WO2007142338A1

WO2007142338A1 - 洋上発電システム

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Publication number: WO2007142338A1
Application number: PCT/JP2007/061663
Authority: WO
Inventors: Yutaka Terao
Original assignee: Yutaka Terao
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2007-12-13
Also published as: US8102070B2; JP5311304B2; JPWO2007142338A1; US20090189396A1

Abstract

　強い風の下でも船体の姿勢を変えずに安定した航行が可能で、効率のよい発電を行なうことができる洋上発電システムを提供する。本発明による洋上発電システムは、水面または水中に浮かせる船体（４）と、水面上の風を受けて前記船体を航行させるプレート（６）と、前記船体（４）の航行によって水を作動媒体として発電する発電装置（３）と、を含んで構成される。

Description

明細書

洋上発電システム

技術分野

[0001] 本発明は、洋上の自然風力を利用した発電システムに係り、より詳細には、風力によって船体を推進させ、船体が航行することによって水中の水車を回転させ電気エネルギーを取り出すようにした洋上発電システムに関する。

背景技術

[0002] エネルギー消費における経年変化と需給予測によれば、図 14に示すように、今日のエネルギー消費が続けば、 2060年には燃料としての化石炭素が地上から失われると予測されている。これは、エネルギー源としてのウランはもちろん、天然ガス、石炭等が消耗しつくされることを意味している。この事態を回避するには、持続して使用可能な自然エネルギーの利用が有効であり、環境負荷のない水素エネルギーへの転換が重要な鍵となる。

[0003] 自然エネルギーを利用した水素エネルギーへの変換に関し、風力発電による水素変換方式が検討されている。しかし、陸上に設置された風車での風力発電のみで消費エネルギーを賄うとすれば、わが国の場合、国土の 4分の 1に風力発電システムを設置することになり現実的ではない。これに対し、洋上に風力発電システムを構築してエネルギー資源とすれば、広大な海洋上の自然エネルギーを利用できる。

[0004] 洋上風力発電システムには、固定式（FIXED FLOAT TYPE) (以下「FFT」と略記する）や、セーリング式（SAILING MEGA FLOAT TYPE) (以下「SMFT 」と略記する）が知られる。 FFTは、図 15に示すように、風力発電装置を搭載した浮体を洋上に係留するものである。設置海域は、洋上の風の環境より場所が限られる力技術的な障害が少ないので実現性が高レ、。図 15において、 40は固定フレーム、 42は風車である。 FFTは、風が年間を通じて一定していない場所では効率的な発電ができない。

[0005] SMFTは、図 16に示すように、例えば、 5000kW級の複数の風車を搭載した浮体構造 (メガフロート）を無係留で公海上に浮かせ、風力発電を行ない、発電出力を水素エネルギーに変換する操業システムである。洋上の位置を保持し移動するための推進装置が設けられる。しかし、風力発電装置を搭載する浮体は、設備の経済性からして全長 2kmとなり巨大である。操業は図 17に示すように、風、波を浮体横より受けた状態となり、風に対し垂直方向に移動するという運動を行って、浮体が風に流されるのを防止する。必要なエネルギーを獲得するには数百隻の SMFTが用意される。図 16において、 44は船体、 46は風車である。

[0006] SMFTの帆走性能は、風力発電のプロペラをフエザリングし、さらにポッド式推進装置 (スラスタと呼ぶ）を全力で作動させても、図 18に示すように、 lOknt程度の走行速力が限度である。台風ではプロペラ等が破損するおそれもあるため、航行速度の遅さを考慮して早めに回避行動を起こす必要がある。

[0007] SMFTは、 ENERGY PROFIT RATIO (EPR)および LIFE COST ANAL YSIS (LCA)から 100年程度の長期間の耐久性能が要求される。そのため、浮体の構成部材には、経済性、防食性、耐食性が求められる。また、海水腐食や生物付着を防ぐための浮体のメンテナンスが不可欠である。 SMFTのメンテナンス基地を見つけ出す困難さもある。全長 2kmにも及ぶ浮体を収容する浮きドックや船台は実在しないから、実用化にはインフラ整備も必要である。

