JP2023123243A - 波浪エネルギー回収装置及び船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】波浪エネルギーにより発電することができる、波浪エネルギー回収装置及び船舶を提供する。
【解決手段】 波浪エネルギー回収装置５は、鉛直方向に延びるように構成された一対のサイドタンク５１ａ，５１ｂと、サイドタンク５１ａ，５１ｂの底部を連結するボトムタンク５１ｃと、サイドタンク５１ａ，５１ｂ及びボトムタンク５１ｃ内に張られた液体に浮くようにサイドタンク５１ａ，５１ｂの各内部に配置された一対のフロート５２ａ，５２ｂと、一対のフロート５２ａ，５２ｂをサイドタンク５１ａ，５１ｂの外部を経由して連結する索体５３と、索体５３の中間部に配置され索体５３が巻かれたリール５４と、リール５４に接続された発電機５５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波浪エネルギー回収装置及び船舶に関し、特に、船体の揺動により発電可能な波浪エネルギー回収装置及び該波浪エネルギー回収装置を備えた船舶に関する。

近年、化石燃料の枯渇問題や地球温暖化等の環境問題の観点から、船舶の分野においてもグリーンイノベーションが求められている。特に、一度の航海に長い時間を要する外航船では、航海中に何らかの手段でエネルギーを得る技術が望まれている。航行中の船舶を考える場合、巨大な船体を揺動させる波浪エネルギーが有力なエネルギー源として考えられる。

ところで、船舶の航行中や停船中に船体の横揺れを低減させるための減揺装置として、例えば、特許文献１に記載されたようなアンチローリングタンクが知られている。

アンチローリングタンクは、船体の上部の最大幅位置の左右舷に互いに船幅方向に離間して設けられた一対のウイングタンクと、これらウイング間を連結するダクトと、を備えている。これらウイングタンク及びダクト内には液体が収容されており、該液体がダクトを介して一対のウイングタンク間で船幅方向に移動することで、船体の揺れを低減させるように構成されている。

特開２０１５－１６３４９０号

上述したアンチローリングタンクでは、減揺装置として利用されているだけであり、波浪エネルギーをエネルギー源として利用されていないのが現状である。

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、波浪エネルギーにより発電することができる、波浪エネルギー回収装置及び船舶を提供することを目的とする。

本発明によれば、鉛直方向に延びるように構成された一対のサイドタンクと、前記サイドタンクの底部を連結するボトムタンクと、前記サイドタンク及び前記ボトムタンクに張られた液体に浮くように前記サイドタンクの各内部に配置された一対のフロートと、前記一対のフロートを前記サイドタンクの外部を経由して連結する索体と、前記索体の往復運動により発電可能な発電機と、を備え、前記フロートの揺動により前記リールを回転させ前記発電機で発電するようにした、ことを特徴とする波浪エネルギー回収装置が提供される。

前記波浪エネルギー回収装置は、前記索体を前記発電機に案内する案内手段を備えていてもよい。

前記波浪エネルギー回収装置は、前記一対のサイドタンクの上部を連結するダクト又は前記一対のサイドタンクの上部に形成された開口部を備えていてもよい。

前記波浪エネルギー回収装置は、前記フロートの揺動方向を案内するガイド部材を備えていてもよい。

前記フロートの重量は、完全没水時の浮力より大きくなるように設定されていてもよい。

前記サイドタンク及び前記ボトムタンクは、固有周期が使用状態に想定される発電ポテンシャルの周波数特性曲線のピーク値に基づいて設計されていてもよい。

また、本発明によれば、上述した何れかの構成の波浪エネルギー回収装置を備えた、ことを特徴とする船舶が提供される。

前記一対のサイドタンクは、船体の船長方向又は船幅方向に沿って配置されていてもよい。

前記波浪エネルギー回収装置は、前記船舶の重心から船長方向、高さ方向又は船幅方向に離れた位置に設置されていてもよい。

上述した本発明に係る波浪エネルギー回収装置及び船舶によれば、フロートの揺動を索体の往復直線運動に変換することができ、この往復直線運動を発電機により電力に変換することができ、フロートを揺動させる波浪エネルギーを回収して発電することができる。

