(57)【要約】【課題】  海流の流速を上げ、これと相俟ってタービン翼１６の小型化を図り、しかも電気エネルギーの高出力化も図る。また、発電装置の保守整備等がし易いような分割構造とする。【解決手段】  それぞれの増速洞１，２，３のくびれ部分同士５と６、６と７が所定の間隔２３を有し、かつ、それぞれの増速洞が独立した海水流入口９，１０，１１を有して海流に沿って直列的に設置し、それぞれの海水流入口９，１０，１１から海水を流入させ、又は、当該海水流入口９，１０，１１から海水の流入及び海水を吸い込ませて第１増速洞１のくびれ部分５内の海流の流速を上げることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方にくびれ部分５を有する筒体から構成される増速洞１の当該くびれ部分５を発電用タービン翼１６に向けるようにし、かつ、当該増速洞１を海流に沿って設置し、当該増速洞１の海水流入口９から多量の海水を流入させ、当該くびれ部分５から高速の海流を発電用タービン翼１６に向けて噴出させて、発電することを特徴とする海流発電方法。
【請求項２】
増速洞１のくびれ部分５の内部に発電用タービン１６を設置し、かつ、当該増速洞１を海流に沿って設置し、当該増速洞１の海水流入口９から多量の海水を流入させ、当該くびれ部分５に高速の海流を発生させて、発電することを特徴とする海流発電方法。
【請求項３】
増速洞１のくびれ部分５の周囲に海水の吸い込み口１３を設け、当該吸い込み口１３からも海水を吸い込ませて、発電することを特徴とする「請求項１」及び「請求項２」記載の海流発電方法。
【請求項４】
２個以上の増速洞をそれぞれの増速洞のくびれ部分同士が所定の間隔２３を有し、かつ、それぞれの増速洞が海水流入口を有するように海流に沿って直列的に設置し、それぞれの増速洞の海水流入口から海水を流入させて、若しくは当該海水流入口から海水の流入及び海水を吸い込ませて、又は、第１増速洞１以外の増速洞のくびれ部分の周囲に海水吸い込み口１３も設け更に海水を吸い込ませて、発電することを特徴とする「請求項１」、「請求項２」及び「請求項３」記載の海流発電方法。
【請求項５】
発電用タービン翼１６の設計上の出力を超える能力に対応する予備の増速洞を準備し、又は、第２増速洞２以降の増速洞を発電用タービン翼１６から遠ざけるように移動１８，１９，２０，２１し、固定２２することを特徴とする「請求項４」記載の海流発電方法。
【請求項６】
流速比が５以上である１又は２以上の増速洞の設置によって発電することを特徴とする「請求項１」、「請求項２」、「請求項３」、「請求項４」及び「請求項５」記載の海流発電方法。
【請求項７】
第１増速洞１のくびれ部分５の垂直断面の中心点を通る最少寸法が１０ｍ以下であるあることを特徴とする「請求項１」、「請求項２」、「請求項３」、「請求項４」、「請求項５」及び「請求項６」記載の海流発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、海流発電方法に係り、当該方法に関して１提案を行うものである。
【背景技術】
【０００２】  海流発電は、火力発電のように炭酸ガスの排出がなく、風力発電や太陽光発電のように天候に左右されないため、特に注目されている。【０００３】  海流の流速は１〜２ｍ／ｓで非常に小さい。当該低流速の運動のエネルギーを有効に取り入れるため、発電用タービン翼の大型化が必要であり、直径４０ｍの水中浮上式のものが検討されている。しかし、このようなタービン翼の大型化は、製造コストが高くなるという問題点を有している。したがって、海流発電の実用化にあたっては、海流の流速を上げる方法の確立が必要である。【０００４】
【非特許文献１】  フリー百科事典「ウイキペデイア（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）」
【非特許文献２】  ＩＨＩ技報  Ｖｏｌ．５３，Ｎｏ．２（２０１３）
