JP6032760B2

JP6032760B2 - アンカー

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Publication number: JP6032760B2
Application number: JP2014108962A
Authority: JP
Inventors: 伊佐男安田; 哲也川瀬
Original assignee: 伊佐男安田
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: JP2015223909A

Description

本発明はアンカーに関する。

例えば、養殖施設・定置網・海洋構造物を係留するために砂浜、海底、沼地等で使用するアンカーが知られている。例えば、フレームが１つ以上の海底ドリルとともに機能して１つまたは複数の杭アンカーを水平に対してある角度で設置できるように構成された杭アンカーが知られている。

特開２０１３−５３２０９１号公報

図７は、海流発電システムの一例を説明する図である。

図７に示す海流発電システム９０は、金属製の係留索９１、９２と、アンカー９３と海面６０に浮く浮体９４と発電機９５とスクリュー９６と送電ケーブル９７とを備えている。
海流発電システム９０のアンカー９３は金属の塊であり、自重により沈下し、海底６１に配置される。

アンカー９３のような金属の塊を一度海中に沈めると海底への設置位置は海流任せになる。このため、狙った位置にアンカー９３を配置するのは困難である。仮に、アンカー９３を狙った位置に配置できたとしても、場合によっては海流により流され、位置が移動してしまうという問題がある。

沖合（例えば離岸距離から３０ｋｍ程度）よりも海側に離れた場所（例えば離岸距離から１００ｋｍ程度）の海流の方が流量が大きく、より高い発電のポテンシャルを秘めている。離岸距離が離れると、一般的に水深が深くなり、例えば日本の太平洋岸では、水深が１０００ｍを超える場所もある。例えば水深１０００ｍを超える場所で仮にアンカー９３が安定の悪い箇所に配置された場合は、再配置が非常に困難である。
１つの側面では、本発明は、安定の良い位置に配置することを目的とする。

上記目的を達成するために、開示のアンカーが提供される。このアンカーは、海底の地中に配置されるアンカーであり、駆動部と、駆動部の駆動により回転し海底の地中に潜る回転部と、回転部に接触する接触物の硬度を検出する硬度センサと、導電性を備えるケーブルに電気的に接続される接続部と、ケーブルから供給される電力を駆動部および硬度センサに供給する電力供給部と、制御部とを有する。そして、制御部は、回転部が海底の地中に潜る方向に回転している最中に、接触物の硬度が所定の硬度以上であることを硬度センサが検出すると、駆動部を介して回転部の回転方向を逆転させるよう構成されている。

１態様では、安定の良い位置に配置することができる。

実施の形態の海流発電システムを示す図である。アンカーの構造を説明する図である。接続部の位置を説明する図である。アンカーの設置方法を説明する図である。海流発電システムの一例を説明する図である。アンカーの変形例を説明する図である。海流発電システムの一例を説明する図である。

以下、実施の形態のアンカーを海流発電システムに適用した場合について、図面を参照して詳細に説明する。
＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の海流発電システムを示す図である。

実施の形態の海流発電システム１は、アンカー（錨）２と、浮体３と、多層のカーボンナノチューブを備える係留索４、４ａと、発電機５と、スクリュー６とを有している。

実施の形態の海流発電システム１を用いる場所としては例えば、北太平洋では黒潮、北大西洋ではメキシコ湾流など、強い定常的な流れが発生する箇所が好ましい。海面５０から海底５１までの深さは、一例として１０００ｍ〜２０００ｍ程度である。また、黒潮の海面から５ｍの地点の海水の流速は、一例として０．５〜２．５ｍ／ｓである。平均流速が１ｍ／ｓより大きい地域としては、例えば四国から紀伊半島にかけて、沖縄と奄美大島西方の東シナ海等が挙げられる。黒潮に海流発電システム１を配置することで、年間を通じて安定した水流を得ることができる。
アンカー２は、海底５１の地中に配置されている。アンカー２の構造については後に詳述する。

浮体３の構造は特に限定されるものではないが、例えば、水流の上流に舳先を向けるような舟型とすることで、水流に対する抵抗を少なくすることができる。また、図１においては、浮体３が海面５０に浮かべた状態で係留する例を図示しているが、浮体３が海面５０下に位置していてもよい。

