JP6202247B2 - 海流発電装置 - Google Patents

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Description

本発明はタービン及び発電機を備えるポッドが浮上及び沈降可能な水中浮遊式の海流発電装置に係り、詳しくは当該海流発電装置の姿勢制御技術に関する。
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。
例えば、水平軸型タービンの海流発電装置であって、浮力調整手段によって所定の水深位置に留まるようにした基礎構造物において、基礎構造物を水中流れ方向に応じて姿勢制御するように索条で係留した構成が開示されている(特許文献1参照)。このように特許文献1の海流発電装置は、タービン及び発電装置を内部に備えたポッド(基礎構造物)を完全に海水中に沈めて、当該ポッドを海底から係留して浮遊させるいわゆる水中浮遊式の海流発電装置である。
特開2001−248532号公報
上記特許文献1に記載されているような水中浮遊式の海流発電装置の場合、ポッドのヨー方向における姿勢は、係留索により係留されていることで海水の流れに対向する方向に向くこととなるが、ピッチング方向及びローリング方向における姿勢は容易に制御することができない。
そこで、上記特許文献1記載の海流発電装置では、ポッド先端に姿勢制御翼を設け、当該姿勢制御翼によりピッチング方向の姿勢を制御している。
しかしながら、このような姿勢制御翼での姿勢制御は海水の流れの強さにより応答性が変化するため制御が複雑となる。特に海水の流れが低速であると応答性が悪化するため、速やかに姿勢制御することができなくなるという問題もある。
また、特許文献1記載の海流発電装置では、ポッドのローリング方向における姿勢制御について考慮されておらず、ローリング方向における姿勢変化に対応することができない。
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において、簡易な構成で且つ速やかに姿勢を制御する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、前記ポッドの一部に配設され、前記ポッドにおける前記海水の流れに対して上流側及び下流側のうち少なくとも一方に設けられており、当該配設部分の浮力を変化させる浮力変化手段と、前記浮力変化手段により前記ポッドの一部の浮力を変化させて当該ポッドのピッチング方向の姿勢を制御する姿勢制御部と、を備えた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、左右一対の前記ポッドが連結部を介して連結されており、前記浮力変化手段は、前記左右一対のポッドのうち少なくとも一方に設けられており、前記姿勢制御部は、前記浮力変化手段により前記ポッドの一部の浮力を変化させて前記連結部を含めたポッド全体におけるローリング方向の姿勢を制御することを特徴としている。
請求項の海流発電装置では、請求項1又は2において、前記浮力変化手段は、海水を注水又は排水することで浮力を変化させるバラストタンクであることを特徴としている。
請求項の海流発電装置では、請求項1又は2において、前記浮力変化手段は、前記ポッドの表面からロッドを突出又は収納することで浮力を変化させる体積増減部であることを特徴としている。
一参考例に係る海流発電装置では、請求項1から3の何れか一項において、前記浮力変化手段は、前記海水の流れを受けて抗力を発生させることで浮力を変化させる抗力発生部であ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、ポッドの一部に配設され当該配設部分の浮力を変化させる浮力変化手段を用いて、ポッドの姿勢を制御する。
このように、部分的にポッドの浮力を変えて当該ポッドの姿勢を制御することで、簡易な構成であり且つ容易な制御により速やかに姿勢を制御することができる。
本発明の第1実施形態に係る海流発電装置の全体構成図である。 本発明の第1実施形態に係るポッドの姿勢制御についての説明図である。 第2実施形態に係る海流発電装置のポッドの姿勢制御についての説明図(a)(b)である。 1参考形態に係る海流発電装置のポッドの姿勢制御についての説明図(a)及びその変形例(b)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、本発明の第1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(連結部)により連結されており、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おり、当該各係留索7は途中で合流して全体としてY字状をなし、当該係留索7の他端はシンカー8に接続されている。シンカー8は海底に固定され、係留索7を介してポッド2、2を係留している。なお、図示しないが当該係留索7と並行して各ポッド2、2からは送電ケーブルも延びており、当該送電ケーブルは海底に設けられた変圧器に接続されている。
