(57)【要約】      （修正有）【課題】様々な運航状況に応じて、推進に用いるエネルギーを主機関と補助機関で適切に使い分け、補助機関で発電された電力や外部供給電力を有効に活用するように制御できる省エネ効果の高いハイブリッド推進式船舶を提供する。【解決手段】主機関１と、推進電動機兼軸発電機である補助機関４と、蓄電手段７と、船体を推進するための推進手段３とを含む船舶であって、主機関は、推進手段及び補助機関の軸発電機を駆動し、補助機関は、蓄電手段から供給された電力により推進電動機を回転させて推進手段に推進力を与えること、及び主機関からのエネルギーにより軸発電機を回転して発電させることができるように構成され、蓄電手段は、補助手段の軸発電機により発電された電力及び陸上電源より供給された電力を蓄電すること、並びに補助手段の推進電動機及び船内に電力を供給することができるように構成されている。【選択図】図１
2019018820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主機関と、推進電動機兼軸発電機である補助機関と、蓄電手段と、船体を推進するための推進手段とを含む船舶であって、
主機関は、推進手段に推進力を与えること、及び補助機関の軸発電機を回転することができるように構成され、
補助機関は、蓄電手段から供給された電力により推進電動機を回転させて推進手段に推進力を与えること、及び主機関からのエネルギーにより軸発電機を回転して発電させることができるように構成され、
蓄電手段は、補助手段の軸発電機により発電された電力及び陸上電源より供給された電力を蓄電すること、並びに補助手段の推進電動機及び船内に電力を供給することができるように構成されていることを特徴とするハイブリッド推進式船舶。
【請求項２】
常用航海時において、主機関が、推進手段に推進力を与え、かつ補助機関の軸発電機を回転して発電させ、発電した電力を蓄電手段に蓄電するように制御されることができることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項３】
主機関が使用されず、補助機関の推進電動機が蓄電手段から供給される電力により動かされ、これにより推進手段に推進力を与えるように制御されることができることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項４】
停泊時において、主機関及び補助機関が使用されず、蓄電手段が船内の電力を供給するように制御されることができることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項５】
停泊時において、陸上電源により船内に電力を供給するか、及び／又は陸上電源により蓄電手段に電力を蓄電することができることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項６】
推進手段が可変ピッチプロペラを使用するものであり、これによりプロペラの回転数を一定に維持したまま船速調整が可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項７】
主機関が内燃機関であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項８】
蓄電手段が蓄電池を使用していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項９】
船舶が内航船であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運航状況に応じて、推進に用いるエネルギーを主機関と補助機関（推進電動機兼軸発電機）で適切に使い分け使用するとともに、蓄電手段を用いて補助機関又は船内の電力を供給することができる省エネ効果の高いハイブリッド推進式船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶は、他の交通機関に比べて高い省エネ性・低二酸化炭素排出性能を持ち、国内貨物輸送の内航海運へのモーダルシフトが、国家的規模で推奨されているものの、未だに動きは大きくない。モーダルシフトの推進のためにも、環境負荷及び運送コスト削減を実行できる高経済性船舶が広く求められている。
【０００３】
加えて近年の少子高齢化の人口構造による影響を多分に受け、内航船員不足も大きく表面化し、その解決策の一つとして革新的技術・新技術を用い、省エネ性の高い運航能力を有した船舶が内航船分野において出現することが期待されている。
【０００４】
