JP7159888B2 - 浮遊システム - Google Patents

Description

本開示は、浮遊システムに関する。

海底に配置されたアンカーに対して係留される構造物として、例えば半潜水型風力発電用ラフトがある（例えば、特許文献１参照）。このラフトは、アンカーに接続された係留ラインに接続されて使用される。

特表２０１７－５２１５９７号公報

水底に対して係留索を介して接続されて水中または水上で浮遊する浮体を備えた浮遊システムでは、水深が深い場所にアンカーを配置した場合には、係留索を長くする必要がある。係留索が長くなると、係留索が短い場合と比較して、浮体が移動可能な範囲が大きくなる。本開示は、浮体が移動可能な範囲を抑制可能な浮遊システムを提供することを目的とする。

本開示の浮遊システムは、水底の異なる位置に配置された複数の固定部に対して各々接続された複数の下部係留索と、複数の下部係留索によって係留されて水中で浮遊可能な第１浮体と、第１浮体に接続された上部係留索と、上部係留索によって係留されて水中又は水上で浮遊可能な第２浮体と、を備える。

この浮遊システムでは、第１浮体が複数の下部係留索に接続されているので、第１浮体が移動可能な範囲が制限される。第２浮体は上部係留索を介して第１浮体に接続されているので、水底に対して係留索を接続する場合と比較して、第２浮体に接続される係留索の長さを短くすることができる。そのため、第２浮体が移動可能な範囲を抑制することができる。

また、浮遊システムは、水流を受けて回転可能なタービンと、タービンの回転駆動力を用いて発電する発電機と、を備え、タービン及び発電機は、第２浮体に設けられていてもよい。この浮遊システムでは、タービン及び発電機が設けられた第２浮体の移動範囲を抑制できる。この浮体システムでは、水流を受けてタービンを回転させて、このタービンの回転駆動力を用いて発電できる。

また、複数の固定部は、三角形の頂点を成す位置に配置された第１固定部、第２固定部、第３固定部を含み、複数の下部係留索は、第１固定部に接続された第１下部係留索と、第２固定部に接続された第２下部係留索と、第３固定部に接続された第３下部係留索と、を含んでもよい。第１浮体は３本の下部係留索を介して、三角形の頂点を成す位置に配置された第１固定部、第２固定部、第３固定部に対して各々接続されるので、第１浮体が移動可能な範囲が制限される。

また、浮遊システムは、複数の浮体ユニットを備えていてもよい。浮体ユニットは、複数の固定部、複数の下部係留索、第１浮体、上部係留索、第２浮体を含んでもよい。固定部は、複数の浮体ユニットにおいて共用されてもよい。複数の浮体ユニットの下部係留索は、共通の固定部に接続されていてもよい。換言すると、一つの固定部に対して、複数のユニットの下部係留索が接続されることになる。これにより、固定部を共用することで、水底に設置される固定部の数量を削減することができる。そのため、固定部の設置数量を抑えつつ、複数の浮体ユニットを配置できる。また、固定部を共用することで、複数の浮体ユニットを近接して配置でき、所定の領域における複数の浮体ユニットの設置数量の増加を図ることができる。

また、浮遊システムは、第２浮体に接続された送電ケーブルを含み、送電ケーブルは、第１浮体に接続されていてもよい。これにより、第２浮体から下方に延びる送電ケーブルを、水底と第２浮体との間で浮遊する第１浮体に接続することができる。送電ケーブルを第１浮体に接続することで、送電ケーブルの移動範囲を抑制することができる。

また、浮遊システムは、水流を受けて回転可能な第１タービンと、第１タービンの回転駆動力を用いて発電する第１発電機と、水流を受けて回転可能な第２タービンと、第２タービンの回転駆動力を用いて発電する第２発電機と、を備えていてもよい。第１タービン及び第１発電機は、第１浮体に設けられ、第２タービン及び第２発電機は、第２浮体に設けられていてもよい。これにより、異なる深さに配置された第１浮体及び第２浮体に、それぞれタービン及び発電機を設けることができる。この浮体システムでは、異なる深さの水流を受けて第１タービン及び第２タービンを回転させて、発電できる。また、この浮体システムでは、タービン及び発電機を水深方向に複数配置できるので、所定の領域において、発電可能な浮体の設置数量を増加させることができる。

