JP6281158B1 - 作業用台船 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性の高い作業用台船向けの電力制御システムを構築する。【解決手段】作業用台船向けの電力制御システムはＭＰＵ１０１と蓄電池１０４を内包する蓄電池システムを含んで構成される。ＭＰＵ１０１は作業負荷Ａへ電力を供給する発動機である。ＭＰＵ１０１が使い切れなかった電力を定常負荷Ｂに用いる為のシステムが蓄電池システムである。蓄電池システムは、ＭＰＵ１０１からの入力の電圧を降圧し、蓄電池１０４に充電する。また、フルに充電されているなど蓄電池１０４への充電ができない時には、降圧後のＭＰＵ１０１からの入力を定常負荷へ出力する。【選択図】図３

Description

本発明は浚渫などに用いる作業用台船の電力制御方法、特に主機の発電制御に関する。

作業用台船は、浚渫や水底地盤の改良などの際、各種機器の足場として用いるものである。作業用台船は推進用の動力機関を持たず、タグボートなどによって押し引きすることで移動する。その移動手法からも明らかなとおり、作業用台船は主に港湾やその近海での活動が主になる。従って、作業用台船は静粛性が求められる場合も多々ある。

なおここで言う作業用台船は、非自航船はもちろん、帆走可能な自航船も含む。推進機関を有する自航船であっても良いが、後述するＭＰＵ、ＡＰＵは推進機関ないしはその関連機器を兼ねることはない。また、ここに言う自航船は船舶安全法施行規則第２条第２項第３号で規定される「推進機関または帆走を有しない船舶」をいい、非自航船はこれに含まれないものと定義する。

作業用台船はピンローラジャッキやクレーン、浚渫用グラブなど該台船の作業目的に応じて複数の装置を搭載する場合が多い。

通常、作業用台船は自身に搭載する発動機によって発電し、その電力で各種装置を動作させる。従って、作業時と非作業時では作業用台船で必要になる電力は大きく変化する。

一例として、ある作業用台船を上げる。この作業用台船では作業用機器使用時に最大約４００ＫＷの入力が必要になる。一方で、作業を行わない場合には最大６０ＫＷの入力が必要になる。

このような大きい電力変化に対応するために、これまでは主発動機（Ｍａｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）と補助発動機（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ：ＡＰＵ）の二種類の発動機を台船上に載せるのが一般的である。

作業用台船のＭＰＵとしては、一般的にはディーゼルエンジンが用いられている。そしてＭＰＵを動かすことで発電を行い、作業用機器使用時の最大必要電力を発電する。

一方、作業用台船のＡＰＵは作業用機器の使用、非使用に関わらず必要な電力を供給する。長期にわたる作業においては従事する作業員の居住施設用設備（例：エアコン、室内灯、給食設備）などにも電力は必要になる。これらが必要とする電力の発電には発動機が必要になることは言うまでもない。

しかし、このような目的の発電でＭＰＵを動かすと上記のように大半の電力を捨てるようなことも多い。またＭＰＵとは別に小型の発動機を配置すれば、夜間の騒音低減などで好ましい場合も多い。そこで一般的には作業用台船上にＡＰＵが配置される。

上記のようにＡＰＵはＭＰＵと比較すると小型低出力の発動機であることがほとんどである。そしてどのような発動機であっても最大効率で動くパワーバンドが存在し、其々のパワーバンドで各発動機を動かすことが燃費の面で好ましい。

このようにＭＰＵとＡＰＵという二つの発動機を用いて作業用台船の電力システムを構築するのが一般的である。そしてこれらの使い分けに技術者の苦労が垣間見られる。

従来の技術としては、特開２０１３−０５７３０３（引用文献１）があげられる。引用文献１は、風力、波力、潮力併用発電装置に関するものである。引用文献１には船上に風力による圧縮空気を貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された圧縮空気によって回転するターボファン及びそのターボファンの回転力で発電される発電機と、タンクの内圧が一定以上の場合に駆動される小型発電機が記載されている。

