JP2016109126A - 潮流発電装置及び潮流発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の簡素化及び設置作業や保守作業の省力化を図ることができる、潮流発電装置及び潮流発電方法を提供する。
【解決手段】
海上に浮遊する浮体構造物２と、浮体構造物２に形成された内側に凹んだリセス部２１と、リセス部２１に挿通される軸部３１と軸部３１の先端に配置され海中に浸漬される翼部３２とを備えた水車３と、浮体構造物２内に配置され水車３の回転によって発電する発電機４と、を有し、水車３は、浮体構造物２に対して軸部３１を海面と海中との間で回動可能なヒンジ部３３を備え、軸部３１をリセス部２１に挿通させながら回転移動させることによって翼部３２を浮沈させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、潮流発電装置及び潮流発電方法に関し、特に、水面に浮遊した状態で使用するのに適した潮流発電装置及び潮流発電方法に関する。

潮流発電装置は、水平軸型プロペラ翼の水車を有するものを中心に種々提案されているが、装置全体を海中に沈めて海底に固定するものが多い（例えば、特許文献１参照）。かかる海底固定式の潮流発電装置では、摺動部の水密性の維持や固定構造の堅牢性の向上等が必要であり、機構や構造が複雑かつ高価となる傾向にある。

また、浮体の下面に垂直軸型プロペラ翼の水車を有する潮流発電装置を配置するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。かかる浮体設置式の潮流発電装置においても、発電機を没水させる場合には、上述した海底固定式の潮流発電装置と同様に、摺動部の水密性の維持等が必要となり、機構や構造が複雑かつ高価となる傾向にある。

特開２００５−２４０７８６号公報 特開２００３−３１２５８６号公報

潮流は、潮汐の干満により発生するものであり、その流速と発生時間を正確に予測することができ、極めて安定した自然エネルギーである。しかしながら、潮流エネルギーは、海中で発生するエネルギーであることから、そのエネルギー回収装置は、一般に複雑な構造を有している。また、潮流発電装置の設置作業や保守点検作業も海上で行うことから、これらの施工費も高額となる。

特に、潮流発電装置では、水車は常に海中に浸漬されていることから、海洋生物の付着や浮遊物（海藻やロープ屑等）の纏着（絡まり）は避けようがなく、定期的に清掃や研磨が必要となる。また、主な摺動箇所である水車の軸受部もベアリングの衰耗に伴う定期的な交換が必要となる。

したがって、潮流発電は、コスト面において風力発電や太陽光発電等と比較して経済的に劣っており、潮流発電装置の実用化には、構造の簡素化及び設置や保守作業の省力化等の改善が必須である。

本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものであり、構造の簡素化及び設置作業や保守作業の省力化を図ることができる、潮流発電装置及び潮流発電方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、潮汐により発生するエネルギーを回収して発電する潮流発電装置において、水上に浮遊する浮体構造物と、該浮体構造物に形成された内側に凹んだリセス部と、該リセス部に挿通される軸部と該軸部の先端に配置され水中に浸漬される翼部とを備えた水車と、前記浮体構造物内に配置され前記水車の回転によって発電する発電機と、を有し、前記水車は、前記浮体構造物に対して前記軸部を水面と水中との間で回動可能なヒンジ部を備え、前記軸部を前記リセス部に挿通させながら回転移動させることによって前記翼部を浮沈させるようにした、ことを特徴とする潮流発電装置が提供される。

前記水車は、前記軸部が挿通されるとともに両端に配置されたベアリングを有する軸受部材を備え、前記ヒンジ部は前記軸受部材に配置されていてもよい。

前記浮体構造物は、浮力を発生させる浮力体と、該浮力体の上に配置される上部構造物と、を備え、前記上部構造物の下部に前記リセス部が配置されており、前記浮力体は前記リセス部と連通するスリット部とを有していてもよい。

前記浮体構造物は、潮流によって前記水車に生じる転倒モーメントに対して抗力を発生させるように展張された複数の係留索によって水底に係留されていてもよい。

前記浮体構造物は、潮流によって前記水車に生じる転倒モーメントに対して反対向きの転倒モーメントを発生させるように水中下に配置された傾斜板を有していてもよい。

前記水車は、前記軸部又は前記翼部に配置される複数のフロートによって水面に浮遊させた状態で運搬されてもよい。

前記浮体構造物は、前記リセス部の間隙に配置されるスペーサを有していてもよいし、前記リセス部の上面を覆う遮蔽板を有していてもよい。

また、前記浮体構造物は、前記リセス部及び前記水車によって構成される水車ユニットを複数有していてもよい。さらに、前記水車ユニットは、発電時に前記水車を鉛直方向に対して傾斜した状態に支持するように構成されていてもよい。また、前記浮体構造物の底部に整流板を配置してもよい。

また、本発明によれば、潮汐により発生するエネルギーを回収して発電する潮流発電方法において、水上に浮遊する浮体構造物と、該浮体構造物に形成された内側に凹んだリセス部と、該リセス部に挿通される軸部と該軸部の先端に配置され水中に浸漬される翼部とを備えた水車と、前記浮体構造物内に配置され前記水車の回転によって発電する発電機と、を有する潮流発電装置を用い、前記軸部を前記リセス部に挿通させながら水面と水中との間で移動させることによって前記翼部を浮沈させるようにした、ことを特徴とする潮流発電方法が提供される。

