JP2009174510A - 海上で旋回する環状浮体構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電、波力発電をともに効率的に利用する方法を提案する。
【解決手段】波の波長の数倍の直径を有する環状の構造体を浮かべると、波の上下動は各所に分散するため、構造体全体としては浮力による喫水線の位置で安定する。この構造体の側面に、多数の胸鰭状の波動翼を同一方向に並べて設置すると、波の上下動を効率よく、同一方向の回転力に変えることが出来る。さらに構造体の甲板部に多数の帆状のウインドブレードを設置し、風の方向にあわせ、角度を調整する機能を付加することにより、風の力を同一方向の回転力に変換できるので、海上の風波を同時に利用して、強力に旋回する環状構造体を製作することが出来る。この構造体を二重に設置し、お互いに逆旋回させ、この回転差を、環状構造体の中央に設置された発電機に伝え発電する、などの構成により、風波発電装置を製作できる。
【選択図】図１

Description

この技術は主に海上の風波エネルギーを、環状構造体の回転力に変換し、発電等のエネルギーに利用する、自然エネルギーの利用技術、または海上の風波エネルギーを構造体の回転力に変換し、その回転力により構造体自身が旋転移動し、内包した淡水塊を海上移送する、自然エネルギー利用技術に関するものである

風力発電技術および波力発電技術、海上浮体構造体技術、海洋土木技術などの分野に属する

近年地球温暖化対策のため、化石燃料以外のクリーンエネルギーの利用促進が叫ばれ、海上の風力および波力の発電への利用が期待されている。
一般的には海上の波と風は同時に広範囲に存在するが、実際の利用は現状では風力発電と波力発電に別れ、風力発電は風車型のものがある程度普及しているが、安定した風力が期待できる立地、コスト、メンテナンス、台風対策などの多くの問題を抱えており、日本では高い成果を上げている事例はすくない。

さらに波力発電はごく限定された用途にしか利用されていない。現状の波力発電は、自然界に存在する潮吹きの原理を応用し、海岸部に同様の空気室を構築、波動により生じる海面の上下動を取り込み、空気エネルギーに変換し発電する方法のため、海洋土木コストが高く、立地条件も限定され成功例は少ない。浮体構造のものも開発されているが、空気エネルギーを発生させる空気室自体も、波の上下動と連動するため、エネルギー変換効率が悪く、実用化されているのは港湾ブイなどの、小規模な灯火電源などに過ぎない。
まして海上の風波を同時一体利用する有効な方法はまだ提案されていない。
海洋国にあっては特にこの潜在する未利用エネルギーの有効利用が期待されている。

一方地球温暖化の原因のひとつとして森林破壊が挙げられるが、この原因の大半が森林伐採と農地転用であり、その原因の背景は食糧不足や貧困にある。乾燥地域に農業用水を移送し農業生産を拡大できれば、この問題をかなり解決することが期待できる。
地球上の淡水資源は不足していると同時に偏在しており、温暖化の進行とともにこの傾向は、ますます深刻となることが予想される。

このためおもに大河の河口から、大量の淡水を乾燥地域へ、海上輸送する必要が生ずるが、従来のタンカー輸送ではコストが高く、淡水移送用の巨大タンカーを設計すると、輸送単価は低下する反面、船体を強化する必要が増し、建造コストは増加する。この問題を解決するため、近年膜製バッグに淡水を封入し、海上をタグボートで牽引曳航する方法も開発されてはいるが、曳航時、水の抵抗が大きく、燃料がかかることに加え、膜製バッグの強度も必要であり、コスト改善がまだ十分ではない。したがって現状では必要な量の農業用水を、乾燥地に海上輸送する手段が開発されていない。

波は風によって引き起こされ、風のエネルギーが蓄積し、平面に分散移動したものと考えられる。したがって風力に比べ波力は分散平均化しており、持続安定性が期待できる。さらに海上には風と波がほぼ同時に存在する。波と風を同時に利用する方法の開発を行うことにより、風力のみ、又は波力のみの利用に比べ、効率的な利用手段となることが期待される。

