JP5690116B2 - 水流発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、海洋のような水中に設置されて、自然の水流を利用して発電を行う発電設備に関する。

近年、環境への配慮から、自然エネルギーを利用した種々の発電方式が開発されており、その一環として、比較的天候の影響を受けにくく、安定的に電力供給が可能な、水流を利用した発電装置の開発が進んでいる。特に近年では、海洋の潮流を利用した潮流発電システムが提案されている。

潮流発電システムでは、発電機を水中に保持しておく必要があり、そのための方式として、例えば、海底に発電機を設置する据え置き方式（例えば、特許文献１）や、水面に浮かぶ浮体の底面に発電機を取り付ける浮体方式が知られている（例えば、特許文献２）。

特表２０１０−５１５８５１号公報 特開２００９−００８０９８号公報

特許文献１に記載のエネルギー生成装置は、海底据え置き方式であり、設置時に大規模な土木工事が必要となるため、イニシャルコストが高いうえ、発電設備の点検時にもクレーン付の作業船を使用する必要があるので、メンテナンス作業の負担が大きく、ランニングコストも高くなるという問題がある。一方、特許文献２に記載の浮動性プラントは、浮体方式の発電装置であり比較的容易に発電機を水中に設置できるが、悪天候時の波浪等を考慮すると、アンカおよびチェーン等の係留装置や浮力部材の強度を確保する必要があり、イニシャルコストは高くなる。また、特許文献２に記載の装置は、水域中にある発電ユニットを水上に上げて点検することが極めて困難であり、点検時に発電設備全体を陸上へ持ち帰る必要があるので、やはりメンテナンス作業の負担が大きく、ランニングコストが高くなるという問題がある。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、初期の設置作業とその後の点検作業のいずれをも容易に行うことができる水流発電設備を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る水流発電設備は、水流により駆動されて発電する発電機と、水上に浮かぶ浮体と、前記浮体に昇降自在に取り付けられて、前記発電機を支持する支持構造体と、前記支持構造体を昇降させて前記発電機を水中と浮体上との間で移動させる昇降装置と、前記浮体を固定物に係留する係留具とを備えている。

この構成によれば、発電機が、係留具によって係留された浮体に設置されていることにより、設置時の作業が容易で設置コストが抑制される。さらには、前記発電機が支持構造体を介して浮体上に引上げ可能に浮体に取り付けられているので、発電機をクレーン船で引き上げたり陸上へ移動させたりすることなく、点検作業を浮体上で容易に行うことができるので、メンテナンス作業の負担が軽減され、ランニングコストも抑制される。

本発明の一実施形態に係る水流発電設備は、前記浮体に設けられた、バラスト水を貯留するバラストタンクと、このバラストタンクにバラスト水を注水して前記浮体を水中に沈降させ、かつ、前記バラストタンクに貯留されたバラスト水を排水して前記浮体を水面上に浮上させるバラストコントローラとをさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、天候の悪化等により波高が大きくなった場合にも、浮体を水中に沈降させて発電設備の損傷を防止することができ、天候が回復した場合には、再び発電設備を浮上させることにより発電が可能となる。

本発明の一実施形態に係る水流発電設備において、前記浮体の上部に、支柱を介して上部支持台が取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、当該発電設備を管理、制御するための機器類を、水面から離れた前記上部支持台に設置することができるので、当該発電設備の管理・制御を確実に行うことが可能となり、信頼性が向上する。

本発明の一実施形態に係る水流発電設備において、前記バラストコントローラは、前記バラストタンクにバラスト水を注水して、前記上部支持台が水面近傍に位置するように前記浮体を沈降させるものであることが好ましい。この構成によれば、天候の悪化等により波高が大きくなった場合にも、当該発電設備のバランスを維持しながら浮体を沈降させることができるので、効果的に転覆が防止される。

