JP7197896B2 - 潮流発電システムおよび係留装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 「低コストかつ低流速潮流域へ適用可能な浮沈式潮流発電システムの開発研究」 日本海洋工学会・日本船舶海洋工学会 第２７回海洋工学シンポジウム 日本大学理工学部駿河台キャンパス１号館（東京都千代田区神田駿河台１－８－１４） 平成３０年８月７日

本発明は、潮流によって発電する潮流発電システムおよびその係留装置に関する。

満ち潮時および引き潮時の海水の流れ、すなわち潮流によって発電する潮流発電システムが知られている。潮流発電システムは、海水中にタービンを配置し、潮流によるタービンの回転によって発電機を回転させて発電する。発電機は、たとえば海底から伸びる索によって係留される。

特開昭５５－７２６６５号公報 特許第４６４２７４７号公報 特許第６１５００４６号公報

係留索に繋がれて浮遊する発電装置で発電する潮流発電システムにおいては、潮流の向きの変化に応じて発電装置の向きを変える必要がある。

特許文献１では、発電機を装着した浮遊体の重心と浮力中心が、浮遊体の中心線上で一致するように為し、この点を通って中心線と直交する水平線上に係留点４を設け、係留点より前後で浮遊体の断面一次モーメントを変えることが示されている。

また、重心と浮力中心と係留点４が全て一致していると潮流が無くなる憩流時には、浮遊体の姿勢が一意に決まらないため、第８図の説明（段落７、１行目から５行目）においては係留点４を浮遊体の入口側にずらして設けるとしている。

しかしながら、上述のように係留点をずらすと、浮遊体の浮力は重力よりも大きいため、係留点に対して、重力によるモーメントよりも浮力のモーメントの方が大きくなり、潮流が発生したときに浮遊体を水平に保持することができない。

特許文献２では、タービンブレード５を備えたタービン３を旋回可能にするために係留点９を有し、タービンの重心と浮力中心が互いに離間していることが示されている。

特許文献２における重心と浮力中心の位置関係は明示されていないが、憩流時に図１の姿勢８になるようにするには、タービン３の浮力中心が重心よりもタービンブレード５側にあるとすることができる。

しかしながら、上述のような位置関係にすると、係留点に対して、重力によるモーメントよりも浮力のモーメントの方が大きくなり、潮流が発生したときにタービンを水平に保持することができない。

また、係留索に繋がれて浮遊する発電装置で発電する潮流発電システムにおいて、潮流が大きくなって発電装置が潮流から受ける力が大きくなると、発電装置の沈み込みが大きくなる。発電装置の沈み込みが大きくなると、発電装置が海底に接触し、破損するおそれがある。

そのために特許文献３では、発電装置の沈み込みによる係留索７の角度変化を検知する係留角度検知手段９を備えているが、錆や海洋生物の付着を考えると、このような検出器を備えないほうが望ましい。

そこで、本発明は、潮流発電システムにおいて潮流が大きくなった場合でも、発電装置が海底に接触する可能性を低減することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、潮流発電システムにおいて、潮流によって回転するタービンと、前記タービンの回転で発電する発電機と、前記タービンと前記発電機とを内側に保持し、外側に係留点が形成されたケーシングと、を備えた発電装置と、海底に係止されて前記海底から前記ケーシングに伸びて前記係留点に係止された係留索と、を有する潮流発電システムであって、前記ケーシングは、第１開口および第２開口に向かって貫通する環状であって、前記第２開口が前記第１開口よりも大きな漏斗状に形成されていて、前記係留点が前記第２開口よりも前記第１開口に近く、前記発電装置の浮力中心が前記係留点よりも前記第２開口に近く、前記発電装置の重心が前記浮力中心よりも前記第２開口に近く、前記浮力中心と前記係留点との距離に前記発電装置の浮力を乗じた値が前記重心と前記係留点との距離に前記発電装置の重力を乗じた値以上である、ことを特徴とする。

本発明によれば、潮流発電システムにおいて潮流が大きくなった場合でも、発電装置が海底に接触する可能性を低減することができる。

本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態の側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態の上面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態における発電装置の側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態における発電装置の正面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態における発電装置の背面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態の憩流時の姿勢を示す側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態の潮流が大きい場合の姿勢を示す側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態の潮流がさらに大きい場合の姿勢を示す側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第２の実施の形態の側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第３の実施の形態の側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第３の実施の形態の上面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第３の実施の形態の憩流時の姿勢を示す側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第３の実施の形態の潮流がより大きい場合の姿勢を示す側面図である。 本発明に係る潮流発電システムの第３の実施の形態の潮流がさらに大きい場合の姿勢を示す側面図である。