このように係留索7を介して係留されたポッド2、2は水中にて海水の流れ方向に対向した姿勢で浮遊(海水の流れと平行に浮沈)する。つまり、ポッド2、2のヨー方向の姿勢は海水の流れ方向により決まる。
また、図示しないが、ポッド2、2内にはタービン4、4の回転により発電を行う発電機(発電部)等、各種装置が収容されている。
このように構成された海流発電装置1は、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による発電が行われる。ポッド2はタービン4が回転して海水下流側への推力が生じることで係留索7が張り、海水の流れの強さが弱ければタービン4の回転速度も低くポッド2は浅い水深にて浮遊する。一方、海水の流れの強さが強くなるとタービン4の回転速度が高くなり、推力も増すことから、ポッド2は当該係留索7とシンカー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、深い水深にて浮遊することとなる。
次に図2を参照すると、第1実施形態に係る海流発電装置におけるポッドの姿勢制御についての説明図が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、以下の説明においては、海水の流れ方向に沿って上流側を前方、下流側を後方とし、当該流れ方向に対し水平且つ垂直な方向を左右方向とする。
図2に示すように、各ポッド2、2には、前側及び後側にバラストタンク(浮力変化手段)10〜13が配設されている。ここでは、それぞれの配設位置に対応して右前バラストタンク10、右後バラストタンク11、左前バラストタンク12、左後バラストタンク13ともいう。
また、連結ビーム3の内部にも、左右にバラストタンク14、15(浮力変化手段)が配設されており、これらは中央右バラストタンク14、中央左バラストタンク15ともいう。
各バラストタンク10〜15にはそれぞれ海水を注排水するポンプ等(図示せず)が設けられており、それぞれ個別に海水を注排水することが可能である。各バラストタンク10〜15は当該海水の注排水により配設部分の浮力を変化させるものである。具体的には、各バラストタンク10〜15は注水することで配設部分の浮力を低下させ、排水することで配設部分の浮力を増加させる。
各バラストタンク10〜15の注排水は、ポッド2、2の内部又は外部に設けられた制御部20(姿勢制御部)により制御される。
制御部20は、各バラストタンク10〜15の注排水により浮力を変化させて、ポッド2、2及び連結ビーム3を含めたポッド全体の姿勢を制御するものである。
制御部20は、例えば右前バラストタンク10及び左前バラストタンク12の注水とともに、右後バラストタンク11及び左後バラストタンク13の排水を行うことで、ポッド全体として前側の浮力を低下させ且つ後側の浮力を増加させて、ポッド全体を前傾させることが可能である。
逆に、制御部20は、右前バラストタンク10及び左前バラストタンク12の排水とともに、右後バラストタンク11及び左後バラストタンク13の注水を行うことで、ポッド全体として前側の浮力を増加させ且つ後側の浮力を低下させて、ポッド全体を後傾させることが可能である。なお、前側のバラストタンク10、12及び後側のバラストタンク11、13のうちの一方のみの注排水を行うことで同様の姿勢制御を行うことも可能である。
このように制御部20は、ポッド全体の前後において相対的に浮力差を生じさせることで、ポッド全体のピッチング方向における姿勢制御を行う。
また、制御部20は、例えば中央右バラストタンク14の注水とともに、中央左バラストタンク15の排水を行うことで、ポッド全体として右側の浮力を低下させ且つ左側の浮力を増加させて、ポッド全体を右側に傾けることが可能である。
逆に、制御部20は、中央右バラストタンク14の排水とともに、中央左バラストタンク15の注水を行うことで、ポッド全体として右側の浮力を増加させ且つ左側の浮力を低下させて、ポッド全体を左側に傾けることが可能である。なお、中央右バラストタンク14及び中央左バラストタンク15のうちの一方のみの注排水を行うことで同様の姿勢制御を行うことも可能である。又は、ポッド2、2内に設けられているバラストタンク10〜13の注排水によっても同様の姿勢制御を行うことが可能である。さらには、ポッド2、2内及び連結ビーム3内のバラストタンク10〜15を組み合わせて注排水することでも同様の姿勢制御を行うことが可能である。
このように制御部20は、ポッド全体の左右において相対的に浮力差を生じさせることで、ポッド全体のローリング方向の姿勢制御を行う。
