JP2020148093A - 係留機構及び水流発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】係留索とケーブルとが絡み合うことを防止することができる係留機構及び水流発電システムを提供する。【解決手段】一態様では、係留索及びケーブルが接続された水中機器を係留するための係留機構が提供される。この係留機構は、水底に配置される錘と、錘に接続されたポールと、ポールと係留索とを連結する連結部材と、を備えている。ポールにはケーブルを挿通するための孔が形成され、孔はポールの軸線方向に沿って延在し、連結部材と係留索との連結点がポールの軸線周りで周回可能なように、連結部材はポールに対して可動する。【選択図】図２

Description

本開示は、係留機構及び水流発電システムに関する。

従来から、係留索によって水上又は水中を浮遊する水中装置を係留する技術が知られている（例えば、下記特許文献１〜８）。特許文献１には、海流を受けてタービンを回転させることで発電する水中浮遊式発電装置を係留することが記載されている。この水中浮遊式発電装置には、２本の係留索及び送電ケーブルが接続されている。２本の係留索は、Ｙ字状をなすように延在し、海底に配置されたシンカーに接続されている。送電ケーブルは、ケーブル保持機構に保持された状態で２本の係留索の間に沿って延在し、コネクタを介して海底に配置されたリジットケーブルに接続されている。特許文献１に記載の装置では、送電ケーブルを２本の係留索の間に保持することによって、２本の係留索と送電ケーブルを一体化し、その結果、係留索と送電ケーブルとが互いに干渉したり絡んだりすることを防止している。

特開２０１４−１４５３４６号公報 特開２０１３−２２７９６４号公報 特開２００２−２６６７４３号公報 特開２００３−０７４４５５号公報 特開２０１５−１３８５７９号公報 特開２０１１−１３２９４３号公報 特開２０１８−２０４５５８号公報 特開２０１８−１１４８９５号公報

この種の水中浮遊式発電装置は、海流の流れ方向の変化に応じてシンカー周りに回頭する機能を有している。特許文献１の技術では、水中浮遊式発電装置がシンカー周りに回頭すると、当該水中式発電装置と共に係留索がシンカー周りに移動して送電ケーブルに対して交差することで、係留索と送電ケーブルとが絡み合うことがある。なお、水中浮遊式発電装置が回頭しないように制御することも考えられるが、緊急時には当該制御を行うことが困難な場合がある。

したがって、係留索とケーブルとが絡み合うことを防止することができる係留機構及び水流発電システムを提供することが求められている。

一態様では、係留索及びケーブルが接続された水中機器を係留するための係留機構が提供される。この係留機構は、水底に配置される錘と、錘に接続されたポールと、ポールと係留索とを連結する連結部材と、を備えている。ポールにはケーブルを挿通するための孔が形成され、孔はポールの軸線方向に沿って延在し、連結部材と係留索との連結点がポールの軸線周りで周回可能なように、連結部材はポールに対して可動する。

上記態様に係る係留機構では、連結部材によって連結部材と係留索との接続点がポールの軸線周りで周回可能に構成されている。一方、ケーブルは、連結部材と係留索との連結点よりも内側でポールの軸線方向に沿って挿通されるので、水中機器が回頭して連結部材と係留索との連結点がポールの軸線周りに周回した場合であっても、係留索とケーブルとが交差することが防止される。その結果、係留索とケーブルとが絡み合うことを防止することができる。

一実施形態では、連結部材が、ポールを囲むように延在し、且つ、ポールに対して回転可能に設けられた環状体であってもよい。この実施形態では、環状の連結部材がポールに対して回転することによって、連結部材と係留索との連結点をポールの軸線周りに周回させることができる。

一実施形態では、ポールが、ポールからの連結部材の離脱を規制するフランジ部を有していてもよい。この実施形態では、連結部材が離脱することで、係留索がポールから外れることを防止することができる。