船舶のエネルギー効率を高める方法や運航管理を最適化する方法としては、従来から様々な方法が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、主機関とプロペラ軸との間に発電及び駆動を行うことができる軸駆動発電機を介在させることにより、主機関なしで低速推進を可能とする船舶推進装置が提案されている。また、特許文献２では、定時運航を行うための運航管理を自動的に行うために計画運航パターン作成部と運航時間評価部と運航エネルギー評価部とを備えた船舶運航管理装置が提案されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置の軸駆動発電機は、主機関が作動不能な状態のときに緊急避難的に船舶を推進することができる程度のものであり、港内、湾内等の短距離航海での使用まで考慮されていない。また、特許文献２の装置は、各種の外乱を考慮した上で、定時運航を行うために必要な船速を自動決定するにすぎず、主機関と補助機関の間での適切な使い分け使用を提案するものではない。いずれにしても両特許文献は、主機関と補助機関と他の電源装置とを適切に構成して、常用航海、短距離航海、停泊などの運航状況に応じて船舶の推進と電力供給を省エネの観点から適切に制御して行なうことについて何ら具体的な提案がなされていない。
【０００７】
また、特許文献３では、主機関と補助駆動手段と発電手段と蓄電手段とエネルギー収支計画立案手段とを備え、さらにエネルギー収支計画に基づいて発電手段から蓄電手段への充電、蓄電手段から補助駆動手段への放電、停泊後の荷役に必要な電力を残すように補助駆動手段への放電の制御を行う蓄電制御手段を設けた船舶のハイブリッド運航システムが提案されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献３のシステムは、もっぱら停泊後の荷役に必要な電力を残すように船が目的地に到達した後のエネルギー需給バランスを最適化しようとするものであり、常用航海時、港内又は湾内のような短距離低速航海時、停泊時等の様々な運航状況に応じて船舶の推進と電力供給を省エネの観点から適切に制御して行なうことについて何ら具体的な提案がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３５９１１２号公報
【特許文献２】特開２００１−２９１２００号公報
【特許文献３】特許第６０４４９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の現状に鑑み創案されたものであり、その目的は、様々な運航状況に応じて、推進に用いるエネルギーを主機関と補助機関で適切に使い分け、補助機関で発電された電力や外部供給電力を有効に活用するように制御できる省エネ効果の高いハイブリッド推進式船舶を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、かかる目的を達成するために鋭意検討した結果、船舶に、主機関と、推進電動機兼軸発電機である補助機関と、蓄電手段と、推進手段とを設けたうえで、主機関が推進手段及び／又は補助機関の軸発電機にエネルギーを与えるように構成し、さらに補助機関が蓄電手段からの電力により推進電動機として推進手段にエネルギーを与えるか、又は主機関からのエネルギーにより軸発電機として発電させるように構成し、蓄電手段が補助手段の軸発電機より発電された電力もしくは陸上電源より供給された電力を蓄電するか、又は補助手段の推進電動機もしくは船内に電力を供給するように構成することにより、常用航海時、低速航海時、及び停泊時等の様々な運航状況において省エネ効果を最大限発揮できることを見出し、本発明の完成に至った。
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、以下の（１）〜（９）の構成を有するものである。
（１）主機関と、推進電動機兼軸発電機である補助機関と、蓄電手段と、船体を推進するための推進手段とを含む船舶であって、
主機関は、推進手段に推進力を与えること、及び補助機関の軸発電機を回転することができるように構成され、
補助機関は、蓄電手段から供給された電力により推進電動機を回転させて推進手段に推進力を与えること、及び主機関からのエネルギーにより軸発電機を回転して発電させることができるように構成され、
蓄電手段は、補助手段の軸発電機により発電された電力及び陸上電源より供給された電力を蓄電すること、並びに補助手段の推進電動機及び船内に電力を供給することができるように構成されていることを特徴とするハイブリッド推進式船舶。
（２）常用航海時において、主機関が、推進手段に推進力を与え、かつ補助機関の軸発電機を回転して発電させ、発電した電力を蓄電手段に蓄電するように制御されることができることを特徴とする（１）又は（２）に記載のハイブリッド推進式船舶。
（３）主機関が使用されず、補助機関の推進電動機が蓄電手段から供給される電力により動かされ、これにより推進手段に推進力を与えるように制御されることができることを特徴とする（１）又は（２）に記載のハイブリッド推進式船舶。
（４）停泊時において、主機関及び補助機関が使用されず、蓄電手段が船内の電力を供給するように制御されることができることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
（５）停泊時において、陸上電源により船内に電力を供給するか、及び／又は陸上電源により蓄電手段に電力を蓄電することができることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
