JP5451938B1 - Power generation equipment using water energy - Google Patents
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Abstract
【課題】 潮流・水流の流れの方向が変化しても、自動的に対応して安定した発電ができ、しかも構造機構がシンプルで耐久性があり、水流の流れを乱すことが少なくして流体のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる水流エネルギーを利用した発電装置を提供する。
【解決手段】 海底面に固定された楕円外形状の設置台の外側に環状の固定ガイドフレームを取付け、同固定ガイドフレームに沿って回転体を回転自在に取付け、同回転体の外周から複数組の取付枠を放射状に取付け、同取付枠の上辺位置に平板状で海水比重より僅か小さく軽く、浮力を生じさせる受圧板を回動自在に枢着し、しかも同受圧板の下げ角度θを水平から少し下方の4°から略鉛直の90°の角度範囲に回転を制動するストッパー機構を設け、回転体の回転を増速して発電機を回動させる。
【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To automatically generate a stable power generation even if the direction of tidal current or water flow changes, and has a simple and durable structural mechanism, and less disturbing the water flow. A power generation device using water energy that can efficiently convert the energy of the energy into electric energy is provided.
An annular fixed guide frame is attached to the outside of an ellipse-shaped installation base fixed to the sea bottom, and a rotating body is rotatably attached along the fixed guide frame. A mounting plate is mounted radially, and a flat plate is formed at the upper side of the mounting frame, slightly lighter than the specific gravity of seawater, pivotally mounted on a pressure receiving plate that generates buoyancy, and the lowering angle θ of the pressure receiving plate is horizontal. A stopper mechanism for braking the rotation is provided in an angle range from 4 ° slightly below to 90 ° which is substantially vertical, and the generator is rotated by increasing the rotation of the rotating body.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、海中又は水中に設置され、海中又は水中にある水流によって、特に海中の潮汐流の流れによって電力を発生させることに有効な、発電装置に関するものである。 The present invention relates to a power generation apparatus that is installed in the sea or underwater and is effective for generating electric power by a water flow in the sea or in water, particularly by a tidal current flow in the sea.
再生可能自然エネルギーの活用は地球的課題であるとしても過言ではない。
水力、風力、太陽光、地熱、バイオ等は、技術的課題は解決されて、世界中で活用されている。しかし、最も期待の大きい海の自然エネルギーの活用は、技術的課題も大きく、いまだ実現の例も少ない。
その中で、潮流発電に関しても多数の試みが世界的にもなされてきたが、いまだ普遍性を持った技術が報告されていない。日本の潮流と水深の分布から、潮流発電を設置する海域を限定して、駆動構造の方式を考えた。潮流は速いほど良いが、3ノット以上が期待される海域は少ない。2ノットから1ノットの範囲の海域は、瀬戸内海から九州にかけて、広く分布している。水深も浅く40m程度以下であり、陸地も近く、この海域を対象に適応する潮流発電の駆動構造を考えれば、製作コスト、運転コストも有利で、採用、活用も広範囲に期待される。
It is no exaggeration to say that the use of renewable natural energy is a global issue.
Hydropower, wind power, solar power, geothermal heat, biotechnology, etc. are used all over the world, with technical problems solved. However, the most promising use of natural energy in the ocean has great technical challenges and few examples have been realized.
Among them, many attempts have been made worldwide for tidal current power generation, but no technology with universality has yet been reported. Based on the tidal current and water depth distribution in Japan, we decided on the drive structure method by limiting the sea area where tidal power generation would be installed. The faster the current, the better, but there are few sea areas where more than 3 knots are expected. The sea area ranging from 2 knots to 1 knot is widely distributed from the Seto Inland Sea to Kyushu. The shallow water depth is about 40m or less, the land is close, and considering the tidal power generation drive structure adapted to this sea area, the production cost and operation cost are advantageous, and its adoption and utilization are expected in a wide range.
潮流発電装置の駆動構造に関しても、風車のプロペラ式、船のプロペラ式、ダリウス翼車式、サボニウス翼車式など、さらに固定翼、クロスフロー、捩れ翼、バケットコンベアー式、等多数のものが提案されている。いずれも、海の過酷な条件に対して、一長一短の理由があるためか、試行の段階であり、活用の域に無い。 As for the drive structure of the tidal current power generation system, many proposals such as wind turbine propeller type, ship propeller type, Darius impeller type, Savonius impeller type, etc., fixed wing, cross flow, twisted wing, bucket conveyor type etc. Has been. Both are at the trial stage because there are merits and demerits for the severe conditions of the sea, and they are not in the range of utilization.
製造コスト最小な単純構造として、まず古来から現在まで活用されてきた地上の水車のモデルがある。しかし、開放型横軸片掛け水車を横に倒して流水中に沈めるとそのままでは回らない。そこで、ここで導水板を使って水流を片側だけにかかる様にすれば回転する。これがクロスフロー式であるが、実海面での導水板の設置は、固定式でも、可動式でも、コストも過大で、実現していない。 As a simple structure with the lowest manufacturing cost, there is a ground water turbine model that has been used since ancient times. However, if an open horizontal shaft single-sided water wheel is tilted sideways and submerged in running water, it will not turn as it is. Therefore, if the water flow is applied only to one side using a water guide plate here, it rotates. This is a cross-flow type, but the installation of the water guide plate at the actual sea level is not realized because it is a fixed type, a movable type, and the cost is excessive.
改良された水車羽根型の発電装置として、特許文献1に記載の発明があるが、これは回転体の全周に均等に羽根を複数枚を設け、同羽根をストッパ部によって所定範囲では立上げて流体受け部を形成し、その反対側の角度範囲では羽根を倒れるようにして、羽根の流体受け部に流体を送るために流体を誘導する流体ガイド板を設ける構造である。
しかしながら、この水車羽根型の発電装置では、流体の流れ方向が逆になったり、方向が変る海中では流体を常時流体受部へ誘導できず、発電が不安定となると判断される。
As an improved water turbine blade type power generator, there is an invention described in
However, in this water turbine blade type power generation device, it is determined that the fluid cannot always be guided to the fluid receiving part in the sea where the flow direction of the fluid is reversed or the direction of the fluid is changed, and the power generation becomes unstable.
又、これとは別に回転体に放射状の羽根を複数板取り付け、その羽根の取付角度の一部が流れに対して直角にし、その反対側の羽根を流れに対して平行にするようにギヤ機構で行えるようにする風車が特許文献2に開示されているが、その羽根取付角度調整機構は複雑であり、長年使用すると羽根に作用する力で故障し、長期安定作動が難しいと判断される。又、この羽根取付角度調整機構によってエネルギー損失が大きく、効率的な発電は難しいと判断される。
Separately, a gear mechanism is used so that a plurality of radial blades are mounted on a rotating body, and a part of the blade mounting angle is perpendicular to the flow and the opposite blade is parallel to the flow. A wind turbine that can be used in the above is disclosed in
現在、対象とする海域の条件に適応する、潮流発電装置の駆動構造の開発が必要とされている。海域の条件は潮流速度が2ノットから1ノット、水深が−40mから−10m程度の海域とする。さらに、潮流方向の変化にたいしてはクロスフローの導水板や、プロペラ方式の旋回機構、など特段の機構を必要としないシンプルな構造であること。また、広範囲の採用・活用を図るため、発電容量は100kW,500kW、さらには1000kW,2000kW等に対応できること、最終的には発電コストを最小にすること、製造コスト最小の単純な構造とし、高度な技術・精度を要しないで、潮流の方向の変化に対応できて確実に発電出来るようにすることが期待されるものである。 Currently, there is a need to develop a tidal power generator drive structure that adapts to the conditions of the target sea area. The sea conditions are such that the tidal velocity is 2 to 1 knot and the water depth is about -40m to -10m. Furthermore, it must be a simple structure that does not require special mechanisms such as a cross-flow water guide plate or a propeller-type swivel mechanism for changes in the tidal direction. In addition, in order to adopt and utilize a wide range, the power generation capacity can support 100 kW, 500 kW, furthermore 1000 kW, 2000 kW, etc. Ultimately, it minimizes the power generation cost, and has a simple structure with the lowest manufacturing cost. It is expected that it will be possible to respond to changes in the direction of the tidal current and ensure that it can generate electricity without requiring special technology and accuracy.
又、特許文献3に記載の発明は、水中に沈むように設けられたタテ軸に水平なヨコ軸を放射状に複数取付け、このヨコ軸に回転羽根を揺動自在に吊り下げ、同回転羽根を二つのストッパで略水平から垂直の角度範囲に制動し、しかもこの回転羽根を板状又は翼状にすることで、水上流に向って右まわりの270°位相では水流からの揚力によって略水平にして水からの抗力を小さくし、回転羽根に働く反対の90°の位相での水抗力の差を大きくして右方向の回転トルクを強く発生させて、その回転力で発電機を回動させて発電させるものである。
In the invention described in
しかしながら、この特許文献3の発明で、回転羽根を略水平に保持することの確実性が低いものである。270°の位相で回転羽根を略水平に保持するには所定の速度以上の水流が必要であり、低い流速の水流のときは又は回転の動き始めにおいては、その水からの揚力が弱く、水平方向に回転羽根が揺動しにくい。又、180°の位相では水からの揚力が弱く回転羽根が水平方向に揺動する力が弱く、270°の位相で水平になりにくい。又、水流の流速方向が変化すると回転羽根が上下に揺れがちとなる。
このように、水平になることの確実性が低く、強い回転トルクの発生が期待できにくい。
更に、特許文献3の発明では、小径の垂直なタテ軸に直接ヨコ軸を放射状に取付けるものであり、回転羽根に働く回転トルクはヨコ軸とタテ軸との挟・接合部に集中的に働いて、ヨコ軸がその取付位置で破損し易く、大きな回転トルク(発電量)に耐えられない。又、回転羽根の水力作用中心位置とタテ軸との距離は長くとれず、大きな回転トルク(発電量)を発生させることは難しいと判断される。
However, in the invention of
Thus, the certainty of becoming horizontal is low, and it is difficult to expect generation of strong rotational torque.
Further, in the invention of
本発明が解決しようとする課題は、従来の海流、水流を使った発電装置の構造上の問題点・欠点を解消し、簡単な構造でもって長期間耐久性をもって確実に作動でき、しかも潮汐流・水流の流れの方向のが正逆反対になっても、及び流水が主たる水流方向から変化しても、自動的に対応して発電力の低下がないようにできる、しかも、水流の流れを乱すことが少なく、効率的に水流のエネルギーを回転エネルギー、発電エネルギーに変換できる、水流エネルギーを利用した発電装置を提供することにある。特に、水深が浅い陸地に近い海域の潮流を使用した発電装置に適した発電装置を提供する。 The problem to be solved by the present invention is to solve the problems and disadvantages of the conventional power generation apparatus using ocean currents and water currents, and with a simple structure, it can operate reliably with long-term durability, and also tidal currents・ Even if the direction of the water flow is reversed, and even if the flowing water changes from the main water flow direction, it can automatically respond so that there is no decrease in power generation. An object of the present invention is to provide a power generation device using water current energy that is less disturbed and that can efficiently convert water current energy into rotational energy and power generation energy. In particular, the present invention provides a power generation apparatus suitable for a power generation apparatus that uses a tidal current in a sea area close to land where the water depth is shallow.