特開２０１３−０５７３０３公開公報

しかし、引用文献１記載の技術では、タンク内圧を制御の判断手段として使用する為、実質的に風力発電にしか適用できず汎用性に欠ける。

また、引用文献１記載の技術では発電側の都合での切り替えであり、電力消費側の都合は反映されていない。

本発明は、発電方式に寄らずより汎用性の高い電力制御を可能にする方法を提供するものである。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明に関わる代表的な作業用台船は、作業負荷とこの作業負荷を動作させるための作業用電力を供給するＭＰＵと、定常負荷と、更に蓄電池を挿抜可能に備える蓄電池システムを含み、蓄電池は定常負荷に常時出力し、ＭＰＵは、自身の発電量のうち作業用負荷が使用する分を超える発電量を蓄電池システムに出力することを特徴とする。

この作業用台船の蓄電システムは、ＭＰＵからの入力を降圧させることを特徴としても良い。

これらの作業用台船の蓄電池システムは、ＭＰＵからの入力電力を蓄電池に充電することを特徴としても良い。

この作業用台船は、蓄電池の充電ができない時に蓄電池システムは降圧後のＭＰＵからの入力を定常負荷に出力することを特徴としても良い。

この作業用台船は、ＭＰＵからの入力が無い時に蓄電池の充電ができない場合、蓄電池システムはエラーを出力することを特徴としても良い。

この作業用台船は、エラーは有線又は無線通信で送信されるエラーデータであることを特徴としても良い。

この作業用台船は、エラーデータを受けて前記ＭＰＵは動作を停止することを特徴とする作業用台船。

この作業用台船は更にＡＰＵを含み、蓄電池システムはＭＰＵからの送電とＡＰＵからの送電とを系統連系できるように構成されていることを特徴としても良い。

この作業用台船は更に外部入力端子を含み、蓄電池システムはＭＰＵからの送電と外部入力端子からの交流入力とを系統連系できるように構成されていることを特徴としても良い。

この作業用台船は、外部入力端子に太陽光発電に用いるパワーコンディショナーが接続可能なことを特徴としても良い。

この作業用台船は、外部入力端子に風力発電機が接続可能なことを特徴としても良い。

本明細書記載の発明によって、汎用性の高い作業用台船向けの電力制御システムを構築することが可能になる。

また本明細書記載の発明によって、燃料消費・排気ガス・騒音の低減を図ることが可能になり、環境に優しいシステムを構築することが可能になる。

また本明細書記載の発明によって、発電機の消耗部品代、交換や状況把握に関わる人件費などメンテナンス費用を軽減することが可能になる。

従来の作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の第１の実施の形態に関わる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 蓄電池システムの処理フローを表すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に関する作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の第３の実施の形態に関する作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。 本発明の第３の実施の形態に関する別の作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）

本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、従来の作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。一方、図２は本発明の第１の実施の形態に関わる作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。

まず図１を用いて、従来の技術について説明する。
従来は、ＭＰＵ９０１とＡＰＵ９０２がそれぞれ独立して図示しない作業用台船上に配置されていた。

ＭＰＵ９０１は、クレーン、油圧ポンプ、清水冷却ポンプ、海水冷却ポンプと言った作業用機器（作業負荷Ａ）へ電力を供給する発動機である。

電力容量を考えずに作業を行うためには、ＭＰＵ９０１に接続されている作業負荷Ａを同時に最大出力で使用した場合でも十分な発電容量がＭＰＵ９０１には求められる。そして、これら作業用機器はＡＰＵ９０２に接続される船内空調や照明といった定常負荷Ｂなどと比べると極めて大きな電力が必要になる。これらに対応すべく、ＭＰＵ９０１はＡＰ９０２と比べて発電容量の大きな発動機が用いられる。