前記発電機により得られた電力は、例えば、前記潮流発電装置に近い水域を航行する船舶に供給される。

本発明に係る潮流発電装置及び潮流発電方法によれば、水上に浮遊する浮体構造物に水車を配置したことにより、潮流により生ずる水車や浮体構造物への抵抗力を柔軟に受け止めることができ、構造的に強度条件が過酷にならないことから、構造の簡素化を図ることができる。また、本発明によれば、水車の翼部を水中に没水させ、発電機等の機器類を浮体構造物内に配置したことにより、発電部分の水密性を高度に維持する必要がなく、構造の簡素化を図ることができる。

さらに、本発明によれば、浮体構造物にリセス部を形成し、このリセス部を利用して水車を浮沈させるようにしたことから、軸部を水面と水中との間で回転移動させるだけで容易に水車を浮上させたり沈降させたりすることができ、設置作業や保守作業の省力化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る潮流発電装置を示す全体構成図である。 図１に示した潮流発電装置の平面図である。 図１に示した潮流発電装置の詳細説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図、を示している。 軸受部材を示す説明図であり、（ａ）は部品展開図、（ｂ）は下部ベアリングの平面図、を示している。 水車の運搬工程を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、を示している。 水車の浮体構造物への設置工程を示す図であり、（ａ）は搬入工程、（ｂ）は接続工程、（ｃ）は浸漬工程、を示している。 図１に示した潮流発電装置の変形例を示す図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、を示している。 本発明に係る潮流発電方法の一適用例を示す全体構成図である。 本発明の第二実施形態に係る潮流発電装置の概略構成を示す側面図である。 図９に示した潮流発電装置の平面図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図８を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係る潮流発電装置を示す全体構成図である。図２は、図１に示した潮流発電装置の平面図である。図３は、図１に示した潮流発電装置の詳細説明図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図、を示している。

本発明の一実施形態に係る潮流発電装置１は、潮汐により発生するエネルギーを回収して発電する潮流発電装置であって、海上に浮遊する浮体構造物２と、浮体構造物２に形成された内側に凹んだリセス部２１と、リセス部２１に挿通される軸部３１と軸部３１の先端に配置され海中に浸漬される翼部３２とを備えた水車３と、浮体構造物２内に配置され水車３の回転によって発電する発電機４と、を有し、水車３は、浮体構造物２に対して軸部３１を海面と海中との間で回動可能なヒンジ部３３を備え、軸部３１をリセス部２１に挿通させながら回転移動させることによって翼部３２を浮沈させるようにしたものである。なお、図１では潮流発電装置１の正面図を示している。

本実施形態に係る潮流発電装置１は、例えば、島と島との間のように海域が部分的に絞られた潮流の流れが速くなりやすい箇所や潮流の流速を予測しやすい箇所に設置することが好ましい。潮汐は、一般に海域において生じることから、潮流発電装置１は海域に配置することが好ましいが、潮流が生じ得る場所であれば河川域等の海域以外の場所に配置するようにしてもよい。

浮体構造物２は、例えば、浮力を発生させる浮力体２２と、浮力体２２の上に配置される建屋構造の上部構造物２３と、を有しており、上部構造物２３の下部にリセス部２１が配置されている。浮力体２２は、例えば、図３（ｂ）に示したように、リセス部２１と連通するスリット部２２ａを有する略Ｃ字形状の浮力タンクであり、上部構造物２３の下部外周を囲うように配置されており、下端にリセス部２１と連通する開口部を備えた底板２２ｄが接続されている。浮力タンク２２の大きさは、潮流発電装置１の重量や潮流の流速等の条件に応じて任意に設計することができる。また、浮力体２２の内部に海水を注排水して浮力を調整するようにしてもよい。なお、浮力体２２は海上の波浪による浮体構造物２の動揺を低減するため、海面下に没していることが好ましい。

浮力体２２のスリット部２２ａには、リセス部２１を構成する略Ｕ字断面形状の板材の開放された側の両端が接続されており、スリット部２２ａとリセス部２１とは連通するように構成されている。なお、リセス部２１を構成する板材の上端及び下端は開放されている。また、リセス部２１は、例えば、上部構造物２３の中心部を含む位置まで深く形成されている。リセス部２１には海水が浸入するが、リセス部２１の高さは海面に対し十分な余裕を持たせ、海面波浪及び浮体構造物２の動揺により、海水が上部構造物２３の内部に浸入しないようにする。したがって、リセス部２１の高さは、浮力体２２の高さよりも高い位置まで形成することが好ましい。また、リセス部２１を構成する板材は、水車３を垂直に固定した状態で軸受部材３４と干渉しないように形成されている。