かかる課題を解決した本発明の構成は、
1) 海中又は水中で固定される横断面の外形状が楕円状である設置台を設け、この楕円状の設置台の長軸方向を設置される海中又は水中での水流の主たる流れ方向となるように設定し、同設置台の外側に上下に複数段の環状の固定ガイドフレームを設け、同固定ガイドフレームに回転体を回転自在に取付けるとともに、同回転体の回転軸線を設置される海中又は水中の水流の流れと略直角となる縦方向に設定し、同回転体から円周に沿って複数の取付枠を放射状に取付け、同取付枠の回転軸線から偏心した上辺位置に平板状の受圧板の一端を揺動自在に取り付けるとともに、同受圧板の質量をその容積の4℃の真水の質量で割った受圧板の比重を設置される海水又は水の比重より僅か小さくして海・水中で受圧板に浮力を発生しえるようにし、更に各受圧板の揺動の角度範囲が受圧板の自由端側が受圧板の取付け側の一端の回転軸線まわりの回転軌跡の面より少し下方となるように受圧板が傾く所定の下げ角度θから、受圧板が回転体の略回転軸線方向となる自由端の最下位置までの角度範囲となるように揺動を制限する制止手段を設け、回転体の設置台に対する回転で発電する発電機を設置台内に設け、同発電機の出力電力を有線で設置台近くの陸上又は海上あるいは水上船体に送電するようにし、海中又は水中にある潮流又は水流によって受圧板に発生する力と、受圧板の浮力と制止手段とによって確実に回転体を回動させて発電できるようにした、水流エネルギーを利用した発電装置
2) 取付枠が上下複数本の横フレームと、上下の横フレームを連結する複数本の縦フレームとからなり、受圧板は横フレームの上端に回動自在に取付けられ、制止手段は横フレームの上端に取付けられて受圧板を下方に押し下げて所定の下げ角度θより水平に近づかないように制止し、且つ90°以上に回転しないように抑止するストッパーの機構を有してなる、前記1)記載の水流エネルギー利用した発電装置
3) 受圧板の比重を設置される海水又は河川の水の比重の0.95〜0.99倍とし、しかも受圧板の下げ角度θが3°〜6°の値とした、前記1)又は2)いずれか記載の水流のエネルギーを利用した発電装置
4) 設置台の甲板部に、設置される海又は川の最高水位でも筒上端が水沈しない設置台内へ人が出入できる開閉蓋付の通行筒を設けた、前記1)〜3)いずれか記載の水流のエネルギーを利用した発電装置
5) 設置台の内部の一部を中空として、水中で大きな浮力を発生させ、しかも設置台から海底面又は水底面に投下したアンカーウェイトをくさりで係留して、設置台に取付けられた固定ガイドフレームと回転体と取付枠と受圧板と設置台内に配置した発電機等の機器の重さによる下方力とくさりの引張力と設置台の浮力とを平衝させて、発電装置を海中・水中で固定させた、前記1)〜4)いずれか記載の水流のエネルギーを利用した発電装置
6) 回転体・取付枠及び受圧板の回転を強制停止できる強制停止装置を備えた、前記1)〜5)いずれかに記載の水流のエネルギーを利用した発電装置
7) 強制停止装置が、受圧板の下げ角度を所定の下げ角度θの前後角度乃至水平のθ=0°に近い角度範囲の水平に近い固定角度δに固定して揺動しないように規制できる受圧板と取付枠との間に設けられた複数のエアシリンダーと、同エアシリンダーに作動用空気を送る取付枠に設けられたエアタンクと、同エアタンクのエアをエアシリンダーに送る送気路途中に設けられ且つ受圧板を固定角度δで固定する固定状態と、下げ角度θの上限揺動角度のみを制限する状態にできるようにエアシリンダーへのエアを切換える最上段の回転体と取付枠の上位置に取付けられた開閉制御弁と、同開閉制御弁の回転することとなる弁軸端の半径方向の位置を変える環状でその径が円周方向の途中で屈曲して変えられる構造の弁軸ガイド枠と、同弁軸ガイド枠を半径方向に進退可能に保持するために設置台又は固定ガイドフレームあるいはそれらを連結するブラケットから半径方向に突出するように円周方向に沿って複数個設けたガイド枠保持エアシリンダーと、同ガイド枠保持エアシリンダーを制御する設置台の内部に設けられた操作盤とからなる、前記6)記載の水流のエネルギーを利用した発電装置
にある。
The configuration of the present invention that solves this problem is as follows.
1) An installation base having an elliptical outer shape of the cross section fixed in the sea or water is provided, and the major axis direction of the elliptical installation base is the main flow direction of the water flow in the sea or water. Set up in such a way that a plurality of annular fixed guide frames are provided vertically on the outside of the installation table, and the rotating body is rotatably attached to the fixed guide frame and the rotation axis of the rotating body is installed in the sea or Set in a vertical direction that is substantially perpendicular to the flow of the water flow in the water, mount multiple mounting frames radially along the circumference from the same rotating body, and receive flat plate pressure on the upper side that is eccentric from the rotation axis of the mounting frame Install one end of the plate in a swingable manner and set the specific gravity of the pressure plate divided by the mass of fresh water of 4 ° C of its volume to be slightly smaller than the specific gravity of the seawater or water to be So that buoyancy can be generated in the pressure plate. In addition, the angle range of oscillation of each pressure receiving plate is a predetermined lowering angle θ at which the pressure receiving plate is tilted so that the free end side of the pressure receiving plate is slightly below the surface of the rotation locus around the rotation axis of one end on the pressure receiving plate mounting side. Generator for generating electric power by rotation with respect to the mounting base of the rotating body, provided with restraining means for limiting the swing so that the pressure receiving plate is in an angular range to the lowest position of the free end that is substantially in the rotational axis direction of the rotating body Is installed in the installation base, and the output power of the generator is wired to transmit power to the land, sea, or surface hull near the installation base.
本発明によれば、回転体から放射状に取付けた取付枠の上端に揺動自在に取付けた複数の受圧板は、水流からの受圧力と、受圧板の重力・浮力と、受圧板の回転による受圧揚力との力を受けるが、受圧板の回転位相(以下、取付枠の突出方向が水流の上流方向を示す取付枠の位相角を0°とし、受圧板が水流の力でその自由端が押し下げられて略鉛直に制止される側に向う方向(以下正回転方向という)に取付枠・受圧板を回転させたときの位相角0°からの回転角度を回転位相の角度という)によって、これらの力のバランスを変化させて回転トルクを常時得るようにする。 According to the present invention, the plurality of pressure receiving plates that are swingably attached to the upper end of the mounting frame that is radially attached from the rotating body is formed by the pressure received from the water flow, the gravity / buoyancy of the pressure receiving plate, and the rotation of the pressure receiving plate. The pressure phase is the rotational phase of the pressure plate (hereinafter, the phase angle of the mounting frame where the protruding direction of the mounting frame indicates the upstream direction of the water flow is 0 °, and the pressure plate is the force of the water flow and its free end is The rotation angle from 0 ° when the mounting frame / pressure-receiving plate is rotated in a direction (hereinafter referred to as a positive rotation direction) that is pushed down and stopped substantially vertically is referred to as a rotation phase angle). The rotational torque is constantly obtained by changing the power balance.
水流の流れ方向と取付枠の方向とが直交する90°及びその前後の45°〜90°,90°〜135°の回転位相にある受圧板は、水流から強い受圧力を受け、その力は受圧板の自由端を下流方向に回動するように作用する。直交する位相90°付近では受圧板の自由端が最下位近くになるように回動されるが制止手段によって受圧板は略鉛直に保持され、この位相での受圧板に作用する水流からの強い受圧力は取付枠を介して回転体に対して正回転方向(水上流に向って時計方向)に回動させようとする高い回転トルクを与える。
他方の直交する位相270°前後では、受圧板は水流からの受圧抗力と浮力と回転と水流による受圧揚力によって、受圧板の自重の力に抗してその自由端が水平方向になるように付勢され、制止手段で水平(上端の回転軌跡面)からやや自由端が低くなる軽い傾斜角の下げ角度θで制止される。従って、この位相では、受圧板に作用する力は水流の流れ方向と略平行になることで小さく、取付枠・回転体を正回転方向と逆方向に回転させる力(抗力)の発生が弱く、正回転と逆の反対回転に回動させようとする回転トルクはきわめて小さい。図12,20参照。
The pressure receiving plate in a rotational phase of 90 ° where the flow direction of the water flow and the direction of the mounting frame are orthogonal and 45 ° to 90 ° and 90 ° to 135 ° before and after that receives a strong receiving pressure from the water flow. It acts to rotate the free end of the pressure receiving plate in the downstream direction. In the vicinity of the orthogonal phase of 90 °, the pressure plate is rotated so that the free end of the pressure plate is close to the lowest position, but the pressure plate is held substantially vertical by the restraining means, and strong from the water flow acting on the pressure plate in this phase. The pressure-receiving pressure gives a high rotational torque to rotate the rotating body in the normal rotation direction (clockwise toward the upstream side of the water) via the mounting frame.
At the other phase around 270 °, the pressure receiving plate is attached so that its free end is in the horizontal direction against the force of its own weight due to the pressure receiving drag from the water flow, buoyancy, rotation and the pressure lifting force by the water flow. The restraining means is restrained by a lowering angle θ of a light inclination angle at which the free end is slightly lowered from the horizontal (upper rotation trajectory plane). Therefore, in this phase, the force acting on the pressure receiving plate is small by being substantially parallel to the flow direction of the water flow, and the generation of force (drag) that rotates the mounting frame / rotating body in the direction opposite to the normal rotation direction is weak. The rotational torque to be rotated in the opposite direction opposite to the normal rotation is very small. See FIGS.
又、中間の位相の135°〜225°及び315°〜0°〜45°の範囲では、その範囲の受圧板は鉛直でも又は水平でもない傾いた浮遊状態にあって、回転トルクの発生は小さく、又正回転方向の回転を阻害するトルク抵抗の発生は少ない。
よって、本発明の受圧板は位相45°〜135°で発生する強い回転トルクによって正回転方向に回動し、取付枠・回転体は確実に回転され、発電機の発電も確保される。
水流の流れの方向を変化しても、その水流の流れに対する回転位相45〜135°で強い水圧力による回転トルクが発生し確実に回転体は回転できて発電できるものとした。
回転位相の135°〜225°及び315°〜0°〜45°の中間における受圧板の回転位相90°、270°(鉛直状態又は水平状態)への移行は、受圧板の90°以上の揺動の制止と、僅かな下げ角度θでの制止による水からの力と、浮力と、回転速度による水からの揚力等とによって円滑に行える。
Further, in the intermediate phase range of 135 ° to 225 ° and 315 ° to 0 ° to 45 °, the pressure receiving plate in the range is in a floating state that is neither vertical nor horizontal, and the generation of rotational torque is small. In addition, there is little occurrence of torque resistance that hinders rotation in the positive direction.
Therefore, the pressure receiving plate of the present invention is rotated in the forward rotation direction by the strong rotational torque generated at the phase of 45 ° to 135 °, the mounting frame / rotary body is reliably rotated, and the power generation of the generator is ensured.
Even when the direction of the water flow is changed, a rotational torque due to strong water pressure is generated at a rotation phase of 45 to 135 ° with respect to the water flow, and the rotating body can reliably rotate to generate power.
The transition of the pressure receiving plate to the rotational phase of 90 °, 270 ° (vertical state or horizontal state) in the middle of the rotational phase of 135 ° to 225 ° and 315 ° to 0 ° to 45 ° causes the pressure receiving plate to move more than 90 °. Smooth movement can be achieved by force from water by restraining at a slight lowering angle θ, buoyancy, lift from water by rotational speed, and the like.
