JP3973124B2

JP3973124B2 - 風力利用船

Info

Publication number: JP3973124B2
Application number: JP01433499A
Authority: JP
Inventors: 覺井村
Original assignee: 覺井村
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: AU1249800A; AU773510B2; JP2000211585A; EP1022217B1; DE69920394D1; US6261138B1; EP1022217A3; EP1022217A2; ATE276921T1

Description

【０００１】
【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

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。