[0008] 先行技術として特許文献 1には、帆船の走行により、船体に搭載された発電機を回転させて得られる電気エネルギーを直接または間接的に貯蔵する水面航行発電装置が開示されている。特許文献 2には、船舶に風車発電機と水車発電機とを搭載し、電気エネルギーを直接または間接的に貯蔵する発電装置が開示されている。特許文献 3には、浮体構造物の甲板上に風力発電装置を設置するとともに、船内に自然流水発電水車を設置した複合発電が開示されている。

[0009] 帆船を用いた水面航行による発電 (特許文献 1)では、風を受けて帆船を推進させ水車を回転させることにより発電が可能であるが、推進力を発生させる帆の形状が従来の帆船に過ぎず、帆形が風によって変化する。そのため強風下では、船体の推進方向が定まらず、高効率な発電が不可能である。また、風車と水車とを併用する発電 (特許文献 2、特許文献 3)では、走行する船体の走行方向と風または水流との間の相反する関係を無視することができず、高効率の発電が得られないおそれがある。特許文献 1 :特開平 5— 236698号公報

特許文献 2 :特開平 7— 189884号公報

特許文献 3 :特開平 8— 261131号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] そこで、本発明の目的は、強い風の下でも船体の姿勢を変えずに安定した航行が可能で、効率のよい発電を行なうことができる洋上発電システムを提供することにある課題を解決するための手段

[0011] 上記目的を達成するため、本発明による請求項 1に記載の洋上発電システムは、水面または水中に浮かせる船体と、水面上の風を受けて前記船体を航行させるプレートと、前記船体の航行によって水を作動媒体として発電する発電装置と、を含んで構成されることを特徴とする。

[0012] 本発明による請求項 2は、前記プレートは、台形状に形成され、前記船体の右舷と左舷に互いに対面するように立設され、前方から見てハ字形に傾斜して取り付けられていることを特徴とする。

[0013] 本発明による請求項 3は、前記プレートは、前記船体に複数立設されるとともに、風受け面が、駆動機構によって前記船体の中心線に対して角度をなすように回転されることを特 ί数とする。

[0014] 本発明による請求項 4は、前記プレートが、駆動機構によって垂直または斜めにされることを特徴とする。

[0015] 本発明による請求項 5は、前記プレートは、水平断面が流線型であることを特徴とする。

[0016] 本発明による請求項 6は、前記プレートが、駆動機構によって先端側と後端側が折れ曲がることを特徴とする。

[0017] 本発明による請求項 7は、前記水車は、前記船体を推進させる推進器として兼用されることを特徴とする。

[0018] 本発明による請求項 8は、前記船体は、所定の推進方向を持つ右舷側船体部と、前記右舷側船体部と平行に配置されて所定の推進方向を持つ左舷側船体部とを含むことを特徴とする。

[0019] 本発明による請求項 9は、前記水車が、前記船体側に折りたためることを特徴とする。

[0020] 本発明による請求項 10は、前記水車は、前記水車および前記船体を合わせた水に対する抵抗力が最小となる面積を有することを特徴とする。

[0021] 本発明による請求項 11は、前記プレートは、前記水車および前記船体の水に対する抵抗力が最小となる船体の航行速度を得るために必要な面積を有することを特徴とする。

発明の効果

[0022] 本発明の請求項 1の洋上発電システムによれば、船体に風を受けるプレートを装備したので、台風など強い風の下でも船体の姿勢を変えずに安定して航行でき、効率のよい発電ができる。プレートであるから強い風の下でも帆のようにばたばたすること力く不安定さがない。風を受けて航行できるので、最適風域を追随できる機動性を有する。

[0023] 本発明の請求項 2によれば、船体の右舷と左舷に、上幅が下幅より狭い台形状のプレートを互いに対面させ、前方から見てハ字形に傾斜して取り付けたので、船体は強い風を受けても船体が傾くことがなぐ船体を安定して走行させることができる。

[0024] 本発明の請求項 3によれば、プレートの向きが駆動機構によって船体の長手方向に対して角度を有するように変更できるので、例えば、プレートを風の進行方向に対して 45度傾斜させると、風の進む方向に対して直角方向に船体を航行させることができる。

[0025] 本発明の請求項 4によれば、プレートが取り付けられた帆柱が駆動機構によって垂直または斜めにされるので、斜めにした場合、揚力が上方向に向くので船体を浮かせるように走行させること力 Sできる。

