JP7200733B2 - 浮遊式水流発電装置 - Google Patents

Description

本開示は、浮遊式水流発電装置に関する。

特許文献１～５は、海中又は洋上において発電を行う発電システムを開示する。例えば、特許文献１に開示された水流発電システムは、複数のプロペラを備えた発電機システムによって、高速で流れる水流から電力を生成する。水中における発電機システムの位置は、アンカ係留綱によって所定の領域に留められる。

特開２０１３－２２７９６４号公報 特開２００２－２６６７４３号公報 特開２００３－０７４４５５号公報 特開２０１５－１３８５７９号公報 特開２０１１－１３２９４３号公報

上記の発電機システムのように発電機を備えた浮体は、係留索を介してアンカーに接続されている。このアンカーは、海底に設置されており、海底に対して基本的には動かない。そうすると、浮体が受けた外力は、係留索に作用する。

浮体に作用する外力は、例えば、浮体が浮遊する水域の流れの影響を受ける。この流れは、おおむね一定の状態を維持するものと仮定すると、浮体は、一定の外力を受け続ける。つまり、係留索にも一定の外力が作用し続ける。また、浮体に作用する外力は、例えば、浮体が浮遊する水域の波浪の影響を受ける。波浪に起因する外力は、力の大きさが所定の周期で強弱を繰り返す。その結果、浮体は、周期的に変化する外力を受け続ける。つまり、係留索にも周期的に変化する外力が作用する。

そこで、本開示は、係留索に対して異なる態様の力が作用したとしても、長期間の運用に耐えることが可能な浮遊式水流発電装置を説明する。

本開示の一形態である浮遊式水流発電装置は、発電機を収容し、水中に浮遊する浮体と、水底に設置される錘と、浮体を錘に連結する索状の係留部材と、を備え、係留部材は、浮体に接続された上部索と、錘に接続された下部索と、を有し、上部索及び下部索は、一方が他方より伸び性能が高く、他方が一方よりクリープ性能が高い。

伸び性能が高い部材は、波浪のように周期的に作用する力を吸収し、力のピークを低下させることが可能である。クリープ性能が高い部材は、一定の大きさの力が作用し続けても、所望の強度を維持することが可能である。係留部材は、伸び性能が高い部材とクリープ性能が高い部材とにより構成されているので、周期的に作用する力及び継続的に作用する力に対抗し、浮体を錘に係留し続けることができる。従って、浮遊式水流発電装置は、係留索に対して異なる態様の力が作用したとしても、長期間の運用に耐えることができる。

上記の形態において、上部索の伸び性能は、下部索の伸び性能より高く、下部索のクリープ性能は、上部索のクリープ性能より高くてもよい。周期的に作用する力は、例えば、浮体側に作用しやすい。そして、浮体に作用した力は、上部索に作用する。ここで、上部索の伸び性能は、下部索の伸び性能より高い。従って、周期的に作用する力のピークは、上部索において低減される。その結果、周期的に作用する力が下部索に及ぼす影響を十分に低減することができる。従って、浮遊式水流発電装置は、長期間の運用に耐えることができる。

上記の形態において、浮体は、発電機を収容する第１ポッド及び第２ポッドを有し、上部索は、第１ポッドに接続された第１上部索体と、第２ポッドに接続された第２上部索体と、を有し、下部索の上端は、第１上部索体及び第２上部索体の下端に接続され、下部索の下端は、錘に接続されてもよい。この構成によっても、浮遊式水流発電装置は、長期間の運用に耐えることができる。

上記の形態において、第１上部索体の下端、第２上部索の下端及び下部索の上端は、連結部によって互いに着脱可能に接続されてもよい。この構成によれば、上部索の交換を容易に行うことができる。

上記の形態において、浮体は、発電機を収容する第１ポッド及び第２ポッドを有し、係留部材は、第１ポッドに接続された第１上部索体と、第１上部索体の下端及び錘に接続された第１下部索体と、を有する第１係留索と、第２ポッドに接続された第２上部索体と、第２上部索体の下端及び錘に接続された第２下部索体と、を有する第２係留索と、を有してもよい。この構成によっても、浮遊式水流発電装置は、長期間の運用に耐えることができる。