本発明の一実施形態に係る水流発電設備において、前記支柱に前記支持構造体の昇降をガイドするガイドレールが設けられていることが好ましい。この構成によれば、支持構造体を介しての発電機の昇降作業を円滑に行うことができる。

また、本発明の一実施形態に係る水流発電設備において、前記バラストタンクが、当該発電設備の水平面内における重心から離れた位置に配置されていることが好ましい。また、前記バラストタンクが複数設けられ、前記バラストコントローラが、前記重心からの距離が大きいバラストタンクから順次注水することが好ましい。この構成によれば、浮体の慣動半径を大きくすることができ、高波時にも当該発電設備のバランスをより安定的に保つことが可能になるので、一層確実に転覆を防止することができる。

以上のように、本発明に係る水流発電設備によれば、初期の設置作業とその後の点検作業のいずれもを容易に行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る発電設備を示す斜視図である。 図１のII-II線に沿った断面図である。 図１の発電設備を示す平面図である。 図１の発電設備を示す正面図である。 図１の発電設備に用いられるバラストタンクの注排水系統を示す系統図である。 図１の発電設備が水中に沈降した状態を示す斜視図である。 図１の発電設備の発電機が引き上げられた状態を示す斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電設備１の構造を示す斜視図である。本実施形態に係る発電設備１は、海洋のような水中Ｗに設置されて、水流（この例では海洋の潮流）Ｆを利用して発電するための設備であり、発電機３、浮体５、支持構造体７、昇降装置９および係留具１１を主要な構成要素として備えている。

発電機３は、複数の翼を有し、水流により駆動されて回転する水車１３と、水車１３の回転を受けて電力を生成する発電部１５とで構成されている。発電機３は、発電機３を支持する櫓（やぐら）状の支持構造体７およびこの支持構造体７を昇降させる昇降装置９を介して、水面Ｓ上に浮かぶ浮体５に取り付けられている。浮体５つまり発電設備１の全体は、係留具１１によって固定物、例えば海底（図示せず）に係留されている。

図１のII-II線に沿った断面図である図２に示すように、浮体５は平面視でほぼ正方形に形成されており、浮体５の水平方向の中央部には、支持構造体７を挿通させ、支持構造体７の下端部に取り付けられた発電機３を昇降させるための、上下方向に貫通する昇降開口１５が設けられている。浮体５の上部５ａにおける昇降開口１５の周縁部には、複数の支柱１７が突設されている。昇降開口１５は、支持構造体７およびこれに支持された発電機３の平面視形状に対応する形状に形成されており、支柱１７は、昇降開口１５の矩形形状の４つの頂点の近傍にそれぞれ１つずつ設けられている。もっとも、支持構造体７の構造は、図１の櫓状に限定されず、例えば、円柱状であってもよい。その場合、支柱１７は、支持構造体１７の円形の横断面の外周に沿って、好ましくは等間隔に、複数設けられる。

複数の支柱１７の上端部には、上部支持台１９が取り付けられている。上部支持台１９の上面には、発電設備１の管理や制御を行うための機器類を収納する制御ボックス２１および上述の昇降装置９、外部との通信用のアンテナ２３等が設置されている。すなわち、支柱１７の上端部に設けられた上部支持台１９により、浮体５から上方に一定の距離離間した位置に、制御ボックス２１および昇降装置９が支持されている。上部支持台１９の水平方向中央部には、支持構造体７を挿通して昇降させるための挿通開口２４が設けられている。

本実施形態では、昇降装置９としてウィンチを使用している。図３の平面図に示すように、支持構造体７に連結されたワイヤ２５が、例えば上部支持台１９や支柱１７に取り付けられた滑車２６（図６）を介してこの昇降装置９まで敷設され、昇降装置９のドラム２７に巻きつけられている。このドラム２７を駆動することにより、支持構造体７に支持された発電機３の昇降、つまり作動位置と浮体５上の引上げ位置への移動が行われる。図１は、発電機３が水中Ｗの作動位置にある状態を示している。