一実施形態では、ポールが、錘側に位置する一端と、一端の反対側に位置する他端とを有し、他端には、孔に連通する開口が形成され、開口にはケーブルが挿通可能であり、該開口は、連結部材よりも上方に配置されていてもよい。この実施形態では、水中機器が回頭して連結部材と係留索との連結点がポールの軸線周りに周回した場合であっても、係留索とケーブルとが交差することが防止される。その結果、係留索とケーブルとが絡み合うことを防止することができる。

一態様の水流発電システムは、水中機器である水流発電装置であり、水流を受けて発電する発電ポッドを有する、該水流発電装置と、上記の係留機構と、を備えている。このケーブルは、水流発電装置において発電された電力を送る送電ケーブルである。

上記態様に係る水流発電システムでは、水流発電装置の係留索とケーブルとが互いに絡むことを防止することができるので、水流発電装置の発電を安定化することができる。

本発明の一態様及び種々の実施形態によれば、係留索とケーブルとが絡み合うことを防止することができる。

一実施形態の水流発電システムの概略構成を示す図である。 一実施形態の係留機構を示す斜視図である。 軸線Ｚを含む断面に沿った係留機構の断面図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

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

図１を参照して、本実施形態の係留機構２０を備える水流発電システム１について説明する。図１に示されるように、水流発電システム１は、発電装置１０及び係留機構２０を備えている。

発電装置１０は、例えば海水中に設置されて浮遊し、海流を利用して発電を行う水流発電装置である。発電装置１０は、左右に離間して配置された一対の発電ポッドである第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂと、第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂを連結するクロスビーム１３とを備えている。第１ポッド１２Ａの後部には、発電用タービン１４Ａが設けられている。発電用タービン１４Ａには、第１ブレード１６Ａが取り付けられている。第２ポッド１２Ｂの後部には、発電用タービン１４Ｂが設けられている。発電用タービン１４Ｂには、第２ブレード１６Ｂが取り付けられている。以下の説明では、発電用タービン１４Ａ，１４Ｂを、それぞれ、第１タービン１４Ａ及び第２タービン１４Ｂという。

第１ポッド１２Ａは、第１タービン１４Ａを回転可能に支持しつつ、第１タービン１４Ａに適正な浮力を付与する。第２ポッド１２Ｂは、第２タービン１４Ｂを回転可能に支持しつつ、第２タービン１４Ｂに適正な浮力を付与する。第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂは、円筒状をなしており、例えば、同じ大きさ及び構造を有している。

第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂの間には、これらを連結する構造体であるクロスビーム１３が延在している（すなわち横断するように延びている）。クロスビーム１３は、前後方向に所定の長さを有し、所定の厚みを有する。クロスビーム１３は、浮遊する発電装置１０の姿勢を安定させるべく、例えば翼形状をなしている。クロスビーム１３の左右の両端は、例えば、第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂの胴部の略中央にそれぞれ固定されている。なお、クロスビーム１３が固定される位置は、上記の位置に限られない。クロスビーム１３は、ポッドの上部又は下部に固定されてもよいし、ポッドの前部又は後部に固定されてもよい。クロスビーム１３は、その延在方向（すなわち横断方向）において等しい断面形状を有してもよく、延在方向において変化する断面形状を有してもよい。クロスビーム１３の中央に、ポッドと同様の円筒状の物体が設けられてもよい。

発電装置１０に適用される第１タービン１４Ａ及び第２タービン１４Ｂは、いわゆるダウンウィンド型のタービンである。第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂは、海流の向きに対向した姿勢で浮遊する。したがって、発電装置１０は、海流の向きに追従するようにその向きを変化させる。浮遊状態において、第１タービン１４Ａ及び第２タービン１４Ｂの回転軸線は、略水平に維持される。なお、第１タービン１４Ａ及び第２タービン１４Ｂは、アップウィンド型のタービンであってもよい。

発電装置１０は、第１の係留索３Ａを介して係留機構２０に連結されている。第１の係留索３Ａは、発電装置１０を係留機構２０に係留するためのワイヤロープといった索体である。第１の係留索３Ａの一端からは、第２の係留索３Ｂ及び第３の係留索３ＣがＹ字状に分岐している。第２の係留索３Ｂの端部、及び、第３の係留索３Ｃの端部は、例えばシャックルを介して発電装置１０に連結されている。