上記の形態において、第１索体は、第１上部索体の下端を第１下部索体の上端に着脱可能に連結する第１連結部を含み、第２索体は、第２上部索体の下端を第２下部索体の上端に着脱可能に連結する第２連結部を含んでもよい。この構成によれば、上部索の交換を容易に行うことができる。

本開示の浮遊式水流発電装置は、長期間の運用に耐えることができる。

図１は、第１実施形態の浮遊式水流発電装置を示す斜視図である。 図２は、図１の浮遊式水流発電装置を正面から見た図である。 図３は、第２実施形態の浮遊式水流発電装置を正面から見た図である。

以下、添付図面を参照しながら本開示の浮遊式水流発電装置を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、浮遊式水流発電装置は、海流Ｓ１を受けて発電する。以下の説明において、浮遊式水流発電装置は、単に「発電装置１」と称する。発電装置１は、アンカー２（錘）と、浮体３と、係留ユニット４（係留部材）と、を有する。また、発電装置１は、送電ケーブルを有する。送電ケーブルは、浮体３で発電された電力を電力系統に送電する。しかし、送電ケーブルについては、説明の便宜上、図示を省略する。以下の説明において、「前部」は海流Ｓ１の上流側の部分を意味し、「後部」は海流Ｓ１の下流側の部分を意味する。「前方」は海流Ｓ１の上流側を意味し、「後方」は海流Ｓ１の下流側を意味する。「上」は、海面Ｓ３側を意味し、「下」は海底Ｓ２側を意味する。

発電装置１は、海洋に設置され、海流Ｓ１によって発電する。浮体３は、係留ユニット４によりアンカー２に係留されている。浮体３は、２基の発電ポッド６Ａ、６Ｂ（ポッド）と、発電ポッド６Ａ、６Ｂを互いに連結するビーム７と、を有する。ビーム７は、例えば矩形の板状体を水平に配置して設けられる。発電ポッド６Ａ、６Ｂには係留ユニット４の一端が取り付けられ、係留ユニット４の他端が海底Ｓ２に設置されるアンカー２に取り付けられている。

アンカー２は、海中における浮体３の位置を所定の領域に留める。重量物であるアンカー２は、例えばコンクリート製又は金属製である。アンカー２は、重量の大きい構造物の自重により位置を維持するシンカーであってもよい。また、アンカー２は、重量と支持力と用いて位置を維持するグラウンドアンカであってもよい。

発電ポッド６Ａ、６Ｂは、互いに同様の構成を有する。以下、発電ポッド６Ａ（第１ポッド）について詳細に説明し、発電ポッド６Ｂ（第２ポッド）の説明は省略する。発電ポッド６Ａは、ポッド本体８と、ブレード９と、発電機１１と、を有する。ポッド本体８は、前部及び後部が閉塞された中空の筒状体である。ポッド本体８の内部には、発電機１１及びその他の発電に要する機器が収容されている。ポッド本体８の後部には、ブレード９が設けられている。ブレード９は、ポッド本体８に対して回転可能に設けられている。ブレード９は、海流Ｓ１を受けて回転力を発生させる翼部材である。当該回転力は、シャフト（不図示）を介して発電機１１に提供される。なお、発電ポッド６が有するブレード９の構成は、図１に示す構成に限定されない。例えば、発電ポッド６が有するブレード９の数は、３枚以上であってもよい。また、発電ポッド６は、ブレード９のピッチ角度を変更する機構を備えてもよい。

発電機１１は、ブレード９から提供された運動エネルギを電気エネルギに変換する。発電機１１には、要求される出力態様に応じて、いくつかの装置を接続してもよい。例えば、発電機１１には、インバータやパワーコンディショナを接続してもよい。

