JP2019058052A - 作業用台船 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性の高い作業用台船向けの電力制御システムを構築することが可能になる。【解決手段】本発明に関わる作業用台船向けの電力制御システムはＭＰＵ１０１と蓄電池１０４を内包する蓄電池システム１０３を含んで構成される。ＭＰＵ１０１は作業負荷Ａへ電力を供給する発動機である。ＭＰＵ１０１が使い切れなかった電力を蓄電池１０４に充電する為のシステムが蓄電池システム１０３である。蓄電池システム１０３は、ＭＰＵ１０１からの入力電圧を降圧し、蓄電池１０４に充電する。【選択図】図２

Description

本発明は浚渫などに用いる作業用台船の電力制御方法、特に主機の発電制御に関する。

作業用台船は、浚渫や水底地盤の改良などの際、各種機器の足場として用いるものである。作業用台船は推進用の動力機関を持たず、タグボートなどによって押し引きすることで移動する。その移動手法からも明らかなとおり、作業用台船は主に港湾やその近海での活動が主になる。従って、作業用台船は静粛性が求められる場合も多々ある。

なおここで言う作業用台船は、非自航船はもちろん、帆走可能な自航船も含む。推進機関を有する自航船であっても良いが、後述するＭＰＵ、ＡＰＵは推進機関ないしはその関連機器を兼ねることはない。また、ここに言う非自航船は船舶安全法施行規則第２条第２項第３号で規定される「推進機関または帆走を有しない船舶」をいい、自航船はこれに含まれないものと定義する。

作業用台船はピンローラジャッキやクレーン、浚渫用グラブなど該台船の作業目的に応じて複数の装置を搭載する場合が多い。

通常、作業用台船は自身に搭載する発動機によって発電し、その電力で各種装置を動作させる。従って、作業時と非作業時では作業用台船で必要になる電力は大きく変化する。

一例として、ある作業用台船を上げる。この作業用台船では作業用機器使用時に最大約４００ＫＷの入力が必要になる。一方で、作業を行わない場合には最大６０ＫＷの入力が必要になる。

このような大きい電力変化に対応するために、これまでは主発動機（Ｍａｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）と補助発動機（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ：ＡＰＵ）の二種類の発動機を台船上に載せるのが一般的である。

作業用台船のＭＰＵとしては、一般的にはディーゼルエンジンが用いられている。そしてＭＰＵを動かすことで発電を行い、作業用機器使用時の最大必要電力を発電する。

一方、作業用台船のＡＰＵは作業用機器の使用、非使用に関わらず必要な電力を供給する。長期にわたる作業においては従事する作業員の居住施設用設備（例：エアコン、室内灯、給食設備）などにも電力は必要になる。これらが必要とする電力の発電には発動機が必要になることは言うまでもない。

しかし、このような目的の発電でＭＰＵを動かすと上記のように大半の電力を捨てるようなことも多い。またＭＰＵとは別に小型の発動機を配置すれば、夜間の騒音低減などで好ましい場合も多い。そこで一般的には作業用台船上にＡＰＵが配置される。

上記のようにＡＰＵはＭＰＵと比較すると小型低出力の発動機であることがほとんどである。そしてどのような発動機であっても最大効率で動くパワーバンドが存在し、其々のパワーバンドで各発動機を動かすことが燃費の面で好ましい。

このようにＭＰＵとＡＰＵという二つの発動機を用いて作業用台船の電力システムを構築するのが一般的である。そしてこれらの使い分けに技術者の苦労が垣間見られる。

従来の技術としては、特開２０１３−０５７３０３（引用文献１）があげられる。引用文献１は、風力、波力、潮力併用発電装置に関するものである。引用文献１には船上に風力による圧縮空気を貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された圧縮空気によって回転するターボファン及びそのターボファンの回転力で発電される発電機と、タンクの内圧が一定以上の場合に駆動される小型発電機が記載されている。