一方、ＡＰＵ９０２は、照明や空調機器、サニタリーポンプといった船内環境を快適に維持するための機器（定常負荷Ｂ）に電力を供給する発動機である。これらは作業中か否かに関わらず常時使用されるものがほとんどである。従って、このＡＰＵ９０２は常時動作することとなる。

図１に示す通り、従来はＭＰＵ９０１とＡＰＵ９０２は別の電力系統を持っている。作業負荷Ａの為に、ＭＰＵ９０１は最大電圧を２２０Ｖなどの高圧にする必要が多い。一方日本国内では、ＡＰＵ９０２は最大電圧を１００Ｖにする場合がほとんどである。日本国内では電気製品は交流１００Ｖで使用するように設計されているため、最大電圧を１００Ｖにした方が船内に持ち込める機器に制限が掛からないためである。

このような構成をとると、電力系統をシンプルに構成できるといったメリットもあるが、デメリットも多い。その最たるものは、最大出力でＭＰＵ９０１を動作させると捨てる電力が多いことである。

既述の通り、ＭＰＵ９０１に接続された船内の機器全てを同時に最大出力で動かしても余裕があるようにＭＰＵ９０１の最大出力を定めれば、機器操作者は快適に船内の機器を使用することが可能になる。しかし裏を返せば「船内の機器全てを同時に最大出力で動かす」というレアな状況を想定して電力系統を設計していることになるため、ＭＰＵ９０１を常時最大出力で動かせば相応の電力を使わずにグランドに流すことになる。

また、ＭＰＵ９０１に何を使うかによって効率（＝燃費）が左右される。船舶でよく用いられるディーゼルエンジンは高圧下の拡散燃焼速度が遅いという欠点があるため大容積エンジンは低回転に限られる。発電能力はＭＰＵ９０１の回転数に依存する為、１台のディーゼルエンジンでは所望の発電能力を確保できない場合も考えられる。このような発電能力不足の場合には２台以上のディーゼルエンジンを必要とする場合も考えられる。しかし、２台のディーゼルエンジンを動かせば１台のディーゼルエンジンを動かすよりも当然に燃費は悪化することになる。

これに対し、ガスタービンエンジンは低速回転時と高速回転時の燃料消費率の差が少ない特徴がある。このためＭＰＵ９０１にガスタービンエンジンを用いると最大回転数の時に高燃費を達成することが可能になる。裏を返せば最大回転数を発揮することがほとんどなければ、ＭＰＵ９０１にガスタービンエンジンを利用することは燃費を悪化させるだけであまり好ましいとは言えない。

結果として、設計時に想定した使用形態と実際のユーザの使用形態に齟齬が生じていた場合には効率は悪化することとなる。

本発明は、これらの解消を目的としている。これより図２を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。

本発明の第１の実施の形態においては、ＭＰＵ１０１と蓄電池１０４を含む蓄電池システム１０３を含んで構成される。

ＭＰＵ１０１は、従来例のＭＰＵ９０１と同じように作業負荷Ａへ電力を供給する発動機である。ＭＰＵ１０１とＭＰＵ９０１の異なる点とすれば、ＭＰＵ１０１を動作させるときには常にパワーバンドで動かすことを想定する点にある。

すなわち、ＭＰＵ１０１をパワーバンドで動かすと、ＭＰＵ１０１に接続されている機器を同時に最大出力で使用することができるように設計する。

蓄電池システム１０３は、ＭＰＵ１０１が使い切れなかった電力を蓄電池１０４に貯めるあるいは定常負荷Ｂに用いる為のシステムである。この際、ＭＰＵ１０１で用いる電圧から降圧させることも処理の一つに含まれる。

作業負荷Ａで使い切れない余った電力を蓄電池１０４で用いるようにすることで、作業負荷Ａの変動に伴いＭＰＵ１０１の回転数を変動する機会が減ることからＭＰＵ１０１をパワーバンドで使い続けることが可能になり、結果として低燃費を実現できる。

