潮流・海流発電システム
【課題】潮流・海流発電において、低い流速でも安定的に高い効率で発電を行う。
【解決手段】この潮流・海流発電システム１０においては、図中左側にある第１プロペラ２０、図中右側にある第２プロペラ３０が用いられ、これらの回転によって発電機本体１００で発電が行われる。第１プロペラ２０と第２プロペラ３０においては同じ方向に回転トルクが発生し、これらは同じ方向に回転する設定とされる。第１回転軸２１の回転に伴って、２つの界磁子２５、２６が、第１回転軸２１を中心として、第１プロペラ２０と同様に回転運動をする。第２回転軸３１は、逆転機構３２に接続されており、逆向きの回転となって第３回転軸３３に出力される。遊星歯車機構３４においては、第３回転軸３３の回転は、同一方向に増速されて第４回転軸３５から出力される。第４回転軸３５の回転に伴って、電機子３６は、界磁子２５、２６の間で、界磁子２５、２６とは逆向きに回転する。
【解決手段】この潮流・海流発電システム１０においては、図中左側にある第１プロペラ２０、図中右側にある第２プロペラ３０が用いられ、これらの回転によって発電機本体１００で発電が行われる。第１プロペラ２０と第２プロペラ３０においては同じ方向に回転トルクが発生し、これらは同じ方向に回転する設定とされる。第１回転軸２１の回転に伴って、２つの界磁子２５、２６が、第１回転軸２１を中心として、第１プロペラ２０と同様に回転運動をする。第２回転軸３１は、逆転機構３２に接続されており、逆向きの回転となって第３回転軸３３に出力される。遊星歯車機構３４においては、第３回転軸３３の回転は、同一方向に増速されて第４回転軸３５から出力される。第４回転軸３５の回転に伴って、電機子３６は、界磁子２５、２６の間で、界磁子２５、２６とは逆向きに回転する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水（水）の流れによって発電を行う潮流・海流発電システムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然現象を利用して発電を行う方法として、風力発電等が用いられているが、同様に、海水の流れによって発電を行うこともできる。海水の流れとしては、潮汐力によって生じた海水の流れである潮流と、潮汐力以外の原因によって生じた海水の流れである海流とがある。風力発電に用いられる風は吹いていない状態も多く、発電量が安定していないのに対して、こうした海水の流れは大半の時間で生じている。従って、海水の流れを利用する潮流・海流発電機は、風力発電等と比べて、これらの海水の流れを利用してより安定的に発電を行うことが可能であるという利点がある。
【０００３】
こうした潮流・海流発電機は、比較的潮流・海流の強い海域に設置することが望ましいが、例えば日本沿岸域では流れの遅いところが多く、潮流・海流の強い海域で水深が浅く岸に近いような地点は限られている。また、潮流・海流はその向きや強さが時間とともに変化するという点においては、風と同様である。また、遅い流れの中で流れを有効に使い高い効率で発電を行うことが必要である点については、風力発電と同様であり、このためには、発電機を回転させるプロペラ翼（プロペラ）を複数組み合わせることが有効である。例えば、特許文献１には、大きさ（慣性モーメント）の異なる２つのプロペラを用い、一方のプロペラを発電機の電機子ロータに、他方のプロペラを発電機の界磁ロータに接続した構成の風力発電装置が記載されている。この構成においては、風力が弱いときには慣性モーメントが小さなプロペラを回転させることによって発電を行い、風力が充分強いときには慣性モーメントが大きなプロペラで高い安定性で発電を行う。また、慣性モーメントが小さなプロペラは、風力が強いときと弱いときでは、異なる方向に回転するように設定されている。これにより、風力が弱い際の発電機の起動性を向上させるとともに、風力が強い際の出力を安定化することができる。また、この構成においては、２種類のプロペラを近接距離に積層させて用いることができるため、例えばプロペラを横方向に複数並べて発電を行う場合と比べて、発電機自体を小型化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１００５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
海流や潮流は、風と比べて時間変動に強い規則性があるために、海流・潮流発電は、風力発電と比べて安定的な電力源となる。しかしながら、天候によっては風の流速は非常に高くなることがあるが、周期的に変動する海流や潮流の流速の最大値は大きく変動することがなく、その最大流速は風の流速と比べると非常に低い。
【０００６】
従って、潮流・海流発電においては、低い流速でも高い効率で安定的に発電を行うことが特に要求される。このためには、前記の風力発電機の構成は不充分であった。
【０００７】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る潮流・海流発電システムは、潮流・海流の流れ方向において距離をおいて設置され、前記潮流・海流によって同一方向に回転する第１のプロペラ及び第２のプロペラと、前記第１のプロペラの回転軸となる第１の回転軸と、前記第２のプロペラの回転軸となる第２の回転軸と、前記第２の回転軸の回転方向を逆転させて第３の回転軸に出力する回転変換機構と、外側回転子と内側回転子の相対的回転運動によって発電を行い、外側回転子／内側回転子の一方は前記第１の回転軸によって回転し、外側回転子／内側回転子の他方は前記第３の回転軸によって回転する発電機本体とを具備し、前記回転変換機構及び前記発電機本体が、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に設けられたことを特徴とする。
この発明においては、発電機本体が、潮流・海流によって同一方向に回転する第１及び第２のプロペラを用いて発電を行う。この際、第１及び第２のプロペラ間にある発電機本体において、第２のプロペラの回転を逆方向に変換して出力する回転変換機構が設けられることによって、外側回転子と内側回転子とが互いに逆向きに回転して発電が行われる。この際、自己安定的に第１のプロペラと第２のプロペラが同一方向に同一速度で回転しやすくなる。また、発電機本体が第１のプロペラと第２のプロペラの間に設けられており、例えば、第１のプロペラと第２のプロペラの間において、回転力を伝達するための機構的構造物は、発電機本体の他には不要である。
本発明の請求項２に係る潮流・海流発電システムは、前記第１のプロペラは前記潮流・海流における上流側に、前記第２のプロペラは前記潮流・海流における下流側にそれぞれ設置され、前記第３の回転軸の回転速度を同一方向に増速し第４の回転軸に出力して前記外側回転子／内側回転子の他方を回転させる増速機構を前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする。
この発明においては、下流側に設けられた第２のプロペラによる回転が逆転かつ増速された第４の回転軸によって外側回転子又は内側回転子が回転する。
本発明の請求項３に係る潮流・海流発電システムにおいて、前記増速機構は、遊星歯車機構であることを特徴とする。
この発明においては、増速機構は、遊星歯車機構、すなわち、内歯車、遊星歯車、太陽歯車の組み合わせからなる機構であり、増速された回転出力が太陽歯車に接続された回転軸において得られる。
本発明の請求項４に係る潮流・海流発電システムにおいて、前記内側回転子は、前記第４の回転軸の回転運動によって回転運動を行うことを特徴とする。
この発明においては、増速された回転軸によって内側回転子が回転する設定とされる。
本発明の請求項５に係る潮流・海流発電システムは、前記第４の回転軸の回転速度を複数の異なる比率で変速する変速機構を、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする。
この発明においては、増速される回転軸の回転速度を複数の異なる比率で制御する変速機構が用いられる。
本発明の請求項６に係る潮流・海流発電システムは、前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速される際に、前記変速機構の出力回転軸に連動して回転するフライホイールが接続されることを特徴とする。
この発明においては、増速比率が小さくなり、回転運動の負荷が小さくなった際には、この回転運動に対する慣性モーメントを大きくするフライホイールが、出力回転軸に連動するように設置される。
本発明の請求項７に係る潮流・海流発電システムは、前記第２のプロペラの回転速度が上昇した際に、前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速されることを特徴とする。
この発明においては、第２のプロペラの回転速度が上昇した際に、増速比率が小さくなるように変速される。
本発明の請求項８に係る潮流・海流発電システムは、前記外側回転子に連動して回転するフライホイールが接続されたことを特徴とする。
この発明においては、外側回転子に連動するフライホイールが用いられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の潮流・海流発電システムは以上のように構成されているので、高い効率で安定的に発電を行うことができる。特に、第２のプロペラの回転と第１のプロペラの回転を整合させる、すなわち、同一方向に同一回転速度で回転させることが自己安定的に行えるため、潮流・海流の流速が低い場合でも、これを有効に利用して発電を行うことができる。また、発電機本体が第１のプロペラと第２のプロペラの間に設けられており、例えば、第１のプロペラと第２のプロペラの間において回転力を伝える機構的構造物は、発電機本体の他には不要である。従って、こうした大きな構造物の存在による水流への影響を極少にすることが可能である。
この際、下流側にあるプロペラの回転が逆転された第３の回転軸の回転を増速機構を用いて増速することにより、発電機本体における界磁子と電機子（内側回転子と外側回転子）との相対回転速度を増大させることができるため、更に発電効率を高めることができる。
この際、遊星歯車機構を用いれば、コンパクトな構成でこの増速機構を実現することができる。
また、内側回転子が増速機構を介して回転する構成とすれば、慣性力の影響を少なくした高速回転動作が可能である。
また、変速機構を用いれば、増速比率を、水流の状況やプロペラの回転に応じた最適な設定とすることが可能である。この場合、プロペラの回転が十分上がった場合、増速比率を小さくして回転運動の負荷が小さくなった際に、この回転運動に対する慣性モーメントを大きくするフライホイールを装着する構成とすれば、フライホイールの装着による影響を小さくした上で、回転の安定化による安定した電力供給が可能である。
また、フライホイールを外側回転子に連動するように装着すれば、簡単な構成で、この回転軸の回転の安定化が図れ、更に安定した電力供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの構成を示す断面図である。
【図２】この潮流・海流発電システムにおいて用いられる回転変換機構の構成の概要を示す斜視図である。
【図３】この潮流・海流発電システムにおいて用いられる増速機構の概要を示す斜視図である。
【図４】水流がプロペラを通過した後の螺旋流を撮影した結果である。
【図５】螺旋流をシミュレーションした際の座標軸を示す図である。
【図６】第１のプロペラ通過後の螺旋流における流れの強度分布をシミュレーションした結果である。
【図７】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの第１の変形例の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの第１の変形例において用いられる変速機構の構造及び動作を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの第２の変形例の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態となる潮流・海流発電システムについて説明する。図１は、この潮流・海流発電システム１０の構成を示す断面図である。