本発明によれば、図2,20に示すように設置台の横断面外形状は楕円形であり、しかも設置台の楕円形の長軸方向を水流の流れ方向としているため、設置台を通過する水流に乱れを起すことが少なく、受圧板の旋回位置での水流は乱れがない層流状態となり、よって受圧板が受ける水流からの力も乱れがなく、安定した大きな力を確保できるものとしている。 According to the present invention, as shown in FIGS. 2 and 20, since the outer shape of the cross section of the installation table is elliptical, and the major axis direction of the elliptical shape of the installation table is the flow direction of the water flow, it passes through the installation table. The water flow at the swivel position of the pressure receiving plate is in a laminar flow state where there is no turbulence, so that the force from the water flow received by the pressure receiving plate is not disturbed and a stable and large force can be secured. .
又、回転体・取付枠・受圧板は、その回転体の中心まわりに回転運動する。設置台は楕円形状であるが、その設置台の外側の環状固定ガイドフレームを設け、これに回転体を回転自在に取付けることで、楕円形状の設置台に受圧板を円滑に円運動させることができるようにした。 The rotating body, the mounting frame, and the pressure receiving plate rotate around the center of the rotating body. Although the installation base is elliptical, an annular fixed guide frame outside the installation base is provided, and a rotating body is rotatably attached to this, so that the pressure receiving plate can smoothly move circularly on the elliptical installation base. I was able to do it.
本発明によれば、その回転機構の構造は設置台、固定ガイドフレーム、回転体、取付枠、同取付枠に揺動自在に取付けられる受圧板、上ストッパー・下ストッパー等の制止手段となるきわめて簡単なものであるから、故障が少なく、確実に作動でき、しかも低コストで耐久性があるものにできる。 According to the present invention, the structure of the rotation mechanism is an installation base, a fixed guide frame, a rotating body, a mounting frame, a pressure receiving plate that is swingably mounted on the mounting frame, an upper stopper, a lower stopper, and the like. Since it is simple, there are few failures, it can operate reliably, and it can be made inexpensive and durable.
本発明の回転体の回転軸線の方向は、設置した海中・水中の最大流速の方向と略直角となるように、且つ潮流・水流の方向と受圧板とがその回転位相の90°で略直角となるようにする。一般に潮流・水流は海底面・水底面に略平行となることが多いので、回転体の回転軸線は設置する海底面・水底面の地面に直角の縦方向となることが多い。 The direction of the rotation axis of the rotating body of the present invention is substantially perpendicular to the direction of the maximum underwater / underwater flow velocity, and the tidal current / water flow direction and the pressure receiving plate are substantially perpendicular to each other at 90 ° of the rotational phase. To be. In general, tidal currents and water currents are often almost parallel to the sea floor and the bottom of the water. Therefore, the axis of rotation of the rotating body is often in a vertical direction perpendicular to the ground of the sea bottom and the bottom of the water.
本発明の設置台としては、図21に示すような海底面又は水底面上に載置されて固定的に設置される楕円筒の形状の筺体タイプと、以下の実施例の如く、海底面又は水底面にアンカーで係留された海中又は水中で浮遊する構造体のタイプと、海面・水面上の空中構造体(橋・水中タワー等)から海・水中へ垂設された取付台タイプ、又は海・水面に浮ぶ係留された浮体・船体から海・水中へ垂設された取付台タイプとがある。
尚、設置台及びその上部の通行筒は水深に応じた耐水圧の構造とする。
更に、取付枠に受圧板を上下方向に複数段設ければ、回転トルク及び出力電力も複数倍にできて高い発電量を得ることができる。段数によって発電量を変えることができる。
As the installation stand of the present invention, as shown in FIG. 21, a frame type in the shape of an elliptic cylinder placed on the bottom of the sea or the bottom of the water and fixed, and the bottom of the sea or A type of structure suspended in the sea or underwater moored with an anchor on the bottom of the water, and a mount type suspended from the aerial structure (bridge, underwater tower, etc.) on the surface of the sea or water to the sea or underwater, or the sea -There are moored floating bodies that float on the surface of the water, and mounting base types that are suspended from the hull into the sea and water.
In addition, the installation stand and the upper passing tube have a waterproof pressure structure according to the water depth.
Furthermore, if the mounting frame is provided with a plurality of pressure receiving plates in the vertical direction, the rotational torque and the output power can be increased several times, and a high power generation amount can be obtained. The amount of power generation can be changed according to the number of stages.
本発明の設置台の外形状は楕円形状で、その長軸方向を設置する海・水での水流の主たる水流の方向とする。海中の潮の流れの方向は、時間とともに変動するが、その場合は水流の流れの方向の時間的に多い方向を「主たる水流の方向」とする。又は、流速が速い時間帯の水流エネルギーを主に使用する場合は、その時間帯の水流の流れの方向を「主たる方向」とする。これによって、設置台の長軸方向が水流方向と略平行となり、設置台の受ける水の抵抗は小さくなり、又設置台によって水流が乱れたり、又は渦が発生することが少なくなり、受圧板の位置の水流は層流に近いものとなり、受圧板から取り出される回転トルク・エネルギーの効率は高くなる。又、干満で水の流れが反対になっても、同様にエネルギー効率よく発電できる。
本発明の設置台の「楕円形状」とは、正確な楕円形状ばかりでなく、正確な楕円形状でなく偏平な形状、又は流線形状のものを含み、水流の流れに対して抵抗が少なく、設置台まわりの水流に乱流・渦の発生を少ない縦横の長さに長短のある形状のものをいう。
The outer shape of the installation stand of the present invention is an elliptical shape, and the major axis direction is the main water flow direction of the sea / water to be installed. The direction of the tide flow in the sea varies with time. In this case, the direction in which the flow direction of the water flow is large in time is defined as the “main water flow direction”. Alternatively, when the water flow energy in a time zone with a high flow velocity is mainly used, the direction of the water flow in that time zone is defined as the “main direction”. As a result, the long axis direction of the installation table is substantially parallel to the water flow direction, the resistance of the water received by the installation table is reduced, the water flow is disturbed by the installation table, and the occurrence of vortices is reduced. The water flow at the position is close to a laminar flow, and the efficiency of the rotational torque energy extracted from the pressure receiving plate is increased. Moreover, even if the flow of water is reversed due to tidal flow, it is possible to generate power efficiently as well.
The `` elliptical shape '' of the installation base of the present invention includes not only an accurate elliptical shape but also a flat shape, not a precise elliptical shape, or a streamline shape, and has little resistance to the flow of water, It has a shape that is long and short in length and breadth with little turbulence and vortex generation in the water flow around the installation base.
本発明の取付枠は、回転体から設置の海底又は水底の地面に略平行方向に放射状に突出した部材であるが、この取付枠には受圧板から力が負荷されるので、回転体に一端が取付けられた上下の複数の横フレームと同上下の横フレームを連結する複数の縦フレームで連結し、取付枠の回転に水の抵抗を少なく且つ高い強度を保有させるのが取付枠の好ましい構造である。 The mounting frame of the present invention is a member projecting radially from the rotating body in a direction substantially parallel to the ground of the seabed or the bottom of the water. Since the mounting frame is loaded with a force from the pressure receiving plate, the rotating body has one end. The mounting frame preferably has a plurality of upper and lower horizontal frames and a plurality of vertical frames that connect the upper and lower horizontal frames, and has low water resistance and high strength for rotation of the mounting frame. It is.
本発明の受圧板は、表と裏の表面材として傷付きにくい金属板又はプラスチック板を用い、内部に発泡樹脂材又はハニカム材を充填させて、受圧板の比重を、1.01〜1.05程の比重をもつ海水又は河川の水の比重に対する比で1.0より僅か小さく0.95〜0.99の範囲とすることが好ましい。その比が0.95より小さくなると浮力が大きくなり、受圧板が水平になる力が強くなり、そのため0°〜90°の位相で遅く垂直状態となり、90°の位相を過ぎると早目に水平状態となるので受圧板による発生トルクが小さくなる。又、水流・潮流の流速が低い場合は、浮力の方が強く回転体が自動始動しにくい。一方、その比が0.99を超えると浮力が弱くなって、受圧板が水平状態になりにくい。特に、位相角度270°付近で水平になりにくく、270°付近の受圧板の水の抵抗が大きくなり、反対方向に回転させようとする回転トルクが大きくなって、やはり発生トルクが小さくなる。よって、その比は0.95〜0.99が好ましい。その比が小さい程下げ角度θは大きくして下方力を大きくする必要がある。尚、受圧板は、海水・河川水の水の比重1.00〜1.05より軽いプラスチック板と重たい金属・セラミックスとの複合板であってもよい。 The pressure-receiving plate of the present invention uses a metal plate or a plastic plate that is not easily damaged as the front and back surface materials, and is filled with a foamed resin material or a honeycomb material, so that the specific gravity of the pressure-receiving plate is 1.01-1. The ratio of seawater or river water having a specific gravity of about 05 to the specific gravity of water is preferably slightly smaller than 1.0 and in the range of 0.95 to 0.99. When the ratio is smaller than 0.95, the buoyancy increases, and the force that the pressure receiving plate becomes horizontal becomes stronger, so that it becomes a vertical state slowly at a phase of 0 ° to 90 °, and becomes horizontal immediately after the phase of 90 °. As a result, the torque generated by the pressure receiving plate is reduced. Further, when the flow velocity of the water flow / tide is low, the buoyancy is stronger and the rotating body is difficult to start automatically. On the other hand, if the ratio exceeds 0.99, the buoyancy is weakened and the pressure receiving plate is hardly placed in a horizontal state. In particular, it is difficult to become horizontal near the phase angle of 270 °, the water resistance of the pressure receiving plate near 270 ° increases, the rotational torque to rotate in the opposite direction increases, and the generated torque also decreases. Therefore, the ratio is preferably 0.95 to 0.99. The smaller the ratio is, the larger the lowering angle θ needs to be increased. The pressure receiving plate may be a composite plate of a plastic plate lighter than the specific gravity of seawater / river water 1.00 to 1.05 and a heavy metal / ceramic.
本発明の発電機は、設置台内に設けられ、防水された中空空間内に収容され、回転体の設置台に対する回転力を、増速ギア機構を介して発電機を回動させる構造とするのが一般的である。 The generator according to the present invention is provided in an installation base, is housed in a waterproof hollow space, and has a structure in which the rotating force of the rotating body with respect to the installation base is rotated via the speed increasing gear mechanism. It is common.
本発明の受圧板の取付枠の上端での取付け方法は、蝶番又は枢着いずれでもよく、取付枠の上端まわりに受圧板が揺動できるものであればよい。 The mounting method of the pressure receiving plate of the present invention at the upper end of the mounting frame may be either a hinge or a pivot, as long as the pressure receiving plate can swing around the upper end of the mounting frame.
本発明の受圧板の制止手段の代表的手段としては、取付枠の下端部に受圧板の自由端を回転体の軸線方向となる略鉛直状態で係止する下ストッパーを設け、又取付枠の上端に設けた上ストッパーで、受圧板をその自由端が水平より僅か低くなる3°〜6°程の受圧板の傾き角度(下げ角度)状態とする。この下ストッパーと上ストッパーの制止手段としては、実施例の構造以外の他の機構も採用できる。 As a representative means for restraining the pressure receiving plate according to the present invention, a lower stopper for locking the free end of the pressure receiving plate in a substantially vertical state in the axial direction of the rotating body is provided at the lower end portion of the mounting frame. With the upper stopper provided at the upper end, the pressure receiving plate is brought into an inclination angle (lowering angle) state of the pressure receiving plate of about 3 ° to 6 ° whose free end is slightly lower than the horizontal. As a means for restraining the lower stopper and the upper stopper, a mechanism other than the structure of the embodiment can be adopted.