[0026] 本発明の請求項 5によれば、プレートを流線型としたので、矩形体のプレートに比較してプレートの受ける抵抗を小さくできる。

[0027] 本発明の請求項 6によれば、プレートの前端と後端が折れ曲がるようにしたので、より大きな揚力を発生させ、船体の航行速度を速めることができる。

[0028] 本発明の請求項 7によれば、水車が船体を推進させる推進器として兼用されるので、船体の機動性が高まり、風がなくても目的とする地域に向けて航行することができる

[0029] 本発明の請求項 8によれば、船体の構造を右舷側船体部と左舷側船体部からなる双胴船としたので、船体の抵抗を大幅に減らすことができる。

[0030] 本発明の請求項 9によれば、水車が、前記船体側に折りたためるので、水深の浅い港でも入港して係留できる。

[0031] 本発明の請求項 10によれば、水車は、水車および船体を合わせた水に対する抵抗カを最小とする面積としたので、航行力 Sスムーズにできる。水車は面積が大きいと、風の力を受けた時の航行速度を遅くする。そしてプロペラの回転がゆっくりで水の抵抗が大きぐ船体の受ける抵抗は逆に小さい。一方、水車の面積が小さいと、風を受けた時の航行速度を速くする。プロペラが早く回転し水の抵抗は小さいが、船体の受ける抵抗は増える。この間の最適点を選択した。

[0032] 本発明の請求項 11によれば、プレートが、水車および船体の水に対する抵抗力が最小となる航行速度での面積を有するので、航行がスムーズにできる。プレートの面積は、航行速度がゆっくりなら揚力（推進力）を得るため大きな面積を必要とし、航行速度が速いなら小さな所定の面積でよい。風を受けての船体の航行速度が速い方が面積を小さくできるが、水車および船体の水に対する抵抗力が極小となる航行速度での面積とした。

図面の簡単な説明

[0033] [図 1]本発明による洋上発電システムの斜視図である。（実施例 1)

[図 2]図 1の正面図である。（実施例 1)

[図 3]図 1の平面図である。（実施例 1)

[図 4]図 1の側面図である。（実施例 1)

[図 5]水車の構成例を示す図である。（実施例 1)

[図 6]本発明による発電装置の構成図である。（実施例 1)

[図 7]本発明による洋上発電システムの斜視図である。（実施例 2) [図 8]図 7の正面図である。（実施例 2)

[図 9]図 7の側面図である。（実施例 2)

[図 10]図 7の平面図である。（実施例 2)

園 11]図 7のプレートを、前方が丸ぐ後方が細い流線型とした構成図である。（実施例 2)

園 12]図 7のプレートを板形状とした構成図である。（実施例 2)

園 13]図 7のプレートに 2つの節を設けて折り曲げ可能とした側面図である。（実施例

2)

園 14]本発明による洋上発電システムにおける、同一発電容量の場合の前進速度と抵抗の変化を示す図である。

園 15]本発明による洋上発電システムにおける、船速とプレート面積の変化を示す図である。

[図 16]—般的な高速風車の C と Cの例を示す図である。

D P

園 17]エネルギー消費における経年変化と需給予測を示す図である。

[図 18]固定式洋上風力発電システム（FFT)の斜視図である。

[図 19]無係留の洋上風力発電システム（SMFT)の斜視図である。

[図 20]図 16のタツキングを示す図である。

[図 21]図 16のセーリングポーラ一ダイアグラムを示す図である。

符号の説明

2 洋上発電システム

3 発電装置

4 船体

4R 右舷側船体部

4L 左舷側船体部

6 プレート

10R、 10L 水車

14R、 14L 発電機

30R 右舷側プレート群 30L 左舷側プレート群

発明を実施するための最良の形態

[0035] 以下、図面を参照して本発明による洋上発電システムについて説明する。

実施例 1

[0036] 本発明の第 1の実施の形態を図 1〜図 6に示す。図 1は、洋上発電システムの斜視図、図 2はその正面図、図 3はその平面図、図 4はその側面図、図 5は水車の構成例を示す。図 6は、発電装置の構成図である。各図において、同一部分には同一符号を付してある。

