JP2017013721A - 水中浮遊体の浮力調整装置及び海流発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱要因によって水中浮遊体の深度が変化した場合であっても、エネルギー消費量を低減しつつ、水中浮遊体の浮力を調整することができる、水中浮遊体の浮力調整装置及び海流発電装置を提供する。
【解決手段】海底２に係留索３を介して繋がれた水中浮遊体４の浮力調整装置１であって、一端が水中浮遊体４に接続され他端が海面５に浮遊可能に構成された索体６と、索体６の他端側に索体６の長手方向に沿って配置された複数の浮体７と、を備え、複数の浮体７のうち、少なくとも一つの浮体７が海面５に浮遊し、残りの浮体７が水中に沈められている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水底に係留索を介して繋がれた水中浮遊体の深度を所定範囲に留めるため、水中浮遊体に加わる浮力を調整する水中浮遊体の浮力調整装置及び海流発電装置に関する。

近年、海底に係留索を介して繋がれた水中浮遊体にプロペラを取り付け、黒潮等の海流によってプロペラを回転させて発電するようにした水中浮遊式海流発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような水中浮遊式海流発電システムにおいては、水温の変化や海流の強弱等の外乱要因によって、水中浮遊体の深度が設定深度から外れる事態が考えられる。例えば、海流が強くなった場合、係留索と海底との角度が小さくなって水中浮遊体が沈降し、逆に、海流が弱くなった場合、水中浮遊体が浮上する。また、海流の水温が高くなった場合、海水の比重が小さくなるので水中浮遊体が沈降し、逆に、海流の水温が低くなった場合、水中浮遊体が浮上する。

ここで、水中浮遊体の深度が設定深度よりも深くなり過ぎると、水圧で水中浮遊体の耐圧殻が破損したり、プロペラが海底に接触したり、海流が弱く発電効率が低下する等の不具合が発生する。逆に、水中浮遊体の深度が設定深度よりも浅くなり過ぎると、水中浮遊体やプロペラが漁船の漁網や船舶と干渉する等の不具合が発生する。一般に、水中浮遊体の深度は、例えば、海面下数十〜数百メートルに設定され、水中浮遊体の浮力を調整して、水中浮遊体の深度を一定深度範囲内に保つ必要がある。この浮力調整装置として、潜水艦や深海探査艇等に用いられている装置を転用することが考えられる。

例えば、潜水艦や深海探査艇の浮力調整装置として、水よりも比重の軽い油や気体等の作動流体が注入又は排出されることで容積が変化する浮力調整袋を、水中浮遊体の耐圧殻の外側に設け、作動流体を注入又は排出して浮力調整袋の容積を変化させることで水中浮遊体の排水体積を変化させ、アルキメデスの原理により水中浮遊体の浮力を調節するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−２１４６０２号公報 特開２００３−１３５８６５号公報

しかしながら、浮力調整袋に作動流体を注入又は排出するためには、ポンプ等の圧送機器を水中浮遊体に搭載しなければならず、それを作動させるためのエネルギーも必要となる。したがって、水中浮遊体に設けたプロペラにより発電した電力等の一部を、水中浮遊体の深度調節（浮力調整）のエネルギーに使用せざるを得ず、その分だけ外部への電力供給量が減少してしまうこととなる。

本発明は、上述した問題点を鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、外乱要因によって水中浮遊体の深度が変化した場合であっても、エネルギー消費量を低減しつつ、水中浮遊体の浮力を調整することができる、水中浮遊体の浮力調整装置及び海流発電装置を提供することにある。

本発明によれば、水底に係留索を介して繋がれた水中浮遊体の浮力調整装置であって、一端が前記水中浮遊体に接続され他端が水面に浮遊可能に構成された索体と、該索体の他端側に前記索体の長手方向に沿って配置された複数の浮体と、を備え、前記複数の浮体のうち、少なくとも一つの浮体が水面に浮遊し、残りの浮体が水中に沈められている、ことを特徴とする水中浮遊体の浮力調整装置が提供される。

