JP6830794B2 - 潮流発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、潮流発電装置に関する。

再生可能エネルギーを利用した発電方式として、海流の運動エネルギーから電力を生み出す潮流発電が知られている。例えば、特許文献１には、橋脚に支持された水車を備える発電装置が記載されている。そして、水車が橋脚に支持されていることで、水車を支持する支持構造を別途設ける必要がなくなることが記載されている。

特開２００５−２１４１４２号公報

ところで、潮流発電においては、海中の所定の位置に水車が位置決めされなければならない。しかしながら、潮流発電装置が設置される場所は海流が速い場所であるため、水車の設置作業及び保守等を要する際に生じる水車の撤去作業は容易ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、タービンの設置作業及び撤去作業を容易にすることができる潮流発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る潮流発電装置は、海洋構造物に支持されており少なくとも一部が海中に配置されたレールと、第１位置決め部材を備え、前記レールに沿って移動できる可動ユニットと、タービン、前記第１位置決め部材に嵌合する第２位置決め部材、及び自重を調節することができるフロートを備えるタービンユニットと、を備える。

これにより、タービンユニットが海中に設置される際、可動ユニットの位置が調節されることで、第１位置決め部材が第２位置決め部材に近付く。第１位置決め部材が第２位置決め部材に近付いた状態で、フロートの自重が大きくされると、タービンユニットが下降することで第２位置決め部材が第１位置決め部材に嵌合する。その後、タービンユニット２が可動ユニットと共に下降する。一方、タービンユニットが海中から撤去される際、フロートの自重が小さくされることで、可動ユニットを揚重するために必要な力が小さくなる。このため、可動ユニットの揚重が容易となる。したがって、潮流発電装置は、タービンの設置作業及び撤去作業を容易にすることができる。

本発明の望ましい態様として、前記可動ユニットを位置決めするためのストッパーを備えることが好ましい。

これにより、タービンユニットが海中に設置される際、タービンユニット及び可動ユニットの下降は、可動ユニットがストッパーに接することで停止する。このため、タービンの所定位置への位置決めが容易である。

本発明の望ましい態様として、前記可動ユニットは、前記タービンユニットに向かって突出した補助レールを備え、前記タービンユニットは、前記補助レールに案内されるガイド部材を備えることが好ましい。

これにより、タービンユニットは、ガイド部材が補助レールに接した状態で下降することができる。このため、第２位置決め部材が第１位置決め部材に嵌合する前において、第１位置決め部材に対する第２位置決め部材の水平方向の位置ずれが抑制される。このため、第２位置決め部材が第１位置決め部材に容易に嵌合する。

本発明の望ましい態様として、前記第１位置決め部材及び前記第２位置決め部材を、それぞれ複数備えることが好ましい。

これにより、複数の位置において第２位置決め部材が第１位置決め部材に嵌合する。このため、タービンユニットが海流を受けても揺動しにくくなる。このため、海流の運動エネルギーがタービンユニットの揺動によって消費されにくくなる。したがって、安定した発電ができる。

本発明によれば、タービンの設置作業及び撤去作業を容易にすることができる潮流発電装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る潮流発電装置を示す模式図である。 図２は、本実施形態に係るレール及び可動ユニットを示す正面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。 図４は、本実施形態に係るタービンユニットを示す正面図である。 図５は、本実施形態に係るタービンケースを示す斜視図である。 図６は、本実施形態に係るタービンユニットの設置方法を示すフローチャートである。 図７は、本実施形態に係るタービンユニットの撤去方法を示すフローチャートである。 図８は、本実施形態に係るタービンユニットが船に牽引されているときの様子を示す模式図である。 図９は、本実施形態に係る第２位置決め部材が第１位置決め部材に嵌合するときの様子を示す模式図である。 図１０は、本実施形態に係るフロートから排気されたときの様子を示す模式図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る潮流発電装置を示す模式図である。図１に示すように、潮流発電装置１００は、海流の運動エネルギーから電力を生み出す装置である。潮流発電装置１００は、橋梁９に支持され、橋梁９の近傍の海中に設置されている。橋梁９は、海峡のうち陸地間の距離が小さい位置に設けられている。このため、橋梁９が設けられる場所では海流の流れが比較的速くなっている。潮流発電装置１００は、橋梁９の近傍の海中に設置されているので、海流の運動エネルギーを容易に得ることができる。また、橋梁９には、潮流発電装置１００が生み出した電力を変電所等に送電するための送電線１０が設けられている。送電線１０は、橋梁９に沿って陸地まで設けられている。

