WO2013065826A1 - 浮体式流体力利用システム及びこれを用いた風力推進船 - Google Patents

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turbine
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floating body
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拓樹 中村
博路 秋元
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Nakamura Takuju
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Definitions

  • the present invention relates to a floating fluid force utilization system that can be used in a oscillating ship or an offshore structure, and a wind propulsion ship using the same.
  • a windmill receives strong wind power when it converts wind energy into rotational force, which generates a moment that causes the windmill to lie down, but a horizontal axis windmill developed on land has a single horizontal axis supported at a high position in the air.
  • a huge tipping moment is generated at the base of the vertical column.
  • a wind turbine that rotates around the top end of the wind turbine column is attached, and the wind turbine needs to constantly change its direction so that the wind turbine faces the wind. It is not possible to stretch the guy wire that supports the column to support the arm.
  • the turntable of a horizontal axis windmill is provided just under the nacelle of the upper end of a support
  • the functions necessary for horizontal axis wind power generation include equipment that needs to be installed around the rotation of the wind turbine axis, such as a horizontal axis bearing support system, speed increasing gear, generator, brake, blade pitch control device, etc.
  • FIG. 17 is a diagram schematically showing the relationship between the inclination and the restoring force when a horizontal axis wind turbine is mounted on a floating body as Comparative Example 1.
  • the floating body in order for the floating body to have a restoring force, it is necessary to have the center of gravity at a position lower than the metacenter in the vicinity of the floating body (the intersection of the buoyancy line and the floating body centerline). Since all heavy equipment is at a high position in the air, the center of gravity G is very high and it cannot have a restoring force. That is, when the land-type horizontal axis wind turbine 200 is fixed and installed on the floating body 201, as shown in FIG.
  • the turntable is installed at the upper end of the wind turbine column 202 unless the necessity of firmly fixing the wind turbine column 202 to the floating body 201 can be excluded. It is necessary to inevitably put all the upstream devices on the nacelle 203 above, and it is difficult to lower the center of gravity G.
  • FIG. 18 is a diagram schematically showing the relationship between the inclination and the restoring force when a vertical axis wind turbine is placed on a floating body as Comparative Example 2, where (a) shows a slight inclination, and (b) shows an inclination. (C) shows a state where the inclination is further increased.
  • the vertical axis wind turbine 300 as shown in FIG. 18 is used with respect to the horizontal axis wind turbine 200 of the comparative example 1, all heavy equipment is mounted on the floating body 301 in the same manner as if the heavy equipment is usually provided on the ground, not high in the air.
  • the center of gravity G should be considerably low.
  • FIG. 19 is a diagram schematically showing the relationship between the inclination and the restoring force when the vertical axis wind turbine is supported so as not to tilt with respect to the floating body and an underwater ballast is provided as Comparative Example 3.
  • ballast is provided in the water, and a structure with resilience is realized no matter how much it tilts.
  • FIG. 19 it is conceivable to provide a vertical axis windmill 400 in which a support 403 is supported so as not to tilt with respect to the floating body 401 and a ballast 402 is provided in water. .
  • the vertical axis windmill 400 can be realized because the center of gravity G is lower than the rotational center (buoyancy center C) of the tilting motion in the vicinity of the floating body 401, but in this case, the attachment portion of the column 403 to the floating body 401 Since 401a is overstressed, it is not realistic to support it alone. Fore stays and side stays (not shown) that support the pillars 403 are three-way like the vertical wire wind turbine guy wires. It is realized for the first time by being stretched in all directions.
  • the present invention has been made in view of the above-described situation, and an object of the present invention is to provide a floating body fluid force utilization system that can cope with a falling moment due to fluid force and can suppress the inclination and enlargement of the floating body. It is to provide a wind-powered propulsion ship used.
  • the present invention is a floating fluid force utilization system including an assembly that extracts energy from wind or water, and a floating body that supports the assembly, wherein the assembly includes a force receiving portion that receives fluid force, and the force receiving force
  • the assembly is characterized in that the assembly has a center of gravity disposed below the surface of the water and is supported so as to be swingable in any direction with respect to the floating body.
  • the center of gravity of the assembly is disposed below the water surface and is supported so as to be swingable in any direction with respect to the floating body, the assembly is in any direction when subjected to fluid force.
  • the gravity applied to the center of gravity below the surface of the water generates a restoring force that tries to return the inclination around the support portion of the swing shaft.
  • This restoring force increases as the inclination increases and is not lost, so the assembly itself can counter the overturning moment of the assembly. Therefore, it is not necessary for the floating body to bear the overturning moment, and therefore it is not necessary to install a guy wire, so that the floating body can be reduced in size.
  • the assembly is supported so as to be swingable with respect to the floating body, the inclination of the assembly is not transmitted to the floating body.
  • the force receiving portion it is conceivable to use a sail that receives wind, a fixed wing, a horizontal or vertical windmill, a tidal force sail that receives tidal force, a keel, a horizontal or vertical turbine, and the like.
  • the assembly may be supported so as to be able to swing with respect to the floating body via any one of a pin joint, a universal joint, a pillow ball type spherical bearing and an elastic body support mechanism.
  • a large weight assembly can be easily and reliably supported on a floating body while allowing rocking.
  • the assembly may be supported so as to be rotatable about the central axis of the support column with respect to the floating body.
  • the floating fluid force utilization system uses wind power as at least one of the fluid energy, wherein the force receiving portion includes a wind receiving portion that receives wind force in the air, and the strut is configured to receive the power receiving portion. It is good also as a structure provided with the upper support
  • the force receiving portion is configured to include a wind receiving portion that receives wind power in the air
  • the support column includes the upper support column that supports the wind receiving portion and the ballast disposed below the water surface. And supporting the entire assembly so as to be swingable and rotatable with respect to the floating body while supporting the wind receiving portion and the ballast with the supporting pillars arranged so as to penetrate the floating body. be able to.
  • the wind receiving part is a fixed wing, it is necessary to change the direction of the force receiving part according to the wind direction, but the ballast for balancing in water is cylindrical or spherical (rotationally symmetric with respect to the rotation axis of the column).
  • the upper strut that holds the force receiving portion in the air and the lower strut that holds the ballast in water can be integrally configured.
  • the upper support column and the lower support column may be connected so as to be relatively coaxially rotatable through a bearing in a rigid state with respect to the center axis of the support column.
  • the upper support column and the lower support column are coupled to each other so as to be relatively coaxially rotatable via the bearing in a rigid state with respect to the central axis of the support column.
  • the lower support column and the ballast can be configured not to rotate. Therefore, for example, it can prevent that a lower support
  • the force receiving portion includes a horizontal axis wind turbine or a vertical axis wind turbine.
  • the center of gravity of the assembly is disposed below the water surface, and the entire assembly including these wind turbines swings with respect to the floating body. Since it is supported as much as possible, it can counter the overturning moment, and can suppress the inclination and enlargement of the floating body.
  • the force receiving portion is configured to include a horizontal axis turbine or a vertical axis turbine, and the horizontal axis turbine or the vertical axis turbine is arranged below the water surface and functions as a ballast or a part thereof. May be.
  • the center of gravity of the assembly is disposed below the water surface, and the entire assembly including these turbines swings with respect to the floating body. Since it is supported as much as possible, it can counter the overturning moment, and can suppress the inclination and enlargement of the floating body. Further, since the horizontal axis turbine or the vertical axis turbine functions as a ballast or a part thereof, it is not necessary to provide a separate ballast, and the structure can be simplified. Furthermore, it can be set as the structure which provides a windmill and a water wheel on the upper and lower sides of a support
  • the upper strut and the lower strut are connected to each other via a gear system so as to rotate coaxially while maintaining a predetermined relative rotational relationship, and are relatively rotatable and swingable with respect to the floating body. It is good also as a structure supported so that it is possible.
  • the upper strut and the lower strut are connected to each other via the gear system, so that both rotate coaxially while maintaining a predetermined relative rotational relationship.
  • the wind receiving part is configured as a vertical axis wind turbine
  • the ballast part is configured as a vertical axis water turbine
  • the upper support column and the lower support column are connected to each other through a bearing and a planetary gear system or a differential gear system while maintaining a rigid axis. If the upper strut and the wind receiving portion are rotated a plurality of times while the lower strut and the vertical axis turbine are rotated once, both energies can be efficiently extracted.
  • the upper strut and the lower strut transmit rotation of one of the upper strut and the lower strut to the other under a predetermined condition, and the other one of the upper strut and the lower strut under other conditions. It is good also as a structure which has a mechanism which does not transmit one rotation to the other.
  • the assembly includes a rotational energy extraction unit that extracts rotational energy from the rotation of the force receiving unit, and the upper support column and the lower support column are configured to rotate coaxially with each other, and the rotational energy extraction unit includes: It is good also as a structure arrange
  • the upper support column and the lower support column are configured to rotate coaxially with each other, and the rotational energy extraction unit is attached so that the torque generated when the energy is extracted is canceled with each other. Rotation of the floating body and the burden on the mooring system of the floating body can be suppressed.
  • the traveling direction of the blades of the wind turbine and the water turbine is set so that the lower support column provided with the vertical axis turbine and the upper support column provided with the vertical axis wind turbine always rotate in the reverse direction. If a reverse rotation gear system is interposed between the upper strut and the lower strut, the torques cancel each other, and the problem can be solved or reduced.
  • the rotational energy extraction unit is a generator including a rotor and a stator, and the generator connects the rotor to one of the upper strut and the lower strut and connects the stator to the other.
  • the power may be generated by the differential between the rotor and the stator.
  • the rotor when converting rotational energy into electric power and taking it out, the rotor is connected to one of the upper strut and the lower strut, and the stator is connected to the other to generate power by differential. If comprised in this way, torque will be canceled and it will become a relatively high rotation speed, for example, the number of poles of a generator can be reduced and a smaller generator can be used.
  • the force receiving unit may include a lift type vertical axis wind turbine and a drag type vertical axis wind turbine, and the vertical axis wind turbine may be activated by rotation of the vertical axis turbine.
  • a lift type vertical axis wind turbine that is generally poor in self-startability can be started by a drag type vertical axis turbine having relatively good startability.
  • the vertical axis turbine is provided below the surface of the water, the wind flow corresponding to the vertical axis wind turbine is not disturbed, and a decrease in the rotational efficiency of the wind turbine can be suppressed.
  • a vertical axis wind turbine has the advantage that the lift type wind turbine represented by the Darrieus type is efficient, and there is no need to adjust any wind from any wind direction. Otherwise, there is a disadvantage that self-activation is not possible.
  • a gyromill type windmill that enables self-start by adding a link mechanism that changes the angle of attack depending on the windward and leeward positions, but it depends on the wind direction and the relationship between the rotational speed and the wind speed. Since adjustment is required and the mechanism is mounted at a location out of reach, there is a drawback that maintenance is difficult on the ocean.
  • the Darrieus type windmill has a drawback in that it reduces the efficiency by disturbing the wind flow corresponding to the Darrieus-type windmill.
  • a Darius type wind turbine can be used by using a Darius type and a Savonius type for a tidal force below the surface of the water. If comprised in this way, a Savonius type
  • the force receiving portion includes a lift type vertical axis wind turbine and a drag type vertical axis wind turbine
  • the vertical axis turbine is connected to the vertical axis wind turbine via a speed increasing device
  • the speed device transmits the rotation of the vertical axis wind turbine to the vertical axis wind turbine when the rotational speed after the acceleration of the vertical axis wind turbine is equal to or less than the rotation speed of the vertical axis wind turbine, and after the acceleration of the vertical axis wind turbine
  • the rotation of the vertical axis wind turbine may not be transmitted to the vertical axis turbine.
  • the rotation of the vertical axis turbine after the acceleration is equal to or lower than the rotation speed of the vertical axis turbine
  • the rotation of the vertical axis turbine is transmitted to the vertical axis wind turbine.
  • the startability of a windmill can be improved.
  • the rotation speed of the vertical axis wind turbine after the speed increase is larger than the rotation speed of the vertical axis turbine, the rotation of the vertical axis wind turbine is not transmitted to the vertical axis turbine, so that the vertical axis turbine does not become a resistance.
  • the tidal current design speed is generally much slower than the wind design wind speed, and the Savonius rotor is more efficient because the peripheral speed of the rotor's largest diameter is about the same as the fluid speed, whereas the Darrieus type The rotor speed is about 4 to 6 times higher than the wind speed, so efficiency is good. Therefore, the shaft rotation of the Savonius turbine should be increased and transmitted to the shaft rotation of the Darrieus wind turbine, and if the wind speed increases, the wind turbine The rotation of the shaft should be separated from the transmission of the rotation or be one-way so that the turbine does not become a brake.
  • the assembly has a buoyancy enough to balance the weight of the assembly, and is supported so as to be able to move up and down relatively with respect to the floating body.
  • a relative vertical movement between the assembly and the floating body is supported. It is good also as a structure provided with the vertical movement energy extraction part which takes out energy from.
  • the assembly has a buoyancy enough to balance the weight of the assembly and is supported so that it can move up and down relatively with respect to the floating body. , It moves up and down relatively due to the difference in the followability of each floating body. Then, energy (wave energy) is extracted from the relative vertical movement of the floating body and the assembly by the vertical movement energy extraction unit.
  • the assembly is relatively heavy and the water surface penetration is relatively thin, so there is relatively little buoyancy change due to draft fluctuations, and it swings up and down over a long period, while the floating body is relatively light and has a relatively light surface. Since the penetrating part is large, it follows the wave well, so that a relative vertical movement occurs in the wave.
  • the vertical kinetic energy extraction unit is a linear generator including a translator and a stator, and the linear generator connects the translator to one of the assembly and the floating body, and connects the stator to the other. And it is good also as a structure which produces electric power by the differential of the said translator and the said stator.
  • the vertical energy extraction unit is a linear generator including a translator and a stator, and the linear generator connects the translator to one of the assembly and the floating body, and connects the stator to the other. Therefore, it is possible to generate power directly from the relative vertical movement of the assembly and the floating body.
  • the vertical movement energy extraction part may be configured to include a rotational force conversion mechanism including any one of a ball screw, a rack and pinion, a connecting rod, a crank mechanism, and a gyro.