本発明の第一実施形態に係る船舶を示す全体構成図である。 波浪エネルギー回収装置の配置例を示す平面図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は変形例、を示している。 波浪エネルギー回収装置の変形例を示す部分拡大図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、を示している。 タンク形状の設計方法の一例を示す図であり、（Ａ）は船体運動関数、（Ｂ）は周波数スペクトル、（Ｃ）は発電ポテンシャルの周波数特性曲線の第一例、（Ｄ）は発電ポテンシャルの周波数特性曲線の第二例を、示している。

以下、本発明の実施形態について図１～図４（Ｄ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る船舶を示す全体構成図である。図２は、波浪エネルギー回収装置の配置例を示す平面図であり、（Ａ）は第一実施形態、（Ｂ）は変形例、を示している。

本発明の第一実施形態に係る船舶１は、例えば、図１及び図２（Ａ）に示したように、浮体を構成する船体２と、船体２を推進させる推進器３と、船体２の上甲板２１上に配置された居住区４と、上甲板２１上に配置された波浪エネルギー回収装置５と、を備えている。なお、図１～図２（Ｂ）に示した船舶１の構成はデフォルメしてある。

船舶１は、例えば、バルクキャリアであり、上甲板２１にハッチカバー２２が配置される。なお、船舶１は、バルクキャリア以外のタンカー等の他の貨物船、コンテナ船、フェリー等であってもよい。また、船舶１は、例えば、大型船舶であるが、これに限定されるものではない。

波浪エネルギー回収装置５は、例えば、鉛直方向に延びるように構成された一対のサイドタンク５１ａ，５１ｂと、サイドタンク５１ａ，５１ｂの底部を連結するボトムタンク５１ｃと、サイドタンク５１ａ，５１ｂ及びボトムタンク５１ｃ内に張られた液体に浮くようにサイドタンク５１ａ，５１ｂの各内部に配置された一対のフロート５２ａ，５２ｂと、一対のフロート５２ａ，５２ｂをサイドタンク５１ａ，５１ｂの外部を経由して連結する索体５３と、索体５３の中間部に配置され索体５３が巻かれたリール５４と、リール５４に接続された発電機５５と、を備えている。

サイドタンク５１ａ，５１ｂ及びボトムタンク５１ｃにより構成されるタンク５１は、角張った略Ｕ字形状を有しており、内部に海水等の液体が汲み入れられている。タンク５１を水平面に配置した状態で、サイドタンク５１ａ，５１ｂは鉛直方向に延びるように構成されており、ボトムタンク５１ｃは水平方向に延びるように構成されている。

液体は、サイドタンク５１ａ，５１ｂの上部に液体の上下運動を許容する上部空間を形成するように供給されている。サイドタンク５１ａ，５１ｂの上部には、サイドタンク５１ａ，５１ｂ同士の上部空間を連通するダクト５６が配置されている。ダクト５６により、サイドタンク５１ａ，５１ｂ間における上部空間の空気の流動性を確保することができる。なお、ダクト５６に替えて、サイドタンク５１ａ，５１ｂの各上部に空気抜き弁を配置するようにしてもよい。

フロート５２ａ，５２ｂは、例えば、上下方向に細長い形状を有し、底部に浮力を調整し浮遊姿勢を安定させる錘が配置されている。かかる構成により、フロート５２ａ，５２ｂの浮力、浮遊姿勢、喫水断面積等を調整することができる。

フロート５２ａ，５２ｂの重量Ｗは、完全没水時の浮力Δより大きくなるように設定される。したがって、フロート５２ａ，５２ｂは、タンク５１内の液体の密度をρ、液体の体積をＶとすれば、Ｗ＞Δ＝ρｇＶの関係を有している。かかる構成により、フロート５２ａ，５２ｂが上下運動した場合であっても索体５３に常に張力を作用させることができ、索体５３の緩みを抑制することができる。

また、フロート５２ａ，５２ｂは、標準喫水では浮力よりも重力が大きい状態であるが、水面上に予備浮力を持たせることにより、仮に索体５３が切断した場合であっても、フロート５２ａ，５２ｂを液体中で浮力と重力をバランスさせることができ、タンク５１の破損を抑制することができる。