上部構造物２３は、リセス部２１に挿通される水車３の軸部３１の上部を覆い隠す建屋構造物であり、筒状の胴部２３ａと円錐面形状の屋根部２３ｂとを有している。浮力体２２に接続された胴部２３ａは海中に浸漬される部分であることから、潮流の抵抗を低減するために水平断面が円形状等の流線形の外形を有していることが好ましい。屋根部２３ｂは、海水や雨水が溜まらないように、水が流れ落ちる傾斜面を有していることが好ましい。

また、上部構造物２３は、水車３の設置又は保守作業時に水車３を海面上に浮上させた状態で軸部３１と胴部２３ａとが干渉しないように十分な空間を確保する必要がある。そこで、胴部２３ａには、リセス部２１と連通するとともに屋根部２３ｂ付近まで延びる開口部を形成し、この開口部に水密構造の両開き扉２３ｃを設置する。両開き扉２３ｃは、潮流発電装置１の稼働時には閉鎖されており、上部構造物２３内への海水の浸入を防止し、水車３の設置又は保守作業時には開放され、作業員の出入口としても使用される。

また、浮力体２２は、下面に配置された係留索接続用の脚部２２ｂと、側面に配置された傾斜板２２ｃと、を有している。脚部２２ｂは、浮力体２２の下方に配置される水車３の翼部３２と係留索２４との接触を回避するための部品である。例えば、図３（ｂ）に示したように、浮力体２２の下面には放射状に四本の脚部２２ｂが配置されており、各脚部２２ｂには、図２に示したように、複数の係留索２４が接続されている。係留索２４は、アンカー２４ａによって海底に固定される。なお、脚部２２ｂの長さや本数は任意であり、図示した形状や本数に限定されるものではなく、必要に応じて省略することもできる。

図２に示したように、海底の四箇所にアンカー２４ａが打ち込まれており、各アンカー２４ａに複数の係留索２４が接続されており、各係留索２４は異なる脚部２２ｂに接続される。このとき、リセス部２１は潮流の流れ方向に対して正対するように配置することが好ましい。図示したように、各アンカー２４ａに対して複数の係留索２４を接続して略Ｘ字状に係留索２４を展張することにより、浮体構造物２の波浪による動揺を低減したり、潮流による水平移動を抑制したりすることができる。

また、潮流により翼部３２に生じる揚力の水車回転円の半径方向の分力が、軸部３１を下流に押し流す方向に働き、それにより浮体構造物２には大きな転倒モーメントが発生する。さらに、水車３の回転に伴い浮体構造物２には水平面上に回転モーメントも発生する。図示したように、複数の係留索２４によって浮体構造物２を係留することによって、この転倒モーメント及び回転モーメントに対する抗力を発生させることができる。すなわち、浮体構造物２は、潮流によって水車３に生じる転倒モーメントに対して抗力を発生させるように展張された複数の係留索２４によって海底に係留されている。なお、潮流により翼部３２に生じる揚力の円周方向の分力が水車３の回転力となる。

図２において、四本の脚部２２ｂについて右下から時計回りに脚部２２ｂ１，２２ｂ２，２２ｂ３，２２ｂ４と番号を付け、四つのアンカー２４ａについて右下から時計回りにアンカー２４ａ１，２４ａ２，２４ａ３，２４ａ４と番号を付けるものとする。係留索２４は、脚部２２ｂ１，２２ｂ２，２２ｂ３，２２ｂ４とその正面に位置するアンカー２４ａ１，２４ａ２，２４ａ３，２４ａ４とを接続する第一係留索２４１と、潮流の流れ方向に対して平行な方向に位置する脚部２２ｂ１，２２ｂ２及び脚部２２ｂ３，２２ｂ４と潮流の流れ方向に対して平行な方向に位置するアンカー２４ａ１，２４ａ２及びアンカー２４ａ３，２４ａ４とを略Ｘ字形状に接続する第二係留索２４２と、潮流の流れ方向に対して垂直な方向に位置する脚部２２ｂ２，２２ｂ３と潮流の流れ方向に対して垂直な方向に位置するアンカー２４ａ２，２４ａ３とを略Ｘ字形状に接続する第三係留索２４３と、によって構成される。

ここで、潮流の流れ方向に対して垂直な方向に位置する脚部２２ｂ１，２２ｂ４と潮流の流れ方向に対して垂直な方向に位置するアンカー２４ａ１，２４ａ４との間には略Ｘ字形状に係留索２４が接続されていない。このように、リセス部２１の開口部の前方を横切る係留索２４を接続しないようにすることによって、水車３の設置や保守作業時に係留索２４が邪魔にならないようにすることができる。

傾斜板２２ｃは、下端側が内側に上端側が外側となるように（下を向くように）浮力体２２の側面に配置されており、例えば、図２に示したように、潮流の流れ方向（図中の矢印方向）に対して垂直に配置される。なお、図１及び図２において、説明の便宜上、傾斜板２２ｃを二点鎖線で図示している。また、傾斜板２２ｃは、例えば、図３（ｂ）に示したように、リセス部２１及びスリット部２２ａを塞がないように配置される。なお、傾斜板２２ｃの配置は図示した構成に限定されるものではなく、必要に応じて拡張又は省略することもできる。