  • the vertical movement is converted into rotation by a rotational force conversion mechanism such as a ball screw, a rack and pinion, a connecting rod and a crank mechanism, or a gyro, so that the vertical movement energy is more efficiently rotated. It can be used for power generation with other generators.
  • the force receiving unit may include at least one of a lift type vertical axis wind turbine and a lift type vertical axis turbine, and may be activated by a rotational force obtained by the rotational force conversion mechanism.
  • the rotational force obtained by the rotational force conversion mechanism can be transmitted to the Darrieus-type windmill or Darrieus-type turbine and used for starting them, and the wind energy and tidal power energy are collected together.
  • the present invention is a wind-powered propulsion ship using the above-described floating-type fluid force utilization system, wherein the floating body is a hull, and the force receiving portion includes a wind receiving portion that receives wind force in the air.
  • the strut includes an upper strut that supports the wind receiving portion and a lower strut that supports a ballast disposed below the water surface, and is disposed below the water surface and is substantially reduced by wind power received by the wind receiving portion.
  • a propeller that rotates about a horizontal axis is provided.
  • the hull can be propelled by the propeller that rotates about the substantially horizontal axis by the wind force received by the wind receiving portion.
  • the assembly composed of the wind receiving portion and the support column is configured to be swingable with respect to the hull, and the center of gravity of the assembly is disposed below the surface of the water, so that the receiving force is large enough to obtain sufficient thrust.
  • a windmill having a force part it can be a safe wind-powered propulsion ship having sufficient restoring force, and the inclination and enlargement of the hull can be suppressed.
  • the assembly is restrained so as to be able to swing only in the roll direction of the hull by a restraining device that restrains the swinging direction of the assembly during navigation.
  • the propeller of the wind-powered propulsion ship may be configured to be installed on the ballast.
  • the rotation of the vertical axis wind turbine is accelerated and transmitted to the shaft penetrating down through the ballast, and the rotation is changed to the horizontal axis rotation by the bevel gear provided in the ballast, and the propeller provided there Can be configured to rotate and propel.
  • the ballast or the lower support column is preferably configured to function as a lift type keel.
  • the ballast or the lower support column functions as a lift type keel, so that the angle of attack of the keel can be adjusted by the rotation of the lower support column.
  • a ship that is propelled by receiving a large amount of wind energy is pushed by the wind and moves while slid to the leeward side when traveling under a crosswind.
  • This is the same for yachts, and in the case of high-performance yachts, if there is a skid speed, the combined speed with the forward speed will balance the keel with lift that pushes the yacht upwind to create an angle of attack on the underwater keel.
  • the resistance of the hull will increase by the amount of skidding because the structure is balanced only when there is some skidding.
  • the ballast keel system supported in a rotatable manner makes it possible to make the keel have an angle of attack so that the lift can be generated in the keel even if there is no skidding. You can go straight ahead and reduce hull resistance.
  • the two keels are arranged at the front and rear of the hull, and the two keels rotate so as to have an angle of attack in the same direction when going straight in response to a crosswind, and the keel at the front end and the rear when turning. It is good also as a structure which rotates so that the said keel of an end may have an angle of attack of mutually opposite direction.
  • the two keels rotate so as to have an angle of attack in the same direction when traveling straight due to a cross wind, and when turning, the keel at the front end and the keel at the rear end are opposite to each other. Since it rotates so as to have a corner, it is possible to eliminate the ladder and make a high-performance wind-propelled ship with little resistance.
  • an assembly having a center of gravity in water is supported so as to be able to swing on the floating body. Even if the force receiving part in the air is inclined by receiving a large force, the floating body does not incline, so that the restoring force of the floating body is always maintained, and there is an effect that the worker's access for inspection can be realized safely. .
  • the force receiving part in the air or underwater when exposed to an excessive fluid velocity, the force receiving part can be tilted naturally to release the fluid force. There is an effect to keep.
  • the increase in size of the floating body can be suppressed. Also, whether it is a horizontal axis wind turbine or a vertical axis wind turbine, most of the main equipment such as gearboxes, turntables, and generators can be installed on the floating body, facilitating inspection and maintenance, and at the time of installation and operation period. It is possible to reduce the crane work required at the height as much as possible.
  • FIG. 2B is a plan view when standing upright
  • (a) has shown the state at the time of erecting, and (b) at the time of inclination, respectively.
  • the state, (c) shows a state where the inclination is further increased. It is the figure which showed typically the relationship between the inclination at the time of providing an underwater ballast while supporting a vertical axis windmill with respect to a floating body so that it cannot tilt as Comparative Example 3.
  • the floating fluid force utilization system 1 swings an assembly, an assembly 12 including a wind receiving portion 10 that is arranged in the air and receives wind and a column 11 that supports the wind receiving portion 10. And a floating body 13 that supports it.
  • the assembly 12 includes a ballast 14 at the lower end of the column 11 for disposing the center of gravity 15 of the assembly 12 below the water surface.
  • the floating body 13 is connected to an anchor (not shown) by a mooring line 13a.
  • pillar 11 has the upper support
  • the support column 11 is installed in an opening 13 b provided substantially at the center of the floating body 13 so as to penetrate the floating body 13.
  • the opening 13b is formed in a tapered shape with an inner diameter that increases toward the bottom.
  • a support frame 20 for supporting the support column 11 is installed on the upper portion of the opening 13b.
  • the spherical portion 17 is placed on a donut-shaped elastic rubber bearing 18 and vulcanized and bonded, and the donut-shaped elastic rubber bearing is similarly formed on the spherical portion 17.
  • 19 is placed and vulcanized and bonded.
  • the outer end portions of both elastic rubber bearings 18 and 19 are vulcanized and bonded to the spherical inner surface 20 a of the support base 20.
  • the spherical inner surface 20 a is formed in a concentric spherical shape having a common center with the spherical portion 17.
  • the elastic rubber bearings 18 and 19 are members used for, for example, seismic isolation bearings for buildings, and the rubber plate and the metal plate are schematically shown in the sectional view of FIG. 3A (the radial direction of the spherical portion 17). ).
  • the elastic rubber bearings 18 and 19 have a characteristic that they are flexibly deformed with respect to a shearing force but are highly rigid with respect to compression. Therefore, the spherical portion 17 has a donut shape with respect to vertical and horizontal movements. Although firmly constrained by the compression characteristics of the rubber, the rotation about the center of the spherical portion 17 and the spherical inner surface 20a is flexibly supported by the shear deformation characteristics of the donut-shaped rubber. Therefore, as shown in FIG. 2B, the assembly 12 can be supported so as to be swingable with respect to the floating body 13.
  • the support base 20 is connected to the floating body 13 via a coil spring 21 so as to be flexibly received when the assembly 12 tries to swing beyond the design swing range.
  • the coil spring 21 may be provided as necessary and may be omitted.
  • the floating fluid force utilization system 1A employs a horizontal axis wind turbine 30 as a force receiving portion, and the upper strut 11a and the lower strut 11b are connected so as to be relatively rotatable. Is mainly different from the first embodiment described above. In the following description, differences from the first embodiment will be mainly described, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
  • the assembly 12 of the floating fluid force utilization system 1A includes a horizontal axis windmill 30 at the upper end of the upper support 11a. Moreover, the upper support
  • the assembly 12 of the floating fluid force utilization system 1A has an upper support that supports the wind turbine while the floating body 13 remains horizontally stable when the horizontal axis wind turbine 30 is exposed to excessive wind speed.
  • the wind force received by the horizontal axis windmill 30 can be greatly reduced by the effect of allowing the assembly 12 including 11a to be inclined and receiving the wind by the inclination and the effect of lowering the wind receiving portion to a low wind speed.
  • the possibility of damage to the horizontal axis wind turbine 30 due to strong winds can be reduced, and therefore a pitch control system and a brake system are not necessarily required.
  • the assembly 12 of the floating body fluid force utilization system 1A has a restoring force in itself, it is not necessary to firmly support the upper support 11a on the floating body 13, and therefore, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
  • the horizontal axis windmill 30 can be supported so as to be rotated with respect to the floating body 13 together with the upper support pillar 11a. Therefore, the turntable 31 for directing the windmill in the wind direction, which is always necessary for the horizontal axis windmill, is not directly under the nacelle 32 in the air, but near the deck of the floating body 13 as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). It can be provided on the upper end of the lower support 11b.
  • a speed increasing gear, a generator, and the like (not shown) that are required to be installed on the nacelle 32 are also directly above the turn table 31, that is, a floating body. It can be provided in the machine room 33 (see FIG. 6A) near the 13 decks. In this case, the rotation of the horizontal shaft in the air is converted to the rotation of the vertical shaft by the bevel gear provided inside the nacelle 32, and the transmission shaft is rotated inside the upper support 11a to increase the speed increasing gear in the machine chamber 33. Can be transmitted to the generator.
  • the pitch control system, speed-up gear, its lubricating oil system, generator, associated control panel, brake system, and turntable are all installed in the air nacelle 32 in a typical horizontal axis wind turbine.
  • a machine chamber 33 and an insertion shaft portion 34 are provided at the lower end of the upper support 11a.
  • a turntable 31 is provided at the upper end of the lower support 11b.
  • a shaft hole 35 is provided at the center of the turntable 31, and bearings 35 a and 35 a for rotatably supporting the insertion shaft portion 34 are disposed at the upper end and the lower end of the shaft hole 35.
  • a spherical portion 17 is integrally provided on the upper side of the lower support 11b.
  • the floating fluid force utilization system 1B according to the third embodiment (1) adopts a Darrieus type windmill 40 as a force receiving portion, (2) adopts a Savonius type turbine 50 as a ballast 14, And (3) The point which the lower support
  • differences from the first and second embodiments will be mainly described, and the same reference numerals will be given to common configurations, and description thereof will be omitted.
  • the floating fluid force utilization system 1B includes a Darrieus-type windmill 40 that is a kind of a lift-type vertical-axis windmill as a force receiving portion.
  • the Darrieus-type windmill 40 includes an upper column 11a serving as a vertical axis, and three blades 41 provided at equal intervals around the upper column 11a.
  • the upper end 41a and the lower end 41b of the blade 41 are respectively supported by an upper bracket 42 provided at the upper end of the upper support 11a and a lower bracket 43 provided at the lower end of the upper support 11a so as to be vertically rotatable.
  • the intermediate part 41c of the blade 41 is configured in a hinge structure.
  • the lower bracket 43 is configured to be slidable with respect to the upper column 11a.
  • the blade 41 is configured to be able to change its turning radius r by bending the intermediate portion 41c of the blade 41 by sliding the lower bracket 43 up and down.
  • the Savonius-type water turbine 50 also functions as the ballast 14, and its upper end is supported by the lower support 11b.
  • the Savonius type water turbine 50 includes blades 51 and 51 having a shape obtained by dividing a cylindrical body in the axial direction. The two blades 51 and 51 are coupled in a shape shifted from each other along the dividing plane.
  • the Savonius-type water turbine 50 rotates when a tidal current passes through a space 51 a surrounded by the blades 51, 51.
  • the Savonius type water turbine 50 according to the third embodiment has a structure in which such blades 51 and 51 are stacked in two stages in the vertical direction and are arranged 90 degrees out of phase with each other.
  • the product of the distance from the swing center of the column 11 to the center of gravity of the Savonius type turbine 50 and the weight of the Savonius type turbine 50 in water is from the center of swing of the column 11 to the center of gravity of the Darrieus wind turbine 40.
  • the arrangement, dimensions, mass, and the like are set so as to be larger than the product of the distance and the air weight of the Darrieus wind turbine 40.
  • mold water turbine 50 functions also as the ballast 14, the gravity center of the assembly 12 is arrange
  • pillar 11b, and the spherical part 17 are connected so that relative rotation is possible.
  • the upper column 11a is integrally coupled to the upper portion of the connecting member 11c at the lower end thereof by a taper shank.
  • the lower end side of the connecting member 11c is inserted into the upper end portion of the lower support 11b and is rotatably connected.
  • the upper end side of the connecting member 11c is formed in a tapered shape having a diameter that decreases toward the upper side, and is inserted into a reverse tapered hole portion 11a1 formed in the lower end portion of the upper column 11a.
  • the upper end portion 11c1 of the connecting member 11c is formed with a thread groove, and by tightening the nut N, the lower support 11b is attracted to the upper support 11a via the connecting member 11c, and is integrally coupled.
  • a bearing B is installed at an appropriate position between the connecting member 11c and the lower support 11b, and can rotate relative to each other.
  • a spherical portion 17 is fitted on the outer side of the upper end portion of the lower support 11b.
  • a bearing B is provided between the spherical portion 17 and the lower support column 11b, and can rotate relative to each other.
  • the spherical portion 17 is swingably supported on the support frame 20 via elastic rubber supports 18 and 19.
  • the upper strut 11a, the lower strut 11b, and the spherical portion 17 can be rotated relative to each other while being firmly connected in a rigid state in the axial direction, and as shown in FIG. 13 is swingable.
  • a cylindrical part 11d having an open top is formed at the upper end of the lower support 11b. And between this cylindrical part 11d and the connection member 11c (namely, between the upper support
  • the gear system 60 is composed of, for example, a planetary gear system, and has a function of rotating the upper column 11a and the lower column 11b coaxially in the reverse direction.
  • the gear system 60 is disposed between the sun gear 61 and the ring gear 62, a sun gear 61 carved around the connecting member 11c, a ring gear 62 connected to the cylindrical portion 11d via a ratchet mechanism 64 described later.
  • a plurality of planetary gears 63 is movably connected to the spherical portion 17 by a carrier (not shown).
  • the Savonius type turbine 50 and the lower support 11b start to rotate clockwise as viewed from above due to the tidal current
  • the upper support 11a and the Darrieus wind turbine 40 are rotated counterclockwise as viewed from above by the gear system 60. Will start (start).
  • the startability of the Darrieus type windmill 40 can be improved.
  • the gear system 60 also has a function as a speed increasing device for increasing the rotation of the lower support 11b and transmitting it to the upper support 11a.