図１に示すように、潮流発電装置１００は、支持部材８と、レール７と、可動ユニット４と、タービンユニット２と、を備える。支持部材８、レール７及び可動ユニット４によって、タービンユニット２が海中の所定位置に位置決めされている。

図１に示すように、支持部材８は、橋梁９の橋脚９１に固定された部材である。支持部材８は、例えば鋼鉄等で形成されており、横材８１と、横材８２と、縦材８３と、ストッパー８５と、を備える。横材８１は、水面より上方の位置で橋脚９１に固定されており、例えば橋梁９の長手方向に対して交差する方向に橋脚９１から突出している。横材８１は、例えば平面視で略Ｕ字状である。横材８２は、海中で橋脚９１に固定されており、例えば橋脚９１から横材８１と同じ方向に突出している。横材８２は、例えば平面視で横材８１に重なる略Ｕ字状である。縦材８３は、横材８１及び横材８２に固定されており、例えば鉛直方向に沿った棒状部材である。例えば、互いに平行な２つの縦材８３が横材８１及び横材８２に固定されている。ストッパー８５は、可動ユニット４を位置決めするための部材である。例えば、ストッパー８５は、縦材８３の下端部に固定されており、平面視でレール７に重なる。

図２は、本実施形態に係るレール及び可動ユニットを示す正面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、レール７は、鉛直方向に沿った長尺部材であって、例えばステンレス鋼等で形成されている。レール７の少なくとも一部は海中に配置されている。本実施形態においては、レール７の一端が水面より上に配置されており、レール７の他端が海中に配置されている。レール７は、支持部材８に取り付けられている。すなわち、レール７は、支持部材８を介して橋脚９１に支持されている。より具体的には、図３に示すように、レール７が２つの縦材８３のそれぞれに固定されている。レール７は、例えば凹部７１を備える。２つのレール７は、互いの凹部７１が対向するように配置されている。

可動ユニット４は、レール７に沿って移動することができる部材である。図２及び図３に示すように、可動ユニット４は、スライダ４１と、補助レール４２と、第１位置決め部材６と、を備える。

スライダ４１は、レール７の凹部７１に案内される部材である。スライダ４１は、例えば図２に示すように水平方向から見て枠状の部材であって、ステンレス鋼等で形成されている。図３に示すように、スライダ４１の水平方向の一端が一方の凹部７１に嵌まっており、他端が他方の凹部７１に嵌まっている。スライダ４１は、凹部７１に沿って鉛直方向に移動することができる。また、スライダ４１の下端部がレール７の下端部に位置するとき、スライダ４１は図１に示したストッパー８５に接する。これにより、スライダ４１の可動範囲が規制されている。

補助レール４２は、図２及び図３に示すよう鉛直方向に沿った長尺部材であって、例えばステンレス鋼等で形成されている。補助レール４２は、スライダ４１に取り付けられており、スライダ４１からタービンユニット２に向かって突出している。より具体的には、補助レール４２は、例えばスライダ４１に対して垂直な板状部材であって、スライダ４１の水平方向の中間位置に固定されている。

第１位置決め部材６は、海中でタービンユニット２を支持する部材である。第１位置決め部材６は、スライダ４１に固定されている。例えば、図２に示すように６つの第１位置決め部材６がスライダ４１に固定されている。３つの第１位置決め部材６が鉛直方向で等間隔に並べられており、３つの第１位置決め部材６で形成された列が２列設けられている。また、一方の列における第１位置決め部材６の鉛直方向の位置は、他方の列における第１位置決め部材６の鉛直方向の位置と同じである。また、図３に示すように、第１位置決め部材６は、凹部６１を備える。凹部６１は、鉛直方向下側に向かって内径が小さくなる円錐状の窪みである。