本開示によれば、第１浮体が移動可能な範囲を抑制すると共に、第２浮体が移動可能な範囲を抑制できる浮遊システムを提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る水流発電装置を示す側面図である。 図１に示す水流発電装置の平面図である。 本開示の第２実施形態に係る水流発電システムを示す側面図である。 図３に示す水流発電装置の平面図である。 本開示の第３実施形態に係る水流発電装置を示す側面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、水流発電装置（浮遊式水流発電装置、浮遊システム）１は、水中に発電用浮体２を浮遊させ、発電用浮体２に設けられたタービン３を水流ＦＷによって回転させ、タービン３の回転によって発電を行う装置である。例えば、水流発電装置１は、海洋に設置され、海流によって発電する場合に用いられる。発電用浮体２は、複数の係留索４を介して複数のアンカー５に係留されている。発電用浮体２は、左右二つの発電用ポッドをビームによって連結して構成されているものでもよい。ビームは、例えば矩形の板状体を水平に配置して設けられる。本実施形態において水流ＦＷの上流側を前側とし、水流ＦＷの下流側を後側とする。また、各図において、直交する３方向を、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として矢印を用いて図示している。Ｘ方向及びＹ方向は、例えば水平方向である。Ｘ方向は、例えば水流ＦＷに沿う方向である。Ｙ方向は、例えば水流ＦＷと交差する方向である。Ｚ方向は、例えば上下方向である。

アンカー５は、発電用浮体２が水流ＦＷで流されないように保持するための構造物であり、例えばコンクリート製又は金属製のものが用いられる。アンカー５は、重量の大きい構造物の自重により位置を維持するシンカーであってもよいし、グラウンドアンカーなどの支持力も用いて位置を維持するタイプであってもよい。

複数のアンカー５は、第１アンカー（第１固定部）６、第２アンカー（第２固定部）７、第３アンカー（第３固定部）８を含んでもよい。図２に示されるように、これらの第１アンカー６、第２アンカー７、第３アンカー８は、例えば仮想の三角形Ａの頂点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を成す位置に配置されている。複数のアンカー５同士の距離は、同一でもよく、異なっていてもよい。複数のアンカー５は、水底Ｂの異なる位置に配置されている。

複数の係留索４は、複数の下部係留索９と、上部係留索１０とを含む。複数の下部係留索９は、第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３を含んでもよい。第１下部係留索１１は第１アンカー６に接続されている。第２下部係留索１２は第２アンカー７に接続されている。第３下部係留索１３は第３アンカー８に接続されている。第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３の仕様（長さ、材質、直径等）は同じとすることができる。

水流発電装置１は、複数の下部係留索９によって係留されて水中で浮遊可能な中間浮体（第１浮体）１４を備えている。中間浮体１４は、水中で浮遊可能な耐圧容器でもよい。中間浮体１４には、第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３がそれぞれ接続されている。第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３は、中間浮体１４においてそれぞれ異なる位置に接続されていてもよい。水流発電装置１が使用されている状態において、第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３に作用する張力は、例えば略同程度とすることができる。

上部係留索１０の一端は中間浮体１４に接続されている。上部係留索１０の他端は発電用浮体２に接続されている。発電用浮体２は、上部係留索１０によって係留されて水中で浮遊可能である。発電用浮体２は、上部係留索１０、中間浮体１４、第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３を介して、第１アンカー６、第２アンカー７、第３アンカー８に対して係留されている。

