海流・潮汐流による応力の計算について

質問

• 海流や潮汐流を利用して大規模な発電を行う方法を考案した。計算の誤りや、コンセプト段階で理論的に破綻している部分があるかどうかを知りたい。
• 海流や潮汐流を利用した発電方法のコンセプトと仕組みについて説明した。計算の正確性や技術的な課題についての意見を求めている。
• 海流や潮汐流を利用した大規模な発電方法の計算についての質問。計算の正確性や設備の強度に関する意見を求めている。

回答No.2

masa2211 · ベストアンサー

＞「ベルトにかかる力は、86400/3=28800kN=3000t」という部分についてですが、これでは箱型流路に存在する
＞流水の質量の慣性力が計算に入っていないように思えます。
私としてはこれは当然。そんなもの無視。何故なら、考える必要ないから。
というのは、
60ｍの立体に必要流速を満たすまで、どんなに楽観的に考えても30秒。（＝60÷（5-3））
ですから、最初の１秒は、定常状態に移行するまでの過渡期であって、エネルギーを取り出すのは定常状態に移行後。
まあ、コレに関し、質問文に記載無いから、当然そう考えます。
※１秒発電して30秒休む、というのは考えること自体を無意識に拒否。エヴァのホジトロンライフル用の電源なら別。

で、私は、
＞これは定常時なので、ピストンが動き出した瞬間は、その2～3倍に押さえ込む。
と書いています。定常時と明言しています。要するに、ピストンが3ｍ/ｓで動いてからが現実に発電する時間帯、
とみているわけ。そうとらえても特に不都合の無い施設なので、それ以外の発想は眼中に無いのです。

ですから、
・諸悪の根源は１秒で完全閉塞することにあり
という理解であり、スリットを閉めるのに時間をかければよいだけ、というごく単純な話。
※無限に時間を掛けてよいなら、明らかに力＝ゼロなので定常時の力のみ。
で、スリットを閉める時間をゼロ秒とするのではなくて、適当に（まあ、20秒～1分くらい、か？）設定すれば
定常時×２～３位でなんとかるよ、そう言っています。
※現実、バルブなどの開閉にはそれくらいぼ時間をかける。

あと、１秒で開閉。そりゃあ勝手だ。
でも、ワイヤーだけでなく、水路の前面、側壁、底板にも同等の力がかかることを忘れてはダメ。
※スリットをゆっくり閉めれば無視できるんだが、あなたは拒否した。
結果、側壁、底板を流れに逆らっって引き上げるための力が増大。（頑丈に作らないとならない。）おそらくは、
発電量は限りなくゼロまで低下。まあ、ワイヤーの断面積なんぞ、どうでもいいという本質的な部分でアウト。
（水中を引き上げるときの抵抗が無視できない。下手すればマイナスになってしまう。計算していないようだけどね。）

※まずは、スリットや側壁の強度計算をすることをおすめします。その結果、ピストンを引き上げるのにどれだけ
　の力が必要なのかも含みます。１秒で開閉にこだわる限りエネルギーのの赤字確定だろうけど。
※※念のため。ワイヤーに20万トンかかるなら、スリット全体で20万ｔ。　側壁や底板も、当然２０万ｔ。
　　まあ、60ｍ×60ｍで割り戻すけど。
　そのためにどれだけの強度が必要か？まあ、ワイヤーの強度んなどどうでもいいんあじゃあ？
　その結果、流れに逆らってピストンを引きあゲルトエネルギー収支はマイナス、という
いことだけ申し上げておく。

※※※それほど、「１秒で開閉」は、無茶振りであり、流体力学ををちょっとでもかじったらありえないんですよ。
※※※※それ以外にもツッコミ箇所はたくさんあります。流体力学の素人さんを脱出するまで具体回答できないけど。

お礼

まずはお礼申し上げます。引き続き、このような内容にも関わらず回答をいただけて感謝しております。ただ、１秒で開閉にはそんなにこだわっているわけではないです。むしろ、とんでもない力がかかっても壊れない係留設備が実際に作れるかどうかの判断基準として、無茶な条件設定が必要という程度の話なので、いくらでも変更は可能です。強いて言えば、ピストンのストロークの回数が少なくなると発電量も減ってしまうので、強度が持つ範囲で短ければいいとは思っています。