（６）推進手段が可変ピッチプロペラを使用するものであり、これによりプロペラの回転数を一定に維持したまま船速調整が可能であるように構成されていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
（７）主機関が内燃機関であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
（８）蓄電手段が蓄電池を使用していることを特徴とする（１）〜（７）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
（９）船舶が内航船であることを特徴とする（１）〜（８）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のハイブリッド推進式船舶は、常用航海時には、主機関による船舶の推進及び補助機関の発電と蓄電手段への蓄電がなされ、低速航海時には、もっぱら蓄電手段からの電力によって駆動される補助機関による船舶の推進がなされ、停泊時には、蓄電手段から船内電力を供給することができるように構成されているので、船舶全体における総合的な燃料消費量を大幅に削減することができ、省エネ効果が極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明のハイブリッド推進式船舶の基本構成の概略図である。
【図２】図２は、常用航海時における本発明のハイブリッド推進式船舶の制御システムを説明する概略図である。
【図３】図３は、低速航海時における本発明のハイブリッド推進式船舶の制御システムを説明する概略図である。
【図４】図４は、停泊時における本発明のハイブリッド推進式船舶の制御システムを説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明のハイブリッド推進式船舶を説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００１６】
本発明のハイブリッド推進式船舶は、船舶の大きさや種類に関係なく様々な船舶に適用可能であるが、現実的な実現性の観点から総トン数１００Ｔ以上、特に総トン数が１００Ｔ以上５０００Ｔ未満の内航船（特に内航貨物船）を対象とすることが好ましい。
【００１７】
内航船の運航時における要求船速に対する主機関の出力は、気象や海象の影響を多分に受けるため、状況に応じて大きく変動することが一般的である。加えて運航計画により要求船速も変動するため、通常は運航計画における最大船速、最大出力における使用を考慮し主機関を選定しているケースが多い。ただ一方では少数ではあるが、気象海象等の悪条件化においては、要求船速を満たす航海を諦めて避難することを念頭とし、小型の主機関を搭載するケースも存在する。いずれにしても運航状況に応じて必要な出力が容易に変化するために、燃料消費量の変動が比較的大きくなる特徴を有している。
【００１８】
本発明のハイブリッド推進式船舶は、主機関（例えばディーゼル機関）と補助機関（推進電動機）の２つの異なる推進機関を推進力として使用するものであり、上記の内航船の特徴を考慮して高い省エネ効果を発揮するものである。以下、本発明のハイブリッド推進式船舶の基本構成、及び常用航海時、低速航海時、及び停泊時の制御システムの例を説明する。
【００１９】
（ハイブリッド推進式船舶の基本構成）
図１は、本発明のハイブリッド推進式船舶の基本構成の概略説明図である。図１では、主に各構成部間のエネルギーの流れを説明するため、船尾に主要な構成を集めて概略図が示されている。
【００２０】
図１において、１は、主機関であり、一般には駆動力の高い内燃機関、例えばディーゼル機関、ＬＮＧ機関が採用される。主機関１は、クラッチ２を介して船舶の推進手段３（例えばプロペラ）に推進力を与えることができる。さらに、主機関１は、推進手段３に推進力を与える以外に、クラッチ２を介して補助機関４に回転エネルギーを与え、軸発電機として発電させることができる。
【００２１】
クラッチ２及び推進手段３は、特に限定されず、船舶に従来使用されているものを適宜採用することができる。推進手段３は、例えばプロペラが使用され、特にプロペラの翼角（プロペラ・ピッチ）を制御することにより、全速から微速、停止、後進に必要な速度を容易に得ることができる可変ピッチプロペラを使用したものが好ましい。
【００２２】
補助機関４は、上述のように、軸発電機として機能する以外に、船舶の推進手段３に推進力を与えるための推進電動機としても機能することができる。補助機関４が主機関１から得たエネルギーにより軸発電機として機能する場合は、発電された電気は、インバータ５を介して整流され、主配電盤６を経て蓄電手段７に送られて蓄電されるか、又は船内電力として供給されることができる。補助機関４が蓄電手段７から得たエネルギーにより推進電動機として機能する場合は、主機関１の代わりに補助機関４が推進手段３に推進力を与えることができる。
【００２３】
