JP2019018713A

JP2019018713A - 水中浮遊式装置

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Publication number: JP2019018713A
Application number: JP2017139044A
Authority: JP
Inventors: 智之片桐; Tomoyuki Katagiri; 雅裕市口; Masahiro Ichiguchi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-18
Also published as: JP6907775B2

Abstract

【課題】電力消費を抑制しながら浮遊する深度の制御を行うことを可能とする。【解決手段】水流中を浮遊する水中浮遊式装置１であって、水中浮遊式装置１の重量を調整するためのバラストタンク２０、バラストタンク２０内の水量を変更する注排水部２１と、水流の流速を計測する流速計測部としての流速センサ１３と、所定の流速の範囲毎に、自装置を所望の深度に浮遊させるためのバラストタンク内の水量の設定値を対応付けた水量設定情報を保持し、流速センサ１３により計測された流速に基づいて、注排水部２１によりバラストタンク２０内の水量を制御する制御部１５と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、水中浮遊式装置に関する。

従来から、水上から水中に沈降して所望の目的に係る動作を行った後に再度水上に浮上するような水中浮遊式の装置が知られている。このような装置では、内部にバラストタンクを設けて、バラストタンクへの注排水により装置の深度を調整することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／１６３１４１号

水中浮遊式の装置において、バラストタンクへの注排水は一般的にポンプを利用して行われる。ここで、所望の動作を行うために、装置が所望の深度（水深）に滞在することができるように、ポンプによる注排水を繰り返し行う構成とした場合、ポンプの駆動に係る電力消費が増大する可能性がある。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、電力消費を抑制しながら浮遊する深度の制御を行うことが可能な水中浮遊式装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る水中浮遊式装置は、係留索により係留されて水流中を浮遊する水中浮遊式装置であって、自装置の重量を調整するためのバラストタンクと、前記バラストタンク内の水量を変更する注排水部と、前記水流の流速を計測する流速計測部と、所定の流速の範囲毎に、自装置を所望の深度に浮遊させるための前記バラストタンク内の水量の設定値を対応付けた水量設定情報を保持し、前記流速計測部により計測された流速に基づいて、前記注排水部により前記バラストタンク内の水量を制御する制御部と、を有する。

上記の水中浮遊式装置によれば、制御部において保持する水量設定情報と、流速計測部により計測された流速とに基づいて、バラストタンク内の水量を調整し、水中浮遊式装置の重量を調整することができる。水中浮遊式装置は、水流の影響に応じて装置にかかるスラスト力と係留索による張力とが変化し、装置の上下方向にかかる力が変化する。これに対して、水中浮遊式装置のように、流速毎にバラストタンク２０内の水量を制御して重量の調整を行うことで、水中浮遊式装置１が所望の深度付近で浮遊できるよう適切に制御することができる。また、所定の範囲毎の水流の流速に対応させて、バラストタンク２０内の水量を設定しているので、消費電力を低減することができると共に、オーバーシュートによる深度の変化を減らすことができるため、電力消費を抑制しながら深度制御を行うことが可能となる。

ここで、前記水量設定情報は、前記水流の流速の上昇に応じて、前記バラストタンク内の水量の設定値を小さくすることを規定した情報である態様とすることができる。

上記のように、水流の流速の上昇に応じて、バラストタンク内の水量を減らす構成とすることで、水中浮遊式装置を所望の深度の範囲内に継続して浮遊させることを可能とする。

また、前記水流を利用して発電を行う発電部を更に有し、前記注排水部は、前記発電部により発電された電力を利用して動作する態様とすることができる。

上記のように、発電部で発電された電力を利用して注排水部が動作する構成である場合、流速の微少な変化に対応する細かい水量の制御は行わない構成とすることで、発電された電力の利用を減らすことができる。したがって、水中浮遊式装置の発電部での実質的な発電量を増やすことができる。

本発明によれば、電力消費を抑制しながら浮遊する深度の制御を行うことが可能な水中浮遊式装置が提供される。

本発明の実施形態に係る水中浮遊式装置に係る全体構成を示す図である。水中浮遊式装置の機能構成を説明する図である。流速とタンク内の水量の設定値との関係を示す情報（水量設定情報）を示した図である。注排水部の一例を示す構成図である。水中浮遊式装置におけるタンクの水量を制御する方法を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