発電用浮体２は、本体１５及びタービン３を備えている。発電用浮体２の本体１５は、発電機１６を搭載する耐圧容器を含む。タービン３は、本体１５の後側に設けられている。タービン３は、ブレード３ａ及びハブ３ｂを備えている。ブレード３ａは、水流ＦＷを受けて回転力を発生させる翼部材であり、ハブ３ｂの外周に径方向へ向けて複数設けられている。タービン３は、二つのブレード３ａを備えていてもよく、三つのブレード３ａを備えていてもよい。ハブ３ｂは、発電用浮体２の前後方向に向けた軸線を中心に回転可能に設けられている。ハブ３ｂは、例えば発電機１６の回転軸１７に取り付けられ、回転軸１７と一体に回転する。

発電機１６は、タービン３の回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する機器であり、タービン３の回転駆動力を受けて発電する。発電機１６にはパワーコンディショナが接続されていてもよい。発電機１６は、パワーコンディショナに対し発電電力を出力する。パワーコンディショナは、発電機１６の発電電力の調整及び発電運転制御を行うことができる。発電電力の調整は、交流電力である発電電力を直流電力に変換し、所望の周波数となるように直流電力を交流電力に変換して行われる。パワーコンディショナには、高圧受電部が接続されていてもよい。高圧受電部は、パワーコンディショナから出力される交流電力を変圧する。

また、水流発電装置１には、図１に示されるように、発電機１６で発電された電力を送電する送電ケーブル１８が設けられている。なお、図２では、送電ケーブル１８の図示を省略している。送電ケーブル１８は、発電用浮体２から垂れ下がり、水中において、中間浮体１４に繋ぎ止められている。例えば中間浮体１４に設けられた接続具に接続されていてもよい。送電ケーブル１８は、中間浮体１４から垂れ下がり、水底Ｂ近傍に到達し、水底Ｂに沿って配置されていてもよい。送電ケーブル１８は、例えば地上の電力系統に接続されている。

次に、水流発電装置１の作用について説明する。発電用浮体２が水中で浮遊しながら、タービン３が水流ＦＷを受けて回転する。発電機１６は、タービン３の回転駆動力を用いて発電する。発電機１６による発電電力は、送電ケーブル１８を介して送電されて、地上側で消費できる。

水流発電装置１では、中間浮体１４が第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３に接続されているので、中間浮体１４が移動可能な範囲が制限される。発電用浮体２は、上部係留索１０を介して中間浮体１４に接続されている。発電用浮体２に接続される係留索（上部係留索１０）の長さは、中間浮体１４を経由せずに水底Ｂのアンカーに対して接続されている場合の係留索の長さと比較して短くできる。換言すると、中間浮体１４から発電用浮体２までの上部係留索１０の長さは、水底Ｂから発電用浮体２までの係留索の長さより短い。そのため、発電用浮体２が移動可能な範囲を抑制することができる。水流発電装置１では、中間浮体１４の移動可能範囲が制限されると共に、発電用浮体２に接続される上部係留索１０が短くできるので、発電用浮体２の移動可能な範囲が制限される。

水流発電装置１では、発電用浮体２の移動可能な範囲が制限されるので、例えば、隣接する他の水流発電装置１との安全距離を従来と比較して短くすることができる。安全距離とは、複数の水流発電装置１において、発電用浮体２が接触する可能性がない距離である。このような水流発電装置１では、設置に必要な面積を削減することができるので、複数の水流発電装置１を高密度で配置することができる。

水流発電装置１では、平面視において、第１アンカー６、第２アンカー７、第３アンカー８が、同一直線上に配置されていない。第１下部係留索１１、第２下部係留索１２、第３下部係留索１３は、中間浮体１４から互いに異なる三方に延びている。このように、三方に延びる係留索によって中間浮体１４が拘束されるので、中間浮体１４が移動可能な範囲が制限される。

