JP2015169173A - 浮体構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造であって、波や水流の乱れの影響を受け難く、強い水流中でも姿勢安定性に優れ、設置・撤去も容易な浮体構造物を提供する。【解決手段】水中で縦長の直立姿勢を維持可能な略平板状の本体部１０と、本体部１０の左右側面からそれぞれ水平方向に延設されたアーム部２０Ｌ，２０Ｒと、本体部１０の後縁１２に本体部１０と略同一平面をなすように配置された垂直尾翼部３０と、本体部１０を水中の所定領域内に係留するための係留手段４０と、を備え、水中にて本体部１０が受ける浮力の中心Ｆより下方（直下）に本体部１０の重心Ｇが配置されている。アーム部２０Ｌ，２０Ｒの端部寄りの位置には、それぞれ発電機駆動用の羽根車２１Ｌ，２１Ｒが取り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、潮流発電設備の構成部材として水中に配置される浮体構造物に関する。

潮流発電設備は、その発電機の保持手段の形態の違いにより、着床式、浮体式（例えば、特許文献１，２参照。）、浮遊式（例えば、特許文献３参照。）に大別される。固定式の場合、工事の困難さと水圧の問題から、設置コストが高く、水深が５０ｍ未満の領域でしか実用化されていない。また、一度沈めた後のメンテナンスも困難である。

浮体式は、暴風雨や波浪による影響が大きく、また、船舶が往来する場所では航行の邪魔になるため設置できない。特許文献１記載の黒潮潮流発電所は、巨大母船を必要とし、膨大なコストを要するだけでなく、海域を広く占有してしまう。特許文献２記載の潮流海流発電装置は、複数のロープ及び浮体などで構成されているため、構造が複雑であり、海域を広く占有する。

浮遊式は、水中で安定した姿勢を維持するために、通常、４つ以上のアンカを打設して、４本以上のロープで固定する必要があり、アンカの個数に応じて工事費が増大する。特許文献３記載の海流発電装置は、係留索は１本であるが、全体の形状が航空機に近い形状であるので、揚力、抗力及び係留索の張力のバランスをとるために構造が複雑化し、コストの増大を招く。

一方、本発明に関連する従来技術として、特許文献４記載の流れ発電装置がある。この流れ発電装置は、断面がほぼ対称形で縦長の浮体の中心線上に縮流路を設け、該縮流路内にバルブ形水車発電機を装着した浮体を備えている。

特開平１０−８８５５６号公報 特開２００３−７４４５５号公報 特開２０１３−２１７３３３号公報 特開昭５５−７２６６５号公報

特許文献４記載の海流発電装置は、一対のロープで浮体を水中に係留することができる点において優れているが、バルブ形水車発電機が浮体内に配置された構造であるため、発電能力を高めるために羽根車のサイズを大きくしようとすると、浮体が巨大化するという問題がある。また、この海流発電装置は、浮体を水中で一定姿勢に維持するのが難しく、浮体の中心線の方向と潮流方向とが一致しない場合、発電能力が著しく低下してしまう。

さらに、特許文献４記載の海流発電装置は、実際の海洋における波や海底形状によって生み出される深さ方向の流れの変化による影響を受けやすく、特に水面近くでは波の影響を大きく受け、また、海底に近い場所においては海底形状による水流の乱れに影響を受けやすい。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、簡素な構造であって、波や水流の乱れの影響を受け難く、強い水流中でも姿勢安定性に優れ、設置・撤去も容易な浮体構造物を提供することにある。

本発明の浮体構造物は、嵩比重が水より小さく水中で縦長の直立姿勢を維持可能な略平板状の本体部と、前記本体部の左右側面からそれぞれ水平方向に延設されたアーム部と、前記本体部の後縁に前記本体部と略同一平面をなすように配置された垂直尾翼部と、前記本体部を水中の所定領域内に係留するための係留手段と、を備え、水中にて前記本体部が受ける浮力の中心より下方に前記本体部の重心を配置したことを特徴とする。

このような構成とすれば、本体部の嵩比重が水より小さく、本体部が受ける浮力の中心より本体部の重心が下方に位置することにより、本発明の浮体構造物を水中に沈設し、係留手段で本体部を係留すれば、本体部は水中で縦長の直立姿勢を維持することができる。また、本体部の後縁には垂直尾翼部が配置されているため、本体部が受ける浮力の中心を係留手段で係留すれば、波や水流の乱れの影響を受け難く、強い水流中でも優れた姿勢安定性を発揮する。さらに、本発明の浮体構造物は、本体部、アーム部、垂直尾翼部及び係留手段で構成されているため、構造も簡素であり、１つの係留手段のみで水中の所定領域内に係留可能であるため、設置・撤去も容易である。