発電装置１０は、これら第２の係留索３Ｂ及び第３の係留索３Ｃによって、異なる２点で係留されている。より詳細には、第２の係留索３Ｂの端部は、クロスビーム１３に対して、上流側から見て左側に接続されている。第３の係留索３Ｃの端部は、クロスビーム１３に対して、上流側から見て右側に接続されている。クロスビーム１３に対する第２の係留索３Ｂの係留点と、クロスビーム１３に対する第３の係留索３Ｃの係留点とは、クロスビーム１３の延在方向に所定の長さ離間している。

第１の係留索３Ａの他端は、係留機構２０に連結されている。後述するように、第１の係留索３Ａの他端は、係留機構２０のポール２４の軸線周りに周回可能なように係留機構２０に連結されている。

また、発電装置１０には、第１のケーブル４Ａが接続されている。第１のケーブル４Ａは、第１タービン１４Ａ及び第２タービン１４Ｂにおいて発電された電力を送電する送電ケーブルである。第１のケーブル４Ａの一端からは、第２のケーブル４Ｂ及び第３のケーブル４ＣがＹ字状に分岐している。第２のケーブル４Ｂの端部及び第３のケーブル４Ｃの端部は、第１ポッド１２Ａ及び第２ポッド１２Ｂ内の発電機にそれぞれ接続されている。第１のケーブル４Ａは、後述するように、係留機構２０に形成された孔２４ｈに挿通されている（図３参照）。第１のケーブル４Ａの他端は、例えば後述する係留機構２０の錘２２内に設けられた中継器（又は変圧器等）に接続されている。中継器には、水底ＷＢに敷設されて地上まで延びる水底ケーブル２３が接続されており、この水底ケーブル２３を介して、第１タービン１４Ａ及び第２タービン１４Ｂにおいて発電された電力が地上に送電される。

なお、各ケーブルが設けられる形態は上記形態に限られない。例えば、第１のケーブル４Ａ、第２のケーブル４Ｂ及び第３のケーブル４Ｃが、始動時のための給電ケーブルと一体になっていてもよい。第１タービン１４Ａに接続された第２のケーブル４Ｂが給電ケーブルであり、第２タービン１４Ｂに接続された第３のケーブル４Ｃが送電ケーブルであってもよい。また、第１のケーブル４Ａは、係留機構２０に形成された孔２４ｈを通過して係留機構２０の外部に取り出され、その他端が水底ＷＢに設けられた中継器に接続されていてもよい。第１のケーブル４Ａは、発電装置１０へ制御信号を送信する通信ケーブルを含んでもよい。

一実施形態では、第１のケーブル４Ａの一端側には、浮力を有するフロート２０ｆが設けられていてもよい。フロート２０ｆの浮力によって、第１のケーブル４Ａ、第２のケーブル４Ｂ及び第３のケーブル４Ｃが、第１の係留索３Ａ、第２の係留索３Ｂ及び第３の係留索３Ｃよりも水面ＷＳ側に浮上して配置される。

次いで、図２及び図３を参照して、一実施形態に係る係留機構について説明する。図２は一実施形態の係留機構２０を示す斜視図であり、図３は軸線Ｚを含む断面に沿った係留機構２０の断面図である。

係留機構２０は、錘２２、ポール２４及び連結部材２６を備えている。錘２２は、例えばアンカー又はシンカーといった支持具であり、水底ＷＢに設置されている。錘２２は、例えば直方体形状を有しており、その内部には、第１のケーブル４Ａが通過可能な通路２２ｐが形成されている。通路２２ｐは、一端及び他端を有している。通路２２ｐの一端は錘２２の上面に形成されており、通路２２ｐの他端は錘２２の側面に形成されていてもよい。

