にナセル１０が装着された状態において、ロータ１１に臨むように湾曲するとともに、ロータ１１の円周の半分以下の角度範囲Ａに形成される。よって、例えば、ナセル１０のメンテナンス又は故障の際、ロータ１１を有するナセル１０のみを、ステータ２１を有する支柱２０から取り外すことができる。このため、従来一般的なステータもナセルに内蔵された構成に比べて、ナセル１０の取り外しを容易に行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを回転エネルギに変換するブレードと、
流体の流れに伴い前記ブレードとともに回転するロータと、
前記ロータの回転に伴い発電するステータと、を備えた発電装置において、
前記ステータが設けられる支柱を備え、
前記ロータは前記支柱に着脱可能に構成されたナセルに内蔵され、
前記ステータは、前記支柱に前記ナセルが装着された状態において、前記ロータに臨む位置に、前記ロータの円周の半分以下の角度範囲で形成される発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ロータにはその周方向に沿って磁石が配置され、
前記ステータは、前記周方向に沿ってコイルが配置され、
前記ナセルを前記支柱から取り外す際に、前記コイルを前記磁石と反発力を生じる位相に通電するように構成される発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記ロータにはその周方向に沿って磁石が配置され、
前記ステータは、前記周方向に沿ってコイルが配置され、
前記ナセルを前記支柱に取り付ける際に、前記コイルを前記磁石と反発力を生じる位相に通電し、前記反発力を小さくしていくように構成される発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ロータ及び前記ステータにはその周方向に沿ってコイルが配置され、
前記ロータ及び前記ステータとは別に設けられる、前記ブレードの回転に伴い発電する発電部と、
前記発電部が発電した電力に基づき、前記ロータのコイルに電流を供給することで前記ロータに対して回転磁界を生成し、前記回転磁界の回転速度を調整することで、前記ロータの回転に伴うロータ回転速度とロータに発生する回転磁界の回転速度を足し合わせた合計の回転磁界の回転速度を一定とする回転磁界調整部と、を備えた発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、海流又は潮流を利用して発電する発電装置が注目されている（例えば、特許文献１参照）。この種の発電装置は、その本体部であるナセルと、下端が海底に固定されるとともに上端でナセルを支持する支柱と、を備える。
【０００３】
例えば、ナセルは、海流又は潮流により回転するブレードと、ブレードの回転により回転するロータと、このロータの回転により発電するステータと、ナセルにおけるステータが発電した電力を外部に送電する送電部と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の発電装置では、ナセルのメンテナンス又はナセルにおけるブレード、軸受け等が故障した場合には、ナセルを海中から取り出す必要がある。しかし、ナセルには、ロータ、ステータ及び送電部等が内蔵されているため、ナセルを取り出す作業が困難であった。この種の課題は、海流又は潮流により発電する発電装置に限らず、風力により発電する発電装置においても生じうる。
【０００６】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ナセルの取り外しを容易にした発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
上記課題を解決する発電装置は、流体の流れを回転エネルギに変換するブレードと、流体の流れに伴い前記ブレードとともに回転するロータと、前記ロータの回転に伴い発電するステータと、を備えた発電装置において、前記ステータが設けられる支柱を備え、前記ロータは前記支柱に着脱可能に構成されたナセルに内蔵され、前記ステータは、前記支柱に前記ナセルが装着された状態において、前記ロータに臨む位置に、前記ロータの円周の半分以下の角度範囲で形成される。
【０００８】