特開２０１３−０５７３０３公開公報

しかし、引用文献１記載の技術では、タンク内圧を制御の判断手段として使用する為、実質的に風力発電にしか適用できず汎用性に欠ける。

また、引用文献１記載の技術では発電側の都合での切り替えであり、電力消費側の都合は反映されていない。

本発明は、発電方式に寄らずより汎用性の高い電力制御を可能にする方法を提供するものである。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明に関わる代表的な作業用台船は、作業負荷とこの作業負荷を動作させるための作業用電力を供給するＭＰＵと、更に蓄電池を備える蓄電池システムを含み、この蓄電池は作業負荷に出力し、ＭＰＵは、自身の発電量のうち作業用電力を超える発電量を前記蓄電池システムに出力することを特徴とする。

この作業用台船において、ＭＰＵの出力は前記作業負荷の最大値未満であることを特徴としてもよい。

この作業用台船において、蓄電池システムはＭＰＵからの出力を降圧することを特徴としてもよい。

この作業用台船において、さらに昇圧器を含み、蓄電池システムの出力を前記昇圧器が直流交流変換及び昇圧することを特徴としてもよい。

この作業用台船において、さらに昇圧器を含み、前記蓄電池の出力を前記昇圧器が昇圧することを特徴としてもよい。

この作業用台船において、昇圧器の出力を前記作業用負荷に入力することを特徴としてもよい。

この作業用台船において、蓄電池システムは更にＡＰＵの接続も可能であることを特徴としてもよい。

この作業用台船において、充電池の出力を昇圧器あるいは定常負荷に入力することを特徴としてもよい。

これらの作業用台船において、充電池の出力を昇圧器及び定常負荷に入力することを特徴としてもよい。

この作業用台船において、蓄電池は複数の二次電池を直列に接続した物であることを特徴としてもよい。

この作業用台船において、蓄電池は着脱可能であることを特徴としてもよい。

本明細書記載の発明によって、汎用性の高い作業用台船向けの電力制御システムを構築することが可能になる。

また本明細書記載の発明によって、燃料消費・排気ガス・騒音の低減を図ることが可能になり、環境に優しいシステムを構築することが可能になる。

また本明細書記載の発明によって、発電機の消耗部品代、交換や状況把握に関わる人件費などメンテナンス費用を軽減することが可能になる。

従来の作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の前提になる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の第２の実施の形態における本発明の前提になる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の第２の実施の形態における本発明の前提になる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の第３の実施の形態の変形例を表す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基いて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、従来の作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。一方、図２は、本発明の前提になる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。

まず図１を用いて、従来の技術について説明する。
従来は、ＭＰＵ９０１とＡＰＵ９０２がそれぞれ独立して図示しない作業用台船上に配置されていた。

ＭＰＵ９０１は、クレーン、油圧ポンプ、清水冷却ポンプ、海水冷却ポンプと言った作業用機器（作業負荷Ａ）へ電力を供給する発動機である。

電力容量を考えずに作業を行うためには、ＭＰＵ９０１に接続されている作業負荷Ａを同時に最大出力で使用した場合でも十分な発電容量がＭＰＵ９０１には求められる。そして、これら作業用機器はＡＰＵ９０２に接続される船内空調や照明といった定常負荷Ｂなどと比べると極めて大きな電力が必要になる。これらに対応すべく、ＭＰＵ９０１はＡＰ９０２と比べて発電容量の大きな発動機が用いられる。

一方、ＡＰＵ９０２は、照明や空調機器、サニタリーポンプといった船内環境を快適に維持するための機器（定常負荷Ｂ）に電力を供給する発動機である。これらは作業中か否かに関わらず常時使用されるものがほとんどである。従って、このＡＰＵ９０２は常時動作することとなる。

図１に示す通り、従来はＭＰＵ９０１とＡＰＵ９０２は別の電力系統を持っている。作業負荷Ａの為に、ＭＰＵ９０１は最大電圧を２２０Ｖなどの高圧にする必要が多い。一方でＡＰＵ９０２は、日本国内では最大電圧を１００Ｖにする場合がほとんどである。最大電圧を１００Ｖにした方が船内に持ち込める機器に制限が掛からないためである。

このような構成をとると、電力系統をシンプルに構成できるといったメリットもあるが、デメリットも多い。その最たるものは、最大出力でＭＰＵ９０１を動作させると捨てる電力が多いことである。

