(57)【要約】【課題】潮流発電に関しては、最適単機容量の観点から導かれる最適設計の指針がまだ確立しておらず、また、発電ユニットを多数台利用する場合のメンテナビリティの高い技術について提示されることが少なかった。【解決手段】本発明になる多胴船型潮流発電施設は、本体を陸上で建設し、海上で発電ユニットを点検・補修できる構造を有する双胴船を含む多胴船形式の浮体をプラットフォームとして用い、規格化された単機容量が小さい発電ユニットを大量に幾何学的に密集させて構成した発電パネルを海中に懸垂して作動させるものである。また、海底に設けた一ヶ所の基礎より発する２本の係留索により係留され、船体における係留位置を選ぶことにより発電負荷の反作用による船体のピッチングと、水平面内でのヨーイングを極力抑制することができる幾何学的構造を提供する。現在の造船技術やプラント建設技術の集積として潮流発電が実現可能となり、小規模出力の潮流発電実証船や、中規模出力の商用潮流発電施設として好適である。【選択図】図１
2015117684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
施設本体は複数の細長い船体を平行に並べて所定の間隔をおいて海上で互いに連結して一体化した多胴船構造であり、発電施設としての稼働時には前述間隔の中に単機出力容量が小さい発電ユニットを多数集合装着した発電パネルを隣り合った二船体間の前述間隔に一組乃至二組備え、一組の場合は浮力中心付近から海中に懸垂し、二組の場合は施設の上流側と下流側にできるだけ距離をおいてそれぞれ懸垂し、前述発電ユニットより潮流の運動エネルギーを電気エネルギーとして取り出して前述施設上の水素製造装置等や海底送電等の電力として利用し、前述施設を移動する時には前述発電パネルを前述施設の海上に引き上げて固定した格納状態となして移動し、メンテナンス時には前述格納状態で前述施設の着脱装置で前述発電パネルの所定の位置より前述発電ユニットを引き抜いて施設上の補修工場で必要な補修を行い、或いは新設もしくは補修された発電ユニットを前述発電パネルの所定の位置に挿入・装着するように構成された多胴船型潮流発電施設。
【請求項２】
前述発電ユニットは潮流に向かって正方形、正六角形等の断面を有する筐体の中に構成されており、中心軸に一組の水力タービンと発電機等を装備する発電ナセルを配置し、内部に前述中心軸に沿って水路に流速を早めるコンバージェンス・ダイバージェンスノズルを構成しており、前述発電パネルから前述着脱装置によりワンタッチモーションで機械的・電気的に着脱できるように構成してなる請求項１に記載された多胴船型潮流発電施設。
【請求項３】
前述筐体内に請求項２に記載された発電ユニットを更に小型化した複数のサブ発電ユニットを潮流に向かって並列的に集合・構成した発電ユニットを装着してなる請求項１に記載された多胴船型潮流発電施設。
【請求項４】
隣り合った二船体間に一組の発電パネルを懸垂する場合は、前述発電パネルが発電時に潮流より受ける推力が前述施設との接続点を軸として発生する回転力による前述施設の船首側を沈降させ、船尾側を浮上させる作用を、海底の一ヶ所の基礎から張った２本の係留索の前述施設の船体軸方向の左右を係留する係留点を前述発電パネルより下流側で係留索の張力の下向き垂直成分が前述回転力と打ち消し合う位置に選ぶことにより、前述施設の前述回転力によるピッチングを抑制するようにしてなる請求項１に記載された多胴船型潮流発電施設。
【請求項５】
隣り合った二船体間の前後距離を離して二組の発電パネルを懸垂する場合は、施設の浮力中心付近に海底の一ヶ所の基礎から張った２本の係留索の前述施設の船体軸方向の左右を係留する係留点を前述施設の浮力中心付近に設けてなる請求項１に記載された多胴船型潮流発電施設。
【請求項６】
船体から張り出した支持構造物により、前述２本の係留索を船体に係留する係留点をできるだけ左右に離して設けることにより、船体を海面上で旋回させようとする力によるヨーイングを抑制する作用を、係留点を船体に直付けした場合より強力にして船体の水平方向の姿勢復元力を向上し、前述支持構造物は常時固定であるか、もしく移動時は船体に沿わせる形で収納して船体の実効幅を狭くできるかの何れかである請求項１に記載された多胴船型潮流発電施設。
【請求項７】
左右端の二つの船体の船首からそれぞれ左は左に向かって、右は右に向かって各１本の傾斜した係留索を海底まで張り、施設の左右２ヶ所の海底基礎で係留することにより、船首側で施設全体のヨーイングを抑制するようにしてなる請求項１に記載された多胴船型潮流発電施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、黒潮などの潮流の持つ流体の運動エネルギーを水力タービン等により回転エネルギーとなし、発電機により電気エネルギーへと変換する潮流発電施設に関する。
【背景技術】