  • a function as a speed increasing device for increasing the rotation of the lower support 11b and transmitting it to the upper support 11a.
  • the gear ratio of the planetary gear system when the Savonius type turbine 50 (that is, the ring gear 62) rotates once, the Darrieus type windmill 40 (that is, the sun gear 61) rotates a plurality of times (for example, eight times).
  • the design rotational speed of a windmill and the design rotational speed of a water turbine can each be set appropriately according to a wind speed and a flow velocity.
  • the design tidal velocity at startup is 0.3 m / sec and the design wind speed is 3 m / sec.
  • the Darius-type windmill 40 it is necessary to activate the Darius-type windmill 40 so that the peripheral speed of the Darius-type windmill 40 is about three times the wind speed, that is, about 9 m / second or more. If the rotation radius r of the Darrieus type windmill 40 is 20 m, it is necessary to rotate at 4.3 rpm.
  • the Savonius-type water turbine 50 can rotate only at the same peripheral speed as the tidal current.
  • the Savonius type turbine 50 has a fluid velocity of 1/10 compared to the case where it is installed in the air. Therefore, if the specific gravity of the fluid is the same, the generated torque is the square of 100 minutes. 1. Since the speed is further reduced to 1/8 due to further speed increase, the torque for starting the Darrieus wind turbine 40 is 1/800, but in fact the specific gravity of the fluid is increased by 800 times.
  • the Darrieus type windmill 40 can be started by the Savonius type turbine 50 having the same size as the land type.
  • the ratchet mechanism 64 has a function of not transmitting the rotation of the upper column 11a to the lower column 11b under a predetermined condition. Specifically, when the Savonius-type turbine 50 starts to rotate from a stopped state, the rotation of the Savonius-type turbine 50 is transmitted to the ring gear 62 via the ratchet mechanism 64, and is transmitted to the sun gear 61 as the ring gear 62 rotates. The connected Darius-type windmill 40 starts rotating at a speed eight times in the opposite direction to the Savonius-type turbine 50.
  • the ring gear is moved with respect to the ratchet mechanism 64. 62 idles.
  • the rotation of the Darrieus wind turbine 40 is not transmitted to the Savonius turbine 50. Therefore, the Savonius type turbine 50 does not become a load (brake) of the Darrieus type wind turbine 40.
  • a power generation device 70 having a rotor 71 and a stator 72 is installed inside the cylindrical portion 11 d and below the gear system 60.
  • the rotor 71 is fixed to the connecting member 11c, and the stator 72 is fixed to the cylindrical portion 11d.
  • the electric power generating apparatus 70 can generate electric power efficiently by the differential speed between them.
  • a counter torque acts between the rotor 71 and the stator 72, but the rotor 71 and the stator 72 are respectively fixed to the upper column 11a and the lower column 11b that rotate in reverse, so the counter torque is canceled out. Therefore, the mooring equipment for preventing the rotation of the floating body 13 can be simplified and downsized.
  • a ratchet 75 is also provided between the cylindrical portion 11d and the spherical portion 17.
  • the retractor mechanism of the Darrieus wind turbine 40 in the third embodiment will be described with reference to FIG.
  • the Darrieus type windmill 40 can deform the blade 41 linearly by sliding the lower bracket 43 downward with respect to the upper column 11a.
  • the radius of rotation r of the Darrieus-type windmill 40 can be made substantially zero to prevent the blade 41 from being damaged by strong winds, and the wind receiving area can be reduced to reduce the overturning moment.
  • the floating body hydrodynamic force utilization system 1C according to the fourth embodiment has the above-described first aspect in that the assembly 80 has buoyancy alone, and that power is generated by the difference in vertical movement caused by the waves of the assembly 80 and the floating body 13. Or mainly different from the third embodiment.
  • the floating fluid force utilization system 1C includes an assembly 80 having buoyancy and a floating body 13 that supports the assembly 80 so as to be swingable, rotatable, and vertically movable.
  • the assembly 80 mainly has, for example, a Darrieus type vertical axis water turbine 81 and a support column 82 serving as a rotation axis.
  • the assembly 80 has a buoyancy that allows the assembly 80 itself to float on the water surface, for example, by configuring the support 82 with a hollow member. Since the assembly 80 is formed in a vertically elongated shape, it is difficult to be affected by the vertical movement of the water surface due to waves. On the other hand, the floating body 13 is more susceptible to the vertical movement of the water surface due to the waves than the assembly 80. Therefore, the assembly 80 and the floating body 13 move up and down relatively by the difference in response speed with respect to waves.
  • the assembly 80 Since the assembly 80 is swingably supported by the floating body 13, even when a large tidal force is applied, the assembly 80 can be tilted to release the tidal force as shown in FIG. 10B. Further, since the vertical axis turbine 81 functions as a ballast, the assembly 80 can be restored to a vertical state. Furthermore, since the assembly 80 is rotatably supported with respect to the floating body 13, tidal energy can be extracted by rotating a power generation device 70 (see FIG. 11) described later by the rotation of the assembly 80. The assembly 80 is supported so as to be movable up and down with respect to the floating body, and includes a rotational force conversion mechanism 88 that converts vertical motion into rotational force. As a result, the relative vertical movement of the assembly 80 can be converted into rotational movement and used for the starting force of the Darrieus type vertical axis turbine 81.
  • the spherical portion 17 of the assembly 80 is swingably supported by the support frame 20 via the elastic rubber bearings 18 and 19 as in the other embodiments described above.
  • an upper end portion 83 of a support 82 serving as a rotation shaft of the vertical axis water turbine 81 is disposed so as to penetrate vertically.
  • a ball spline bush 86 which is a linear bearing, is fitted to the upper end 83 of the column 82.
  • the ball spline bush 86 is installed so as to be relatively movable in the vertical direction (axial direction) with respect to the upper end portion 83 of the column 82.
  • the ball spline bush 86 is held by the spherical portion 17 so as not to move up and down. Further, the ball spline bush 86 is rotated together with the support 82 by engaging with a spline groove 86 a carved in the upper end portion 83 of the support 82.
  • a rotor 71 of a power generator 70 is fixed to the ball spline bush 86, and a stator 72 is fixed to the inner peripheral surface of the spherical portion 17.
  • the rotor 71 rotates together with the ball spline bush 86. Since the stator 72 is fixed to the spherical portion 17 and does not rotate, power is generated by the relative rotation of the rotor 71 and the stator 72. The counter torque generated in the stator 72 is borne by the mooring system of the floating body 13.
  • a portion of the upper end portion 83 of the support 82 that protrudes from the spherical portion 17 is provided with a thread groove 83a and a nut 84 fitted therein, forming a so-called ball screw mechanism.
  • a cylindrical nut holding portion 17 a is formed on the upper portion of the spherical portion 17 so as to hold the nut 84 rotatable in one direction and not vertically movable via a ratchet mechanism 85.
  • the thread groove 83a, the nut 84, the ratchet mechanism 85, and the nut holding portion 17a constitute a rotational force converting mechanism 88.
  • the vertical axis turbine 81 is activated by the torque conversion mechanism 88.
  • the nut 84 can rotate counterclockwise when viewed from above (becomes free with respect to the ratchet), but a ratchet mechanism 85 is provided so that it cannot rotate clockwise, and a Darrieus type vertical A shaft water turbine 81 is provided to rotate counterclockwise. Further, the thread groove 83a is engraved so that the column 82 moves downward relative to the nut 84 when the column 82 is rotated counterclockwise with respect to the nut 84 when viewed from above.
  • the vertical axis turbine 81 When the vertical axis turbine 81 is activated and starts to rotate counterclockwise, the vertical axis turbine 81 attempts to move downward with respect to the nut 84. However, since the vertical axis water turbine 81 has buoyancy, after moving downward to some extent, there is a state where it cannot move further downward. Then, the nut 84 rotates counterclockwise in the same manner as the vertical axis turbine 81 so that the relative positional relationship with the vertical axis turbine 81 does not change, and at this time, the ratchet mechanism 85 idles. As a result, the vertical axis water turbine 81 rotates and power generation is performed by the power generation device 70.
  • an auxiliary power generation device including a linear generator (not shown) may be installed between the ball spline bush 86 and the support 82.
  • a linear generator for example, a translator is attached to the ball spline bush 86 and a stator is attached to the upper end portion 83 of the column 82. In this way, power generation can be performed using the relative vertical movement of the ball spline bush 86 and the support 82.
  • a ball screw mechanism including a screw groove 83a and a nut 84 is employed as the rotational force conversion mechanism.
  • a rack and pinion mechanism, a connecting rod, a crank mechanism, a gyro mechanism, or the like is used instead of the ball screw mechanism. It may be adopted.
  • the wind-powered propulsion ship 100 is a so-called yacht, and includes a hull 101 that is a floating body and a fixed wing 102 that is an assembly.
  • the fixed wing 102 has a support column 103 disposed through the hull 101.
  • the support column 103 is supported by the hull 101 so as to be swingable and rotatable.
  • pillar 103 is provided with the upper support
  • the lower support 103b is a part that is formed wide in the front-rear direction and functions as a keel.
  • a ballast 104 is installed at the lower end of the lower column 103b. By this ballast 104, the center of gravity of the fixed wing 102 is disposed below the water surface.
  • a damper device 105 is installed inside the hull 101 that restrains the swing of the column 103 in the front-rear direction. The base end of the damper device 105 is connected to the hull 101, and the tip of the damper device 105 is connected to the upper portion of the keel of the lower column 103b.
  • the support mechanism 101a that supports the support column 103 in a swingable and rotatable manner is not particularly limited, and for example, the support mechanisms described in the second to fourth embodiments can be appropriately employed.
  • the wind-powered propulsion ship 100 can travel while keeping the hull 101 directed in the traveling direction by rotating the keel of the lower support column 103b to prevent the skidding due to the crosswind when traveling by receiving the crosswind. Further, even if the fixed wing 102 is inclined by receiving a large force according to the wind force, the wind power propulsion ship 100 does not roll the hull 101, and the lower strut 103b and the ballast 104 are inclined to generate a restoring force. As a result, it is possible to prevent the hull 101 from tilting and sacrificing habitability, increasing the hull resistance, shifting the resistance center in the lateral direction and requiring a rudder, and further increasing the resistance. A good yacht can be realized.
  • the wind power propulsion ship 110 according to the sixth embodiment has the fifth embodiment described above in that the wind receiving portion is configured by the Darius type windmill 40 and the propeller 116 that rotates by the rotation of the Darius type windmill 40. Mainly different from the wind-powered propulsion ship 100 according to the embodiment.
  • the wind-powered propulsion ship 110 includes two assemblies 112 and 112 before and after the hull 111.
  • Each assembly 112 is supported so as to be swingable and rotatable with respect to the hull 111 via a support mechanism 111a.
  • Each assembly 112 mainly includes a support column 113 that supports the force receiving portion and a Darrieus type windmill 40 as the force receiving portion. Since the structure of the Darrieus-type windmill 40 is the same as that of the third embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the support column 113 includes an upper support column 113a and a lower support column 113b.
  • the upper strut 113a is a part that functions as a rotation axis of the Darrieus wind turbine 40.
  • the lower support 113b is formed to be wide in the front-rear direction and functions as a keel.
  • a ballast 115 is installed at the lower end of the lower support 113b.
  • the ballast 115 has a propeller 116 that rotates in conjunction with the rotation of the Darrieus wind turbine 40.
  • the support column 113 is swung only in the roll direction by the restraining device 117.
  • the restraining device 117 is configured by, for example, a hydraulic damper.
  • the assembly 112 is configured to be swingable with respect to the hull 111.
  • the wind power propulsion ship 110 does not roll the hull 111 even when the assembly 112 receives a large force according to the wind force and tilts, and the lower support 113b and the ballast 115 tilt to generate a restoring force.
  • a good wind propulsion ship 110 can be realized.
  • the support mechanism 111a includes a spherical portion 113c formed at the upper end of the lower support 113b, elastic rubber bearings 18 and 19 that support the spherical portion 113c in a swingable manner, and an elastic rubber bearing 18, And a support base 20 that supports the support 19.
  • a cylindrical portion 113d that opens downward is formed at the lower end of the upper support 113a.
  • the cylindrical portion 113d is rotatably held by the spherical portion 113c.
  • a speed increasing device 120 is installed inside the cylindrical portion 113d.
  • the speed increasing device 120 includes a ring gear 121, a planetary gear 122, and a sun gear 123.
  • the ring gear 121 is connected to the cylindrical portion 113d through a ratchet 124.
  • the planetary gear 122 is movably connected to the spherical portion 113c by a carrier (not shown).
  • the sun gear 123 is engraved on the outer peripheral surface of the rotary shaft 131 described later. Accordingly, when the upper support 113a rotates, the rotating shaft 131 rotates at a predetermined speed increasing ratio.
  • Rotating shaft 131 is rotatably supported at the lower end of upper support 113a.
  • the rotating shaft 131 passes through the spherical portion 113c and the lower support 113b and reaches the ballast 115.
  • a bevel gear 132 is provided at the lower end of the rotating shaft 131.
  • the bevel gear 132 is engaged with two bevel gears 116 b provided at the front end of the horizontal shaft 116 a of the propeller 116. Thereby, the rotation of the rotating shaft 131 is converted into the horizontal axis rotation of the horizontal shaft 116 a, and a propulsive force is generated by the rotation of the propeller 116.
  • a power generation device 70 is installed inside the spherical portion 113c and below the speed increasing device 120.
  • the rotor 71 of the power generation device 70 is fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft 131, and the stator 72 of the power generation device 70 is fixed to the spherical portion 113c.
  • the rotor 71 rotates with the rotation of the rotating shaft 131, so that power generation is performed by the power generation device 70.
  • the restraint device 117 (see FIG. 13) is released, so that the assembly 112
  • the two axes in the roll and pitch directions are allowed to swing, and power is generated by the wind received by the Darrieus wind turbine 40.
  • the power generation device 70 is configured so as to be able to supplement the rotational force of wind power as an electric motor during navigation.
  • the vertical movement mechanism of the fourth embodiment may be added to the support mechanism of the floating fluid force utilization system 1B according to the third embodiment. If it does in this way, the Darrieus type windmill 40 of floating body type fluid force utilization system 1B can be started by the vertical motion of assembly 12 to floating body 13.
