JP3210788U

JP3210788U - 流体の集流増速筒及びこれを利用した発電装置

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Publication number: JP3210788U
Application number: JP2017001454U
Authority: JP
Inventors: 辰男北見
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2027-03-14

Abstract

【課題】定位置に係留したままで、潮流等の正逆の流れに関係なく、流体の取入れを安定的に行い、かつ、取り入れた流体の流速を早め、これにより発電能力を高めるための流体の集流増速筒を提供する。【解決手段】流体の流れに沿って流体中に設置されるもので、円筒状に成型された外筒１の両端部周縁から中央部に向けて内方傾斜させながら、傾斜内周面を窄めて錐状内斜面２を形成し、この錐状内斜面２の内端同士を内円筒３で繋げる。そして、この内円筒３の中央部に筒芯５を固定し、この筒芯５の外周面と内円筒３の内周面との間を縮小円環流路６として構成し、筒芯５の両端面に、外方を頂点とし、流体を前記縮小円環流路に集流させる集流錐７を設けた。【選択図】図１

Description

本考案は、潮流、水流又は気流等、流体の流れの中に、流体の流れに沿って設置され、集流効果により筒内で流体の流れを増速させるものであり、また、増速された流体のエネルギーを発電等に利用する技術に関すものである。

流体を利用した発電装置については種々のものが公開されているが、例えば特開２０１３−２５６９３１に開示された「浮体型潮流発電装置」では、密封型の円筒体の外周に潮流圧力が当たり円筒体自体を回転させる複数のブレードを取り付け、円筒体内には円筒体の回転により発電する発電機を設け、発電機自体は無回転軸で回転しないように保持されたものが提案されている。

そして使用時には、円筒体の後部を沈めて無回転軸側を海面に出した状態で係留ロープにより保持し、出した側の円筒体の方を潮流の流れに対抗させ、発電するものである。

しかし、上記従来の潮流発電装置では、設置状態が固定的であるため、潮流の流れが変わったり、逆方向の潮流が起きた場合、あるいは台風等で大波が発生した場合には発電能力が極端に落ちたり無くなったりすることもあり、潮流発電装置としては非常に不安定なものとなっていた。

また、有効な発電能力を得ようとすると、当該発電装置の方向を潮流と対向させるため係留用ロープの移動設置をも余儀なくされるという問題もあった。

特開２０１３−２５６９３１

本考案は、定位置に係留したままで、潮流等の正逆の流れに関係なく、流体の取入れを安定的に行い、かつ、取り入れた流体の流速を早め、これにより発電能力を高めることを課題とする。

上記課題を達成するための本考案は、以下に記した特徴を有する。

本第一の考案は、流体の流れに沿って流体中に設置されるもので、円筒状に成型された外筒の両端部周縁から中央部に向けて内方傾斜させながら、傾斜内周面を窄めて錐状内斜面を形成し、この錐状内斜面の内端同士を内円筒で繋げ、この内円筒の中央部に筒芯を固定し、この筒芯の外周面と前期内円筒の内周面との間を縮小円環流路として構成し、前記筒芯の両端面には、外方を頂点とし、流体を前記縮小円環流路に集流させる集流錐を設けてなる流体の集流増速筒である。

また、本第二の考案は、流体の流れに沿って流体中に設置されるもので、円筒状に成型された外筒の両端部周縁から中央部に向けて内方傾斜させながら、傾斜内周面を窄めて錐状内斜面を形成し、この錐状内斜面の内端同士を内円筒で繋げ、この内円筒の中央部に筒芯を固定し、この筒芯の外周面と前期内円筒の内周面との間を縮小円環流路として構成し、前記筒芯の両端面には、外方を頂点とし、流体を前記縮小円環流路に集流させる集流錐を設けてなり、前記筒芯外周には、流れの向きが逆転しても自体は逆回転することのない双方向流対応タービンを取り付け、前記筒芯内には、このタービンの回転を受けて作動する発電機を設けた流体の発電装置である。

本考案の集流増速筒によれば、流体の流速如何にかかわらず、流体が錐状内斜面と集流錐で構成される集流部で絞られることにより、流路断面積は絞りに応じて縮小し、速度は断面積の縮小に応じて増速され、流速は縮小円環流路との接続点で最大速度に達する。縮小円環流路の中では断面積が一定のため増速はなく、流速は最大速度を維持することになる。また、本考案筒は対称構造となっているので、流体が正逆反対に流れても十分に対応することができる。
さらに、これを発電装置に利用すれば、縮小円環流路で維持される最大増速流がタービンを高速回転させることで、集流増速しない場合に比べ発電能力が増大する。

本考案による集流増速筒の概略断面図である。本考案による集流増速筒の第二の例を示す概略断面図である。本考案による集流増速筒の第三の例概略断面図である。本考案による集流増速筒を用いた発電装置の一例を示す概略断面図である。図４のＸ−Ｘ線の概略断面図である。本考案発電装置における集流増速の有無による発電能力の比較グラフである。