既述の通り、ＭＰＵ９０１に接続された船内の機器全てを同時に最大出力で動かしても余裕があるようにＭＰＵ９０１の最大出力を定めれば、機器操作者は快適に船内の機器を使用することが可能になる。しかし裏を返せば「船内の機器全てを同時に最大出力で動かす」というレアな状況を想定して電力系統を設計していることになるため、ＭＰＵ９０１を常時最大出力で動かせば相応の電力を使わずにグランドに流すことになる。

また、ＭＰＵ９０１に何を使うかによって効率（＝燃費）が左右される。船舶でよく用いられるディーゼルエンジンは高圧下の拡散燃焼速度が遅いという欠点があるため大容積エンジンは低回転に限られる。従って、２台以上のディーゼルエンジンを必要とする場合も考えられる。

これに対し、ガスタービンエンジンは低速回転時と高速回転時の燃料消費率の差が少ない特徴がある。このためＭＰＵ９０１にガスタービンエンジンを用いると最大回転数の時に高燃費を達成することが可能になる。裏を返せば最大回転数を発揮することがほとんどなければ、ＭＰＵ９０１にガスタービンエンジンを利用することは燃費を悪化させるだけであまり好ましいとは言えない。

結果として、設計時に想定した使用形態と実際のユーザの使用形態に齟齬が生じていた場合には効率は悪化することとなる。

本発明は、これらの解消を目的としている。これより図２を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。

本発明の第１の実施の形態においては、ＭＰＵ１０１と蓄電池１０４を含む蓄電池システム１０３、昇圧器１０５を含んで構成される。なお、本実施の形態では説明を簡略化する為、定常負荷Ｂについては考慮しないものとする。

ＭＰＵ１０１は、従来例のＭＰＵ９０１と同じように作業負荷Ａへ電力を供給する発動機である。ＭＰＵ１０１とＭＰＵ９０１の異なる点とすれば、ＭＰＵ１０１を動作させるときには常にパワーバンドで動かすことを想定する点にある。

ただしＭＰＵ１０１をパワーバンドで動かすが、ＭＰＵ１０１に接続されている機器を同時に最大出力で使用することができるように設計していない。本実施の形態では、蓄電池１０４によるアシストを考えている為である。

またＭＰＵ１０１は交流をそのまま出力するか、直流に変換して出力するかはここでは特定しない。接続する作業負荷Ａが交流・直流のどちらを求めるかで決定すればよい。ただし、蓄電池システム１０３等で適宜変換を要することは言うまでもない。

蓄電池システム１０３は、ＭＰＵ１０１が使い切れなかった電力を蓄電池１０４に貯める為のシステムである。この際、蓄電池１０４への充電の為、ＭＰＵ１０１の出力電圧を降圧、昇圧させることも処理の一つに含まれる。また充電池１０４への充電の際には直流にする必要があるため、ここでＡＣ／ＤＣ変換するようにしても良い。

作業負荷Ａで使い切れない余った電力を蓄電池１０４で用いるようにすることで、作業負荷Ａの変動に伴うＭＰＵ１０１の回転数を変動する機会が減ることからＭＰＵ１０１をパワーバンドで使い続けることが可能になり、結果として低燃費を実現できる。

蓄電池システム１０３には、蓄電池１０４の容量を変更できるように挿抜可能にする。これにより作業負荷Ａに合った容量設計をするために蓄電池１０４の容量の増減が任意で可能になる。これにより蓄電池１０４のスケーラビリティを確保する。

充電池１０４は、蓄電池システム１０３に送られてきたＭＰＵ１０１からの電力を充電するための蓄電池である。主にリチウムイオン電池を想定するが、この限りではない。

昇圧器１０５は、充電池１０４の出力電圧（公称電圧）を昇圧する昇圧器である。二次電池の電圧では作業負荷Ａの使用には耐えられない場合が往々にしてあるため、ここで昇圧する。なお、必要な場合には昇圧器１０５の動作電力としてＭＰＵ１０１の出力を用いるのも考慮すべきであろう（図３はそのように記載）。また充電池１０４は直流電源であるので、作業負荷Ａが交流を必要とするときはここでＤＣ／ＡＣ変換をしても良い。

