JP6730047B2 - バキューム式アンカー、及び波力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、浮体を係留するバキューム式のアンカーと、そのバキューム式アンカーを備える浮体を含む波力発電設備に関する。

洋上風力発電設備においては、浮体上に風車及び発電装置が設置され、浮体は、海底にアンカーで固定した係留索に繋がれる（例えば特許文献１・２参照）。
なお、一般的なアンカーとしては、オーガ方式やロックアンカー等の機械的アンカー、地下構造物の山留として主流となっているグランドアンカー、特殊薬液を用いるケミカルアンカー等がある。

特許第５７３８６４４（特開２０１２−２０１２１９）号公報 特開２０１４−２１８９５８号公報

しかし、風力発電機を設置する浮体は、水中重量での自重のみでは潮位変動に不安定である。
また、従来の機械的アンカー、グランドアンカー、ケミカルアンカー等の一般的なアンカーでは、海底工事においは高額となる。

本発明の課題は、浮体を係留する安価なアンカーを提供することである。

請求項１に記載の発明は、
水上の浮体に接続した係留索の下端に設けられて水底地盤に到達する吸盤と、
前記浮体に設けられて内部が真空状態に維持されるバキュームタンクと、
前記吸盤と前記バキュームタンクとを繋ぐ吸引管と、を備えるバキューム式アンカーを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のバキューム式アンカーであって、
前記吸引管内に、前記バキュームタンク内に吸引された地下水の逆流を阻止する逆止弁を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載のバキューム式アンカーであって、
前記バキュームタンクに、当該バキュームタンク内に吸引された地下水を水中に排出する排水口を設けて、
前記排水口に、前記水中から前記バキュームタンクへの水の侵入を阻止する逆止弁を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項１から３のいずれか一項に記載のバキューム式アンカーであって、
前記バキュームタンクは、前記浮体に対し垂直方向にスライド自在に組み付けられ、または前記浮体に固定されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項１から４のいずれか一項に記載のバキューム式アンカーを備える前記浮体上に波力発電装置が設置される波力発電設備を特徴とする。

本発明によれば、浮体を係留する安価なバキューム式アンカーを提供することができる。

本発明を適用したバキューム式アンカーを備える波力発電設備の一実施形態の構成を示すもので、バキュームポンプ＋排水ポンプ方式を示した概略構成図である。 実施形態２の自吸式フロートパイプ方式を示した概略構成図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
（概要）
ＳＷＰ（スーパーウェルポイント）工法で効果を発揮している地中の負圧伝播を利用して、浮体の水中重量＋バキューム圧による、投げ込み式の安価なバキューム式アンカーである。

（実施形態１）
図１は本発明を適用したバキューム式アンカーを備える波力発電設備の一実施形態の概略構成としてバキュームポンプ＋排水ポンプ方式を示すもので、１は浮体、２は係留索、３は吸盤、４はアンカーウイング、５は吸着剤、６は吸引管、７は集合管、８は排水ポンプ、９はバキュームポンプ、１１は波力発電装置ベースライン機である。

図示のように、海上に浮く台船状の浮体１は、複数本の係留索２の下端の吸盤３を海底地盤に吸着固定して係留され、この浮体１には、波力発電装置ベースライン機１１が設置されている。

波力発電装置ベースライン機１１は、浮体１に一体化したハウジング１２内に、上端にフロート１３を備える棒状の永久磁石を有するシャフト部１４と、このシャフト部１４が長手方向に移動自在に挿通する導電性のコイル１５とを備え、コイル１５を浮体１（ハウジング１２）に固定した構成である。これにより、浮体１のハウジング１２内に導かれる海水の波動によるフロート１３の上下動によってシャフト部１４がコイル１５に対しシャフト部１４の長手方向に繰り返し往復移動して発電する。

本発明のバキューム式アンカーを構成する吸盤３は釣鐘状で、この釣鐘状の吸盤３の下端周囲には、複数枚のアンカーウイング４が設けられている。
アンカーウイング４は、スポンジ状の吸着剤５を介して海底地盤上に重ねられる。

