JP5918503B2 - 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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Description
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。
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。
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。
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。
あるいは、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、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、前記アッセンブリは、その重心が水面下に配置されて、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と共に、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、前記受力部は、空中で風力を受ける受風部と、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し、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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (18)
- 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、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、
前記アッセンブリは、その重心が水面下に配置されて、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と共に、
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、
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、を備えてなり、
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構成されている
ことを特徴とする浮体式流体力利用システム。 - 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、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、
前記アッセンブリは、その重心が水面下に配置されて、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と共に、
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、
前記受力部は、空中で風力を受ける受風部と、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し、
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。 - 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構成されていることを特徴とする請求項2に記載の浮体式流体力利用システム。
- 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項1〜請求項3のいずれか1項に記載の浮体式流体力利用システム。
- 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に支持されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の浮体式流体力利用システム。
- 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項2又は3又は5に記載の浮体式流体力利用システム。
- 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項2又は3又は5又は6に記載の浮体式流体力利用システム。 - 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項7に記載の浮体式流体力利用システム。 - 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項2〜請求項8のいずれか1項に記載の浮体式流体力利用システム。 - 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、垂直軸風車の回転速度が前記垂直軸水車の増速後の回転速度以下の場合には前記垂直軸水車の回転を前記垂直軸風車に伝達し、前記垂直軸風車の回転速度が前記垂直軸水車の増速後の回転速度よりも大きい場合には前記垂直軸水車の回転を前記垂直軸風車に伝達しない、
ことを特徴とする請求項9に記載の浮体式流体力利用システム。 - 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項1〜請求項4のいずれか1項に記載の浮体式流体力利用システム。 - 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項11に記載の浮体式流体力利用システム。 - 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項11に記載の浮体式流体力利用システム。
- 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項13に記載の浮体式流体力利用システム。
- 請求項1から請求項14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。 - 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項15に記載の風力推進船。
- 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項15又は16に記載の風力推進船。
- 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項17に記載の風力推進船。
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