[0037] 図 1〜図 4に示すように、洋上発電システム 2は、水面または水中に浮かせた船体 4 を備えるとともに、水面上の風を受けて船体 4を航行させる風受けのプレート 6を備えている。船体 4は、例えば、双胴船を構成しており、右舷側船体部 4R、左舷側船体部 4Lを備え、これら右舷側船体部 4Rおよび左舷側船体部 4Lに跨がって甲板部 8を備えてレ、る。右舷側船体部 4Rおよび左舷側船体部 4Lの船体長 Mに対し、船体幅 N 力、さく設定されているため、甲板部 8は長方形状である力 S、正方形であってもよい。

[0038] プレート 6は水平断面が流線型とした。また、プレート 6は、合成樹脂や金属板等で構成された剛体で製造することができる。流線型の骨組みに強化繊維の布を張るような構造でもよレ、。プレート 6は右舷側のプレート部 6R、左舷側のプレート部 6Lからなる。プレート部 6R、 6Lは、船体長 Mを下底辺とする台形状とした。プレート部 6R、 6L の台形面が風受け面を構成している。プレート部 6R、 6Lの上部は連結しているが、連結しない構造としてもよい。プレート部 6R、 6Lは、前方から見てハ字形に傾斜させてレ、る。そのため船体 4が傾くこと（heel)がなレ、。

[0039] 船体 4には、船体 4の航行を水面下で回転に変換する変換手段として水車 10R、 1 0Lが設置されており、水車 10Rは右舷側船体部 4Rの内側に設置され、水車 10Lは左舷側船体部 4Lの内側に設置され、船体長 Mの中央より前方の位置にある。水車 1 OR、 10Lの回転は、各動力伝達部 12R、 12Lにより、船体 4に搭載された発電機 14 R、 14Lに伝達される。発電機 14R、 14Lは、個別に回転を受けて発電し、その回転を電気エネルギーに変換する。

[0040] 図 5に示すように、水車 10R、 10Lは、複数枚の回転羽根 16を備える水中プロペラ 18で構成されている。水車 10R、 10Lは、水流を受けて回転する水流を回転運動に変換する変換器である。また、水車 10R、 10Lを、船体 4に用意された駆動装置により水流にかかわりなく回転駆動すれば推進器となる。すなわち、風がない場合にでも船体 4を航行させることができる。水車 10R、 10Lは、船体 4の底部から下に突出させているが、船体 4側に折りたためる機構を設けてもよい。水車 10R、 10Lは数十 mにも達する大きな形状なので、折りたたむことで浅レ、港にも入港可能となる。

[0041] 図 6に示すように、洋上発電システム 2は、発電装置 3を備える。発電装置 3は、水車 10R、 10Lと、発電機 14R、 14Lを含む。水車 10R、 10Lで得られた回転が発電機 14R、 14Lに伝達され、発電機 14R、 14Lで作り出した交流の電気エネルギーを交直変換部 20R、 20Lで直流に変換した後、蓄電池 22に蓄積する。発電した電気エネルギーを用いて化学処理により水素を生成させ、この水素を蓄積する構成としてあよい。

[0042] 蓄電池 22に蓄積された電気エネルギーは、制御部 24R、 24Lの制御により発電機 14R、 14Lを電動機として使用するエネルギーに供することができる。蓄電池 22の電力で駆動部 26R、 26Lが発電機 14R、 14Lを電動機として回転させる。これにより、水車 10R、 10Lが回転して推進力が得られる。

[0043] 実施例 1では、プレート 6を左右両舷に設置し、前方から見てハ字形に傾斜させたので、船体 4を風に向かって走行させる時、例えばクローズドホールド（風上航：つめびらき）の時にも、船体 4に傾きを生じることなく安定した走行ができる。また、プレート 6の傾斜角度は、風に対する投影面積が大きく取れるので、所望の揚力（および/または推進力）を得ることができる。また、双胴船 (カタマラン）は、船体 4の横安定性が高められ、風による横転の危険性を最小にするとの利点がある。

実施例 2

[0044] 本発明の第 2の実施の形態について、図 7〜図 10を参照して説明する。図 7は、洋上発電システムの斜視図、図 8はその正面図、図 9はその側面図、図 10はその平面図である。図 1〜図 6と同一部分には同一の符号を付した。