また、水流発電装置１では、発電用浮体２から延びる送電ケーブル１８が、中間浮体１４に接続されているので、水中において送電ケーブル１８の移動範囲を制限することができる。水流発電装置１では、中間浮体１４の移動範囲が制限されるので、中間浮体１４に接続された送電ケーブルの移動範囲も制限される。その結果、送電ケーブル１８が中間浮体１４から離れて広範囲に移動してしまうことが防止される。

なお、中間浮体１４には浮力調整装置が設けられていてもよい。浮力調整装置は、中間浮体１４内に設けられたタンク、配管、ポンプ等を含んでもよい。中間浮体１４の外部から海水を注入することで、中間浮体１４の浮力を減少させたり、タンク内に貯留されている海水を外部に排水することで、中間浮体１４の浮力を増加させたりしてもよい。これにより、中間浮体１４に作用する浮力を調整して、複数の下部係留索９に作用する張力を調整してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、本開示の第２実施形態に係る水流発電システム（浮遊システム）２１について説明する。水流発電システム２１は、複数の水流発電装置（浮体ユニット）１Ａ，１Ｂを備えている。水流発電装置１Ａ，１Ｂは、第１実施形態の水流発電装置１と同じ構成である。第２実施形態の説明において、第１実施形態と同じ説明は省略する。

水流発電装置１Ａは、発電用浮体（第２浮体）２Ａ、係留索４Ａ、アンカー５Ａ、中間浮体１４Ａを備えている。発電用浮体２Ａの後部には、タービン３Ａが設けられている。発電用浮体２Ａには、タービン３Ａの回転駆動力を用いて発電する発電機１６Ａが搭載されている。係留索４Ａは、複数の下部係留索９Ａ、上部係留索１０Ａを備えている。上部係留索１０Ａの一端は中間浮体１４Ａに接続され、上部係留索１０Ａの他端は発電用浮体２Ａに接続されている。発電用浮体２Ａは、上部係留索１０Ａを介して中間浮体１４Ａに係留されている。

複数の下部係留索９Ａは、第１下部係留索１１Ａ、第２下部係留索１２Ａ、第３下部係留索１３Ａを含む。また、複数のアンカー５Ａは、アンカー（第１固定部）２２、アンカー（第２固定部）２３、アンカー（第３固定部）２４を含む。アンカー２２，２３，２４は、平面視において三角形の頂点を成す位置に配置されている。第１下部係留索１１Ａは、アンカー２２に接続され、第２下部係留索１２Ａは、アンカー２３に接続され、第３下部係留索１３Ａは、アンカー２４に接続されている。中間浮体１４Ａは、第１下部係留索１１Ａ、第２下部係留索１２Ａ、第３下部係留索１３Ａに接続されて、アンカー２２，２３，２４に対して係留されている。

水流発電装置１Ｂは、発電用浮体（第２浮体）２Ｂ、係留索４Ｂ、アンカー５Ｂ、中間浮体１４Ｂを備えている。発電用浮体２Ｂの後部には、タービン３Ｂが設けられている。発電用浮体２Ｂには、タービン３Ｂの回転駆動力を用いて発電する発電機１６Ｂが搭載されている。係留索４Ｂは、複数の下部係留索９Ｂ、上部係留索１０Ｂを備えている。上部係留索１０Ｂの一端は中間浮体１４Ｂに接続され、上部係留索１０Ｂの他端は発電用浮体２Ｂに接続されている。発電用浮体２Ｂは、上部係留索１０Ｂを介して中間浮体１４Ｂに係留されている。

複数の下部係留索９Ｂは、第１下部係留索１１Ｂ、第２下部係留索１２Ｂ、第３下部係留索１３Ｂを含む。また、複数のアンカー５Ｂは、アンカー（第１固定部）２３、アンカー（第２固定部）２４、アンカー（第３固定部）２５を含む。アンカー２３，２４，２５は、平面視において三角形の頂点を成す位置に配置されている。第１下部係留索１１Ｂは、アンカー２３に接続され、第２下部係留索１２Ｂは、アンカー２４に接続され、第３下部係留索１３Ｂは、アンカー２５に接続されている。中間浮体１４Ｂは、第１下部係留索１１Ｂ、第２下部係留索１２Ｂ、第３下部係留索１３Ｂに接続されて、アンカー２３，２４，２５に対して係留されている。