そして、釣鐘状の吸盤３には吸引管６が接続されて、この吸引管６は、浮体１上に設置した集合管７に接続されている。
集合管７の内部には、排水ポンプ８が設けられていて、集合管７の上蓋にはバキュームポンプ９が接続されている。

ここで、前記ＳＷＰ工法では、地下水をバキューム吸引し、地下水を吸い上げないと、飽和地下水に負圧伝播（≒縦波伝播）が生じ、海岸や河川の中の基礎工事（橋のピアや海岸の水門工事等）で止水矢板がない場合でも、スポット的に負圧伝播で水位を低下することができる。
この現象を利用して実施形態では、釣鐘状の吸盤３を投げ込みにより海中に沈め、その釣鐘状の吸盤３の中をバキューム吸引することで、外回りの水圧でもって負圧アンカーとして使用できる。

バキューム吸引装置としては、浮体１の上にバキュームポンプ９と排水ポンプ８を設置し、吸い上げる。
ここで、バキュームの吸上揚程は８．５ｍ程度だが、水頭差のみで吸い上げるため、例えば海面上６．０ｍの高さの範囲内であれば十分に吸上げ、バキューム吸引で浮体１の牽引索２を緊張することができる。

問題は、使用する電力と生産する電力との差で、その条件は、
生産電力Ａ＞（バキュームポンプ９の電力＋排水ポンプ８の電力）Ｂ＝売却電力Ｃ
となる。
但し、負圧センサーと制御盤でコントロールすることで、断続運転で十分である。
海中であり、空気漏れの問題はない。

次に、作用を説明する。

先ず、排水ポンプ８により釣鐘状の吸盤３から海底地盤の砂層または粘性土中の地下水が吸い上げられて、吸引管６を経て集合管７に吸い上げられ、図中矢印で示すように、排水ポンプ８から海上に排水される。

そして、バキュームポンプ９により吸引管６を介して釣鐘状の吸盤３内がバキューム吸引されて、海底地盤の砂層または粘性土中に、図中点線で示すように、その負圧が略縦波として伝播し、釣鐘状の吸盤３がバキュームアンカーとして機能して海底地盤に吸着固定された状態になる。
そして、この釣鐘状の吸盤３の海底地盤に対する吸着固定状態は、釣鐘状の吸盤３下端周囲のアンカーウイング４がスポンジ状の吸着剤５を介して海底地盤上に重ねられることで、より効果的に維持される。

以上、実施形態のバキューム式アンカーによれば、浮体１に接続した係留索２の下端に設けられた釣鐘状の吸盤３と、その吸盤３に接続した吸引管６が浮体１上の集合管７に接続されて、その集合管７内に設けられた排水ポンプ８と、集合管７の上蓋に接続されたバキュームポンプ９と、を備える構成により、浮体１を安価に係留することができる。

このように、バキューム式アンカーにより係留された浮体１において、波力発電装置ベースライン機１１による波力発電を行うことができる。

（実施形態２）
図２は実施形態２の自吸式フロートパイプ方式を示すもので、前述した実施形態１と同様、１は浮体、２は係留索、３は吸盤、４はアンカーウイング、５は吸着剤、１１は波力発電装置ベースライン機であって、２１はバキュームタンク、２２は逆止弁、２３は排水口、２４は逆止弁、３１は吸引管、３２は逆止弁である。

図示のように、浮体１に形成した貫通孔にバキュームタンク２１を垂直方向にスライド自在に組み付ける。
このバキュームタンク２１は、円筒状で、上蓋に逆止弁２２が接続される一方、底部に排水口２３が形成されて、その排水口２３に逆止弁２４が設けられている。
上蓋の逆止弁２２は、図中矢印で示すように、バキュームタンク２１内の空気を空中に排出して、空中からバキュームタンク２１への空気の侵入を阻止する。
また、排水口２３の逆止弁２４は、図中ＯＫで示すように、バキュームタンク２１内に吸引された地下水を海中に排出して、図中ＮＧ及び矢印×で示すように、海中からバキュームタンク２１への逆流を阻止する。