タンク５１は、船体２とともに揺動し、サイドタンク５１ａ，５１ｂ内の液体の液面は相対的に上下運動をおこなう。したがって、フロート５２ａ，５２ｂは、液面の上下運動に伴って相対的に上下運動を行う。

フロート５２ａ，５２ｂは、上部にワイヤロープ等の索体５３が接続されている。索体５３は、サイドタンク５１ａ，５１ｂの上面に形成された開口部に挿通されている。また、索体５３は、サイドタンク５１ａ，５１ｂの上部に配置された案内手段５７ａ，５７ｂによりリール５４に案内されていてもよい。案内手段５７ａ，５７ｂは、例えば、滑車である。なお、説明の便宜上、案内手段５７ａ，５７ｂを支持する支持部材については図を省略してある。

リール５４は、索体５３の巻き取り軸を有している。索体５３の両端はフロート５２ａ，５２ｂに接続され、索体５３の中間部はリール５４に少なくとも一巻き以上巻き付けられている。したがって、フロート５２ａ，５２ｂの相対的な上下運動によって索体５３が水平方向に交互に引っ張られて往復運動する。この索体５３の往復運動によりリール５４が回転される。なお、説明の便宜上、リール５４を支持する支持部材については図を省略してある。

発電機５５は、リール５４の巻き取り軸の回転運動を電力に変換する機器である。発電機５５は、リール５４の巻き取り軸により回転される回転軸を備えている。また、巻き取り軸と回転軸との間にはベルト駆動機構や歯車機構等の動力伝達機構が配置される。また、動力伝達機構は増幅装置や回転方向を一方向に制御するラチェット機構等を含んでいてもよい。

上述した実施形態では、索体５３の往復直線運動をリール５４の回転運動に変換して発電する場合について説明しているが、発電方法はかかる構成に限定されるものではない。例えば、発電機５５は、索体５３に配置された永久磁石の往復直線運動を電力に変換するリニア発電機であってもよい。

図１及び図２（Ａ）に示したように、第一実施形態に係るタンク５１は、サイドタンク５１ａ，５１ｂが船長方向に沿って配置されている。また、船体２のバランスを考慮して、本実施形態では左舷側と右舷側の二箇所に波浪エネルギー回収装置５を配置している。また、タンク５１は、図２（Ｂ）に示したように、サイドタンク５１ａ，５１ｂが船幅方向に沿って配置されていてもよい。

船体２には、一般に、船長方向を回転軸とするロール（横揺）、船幅方向を回転軸とするピッチ（縦揺）及び高さ方向を回転軸とするヨー（船首揺）の回転モーメントが生じる。図２（Ａ）に示した第一実施形態では、船体２に生じるピッチ（縦揺）を主に利用し、図２（Ｂ）に示した変形例では、船体２に生じるロール（横揺）やヨー（船首揺）を主に利用している。

なお、上述した波浪エネルギー回収装置５は、フロート５２ａ，５２ａの上下運動を索体５３の往復直線運動に変換して発電するようにした構成であるため、ロール（横揺）、ピッチ（縦揺）及びヨー（船首揺）を含む船体２に生じる全ての揺れを利用することができる。

タンク５１の配置する向きは、船体２の形状、タンク５１の大きさ、船舶１の種類、船舶１の航海時における想定海象等の条件により設定される。なお、一般に、ピッチ（縦揺）の方がロール（横揺）やヨー（船首揺）よりも振幅が大きいことから、図２（Ａ）に示した第一実施形態のようにサイドタンク５１ａ，５１ｂを船長方向に沿って配置することが好ましい。

上述した波浪エネルギー回収装置５は、必要に応じて船上に複数設置してもよいし、上甲板２、船体２内、居住区４等の異なる部分に分散して配置してもよい。また、タンク５１を船長方向に配置した波浪エネルギー回収装置５とタンク５１を船幅方向に配置した波浪エネルギー回収装置５を混在させてもよい。

ここで、図３は、波浪エネルギー回収装置の変形例を示す部分拡大図であり、（Ａ）は第一変形例、（Ｂ）は第二変形例、を示している。なお、説明の便宜上、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、図１のサイドタンク５１ａ側の構成のみを図示してある。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示した変形例は、サイドタンク５１ａ内にフロート５２ａの揺動方向を案内するガイド部材５８を配置したものである。かかるガイド部材５８を配置することにより、船体２の６自由度運動によるフロート５２ａ，５２ｂの振れ回りを抑制することができる。

