JP2014184935A - 発電船 - Google Patents

Abstract

【課題】海上の風を利用した発電と、発電した電力の蓄電池への充電とを効率的に行うことができる発電船を提供する。
【解決手段】発電船1は、水上又は水中を航行する船体10と、船体10上に設置され、風を受けて推進力を得るための硬帆20と、船体10外に設置され、船体の航行による水流を受けて回転する水車30と、水車30に連結され、水車30の回転により駆動する発電機40と、発電機40で発電した電力を蓄電するレドックスフロー電池50と、発電機40で発電した電力をレドックスフロー電池50に充電する電力制御装置60とを備える。レドックスフロー電池50は、電池セル500と、正負極の電解液を貯蔵する一対の電解液タンク506,507とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電船に関する。特に、船体上に設置された硬帆で風を受けて推進力を得て航行し、水車を回転させることで発電機を駆動して発電した電力をレドックスフロー電池に蓄電する発電船に関する。

昨今、地球温暖化対策として、太陽光発電、風力発電といった自然エネルギー（所謂、再生可能エネルギー）を利用した発電の導入が進められている。中でも風力発電は、比較的発電コストが低いこともあり、世界各地で導入が伸びている。近年、風況に恵まれた海上に風力発電機を設置した洋上風力発電が実用化され、拡大している。洋上風力発電には、海底に固定する着床式と海上に係留する浮体式の２種類があり、水深の浅い海域では着床式が適しているが、着床式は水深が深くなるほど建設コストがかさむため、水深が深い海域では浮体式の方が有利である。最近では、沖合に浮かべたメガフロートに風力発電機を設置することが提案されている。また、自然エネルギーを利用した発電は、自然現象に依存して発電量が変化することから、安定化のために蓄電池を併設することが考えられている。

風力発電は、エネルギー密度の低い風、即ち空気の流れをエネルギー源として利用するため、効率的な発電を行うには、風車の大型化が望まれる。また、洋上風力発電の場合、海上での建設作業やメンテナンス作業が必要となる他、発電した電力を陸上（電力需要家）に送電するために海底ケーブルを布設する必要があるため、建設コストだけでなく運用コストも高くつく。

一方で、強大なエネルギーを持つ自然現象の一つとして、台風が挙げられる（中型台風のエネルギー：1×10¹⁸J）。台風による強風を風力発電に利用できれば、膨大な電力を得ることができる。しかしながら、大型の風力発電機は、風が強過ぎると羽根が破損するなどの問題があり、発電することができない。また、大型の風力発電機は、基本的に設置場所が固定され移動できないため、台風を回避することができない。

台風のエネルギーを積極的に利用する発電方法として、台風の強風下で帆走しながら発電する船が、例えば特許文献１で提案されている。特許文献１には、風によって船体を推進させ、船体が航行することによって水中の水車を回転させて電力を取り出すようにした洋上発電システムが開示されている。この特許文献１（特に、段落００３８〜００４２、図１〜６など参照）には、双胴船（カタマラン）の船体4上に設置されたプレート（硬帆）6で風を受けて航行し、船体4の航行によって水中に設置された水車10R,10Lを回転させ発電機14R,14Lで発電することが記載されている。また、発電した電力を蓄電池22に蓄電することが記載されている。

その他、船体に発電機を設置し、自然エネルギーを利用して発電する船として、例えば特許文献２のものがある。特許文献２には、電力の海上輸送に好適な船舶、及び船舶を用いた電力輸送方法に関し、レドックスフロー電池を備える船舶（レドックスフロー電池船）が開示されている。この特許文献２（特に、段落００２６〜００２８、図４〜６など参照）には、レドックスフロー電池船1に波力発電装置40を追加し、波浪による船1の横揺れを利用して波力発電装置40により発電して、レドックスフロー電池20に充電することが記載されている。また、レドックスフロー電池船1に搭載されたレドックスフロー電池20を海上で充電した後、港70まで航行し、港70でレドックスフロー電池20からイオン溶液（電解液）を積み出すことで電力を輸送することが記載されている。