係留ユニット４は、浮体３をアンカー２に係留する索体である。係留ユニット４の上端は、発電ポッド６Ａ、６Ｂのそれぞれに接続されている。また、係留ユニット４の下端は、アンカー２に接続されている。以下、係留ユニット４について詳細に説明する。

図２に示すように、係留ユニット４は、正面視してＹ字状を呈する。係留ユニット４は、一対の上部索１２Ａ、１２Ｂと、下部索１３と、連結具１４（連結部）と、を有する。上部索１２Ａは、発電ポッド６Ａに接続されている。上部索１２Ｂは、発電ポッド６Ｂに接続されている。下部索１３は、アンカー２に接続されている。例えば、上部索１２Ａ、１２Ｂの長さは、下部索１３の長さより長い。

より詳細には、一方の上部索１２Ａの上端は、一方の発電ポッド６Ａのポッド連結部６ａに接続されている。また、一方の上部索１２Ａの下端は、連結具１４に接続されている。他方の上部索１２Ｂの上端は、他方の発電ポッド６Ｂのポッド連結部６ａに接続されている。また、他方の上部索１２Ｂの下端は、連結具１４に接続されている。さらに、下部索１３の上端は、連結具１４に接続されている。下部索１３の下端は、アンカー２のアンカー連結部１６に接続されている。連結具１４は、上部索１２Ａ、１２Ｂの下端及び下部索１３の上端を着脱可能に接続する。例えば、連結具１４は、一方の上部索１２Ａの下端のみを取り外し、他方の上部索１２Ｂ及び下部索１３を接続した状態とすることができる。この連結具１４によれば、一方の上部索１２Ａ又は他方の上部索１２Ｂの交換を容易に行うことができる。

上部索１２Ａ、１２Ｂ及び下部索１３は、複数の樹脂繊維を編み込んだ索状体である。例えば、上部索１２Ａ、１２Ｂ及び下部索１３に用いられる樹脂繊維の比重は、水と近似しており、一例として１．１としてもよい。一方、上部索１２Ａ、１２Ｂ及び下部索１３は、互いに異なる機械的性質を有する。本開示でいう機械的性質とは、伸び性能及びクリープ性能である。

伸び性能とは、索体に対して引っ張り力が作用したときの伸び（長さ）と、引っ張り力の大きさとの関係である。例えば、伸び性能は、いわゆるヤングの法則に示されるバネ定数の逆数と同じ意味であるとみなしてもよい。従って、伸び性能は、索体のヤング率（剛性）と、に基づいて決定できる。伸び性能が高いとは、所定の引っ張り力に対する伸びが大きいことであると定義できる。逆に、伸び性能が低いとは、所定の引っ張り力に対する伸びが小さいことであると定義できる。

伸び性能が高い索体は、引っ張り力が所定の振幅をもって繰り返し作用する場合に、好適に対応できる。以下の説明において、所定の振幅をもって繰り返し作用する引っ張り力を、「繰り返し力」と呼ぶ。つまり、伸び性能が高い索体は繰り返し力に応じて、柔軟に変形（伸び）することによって、繰り返し力のエネルギを消散する。その結果、繰り返し力の振幅を減少させることができる。換言すると、繰り返し力のピーク値を低減することができる。

上記の伸び性能に基づけば、索体の伸びは、引っ張り力の大きさによって一意に決まる。しかし、引っ張り力の大きさが一定であったとしても、時間の経過と共に索体の伸びが増大する現象が知られている。この現象をクリープという。つまり、クリープ性能とは、索体に一定の力が作用したときに、時間の経過と共に増大する伸び量であるとしてよい。上記の伸び性能は、時間の影響を受けないのに対し、クリープ性能は時間の影響を受ける。以下の説明において、一定の大きさで継続的に作用し続ける力を「一定力」と呼ぶ。

クリープ性能が高い索体は、一定力が継続的に作用する場合に、好適に対応できる。つまり、クリープ性能が高い索体は、一定力に作用する場合でも、時間の経過とともに伸びが増大し難い。