波は海上平面に広く分散している。このことから、海上に所定規模の環状浮体を構築すると、波による上下動の圧力は、構造体各部位に分散されるため、構造体全体は海上で揺れ動くことなく、全体の浮力に応じた喫水位置で安定させることができる。したがってこの構造体各部に、波動翼を一定回転方向に取り付けると、波の上下動を効率よく機械的推進力に変換でき、また構造体の慣性力も加わるので、安定した旋回力を得ることが期待出来る。

このことから、側面に一定方向に並べられた胸鰭上の波動翼を有し、波による水位の上下動を、効率よく回転推進力に変換、安定強力な旋回を行うことが出来る環状構造体を製作する。

さらにこの環状構造体の甲板部に、多数の帆様のウインドブレードを配置し、そのブレードの角度を、風向に対して順次調整できる機構を備えることにより、構造体の回転力を加速増強させることが出来る。
この構造体から生じる回転力を発電機に伝達することにより、効率的な風波発電装置を構成できる。また内湾など、好適な波が期待できないが風力は期待できる場合などは、ウインドブレードのみを配置した環状構造体とし、海上風力発電装置とすることもできる。

さらにこの環状構造体を円筒形にするとともに、構造体の下部に、多数の、角度を制御調整できる、舵様のラダーブレードを配置し、構造体の回転力を、旋転推進力に変換することのできる、環状構造体を製作する。このラダーブレードの角度をＧＰＳなどの支援情報から、制御調整する機能を付加することにより、円筒の内部に包含した淡水塊を洋上輸送できる、淡水塊輸送構造体を製作することができる。
なおこの円筒は包含容積を大きくするため、深さのあるものとし、下部開放口には淡水と塩水の混合を防ぐため、ラバーなど弾力性のある仕切り膜を設置する。

クリーンな再生可能発電エネルギー源として、また、淡水の海上輸送手段として、温暖化対策、地球環境改善に貢献できる。

従来の風力発電に対しては、海岸線が長い日本などの島国は特に好立地が得やすい事に加え、沿岸部に電力分散型供給体制をとることが出来る。また海上に浮かべる構造のため、大型の設計も可能で、比較的安価で頑丈に設計でき、耐久性も期待できる。

また従来の波力発電に対しては、建設コスト、機材コストメンテナンスコストも安く出来る期待がもてる。特に岩礁や暗礁なども基礎に利用できるため、大掛かりな海岸土木工事を必要とせず、また波力と風力を同時に直接構造体の回転力に変化させるため、変換効率がよいことが期待できる。

また淡水塊輸送手段としても、円筒構造体の内包する淡水は、仕切り膜を通して、流体力学的には外部海水と連続しており、膜製バッグによる輸送と同じ、波の破壊力に対して柔軟性を持つ。このため構造体自体に機械強度をあまり必要とせず超巨大な構造体も、比較的安価に設計できる。したがって構造体の基数を多く製作し、航路運行できるので、航行速度が遅い欠点を補い、経済的な大量淡水海上輸送体制を構築できる。

具体的に最も期待されるのはアマゾン河口から、アフリカ北西海岸の乾燥地域である。アマゾン川から常に膨大な淡水が、大西洋に流出して海水と混合している。一方大西洋を隔てたサハラ砂漠西部海岸部は、世界最大の乾燥地帯である。この地域に莫大な農業用水を供給できれば、点滴農業などの管理型農業を広範囲に構築でき、特にアフリカの食料・貧困問題などを解決する手段とすることが出来る。

環状構造体は、躯体部、波動翼、ウインドブレードからなり、さらに風波発電用には、発電塔部が付加される。また淡水塊海上輸送用には、ラダーブレード、底部仕切り隔膜、が付加される。

風波発電に用いる場合は以下のとおりに設計される、
躯体は水平面剛性と浮力を考慮し、適切な管径を有する鋼管で製作される。また躯体側面には、波動翼を取り付ける支持支柱が所定位置に溶接される。
環状構造体の直径は、設置される海面の、想定される重力波の波長の数倍の長さを有する直径とする。
これは環状構造体の各部に波浪の山と谷が複数分散するため、構造体の受ける浮力が全体として分散し、水平で安定した回転が期待でき、効率設計規模となるためである。