受圧板の下げ角度θの設定角度は小さすぎると、0°〜90°の回転位相で受圧板は90°の回転位相で垂直にならなかったり、垂直になるのが遅れすぎて全体の回転トルクが小さくなる傾向がある。逆に下げ角度θが大きすぎると、270°の位相で受圧板に強い流水抵抗が働いて、逆方向の大きな回転トルクが働いて、全体の回転トルクが小さくなって好ましくない。よって、受圧板の回転位相90°の垂直への円滑な移行と、270°回転位相での小さな抵抗とするため、受圧板の下げ角度θは3°〜6°程の角度範囲に抑えるようにするのがよい。 If the setting angle of the pressure plate lowering angle θ is too small, the pressure plate does not become vertical at a rotation phase of 0 ° to 90 ° or becomes too vertical at a rotation phase of 90 °. Tends to be smaller. On the other hand, if the lowering angle θ is too large, a strong flow resistance acts on the pressure receiving plate at a phase of 270 °, and a large rotational torque in the reverse direction acts to reduce the overall rotational torque. Therefore, in order to make a smooth transition of the pressure plate 90 ° to the vertical rotation phase and a small resistance at the 270 ° rotation phase, the lowering angle θ of the pressure plate is limited to an angle range of about 3 ° to 6 °. It is good to do.
概算してみると、tを受圧板の平均厚みとし、ρを水の密度とし、始動させる潮流の流速をVsとすると、受圧板の90°位相での傾き角度θの受圧板を押し下げる下方力=1/2*ρ*Cd*A*Vs2*tanθと、浮力=9.8*A*t*ρ*(1−受圧板の比重/水の比重)との比Xが、90°以前の位相で下方力が浮力より余裕をもって大きくする値1.3程以上必要であり、又270°位相で流水抗力を強く抑えるため、下方力の浮力に対する比Xが2.7以下程が良い設定であることが分った。即ち、
X=Vs2*tanθ/(t*9.8*(1−受圧板の比重/水の比重))
1.3<X<2.7
本実施例では、このXの不等式を満足する下げ角度θはt=0.1m,Vs=0.5m/s,受圧板の比重/水の比重の比を0.99とすると、3°〜6°程で4°±0.5が最も好ましいことが分った。
Approximately, if t is the average thickness of the pressure receiving plate, ρ is the density of water, and the flow velocity of the tidal current to be started is Vs, the downward force that pushes down the pressure receiving plate with the inclination angle θ at the 90 ° phase of the pressure receiving plate = 1/2 * ρ * Cd * A * Vs 2 * tan θ and the ratio X of buoyancy = 9.8 * A * t * ρ * (1-specific pressure plate / specific gravity of water) is 90 ° or less The value of 1.3 or more is required to increase the downward force with a margin greater than the buoyancy at the phase of, and the ratio X of the downward force to the buoyancy is preferably set to 2.7 or less in order to strongly suppress the flowing water resistance at the 270 ° phase. I found out that That is,
X = Vs 2 * tan θ / (t * 9.8 * (1-specific gravity of pressure plate / specific gravity of water))
1.3 <X <2.7
In this embodiment, the lowering angle θ satisfying the inequality of X is 3 ° to 3 m, where t = 0.1 m, Vs = 0.5 m / s, and the pressure plate specific gravity / water specific gravity ratio is 0.99. It has been found that 4 ° ± 0.5 is most preferable at about 6 °.
受圧板の比重と水の比が0.99の場合、受圧板の上限の揺動の角度の下げ角度(以下傾角ともいう)θが4°程が好ましく、3°〜6°の範囲が有効なことを具体的に説明する。
・始動時低流速0.5m/s
・受圧板の単位面積の容積(1.0m×1.0m×0.1m)
・受圧板比重と水の比重との比0.99
・海水の密度1,020kg/m3
上記の条件で説明する。よく知られた流体力学から、浮力と抗力は下記の値となる。
浮力=(1.0m×1.0m×0.1m)×(1.00−0.99)×1,020*9.8=9.996[N]=1.02[kgf]
垂直平板の単位面積当りの抗力Dは下式の値となる。Cdは垂直平板では2.0となる。
抗力D=1/2×1,020kg/m3×A×V2×Cd [N]=255 [N]=26[kgf]
この抗力Dによる受圧板に作用する下方力はその抗力Dのtanθで概算できる。
傾角2°の下方力=D×tan2°(0.03)=0.78kgf
傾角3°の下方力=D×tan3°(0.05)=1.30kgf
傾角4°の下方力=D×tan4°(0.07)=1.82kgf
傾角5°の下方力=D×tan5°(0.09)=2.37kgf
傾角6°の下方力=D×tan6°(0.11)=2.86kgf
傾角7°の下方力=D×tan7°(0.12)=3.12kgf
傾角(下げ角度)θの適切な角度の評価基準は、一つ目は90°位相で受圧板に働く下方力の方が浮力を余裕をもって上回ること、及び二つ目は位相270°位相で受圧板に働く反回転方向の回転トルクが大きくなく、全体として効率的な正回転方向の大きな回転トルクを確保できるようにすることである。
When the specific gravity of the pressure plate and the ratio of water is 0.99, the lowering angle (hereinafter also referred to as the tilt angle) θ of the upper limit swing angle of the pressure plate is preferably about 4 °, and the range of 3 ° to 6 ° is effective. This will be explained specifically.
・ Low flow rate at startup 0.5m / s
・ Volume of unit area of pressure plate (1.0m × 1.0m × 0.1m)
-Ratio of pressure plate specific gravity to water specific gravity 0.99
・ Seawater density 1,020 kg / m 3
It demonstrates on said conditions. From well-known hydrodynamics, buoyancy and drag are the following values:
Buoyancy = (1.0 m × 1.0 m × 0.1 m) × (1.00−0.99) × 1,020 * 9.8 = 9.996 [N] = 1.02 [kgf]
The drag D per unit area of the vertical flat plate is a value of the following formula. Cd is 2.0 for a vertical flat plate.
Drag D = 1/2 × 1,020 kg / m 3 × A × V 2 × Cd [N] = 255 [N] = 26 [kgf]
The downward force acting on the pressure receiving plate due to the drag D can be approximated by tan θ of the drag D.
Downward force at an inclination angle of 2 ° = D × tan2 ° (0.03) = 0.78 kgf
Downward force at an inclination angle of 3 ° = D × tan 3 ° (0.05) = 1.30 kgf
Downward force at an inclination of 4 ° = D × tan 4 ° (0.07) = 1.82 kgf
Downward force at an inclination of 5 ° = D × tan 5 ° (0.09) = 2.37 kgf
Downward force at an inclination of 6 ° = D × tan 6 ° (0.11) = 2.86 kgf
Downward force at an inclination of 7 ° = D × tan 7 ° (0.12) = 3.12 kgf
The evaluation standard for the appropriate angle of the tilt angle (lowering angle) θ is that the lower force acting on the pressure receiving plate at 90 ° phase exceeds the buoyancy with a margin, and the second is pressure receiving at the phase 270 ° phase. The rotational torque in the counter-rotating direction acting on the plate is not large, and it is possible to secure a large rotational torque in the effective positive rotational direction as a whole.
傾角2°の下方力0.78では、浮力1.02より低く受圧板が垂直にならない。
傾角3°の下方力1.30では、浮力1.02+回転部抵抗(約15%)に余裕が少ない。
傾角4°の下方力1.82では、浮力1.02+回転部抵抗(約15%)に適度の余裕あり、好ましい。
傾角5°の下方力2.37は余力がありすぎ、位相270°前後での反回転方向のトルクが増大する。
傾角6°の下方力2.86が大きすぎ、反回転方向のトルクが大きく回転しにくい。
傾角7°の下方力3.12は大きすぎ、反回転方向のトルクが過大で回転しにくく、回転トルクが不足する。
結論として、傾角3°〜6°が上記条件内での最適値と推定される。そして、実用的な範囲は3°〜6°の傾角であり、望ましくは4°±0.5°であることが分る。
3°より低いと、下方力が浮力を上回らず受圧板が回転降下しにくい。
又、6°を超えると、下方力は余裕がありすぎ、反回転方向のトルクを増大させる。全体の回転トルクが小さくなり、発生できる電力量が大巾に低下する。
受圧反対側(回転位相180°〜360°)では受水板の投影面積が受ける抗力が反回転方向に働き、反回転方向のトルクを増大させる。
With a downward force of 0.78 at an inclination angle of 2 °, the pressure receiving plate does not become vertical below buoyancy of 1.02.
With a downward force of 1.30 at an inclination of 3 °, there is little margin for buoyancy of 1.02 + rotating section resistance (about 15%).
A downward force of 1.82 at an inclination angle of 4 ° is preferable because there is an appropriate margin for buoyancy of 1.02 + rotating portion resistance (about 15%).
The downward force 2.37 at an inclination angle of 5 ° has excessive force, and the torque in the counter-rotating direction around the phase 270 ° increases.
The downward force 2.86 at an inclination angle of 6 ° is too large, and the torque in the counter-rotating direction is large and difficult to rotate.
The downward force 3.12 with an inclination angle of 7 ° is too large, and the torque in the counter-rotating direction is excessive and difficult to rotate, resulting in insufficient rotational torque.
In conclusion, an inclination angle of 3 ° to 6 ° is estimated as an optimum value within the above conditions. It can be seen that the practical range is an inclination of 3 ° to 6 °, preferably 4 ° ± 0.5 °.
If it is lower than 3 °, the downward force does not exceed the buoyancy, and the pressure receiving plate is difficult to rotate down.
On the other hand, if the angle exceeds 6 °, the downward force has too much room to increase the torque in the counter-rotating direction. The overall rotational torque is reduced, and the amount of power that can be generated is greatly reduced.
On the pressure receiving opposite side (rotation phase 180 ° to 360 °), the drag received by the projected area of the water receiving plate works in the counter-rotating direction, increasing the torque in the counter-rotating direction.
本発明では、横に倒した水車の受圧板をフラップ式にする事を、最も主要な特徴とする。受圧板は回転翼桁である取付枠の上端で揺動自在に取付け、その受圧板の比重を海水・河川の水の比重の0.95〜0.99倍程とし、僅かに浮く様にする。制止手段により、設定の下げ角度θ位置に回転止して水平以上にならないようにし、又、90度前後の位置に回転止をする。水流速が0〜0.5ノットの低速域では水流による力の発生が小さく、全受圧板は浮力により略水平になり、水圧をうけないため受圧板は回らない。下げ角度θが4°の場合、0.8ノット頃から初期角度4〜5度前後の面に当たる水圧による下方力が、受圧板の浮力に勝って、受圧板を下方へ回転させ、90度の制止手段で止まり、受圧板は水流に直角となり強い流水圧を受ける。その受圧力を取付枠に伝えることで受圧板・回転体は連続回転する。 In the present invention, the main feature is to make the pressure receiving plate of the waterwheel tilted sideways into a flap type. The pressure plate is swingably mounted at the upper end of the mounting frame, which is a rotating blade girder. The specific gravity of the pressure plate is about 0.95 to 0.99 times the specific gravity of seawater / river water so that it floats slightly. . The stop means stops the rotation at the set lower angle θ position so as not to become horizontal or more, and stops the rotation at a position around 90 degrees. In the low speed region where the water flow rate is 0 to 0.5 knot, the generation of force due to the water flow is small, and all the pressure receiving plates are substantially horizontal due to buoyancy, and the pressure receiving plate does not rotate because it is not subjected to water pressure. When the lowering angle θ is 4 °, the downward force due to the water pressure that hits the surface at an initial angle of about 4 to 5 degrees from around 0.8 knots overcomes the buoyancy of the pressure receiving plate, and rotates the pressure receiving plate downward. Stopped by the restraining means, the pressure receiving plate becomes perpendicular to the water flow and receives a strong water pressure. The pressure receiving plate / rotary body rotates continuously by transmitting the pressure receiving pressure to the mounting frame.