かかる傾斜板２２ｃを配置することにより、潮流に正対した傾斜板２２ｃには斜め上方に抗力が働き、潮流の下流方向を向いた傾斜板２２ｃには抗力が発生せず、結果的に、浮体構造物２の潮流上流側を持ち上げる方向に転倒モーメントが発生する。この回転モーメントは水車３の軸部３１が潮流中で押されることによる浮体構造物２に作用する転倒モーメントとは常に逆の方向に働くことになり、浮体構造物２の傾斜を防ぐことに寄与する。すなわち、浮体構造物２は、潮流によって水車３に生じる転倒モーメントに対して反対向きの転倒モーメントを発生させるように海中下に配置された傾斜板２２ｃを有している。

垂直軸型の水車３は、水平に流れる潮流に対し軸が垂直になっている状態が最も回転効率が良く、浮体構造物２が直立した姿勢を保つことが水車３の回転効率を高めることに繋がる。上述したように、潮流と平行な面上に略Ｘ字形状に展張された係留索２４２及び浮力体２２の側面に配置された傾斜板２２ｃにより、浮体構造物２の直立姿勢の維持を図ることができ、水車３の回転効率を向上させることができる。

水車３は、例えば、図１に示したように、垂直軸型のダリウス翼により構成される。軸部３１は、浮体構造物２の略中央に垂直に配置される。軸部３１の先端（図の下側）に複数の翼が接続されて翼部３２が形成されている。翼部３２は、中央部が外側に湾曲したダリウス翼形状であることが好ましいが、軸部３１の外周に軸部３１と平行な複数の垂直翼を有する直線翼形状であってもよい。

図示したように、湾曲したダリウス翼を採用することにより、海中の浮遊物（海藻やロープ屑等）との纏着（絡まり）を低減することができる。また、ダリウス翼は、風車に用いた場合には一般に自己起動性に劣っているが、水車の場合には水の質量が大きく翼に作用する揚力も大きいことから、四枚翼であれば流速１ｍ／ｓ程度で自己起動を開始することができる。また、翼部３２の翼枚数が二枚の場合は回転位置により潮流による軸部３１を押し流す力が大きく変動し、水車３に異常な振動が発生する恐れがあることから、翼枚数は三枚以上であることが好ましく、四枚であることが最適である。なお、翼部３２はダリウス翼形状に限定されるものではなく、潮流を受けて軸部３１を回転させる翼形状であれば他の形状であってもよい。

図３（ａ）に示したように、軸部３１の上部は軸受部材３４によって回転可能に支持されており、軸受部材３４はヒンジ部３３を介して浮体構造物２に接続されている。ここで、図４は、軸受部材３４を示す説明図であり、（ａ）は部品展開図、（ｂ）は下部ベアリング３４ｃの平面図、を示している。

軸受部材３４は、両端にフランジを有する筒状の保持部材３４ａと、保持部材３４ａの上部に配置される上部ベアリング３４ｂと、保持部材３４ａの下部に配置される下部ベアリング３４ｃと、ヒンジ部３３を構成するヒンジ用金具３３ａと、設置又は保守作業時に係止部を構成するトラスアーム３４ｄと、を有している。また、上部ベアリング３４ｂの上部にはヘッドキャップ３４ｅが配置され、ヘッドキャップ３４ｅの上部には駆動ギア３４ｆが軸部３１に嵌挿されている。なお、図３（ａ）では、説明の便宜上、トラスアーム３４ｄの図を省略してある。

上部ベアリング３４ｂは、海中に浸漬されないことから、一般的なオイル潤滑式のボールベアリングを使用することができる。一方、下部ベアリング３４ｃは、海中に浸漬される部分であることから、オイルを使用しない滑りベアリングを使用することが好ましい。上部ベアリング３４ｂは、保持部材３４ａの上部に形成されたフランジにボルト等の締結具によって固定される。

下部ベアリング３４ｃは、例えば、軸部３１の外周に配置されるベアリングメタル３４ｇと、ベアリングメタル３４ｇを保持する保持金具３４ｈと、を有しており、保持部材３４ａの下部に形成されたフランジにボルト等の締結具によって固定される。また、ベアリングメタル３４ｇ及び保持金具３４ｈは、図４（ｂ）に示したように、周方向に複数に分割できるように構成されている。かかる構成により、摩耗したベアリングメタル３４ｇの交換等の保守作業を容易に行うことができる。なお、ベアリングメタル３４ｇは海水潤滑に適したものを採用し、樹脂素材のものであってもよい。

ヒンジ用金具３３ａは、保持部材３４ａの側面部上方に配置される。ヒンジ用金具３３ａは、図３（ａ）に示したように、浮体構造物２のリセス部２１の最深部側面の外側上方に配置されたヒンジ受部３３ｂにピン結合されてヒンジ部３３を構成する。すなわち、水車３は、軸部３１が挿通されるとともに両端に配置されたベアリング（上部ベアリング３４ｂ及び下部ベアリング３４ｃ）を有する軸受部材３４を備え、ヒンジ部３３は軸受部材３４（保持部材３４ａ）に配置されている。なお、ヒンジ受部３３ｂは、水車３の荷重を支える部分であることから、補強材を用いて浮体構造物２に強固に固定することが好ましい。