国際公開第２００７／１４２３３８号 特開２０１１−２３５６７４号公報

特許文献１に記載された発電船は、硬帆を備えることで、台風の強風下でも航行でき、発電に最適風域を追跡できる機動性を有する。また、風に比べてエネルギー密度の高い水流をエネルギー源として利用するため、風車に比べて小型の水車で同等の電力を取り出すことができる。しかしながら、蓄電池については具体的な記載がなく、蓄電池の電池容量が小さい場合は、短時間の操業で蓄電池が満充電状態となるため、蓄電池から電力を受け取る受電設備のある港まで航行し、蓄電池から放電した電力を受電設備を介して送電する必要がある。そのため、時間のロスが多く、その間に台風が移動して最適風域に復帰できないなど、台風のエネルギーをより有効に利用するために改善の余地がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、海上の風を利用した発電と、発電した電力の蓄電池への充電とを効率的に行うことができる発電船を提供することにある。

本発明の発電船は、水上又は水中を航行する船体と、船体上に設置され、風を受けて推進力を得るための硬帆と、船体外に設置され、船体の航行による水流を受けて回転する水車と、水車に連結され、水車の回転により駆動する発電機と、発電機で発電した電力を蓄電するレドックスフロー電池と、発電機で発電した電力をレドックスフロー電池に充電する電力制御装置とを備える。レドックスフロー電池は、電池セルと、正負極の電解液を貯蔵する一対の電解液タンクとを有する。

レドックスフロー電池は、電気を正負極の電解液に貯蔵する原理であるため、原理的に電解液の量、即ち電解液タンクの容積を増やすことで電池容量を大きくすることができ、大容量化が容易である。そのため、本発明の発電船によれば、蓄電池としてレドックスフロー電池を備えることで、大電力を蓄電することができ、台風を追跡しながら長時間に亘って操業することができる。また、レドックスフロー電池であれば、電解液タンクから充電済みの電解液を取り出し、未充電（放電済み）の電解液と入れ替えることで、電力の受け渡しが可能である。そのため、受電設備を介して送電する場合に比較して短時間で電力を取り出すことができ、時間のロスが少ない。よって、発電船の利用率を高め、発電量を増やすことができ、発電した電力を効率良く充電できるので、台風のエネルギーをより有効に利用することができる。

本発明の発電船の一形態としては、船体内の船底部にレドックスフロー電池の電解液タンクが収納されていることが挙げられる。

レドックスフロー電池の電解液タンクを船体内の船底部に収納することで、電解液タンクを船体の安定を保つためのバラスト（おもし）として機能させることができ、復原性を改善できる。例えば突発的な強風や高波などによって、船体が横に大きく傾いたり、横倒しになっても、起き上がり小法師のように起き上がることができる。特に、バラストとして機能させるためには、一対の電解液タンクを船体の前後方向の中心線に対して左右対称に配置することが好ましい。ここで、重量物である電解液タンクは、船体の重心を下げて復原性をより改善するため、喫水線より下方（船底側）の部分に収納することが好ましい。

本発明の発電船の一形態としては、遠隔操作するための遠隔操作システムを備えることが挙げられる。

遠隔操作システムを備えることで、外部から操作できるので、風や波が強い危険な海域でも無人で操業することができる。そのため、作業員の省力化や安全性を確保できる。発電船の遠隔操作は、例えば、陸上に設けられた施設や、危険海域から離れた安全な海域を航行する親船（母船）から行うことが挙げられる。