補助機関４は、推進電動機として使用されない場合は、主機関１より必要に応じたエネルギーを受けることにより軸発電機として使用される。主機関１に必要電力のエネルギー負荷を掛けて補助機関４を軸発電機として使用することにより、船内の必要エネルギー（電力）が主機関単独で供給されることが可能である。それにより、常用航海時における主機関の負荷率が向上し、燃料消費を全体として低減することができる。また、減速航海を要求される場合も、主機関の負荷率を比較的高く維持できるので減速運航の下限が広がり、更なる省燃費運航が可能である。この補助機関４で使用される軸発電機は、一般的に船舶に使用される高速発電機と比較して省エネ効果に優れるという特徴を有するので、機器単体においても十分省エネ効果が期待できる。低速域の航海においては、常用航海時に蓄電手段７へ蓄電されたエネルギーを用いて補助機関４の推進電動機としての単独運転航海が可能となる。主機関１が使用されず、補助機関４の推進電動機単独で運転する場合には、振動や騒音の軽減による船内環境の良化、港湾内における微速時の操作の迅速化が可能である。
【００２４】
蓄電手段７は、一回限りではなく充電を行うことにより電気を繰り返し蓄えることができ、しかも繰り返し電気を取り出して使用することができる電池であり、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンポリマー二次電池などのリチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などの従来公知の蓄電池を使用することができる。本発明では、蓄電手段７として重量あたりの蓄電量の大きさからリチウムイオン蓄電池を使用することが好ましい。蓄電手段７は、補助機関４の軸発電機として発電された電気を蓄電でき、また補助機関４の推進電動機が船舶の推進力として有効に機能でき、あるいは船内電力として電気を供給できる容量を持つことが好ましく、その容量は１０００ｋＷ〜１０００００ｋＷであることが好ましい。
【００２５】
（常用航海時の制御システム）
図２は、本発明のハイブリッド推進式船舶の常用航海時の制御システムの概略説明図である。図２では、エネルギーの流れが矢印で示されている。常用航海では、主機関１は、一般にその最大出力の５０％以上で運転され、主機関１は、運転によりそのエネルギーをクラッチ２を介して推進手段３に与えるとともに、主機関１のエネルギーを用いて補助機関４の軸発電機を回転させる。軸発電機で発電したエネルギーは、インバータ５及び主配電盤６を経て船内電力として供給されることができ、必要に応じて蓄電手段７に電力を供給し、蓄電を実行することができる。
【００２６】
一般の内航貨物船の場合、船舶の推進力はもっぱら主機関１を用い、発電には発電用内燃機関を２台又は３台を別途用いるのが一般的であるが、本発明の船舶は、必要エネルギー供給源を１台の主機関に集中させることができるため、船内に据え付ける発電用内燃機関を最小限にすることができ、また、発電用内燃機関の運転時間も大幅に低下することができる。従って、ポンプや清浄機等の補器類の運転用エネルギー減少による船内必要電力の低下や総運転時間の減少によるメンテナンスコストの低下、船員労務の軽減、低振動・低騒音効果といった船内居住環境の良化等、様々な効果を享受することができる。
【００２７】
（低速航海時の制御システム）
図３は、本発明のハイブリッド推進式船舶の低速航海時の制御システムの概略説明図である。図３においても、エネルギーの流れが矢印で示されている。低速航海とは、１０ノット以下、さらには３〜１０ノット程度の速力の航海を言う。低速航海は、一般に港内や湾内等の短距離航海で行なわれ、基本的には主機関１を使用せず、蓄電手段７から供給される電力により補助機関４の推進電動機を駆動させ、そのエネルギーをクラッチ２を介して推進手段３に与えて船舶の推進力を得る。このとき同時に蓄電手段７は、船内にも必要電力を供給することができる。
【００２８】
この制御システムは、常用航海時の主機関１のエネルギーを利用し蓄電された電力を利用しているため、省エネ効果が極めて高く、加えて船員労務の軽減、低振動・低騒音効果といった船内居住環境の良化、推進電動機の特性である微速前後進の切り替えの迅速さによる操船性・安全性の上昇、主機関、発電機関の運転時間の減少により部品代、潤滑油消費量、修繕費といった複合的なコスト低減効果も高い。
【００２９】
（停泊時の制御システム）
図４は、本発明のハイブリッド推進式船舶の停泊時の制御システムの概略説明図である。図４においても、エネルギーの流れが矢印で示されている。停泊時には、主機関１も補助機関４も使用されず、蓄電手段７が船内の電力を供給することができる。また、停泊時においては、必要により陸上電源（図示せず）により船内に電力を供給したり、及び／又は陸上電源により蓄電手段７に電力を蓄電することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明のハイブリッド推進式船舶は、様々な運航状況に応じた制御を行うことにより、極めて高い省エネ、省コスト、船員労務負荷低減、船内環境の良化などの効果を奏することができ、特に内航貨物輸送において極めて有用である。
