JP6150046B2 - 海流発電装置 - Google Patents

Description

本発明はタービン及び発電機を備えるポッドの浮上及び沈降が可能な水中浮遊式の海流発電装置に関する。

近年、海流や潮流等の海水の流れのエネルギーを利用して発電を行う海流発電装置が開発されている。
一般的に海流発電装置は、海水の流れを受けて回転するタービンを水中に配置し、当該回転により発電機を駆動して発電を行う。当該タービンとしては、回転軸が海水の流れに対して平行（水平）となる水平軸型タービンや、回転軸が海水の流れに対して垂直となる垂直型タービン等がある。

具体的な海流発電装置としては、一対の発電機のそれぞれに、海流によって回転するプロペラ（水平軸型タービン）が取り付けられ、当該一対の発電機が浮遊係留された構成が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００２−２６６７４３号公報

上記特許文献１に記載の海流発電装置では、プロペラが回転すると海流方向に沿って推力（スラスト）が生じて係留索が引っ張られ、いわゆるトート係留となる。このように係留された発電機は、海流の流れが強くなればプロペラの回転速度も上がり推力も増加して、係留索を引く力が大きくなり、発電機は沈降していく。
通常は、想定した範囲内での海流の強さで適切な深度にて発電機が留まるように浮力等が調整されているが、海流の強さは一定でなく、想定した範囲よりも海流の流れが強くなれば、発電機が予定の深度よりも深く沈降することとなる。それにより、発電機にかかる水圧が増加して故障を生じたり、プロペラが海底に衝突する等の不具合を生じるおそれがある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、水中浮遊式の海流発電装置の沈降をいち早く検知し、過度に沈降することを防ぐことのできる海流発電装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の海流発電装置では、海水の流れにより回転するタービンと、前記タービンを支持し、且つ、当該タービンの回転により発電する発電部を収容したポッドを備えた水中浮遊式の海流発電装置において、海底に固定される固定手段と、一端が前記固定手段に接続され、他端が前記ポッドに接続されている係留索と、前記固定手段に対する前記係留索の傾きである係留角度を検知する係留角度検知手段と、を備え、前記係留角度検知手段は、前記係留索を内側に収容する中空部を有し、前記係留索の接触により前記係留角度を検知する中空部材であることを特徴としている。

請求項２の海流発電装置では、請求項１において、前記係留角度検知手段は、前記係留索との接触を検知するセンサが備えられた浮体リングであることを特徴としている。
請求項３の海流発電装置では、請求項１又は２において、前記係留角度検知手段により前記係留角度が予め定めた所定角度に達したことが検知されたときに、前記ポッドを浮上させるよう制御する制御手段を備えることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明によれば、水中浮遊式の海流発電装置において、タービン及び発電部を収容するポッドを係留索により海底に固定された固定手と接続し、当該固定手段に対する係留索の傾きである係留角度を係留角度検出手段により検知することで、ポッドの係留状態から当該ポッドの深度を認識することができる。
これにより、水中浮遊式の海流発電装置の沈降をいち早く検知し、過度に沈降することを防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る海流発電装置の全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る海流発電装置のポッドの深度の変化を示す側面図（ａ）及び（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図（ｂ）である。 浮体リングを傾斜のある海底に設置した場合の拡大断面図（ａ）、筒状体を傾斜のある海底に設置した場合の拡大断面図（ｂ）、傾斜した底面を有する筒状体を傾斜のある海底に設置した場合の拡大断面図（ｃ）である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る海流発電装置の全体構成図が示されている。
図１に示すように、海流発電装置１は、左右一対のポッド２、２が連結ビーム３により接続されており、各ポッド２、２の尾部にタービン４、４が設けられたいわゆる双発の海流発電装置である。

タービン４は、回転中心にあるハブ部５から、回転軸方向に対し垂直に互いに相反する方向に向けて２枚のブレード６、６が延びている。これら左右一対のポッド２、２に設けられたタービン４、４は、回転方向が逆方向であり対向回転することで、両タービン４、４の回転に伴う回転トルクを相殺するものである。
各ポッド２の下面中央部分にはそれぞれ係留索７の一端が接続されている。当該係留索７は途中で合流して全体としてＹ字状をなしており、当該係留索７の他端はアンカー８（固定手段）に接続されている。アンカー８は下に凸の円錐状をなして海底に刺さって固定され、係留索７を介してポッド２、２を係留している。なお、当該係留索７と並行して各ポッド２、２からは送電ケーブルが延びているが、係留索７と一体に束ねられていることから図示を省略する。そして、送電ケーブルは海底に設けられた図示しない変圧器に接続されている。