本発明の発電船の一形態としては、船体が円筒状のカプセル型であることが挙げられる。

船体が円筒状のカプセル型であることで、形状を単純化して、船体の建造コストを抑えることができる。

本発明の発電船の一形態としては、硬帆の面積を可変にする面積可変機構を備えることが挙げられる。

硬帆の面積を可変にする面積可変機構を備えることで、風況に応じて帆面積（投影面積）を変えることができる。例えば、弱風時など推進力をより得たい場合は、面積可変機構により硬帆を展開して帆面積を増やすことで、推進力を増加できる。強風時など十分な推進力を得られている場合は、硬帆を収納して帆面積を減らすことで、推進力を低減できる。その他、荒天時には、硬帆を収納して帆面積を減らすことで、硬帆の損傷を防止したり、操船性を向上できる。

本発明の発電船の一形態としては、上空の風を受けて推進力を得るための凧を備えることが挙げられる。

上空の風を受けて推進力を得るための凧を備えることで、硬帆だけでは十分な推進力が得られない場合に推進力を増加できる。

本発明の発電船の一形態としては、レドックスフロー電池が、正負極の電解液にバナジウムイオン水溶液を用いたバナジウム系レドックスフロー電池であることが挙げられる。

現在実用化されているレドックスフロー電池としては、鉄−クロム系、バナジウム系などが知られている。特に、バナジウム系は、正負極の電解液に含まれる活物質（金属イオン）が同一であるため、鉄−クロム系などの２液型の場合に比較して、隔膜を通しての正負電解液の混合による電池容量の低下が生じないので、好適である。

本発明の発電船は、船体上に設置された硬帆で風を受けて推進力を得て航行し、水車を回転させることで発電機を駆動して発電した電力をレドックスフロー電池に蓄電する。そして、レドックスフロー電池を備えることで、大電力を蓄電することができ、発電船の利用率を高めて発電量を増やすことができるので、台風のエネルギーをより有効に利用することができる。

実施形態１に係る発電船のイメージ図である。 実施形態１に係る発電船に備えるレドックスフロー電池の電解液タンクの配置例を示す図である。 レドックスフロー電池の原理・構成図である。 発電船の運用方法の一例を説明する図である。 台風のイメージ図である。 実施形態２に係る発電船のイメージ図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

［実施形態１］
（発電船の構成）
図１，２に示す実施形態１に係る発電船1は、船体10と、硬帆20と、水車30と、発電機40と、レドックスフロー電池50と、電力制御装置60とを備える。以下、発電船1の各構成について説明する。

〈船体〉
船体10は、水上又は水中を航行する。船体10は、鉄や鋼、アルミニウム合金、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの造船用構造材で形成されている。また、船体10の船尾船底には舵110が取り付けられている。この例では、船体10の船型が単胴船であるが、これに限定されるものではなく、双胴船であってもよい。

〈硬帆〉
硬帆20は、船体10上に設置され、風を受けて推進力を得るためのものである。この例では、複数の硬帆20が船体10上に設置されている。硬帆20は、プレート201、プレート201を支持する支柱202、支柱202が立設される回転台座203から構成されている。図１に例示する硬帆20は、１つのプレート201を有する構造である。プレート201は、強風下でも変形しない剛体で形成されており、例えば鉄や鋼、アルミニウム合金、ＦＲＰで形成することができる。回転台座203は、船上（甲板）に固定され、その上に支柱202が立設されており、旋回機構を備えることで回転可能である。回転台座203により支柱202を回転させ、硬帆20（プレート201）の向きを変えることで、風受け面の角度を調整して、推進力や進行方向（帆走方向）を変えることができる。

更に、硬帆20は面積可変機構を備えてもよい。面積可変機構としては、例えば、複数のプレートを有し、複数のプレートを上下方向に入れ子状に組み合わせると共に、上下方向に伸縮可能な伸縮機構を備える支柱により各プレートを支持する構造とすることが挙げられる。これにより、支柱を伸縮させ、各プレートが支柱と一緒に上下にスライドすることで、硬帆20を展開・収納して帆の高さ（帆面積）を変えることができる。つまり、複数のプレートが入れ子状に組み合わされ、支柱が伸縮機構を備えることで、硬帆20（プレート）の面積を可変にする面積可変機構を実現することが可能である。プレートと支柱により硬帆20の面積を変えることで、推進力を調整することができる。また、上記の説明では、伸縮機構を備える支柱により、硬帆を上下方向に展開・収納する構成を説明したが、硬帆を展開・収納する方向は支柱と直交する方向とすることも可能である。具体的には、支柱に対して直交方向（左右方向）に桁を取り付け、この桁を左右に伸縮可能に構成すると共に、この桁に複数のプレートを左右方向にスライド可能に支持する。これにより、桁を伸縮させ、各プレートが支柱と一緒に左右にスライドすることで、硬帆を左右方向に展開・収納して帆の幅（帆面積）を変えることができる。