ここで、アンカー２３，２４は、複数の水流発電装置１Ａ，１Ｂにおいて共用されている。アンカー２３には、水流発電装置１Ａの第２下部係留索１２Ａが接続されていると共に、水流発電装置１Ｂの第１下部係留索１１Ｂが接続されている。アンカー２４には、水流発電装置１Ａの第３下部係留索１３Aが接続されていると共に、水流発電装置１Ｂの第２下部係留索１２Ｂが接続されている。アンカー２３，２４は、水流発電装置１Ａ，１Ｂの両方で使用されている。

本実施形態の水流発電システム２１では、複数の水流発電装置１Ａ，１Ｂの下部係留索９Ａ，９Ｂは共通のアンカー２３，２４に接続されている。このように、アンカー２３，２４を共用することで、水底Ｂに設置されるアンカー５Ａ，５Ｂの数量を削減することができる。そのため、アンカー５Ａ，５Ｂの設置数量を抑えつつ、複数の水流発電装置１Ａ，１Ｂを配置できる。図３及び図４に示す場合には、４つのアンカー２２～２５を設置して、２つの中間浮体１４Ａ，１４Ｂを係留することができる。また、アンカー２３，２４を共用することで、複数の水流発電装置１Ａ，１Ｂを近接して配置でき、所定の領域における複数の水流発電装置１Ａ，１Ｂの設置数量の増加を図ることができる。一つの水流発電装置において、３個のアンカーをそれぞれ設置する場合には、アンカーの設置コストが増大すると共に、設置面積も増大することになる。

次に、図５を参照して、本開示の第３実施形態に係る水流発電装置（浮遊システム）３１について説明する。第３実施形態の水流発電装置３１が、第１実施形態の水流発電装置１と違う点は、中間浮体１４に代えて、発電用浮体３２を備える点である。なお、第３実施形態の説明において、第１実施形態と同じ説明について省略する。

水流発電装置３１は、第１浮体である発電用浮体３２と、第２浮体である発電用浮体２とを備える。発電用浮体３２は、複数の下部係留索９を介して、複数のアンカー５に対して係留されている。発電用浮体２は、上部係留索１０を介して、発電用浮体３２に対して係留されている。

発電用浮体３２には、タービン（第１タービン）３３及び発電機（第１発電機）３６が設けられている。タービン３３は、発電用浮体３２の本体３５の後側に配置されている。発電機３６は、本体３５に搭載されている。タービン３３は水流を受けて回転する。タービン３３の回転駆動力は、発電機３６の回転軸３７に伝達される。発電機３６は、タービン３３の回転駆動力を用いて発電する。

発電用浮体２には、タービン（第２タービン）３及び発電機（第２発電機）１６が設けられている。発電機１６は、タービン３の回転駆動力を用いて発電する。

この水流発電装置３１によれば、発電用浮体２，３２は、上部係留索１０によって接続されて異なる深さに配置される。これにより、異なる深さの水流を受けてタービン３，３３を回転させることができる。また、この水流発電装置３１では、発電用浮体２，３２を水深方向において複数配置できるので、所定の領域において、発電用浮体２，３２の設置数量の増加を図ることができる。

本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記の実施形態では、発電機１６を搭載する発電用浮体２を第２浮体としているが、第２浮体は発電機を搭載していないものでもよい。例えば第２浮体はブイでもよく、その他の観測機器を搭載する浮体でもよい。

また、図３に示される水流発電システム２１において、複数の中間浮体１４Ａ，１４Ｂは、同程度の深度で浮遊するものでもよく、互いに異なる深度で浮遊するものでもよい。また、水流発電システム２１において、複数の発電用浮体２Ａ，２Ｂは、同程度の深度で浮遊するものでもよく、互いに異なる深度で浮遊するものでもよい。