本発明に係る潮流発電システムのいくつかの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、これらの実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る潮流発電システムの第１の実施の形態の側面図である。図２は、本実施の形態の潮流発電システムの上面図である。図３は、本実施の形態における発電装置の側面図である。図４は、本実施の形態における発電装置の正面図である。図５は、本実施の形態における発電装置の背面図である。

本実施の形態の潮流発電システム１０は、潮流によって発電する。ここで、潮流とは、海の水（海水）の流れのことであり、潮の満ち干によって周期的に向きが変わる海水の流れを含む。たとえば海水は、満潮に向かう時間帯には概ね矢印９１の方向に流れ、干潮に向かう時間帯には矢印９２の方向に流れる。図１は、潮流の向きが矢印９２の向きのときの状況を示している。

潮流発電システム１０は、発電装置２０と係留索３０と中間錘４０とを有する。発電装置２０は、タービン２７と発電機２６とケーシング２３とを有している。ケーシング２３は、第１開口２１から第２開口２２に向かって貫通する環状に形成されている。ケーシング２３の第１開口２１および第２開口２２は、いずれも円状である。ケーシング２３の第２開口２２は、第１開口２１よりも大きい。ケーシング２３は、漏斗状である。ケーシング２３の外面には、一対の水平翼２４が水平方向両側に突出している。

係留索３０は、海底５１にアンカー５０で係止されている。係留索３０は、海底５１からケーシング２３に伸びている。係留索３０の海底５１とは反対側の端部は、ケーシング２３に取り付けられている。係留索３０のケーシング２３側の端部は、２本に枝分かれしていて、それぞれケーシング２３の水平翼２４の係留点２５に取り付けられている。係留索３０の水平翼２４への取り付け部分は、回転自在である方が好ましい。

ケーシング２３は、たとえば樹脂製である。ケーシング２３は、水密の中空部分が内部に形成された鋼板製であってもよい。タービン２７は、たとえば樹脂製である。タービンは鋼板あるいは他の金属板で形成されていてもよい。発電機２６は、タービン２７の回転軸と結合していて、タービン２７の回転によって発電する。発電機２６には、図示しないケーブルが接続されていて、発電した電気はたとえば陸上の送電線に接続される。発電装置２０は、全体として海水中での浮力が重力よりも大きくなるように形成されている。

係留索３０は、たとえば金属製のワイヤを束ねたものである。アンカー５０は、係留索３０をたとえば回転自在に支持している。

中間錘４０は、たとえば鋼製であって、浮力よりも重力の方が大きい。中間錘４０は、係留索３０のたとえば中央に固定されている。係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける浮力の合計は、係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける重力よりも大きい。

図６は、本実施の形態の潮流発電システムの憩流時の姿勢を示す側面図である。

憩流時、すなわち、潮流がない、あるいは潮流の大きさがあるしきい値未満であるとき、係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける浮力の合計が係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける重力よりも大きいため、ケーシング２３の第２開口２２を上にして静止する。係留索３０が十分長い場合には、ケーシング２３は海面に浮かぶ。

図７は、本実施の形態の潮流発電システムの潮流が発生したときの姿勢の例を示す側面図である。

潮流の大きさがあるしきい値以上になると、図７に示すように、発電装置２０は、矢印９２の方向に流される。発電装置２０の軸と潮流との為す角θが正（θ>０度）の場合は、係留点２５に対して時計回りのモーメント９２２が作用する。θ＝０度になると、本実施の形態のようにケーシング２３を第１開口２１から第２開口２２に向かう軸を中心とする軸対称に形成しておけば、その対称性ゆえにモーメント９２２は０（ゼロ）となる。

図３に示すように、係留点２５は第１開口２１に比較的近い側に設けられている。発電装置２０の浮力中心２０１は、係留点２５よりも第２開口２２側に位置している。つまり、発電装置２０は、その浮力中心２０１が係留点２５と第２開口２２との間に位置するように形成されている。発電装置２０の重心２０２は、浮力中心２０１よりも更に第２開口２２側に位置している。つまり、発電装置２０は、その重心２０２が浮力中心２０１と第２開口２２との間に位置するように形成されている。