側面の支持支柱と、それに取り付けられる胸鰭状の波動翼は、設置が想定される海域の、平均的な重力波の波高と波長にあわせ、その可動角度と形状面積、喫水線からの位置、配置個数などが決められる。波動翼は一定方向に整列させ取り付けられるが、推進方向の水抵抗を少なくするために、断面形状は流線型とすると同時に、可動角度が水平方向に対して、上下方向に各３０度程度に制限させる。このため、寄せ波の水位上昇時には上方向に跳ね上げられながら、水の上昇圧を回転推進力に効率的に変換するとともに、引き波時の水位下降時は、下方向に押し下げられながら、水の下降圧力を同一方向の推進力として、構造体に伝えることが出来る。この力は環状構造体の各所で同時に、連続的に発生するため、回転力を安定的に発生させることが出来る。

なお波動翼はこのように、上下に動く可動構造とするのが最良と考えられるが、波から受ける破壊力が大きく、破損が懸念される場合は、耐久性やメンテナンス性を考慮し、タービンブレードのように、最適な角度で構造体に固着される場合もある。

甲板部に設置されるウインドブレードは、想定される海風の強さとエネルギー変換効率、また海水や日光による腐食劣化耐力、荒天時の強風による破壊耐力などを総合的に勘案し、形状や大きさ、材質等が決められる。
ブレードの風向に対する角度は常に調整する必要があり、各ブレードの取り付け部には角度調整の駆動モーターとギアボックスが設置され、発電塔の風向計・風力計データーをもとに発電塔のＣＰＵにより集中制御される。

発電塔は環状構造体の中央に置かれ、ワイヤーで放射状に環状構造体と連結され、回転力を中央の発電機に伝達し発電を行う。
海上に設置する方法としては、次の二通りの設置方法が考えられる。

第一の方法は発電塔および環状構造体全体が、海上浮体として洋上発電を行う方法である。この場合は、発電塔を取り囲む環状構造体を二重に設置し、外側の構造体の回転方向と、内側の構造体の回転方向を逆に設定し、それぞれの回転力を中央の発電塔の発電機に伝え、回転差を発生させ発電を行う。
この構造は完全浮遊体のため、潮流などに流されないように海底にケーソンを投入し、鎖などで繋留する。また発電塔にバラストタンクを設置し、台風などの接近時はタンクに注水潜水し、波浪の破壊力から回避する構造とする。
沖合い１キロ程度の好適なうねりと水深の立地を選定しやすく、大型の設置も可能であるメリットがある。

第二の方法としては海岸部、諸島部近くに多く見られる岩礁、小島などに発電塔を建設し、その周囲海面に環状構造体を設置する方法である。
適切な岩礁などを選定すれば、わずかな基礎工事でしっかりした発電塔を構築でき、安定した運用が期待できる。発電塔と環状構造体は放射状のワイヤーで連結され、回転力を発電塔に伝え発電を行う。
またこのワイヤーはウインチに連動し、潮の干満による海面の変動に対応するほか、台風接近時などは環状構造体を、沈下又は吊り上げる方法により、波浪の破壊力から回避できる構造とする。

淡水塊海上輸送を目的とする場合は以下のとおり設計される。
躯体構造は、長方形の鋼板を二重に貼り合わせ、浮力を持たせた矩形の壁状ブロックを多数製作し、これらを横に連結し、巨大な円筒形の環状構造体を形成する。
これにより往路は大量の淡水を輸送できる巨大な円筒体であるが、復路にあっては連結を分解し矩形ブロックを筏状に組みなおすことが出来る。このためタグボートの曳航が可能で、往路に比べ復路はすばやく帰還できるので、次の航海が行なえ、構造体の効率的機材運用が可能となる。

波動翼の構造、およびウインドブレードの構造は、矩形ブロックに着脱可能に取り付けられるほかは、風波発電用の構造と同じように、運用海域の風波状況により適切な大きさや形状が決められる。
このほか矩形ブロック底辺部には、ラダーブレードが取り付けられる。甲板部に取り付けられたＧＰＳなどの位置情報から航行方位を判定し、その方向に旋転進行するように各ラダ−フィンを調整制御する。各ラダーブレード内には駆動モーターとギアボックスが収納されるため、連続的に角度調整を行うことが出来る。

円筒体下部開放口はワイヤーで補強された，ラバー、又は樹脂などにより作られた、隔膜が張られるが、円筒の深さは通常波動限界深度を超えるため、安定した水域であると考えられる。したがって比較的薄い膜でも設計可能である。
またの隔膜のたるみなどが、回転の抵抗とならないように、底部中央部に空気を送り込み、その浮力で隔膜は、張りのあるドーム型を形成させることが出来る。