ここで、前記本体部の水平断面形状及び前記アーム部の垂直断面形状がそれぞれの前縁及び後縁に向かって縮幅した形状であることが望ましい。

このような構成とすれば、水流に対する抵抗力を低減することができるので、水中での姿勢安定性の向上に有効である。

また、前記垂直尾翼部の比重が水と同等であることが望ましい。

このような構成とすれば、当該浮体構造物を水中に沈設したとき、垂直尾翼部に作用する浮力と重力とが同等となり、ピッチ方向のモーメントが生じないので、ヨー方向の安定化に有効である。

一方、前記係留手段として、二つの端部が前記本体部を挟むような状態で前記本体部の左右側面に回動自在に係止された略Ｕ字状若しくは略Ｖ字状の係留部材と、前記係留部材と水底とを繋ぐ索条部材とを設けることが望ましい。

このような構成とすれば、当該浮体構造物を水中にて安定した姿勢に保持することができ、本体部などに対する係留部材の干渉を抑制するこことができ、設置・撤収も容易である。

また、左右の前記アーム部に取り付けられる発電機駆動用の羽根車の回転方向が互いに逆方向であることが望ましい。

このような構成とすれば、羽根車の回転モーメントが互いに打ち消されるので、安定性が向上する。

本発明により、簡素な構造であって、波や水流の乱れの影響を受け難く、強い水流中でも姿勢安定性に優れ、設置・撤去も容易な浮体構造物を提供することができる。

本発明の実施形態である浮体構造物を示す斜視図である。 図１に示す浮体構造物を羽根車省略状態で示す側面図である。 図１に示す浮体構造物を羽根車省略状態で示す正面図である。 図１に示す浮体構造物を羽根車省略状態で示す平面図である 図１に示す浮体構造物の水中での姿勢変化を示す一部省略側面図である。

以下、図１〜図５に基づいて、本発明の実施形態である浮体構造物１００について説明する。図１〜図４に示すように、浮体構造物１００は、嵩比重が水より小さく（０．４〜０．９）、水中で縦長の直立姿勢を維持可能な略平板状の本体部１０と、本体部１０の左右側面１３，１４からそれぞれ水平方向に延設されたアーム部２０Ｌ，２０Ｒと、本体部１０の後縁１２に本体部１０と略同一平面をなすように配置された垂直尾翼部３０と、本体部１０を水中の所定領域内に係留するための係留手段４０と、を備え、水中にて本体部１０が受ける浮力の中心Ｆより下方（直下）に本体部１０の重心Ｇが配置されている。

なお、作図の都合上、浮力の中心Ｆ及び重心Ｇは本体部１０の側面に描いているが、実際の浮力の中心Ｆ及び重心Ｇはそれぞれ本体部１０の厚み方向の中心（本体部１０の内部）に位置する。

アーム部２０Ｌ，２０Ｒの端部寄りの位置には、それぞれ発電機駆動用の羽根車２１Ｌ，２１Ｒが取り付けられ、これらの羽根車２１Ｌ，２１Ｒの回転方向は互いに逆方向となるように設定されている。

本体部１０及び垂直尾翼部３０の側面視形状、アーム部２０Ｌ，２０Ｒの平面視形状はいずれも略長方形状をなしている。垂直尾翼部３０は、これより面積の狭い平板状の補助部材３１を介して本体部１０の後縁１２から離れた位置に取り付けられている。垂直尾翼部３０の比重（嵩比重）は水と同等である。

本体部１０の水平断面形状は前縁１１及び後縁１２に向かって縮幅した偏平六角形状であり、アーム部２０Ｌ，２０Ｒの垂直断面形状も同様に前縁２１及び後縁２２に向かって縮幅した偏平六角形状である。なお、本体部１０の水平断面形状及びアーム部２０Ｌ，２０Ｒの垂直断面形状は、それぞれの前縁及び後縁に向かって縮幅した形状であれば良いので、前述した偏平六角形状に限定するものではない。

図４，図５に示すように、係留手段４０として、二つの端部４１ａが本体部１０を挟むような状態で左右側面１３，１４に回動自在に係止された略Ｕ字状の係留部材４１と、係留部材４１と水底５０に打設されたアンカ材５１とを繋ぐ索条部材４２と、が設けられているが、これに限定するものではない。

浮体構造物１００においては、本体部１０の嵩比重が水より小さく（嵩比重０．４〜０．９）、本体部１０が受ける浮力の中心Ｆより本体部１０の重心Ｇが下方（直下）に位置しているので、浮体構造物１００を水中に沈設し、係留手段４０で本体部１０を係留すれば、本体部１０は水中で縦長の直立姿勢を維持することができる。

即ち、浮力中心Ｆの鉛直方向の直下に重心Ｇを配置することにより、ピッチ、ロール方向の自己安定性を持たせている。また、水流の流れ方向Ｓから見たときの、浮体構造物１００の形状及びこれに加わる力は上下左右対称となっているので、ピッチ方向及びロール方向にモーメントが発生しない。さらに、浮力中心Ｆに係留部材４１を取り付けたことにより、張力と浮力とに起因するピッチ方向のモーメントも発生しない。従って、浮体構造物１００は、波や水流の乱れの影響を受け難く、強い水流中においても優れた姿勢安定性を発揮する。