蓄電池システム１０３には、蓄電池１０４の容量を変更できるように挿抜可能にする。これにより定常負荷Ｂに合った容量設計をするために蓄電池１０４の容量の増減が任意で可能になる。これにより蓄電池１０４のスケーラビリティを確保する。

充電池１０４は、蓄電池システム１０３に送られてきたＭＰＵ１０１からの電力を充電するための蓄電池である。主にリチウムイオン電池を想定するが、この限りではない。

なお、本実施の形態では、充電されている限り充電池１０４から定常負荷Ｂに対して常時電流が流れる構成とする。

次に、蓄電池システム１０３の動作について説明する。
図３は蓄電池システム１０３の処理フローを表すフローチャートである。本実施の形態ではポーリングで、この処理を繰り返すことになる。

まず、ＭＰＵ１０１から蓄電池システム１０３への入力があるか確認する（ステップＳ１００１）。この際、電流の検出（電流検出）を行うか、抵抗をかませて電位差の検出（電圧検出）を行うかは設計事項である。

ＭＰＵ１０１からの入力がある場合には（ステップＳ１００１：Ｙｅｓ）、蓄電池システム１０３内の図示しないトランス等を用いて電圧の降圧処理を行う（ステップＳ１００２）。既述の通り作業用のＭＰＵ１０１は作業負荷Ａへの供給を考えている為定常負荷Ｂで用いる電圧より高い為である。

降圧後、蓄電池システム１０３は蓄電池１０４への充電が可能か確認する（ステップＳ１００３）。蓄電ができない理由としては断線や蓄電池１０４の脱落といったハードウェア的なものや、蓄電池１０４の充電容量いっぱいまで充電されている、などが考えられる。

充電が可能な場合（ステップＳ１００３：Ｙｅｓ）、蓄電池１０４に充電を開始する（ステップＳ１００４）。一方、充電ができない場合には（ステップＳ１００３：Ｎｏ）、ＭＰＵ１０１からの電流をそのまま定常負荷Ｂに出力する（ステップＳ１００５）。

ＭＰＵ１０１からの入力が無い場合には（ステップＳ１００１：Ｎｏ）、蓄電池１０４が放電可能か確認する（ステップＳ１００６）。蓄電池１０４の放電が可能であれば（ステップＳ１００６：Ｙｅｓ）、特段の処理は行わずに終了する（ステップＳ１００７）。

蓄電池１０４の放電ができない場合（ステップＳ１００６：Ｎｏ）、図示しない操作盤等にエラーの表示・出力を行う（ステップＳ１００８）。この表示を見て、操作者はＭＰＵ１０１を稼働したりすることで、蓄電池１０４に充電を行うことができる。

なお、この際のエラーの表示・出力はコンソールへの表示だけでなく、図示しない有線、無線通信を経由して出力されるエラーデータのような形式でもかまわない。このエラーデータを受けて、人手を介すことなくＭＰＵ１０１の動作を止めたりすることも本発明の射程に含まれる。

以上のように、
１）ＭＰＵ１０１を動かすときは原則としてパワーバンドで動かす（稼働・停止時は除く）。
２）ＭＰＵ１０１を動かす際、作業負荷Ａを超える発電量は蓄電池システム１０３に出力する。
３）蓄電池システム１０３は電圧降圧後定常負荷Ｂへ出力または蓄電池１０４に充電する。
の順で処理することで、設計時に想定した使用形態と実際のユーザの使用形態に齟齬が生じていても高い効率でシステムを稼働することが可能になる。

また、ＡＰＵを省略することで可動部品を減らし、システム全体としてメンテナンスの負荷を低減する。

さらに、蓄電池１０４のスケーラビリティを確保することで、作業用台船の大きさ、作業負荷Ａに関わらず同一の蓄電池システム１０３を利用することが可能になる。結果として、作業用台船の大小にかかわらず同一のシステムを採用することが可能になる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態に関する作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。