次に、潮流方向の変化に対して、特段の機構を必要とせず、フラップ式受圧板だけで自動的に対応できて、いずれの潮流方向でも回転体を回転可能としている。
これにより、受圧板の回転方向は流れの方向が変わっても常に一定回転方向に保たれる。
Next, a special mechanism is not required for changes in the tidal current direction, and it can be automatically handled only by the flap pressure receiving plate, and the rotating body can be rotated in any tidal current direction.
As a result, the rotation direction of the pressure receiving plate is always kept constant even when the flow direction changes.
本願発明の使用条件の潮流速度が2ノットから1ノット、水深が−40mから−10m程度の海域に適応する構造にする手段としては、まずプロペラ式やダリウス翼方式があるが何れも翼の揚力を利用する方式であり、発電量が翼直径の2乗・流速の3乗に比例する理論に基づく方式であり、さらに翼の回転軸が横軸で、支柱が直立となるため、深い水深と速い流速が必要条件となる。
これに比較して本発明は浅い水深、低流速の海域に適応する構造とするため、陸上の下掛け水車の近似理論:発電量=水車直径×水流量/秒×効率・係数に基き、縦軸横置き水平方向回転の水車に相当する。翼理論の流れ方向に、直角な揚力でなく、平行な直圧・抗力を利用する。受圧域が翼回転の全周になるプロペラ方式に比べ受圧域が回転の半周になることを補って、目標発電量に、余裕のある水車の直径、受圧板の寸法を自在に設定することができる。このことで、低い潮流速度浅い水深その他の現実条件に適応する構造とする事ができる。
As a means of adapting to the sea area where the tidal velocity is 2 knots to 1 knot and the water depth is about -40 m to -10 m, the propeller type and the Darius wing type are first used. Is a method based on the theory that the amount of power generation is proportional to the square of the blade diameter and the cube of the flow velocity. Furthermore, since the rotation axis of the blade is the horizontal axis and the support is upright, A fast flow rate is a requirement.
Compared to this, the present invention has a structure adapted to the shallow water depth and low-velocity sea area. Therefore, based on the approximate theory of underwater turbine on land: power generation = turbine diameter × water flow rate / second × efficiency / coefficient Corresponds to a horizontal turbine that rotates horizontally. Use parallel direct pressure / drag instead of lift perpendicular to the flow direction of the wing theory. Compared to the propeller system where the pressure receiving area is the entire circumference of the blade rotation, it can compensate for the pressure receiving area becoming a half rotation, and the target power generation amount can be set freely with the diameter of the turbine wheel and the size of the pressure receiving plate it can. As a result, the structure can be adapted to the low tidal velocity, shallow water depth and other real conditions.
次に、目標発電量を達成するための、水車の概算寸法を設定してみる。基本的には、前出の下掛け水車の近似理論に基づくが、その他の理論式や余裕、バランス等加味して、設定する。1000kWでは、水車直径50mのとき、水車翼幅は、流速1ノットで10m、流速2ノットで5mとなる。2000kWでは、水車直径80mのとき、水車翼幅は、流速1ノットで12m、流速2ノットで6mとなる。100kWでは、水車直径10mのとき、水車翼幅は、流速1ノットで5m、流速2ノットで3mとなる。
上記の如く、海洋構造物らしくかなり長大なものになるが、慎重な構造計算や、回転数と増速機構の計画を行うことで、十分実現可能な手段である。
Next, set the approximate dimensions of the water turbine to achieve the target power generation. Basically, it is based on the approximate theory of the underwater turbine mentioned above, but it is set by taking into account other theoretical formulas, margin, balance, etc. At 1000 kW, when the turbine diameter is 50 m, the turbine blade width is 10 m at a flow rate of 1 knot and 5 m at a flow rate of 2 knots. At 2000 kW, when the turbine diameter is 80 m, the turbine blade width is 12 m at a flow rate of 1 knot and 6 m at a flow rate of 2 knots. At 100 kW, when the turbine diameter is 10 m, the turbine blade width is 5 m at a flow rate of 1 knot and 3 m at a flow rate of 2 knots.
As mentioned above, it is quite long like an offshore structure, but it can be sufficiently realized by careful structural calculations and planning of the rotation speed and speed increasing mechanism.
設置台、回転体、回転数と増速機構等にかんしては既存の周知技術内で達成される。又、各部材の強度も適切な素材・寸法及びリブ等で構造強度は確保でき、実用化できるものである。更に、本発明の海・水中に設置した発電装置を点検・補修・安全等の為に、回転体・取付枠・受圧板の回転を停止させる機構を設けることが好ましい。その機構としては、運転中に受圧板の上限の設定の下げ角度θ(3°〜6°程)を0°程の水平に近い小さな角度δに動力を用いて強制的に固定できる強制停止装置を備えれば、受圧板は水流の流れと略平行の姿勢となって回転トルクが発生しないようになって、回転体・取付枠・受圧板は回転がきわめて低下して浮遊状態になり、回転を容易に停止できる。強制停止装置例は、以下の実施例で一例を説明しているが、更にメカニカルストッパーを設けることも有効である。 The installation table, the rotating body, the rotation speed, the speed increasing mechanism, and the like can be achieved within the existing well-known technology. Also, the strength of each member can be ensured by using appropriate materials, dimensions, ribs, etc., and can be put to practical use. Furthermore, it is preferable to provide a mechanism for stopping the rotation of the rotating body, the mounting frame, and the pressure receiving plate for the inspection, repair, safety, etc. of the power generation apparatus installed in the sea / water of the present invention. As the mechanism, a forced stop device that can forcibly fix the lowering angle θ (about 3 ° to 6 °) of the upper limit of the pressure receiving plate to a small angle δ that is almost horizontal such as 0 ° by using power during operation. The pressure receiving plate is in a posture that is substantially parallel to the flow of the water so that rotational torque is not generated. Can be easily stopped. An example of the forced stop device is described in the following embodiment, but it is also effective to provide a mechanical stopper.
最後に、潮流・流水中における本発明の発電装置の姿勢安定対策が必要である。漁場を対象としてアンカーケーブル方式を検討する潮流速2.0ノットで試算する。1000kW型の概算の寸法、重量を設定して試算した結果、計算により求められる数値に、全体浮力、アンカーの重量、アンカーケーブルの位置を設定することで、安定する。
2.0ノット以上の急潮流域では十分余裕のある対策が必要となる。台風波浪に対しては潮流発電装置全体を低潮位以下3.0mに沈めることで安定させられる。津波対策は、別途の検討を行う。海底固定方式はアンカーケーブル式よりさらに安定は容易である。又、2000kW型の発電装置も同様に可能である。
Finally, it is necessary to take measures for stabilizing the posture of the power generation device of the present invention in tidal currents and flowing water. Estimate at a tidal velocity of 2.0 knots to study the anchor cable system for fishing grounds. As a result of trial calculation by setting approximate dimensions and weight of the 1000 kW type, setting the overall buoyancy, the weight of the anchor, and the position of the anchor cable to the numerical values obtained by the calculation stabilizes.
Measures with a sufficient margin are required in a rapid tide area of 2.0 knots or more. Typhoon waves can be stabilized by sinking the entire tidal current generator to 3.0 m below the low tide level. The tsunami countermeasure will be examined separately. The seafloor fixing method is easier to stabilize than the anchor cable method. A 2000 kW type power generator is also possible.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施例)
図1〜20に示す実施例は、水深40m程の海中にアンカーケーブル方式で設置される総重量が440tで設置台の浮力が800t程の2000kW型の発電装置例である。楕円筒状の設置台はその内部の上部を中空にし、設置台の外周の上段,中段及び下段に円環状の固定ガイドフレームをブラケットによって固設し、同固定ガイドフレームに円環状の回転体を固定ガイドフレームに沿って周回可能に取付ける。この回転体に8組の放射状の取付枠(複段の横フレームとこれを上下方向に連結する縦フレームと補強横フレームとその連結材とよりなる)を取付け、各取付枠の上段と中段の横フレームの上端に横3列の受圧板を2段に揺動自在に取付けている。発電運転時の受圧板の揺動角範囲は、上限の下げ角度θは4°とし、これから垂直状態の90°の範囲としている。
(Example)
The embodiment shown in FIGS. 1 to 20 is an example of a 2000 kW type power generation apparatus in which the total weight installed by the anchor cable system in the sea at a depth of about 40 m is 440 t and the buoyancy of the installation base is about 800 t. The elliptical cylindrical installation base is hollowed inside, and an annular fixed guide frame is fixed to the upper, middle and lower stages of the outer periphery of the installation base with brackets, and an annular rotating body is attached to the fixed guide frame. Install it so that it can circulate along the fixed guide frame. Eight sets of radial mounting frames (consisting of a multi-stage horizontal frame, a vertical frame connecting the upper and lower frames, a reinforcing horizontal frame, and a connecting member thereof) are attached to the rotating body, and the upper and middle stages of each mounting frame are mounted. Three horizontal rows of pressure receiving plates are attached to the upper end of the horizontal frame so as to be swingable in two stages. As for the rocking angle range of the pressure receiving plate during the power generation operation, the upper limit lowering angle θ is 4 °, and the vertical range is 90 °.
次に、この設置台は上半部を中空室として大きな800t程の浮力を保有し、設置台の海水に漬かる下部の内部にウインドラスを複数配置し、同ウインドラスに巻き取られるくさりの下端に浮力タンク付アンカーウエイトを取付けて、海底面にアンカーとして配置している。この設置台の浮力と、アンカーウエイトによるアンカー力及び固定ガイドフレーム・回転体・取付枠・受圧板の自重及びそれからの下方力・上方力・回転力を平衝させて、設置台・回転体・取付枠・受圧板を海中に保持している。
設置台は長軸方向の径長が約14mで短軸の方向の径長は約10mで高さ14mで、中間で内部は仕切られている。
Next, this installation base has a large buoyancy of about 800 tons with the upper half as a hollow chamber, and a plurality of windlass are placed inside the installation table under the seawater, and the lower end of the wedge wound around the windlass. An anchor weight with a buoyancy tank is attached to and placed as an anchor on the sea floor. The buoyancy of the installation base and the anchoring force by the anchor weight and the self-weight of the fixed guide frame, rotating body, mounting frame, pressure receiving plate and the downward force, upward force, and rotational force from there are balanced. The mounting frame and pressure plate are held in the sea.
The installation base has a diameter of about 14 m in the major axis direction, a diameter in the direction of the minor axis of about 10 m and a height of 14 m, and the interior is partitioned in the middle.