  • the vertical movement mechanism of the fourth embodiment may be added to the support mechanism 111a of the wind-propelled ship 110 according to the sixth embodiment.
  • pillar 11b are coaxially provided by providing the gear system 60 between the upper support
  • the gear system 60 can be omitted if the directions of the wind turbine and the blades of the water turbine are set to rotate in the opposite directions.
  • the lower support 113b and the ballast 115 functioning as a keel are configured to rotate integrally with the hull 111, but the present invention is not limited thereto. Instead, only the lower support 113b serving as a keel may be configured to rotate.
  • a Darrieus type windmill 40 which is a lift type vertical axis windmill, is provided on the upper column 11a, and a drag type vertical axis turbine is provided on the lower column 11b.
  • the Savonius-type water turbine 50 is provided and the support 11 is swingably supported with respect to the floating body 13.
  • the support 11 may be supported so as not to swing.
  • the column 11 is not necessarily provided unless it is necessary to set the weight to be inclined when receiving an excessive tidal force in order to receive an excessive tidal force. It is not necessary to swingably support the floating body 13. In that case, it is good also as a structure which omits the spherical part 17 and the elastic rubber bearings 18 and 19 while connecting the support

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Abstract

　流体力による転倒モーメントに対応でき、浮体の傾斜及び大型化を抑制することができる浮体式流体力利用システム及びこれを用いた風力推進船を提供する。風または水からエネルギーを取り出すアッセンブリ（１２）と、アッセンブリ（１２）を支持する浮体（１３）と、を備える浮体式流体力利用システム（１）であって、アッセンブリ（１２）は、流体力を受ける受風部（１０）と、受風部（１０）を支持する支柱（１１）と、を有し、アッセンブリ（１２）は、その重心（１５）が水面下に配置されているとともに、浮体（１３）に対して任意の方向に揺動可能に支持されている。

Description

浮体式流体力利用システム及びこれを用いた風力推進船
　本発明は、揺動する船舶や洋上構造物で使用できる浮体式流体力利用システム及びこれを用いた風力推進船に関するものである。
　風力発電システムとして、陸上では水平軸風車が普及している。風車の先進国においては、既に陸上では安定した風力エネルギーがあってかつ風車の設置に適した土地は足りなくなりつつあり、安定した風力が得られてかつ広大な面積がある洋上での設置が不可欠となっているが、今のところ水深１０ｍ程度までのごく浅い海岸線近くの海域に、陸上同様に海底に固定設置される方法でしか実施されていない。
　今後洋上設置の更なる拡大が期待されているため浮体に設置する実用的な方法の開発が求められている。一般に電力は陸上で必要とされるため陸上まで電力を電線で供給する必要があるが、その伝達過程でのロスを抑えるためには陸上近くに設置する必要があり、必然的に浅い海域で設置する必要がある。次世代の洋上風車設置方法として期待される浮体式風力発電システムとしては、まずは水深２０～３０ｍ程度の浅い海域で経済的に設置できる方法が求められている。
　風車は、風力エネルギーを回転力に転換する際に、強い風力を受け、それが風車を横倒しにさせるモーメントを生むが、陸上で発達した水平軸風車は、空中の高い位置に支持した水平軸一点で風力を受けるため、鉛直の支柱の根元では巨大な転倒モーメントが発生している。水平軸風車では、風車支柱の上端近辺を中心に回転する風車が取り付けられており、かつその風車は、常時風車を風に正対させるよう向きを変え続ける必要があるため、前述の巨大なモーメントを支えるために、支柱を支えるガイワイヤーを張ることができない。従って水平軸風車の支柱はできる限り強固に地面に固定する必要があり、風車の向きを変えるために支柱ごと回すことは困難であり、仮にターンテーブルを地上レベルに設けても、ターンテーブルの直径を極端に大きくしない限り、支柱の転倒モーメントを支えることはできない。このため、通常、水平軸風車のターンテーブルは支柱上端のナセルの直下に設けられている。一方、水平軸風力発電に必要な機能として、水平軸のベアリング支持システム、増速ギア、発電機、ブレーキ、ブレードピッチコントロール装置等、風車軸回転の周囲に設ける必要がある機器があるが、その回転トルクの変動とターンテーブル回転の干渉を避けるため、それらの機器はターンテーブルより風車側に設けるのが都合がよく、これら全ての主要機器のみならず潤滑油システム、制御盤等に至る周辺機器まで、空中のナセルに設けられている。その結果、水平軸風車の重心は非常に高い位置になる。また、水平軸風車を浮体に強固に取り付けた場合、支柱上端では浮体を中心とする揺れが増幅されるために、過大な横Ｇが発生するため、ナセルに設置する機器にはそれに耐えうる強度や潤滑システム等が必要となるという欠点がある。
　図１７は、比較例１として、水平軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。
　一般に浮体が復元力を持つためには重心を浮体近辺にあるメタセンター（浮力線と浮体中心線の交点）より低い位置に持つ必要があるが、前述のような構成の水平軸風車２００では、重量機器が全て空中高い位置にあるために重心Ｇがとても高く、復元力を持てない。すなわち、陸上型の水平軸風車２００を浮体２０１に固定し設置しようとすると、図１７に示すように、重心Ｇが高いために、少しでも浮体２０１が傾斜すると、その重力Ｆ１は浮体２０１に働く浮力Ｆ２よりも外側で働くため、より傾斜させようとする力が働く。加えて、図１７に示すように、高い位置で受ける風力Ｆ３による巨大かつ変動する転倒モーメントを受ける。
　つまり、浮体２０１として必要な復元力を持たない上に、風力Ｆ３による巨大かつ変動する転倒モーメントを受けるため、浮体構造物として成立しないという問題がある。
　このような問題を解決するためには、主要機器をすべて浮体上の低い位置に設け、重心Ｇとともにメンテナンスの作業場所を極力下げることが必要である。
　水平軸風車２００の場合、先に陸上風車の例で見たように、風車支柱２０２を浮体２０１に強固に固定する、という必要性を排除できない限り、ターンテーブルを風車支柱２０２の上端に設置する必要があり、必然的にすべての上流機器をその上のナセル２０３に載せることになってしまい、重心Ｇを下げるのは困難である。
　図１８は、比較例２として、垂直軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図であり、（ａ）は傾斜が軽微な状態、（ｂ）は傾斜が大きくなった状態、（ｃ）は傾斜がさらに大きくなった状態、をそれぞれ示している。
　比較例１の水平軸風車２００に対して、図１８に示すような垂直軸風車３００であれば、すべての重量機器を空中高くではなく陸上において通常基礎上に設けるのと同様に浮体３０１上に設けることができ、重心Ｇをかなり低くすることができるはずである。しかしながら、陸上の例で見るように、支柱３０２そのものがローターといっしょに回転する垂直軸風車３００の場合、風力Ｆ３による転倒モーメントに耐えうるように支柱３０２を固定することは難しく、ガイワイヤー（図示省略）を四方に張って支柱３０２の上端を支える必要がある。これでは浮力体として必要な大きさ以上に広いデッキ面を持つ浮体構造物が必要になってしまう。また、ガイワイヤーの問題を別としても、この程度の低重心化によれば、図１８（ａ）に示すように、風力Ｆ３等による浮体３０１の傾斜が小さい間は傾斜により重心Ｇが横に移動するよりも浮力中心Ｃが横に移動する移動量が大きいため復元力が働くが、さらに傾斜が進むと、図１８（ｂ）に示すように、いずれ重心Ｇの横移動が浮力中心Ｃの横移動に追いついて復元力を失い、それ以上の傾斜では、図１８（ｃ）に示すように、より傾斜させようとする力が働くようになる。つまり、ある程度の傾斜角度を超えると復元力を失い転覆するという問題がある。これは、重心Ｇが浮体３０１上にある場合、傾斜が大きくなっていくと重心Ｇは横に移動して行くが、浮力中心Ｃは浮体より外には出られないために重心Ｇの横移動に追い越されるために起こる現象であり、浮体３０１の没水部以下に重心Ｇがない限り避けられない問題である。
　図１９は、比較例３として、垂直軸風車を浮体に対して傾動不能に支持するとともに、水中バラストを設けた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。
　一般的なヨットの場合、水中にバラストを設け、いくら傾斜しても復元力がある構造を実現している。このようなヨットの構造を応用して、図１９に示すように、支柱４０３を浮体４０１に対して傾動不能に支持するとともに、水中にバラスト４０２を設けた垂直軸風車４００とすることが考えられる。垂直軸風車４００は、浮体４０１の近辺にある傾斜運動の回転中心（浮力中心Ｃ）よりも重心Ｇが低いために実現できているが、この形態の場合、支柱４０３の浮体４０１への取り付け部４０１ａには過大なストレスがかかるため、それだけで支えるのは現実的ではなく、支柱４０３を支えるフォアステー、サイドステーと呼ばれるワイヤー（図示省略）が、陸上の垂直軸風車のガイワイヤーと同様に三方乃至四方に張られていることで初めて実現できているものである。また、この構造を洋上に係留して運営される風力発電システムにそのまま適用した場合、支柱４０３とともに浮体４０１が大きく傾斜するため、作業員にとって危険であり、浮体４０１の傾斜の影響を受ける係留システムの負担も、特に浅瀬では過大となる。
　このような浮体の復元力不足を解決する方法として、これまでに様々な方法が検討されてきた。例えば、複数の水平軸風車を設置することにしてそれらをすべて一体の巨大な浮体に設置する方法、複数の水平軸風車を設置することにしてそれらをそれぞれ支持する浮体を剛に結合する方法（例えば特許文献１参照）、縦に長く水面下深くまで伸びる円筒形のスパーと呼ばれる浮体を利用して安定を得る方法（例えば特許文献２参照）、テンドンと呼ばれる金属パイプ等で浮体を海底に向かって引っ張って安定させるＴＬＰと呼ばれる方法（例えば特許文献３参照）などが提案されている。
　しかし、いずれもそのシステムで風力から回収できるエネルギーの量の割に浮体構造物が大掛かりなため、建造コスト、設置コストがかかりすぎるという欠点があり、経済的に成り立ち難い。またいずれの方法も巨大な構造物の揺れによる喫水変化、縦長の構造物の喫水、縦に引っ張るテンドンの幾何学的可動範囲等を考えるとある程度の水深が必要なコンセプトであり、前述のように電力を必要とする陸地に近い浅瀬の設置に向かないという欠点がある。
特開２０１０－２１６２７３号公報 特開２００９－２４８７９２号公報 特開２０１０－０３０３７９号公報
　本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、流体力による転倒モーメントに対応でき、浮体の傾斜及び大型化を抑制することができる浮体式流体力利用システム及びこれを用いた風力推進船を提供することにある。
　本発明は、風または水からエネルギーを取り出すアッセンブリと、前記アッセンブリを支持する浮体と、を備える浮体式流体力利用システムであって、前記アッセンブリは、流体力を受ける受力部と、前記受力部を支持する支柱と、を有し、前記アッセンブリは、その重心が水面下に配置されているとともに、前記浮体に対して任意の方向に揺動可能に支持されていることを特徴とする。
　本発明によれば、アッセンブリは、その重心が水面下に配置されているとともに、前記浮体に対して任意の方向に揺動可能に支持されているので、アッセンブリは流体力を受けると任意の方向に傾斜するが、水面下にある重心にかかる重力が揺動軸の支持部を中心に傾斜を戻そうとする復元力を発生する。この復元力は傾斜が大きくなるに従い大きくなり、失われることはないので、アッセンブリ自身がアッセンブリの転倒モーメントに対抗することができる。そのため、浮体が転倒モーメントを負担する必要がなく、従ってガイワイヤーを設置する必要がないので、浮体を小型化することができる。また、アッセンブリは、浮体に対して揺動可能に支持されているので、アッセンブリの傾斜が浮体に伝わることがない。
　なお、受力部としては、風を受けるセイル、固定翼、水平型あるいは垂直型風車、潮流力を受ける潮流力セイル、キール、水平型あるいは垂直型水車などを利用することが考えられる。
　また、前記アッセンブリは、ピンジョイント、ユニバーサルジョイント、ピロボール型球面軸受及び弾性体支持機構のいずれか一つを介して、前記浮体に対して揺動可能に支持されている構成としてもよい。
　このような構成によれば、揺動を許容しながら大きな重量のアッセンブリを簡便、確実に浮体に支持することができる。
　また、前記アッセンブリは、前記浮体に対して前記支柱の中心軸回りに回転可能に支持されている構成としてもよい。
　このような構成によれば、受力部が回転が必要なタイプの場合に、アッセンブリ全体を一体に組み上げたまま、回転を許容することができる。
　また、前記流体エネルギーの少なくとも一つとして風力を利用する浮体式流体力利用システムであって、前記受力部は、空中で風力を受ける受風部を含んで構成され、前記支柱は、前記受風部を支持する上支柱と、水面下に配置されたバラストを支持する下支柱と、を備えてなる構成としてもよい。