また、本発明によれば、海底に係留索を介して繋がれた水中浮遊体と、該水中浮遊体に配置されたプロペラと、を備え、海流によって前記プロペラを回転させて発電するようにした海流発電装置において、一端が前記水中浮遊体に接続され他端が水面に浮遊可能に構成された索体と、該索体の他端側に前記索体の長手方向に沿って配置された複数の浮体と、を備え、前記複数の浮体のうち、少なくとも一つの浮体が水面に浮遊し、残りの浮体が水中に沈められている浮力調整装置を備えた、ことを特徴とする海流発電装置が提供される。

上述した浮力調整装置及び海流発電装置において、水面に浮遊した前記少なくとも一つの浮体は、前記水中浮遊体に制御信号を送信する又は前記水中浮遊体が取得したデータを外部に伝送するためのアンテナを備えていてもよい。

また、水面に浮遊した前記少なくとも一つの浮体は、前記水中浮遊体の位置を周囲の船舶に認識させるための目印を備えていてもよい。

また、前記索体は、前記水中浮遊体の端部に配置された筒状のガイドに挿通され水中に繰り出されていてもよい。

また、前記索体は、前記水中浮遊体に第一巻取装置を介して接続されていてもよい。

また、前記係留索は、前記水中浮遊体に第二巻取装置を介して接続されていてもよい。

また、一端が前記水中浮遊体に接続され他端が水底に着床可能に構成された錘用索と、該錘用索の他端側に前記錘用索の長手方向に沿って配置された複数の錘体と、を備えていてもよい。

本発明に係る水中浮遊体の浮力調整装置及び海流発電装置によれば、水温の変化や海流の強弱等の外乱要因によって、水中浮遊体の深度が深くなった場合、それまで水面に浮かんでいた浮体が水中に引き込まれ、水中に沈められる浮体の個数が増えることから、水中浮遊体に加わる浮力が大きくなり、水中浮遊体に浮上力が働く。逆に、水中浮遊体の深度が浅くなった場合、それまで水中に沈められていた浮体が水面に浮上し、水中に沈められる浮体の個数が減ることから、水中浮遊体に加わる浮力が小さくなり、水中浮遊体に沈降力が働く。

このように、本発明に係る浮力調整装置及び海流発電装置では、水中浮遊体の浮力が、水中浮遊体の深度変化に伴って海中に沈められる浮体の個数の増減によって受動的に調整されることから、従来技術のようなポンプ等の圧送機器を搭載する必要がなく、かつ、それを作動させる必要もない。したがって、外乱要因によって水中浮遊体の深度が変化した場合であっても、エネルギー消費量を低減しつつ、水中浮遊体の浮力を調整することができる。

本発明の第一実施形態に係る水中浮遊体の浮力調整装置の概要を示す全体構成図である。 本発明の第二実施形態に係る水中浮遊体の浮力調整装置の概要を示す全体構成図である。 参考例に係る水中浮遊体の浮力調整装置の概要を示す全体構成図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付すことにより重複した説明を省略し、また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第一実施形態）
図１を用いて、本発明の第一実施形態に係る水中浮遊体の浮力調整装置１について説明する。本実施形態に係る水中浮遊体の浮力調整装置１は、海底２（水底）に係留索３を介して繋がれた水中浮遊体４の浮力調整装置１であって、一端が水中浮遊体４に接続され他端が海面５（水面）に浮遊可能に構成された索体６と、索体６の他端側に索体６の長手方向に沿って配置された複数の浮体７と、を備え、複数の浮体７のうち、少なくとも一つの浮体７（例えば、端末浮体７ａ）が海面５（水面）に浮遊し、残りの浮体７が海中（水中）に沈められているものである。