図１は本考案による集流増速筒の代表例を示す概略断面図で、図４はこの集流増速筒を利用した発電装置の代表例を示す概略断面図である。

以下に、本集流増速筒の構造を示す。外筒１は円筒状に成型されたもので、外筒１の内径は両端部を最大とする。この外筒１の両端部周縁からは、中央部に向けて内方傾斜させたうえで、傾斜内周面が直線的なすり鉢状、または曲線的な漏斗状となるように窄めて錐状内斜面２が形成され、この錐状内斜面２の内端同士は内円筒３で繋げられた構造となっている。そして、その内円筒３の中央部には、筒芯支持構造４を介して中空円柱状の筒芯５が固定されており、筒芯５の外周面と内円筒３の内周面との間が縮小円環流路６として構成されている。なお、便宜上、外筒１の最大内径部から筒芯５の両端面までの流路域を流体の集流部（拡流部）とする。

外筒１の外表面と内表面との間は中空になっており、気密・水密構造で潮流発電の場合は、この空間に浮力調整用に水等を貯えることができる。そのため外筒１には、この空間に水又は空気の注入、排出可能な配管設備（図示省略。）が取り付けられる。外筒１の外形は、本実施例では、外径が両端部間一定な「直管型」で示したが、これに限られるものではなく、例えば、外筒外径が円筒中間部で直線的に膨出する「そろばん玉型」（図２参照。）や、外筒外径が中間部に向かい連続的かつ緩やかな曲線をもって膨出し、その外径が円筒中間部で最大となる「和太鼓型」（図３参照）であってもよい。

筒芯５の両端面には、外方を頂点とし、流体を縮小円環流路６に集流させる集流錐７が設けられている。この集流錐７は、本実施例では円錐型で示されているが、砲弾型形状であってもよい。また、この集流錐７は、本実施例では中空で示されているが、本考案を潮流発電に利用する場合は、外径を保ちかつ浮力を得るために発砲プラスチック等を充填することも可能である。

上記構造の本集流増速筒は、流体の流れに沿って流体中に係留ロープ（図示せず）等の固定手段によって固定される。ここでいう、流体は、潮流、水流（水力）又は風流（風力）が好ましい。そして、本集流増速筒は、時間差での流体の流入方向の変化（図では、左右方向）、例えば潮流では上げ潮と下げ潮による潮流の変化に対応することができる。そのため、図の左右は対称構造となっており、一方が流体入口（流体出口）であれば他方は流体出口（流体入口）の関係にある。

本集流増速筒は、外筒１における流体入口の断面積は広く、縮小円環流路６の断面積は狭くなっている。このような構造の連続した流管においては、大なる断面積の部分に比べ、流路断面積が小となる縮小円環流路５における流速は、断面積に反比例して大となる。また、流体の運動エネルギーは流速の３乗に比例するため、縮小円環流路６では流速が早くなり、この縮小円環流路６で最も大きなエネルギーを得ることができる。

本集流増速筒の作用及び効果を見る上で、先ず集流筒各部の断面積を求める。流出入内径をＤ_１（ｍ）、縮小円環流路をＤ_２（ｍ）、筒芯外径をＤ_３、流管内流量をＱとした場合、

次に、上記のエネルギー集流筒各部の断面積に基づき、本集流増速筒のエネルギー増大効果を求める。
数式に必要な数値条件は以下の通り。
流出入口内径円断面積（ｍ^２）：Ａ_１
縮小円環流路断面積（ｍ^２）：Ａ_ｔ
流入口運動エネルギー（ｗａｔｔ）：Ｅ_１
縮小円環流路流体運動エネルギー（ｗａｔｔ）：Ｅ_ｔ
流管内流量（ｍ^３／ｓ）：Ｑ
流量倍率：Ｒ
流入速度（ｍ／ｓ）：Ｖ_１
縮小円環流路の流速（ｍ／ｓ）：Ｖ_ｔ
流体密度（Ｋｇ／ｍ^３）：ρ
なお、流量倍率Ｒは、流出入口内径円断面積：Ａ_１を縮小円環流路断面積Ａ_ｔで除した値となる。これらを基に運動エネルギーを求める。

（５）式は、流体が流れる管の断面積を縮小した場合、縮小部（縮小円環流路５）における流体の運動エネルギー（Ｅ_ｔ）は、流入口の流体運動エネルギー（Ｅ_１）に対して集流倍率Ｒの二乗倍であることを示す。
例えば、下記の計算のごとく集流倍率Ｒが２．０の場合、流体の運動エネルギー（Ｅ_ｔ）は、流入口の流体運動エネルギー（Ｅ_１）の２×２＝４倍に増大する。
すなわち、Ｅ_ｔ＝２×２×Ｅ_１＝４Ｅ_１となる。
このように、潮流が集流部に入ると錐状内斜面２と集流錐７によって水流が徐々に絞られ、集流・増速し、縮小円環流路６の入口で最大速度に達する。縮小円環流路６内は、内径が入口から出口まで一定のため、流速はこの最大流速で一定である。この最大流速における流体の運動エネルギーが式（５）で表される。縮小円環流路６の出口より下流は拡流部となり、徐々に断面積が増え、流速は減少し、拡流部出口より自然流中に放流される。