(取付枠の構造)
回転体から45°毎に8組半径方向に突出させた各取付枠は、図2,3,4,5,6に示すように上中下の3段の横フレームと、同横フレームを上下に連結する縦フレームと、各段の横フレームと略同じ高さで且つ横フレームの近くで半径方向に突出させた補助横フレームと、同補助横フレームと横フレームとを三角形の二長辺となすように連結する連結材とからなっていて強い構造強度を有する。横フレームは断面偏平状の外形状を有して、水の抵抗を小さくし且つエアシリンダー、軸受部の取付アーム、下方ストッパー等が回転ズレがなく強固に取付けられ易くしている。又、各取付枠を突設した回転体部分の下部には固定ガイドフレームのガイド溝に沿って走行する脚部と走行シューがそれぞれ取付けられている。回転体と取付枠と受圧板は固定ガイドフレームに沿って周回運動できるようになっている。
(Mounting frame structure)
As shown in FIGS. 2, 3, 4, 5 and 6, each mounting frame protruded in the radial direction from the rotating body in 45 ° increments in the radial direction is divided into three upper and lower horizontal frames and upper and lower horizontal frames. A vertical frame connected to each other, an auxiliary horizontal frame that is substantially the same height as the horizontal frame of each step and protrudes in the radial direction near the horizontal frame, and the auxiliary horizontal frame and the horizontal frame have two long sides of a triangle. It consists of a connecting material that is connected as it is, and has a strong structural strength. The horizontal frame has an outer shape with a flat cross section to reduce the resistance of water, and the air cylinder, the mounting arm of the bearing portion, the lower stopper, etc. are easy to be firmly attached without rotational deviation. Further, a leg portion and a running shoe are attached to the lower portion of the rotating body portion provided with the mounting frames so as to run along the guide groove of the fixed guide frame. The rotating body, the mounting frame, and the pressure receiving plate can move around the fixed guide frame.
一枚の受圧板は、図7〜9に示すように6.5m×5mで最大厚みが0.3m程であり、その先端に共通の枢支軸を熔着して横3列の受圧板を連結し、取付枠の上段横フレーム又は中段横フレームそれぞれに受圧板の枢支軸を回転自在に保持する軸受部を固設して取付けて受圧板をその上端で揺動自在にしている。
そして、図10〜13に示すように受圧板の枢支軸に固着した角度規制用のアームを横フレームに向けて突出するように取付け、同アームの角度(受圧板の揺動角度)を横フレームの上面と下面とに取付けた上下一対のエアシリンダーのシリンダーロッドに取付けた加圧片とリンク板とで規制している。受圧板の枢支軸のアームを4°〜90°回動可能にする発電運転中のモードの「0」モード位置状態と、固定下げ角δとして「4°」にする「1」モード位置状態と、同じく固定下げ角δとして「0°」にする「2」モード位置状態の三つのモード位置に上下のエアシリンダーのシリンダーロッドの進退量で可能にしている。尚、受圧板を「0」モードの垂直の90°位置に保持するのは、取付枠の中段・下段の横フレームに設けた下ストッパーに当接して90°以上回転しないようにしている。この上下のエアシリンダーのストローク量を制御するのが取付枠の最上位置に設けた切換弁である。
Each of the pressure receiving plates is 6.5 m × 5 m and the maximum thickness is about 0.3 m as shown in FIGS. 7 to 9, and a common pivot shaft is welded to the tip of the pressure receiving plates in three horizontal rows. Are connected to each of the upper horizontal frame or the middle horizontal frame of the mounting frame, and a bearing portion for rotatably holding the pivot shaft of the pressure receiving plate is fixedly attached so that the pressure receiving plate can swing at its upper end.
Then, as shown in FIGS. 10 to 13, the angle regulating arm fixed to the pivot shaft of the pressure receiving plate is attached so as to protrude toward the horizontal frame, and the angle of the arm (the rocking angle of the pressure receiving plate) is set to the horizontal. It is regulated by a pressure piece and a link plate attached to cylinder rods of a pair of upper and lower air cylinders attached to the upper and lower surfaces of the frame. “0” mode position state of the power generation mode in which the arm of the pivot shaft of the pressure receiving plate is rotatable by 4 ° to 90 ° and “1” mode position state in which the fixed lowering angle δ is set to “4 °” Similarly, the fixed lowering angle δ is set to “0 °”, and the three mode positions in the “2” mode position state are made possible by the advance and retreat amounts of the cylinder rods of the upper and lower air cylinders. Note that the pressure plate is held at the vertical 90 ° position in the “0” mode so that it does not rotate more than 90 ° by abutting against the lower stoppers provided in the middle and lower horizontal frames of the mounting frame. A switching valve provided at the uppermost position of the mounting frame controls the stroke amount of the upper and lower air cylinders.
その切換弁の弁軸の位置を制御するのは、図15〜17に示すように固定された設置台又はブラケットの外周上部に16個放射状に配置されてそのロッドが半径方向に独立して進退できるように設けられたガイド保持エアシリンダーと、16個のガイド保持エアシリンダーのシリンダーロッドの先端によって吊り下げられて、そのシリンダーロッドの進退で半径が多少変更できる環状で下向きの「コ」字状の断面をもつ弁軸ガイド枠とを用い、前記切換弁の弁軸端に取付けた走行シューを回転体とともに回転させながら非回転の弁軸ガイド枠内に置いて弁軸端の走行シューを弁軸ガイド枠の内面との接触で弁軸端の位置を弁軸ガイド枠のストローク位置で変更できるようにしている。即ち、回転する取付枠に取付けた切換弁の制御を固定された設置台側のガイド保持エアシリンダーのロッド進退制御で可能としている。 The position of the valve shaft of the switching valve is controlled as shown in FIGS. 15 to 17 in which 16 rods are radially arranged on the outer periphery of the fixed mounting base or bracket, and the rods advance and retract independently in the radial direction. A guide holding air cylinder provided so that it can be hung by the tip of the cylinder rod of the 16 guide holding air cylinders, and a circular and downward “U” shape whose radius can be changed somewhat by the advance and retreat of the cylinder rod The travel shoe attached to the valve shaft end of the switching valve is rotated with the rotating body and placed in the non-rotating valve shaft guide frame, and the travel shoe at the valve shaft end is valved. The position of the valve shaft end can be changed by the stroke position of the valve shaft guide frame by contact with the inner surface of the shaft guide frame. That is, the control of the switching valve mounted on the rotating mounting frame is made possible by the rod advance / retreat control of the guide holding air cylinder on the fixed installation base side.
上記切換弁は取付枠の最上段に取付られ、各取付枠に1台の切換弁があり、切換弁のエアは上段横フレームと中段横フレームに揺動自在に取付けた受圧板の角度を規制する上段・中段の横フレームに取付けた各エアシリンダーに送られて、それらを制御させている。 The switching valve is mounted on the uppermost stage of the mounting frame, and each mounting frame has one switching valve. The air of the switching valve regulates the angle of the pressure receiving plate that is swingably mounted on the upper and middle horizontal frames. They are sent to the air cylinders attached to the upper and middle horizontal frames to control them.
上記弁軸ガイド枠は、図17に示すように最上段の回転体の上方位置で円周方向に16個配列された円弧状で断面形状が下向きの「コ」字状のガイド本体と、隣り合うガイド本体間をスライドして円周方向の長さが変更できて両端が回転自在にガイド本体端と連結される伸縮鞘継ぎ手構造の中間伸縮ガイド枠とからなっている。設置台の上部に固設された16個のガイド保持エアシリンダーの2段伸縮のシリンダーロッドの先端が、ガイド枠本体上面と連結されている。 As shown in FIG. 17, the valve shaft guide frame is adjacent to an arcuate and U-shaped guide body having a downward cross-sectional shape arranged in the circumferential direction at the upper position of the uppermost rotating body. It consists of an intermediate telescopic guide frame with a telescopic sheath joint structure in which the lengths in the circumferential direction can be changed by sliding between the matching guide main bodies and both ends are rotatably connected to the ends of the guide main body. The tips of the two-stage extendable cylinder rods of 16 guide holding air cylinders fixed to the upper part of the installation table are connected to the upper surface of the guide frame main body.
(図面の符号説明)
図中特に図1〜3においてあらわれる符号で、1は長軸方向外径14m,短軸方向外径10mで高さ14mの楕円筒状の設置台であり、内部中間の隔壁1aによって上半部は中空であり、その上半部内部に回転体の回転力を伝達する回転伝達機構Dと、発電機Hと、配電装置Cと、空調装置A、制御盤B等が配置されている。1bは設置台1の甲板に上方へ長く突出させた一対の通行筒で上端には防水開閉蓋があり、その内部には階段があって、海面から設置台内の上半部内部に人が出入できるようにしている。1cは設置台1の海に漬る下半部の底部に複数設けたウインドラス、1dは同ウインドラスで巻きとるアンカーのくさり、1eは同くさりの下端に取付けた浮きタンク1fを備えたアンカーウエイトである。