トラスアーム３４ｄは、例えば、図４（ａ）に示したように、ヒンジ用金具３３ａと反対側における保持部材３４ａの側面部に配置されている。トラスアーム３４ｄには、水車３の設置や保守作業時にチェーン等の索体２６が接続され、チェーンブロック等の揚重機２５によって、水車３の軸部３１上部を浮体構造物２内に搬入したり、ヒンジ部３３を中心にして水車３を回転移動させたりする。

発電機４は、水車３の回転によって駆動する駆動ギア３４ｆからエネルギーを回収する機器である。具体的には、図３（ｃ）に示したように、発電機４は、動力を入力する動力伝達ギア４１を有し、駆動ギア３４ｆ、動力伝達ギア４１及びプーリ４２に掛け回されたチェーンベルト４３によって、駆動ギア３４ｆの動力が発電機４に伝達され電力に変換される。なお、図３（ａ）において、説明の便宜上、発電機４及びそれに関する部品の図を省略してある。

発電機４及びプーリ４２は、上部構造物２３の内部に形成された架台部２３ｄに配置されており、駆動ギア３４ｆと略同じ水平面内に配置されることが好ましい。また、架台部２３ｄには、発電機４等の制御を行う制御装置４４が配置されていてもよい。なお、駆動ギア３４ｆの動力を発電機４に伝達する動力伝達機構は、図示した構成に限定されるものではなく、歯車列等の他の動力伝達機構であってもよい。

発電機４によって得られた電力は、例えば、浮体構造物２内に配置された蓄電池（図示せず）に蓄電するようにしてもよいし、浮体構造物２から他の浮体構造物や陸上まで架線された電線を用いて外部に出力するようにしてもよい。

ここで、水車３の運搬方法及び浮体構造物２への設置方法について、図５（ａ）〜図６（ｃ）を参照しつつ説明する。図５は、水車３の運搬工程を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図、を示している。図６は、水車３の浮体構造物２への設置工程を示す図であり、（ａ）は搬入工程、（ｂ）は接続工程、（ｃ）は浸漬工程、を示している。

図５（ａ）及び（ｂ）に示したように、水車３は、軸部３１及び翼部３２に配置される複数のフロート３５によって海上に浮遊させた状態で運搬される。フロート３５は、例えば、翼部３２の上部付根部分に配置される台形断面の角柱形状を有する第一フロート３５ａと、浸漬した翼部３２に接続される第二フロート３５ｂと、軸部３１の先端に接続される第三フロート３５ｃと、により構成される。

第一フロート３５ａは、翼部３２の隣接する二つの翼が上部付根付近で跨がるように配置され、翼部３２及び軸部３１にワイヤ等によって固縛される。このように第一フロート３５ａを配置することにより、水車３を安定的に浮遊させることができる。また、運搬中に第一フロート３５ａの位置が前後にずれないように、第一フロート３５ａの前端部にストッパ３５ｄを配置して軸部３１に固定するようにしてもよい。第一フロート３５ａを水車３から取り外す場合には、ワイヤ等の固縛手段を解いた状態で翼部３２を回転させて横方向に押し出すようにすればよい。

第二フロート３５ｂは、水車３の自重を支えるとともに水車３の回転動揺を抑制するフロート３５である。具体的には、第二フロート３５ｂは、例えば、球形のブイ形状を有しており、ワイヤ等によって海中に浸漬した翼部３２に接続される。また、第三フロート３５ｃは、水車３の先端側と後端側とのバランスを調整するためのフロート３５である。具体的には、第三フロート３５ｃは、例えば、球形のブイ形状を有しており、ワイヤ等によって軸部３１の先端に接続される。

なお、ここでは軸部３１が略水平状態に保持された状態を図示しているが、軸部３１の先端側が僅かに海中に浸漬した傾斜した状態で運搬するようにしてもよい。このように軸部３１の先端側を下方に傾斜させることにより、軸部３１の後端側の軸受部材３４が海面から上方にさらに持ち上がり、上部ベアリング３４ｂへの海水飛散を抑制することができるとともに、軸受部材３４に取り付けられたヒンジ用金具３３ａの高さ水準を浮体構造物２内のヒンジ受部３３ｂの高さ位置に合わせることができる。ヒンジ用金具３３ａとヒンジ受部３３ｂの高さを一致させておくことにより、ピン結合作業を容易に行うことができる。

そして、図５（ａ）及び（ｂ）に示したように海上に浮遊状態にされた水車３は、作業船（図示せず）等によって曳航され、浮体構造物２の近傍まで運搬される。図６（ａ）に示したように、浮体構造物２の両開き扉２３ｃを開放し、水車３の後端側にある軸受部材３４を浮体構造物２の内部に挿入する。浮体構造物２には、チェーンブロック等の揚重機２５が複数配置されており、軸受部材３４に取り付けられたトラスアーム３４ｄにチェーン等の索体２６を接続し、揚重機２５を用いて軸受部材３４を引き込みながらヒンジ用金具３３ａの位置を調整する。なお、図示しないが、浮体構造物２の上部構造物２３の内部には、作業用の足場を常設又は仮設するようにしてもよい。