錘２２には、ポール２４が接続されている。ポール２４は、錘２２側に位置する一端２４ａと当該一端２４ａの反対側に位置する他端２４ｂとを有しており、一端２４ａが錘２２に固定されている。ポール２４は、円柱形状を有しており、一端２４ａと他端２４ｂとの間で軸線Ｚ方向に延在している。ポール２４は、例えば金属製の剛体である。

ポール２４には、第１のケーブル４Ａを挿通可能な孔２４ｈが形成されている。孔２４ｈは、軸線Ｚ方向に沿って延在しており、ポール２４の他端２４ｂ側に開口２５を提供している。開口２５は、孔２４ｈに連通している。一端２４ａ側の孔２４ｈの端部は、通路２２ｐの一端に対面するように設けられており、孔２４ｈは通路２２ｐに連通している。第１のケーブル４Ａは、開口２５から孔２４ｈ及び通路２２ｐ内に挿通されている。第１のケーブル４Ａは、孔２４ｈ内においてＺ方向に延在している。第１のケーブル４Ａの他端は、例えば通路２２ｐ内に設けられた中継器に接続されている。

また、ポール２４には、連結部材２６が取り付けられている。連結部材２６は、平面視において略楕円形状を有する環状体であり、ポール２４を囲むように延在している。連結部材２６には、チェーン２８及びシャックル３０を介して第１の係留索３Ａの他端が接続されている。すなわち、連結部材２６は、ポール２４と第１の係留索３Ａとを連結している。連結部材２６の内周とポール２４の外周面との間には、連結部材２６のポール２４に対する回転を許容する隙間が形成されている。したがって、連結部材２６は、ポール２４に対して回転可能である。

一実施形態では、ポール２４の他端２４ｂ側には、連結部材２６のポール２４からの離脱を規制するフランジ部２４ｆが設けられてもよい。フランジ部２４ｆは、軸線Ｚ方向において、連結部材２６よりも上方に配置されている。フランジ部２４ｆは、例えば円形の平面形状を有しており、連結部材２６の内径の最小値よりも大きな径を有している。したがって、フランジ部２４ｆの径は、ポール２４の径よりも大きい。このようなフランジ部２４ｆを備えることによって、連結部材２６がポール２４から抜けることが防止される。

以下、図４を参照して、係留機構２０の動作について説明する。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。

図４に示すように、海流の向きが変化するなどして発電装置１０がＲ方向に回頭した場合には、第１の係留索３Ａの張力によって、連結部材２６の内周面がポール２４の外周面に対して摺動しながら、連結部材２６がポール２４に対して回転する。これに伴い、連結部材２６と第１の係留索３Ａとの連結点Ｃは、ポール２４の周囲において、軸線Ｚ周りでＲ方向に移動する。すなわち、連結部材２６は、連結点Ｃが軸線Ｚを中心とする仮想円３２に沿って周回可能なようにポール２４に対して可動する。なお、図４に示す実施形態のように、チェーン２８及びシャックル３０といった金物を介して連結部材２６と第１の係留索３Ａとが連結されている場合は、第１の係留索３Ａと金物との接続位置が連結点Ｃとなる。連結部材２６と第１の係留索３Ａとが直接連結される場合には、連結部材２６と第１の係留索３Ａとの接続位置が連結点Ｃとなる。

図４に示すように、係留機構２０では、連結部材２６と第１の係留索３Ａとの連結点Ｃが軸線Ｚの周りを周回可能に構成されているので、発電装置１０が回頭した場合であっても、第１の係留索３Ａに捩れが生じることが防止される。一方、第１のケーブル４Ａは、仮想円３２よりも内側の孔２４ｈ内でＺ方向に延在しているので、連結点Ｃがポール２４の周囲を周回した場合であっても、第１の係留索３Ａが第１のケーブル４Ａに対して交差することがない。したがって、係留機構２０によれば、第１のケーブル４Ａと第１の係留索３Ａとが絡み合うことが防止される。

以上、種々の実施形態に係る係留機構及び水流発電システムについて説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形態様を構成可能である。