図４は、本実施形態に係るタービンユニットを示す正面図である。図４に示すように、タービンユニット２は、タービンケース２０と、タービン２１と、発電機２２と、フロート２３と、第２位置決め部材５と、ローラー２５と、を備える。

図５は、本実施形態に係るタービンケースを示す斜視図である。タービンケース２０は、タービン２１を収容するための部材である。図５に示すように、タービンケース２０は、例えば直方体状の部材である。具体的には、タービンケース２０は、縦材２０１と、横材２０２と、横材２０３と、横材２０４と、横材２０５と、を備える。縦材２０１は、長尺部材であり、例えば４本設けられている。横材２０２、横材２０３、横材２０４及び横材２０５は、例えば平面視で互いに重なる矩形の部材である。それぞれの縦材２０１が横材２０２、横材２０３、横材２０４及び横材２０５の頂点を連結している。横材２０２、横材２０３、横材２０４及び横材２０５の一辺は、縦材２０１の長さよりも短い。

タービンケース２０は、タービン２１を回転可能に支持している。例えば、横材２０２及び横材２０５に支持された軸受によって、タービン２１のシャフトが支持されている。また、タービンケース２０は、複数の開口部を有するので、タービン２１を支持しながらもタービン２１に海水を導くことができる。また、タービンケース２０は、海流によって流されてきた大きな浮遊物とタービン２１との接触を抑制することができる。これにより、タービン２１の破損が抑制される。

タービン２１は、海流を受けることで、例えば鉛直方向に平行な軸を中心に回転する。タービン２１は発電機２２に接続されており、タービン２１の回転は発電機２２に伝達される。これにより、タービン２１が回転すると発電機２２で電力が生じる。発電機２２は、橋梁９に設けられた送電線１０に接続されている。このため、発電機２２で生じた電力は送電線１０によって変電所等に送電される。また、発電機２２はタービン２１の鉛直方向上側に配置されている。これにより、発電機２２から送電線１０までの距離が短くなるので、発電機２２と送電線１０とを結ぶ電線が短くなる。

フロート２３は、例えばポンプ等によって空気の注入及び排出が可能である中空部材である。フロート２３は、例えば樹脂等で形成されている。図４に示すように、フロート２３は、発電機２２の鉛直方向上側に取り付けられている。なお、空気ではなく液体がフロート２３に注入及び排出されてもよい。

図１及び図４に示すように、第２位置決め部材５は、タービンケース２０から水平方向に突出する部材である。第２位置決め部材５は、第１位置決め部材６に嵌合する部材である。例えば、図４に示すように６つの第２位置決め部材５がタービンケース２０に固定されている。３つの第２位置決め部材５が鉛直方向で等間隔に並べられており、３つの第２位置決め部材５で形成された列が２列設けられている。また、一方の列における第２位置決め部材５の鉛直方向の位置は、他方の列における第２位置決め部材５の鉛直方向の位置と同じである。鉛直方向で隣り合う第２位置決め部材５間の距離は、鉛直方向で隣り合う第１位置決め部材６間の距離（図２参照）に等しい。水平方向で隣り合う第２位置決め部材５間の距離は、水平方向で隣り合う第１位置決め部材６間の距離（図２参照）に等しい。また、図４に示すように、第２位置決め部材５は、円錐部５１を備える。円錐部５１は、円盤部５２の鉛直方向下側に設けられた円錐状の部材である。円錐部５１の外径は、鉛直方向下側に向かって小さくなっている。言い換えると、円錐部５１は、鉛直方向下側に向かって突出する楔形の突起である。円錐部５１は、第１位置決め部材６の凹部６１に嵌合する形状を有する。