次に、図６（ｂ）に示したように、揚重機２５を操作して水車３のヒンジ用金具３３ａを浮体構造物２に配置されたヒンジ受部３３ｂに嵌め合わせ、ヒンジ用金具３３ａ及びヒンジ受部３３ｂを貫通するピンによって回動可能に結合することによってヒンジ部３３が構成される。

続いて、図６（ｃ）に示したように、揚重機２５を操作して水車３を自重によってヒンジ部３３に沿って回動させ、翼部３２を海中に浸漬させる。このとき、軸部３１は、リセス部２１及びスリット部２２ａを通過して移動することとなる。水車３が直立した状態（浮体構造物２に対して垂直な状態）になったらヒンジ部３３が回動しないようにロックするようにしてもよい。

そして、設置作業終了後、揚重機２５及び索体２６は、浮体構造物２や軸受部材３４から取り外して陸上に持ち帰るようにしてもよいし、そのまま残しておいてもよい。なお、揚重機２５の配置、個数、形状等は図示した構成に限定されるものではなく、任意に設計することができる。また、水車３の搬入時には作業船に配置された船上クレーン等の船上設備を利用するようにしてもよい。

保守作業時に水車３を海面上に浮上させたい場合には、揚重機２５を用いてトラスアーム３４ｄを引き上げ、上述した図６（ｂ）〜（ｃ）の工程を逆の順番で行うようにすればよい。また、解体時に水車３を浮体構造物２から取り外したい場合には、上述した図６（ａ）〜（ｃ）の工程を逆の順番で行うようにすればよい。

したがって、本実施形態に係る潮流発電方法によれば、海上に浮遊する浮体構造物２と、浮体構造物２に形成された内側に凹んだリセス部２１と、リセス部２１に挿通される軸部３１と軸部３１の先端に配置され海中に浸漬される翼部３２とを備えた水車３と、浮体構造物２内に配置され水車３の回転によって発電する発電機４と、を有する潮流発電装置１を用い、軸部３１をリセス部２１に挿通させながら海面と海中との間で移動させることによって翼部３２を容易に浮沈させることができる。

特に、上述した潮流発電装置１によれば、海上に浮遊する浮体構造物２に水車３を配置したことにより、潮流により生ずる水車３や浮体構造物２への抵抗力を柔軟に受け止めることができ、構造的に強度条件が過酷にならないことから、構造の簡素化を図ることができる。また、本実施形態によれば、水車３の翼部３２を海中に没水させ、発電機４等の機器類を浮体構造物２内に配置したことにより、発電部分の水密性を高度に維持する必要がなく、構造の簡素化を図ることができる。

さらに、本実施形態によれば、浮体構造物２にリセス部２１を形成し、このリセス部２１を利用して水車３を浮沈させるようにしたことから、軸部３１を海面と海中との間で回動させながら移動させるだけで容易に水車３を浮上させたり沈降させたりすることができ、設置作業や保守作業の省力化を図ることができる。

具体的には、水車３の保守点検に際しては軸部３１に取り付けられた駆動ギア３４ｆからチェーンベルト４３を外した後、上述した要領で軸部３１を水平状態に維持し、翼部３２が海面上に露出した状態とする。このように水車３の姿勢を変更することにより、軸受部材３４の上部ベアリング３４ｂ及び下部ベアリング３４ｃの点検・交換作業を容易に行うことができるとともに、海面上に露出した翼部３２及び軸部３１の清掃・研磨作業を小型作業船等を用いて容易に行うことができる。

次に、上述した本実施形態に係る潮流発電装置１の変形例について、図７（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。ここで、図７は、図１に示した潮流発電装置の変形例を示す図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、を示している。

図７（ａ）に示した第一変形例は、リセス部２１の間隙に着脱可能に配置されるスペーサ２１ａを有するものである。このように、スペーサ２１ａをリセス部２１の間隙に挿入しボルト等の締結具で固定することにより、リセス部２１の入口側が開くように変形することを抑制することができる。

図７（ｂ）に示した第二変形例は、リセス部２１の上端開放部を覆うように着脱可能に配置される遮蔽板２１ｂを有するものである。遮蔽板２１ｂは、リセス部２１を構成する板材の上端開放部を塞ぐように配置することが好ましい。このように、遮蔽板２１ｂを配置することにより、リセス部２１から浮体構造物２内に浸入する海水を遮蔽することができる。なお、上述したスペーサ２１ａと遮蔽板２１ｂとの両方をリセス部２１に配置してもよいし、スペーサ２１ａと遮蔽板２１ｂとを兼用させるようにしてもよい。

図７（ｃ）に示した第三変形例は、水車３の軸部３１を浮体構造物２に垂直状態に固定するためのロックピン２７を配置したものである。具体的には、例えば、ロックピン２７は、リセス部２１を構成する板材に螺合可能に配置されており、ロックピン２７を両側から締め付けることにより、ロックピン２７の先端で軸受部材３４を挟持するように構成されている。なお、ロックピン２７の先端に弾性体を配置してもよいし、軸受部材３４の周面にロックピン２７の先端部を宛がう凹部を形成しておいてもよい。