係留索４は、アンカー２と浮体３との間に設けられている。言い換えれば、係留索４によりアンカー２と浮体３とが接続されている。この係留索４は、発電機５を海流の一定位置に係留させる。
係留索４の所定の箇所（一例として海面から２０ｍ〜５０ｍ程度の箇所）には、係留索４ａが接続されている。
係留索４、４ａの断面の直径は、最大２０ｃｍ程度である。
係留索４、４ａは、単層のカーボンナノチューブの集合体であってもよいし、カーボンナノチューブと他部材との集合体であってもよい。
単層のカーボンナノチューブの集合体としては、例えば、以下の（１）が挙げられる。

（１）特開２０１１−２０７７２４に示すような、カーボンナノチューブが基体表面に配向して成長した配向カーボンナノチューブ、この配向カーボンナノチューブから作製されたカーボンナノチューブを備えるロープ状炭素構造物。
また、カーボンナノチューブと他部材との集合体としては、例えば、以下の（２）〜（８）が挙げられる。
（２）特開２０１２−２３６２５５に示すような、心材にカーボンナノチューブ紡糸材を使用したソーワイヤー。

（３）特開２００５−０３５８４１に示すような、金属ワイヤー表面又はガラス等のセラミックス材料、ポリマー等のプラスチックス材料等の誘電体物質からなるキャピラリー内壁面に、１又は複数のカーボンナノチューブを備えている金属ワイヤー又はキャピラリー。

（４）特開２００９−２５２７４５に示すような、複数のカーボンナノチューブ構造体及び少なくとも１つの導電性層を含むコアと、コアに被覆された絶縁層と、絶縁層に被覆された遮蔽層と、遮蔽層に被覆されたシース層を備え、カーボンナノチューブ構造体が導電性層で被覆されており、カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブを含む同軸ケーブル。

（５）特開２００９−１８７９４３に示すような、複数のカーボンナノチューブを含むコアと、コアに被覆された絶縁層と、絶縁層に被覆された遮蔽層と、遮蔽層に被覆されたシース層を備える同軸ケーブル。なお、この同軸ケーブルの製造方法は、例えば特開２００９−１８７９４４に記載されている。

（６）特開２００５−３０２３０９に示すような、中心導体の周囲に誘電体層を設け、この誘電体層の周囲に外部導体層を設け、この外部導体層の周囲にカーボンナノチューブを含む熱可塑性樹脂が設けられた同軸ケーブル。

（７）特開２０１２−２３００７に示すような、ポリプロピレン基本樹脂又は低密度ポリエチレン基本樹脂とカーボンナノチューブとを含む半導電性組成物によって形成された内部半導電層、外部半導電層と、ポリプロピレン基本樹脂又は低密度ポリエチレン基本樹脂とナノ無機粒子とを含む絶縁組成物によって形成された絶縁層を含む電力ケーブル。

（８）独立行政法人産業技術総合研究所の２０１３年７月２３日付けのプレスリリース銅の１００倍まで電流を流せるカーボンナノチューブ銅複合材料。インターネット＜URL：http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130723_2/pr20130723_2.html＞。
また、上記以外にも、カーボンナノチューブと各種樹脂、ゴム、フィルムとの複合材料を用いた係留索であってもよい。
係留索４、４ａは、カーボンナノチューブを主成分としている。このため、係留索４、４ａは、以下の特徴を備えている。

係留索４、４ａは、銅等の金属に比べはるかに軽いため、銅等の金属に比べて自重によるたるみが軽減する。係留索４、４ａは、海水と比重がほぼ一緒であるため、銅等の金属に比べて浮力が大きい。そのため、アンカー２と浮体３との間に直線に近い形で位置することができる。
発電機５は、係留索４ａに電気的に接続されている。また、発電機５は、係留索４ａにより、その位置が保持されている。

発電機５の回転軸には水流により回転するスクリュー６が取り付けられている。スクリュー６が回転することにより、発電機５はスクリュー６の回転運動を電力に変換する。なお、スクリュー６の回転で発電機５が回転することを抑制するために、２つのスクリューをセットにして片方を逆回転させるようにしてもよい。

なお、図１では発電機５とスクリュー６の組み合わせを１つ図示した。しかし、これに限らず、発電機５とスクリュー６の組み合わせが２つ以上設けられていても良い。また、本実施の形態では、発電機５とスクリュー６の組み合わせを浮体３と分離した場合を例に説明した。しかし、これに限らず、発電機とスクリューが浮体に取り付けられていてもよい。