この潮流・海流発電システム１０は、流れのある海中に設置される。この潮流・海流発電システム１０においては、図中左側にある第１プロペラ（第１のプロペラ）２０、図中右側にある第２プロペラ（第２のプロペラ）３０が用いられ、これらの回転によって発電機本体１００で発電が行われる。第１プロペラ２０、第２プロペラ３０は、それぞれ発電機構１２０における第１回転軸（第１の回転軸）２１、第２回転軸（第２の回転軸）３１に接続されている。発電機構１２０においては、周知の発電機と同様に、界磁子／電機子がそれぞれ外側回転子／内側回転子とされ、これらの間の相対的な回転運動によって発電が行われ、電機子から出力が取り出される。その出力は、発電機構１２０外周に設けられた取付ベース１２１を介して設置された送電管１２２を通って、送電線１２３によって海上の浮体（図示せず）に送電される。送電管１２２は、発電機構１２０や第１プロペラ２０、第２プロペラ３０を吊り下げる役割と送電線１２３を通す役割を果たす。発電機構１２０は第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の間に設けられており、送電管１２２の役割は、この潮流・海流発電システム１０の機械的支持と、その内部において送電線１２３を通過させることだけである。このため、送電管１２２中に複雑な機構を設ける必要はないため、全体の寸法を小さく（細く）することが可能である。すなわち、第１プロペラ２０、第２プロペラ３０と分離して設けられた発電機構１２０に回転力を伝えるための機構的構造物等を別途設ける必要がないため、第２プロペラ３０に向かう流れに対する影響を極少にできる。なお、図１において、発電機構１２０他は、分かり易くするため寸法的に拡大して表現している。実際は、発電機構１２０の径は、第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の径よりも、図１に記載されたよりもはるかに小さい。このため、発電機構１２０の存在が流れに与える影響も極めて小さい。
【００１２】
第１回転軸２１と第２回転軸３１は同心上に設置され、図１はこの同心をなす中心軸における断面を示している。潮流・海流の流れ（水流）は図中の矢印で示されるように、左側から右側に向かっており、この流れによって、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０においては同じ方向に回転トルクが発生し、これらは同じ方向に回転する設定とされる。すなわち、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０のピッチの方向は水流に対して同一方向である。また、これらは共に中心軸から対称に２枚のプロペラ翼を具備するものとする。後述するように、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とは自己安定的に同一回転速度で回転する。
【００１３】
第１回転軸２１は、第１回転板２２に固定されている。第１回転板２２は、第１回転軸２１を中心とした円板形状であり、図１においてはその円形の中心を通る厚さ方向の断面が示されている。第１回転板２２には、第１回転軸２１とは反対側（図中右側）に、図中上下の２箇所において、水平方向に延びる界磁子固定軸２３、２４がそれぞれ固定されている。界磁子固定軸２３、２４には、それぞれ界磁子（外側回転子）２５、２６が固定されている。界磁子２５、２６は、通常の発電機における界磁子と同様に、例えば永久磁石を用いて構成される。界磁子固定軸２３、２４は、第１回転板２２の反対側（図中右側）で、第２回転板２７に固定されている。第２回転板２７も、第１回転板２２と同様の円板形状であり、図１においてはその円形の中心を通る厚さ方向の断面が示されている。
【００１４】
以上の構成により、この発電機本体１００においては、第１回転軸２１（第１プロペラ２０）の回転に伴って、２つの界磁子（外側回転子）２３、２４が、第１回転軸２１を中心として、第１プロペラ２０と同様に回転運動をする。
【００１５】
一方、第２回転軸３１は、逆転機構（回転変換機構）３２に接続されている。逆転機構３２は、第２回転軸３１と直結された第１傘歯車３２１、これと直交方向の回転軸をもち回転自在とされた第２傘歯車３２２、第２傘歯車３２２と直交しかつ第２回転軸３１と同一方向となる第３回転軸（第３の回転軸）３３に固定された第３傘歯車３２３から構成されている。逆転機構３２における第１傘歯車３２１、第２傘歯車３２２、第３傘歯車３２３の関係及びこれらの動作を示した斜視図が図２である。第１傘歯車３２１と第２傘歯車３２２、第２傘歯車３２２と第３傘歯車３２３とは直交してそれぞれ係合し、これらはそれぞれ図示される方向に回転する。第２傘歯車３２２は、第２傘歯車軸３２４に回転自在にして取り付けられている。この構成によれば、図示されるとおり、第１傘歯車３２１（第２回転軸３１）の回転は、逆向きの回転となって第３傘歯車３２３（第３回転軸３３）に出力される。
【００１６】
逆転機構３２の出力側となる第３回転軸３３は、図１中の右側から、遊星歯車機構（増速機構）３４に接続されている。遊星歯車機構３４においては、第３回転軸３３は、第３回転板３４１に接続されている。第３回転板３４１は、第３回転軸３３を中心とした円板形状であり、図１においてはその円形の中心を通る厚さ方向の断面が示されている。第３回転板３４１には、第３回転軸３３とは反対側（図中左側）に、図中上下の２箇所に２本の遊星歯車固定軸３４２、３４３がそれぞれ固定されている。遊星歯車固定軸３４２、３４３には、これらを軸にして回転自在にされた構成で、遊星歯車３４４、３４５がそれぞれ設置されている。遊星歯車３４４、３４５は、第３回転軸３３を中心として見た場合のその外側において、円環状の内歯車３４６の内側に係合し、かつその内側において太陽歯車３４７の外側に係合している。太陽歯車３４７は、第４回転軸（第４の回転軸）３５に固定されている。この構成においては、第４回転軸３５の回りにおける遊星歯車３４４、３４５の公転速度は、第３回転板３４１の回転速度と等しくなる。遊星歯車機構３４の構成及びその動作を示した斜視図が図３である。
【００１７】
円環状の内歯車３４６の中心軸は第４回転軸３５と等しく、図１においてはこの中心軸を通る厚さ方向の断面が示されている。図３に示される遊星歯車３４４、３４５、内歯車３４６、太陽歯車３４７の構成は、従来より周知である。
【００１８】
ここで、内歯車３４６は、前記の第２回転板２７に一体化されて固定されている。従って、内歯車３４６は、第１回転軸２１と一体化されており、第１回転軸２１（第１プロペラ２０）の回転に伴って回転する。第２回転軸３１と第１回転軸２１とは同一方向に回転し、第３回転軸３３は、逆転機構３２によって、第２回転軸３１と逆方向の回転をする。従って、図３に示されるように、第３回転板３４１と内歯車３４６とは逆向きに回転する。これにより、この遊星歯車機構３４においては、第３回転軸３３の回転は、同一方向に増速されて第４回転軸３５から出力される。
【００１９】
一方、第４回転軸３５は第２回転板２７を貫通して図中左側に延びている。また、第４回転軸３５には、界磁子２５、２６の間において電機子（内側回転子）３６が固定されている。電機子３６は、通常の発電機における電機子と同様に、例えばコイルを用いて構成され、界磁子（外側回転子）２５、２６の間で回転することによって、電機子３６から出力が取り出される。
【００２０】
この構成により、第４回転軸３５（太陽歯車３４７）の回転に伴って、電機子３６は、界磁子２５、２６の間で、界磁子２５、２６とは逆向きに回転する。従って、電機子３６のコイル中に電磁誘導によって電流が流れ、発電が行われる。通常の発電機においては、電機子と界磁子のうちの一方が固定され、他方が回転することによって発電がなされるのに対して、この潮流・海流発電システム１０においては、どちらも回転する構成とされ、かつその回転の向きが逆向きとなる。従って、発電作用を起こす電機子３６と界磁子２５、２６の相対回転速度を実効的に高めることができる。
【００２１】
この際、遊星歯車機構３４における遊星歯車３４４、３４５、内歯車３４６、太陽歯車３４７の歯数をそれぞれ設定することにより、第３回転軸３３の回転速度と第４回転軸３５の回転速度の比を適宜設定することができ、増速の度合いを設定することが可能である。増速比率を高めた場合には、負荷が大きくなるために、この増速比率は、発電効率や負荷を考慮して適宜設定することができる。
【００２２】
このように、図１の構成においては、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とが同一方向に回転し、第２プロペラ３０の回転が逆転機構３２で逆向きに出力され、この逆向きの２つの回転運動が発電機本体１００に入力されることによって、効率的に発電を行うことができる。この際、逆向きとされた回転を遊星歯車機構３４で増速することによって、更にその効率を高めている。なお、上記の例では、増速機構を第２回転軸３１側に設けていたが、これを第１回転軸２１側（界磁子（外側回転子）２５、２６側）に設けることも可能である。ただし、回転中心に近い側に設置されたために慣性モーメントが小さな電機子（内側回転子）３６側を増速機構を介して回転させることが、安定した回転運動を行わせる上ではより好ましい。
【００２３】
なお、この構成において、第１回転軸２１、第２回転軸３１、第３回転軸３３、第４回転軸３５は、同心上に設置され、第１回転板２２、第２回転板２７もこの同心上に設置される。また、第２回転板２７の周囲には、この直線をその中心軸とする円環状のフライホイール３７が設置されている。フライホイール３７は第２回転板２７と一体化されてこの中心軸の回りで回転運動をするが、フライホイール３７はその外径が大きく、その慣性モーメントが大きくなるため、この回転運動の安定化が図れる。これにより、第２回転板２７と一体化されて回転する界磁子（外側回転子）２５、２６の回転運動の安定化が図れ、発電の安定化が図れる。
【００２４】
また、第４回転軸３５は、第１回転板２７を貫通し、第１回転板２２に当接して固定されるため、これらの間の接点には、ベアリング３８がそれぞれ設置されている。
【００２５】
図１の構成全体は、水中に設置されるため、発電機構１２０は、発電機構ケース４１中に封入される。また、発電機本体１００は、この内部で更に発電機本体ケース４２中に収納される。第１回転軸２１、第２回転軸３１がこれらのケースを貫通する箇所には、前記と同様のベアリング３８が設置されている。
【００２６】
上記の構成においては、第１プロペラ２０、第２プロペラ３０が同時に用いられており、これらが同じ方向に回転することによって特に発電効率を高めている。この点について以下に説明する。
【００２７】
通常、プロペラのプロペラ翼の数は、回転効率の観点から、２枚とされる場合が多い。この場合には、一様な流れがプロペラに当たればプロペラは回転するが、このプロペラの後方においては、水流がプロペラの影響を受けて螺旋流となる。この螺旋流における流速の遅くなった箇所を実際に視覚的に撮影したのが図４である。この箇所は水流の進行に伴って螺旋形状となる。
【００２８】
この螺旋流については、例えば、「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｅａｒ Ｗａｋｅ ｏｆ ａ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ａｘｉｓ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ」、Ｗ．Ｈａａｎｓ、Ｔ．Ｓａｎｔ、ＧＡＭ． ｖａｎ Ｋｕｌｋ、 ａｎｄ ＧＪＷ．ｖａｎ Ｂｕｓｓｅｌ、Ｄｅｌｆｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｄｅｌｆｔ、 Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ（２００５年）に、詳細に解析されている。ここでは、図５に示すように、第１プロペラ２０の中心を原点としてＸ、Ｙ、Ｚ軸をとり（Ｚ軸は水流の方向を正側とする）、プロペラの長さ（半径）をＲとしてこの螺旋流についてこの文献においてシミュレーションされた結果を図６に示す。図６において、濃淡は水流の強度を示し、濃部が強度の高い箇所、淡部が強度の低い箇所を示し、（ａ）（ｂ）（ｃ）の順にＺ／Ｒが大きくなっている、すなわち水流の進行方向の順となっている。Ｚ／Ｒが大きくなるにつれて、強度の低い箇所が回転しながら進行していく、螺旋流となっていることが確認できる。強度の低い箇所は、２枚あるプロペラに対応している。一方、このプロペラに対応する箇所以外の箇所においては、流速はほぼ一様であり、プロペラよりも上流の流速とほぼ等しい流速となっている。