そして、釣鐘状の吸盤３とバキュームタンク２１の下部とを吸引管３１で繋いで、吸引管３１のバキュームタンク２１近傍に逆止弁３２を設けている。
逆止弁３２は、吸引管３１から吸引された地下水をバキュームタンク２１内へ流入して、図中ＮＧ及び矢印×で示すように、バキュームタンク２１から吸引管３１への逆流を阻止する。

実施形態２は、初期のみ図示しないバキュームポンプで吸引した後、バキュームポンプ等の電力を必要としないシステムである。
海面上の浮体１にバキュームタンク２１として、例えば高さ１１．０ｍ程の円筒を立ち上げ、初期の密閉式の円筒内を真空にする。
この負圧円筒によるバキュームタンク２１によって、例えば海面上８．５ｍ位は水を吸い上げることができる。

次に、作用を説明する。

負圧円筒によるバキュームタンク２１と海底の釣鐘状の吸盤３とを吸引管３１で連結することにより、波の上下によって地中の地下水が吸い上げられ、負圧アンカーとして係留索２を常時緊張することができる。

そして、吸い上げられた地下水は上部のバキュームタンク２１内に入り込むが、二つの逆止弁３２・２４を利用してバキュームタンク２１底部の排水口２３から常に下方海中に流出していく。
よって、海面の上下に伴いバキュームタンク２１内は常に負圧状態で、それに伴って下部地層の地下水は負圧状態になる。
このことによって、釣鐘状の吸盤３内は負圧で、バキュームアンカーとして使用できる。

また、負圧により上昇した水頭Ｗは、自重と海面スイングにより海底地中の地下水を吸上げ、地下水は負圧状態となる。
なお、逆止弁３２により地下水位は上昇し続ける。

以上、実施形態２の自吸式フロートパイプ方式のバキューム式アンカーによれば、浮体１に接続した係留索２の下端に設けられた釣鐘状の吸盤３と、浮体１に設けられたバキュームタンク２１と、そのバキュームタンク２１と吸盤３とを繋ぐ吸引管３１と、その吸引管３１内に設けられてバキュームタンク２１内に吸引された地下水の逆流を阻止する逆止弁３２と、バキュームタンク２１底部の排水口２３に設けられて海中からの水の侵入を阻止する逆止弁２４と、を備える構成により、浮体１を安価に係留することができる。

このように、自吸式フロートパイプ方式のバキューム式アンカーにより係留された浮体１において、前述した実施形態１と同様、波力発電装置ベースライン機１１による波力発電を行うことができる。

（変形例）
なお、バキュームタンク２１は、浮体１に自立して固定させてもよい。

（他の変形例）
以上の実施形態においては、洋上の波力発電設備としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、湖や川等の水上であってもよい。
また、吸盤の形状、バキュームタンクの形状、及び波力発電装置の構成は任意であり、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ 浮体
２ 係留索
３ 吸盤
４ アンカーウイング
５ 吸着剤
６ 吸引管
７ 集合管
８ 排水ポンプ
９ バキュームポンプ
１１ 波力発電装置ベースライン機
１２ ハウジング
１３ フロート
１４ シャフト部
１５ コイル
２１ バキュームタンク
２２ 逆止弁
２３ 排水口
２４ 逆止弁
３１ 吸引管
３２ 逆止弁

Claims (5)

1. 水上の浮体に接続した係留索の下端に設けられて水底地盤に到達する吸盤と、
   前記浮体に設けられて内部が真空状態に維持されるバキュームタンクと、
   前記吸盤と前記バキュームタンクとを繋ぐ吸引管と、を備えることを特徴とするバキューム式アンカー。
2. 前記吸引管内に、前記バキュームタンク内に吸引された地下水の逆流を阻止する逆止弁を備えることを特徴とする請求項１に記載のバキューム式アンカー。
3. 前記バキュームタンクに、当該バキュームタンク内に吸引された地下水を水中に排出する排水口を設けて、
   前記排水口に、前記水中から前記バキュームタンクへの水の侵入を阻止する逆止弁を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のバキューム式アンカー。
4. 前記バキュームタンクは、前記浮体に対し垂直方向にスライド自在に組み付けられ、または前記浮体に固定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のバキューム式アンカー。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のバキューム式アンカーを備える前記浮体上に波力発電装置が設置されることを特徴とする波力発電設備。

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