ガイド部材５８は、例えば、円筒等の筒形状を有している。例えば、ガイド部材５８の上端は、サイドタンク５１ａの天井部内面に接続された支持部材５９ａにより支持され、ガイド部材５８の下端は、サイドタンク５１ａの側面部内面に接続された支持部材５９ａにより支持される。支持部材５９ａ，５９ｂは、例えば、ガイド部材５８の周面に放射状に複数配置される。なお、支持部材の形状や配置は任意に設計される。

図３（Ａ）に示した第一変形例は、図１に示した第一実施形態のタンク５１にガイド部材５８を配置したものである。図３（Ｂ）に示した第二変形例は、サイドタンク５１ａの天井部にガイド部材５８と連通する開口部５１ｄを形成したものである。かかる第二変形例によれば、ダクト５６を省略することができる。

ここで、図４は、タンク形状の設計方法の一例を示す図であり、（Ａ）は船体運動応答関数、（Ｂ）は周波数スペクトル、（Ｃ）は発電ポテンシャルの周波数特性曲線の第一例、（Ｄ）は発電ポテンシャルの周波数特性曲線の第二例を、示している。

図４（Ａ）に示した船体運動応答関数のグラフおいて、横軸は出会波周期（ｓｅｃ）、縦軸は応答値／（波高／２））を示している。また、図４（Ｂ）に示した周波数スペクトルのグラフにおいて、横軸は出会波周期（ｓｅｃ）、縦軸は波スペクトル（ω）を示している。なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示したグラフは単なる一例である。

図４（Ｃ）に示した発電ポテンシャルの周波数特性曲線は、設計上想定するシー・ステート（波高・波周期）の周波数スペクトルの平方根と、対象船の航海速力・波との平均的な出会い角に対する縦揺れの応答関数を乗じることによって求められる。図４（Ｃ）に示した発電ポテンシャルの周波数特性曲線の第一例は、図４（Ａ）に示した船体運動応答関数及び図４（Ｂ）に示した周波数スペクトルのサンプルから作成された周波数特性曲線である。

図４（Ｃ）に示したように、発電ポテンシャルの周波数特性曲線のピーク値Ｐｃが明確な場合は、ピーク値Ｐｃとなる角周波数に対応する周期がタンク５１の固有周期となるようにタンク５１（サイドタンク５１ａ，５１ｂ及びボトムタンク５１ｃ）の寸法を決定する。すなわち、タンク５１（サイドタンク５１ａ，５１ｂ及びボトムタンク５１ｃ）の固有周期は、使用状態に想定される発電ポテンシャルの周波数特性曲線のピーク値Ｐｃに基づいて設計されている。

図４（Ｄ）に示した発電ポテンシャルの周波数特性曲線の第二例は、図４（Ａ）に示した船体運動応答関数及び図４（Ｂ）に示した周波数スペクトルとは別のサンプルを用いて周波数特性曲線を作成したものである。

図４（Ｄ）に示したように、発電ポテンシャルの周波数特性曲線が明確なピークを持たない場合やピークに近い数値を示す複数の山を有する場合は、より多くの電力が得られるように固有周期をできるだけ短周期側（図の左側）に合わせるようにしてもよい。例えば、ピーク値Ｐｄとなる角周波数に対応する周期がタンク５１の固有周期となるようにタンク５１（サイドタンク５１ａ，５１ｂ及びボトムタンク５１ｃ）の寸法を決定する。

なお、フロート５２ａ，５２ｂ、索体５３、リール５４、発電機５５等により構成される振動系は、振動系の固有周期がタンク５１内の液体の固有周期と同程度になるようにして同調現象を積極的に利用するように設計してもよい。また、振動系は、振動系の固有周期がタンク５１内の液体の固有周期と同調しないように、液面に単純追従させるように設計してもよい。