(Explanation of reference numerals in the drawings)
In the figure,
図中特に図1,2,18,19においてあらわれる符号であって、2は楕円状の設置台1の外側の上段,中段及び下段位置に設けた円環状の固定ガイドフレーム、2aは同固定ガイドフレームを設置台1の外周壁に支持するブラケットで長軸方向のブラケットは短く、短軸方向のブラケットの長さは長い。2bはブラケットの先端に設けられた固定ガイドフレーム2の円環状ガイド溝、3は上段,中段,下段の固定ガイドフレーム2の位置の上方に設けた円環状の回転体であって、H型鋼を横向きにして環状にしたもので、3aは同回転体の下部に設けた脚部、3bは同脚部の下方に取付けられたポリ四ふっ化エチレン等の滑動抵抗が小さい材質で製作された走行シューであり、固定ガイドフレーム2のガイド溝2b内に拘束されて回転体3を固定ガイドフレーム2に沿って周回運動可能にしている。3cは上段の回転体3の内側に設けた回転体の回転を固定された設置台に伝達するためのラック歯車である。
1, 2, 18, and 19, and 2 is an annular fixed guide frame provided at the upper, middle, and lower positions on the outer side of the
図中特に図1,2,3,4,5,6においてあらわれる符号であって、4は回転体3の外側に45°毎に8組放射状に取付けられた水平長さ15mで7mと7mとに上下に二分割された14m高さの取付枠、4aはその上段横フレーム、4bはその中段横フレーム、4cはその下段横フレーム、4dは上・中・下段の横フレームを上下に連結する3列の縦フレーム、4eは取付枠4の横フレームを回転体3の側面に固定する取付ボルトである。4pは上段横フレーム4a,中段横フレーム4bそれぞれに横3列の受圧板5の枢支軸6cを回転可能に横フレームに保持する軸受部で、4qは同軸受部をフレームに溶接で取付ける取付アームである。
In the figure, reference numerals are particularly shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, and 6, wherein 4 is a horizontal length of 15 m and is set to 7 m and 7 m radially attached to the outside of the
又、4h,4i,4jは上段・中段・下段の横フレーム4a,4b,4cに近接して回転体3に設けられた上段・中段・下段の補強横フレームであり、同補強横フレーム4h,4i,4jを取付ける回転体の位置に固定ガイド溝2bを走行する走行シュー3bを取付けた脚部3aを有している。補強横フレーム4h,4i,4jの先端部は横フレーム4a,4b,4cの先端と近接し、横フレームと補強横フレームと回転体の取付間隔とで三角形状をなし、横フレーム4a,4b,4cの回転体3との取付を強固にして、水平力・回転トルクに充分に耐える構造となっている。横フレーム4a,4b,4cと補強横フレーム4h,4i,4jとは四本の連結部材4mで連結されている。4nは中段と下段の横フレーム4b,4cの上面に上方に突設するように設けられた下ストッパーであり、上方の受圧板6を垂直の90°で停止せしめるためのものである。
図中特に図2,3,4にあらわれる符号であって、5は回転体3の回転を設置台1内に伝達する動力出力機構であって、図4中の5aは設置台1の長軸方向の周端に甲板を貫通する垂直の回転軸、5bは同回転軸の軸受部、5cは回転軸5aの軸端に設けた回転盤、5dは同回転盤上面に突設したピン、同ピンは回転体3の内側に設けられたラック歯車3cと噛合している。図3中の5eは回転軸5aの回転を傘歯車5fで水平回転に変向された動力を伝える水平軸、5gは左右からの水平軸5eの動力を発電機Hの回動軸に伝達する傘歯車である。これらで回転伝達機構Dが構成されている。
2, 5 and 4 are power output mechanisms for transmitting the rotation of the
図中特に図7,8,9にあらわれる符号であって、6は取付枠4の上段横フレーム4a及び中段横フレーム4bに揺動自在に取付けられる3列の受圧板(回転翼)で、各受圧板は巾5m,高さ6.5mで、内部に硬質発泡樹脂6aを充填し、その外表面を厚み1mmのステンレス鋼板6bを貼り付けて、受圧板の最大厚みは0.3mとしている。この受圧板の比重は0.99としている。
6cは受圧板6の上端に固着した枢支軸、6dは枢支軸6cに固着して横フレームの方へ突設した回転角度制限用のアーム、6hは受圧板の自由端に設けた切欠で接触防止のためのものである。又、内部の長手方向に向って翼桁6gが設けられている。
In the figure, reference numerals are shown in FIGS. 7, 8 and 9 in particular, and 6 is a three rows of pressure receiving plates (rotary blades) which are swingably attached to the upper
6c is a pivot shaft fixed to the upper end of the
図中特に図9にあらわれる符号であって、7は受圧板6の枢支軸6cの軸受部4bの取付機構で、上段又は中段の横フレーム4a,4bの下面からの取付アーム4qで軸受部4pは支持されている。同軸受部4pは、上軸受部4p1と下軸受部4p2とからなり、複数のボルト4p3で連結されて枢支軸6cを回転自在に軸支している。
In the drawing, reference numeral 7 particularly denotes the reference numeral 7, wherein 7 is a mounting mechanism for the bearing
図10〜13において、受圧板6の4°〜90°に揺動を制限する制止手段S及び点検又は補修の為に回転体3・取付枠4と受圧板6の回転を強制停止させる強制停止装置Tを示している。この実施例では各横フレーム4a,4bの上下に設けたエアシリンダー7a,7bによって受圧板6のアーム6dを角度規制している。そのエアシリンダー7a,7bの制御を行うものとして、図15〜17に示すようにエアーの切換弁9とその切換弁9の弁軸9aのストローク位置をコントロールする弁軸ガイド枠10を最上段の回転体3の上方に配置し、設置台1とブラケット2aに設けた16個のガイド保持エアシリンダー11を進退して動かして、その弁軸ガイド枠10の位置制御することで切換弁9を制御している。
10-13, the stop means S for restricting the swing of the
図中特に図11に示すように、受圧板6のアーム6dを規制するエアシリンダー7a,7bは上段・中段の各横フレーム4a,4bの上面及び下面に取付けられている。上方のエアシリンダー7aは、発電運転中の「0」モード位置状態(図11(a)参照)、固定下げ角度δ=4°での4°固定モード位置状態(図11(b)参照)、δ=0°での固定モード位置状態(図11(c)参照)にするように、0段,1段,2段と三段階に半径方向に進退するようになっている。各エアシリンダー7aのシリンダーロッド7a1はロッドガイド7a2によって中間支持され、そのシリンダーロッド7a1の先端に下向きの加圧片8を設けていて、同加圧片8の下端は段差部8aを設けている。この段差部8aがアーム6dと接触しないのがもっとも収縮した「0」モード位置(図11(a)参照)であり、段差部8aがアーム6dの先端と係合した位置が固定下げ角度δ=4°の「1」モード位置(図11(b)参照)であり、更に最もロッドが伸長すると加圧片6の下端がアーム6dの上面と当るのが固定下げ角度δ=0°の「2」モード位置(図11(c)参照)となっている。
As shown particularly in FIG. 11,
一方、下方のエアシリンダー7bのシリンダーロッド7b1の先端には、取付アーム4gで中間を枢着したリンク板7b2,7b3が取付けられ、リンク板7b3の上端が垂直に近い角度でアーム6dの下面と当接することで、4°に受圧板6を傾けて下げ角度θ=4°を可能とする(図11(a)参照)。「0」モード及び「1」モードではリンク板7b3と上位の加圧片8によって、4°固定又は0°固定するように、アーム6dを規制している(図11(b),(c)参照)。
リンク板7b3を横フレーム側へ傾けると、アーム6dは0°の水平に保持され、「2」モードの位置になる。
このように、上下のエアシリンダー7a,7bは同期して制御され、「0」モード位置ではアーム6dは下方のリンク板7bで下げ角4°より水平に近づかないようになり、受圧板6は4°〜90°の揺動可能となる。「1」モード位置ではアーム6dは4°で固定され、「2」モード位置ではアーム6dは0°で固定される。このエアシリンダー7a,7bの同期のエア制御は、切換弁9によってなされる。
On the other hand,
When the
Thus, the upper and
切換弁9の制御は、図15〜17に示すように、設置台1の外周又は固定ガイドフレーム2の内側のブラケット2aに放射状に設けた16個のガイド保持エアシリンダー11のシリンダーロッド先端に吊り下げた弁軸ガイド枠10を半径方向に動かして、弁軸ガイド枠10の半径方向の位置を変えることでなされる。ガイド保持エアシリンダー11は半径方向に3段階に伸長できる。しかも、弁軸ガイド枠10は円周方向に16区分され、各区分はガイド枠10aと、隣接するガイド枠10aとを円周方向に伸縮自在で枢着された伸縮鞘継ぎ手の構造の中間伸縮ガイド枠10bを有し、半径方向に径の長さを変更でき、円周長さも変えられるようになっている。更に、円周途中で斜めにもできる構造を有している。かかる弁軸ガイド枠10は16個のガイド保持エアシリンダー11で吊り下げるように設置台の最上位の回転体3上方に支持されている。
As shown in FIGS. 15 to 17, the switching
一方、取付枠4と回転体3上にはエアタンク12の高圧エアをエアシリンダー7a,7bへ送る途中に、エア路の切換えを「0」,「1」,「2」のモード位置に切換える切換弁9を取付けていて、その弁軸9aの弁軸端に走行シュー9bを取付け、同走行シュー9bは上記の弁軸ガイド枠10内に拘束され、その枠と接触して切換弁9の弁軸9aのストローク位置は弁軸ガイド枠10の進退位置「0」,「1」,「2」モード位置に設置側のガイド保持シリンダー11の作動で制御される。弁軸ガイド枠10が最も内側にあるのが「0」モードで、最も外側にあるのが「2」モードで、中間にあるのが「1」モードである。このガイド保持シリンダー11の制御は設置台1内の中空室の制御盤Bによってコントロールされる。更に、この制御盤Bは遠方よりリモートコントロールできるようになっている。
On the other hand, on the mounting
(実施例の動作説明)
本実施例1のフラップ式受圧板6に僅かな浮力(受圧板の比重と水の比重の比を0.99)を持たせたことで、潮流の流速が小さい場合又は流れがない場合は、この浮力により受圧板6は水平となる方向に回動される。一方、潮流の流速が小さい場合でその作用流圧は小さく、浮力の方がまだ大きい場合、図10,図11(a)及び図12の実線で示すように、その自由端が少し上方向に浮くように(傾くように)なる。尚、浮力の方が大きい場合は受圧板6はアーム6dがリンク板7b3で制動されて水平から4°の下げ角度θの状態に保持される。この下げ角度θに保持されている状態は、図20の270°回転位相前後の状態である。この状態は潮流からの受圧力が最も少ない状態であり、受圧板6による回転体3の回転トルクはほとんど発生しない。
次に、潮流の流速が大きくなると、受圧力が流速の自乗で大きくなって受圧板6の状態は、図12の二点破線、図13及び図20に示すように垂直となる。即ち、受圧板6の回転位相が0°→45°になると、傾いた受圧板6の上面に潮流が流れて、受圧板6を下方へ押し、その水圧力が浮力及び受圧板6の旋回による持ち上げの水圧力(揚力)に勝って、受圧板6を徐々に下方へ押し下げて受圧板6を鉛直方向に回動させる。図12一点鎖線,図13実線に示すように、受圧板6が90°の回転位相では下方ストッパー4nによって制動されて略鉛直状態を保持される。この回転位相(60°〜150°)の間受圧板6は潮流を大略直角に受けて、強い力と回転トルクを取付枠4,回転体3に与え、これらを時計方向(正回転方向)に回動させる。
受圧板6の回転位相180°近くでは、受圧板6は潮力の流速によって揚力を発生し、浮力と併せて受圧板6は水平状態に近くなり、回転位相270°では図10に示すように、リンク板7b3がアーム6dを係止し、水平から4°下向きに保持された略水平状態となる。この状態では受圧板6は潮流の流れと略平行になって、受圧板6の回転に対する水の抵抗は最小となり、90°前後の回転位相での強い力とその回転トルクによって受圧板6、回転体3は時計方向(正回転方向)に確実に回転できるものとなる。
(Description of operation of the embodiment)
When the flap-type
Next, when the flow velocity of the tidal current increases, the received pressure increases as the square of the flow velocity, and the state of the
When the rotational phase of the
上記の実施例の発電装置の流水水槽での実験では、流速が低い0〜0.3m/sでは、受圧板6は全て略水平状態であり、回転体3は回転しなかった。又、流速が0.4m/sで受圧板6は90°回転位相で鉛直方向になって、回転体3,受圧板6は回転始めた。
In the experiment in the flowing water tank of the power generation apparatus of the above example, the
受圧板6は回転位相45°〜135°で垂直になるか垂直近くに傾斜状態にあり、そして回転位相225°〜315°付近では下げ角度θ=4°になるか、それに近い角度で略水平状態となる。その中間位相では受圧板6は傾いた浮遊状態となる。
これによって、受圧板6は回転位相45°〜135°で潮流の水流を略直角に受け、潮流から強い水圧力を受け、大きな回転トルクを発生する。回転位相225°〜315°では水流からの抗力はきわめて小さく、受圧板6の回転を阻害する力、反回転トルクの発生はきわめて弱い。
よって、回転体3の受圧板6は確実に正回転方向に回転できるものとなる。
The
As a result, the
Therefore, the
回転体3の回転は図2,3,4に示すように、その上段の回転体3の内側に設けたラック歯車3cが設置台1の長軸側の甲板の周端から突出させた回転軸5aの上端に取付けた回転盤5cの8本のピン5dと噛合して、回転体3の旋回(回転)とともに回転軸5aを回転させる。回転軸5aの回転速度は回転盤5cの半径と回転体のラック歯車3cの半径の比で回転体3の回転速度を増速するように回転される。
この回転軸5aの回転力は傘歯車5f,水平軸5e,傘歯車5gを介して発電機Hの回動軸を回転させる。
発電機Hの発電された電源は配電装置C,トランスによって送電線(図示せず)で陸上側に送電している。
As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the
The rotational force of the
The power generated by the generator H is transmitted to the land side through a power transmission line (not shown) by a power distribution device C and a transformer.