図４の正面図に示すように、各支柱１７の内側を向く面には、ガイドレール２９が支柱１７の長手方向に沿って延設されている。一方、支持構造体７の、ガイドレール２９に対向する部分には、複数のガイド輪３１が設けられている。ガイドレール２９に、支持構造体７のガイド輪３１を係合させることにより、支持構造体７の昇降がガイドされる。支持構造体７の頂部には、標識柱３２が取り付けられている。

係留具１１は、浮体５を水中Ｗで安定的に係留できるものであれば特に限定されないが、図１の例では、チェーン３３と、チェーン３３の先端に取り付けられたアンカー（図示せず）とを有するカテナリ方式の係留具１１を用いている。

図５に示すように、浮体５の内部には、水の貯留が可能なバラストタンクユニット４１が設置されている。バラストタンクユニット４１は、浮体５の側面５ｂに形成された注水口４３に連通している。さらに、上部支持台１９（図１）上には、バラストタンクにバラスト水を注水して浮体５を水中に沈降させ、かつ、バラストタンクに貯留されたバラスト水を排水して浮体５を水面上に浮上させるバラストコントローラ４５が設けられている。後に詳述するように、バラストコントローラ４５は、バラストタンクユニット４１へのバラスト水の注水および排水を制御することにより、図６に示すように、浮体５を水中Ｗへ沈降させ、その後再度水面Ｓ上へ上昇させる。これにより、天候の悪化等により波高が大きくなった場合にも、浮体５を水中Ｗに沈降させて当該発電設備１のバランスを維持しながら浮体５を水中Wに沈降させることができるので、悪天候などによる発電設備１の損傷を防ぐことができるとともに、発電設備１の転覆を防止することができる。

図５に示すように、バラストタンクユニット４１は、複数のバラストタンクを、発電設備１の水平面内における重心Ｇから離れた位置に配置して構成されている。バラストコントローラ４５は、重心Ｇからの距離が大きいバラストタンクから順次注水するように設定されている。

本実施形態においては、浮体５内に、バラストタンク４１として４つの第１バラストタンク４１Ａと４つの第２バラストタンク４１Ｂとが設けられている。４つの第１バラストタンク４１Ａは、浮体５の横断面において、重心Ｇが位置する昇降開口１５を形成する四辺のうちの対向する一組の辺４７，４７とその延長線４７Ａ，４７Ａよりも外側の両部分を、それぞれ辺４７に沿う方向に二等分、つまり、辺４７に直交する分割線４９によって二等分して配置されている。

一方、４つの第２バラストタンク４１Ｂは、各第１バラストタンク４１Ａの内側、つまり浮体５の横断面における前記一組の辺４７，４７の延長線４７Ａ，４７Ａよりも内側の部分にそれぞれ配置されている。したがって、重心Ｇから各タンク４１内空間への平均距離（重心Ｇから各タンク４１内空間の各地点までの距離の平均値）を比較すると、重心Ｇと第１バラストタンク４１Ａとの間の平均距離の方が、重心Ｇと第２バラストタンク４１Ｂとの間の平均距離よりも大きく設定されている。

注水口４３と各バラストタンク４１Ａ，４１Ｂとの間は、注水路５１によって連通されている。注水路５１の中途には、注水口４３の近傍に位置する注水バルブ５３と、この注水バルブ５３と各バラストタンク４１Ａ，４１Ｂとの間に位置して、各第１バラストタンク４１Ａの注排水を行うための複数の第１中間バルブ５５Ａおよび各第２バラストタンク４１Ａの注排水を行うための複数の第２中間バルブ５５Ｂとが設けられている。