それと、発電を行うのは定常に入ってからという部分も、こちらでイメージしていた挙動とはだいぶ異なります。ピストンの先にはクランクがあり、その先は回転盤につながっているわけですが、ピストンの動きもその回転盤とクランク係合部の回転軌道によって強制されます。そこで、こちらでイメージしていた挙動は次の通りです。

※サイトの仕様により、小さな図を1回しか貼れず、説明がわかりにくくて申し訳ないです。

仮にこの回転軌道を時計の文字盤に例えると、0時から1時ちょっと過ぎの辺りを領域A、そこから5時少し前の位置までを領域B、5時少し前から5時少し後を領域C、そこから6時までを領域Dとします。6時から12時の間にも同じ形でE～Hの領域があるとします。回転の方向も時計回りとします。

(1) まずBとFの位置では、ピストンの慣性力と水流の向きが同じであり、最も効率よく回転盤に力が伝わります。
(2) CとGの位置では、ピストン内部のスリットの開閉状態が切り替わります。
(3) DとHの位置では、スリットの切り替わりによって水流の力はピストンの移動とは逆向きに作用します。慣性力によってピストンの移動方向はまだ変わりませんが、回転軌道の形状からピストンの速度は強制的に減速されます。
(4) AとEの位置では、水流の力と回転軌道によって強制的にピストンの移動方向が反転します。
(5) 再びBとFの位置に戻り、ここでは慣性力と水流の向きが一致するため、回転盤に最も効率よく力が伝わります。

これらの(1)～(5)のサイクルを繰り返すことで、持続的な発電が行われます。つまり、ピストンの移動方向が反転するときに速度が完全に0になった瞬間でも、クランクと回転盤の係合部は横方向に動いているので、発電は止まらないというイメージです。

このサイトのルール上自分のWebへのリンクを貼るわけにもいかないので、本当に補足説明に苦心しております…。でも、このような基本的な挙動の部分で認識が違っていると、その後の話もあらぬ方向に拡散してしまいますので、どうしても補足するしかないように思います。

※そもそもコンセプトの部分でここまでコメントをいただけるとは思ってなかったので、このような質疑応答は自分でサイトを作って掲示板も自分で管理した状態でやらないと補足説明地獄に陥るということははっきりしました(汗)。

壁面の強度についてですが、圧力は箱の内壁に均等にかかると思うので、60×60ｍの面積が、スリットと両側面、底面・天井と合わせて3600×5で分散されると思います。そうすると、全体で20万トンでも1平米あたりは10トンくらいになり、壁面付近を（正面から見て蜂の巣型になるような）ハニカム構造にしたり、壁面に垂直なプレートを並べるなどして補強すれば、そんなに無謀な数字でもないような気がします。

ただ、スリットの開閉のたびにこのような力が加わるという想定ではなく、あくまでも強度を示すための無茶な力がかかったときの話なので、短い時間でスリットを開け閉めするにしても、その場合は流速が完全に回復するのを待たずに、片道8～10秒くらいで小さく行ったり来たりさせる方がいいかもしれません。流路の形も立法体ではなく、奥行を半分にして箱の数を倍にしたり、奥行を3分の1にして数を3倍にするなどの方法で流速の回復時間を短くすることができるとも思っています。

引き戻しの抵抗については、筒抜けのピストンが滑車の作用で戻るだけなので、淵部分の抵抗より慣性力の方が大きく邪魔するのではないかと思っています。閉状態のピストンにかかる圧力は筒抜けのピストンと比較して軽く5倍10倍か、それ以上になると思うので、引き戻しの抵抗でエネルギー収支が0に近づくとは考えていません。

実は15年以上前にプラントのフレームの構造計算などをやっていたことがあるので、完璧な素人というわけでもないんです。また、この関連案件で特許を取得したときにお世話になった弁理士の方が流体力学に詳しい人で、直接的に色々なアドバイスもいただけるため、まったくの素人による雑な思いつきの話というわけでもないんです。

そこそこ目処が立っている部分も結構あり、後はスリットが閉じた容積の質量に相当する運動エネルギーの15％を回収できれば利益計算まで出来る段階まで来ています。実際のところ、このレベルの変換効率さえ実現できれば、あとの問題はどうとでも調整できると考えています(その考えが正しいかどうかは別として)。

スリットの開閉速度については、今回ご指摘いただいた内容を基にもっとよく考えてみようと思います。重ね重ね、ありがとうございました。