ところで、上述した波浪エネルギー回収装置５は、タンク５１内の液体に作用する慣性力が大きいほど高いエネルギー吸収効果を得ることができるという特性を有している。図１に示したように、船体２の重心をＧ、タンク５１の中心点と重心Ｇとの水平距離をＬ、タンク５１の底部から船体２の底部までの鉛直距離をＨ、液面高さ（タンク５１の底部から液面までの鉛直距離）をＨｔ、タンク５１の高さ（タンク５１の底部からタンク５１の上端部までの鉛直距離）をＤｔ、重心Ｇの高さ（船体２の底部から重心Ｇまでの鉛直距離）をＫｇ、と定義する。

したがって、タンク５１は、重心Ｇの位置からできるだけ離れた位置に設置することが好ましい。具体的には、タンク５１は、水平距離Ｌ又は鉛直距離Ｈの数値ができるだけ大きくなるように設置される。また、タンク５１は、重心Ｇの位置から船幅方向にできるだけ離れた位置に設置することが好ましい。

ただし、図１に示した第一実施形態のように、船体２に生じるピッチ（縦揺）を利用して波浪エネルギーを回収する場合は、重心Ｇから同じ距離であっても重心Ｇの下方よりも上方にタンクを設置した方が高い効果を得られることから、Ｈ≧Ｋｇとなるように設定してもよい。

また、タンク５１内に配置されたフロート５２ａ，５２ｂの上下運動を利用するため、液面高さＨｔはタンク高さＤｔの中央付近に設定することが好ましい。すなわち、Ｈｔ≒Ｄｔ／２となるように設定される。

上述した本実施形態に係る波浪エネルギー回収装置５及び船舶１によれば、フロート５２ａ，５２ｂの揺動を索体５３の往復直線運動に変換することができ、この往復直線運動を発電機５５により電力に変換することができ、フロート５２ａ，５２ｂを揺動させる波浪エネルギーを回収して発電することができる。

また、波浪エネルギー回収装置５により回収した電力を船内で利用することにより、船体２に搭載されるディーゼル発電機を削減することができ、重油を燃やす際に生じる温室効果ガス等を削減することもできる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、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 船舶
２ 船体
３ 推進器
４ 居住区
５ 波浪エネルギー回収装置
２１ 上甲板
２２ ハッチカバー
５１ タンク
５１ａ，５１ｂ サイドタンク
５１ｃ ボトムタンク
５１ｄ 開口部
５２ａ，５２ｂ フロート
５３ 索体
５４ リール
５５ 発電機
５６ ダクト
５７ａ，５７ｂ 案内手段
５８ ガイド部材
５９ａ，５９ｂ 支持部材

Claims (9)

1. 鉛直方向に延びるように構成された一対のサイドタンクと、
   前記サイドタンクの底部を連結するボトムタンクと、
   前記サイドタンク及び前記ボトムタンクに張られた液体に浮くように前記サイドタンクの各内部に配置された一対のフロートと、
   前記一対のフロートを前記サイドタンクの外部を経由して連結する索体と、
   前記索体の往復運動により発電可能な発電機と、を備え、
   前記フロートの揺動により前記リールを回転させ前記発電機で発電するようにした、
   ことを特徴とする波浪エネルギー回収装置。
2. 前記索体を前記発電機に案内する案内手段を備えた、請求項１に記載の波浪エネルギー回収装置。
3. 前記一対のサイドタンクの上部を連結するダクト又は前記一対のサイドタンクの上部に形成された開口部を備えた、請求項１に記載の波浪エネルギー回収装置。
4. 前記フロートの揺動方向を案内するガイド部材を備えた、請求項１に記載の波浪エネルギー回収装置。
5. 前記フロートの重量は、完全没水時の浮力より大きくなるように設定されている、請求項１に記載の波浪エネルギー回収装置。
6. 前記サイドタンク及び前記ボトムタンクは、固有周期が使用状態に想定される発電ポテンシャルの周波数特性曲線のピーク値に基づいて設計されている、請求項１に記載の波浪エネルギー回収装置。
7. 請求項１～請求項６の何れか一項に記載の波浪エネルギー回収装置を備えた、ことを特徴とする船舶。
8. 前記一対のサイドタンクは、船体の船長方向又は船幅方向に沿って配置されている、請求項７に記載の船舶。
9. 前記波浪エネルギー回収装置は、前記船舶の重心から船長方向、高さ方向又は船幅方向に離れた位置に設置されている、請求項７に記載の船舶。