伸び性能とクリープ性能とは、互いに相反する。つまり、伸び性能が高い索体は、クリープ性能が低い。換言すると、繰り返し力に対して好適に対応可能な索体は、一定力に対応しにくい。一定力に対して好適に対応可能な索体は、繰り返し力に対応し難い。

海流Ｓ１が存在する海中に発電ポッド６Ａ、６Ｂが浮遊するとき、発電ポッド６Ａ、６Ｂは、互いに異なる態様の外力を受ける。まず、発電ポッド６Ａ、６Ｂは、繰り返し力を受ける。この繰り返し力は、例えば、波浪、ブレード９の回転などに起因する。さらに、発電ポッド６Ａ、６Ｂは、一定力を受ける。この一定力は、例えば、海流Ｓ１に起因する。

そこで、本開示の発電装置１の係留ユニット４は、伸び性能を重視した上部索１２Ａ、１２Ｂと、クリープ性能を重視した下部索１３と、を有する。この構成によれば、上部索１２Ａ、１２Ｂは、繰り返し力に好適に対応できる。また、下部索１３は、一定力に対して好適に対応できる。つまり、伸び性能が高い索体は、周期的に作用する力を吸収し、力のピークを低下させることが可能である。クリープ性能が高い索体は、一定の大きさの力が作用し続けても、所望の強度を維持することが可能である。係留ユニット４は、伸び性能が高い上部索１２Ａ、１２Ｂとクリープ性能が高い下部索１３とにより構成されている。その結果、周期的に作用する力及び継続的に作用する力に対抗し、浮体３をアンカー２に係留し続けることができる。従って、発電装置１は、係留ユニット４に対して異なる態様の力が作用したとしても、長期間の運用に耐えることができる。

さらに、周期的に作用する繰り返し力は、例えば、浮体３に作用しやすい。そして、浮体３に作用した力は、上部索１２Ａ、１２Ｂに作用する。ここで、上部索１２Ａ、１２Ｂの伸び性能は、下部索１３の伸び性能より高い。従って、周期的に作用する繰り返し力のピークは、上部索１２Ａ、１２Ｂにおいて低減される。その結果、繰り返し力が下部索１３に及ぼす影響を十分に低減することができる。従って、発電装置１は、長期間の運用にさらに好適に耐えることができる。

＜第２実施形態＞
図３に示すように第２実施形態の発電装置１Ａは、係留ユニット４Ａを有する。係留ユニット４Ａは、正面視してＶ字状を呈する点で、第１実施形態の係留ユニット４と相違する。以下、係留ユニット４Ａについて詳細に説明する。なお、浮体３及びアンカー２は、第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

係留ユニット４Ａは、第１係留索１７Ａと、第２係留索１７Ｂと、を有する。第１係留索１７Ａは、一方の発電ポッド６Ａをアンカー２に係留する。第２係留索１７Ｂは、他方の発電ポッド６Ｂをアンカー２に係留する。

第１係留索１７Ａは、第１上部索体１８Ａと、第１下部索体１９Ａと、第１連結具２１Ａ（第１連結部）と、を有する。第１上部索体１８Ａの上端は、一方の発電ポッド６Ａのポッド連結部６ａに接続されている。第１上部索体１８Ａの下端は、第１連結具２１Ａに接続されている。第１下部索体１９Ａの上端は、第１連結具２１Ａに接続されている。第１下部索体１９Ａの下端は、アンカー連結部１６に接続されている。第１連結具２１Ａは、第１上部索体１８Ａの下端と、第１下部索体１９Ａの上端と、を互いに着脱可能に連結する。

同様に、第２係留索１７Ｂは、第２上部索体１８Ｂと、第２下部索体１９Ｂと、第２連結具２１Ｂ（第２連結部）と、を有する。第２上部索体１８Ｂの上端は、他方の発電ポッド６Ｂのポッド連結部６ａに接続されている。第２上部索体１８Ｂの下端は、第２連結具２１Ｂに接続されている。第２下部索体１９Ｂの上端は、第２連結具２１Ｂに接続されている。第２下部索体１９Ｂの下端は、アンカー連結部１６に接続されている。第２連結具２１Ｂは、第２上部索体１８Ｂの下端と、第２下部索体１９Ｂの上端と、を互いに着脱可能に連結する。