【非特許文献３】  東芝レビュー  Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．６（２０１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  発明が解決しようとする課題は、上述のように海流の流速を上げる方法の確立が必要であるが、これと相俟ってタービン翼の製造コストの低減の観点からタービン翼の小型化が必要であると共に、電気エネルギーの高出力化も必要である。また、タービンの設計上の出力能力を十分に発揮し、電気エネルギーが安定して得られるように海流の変化による流速の低下にも対応する必要がある。さらには、海流発電装置の耐用年数は５〜１０年と短いため、保守整備や老朽化による新設のため、取り外し作業が容易となる装置構造とすることも要求されている。本発明が解決しようとする課題、上述の要求されている事項を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明に係る［請求項１］に記載の海流発電方法は、増速洞１のくびれ部分５の垂直断面積に対する当該増速洞１の海水流入口９の垂直断面積の比（以下、面積比という。）が大きくなればなるほど増速洞１のくびれ部分５の流速も大きくなることを利用して、当該高速の海流を発電用タービン翼１６に向けて噴出させて、発電することを特徴としている（図３（ａ））。増速洞１の形状は円形が望ましいが、楕円形状や多角形形状であっても良い。海水の流入口９は椀形状又は皿形状であっても良い。くびれ部分５の形状は一様であっても良いし、先細り又は先太りであっても良い。【０００７】  本発明に係る［請求項２］に記載の海流発電方法は、増速洞１のくびれ部分５の内部の高速の海流の中に発電用タービン翼１６を設置して発電することを特徴としている（図１、図３（ａ））。海流の流速による運動のエネルギーから発電用タービン翼の回転エネルギーへの変換効率を高めるためである。【０００８】  本発明に係る［請求項３］に記載の海流発電方法は、増速洞１のくびれ部分５の周囲の１箇所又は２箇所以上の位置に海水の吸い込み口１３を設けて発電することを特徴としている（図５（ｂ））。後述するベンチュリー管の原理の応用効果により、海水流入口９以外からも多量の海水を吸い込ませて海流の流速を上げるためである。また、このことにより、増速洞１の海水流入口９を小さくし、当該増速洞１の小型化によるタービン等の保守整備をし易くするためである。【０００９】  本発明に係る［請求項４］に記載の海流発電方法は、２個以上の増速洞（以下、発電用タービン翼１６の側の方から第１増速洞１、第２増速洞２、第３増速洞３、第４増速洞４、等と言う。）を海流に沿って直列的に設置し、海水流入口９等から、海水の流入若しくは海水の流入及び海水の吸い込みを生じさせ、又は、増速洞のくびれ部分の周囲に海水吸い込み口１３を設けて海水を更に吸い込ませて、発電することを特徴としている（図１、図２、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図４、図５（ａ））。海水流入口９、等を多くして海水の流入量を増加し、若しくは当該流入量の増加と共にベンチュリー管の原理の応用効果により海水の吸い込みによる流量の増加を図り、又は、新たに設けた海水吸い込み口１３からの流量増加を更に図り、第１増速洞１のくびれ部分５の内の流速の高速化を達成するためである。また、増速洞の大型化は、運搬、設置、保守整備等の点で困難性を伴うことが予想され、当該困難性を取り除くため、装置を分割、小型化するためである。この場合、海水流入口９等を設けるためのストッパー２３は、図１及び図２に示すようにくびれ部分５等側に設けても良いし、海水流入口９等側に設けても良い。【００１０】  ここで、ベンチュリー管の原理の応用効果とは、図４（ａ）において、第１増速洞１のくびれ部分５の入口付近の海水流入口９からの流入流速よりも第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速が大きいことにより第１増速洞１の内部に圧力低下が生じ、第１増速洞１の海水流入口９から当該増速洞の内部へと海水の吸い込み量が加速することを言う。