本実施の形態では、以下のような動作をする。
ＭＰＵ１０１は、「常に」パワーバンドで動作させる。上述の通り、本実施の形態に関わるＭＰＵ１０１はパワーバンドで動作させても、作業負荷Ａの最大値を供給できない。

よって作業負荷Ａが小さい場合であっても、ＭＰＵ１０１はパワーバンドで動作させる。極端なことを言えば、作業負荷Ａが０であってもＰＵ１０１は動作させる。そして、ＭＰＵ１０１の余剰電力は蓄電池システム１０３を経由して蓄電池１０４に充電される。

ＭＰＵ１０１が作業負荷Ａに十分な電力供給ができない場合、蓄電池１０４から電力が作業負荷Ａに対して供給される。この際、蓄電池１０４側の電圧が高ければ高いほど作業負荷Ａに対して電力が供給しやすくなるので、公称電圧の高いリチウムイオン二次電池が良い。但し、それでも３．７Ｖあたりが限界であるため、二次電池の直列接続だけでなく昇圧は考慮せねばならないであろう。

そこで昇圧器１０５が必要となる。昇圧器１０５は充電池１０４の電圧を昇圧する為のトランス等である。昇圧器１０５の前段の処理として蓄電池システム１０３及び蓄電池１０４の出力を直流から交流に変換し、後段の処理として電圧を上げ作業負荷Ａに対して出力する。その際、整流器１０６等により逆流の防止措置を取るべきであろう。

整流器１０６は、定常負荷ＡやＭＰＵ１０１からの出力が昇圧器１０５に流れないようにする素子である。これが正常に機能するためには昇圧器１０５で十分に電圧をあげ、絶えず昇圧器１０５から定常負荷Ａに電流が流れるようにする必要がある。

また昇圧器１０５による昇圧の際に電力が必要になる可能性があるが、その際にはＭＰＵ１０１からの電力を使用する。

なお、ＭＰＵ１０１からの出力及び昇圧器１０５の出力が作業負荷Ａの動作に余る場合には、その時初めて作業負荷Ａに送られた電力をグランドに流すこととなる。

このように、蓄電池１０４によってＭＰＵ１０１のアシストを行うことで、ＭＰＵ１０１の最大出力を「船内の機器全てを同時に最大出力で動かしても余裕がある」程度まで大きくする必要はなくなり、非自航船の船上設備の原価を低下させることが可能になる。

さらに、蓄電池１０４のスケーラビリティを確保することで、作業用台船の大きさ、作業負荷Ａに関わらず同一の蓄電池システム１０３を利用することが可能になる。結果として、作業用台船の大小にかかわらず同一のシステムを採用することが可能になる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について図を用いて説明する。
本実施の形態では、ＭＰＵ２０１とＡＰＵ２０２に分けてそれぞれで役割を分担する点に特徴がある。

図３は、本発明の第２の実施の形態における本発明の前提になる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。
本実施の形態に関わる発電システムでは、ＭＰＵ２０１、ＡＰＵ２０２、蓄電池システム２０３、蓄電池２０４、昇圧器２０５、整流器２０６を含んで構成される。

本実施の形態では、ＡＰＵ２０２を用意することで、蓄電池２０４に蓄えられた電力量に関わらず、作業負荷Ａへの電力供給のアシストを確実に行えるようにすることが特徴である。

ＭＰＵ２０１、蓄電池２０４、昇圧器２０５、整流器２０６は第１の実施の形態のそれらと同様であるので説明は省略する。

ＡＰＵ２０２は、補助用の発電機である。本実施の形態ではＡＰＵ２０２はピーク電源として弾力性を持った運用を行う必要がある。従って、基本ベースバンドが広い発動機を用いることが求められるが、必ずしもこれに拘るものではない。

蓄電池システム２０３は、同１０３と異なり、ＭＰＵ２０１だけでなくＡＰＵ２０２も接続できるようになっている。そしてこれらの発電機から送られてくる電力を充電池２０４や昇圧器２０５に送る。

このようにすることで蓄電池２０４に十分充電されていない場合であっても作業負荷Ａへの電力供給のアシストを確実に行うことができる。
（第３の実施の形態）

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態における本発明の前提になる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。