　このような構成によれば、受力部は、空中で風力を受ける受風部を含んで構成され、前記支柱は、前記受風部を支持する上支柱と、水面下に配置されたバラストを支持する下支柱と、を備えて構成されるので、浮体を貫通するように配置した支柱で受風部とバラストを支持しながら、アッセンブリ全体を浮体に対して揺動可能かつ回転可能に支持することができる。
　なお、例えば受風部が固定翼である場合、風向に合わせて受力部の向きを変える必要があるが、水中でバランスをとるバラストを円柱状あるいは球状（支柱の回転軸に対して回転対称な形状）としておけば、受力部を空中に保持する上支柱とバラストを水中に保持する下支柱を一体に構成することができる。
　また、前記上支柱と前記下支柱とは、前記支柱の中心軸に関して剛な状態で、ベアリングを介して相対的に同軸回転可能に連結されている構成としてもよい。
　かかる構成によれば、前記上支柱と前記下支柱とは、前記支柱の中心軸に関して剛な状態で、ベアリングを介して相対的に同軸回転可能に連結されているので、上支柱と受力部が回転していても下支柱とバラストは回転しないように構成することができる。そのため、例えば、下支柱とバラストが浮遊物を巻き込むことを防止することができる。また、例えば、水面上に固定翼を設けると共に、水面下にキールとバラストを設けている場合でも、それぞれを最適な角度に保つことができる。
　また、前記受力部は、水平軸風車又は垂直軸風車を含んで構成されているのが好ましい。
　かかる構成によれば、受力部を水平軸風車又は垂直軸風車で構成した場合でも、アッセンブリの重心が水面下に配置されているとともに、これらの風車を含むアッセンブリ全体が浮体に対して揺動可能に支持されているので、転倒モーメントに対抗することができるとともに、浮体の傾斜や大型化を抑制することができる。
　また、前記受力部は、水平軸水車又は垂直軸水車を含んで構成され、前記水平軸水車又は前記垂直軸水車は、水面下に配置されてバラスト又はその一部として機能するように構成してもよい。
　かかる構成によれば、受力部を水平軸水車又は垂直軸水車で構成した場合でも、アッセンブリの重心が水面下に配置されているとともに、これらの水車を含むアッセンブリ全体が浮体に対して揺動可能に支持されているので、転倒モーメントに対抗することができるとともに、浮体の傾斜や大型化を抑制することができる。
　また、水平軸水車又は垂直軸水車が、バラスト又はその一部として機能するので、別途バラストを設ける必要がなく、構造の簡素化を図ることができる。さらには、支柱の上下に風車と水車を設ける構成とすることができる。
　また、前記上支柱と前記下支柱とは、所定の相対的回転関係を保って同軸回転するように、ギアシステムを介して互いに連結されているとともに、前記浮体に対して相対回転可能かつ揺動可能に支持されている構成としてもよい。
　このような構成によれば、上支柱と下支柱とがギアシステムを介して互いに連結されることにより、両者が所定の相対的回転関係を保って同軸回転するので、設計潮流速と設計風速が異なる場合に風車と水車をそれぞれの効率のよい回転数で回転させながら両方のエネルギーを取り出す構成とすることができる。例えば、受風部は垂直軸風車、バラスト部は垂直軸水車として構成し、上支柱と下支柱を、軸線は剛なままに、ベアリングと遊星ギアシステムまたは差動ギアシステムを介して連結し、下支柱と垂直軸水車が１回転する間に上支柱と受風部が複数回回転するように構成すれば、両方のエネルギーを効率よく取り出すことができる。
　また、前記上支柱と前記下支柱とは、所定条件下で前記上支柱及び前記下支柱のうちの一方の回転を他方に伝達し、他の条件下で前記上支柱及び前記下支柱のうちの一方の回転を他方に伝達しない機構を有している構成としてもよい。
　このような構成によれば、上支柱と下支柱との間に例えばラチェットギア、クラッチ、ビスカスカップリング、トルクリミッタ等を組み込むことによって、相互回転を切り離したり、回転の伝達を一方通行にしたり、過回転を防止したり相互回転をロックしたりすることができる。
　また、前記アッセンブリは、前記受力部の回転から回転エネルギーを取り出す回転エネルギー取出部を備え、前記上支柱と下支柱とは、互いに同軸逆回転させるように構成され、前記回転エネルギー取出部は、前記上支柱及び下支柱から回転エネルギーを取り出す際に生じるトルクが互いに打ち消されるように配置されている構成としてもよい。
　このような構成によれば、上支柱と下支柱とが、互いに同軸逆回転するように構成され、回転エネルギー取出部が、エネルギーを取り出す際に生じるトルクが互いに打ち消されるように取り付けられているので、浮体の回転や浮体の係留システムの負担を抑制することができる。
　さらに詳しく説明すると、例えば、水車が上から見て例えば時計回りに回転する際そのエネルギーを浮体に取りだすと浮体をも時計まわりに回そうとするトルクが生じる。同様に、風車の垂直軸回転もそこからエネルギーを取り出す際には浮体を一緒に回転させようとするトルクが生じる。これらの場合、浮体が回転しその係留システムがひねられ、場合によっては浮体側面に巻き取られて張力が上がり、前記トルクに対抗する反トルクを発生してバランスするまで浮体の回転は止まらず、係留システムの構成要素に過大な曲げや疲労、摩耗を生じることになる。そこで、本発明のように、例えば垂直軸水車が設けられた下支柱と垂直軸風車が設けられた上支柱とが必ず逆回転するように、例えば風車及び水車の翼の進行方向を設定したり、上支柱と下支柱の間に逆回転ギアシステムを介設したりすれば、トルクはお互いに打ち消しあい、問題を解消または低減することができる。
　また、前記回転エネルギー取出部は、ローターとステーターとを備える発電機であり、前記発電機は、前記上支柱及び前記下支柱のいずれか一方に前記ローターを接続し、他方に前記ステーターを接続し、前記ローターと前記ステーターの差動により発電する構成としてもよい。
　このような構成によれば、回転エネルギーを電力に変換して取り出そうとする場合に、上支柱と下支柱のどちらか片方にローターを接続すると共に、他方にステーターを接続し、差動により発電するように構成すれば、トルクを相殺させるとともに相対的に高い回転数となって、例えば発電機の極数を減らしてより小型の発電機を使用することができる。
　また、前記受力部は、揚力型の垂直軸風車と抗力型の垂直軸水車とを含んで構成され、前記垂直軸風車は、前記垂直軸水車の回転によって起動する構成としてもよい。
　このような構成によれば、一般に自己起動性に乏しい揚力型の垂直軸風車を、比較的起動性のよい抗力型の垂直軸水車によって起動させることができる。また、垂直軸水車は水面下に設けられているので、垂直軸風車にあたる風流が乱れることがなく、風車の回転効率の低下を抑制することができる。
　さらに詳しく説明すると、一般に垂直軸風車は、ダリウス型に代表される揚力型の風車の効率がよく、またどの風向からの風でも何ら調整する必要がないという利点があるが、初動時に回転を与えないと自己起動はできないという欠点がある。これを解決するものとして、風上と風下等の位置によって迎角を変えるリンク機構を加えて自己起動を可能にしたジャイロミル型風車もあるが、風向や、回転速度と風速との関係によっての調整を必要とし、かつ機構が手の届かない位置に搭載されるため、洋上ではメンテナンスが難しいという欠点がある。ダリウス型を主ローターとした上で、効率は低いが起動特性のよいサボニウス型等の風車を組み合わせてダリウス型風車の内側に設置し、自己起動力不足を補う方式も実用化されているが、サボニウス型風車がダリウス型風車にあたる風流を乱して効率を下げるという欠点がある。本発明では、例えば風車にダリウス型を使用し、水面下の潮流力にサボニウス型を使用してダリウス型風車を起動することができる。このように構成すれば、サボニウス型水車がダリウス型風車にあたる流体流を乱すことはない。
　また、前記受力部は、揚力型の垂直軸風車と抗力型の垂直軸水車とを含んで構成され、前記垂直軸水車は、増速装置を介して前記垂直軸風車に連結され、前記増速装置は、垂直軸風車の増速後の回転速度が前記垂直軸水車の回転速度以下の場合には前記垂直軸風車の回転を前記垂直軸風車に伝達し、前記垂直軸風車の増速後の回転速度が前記垂直軸水車の回転速度よりも大きい場合には前記垂直軸風車の回転を前記垂直軸水車に伝達しない構成としてもよい。
　このような構成によれば、垂直軸風車の増速後の回転速度が垂直軸水車の回転速度以下の場合には垂直軸水車の回転が垂直軸風車に伝達されるので、揚力型の垂直軸風車の起動性を高めることができる。また、垂直軸風車の増速後の回転速度が垂直軸水車の回転速度よりも大きい場合には垂直軸風車の回転が垂直軸水車に伝達されないので、垂直軸水車が抵抗になることがない。
　さらに詳しく説明すると、一般的に潮流の設計速度は風の設計風速より格段に遅く、更にサボニウス型ローターはローターの最大径部の周速が流体速度と同程度で効率がよいのに対しダリウス型ローターは周速が風速の４～６倍程度で効率がよいため、サボニウス型水車の軸回転は増速してダリウス型風車の軸回転に伝えるのがよく、また風速が上がった場合には風車軸の回転は水車がブレーキにならないよう回転の伝達を切り離すか一方通行にするのがよい。なお、潮流速は一般にかなり遅いが、水は空気の８００倍近い比重を持つため、空中に設置される起動用サボニウス風車と同程度の大きさの起動用サボニウス水車を水中に設置すれば空中のダリウス型風車を起動することができる。このような構成は、潮流は流速が遅いものの比較的多くの時間流れており、風速は吹けば速いが止むことが多く、風向が一定ではない等の特徴を持つ日本近海含む海域では特に有用である。
　また、前記アッセンブリは、前記アッセンブリの自重と釣り合う程度の浮力を有しているとともに、前記浮体に対して相対的に上下動可能に支持されており、前記アッセンブリと前記浮体との相対的上下動からエネルギーを取り出す上下動エネルギー取出部を備える構成としてもよい。
　このような構成によれば、アッセンブリは、アッセンブリの自重と釣り合う程度の浮力を有しているとともに、浮体に対して相対的に上下動可能に支持されているので、両者に作用する浮力が波により変動すると、それに対するそれぞれの浮体の追従性の差によって相対的に上下動する。そして、上下動エネルギー取出部によって、浮体とアッセンブリの相対的上下動からエネルギー（波浪エネルギー）が取り出されることになる。
　なお、アッセンブリは比較的重量が大きく、また水面貫通部が比較的細いために喫水変動による浮力変化が比較的少なく、長い周期で上下に揺れる一方、浮体の方は比較的重量が軽く、かつ水面貫通部が大きいため波浪によく追従するので、波浪中で相対的上下動が生じる。
　また、前記上下動エネルギー取出部は、トランスレーターとステーターとを備えるリニア発電機であり、前記リニア発電機は、前記アッセンブリ及び前記浮体のいずれか一方に前記トランスレーターを接続し、他方に前記ステーターを接続し、前記トランスレーターと前記ステーターの差動により発電する構成としてもよい。
　このような構成によれば、上下動エネルギー取出部は、トランスレーターとステーターとを備えるリニア発電機であり、リニア発電機は、アッセンブリ及び浮体のいずれか一方にトランスレーターを接続し、他方にステーターを接続しているので、アッセンブリと浮体の相対的上下動から直接発電することができる。
　また、上下動エネルギー取出部は、ボールねじ、ラックアンドピニオン、コンロッドとクランク機構及びジャイロのいずれか一つからなる回転力変換機構を備えてなる構成としてもよい。
　このような構成によれば、ボールねじ、ラックアンドピニオン、コンロッドとクランク機構、またはジャイロなどの回転力変換機構によって、上下動が回転に変換されるので、上下動エネルギーをより効率のよい回転型の発電機での発電に利用することができる。
　また、前記受力部は、揚力型の垂直軸型風車及び揚力型の垂直軸水車の少なくともいずれか一つを備え、前記回転力変換機構によって得られた回転力によって起動する構成としてもよい。
　このような構成によれば、回転力変換機構によって得られた回転力をダリウス型風車やダリウス型水車に伝えて、これらの起動に利用することができ、かつ風力エネルギーや潮流力エネルギーをひとまとめにして回転型発電機で発電することができる。
　また、本発明は、前記した浮体式流体力利用システムを用いた風力推進船であって、前記浮体は、船体であり、前記受力部は、空中で風力を受ける受風部を含んで構成され、前記支柱は、前記受風部を支持する上支柱と、水面下に配置されたバラストを支持する下支柱と、を備え、水面下に配置され、前記受風部に受けた風力によって略水平軸回りに回転するプロペラを備えることを特徴とする。
　このような構成によれば、受風部に受けた風力によって略水平軸回りに回転するプロペラによって、船体を推進することができる。このとき、受風部と支柱とからなるアッセンブリは船体に対して揺動可能に構成されており、かつ、アッセンブリの重心は水面下に配置されているので、十分な推力が得られるほど大きな受力部を持つ風車を設置しても、十分な復元力を持つ安全な風力推進船とすることができるとともに、船体の傾斜と大型化を抑制することができる。
　なお、アッセンブリは、航行中は、アッセンブリの揺動方向を拘束する拘束装置によって、船体のロール方向のみに揺動可能なように拘束されているのが好ましい。
　また、前記風力推進船のプロペラは、前記バラストに設置されている構成としてもよい。
　このような構成によれば、例えば、バラスト内を下まで貫通するシャフトに垂直軸風車の回転を増速して伝え、バラスト内に設けた傘歯車により水平軸回転に変え、そこに設けたプロペラを回転し推進するように構成することができる。
　また、前記バラストまたは前記下支柱は、揚力型のキールとして機能するように構成するのがよい。
　このような構成によれば、前記バラストまたは前記下支柱は、揚力型のキールとして機能するので、下支柱の回転によってキールの迎角を調整することができる。
　さらに詳しく説明すると、大きな風力エネルギーを受けて推進する船は、横風を受けて進むときには風に押されて風下側に滑りながら進むことになる。これはヨットでも同じであり、高性能ヨットの場合、横滑り速度があると前進速度との合成速度が水中のキールに迎角を作るために風上側へヨットを押す揚力がキールに生じることでバランスを保っているが、ある程度の横滑りがあって初めて釣り合う構成となっているため、横滑り分船体抵抗が増えることを避けられない。本発明では、回転可能に支持されたバラストキールシステムによって、横滑りが生じていなくても風上に押す揚力をキールに発生させられるようにキールに迎角をつけることができるため、船体は進行方向を向いたまま直進でき、船体抵抗を減じることができる。
　また、前記船体の前後に配置された２つの前記アッセンブリを備え、前記２つのキールは、横風を受けての直進時には同じ向きに迎角を持つように回転し、旋回時には前端の前記キールと後端の前記キールが互いに逆向きの迎角を持つように回転する構成としてもよい。
　このような構成によれば、２つのキールが、横風を受けての直進時には同じ向きに迎角を持つように回転し、旋回時には前端の前記キールと後端の前記キールが互いに逆向きの迎角を持つように回転するので、ラダーを廃して抵抗の少ない高性能な風力推進船とすることができる。