【００２９】
従って、第１プロペラ２０の後部に第２プロペラ３０を図１に示すように配置した場合、第２プロペラ３０は、この螺旋流によって回転する。この際、第２プロペラ３０のプロペラ翼が上記の水流の低い領域に入った場合、発生する回転トルクは小さくなり、減速する。しかしながら、この場合には、隣接する強度の高い領域（第１プロペラ２０通過前と同じ流速分布をもつ領域）にこのプロペラ翼は入り、第１プロペラ２０と同様の回転トルクが発生する。このように、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０で同じトルクが発生し、同じ方向に同じ回転速度で回った場合に、これらの回転は安定する。この場合、図５に示す第１プロペラ２０と第２プロペラ３０との位相差θｂは一定となるように自己安定作用が働く。θｂは、流速の絶対値や、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０との距離等に応じて変わる量となる。
【００３０】
従って、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とを同一回転速度で駆動させることが容易であり、これによって界磁子２５、２６と電機子３６をそれぞれ逆方向に回転させ、これらの相対回転速度を高めることができるため、特に高い発電効率が得られる。この動作は、上記の螺旋流を利用しているため、流速が低く、回転数が遅い場合に特に有効である。すなわち、この構成は、潮流・海流発電に特に好適である。
【００３１】
上記の構成においては、第１プロペラ２０を用いた発電に有効に寄与しなかった水流を、第２プロペラ３０を用いて再度発電に用いることができる。この際、実効的に大きな面積を占める第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とを、これらの間に発電機構１２０を挟んで積層した形態とすることができる。有効に水流を受けるための大きさ（プロペラ翼の長さ）が必要である第１プロペラ２０、第２プロペラ３０と比べ発電機構１２０の大きさは小さく、かつ発電機構１２０は第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の中心軸付近に設置される。第１プロペラ２０から第２プロペラ３０に至るまでの水流のうち、中心軸から離れた部分の水流は、特に第２プロペラ３０で発生する回転トルクに大きな影響を与えるが、この構成においては、発電機構１２０の存在はこの水流に対して大きな影響を与えない。また、発電機構１２０で発電を行うので、従来のように回転力を伝える機構部をカバーする大きなケーシングは必要なく、第１プロペラ２０から第２プロペラ３０に向かう水流を遮るのは、細い送電管１２２だけである。このため、第２プロペラに向かう水流への影響は極少となる。従って、この潮流・海流発電システム１０を小型化することが可能であり、かつ高い発電効率を得ることができる。
【００３２】
また、上記の構成においては、何らかの機械的障害や海草など異物の付着によって第１プロペラ２０、第２プロペラ３０のうちのどちらか一方が回転しなくなった場合においては、他方は回転することができ、その効率は低下するものの、発電は行われる。従って、この観点からも安定した電力供給が可能である。
【００３３】
なお、前記の通り、第２回転板２７にフライホイール３７が接続されることにより、第２回転板２７の回転に伴って回転する界磁子２５、２６の回転運動における慣性モーメントが増大し、出力を安定させることができる。ただし、回転の立ち上がり時には、回転モーメントが小さい方が、その立ち上がり時間を短縮することができる。このため、フライホイール３７は、着脱可能な設定とすることが好ましい。この場合には、この潮流・海流発電システム１０の起動時には、フライホイール３７を接続せずに上記の慣性モーメントを小さくした状態とすることによって、回転の上昇速度を高め、回転が充分上昇した後でフライホイール３７を接続する設定とすることもできる。これにより、立ち上がりが速く、かつ安定した出力を得ることも可能である。
【００３４】
また、図１の例では、フライホイール３７を第２回転板２７に固定した構成としたが、同様の効果を奏し、レイアウトが可能な限りにおいて、他の箇所に固定することが可能である。すなわち、第１回転軸２１、第２回転軸３１、第３回転軸３３、第４回転軸３５のいずれかに間接的に固定し、これらに連動してフライホイール３７が回転する設定とすることができる。また、上記においては、フライホイール３７の形状を円環状としたが、同様の効果を奏し、発電機構１２０に組み込める限りにおいて、その形状は任意である。
【００３５】
次に、上記の潮流・海流発電システム１０の変形例について説明する。図７は、第１の変形例である潮流・海流発電システム２１０の構成を示す断面図であり、図１に対応している。この潮流・海流発電システム２１０において用いられている発電機本体２２０は、前記の発電機本体１００と同様の構成であり、フライホイール３７が設けられていない点のみが異なる。この発電機構２３０においては、前記の発電機構１２０とは異なり、逆転機構（回転変換機構）３２と遊星歯車機構３４との間に変速機構５０が設けられている。変速機構５０の出力回転軸である第５回転軸５１の回転方向は、第３回転軸３３と同一であり、その回転速度あるいはその負荷が変速機構５０によって調整される。第５回転軸５１は、遊星歯車機構（増速機構）３４における第３回転板３４１に接続されており、これによって回転が増速されて第４回転軸３５（電機子３６）が回転する。ここで、逆転機構３２、遊星歯車機構３４は潮流・海流発電システム１０におけるものと同様である。この構成においては、変速機構５０内の変速比を変更することにより、遊星歯車機構（増速機構）３４の入力となる第５回転軸５１の回転速度が調整される。これにより、遊星歯車機構３４の出力となる第４回転軸３５の第３回転軸３３に対する増速比率が調整される。
【００３６】
前記の通り、遊星歯車機構３４においては、各歯車の歯数の設定により、発電機本体２２０に直接接続される第４回転軸３５の回転の増速比率を調整することが可能である。しかしながら、この発電機構２３０の動作中に、これらの各歯車（歯数）の変更を行うことは困難である。ここでは、この代わりに、遊星歯車機構３４に入力する第５回転軸５１の回転速度を、変速機構５０を用いて調整することにより、第４回転軸３５の回転速度を調整する。この調整は、この発電機構２３０の動作中においても容易に行うことができる。
【００３７】
図８は、この変速機構５０の構造及びその動作を示す断面図である。図８（ａ）は、第２プロペラ３０の回転が十分に高くなったときに、第５回転軸５１の増速比率が小さくなるように変速する場合であり、図８（ｂ）は、始動時など第２プロペラ３０の回転が低いときに、増速比率が大きくなる側に変速する場合に対応する。この変速機構５０においては、第３回転軸３３と第５回転軸５１とは、同心上に設定されている。また、この直線と平行に、副回転軸５０１が設置されている。図８（ａ）（ｂ）は、第３回転軸３３、第５回転軸５１、副回転軸５０１を含む平面内の断面図となっている。
【００３８】
変速機構５０において、第３回転軸３３には、これを中心軸として第１歯車５０２が固定されている。第１歯車５０２は、副回転軸５０１にこれを中心軸として固定された第２歯車５０３と係合している。これにより、第３回転軸３３の回転運動は、副回転軸５０１に逆向きの回転となって伝達される。副回転軸５０１には、第２歯車５０３の他に、第３歯車５０４、第４歯車５０５が、それぞれ副回転軸５０１を中心軸として固定されている。副回転軸５０１は、この状態を保ったまま、図中の左右方向に移動できる設定とされる。ただし、副回転軸５０１の位置に関わらず、第２歯車５０３と第１歯車５０２は常に係合している設定とされる。このため、第１歯車５０２は、第２歯車５０３と比べて充分に厚くされる。この構成により、副回転軸５０１の位置に関わらず、第３回転軸３３の回転運動は、第１歯車５０２、第２歯車５０３を介して副回転軸５０１に伝達される。
【００３９】
この変速機構５０の出力回転軸となる第５回転軸５１には、第５歯車５０６が、その右側（第３回転軸３３に近い側）において、第５回転軸５１を中心軸として固定されている。また、この左側（遊星歯車機構３４に近い側）において、ワンウェイクラッチ５０７が設置される。ワンウェイクラッチ５０７は、ラチェット構造となっており、図８（ｃ）（ｄ）に図８（ａ）（ｂ）中のＡ−Ａ方向の断面を示すように、内側歯車５０７Ａと外側歯車５０７Ｂで構成される。このうちの内側歯車５０７Ａが第５回転軸５１に固定され、外側歯車５０７Ｂには、第６歯車５０８が固定される。第６歯車５０８の図中左側の面には、第５回転軸５１を中心軸とし、第６歯車５０８よりも大きな外径をもつ円環状のフライホイール５０９が固定されている。ここで、図示されるように、副回転軸５０１上においては、第３歯車５０４の外径は、第４歯車５０５の外径よりも大きく設定されている。逆に、第５回転軸５１上において、第５歯車５０６の外径は、第６歯車５０８の外径よりも小さく設定されている。また、第３歯車５０４と第５歯車５０６、第４歯車５０５と第６歯車５０８は、それぞれ係合するように設定されている。従って、第３歯車５０４と第５歯車５０６の外径の和と、第４歯車５０５と第６歯車５０８の外径の和は等しくされている。また、第４歯車５０５と第６歯車５０８が係合する場合には第３歯車５０４と第５歯車５０６は係合せず（図８（ａ））、第３歯車５０４と第５歯車５０６が係合する場合には第４歯車５０５と第６歯車５０８が係合しない（図８（ｂ））位置関係とされる。この切替は、副回転軸５０１の左右方向の位置設定によって可能となっている。
【００４０】
増速比率を小さくする場合（図８（ａ））には、副回転軸５０１は、左側にある設定とされる。この場合、副回転軸５０１の回転運動は、第４歯車５０５と第６歯車５０８を介して、ワンウェイクラッチ５０７に外側から伝わる。図８（ｃ）は、この場合におけるワンウェイクラッチ５０７の動作を、図８（ａ）中のＡ−Ａ方向の断面において示す。第６歯車５０８は、ワンウェイクラッチ５０７の外側歯車５０７Ｂに固定されているため、まず、外側歯車５０７Ｂはこれに応じて図８（ｃ）中の矢印で示される回転運動をする。外側歯車５０７Ｂの内面は、図８（ｃ）に示されるように、その法線が回転方向（図中では右回転方向）側を向く端面（円周方向に対して略垂直な角度をもつ面）と、回転軸を中心とした円弧に近い形状をもつ滑らかな曲面で構成された鋸歯形状となっている。逆に、内側歯車５０７Ａの外面は、この逆方向を向く端面と、回転軸を中心とした円弧に近い形状をもつ滑らかな曲面とで構成された、外側歯車５０７Ｂの内面とは逆向きの鋸歯形状となっている。内側歯車５０７Ａ、外側歯車５０７Ｂは共に金属で形成されており、特に内側歯車５０７Ａは、弾性変形をする材料あるいは力を受けて変位する機構で形成されている。
【００４１】
この構成により、図８（ｃ）中の矢印で示される方向に外側歯車５０７Ｂが回転をした場合には、例えば図８（ｃ）中の点線で囲まれた箇所において、外側歯車５０７Ｂ内面における端面と内側歯車５０７Ａ外面における端面が当接する。これによって、外側歯車５０７Ｂの回転運動が内側歯車５０７Ａに伝達され、内側歯車５０７Ａも、図８（ｃ）中の矢印で示される方向に回転する。すなわち、この回転運動は、内側歯車５０７Ａに固定された第５回転軸５１に伝達され、遊星歯車機構３４（第３回転板３４１）にこの回転運動が伝達される。この際、第６歯車５０８には、フライホイール５０９が接続されているため、この回転運動における慣性モーメントは大きくなる。従って、この回転運動を安定化させることができる。
【００４２】