以下の説明において、「上流」または「下流」との語は、水の流れを基準として用いられる。また、「前」との語は、水の流れの上流側を意味し、「後」との語は、水の流れの下流側を意味する。たとえば、ダウンウィンド型のタービンが用いられる場合には、ポッドの後部側にブレード（翼）が配置される。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る水中浮遊式装置１について説明する。図１に示されるように、水中浮遊式装置１は、本体部１０（ポッド）及びプロペラ１１を含み、係留索２を介して海中等の水中の固定点に対して係留されて浮遊する装置である。係留索２は、一端が海底に固定されたシンカー３に対して固定されると共に、他端が水中浮遊式装置１に接続される。水中浮遊式装置１は、水中で浮遊して何らかの動作を行う装置であり、例えば、海流等の水流を利用して発電を行う浮遊式発電装置（水中浮遊式海流発電装置）、水中での情報を収集する装置等として実現される。

本実施形態では、水中浮遊式装置１が所謂ダウンウィンド型の水中浮遊式発電装置である場合について説明するが、これに限定されるものでない。水中浮遊式装置１が水中浮遊式発電装置である場合、水中浮遊式装置１は、水流ＦＬ中を浮遊しながら、水流ＦＬにより発生するプロペラ１１の回転を発電機により電気に変換する機能を有する。プロペラ１１の回転により略水平方向への推力、すなわち、スラスト力Ｆ１が発生する。

また、水中浮遊式装置１は、本体部１０内に海水等の水を収容するバラストタンク２０を有する。バラストタンク２０内の水量を変化させることで、水中浮遊式装置１の重量を変化させ、水中浮遊式装置１を浮上させる力Ｆ２を調整することができる。水中浮遊式装置１には、水流ＦＬによるスラスト力Ｆ１と、浮力と、重力と、係留索２からの索張力と、が働く。これらがつり合った位置で、水中浮遊式装置１は水中に浮遊した状態となる。水中浮遊式装置１が水中の所定の深度（水深）で浮遊している状態では、浮力、重力、及び索張力の上下方向の成分から求められる装置を浮上させる力Ｆ２がゼロとなる。上下方向の力がゼロから変化すると、その力に応じて水中浮遊式装置１は上下方向へ移動する。本実施形態に係る水中浮遊式装置１では、周囲の水流ＦＬの流速に基づいてバラストタンク２０内の水量を変化させることで、装置が浮遊する深度（水深）を調整する機能を有する。

図２に示すように、水中浮遊式装置１は、回転軸に取り付けられたプロペラ１１と、プロペラ１１の回転による回転軸の回転を電気に変換する発電部１２と、流速センサ１３と、制御部１５と、を有する。さらに、バラストタンク２０の水量を調整するための注排水部２１と、レベルセンサ２２、とを有する。

発電部１２は、発電機を含んで構成され、回転軸を介して水流ＦＬによるプロペラ１１の回転を受け取り、これを電気に変換する機能を有する。

流速センサ１３は、水中浮遊式装置１の周囲の水流の流速を計測する機能を有する。流速センサ１３としては、例えば、電磁流速計等を用いることができる。流速センサ１３により計測される水流の流速に係る情報は、制御部１５による水中浮遊式装置１のバラストタンク２０における水量の制御に利用される。流速センサ１３による流速計測のタイミングは、特に限定されないが、所定の間隔毎（例えば、数秒毎）に計測する構成としてもよい。また、常時モニタリングをしておくような構成としてもよいが、制御部１５により指定されたタイミングで計測を行う構成としてもよい。

制御部１５は、発電部１２により発生された電気の一部を利用して、バラストタンク２０内の水量を制御する機能を有する。制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、およびＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータとして実現することができる。

なお、水中浮遊式装置１が浮遊式発電装置ではない場合には、制御部１５及び制御部１５によるバラストタンク２０内の水量の制御を行うための電源装置等が別途設けられる場合がある。また、水中浮遊式装置１が外部装置と通信可能である場合には、外部装置からの信号を受けた制御部１５がバラストタンク２０の水量の制御に係る処理を実行する機能を有していてもよい。