当該圧力低下が生じないようにするためには、第１増速洞１の海水流入口９からの海水の吸い込み量の増加により、当該海��流入口９からの流入流速１倍と当該流入口９からの海水の吸い込み流速の和が第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速４倍に等しくなるまで海水を吸い込むとして計算し、当該吸い込み流速は（３）倍と計算された。そして、当該海水の吸い込み量は、第２増速洞２のくびれ部分６の垂直断面積に当該吸い込み流速（３）倍を掛けた値である。これらから第１増速洞１のくびれ部分５の流速は第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速の２倍となる。このようなことは、図４（ｂ），（ｃ）において、第２増速洞２と第３増速洞３との間でも言え、順次同様のことが言える。累計流速とは、第１増速洞１のくびれ部分５の垂直断面積に対するそれぞれの海水流入口の垂直断面積の面積比による流入流速比の和に、ベンチュリー管の原理の応用による海水の吸い込み流速比（図中、かっこ書きで示した値）の和を加えた値である。【００１１】  第２増速洞２のくびれ部分６の垂直断面積は、第１増速洞１のくびれ部分５の垂直断面積よりも大きくても良いし、小さくても良い。第２増速洞２のくびれ部分６の流速は面積比によりそれぞれ異なるが、海水流入口１０からの海水の流入量はそれぞれ等しく、また、海水流入口９の面積はくびれ部分６の面積がそれぞれ異なるのでその分だけ異なり、当該流入口９からの海水の流入量もそれに伴って異なるが、当該流入口９からの流入量と海水の吸い込み量との和は海水流入口１０からの海水流入量と等しい。したがって、第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速はそれぞれ等しく、図４（ａ）の場合と同じになるからである。【００１２】  ベンチュリー管の原理の応用効果を大きくするには、増速洞の数を増加して海水流入口を増加するか、又は海水の吸い込み口箇所の増加を図れば良いが、これら以外に第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速を大きくし、第１増速洞１の海水流入口９からの流入流速との差を大きくしてやれば良い。図３（ａ）は１個の増速洞を使用し、面積比を４倍とした場合を示し、図３（ｂ）は２個の増速洞を使用し、第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速と第１増速洞１の海水流入口９からの流入流速とを等しくした場合を示し、図３（ｃ）には、第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速を第１増速洞１の海水流入口９からの流入流速よりも小さくした場合を示した。その結果、第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速と第１増速洞１の海水流入９からの流入流速が等しい場合には、第１増速洞１の海水流入口９からの追加的な海水の吸い込みが生じない。第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速が第１増速洞１の海水流入口９からの流入流速よりも小さい場合には、当該流入口９から一部海水の排出へと転じ、マイナス効果となる。したがって、海水の吸い込みが生じる条件として第２増速洞２のくびれ部分６の流入流速が第１増速洞１の海水流入口９からの流入流速よりも大きいことである。このような関係は、第３増速洞３と第２増速洞２との関係、第４増洞４と第３増速洞３との関係、等でも言える。【００１３】  次に、３個の増速洞を使用した図２の場合について述べる。第１増速洞１のくびれ部分５に対する海水の流入口９の面積比を１倍とし、当該増速洞１のくびれ部分５に対する第２増速洞２の海水の流入口１０の面積比を１倍とし、第��増速洞１のくびれ部分５に対する第３増速洞３の海水の流入口１１の面積比を４倍とし、それぞれのくびれ部分の面積比は等しく、１倍とした場合の流速比を求める。第３増速洞３のくびれ部分７の流入流速は４倍である。