第１上部索体１８Ａ及び第２上部索体１８Ｂは、伸び性能を重視した機械的特性を有する。一方、第１下部索体１９Ａ及び第２下部索体１９Ｂは、クリープ性能を重視した機械的特性を有する。つまり、第１上部索体１８Ａ及び第２上部索体１８Ｂのそれぞれの伸び性能は、第１下部索体１９Ａ及び第２下部索体１９Ｂのそれぞれの伸び性能より高い。さらに、第１下部索体１９Ａ及び第２下部索体１９Ｂのそれぞれのクリープ性能は、第１上部索体１８Ａ及び第２上部索体１８Ｂのそれぞれのクリープ性能より高い。

このような係留ユニット４Ａを備える発電装置１Ａも、長期間の運用に耐えることができる。

以上、本開示の浮遊式水流発電装置について説明したが、浮遊式水流発電装置は、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施してよい。

例えば、係留ユニットは、クリープ性能を重視した上部索と、伸び性能を重視した下部索と、を有してもよい。

１，１Ａ 発電装置
２ アンカー（錘）
３ 浮体
４，４Ａ 係留ユニット（係留部材）
６Ａ 発電ポッド（第１ポッド）
６Ｂ 発電ポッド（第２ポッド）
７ ビーム
６ 発電ポッド
６ａ ポッド連結部
８ ポッド本体
９ ブレード
１１ 発電機
１２Ａ 上部索
１２Ｂ 上部索
１３ 下部索
１４ 連結具（連結部）
１６ アンカー連結部
１７Ａ 第１係留索
１７Ｂ 第２係留索
１８Ａ 第１上部索体
１８Ｂ 第２上部索体
１９Ａ 第１下部索体
１９Ｂ 第２下部索体
２１Ａ 第１連結具（第１連結部）
２１Ｂ 第２連結具（第２連結部）
Ｓ１ 海流
Ｓ２ 海底（水底）

Claims (4)

1. 発電機を収容し、水中に浮遊する浮体と、
   水底に設置される錘と、
   前記浮体を前記錘に連結する索状の係留部材と、を備え、
   前記浮体は、前記発電機を収容する第１ポッド及び第２ポッドを有し、
   前記係留部材は、
   前記浮体に接続された上部索と、
   前記錘に接続された下部索と、を有し、
   前記上部索は、前記第１ポッドに接続された第１上部索体と、前記第２ポッドに接続された第２上部索体と、を有し、
   前記下部索の上端は、前記第１上部索体及び前記第２上部索体の下端に接続され、
   前記下部索の下端は、前記錘に接続され、
   前記上部索の伸び性能は、前記下部索の伸び性能より高く、
   前記下部索のクリープ性能は、前記上部索のクリープ性能より高い、浮遊式水流発電装置。
2. 前記第１上部索体の下端、前記第２上部索体の下端及び前記下部索の上端は、連結部によって互いに着脱可能に接続されている。請求項１に記載の浮遊式水流発電装置。
3. 前記浮体は、前記発電機を収容する第１ポッド及び第２ポッドを有し、
   前記係留部材は、
   前記第１ポッドに接続された第１上部索体と、前記第１上部索体の下端及び前記錘に接続された第１下部索体と、を有する第１係留索と、
   前記第２ポッドに接続された第２上部索体と、前記第２上部索体の下端及び前記錘に接続された第２下部索体と、を有する第２係留索と、を有する、請求項１に記載の浮遊式水流発電装置。
4. 前記第１係留索は、前記第１上部索体の下端を前記第１下部索体の上端に着脱可能に連結する第１連結部を含み、
   前記第２係留索は、前記第２上部索体の下端を前記第２下部索体の上端に着脱可能に連結する第２連結部を含む、請求項３に記載の浮遊式水流発電装置。

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