ローラー２５は、補助レール４２に対応するガイド部材としてタービンケース２０に取り付けられた回転部材である。ローラー２５は、タービンケース２０から第２位置決め部材５が突出する方向と同じ方向に突出している。ローラー２５は、水平方向に平行な軸を中心に回転することができる。例えば、図４に示すように４つのローラー２５がタービンケース２０に固定されている。鉛直方向で同じ位置に配置された２つのローラー２５を１組として、２組が鉛直方向の異なる位置に配置されている。水平方向に隣り合うローラー２５間の距離Ｄ２は、図３に示した補助レール４２の幅Ｄ１に略等しい。このため、２つのローラー２５が補助レール４２を挟むことができる。ローラー２５が補助レール４２に接した状態でローラー２５及び補助レール４２の少なくとも一方が移動すると、ローラー２５が補助レール４２上を転がる。

なお、レール７の長手方向は、必ずしも鉛直方向に沿っていなくてもよく、鉛直方向に対して角度を有していてもよい。また、タービン２１は、必ずしも例えば鉛直方向に平行な軸を中心に回転しなくてもよく、鉛直方向に角度を有する軸を中心に回転してもよい。

なお、補助レール４２の長手方向は、必ずしも鉛直方向に沿っていなくてもよく、鉛直方向に対して角度を有していてもよい。また、補助レール４２に案内されるガイド部材は、必ずしもローラー２５でなくてもよく、例えばタービンケース２０から補助レール４２に向かって突出する単なる突起であってもよい。また、補助レール４２及びローラー２５はなくてもよい。

なお、第１位置決め部材６及び第２位置決め部材５は、必ずしも上述した形状でなくてもよい。例えば、第１位置決め部材６が円錐部５１に相当する突起を有しており、第２位置決め部材５が凹部６１に相当する窪みを有していてもよい。また、第１位置決め部材６及び第２位置決め部材５の数は、必ずしもそれぞれ６つでなくてもよく、５つ以下であってもよいし、７つ以上であってもよい。

なお、ストッパー８５は、必ずしも支持部材８に固定されていなくてもよい。例えば、ストッパー８５は、レール７に固定されていてもよく、レール７の凹部７１の内壁から突出する突起等であってもよい。

なお、タービンケース２０の縦材２０１、横材２０２、横材２０３、横材２０４及び横材２０５は、必ずしも図３に示すように角材で形成されていなくてもよい。例えば、横材２０２、横材２０３、横材２０４及び横材２０５は、それぞれ丸棒材で形成されていてもよい。

なお、支持部材８は、必ずしも橋梁９の橋脚９１に支持されなくてもよく、海洋構造物に支持されていればよい。例えば、支持部材８は、海洋構造物として防波堤、桟橋又は埠頭等の港湾構造物に支持されていてもよい。

図６は、本実施形態に係るタービンユニットの設置方法を示すフローチャートである。図７は、本実施形態に係るタービンユニットの撤去方法を示すフローチャートである。図８は、本実施形態に係るタービンユニットが船に牽引されているときの様子を示す模式図である。図９は、本実施形態に係る第２位置決め部材が第１位置決め部材に嵌合するときの様子を示す模式図である。図１０は、本実施形態に係るフロートから排気されたときの様子を示す模式図である。タービンユニット２が海中に設置された後、タービンユニット２に対して保守等を要する際には、タービンユニット２は海中から撤去されることがある。例えば従来技術において、タービンの設置作業又は撤去作業は、大型のクレーン設備等を備える作業船等が必要である。海流が速い場所でこのような作業船を用いてタービンの設置作業又は撤去作業を行うことは容易ではない。

図６に示すように、タービンユニット２が設置される際、まずタービンユニット２が船１１で牽引される（ステップＳ１１）。具体的には、図８に示すように、タービンユニット２は、ロープ１２によって船１１に繋がれた状態で船１１に牽引される。この時、例えばフロート２３の中は空気で満たされている。これにより、タービンユニット２は、フロート２３が水面に浮かんだ状態で牽引される。

次に、可動ユニット４の位置が調節される（ステップＳ１２）。具体的には、人力またはウインチ等の機械によって可動ユニット４が揚重される。可動ユニット４の位置は、第１位置決め部材６の鉛直方向の位置が鉛直方向で隣り合う第２位置決め部材５の間となるように調節される。なお、ステップＳ１２は、図８に示すようにステップＳ１１と同時に行われてもよいし、ステップＳ１１の前に行われてもよい。

