JP3973124B2 - 風力利用船 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願発明は、風力エネルギ−により航走する風力利用船に関し、詳しくは常時自然風方向に正対して回転する風車により推進する風力利用船に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
風エネルギ−を利用して推力を発生させる船舶としては、従来、帆船、ヨット、および風車船が知られている。帆船は構造が比較的簡単であるが、風向きと正反対の向きの推力を発生することすなわち風に正対して直進することができないという欠点を有する。これに対し、帆における揚力により推進するヨットは所定角度で向かい風でも航走できる利点を有するが、操船が難しい。
一方、風車船は、水平軸風車または垂直軸風車により風エネルギ−を回転エネルギ−に変換してこのエネルギ−を水中のスクリュ−プロペラに伝達するものであるから、風に正対して直進することができる。このような風車船としては、図6に示すものがある。図において、1は船体、2はマスト、3はセンタ−ボ−ド、4は舵、5はリンク機構、6は回転軸、7はプロペラ型風車、そして8は風見安定板である。風見安定板8により、プロペラ型風車のロ−タ−(回転面)は常に風向き方向に維持され、風車の回転を不図示のスクリュ−に伝達して船体を航進させるようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の風車船は、自然風のエネルギ−を効率良く利用できないという問題がある。すなわち、いま、風力船1が図7に示すように真横からの自然風W1,W2により矢符A方向へ航進する場合、スタ−ト時に船体は真横から自然風W1,W2を受風する。しかし、航進につれて船体は斜め前方からの風W2,W2を受風することになる。この理由は、船体はその進行に伴い見掛け上の風(自走風)W3を受けることとなり、この結果船体は真横からの自然風W1と進行方向からの見掛け上の風(自走風)W3の相互作用により、斜め前方からの風W2,W2を受風する。 したがって、風車7のロ−タ−は風見安定板8の作用により斜め前方からの風W2,W2方向に正対して回転することとなる。
換言すれば、船体は斜め前方からの風W2,W2の風エネルギ−を回転エネルギ−に変換して航進することとなる。したがって、風車7は、自然風W1のエネルギ−のうち見掛け上の風(自走風)W3により減殺された残余のエネルギ−を利用できるに過ぎない。
さらに、このような従来の風車船では、自然風を船体の進行方向または逆方向から受ける場合、舟速を風速以上にできないという欠点もある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、船上に設けられピッチ可変型プロペラを具えた風車機構と、風車機構により回転駆動される発電機と、発電された電流を充電するための蓄電池と、風車機構により回転駆動されるスクリューと、蓄電池の放電により前記スクリューを回転駆動する電動機と、プロペラピッチの制御装置と、船体に対する自然風の方位検知装置と、この方位検知装置の検知した自然風の方向に風車のローターを維持するローター方位制御装置と、
制御手段とを具え、この制御手段は前記風車機構におけるプロペラの回転面であるローターの方位に対する回動動作の駆動制御、ローター方位制御装置の駆動手段の動作制御をなすとともに、航走制御装置として現在地および設定した目的位置情報、現時点での自然風の方位と速度、潮流の方位と速度等の各情報を随時処理して風車、発電機、電動機の動作を制御し、船体の推進力を自然風の方向に応じて風力、電力、または風力・電力のいずれかに設定して航走が可能なようにした風力利用船を提供して上記従来の課題を解決しようとするものである。
【0005】
上記において、風車機構は、水平回転軸に固定されるピッチ可変型プロペラと、水平回転軸に従動して回転する垂直回転軸と、前記水平回転軸の支持体と、この支持体の回動装置とを具えることがある。
【0006】
また、上記において、船体に対する自然風の方位検知装置は、船体の進行方位・速度計測手段と、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風との合成)計測手段と、潮流の方向および速度を計測する潮流計測手段と、前記各手段の計測値により自然風の方向を算出する演算手段とを具え、この演算手段は前記の制御手段により構成することがある。