また、係留索４、４ａは、送電ケーブルとしての役割を果たす。送電ケーブルとしてカーボンナノチューブを含む係留索４、４ａを用いることにより、他の部材（例えば銅等の金属）を送電ケーブルに用いる場合に比べ、海中への放電を抑制することができる。また、熱による放電も遙かに少ない。また、銅と同程度の電気伝導度をもちながら、例えば銅の１００倍〜１０００倍程度の電流を流すことができる。また、係留索４、４ａが送電ケーブルと係留索とを兼ねるため、別途送電ケーブルの配置が不要となる。

発電機５において発生した電力は、係留索４ａ、４を介して図示しない変電設備に送られる。変電設備は電圧変換を行い、海底５１に敷設された図示しない送電ケーブルを介して、地上の変電所に送電される。なお、海底５０に敷設された送電ケーブルの種別は特に限定されない。また、海底５０に敷設された送電ケーブルがカーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブを含む導体であってもよい。
次に、アンカー２の構造を詳しく説明する。

図２は、アンカーの構造を説明する図である。
アンカー２は、ドリル（回転部）２１と、筒状の筒部２２とを備えている。筒部２２の内部には、ドリル２１を回転させるモータ２３と、電力供給部２４と、硬度センサ２５と、資源検出用センサ２６とが設けられている。

ドリル２１の形状は特に限定されないが、図２では円錐状をなしている。ドリル２１は、スパイラルステップドリルのように多数の円筒切れ刃が段階的に設けられ、また、スパイラル状の溝が設けられている。スパイラル状の溝が設けられていることにより、ドリル２１は掘り進む方向へ回転すると、より大きな推進力を得られる。また、ドリル２１の構成材料としては、例えば鋼鉄や、超硬質合金やチタニウム等が挙げられる。
なお、ドリルの形状は図示した形状の他にもツイストドリル等の他の円錐状のドリル形状のものを用いるようにしてもよい。

ドリル２１は、例えば重心の位置を基準にして分けられた先端部２１１と基端部２１２とを備えている。先端部２１１と基端部２１２は、スパイラル状の溝が逆方向に形成されている。また、先端部２１１と基端部２１２は互いに逆方向に回転（２重反転）する。これにより、筒部２２の回転を抑制する姿勢制御を実行する。なお、先端部２１１と基端部２１２とを逆方向に回転させる方法としては、例えば、ボルボ・ペンタ・ジャパン社の船舶用推進装置（IPS：Inboard Performance System）に用いられる２重反転プロペラをドリルに応用する方法等が挙げられる。
筒部２２の半径は、例えば５０ｃｍ〜２ｍ程度である。この筒部２２の後端部の中央部分には、係留索４に電気的に接続される接続部２２ａが設けられている。

図３は、接続部の位置を説明する図である。
接続部２２ａは、ドリル２１の回転軸の延長線上に位置している。これにより、ドリル２１の回転中に軸ぶれを起こすことを抑制することができる。
再び図２に戻って説明する。
電力供給部２４は、接続部２２ａを介して係留索４に電気的に接続されている。電力供給部２４は、係留索４を介して供給される電力をモータ２３や、硬度センサ２５、資源検出用センサ２６に供給する。
硬度センサ２５は、ドリル２１に接触する接触物の硬度を検出する。

資源検出用センサ２６は、例えばメタンハイドレート等の所定の資源を検出するためのセンサである。資源検出用センサ２６の種別としては例えば気泡や温度分布や、海底の地形の変位を検出する超音波センサが挙げられる。また、他の例としては、アンカー２の内部に海水を一部取り込み、成分分析をすることにより資源の有無を検出するセンサが挙げられる。

硬度センサ２５および資源検出用センサ２６により取得されたデータは、例えば、係留索４を介して地上に配置される浮体３に設置された送信機（図示せず）により地上の制御部に送られるようになっている。
以下、海流発電システム１におけるアンカー２の設置方法を説明する。

図４および図５は、アンカーの設置方法を説明する図である。
まず、接続部２２ａにカーボンナノチューブ４が接続されたアンカー２を、海底のある程度狙った位置に配置するように海上から海中に沈下させる。
具体的には、ドリル２１を回転させた状態でアンカー２を沈下させていく。回転での推進力を用いることで、（流量の大きい）海流がある海中でも、アンカー２の沈下位置、沈下速度、および沈下していく角度を制御することができる。