次に、本集流増速筒を用いた発電装置につき、図４及び図５に基づいて説明する。集流増速筒自体の構造は実施例１の説明に準じる。筒芯５内には発電機８が設置されており、この発電機を作動させるため、縮小円環流路６中で筒芯５の外周中央にはタービン９が配設されている。このタービン８は、流体の流れの向きが逆転してもタービン自体は逆回転しない性質の、すなわち双方向流に対応するものが使われる。

本発電装置を係留ロープ（図示せず。）を用い、海中で、潮流の流れに沿って固定する。
上記発電装置の発電能力を算出するにあたり、計算式中に下記の項目を設定する。
流体密度（Ｋｇ／ｍ^３）：ρ（海水の密度＝１，０２５Ｋｇ／ｍ^３）
縮小円環流路流体運動エネルギー（ｗａｔｔ）：Ｅ_ｔ
集流発電機発電能力（Ｗａｔｔ）：Ｐ
総合エネルギー効率（係数）：Ｃｐ（発電能力を縮小円環流路流体運動エネルギーで除した値）
集流倍率：Ｒ（＝Ａ_１／Ａ_ｔ）
縮小円環流路断面積（ｍ^２）：Ａ_ｔ

発電能力は、縮小円環流路５を流れる流体の運動エネルギーＥ_ｔに総合エネルギー効率Ｃｐを乗じて得られる。
また、総合エネルギー効率Ｃｐは、流路の抵抗損失、断面縮小による抵抗損失、発電機の機械的エネルギー損失等のエネルギー損失を全て考慮した発電効率とする。

集流発電能力を計算するにつき、想定計算条件を表１に示す。

（９）式は、総合エネルギー効率（Ｃ_ｐ）、流体の密度（ρ）、流入口での流速（Ｖ_１）、流出入口内径（Ｄ_１）及び集流倍率（Ｒ）より集流発電能力（Ｐ）を求める計算式である。（９）式を用い、前記表１の想定計算条件における潮流発電の計算結果の比較を表２及び図６のグラフに示す。この比較では、流入口における流速、流入速度４ケース（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）につき、それぞれ、集流倍率Ｒ＝１及びＲ＝２の場合について発電能力を計算している。図表で表示されるＲ＝１は、流入口断面積と縮小円環流路断面積が等しくて集流していないことを、また、Ｒ＝２は、流入口断面積が縮小円環流路断面積の２倍であることをそれぞれ示す。
すなわち、これらの図表は、集流しない場合の発電能力と、縮小円環流路断面積の２倍の断面積から集流した場合の発電能力の違いを示している。

本考案では、流体のうち潮流の集流増速及び潮流発電につき説明したが、これを風向に沿って、例えばビル風の発生するビルとビルの谷間、あるいは風向の安定的な場所に設置すれば風力発電にも応用でき、さらには小規模な水力発電にも適用することができる。
また、本考案による集流増速筒を海中にいかだのように多数設置することで、これを固定する多数の係留ロープが海藻の藻場になり、そこに小魚が棲みつくことで大型魚も集まるといった新たな漁場の開拓にも寄与することができる。

１外筒
２錐状内斜面
３内円筒
４筒芯支持構造
５筒芯
６縮小円環流路
７集流錐
８発電機
９タービン

Claims

流体の流れに沿って流体中に設置されるもので、円筒状に成型された外筒の両端部周縁から中央部に向けて内方傾斜させながら、傾斜内周面を窄めて錐状内斜面を形成し、この錐状内斜面の内端同士を内円筒で繋げ、この内円筒の中央部に筒芯を固定し、この筒芯の外周面と前期内円筒の内周面との間を縮小円環流路として構成し、前記筒芯の両端面には、外方を頂点とし、流体を前記縮小円環流路に集流させる集流錐を設けてなる流体の集流増速筒。
流体の流れに沿って流体中に設置されるもので、円筒状に成型された外筒の両端部周縁から中央部に向けて内方傾斜させながら、傾斜内周面を窄めて錐状内斜面を形成し、この錐状内斜面の内端同士を内円筒で繋げ、この内円筒の中央部に筒芯を固定し、この筒芯の外周面と前期内円筒の内周面との間を縮小円環流路として構成し、前記筒芯の両端面には、外方を頂点とし、流体を前記縮小円環流路に集流させる集流錐を設けてなり、前記筒芯外周には、流れの向きが逆転しても同一方向に回転する性質の双方向流対応タービンを取り付け、前記筒芯内にはこのタービンの回転を受けて作動する発電機を設けた流体の発電装置。