【0007】
さらに、上記において、ローター方位制御装置は、水平回転軸の支持体の回動装置を所定量駆動させ固定する駆動手段と、自然風の方位検知装置からの情報にもとづく前記駆動手段の制御装置をとを具えてなり、この制御装置は前記制御手段により構成することがある。
【0008】
上記において、プロペラピッチの制御装置は、ピッチ変換ア−ムと、ピッチ変換ア−ムの駆動手段と、制御装置とを具えてなり、この制御装置は前記制御手段により構成することがある。
【0009】
上記において、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風との合成)の風向、速度に応じて舵角を決定して船体の所定進路を維持するための舵角制御装置を具え、この舵角制御装置は舵駆動手段と、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風との合成)、潮流等に関する測定情報に基づいて前記舵駆動手段を制御する制御装置とを具え、この制御装置は前記制御手段により構成することがある。
【0010】
上記において、現在地および設定した目的位置情報、現時点での自然風の方位と速度、潮流の方位と速度等の各情報に対応して風車、発電機、電動機の回転を制御して船体の推進力を風力、電力、または風力・電力のいずれかに設定するとともに、目的地までの航走コ−スをリアルタイムで設定する航走制御装置を具え、この航走制御装置を前記制御手段で構成することがある。
【0011】
さらに、上記において、上面に太陽電池を設置した筏を船体に搭載して、必要に応じて前記筏を船体から牽引し発電した電力を蓄電池に充電するように構成することがある。
【0012】
【発明の実施形態】
図面に基ずいて本願発明の実施形態を説明する。
図1は、本願に係る風車船の要部構成を示すブロック図である。風車機構Aは、ピッチ可変型プロペラ11を取り付けた水平回転軸12、この水平回転軸12に従動して回転する垂直回転軸13、前記水平回転軸12の支持体14およびこの支持体14を水平方向に回動させるための回動装置15を具えている。
【0013】
プロペラピッチ制御装置Bは、前記ピッチ可変型プロペラ11に連結されるピッチ変換ア−ム16、駆動手段17および制御手段18とを具えている。
また、ロ−タ−(プロペラの回転面)方位制御装置Cは、前記支持体14における回動装置15に係合してこれを回転させて所定位置に固定する駆動手段19と、この駆動手段19の動作を制御する制御手段18とを具えている。
【0014】
船体における自然風の方位検知装置Dは、船体速度・方向計測手段20、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風による合成)計測手段21および潮流の方向、速度を計測する潮流計測手段22と、これら各手段の計測値に基づき船体に対する自然風の方位を演算する演算手段18とを具えている。
【0015】
舵角制御装置Eは、舵駆動手段23と、風車ロ−タ−に対する風向(自然風の風向)、自然風の速度、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風による合成)の速度、潮流の方向・速度、船体速度等に応じて前記舵駆動手段23の動作を制御する制御手段18とを具えている。
【0016】
上述の構成に基づき、この実施形態に係る風車船の基本的な作用を説明する。 航進のスタ−トにあたり、まず自然風の方位検知装置Dによる自然風の方位情報がロ−タ−(プロペラ回転面)方位制御装置Cに送給される。ロ−タ−方位制御装置Cは、前記自然風情報に基づき風車機構Aの回動装置15を動作させてピッチ可変プロペラ11の回転面すなわちロ−タ−を自然風を正面に受ける位置に回動させこの位置を維持する。
【0017】
ピッチ可変プロペラ11は、自然風を受けて回転を始め、この回転は水平回転軸12、垂直回転軸13を介してスクリュ−25に伝達されて風車船は航進を始める。 風車船の航進中においても、自然風の方位検知装置D、ロ−タ−方位制御装置Cは常に動作してピッチ可変プロペラ11の回転面を自然風を正面に受ける位置に回動させ、この位置を維持する。