この本発明の第２の実施の形態に関わる発電システムは第1の実施の形態の各構成要素に加え、ＡＰＵ１０２を追加したものである。

本実施の形態に関わる蓄電池システム２０３は、ＭＰＵ１０１からの入力だけでなく、ＡＰＵ１０２からの入力も受け付けることができるようになっている。よって、蓄電池システム２０３にはＭＰＵ１０１からの入力とＡＰＵ１０２からの入力用を系統連系するための回路（コイル、鉄心等）が含まれている。

本実施の形態に関わるＡＰＵ１０２は、基本的には従来例に関わるＡＰＵ９０２と同じものである。すなわち、ＡＰＵ１０２は、ＭＰＵ１０１ほど発動機の出力は大きくない。そしてＡＰＵ１０２の騒音はＭＰＵ１０１のそれよりも低いものとする。

ＡＰＵ１０２は、蓄電池システム１０３に接続される。そして第１の実施の形態と異なり、本実施の形態のＡＰＵ１０２の目的は、ＭＰＵ１０１より静かに蓄電池１０４に充電を行うことにある。

まず本実施の形態の全体の動作について説明する。
通常、作業用台船は自分自身では推進用の動力を持たない。よって作業用台船は曳船により移動されることが一般的である。

勢い、作業用台船は港湾もしくはその付近での作業が中心となる。従って、仮に第１の実施の形態ステップＳ１００８でエラーが表示された場合でも、夜間にＭＰＵ１０１を動作するのはクレームの原因となり好ましくない。

そこで、蓄電池システム１０３にＡＰＵ１０２を接続可能なようにし、状況に応じて第１の実施の形態ステップＳ１００８におけるエラー発生時にＭＰＵ１０１とＡＰＵ１０２を使い分けるようにするのが本実施の形態の特徴である。

このように、ＭＰＵ１０１より静かなＡＰＵ１０２を装備し、状況によって使い分けることで、燃料消費・排気ガス・騒音の低減を図ることが可能になり、環境に優しいシステムを構築することが可能になる。

（第３の実施の形態）
最後に本発明の第３の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の第３の実施の形態に関する作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。
本実施の形態の蓄電池システム２０３では、さらに外部入力端子２０１を接続することを特徴とする。

外部入力端子２０１は、外部に設けられた電源を接続するためのインターフェイスである。
本実施の形態では、太陽光発電や風力発電と言った外部電源を蓄電池システム１０３に接続可能なようにする点に特徴がある。

作業用台船は一度完成するとＭＰＵ、ＡＰＵ、図示しない燃料タンクを自由に交換することはできない。また，昨今は太陽光発電や風力発電と言った自然エネルギーを利用した発電へのニーズも高まっており、これらへの対応も必要である。

これらの太陽光発電、風力発電は極めて不安定な発電手法であり、作業用台船の主力の発電手段とすることはできない。さらに風力発電と異なり、太陽光発電は直流電圧が発生する為パワーコンディショナーなどを使って直流から交流に変換する必要がある。

この変換後の電力を蓄電池システム２０３に供給するために必要なのが外部入力端子２０１である。よって外部入力端子２０１には三相交流電圧が接続されることを想定する。

このように、太陽光発電や風力発電との系統連系運転を行うために、蓄電池システム２０３には系統連系用の回路が含まれる必要がある。ただし、系統連系用の回路自体は一般の物を用いても良い。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、上記ではＭＰＵをパワーバンドで動かすことを想定した。これはＭＰＵの燃費が悪化することを避けるためである。しかし、パワーバンドから外れた状態でＭＰＵを動かした場合に蓄電池に充電したものも本発明の射程に含まれる。

また、上記では作業負荷Ａが最大の時にでも、ＭＰＵがパワーバンドで運転できるよう設計することを考えていた。しかし、作業負荷Ａが最大になることがほとんど考えられない場合には、作業負荷Ａが最大の時にＭＰＵのパワーバンドを外れたところで運転するように設計することも本発明の射程に含まれる。