次に、上述した本実施形態に係る潮流発電方法の一適用例について、図８を参照しつつ説明する。ここで、図８は、本発明に係る潮流発電方法の一適用例を示す全体構成図である。

図８に示した潮流発電方法では、潮流発電装置１の発電機４により得られた電力を潮流発電装置１に近い海域を航行する船舶５に供給するようにしたものである。船舶５は、例えば、漁船、タグボート、作業船等である。上述した潮流発電装置１を用いることにより、例えば、多数の島を有する海域において、効率よく電力を供給することができることから、船舶５に蓄電式電気推進船を用いることにより、利便性を向上することができる。

また、軽油や重油等の化石燃料により駆動されるエンジンを用いた燃料推進船は、エンジン故障が多い、燃料のコストが高い等の問題を有しているが、本実施形態に係る潮流発電方法を用いることにより、容易に電力供給することができることから、燃料推進船を蓄電式電気推進船に置換することができ、上述した問題の解決を図ることができる。

なお、ここでは、潮流発電装置１から船舶５に直接的に電力を供給する場合を図示したが、潮流発電装置１から他の浮体構造物や陸上に設置された電力設備に電力を供給及び貯蓄してから、複数の船舶５に電力を分配するようにしてもよいし、潮流発電装置１に配置した蓄電池を介して船舶５に電力を供給するようにしてもよい。

次に、本発明の第二実施形態に係る潮流発電装置について、図９及び図１０を参照しつつ説明する。ここで、図９は、本発明の第二実施形態に係る潮流発電装置の概略構成を示す側面図である。図１０は、図９に示した潮流発電装置の平面図である。なお、図１〜図８に示した実施形態と同一の構成部品について、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図９及び図１０に示した第二実施形態に係る潮流発電装置１は、浮体構造物２が、リセス部２１及び水車３によって構成される水車ユニット６を複数有するものである。ここでは、潮流の流れ方向に沿って二つの水車ユニット６を配置している。なお、図９及び図１０において、説明の便宜上、浮体構造物２及び水車ユニット６以外の構造物（例えば、発電機や水車と発電機との動力伝達機構等）の図を省略してある。また、図９及び図１０では、説明の便宜上、浮体構造物２及びリセス部２１の一部を透過させて図示している。

水車３は、図１等に示した実施形態と同様に、浮体構造物２に対して回動可能に構成されており、リセス部２１は、傾斜した状態の水車３の下部を支えるように形成された傾斜部２１ｃを有している。すなわち、水車ユニット６は、発電時に水車３を鉛直方向に対して傾斜した状態に支持するように構成されている。ところで、二つの水車３を鉛直方向に配置した場合には、水車３同士の干渉を避けるために間隔を広くしなければならず、水車３を支持する浮体構造物２が大型化してしまうこととなる。

それに対して、本実施形態のように水車３を斜めに配置した場合には、水車３同士の干渉を回避しつつ水車３の回動部分（上端部）を接近させて配置することができ、浮体構造物２の小型化を図ることができる。また、水車３の回動部分（上端部）を接近させることにより、発電機への動力伝達機構の小型化を図ることもできる。なお、図示しないが、複数の水車３に対して一つの発電機を配置するようにしてもよいし、複数の水車３毎に発電機を配置するようにしてもよい。

また、図１０に示したように、水車３の発電効率を向上させるために、水車３の回転軸を平面視で潮流に対して正対するように配置することが好ましい。そこで、浮体構造物２の姿勢を安定させるために、浮体構造物２は、図１０に示したように、潮流の流れ方向の両端部に突出した壁面部２８を有していてもよい。ここでは、平面視で三角形状に壁面部２８を形成しているが、壁面部２８は半円形状のように先端にＲを有する形状であってもよい。

また、浮体構造物２の姿勢を安定させるために、浮体構造物２の底部に整流板２９を配置するようにしてもよい。整流板２９は、潮流の流れ方向に沿って平行に配置される。このように、浮体構造物２に壁面部２８及び整流板２９を配置することにより、水車３を潮流に対して容易に正対させることができ、発電効率の向上を図ることができる。また、整流板２９は、浮体構造物２の重心を下げる効果を有するとともに、浮体構造物２のローリングを抑制する効果も有している。

また、本実施形態では、アンカー２４ａ及び係留索２４の個数を削減するために、潮流の流れ方向に二つのアンカー２４ａを配置した二点係留方式を採用している。係留索２４ａは、一端が浮体構造物２の底部に配置された脚部２２ｂに接続され、他端が浮体構造物２の上流側又は下流側の水底に配置されたアンカー２４ａに接続されている。このように、アンカー２４ａ及び係留索２４の個数を削減することにより、構造の簡素化及び設置作業や保守作業の省力化を図ることができる。なお、図示した浮体構造物２の係留方法は単なる一例であり、かかる構成に限定されるものではない。

また、係留索２４は、一端を整流板２９に接続するようにしてもよい。このように、係留索２４の一端を脚部２２ｂよりも下方に位置する整流板２９に接続することにより、水深の異なる位置で浮体構造物を支持することができ、浮体構造物２の姿勢を効果的に水平に保持することができる。特に、脚部２２ｂに接続された係留索２４だけでは潮流によって転倒モーメントが生じやすいが、整流板２９に接続された係留索２４の張力及び浮体構造物２の復元力によって転倒モーメントを打ち消すことができる。