水中浮遊体４は、例えば、海流発電装置に使用される水中浮遊体である。以下の説明では、水中浮遊体４が海底２に係留される場合について説明するが、水中浮遊体４は、海流発電システムに使用されるものに限定されるものではない。例えば、水中浮遊体４は、海底調査・探査等に用いられる水中浮遊体であってもよいし、海底２以外の川底や湖底に係留されるものであってもよい。

水中浮遊体４は、例えば、黒潮等の海流Ｃによって回転駆動されるプロペラ８を有している。プロペラ８の直径は、例えば、３０〜４０メートル程度である。水中浮遊体４の内部には、プロペラ８によって駆動される発電機等が収容されている。発電機によって発電された電力は、例えば、係留索３に沿って設けられたケーブルを介して係留索３を海底２に固定するアンカー９（又はシンカー）に送られ、アンカー９から海底接続箱１０に送られ、海底接続箱１０から海底ケーブル１１を介して所定の施設や設備等に送電される。

すなわち、本実施形態において、海流発電装置は、海底２に係留索３を介して繋がれた水中浮遊体４と、水中浮遊体４に配置されたプロペラ８と、を備え、海流によってプロペラ８を回転させて発電するようにしたものである。

水中浮遊体４の比重は、周囲の海水と略等しく又は海水よりも僅かに大きく調節されている。また、この比重は、例えば、水中浮遊体４が浮体７によって浮力を受け、海流Ｃによってプロペラ８が回転された際に、水中浮遊体４が海底２から浮上した状態となるように設定される。

水中浮遊体４には、図示したように、索体６が接続されている。索体６は、一端が水中浮遊体４に接続され、他端が海面５に位置している。索体６の他端側には、索体６の長手方向に所定の間隔を隔てて複数の浮体７が設けられている。ここで、本実施形態において「索体６の他端側」とは、索体６の延伸方向における中央付近よりも海面５に近い側を意味する。図１に示した第一実施形態では、浮体７の個数は９個であり、水中浮遊体４側の５個の浮体７が海中に位置し、海面５側の４個の浮体７が海面５に位置することで、水中浮遊体４の海中でのバランスが保持されている。

浮体７は、例えば、金属製又は樹脂製の中空球体や発泡樹脂製のブロック等により形成される。浮体７の比重は、海水の比重よりも小さく設定される。浮体７の個数は任意であるが、例えば、５〜１０個程度に設定される。また、浮体７同士の間隔は任意であるが、例えば、５〜１０メートル程度に設定される。かかる浮体７を用いて、水中浮遊体４の深度は、例えば、２５〜１００メートルの範囲で調整される。また、本実施形態において、索体６の最後尾に配設された浮体７を、説明の便宜上、端末浮体７ａと称する。端末浮体７ａは、他の浮体７よりも体積（浮力）が大きく、他の浮体７よりも沈降し難いように構成してもよい。

端末浮体７ａには、水中浮遊体４に制御信号を送信する又は水中浮遊体４が取得したデータを外部に伝送するためのアンテナ１２を配置するようにしてもよい。制御信号としては、水中浮遊体４の設定深度、プロペラ８のピッチ角（プロペラの軸に対するプロペラ取付角度）、異常時非常停止指令等が挙げられる。また、データとしては、発電機の電流電圧値、海水温度、プロペラ８の回転速度やピッチ等が挙げられる。アンテナ１２と水中浮遊体４とは、索体６に沿って敷設されたケーブル（図示せず）によって通信可能に接続されている。

なお、図示しないが、端末浮体７ａと同等の機能を有する浮体は、索体６に配置された複数の浮体７に対して、必ずしも最後尾に配置する必要はない。また、複数の浮体７を端末浮体７ａとして機能させるようにしてもよい。

制御信号は、地上基地１３（又は母船）から人工衛星１４を介してアンテナ１２に送信され、データは、アンテナ１２から人工衛星１４を介して地上基地１３（又は母船）に伝送される。アンテナ１２が設けられた端末浮体７ａは、常に海面５に浮遊しているため、アンテナ１２と地上基地１３との間で安定した通信が可能である。