係留点２５と浮力中心２０１の距離をａ、係留点２５と重心２０２の距離をｂとすると、
ａ×（発電装置の浮力）＝ｂ×（発電装置の重力）
のときに、発電装置２０の浮力および重力によって生じるモーメントが釣り合う。その結果、発電装置２０の軸心は潮流方向と一致し、水平になって潮流に正対する。なお、このとき発電装置２０の軸心が潮流方向と一致しているため、ケーシング２３が潮流から受ける力によって生じるモーメントは０（ゼロ）になる。

ａ×（発電装置の浮力）＞ｂ×（発電装置の重力）
のときは、係留点２５に対して第２開口２２を上に向ける（図３における反時計回りの方向の）モーメントが作用する。このため、発電装置２０の軸と潮流の為す角θが正（θ>０度）となり、発電装置２０が潮流から受けるモーメントと、発電装置２９の浮力および重力によって発電装置２０に生じるモーメントとが釣り合う角度で、発電装置２０はほぼ静止する。

図１に示すように、発電装置２０は、上流側に第１開口２１、下流側に第２開口２２を向く姿勢で、流れに正対して流される。係留索３０の長さは有限であるから、発電装置２０が下流側に流されると、発電装置２０は海中に沈みこむ。

発電装置２０が潮流がある海中に沈みこむと、タービン２７が回転する。タービン２７が回転すると、発電機２６の軸が回転し、発電機２６は回転する。

発電装置２０は、いわゆる風レンズを用いた風車と同様の構造である。つまり、ケーシング２３が集流体として働くことにより、より強い流れがタービン２７にあたる。また、ケーシング２３の下流側で渦が形成されるため、第２開口２２付近の圧力が低下し、海水の流れがより速くなる。このため、発電効率が向上する。

図８は、本実施の形態の潮流発電システムの潮流がさらに大きい場合の姿勢を示す側面図である。

潮流が大きくなると、発電装置２０を水平方向に押す力が大きくなるため、発電装置２０はより深く沈み込む。潮流から受ける力と、係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける浮力とのバランスが取れる位置で、発電装置２０は安定する。

潮流がさらに大きくなると、まず、中間錘４０が海底５１に接触する。中間錘４０が海底５１に接触すると、見かけ上、中間錘４０および係留索３０のアンカー５０から中間錘４０までに働く重力がなくなる。このため、見かけ上、発電装置２０に働く浮力が大きくなる。その結果、発電装置２０の沈み込みが抑制される。

このように、本実施の形態の潮流発電システム１０では、潮流が大きくなった場合でも、検出器等を用いずに、発電装置２０が海底５１に接触する可能性が低減される。その結果、発電装置２０が海底に接触することによる破損の可能性が低減される。よって、潮流発電システム１０を経済的で信頼性の高いシステムとすることができる。また、潮流は海底５１付近よりもある程度上方の方が強いため、本実施の形態の潮流発電システム２０は、発電量があまり低下しない。

上げ潮から下げ潮に変化して潮流の向きが反転した場合など、潮流の向きが変化した場合であっても、発電装置２０は潮流に正対して発電する。その結果、発電装置２０の発電効率を向上させることができる。

また、本実施の形態の潮流発電システムでは、ケーシング２３に水平翼２４を設けているので、軸を中心とした回転方向の振動が抑制される。係留索３０の水平翼２４への取り付け部分が回転自在だと、ケーシング２３の姿勢の変化に応じて水平翼２４の係留点２５が回転するため、係留点に過度の応力が生じることがない。

発電装置２０の浮力中心２０１は、係留点２５よりも第２開口２２側に偏って位置している。このため、潮流が小さくなって発電できなくなった際には、第２開口２２が上方を向くように、発電装置２０は約９０度回転して姿勢を変える。このため、係留索３０の取り付け部分が同じ方向に回転して捻じれが蓄積することがない。

さらに、発電装置２０の浮力中心２０１が係留点２５よりも第２開口２２に近いように形成しておくことにより、潮流が小さくなったときには、発電装置２０は第２開口２２が上に向く姿勢をとる。第２開口２２は第１開口２１よりも大きいため、第２開口２２が上に向く姿勢をとっていると、海上からアクセスしやすく、メンテナンスを行いやすい。また、第１開口２１よりも大きい第２開口２２が上を向いているため、潮流から発電装置２０が受ける力によって生じるモーメントは、発電装置２０が第１開口２１から第２開口２２への向きが潮流に平行になる向きになる。このため、潮流が低速である場合であっても、第１開口２１が上流側で第２開口２２が下流側となる向きになる。