このアンカー２は、沈下時にドリル２１が下側になるようになっており、図４（ａ）に示すように、海底５１に到達すると、モータ２３の回転によりドリル２１が回転し（先端部２１１および基端部２１２が互いに逆回転し）、海底の地中５２を掘り進めることで地中に潜る。このとき、前述したように先端部２１１と基端部２１２は互いに逆方向に回転（２重反転）することにより、筒部２２の回転を抑制する姿勢制御を実行する。なお、図４（ａ）には、先端部２１１の回転方向を矢印で示している。

ところで、例えばアンカー２を配置させる海底の箇所にアンカー２が入る穴を開けておき、その箇所にアンカー２が挿入された後に地中５２を掘り進めるようになっていてもよい。海底５１に穴を開ける方法としては、例えば、深海掘削船「ちきゅう」等の掘削機能を備えた船を用いることができる。

なお、海底５１の到達の検出は、例えば次の方法が挙げられる。予めアンカー２に設置した海底ＧＰＳ観測点（海底局）と地上の制御部との間で超音波を送受信し、アンカー２の位置（座標）を決定する。これを繰り返し行うことによって、アンカー２が海底５１に到達したことを検出する。

気圧の高いところ（例えば１００気圧程度）でドリル２１を回転させると、アンカー２が針のように地中５２に潜っていく。そして、所定位置（例えば１０ｍ程度）まで潜ったところでモータ２３の回転を停止させる。
また、アンカー２を配置してしばらく時間が経過すると、掘り進んでいた経路も土や砂利が沈殿して埋められるためアンカー２が、より抜けにくくなる。

ところで、図４および図５には、アンカー２の掘り進む経路上に硬い岩盤５３が存在する場合を例示している。アンカー２が潜っている最中、つまり、アンカー２が所定位置に到達する手前に所定の硬度以上の岩盤５３等に到達したことを硬度センサ２５が検出した場合は、それ以上掘り進めずに、ドリル２１の回転を停止させる。なお、ドリル２１の回転の停止の判断は、アンカー２内に別途設けた図示しない制御部により行わせてもよいし、地上の制御部に信号を送ることで地上の制御部により行わせてもよい。

そして、前述した制御部が、掘り進めていたときの回転と逆方向にモータ２３を回転させることにより、図４（ｂ）に示すように、アンカー２を地中５２から取り出す。なお、図４（ｂ）には、先端部２１１の回転方向を矢印で示している。このとき、ドリル２１の形状は円錐状をなしているため、掘り進めていたときの方向とは逆方向にアンカー２が移動し、容易にアンカー２を地中５２から取り出すことができる。

海中に取り出されたアンカー２は、逆方向に回転しているドリル２１により浮力がはたらき、海底５１から若干浮上した位置まで上昇する。このとき、ドリル２１は、ステップドリルのように多数の円筒切れ刃が段階的に設けられているため、ドリル２１の側部には凹凸が存在する。このためドリル２１の形状を単に円筒状にする場合に比べて浮力を大きくすることができる。

その後、再びドリル２１を正方向に回転させることでアンカー２は自重により再び沈下していく。図５に示すように、アンカー２が沈下して海底５１に到達するときには、アンカー２は海流によって先ほど掘り進めていた箇所とは違う箇所に到達する。これにより、何度でもアンカー２の配置位置を変えることができる。

なお、アンカー２は、海底５１への掘り進みを開始する前に、資源検出用センサ２６が備える超音波機能等を用いて海底５１の地盤の地質や内部構造を調べることによりアンカー２を配置するのに好適な地盤を探し、見つかった地盤への堀り進みを開始するようにしてもよい。

以上述べたように、海流発電システム１によれば、導電性を備える係留索４から電力をアンカー２に供給し、アンカー２を地中５２に配置するようにした。従って、希望する位置により近い箇所にアンカー２を配置することができる。また、アンカー２は地中に潜った状態で配置されるため、海底の表面に配置する場合に比べて海流による影響を受けにくく、位置がずれにくい。

また、アンカー２の配置箇所の変更を希望する場合、ドリル２１を掘り進めたときは逆方向に回転させることにより容易に海中に取り出すことができ、配置箇所を変更することができる。

例えばドリル２１を回転させる手段として蓄電池等を用いると、蓄電池の電池が切れた場合には、電池を交換するため、一度アンカーを引き上げ、再度配置するという手間が生じる。本実施の形態の海流発電システム１によれば、そのような手間は生じない。