図面に従い実施例を説明する
図１は洋上浮体型風波発電装置の実施例である。環状構造体は二重構造で外側環状構造体は海面下で中央の発電塔下部にワイヤーで連結されており、内側環状構造体は海面上で発電塔上部に連結される。お互いに逆回転を行い発電塔の上部と下部に回転差を発生させ発電を行う。
発電塔下部にはバラストタンクが設置され、台風などの荒天時には注水し、安定水深近くまで潜水し破壊を回避する。
海底部にはアンカーケーソンが設置され、強力な鎖により繋留連結され漂流を防止する。
ウインドブレードは耐食ステンレス製で耐海水性を有し潜水回避時にも収納の必要はない設計とする。

図２は岩礁設置型風波発電装置の実施例である。
発電塔の基礎工事は岩礁自体を基礎と出来るので比較的簡単に出来る。環状構造体はワイヤーで吊り下げられるため、浮力を考慮する必要がなく、堅牢で安価な鉄鋼構造とすることができる。発電塔上部にウインチを設置し 潮の干満による水位変化や荒天時の退避などを、ワイヤーの高さ調整で適宜行うことができる。

図３は淡水塊海上輸送用浮体構造体の実施例である。
鋼板製で適度な浮力を有する矩形壁ブロックを、横に連結し、円筒の環状構造体を形成している。容積を確保するため、喫水線下の深さが確保されると同時に、海上で波により海水が混入しないように、防波堤璧を形成するため、喫水線上部にも所定の高さを確保している。

円筒体外側喫水線下に波動翼が設置されるとともに、甲板部にウインドブレードが設置される。また円筒体底辺部にはラダーブレードが取り付けられる。さらに甲板部にはＣＰＵ装置などの指令機器や、ＧＰＳ装置、風向計方位計などの情報機器、などの機材が設置されるほか、これらに電力を供給する風力発電や太陽光発電装置などが設置される。これら装置によりウインドブレードの制御、およびラダーフィンの制御を行う。

円筒体の下方の開放部には内包する淡水と塩水を仕切る隔膜が張られる。
この膜は合成ゴムや樹脂などで作られるがワイヤーで補強されている。
なお運行時にはこの膜の中心部に空気が送り込まれるため、膜は適度の張力を受けドーム状に形作られる。このため膜にたるみがなく回転に与える摩擦抵抗を少なくすることができる。

は洋上浮体型風波発電装置の斜視図である は岩礁設置型風波発電装置の斜視図である は淡水塊海上輸送用環状構造体の斜視図である は波の上下動と波動翼の作動角度例を示す側面図である はウインドブレードの角度と環状構造体の旋回方向を示した平面図である はラダーブレードの角度と環状構造体の進行方向を示した平面図である。

符号の説明

１．環状構造体の躯体
２．波動翼
３．ウインドブレード
４．ラダーブレード
５．発電塔
６．バラストタンク
７．ワイヤー
８．仕切り隔膜
９．環状構造体の旋転進行方向
１０．環状構造体の旋回方向
１１．風向
１２．上昇波の方向
１３．下降波の方向

Claims (4)

1. 海上に浮遊する環状構造体であり、構造体側面に多数の胸鰭状の波動翼を有することにより、波の力を利用し、海面上で一定方向に旋回することのできる環状浮体構造体。
2. 海上に浮遊する環状構造体であり、構造体上部甲板部に、風向に対し角度を調整制御することのできる、多数のウインドブレードを有することにより、風の力を利用し、海面上で一定方向に旋回することのできる環状浮体構造体。
3. 海上に浮遊する環状構造体であり、構造体側面に多数の胸鰭状の波動翼を有するとともに、構造体上部甲板部に、風向に対し角度を調整制御することのできる、多数のウインドブレードを有することにより、波の力と風の力を同時に利用し、海面上で一定方向に旋回することのできる環状浮体構造体。
4. 環状構造体底部に多数の舵様のラダーブレードを有し、各ラダーブレードの角度を調整制御し、環状構造体自身を一定方向へ、旋転移動させることのできる機能を有する請求項１、または請求項２、または請求項３の環状浮体構造体。

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