本図のシステムは基本的には第２の実施の形態同様である。但し、蓄電池システム３０３、蓄電池３０４からの出力が定常負荷Ｂに出力される点が相違する。

定常負荷Ｂは既述の通り、照明や空調機器、サニタリーポンプといった船内環境を快適に維持するための機器及びそれが消費する電力である。

蓄電池３０４だけでは、その充電量によっては定常負荷Ｂも維持できない可能性が高い。しかし、ＡＰＵ３０２があれば、機器設計の範囲内であれば定常負荷Ｂへの電力の供給を行いながら恒常的に作業負荷Ａへの電力アシストが可能になる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の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変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、上記ではＭＰＵをパワーバンドで動かすことを想定した。これはＭＰＵの燃費が悪化することを避けるためである。しかし、パワーバンドから外れた状態でＭＰＵを動かした場合に蓄電池に充電したものも本発明の射程に含まれる。

また図５のように、蓄電池４０４の出力を定常負荷Ｂに、蓄電池システム４０３の出力を昇圧器４０５経由で作業負荷Ａにそれぞれ出力するように、出力先を分けてしまうことも本発明の射程に含まれる。図５は本発明の第３の実施の形態の変形例を表す概念図である。もちろん逆（蓄電池４０４の出力を作業負荷Ａに蓄電池システム４０３の出力を定常負荷Ｂ）であっても問題はない。

また、図上では昇圧器の動作電圧をＭＰＵ１０１等から供給を受けていた。しかし、ＡＰＵが存在する場合には、ＡＰＵから供給を受けるようにしても良い。また、必要とする動作電圧が低い場合には図上の蓄電池から供給を受けても良い。

本発明は浚渫などに用いる作業用台船、及び作業用台船で用いられる電源の構成に関するものである。

１０１、２０１、３０１、４０１、９０１ ＭＰＵ、
２０２、３０２、４０２、９０２ ＡＰＵ、
１０３、２０３、３０３、４０３ 蓄電池システム、
１０４、２０４、３０４、４０４ 蓄電池、
１０５、２０５、３０５、４０５ 昇圧器、
１０６、２０６、３０６、４０６ 整流器、
Ａ 作業負荷、
Ｂ 定常負荷。

Claims (11)

1. 作業負荷と前記作業負荷を動作させるための作業用電力を供給するＭＰＵと、を含む作業用台船であって、
   更に蓄電池を備える蓄電池システムを含み、
   前記蓄電池は前記作業負荷に出力し、
   前記ＭＰＵは、自身の発電量のうち前記作業用電力を超える発電量を前記蓄電池システムに出力することを特徴とする作業用台船。
2. 請求項１記載の作業用台船において、
   前記ＭＰＵの出力は前記作業負荷の最大値未満であることを特徴とする作業用台船。
3. 請求項１記載の作業用台船において、
   前記蓄電池システムは前記ＭＰＵからの出力を降圧することを特徴とする作業用台船。
4. 請求項１記載の作業用台船において、
   さらに昇圧器を含み、前記蓄電池システムの出力を前記昇圧器が直流交流変換及び昇圧することを特徴とする作業用台船。
5. 請求項１記載の作業用台船において、
   さらに昇圧器を含み、前記蓄電池の出力を前記昇圧器が昇圧することを特徴とする作業用台船。
6. 請求項４又は５記載の作業用台船において、
   前記昇圧器の出力を前記作業用負荷に入力することを特徴とする作業用台船。
7. 請求項１乃至６記載の作業用台船において、
   前記蓄電池システムは更にＡＰＵの接続も可能であることを特徴とする作業用台船。
8. 請求項１乃至７記載の作業用台船において、
   前記充電池の出力を昇圧器あるいは定常負荷に入力することを特徴とする作業用台船。
9. 請求項１乃至７記載の作業用台船において、
   前記充電池の出力を昇圧器及び定常負荷に入力することを特徴とする作業用台船。
10. 請求項１記載の作業用台船において、
    前記蓄電池は複数の二次電池を直列に接続した物であることを特徴とする作業用台船。
11. 請求項１０記載の作業用台船において、
    前記蓄電池は着脱可能であることを特徴とする作業用台船。
    

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