〈水車、発電機〉
水車30は、船体10外に設置され、船体10の航行による水流を受けて回転する。この例では、水車30がスクリュープロペラ（以下、単に「プロペラ」と呼ぶ）であり、船体10の船底に取り付けられ、水中に設置されている。この例では、水車30としてプロペラを用いているが、外輪（外車）を用いてもよい。また、発電機40は、水車30に連結され、水車30の回転により駆動する。この例では、発電機40に交流発電機を用いているが、これに限定されるものではなく、直流発電機であってもよい。

〈レドックスフロー電池、電力制御装置〉
レドックスフロー電池50は、発電機40で発電した電力を蓄電する。レドックスフロー電池50は、電池セル500と、正負極の電解液を貯蔵する一対の電解液タンク506,507とを有する。この例では、電解液タンク506,507が船体10内の船底部に収納され、図２に示すように、船体10の前後方向（長手方向）の中央部で、かつ船体10の中心線（一点鎖線）に対して左右対称に配置されている。また、レドックスフロー電池50は、電力制御装置60を介して発電機40と接続されている。電力制御装置60は、発電機40で発電した電力をレドックスフロー電池50に充電する。電力制御装置60は、発電機40で発電した交流電力を交直変換するAC／DC変換器を有する。

レドックスフロー電池50の原理・構成を、図３を参照しながら詳しく説明する。レドックスフロー電池50は、電解液タンク506,507から電解液を電池セル500に供給することで、電池セル500内で電解液中の金属イオンの価数が変化することにより、充放電が行われる。なお、図３では、正負極の電解液にバナジウムイオン水溶液を用いたバナジウム系レドックスフロー電池の場合を例に示す。また、図３中、実線矢印は充電反応を、破線矢印は放電反応をそれぞれ示す。

電池セル500は、イオン透過膜からなる隔膜501で分離された正極セル502及び負極セル503を有し、正極セル502及び負極セル503にはそれぞれ正極電極504及び負極電極505が内蔵されている。また、電池セル500には、電解液タンク506,507から配管508〜511を介して正負極の電解液が循環される。具体的には、正極セル502と電解液タンク506との間が配管508,510で接続され、配管508に設けられたポンプ512により正極電解液が循環するように構成されている。一方、負極セル503と電解液タンク507との間が配管509,511で接続され、配管509に設けられたポンプ513により負極電解液が循環するように構成されている。

電池セル500は通常、正極電極504と隔膜501と負極電極505とを構成要素とする単セルを複数積層したセルスタックと呼ばれる形態で利用される。セルスタックには、一面に正極電極504、他面に負極電極505が配置された双極板（図示せず）と、電解液を供給する給液孔及び電解液を排出する排液孔を有し、上記双極板の外周に形成される枠体（図示せず）とを備えるセルフレームが利用される。複数のセルフレームを積層することで、上記給液孔及び排液孔は電解液の流路を構成し、この流路は配管508〜511に接続される。セルスタックは、セルフレーム、正極電極504、隔膜501、負極電極505、セルフレーム、…の順に積層して構成される。

レドックスフロー電池50は、電気を正負極の電解液に貯蔵する原理であるため、電解液の量、即ち電解液タンク506,507の容積を増やすことで電池容量を大きくすることができ、大容量化が容易である。