【0018】
また、舵角制御装置Eは、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風による合成)の速度、潮流の方向・速度、船体速度等の測定情報に基づいて、特に合成風の影響により船体が所定進路を外れることのないように、常時、舵24の角度を調整する。
【0019】
プロペラピッチ制御装置Bは、状況に応じてプロペラ11の回転数、回転力を調整するためにピッチを変更する。
【0020】
風車の回転エネルギ−は主として船体を推進させるスクリュ−25の回転に使用されるが、一部は、発電機と電動機の機能を具備する発電電動機26に使用されて発生した電力は蓄電池27に充電される。
【0021】
また、制御手段18に現在地および設定した目的位置情報、現時点での自然風の方位と速度、潮流の方位と速度等の各情報を随時処理させて風車、発電機、電動機の動作を制御させ、船体の推進力を風力、電力、または風力・電力のいずれかに設定するとともに、目的地までの航走コ−スをリアルタイムで設定させるようにして、制御手段18を航走制御装置として動作させることも可能である。
【0022】
次に、図2以下に基づいて、本願発明の実施形態をさらに説明する。
図2は、図1に示した要部構成を具備した風力船Fの側面図である。図において、11は、対向する一対のピッチ可変プロペラで、水平回転軸12に固定されている。14は、前記水平回転軸12の支持体であり、後述のようにその下端に回動装置15を有して全方向に周回できるようになっている。
16、17は、それぞれプロペラピッチ制御装置Bを構成するピッチ変換ア−ムおよびその駆動手段としてのサ−ボモ−タである。
また、20は、前述の自然風の方位検知装置Dを構成する船体速度・方向計測手段としてのセンサ−であり、回転体20a、安定板20bを具えている。
21は合成風測定手段としてのセンサ−で回転体21a、風見安定板21bを具えを具えている。なお、潮流測定手段としては、全地球測位(GPS)装置を使用して、所定地点から船体速度、進行方向、時間により予想される他の地点と実際に到達した地点とのずれを演算して潮流の速度、方向を計測する。
【0023】
図3は、風車機構Aの要部拡大図で、水平回転軸12の一端と垂直回転軸13の上端とはそれぞれに設けられた笠歯車12a、13aにより噛合していて、互いの回転が伝達される。垂直回転軸13が挿通されているパイプ状の水平回転軸の支持体14の下端には回動装置15が設けられ、この回動装置15は笠歯車15aとこれの受部15bとを具えていて、笠歯車15aの回転により支持体14も回転し、この結果ピッチ可変プロペラ11、11の回転面すなわちロ−タ−を所望の方向に向けることができる。
【0024】
図4は、風車機構A、ロ−タ−方位制御装置C、スクリュ−25、発電電動機26等の関連構成を示す図である。垂直回転軸13の下端とクラッチ装置28の回転軸とは笠歯車を介して係合されており、ピッチ可変プロペラ11の回転はクラッチ装置28を介してスクリュ−回転軸25aに伝達されてスクリュ−25を回転させる。一方、水平回転軸12の支持体14下端には回動装置15が設けられ、この回動装置15は笠歯車15aとこれの受部15bとを具えていることは前述したが、この笠歯車15aにはロ−タ−方位制御装置Cを構成する駆動手段19としてのサ−ボモ−タ19の回転軸が笠歯車を介して係合しており、前述の自然風検知装置Dの計測デ−タに応じた制御手段18よりの制御信号によりサ−ボモ−タ19が動作して風車機構Aのロ−タ−(プロペラ回転面)を自然風方向に回動し常時その位置を維持する。
【0025】
また、クラッチ装置28の他の回転軸と発電電動機26の回転軸とは回転ベルトで連結されていて、発生した電力を蓄電池に充電し、状況に応じて蓄電池により発電電動機を回転させてクラッチ装置28を介してスクリュ−25を回転させるようになっている。
なお、図1に関連して前述した、舵角制御装置Eは図2以下において図示していないが、舵角制御装置Eの駆動手段23は、制御手段18により動作を制御されるサ−ボモ−タにより構成されている。
【0026】
次に、上述の実施形態に係る風車船の航走例を説明する。