この構成によれば、ステータは支柱に設けられ、ロータは支柱に着脱可能に構成されたナセルに内蔵されている。また、ステータは、支柱にナセルが装着された状態において、ロータに臨む位置に、ロータの円周の半分以下の長さで形成される。よって、例えば、ナセルのメンテナンス又は故障の際、ロータを有するナセルのみを、ステータを有する支柱から取り外すことができる。このため、従来のステータもナセルに内蔵された構成に比べて、ナセルの取り外しを容易に行うことができる。
【０００９】
上記発電装置について、前記ロータにはその周方向に沿って磁石が配置され、前記ステータは、前記周方向に沿ってコイルが配置され、前記ナセルを前記支柱から取り外す際に、前記コイルを前記磁石と反発力を生じる位相に通電することが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、発電装置は、ナセルを支柱から取り外す際に、コイルに通電することによりロータの磁石と反発力を生じさせる。これにより、ロータをステータから、言い換えるとナセルを支柱から容易に取り外すことができる。
【００１１】
上記発電装置について、前記ロータにはその周方向に沿って磁石が配置され、前記ステータは、前記周方向に沿ってコイルが配置され、前記ナセルを前記支柱に取り付ける際に、前記コイルを前記磁石と反発力を生じる位相に通電し、前記反発力を小さくしていくことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、発電装置は、ナセルを支柱に取り付ける際に、コイルに通電することにより磁石と反発力を生じさせ、通電電流を徐々に小さくすることにより、反発力を小さくしていく。このため、ナセルを支柱に取り付ける際に、ロータ（ナセル）及びステータ（支柱）間で作用する磁気吸引力によってロータがステータ等に衝突することが抑制される。
【００１３】
上記発電装置について、前記ロータ及び前記ステータにはその周方向に沿ってコイルが配置され、前記ロータ及び前記ステータとは別に設けられる、前記ブレードの回転に伴い発電する発電部と、前記発電部が発電した電力に基づき、前記ロータのコイルに電流を供給することで前記ロータに対して回転磁界を生成し、前記回転磁界の回転速度を調整することで、前記ロータの回転に伴うロータ回転速度とロータに発生する回転磁界の回転速度を足し合わせた合計の回転磁界の回転速度を一定とする回転磁界調整部と、を備えることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、ブレードが回転すると、それに伴いロータが回転するとともに、発電部が発電する。回転磁界調整部は、発電部が発電した電力に基づき、コイルに電流を供給することでロータに対して回転磁界を発生させる。具体的には、回転磁界調整部は、回転磁界の回転速度を調整することで、ロータの回転に伴うロータ回転速度とロータに発生する回転磁界の回転速度を足し合わせた合計の回転磁界の回転速度を一定とする。これにより、ロータに加わる合計の回転磁界の回転速度が一定となるため、ステータのコイルには所望の周波数の電圧が誘起される。よって、ステータのコイルが誘起する電圧を所望の周波数に変換する必要がなく、発電装置において、より簡易な構成を実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電装置において、ナセルの取り外しを容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態における発電装置の構成を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】第１の実施形態におけるナセルの着脱時の発電装置の構成を示す断面図。
【図４】第１の実施形態における発電装置の構成を示す部分拡大断面図。
【図５】第２の実施形態における発電装置の構成を示す断面図。
【図６】図５のＢ−Ｂ線断面図。
【図７】他の実施形態における発電装置の構成を示す部分拡大断面図。
【図８】他の実施形態における発電装置の構成を示す部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、発電装置の第１の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、発電装置１は、海中に設置するものであって、ナセル１０と、支柱２０とを備える。支柱２０は、その下端が海底に固定されるとともに、その上端にナセル１０が着脱可能に固定されている。
【００１８】
（ナセルの構成）
図２に示すように、ナセル１０は、回転部１５と、ロータ１１と、ケース１７と、軸受１８と、防水シール１９と、ブレーキ部１６とを備える。
【００１９】