一方、増速比率を大きくする場合（図８（ｂ））には、副回転軸５０１は、右側にある設定とされる。この場合、副回転軸５０１の回転運動は、第３歯車５０４と第５歯車５０６を介して、第５回転軸５１に伝達される。この場合のワンウェイクラッチ５０７の動作を前記と同様に示したのが、図８（ｄ）である。この場合には、図８（ｃ）の場合と異なり、まず内側歯車５０７Ａが矢印で示される方向に回転運動をする。この場合には、内側歯車５０７Ａ内面の端面と外側歯車５０７Ｂの内面の端面とは当接せず、代わりに、例えば図８（ｄ）中の点線で囲まれた箇所において、回転軸を中心とした円弧に近い形状をもつ滑らかな曲面同士が当接する。この場合には、この接触の際に内側歯車５０７Ａ内面が弾性変形をし、この曲面同士が摩擦した状態で内側歯車５０７Ａが回転する、すなわち、内側歯車５０７Ａが空回りをし、外側歯車５０７Ｂは回転をしない。この構成は、周知のラチェット構造の動作と同様である。この場合には、前記の場合とは異なり、外側歯車５０７Ｂ、第６歯車５０８、フライホイール５０９は、内側歯車５０７Ａの回転運動から分離され、これらは回転運動を行わない。従って、この回転運動に際しての慣性モーメントは小さくなる。この場合には、回転の立ち上がり時間を速くすることが可能である。
【００４３】
また、前記の第３歯車５０４の外径と第４歯車５０５の外径、第５歯車５０６の外径と第６歯車５０８の外径の関係より、第３回転軸３３の回転速度が同一の場合には、図８（ａ）の場合の方が図８（ｂ）の場合よりも第５回転軸５１の回転速度が低くなる。すなわち、上記の構成によって２種類の変速比の切替が可能である。また、第５回転軸５１の増速比を高くする設定（図８（ｂ））は、始動時等、第２プロペラ３０の回転が低く、発電機構２３０の発電に必要な回転数が十分に得られないときになされる。これに対して、第５回転軸５１の増速比を低くする設定（図８（ａ））は、第２プロペラ３０の回転が十分に高く発電機構２３０の発電に必要な回転数が得られるとき、あるいは第２プロペラ３０の回転が高過ぎ、発電機構２３０が過回転になるときになされる。この場合、フライホイール５０９も回転するが、第２プロペラ３０の回転数の変動に対して、フライホイール５０９を接続した場合の悪影響は小さくなり、慣性モーメントが大きくなったことによる回転運動の安定化が有効となる。上記の構成においては、この変速比及びフライホイールの脱着の切替動作を、副回転軸５０１の左右の位置の設定だけで行うことが可能であり、この潮流・海流発電システム２１０の動作中においてもこの切替動作を行うことができる。例えば、第２のプロペラ３０（第２の回転軸３１）の回転数が充分上昇した場合に、この切替動作を行い、増速比率を小さくする制御を行うことが可能である。この場合には、発電効率を高く保ったままで、回転の安定化を図ることができる。コンピューター等が第２のプロペラ３０の回転数を検知することによって、この切替動作を自動的に行わせることも可能である。
【００４４】
なお、上記の例では、図８（ａ）と図８（ｂ）に示す２種類の変速比を設定できるものとしたが、同様の構成を左右方向に複数設けることにより、３種類以上の変速比を選択できる構成とすることができる。
【００４５】
前記のとおり、自己安定的に第１回転軸２１と第２回転軸３１とは同一回転速度で回転した状態となるため、この状態で安定した出力が得られる。しかしながら、例えば水流の状態によっては、第２回転軸３１（第２プロペラ３０）の回転速度が不充分となって同一回転速度となりにくい場合も生ずる。こうした場合には、変速機構５０を用いて適切な変速比を設定し、第２回転軸３１の負荷を低減し、第２回転軸３１の回転速度が上昇しやすい状態として、第１回転軸２１と第２回転軸３１の回転速度を近づけ、安定した状態を得ることができる。
【００４６】
このため、変速機構５０で実現される変速比（減速比）は複数種類設定できる構成とすることが好ましい。これにより、状況に応じて最適な減速比を選択することが可能となる。
【００４７】
なお、この場合においても、前記の潮流・海流発電システム１０と同様に、フライホイール５０９を装着する箇所は、同様の効果（回転の安定化）をもたらすことができる限りにおいて、任意である。ただし、前記の場合のように、回転軸の負荷が相対的に小さな側、すなわち、減速された側の回転軸に連動させるように固定することがより好ましい。
【００４８】
次に、第２の変形例である潮流・海流発電システムについて説明する。図９は、この潮流・海流発電システム３１０の構成を示す断面図であり、図１に対応している。この潮流・海流発電システム３１０においては、３つのプロペラ（第１プロペラ３２０、第２プロペラ３３０、第３プロペラ３４０）と、２台の発電機構（第１発電機構３５０、第２発電機構３６０）、を具備する。各発電機構中には、それぞれ第１発電機本体３７０、第２発電機本体３８０が存在する。
【００４９】
第１プロペラ３２０、第２プロペラ３３０、第３プロペラ３４０は、同一方向の水流によって同一方向に回転する。第１発電機構３５０（第１発電機本体３７０）、第２発電機構３６０（第２発電機本体３８０）は、それぞれが前記の発電機構１２０（発電機本体１００）とほぼ同様の構成をもつ。従って、第１プロペラ３２０及び第２プロペラ３３０によって第１発電機構３５０（第１発電機本体３７０）が駆動され、第２プロペラ３３０及び第３プロペラ３４０によって第２発電機構３６０（第２発電機本体３８０）が駆動される。これらの各々が前記の潮流・海流発電システム１０と同様に動作する。
【００５０】
ただし、ここでは、前記の第２回転板２７よりも外径の大きな第２回転板３７１、３８１が用いられている。これにより、第２回転板３７１、３８１自身がフライホイールと同様の効果をもたらす。この場合には、フライホイールの脱着によって慣性モーメントを調整するとことは不可能とはなるものの、構造がより単純化されるため、このように発電機構（発電機本体）を多数用いる場合には、特に好ましい。この点以外については、第１発電機構３５０（第１発電機本体３７０）、第２発電機構３６０（第２発電機本体３８０）は、前記の発電機構１２０（発電機本体１００）と同様である。
【００５１】
また、第１プロペラ３２０、第２プロペラ３３０間、及び第２プロペラ３３０、第３プロペラ３４０間の関係は、前記の潮流・海流発電システム１０における第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の関係と同様である。すなわち、これらは自己安定的に同一回転速度で回転をする。これにより、前記の潮流・海流発電システム１０よりも更に水流を有効に利用し、更に効率的に発電を行うことができる。同様に、プロペラを４つ以上、発電機本体を３台以上用いて発電を行うことも可能である。また、前記の変形例と同様に、各発電機本体において、変速機構を設けることもできる。この場合、変速比の設定は、各発電機構毎に行うことができる。
【００５２】
なお、上記のいずれの例においても、発電機本体における内側回転子として電機子を、外側回転子として界磁子を設置した構成としたが、これらを互いに入れ替えた構成としても同様に発電が行われることは明らかである。すなわち、電機子／界磁子のうちの一方を内側回転子とし、電機子／界磁子のうちの他方を外側回転子とし、これらが互いに逆方向に回転する設定とすればよい。この際、上記の例では、上流側にある第１のプロペラ（第１の回転軸）と外側とを直結し、下流側にある第２のプロペラ（第２の回転軸）の回転を逆方向に変えて内側を回転させる構成としたが、逆に、第１のプロペラと内側とを直結し、第２のプロペラの回転を逆方向に変えて外側を回転させる構成とすることができることもでき、同様の効果を奏することは明らかである。これらの設定は、内側回転子に接続された系と外側回転子に接続された系の慣性モーメントの大小関係に応じて適宜設定が可能である。フライホイールを使用することによってこれらの慣性モーメントの値を調整することもできる。
【００５３】
また、上記の例では、増速機構として遊星歯車機構を用いていたが、これに限定されず、機械的に第３の回転軸の回転速度を高めて第４の回転軸に出力できる機構であれば、同様に増速機構として用いることができる。また、逆転機構（回転変換機構）として、３つの傘歯車を用いた構成について説明したが、機械的に第２の回転軸の回転方向を逆転させて第３の回転軸に出力できる構成であれば、他の構成を用いることもできる。あるいは、これらの機能を、例えば遊星歯車を部分的に用いた単一のギヤボックスで実現してもよい。逆に、遊星歯車機構（増速機構）を設けなくとも充分な出力が得られる場合には、これを用いる必要はない。また、第２の回転軸は、逆転機構を介してから増速機構に接続されるとしたが、これらの位置関係を逆転させてもよい。
【００５４】
更に、変速機構も、図８の構成以外で実現することが可能である。この変速機構と増速機構、逆転機構を例えば単一のギヤボックス内において実現してもよい。また、変速機構、増速機構、逆転機構を別体とした場合には、これらの位置関係も、上記の動作を行える限りにおいて任意である。
【００５５】
また、上記の例では、プロペラのプロペラ翼がいずれも２枚であるとしたが、第１のプロペラの後流によって第２のプロペラを駆動できる構成であれば、これらの構成は任意である。例えばプロペラ翼の数は３枚、あるいは任意の複数枚であってもよい。
【００５６】
また、特に複数の発電機本体を用いる潮流・海流発電システム３１０においては、各発電機本体の構成は同一である必要はない。各プロペラを同一方向に回転させ、各発電機本体が発電を行うことができる限りにおいて、各発電機本体の設定は任意である。各プロペラについても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
上記の潮流・海流発電システムは、上記の通り、海上又は海中で発電を行なう際に用いることができる。河川等においても、水流によって発電を行う際にも同様に用いることができ、弱い水流を利用して安定的に発電を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、２１０、３１０ 潮流・海流発電システム
２０ 第１プロペラ（第１のプロペラ）
２１ 第１回転軸（第１の回転軸）
２５、２６ 界磁子（外側回転子）
３０ 第２プロペラ（第２のプロペラ）
３１ 第２回転軸（第２の回転軸）
３２ 逆転機構（回転変換機構）
３３ 第３回転軸（第３の回転軸）
３４ 遊星歯車機構（増速機構）
３５ 第４回転軸（第４の回転軸）
３６ 電機子（内側回転子）
３７ フライホイール
３８ ベアリング
４１ 発電機構ケース
４２ 発電機本体ケース
１００ 発電機本体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水（水）の流れによって発電を行う潮流・海流発電システムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然現象を利用して発電を行う方法として、風力発電等が用いられているが、同様に、海水の流れによって発電を行うこともできる。海水の流れとしては、潮汐力によって生じた海水の流れである潮流と、潮汐力以外の原因によって生じた海水の流れである海流とがある。風力発電に用いられる風は吹いていない状態も多く、発電量が安定していないのに対して、こうした海水の流れは大半の時間で生じている。従って、海水の流れを利用する潮流・海流発電機は、風力発電等と比べて、これらの海水の流れを利用してより安定的に発電を行うことが可能であるという利点がある。
【０００３】
こうした潮流・海流発電機は、比較的潮流・海流の強い海域に設置することが望ましいが、例えば日本沿岸域では流れの遅いところが多く、潮流・海流の強い海域で水深が浅く岸に近いような地点は限られている。また、潮流・海流はその向きや強さが時間とともに変化するという点においては、風と同様である。また、遅い流れの中で流れを有効に使い高い効率で発電を行うことが必要である点については、風力発電と同様であり、このためには、発電機を回転させるプロペラ翼（プロペラ）を複数組み合わせることが有効である。例えば、特許文献１には、大きさ（慣性モーメント）の異なる２つのプロペラを用い、一方のプロペラを発電機の電機子ロータに、他方のプロペラを発電機の界磁ロータに接続した構成の風力発電装置が記載されている。この構成においては、風力が弱いときには慣性モーメントが小さなプロペラを回転させることによって発電を行い、風力が充分強いときには慣性モーメントが大きなプロペラで高い安定性で発電を行う。また、慣性モーメントが小さなプロペラは、風力が強いときと弱いときでは、異なる方向に回転するように設定されている。これにより、風力が弱い際の発電機の起動性を向上させるとともに、風力が強い際の出力を安定化することができる。また、この構成においては、２種類のプロペラを近接距離に積層させて用いることができるため、例えばプロペラを横方向に複数並べて発電を行う場合と比べて、発電機自体を小型化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１００５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