本実施の形態において、中間錘４０は、係留索３０に固定されているが、重力で係留索３０を鉛直下方に引っ張るものであれば、どのようなものであってもよい。たとえば、係留索３０にロープを固定して、そのロープの下端に錘を取り付けたものでもよい。また、中間錘４０は、複数であってもよい。さらに、中間錘４０は、係留索３０の中央部分の所定の範囲を移動可能な状態で係留索３０に取り付けられていてもよい。

本実施の形態では、ケーシング２３は、横断面が外円と内円とで囲まれる環状であるが、円に限定されるわけではなく、多角形であってもよい、たとえば外円および内円のいずれか一方、あるいは両方が多角形であってもよい。また、外円と内円のいずれか一方、あるいは両方が楕円であってもよい。さらに、第１開口２１から第２開口に向かって、円から楕円にあるいは楕円から円に変化していても良いし、円から多角形にあるいは多角形から円に変化していても良い。

［第２の実施の形態］
図９は、本発明に係る潮流発電システムの第２の実施の形態の側面図である。

本実施の形態の潮流発電システム１０は、第１の実施の形態の潮流発電システム（たとえば図１参照）から中間錐４０を削除したものである。

潮流の大きさがあるしきい値以上になると、発電装置２０は、矢印９２の方向に流される。発電装置２０の軸と潮流との為す角θが正（θ>０度）の場合は、係留点２５に対して時計回りのモーメント９２２が作用する。θ＝０度になると、本実施の形態のようにケーシング２３を第１開口２１から第２開口２２に向かう軸を中心とする軸対称に形成しておけば、その対称性ゆえにモーメント９２２は０（ゼロ）となる。

係留点２５と浮力中心２０１の距離をａ、係留点２５と重心２０２の距離をｂとすると、
ａ×（発電装置の浮力）＝ｂ×（発電装置の重力）
のときに、発電装置２０の浮力および重力によって生じるモーメントが釣り合う。その結果、発電装置２０の軸心は潮流方向と一致し、水平になって正対する。なお、このとき発電装置２０の軸心が潮流方向と一致しているため、ケーシング２３が潮流から受ける力によって生じるモーメントは０（ゼロ）になる。

ａ×（発電装置の浮力）＞ｂ×（発電装置の重力）
のときは、係留点２５に対して第２開口２２を上に向ける（図３における反時計回りの方向の）モーメントが作用する。このため、発電装置２０の軸と潮流の為す角θが正（θ>０度）となり、発電装置２０が潮流から受けるモーメントと、発電装置２０の浮力および重力によって発電装置２０に生じるモーメントとが釣り合う角度で、発電装置２０はほぼ静止する。

また、潮流の最大の大きさが予めわかっている場合には、発電装置２０の浮力と重力の関係を適切に規定して海底５１への接触を防止することができる。

発電装置２０の浮力中心と重心の位置関係を調整するために、発電機２６と略同軸上に付加質量を固定してもよい。その付加質量は、ネジ・ナット機構のナット部であってもよく、また単位重量の質量板を複数枚重ねて固定する形態であってもよい。

［第３の実施の形態］
図１０は、本発明に係る潮流発電システムの第３の実施の形態の側面図である。図１１は、本実施の形態の潮流発電システムの上面図である。

本実施の形態の潮流発電システム１１は、係留索３０が４本である。また、中間錘４０は、それぞれの係留索３０の中央に固定されている。４本の係留索３０は、発電装置２０に対して潮流の向きの両側にそれぞれ２本ずつ、設けられている。発電装置２０に対して潮流の向きの同じ側に位置する係留索３０は、潮流の流れを横切る方向に離間した位置で海底に係止されている。発電装置２０に対して潮流の向きの同じ側に位置する係留索３０の係止位置の幅は、発電装置２０への係留索３０の取り付け位置の幅よりも広い。

このような潮流発電システム１１であっても、潮流の向きは、満ち潮時と引き潮時で逆であるものの、概ね一定の方角である。したがって、４本の係留索３０で発電装置２０をつなぎとめておいても、潮流の向きに概ね正対することができる。