また、アンカー８には、一対の接続索９ａ、９ａを介して浮体リング９（係留角度検知手段）が接続されている。浮体リング９は、水に浮く素材で、上下方向を中心軸Ｏとした環状をなし、アンカー８の上方にて浮遊している。浮体リング９の中心軸Ｏは、円錐状であるアンカー８の中心軸でもあり、当該浮体リング９内側の中空部に係留索７が収容されるよう配置されている。そして、当該浮体リング９は、係留索７との接触を検知するセンサを備えている。

また、各ポッド２内には、タービン４のハブ部５と回転軸１０を介して接続された発電機１１（発電部）が設けられている（図１には一方のみを記載）。当該発電機１１は、ブレード６、６が海水の流れを受けてハブ部５とともに回転軸１０が回転することで発電を行い、送電ケーブルを介して変圧器へ送電するものである。その他図示しないが、ポッド２内には、注排水により浮力を調整するバラストタンク、ポッド２の深度を検出する深度計、及びポッド２の浮力や姿勢等を制御する制御装置（制御手段）等が設けられている。

以下、このように構成された海流発電装置の作用効果について説明する。
図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る海流発電装置のポッドの深度の変化を示す側面図（ａ）及び（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図（ｂ）が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、他方のポッド２も同様に動作することから、他方のポッド２は図示を省略する。

図２（ａ）に示すように、水中にて係留索７を介して係留されて浮遊するポッド２は、海流の方向に対向した姿勢となる。そして、当該海流による海水の流れを受けてタービン４が回転することで発電機１１による発電が行われる。当該ポッド２はタービン４が回転して海流下流側への推力が生じることで係留索７が張り、トート係留となる。そして、海流の流れの強さが弱ければ図２（ａ）の二点鎖線で示すようにポッド２は浅い深度にて浮遊し、海流の流れの強さが強くなるとポッド２は当該係留索７とアンカー８との接続部分を支点に下流側に移動するとともに沈降し、図２（ａ）の実線で示すように深い深度にて浮遊することとなる。

図２（ａ）（ｂ）の二点鎖線で示すように、海流の強さが想定した範囲内の強さであるときは、係留索７は浮体リング９に接触することなく、当該浮体リング９の中空部内に位置することとなる。一方、海流の強さが想定した範囲以上の強さになる等してポッド２が大幅に沈降し、アンカー８に対する係留索７の角度である係留角度θが小さくなり、所定の係留角度（所定角度）θａに達すると、図２（ａ）（ｂ）の実線で示すように浮体リング９の上部開口縁に接触する。なお、係留角度θは、係留索７が接続されているアンカー８の上面中心を通る水平面（鎖線で示す）を基準（０点）とした角度である。そして、浮体リング９に備えられたセンサにより係留索７との接触が検知され、当該検知情報はポッド２の制御装置に伝達される。当該検知情報を受けたポッド２の制御装置は、ポッド２を浮上させるべく、タービン４の回転を抑えたり、バラストタンク内から排水する等の制御を行う。

このように、浮体リング９と係留索７との接触を検知することで、係留角度θが所定の係留角度θａに達したことを検知することができる。係留角度θはポッド２の深度に相関することから、これによりポッド２の深度が所定の深度に到達したことを検知することができ、ポッド２が想定した範囲以上に沈降したことをいち早く認識することができる。このようにポッド２の係留状態から深度を認識できることで、ポッド２が有する深度計の精度の確認や故障時の対応として用いることができ、海流発電装置１のより安全な運用を実現することができる。

そして、浮体リング９により係留角度θが所定の係留角度θａとなったことを検知した際には、ポッド２を浮上させるよう制御することで過度の沈降を防ぐことができ、水圧による故障や海底との衝突を防ぐことができる。
以上で本発明に係る海流発電装置についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態では、係留角度θを検知する係留角度検知手段として環状の浮体リング９を用いているが係留角度検知手段はこれに限られるものではない。例えば、環状の浮体リングに代えて、アンカーの周りを囲うように海底に設置され中空部に係留索を収容する筒状体としてもよい。この場合も筒状体の上部開口周縁部と係留索との接触を検知することで係留角度を検知することができる。また、係留角度検知手段は、係留索との接触により係留角度を検知するものに限られるものでもなく、例えばアンカー近くに設置したカメラ等の撮影装置により係留索とアンカーとを監視して、撮影した映像に基づき係留角度を検知するものであってもよい。

また、係留角度検知手段は図２（ａ）に示すような水平な海底だけでなく傾斜のある海底に設置してもよい。ここで図３（ａ）〜（ｃ）を参照すると、各係留角度検出手段を傾斜のある海底に設置した場合の拡大断面図が示されており、これらの図に基づき具体的に説明する。
まず、図３（ａ）に示す係留角度検知手段は上記実施形態の浮体リング９である。同図に示すアンカー８は傾斜した海底に対して垂直に打ち込まれている。