第２増速洞２のくびれ部分６の累計流速は、上述の４倍に第２増速洞２の海水の流入口１０からの流入流速１倍及び海水の吸い込み流速（３）倍も加わり、８倍となる。第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速は、上述の８倍に、第１増速洞１の海水流入口９からの流入流速１倍及び海水の吸い込み口流速（７）倍も加わり、１６倍となる。第１増速洞１のくびれ部分５の海流の運動のエネルギーは、後述するように流速の３乗に比例するので、１６の３乗、すなわち４，０９６倍となる。独立して並列的に設置した場合には２倍（第２増速洞２のくびれ部分６の面積が除かれる）の３乗＋２倍（第３増速洞３のくびれ部分７の面積が除かれる）の３乗＋４倍の３乗＝８＋８＋６４＝８０となり、８０倍に留まり、独立して並列的に発電装置を複数設置するよりも、１つの発電装置に複数の増速洞を海流に沿って直列的に設置する方がエネルギー出力として著しく大きくなることが明らかである。【００１４】  増速洞を４個設置する場合に、図４（ａ）の第１増速洞１を２個増加した場合を図４（ｂ）に示し、図４（ａ）の第２増速洞２を２個増加した場合を図４（ｃ）に示し、それぞれの場合における第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速を求めた。その結果、いずれの場合も第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速は３２倍と計算された。また、２個の増速洞、すなわち、第１増速洞１と第２増速洞２を設置し、第２増速洞２のくびれ部分６を長くして長手方向の２箇所の位置に海水の吸い込み口１３を設けた場合を図５（ａ）に示し、第１増速洞１のみを設置し、第１増速洞１のくびれ部分５を長くして長手方向の３箇所の位置に海水の吸い込み口１３を設けた場合を図５（ｂ）に示した。いずれの場合も第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速は３２倍と計算された。
以上の結果より、第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速は、第１増速洞１を含め中間の増速洞の大きさに関係がなく、海水の流入又は海水の吸い込みに支障をきたさない程度の流入口又は吸い込み口の面積が確保されていれば良いこととなる。【００１５】  本発明に係る［請求項５］に記載の海流発電方法は、タービン翼１６の設計上の出力を超える能力に対応する予備の増速洞を準備し、又は、第２増速洞２以降の増速洞をタービン翼１６から遠ざけるように移動１８，１９，２０，２１し、固定２２することを特徴としている（図１、図２、図４）。海流の流速の変化による流速の低下によるエネルギー出力低下を防止し、安定的にエネルギー出力を供給するためである。図４（ａ）に示すように２個の増速洞を設けて、第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速を８倍に設定した場合には、海流の流速１〜２ｍ／ｓに対応する第１増速洞１のくびれ部分５の流速は８〜１６ｍ／ｓとなる。海流の流速が０．５〜１ｍ／ｓに低下した場合には、第１増速洞１のくびれ部分５の流速も４〜８ｍ／ｓと低下するが、図２に示すように第１増速洞１と同じ大きさの増速洞を両者の中間に設置することにより、第１増速洞１のくびれ部分５の流速は８〜１６ｍ／ｓに回復することとなる。海流の流速が０．２５〜０．５ｍ／ｓに低下した場合には、第１増速洞１のくびれ部分５の流速も２〜４ｍ／ｓと低下するが、両者の中間に図４（ｂ）に示すように当該増速洞を２個設置することにより第１増速洞１のくびれ部分５の流速も８〜１６ｍ／ｓに回復する。なお、追加する増速洞は図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）に示す大きめの第２増速洞２を追加しても第１増速洞１のくびれ部分５の累計流速は３２倍となり、図４（ｂ）の場合と同じである。