制御部１５は、バラストタンク２０の水量の制御を、流速センサ１３により計測された水流の流速に基づいて行う。具体的には、制御部１５は、図３に示す流速とタンク内の水量の設定値との関係を示す情報（水量設定情報）を保持する。本実施形態に係る水中浮遊式装置１では、図３に示すように、流速を所定の範囲（数値範囲）毎に区切り、当該範囲毎にバラストタンク２０内の水量の設定値を対応付けている。この設定値は、水中浮遊式装置１が所望の水深（深度）付近で浮遊するためにバラストタンク２０内で保持する水量を示したものである。したがって、水中浮遊式装置１を浮遊させる深度を変化させる場合には、この情報に含まれる数値（設定値）等が変更される。水中浮遊式装置１が所望の水深（深度）付近での浮遊を継続しようとした場合、水流の流速が大きくなるにつれてプロペラ１１の回転数が大きくなるため、装置にかかるスラスト力が大きくなる。そこで、バラストタンク２０内の水量を低減させることで、装置にかかる上向きの力Ｆ２を高める必要がある。図３は、上記の関係を図示したものであり、水流の流速の上昇に応じて、バラストタンク内の水量の設定値を小さくすることを規定している。なお、数値範囲をどのように区切るかは特に限定されないが、例えば、数値範囲を区切る間隔（流速の幅）を０．７ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓとする（流速が０．７ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓ変化する毎に、水量の設定値を変更する）ことが挙げられる。設定値を決める数値範囲の区切り方（流速の幅）は、水中浮遊式装置１を浮遊させる水域（海域）の環境や、水中浮遊式装置１の深度方向の移動をどれくらい許容するか等に基づいて適宜設定される。また、設定値を決める数値範囲の区切り方（流速の幅）は、均等である必要はなく、流速の範囲毎に互いに異ならせてもよい。また、流速の範囲毎の設定値は、例えば、事前にシミュレーション等を利用して算出することができる。

制御部１５は、流速センサ１３の計測結果と、図３に示す水量設定情報とを比較して、バラストタンク２０の水量を変更するか否かを判断し、必要に応じて水量を変更する。なお、図３に示すような流速とタンク内の水量の設定値との関係を示す水量設定情報は、水中浮遊式装置１を動作させる前に予め作成され、制御部１５において記憶される。

バラストタンク２０は、本体部１０内に設けられる。バラストタンク２０には、注排水を行う注排水部２１と、内部の水量を計測するためのレベルセンサ２２と、が取り付けられる。

注排水部２１の一例を図４に示す。注排水部２１は、ポンプＰ、第１ラインＬ１、第２ラインＬ２、接続ラインＬ３、及び開閉弁Ｍ１〜Ｍ４を含んで構成される。第１ラインＬ１上には、開閉弁Ｍ１、Ｍ２が設けられ、開閉弁Ｍ１、Ｍ２の間に接続ラインＬ３との連結口が設けられる。同様に、第２ラインＬ２上には、開閉弁Ｍ３、Ｍ４が設けられ、開閉弁Ｍ３、Ｍ４の間に接続ラインＬ３の連結口が設けられる。ポンプＰは、接続ラインＬ３上に設けられ、ポンプＰの駆動により、第１ラインＬ１側から第２ラインＬ２側へ向かう方向への送液が可能となっている。

この注排水部２１では、開閉弁Ｍ２、Ｍ３を開状態とし、開閉弁Ｍ１、Ｍ４を閉状態とした上で、ポンプを駆動させると、開閉弁Ｍ２、ポンプＰ、開閉弁Ｍ３を通る水路が形成され、外部からバラストタンク２０内へ水を供給することができる。また、注排水部２１において、開閉弁Ｍ１、Ｍ４を開状態とし、開閉弁Ｍ２、Ｍ３を閉状態とした上で、ポンプを駆動させると、開閉弁Ｍ１、ポンプＰ、開閉弁Ｍ４を通る水路が形成され、バラストタンク２０内の水を外部へ排出することができる。このように、図５に示す注排水部２１は、開閉弁Ｍ１〜Ｍ４の開閉制御及び１つのポンプＰの駆動により、バラストタンク２０の注排水を行うことができる。