〈その他〉
発電船1は、制御システム100を備え、制御システム100により制御される。制御システム100は、例えば、硬帆20の支柱202及び回転台座203を制御して硬帆20の面積及び向きを変えたり、舵110を制御して舵110の向き（進行方向）を変えたり、電力制御装置60を制御してレドックスフロー電池50の充放電を制御する。また、制御システム100は、遠隔操作システムを有しており、外部から遠隔操作が可能である。この例では、無線通信用のアンテナ101を有し、無線通信によって制御システム100を操作することで、発電船1を遠隔操作できる。遠隔操作システムとしては、アンテナの他、カメラや各種センサ（ＧＰＳセンサ、方位センサ、速度センサ、風力（風向・風速）センサなど）を含む。更に、自律航行システムを含んでいてもよい。

更に、発電船1は、上空の風を受けて推進力を得るための凧250を備えていてもよい（図１参照）。硬帆20だけでは十分な推進力が得られない場合には、凧250によって推進力を得ること（所謂、カイトセール）により、推進力を増加できる。凧250は、使用しないときは、船体10に折り畳まれて収納されている。

また、発電船1は、硬帆20に風を受けて推進力を得るが、補助推進力を得るために補助推進器（図示せず）を備えていてもよい。補助推進器としては、プロペラなど公知の推進器を利用できる。補助推進器の動力源としては、内燃機関（例、ディーゼルエンジンなど）や電動機が挙げられる。例えば、レドックスフロー電池50から電動機に電力を供給して、補助推進器を駆動させてもよい。なお、レドックスフロー電池50から電力を供給して発電機40を電動機として動作させ、その動力で水車30を回転させることで、補助推進力を得ることも可能である。

発電船1は、船体10上に設置された硬帆20で風を受けて推進力を得て航行しながら、水車30を回転させることで発電機40を駆動して発電を行う。そして、発電機40で発電した交流電力を電力制御装置60により交直変換して、レドックスフロー電池50を充電する。

（発電船の運用方法）
発電船1の運用方法の一例を、図４を参照しながら説明する。例えば、台風Tが来襲したときは、発電船1は基地Bのある港から出発し、台風Tによる発電に最適な風が吹く海域（最適風域）まで航行する（図４（A）参照）。そして、台風Tを追跡するように航行しながら発電を行い、発電船1に搭載されたレドックスフロー電池を充電する。レドックスフロー電池の充電が完了したり、台風Tが遠のいたり、消滅したときは、発電船1は基地Bのある港まで航行し帰還する（図４（B）参照）。そして、基地Bで発電船1に搭載されたレドックスフロー電池の電解液タンクから充電済みの電解液を取り出し、取り出した電解液を給電設備（図示せず）に移送する。給電設備は、レドックスフロー電池を備え、充電済みの電解液を使用してレドックスフロー電池の放電を行い、放電した電力を電力需要家へ送電する。一方、発電船1に搭載されたレドックスフロー電池の電解液タンクから充電済みの電解液を取り出した後、電解液タンクに未充電の電解液を積み込み、充電済みの電解液と未充電の電解液とを入れ替える。台風が停滞していたり、次の台風が襲来したときは、発電船1は基地Bから再出発し、発電操業を繰り返し行う。

北半球では、図５に示すように、台風は反時計回り（左巻き）に渦が生じ、台風Tに接近して操業するときは、台風Tの進行方向右側（「危険半円」と呼ばれる）の海域よりも進行方向左側（「可航半円」と呼ばれる）の海域を航行することが好ましい。

（発電船の効果）
図１に示す発電船1は、レドックスフロー電池50を備え、発電した電力をレドックスフロー電池50に蓄電する。レドックスフロー電池50は、大容量化が容易であり、大電力を蓄電することができるため、台風を追跡しながら長時間に亘って操業することができる。また、レドックスフロー電池50であれば、電解液タンクから充電済みの電解液を取り出し、未充電の電解液と入れ替えることで、発電した電力の受け渡しが可能であるため、短時間で電力を取り出すことができ、時間のロスが少ない。よって、発電船の利用率を高め、発電量を増やすことができるので、１つの台風から多くの電力を得ることができ、台風のエネルギーをより有効に利用することができる。