【符号の説明】
【００３１】
１      主機関
２      クラッチ
３      推進手段
４      補助機関
５      インバータ
６      主配電盤
７      蓄電手段
【図１】
2019018820.tif 000003
【図２】
2019018820.tif 000004
【図３】
2019018820.tif 000005
【図４】
2019018820.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月11日(2018.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主機関と、推進電動機兼軸発電機である補助機関と、１０００ｋＷ〜１０００００ｋＷの容量の蓄電池からなる蓄電手段と、船体を推進するための推進手段とを含む、総トン数１００Ｔ以上５０００Ｔ未満の内航船であって、
主機関は、クラッチを介して推進手段に推進力を与えること、及びクラッチを介して補助機関の軸発電機を回転することができるように構成され、
補助機関は、蓄電手段から供給された電力により推進電動機を回転させて推進手段に推進力を与えること、及び主機関からのエネルギーにより軸発電機を回転して発電させることができるように構成され、
蓄電手段は、補助手段の軸発電機により発電された電力及び陸上電源より供給された電力を蓄電すること、並びに補助手段の推進電動機及び船内に電力を供給することができるように構成されていること、
常用航海時において、主機関が、推進手段に推進力を与え、かつ補助機関の軸発電機を回転して発電させ、発電した電力を蓄電手段に蓄電するように制御されることができること、
１０ノット以下の低速航海時において、主機関が使用されず、補助機関の推進電動機が蓄電手段から供給される電力により動かされ、これにより推進手段に推進力を与えるように制御されることができること、
停泊時において、主機関及び補助機関が使用されず、蓄電手段が船内の電力を供給するように制御されることができることを特徴とするハイブリッド推進式船舶。
【請求項２】
停泊時において、陸上電源により船内に電力を供給するか、及び／又は陸上電源により蓄電手段に電力を蓄電することができることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項３】
推進手段が可変ピッチプロペラを使用するものであり、これによりプロペラの回転数を一定に維持したまま船速調整が可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド推進式船舶。
【請求項４】
主機関が内燃機関であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、以下の（１）〜（４）の構成を有するものである。
（１）主機関と、推進電動機兼軸発電機である補助機関と、１０００ｋＷ〜１０００００ｋＷの容量の蓄電池からなる蓄電手段と、船体を推進するための推進手段とを含む、総トン数１００Ｔ以上５０００Ｔ未満の内航船であって、
主機関は、クラッチを介して推進手段に推進力を与えること、及びクラッチを介して補助機関の軸発電機を回転することができるように構成され、
補助機関は、蓄電手段から供給された電力により推進電動機を回転させて推進手段に推進力を与えること、及び主機関からのエネルギーにより軸発電機を回転して発電させることができるように構成され、
蓄電手段は、補助手段の軸発電機により発電された電力及び陸上電源より供給された電力を蓄電すること、並びに補助手段の推進電動機及び船内に電力を供給することができるように構成されていること、
常用航海時において、主機関が、推進手段に推進力を与え、かつ補助機関の軸発電機を回転して発電させ、発電した電力を蓄電手段に蓄電するように制御されることができること、
１０ノット以下の低速航海時において、主機関が使用されず、補助機関の推進電動機が蓄電手段から供給される電力により動かされ、これにより推進手段に推進力を与えるように制御されることができること、
停泊時において、主機関及び補助機関が使用されず、蓄電手段が船内の電力を供給するように制御されることができることを特徴とするハイブリッド推進式船舶。
（２）停泊時において、陸上電源により船内に電力を供給するか、及び／又は陸上電源により蓄電手段に電力を蓄電することができることを特徴とする（１）に記載のハイブリッド推進式船舶。
（３）推進手段が可変ピッチプロペラを使用するものであり、これによりプロペラの回転数を一定に維持したまま船速調整が可能であるように構成されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載のハイブリッド推進式船舶。
（４）主機関が内燃機関であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のハイブリッド推進式船舶。