　以上に説明したように、本発明の浮体式流体力利用システムによれば、水中に重心を持つアッセンブリを浮体に揺動可能に支持するので、巨大かつ変動する流体力による転倒モーメントに対応し、空中の受力部が大きな力を受けて傾斜しても浮体は傾斜せず、常に浮体の復元力を保ち、かつ点検などのための作業員のアクセスを安全に実現することができる効果がある。
　また、空中や水中の受力部が過大な流体速度にさらされた場合には受力部を自然に傾斜させて流体力を逃がすことができるが、この場合でも浮体は傾斜せず復元力を保つ効果がある。
　また、本発明によれば、ガイワイヤーを設置する必要がないので浮体の大型化を抑制することができる。また、水平軸風車であれ垂直軸風車であれ、ギヤボックス、ターンテーブル、発電機などの主要機器のほとんどを浮体上に設置することができ、点検、メンテナンスを容易にし、更に設置時や運転期間中に必要な高所クレーン作業を極力減らすことができる。
　また、係留されていない状態でも自立安定があるシステムが実現されるため、岸壁において組み立てを完成した後に曳航することができ、設置コストを大幅に削減することができる。さらにこの特性を利用して、推進力の主力として足る程の浮力を受ける受力設備を設けて横風を受けてもロールせず、横滑りもせず直進できる高効率かつ大型の風力推進船を実現できる効果がある。
第１実施形態に係る浮体式流体力利用システムについて、垂直軸風車を揺動可能に浮体に支持した場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。 第１実施形態のアッセンブリと浮体の連結部を拡大して示した断面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 第１実施形態のアッセンブリを揺動可能に支持する支持構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は分解斜視図、である。 第２実施形態に係る浮体式流体力利用システムについて、水平軸風車を揺動可能に浮体に支持した場合を模式的に示した図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 第２実施形態に係る浮体式流体力利用システムの平面図であり、（ａ）は回転前、（ｂ）は回転後、の状態をそれぞれ示している。 第２実施形態のアッセンブリと浮体の連結部を拡大して示した断面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 第３実施形態に係る浮体式流体力利用システムについて、垂直軸風車と垂直軸水車とを揺動可能に浮体に支持した場合を模式的に示した図であり、（ａ）は正立時の側面図、（ｂ）は正立時の平面図、（ｃ）は水車の断面図、である。 第３実施形態のアッセンブリと浮体の連結部を拡大して示した断面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 第３実施形態に係る浮体式流体力利用システムについて、強風対策時の状態を模式的に示した側面図である。 第４実施形態に係る浮体式流体力利用システムについて、上下動により起動する垂直型水車を揺動可能に浮体に支持した場合を模式的に示した側面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、をそれぞれ示している。 第４実施形態のアッセンブリと浮体の連結部を拡大して示した断面図であり、（ａ）は正立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 第５実施形態に係る風力推進船を模式的に示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正立時の断面図、（ｃ）は傾斜時の断面図、をそれぞれ示している。 第６実施形態に係る風力推進船について、２つの垂直軸風車を搭載した場合を模式的に示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、をそれぞれ示している。 第６実施形態に係る風力推進船の断面図であり、（ａ）は成立時、（ｂ）は傾斜時、の状態をそれぞれ示している。 第６実施形態のアッセンブリと船体の連結部を拡大して示した断面図である。 第６実施形態に係る風力推進船の底面図であり、（ａ）は横風を受けての直進時、（ｂ）は旋回時、のキールの状態をそれぞれ示している。 比較例１として、水平軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。 比較例２として、垂直軸風車を浮体に載せた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図であり、（ａ）は傾斜が軽微な状態、（ｂ）は傾斜が大きくなった状態、（ｃ）は傾斜がさらに大きくなった状態、をそれぞれ示している。 比較例３として、垂直軸風車を浮体に対して傾動不能に支持するとともに、水中バラストを設けた場合の傾斜と復元力の関係を模式的に示した図である。
＜第１実施形態＞
　第１実施形態に係る浮体式流体力利用システム１は、図１に示すように、空中に配置されて風を受ける受風部１０とそれを支える支柱１１からなるアッセンブリ１２と、アッセンブリを揺動可能に支持する浮体１３と、を有している。アッセンブリ１２は、アッセンブリ１２の重心１５を水面下に配置するためのバラスト１４を支柱１１の下端部に備えている。なお、浮体１３は、係留索１３ａによって図示しないアンカーに連結されている。
　アッセンブリ１２を浮体１３に揺動可能に支持する支持構造としては、ピンジョイント、ユニバーサルジョイント、球面支持、弾性体支持等が考えられる。以下では、弾性体支持構造を採用した場合を例にとって、図２、図３を参照しながら説明する。
　図２に示すように、支柱１１は、受風部１０を支持する上支柱１１ａと、バラスト１４を支持する下支柱１１ｂと、その中間に設けられた球形部１７と、を有している。支柱１１は、浮体１３の略中央に設けられた開口部１３ｂに、浮体１３を貫通するように設置されている。開口部１３ｂは、下方に向かうほど内径が大きくなるテーパ形状に形成されている。開口部１３ｂの上部には、支柱１１を支持するための支持架台２０が架設されている。
　図２、図３に示すように、球形部１７は、ドーナツ状の弾性ゴム支承１８の上に載せられ加硫接着されているとともに、球形部１７の上にも同様にドーナツ形状の弾性ゴム支承１９が載せられ加硫接着されている。更に両弾性ゴム支承１８，１９の外側端部は、支持架台２０の球形内面２０ａに加硫接着されている。球形内面２０ａは、球形部１７と共通の中心をもつ同心球状に形成されている。
　弾性ゴム支承１８，１９は、例えばビルの免震支承などに用いられる部材であり、ゴム板と金属板とを図３（ａ）の断面図に模式的に示す方向（球形部１７の半径方向）に積層して構成されている。弾性ゴム支承１８，１９は、剪断力に対しては柔軟に変形するが、圧縮に対しては高剛性であるという特性があるため、球形部１７は、上下動、左右動等についてはドーナツ状ゴムの圧縮特性により強固に拘束されるが、球形部１７と球形内面２０ａの中心を回転中心とする回転に関してはドーナツ状ゴムの剪断変形特性により柔軟に支持される。このため、図２（ｂ）に示すように、アッセンブリ１２を浮体１３に対して揺動可能に支持することができる。
　図２に示すように、支持架台２０は、アッセンブリ１２が設計揺動範囲を超えて揺動しようとしたときに柔軟に受け止めるため、コイルばね２１を介して浮体１３に連結されている。なお、コイルばね２１は必要に応じて設ければよく、省略してもよい。
＜第２実施形態＞
　第２実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ａは、受力部として水平軸風車３０を採用している点、及び、上支柱１１ａと下支柱１１ｂとが相対回転可能に連結されている点、が前記した第１実施形態と主に異なっている。
　以下の説明においては、第１実施形態と異なる点について主に説明し、共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　図４（ａ）に示すように、浮体式流体力利用システム１Ａのアッセンブリ１２は、上支柱１１ａの上端に水平軸風車３０を備えている。また、上支柱１１ａは、支柱１１の中心軸に関して剛な状態で、下支柱１１ｂに対して回転可能に連結されている。下支柱１１ｂの下端部には、アッセンブリ１２の重心を水面下に配置するためのバラスト１４が設けられている。アッセンブリ１２は、浮体１３に対して揺動可能に支持されている。
　浮体式流体力利用システム１Ａのアッセンブリ１２は、図４（ｂ）に示すように、水平軸風車３０が過大な風速にさらされた場合、浮体１３は水平に安定したままで風車を支える上支柱１１ａを含むアッセンブリ１２を傾斜させ、傾斜により風を受け流す効果と受風部を風速が低い高度に下げられる効果により、水平軸風車３０が受ける風力を大幅に減じることができる。これにより強風により水平軸風車３０が損傷する可能性を減らすことができ、従ってピッチコントロールシステムやブレーキシステムは必ずしも必要ではなくなる効果がある。
　また、浮体式流体力利用システム１Ａのアッセンブリ１２には、それ自体に復元力があるため、上支柱１１ａを強固に浮体１３に支持する必要がないため、図５（ａ）（ｂ）に示すように、水平軸風車３０を上支柱１１ａごと浮体１３に対して回転させるように支持することができる。そのため、水平軸風車で必ず必要な、風向に風車を向けるためのターンテーブル３１を、空中のナセル３２の直下ではなく、図６（ａ）（ｂ）に示すように、浮体１３のデッキ上近辺（下支柱１１ｂの上端部）に設けることができる。
　なお、風車支柱を回転させる場合、通常であれば、支柱下端の固定が難しくなるため、陸上の垂直軸型ダリウス型風車に見るように、ガイワイヤーを四方に張って支柱を保持することが必要になるが、第２実施形態に係る浮体式流体力利用システムでは、支柱１１の転倒モーメントは浮体１３を貫通して設けたバラスト１４による復元力で直接支えるため、浮体１３から転倒モーメントの反力をとる必要を廃したことにより実現できているものである。
　また、従来、ターンテーブル３１より風車のブレード側に取り付けることが望ましいためにナセル３２上に設置する必要のあった増速ギアや発電機等（図示省略）も、ターンテーブル３１の直上、つまり浮体１３のデッキ上近辺の機械室３３（図６（ａ）参照）に設けることが可能になる。この場合、空中の水平軸の回転は、ナセル３２の内部に設けた傘歯車により垂直軸の回転に転換し、上支柱１１ａの内部で伝達軸を回転させて機械室３３内の増速ギア、発電機に伝達できる。これらの構成により、典型的な水平軸風車では空中のナセル３２に設けられているピッチコントロールシステム、増速ギア、その潤滑油システム、発電機、それに付随する制御盤、ブレーキシステム、ターンテーブルの全てを浮体１３の近傍のデッキ上に設けるかまたは廃することができるので、大幅な重心の改善効果、メンテナンス可能な海象条件の緩和、メンテナンスに伴うコストや危険の低減、機械類にかかる横Ｇなどの設計条件の緩和と横Ｇ等に伴う故障の防止などの効果がある。
　図６（ａ）（ｂ）に示すように、上支柱１１ａの下端部には、機械室３３と、挿入軸部３４と、が設けられている。また、下支柱１１ｂの上端部には、ターンテーブル３１が設けられている。ターンテーブル３１の中心には軸孔３５が設けられており、軸孔３５の上端と下端には、挿入軸部３４を回転可能に支持するベアリング３５ａ，３５ａが配置されている。また、下支柱１１ｂの上側には球形部１７が一体に設けられている。これにより、アッセンブリ１２は、支柱１１全体が浮体１３に対して揺動可能に支持されると共に、上支柱１１ａ及び水平軸風車３０が浮体１３に対して回転可能に支持される。
＜第３実施形態＞
　第３実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ｂは、（１）受力部としてダリウス型風車４０を採用している点、（２）バラスト１４としてサボニウス型水車５０を採用している点、及び（３）浮体１３に対して下支柱１１ｂも相対回転可能に構成されている点、の３点が前記した第１及び第２実施形態と主に異なっている。
　以下の説明においては、第１及び第２実施形態と異なる点について主に説明し、共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　図７（ａ）（ｂ）に示すように、第３実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ｂは、受力部として揚力型の垂直軸風車の一種であるダリウス型風車４０を備えている。ダリウス型風車４０は、垂直軸となる上支柱１１ａと、上支柱１１ａの周囲に等間隔で３つ設けられたブレード４１と、を有している。ブレード４１の上端部４１ａ及び下端部４１ｂは、上支柱１１ａの上端部に設けられた上ブラケット４２及び上支柱１１ａの下端側に設けられた下ブラケット４３に上下方向に回転可能にそれぞれ支持されている。ブレード４１の中間部４１ｃは、ヒンジ構造に構成されている。また、下ブラケット４３は、上支柱１１ａに対してスライド可能に構成されている。ブレード４１は、下ブラケット４３を上下にスライドさせることによりブレード４１の中間部４１ｃを屈曲させて、その回転半径ｒを変更可能に構成されている。
　サボニウス型水車５０は、バラスト１４としての機能を兼ねるものであり、その上端部を下支柱１１ｂに支持されている。サボニウス型水車５０は、図７（ｃ）に示すように、円筒体を軸方向に反割りした形状のブレード５１，５１を備えている。２つのブレード５１，５１は、分割面に沿って互いにずらした形状に結合されている。サボニウス型水車５０は、ブレード５１，５１に囲まれた空間５１ａを潮流が通過することによって回転する。第３実施形態に係るサボニウス型水車５０は、このようなブレード５１，５１を上下に２段重ねて、互いに９０度ずつ位相をずらして配置した構造となっている。
　サボニウス型水車５０は、支柱１１の揺動中心からサボニウス型水車５０の重心までの距離とサボニウス型水車５０の水中重量との積が、支柱１１の揺動中心からダリウス型風車４０の重心までの距離とダリウス型風車４０の空中重量との積よりも大きくなるように、例えば配置、寸法、質量などが設定されている。これにより、サボニウス型水車５０がバラスト１４としても機能し、アッセンブリ１２の重心が水面下に配置され、復元力を得ることができる。
　次に、第３実施形態におけるアッセンブリ１２の支持構造について、図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
　図８（ａ）に示すように、第３実施形態においては、上支柱１１ａと、下支柱１１ｂと、球形部１７と、が相対回転可能に連結されている。