[0045] 図 7〜図 10に示すように、洋上発電システム 2は、水面または水中に浮かせる船体 4を備え、水面上の風を受けて船体 4を航行させるプレート 6を備えている。船体 4の構成は、実施例 1と同様なので、説明は省略する。プレート 6も実施例 1と同様に構成すること力 Sできる。実施例 2では、プレート 6が、右舷側のプレート群 30Rと、左舷側のプレート群 30L力なる。右舷側のプレート群 30Rは、 4組のプレート 31R〜34Rで構成し、左舷側のプレート群 30Lは、 4組のプレート 31L〜34Lで構成した。

[0046] プレート 31R〜34Rは、船体長の 4分の 1程度の長さおよび幅を持し、輪郭は矩形である。ここでは例として正方形とした。プレート 6の水平断面は流線型とした。流線型は流体から受ける抵抗を小さくできる。右舷側船体部 4Rの中心部または内縁部に、前後方向に等間隔で設置している。プレート 31R〜34Rの間隔は、プレート 31R〜 34Rを回転し風受け面の角度を変更可能とすることから、各々が衝突しない程度に間隔をあけている。プレート 31R〜34Rの回転は駆動機構（図示せず）によって行なう。

[0047] 垂直プレート 31R〜34Rと、垂直プレート 31L〜34Lとは、同一の向きで平行に配置され、垂直プレート 31L〜34Lの形状も同様である。この実施の形態では、各垂直プレート 31R〜34R、 31L〜34Lを同形状に設定している力それぞれを異なる形状としてもよレヽ。また、プレート 31R〜34R、 31L〜34Lは平行であって、図 10に示すように、船体 4の中心線に対して角度 Θが設定されているが、角度 Θは駆動機構（図示せず）によって任意に調整し設定できる。なお、プレート 31R〜34R、 31L〜34 Lは、所定の厚さ Tを有する。さらに、プレート 31R〜34R、 31L〜34Lは、実施例 1 のプレーン 6のように、駆動機構（図示せず）によって傾斜できるようにしてもよい。一例として、プレーン 6を帆柱に取り付け、帆柱を垂直あるいは傾けることで実現できる

[0048] 図 11は、プレートの水平断面の形状を前方が丸ぐ後方が細い流線型とした構成図である。図 11のプレートの流線型は図 10の流線型の変形版である。図 12は、プレ一トを板形状とした構成図である。プレート 6の水平断面が矩形でも船体 4を十分に航行させることができる。図 13は、プレートに 2つの節を設けて折り曲げ可能とした側面図である。これは、図 12の板形状のプレート 6に適用してもよレ、。図 12に示すようにプレート 6を前側と後側を折り曲げると、より強い揚力を発生させることができ、推進力をさらに増すことができる。推進力が増せば、船体 4をより速く航行させることができる。

[0049] 実施例 2では、プレート 6が複数のプレート 31R〜34R、 31L〜34Lの列形態を取つているので、推進力の増加が期待できる。実施例 2の洋上発電システム 2について、既述の SMFTと対比し特長点を列挙する。

[0050] まず、（1)装備を小型化できる。洋上発電システム 2は、高性能の航行装置を装備し、水面下に水車 10R、 10Lを備えて発電する構成である。風車による SMFTに比較すると、水中における流体の密度が空気の 800倍も大きな海水を利用するので、装置全体のスケールを小さくしても、十分なエネルギーを回収することが可能である。

[0051] 次に、（2)高い航行性能が得られる。（a)洋上発電システム 2では、高性能なプレート 6の帆走艤装を装備するので、台風や低気圧などの最適風域を追跡できる自由度が高められる。従って、高効率で風力エネルギーを発電に利用できる。（b)タツキング (tack)やジャィビング (jive)のような航行操作も容易であり、限定海域に留まることができ、発電効率が向上する。 SMFTでは前後に切り返す長時間のタツキングしかできない。（c)船団を組んでの発電操業では、船団の個々の船体の操縦性能が高いので、衝突回避性能が向上し、船団の海域における占有面積が小さい。（d)風力のみでも高速航行できるので、台風や低気圧への接近や脱出も容易である。一方、 SMFT は、台風の進路を避けられず、危険海域にとり残されるおそれがある。（e)水車のタ一ビンをフエザリング (水流に平行に向けること）することで、水中部の抵抗を大幅に減少させ、前進速度の値を大きくできる。フエザリングにより、水中抵抗はおよそ 60% 以上減少し、前進速力は 50%以上増加する。（f)操船の自由度が高ぐ水素エネルギ一の積み替えも、シャトルタンカーを用いず自力で出入港が可能である。（g)発電機 14R、 14Lに電力を投入すれば、そのまま電動機になるので、エネルギー吸収装置としての水車を推進装置として使用できる。