制御部20は、ポッド全体の姿勢変化に応じて、適切なバラストタンク10〜15の注排水を行うことで、ポッド全体の姿勢を水平に保ったり、傾けたりすることができる。なお、制御部20は、全てのバラストタンク10〜15、又は、ポッド2、2内のバラストタンク10〜13のみ若しくは連結ビーム3内のバラストタンク14、15のみ、について同時に注水することでポッド全体を浮上させることができ、同時に排水することでポッド全体を沈降させることもできる。
第1実施形態における海流発電装置1は、制御部20による制御の下、ポッド2、2及び連結ビーム3の各部に配設されたバラストタンク10〜15の注排水により部分的に浮力を変化させて、ポッド全体の姿勢を制御している。これにより、元々ポッド全体の浮力を調整するものとして設けられるバラストタンク10〜15を前後左右の各部に設けた簡易な構成で、各部のバラストタンク10〜15を相対的に注排水するという容易な制御によりポッド全体の姿勢を制御することができる。
バラストタンク10〜15による浮力変化は海水の流れの強さに依存することがなく、注排水によって速やかに浮力を変化させることができることから、姿勢制御の応答性も向上させることができる。
以上で本発明に係る海流発電装置の第1実施形態についての説明を終えるが、第1実施形態は上記構成に限られるものではない。
上記実施形態では、各ポッド2、2内部及び連結ビーム3内にそれぞれバラストタンク10〜15が配設されているが、バラストタンクを配設する位置や数はこれに限られるものではない。例えば、ポッド内部のみ又は連結ビーム内のみにバラストタンクを設けた構成としてもよい。また、左右一対のポッドのうちの一方のみにバラストタンクを設けた構成、又は左右一対のポッドそれぞれの前側又は後側のみにバラストタンクを設けた構成等であってもよく、ポッド全体として前後左右に相対的に浮力差を生じさせることができる位置にバラストタンクを設ければよい。
また、上記第1実施形態では、左右一対のポッド2、2の中央部分を一つの連結ビーム3により連結した構成であるが、各ポッドの前側を前側連結ビームにより、後側を後側連結ビームにより連結した、二つの連結ビームを有する構成としても構わない。この場合、前後それぞれの連結ビーム内にバラストタンクを設けることで、当該各連結ビーム内のバラストタンクの注排水によってもポッド全体のピッチング方向の姿勢制御を行うことができるようになる。
次に本発明の第2実施形態について説明する。
図3を参照すると、第2実施形態に係る海流発電装置のポッドの姿勢制御についての説明図(a)(b)が示されている。なお、当該第2実施形態における海流発電装置において、上記第1実施形態の構成と同様の構成については同様の符号を付し、詳しい説明を省略する。
第2実施形態における海流発電装置30は、基本的構成は図1に示した第1実施形態の海流発電装置1と同様であり、図3(a)(b)では左右一対のポッド2、2うちの一方のポッド2のみを示している。他方のポッド2も同様の構成をなしており、他方のポッド2の説明は省略する。
図3(a)(b)に示すように、第2実施形態における海流発電装置30は、ポッド2の前側及び後側に体積増減部31、32(浮力変化手段)が設けられている。ここでは、それぞれの配設位置に対応して前側体積増減部31、後側体積増減部32ともいう。
各体積増減部31、32は、ロッド31a、32a及び収納部31b、32bから構成されている。ロッド31a、32aはポッド2の前後方向に延びた円柱状をなしており、一方に開口した有底筒状の収容部31b、32b内を図示しないアクチュエータにより摺動可能に設けられている。各体積増減部31、32はロッド31a、32aをポッド2の表面から突出又は収納することによりポッド2の体積を増減させて、配設部分の浮力を変化させるものである。具体的には、各体積増減部31、32はロッド31a、32aを突出させて配設部分の体積を増加することで、配設部分の浮力を増加させる。逆にロッド31a、32aを収納部31b、32bに収納して体積を減少することで、配設部分の浮力を低下させる。
各体積増減部31、32におけるロッド31a、32aの突出及び収納は、ポッド2、2内部又は外部に設けられた制御部33(姿勢制御部)により制御される。
制御部33は、各体積増減部31、32のロッド31a、32aを突出又は収納させることにより浮力を変化させて、ポッド2、2及び連結ビーム3を含めたポッド全体の姿勢を制御するものである。
制御部33は、例えば図3(a)に示すように、左右それぞれのポッド2における前側体積増減部31のロッド31aを突出するとともに、後側体積増減部32のロッド32aを収納することで、ポッド全体の前側の浮力を増加させ且つ後側の浮力を低下させて、ポッド全体を後傾させることが可能である。
逆に、制御部33は、図3(b)に示すように、左右それぞれのポッド2における前側体積増減部31のロッド31aを収納するとともに、後側体積増減部32のロッド32aを突出することで、ポッド全体として前側の浮力を低下させ且つ後側の浮力を増加させて、ポッド全体を前傾させることが可能である。