更に、発電船1は、硬帆20を備えることで、台風の強風下でも航行が可能であり、風を受けて推進力を得ることにより機動性を有する。また、硬帆20の面積や向きを変えることができるので、風況に応じて推進力や進行方向（帆走方向）を制御できる。よって、発電に最適な風が吹いている海域まで自力で航行できる他、レドックスフロー電池50の充電が完了後などは、発電した電力の受け渡しを行う場所まで自力で航行できる。

その他、レドックスフロー電池50の電解液タンク506,507を船体10内の船底部に収納したことで、電解液タンク506,507がバラストとして機能し、復原性の改善を図ることができる。遠隔操作システムを備える制御システム100により、無人での操業が可能であるため、作業員の省力化や安全性を確保できる。発電船1の遠隔操作は、例えば、陸上に設けられた施設や近くの母船から行うことができる。発電船1は、更に凧250を備えることで、より多くの風を受けることができ、推進力を増加できる。

［実施形態２］
図６を参照して、実施形態２に係る発電船2を説明する。図６に示す発電船2は、船体10の形状が図１に示す実施形態１の発電船1と相違する。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。

図６に示す船体10の形状は、中空円筒状のカプセル型をしている。このように形状を単純化することで、船体10の建造コストを抑えることができる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。例えば、実施形態では、台風を追跡して台風による風を利用して発電する場合を例に示したが、本発明の発電船では、台風によらず、安定した風（貿易風や偏西風など）が吹く海域であれば安定して発電を行うことができる。更に、本発明の発電船は、理論上、硬帆以外の部分は水没しても構わないため、電解液タンクの容積を増やして電解液の積載量を多くすることで、大容量化を図り易い。また、実施形態では、レドックスフロー電池の電解液タンクから充電済みの電解液を取り出し、未充電の電解液と入れ替えることで、発電した電力を受け渡す場合を例に挙げたが、レドックスフロー電池を放電して受電設備を介して送電することにより電力を電力需要家へ供給してもよい。

本発明の発電船は、海上の風を利用した洋上発電に好適に利用できる。

1,2 発電船
10 船体
100 制御システム 101 アンテナ
110 舵
20 硬帆
201 プレート 202 支柱 203 回転台座
250 凧
30 水車
40 発電機
50 レドックスフロー電池
500 電池セル
501 隔膜 502 正極セル 503 負極セル
504 正極電極 505 負極電極
506,507 電解液タンク
508,509,510,511 配管 512,513 ポンプ
60 電力制御装置
T 台風 B 基地

Claims (7)

1. 水上又は水中を航行する船体と、
   前記船体上に設置され、風を受けて推進力を得るための硬帆と、
   前記船体外に設置され、前記船体の航行による水流を受けて回転する水車と、
   前記水車に連結され、前記水車の回転により駆動する発電機と、
   前記発電機で発電した電力を蓄電するレドックスフロー電池と、
   前記発電機で発電した電力を前記レドックスフロー電池に充電する電力制御装置とを備え、
   前記レドックスフロー電池は、電池セルと、正負極の電解液を貯蔵する一対の電解液タンクとを有する発電船。
2. 前記船体内の船底部に前記レドックスフロー電池の前記電解液タンクが収納されている請求項１に記載の発電船。
3. 遠隔操作するための遠隔操作システムを備える請求項１又は２に記載の発電船。
4. 前記船体が円筒状のカプセル型である請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電船。
5. 前記硬帆の面積を可変にする面積可変機構を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電船。
6. 上空の風を受けて推進力を得るための凧を備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電船。
7. 前記レドックスフロー電池が、前記正負極の電解液にバナジウムイオン水溶液を用いたバナジウム系レドックスフロー電池である請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電船。

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