図5は、停船位置S点から目的点Xまでの航走例を示す図である。目的点Xまでのコ−スは大別してS−A−B−XとS−Xの二通りが考えられる。
先ず、S点において、自然風の方位検知装置Dは、合成風計測手段21、船体速度・方向計測手段20等の計測デ−タを制御手段18により演算することにより船体Fへの真横の自然風W1を検知する。次いで、自然風方位情報に基づいた制御信号がロ−タ−方位制御装置Cの駆動手段としてのサ−ボモ−タ19に送られる。サ−ボモ−タ19の制御信号に基づく所定量の回転により、水平回転軸12の支持体14が回動して、風車のロ−タ−すなわちプロペラ11の回転面は、自然風W1方向に正対して、この位置に維持される。
【0027】
自然風W1が、秒速8m程度の場合には、クラッチ装置28の操作によりスクリュ−25の回転軸と風車機構Aの駆動系を連結することにより、船体Fは航走を開始しA点を経由してB点まで直進のコ−スをとる。この航走の間、自然風の方位制御装置Dが動作して自然風の方位検知を継続し、その情報によりロ−タ−方位制御装置Cは風車のロ−タ−を自然風の方向に正対させる。すなわち、船体速度・方向計測手段20、合成風計測手段21、潮流計測手段22の計測デ−タを制御手段18により演算して、リアルタイムで自然風の方位情報をロ−タ−方位制御装置Cに送給する。具体的には、船体速度・方向計測手段20の回転体20aの回転数と船体方向、合成風計測手段21の回転体21aの回転数と合成風方向、潮流計測手段22による潮流方向と速度により、自然風の方位を演算する。
【0028】
S点をスタ−トしてA点を経由してB点に達する間、船体は真横からの自然風W1を受けて秒速Nで航進する。このため、船体Fは進行方向から秒速Nの見掛け上の風(自走風)を受けることになる。このため、実際には船体Fは自然風W1と自走風W2との合成風W3を受けることになり、プロペラ11の回転面は合成風W3を受けて船体Fの進行方向をW3方向に回頭させ、直進が困難になる。 この場合、舵角を調整して船体Fの進路を保持する必要があるが、この実施形態では、舵角制御装置Eにより舵角の調整をなしている。すなわち、前記自然風の方位検知装置Dの合成風計測手段21による合成風の速度、方向に関する情報により制御手段18が舵角制御装置Eの舵駆動手段としてのサ−ボモ−タ23の動作を制御して舵24において必要な舵角をとり、S−A−B間での直進を維持する。
【0029】
船体Fが、B点に達して船体をX点方向に向けると、ロ−タ−方位制御装置Cの動作によりプロペラ11の回転面も回動して自然風W1に正対する位置に維持される。B点とX点間では、自然風W1の方向と船体Fの進行方向は全く逆となる。そして、船体Fは逆風を遡ることになるが、自然風の速度の1/2の航進速度で均衡がとれてしまう。そこで、船体速度を落として自然風W1につき風車を介して得られたエネルギ−をスクリュ−の回転と発電機の回転に分けて利用するとエネルギ−効率が良くなる。
【0030】
なお、走行中はプロペラピッチ制御装置Bにより、プロペラ11のピッチを変換して回転数、回転力等の調整を行う。
【0031】
さて、図5において、船体Fが、S−A−B−Xのコ−スを航走する場合を説明したが、自然風の速度、潮流の状況等に応じて、S点からX点まで直行してもよい。 種々の条件におけるコ−スの設定は、条件を勘案して手動でなしてもよいが、現在地および設定した目的位置情報、現時点での自然風の方位と速度、潮流の方位と速度等の各情報に対応して風車、発電機、電動機の回転を制御して船体の推進力を風力、電力、または風力・電力のいずれかに設定するとともに、目的地までの航走コ−スをリアルタイムで設定する航走制御装置を具えことにより、コ−ス選定、航走エネルギ−の選択等を自動的になすことも可能である。
【0032】
また、この実施形態に係る風車船は、太陽電池を利用した発電筏を搭載しているので、風力エネルギ−のみでなく太陽エネルギ−をも蓄電池に保存できるので風力走行に適しない状況での航進に便利である。
【0033】
【発明の効果】
本願発明に係る風力利用船は、以上述べた構成・作用により、航進による見掛け上の風(自走風)の影響を回避し、風車のロ−タ−を常に自然風方向に維持するとともに、風力から得たエネルギ−の余剰分を電気エネルギ−として蓄電して必要時に回転エネルギ−その他として利用することにより、風エネルギ−を効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 風力利用船の要部構成を示すブロック図である。