　上支柱１１ａは、その下端部において連結部材１１ｃの上部とテーパーシャンクで一体に結合されている。連結部材１１ｃの下端側は、下支柱１１ｂの上端部に挿入されて回転可能に連結されている。また、連結部材１１ｃの上端側は、上に向かうほど径が小さくなるテーパ形状に形成されており、上支柱１１ａの下端部に形成された逆テーパ形状の孔部１１ａ１に挿入されている。連結部材１１ｃの上端部１１ｃ１にはねじ溝が形成されており、ナットＮを締め付けることで連結部材１１ｃを介して下支柱１１ｂが上支柱１１ａに引き付けられるようになっていて、一体に結合されている。連結部材１１ｃと下支柱１１ｂとの間の適所にはベアリングＢが設置されており、互いに相対回転可能になっている。また、下支柱１１ｂの上端部のさらに外側には、球形部１７が外嵌されている。球形部１７と下支柱１１ｂの間にはベアリングＢが設けられており、互いに相対回転可能になっている。球形部１７は、弾性ゴム支承１８，１９を介して支持架台２０に揺動可能に支持されている。これにより、上支柱１１ａと下支柱１１ｂと球形部１７とが、軸方向に剛な状態で強固に連結されたまま、互いに相対回転可能になるとともに、図８（ｂ）に示すように、浮体１３に対して揺動可能になっている。
　下支柱１１ｂの上端部には、上部が開口する円筒形状の円筒部１１ｄが形成されている。そして、この円筒部１１ｄと連結部材１１ｃの間（すなわち上支柱１１ａと下支柱１１ｂの間）には、ギアシステム６０と発電装置７０とが設置されている。
　ギアシステム６０は、例えば遊星ギアシステムで構成されており、上支柱１１ａと下支柱１１ｂとを同軸逆回転させる機能を有している。ギアシステム６０は、連結部材１１ｃの周囲に刻設されたサンギア６１と、円筒部１１ｄに後記するラチェット機構６４を介して連結されたリングギア６２と、サンギア６１とリングギア６２の間に配置された複数のプラネタリギア６３と、で構成されている。プラネタリギア６３は、図示しないキャリアによって球形部１７に対して移動不能に接続されている。これにより、例えば、潮流によってサボニウス型水車５０及び下支柱１１ｂが上方からみて時計回りに回転を開始すると、ギアシステム６０によって、上支柱１１ａ及びダリウス型風車４０が上方から見て反時計回りに回転を開始する（起動する）ことになる。これにより、ダリウス型風車４０の起動性を向上させることができる。
　また、ギアシステム６０は、下支柱１１ｂの回転を増速して上支柱１１ａに伝達する増速装置としての機能も有している。例えば、遊星ギアシステムのギア比を調節することにより、サボニウス型水車５０（すなわちリングギア６２）が１回転したときに、ダリウス型風車４０（すなわちサンギア６１）が複数回（例えば８回）回転するように設定することができる。これにより、風車の設計回転速度と水車の設計回転速度を、風速と流速に合わせて、それぞれ適切に設定することができる。
　一例として、起動時の設計潮流速を０．３ｍ毎秒、設計風速を３ｍ毎秒として説明する。ダリウス型風車４０が自己回転を始めるためには、ダリウス型風車４０の周速を風速の３倍程度以上、つまり９ｍ毎秒程度以上になるように起動してやる必要がある。ダリウス型風車４０の回転半径ｒが２０ｍであれば、４．３ｒｐｍで回転させる必要がある。一方、サボニウス型水車５０は潮流と同程度の周速でしか回らない。サボニウス型水車５０の半径が５ｍであれば、０．６ｒｐｍ程度であるから、風車軸である上支柱１１ａと水車軸である下支柱１１ｂの間に設けた遊星ギアシステムにより、サボニウス型水車５０の回転速度を８倍に増速してダリウス型風車４０に伝達する。このケースでは、サボニウス型水車５０は、それを空中に設ける場合と比べて流体速度が１０分の１になっているため、仮に流体の比重が同じであれば発生トルクはその二乗で１００分の１、そこから更に増速により８分の１になっているためダリウス型風車４０の起動用のトルクは８００分の１となるが、実際には流体の比重が８００倍になっているため、陸上型と同等の大きさのサボニウス型水車５０でダリウス型風車４０を起動することができる。
　ラチェット機構６４は、所定条件の下で上支柱１１ａの回転を下支柱１１ｂに伝達しない機能を有している。具体的には、サボニウス型水車５０が停止状態から回転を開始すると、サボニウス型水車５０の回転は、ラチェット機構６４を介してリングギア６２に伝達され、リングギア６２の回転に伴ってサンギア６１に連結されたダリウス型風車４０がサボニウス型水車５０と逆方向に８倍の速さで回転を開始する。そして、ダリウス型風車４０が、風力によってサボニウス型水車５０の８倍以上の速度（すなわちサボニウス型水車５０の増速後の回転速度以上）で回転するようになると、ラチェット機構６４に対してリングギア６２が空回りする。これにより、ダリウス型風車４０の回転がサボニウス型水車５０に伝達されなくなる。よって、サボニウス型水車５０が、ダリウス型風車４０の負荷（ブレーキ）になることがない。
　円筒部１１ｄの内部であってギアシステム６０の下方には、ローター７１とステーター７２とを有する発電装置７０が設置されている。ローター７１は、連結部材１１ｃに固定されており、ステーター７２は円筒部１１ｄに固定されている。これにより、発電装置７０は、ローター７１とステーター７２とが逆回転するので、両者の差速によって効率よく発電することができる。
　このとき、ローター７１とステーター７２との間で反トルクが作用するが、ローター７１及びステーター７２は、逆回転する上支柱１１ａ及び下支柱１１ｂにそれぞれ固定されているので、反トルクが打ち消される。そのため、浮体１３の回転を防止するための係留設備の簡略化、小型化を図ることができる。
　なお、第３実施形態では、円筒部１１ｄと球形部１７との間にもラチェット７５が設置されている。これにより、例えば潮流が止んでしまっている場合でも、下支柱１１ｂが上支柱１１ａと共回りすることなく、発電することができる。
　次に、第３実施形態におけるダリウス型風車４０のリトラクタ機構について、図９を参照して説明する。
　図９に示すように、ダリウス型風車４０は、上支柱１１ａに対して下ブラケット４３を下方にスライドさせることにより、ブレード４１を直線状に変形させることができる。これにより、ダリウス型風車４０の回転半径ｒを略０にして、強風によるブレード４１の破損を防止するとともに、受風面積を低減して転倒モーメントを低減することができる。
＜第４実施形態＞
　第４実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ｃは、アッセンブリ８０が単独で浮力を有している点、アッセンブリ８０と浮体１３の波浪による上下動の差によって発電する点、が前記した第１乃至第３実施形態と主に異なっている。
　図１０に示すように、第４実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ｃは、浮力を有するアッセンブリ８０と、アッセンブリ８０を揺動可能かつ回転可能かつ上下動可能に支持する浮体１３と、を備えている。
　アッセンブリ８０は、例えばダリウス型の垂直軸水車８１と、回転軸となる支柱８２と、を主に有している。アッセンブリ８０は、例えば支柱８２を中空部材で構成することにより、アッセンブリ８０自身が水面に浮ぶことができるだけの浮力を有している。アッセンブリ８０は、上下に細長い形状に形成されているので、波浪による水面の上下動の影響を受け難い。一方、浮体１３は、アッセンブリ８０に比較して波浪による水面の上下動の影響を受けやすい。そのため、アッセンブリ８０と浮体１３とは、波浪に対する応答速度の差によって相対的に上下動する。
　アッセンブリ８０は、浮体１３に揺動可能に支持されているので、大きな潮流力が作用した場合にも、図１０（ｂ）に示すように、アッセンブリ８０を傾けて潮流力を逃がすことができる。また、垂直軸水車８１がバラストとして機能するので、アッセンブリ８０を垂直な状態に回復することができる。
　さらに、アッセンブリ８０は、浮体１３に対して回転可能に支持されているので、アッセンブリ８０の回転によって後記する発電装置７０（図１１参照）を回転させることにより、潮流エネルギーを取り出すことができる。
　また、アッセンブリ８０は、浮体に対して上下動可能に支持されているとともに、上下運動を回転力に変換する回転力変換機構８８を備えている。これにより、アッセンブリ８０の相対的上下運動を回転運動に変換して、ダリウス型の垂直軸水車８１の起動力に利用することができる。
　次に、第４実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ｃの支持構造について図１１を参照して説明する。
　図１１（ａ）に示すように、アッセンブリ８０の球形部１７は、前記した他の実施形態と同様に、弾性ゴム支承１８，１９を介して支持架台２０に揺動可能に支持されている。球形部１７の中心部には、垂直軸水車８１の回転軸となる支柱８２の上端部８３が上下に貫通して配置されている。
　支柱８２の上端部８３にはリニア軸受であるボールスプラインブッシュ８６が嵌装されている。ボールスプラインブッシュ８６は、支柱８２の上端部８３に対して、上下方向（軸方向）に相対的に移動可能に設置されている。一方、ボールスプラインブッシュ８６は、球形部１７に上下動不能に保持されている。さらに、ボールスプラインブッシュ８６は、支柱８２の上端部８３に刻設されたスプライン溝８６ａに係合することで、支柱８２とともに回転するようになっている。ボールスプラインブッシュ８６には発電装置７０のローター７１が固定されており、球形部１７の内周面にはステーター７２が固定されている。これにより、ダリウス型の垂直軸水車８１が回転すると、ボールスプラインブッシュ８６と一緒にローター７１が回転する。ステーター７２は、球形部１７に固定されて回転しないので、ローター７１とステーター７２の相対回転によって発電が行なわれる。なお、ステーター７２に生じる反トルクは、浮体１３の係留システムによって負担することになる。
　支柱８２の上端部８３のうち球形部１７から突出した部分には、ねじ溝８３ａが刻設されているとともに、ナット８４が嵌装されており、いわゆるボールねじ機構を形成している。一方、球形部１７の上部には、円筒状のナット保持部１７ａが突出形成されており、ラチェット機構８５を介してナット８４を一方向に回転可能かつ上下移動不能に保持している。これらのねじ溝８３ａ、ナット８４、ラチェット機構８５及びナット保持部１７ａが、回転力変換機構８８を構成している。この回転力変換機構８８によって、垂直軸水車８１の起動が行なわれる。
　具体的には、例えば、上から見てナット８４が反時計回りに回転できる（ラチェットに対してフリーになる）が、時計回りには回転できないようにラチェット機構８５を設けるとともに、ダリウス型の垂直軸水車８１を反時計回りに回転するように設ける。また、ねじ溝８３ａは、ナット８４に対して支柱８２を上から見て反時計周りに回転させたときに、ナット８４に対して支柱８２が下向きに移動するように刻設されている。
　そして、垂直軸水車８１が停止した状態で、アッセンブリ８０がナット８４（浮体１３）に対して上向きに移動すると、ねじ溝８３ａの向きによって、ナット８４は反時計回りに回転する。このとき、ラチェット機構８５は空転する。
　一方、垂直軸水車８１が停止した状態で、アッセンブリ８０がナット８４に対して下向きに移動すると、ねじ溝８３ａの向きによって、ナット８４は時計回りに回転しようとするが、ラチェット機構８５によって拘束されるので回転できない。そのため、垂直軸水車８１の方が反時計回りに回転して下向きに移動する。これにより、垂直軸水車８１が起動する。
　垂直軸水車８１が起動して反時計回りに回転を開始すると、垂直軸水車８１は、ナット８４に対して下向きに移動しようとする。しかし、垂直軸水車８１は浮力を有しているので、ある程度下向きに移動した後はそれ以上下方向に移動できない状態が生じる。そうすると、ナット８４は、垂直軸水車８１との相対的位置関係が変わらないように、垂直軸水車８１と同じく反時計方向に回転し、このときラチェット機構８５は空転する。これにより、垂直軸水車８１が回転し、発電装置７０によって発電が行なわれることになる。
　なお、図示は省略するが、ボールスプラインブッシュ８６と支柱８２との間にリニア発電機（図示省略）からなる補助発電装置を設置してもよい。リニア発電機は、例えば、トランスレータをボールスプラインブッシュ８６に取り付けるとともに、ステーターを支柱８２の上端部８３に取り付ける。このようにすれば、ボールスプラインブッシュ８６と支柱８２の相対的上下動を利用して、発電を行なうことができる。
　また、第４実施形態では、回転力変換機構としてねじ溝８３ａとナット８４とから成るボールねじ機構を採用したが、ボールねじ機構に替えて、ラックアンドピニオン機構やコンロッドとクランク機構やジャイロ機構など採用してもよい。
　次に、浮体式流体力利用システムを利用した第５実施形態に係る風力推進船１００について、図１２を参照して説明する。
　図１２に示すように、第５実施形態に係る風力推進船１００は、いわゆるヨットであり、浮体となる船体１０１と、アッセンブリとなる固定翼１０２と、を備えている。固定翼１０２は、船体１０１を貫通して配置された支柱１０３を有している。支柱１０３は、船体１０１に揺動可能かつ回動可能に支持されている。また、支柱１０３は、船体１０１の支持機構１０１ａよりも上側の上支柱１０３ａと、当該支持機構よりも下側の下支柱１０３ｂと、を備えている。下支柱１０３ｂは、前後方向に幅広に形成されてキールとして機能する部位である。下支柱１０３ｂの下端部には、バラスト１０４が設置されている。このバラスト１０４によって、固定翼１０２の重心は水面下に配置されている。船体１０１の内部には、支柱１０３の前後方向への揺動を拘束するダンパー装置１０５が設置されている。ダンパー装置１０５の基端は船体１０１に連結されており、ダンパー装置１０５の先端は、下支柱１０３ｂのキール上部に連結されている。
　なお、支柱１０３を揺動可能かつ回転可能に支持する支持機構１０１ａは、とくに限定されるものではないが、例えば、第２乃至第４実施形態において説明した支持機構を適宜採用することができる。
　風力推進船１００は、横風を受けて進むときには横風による横滑りを防止するよう、下支柱１０３ｂのキールを回転させて仰角をつけ、船体１０１は進行方向に向けたまま航行できる。また、風力推進船１００は、風力に応じて固定翼１０２が大きな力を受けて傾斜しても船体１０１はロールせず、下支柱１０３ｂとバラスト１０４とが傾斜して復元力を発生する。これにより船体１０１が傾いて居住性が犠牲になったり、船体抵抗が増えたり、抵抗中心が横方向にずれて当て舵が必要になり更に抵抗が増えたりするのを防止することができ、効率のよいヨットを実現できる。
　なお、上支柱１０３ａを回転させる場合、支柱下端の固定が難しくなるため、通常なら従来のヨットに見るようなフォアステーやサイドステー、陸上の垂直軸型ダリウス型風車に見るようなガイワイヤーが必要になるが、風力推進船１００では上支柱１０３ａの転倒モーメントは船体１０１を貫通して設けた下支柱１０３ｂとバラスト１０４による復元力で直接支えるため、船体１０１からモーメントを支える必要がなく、省略可能となっている。
　次に、第６実施形態に係る風力推進船１１０について、図１３乃至図１６を参照して説明する。第６実施形態に係る風力推進船１１０は、受風部がダリウス型風車４０で構成されている点、及び、ダリウス型風車４０の回転によって回転するプロペラ１１６を備える点、が前記した第５実施形態に係る風力推進船１００と主に異なっている。
　図１３（ａ）（ｂ）に示すように、風力推進船１１０は、船体１１１の前後に２つのアッセンブリ１１２，１１２を備えている。各アッセンブリ１１２は、支持機構１１１ａを介して、船体１１１に対して揺動可能かつ回転可能に支持されている。各アッセンブリ１１２は、受力部を支持する支柱１１３と、受力部としてダリウス型風車４０と、を主に備えている。ダリウス型風車４０の構造は、第３実施形態の同様であるので、詳細な説明は省略する。