なお、アンテナ１２は、浮体７が海中に沈められた状態でも海上に露出可能であれば、端末浮体７ａ以外の浮体７に配置するようにしてもよい。また、アンテナ１２は、一種類に限定されるものではなく、用途に応じて複数のアンテナ１２を配置するようにしてもよい。その際、端末浮体７ａと同等の浮体７を複数配置するようにしてもよい。

また、アンテナ１２には、水中浮遊体４の位置を周囲の船舶に認識させるための目印１５を配置するようにしてもよい。目印１５には、例えば、旗、ランプ（ＬＥＤ）等の外部から視認可能なものが使用されるが、これに限定されるものではない。例えば、目印１５は、一定距離内に船舶が侵入した際に、点灯したり、警報を鳴らしたり、警報信号を発信したりする機能を有していてもよい。

かかる目印１５を配置することにより、目印１５の下方に索体６、浮体７、水中浮遊体４等が存在していることを認識させることができ、船舶が目印１５に近付かないようにすることで、船舶のスクリューが浮体７や索体６と干渉しないようにすることができる。

索体６は、水中浮遊体４に第一巻取装置１６を介して接続されていてもよい。すなわち、水中浮遊体４の内部には、索体６を巻き取り又は繰り出し可能に巻き付けられたドラムを備える第一巻取装置１６が収容されている。かかる第一巻取装置１６により、索体６を巻き取ったり繰り出したりすることによって、海中に繰り出された索体６の長さを調節することができ、浮沈させる浮体７の個数を制御することができ、水中浮遊体４に加わる浮力を調節することができる。

また、索体６は、水中浮遊体４の後端（海流Ｃの下流側の端部）に配置された筒状のガイド１７に挿通され海中に繰り出されていてもよい。ガイド１７は、例えば、図示したように、プロペラ８の中心に配設される。かかるガイド１７を配置することにより、索体６とプロペラ８との干渉を防止することができる。なお、ガイド１７の長さは、例えば、プロペラ８の半径の０．５倍〜１．０倍程度である。

また、係留索３は、水中浮遊体４に第二巻取装置１８を介して接続されていてもよい。すなわち、水中浮遊体４の内部には、係留索３を巻き取り又は繰り出し可能に巻き付けられたドラムを備える第二巻取装置１８が収容されている。かかる第二巻取装置１８を配置することにより、係留索３を巻き取ったり繰り出したりすることによって、海中に繰り出された係留索３の長さを調節することができ、水中浮遊体４の深度を能動的に調節することができる。

以下、上述した第一実施形態に係る浮力調整装置１の作用について説明する。図１に仮想線（一点鎖線）で示したように、海流Ｃの水温や速度の変化等の外乱要因によって、水中浮遊体４の深度が自然に深くなった場合、それまで海面５に浮かんでいた浮体７が海中に引き込まれ、海中に沈められる浮体７の個数が増えることから、水中浮遊体４に加わる浮力が大きくなり、水中浮遊体４に浮上力が働くこととなる。逆に、外乱要因によって水中浮遊体４の深度が浅くなった場合、それまで海中に位置していた浮体７が海面５に浮上し、海中に沈められる浮体７の個数が減ることから、水中浮遊体４に加わる浮力が小さくなり、水中浮遊体４に沈降力が働くこととなる。

その結果、水温の変化や海流Ｃの強弱等の外乱要因によって水中浮遊体４の深度が変化しようとした場合であっても、水中浮遊体４の深度を一定の深度範囲内に保持することができる。このように、本実施形態に係る浮力調整装置１では、水中浮遊体４の浮力が、水中浮遊体４の深度変化に伴って海中に沈められる浮体７の個数の増減によって受動的に調整されることから、従来技術のようなポンプ等の圧送機器を搭載する必要がなく、かつ、それを作動させる必要もない。したがって、本実施形態に係る浮力調整装置１によれば、エネルギー消費量を低減しつつ、水中浮遊体４の浮力を調整することができる。