【００１６】  また、第２増速洞２以降の増速洞の移動、固定手段１８，１９，２０，２１，２２を設けるのは、第１増速洞１のくびれ部分５の流速を下げ、発電用タービン翼等の保守整備等のための取り外し作業をやり易くするためである。この場合、第１増速洞１をできるだけ小型化し、かつ、タービン翼１６や発電機を収納している圧力容器１７と一体化した一つのユニットとして設置し、当該ユニットのままをクレーンで吊り上げて船上で保守整備等の作業ができるようにする必要がある。さらに、第１増速洞１を上下２分割できる構造として作業をやり易くしても良い。移動手段としては図１に示すように滑車２０とロープ２１を使用しクレーンで吊り上げ、引っ張って所定の位置に移動させ、海流によって戻されないようにフック２２に固定しても良い。なお、第２増速洞２以降の増速洞の取り付けは、クレーンで若干吊り上げて海流に乗せて目的の場所へと移動しても良い。【００１７】  本発明に係る［請求項６］に記載の海流発電方法は、流速比が５以上であることを特徴としている（図１、図２、図３（ｂ）、図４、図５）。特に著しい有利な効果を奏する範囲を請求するためである。ここで、流速比とは、第１増速洞１のくびれ部分５の垂直断面積に対するそれぞれの海水流入口の垂直断面積の比の和を言うが、当該この値にベンチュリー管の原理の応用効果による吸い込み流速比（図２、図３、図４、図５における、かっこ書きの値）を加算した値を言う。流速比を５以上とした理由は、増速洞を設置しない場合と比較して１００倍以上の運動のエネルギー出力を得るために必要な値だからである。すなわち、海水の流速が毎秒１ｍの場合の第１増速洞１のくびれ部分５の流速は毎秒５ｍであり、運動のエネルギー出力は５の３乗の１２５倍となるからである。上限の値は、実現可能な値に対応するため特に定めないが、できるだけ大きい方が良い。【００１８】  本発明に係る［請求項７］に記載の海流発電方法は、第１増速洞１のくびれ部分５の垂直断面の中心点を通る最少寸法が１０ｍ以下であることを特徴としている（図１、図２、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４、図５）。発電用タービン翼の小型化を実現するためである。すなわち、海水の流入口の面積を一定とした場合、第１増速洞１のくびれ部分５の垂直断面積を小さくすればするほど当該くびれ部分の流速が増加する。当該くびれ部分の垂直断面積を１／２とした場合は、当該くびれ部分の流速は２倍となる。当該くびれ部分の海流の運動のエネルギー出力は２の２乗の４倍となる。逆に、当該くびれ部分の断面積を一定として、海水の流入口の面積を２倍とした場合には２の３乗の８倍となるが、その相違は当該くびれ部分の流量（質量）が等しいか、２倍になるかの差によるものである。その下限値については、発電用タービン翼１６の設計上許容される小型化のサイズに対応するため特に定めないが、できるだけ小さい方が良い。
【発明の効果】
【００１９】  本発明の提案によって、海流の低流速を高速化することができ、当該高速化と相俟ってタービン翼１６の小型化も可能であり、当該タービン翼１６の製造コストの低減を図ることができると共に、適正な流速比を設定することにより高速海流の運動のエネルギーの高出力化も可能である。また、タービン翼１６の設計上の出力能力を十分に発揮し、海流の流速変化による流速の低下にも増速洞の追加設置によって対応することができ、特に、海流２ノット（毎秒１ｍ）以下の場所でも十分対応でき、海流発電装置の設置場所の選択幅が広くなるものと考えられる。さらには、発電用タービン翼１６の小型化と共に増速洞の小型化によって、これら装置の保守整備や老朽化による新設のため、取り付け及び取り外し作業が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】は、海流発電方法を概念的に示す正面図である
【図２】は、３個の増速洞を直列的に並べ、第１増速洞１の方から、海水流入口の面積比がそれぞれ１倍、１倍、４倍である場合のそれぞれのくびれ部分の流速比を示した正面図である。
【図３】は、ベンチュリー管の原理の応用効果が生じない場合（ｂ）とマイナス効果が生じる場合（ｃ）とを示した正面図である。