浮体リング９はアンカー８がこのように斜めに打ち込まれても、浮体リング９の上部開口縁が水平を保つように、即ち中心軸Ｏが上下方向をなして浮遊するように、浮力及び一対の接続索９ａ、９ａの長さが調整されている。従って、係留索７が接続されているアンカー８の中心は、浮体リング９の中心軸Ｏ上に位置することとなる。
このことから、係留索７とアンカー８との接続位置と浮体リング９との位置関係は上記実施形態と変わらず、ポッド２の位置にかかわらず係留角度θが所定の係留角度θａとなると浮体リング９の上部開口縁に係留索７が接触し、ポッド２の深度が所定の深度に到達したことを検知することができる。

次に、図３（ｂ）に示す係留角度検知手段はアンカー８の周りを囲うように海底に設置され、中空部に係留索７を収容する筒状体２０である。同図に示すアンカー８も傾斜した海底に対して垂直に打ち込まれている。
筒状体２０は、中心軸Ｏが傾斜した海底に対して垂直をなし且つアンカー８の中心軸よりも傾斜面の上側に位置するよう設置されている。この筒状体２０の設置位置は、例えばポッド２が移動し、図３（ｂ）に一点鎖線で示すように係留索７が傾斜面の上側方向に移動した場合でも、係留角度θが所定の係留角度θａとなったときに当該筒状体２０の上部開口縁に接触する位置に設定されている。これにより、ポッド２がアンカー８に対してどの方向にあっても係留角度θが所定の係留角度θａとなると筒状体２０の上部開口縁に係留索７が接触し、ポッド２の深度が所定の深度に到達したことを検知することができる。

図３（ｃ）の係留角度検知手段は海底の傾斜に合わせて下部開口縁が中心軸Ｏに対して傾斜している筒状体２１である。同図においてもアンカー８は傾斜した海底に対して垂直に打ち込まれており、当該筒状体２１は当該アンカー８の周りを囲うように海底に設置され中空部に係留索７を収容している。
当該筒状体２１は下部開口縁が海底の傾斜に合わせて傾斜していることで、中心軸Ｏは上下方向をなし、上部開口縁は水平をなしている。そして、係留索７が接続されているアンカー８の中心は浮体リング９の中心軸Ｏ上に位置している。

これにより、上記実施形態の浮体リング９と同様にポッド２の位置にかかわらず係留角度θが所定の係留角度θａとなると筒状体２１の上部開口縁に係留索７が接触し、ポッド２の深度が所定の深度に到達したことを検知することができる。
なお、浮体リング９及び筒状体２０、２１は必ずしも中心軸Ｏに沿って平行な内面形状をなす環状又は筒状をなしている必要はない。例えば、図示しないが上部開口縁の一部又は全部を下部開口縁より拡げることで上方に拡がった略円錐状の環状又は筒状としてもよい。

また上記実施形態ではアンカー８は下に凸の円錐状をなしているが、アンカーの形状はこれに限るものではないし、自重で海底に固定されるシンカーであってもよい。
また上記実施形態では、係留索７は全体としてＹ字状をなしているが、係留索の形状はこれに限られるものではなく、例えば途中で合流することなく２本の係留索がそれぞれアンカーまで延びるＶ字状であったり、１本の係留索からなるＩ字状等であってもよい。

１ 海流発電装置
２ ポッド
３ 連結ビーム
６ ブレード
７ 係留索
８ アンカー（固定手段）
９ 浮体リング（係留角度検知手段）
９ａ 接続索
１０ 回転軸
１１ 発電機（発電部）
２０、２１ 筒状体

Claims (3)

1. 海水の流れにより回転するタービンと、
   前記タービンを支持し、且つ、当該タービンの回転により発電する発電部を収容したポッドを備えた水中浮遊式の海流発電装置において、
   海底に固定される固定手段と、
   一端が前記固定手段に接続され、他端が前記ポッドに接続されている係留索と、
   前記固定手段に対する前記係留索の傾きである係留角度を検知する係留角度検知手段と、
   を備え、
   前記係留角度検知手段は、前記係留索を内側に収容する中空部を有し、前記係留索の接触により前記係留角度を検知する中空部材であることを特徴とする海流発電装置。
2. 前記係留角度検知手段は、前記係留索との接触を検知するセンサが備えられた浮体リングであることを特徴とする請求項１記載の海流発電装置。
3. 前記係留角度検知手段により前記係留角度が予め定めた所定角度に達したことが検知されたときに、前記ポッドを浮上させるよう制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の海流発電装置。

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