また、上述したように、本実施形態では、第一巻取装置１６及び第二巻取装置１８を用いることにより、水中浮遊体４の浮力や深度を調節することができる。このとき、第一巻取装置１６と第二巻取装置１８とを同時に作動させ、第二巻取装置１８による係留索３の巻き取り長さと第一巻取装置１６による索体６の繰り出し長さとが等しくなるように制御してもよいし、第二巻取装置１８による係留索３の繰り出し長さと第一巻取装置１６による索体６の巻き取り長さとが等しくなるように制御してもよい。かかる制御によれば、海底２から海面５までの係留索３と索体６との加算長さが変わらないことから、海中に沈める浮体７の個数を変更することなく、水中浮遊体４の深度を変更することができる。

また、メンテナンス時には、水中浮遊体４を海面５の近くまで浮上させる必要がある。このとき、例えば、第一巻取装置１６によって索体６を最大限巻き取って浮力を最大に制御し、第二巻取装置１８によって係留索３を海底２から海面５までの距離に応じて繰り出すようにすればよい。

（第二実施形態）
次に、図２を用いて、本発明の第二実施形態に係る水中浮遊体４の浮力調整装置１ａについて説明する。第二実施形態に係る水中浮遊体の浮力調整装置１ａは、第一実施形態と同様の構成を有する他、更に、一端が水中浮遊体４に接続され他端が海底２に着床可能に構成された錘用索１９と、錘用索１９の他端側に錘用索１９の長手方向に沿って配置された複数の錘体２０と、を備えている。なお、第一実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

錘用索１９は、一端が水中浮遊体４に接続され、他端が海底２に位置している。錘用索１９の他端側には、錘用索１９の長手方向に所定の間隔を隔てて複数の錘体２０が設けられている。ここで、本実施形態において「錘用索１９の他端側」とは、錘用索１９の中心よりも海底２に近い側を意味する。図２に示した第二実施形態では、錘体２０の個数は１０個であり、水中浮遊体４側の５個の錘体２０が海中に位置し、海底２側の５個の錘体２０が海底２に位置している。

錘体２０は、例えば、金属球体や中実樹脂球体等により形成される。錘体２０の比重は、海水の比重よりも大きく設定される。錘体２０の個数は任意であるが、例えば、５〜１０個程度に設定される。また、錘体２０同士の間隔は任意であるが、例えば、５〜１０メートル程度に設定される。また、本実施形態において、錘用索１９の最後尾に配設された錘体２０を、説明の便宜上、端末錘体２０ａと称する。端末錘体２０ａは、他の錘体２０よりも体積（重量）が大きく、他の錘体２０よりも浮上し難いように構成してもよい。

なお、図示しないが、端末錘体２０ａと同等の機能を有する錘体は、錘用索１９に配置された複数の錘体２０に対して、必ずしも最後尾に配置する必要はない。また、複数の錘体２０を端末錘体２０ａとして機能させるようにしてもよい。

錘用索１９は、水中浮遊体４に第三巻取装置２１を介して接続されていてもよい。すなわち、水中浮遊体４の内部には、錘用索１９を巻き取り又は繰り出し可能に巻き付けられたドラムを備える第三巻取装置２１が収容されている。かかる第三巻取装置２１を配置することにより、錘用索１９を巻き取ったり繰り出したりすることによって、海中に繰り出された錘用索１９の長さを調節することができ、着底される錘体２０の個数を制御することができ、水中浮遊体４に加わる浮力を調節することができる。

具体的には、水温の変化や海流Ｃの強弱等の外乱要因によって、水中浮遊体４の深度が深くなった場合、それまで水中に浮遊していた錘体２０が海底２に着底し、水中に浮遊する錘体２０の個数が減ることから、水中浮遊体４に加わる沈降力が小さくなり、水中浮遊体４に浮上力が働くこととなる。逆に、外乱要因によって水中浮遊体４の深度が浅くなった場合、それまで海底２に着底していた錘体２０が水中に引き上げられ、水中に浮遊する錘体２０の個数が増えることから、水中浮遊体４に加わる沈降力が大きくなり、水中浮遊体４に沈降力が働くこととなる。