【図４】は、第１増速洞１の面積比が１倍、第２増速洞２の面積比が４倍である場合（ａ）を基準に、これらの間に第１増速洞１と同じ大きさの増速洞を２個設置した場合（ｂ）と第２増速洞２と同じ大きさの増速洞を２個設置した場合（ｃ）の第１増速洞１のくびれ部分５の流速比がそれぞれ等しいことを示す正面図である。
【図５】は、図４に示す４個の増速洞のうち、第２増速洞２と第３増速洞３を第４増速洞４に一体化し、２箇所の海水流入口に代えてくびれ部分６の長手方向の２箇所の位置に海水吸い込み口１３を設けた場合（ａ）と第１増速洞１から第３増槽洞３までを第４増速洞４に一体化し、３箇所の海水流入口に代えてくびれ部分５の長手方向の３箇所の位置に海水の吸い込み口１３を設けた場合（ｂ）との、くびれ部分５の流速比がそれぞれ等しいことを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  ［実施例１］は、比較例として、直径４０ｍのプロペラ翼を用いた場合の電気エネルギー出力（ＭＷ）計算した。
［実施例２］は、本発明に係る実施をするための形態として図４（ａ）に示す累計流速８倍の場合と図２に示す累計流速１６倍の場合の電気エネルギー出力（ＭＷ）計算をした。図４（ａ）の場合の第１増速洞１のくびれ部分５の直径は５ｍとし、海水流入口９の直径は７ｍとし、第２増速洞２のくびれ部分６の直径は５ｍとし、海水流入口１０の直径を１０ｍとした。図２の場合は、図４（ａ）の場合の両増速洞の間に第１増速洞１と同じ大きさの増速洞を挿入した。タービン翼１６の直径は４．８ｍである。
【００２２】  電気エネルギー出力（ＭＷ）の計算上の前提条件は次のとおりである。黒潮の流速は、２〜３ノットであるが、２ノットを採用した。２ノットは１ｍ／ｓである。海水の密度は１×１０３ｋｇ／ｍ３として計算した。海流の運動のエネルギーから発電用タービン翼への回転エネルギ―への変換効率は３０％として計算した。発電用タービン翼の回転エネルギーから電気エネルギーへの変換効率は５０％として計算した。海流の運動のエネルギー（ｋｇｆ−ｍ／ｓ）は［数２］により、海水の質量（ｋｇ／ｓ）は［数１］により、電気エネルギーの出力（ＭＷ）は［数３］により、それぞれ計算した。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【実施例１】
【００２３】  海水の質量は１，２５６×１０３ｋｇ／ｓである。海流の運動のエネルギーは６２８×１０３ｋｇｆ‐ｍ／ｓである。電気エネルギーの出力は０．９２ＭＷであり、約１ＭＷである。
【実施例２】
【００２４】  図４（ａ）に示す流速８ｍ／ｓの場合の海水の質量は１４４×１０３ｋｇ／ｓである。海流の運動のエネルギーは４，６０８×１０３ｋｇｆ‐ｍ／ｓである。電気エネルギーの出力は６．８ＭＷであり、約７ＭＷである。
図２に示す流速１６ｍ／ｓの場合の電気エネルギーの出力は、流速が図４（ａ）の場合の２倍であるので、２倍の３乗すなわち７ＭＷの８倍の約５６ＭＷになる。
以上から、増速洞を設けて流速を上げ、タービン翼の直径を実施例１の約１／８と小型化したにもかかわらず電気エネルギーの高出力が可能である。
【符号の説明】
【００２５】  １：第１増速洞、２：第２増速洞、３：第３増速洞、４：第４増速洞、５：第１増速洞のくびれ部分、６：第２増速洞のくびれ部分、７：第３増速洞のくびれ部分、８：第４増速洞のくびれ部分、９：第１増速洞の海水流入口、１０：第２増速洞の海水流入口、１１  第３増速洞の海水流入口、１２：第４増速洞の海水流入口、１３：海水の吸い込み口、１４：第１基礎土台、１５：第２基礎土台、１６：発電用タービン翼、１７：圧力容器と発電機、１８：第１移動用台車、１９：第２移動用台車、２０：滑車、２１：ロープ、２２：固定用フック、２３：ストッパー、ｍ：メートル、ｓ：秒、ＭＷ：メガワット（１０６ワット）
【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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