海流や潮流は、風と比べて時間変動に強い規則性があるために、海流・潮流発電は、風力発電と比べて安定的な電力源となる。しかしながら、天候によっては風の流速は非常に高くなることがあるが、周期的に変動する海流や潮流の流速の最大値は大きく変動することがなく、その最大流速は風の流速と比べると非常に低い。
【０００６】
従って、潮流・海流発電においては、低い流速でも高い効率で安定的に発電を行うことが特に要求される。このためには、前記の風力発電機の構成は不充分であった。
【０００７】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る潮流・海流発電システムは、潮流・海流の流れ方向において距離をおいて設置され、前記潮流・海流によって同一方向に回転する第１のプロペラ及び第２のプロペラと、前記第１のプロペラの回転軸となる第１の回転軸と、前記第２のプロペラの回転軸となる第２の回転軸と、前記第２の回転軸の回転方向を逆転させて第３の回転軸に出力する回転変換機構と、外側回転子と内側回転子の相対的回転運動によって発電を行い、外側回転子／内側回転子の一方は前記第１の回転軸によって回転し、外側回転子／内側回転子の他方は前記第３の回転軸によって回転する発電機本体とを具備し、前記回転変換機構及び前記発電機本体が、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に設けられたことを特徴とする。
この発明においては、発電機本体が、潮流・海流によって同一方向に回転する第１及び第２のプロペラを用いて発電を行う。この際、第１及び第２のプロペラ間にある発電機本体において、第２のプロペラの回転を逆方向に変換して出力する回転変換機構が設けられることによって、外側回転子と内側回転子とが互いに逆向きに回転して発電が行われる。この際、自己安定的に第１のプロペラと第２のプロペラが同一方向に同一速度で回転しやすくなる。また、発電機本体が第１のプロペラと第２のプロペラの間に設けられており、例えば、第１のプロペラと第２のプロペラの間において、回転力を伝達するための機構的構造物は、発電機本体の他には不要である。
本発明の請求項２に係る潮流・海流発電システムは、前記第１のプロペラは前記潮流・海流における上流側に、前記第２のプロペラは前記潮流・海流における下流側にそれぞれ設置され、前記第３の回転軸の回転速度を同一方向に増速し第４の回転軸に出力して前記外側回転子／内側回転子の他方を回転させる増速機構を前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする。
この発明においては、下流側に設けられた第２のプロペラによる回転が逆転かつ増速された第４の回転軸によって外側回転子又は内側回転子が回転する。
本発明の請求項３に係る潮流・海流発電システムにおいて、前記増速機構は、遊星歯車機構であることを特徴とする。
この発明においては、増速機構は、遊星歯車機構、すなわち、内歯車、遊星歯車、太陽歯車の組み合わせからなる機構であり、増速された回転出力が太陽歯車に接続された回転軸において得られる。
本発明の請求項４に係る潮流・海流発電システムにおいて、前記内側回転子は、前記第４の回転軸の回転運動によって回転運動を行うことを特徴とする。
この発明においては、増速された回転軸によって内側回転子が回転する設定とされる。
本発明の請求項５に係る潮流・海流発電システムは、前記第４の回転軸の回転速度を複数の異なる比率で変速する変速機構を、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする。
この発明においては、増速される回転軸の回転速度を複数の異なる比率で制御する変速機構が用いられる。
本発明の請求項６に係る潮流・海流発電システムは、前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速される際に、前記変速機構の出力回転軸に連動して回転するフライホイールが接続されることを特徴とする。
この発明においては、増速比率が小さくなり、回転運動の負荷が小さくなった際には、この回転運動に対する慣性モーメントを大きくするフライホイールが、出力回転軸に連動するように設置される。
本発明の請求項７に係る潮流・海流発電システムは、前記第２のプロペラの回転速度が上昇した際に、前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速されることを特徴とする。
この発明においては、第２のプロペラの回転速度が上昇した際に、増速比率が小さくなるように変速される。
本発明の請求項８に係る潮流・海流発電システムは、前記外側回転子に連動して回転するフライホイールが接続されたことを特徴とする。
この発明においては、外側回転子に連動するフライホイールが用いられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の潮流・海流発電システムは以上のように構成されているので、高い効率で安定的に発電を行うことができる。特に、第２のプロペラの回転と第１のプロペラの回転を整合させる、すなわち、同一方向に同一回転速度で回転させることが自己安定的に行えるため、潮流・海流の流速が低い場合でも、これを有効に利用して発電を行うことができる。また、発電機本体が第１のプロペラと第２のプロペラの間に設けられており、例えば、第１のプロペラと第２のプロペラの間において回転力を伝える機構的構造物は、発電機本体の他には不要である。従って、こうした大きな構造物の存在による水流への影響を極少にすることが可能である。
この際、下流側にあるプロペラの回転が逆転された第３の回転軸の回転を増速機構を用いて増速することにより、発電機本体における界磁子と電機子（内側回転子と外側回転子）との相対回転速度を増大させることができるため、更に発電効率を高めることができる。
この際、遊星歯車機構を用いれば、コンパクトな構成でこの増速機構を実現することができる。
また、内側回転子が増速機構を介して回転する構成とすれば、慣性力の影響を少なくした高速回転動作が可能である。
また、変速機構を用いれば、増速比率を、水流の状況やプロペラの回転に応じた最適な設定とすることが可能である。この場合、プロペラの回転が十分上がった場合、増速比率を小さくして回転運動の負荷が小さくなった際に、この回転運動に対する慣性モーメントを大きくするフライホイールを装着する構成とすれば、フライホイールの装着による影響を小さくした上で、回転の安定化による安定した電力供給が可能である。
また、フライホイールを外側回転子に連動するように装着すれば、簡単な構成で、この回転軸の回転の安定化が図れ、更に安定した電力供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの構成を示す断面図である。
【図２】この潮流・海流発電システムにおいて用いられる回転変換機構の構成の概要を示す斜視図である。
【図３】この潮流・海流発電システムにおいて用いられる増速機構の概要を示す斜視図である。
【図４】水流がプロペラを通過した後の螺旋流を撮影した結果である。
【図５】螺旋流をシミュレーションした際の座標軸を示す図である。
【図６】第１のプロペラ通過後の螺旋流における流れの強度分布をシミュレーションした結果である。
【図７】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの第１の変形例の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの第１の変形例において用いられる変速機構の構造及び動作を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態となる潮流・海流発電システムの第２の変形例の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態となる潮流・海流発電システムについて説明する。図１は、この潮流・海流発電システム１０の構成を示す断面図である。
この潮流・海流発電システム１０は、流れのある海中に設置される。この潮流・海流発電システム１０においては、図中左側にある第１プロペラ（第１のプロペラ）２０、図中右側にある第２プロペラ（第２のプロペラ）３０が用いられ、これらの回転によって発電機本体１００で発電が行われる。第１プロペラ２０、第２プロペラ３０は、それぞれ発電機構１２０における第１回転軸（第１の回転軸）２１、第２回転軸（第２の回転軸）３１に接続されている。発電機構１２０においては、周知の発電機と同様に、界磁子／電機子がそれぞれ外側回転子／内側回転子とされ、これらの間の相対的な回転運動によって発電が行われ、電機子から出力が取り出される。その出力は、発電機構１２０外周に設けられた取付ベース１２１を介して設置された送電管１２２を通って、送電線１２３によって海上の浮体（図示せず）に送電される。送電管１２２は、発電機構１２０や第１プロペラ２０、第２プロペラ３０を吊り下げる役割と送電線１２３を通す役割を果たす。発電機構１２０は第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の間に設けられており、送電管１２２の役割は、この潮流・海流発電システム１０の機械的支持と、その内部において送電線１２３を通過させることだけである。このため、送電管１２２中に複雑な機構を設ける必要はないため、全体の寸法を小さく（細く）することが可能である。すなわち、第１プロペラ２０、第２プロペラ３０と分離して設けられた発電機構１２０に回転力を伝えるための機構的構造物等を別途設ける必要がないため、第２プロペラ３０に向かう流れに対する影響を極少にできる。なお、図１において、発電機構１２０他は、分かり易くするため寸法的に拡大して表現している。実際は、発電機構１２０の径は、第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の径よりも、図１に記載されたよりもはるかに小さい。このため、発電機構１２０の存在が流れに与える影響も極めて小さい。
【００１２】
第１回転軸２１と第２回転軸３１は同心上に設置され、図１はこの同心をなす中心軸における断面を示している。潮流・海流の流れ（水流）は図中の矢印で示されるように、左側から右側に向かっており、この流れによって、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０においては同じ方向に回転トルクが発生し、これらは同じ方向に回転する設定とされる。すなわち、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０のピッチの方向は水流に対して同一方向である。また、これらは共に中心軸から対称に２枚のプロペラ翼を具備するものとする。後述するように、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とは自己安定的に同一回転速度で回転する。
【００１３】
第１回転軸２１は、第１回転板２２に固定されている。第１回転板２２は、第１回転軸２１を中心とした円板形状であり、図１においてはその円形の中心を通る厚さ方向の断面が示されている。第１回転板２２には、第１回転軸２１とは反対側（図中右側）に、図中上下の２箇所において、水平方向に延びる界磁子固定軸２３、２４がそれぞれ固定されている。界磁子固定軸２３、２４には、それぞれ界磁子（外側回転子）２５、２６が固定されている。界磁子２５、２６は、通常の発電機における界磁子と同様に、例えば永久磁石を用いて構成される。界磁子固定軸２３、２４は、第１回転板２２の反対側（図中右側）で、第２回転板２７に固定されている。第２回転板２７も、第１回転板２２と同様の円板形状であり、図１においてはその円形の中心を通る厚さ方向の断面が示されている。
【００１４】
以上の構成により、この発電機本体１００においては、第１回転軸２１（第１プロペラ２０）の回転に伴って、２つの界磁子（外側回転子）２３、２４が、第１回転軸２１を中心として、第１プロペラ２０と同様に回転運動をする。
【００１５】