浮体構造物１００は、本体部１０、アーム部２０Ｌ，２０Ｒ、垂直尾翼部３０及び係留手段４０で構成されているため、構造も簡素であり、１つの係留手段４０のみで水中の所定領域内に係留可能であるため、設置・撤去も容易である。

また、本体部１０の水平断面形状及びアーム部２０Ｌ，２０Ｒの垂直断面形状がそれぞれの前縁及び後縁に向かって縮幅した形状であることにより、水流に対する抵抗力を低減することができるので、水中での姿勢安定性の向上に有効である。

また、垂直尾翼部３０の嵩比重を水と同等としたことにより、垂直尾翼部３０に浮力も重力も作用せず、ピッチ方向のモーメントが生じないので、ヨー方向の安定化に有効である。

一方、係留手段４０として、本体部１０の左右側面１３，１４の浮力中心Ｆに回動自在に係止された剛性の高い略Ｕ字状の係留部材４１と、係留部材４１とアンカ材５１とを繋ぐ可撓性を有する索条部材４２とを設けているため、浮体構造物１００を水中にて安定した姿勢に保持することができ、本体部１０などに対する係留部材４１の干渉を抑制するこことができ、設置・撤収も容易である。

また、左右のアーム部２０Ｌ，２０Ｒに取り付けられる発電機駆動用の羽根車２１Ｌ，２１Ｒの回転方向が互いに逆方向であることにより、二つの羽根車２１Ｌ，２１Ｒの回転モーメントが互いに打ち消され、ロール方向のモーメントが相殺されるので、安定性の向上に有効である。

次に、図５に基づいて、水中における浮体構造物１００の姿勢変化について説明する。想定される水流の最高流速（１０ｍ／ｓｅｃ）下において、浮体構造物１００に加わる浮力、重力及び抗力の関係について３つの条件を設定し、それぞれの条件下における係留手段４０の傾斜角度（水平方向に対する角度）を測定したところ、以下の結果が得られた。

（１）（浮力−重力）／（抗力）＝√３であるとき、係留手段４０は傾斜角度６０度で安定する（図５中の矢線Ｘ１で示す状態）。
（２）（浮力−重力）／（抗力）＝１であるとき、係留手段は傾斜角度４５度で安定する（図５中の矢線Ｘ２で示す状態）。
（３）（浮力−重力）／（抗力）＝１／√３であるとき、係留手段は傾斜角度３０度で安定する（図５中の矢線Ｘ２で示す状態）。

以上のことより、想定される最高流速（１０ｍ／ｓｅｃ）下において、（浮力−重力）／（抗力）≧１／√３とすることにより、係留手段４０の最大の沈み込み角度を３０度までに抑制することができることが判明した。

なお、図１〜図５に基づいて説明した浮体構造物１００は、本発明の一例を示すものであり、本発明の浮体構造物は前述した浮体構造物１００に限定されない。

本発明の浮体構造物は、潮流発電設備や海流発電設備の構成部材として発電事業の分野あるいは水中で物体を一定姿勢に維持することを必要とする各種産業分野において広く利用することができる。

１０ 本体部
１１，２１ 前縁
１２，２２ 後縁
１３，１４ 側面
２０Ｌ，２０Ｒ アーム部
２１Ｌ，２１Ｒ 羽根車
３０ 垂直尾翼部
３１ 補助部材
４０ 係留手段
４１ 係留部材
４１ａ 端部
４２ 索条部材
５０ 水底
５１ アンカ材
１００ 浮体構造物
Ｆ 浮力中心
Ｇ 重心

Claims (5)

1. 嵩比重が水より小さく水中で縦長の直立姿勢を維持可能な略平板状の本体部と、前記本体部の左右側面からそれぞれ水平方向に延設されたアーム部と、前記本体部の後縁に前記本体部と略同一平面をなすように配置された垂直尾翼部と、前記本体部を水中の所定領域内に係留するための係留手段と、を備え、水中にて前記本体部が受ける浮力の中心より下方に前記本体部の重心を配置したことを特徴とする浮体構造物。
2. 前記本体部の水平断面形状及び前記アーム部の垂直断面形状がそれぞれの前縁及び後縁に向かって縮幅した形状である請求項１記載の浮体構造物。
3. 前記垂直尾翼部の比重が水と同等である請求項１または２記載の浮体構造物。
4. 前記係留手段として、二つの端部が前記本体部を挟むような状態で左右側面に回動自在に係止された略Ｕ字状若しくは略Ｖ字状の係留部材と、前記係留部材と水底とを繋ぐ索条部材とを設けた請求項１〜３のいずれかに記載の浮体構造物。
5. 左右の前記アーム部に取り付けられる発電機駆動用の羽根車の回転方向が互いに逆方向である請求項１〜４のいずれかに記載の浮体構造物。

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