　支柱１１３は、上支柱１１３ａと下支柱１１３ｂとを備えている。上支柱１１３ａは、ダリウス型風車４０の回転軸として機能する部位である。下支柱１１３ｂは、前後方向に幅広に形成されており、キールとして機能する部位である。下支柱１１３ｂの下端部にはバラスト１１５が設置されている。バラスト１１５は、ダリウス型風車４０の回転に連動して回転するプロペラ１１６を有している。支柱１１３は、拘束装置１１７によって、ロール方向のみに揺動するようになっている。拘束装置１１７は例えば油圧ダンパーなどで構成されている。
　図１４（ａ）（ｂ）に示すように、アッセンブリ１１２は、船体１１１に対して揺動可能に構成されている。風力推進船１１０は、風力に応じてアッセンブリ１１２が大きな力を受けて傾斜しても船体１１１はロールせず、下支柱１１３ｂとバラスト１１５とが傾斜して復元力を発生する。これにより船体１１１が傾いて居住性が犠牲になったり、船体抵抗が増えたり、抵抗中心が横方向にずれて当て舵が必要になり更に抵抗が増えたりするのを防止することができ、効率のよい風力推進船１１０を実現できる。
　図１５に示すように、支持機構１１１ａは、下支柱１１３ｂの上端部に形成された球形部１１３ｃと、球形部１１３ｃを揺動可能に支持する弾性ゴム支承１８，１９と、弾性ゴム支承１８，１９を支持する支持架台２０と、を有している。
　上支柱１１３ａの下端部には、下向きに開口する円筒部１１３ｄが形成されている。円筒部１１３ｄは、球形部１１３ｃに回転可能に保持されている。円筒部１１３ｄの内部には、増速装置１２０が設置されている。増速装置１２０は、リングギア１２１と、プラネタリギア１２２と、サンギア１２３と、を有している。リングギア１２１は、ラチェット１２４を介して円筒部１１３ｄに接続されている。プラネタリギア１２２は、図示しないキャリアによって球形部１１３ｃに対して移動不能に接続されている。サンギア１２３は、後記する回転軸１３１の外周面に刻設されている。これにより、上支柱１１３ａが回転すると、所定の増速比で回転軸１３１が回転することになる。
　上支柱１１３ａの下端部には、回転軸１３１が回転可能に吊り下げ支持されている。回転軸１３１は、球形部１１３ｃ及び下支柱１１３ｂを貫通してバラスト１１５まで到達している。回転軸１３１の下端部には、傘歯車１３２が設けられている。傘歯車１３２は、プロペラ１１６の水平軸１１６ａの前端に設けられた２つの傘歯車１１６ｂに係合している。これにより、回転軸１３１の回転が水平軸１１６ａの水平軸回転に変換され、プロペラ１１６の回転により推進力が発生する。
　球形部１１３ｃの内部であって増速装置１２０の下方には、発電装置７０が設置されている。発電装置７０のローター７１は、回転軸１３１の外周面に固定され、発電装置７０のステーター７２は、球形部１１３ｃに固定されている。回転軸１３１の回転に伴ってローター７１が回転することにより、発電装置７０で発電が行なわれるようになっており、停泊中には拘束装置１１７（図１３参照）を解放することでアッセンブリ１１２にロール、ピッチ方向２軸の揺動を許容し、ダリウス型風車４０で受けた風により発電する。
　なお、発電装置７０は、航行中には電動機として風力による回転力を補うことができるように構成されている。
　風力推進船１１０は、横風を受けて直進する場合には、図１６（ａ）に示すように、キールとして機能する下支柱１１３ｂを平行に傾ける。これにより、下支柱１１３ｂによって構成されるキールに仰角をつけて横滑りを防止する揚力を発生させることができる。
　また、風力推進船１１０は、旋回する場合には、図１６（ｂ）に示すように、キールとして機能する下支柱１１３ｂを互いに逆向きに傾ける。これにより、旋回半径を小さくすることができる。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
　例えば、第３実施形態に係る浮体式流体力利用システム１Ｂの支持機構に、第４実施形態の上下動機構を加えるようにしてもよい。このようにすれば、浮体１３に対するアッセンブリ１２の上下動によって浮体式流体力利用システム１Ｂのダリウス型風車４０を起動することができる。同様に、第６実施形態に係る風力推進船１１０の支持機構１１１ａに、第４実施形態の上下動機構を加えるようにしてもよい。
　また、第３実施形態では、図８（ａ）（ｂ）に示すように、上支柱１１ａと下支柱１１ｂとの間にギアシステム６０とラチェット機構６４と、を設置したが、下支柱１１ｂの回転の増速が不要な場合には、ギアシステム６０を省略して、上支柱１１ａと下支柱１１ｂとの間にラチェット機構６４だけを配置してもよい。このような構成によれば、回転の伝達を一方通行にしたり、過回転を防止することができる。
　また、第３実施形態では、図８（ａ）（ｂ）に示すように、上支柱１１ａと下支柱１１ｂとの間にギアシステム６０を設けることで、上支柱１１ａと下支柱１１ｂとを同軸逆回転するように構成したが、水車により風車を起動する必要がない場合には、風車及び水車のブレードの向きを互いに逆回転するように設定すれば、ギアシステム６０を省略することができる。
　また、第６実施形態に係る風力推進船１１０では、キールとして機能する下支柱１１３ｂとバラスト１１５とが船体１１１に対して一体的に回転する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、キールとなる下支柱１１３ｂのみが回転するように構成してもよい。
　なお、本発明の参考例として、アッセンブリが浮体に対して揺動しない場合について説明する。
　例えば、本発明の第３実施形態では、図７に示すように、上支柱１１ａに揚力型の垂直軸風車であるダリウス型風車４０を設けるとともに、下支柱１１ｂに抗力型の垂直軸水車であるサボニウス型水車５０を設け、さらに、図８に示すように、浮体１３に対して支柱１１を揺動可能に支持する構成としたが、例えば、サボニウス型水車５０が十分に大きい場合は、浮体１３に対して支柱１１を揺動不能に支持する構成としてもよい。つまり、例えば水深が大きい海域などでは、サボニウス型水車５０を十分に大きくすることが容易であるので、ダリウス型風車４０が風力を受けても、その転倒モーメントに十分に対抗することができるため、過大な風力や潮流力を受け流すために過大な風力や潮流力を受けると傾斜するような重量設定等にする必要がなければ、必ずしも支柱１１を浮体１３に揺動可能に支持する必要はない。この場合、支持架台２０に対して支柱１１を回転可能に取り付ければ足りるので、球形部１７や弾性ゴム支承１８，１９を省略して支持機構を簡素化することができる。
　また、第４実施形態は、水車のみを備える構成であるので、過大な潮流力を受け流すために過大な潮流力を受けると傾斜するような重量設定等にする必要がなければ、必ずしも支柱１１を浮体１３に揺動可能に支持する必要はない。その場合、第４実施形態の支持架台２０に支柱１１を回転可能に連結するとともに、球形部１７や弾性ゴム支承１８，１９を省略する構成としてもよい。
　１　　　浮体式流体力利用システム
　１０　　受風部
　１１　　支柱
　１２　　アッセンブリ
　１３　　浮体
　１４　　バラスト
　１５　　重心

Claims (21)

  1. 　風または水からエネルギーを取り出すアッセンブリと、前記アッセンブリを支持する浮体と、を備える浮体式流体力利用システムであって、
    　前記アッセンブリは、流体力を受ける受力部と、前記受力部を支持する支柱と、を有し、
    　前記アッセンブリは、その重心が水面下に配置されているとともに、前記浮体に対して任意の方向に揺動可能に支持されていることを特徴とする浮体式流体利用システム。
  2. 　前記アッセンブリは、ピンジョイント、ユニバーサルジョイント、ピロボール型球面軸受及び弾性体支持機構のいずれか一つを介して、前記浮体に対して揺動可能に支持されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の浮体式流体力利用システム。
  3. 　前記アッセンブリは、前記浮体に対して前記支柱の中心軸回りに回転可能に支持されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の浮体式流体力利用システム。
  4. 　前記流体エネルギーの少なくとも一つとして風力を利用する請求の範囲第３項に記載の浮体式流体力利用システムであって、
    　前記受力部は、空中で風力を受ける受風部を含んで構成され、
    　前記支柱は、前記受風部を支持する上支柱と、水面下に配置されたバラストを支持する下支柱と、を備えてなることを特徴とする浮体式流体力利用システム。
  5. 　前記上支柱と前記下支柱とは、前記支柱の中心軸に関して剛な状態で、ベアリングを介して相対的に同軸回転可能に連結されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  6. 　前記受力部は、水平軸風車又は垂直軸風車を含んで構成されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  7. 　前記受力部は、水平軸水車又は垂直軸水車を含んで構成され、
    　前記水平軸水車又は前記垂直軸水車は、水面下に配置されてバラスト又はその一部として機能することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  8. 　前記上支柱と前記下支柱とは、所定の相対的回転関係を保って同軸回転するように、ギアシステムを介して互いに連結されているとともに、前記浮体に対して相対回転可能かつ揺動可能に支持されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  9. 　前記上支柱と前記下支柱とは、所定条件下で前記上支柱及び前記下支柱のうちの一方の回転を他方に伝達し、他の条件下で前記上支柱及び前記下支柱のうちの一方の回転を他方に伝達しない機構を有していることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  10. 　前記アッセンブリは、前記受力部の回転から回転エネルギーを取り出す回転エネルギー取出部を備え、
    　前記上支柱と下支柱は互いに同軸逆回転させるように構成され、
    　前記回転エネルギー取出部は、前記上支柱及び下支柱から回転エネルギーを取り出す際に生じるトルクが互いに打ち消されるように配置されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  11. 　前記回転エネルギー取出部は、ローターとステーターとを備える発電機であり、
    　前記発電機は、前記上支柱及び前記下支柱のいずれか一方に前記ローターを接続し、他方に前記ステーターを接続し、前記ローターと前記ステーターの差動により発電することを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の浮体式流体力利用システム。
  12. 　前記受力部は、揚力型の垂直軸風車と抗力型の垂直軸水車とを含んで構成され、
    　前記垂直軸風車は、前記垂直軸水車の回転によって起動することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  13. 　前記受力部は、揚力型の垂直軸風車と抗力型の垂直軸水車とを含んで構成され、
    　前記垂直軸水車は、増速装置を介して前記垂直軸風車に連結され、
    　前記増速装置は、垂直軸風車の増速後の回転速度が前記垂直軸水車の回転速度以下の場合には前記垂直軸風車の回転を前記垂直軸風車に伝達し、前記垂直軸風車の増速後の回転速度が前記垂直軸水車の回転速度よりも大きい場合には前記垂直軸風車の回転を前記垂直軸水車に伝達しない、
    　ことを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の浮体式流体力利用システム。
  14. 　前記アッセンブリは、前記アッセンブリの自重と釣り合う程度の浮力を有しているとともに、前記浮体に対して相対的に上下動可能に支持されており、
    　前記アッセンブリと前記浮体との相対的上下動からエネルギーを取り出す上下動エネルギー取出部を備える、
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の浮体式流体力利用システム。
  15. 　前記上下動エネルギー取出部は、トランスレーターとステーターとを備えるリニア発電機であり、
    　前記リニア発電機は、前記アッセンブリ及び前記浮体のいずれか一方に前記トランスレーターを接続し、他方に前記ステーターを接続し、前記トランスレーターと前記ステーターの差動により発電することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  16. 　上下動エネルギー取出部は、ボールねじ、ラックアンドピニオン、コンロッドとクランク機構及びジャイロのいずれか一つからなる回転力変換機構を備えてなることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の浮体式流体力利用システム。
  17. 　前記受力部は、揚力型の垂直軸風車及び揚力型の垂直軸水車の少なくともいずれか一つを備え、前記回転力変換機構によって得られた回転力によって起動することを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の浮体式流体力利用システム。
  18. 　請求の範囲第１項から請求の範囲第１７項のいずれか１項に記載の浮体式流体力利用システムを用いた風力推進船であって、
    　前記浮体は、船体であり、前記受力部は、空中で風力を受ける受風部を含んで構成され、前記支柱は、前記受風部を支持する上支柱と、水面下に配置されたバラストを支持する下支柱と、を備え、
    　水面下に配置され、前記受風部に受けた風力によって略水平軸回りに回転するプロペラを備え、その回転のためのエネルギーの少なくとも一部として風力を利用することを特徴とする風力推進船。
  19. 　前記プロペラは、前記バラストに設置されていることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の風力推進船。
  20. 　前記バラスト又は前記下支柱は、揚力型のキールとして機能することを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の風力推進船。
  21. 　前記船体の前後に配置された２つの前記アッセンブリを備え、
    　前記２つのキールは、横風を受けての直進時には同じ向きに迎角を持つように回転し、旋回時には前端の前記キールと後端の前記キールが互いに逆向きの迎角を持つように回転することを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の風力推進船。
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