ケース１７は、ナセル１０の外枠をなすものであって軸方向（図２の左右方向）に沿って略円筒状に形成される。図１に示すように、ケース１７の外周面には、下方向（円柱２０の方向）に向かって開口した開口孔１７ａが形成されている。ナセル１０は、この開口孔１７ａ内に支柱２０の上端を嵌め込み可能に構成されている。
【００２０】
図２に示すように、回転部１５は、円筒部１５ａと、その円筒部１５ａの内周側に位置するブレード１５ｂとを備える。ブレード１５ｂは、ナセル１０内を通過する海流又は潮流を回転エネルギに変換し、ナセル１０の中心軸を回転中心として回転する。図１に示すように、ブレード１５ｂは、その径方向外方の端部が円筒部１５ａの内周面に固定されている。
【００２１】
また、図２に示すように、円筒部１５ａの外周面とケース１７の内周面との間には一対の軸受１８が設置されている。また、両軸受１８の軸方向における両外側には、それぞれ防水シール１９が設置されている。円筒部１５ａの外周面には、円環状のロータ１１が嵌め込まれている。このロータ１１は、一対の軸受１８間に位置するとともに、回転部１５と一体で回転する。また、ブレーキ部１６は、ロータ１１の回転を停止させ、ケース１７に対してロータ１１を固定することができる。
【００２２】
また、図１に示すように、ロータ１１には、その周方向に沿ってロータの径方向外側がＮ極の磁石１１ｎ及びロータの径方向外側がＳ極の磁石１１ｓが埋め込まれている。具体的には、２つのＮ極の磁石１１ｎの組と、２つのＳ極の磁石１１ｓの組とが交互に並んでいる。
【００２３】
（支柱の構成）
図１に示すように、支柱２０は、ステータ２１と、電力変換部２２と、回転角センサ２３とを備える。ステータ２１は、支柱２０の上部に設けられるとともに、コア２１ａと、コイル２１ｂとを備える。
【００２４】
コア２１ａは、ロータ１１と同心円となるように湾曲して形成されている。また、コア２１ａは、ロータ１１の外周（円周）の半分以下の角度範囲Ａに形成されている。コイル２１ｂは、コア２１ａの延在方向に沿って一定間隔で配置されている。コイル２１ｂは、そのコイル軸方向がロータ１１の中心軸を向くように設置されている。
【００２５】
電力変換部２２は、各コイル２１ｂからの交流電力を直流電力に変換したのちに所望の周波数の交流電力に変換する。電力変換部２２は、この所望の周波数の交流電力を外部に出力する。
【００２６】
また、電力変換部２２は、各コイル２１ｂに電流を供給することで各コイル２１ｂを電磁石として機能させ、コア２１ａに磁束を発生させることができる。回転角センサ２３は、ロータ１１の回転角度を検出し、その検出結果を電力変換部２２に出力する。
【００２７】
（発電時の作用）
以下、上記発電装置１の発電時の作用について説明する。
ナセル１０の内周側に海流又は潮流が流れ込むとブレード１５ｂが回転する。これにより、回転部１５とともにロータ１１が回転する。このとき、ロータ１１の磁石１１ｎ，１１ｓが形成する磁束が、ステータ２１の各コイル２１ｂと鎖交する。これにより、コイル２１ｂは電圧を誘起し、この誘起した電圧と、電圧に応じた電流を電力変換部２２に出力する。電力変換部２２は、この電力を所望の周波数の交流電力に変換し、その変換後の電力を発電電力として外部に出力する。
【００２８】
（ナセルの取り外し時の作用）
図３に示すように、例えば、ナセル１０のメンテナンス又はナセル１０の故障の際に、ナセル１０を支柱２０から取り外す作業を行う。
【００２９】
具体的には、まず、ナセル１０の取り外し前に、ブレーキ部１６でロータ１１をケース１７に対して固定する。そして、図４に示すように、電力変換部２２は、回転角センサ２３の検出結果に基づき、ステータ２１の各コイル２１ｂに対する各磁石１１ｎ，１１ｓの位置を判断し、ロータ１１における外側Ｎ極の磁石１１ｎに対応するコイル２１ｂをＮ極の電磁石とし、外側Ｓ極の磁石１１ｓに対応するコイル２１ｂをＳ極の電磁石とする。これにより、ロータ１１とステータ２１との間に反発力が発生する。よって、ナセル１０を支柱２０から容易に取り外すことができる。
【００３０】
また、上述のように、ステータ２１は、ロータ１１の外周に対応して湾曲するとともに、ロータ１１の外周の半分以下の角度範囲Ａに形成されている。このため、ステータ２１がロータ１１、ひいてはナセル１０の取り外しを阻害することが抑制される。
【００３１】
（ナセルの取り付け時の作用）
図３に示すように、例えば、ナセル１０のメンテナンス完了後又はナセル１０の修理完了後にナセル１０を支柱２０に取り付ける作業を行う。
【００３２】