一方、第２回転軸３１は、逆転機構（回転変換機構）３２に接続されている。逆転機構３２は、第２回転軸３１と直結された第１傘歯車３２１、これと直交方向の回転軸をもち回転自在とされた第２傘歯車３２２、第２傘歯車３２２と直交しかつ第２回転軸３１と同一方向となる第３回転軸（第３の回転軸）３３に固定された第３傘歯車３２３から構成されている。逆転機構３２における第１傘歯車３２１、第２傘歯車３２２、第３傘歯車３２３の関係及びこれらの動作を示した斜視図が図２である。第１傘歯車３２１と第２傘歯車３２２、第２傘歯車３２２と第３傘歯車３２３とは直交してそれぞれ係合し、これらはそれぞれ図示される方向に回転する。第２傘歯車３２２は、第２傘歯車軸３２４に回転自在にして取り付けられている。この構成によれば、図示されるとおり、第１傘歯車３２１（第２回転軸３１）の回転は、逆向きの回転となって第３傘歯車３２３（第３回転軸３３）に出力される。
【００１６】
逆転機構３２の出力側となる第３回転軸３３は、図１中の右側から、遊星歯車機構（増速機構）３４に接続されている。遊星歯車機構３４においては、第３回転軸３３は、第３回転板３４１に接続されている。第３回転板３４１は、第３回転軸３３を中心とした円板形状であり、図１においてはその円形の中心を通る厚さ方向の断面が示されている。第３回転板３４１には、第３回転軸３３とは反対側（図中左側）に、図中上下の２箇所に２本の遊星歯車固定軸３４２、３４３がそれぞれ固定されている。遊星歯車固定軸３４２、３４３には、これらを軸にして回転自在にされた構成で、遊星歯車３４４、３４５がそれぞれ設置されている。遊星歯車３４４、３４５は、第３回転軸３３を中心として見た場合のその外側において、円環状の内歯車３４６の内側に係合し、かつその内側において太陽歯車３４７の外側に係合している。太陽歯車３４７は、第４回転軸（第４の回転軸）３５に固定されている。この構成においては、第４回転軸３５の回りにおける遊星歯車３４４、３４５の公転速度は、第３回転板３４１の回転速度と等しくなる。遊星歯車機構３４の構成及びその動作を示した斜視図が図３である。
【００１７】
円環状の内歯車３４６の中心軸は第４回転軸３５と等しく、図１においてはこの中心軸を通る厚さ方向の断面が示されている。図３に示される遊星歯車３４４、３４５、内歯車３４６、太陽歯車３４７の構成は、従来より周知である。
【００１８】
ここで、内歯車３４６は、前記の第２回転板２７に一体化されて固定されている。従って、内歯車３４６は、第１回転軸２１と一体化されており、第１回転軸２１（第１プロペラ２０）の回転に伴って回転する。第２回転軸３１と第１回転軸２１とは同一方向に回転し、第３回転軸３３は、逆転機構３２によって、第２回転軸３１と逆方向の回転をする。従って、図３に示されるように、第３回転板３４１と内歯車３４６とは逆向きに回転する。これにより、この遊星歯車機構３４においては、第３回転軸３３の回転は、同一方向に増速されて第４回転軸３５から出力される。
【００１９】
一方、第４回転軸３５は第２回転板２７を貫通して図中左側に延びている。また、第４回転軸３５には、界磁子２５、２６の間において電機子（内側回転子）３６が固定されている。電機子３６は、通常の発電機における電機子と同様に、例えばコイルを用いて構成され、界磁子（外側回転子）２５、２６の間で回転することによって、電機子３６から出力が取り出される。
【００２０】
この構成により、第４回転軸３５（太陽歯車３４７）の回転に伴って、電機子３６は、界磁子２５、２６の間で、界磁子２５、２６とは逆向きに回転する。従って、電機子３６のコイル中に電磁誘導によって電流が流れ、発電が行われる。通常の発電機においては、電機子と界磁子のうちの一方が固定され、他方が回転することによって発電がなされるのに対して、この潮流・海流発電システム１０においては、どちらも回転する構成とされ、かつその回転の向きが逆向きとなる。従って、発電作用を起こす電機子３６と界磁子２５、２６の相対回転速度を実効的に高めることができる。
【００２１】
この際、遊星歯車機構３４における遊星歯車３４４、３４５、内歯車３４６、太陽歯車３４７の歯数をそれぞれ設定することにより、第３回転軸３３の回転速度と第４回転軸３５の回転速度の比を適宜設定することができ、増速の度合いを設定することが可能である。増速比率を高めた場合には、負荷が大きくなるために、この増速比率は、発電効率や負荷を考慮して適宜設定することができる。
【００２２】
このように、図１の構成においては、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とが同一方向に回転し、第２プロペラ３０の回転が逆転機構３２で逆向きに出力され、この逆向きの２つの回転運動が発電機本体１００に入力されることによって、効率的に発電を行うことができる。この際、逆向きとされた回転を遊星歯車機構３４で増速することによって、更にその効率を高めている。なお、上記の例では、増速機構を第２回転軸３１側に設けていたが、これを第１回転軸２１側（界磁子（外側回転子）２５、２６側）に設けることも可能である。ただし、回転中心に近い側に設置されたために慣性モーメントが小さな電機子（内側回転子）３６側を増速機構を介して回転させることが、安定した回転運動を行わせる上ではより好ましい。
【００２３】
なお、この構成において、第１回転軸２１、第２回転軸３１、第３回転軸３３、第４回転軸３５は、同心上に設置され、第１回転板２２、第２回転板２７もこの同心上に設置される。また、第２回転板２７の周囲には、この直線をその中心軸とする円環状のフライホイール３７が設置されている。フライホイール３７は第２回転板２７と一体化されてこの中心軸の回りで回転運動をするが、フライホイール３７はその外径が大きく、その慣性モーメントが大きくなるため、この回転運動の安定化が図れる。これにより、第２回転板２７と一体化されて回転する界磁子（外側回転子）２５、２６の回転運動の安定化が図れ、発電の安定化が図れる。
【００２４】
また、第４回転軸３５は、第１回転板２７を貫通し、第１回転板２２に当接して固定されるため、これらの間の接点には、ベアリング３８がそれぞれ設置されている。
【００２５】
図１の構成全体は、水中に設置されるため、発電機構１２０は、発電機構ケース４１中に封入される。また、発電機本体１００は、この内部で更に発電機本体ケース４２中に収納される。第１回転軸２１、第２回転軸３１がこれらのケースを貫通する箇所には、前記と同様のベアリング３８が設置されている。
【００２６】
上記の構成においては、第１プロペラ２０、第２プロペラ３０が同時に用いられており、これらが同じ方向に回転することによって特に発電効率を高めている。この点について以下に説明する。
【００２７】
通常、プロペラのプロペラ翼の数は、回転効率の観点から、２枚とされる場合が多い。この場合には、一様な流れがプロペラに当たればプロペラは回転するが、このプロペラの後方においては、水流がプロペラの影響を受けて螺旋流となる。この螺旋流における流速の遅くなった箇所を実際に視覚的に撮影したのが図４である。この箇所は水流の進行に伴って螺旋形状となる。
【００２８】
この螺旋流については、例えば、「Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｅａｒ Ｗａｋｅ ｏｆ ａ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ａｘｉｓ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ」、Ｗ．Ｈａａｎｓ、Ｔ．Ｓａｎｔ、ＧＡＭ． ｖａｎ Ｋｕｌｋ、 ａｎｄ ＧＪＷ．ｖａｎ Ｂｕｓｓｅｌ、Ｄｅｌｆｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｄｅｌｆｔ、 Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ（２００５年）に、詳細に解析されている。ここでは、図５に示すように、第１プロペラ２０の中心を原点としてＸ、Ｙ、Ｚ軸をとり（Ｚ軸は水流の方向を正側とする）、プロペラの長さ（半径）をＲとしてこの螺旋流についてこの文献においてシミュレーションされた結果を図６に示す。図６において、濃淡は水流の強度を示し、濃部が強度の高い箇所、淡部が強度の低い箇所を示し、（ａ）（ｂ）（ｃ）の順にＺ／Ｒが大きくなっている、すなわち水流の進行方向の順となっている。Ｚ／Ｒが大きくなるにつれて、強度の低い箇所が回転しながら進行していく、螺旋流となっていることが確認できる。強度の低い箇所は、２枚あるプロペラに対応している。一方、このプロペラに対応する箇所以外の箇所においては、流速はほぼ一様であり、プロペラよりも上流の流速とほぼ等しい流速となっている。
【００２９】
従って、第１プロペラ２０の後部に第２プロペラ３０を図１に示すように配置した場合、第２プロペラ３０は、この螺旋流によって回転する。この際、第２プロペラ３０のプロペラ翼が上記の水流の低い領域に入った場合、発生する回転トルクは小さくなり、減速する。しかしながら、この場合には、隣接する強度の高い領域（第１プロペラ２０通過前と同じ流速分布をもつ領域）にこのプロペラ翼は入り、第１プロペラ２０と同様の回転トルクが発生する。このように、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０で同じトルクが発生し、同じ方向に同じ回転速度で回った場合に、これらの回転は安定する。この場合、図５に示す第１プロペラ２０と第２プロペラ３０との位相差θｂは一定となるように自己安定作用が働く。θｂは、流速の絶対値や、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０との距離等に応じて変わる量となる。
【００３０】
従って、第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とを同一回転速度で駆動させることが容易であり、これによって界磁子２５、２６と電機子３６をそれぞれ逆方向に回転させ、これらの相対回転速度を高めることができるため、特に高い発電効率が得られる。この動作は、上記の螺旋流を利用しているため、流速が低く、回転数が遅い場合に特に有効である。すなわち、この構成は、潮流・海流発電に特に好適である。
【００３１】
上記の構成においては、第１プロペラ２０を用いた発電に有効に寄与しなかった水流を、第２プロペラ３０を用いて再度発電に用いることができる。この際、実効的に大きな面積を占める第１プロペラ２０と第２プロペラ３０とを、これらの間に発電機構１２０を挟んで積層した形態とすることができる。有効に水流を受けるための大きさ（プロペラ翼の長さ）が必要である第１プロペラ２０、第２プロペラ３０と比べ発電機構１２０の大きさは小さく、かつ発電機構１２０は第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の中心軸付近に設置される。第１プロペラ２０から第２プロペラ３０に至るまでの水流のうち、中心軸から離れた部分の水流は、特に第２プロペラ３０で発生する回転トルクに大きな影響を与えるが、この構成においては、発電機構１２０の存在はこの水流に対して大きな影響を与えない。また、発電機構１２０で発電を行うので、従来のように回転力を伝える機構部をカバーする大きなケーシングは必要なく、第１プロペラ２０から第２プロペラ３０に向かう水流を遮るのは、細い送電管１２２だけである。このため、第２プロペラに向かう水流への影響は極少となる。従って、この潮流・海流発電システム１０を小型化することが可能であり、かつ高い発電効率を得ることができる。
【００３２】
また、上記の構成においては、何らかの機械的障害や海草など異物の付着によって第１プロペラ２０、第２プロペラ３０のうちのどちらか一方が回転しなくなった場合においては、他方は回転することができ、その効率は低下するものの、発電は行われる。従って、この観点からも安定した電力供給が可能である。
【００３３】
なお、前記の通り、第２回転板２７にフライホイール３７が接続されることにより、第２回転板２７の回転に伴って回転する界磁子２５、２６の回転運動における慣性モーメントが増大し、出力を安定させることができる。ただし、回転の立ち上がり時には、回転モーメントが小さい方が、その立ち上がり時間を短縮することができる。このため、フライホイール３７は、着脱可能な設定とすることが好ましい。この場合には、この潮流・海流発電システム１０の起動時には、フライホイール３７を接続せずに上記の慣性モーメントを小さくした状態とすることによって、回転の上昇速度を高め、回転が充分上昇した後でフライホイール３７を接続する設定とすることもできる。これにより、立ち上がりが速く、かつ安定した出力を得ることも可能である。