その出力発電量の計算は下記の概算となる。
受圧板6の流水抗力は流体力学で知られた下式の1式より求めた。
流体力学の一般公式:抗力=1/2×流体密度×A×V2×Cd[N]・・・1式
流体密度1,020kg/m3,A:受圧面積210m2,V:流速1.0m/s
Cd:抗力係数は垂直平板で2.0であり、又力の単位は1kgf=9.8[N]とした。
すると、抗力は21,860[kg・f]で、この値に15mを乗じた回転トルクは328,000kgf・mとなる。
The calculation of the output power generation amount is as follows.
The flowing water drag of the
General formula of fluid mechanics: drag = 1/2 × fluid density × A × V 2 × Cd [N] (1) Fluid density 1,020 kg / m 3 , A: pressure receiving area 210 m 2 , V: flow velocity 0m / s
Cd: The drag coefficient is 2.0 for a vertical flat plate, and the unit of force is 1 kgf = 9.8 [N].
Then, the drag is 21,860 [kg · f], and the rotational torque obtained by multiplying this value by 15 m is 328,000 kgf · m.
受圧板6が上記流水抗力で回転始めて回転数が増加していくが、それに従って受圧板に対する流体の相対速度も低下することで、一定回転数の定回転数の状態になってくる。その回転数nは回転体3に作用する発電機Hの負荷(発電量)の値によって変化する。発電量が0で無負荷に近い場合は、受圧板6は潮流の流速に近い周速度で回転する。
従って、無負荷の場合は潮流流速の約1m/s程の速度でもって受圧板の受圧板中心は回転する。無負荷の場合の受圧板6(回転体3)の回転数nはその受圧板中心の回転中心からの距離が約15mであるので、回転数nは0.0667(rad/s)又は0.637(rpm)程となる。
The
Therefore, when there is no load, the pressure plate center of the pressure plate rotates at a speed of about 1 m / s of the tidal flow velocity. The rotational speed n of the pressure receiving plate 6 (rotary body 3) when there is no load is about 15 m from the rotational center of the pressure receiving plate center, so the rotational speed n is 0.0667 (rad / s) or 0. It becomes about 637 (rpm).
次に、この発電装置を用い、受圧板6(回転体3)の連続回転で発電機Hに2000kWの負荷を与えるとする。負荷の2000kWの仕事率によって、受圧板の受圧中心の回転周速度は潮流の流速(1m/s)よりかなり低くなる。そのため、1枚の受圧板6の発生する流水抗力及び回転トルクもかなり低下するが、受圧板6は45°毎に放射状に取付けられ、前後の2組の受圧板の流水抗力及び回転トルクを考慮すると、大略始動時の上記値の流水抗力Fと回転トルクTが達成できる。それで2000kW発電の発電機Hに必要な回転数Nを計算すると下記のようになる。
Next, it is assumed that a load of 2000 kW is applied to the generator H by continuous rotation of the pressure receiving plate 6 (the rotator 3) using this power generator. Due to the 2000 kW power of the load, the rotational peripheral speed of the pressure receiving center of the pressure receiving plate is considerably lower than the tidal current velocity (1 m / s). For this reason, the flowing water drag and rotational torque generated by one
又、仕事率の単位W(ワット)と、m・kgf/sとの単位の関係としては下記の2式〜4式の公式が知られている。
1ps=75m・kgf/s=735.5W・・・2式
1W=75/735.5m・kgf/s・・・・・3式
=0.1020m・kgf/s・・・・・・・4式
Moreover, the following
1 ps = 75 m · kgf / s = 735.5
上記3式から2000kW=75/735.5*2*106[m・kgf/s]・・・5式
となる。
次に、上記回転トルクとして328,000kgf・mでもって発電機Hに、2000kWの仕事率を発生させるに必要な発電機Hの回転軸の回転数をN(rad/s)を計算する。
2000kW出力する受圧板の仕事率
=N(rad/s)*T(回転トルク:kgf・m)
=2000kW=2*106W
=75/735.5*2*106[m・kgf/s]・・・5式から
従って、回転数N(rad/s)の値は
N=2*75×106/735.5/T・・・6式
となる。
T(回転トルク/kgf・m)=328,000kgf・mとし、始動時の回転トルクを代入すれば、
N=2*75*106/735.5/328,000(rad/s)
=0.622(rad/s)
従って、前記無負荷時の受圧板6(回転体3)の回転数nと2000kW出力に必要な連続運転時の発電機7の回転軸の回転数Nとの比は下記の通りとなる。
(rad/s)とN(rad/s)の比は
増速比=N(rad/s)/n(rad/s)=0.622/0.0667=9.3≒10
となる。
From the above three formulas, 2000 kW = 75 / 735.5 * 2 * 10 6 [m · kgf / s]...
Next, N (rad / s) is calculated as the rotational speed of the rotating shaft of the generator H required to cause the generator H to generate a power of 2000 kW with the rotational torque of 328,000 kgf · m.
Work rate of pressure receiving plate outputting 2000 kW = N (rad / s) * T (rotational torque: kgf · m)
= 2000kW = 2 * 10 6 W
= 75 / 735.5 * 2 * 10 6 [m · kgf / s] ... From equation (5) Therefore, the value of the rotational speed N (rad / s) is N = 2 * 75 × 10 6 /735.5/ T ... 6 types.
If T (rotational torque / kgf · m) = 328,000 kgf · m and the rotational torque at the start is substituted,
N = 2 * 75 * 10 6 /735.5/328,000 (rad / s)
= 0.622 (rad / s)
Therefore, the ratio between the rotational speed n of the pressure receiving plate 6 (rotating body 3) at the time of no load and the rotational speed N of the rotating shaft of the generator 7 during continuous operation necessary for 2000 kW output is as follows.
The ratio of (rad / s) to N (rad / s) is the speed increasing ratio = N (rad / s) / n (rad / s) = 0.622 / 0.0667 = 9.3≈10
It becomes.
このように、この実施例の発電装置では2000kW出力の連続運転の為に、回転伝達機構Dの増速比は約10倍以上必要となる。
ここでピニオンの半径すなわち発電機H側の回転盤5cを0.7mにすると、ラック歯車の半径を7.0mとすれば10倍の増速比が達成される。10倍以上の増速比にするには、回転盤5cの半径を小さくするか、その途中に増速の平ギアーを設ければ容易にできる。このことは十分実現可能であることが分る。
Thus, in the power generator of this embodiment, the speed increasing ratio of the rotation transmission mechanism D is required to be about 10 times or more for continuous operation of 2000 kW output.
Here, when the radius of the pinion, that is, the
上記計算は、受圧板が停止状態から始動して潮流の1m/sに近い周速度で回転する無負荷時及び2000kW出力の負荷を与えての連続回転時の概算の計算である。連続回転の時は受圧板が受ける相対流速は受圧板の回転速度を考慮するので、相対流速は潮流の流速よりかなり低くなる。これを補償するため増速機構を更に増設する。又、受圧板6の回転力は45°毎の8組中のうち、3組の受圧板のうち強く抗力を受ける3組の受圧板の合計とするので必要回転トルクが確保され連続回転が可能であり、又その発電量も維持できるものである。
The above calculation is an approximate calculation at the time of no load when the pressure receiving plate starts from a stopped state and rotates at a peripheral speed close to 1 m / s of the tidal current and at the time of continuous rotation with a load of 2000 kW output. In the case of continuous rotation, the relative flow velocity received by the pressure receiving plate takes into account the rotation speed of the pressure receiving plate, so the relative flow velocity is considerably lower than the flow velocity of the tidal current. In order to compensate for this, a speed increasing mechanism is further added. In addition, the rotational force of the
取付枠4の流水抵抗を低減するため、150ASUS管を楕円形状に圧縮加工する。圧縮後横方向の断面係数は少し増加するので強度も増加する。更に安全係数を増すため、適切なリブ材等を施すこともできる。
In order to reduce the flowing water resistance of the mounting
(受圧板の寸法の設定)
目標発電量と受圧板6(水車とみなす)の大きさを潮流の流速に応じて自在に設定される。
設定する海域の潮流を予め測定して、得られる潮流の流速よりかなり低い流速で発生可能の如く、受圧板面積等を余裕をもたせて設計する。
(Pressure plate dimension setting)
The target power generation amount and the size of the pressure receiving plate 6 (considered as a turbine) are freely set according to the flow velocity of the tidal current.
The tidal current in the sea area to be set is measured in advance, and the pressure receiving plate area is designed with a margin so that it can be generated at a flow velocity much lower than the flow velocity of the obtained tidal current.
図21に示す他の実施例は上記実施例の発電装置を水深約32mの海底地盤上のコンクリート台座に設置され、2000kW発電出力の例である。設置台内部構造・固定ガイドフレーム・回転体・取付枠・受圧板等の構造は前記実施例と同じものである。設置台1の海中での固定方法を異にするだけのものである。
Another embodiment shown in FIG. 21 is an example in which the power generator of the above embodiment is installed on a concrete pedestal on the seabed ground with a water depth of about 32 m and has a power output of 2000 kW. The structure of the installation base, the fixed guide frame, the rotating body, the mounting frame, the pressure receiving plate and the like are the same as those in the above embodiment. Only the fixing method of the
本実施例の走行シュー3b,9bには、車輪又はローラーで代用してもよい。又、海水に浸るエアシリンダー7a,7b、切換弁9,ガイド枠保持エアシリンダー11,ウインドグラス1c,軸受部4p,5b,ロッドガイド7a2,エアタンク12等の機器には、耐水・耐蝕に優れたものが採用される。
Wheels or rollers may be substituted for the traveling
本発明は、主に海底の潮流エネルギーによる発電を主とするが、大きな河川の流れがある河床に設置して発電させることもできる。 The present invention mainly generates power by tidal energy on the seabed, but it can also be installed on a river bed with a large river flow to generate power.
A 空調装置
B 制御盤
C 配電装置
D 回転伝達機構
G 実施例の発電装置
H 発電機
S 制止手段
T 強制停止装置
1 設置台
1a 隔壁
1b 通行筒
1c ウインドラス
1d くさり
1e アンカーウエイト
1f 浮きタンク
2 固定ガイドフレーム(上,中,下段)
2a ブラケット
2b ガイド溝
3 回転体(上,中,下段)
3a 脚部
3b 走行シュー
3c ラック歯車
4 取付枠
4a 上段横フレーム
4b 中段横フレーム
4c 下段横フレーム
4d 縦フレーム
4e 取付ボルト
4g 支持部材
4h,4i,4j 補強横フレーム
4m 連結部材
4n 下ストッパー
4p 軸受部
4p1 上軸受部
4p2 下軸受部
4p3 ボルト
4q 取付アーム
5 動力出力機構
5a 回転軸
5b 軸受部
5c 回転盤
5d ピン
5e 水平軸
5f 傘歯車
5g 傘歯車
6 受圧板
6a 硬質発泡樹脂
6b ステンレス鋼板
6c 枢支軸
6d アーム
6e ボルト
6g 翼桁
6h 切欠
7a エアシリンダー
7a1 シリンダーロッド
7a2 ロッドガイド
7b エアシリンダー
7b1 シリンダーロッド
7b2 リンク板
7b3 リンク板
8 加圧片
8a 段差部
9 切換弁
9a 弁軸
9b 走行シュー
10 弁軸ガイド枠
10a ガイド本体
10b 中間伸縮ガイド枠
11 ガイド枠保持エアシリンダー
11a シリンダーロッド
12 エアタンク
13 制御盤
A Air conditioner B Control panel C Power distribution device D Rotation transmission mechanism G Power generation device of embodiment H Generator S Stopping means T Forced
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