具体的には、まず、取り外し時と同様、ブレーキ部１６でロータ１１をケース１７に対して固定するが、その際、ケース１７に対するロータ１１の位置を予め定めた基準位置に固定する。このようにロータ１１が基準位置にあることを前提に各コイル２１ｂに一定値の電流を供給することで、ロータ１１におけるＮ極の磁石１１ｎに対応するコイル２１ｂをＮ極の電磁石とし、Ｓ極の磁石１１ｓに対応するコイル２１ｂをＳ極の電磁石とする。これにより、ロータ１１とステータ２１との間に反発力が発生する。これは、ロータ１１の磁石（永久磁石）の磁気吸引力によって、ロータ１１がステータ２１側に吸引され、ナセル１０と支柱２０とが激しく衝突することを避けるためである。電力変換部２２は、各コイル２１ｂに供給する電流を上記一定値から徐々に減少させる。これにより、上記反発力が徐々に減少するため、ロータ１１をステータ２１に安全に近づけることができる。そして、電力変換部２２を通じて各コイル２１ｂに供給される電流がゼロに近づくと、ロータ１１の磁石１１ｎ，１１ｓの磁気吸引力を利用して、容易にナセル１０を支柱２０に取り付けることができる。
【００３３】
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）ステータ２１は支柱２０に設けられ、ロータ１１は支柱２０に着脱可能に構成されたナセル１０に内蔵されている。また、ステータ２１は、支柱２０にナセル１０が装着された状態において、ロータ１１に臨むように湾曲するとともに、ロータ１１の円周の半分以下の角度範囲Ａに形成される。よって、例えば、ナセル１０のメンテナンス又は故障の際、ロータ１１を有するナセル１０のみを、ステータ２１を有する支柱２０から取り外すことができる。このため、従来一般的なステータもナセルに内蔵された構成に比べて、ナセル１０の取り外しを容易に行うことができる。
【００３４】
（２）発電装置１は、ナセル１０を支柱２０から取り外す際に、各コイル２１ｂをロータ１１の磁石１１ｎ，１１ｓに対して反発力を生じる位相に通電する。これにより、ロータ１１をステータ２１から、言い換えるとナセル１０を支柱２０から容易に取り外すことができる。
【００３５】
（３）発電装置１は、ナセル１０を支柱２０に取り付ける際に、コイル２１ｂを磁石１１ｎ，１１ｓと反発力を生じる位相に通電し、反発力を徐々に小さくしていく。このため、ナセル１０を支柱２０に取り付ける際に、ロータ１１の磁石による磁気吸引力によって、ロータ１１（ナセル）がステータ２１（支柱）等に衝突することが抑制される。
【００３６】
（４）従来のロータ及びステータがナセルに内蔵されている構成では、ステータが発電した電力を支柱側に送電する構成（ナセルを支柱から取り外すことを考慮すると無線送電する構成が好ましい）が必要であったが、上記実施形態では、実際に発電するステータ２１がナセルではなく支柱２０に内蔵されるため、上記送電する構成が不要となる。よって、発電装置１において、より簡易な構成を実現することができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
以下、発電装置の第２の実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。この実施形態の発電装置は、巻線型誘導機を用いた点、及びロータの回転磁界の回転速度を一定とすることができる点が上記第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３８】
図５に示すように、本実施形態では、ロータ４１は、コア４１ａと、コイル４１ｂとを備える。コア４１ａは、円環状に形成されている。コイル４１ｂは、コア４１ａの周方向に沿って一定間隔で配置されている。コイル４１ｂは、そのコイル軸がコア４１ａの径方向に沿うように設けられている。
【００３９】
図６に示すように、発電装置１（ナセル１０）は、発電部３０と、回転磁界調整部４０とを備える。発電部３０は、磁石３１と、コア３２と、コイル３３とを備える。コア３２及びコイル３３は、上記コア４１ａ及びコイル４１ｂと同様の形状で、かつそれらより小さいサイズに形成されている。コア３２は、回転部１５の外周に嵌め込まれている。すなわち、本実施形態では、回転部１５の外周には、両コア４１ａ，３２がナセル１０の軸方向に並ぶ態様で嵌め込まれている。ナセル１０のケース１７の内周面であって、コア３２及びコイル３３と対面する位置には磁石３１が固定されている。
【００４０】