また、第２浮体に接続される複数の下部係留索の本数は、３本に限定されず、２本でもよく、４本以上でもよい。

１ 水流発電装置（浮遊システム）
１Ａ、１Ｂ 水流発電装置（浮体ユニット）
２、２Ａ、２Ｂ 発電用浮体（第２浮体）
３ タービン（第２タービン）
３Ａ、３Ｂ タービン
４、４Ａ、４Ｂ 係留索
５、５Ａ、５Ｂ アンカー（固定部）
６ 第１アンカー（第１固定部）
７ 第２アンカー（第２固定部）
８ 第３アンカー（第３固定部）
９、９Ａ、９Ｂ 下部係留索
１０、１０Ａ、１０Ｂ 上部係留索
１１、１１Ａ、１１Ｂ 第１下部係留索
１２、１２Ａ、１２Ｂ 第２下部係留索
１３、１３Ａ、１３Ｂ 第３下部係留索
１４、１４Ａ、１４Ｂ 中間浮体（第１浮体）
１６ 発電機（第２発電機）
１６Ａ、１６Ｂ 発電機
１８ 送電ケーブル
２１ 水流発電システム（浮遊システム）
２２ アンカー（第１固定部）
２３ アンカー（第２固定部、第１固定部）
２４ アンカー（第３固定部、第２固定部）
２５ アンカー（第３固定部）
３１ 水流発電装置（浮遊システム）
３２ 発電用浮体（第１浮体）
３３ タービン（第１タービン）
３６ 発電機（第１発電機）
Ａ 仮想の三角形
Ｂ 水底
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 三角形の頂点
ＦＷ 水流

Claims (4)

1. ３個の第１固定部、前記３個の第１固定部に対して各々接続された３本の第１下部係留索、前記３本の第１下部係留索によって係留されて水中で浮遊可能な第１浮体、前記第１浮体に接続された第１上部係留索及び前記第１上部係留索によって係留されて水中又は水上で浮遊可能な第２浮体を含む第１浮体ユニットと、
   ３個の第２固定部、前記３個の第２固定部に対して各々接続された３本の第２下部係留索、前記３本の第２下部係留索によって係留されて水中で浮遊可能な第３浮体、前記第３浮体に接続された第２上部係留索及び前記第２上部係留索によって係留されて水中又は水上で浮遊可能な第４浮体を含む第２浮体ユニットと、を備え、
   前記３個の第１固定部は、水底の異なる位置に配置されると共に、三角形の頂点を成す位置に配置され、
   前記３個の第２固定部は、水底の異なる位置に配置されると共に、三角形の頂点を成す位置に配置され、
   前記３個の第１固定部のうちの２個は、前記３個の第２固定部のうちの２個と共用されている、浮遊システム。
2. 前記第１浮体ユニットは、
   水流を受けて回転可能なタービンと、
   前記タービンの回転駆動力を用いて発電する発電機と、を含み、
   前記タービン及び前記発電機は、前記第２浮体に設けられている請求項１に記載の浮遊システム。
3. 前記第１浮体ユニットは、
   前記第２浮体に接続された送電ケーブルを含み、
   前記送電ケーブルは、前記第１浮体に接続されている請求項１又は２に記載の浮遊システム。
4. 前記第１浮体ユニットは、
   水流を受けて回転可能な第１タービンと、
   前記第１タービンの回転駆動力を用いて発電する第１発電機と、
   水流を受けて回転可能な第２タービンと、
   前記第２タービンの回転駆動力を用いて発電する第２発電機と、を含み、
   前記第１タービン及び前記第１発電機は、前記第１浮体に設けられ、
   前記第２タービン及び前記第２発電機は、前記第２浮体に設けられている請求項１又は３に記載の浮遊システム。

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