例えば、上記実施形態においては、左右二つの発電ポッドをクロスビーム１３によって連結した発電装置１０を用いる場合について説明したが、発電装置１０はこのように構成されるものに限られない。例えば、発電装置１０は、左右二つの発電ポッドの間に中央ポッドを備えていてもよいし、一つの発電ポッドを備えて構成されていてもよい。また、三つ以上の発電ポッドを備えるものであってもよい。

また、上記実施形態では、係留機構２０によって係留される対象物が発電装置１０であったが、係留索及びケーブルが接続された水中機器であれば係留機構２０によって係留される対象物は水流発電装置に限定されない。例えば、係留機構２０は、水面又は水中で作業するロボットを係留してもよい。なお、水中機器とは、水面又は水中を浮遊する装置を意味している。

また、第１のケーブル４Ａ、第２のケーブル４Ｂ及び第３のケーブル４Ｃは、発電した電力を送電する送電ケーブルに限定されず、制御信号を送受信するためのケーブルであってもよい。上記実施形態では、発電装置１０が、第２の係留索３Ｂ及び第３の係留索３Ｃによって異なる２点で係留されているが、発電装置１０は１点で係留されていてもよい。
例えば、第２のケーブル４Ｂ及び第３のケーブル４Ｃを備えずに、第１の係留索３Ａが発電装置１０に直接接続されていてもよい。また、発電装置１０には、第２のケーブル４Ｂ及び第３のケーブル４Ｃが接続されているが、第１のケーブル４Ａが発電装置１０に直接接続されていてもよい。

また、上記実施形態では、チェーン２８及びシャックル３０といった金物を介して連結部材２６と第１の係留索３Ａとが連結されているが、一実施形態では、第１の係留索３Ａが連結部材２６に対して直接接続されていてもよい。さらに、上記実施形態においては、水流発電装置が海に設置される場合について説明したが、水流発電システム１は、河川や湖などの水中に設置される場合もある。この場合であっても、水流による発電が可能であれば、上記実施形態に係る水流発電システム１と同様な作用効果を得ることができる。

１ 水流発電システム
３Ａ 第１の係留索
３Ｂ 第２の係留索
３Ｃ 第３の係留索
４Ａ 第１のケーブル（送電ケーブル）
４Ｂ 第２のケーブル
４Ｃ 第３のケーブル
１０ 発電装置（水中機器）
１２Ａ 第１ポッド（発電ポッド）
１２Ｂ 第２ポッド（発電ポッド）
２０ 係留機構
２２ 錘
２４ ポール
２４ａ 一端
２４ｂ 他端
２４ｆ フランジ部
２４ｈ 孔
２５ 開口
２６ 連結部材
Ｃ 連結点
ＷＢ 水底
Ｚ 軸線

Claims (5)

1. 係留索及びケーブルが接続された水中機器を係留するための係留機構であって、
   水底に配置される錘と、
   前記錘に接続されたポールと、
   前記ポールと前記係留索とを連結する連結部材と、
   を備え、
   前記ポールには前記ケーブルを挿通するための孔が形成され、前記孔は前記ポールの軸線方向に沿って延在し、
   前記連結部材と前記係留索との連結点が前記ポールの軸線周りで周回可能なように、前記連結部材は前記ポールに対して可動する、係留機構。
2. 前記連結部材が、前記ポールを囲むように延在し、且つ、前記ポールに対して回転可能に設けられた環状体である、請求項１に記載の係留機構。
3. 前記ポールが、前記ポールからの前記連結部材の離脱を規制するフランジ部を有している、請求項１又は２に記載の係留機構。
4. 前記ポールが、前記錘側に位置する一端と、前記一端の反対側に位置する他端とを有し、前記他端には、前記孔に連通する開口が形成され、
   前記開口には前記ケーブルが挿通可能であり、該開口は、前記連結部材よりも上方に配置されている、請求項１〜３の何れか一項に記載の係留機構。
5. 前記水中機器である水流発電装置であり、水流を受けて発電する発電ポッドを有する、該水流発電装置と、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の係留機構と、
   を備え、
   前記ケーブルが、前記水流発電装置において発電された電力を送る送電ケーブルである、水流発電システム。
   
   

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