[0052] さらに、（3)システムが小型化できる。水を作動媒体としたのでシステムが小型化できる。（a)全長が 2kmの SMFTと同規模の発電力約 300mの船体で実現できる。そのため、既存の大型船建造ドックと既存の造船技術を利用でき、完成までの時間が短い。（b)部材数が少なぐ建造費が安価である。ランニングコストも低減できる。

[0053] 実施の形態の洋上発電システム 2について、物理的考察を以下に述べる。 [0054] 風が持つエネルギー WIND ENERGY は、次の通りである。

[0055] [数 1]

編

[0056] 式（1)において、 p は空気の密度、 A は風受けプレート 6の風に対する面積、 V

A A A

は空気（風）の速度である。ここで、流体の密度を空気から海水へ変化させると、 [0057] [数 2]

となる。ここで、式（2)において、 p は水の密度であり、水の密度 p は、空気の密

W W

度 p のおよそ 800倍の値である。そこで、同一エネルギー吸収を、媒体を空気から

A

海水へ変えて考えれば、

[0058] [数 3]

¼ … '

となる。式（3)において、 A は水に対する水中プロペラの面積、 V は水の速度であ w w

る。ここで、空気（風）の速度 V は、 V = 15m/sであり、海水（自走時）の速度 V は

A A W

、 V = 7. 5m/sで考えると、このとき、流速は 2分の 1としてあるので、 Aと A との比

W A W

Aを、

R

[0059] [数 4]

!0§ * * * * C4

としても、同じエネルギーの吸収が可能となる。

[0060] 今、風車の台数を 11基から 1基に変更するとすれば、

[0061] [数 5]

J_f *S * - · * <δ) として、ほぼエネルギー吸収量は同じとなる。 [0062] これより、水中のロータ部（水車）は 1基のみでよぐ空中のロータ（風車）と比べて小さくでき、そのスケールが 3分の 1でよいこととなる。この点について、 SMFTでは、空中のロータ（風車）を例えば、直径 120mを 11基とすると、水中では直径 40mのロータ部の 1基で出力をまかなえる。

[0063] 次に、風力推進 (航行性能）で考える。船体の最大船速を出し易ぐかつ船体がヒール (heel)し難い条件での稼働を考えると、横風で走行しているときを想定すればよい。

[0064] このときの推進力は風受けのプレート 6に発生する揚力 Lに等しぐ

[0065] [数 6] 信》

となる。式（6)において、 S はセール面積を表す。最大効率の揚力係数が使えるとす

S

れば、 C = 1となる。ここで、 SMFTの風受け部材（=風受けのプレート 6)の揚力係

L

数の値を使うなら、 C = 2となる。

L

[0066] また、全抵抗（水面下のもの） Rを、

[0067] [数 7]

とする。式（7)において、 Cは水中プロペラの抵抗係数、 C は船体 4の抵抗係数で

P D

ある。 L = Rである力、

[0068] [数 8]

となる。ここで、 C = 2、 C =C =0. 3と仮定し、さらに、船体 4の推進方向の投影面

L P D

積 S 、水中プロペラの投影面積 Sを、

H P

[0069] [数 9]

とすれば、これら式（9)、（10)より、 S =48, 000m²のセール面積があればよいこと

A

になる。

[0070] これはセールについて、 1枚であれば、全長 300m、高さ 160mの大きさでよいことになる。し力、し、この ASPECT RATIOでは、効率が悪いし扱い難レ、。そこで船体 4 を双胴船 (カタマラン）とし、長さ 300m、高さ 150mのパラソル型のものにすれば、この条件には十分である。なお、これは、想定した SMFTの発電量を変えずに、船体および発電機能を置き替えた場合であり、各パラメータは最適化されたものではない