【図2】 図1に示した要部構成を具備した風力船Fの側面図である。
【図3】 風車機構Aの要部拡大図である。
【図4】 風車機構A、ロ−タ−方位制御装置C、スクリュ−25、発電電動機26等の関連構成を示す図である。
【図5】 風力利用船の航進例を示す図である。
【図6】 従来技術を示す図である。
【図7】 従来技術を示す図である。
【符号の説明】
A.......風車機構
B.......プロペラピッチ制御装置
C.......ロ−タ−方位制御装置
D.......自然風の方位検知装置
E.......舵角制御装置
18......制御手段
24......舵
25......スクリュ−
Claims (8)
- 船上に設けられピッチ可変型プロペラを具えた風車機構と、風車機構により回転駆動される発電機と、発電された電流を充電するための蓄電池と、風車機構により回転駆動されるスクリューと、蓄電池の放電により前記スクリューを回転駆動する電動機と、プロペラピッチの制御装置と、船体に対する自然風の方位検知装置と、この方位検知装置の検知した自然風の方向に風車のローターを維持するローター方位制御装置と、
制御手段とを具え、この制御手段は前記風車機構におけるプロペラの回転面であるローターの方位に対する回動動作の駆動制御、ローター方位制御装置の駆動手段の動作制御をなすとともに、航走制御装置として現在地および設定した目的位置情報、現時点での自然風の方位と速度、潮流の方位と速度等の各情報を随時処理して風車、発電機、電動機の動作を制御し、船体の推進力を自然風の方向に応じて風力、電力、または風力・電力のいずれかに設定して航走が可能なようにした風力利用船。 - 請求項1において、風車機構は、水平回転軸に固定されるピッチ可変型プロペラと、水平回転軸に従動して回転する垂直回転軸と、前記水平回転軸の支持体と、この支持体の回動装置とを具えてなる風力利用船。
- 請求項2において、船体に対する自然風の方位検知装置は、船体の進行方位・速度計測手段と、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風との合成)計測手段と、潮流の方向および速度を計測する潮流計測手段と、前記各手段の計測値により自然風の方向を算出する演算手段とを具え、この演算手段は前記の制御手段により構成したことを特徴とする風力利用船。
- 請求項3において、ローター方位制御装置は、水平回転軸の支持体の回動装置を所定量駆動させ固定する駆動手段と、自然風の方位検知装置からの情報にもとづく前記駆動手段の制御装置をとを具えてなり、この制御装置は前記制御手段により構成したことを特徴とする風力利用船。
- 請求項4において、プロペラピッチの制御装置は、ピッチ変換ア−ムと、ピッチ変換ア−ムの駆動手段と、制御装置とを具えてなり、この制御装置は前記制御手段により構成したことを特徴とする風力利用船。
- 請求項5において、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風との合成)の風向、速度に応じて舵角を決定して船体の所定進路を維持するための舵角制御装置を具え、この舵角制御装置は舵駆動手段と、合成風(自然風と船体の進行に伴い発生する見掛け上の風との合成)、潮流等に関する測定情報に基づいて前記舵駆動手段を制御する制御装置とを具え、この制御装置は前記制御手段により構成したことを特徴とする風力利用船。
- 請求項6において、現在地および設定した目的位置情報、現時点での自然風の方位と速度、潮流の方位と速度等の各情報に対応して風車、発電機、電動機の回転を制御して船体の推進力を風力、電力、または風力・電力のいずれかに設定するとともに、目的地までの航走コ−スをリアルタイムで設定する航走制御装置を具え、この航走制御装置を前記制御手段で構成したことを特徴とする風力利用船。
- 請求項7において、上面に太陽電池を設置した筏を船体に搭載して、必要に応じて前記筏を船体から牽引し発電した電力を蓄電池に充電するようにしたことを特徴とする風力利用船。
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