図１２は、本実施の形態の潮流発電システムの憩流時の姿勢を示す側面図である。

憩流時、すなわち、潮流がない、あるいは潮流の大きさがあるしきい値未満であるとき、係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける浮力の合計が係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける重力よりも大きいため、ケーシング２３の第２開口２２を上にして静止する。係留索３０が十分長い場合には、ケーシング２３は海面に浮かぶ。

潮流が大きくなると、発電装置２０を水平方向に押す力が大きくなるため、図９に示すように、発電装置２０は深く沈み込む。潮流から受ける力と、係留索３０と中間錘４０と発電装置２０とが受ける浮力とのバランスが取れる位置で、発電装置２０は安定する。この際、下流側の係留索３０に取り付けられた中間錘４０の方が、上流側の中間錘４０に比べて深く沈み込む。

図１３は、本実施の形態の潮流発電システムの潮流がより大きい場合の姿勢を示す側面図である。

潮流がより大きくなると、まず、下流側の係留索３０に取り付けられた中間錘４０が海底５１に接触する。中間錘４０が海底５１に接触すると、見かけ上、中間錘４０および係留索３０のアンカー５０から中間錘４０までに働く重力がなくなる。このため、見かけ上、発電装置２０に働く浮力が大きくなる。その結果、発電装置２０の沈み込みが抑制される。

図１４は、本実施の形態の潮流発電システムの潮流がさらに大きい場合の姿勢を示す側面図である。

図１４の状態よりも潮流がさらに大きくなると、上流側の係留索３０に取り付けられた中間錘４０も海底５１に接触する。中間錘４０が海底５１に接触すると、見かけ上、中間錘４０および係留索３０のアンカー５０から中間錘４０までに働く重力がなくなる。このため、見かけ上、発電装置２０に働く浮力がより大きくなる。その結果、発電装置２０の沈み込みがさらに抑制される。

このように、本実施の形態の潮流発電システム１１では、潮流が大きくなった場合でも、発電装置２０が海底５１に接触する可能性が低減される。その結果、発電装置２０が海底に接触することによる破損の可能性が低減される。また、潮流は海底５１付近よりもある程度上方の方が強いため、本実施の形態の潮流発電システム１１は、発電量があまり低下しない。

さらに、本実施の形態では、上流側および下流側に中間錘４０が配置されているため、中間錘４０の海底５１への着底による浮力の変化を２段階とすることができる。このため、より幅広い潮流の大きさに対して、海水中の適正な高さを維持することができる。

また、本実施の形態では、係留索３０を潮流の流れを横切る方向に離間した場所で海底に係止している。このため、潮流の向きが変化した場合であっても、潮流の向きを挟んで一方の係留索３０に取り付けられた中間錘４０が先に海底５１に接触することになるため、発電装置２０の水平方向の揺れ（ヨーイング）が抑制される。

１０…潮流発電システム、１１…潮流発電システム、２０…発電装置、２１…第１開口、２２…第２開口、２３…ケーシング、２４…水平翼、２５…係留点、２６…発電機、２７…タービン、３０…係留索、４０…中間錘、５０…アンカー、５１…海底、２０１…浮力中心、２０２…重心、９２２…モーメント

Claims (3)

1. 潮流によって回転するタービンと、前記タービンの回転で発電する発電機と、前記タービンと前記発電機とを内側に保持し、外側に係留点が形成されたケーシングと、を備えた発電装置と、
   海底に係止されて前記海底から前記ケーシングに伸びて前記係留点に係止された係留索と、
   を有する潮流発電システムであって、
   前記ケーシングは、第１開口および第２開口に向かって貫通する環状であって、前記第２開口が前記第１開口よりも大きな漏斗状に形成されていて、
   前記係留点が前記第２開口よりも前記第１開口に近く、
   前記発電装置の浮力中心が前記係留点よりも前記第２開口に近く、
   前記発電装置の重心が前記浮力中心よりも前記第２開口に近く、
   前記浮力中心と前記係留点との距離に前記発電装置の浮力を乗じた値が前記重心と前記係留点との距離に前記発電装置の重力を乗じた値以上である、
   ことを特徴とする潮流発電システム。
2. 前記ケーシングと前記海底との間で前記係留索を鉛直下方に引っ張る中間錘を更に有することを特徴とする請求項１に記載の潮流発電システム。
3. 前記係留索は、前記潮流の流れの方向に離間した場所で前記海底に係止された２本を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の潮流発電システム。

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