[0071] 次に、数値計算結果について述べる。 2種類の帆走艤装例として、図 1〜図 6 (実施例 1)および図 7〜図 10 (実施例 2)に関し、水車 10R、 10Lは 2基で構成した力この水車は 1基でも可能である。数値計算例は、 2基として稼働中のロバストネスを高めた例であり、作動流体の面積 (水車の面積）は 1基のときと同じとしてある。排水量は 10 万トンとしてあり、これは SMFTの計画排水量の 2分の 1となる設計例である。これを排水量 20万トンにするのは容易である。船体の幅を倍に増やしても、抵抗増加の割合はプロペラの駆動の割合が多いので、全体への寄与は少なぐ発電性能の低下は緩やかであることから明らかである。

[0072] 計算力ら示すように、船体長は 7分の 1 (正確には 300/2000)とし、 1基の発電機と巨大なセールによる発電システムでも同等の発電能力を持つ機構の可能性を示している。これらの帆走艤装や発電機の大きさ等の組み合わせ、船体等の PROFILE の最適化により、より高効率で安価であり、さらには EPRも高い洋上発電システムを構築できる。

[0073] なお、単なる帆走走行だけであれば、カイト（ l)による帆走も可能である。カイトは、高空域の高速気流を利用でき、小さな面積のカイトでも十分な推進力を得ることができる。しかし、カイトは運動制御が難しく実用的でない。

[0074] 図 11は、同一発電容量の場合の前進速度と抵抗の変化を示す図である。数値計算では、風速 14m/sとし、前進速度を変化させ、同一の発電容量となるように水車のタービンサイズを変更すると、その抵抗は、図 1 1に示すように変化する。水車 10R 、 10Lは、 C = 0. 6を使用し、風速 14m/sとし、走行速度は 6m/s〜： 13m/sまで

D

変化するような水車サイズで、横風状態での走行を検討した。船体前進抵抗にもよるが、風速に対しその 50%、すなわち 7m/sを超える付近で抵抗が最小となり、前進速度に最適値があることが判る。そこで、水車のサイズはこの抵抗が最小となる箇所でのサイズとした。なお、小投影面積の水車発電を行う方が、効率がよい。これは、高い走行性能を約束するから、危機回避能力がより高まることになり、安全性の向上に繋がる。

[0075] 図 12は、船速とプレート面積の変化を示す図である。要求されるプレートの面積について計算してみると図 12のようになる。ある前進速度でプレート面積が最小となる速度の最適値があることが判る。プレートの面積が最小となる速度は、約 l Om/sの箇所にあるが、プレートの面積は、約 10m/sでの面積とはせず、図 1 1で得られた約 7m/sの面積とする。つまり、プレートの面積は、最小の面積よりは少し大きな面積とするのがよい。

[0076] 次に、船体の性能解析結果を表 1、表 2に示す。表 1には、風速、前進比、前進速度、フルード数、空気の密度 p 、海水の密度 p 、風車の半径、面積および 1 1基分

A W

の全投影面積、流体密度比、水車の投影面積および半径、自然エネルギー（風、水流）、エネルギー増加量、等価水車面積、面積比を示す。

[0077] 表 2は、等価半径、半径比、船体投影面積、船体抵抗、水中抵抗 (船体、水車、合計）、帆面積を示し、また、船体摩擦抵抗推定として、船体摩擦抵抗、抵抗係数を示す。

[0078] [表 1]

2] 船体投影

450

面積（m2) 船体摩擦抵抗推定船体抵抗 CD 0.5

[0080] ここで、水車の性能把握について、検討すると、直径= 1111 ; 2_8し八0£3 ; 30し1 DITY=0. 16のデータで推定すれば、 C =0. 3の時、 A =URZVw= 2〜2. 5、

D

R= 14mの水車であるから、 Vw = 7m/s、 UR= 2 R X 0. 75 X Nとなり、よって、 N = 0. 21〜0. 26rpsとなり、 14rpm力、ら 16rpmで回転することになる。この日寺、 C

P

=0. 3、 C =8となる。これは作動時の RN数が大きく異なるので、その修正が必要

T

であろう。なお、 URは回転翼の 0. 75半径における回転速度の代表例である。

[0081] (1)船速について

船体長 M = 300m、 US = 7m/sとすれば、 FN = 0. 129となり、船体が大きいので相対的には超低速船である。このとき、摩擦抵抗成分のみ考えておけば十分であり、造波抵抗は小さい。また、前進速度が lOm/sに達しても造波抵抗が大きくなる、 HUMPとなる船速域には達していなレ、。また、ここで考えている船型は、 B/Lく 1/ 10の最長船型を考えている。これは、もともと造波抵抗成分は小さぐその値は摩擦抵抗の 10分の 1から 10分の 2程度とすればよレ、。なお、 FNはフノレード数で、船の造波抵抗に関係するする無次元数である。また、 Bは船体の幅、 Lは船体の長さである