このように制御部33は、ポッド全体の前後において相対的に浮力差を生じさせることで、ポッド全体のピッチング方向における姿勢制御を行う。
また、制御部31は、例えば右側のポッド2に設けられている前後の体積増減部31、32のロッド31a、32aを収納するとともに、左側のポッド2に設けられている前後の体積増減部31、32のロッド31a、32aを突出することで、ポッド全体として右側の浮力を低下させ且つ左側の浮力を増加させて、右側に傾けることが可能である。
逆に、制御部33は、右側のポッド2に設けられている前後の体積増減部31、32のロッド31a、32aを突出するとともに、左側のポッド2に設けられている前後の体積増減部31、32のロッド31a、32aを収納することで、ポッド全体として右側の浮力を増加させ且つ左側の浮力を低下させて、左側に傾けることが可能である。
このように制御部33は、ポッド全体の左右において相対的に浮力差を生じさせることで、ポッド全体のローリング方向の姿勢制御を行う。
制御部33は、ポッド全体の姿勢変化に応じて、適切な体積増減部31、32のロッド31a、32aの突出又は収納を行うことで、ポッド全体の姿勢を水平に保ったり、傾けたりすることができる。なお、制御部33は、左右一対のポッド2、2における全ての体積増減部31、32を同時に突出させることでポッド全体を浮上させることができ、同時に収納することでポッド全体を沈降させることもできる。
第2実施形態における海流発電装置30は、制御部33の制御の下、ポッド2、2の各部に配設された体積増減部31、32のロッド31a、32aの突出又は収納により浮力を変化させて、ポッド全体の姿勢を制御している。体積増減部31、32はポッド2に対してロッド31a、32aを突出又は収納するだけの簡易な構成で、各部の当該ロッド31a、32aを相対的に突出又は収納するという容易な制御によりポッド全体の姿勢を制御することができる。
体積増減部31、32による浮力変化は、海水の流れの強さに依存することがなく、ロッド31a、32aの突出又は収納によって速やかに浮力を変化させることができることから、姿勢制御の応答性も向上させることができる。
以上で本発明に係る海流発電装置の第2実施形態についての説明を終えるが、第2実施形態は上記構成に限られるものではない。
第2実施形態の海流発電装置30では、各ポッド2、2の前後に体積増減部31、32が配設されているが、体積増減部を配設する位置や数はこれに限られるものではない。例えば連結ビームに体積増減部を配設してもよい。また、左右一対のポッドのうちの一方のみに体積増減部を設けた構成、左右一対のポッドの前側又は後側のみに体積増減部を設けた構成等であってもよく、ポッド全体として前後左右に相対的に浮力差を生じさせることができる位置に体積増減部を設ければよい。
また、第2実施形態では、体積増減部31、32はロッド31a、32a及び収納部31b、32bから構成され、当該ロッド31a、32aが前後方向に摺動するものであるが、体積増減部はポッドの体積を増減させることのできる構成であればよく、ロッドの形状や体積を増減させる機構等はこれに限られるものではない。
次に本発明の第1参考形態について説明する。
図4を参照すると、第1参考形態に係る海流発電装置におけるポッドの姿勢制御についての説明図(a)及びその変形例(b)が示されている。なお、当該第1参考形態における海流発電装置において、上記第1実施形態の構成と同様の構成については同様の符号を付し、詳しい説明を省略する。
1参考形態における海流発電装置40は、基本的構成は図1に示した第1実施形態の海流発電装置1と同様である。
図4(a)に示すように、第1参考形態における海流発電装置40は、左右それぞれのポッド2、2の前側及び後側の上面及び下面に抵抗板(浮力変化手段、抗力発生部)41a、41b〜44a、44bが配設されている。ここでは、それぞれの配設位置に対応して右上前抵抗板41a、右下前抵抗板41b、右上後抵抗板42a、右下後抵抗板42b、左上前抵抗板43a、左下前抵抗板43b、左上後抵抗板44a、左下後抵抗板44bともいう。
各抵抗板41a、41b〜44a、44bは、それぞれの前端部がポッド2、2に回動自在に取り付けられた板材である。各抵抗板41a、41b〜44a、44bは、図示しないアクチュエータにより前端部を支点に展開し、板面にて海水の流れを受けることで抗力を発生させ、配設部分の浮力を変化させるものである。具体的には、各ポッド2、2の上面に設けられている各抵抗板41a〜44aは、展開して海水の流れを受けることで、下方に向けた抗力を発生させて配設部分の浮力を低下させる。逆に、ポッド2、2の下面に設けられている各抵抗板41b〜44bは、展開して海水の流れを受けることで、上方に向けた抗力を発生させて配設部分の浮力を増加させる。
各抵抗板41a、41b〜44a、44bの展開は、図示されていないがポッド2、2の内部又は外部に設けられた制御部(姿勢制御部)により制御される。