また、注排水部２１による注排水は、レベルセンサ２２によりバラストタンク２０内の水量を監視しながら実施される。レベルセンサ２２は、バラストタンク２０内の水量を計測するために水位を検知するセンサである。レベルセンサ２２による水位の検知方法及びセンサの設置位置等は、バラストタンク２０内の水量を適切に計測可能であれば特に限定されない。また、レベルセンサ２２とは異なる手段によりバラストタンク２０内の水量を計測する構成としてもよい。

次に、水中浮遊式装置１の深度を制御する場合の制御方法について、図５を参照しながら説明する。

まず、前提として、水中浮遊式装置１では、制御部１５において、予め目標深度が設定される。そして、その目標深度を保つための流速とタンク内の水量の設定値との関係を示す水量設定情報が準備される。目標深度は、水中浮遊式装置１が水中に投入される前に設定されていてもよいし、水中に投入された後に外部装置等からの指示に基づいて設定されてもよい。

次に、制御部１５の指示により、流速センサ１３において水流の流速が計測される（Ｓ１）。そして、制御部１５が保持する水量設定情報に基づいて、流速センサにおいて計測された水流に基づいて、バラストタンク２０内の水量が決定され、注排水部２１及びレベルセンサ２２を利用してバラストタンク２０内の水量の制御が行われる（Ｓ２）。

その後、制御部１５の指示に基づいて、流速センサ１３において流速の計測を継続する（Ｓ３）。そして、制御部１５では、流速センサ１３により計測された水流に基づき、バラストタンク２０内の水量の変更が必要であるかを判断する（Ｓ４）。バラストタンク２０内の水量の変更が必要な状態とは、流速を所定の範囲毎に区切られて設定されたバラストタンク２０内の水量の設定値（図３参照）が変わる状態であり、範囲毎の区切りを超えて流速が変化した状態である。このように、流速の変化に基づきバラストタンク２０内の水量を変更すべきと制御部１５が判断した場合（Ｓ４−ＹＥＳ）には、制御部１５は、計測された流速に対応する設定値への水量の変更を行う（Ｓ５）。一方、流速の変化が無いもしくは僅かであり、バラストタンク２０内の水量の変更が不要であると制御部１５が判断した場合（Ｓ４−ＮＯ）には、制御部１５はバラストタンク２０内の水量を維持するように、例えば、注排水部２１に対して特段の指示を行わない状態とする（Ｓ６）。

その後、タンク内の水量の管理を終了するか否かを判断し（Ｓ７）、終了するまで一連の処理（Ｓ３〜Ｓ７）を繰り返す。

このように、上記実施形態に係る水中浮遊式装置１によれば、制御部１５において、所定の数値範囲の水流の流速毎に設定されたバラストタンク２０内の水量の設定値に係る水量設定情報を保持する。そして、当該水量設定情報と、流速計測部である流速センサ１３により計測された流速とに基づいて、バラストタンク２０内の水量を調整し、水中浮遊式装置１の重量を調整することができる。水中浮遊式装置１では、装置が設置される領域の水流の影響に応じてスラスト力Ｆ１が変化し、これに伴って係留索による索張力の方向及び大きさが変化する。これにより、水中浮遊式装置１にかかる上下方向の力が変化し、その結果水中浮遊式装置１を浮上させる力Ｆ２も変化する。したがって、本実施形態の水中浮遊式装置１のように、流速毎にバラストタンク２０内の水量を制御して装置にかかる浮上させる力Ｆ２の調整を行うことで、水中浮遊式装置１が所望の深度付近で浮遊できるよう適切に制御することができる。

また、上記実施形態に係る水中浮遊式装置１では、所定の範囲の水流の流速毎にバラストタンク２０内の水量を設定している。これにより、水中浮遊式装置１における電力消費を抑制しながら深度の調整を行うことを実現している。

理論上では、水中浮遊式装置１を所望の深度に浮遊させるためには、流速に応じても細かく水中浮遊式装置１の重量を調整する必要がある。したがって、重量を調整するためのバラストタンク２０内の水量を細かく変化させることが求められる。しかしながら、バラストタンク２０内の水量を調整するためには、ポンプＰを含む注排水部２１を動作させる必要があるため、微調整を繰り返すことで消費電力が増大する。また、バラストタンク２０内の水量を変更した場合の水中浮遊式装置１の深度の変化にはオーバーシュートが大きくなる傾向がある。したがって、水中浮遊式装置１において、バラストタンク２０内の水量の微調整を繰り返した場合でも、所望の深度に水中浮遊式装置１を滞在させることは困難であることが分かった。