また、浮体５の側面５ｂには、バラストタンクユニット４１に貯留されたバラスト水を排水するための排水口５７が設けられており、注水路５１から分岐した排水路５９を介して、各バラストタンク４１Ａ，４１Ｂに連通している。排水路５９の中途には、排水時に開放される排水バルブ６１および排水ポンプ６３が設けられている。バラストタンクユニット４１内に貯留されたバラスト水は、排水バルブ６１を開放し、排水ポンプ６３を駆動することにより、排水口５７から外部へ排出される。これにより、いったん沈降した浮体５を浮上させることができる。注水バルブ５３、各中間バルブ５５Ａ，５５Ｂ，排水ポンプ６３は、バラストタンクユニット４１，４１間（第２バラストタンク４１Ｂ，４１Ｂ間）に形成された収納空間６５に配置されている。

バラストタンク４１Ａ，４１Ｂに注水する際、バラストコントローラ４５は、最初に重心Ｇからの距離が大きい第１バラストタンク４１Ａに注水するよう第１中間バルブ５５Ａのみを開放し、その後、必要に応じて第２中間バルブ５５Ｂを開放して第２バラストタンク４１Ｂにも注水を行う。また、排水時には、重心Ｇからの距離が小さい第２バラストタンク４１Ｂから順次排水することが好ましい。このように、バラストタンクユニット４１を、発電設備１の水平面内における重心Ｇから離れた位置に配置し、さらに、浮体５に複数のバラストタンク４１Ａ，４１Ｂを設けて、重心Ｇからの距離が大きいバラストタンクから順次注水することにより、浮体の慣動半径を大きくして揺れを少なくすることができ、高波時にも発電設備１のバランスをより安定的に保つことが可能になるので、一層確実に転覆を防止することができる。

注水バルブ５３の開放指示は、作業者が、一般に入手可能な海象・気象情報に基づいて手動によって行ってもよく、自動的に行われるように設定してもよい。作業者が手動で注水バルブ５３を開放する場合、陸地のような遠隔地から遠隔操作によって開放指示を行ってもよく、浮体５上から開放指示を行ってもよい。

注水バルブ５３を自動的に開放する場合は、例えば、設置水域に設けた波高計による計測値が所定の値に達した場合に開放するように設定してもよく、あるいは、外部からの情報のみならず、自律的な計測による計測値をも含む条件を満たした場合に開放するように設定してもよい。

自律的な計測値を含む条件としては、例えば次のようなものが考えられる。
ｉ）浮体５の動揺（例えば横揺や縦揺）の所定時間の平均値が所定値以上となり、かつ、
ｉｉ）設置水域に設けた波高計の計測値、または浮体５に設置された相対水位計によって計測した相対水位値の所定時間の平均値が所定値以上となること。

条件ｉ）とｉｉ）の両方が満たされたことを条件として、バラストコントローラ４５によって注水バルブ５３を開放して浮体５を沈降させることによって、一層高精度に、つまり浮体５の沈降が不要な場合にまで沈降させることを回避して、適切な沈降制御を行うことが可能となる。これは、一般に入手可能な前記海象・気象情報には、通常、波高情報のみが含まれており、波周期が含まれていないので、浮体５の動揺特性からは無視してよい波が起こった場合にまで沈降が必要と判断する可能性があるからである。例えば、波高が大きくても、波周期が極めて長い波や極めて短い波の場合、浮体５の動揺は大きくならず、沈降させる必要はない。また、浮体５は、波以外の要因、例えば、浮体５上部にシート状の物が引っ掛かっており、これに吹き付けた風の影響によって動揺することも考えられるので、条件ｉ）のみならずｉｉ）までも考慮に入れて沈降の要否を判断するのが好ましい。

注水バルブ５３は、バラストタンク４１Ａ，４１Ｂに必要量のバラスト水が注入され、浮体５が必要量だけ沈降した場合に閉塞される。したがって、注水バルブ５３の閉塞は自動的に行われるように設定されていることが好ましい。浮体５の沈降量は、例えば。浮体５に設置したポテンショメータのような計測装置によって計測する。