ここでは、一つの浮体構造物２に水車ユニット６を二つ配置した場合について説明したが、一つの浮体構造物２に三つ以上の水車ユニット６を配置するようにしてもよい。また、浮体構造物２が巨大な場合には、複数の水車ユニット６を有する場合であっても、水車３の回転軸を鉛直方向に沿って配置するようにしてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、潮流発電装置１により得られた電力は船舶５への供給以外の用途にも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 潮流発電装置
２ 浮体構造物
３ 水車
４ 発電機
５ 船舶
６ 水車ユニット
２１ リセス部
２１ａ スペーサ
２１ｂ 遮蔽板
２１ｃ 傾斜部
２２ 浮力体
スリット部 ２２ａ
２２ｂ，２２ｂ１，２２ｂ２，２２ｂ３，２２ｂ４ 脚部
２２ｃ 傾斜板
２２ｄ 底板
２３ 上部構造物
２３ａ 胴部
２３ｂ 屋根部
２３ｃ 両開き扉
２３ｄ 架台部
２４ 係留索
２４１ 第一係留索
２４２ 第二係留索
２４３ 第三係留索
２４ａ，２４ａ１，２４ａ２，２４ａ３，２４ａ４ アンカー
２５ 揚重機
２６ 索体
２７ ロックピン
２８ 壁面部
２９ 整流板
３１ 軸部
３２ 翼部
３３ ヒンジ部
３３ａ ヒンジ用金具
３３ｂ ヒンジ受部
３４ 軸受部材
３４ａ 保持部材
３４ｂ 上部ベアリング
３４ｃ 下部ベアリング
３４ｄ トラスアーム
３４ｅ ヘッドキャップ
３４ｆ 駆動ギア
３４ｇ ベアリングメタル
３４ｈ 保持金具
３５ フロート
３５ａ 第一フロート
３５ｂ 第二フロート
３５ｃ 第三フロート
３５ｄ ストッパ
４１ 動力伝達ギア
４２ プーリ
４３ チェーンベルト
４４ 制御装置

Claims (12)

1. 潮汐により発生するエネルギーを回収して発電する潮流発電装置において、
   水上に浮遊する浮体構造物と、
   該浮体構造物に形成された内側に凹んだリセス部と、
   該リセス部に挿通される軸部と該軸部の先端に配置され水中に浸漬される翼部とを備えた水車と、
   前記浮体構造物内に配置され前記水車の回転によって発電する発電機と、を有し、
   前記水車は、前記浮体構造物に対して前記軸部を水面と水中との間で回動可能なヒンジ部を備え、前記軸部を前記リセス部に挿通させながら回転移動させることによって前記翼部を浮沈させるようにした、
   ことを特徴とする潮流発電装置。
2. 前記水車は、前記軸部が挿通されるとともに両端に配置されたベアリングを有する軸受部材を備え、前記ヒンジ部は前記軸受部材に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
3. 前記浮体構造物は、浮力を発生させる浮力体と、該浮力体の上に配置される上部構造物と、を備え、前記上部構造物の下部に前記リセス部が配置されており、前記浮力体は前記リセス部と連通するスリット部とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
4. 前記浮体構造物は、潮流によって前記水車に生じる転倒モーメントに対して抗力を発生させるように展張された複数の係留索によって水底に係留されている、ことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
5. 前記浮体構造物は、潮流によって前記水車に生じる転倒モーメントに対して反対向きの転倒モーメントを発生させるように水中下に配置された傾斜板を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
6. 前記水車は、前記軸部又は前記翼部に配置される複数のフロートによって水上に浮遊させた状態で運搬される、ことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
7. 前記浮体構造物は、前記リセス部の間隙に配置されるスペーサ又は前記リセス部の上面を覆う遮蔽板を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の潮流発電装置。
8. 前記浮体構造物は、前記リセス部及び前記水車によって構成される水車ユニットを複数有する、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の潮流発電装置。
9. 前記水車ユニットは、発電時に前記水車を鉛直方向に対して傾斜した状態に支持するように構成されている、ことを特徴とする請求項８に記載の潮流発電装置。
10. 前記浮体構造物の底部に整流板を配置した、ことを特徴とする請求項９に記載の潮流発電装置。
11. 潮汐により発生するエネルギーを回収して発電する潮流発電方法において、
    水上に浮遊する浮体構造物と、該浮体構造物に形成された内側に凹んだリセス部と、該リセス部に挿通される軸部と該軸部の先端に配置され水中に浸漬される翼部とを備えた水車と、前記浮体構造物内に配置され前記水車の回転によって発電する発電機と、を有する潮流発電装置を用い、
    前記軸部を前記リセス部に挿通させながら水面と水中との間で移動させることによって前記翼部を浮沈させるようにした、
    ことを特徴とする潮流発電方法。
12. 前記発電機により得られた電力は、前記潮流発電装置に近い水域を航行する船舶に供給される、ことを特徴とする請求項１１に記載の潮流発電方法。