これに対して、本実施形態に係る水中浮遊式装置１では、所定の範囲毎の水流の流速に対応させて、バラストタンク２０内の水量を設定している。このように水流の流速が所定の範囲にある間は、バラストタンク２０内の水量を変更しない構成とし、流速の微少な変化に対応する細かい水量の制御は行わないことで、まず消費電力を低減することができる。また、水流の流速が変化した場合にもバラストタンク２０内の水量を変更しない場合があるので、水中浮遊式装置１の深度は多少変化することが想定されるが、オーバーシュートによる深度の変化を減らすことができるため、結果として所望の深度の範囲内に水中浮遊式装置１を浮遊させることが可能となる。このように、本実施形態に係る水中浮遊式装置１によれば、電力消費を抑制しながら深度制御を行うことが可能となる。

また、上記実施形態に係る水中浮遊式装置１では、水流の流速の上昇に応じて、バラストタンク２０内の水量を低減させる構成としている。このような構成とすることで、水中浮遊式装置１を所望の深度の範囲内に継続して浮遊させることを可能とする。

また、上記実施形態に係る水中浮遊式装置１のように、発電部１２を有して、発電部１２で発電された電力を利用して注排水部２１が動作する構成である場合、上記のように、流速の微少な変化に対応する細かい水量の制御は行わない構成とすることで、発電された電力の利用を減らすことができる。したがって、発電部１２での実質的な発電量を増やすことができる。

以上、本発明の実施形態に係る水中浮遊式装置１について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、１台の水中浮遊式装置１が係留索２に対して接続されている例について説明したが、プロペラ１１をそれぞれ備えた２台の水中浮遊式装置１が互いに連結されている構成としてもよい。この場合、２台の水中浮遊式装置１のそれぞれが係留索により水中の同一の固定点に対して係留される構成とすることができる。また、２台の水中浮遊式装置１のプロペラ１１の回転方向を互いに異なる方向とすることで、２台の水中浮遊式装置１の姿勢を安定することができる。

また、上記実施形態では、バラストタンク２０が本体部１０内に設けられている構成について説明したが、本体部１０のほかに、装置全体の重量を調整するためのポッド等を別途設けて、このポッドにバラストタンク２０を設ける構成としてもよい。

また、水中浮遊式装置１に接続される係留索を固定する固定点は、水中浮遊式装置１の下方である必要はなく、その高さ（深さ）位置は変更することができる。

また、上記実施形態で説明した水中浮遊式装置１に加えて、自装置の深度を計測する装置を有し、深度計測結果を組み合わせて制御部１５がバラストタンク２０内の水量を制御する構成としてもよい。例えば、水量設定情報において示された設定値となるようにバラストタンク２０内の水量を制御しているにもかかわらず、実際に浮遊する深度が所望の深度とは異なる場合には、制御部１５において水量設定情報におけるバラストタンク２０内の設定値を変更（補正）するような構成としてもよい。

１水中浮遊式装置
１０本体部
１１プロペラ
１２発電部
１３流速センサ
１５制御部
２０バラストタンク
２１注排水部
２２レベルセンサ

Claims

係留索により係留されて水流中を浮遊する水中浮遊式装置であって、
自装置の重量を調整するためのバラストタンクと、
前記バラストタンク内の水量を変更する注排水部と、
前記水流の流速を計測する流速計測部と、
所定の流速の範囲毎に、自装置を所望の深度に浮遊させるための前記バラストタンク内の水量の設定値を対応付けた水量設定情報を保持し、前記流速計測部により計測された流速に基づいて、前記注排水部により前記バラストタンク内の水量を制御する制御部と、
を有する水中浮遊式装置。
前記水量設定情報は、前記水流の流速の上昇に応じて、前記バラストタンク内の水量の設定値を小さくすることを規定した情報である請求項１に記載の水中浮遊式装置。
前記水流を利用して発電を行う発電部を更に有し、
前記注排水部は、前記発電部により発電された電力を利用して動作する請求項１又は２に記載の水中浮遊式装置。