制御部は、各抵抗板41a、41b〜44a、44bを展開させることで浮力を変化させてポッド全体の姿勢を制御するものである。
制御部は、例えば図4(a)に示すように、右下後抵抗板42bを展開するとともに、左上前抵抗板43aを展開させることで、ポッド全体の右後側の浮力を増加させ且つ左前側の浮力を低下させて、ポッド全体を前傾させ且つ左側に傾けさせることが可能である。
このように制御部は、ポッド全体の前後左右において相対的に浮力差を生じさせることで、ポッド全体のピッチング方向及びローリング方向の姿勢制御を行う。
制御部は、ポッド全体の姿勢変化に応じて、適切な抵抗板41a、41b〜44a、44bを展開させることで、ポッド全体の姿勢を水平に保ったり、傾けたりすることができる。なお、制御部は、各ポッド2、2の下面側にある全ての抵抗板41b〜44bを同時に展開させることでポッド全体を浮上させることができ、ポッド2、2の上面側にある全ての抵抗板41a〜44aを同時に展開させることでポッド全体を沈降させることもできる。
1参考形態における海流発電装置40は、制御部の制御の下、ポッド2、2の各部に配設された抵抗板41a、41b〜44a、44bを展開させることにより浮力を変化させて、ポッド全体の姿勢を制御している。抵抗板41a、41b〜44a、44bはポッド2に対して展開するだけの簡易な構成で、各部の当該抵抗板41a、41b〜44a、44bを相対的に展開させるという容易な制御によりポッド全体の姿勢を制御することができる。
抵抗板41a、41b〜44a、44bによる浮力変化は海水の流れを板面全体で受けることで効率よく抗力を発生させ、速やかに浮力を変化させることができる。特に本参考形態では、左右に大きく離れている各ポッド2、2に抵抗板41a、41b〜44a、44bを設けていることで、ポッド間の抗力差を容易に生じさせることができ、自由な姿勢制御を実現することができる。
以上で本発明に係る海流発電装置の第1参考形態についての説明を終えるが、第1参考形態は上記構成に限られるものではない。
1参考形態の海流発電装置40では、各ポッド2、2の前側及び後側の上面及び下面に抵抗板41a、41b〜44a、44bが配設されているが、抵抗板を配設する位置や数はこれに限られるものではない。例えば図4(b)に示す第1参考形態の変形例における海流発電装置50のように、連結ビーム3の上面及び下面に、抵抗板51a〜54aを設けた構成としてもよい(図3(b)では連結ビーム下面の抵抗板は図示せず)。このような構成でも上記第1参考形態と同様の効果を奏することができる。
また、左右一対のポッドのうちの一方のみに抵抗板を設けた構成、又は左右一対のポッドの前側又は後側のみに抵抗板を設けた構成等であってもよく、ポッド全体として前後左右に相対的に浮力差を生じさせることができる位置に抵抗板を設ければよい。
また、第1参考形態では、抵抗板41a、41b〜44a、44bは前端部がポッド2、2に回動自在に取り付けられた板材であるが、抵抗板は抗力をさせることのできる構成であればよく、これに限られるものではない。例えば、抵抗板の後端部をポッドに回動自在に取り付けた構成としてもよい。
1、30、40、50 海流発電装置
2 ポッド
3 連結ビーム(連結部)
10〜15 バラストタンク(浮力変化手段)
20、33 制御部(姿勢制御部)
31、32 体積増減部(浮力変化手段)
31a、32a ロッド
31b、32b 収納部
41a、41b〜44a、44b 抵抗板(浮力変化手段、抗力発生部)

Claims (4)

  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、
    前記ポッドの一部に配設され、前記ポッドにおける前記海水の流れに対して上流側及び下流側のうち少なくとも一方に設けられており、当該配設部分の浮力を変化させる浮力変化手段と、
    前記浮力変化手段により前記ポッドの一部の浮力を変化させて当該ポッドのピッチング方向の姿勢を制御する姿勢制御部と、
    を備えたことを特徴とする海流発電装置。
  2. 左右一対の前記ポッドが連結部を介して連結されており、
    前記浮力変化手段は、前記左右一対のポッドのうち少なくとも一方に設けられており、
    前記姿勢制御部は、前記浮力変化手段により前記ポッドの一部の浮力を変化させて前記連結部を含めたポッド全体におけるローリング方向の姿勢を制御することを特徴とする請求項1記載の海流発電装置。
  3. 前記浮力変化手段は、海水を注水又は排水することで浮力を変化させるバラストタンクであることを特徴とする請求項1又は2記載の海流発電装置。
  4. 前記浮力変化手段は、前記ポッドの表面からロッドを突出又は収納することで浮力を変化させる体積増減部であることを特徴とする請求項1又は2記載の海流発電装置。
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