このように、本実施形態によれば、浮体７による浮力調整に加えて、錘体２０による浮力調整も水中浮遊体４に作用させることができ、浮力調整の感度や精度を向上させることができる。また、第二実施形態に係る浮力調整装置１においても、水中浮遊体４の浮力が、水中浮遊体４の深度変化に伴って海中に沈められる浮体７及び着底される錘体２０の個数の増減によって受動的に調整されることから、従来技術のようなポンプ等の圧送機器を搭載する必要がなく、かつ、それを作動させる必要もない。

また、本実施形態に係る浮力調整装置１では、２種類の浮力調整手段を有していることから、例えば、一方の浮力調整手段が作用しない場合であっても、他方の浮力調整手段によって水中浮遊体４の浮力を調整することもできる。

（参考例）
次に、図３を用いて、参考例に係る水中浮遊体４の浮力調整装置１ｂについて説明する。参考例に係る水中浮遊体４の浮力調整装置１ｂは、第二実施形態の構成から第一実施形態の構成を削除したものであり、上述した錘用索１９と錘体２０とを備えている。かかる参考例においても、錘用索１９及び錘体２０を用いることにより、水中浮遊体４の浮力を受動的に調整することができ、従来技術のようなポンプ等の圧送機器を搭載する必要がなく、かつ、それを作動させる必要もない。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

１，１ａ，１ｂ 浮力調整装置
２ 海底
３ 係留索
４ 水中浮遊体
５ 海面
６ 索体
７ 浮体
７ａ 端末浮体
８ プロペラ
９ アンカー
１０ 海底接続箱
１１ 海底ケーブル
１２ アンテナ
１３ 地上基地
１４ 人工衛星
１５ 目印
１６ 第一巻取装置
１７ ガイド
１８ 第二巻取装置
１９ 錘用索
２０ 錘体
２０ａ 端末錘体
２１ 第三巻取装置

Claims (8)

1. 水底に係留索を介して繋がれた水中浮遊体の浮力調整装置であって、
   一端が前記水中浮遊体に接続され他端が水面に浮遊可能に構成された索体と、
   該索体の他端側に前記索体の長手方向に沿って配置された複数の浮体と、を備え、
   前記複数の浮体のうち、少なくとも一つの浮体が水面に浮遊し、残りの浮体が水中に沈められている、
   ことを特徴とする水中浮遊体の浮力調整装置。
2. 水面に浮遊した前記少なくとも一つの浮体は、前記水中浮遊体に制御信号を送信する又は前記水中浮遊体が取得したデータを外部に伝送するためのアンテナを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の水中浮遊体の浮力調整装置。
3. 水面に浮遊した前記少なくとも一つの浮体は、前記水中浮遊体の位置を周囲の船舶に認識させるための目印を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水中浮遊体の浮力調整装置。
4. 前記索体は、前記水中浮遊体の端部に配置された筒状のガイドに挿通され水中に繰り出されている、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の水中浮遊体の浮力調整装置。
5. 前記索体は、前記水中浮遊体に第一巻取装置を介して接続されている、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の水中浮遊体の浮力調整装置。
6. 前記係留索は、前記水中浮遊体に第二巻取装置を介して接続されている、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の水中浮遊体の浮力調整装置。
7. 一端が前記水中浮遊体に接続され他端が水底に着床可能に構成された錘用索と、該錘用索の他端側に前記錘用索の長手方向に沿って配置された複数の錘体と、を備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の水中浮遊体の浮力調整装置。
8. 海底に係留索を介して繋がれた水中浮遊体と、該水中浮遊体に配置されたプロペラと、を備え、海流によって前記プロペラを回転させて発電するようにした海流発電装置において、請求項１〜７の何れか一項に記載の浮力調整装置を備えた、ことを特徴とする海流発電装置。