また、バラストコントローラ４５は、バラストタンク４１Ａ，４１Ｂにバラスト水を注水することにより、図４の上部支持台１９が水面Ｓの近傍に位置するように浮体５を沈降させる。具体的には、バラストコントローラ４５は、少なくとも上部支持台１９の底面が水面Ｓよりも上方に位置するように浮体５の沈降量を制御する。より好ましくは、浮体５の沈降量は、設置水域の予想最大波高（５０〜１００年間の最大期待値）に基づいて決定される。すなわち、例えば、水面Ｓと浮体５上部の上部支持台１９の底面との距離（沈降時クリアランス）ＣＬが、予想最大波高の１／２となるまで浮体５を沈降させる。発電設備１の設計においては、設置水域の予想最大波高に対して、沈降時クリアランスを取り得るように、支柱１７の高さを設定する必要がある。

なお、浮体５を沈降させる際、必要に応じて係留具１１のチェーン３３のテンションが調整されることが好ましい。すなわち、係留具１１のチェーン３３のテンションを計測するテンションメータと、浮体５の沈降によりチェーン３３のテンションが所定の下限値を下回った場合に、チェーン３３を所定のテンション値となるまで巻き取るテンション調整装置とが、浮体５に設置されていることが好ましい。

上記構成において、図１の発電設備１は、発電機３を、係留具１１によって係留された浮体５に設置しているので、設置時の作業が容易で設置コストが抑制される。

図４に示すように、発電時には、昇降装置９により支持構造体７を下降させて、発電機３を水中Ｗに下降させる。一方、発電機３の点検などのために引き上げるときは、発電機３が、支持構造体７を介して浮体５上に引上げ可能に浮体５に取り付けられているので、発電機３をクレーン船で引き上げたり陸上へ移動させたりすることなく、図７に示すように、発電機３を浮体５上の引上げ位置に引き上げた状態で点検作業を容易に行うことができる。したがって、メンテナンス作業の負担が軽減され、ランニングコストも抑制される。

なお、上記の実施形態では、水流として海洋の潮流を用いた例について説明したが、本発明は、これに限られず、水流を用いる他の環境にも適用することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 発電設備
３ 発電機
５ 浮体
７ 支持構造体
９ 昇降装置
１１ 係留具
１７ 支柱
１９ 上部支持台
２９ ガイドレール
４１ バラストタンクユニット
４１Ａ 第１バラストタンク
４１Ｂ 第２バラストタンク
４５ バラストコントローラ
Ｆ 水流
Ｓ 水面
Ｗ 水中

Claims (7)

1. 水流により駆動されて発電する発電機と、
   水上に浮かぶ浮体と、
   前記浮体に昇降自在に取り付けられて、前記発電機を支持する支持構造体と、
   前記支持構造体を昇降させて前記発電機を水中と浮体上との間で移動させる昇降装置と、
   前記浮体を固定物に係留する係留具と、
   前記浮体に設けられ、バラスト水を貯留するバラストタンクと、
   を備え、
   前記浮体は、前記バラストタンクにバラスト水が注水されて水中に沈降し、前記バラストタンクに貯留されたバラスト水が排水されて水面上に浮上する、
   水流発電設備。
2. 請求項１において、前記バラスト水の注水および排水を制御するバラストコントローラをさらに備える水流発電設備。
3. 請求項２において、前記浮体の上部に、支柱を介して上部支持台が取り付けられている水流発電設備。
4. 請求項３において、前記バラストコントローラは、前記バラストタンクにバラスト水を注水して、前記上部支持台が水面近傍に位置するように前記浮体を沈降させる水流発電設備。
5. 請求項３または４において、前記支柱に前記支持構造体の昇降をガイドするガイドレールが設けられている水流発電設備。
6. 請求項２から５のいずれか一項において、前記バラストタンクが、当該発電設備の水平面内における重心から離れた位置に配置されている水流発電設備。
7. 請求項６において、前記バラストタンクが複数設けられ、前記バラストコントローラが、前記重心からの距離が大きいバラストタンクから順次注水する水流発電設備。

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