【００３４】
また、図１の例では、フライホイール３７を第２回転板２７に固定した構成としたが、同様の効果を奏し、レイアウトが可能な限りにおいて、他の箇所に固定することが可能である。すなわち、第１回転軸２１、第２回転軸３１、第３回転軸３３、第４回転軸３５のいずれかに間接的に固定し、これらに連動してフライホイール３７が回転する設定とすることができる。また、上記においては、フライホイール３７の形状を円環状としたが、同様の効果を奏し、発電機構１２０に組み込める限りにおいて、その形状は任意である。
【００３５】
次に、上記の潮流・海流発電システム１０の変形例について説明する。図７は、第１の変形例である潮流・海流発電システム２１０の構成を示す断面図であり、図１に対応している。この潮流・海流発電システム２１０において用いられている発電機本体２２０は、前記の発電機本体１００と同様の構成であり、フライホイール３７が設けられていない点のみが異なる。この発電機構２３０においては、前記の発電機構１２０とは異なり、逆転機構（回転変換機構）３２と遊星歯車機構３４との間に変速機構５０が設けられている。変速機構５０の出力回転軸である第５回転軸５１の回転方向は、第３回転軸３３と同一であり、その回転速度あるいはその負荷が変速機構５０によって調整される。第５回転軸５１は、遊星歯車機構（増速機構）３４における第３回転板３４１に接続されており、これによって回転が増速されて第４回転軸３５（電機子３６）が回転する。ここで、逆転機構３２、遊星歯車機構３４は潮流・海流発電システム１０におけるものと同様である。この構成においては、変速機構５０内の変速比を変更することにより、遊星歯車機構（増速機構）３４の入力となる第５回転軸５１の回転速度が調整される。これにより、遊星歯車機構３４の出力となる第４回転軸３５の第３回転軸３３に対する増速比率が調整される。
【００３６】
前記の通り、遊星歯車機構３４においては、各歯車の歯数の設定により、発電機本体２２０に直接接続される第４回転軸３５の回転の増速比率を調整することが可能である。しかしながら、この発電機構２３０の動作中に、これらの各歯車（歯数）の変更を行うことは困難である。ここでは、この代わりに、遊星歯車機構３４に入力する第５回転軸５１の回転速度を、変速機構５０を用いて調整することにより、第４回転軸３５の回転速度を調整する。この調整は、この発電機構２３０の動作中においても容易に行うことができる。
【００３７】
図８は、この変速機構５０の構造及びその動作を示す断面図である。図８（ａ）は、第２プロペラ３０の回転が十分に高くなったときに、第５回転軸５１の増速比率が小さくなるように変速する場合であり、図８（ｂ）は、始動時など第２プロペラ３０の回転が低いときに、増速比率が大きくなる側に変速する場合に対応する。この変速機構５０においては、第３回転軸３３と第５回転軸５１とは、同心上に設定されている。また、この直線と平行に、副回転軸５０１が設置されている。図８（ａ）（ｂ）は、第３回転軸３３、第５回転軸５１、副回転軸５０１を含む平面内の断面図となっている。
【００３８】
変速機構５０において、第３回転軸３３には、これを中心軸として第１歯車５０２が固定されている。第１歯車５０２は、副回転軸５０１にこれを中心軸として固定された第２歯車５０３と係合している。これにより、第３回転軸３３の回転運動は、副回転軸５０１に逆向きの回転となって伝達される。副回転軸５０１には、第２歯車５０３の他に、第３歯車５０４、第４歯車５０５が、それぞれ副回転軸５０１を中心軸として固定されている。副回転軸５０１は、この状態を保ったまま、図中の左右方向に移動できる設定とされる。ただし、副回転軸５０１の位置に関わらず、第２歯車５０３と第１歯車５０２は常に係合している設定とされる。このため、第１歯車５０２は、第２歯車５０３と比べて充分に厚くされる。この構成により、副回転軸５０１の位置に関わらず、第３回転軸３３の回転運動は、第１歯車５０２、第２歯車５０３を介して副回転軸５０１に伝達される。
【００３９】
この変速機構５０の出力回転軸となる第５回転軸５１には、第５歯車５０６が、その右側（第３回転軸３３に近い側）において、第５回転軸５１を中心軸として固定されている。また、この左側（遊星歯車機構３４に近い側）において、ワンウェイクラッチ５０７が設置される。ワンウェイクラッチ５０７は、ラチェット構造となっており、図８（ｃ）（ｄ）に図８（ａ）（ｂ）中のＡ−Ａ方向の断面を示すように、内側歯車５０７Ａと外側歯車５０７Ｂで構成される。このうちの内側歯車５０７Ａが第５回転軸５１に固定され、外側歯車５０７Ｂには、第６歯車５０８が固定される。第６歯車５０８の図中左側の面には、第５回転軸５１を中心軸とし、第６歯車５０８よりも大きな外径をもつ円環状のフライホイール５０９が固定されている。ここで、図示されるように、副回転軸５０１上においては、第３歯車５０４の外径は、第４歯車５０５の外径よりも大きく設定されている。逆に、第５回転軸５１上において、第５歯車５０６の外径は、第６歯車５０８の外径よりも小さく設定されている。また、第３歯車５０４と第５歯車５０６、第４歯車５０５と第６歯車５０８は、それぞれ係合するように設定されている。従って、第３歯車５０４と第５歯車５０６の外径の和と、第４歯車５０５と第６歯車５０８の外径の和は等しくされている。また、第４歯車５０５と第６歯車５０８が係合する場合には第３歯車５０４と第５歯車５０６は係合せず（図８（ａ））、第３歯車５０４と第５歯車５０６が係合する場合には第４歯車５０５と第６歯車５０８が係合しない（図８（ｂ））位置関係とされる。この切替は、副回転軸５０１の左右方向の位置設定によって可能となっている。
【００４０】
増速比率を小さくする場合（図８（ａ））には、副回転軸５０１は、左側にある設定とされる。この場合、副回転軸５０１の回転運動は、第４歯車５０５と第６歯車５０８を介して、ワンウェイクラッチ５０７に外側から伝わる。図８（ｃ）は、この場合におけるワンウェイクラッチ５０７の動作を、図８（ａ）中のＡ−Ａ方向の断面において示す。第６歯車５０８は、ワンウェイクラッチ５０７の外側歯車５０７Ｂに固定されているため、まず、外側歯車５０７Ｂはこれに応じて図８（ｃ）中の矢印で示される回転運動をする。外側歯車５０７Ｂの内面は、図８（ｃ）に示されるように、その法線が回転方向（図中では右回転方向）側を向く端面（円周方向に対して略垂直な角度をもつ面）と、回転軸を中心とした円弧に近い形状をもつ滑らかな曲面で構成された鋸歯形状となっている。逆に、内側歯車５０７Ａの外面は、この逆方向を向く端面と、回転軸を中心とした円弧に近い形状をもつ滑らかな曲面とで構成された、外側歯車５０７Ｂの内面とは逆向きの鋸歯形状となっている。内側歯車５０７Ａ、外側歯車５０７Ｂは共に金属で形成されており、特に内側歯車５０７Ａは、弾性変形をする材料あるいは力を受けて変位する機構で形成されている。
【００４１】
この構成により、図８（ｃ）中の矢印で示される方向に外側歯車５０７Ｂが回転をした場合には、例えば図８（ｃ）中の点線で囲まれた箇所において、外側歯車５０７Ｂ内面における端面と内側歯車５０７Ａ外面における端面が当接する。これによって、外側歯車５０７Ｂの回転運動が内側歯車５０７Ａに伝達され、内側歯車５０７Ａも、図８（ｃ）中の矢印で示される方向に回転する。すなわち、この回転運動は、内側歯車５０７Ａに固定された第５回転軸５１に伝達され、遊星歯車機構３４（第３回転板３４１）にこの回転運動が伝達される。この際、第６歯車５０８には、フライホイール５０９が接続されているため、この回転運動における慣性モーメントは大きくなる。従って、この回転運動を安定化させることができる。
【００４２】
一方、増速比率を大きくする場合（図８（ｂ））には、副回転軸５０１は、右側にある設定とされる。この場合、副回転軸５０１の回転運動は、第３歯車５０４と第５歯車５０６を介して、第５回転軸５１に伝達される。この場合のワンウェイクラッチ５０７の動作を前記と同様に示したのが、図８（ｄ）である。この場合には、図８（ｃ）の場合と異なり、まず内側歯車５０７Ａが矢印で示される方向に回転運動をする。この場合には、内側歯車５０７Ａ内面の端面と外側歯車５０７Ｂの内面の端面とは当接せず、代わりに、例えば図８（ｄ）中の点線で囲まれた箇所において、回転軸を中心とした円弧に近い形状をもつ滑らかな曲面同士が当接する。この場合には、この接触の際に内側歯車５０７Ａ内面が弾性変形をし、この曲面同士が摩擦した状態で内側歯車５０７Ａが回転する、すなわち、内側歯車５０７Ａが空回りをし、外側歯車５０７Ｂは回転をしない。この構成は、周知のラチェット構造の動作と同様である。この場合には、前記の場合とは異なり、外側歯車５０７Ｂ、第６歯車５０８、フライホイール５０９は、内側歯車５０７Ａの回転運動から分離され、これらは回転運動を行わない。従って、この回転運動に際しての慣性モーメントは小さくなる。この場合には、回転の立ち上がり時間を速くすることが可能である。
【００４３】
また、前記の第３歯車５０４の外径と第４歯車５０５の外径、第５歯車５０６の外径と第６歯車５０８の外径の関係より、第３回転軸３３の回転速度が同一の場合には、図８（ａ）の場合の方が図８（ｂ）の場合よりも第５回転軸５１の回転速度が低くなる。すなわち、上記の構成によって２種類の変速比の切替が可能である。また、第５回転軸５１の増速比を高くする設定（図８（ｂ））は、始動時等、第２プロペラ３０の回転が低く、発電機構２３０の発電に必要な回転数が十分に得られないときになされる。これに対して、第５回転軸５１の増速比を低くする設定（図８（ａ））は、第２プロペラ３０の回転が十分に高く発電機構２３０の発電に必要な回転数が得られるとき、あるいは第２プロペラ３０の回転が高過ぎ、発電機構２３０が過回転になるときになされる。この場合、フライホイール５０９も回転するが、第２プロペラ３０の回転数の変動に対して、フライホイール５０９を接続した場合の悪影響は小さくなり、慣性モーメントが大きくなったことによる回転運動の安定化が有効となる。上記の構成においては、この変速比及びフライホイールの脱着の切替動作を、副回転軸５０１の左右の位置の設定だけで行うことが可能であり、この潮流・海流発電システム２１０の動作中においてもこの切替動作を行うことができる。例えば、第２のプロペラ３０（第２の回転軸３１）の回転数が充分上昇した場合に、この切替動作を行い、増速比率を小さくする制御を行うことが可能である。この場合には、発電効率を高く保ったままで、回転の安定化を図ることができる。コンピューター等が第２のプロペラ３０の回転数を検知することによって、この切替動作を自動的に行わせることも可能である。
【００４４】
なお、上記の例では、図８（ａ）と図８（ｂ）に示す２種類の変速比を設定できるものとしたが、同様の構成を左右方向に複数設けることにより、３種類以上の変速比を選択できる構成とすることができる。
【００４５】
前記のとおり、自己安定的に第１回転軸２１と第２回転軸３１とは同一回転速度で回転した状態となるため、この状態で安定した出力が得られる。しかしながら、例えば水流の状態によっては、第２回転軸３１（第２プロペラ３０）の回転速度が不充分となって同一回転速度となりにくい場合も生ずる。こうした場合には、変速機構５０を用いて適切な変速比を設定し、第２回転軸３１の負荷を低減し、第２回転軸３１の回転速度が上昇しやすい状態として、第１回転軸２１と第２回転軸３１の回転速度を近づけ、安定した状態を得ることができる。
【００４６】
このため、変速機構５０で実現される変速比（減速比）は複数種類設定できる構成とすることが好ましい。これにより、状況に応じて最適な減速比を選択することが可能となる。
【００４７】
なお、この場合においても、前記の潮流・海流発電システム１０と同様に、フライホイール５０９を装着する箇所は、同様の効果（回転の安定化）をもたらすことができる限りにおいて、任意である。ただし、前記の場合のように、回転軸の負荷が相対的に小さな側、すなわち、減速された側の回転軸に連動させるように固定することがより好ましい。
【００４８】
次に、第２の変形例である潮流・海流発電システムについて説明する。図９は、この潮流・海流発電システム３１０の構成を示す断面図であり、図１に対応している。この潮流・海流発電システム３１０においては、３つのプロペラ（第１プロペラ３２０、第２プロペラ３３０、第３プロペラ３４０）と、２台の発電機構（第１発電機構３５０、第２発電機構３６０）、を具備する。各発電機構中には、それぞれ第１発電機本体３７０、第２発電機本体３８０が存在する。