また、図６に表すような例である。図６は本発明の第３の実施の形態に関する別の作業用台船の発電システムの構成を表す概念図である。

図６では外部入力端子は二つに増設されている。これは、図示しない一の鉄心に外部入力端子２０１と外部入力端子２０２からの導線を巻き系統連系の対象数を増やすことで対応する。このようなことも本発明の射程に含まれる。

また、図６の場合に、外部に存在する直流電源を外部入力端子に接続して用いる場合には、太陽光発電同様にパワーコンディショナーの機能（直流・交流変換）が必要になることは言うまでもない。この際、直流・交流回路を作業用台船上の外部入力端子と蓄電池システム２０３間に配置して外部入力端子には直流が流れるようにするか、外部入力端子外に配置し外部入力端子には交流が流れるようにするかは設計事項である。

さらに作業負荷Ａは本明細書に列記されたものに限定されるものではない。作用内容や作業規模に応じて作業用台船上に載せられる機器は増減するのは当然であるし、本明細書作成後に新たに考案された作業用機器であっても、本明細書の射程を脱するものではないことは言うまでもない。

本発明は浚渫などに用いる作業用台船、及び作業用台船で用いられる電源の構成に関するものである。

１０１、９０１ ＭＰＵ、
１０２、９０２ ＡＰＵ、
１０３、２０３ 蓄電池システム、
１０４ 蓄電池、
２０１、２０２ 外部入力端子。

Claims (11)

1. 作業負荷と前記作業負荷を動作させるための作業用電力を供給するＭＰＵと、定常負荷と、を含む作業用台船であって、
   更に蓄電池を挿抜可能に備える蓄電池システムを含み、
   前記蓄電池は前記定常負荷に常時出力し、
   前記ＭＰＵは、自身の発電量のうち前記作業用電力を超える発電量を前記蓄電池システムに出力することを特徴とする作業用台船。
2. 請求項１記載の作業用台船において、
   前記蓄電システムは、前記ＭＰＵからの入力を降圧させることを特徴とする作業用台船。
3. 請求項１または２に記載の作業用台船において、
   前記蓄電池システムは、前記ＭＰＵからの入力電力を前記蓄電池に充電することを特徴とする作業用台船。
4. 請求項３記載の作業用台船において、
   前記蓄電池の充電ができない時に前記蓄電池システムは降圧後の前記ＭＰＵからの入力を定常負荷に出力することを特徴とする作業用台船。
5. 請求項１記載の作業用台船において、
   前記ＭＰＵからの入力が無い時に前記蓄電池の放電ができない場合、前記蓄電池システムはエラーを出力することを特徴とする作業用台船。
6. 請求項５記載の作業用台船において、
   前記エラーは有線又は無線通信で送信されるエラーデータであることを特徴とする作業用台船。
7. 請求項６記載の作業用台船において、
   前記エラーデータを受けて前記ＭＰＵは動作を停止することを特徴とする作業用台船。
8. 請求項１記載の作業用台船において、該作業用台船は更にＡＰＵを含み、
   前記蓄電池システムは前記ＭＰＵからの送電と前記ＡＰＵからの送電とを系統連系できるように構成されていることを特徴とする作業用台船。
9. 請求項１記載の作業用台船において、該作業用台船は更に外部入力端子を含み、
   前記蓄電池システムは前記ＭＰＵからの送電と前記外部入力端子からの交流入力とを系統連系できるように構成されていることを特徴とする作業用台船。
10. 請求項９記載の作業用台船において、前記外部入力端子には太陽光発電に用いるパワーコンディショナーが接続可能なことを特徴とする作業用台船。
11. 請求項９記載の作業用台船において、前記外部入力端子には風力発電機が接続可能なことを特徴とする作業用台船。
    
    

Images