ブレード１５ｂが海流等によって回転すると、回転部１５とともにコイル３３及びコア３２が回転する。このとき、コイル３３及びコア３２が磁石３１に対して相対回転することから、コイル３３は電圧を誘起し、その誘起した電圧と電圧に応じた電流を回転磁界調整部４０に供給する。
【００４１】
回転磁界調整部４０は、コイル３３からの電力を変換し、ロータ４１の各コイル４１ｂに回転磁界を発生させる。例えば、回転磁界調整部４０は、ブレード１５ｂを介して回転部１５が第１の速度Ｓ１で回転したとき、発電部３０からの電力に基づき、ロータ４１の各コイル４１ｂに第２の速度Ｓ２の回転磁界を発生させる。すなわち、図５に矢印で示すように、このときロータ４１には、実際のロータ４１の回転による第１の速度Ｓ１と、回転磁界調整部４０により生成された第２の速度Ｓ２と、を足し合わせた第３の速度Ｓ３の合計の回転磁界が生じている。ロータ４１に第３の速度Ｓ３の回転磁界が生じているとき、ステータ２１の各コイル２１ｂは所望の周波数（例えば６０Ｈｚ）の電圧を誘起する。回転磁界調整部４０は、合計の回転磁界が常に一定となるように回転磁界を調整する。これにより、電力変換部２２を通じてステータ２１の発電電力を所望の周波数に変換する必要がなくなる。よって、発電装置１、特に支柱２０においてより簡易な構成とすることができる。
【００４２】
以上、説明した実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（４）の効果に加え、以下の効果を奏することができる。
（５）ブレード１５ｂが回転すると、それに伴いロータ４１が回転するとともに、発電部３０が発電する。回転磁界調整部４０は、発電部３０が発電した電力に基づき、ロータ４１のコイル４１ｂに電流を供給することでロータ４１に対して回転磁界を加える。具体的には、回転磁界調整部４０は、回転磁界を調整することで、ロータ４１の実際の回転に伴う回転磁界と、回転磁界とを足し合わせた合計の回転磁界の回転速度を一定とする。これにより、ステータ２１に加わる合計の回転磁界の回転速度が一定となるため、ステータ２１のコイル２１ｂには所望の周波数の電圧が誘起される。よって、ステータ２１のコイル２１ｂが誘起する電圧を所望の周波数に変換する必要がなく、発電装置１において、より簡易な構成を実現することができる。
【００４３】
なお、回転磁界調整部４０においても第１の実施形態の電力変換部２２と同様に電力を変換する構成であるが、回転磁界調整部４０の方が扱う電力が小さいため簡易な構成となる。
【００４４】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記両実施形態においては、軸受１８は転がり軸受であったが、図７に示すように、支柱２０の上面に、ロータ１１を回転可能に支持する回転支持部５０を複数設けてもよい。この構成では、軸受１８は不要となるため、ナセル１０をよりコンパクトに構成することができる。
【００４５】
・上記実施形態においては、発電装置１は海流又は潮流により発電するものであったが、風力によって発電するものであってもよい。この場合でも、ナセル１０のメンテナンス等が容易となる。
【００４６】
・上記実施形態においては、ステータ２１は、ロータ１１の周面に沿って湾曲状に形成されていたが、ステータ２１を湾曲させずに直方状に形成してもよい。例えば、図８に示すように、コア６１をロータ１１側に開口する櫛状に形成する。コイル２１ｂは、コア６１の各先端に挿入される。この構成においても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４７】
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想をその効果と共に記載する。
（イ）前記ステータは前記ロータに臨むように湾曲して形成される発電装置。
【符号の説明】
【００４８】
１…発電装置、１０…ナセル、１１…ロータ、１１ｎ，１１ｓ…磁石、１５…回転部、１５ａ…円筒部、１５ｂ…ブレード、１６…ブレーキ部、１７…ケース、１７ａ…開口孔、１８…軸受、１９…防水シール、２０…支柱、２１…ステータ、２１ａ…コア、２１ｂ…コイル、２２…電力変換部、２３…回転角センサ、３０…発電部、３１…磁石、３２…コア、３３…コイル、４０…回転磁界調整部、５０…軸受、６１…コア。
【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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