【００４９】
第１プロペラ３２０、第２プロペラ３３０、第３プロペラ３４０は、同一方向の水流によって同一方向に回転する。第１発電機構３５０（第１発電機本体３７０）、第２発電機構３６０（第２発電機本体３８０）は、それぞれが前記の発電機構１２０（発電機本体１００）とほぼ同様の構成をもつ。従って、第１プロペラ３２０及び第２プロペラ３３０によって第１発電機構３５０（第１発電機本体３７０）が駆動され、第２プロペラ３３０及び第３プロペラ３４０によって第２発電機構３６０（第２発電機本体３８０）が駆動される。これらの各々が前記の潮流・海流発電システム１０と同様に動作する。
【００５０】
ただし、ここでは、前記の第２回転板２７よりも外径の大きな第２回転板３７１、３８１が用いられている。これにより、第２回転板３７１、３８１自身がフライホイールと同様の効果をもたらす。この場合には、フライホイールの脱着によって慣性モーメントを調整するとことは不可能とはなるものの、構造がより単純化されるため、このように発電機構（発電機本体）を多数用いる場合には、特に好ましい。この点以外については、第１発電機構３５０（第１発電機本体３７０）、第２発電機構３６０（第２発電機本体３８０）は、前記の発電機構１２０（発電機本体１００）と同様である。
【００５１】
また、第１プロペラ３２０、第２プロペラ３３０間、及び第２プロペラ３３０、第３プロペラ３４０間の関係は、前記の潮流・海流発電システム１０における第１プロペラ２０、第２プロペラ３０の関係と同様である。すなわち、これらは自己安定的に同一回転速度で回転をする。これにより、前記の潮流・海流発電システム１０よりも更に水流を有効に利用し、更に効率的に発電を行うことができる。同様に、プロペラを４つ以上、発電機本体を３台以上用いて発電を行うことも可能である。また、前記の変形例と同様に、各発電機本体において、変速機構を設けることもできる。この場合、変速比の設定は、各発電機構毎に行うことができる。
【００５２】
なお、上記のいずれの例においても、発電機本体における内側回転子として電機子を、外側回転子として界磁子を設置した構成としたが、これらを互いに入れ替えた構成としても同様に発電が行われることは明らかである。すなわち、電機子／界磁子のうちの一方を内側回転子とし、電機子／界磁子のうちの他方を外側回転子とし、これらが互いに逆方向に回転する設定とすればよい。この際、上記の例では、上流側にある第１のプロペラ（第１の回転軸）と外側とを直結し、下流側にある第２のプロペラ（第２の回転軸）の回転を逆方向に変えて内側を回転させる構成としたが、逆に、第１のプロペラと内側とを直結し、第２のプロペラの回転を逆方向に変えて外側を回転させる構成とすることができることもでき、同様の効果を奏することは明らかである。これらの設定は、内側回転子に接続された系と外側回転子に接続された系の慣性モーメントの大小関係に応じて適宜設定が可能である。フライホイールを使用することによってこれらの慣性モーメントの値を調整することもできる。
【００５３】
また、上記の例では、増速機構として遊星歯車機構を用いていたが、これに限定されず、機械的に第３の回転軸の回転速度を高めて第４の回転軸に出力できる機構であれば、同様に増速機構として用いることができる。また、逆転機構（回転変換機構）として、３つの傘歯車を用いた構成について説明したが、機械的に第２の回転軸の回転方向を逆転させて第３の回転軸に出力できる構成であれば、他の構成を用いることもできる。あるいは、これらの機能を、例えば遊星歯車を部分的に用いた単一のギヤボックスで実現してもよい。逆に、遊星歯車機構（増速機構）を設けなくとも充分な出力が得られる場合には、これを用いる必要はない。また、第２の回転軸は、逆転機構を介してから増速機構に接続されるとしたが、これらの位置関係を逆転させてもよい。
【００５４】
更に、変速機構も、図８の構成以外で実現することが可能である。この変速機構と増速機構、逆転機構を例えば単一のギヤボックス内において実現してもよい。また、変速機構、増速機構、逆転機構を別体とした場合には、これらの位置関係も、上記の動作を行える限りにおいて任意である。
【００５５】
また、上記の例では、プロペラのプロペラ翼がいずれも２枚であるとしたが、第１のプロペラの後流によって第２のプロペラを駆動できる構成であれば、これらの構成は任意である。例えばプロペラ翼の数は３枚、あるいは任意の複数枚であってもよい。
【００５６】
また、特に複数の発電機本体を用いる潮流・海流発電システム３１０においては、各発電機本体の構成は同一である必要はない。各プロペラを同一方向に回転させ、各発電機本体が発電を行うことができる限りにおいて、各発電機本体の設定は任意である。各プロペラについても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
上記の潮流・海流発電システムは、上記の通り、海上又は海中で発電を行なう際に用いることができる。河川等においても、水流によって発電を行う際にも同様に用いることができ、弱い水流を利用して安定的に発電を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、２１０、３１０ 潮流・海流発電システム
２０ 第１プロペラ（第１のプロペラ）
２１ 第１回転軸（第１の回転軸）
２５、２６ 界磁子（外側回転子）
３０ 第２プロペラ（第２のプロペラ）
３１ 第２回転軸（第２の回転軸）
３２ 逆転機構（回転変換機構）
３３ 第３回転軸（第３の回転軸）
３４ 遊星歯車機構（増速機構）
３５ 第４回転軸（第４の回転軸）
３６ 電機子（内側回転子）
３７ フライホイール
３８ ベアリング
４１ 発電機構ケース
４２ 発電機本体ケース
１００ 発電機本体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潮流・海流の流れ方向において距離をおいて設置され、前記潮流・海流によって同一方向に回転する第１のプロペラ及び第２のプロペラと、
前記第１のプロペラの回転軸となる第１の回転軸と、
前記第２のプロペラの回転軸となる第２の回転軸と、
前記第２の回転軸の回転方向を逆転させて第３の回転軸に出力する回転変換機構と、
外側回転子と内側回転子の相対的回転運動によって発電を行い、外側回転子／内側回転子の一方は前記第１の回転軸によって回転し、外側回転子／内側回転子の他方は前記第３の回転軸によって回転する発電機本体とを具備し、
前記回転変換機構及び前記発電機本体が、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に設けられたことを特徴とする潮流・海流発電システム。
【請求項２】
前記第１のプロペラは前記潮流・海流における上流側に、前記第２のプロペラは前記潮流・海流における下流側にそれぞれ設置され、
前記第３の回転軸の回転速度を同一方向に増速し第４の回転軸に出力し前記外側回転子／内側回転子の他方を回転させる増速機構を前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする請求項１に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項３】
前記増速機構は、遊星歯車機構であることを特徴とする請求項２に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項４】
前記内側回転子は、前記第４の回転軸の回転運動によって回転運動を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項５】
前記第４の回転軸の回転速度を複数の異なる比率で変速する変速機構を、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする請求項４に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項６】
前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速される際に、前記変速機構の出力回転軸に連動して回転するフライホイールが接続されることを特徴とする請求項５に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項７】
前記第２のプロペラの回転速度が上昇した際に、前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速されることを特徴とする請求項６に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項８】
前記外側回転子に連動して回転するフライホイールが接続されたことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１項に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項１】
潮流・海流の流れ方向において距離をおいて設置され、前記潮流・海流によって同一方向に回転する第１のプロペラ及び第２のプロペラと、
前記第１のプロペラの回転軸となる第１の回転軸と、
前記第２のプロペラの回転軸となる第２の回転軸と、
前記第２の回転軸の回転方向を逆転させて第３の回転軸に出力する回転変換機構と、
外側回転子と内側回転子の相対的回転運動によって発電を行い、外側回転子／内側回転子の一方は前記第１の回転軸によって回転し、外側回転子／内側回転子の他方は前記第３の回転軸によって回転する発電機本体とを具備し、
前記回転変換機構及び前記発電機本体が、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に設けられたことを特徴とする潮流・海流発電システム。
【請求項２】
前記第１のプロペラは前記潮流・海流における上流側に、前記第２のプロペラは前記潮流・海流における下流側にそれぞれ設置され、
前記第３の回転軸の回転速度を同一方向に増速し第４の回転軸に出力し前記外側回転子／内側回転子の他方を回転させる増速機構を前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする請求項１に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項３】
前記増速機構は、遊星歯車機構であることを特徴とする請求項２に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項４】
前記内側回転子は、前記第４の回転軸の回転運動によって回転運動を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項５】
前記第４の回転軸の回転速度を複数の異なる比率で変速する変速機構を、前記第１のプロペラと前記第２のプロペラの間に具備することを特徴とする請求項４に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項６】
前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速される際に、前記変速機構の出力回転軸に連動して回転するフライホイールが接続されることを特徴とする請求項５に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項７】
前記第２のプロペラの回転速度が上昇した際に、前記変速機構における増速比率が小さくなる側に変速されることを特徴とする請求項６に記載の潮流・海流発電システム。
【請求項８】
前記外側回転子に連動して回転するフライホイールが接続されたことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１項に記載の潮流・海流発電システム。
【図１】
【図２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２０８５３１（Ｐ２０１１−２０８５３１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７５５８９（Ｐ２０１０−７５５８９）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
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