(2)水車の C 、風力発電プロペラの C について、発電に用いられている高速型 3

D P

翼空中風力発電プロペラのデータを図 13に示す。これは C値が大きぐ最大 0. 8

D

まで達する例である。また、 2翼データの例では C =0. 6程度となる例が示されてレ、るので、上記実施の形態では 2翼の水中発電の水車 10R、 10Lを設置した。この値を用いて図 11と図 12の計算を行った。

[0083] (3)簡単な水車投影面積の計算例について、表 3に示す。表 3には、空気 (風）の速度、海水の前進速度、空気の密度、海水の密度、風車の半径、面積および 11基の風車面積、風速の 2分の 1の前進速度で計算した比率、水車面積および水車半径を示す。

[0084] [表 3]

[0085] 他の実施の形態を次に示す。船体については、船体 4に双胴船を例示したが、船体 4の形状は双胴船以外の形態であってもよい。プレートは、剛性の高いプレートを例示したが、合成樹脂シート等の軟弱性シートを一定の張力を以て張設したものでもよい。プレートの制御について、プレート 6の角度や高さは任意に調節できる形態としてもよレ、。水車について、実施例では、左右のそれぞれに 1つずつの水車 10R、 10 Lを設置している力 S、水車は、左右のそれぞれに 2個以上設置する、中心部に水車を設置する、水深長を調節可能とすることなどを実施してもよい。

[0086] 実施例での主たる帆走は、横風を受けて走行する。この時、船体 4に前進力が最大に働き、船体 4を傾ける力が最小になる。そのためヨットのキールのような横流れ防止装置を設置してもよい。横流れ防止装置を設置していなければ、プレート 6はおよそ 4 5度だけ風に向くことになるが、不都合はない。風に対し切り上がり、帆走することを考えた場合には、船型を少し工夫する。これは、通常の大型帆船のように、船底にバ一キールと呼ばれる、張出しを設ける位で十分と考える。この場合、キールを取り付けてもよく、ヨットの引込み式のキールを取り付け、必要に応じて出し入れすればよい。水中のタービン (水車 10R、 10L)の動力伝達部 12を翼形状とし、キールの働きを持たせてもよい。実施例での水車 10R、 10Lは、力かる位置に配置されている。

[0087] 以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなぐ様々な変形や変更が可能である。これらも本発明の範囲に含まれる。産業上の利用可能性

本発明は、洋上の風力を利用した洋上発電システムに好適である。

Claims

請求の範囲

[I] 水面または水中に浮かせる船体と、

水面上の風を受けて前記船体を航行させるプレートと、

前記船体の航行によって水を作動媒体として発電する発電装置と、を含んで構成されることを特徴とする洋上発電システム。

[2] 前記プレートは、台形状に形成され、前記船体の右舷と左舷に互いに対面するように立設され、前方から見てハ字形に傾斜して取り付けられてレ、ることを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[3] 前記プレートは、前記船体に複数立設されるとともに、その風受け面が、駆動機構によって前記船体の中心線に対して角度をなすように回転されることを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[4] 前記プレートは、駆動機構によって垂直または斜めにされることを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[5] 前記プレートは、水平断面が流線型であることを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[6] 前記プレートは、駆動機構によって先端側と後端側が折れ曲がることを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[7] 前記水車は、前記船体を推進させる推進器として兼用されることを特徴とする請求項 5に記載の洋上発電システム。

[8] 前記船体は、所定の推進方向を持つ右舷側船体部と、前記右舷側船体部と平行に配置されて所定の推進方向を持つ左舷側船体部とを含むことを特徴とする請求項

1に記載の洋上発電システム。

[9] 前記水車は、船体側に折りたためることを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[10] 前記水車は、前記水車および前記船体を合わせた水に対する抵抗力が最小となる面積を有することを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。

[II] 前記プレートは、前記水車および前記船体の水に対する抵抗力が最小となる船体の航行速度を得るために必要な面積を有することを特徴とする請求項 1に記載の洋上発電システム。