さらに、この海流発電システム１によれば、係留索４がアンカー２と浮体３との間を直線状に結ぶ。このため、スクリュー６の左右方向の位置のぶれを抑制することができる。

例えば、１００ｍ程度の浅い海底であれば、発電機から変電設備までの送電ケーブルに金属を用いる例もあるが、水深が１５００ｍ程度になると、海水に対する耐腐食の問題から金属を用いた場合は、腐食するおそれがある。また、腐食を抑制するために金属に何らかの加工を施せば、それだけ送電ケーブルの重量が増してしまう。これに対し、海水への耐性の高いカーボンナノチューブを含む係留索４、４ａを送電ケーブルとして用いることにより、重量の増加を抑制することができる。
また、カーボンナノチューブを含む係留索４、４ａを用いることにより、発電機５が発電した電力を変電設備に導くまでの電力の損失を抑制することができる。
なお、本発明に適用できる水車の形式は、特に限定されず、例えば揚力型、抗力型、混合型等が挙げられる。

なお、本実施の形態では、アンカー２はドリル２１と筒部２２とを備える形状としたが、アンカーの形状は、ドリル２１のような円錐状だけ（筒部２２が存在しない形状）であってもよい。この場合、円錐状の部分にモータ２３、電力供給部２４、硬度センサ２５および資源検出用センサ２６が内蔵される。

＜変形例＞
次に、アンカー２の変形例を説明する。
図６は、アンカーの変形例を説明する図である。
図６（ａ）に示すアンカー２ａが備えるドリル２１ａは、アンカー２が備えるドリル２１に比べて穴あけ寸法の段階が大きくなっている。これにより、ドリル２１ａの形状全体がドリル２１に比べて鈍角になっている。
また、図６（ｂ）に示すアンカー２ｂは、先端部に球状のドリル２１ｂを備えている。
また、図６（ｃ）に示すアンカー２ｃは、刃の部分が螺旋（スパイラル）状をなすドリル２１ｃを備えている。

なお、図示していないが、図６に示したアンカー２ａ、２ｂ、２ｃは、アンカー２と同様に、例えば重心の位置を基準にして分けられ、互いに逆方向に回転（２重反転）する先端部と基端部とを備える構造となっていてもよい。

また、本実施の形態では、ドリルの数は１つとしたが、これに限らず、互いに逆回転する複数のドリルを用いて筒部２２の回転を抑制する姿勢制御を実行するようにしてもよい。

以上、本発明のアンカーを、図示の実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物や工程が付加されていてもよい。また、本実施の形態では、アンカーを海流発電システムに適用する場合について説明したが、本発明のアンカーの用途は、海流発電システムに限定されない。

１海流発電システム
２、２ａ、２ｂ、２ｃアンカー
３浮体
４、４ａ係留索
５発電機
６スクリュー
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃドリル
２２筒部
２２ａ接続部
２３モータ
２４電力供給部
２５硬度センサ
２６資源検出用センサ
５０海面
５１海底
５２地中
２１１先端部
２１２基端部

Claims

海底の地中に配置されるアンカーにおいて、
駆動部と、
前記駆動部の駆動により回転し海底の地中に潜る回転部と、
前記回転部に接触する接触物の硬度を検出する硬度センサと、
導電性を備えるケーブルに電気的に接続される接続部と、
前記ケーブルから供給される電力を前記駆動部および前記硬度センサに供給する電力供給部と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、前記回転部が海底の地中に潜る方向に回転している最中に、前記接触物の硬度が所定の硬度以上であることを前記硬度センサが検出すると、前記駆動部を介して前記回転部の回転方向を逆転させる
ことを特徴とするアンカー。
前記回転部は、円錐状をなすドリルを備える請求項１に記載のアンカー。
前記回転部は、互いに逆回転する先端部と基端部を備える請求項１または２に記載のアンカー。
前記接続部は、前記回転部の回転軸の延長線上に位置している請求項１ないし３のいずれかに記載のアンカー。
前記ケーブルは、当該アンカーと浮体との間に配置されるカーボンナノチューブを備える係留索である請求項１ないし４のいずれかに記載のアンカー。
水深１０００ｍ以上の箇所で用いられる請求項１ないし５のいずれかに記載のアンカー。
一方向の海流にて用いられ、海流を用いて発電する発電機を備える海流発電システムに用いられる請求項１ないし６のいずれかに記載のアンカー。