次に、タービンユニット２が可動ユニット４に嵌められる（ステップＳ１３）。具体的には、タービンユニット２が可動ユニット４に向かって押し込まれることで、図３に示すようにローラー２５が補助レール４２を挟む。これにより、図９に示すように、それぞれの第２位置決め部材５が対応する第１位置決め部材６に対向する状態となる。また、ローラー２５が補助レール４２を挟んでいるので、タービンユニット２の揺動が抑制される。

次に、タービンユニット２が船１１から離脱させられる（ステップＳ１４）。具体的には、タービンユニット２とロープ１２との連結が解除され、ロープ１２が船１１に回収される。

そして、フロート２３からの排気が開始される（ステップＳ１５）。例えば、船１１に設けられたポンプがフロート２３にホース等で接続され、ポンプが稼働することにより排気が行われる。具体的には、少なくともタービンユニット２の自重がタービンユニット２に作用する浮力を上回るように排気量が調節される。これにより、フロート２３の中に海水が浸入しタービンユニット２が自重により下降することで、第２位置決め部材５が第１位置決め部材６に嵌まる。そして、タービンユニット２は、図１０に示すように可動ユニット４と共にレール７に沿って海中へ沈んでいく。その後、可動ユニット４がストッパー８５に接することで、可動ユニット４及びタービンユニット２が停止する。これにより、タービンユニット２が鉛直方向に位置決めされ、図１に示した状態となる。このようにして、タービンユニット２は海中に設置される。

なお、タービンユニット２を下降させる方法は、ステップＳ１５のようにフロート２３からの排気による方法でなくてもよい。例えば、ステップＳ１３の後にフロート２３が撤去されてもよい。これにより、タービンユニット２に作用する浮力が減少するので、タービンユニット２が自重により可動ユニット４と共に下降する。

図８に示すように、タービンユニット２が撤去される際、まずフロート２３への給気が開始される（ステップＳ２１）。例えば、船１１に設けられたポンプがフロート２３にホース等で接続され、ポンプが稼働することにより給気が行われる。具体的には、タービンユニット２の自重がタービンユニット２に作用する浮力と略等しくなるように給気量が調節される。これにより、可動ユニット４を揚重するために必要な力は、可動ユニット４の自重に略等しくなる。このため、ステップＳ１２（図６参照）で用いた方法と同じ方法で可動ユニット４の揚重が可能な状態となる。

次に、可動ユニット４が揚重される（ステップＳ２３）。具体的には、人力またはウインチ等の機械によって可動ユニット４が揚重される。これにより、可動ユニット４と共にタービンユニット２が水面に向かって上昇する。

次に、水面に浮上したタービンユニット２が船１１に連結される（ステップＳ２３）。具体的には、タービンユニット２がロープ１２によって船１１に連結される。

次に、タービンユニット２が可動ユニット４から離脱させられる（ステップＳ２４）。具体的には、ローラー２５が補助レール４２から外される。これにより、タービンユニット２は水平方向に移動可能となる。

そして、タービンユニット２が船１１で牽引される（ステップＳ２５）。具体的には、タービンユニット２は、ロープ１２によって船１１に繋がれた状態で船１１に牽引される。このようにして、タービンユニット２は撤去される。

以上で説明したように、潮流発電装置１００は、海洋構造部（橋脚９１）に支持されており少なくとも一部が海中に配置されたレール７と、第１位置決め部材６を備え、レール７に沿って移動できる可動ユニット４と、タービンユニット２と、を備える。タービンユニット２は、タービン２１、第１位置決め部材６に嵌合する第２位置決め部材５、及び自重を調節することができるフロート２３を備える。

これにより、タービンユニット２が海中に設置される際、可動ユニット４の位置が調節されることで、第１位置決め部材６が第２位置決め部材５に近付く。第１位置決め部材６が第２位置決め部材５に近付いた状態で、フロート２３の自重が大きくされると、タービンユニット２が下降することで第２位置決め部材５が第１位置決め部材６に嵌合する。その後、タービンユニット２が可動ユニット４と共に下降する。一方、タービンユニット２が海中から撤去される際、フロート２３の自重が小さくされることで、可動ユニット４を揚重するために必要な力が小さくなる。このため、可動ユニット４の揚重が容易となる。したがって、潮流発電装置１００は、タービン２１の設置作業及び撤去作業を容易にすることができる。より具体的には、潮流発電装置１００は、従来技術において必要であった大型クレーン設備を備える作業船を不要とすることができる。

また、潮流発電装置１００は、可動ユニット４を位置決めするためのストッパー８５を備える。

これにより、タービンユニット２が海中に設置される際、タービンユニット２及び可動ユニット４の下降は、可動ユニット４がストッパー８５に接することで停止する。このため、タービン２１の所定位置への位置決めが容易である。

また、潮流発電装置１００においては、可動ユニット４は、タービンユニット２に向かって突出した補助レール４２を備える。タービンユニット２は、補助レール４２に案内されるガイド部材（ローラー２５）を備える。

これにより、タービンユニット２は、ガイド部材（ローラー２５）が補助レール４２に接した状態で下降することができる。このため、第２位置決め部材５が第１位置決め部材６に嵌合する前において、第１位置決め部材６に対する第２位置決め部材５の水平方向の位置ずれが抑制される。このため、第２位置決め部材５が第１位置決め部材６に容易に嵌合する。

また、潮流発電装置１００は、第１位置決め部材６及び第２位置決め部材５をそれぞれ複数備える。

これにより、複数の位置において第２位置決め部材５が第１位置決め部材６に嵌合する。このため、タービンユニット２が海流を受けても揺動しにくくなる。具体的には、タービンユニット２において、２つのレール７を含む鉛直面に対する直交平面（図２において紙面に対して直交する鉛直面）に対して角度をなす方向の動きが抑制される。このため、海流の運動エネルギーがタービンユニット２の揺動によって消費されにくくなる。したがって、安定した発電ができる。

また、潮流発電装置１００においては、複数の第１位置決め部材６は、鉛直方向において複数の位置に配置されている。

これにより、鉛直方向の複数の位置で第２位置決め部材５が第１位置決め部材６に嵌合する。このため、タービンユニット２が海流を受けても揺動しにくくなる。具体的には、タービンユニット２において、２つのレール７を含む鉛直面（図２において紙面に平行な面）に対して角度をなす方向の動きが抑制される。このため、海流の運動エネルギーがタービンユニット２の揺動によって消費されにくくなる。したがって、安定した発電ができる。

１０ 送電線
１００ 潮流発電装置
１１ 船
１２ ロープ
２ タービンユニット
２０ タービンケース
２０１ 縦材
２０２、２０３、２０４、２０５ 横材
２１ タービン
２２ 発電機
２３ フロート
４ 可動ユニット
４１ スライダ
４２ 補助レール
５ 第２位置決め部材
５１ 円錐部
６ 第１位置決め部材
６１ 凹部
７ レール
７１ 凹部
８ 支持部材
８１、８２ 横材
８３ 縦材
８５ ストッパー
９ 橋梁
９１ 橋脚

Claims (3)

1. 海洋構造物に支持されており少なくとも一部が海中に配置されたレールと、
   第１位置決め部材を備え、前記レールに沿って移動できる可動ユニットと、
   タービン、前記第１位置決め部材に嵌合する第２位置決め部材、及び自重を調節することができるフロートを備えるタービンユニットと、
   を備え、
   前記可動ユニットは、前記タービンユニットに向かって突出した補助レールを備え、
   前記タービンユニットは、前記補助レールに案内されるガイド部材を備える
   潮流発電装置。
2. 前記可動ユニットを前記レールに対して位置決めするためのストッパーを備える請求項１に記載の潮流発電装置。
3. 前記第１位置決め部材及び前記第２位置決め部材を、それぞれ複数備える請求項１又は２に記載の潮流発電装置。

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