【０００２】潮流発電と風力発電には、流体の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換することで共通点がある。風力発電は陸地や水深の浅い海上での利用は、製品のライフサイクルに当てはめると既に成長後期の段階にあり、長大な円筒支柱の上に巨大な風車を持つ発電ナセルを旋回可能に搭載する方式が世界標準に収斂しつつある。【０００３】潮流発電は風力発電に次ぐ自然エネルギーとして注目を集めているテーマである。製品のライフサイクルに当てはめると、導入前期の段階にあり、多くの思考実験的アイディアが提案され、一部は試作され、或いは実証試験に入っている。将来、どのような方式が世界標準になるかはまだ見えていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】  特開２００４−０６８６３８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】共同研究「海流発電の研究」報告書  海洋科学技術センター  東京電力株式会社  １９８１年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】黒潮は平均的に海面から水深２００ｍ付近までで、幅１００ｋｍに及ぶ強流帯を有する。しかも潮流は日間変動も季節変動も比較的少ないことが知られている。晴れた日の日中しか発電できない太陽光発電や、気まぐれな風力発電とは異なり、本格的に利用できれば、信頼性が高い安定したエネルギー源となり、日本国が必要とするエネルギーの相当部分を担うことができると指摘されている。【０００７】後述するように、コンバージェンス・ダイバージェンスノズルを用いた水力タービンを用いれば、流速２．５ｍ／ｓの潮流より１ｍ２当たり１０ｋＷ代の潮流発電を行うことが可能である。水深２００ｍまでの潮流を利用し尽くす海中支持型の大規模な潮流発電施設を建造すれば、幅１ｋｍ当たり数百万ｋＷ代の電力を取り出すことが理論的には可能であり、エネルギー問題解決の切り札として、実現可能性を検討する価値がある。【０００８】地表から高い位置に発電機を置く風力発電は、単機容量を大きくする方向に発展しているが、同じことが潮流発電でも起こるのであろうか。風力と潮流の特性の違いを理解し、流体工学に基づいて潮流発電の最適単機容量を求め、実際にそのような発電ユニットを装荷する技術を提供することが本発明の第一の課題である。【０００９】大規模潮流発電計画が現在は夢物語に留まっている最大の理由は、これまで海洋開発の需要が顕在化してこなかったため、現在時点では水深数百ｍの海中を開発する技術と経験と機材が整っていないからである。社会的・技術的ハードルが高いそれらの環境条件が整うのを待つのではなく、現在手持ちの技術で可能となる小規模な潮流発電施設を実現して、潮流発電が基幹的エネルギー源となるための突破口を拓く技術を提供することが本発明の第二の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】第一の課題を解決する手段について説明する。風力発電では単機の大容量化に経済性追求の方向性があったが、この発明になる潮流発電では、単機容量はある程度小さく設定し、台数を多く用いる集合型発電方式が、総合経済性を向上させる最善の方策であるとの設計思想に基づいている。その根拠を、数式を用いて説明しよう。
流体の運動から得られるエネルギーＰ（Ｗ）は（１）式による。
Ｐ＝（１／２）ρ・Ａ・Ｖ３・η    ・・・・・（１）
但し、ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、Ａは作業断面積（ｍ２）、Ｖは流体の速度（ｍ／ｓ）、ηは総合効率である。この式は、流体の運動から取り出せる出力が、流体の作業断面積Ａに比例することを示している。【００１１】海水の密度は空気の約千倍であるから、同じ面積に対して、風速１０ｍでの風力発電と同じ出力を得られる潮流発電は海水の速度１ｍに対応する。日本国の沿岸には、黒潮が２ｍから３ｍの流速を持つ海域が多数存在する。これらは風力に換算すると２０ｍから３０ｍの強風が年中同じ方向から安定的に吹き付けている状況に相当し、大いなる可能性がそこに見てとれる。【００１２】（１）式で流速２．５ｍ、総合効率０．６とし、コンバージェンス・ダイバージェンスノズルを用いてタービンの作業断面積を入口の面積の半分に絞って流速を５ｍに増加させた場合、潮流断面積１ｍ２当たり約１９ｋＷの電力が得られるとの数値が導かれる。【００１３】なお、この条件の場合に発電負荷によりタービンが潮流から受ける推力は、（仕事量）＝（力）×（距離）の定義により、潮流断面積１ｍ２当たり約１．２トン重と導かれる。【００１４】さて、寸法をＬ、面積をＬ２乗、体積をＬ３乗と表現しよう。同一形状設計の場合、発電ユニットの出力はＬ２乗（面積）に比例し、所要資材量はＬ３乗（体積）に比例する。基本となる設計に対して、同一形状設計のまま、Ｌだけを１０倍した大型機を考えよう。１０倍にされた大型機の出力は面積に比例して１００倍になるが、所要資材量は体積に比例して１０００倍必要となる。ある潮流断面積に対して、基本となる設計では、発電ユニットが１００台配置できるとすると、その総所要資材量も１００台分で済む。大型機では発電ユニットは１台で基本設計の発電ユニット１００台分と同じ出力が得られるが、その所要資材は基本設計の発電ユニット１０００台分と等しくなる。所要資材量当たりの出力は、寸法を１０倍した大型機は、基本設計の発電ユニットの１０分の１となっている。大型の発電ユニットは小型の発電ユニットに対して、著しく経済性に劣ることになる。以上の説明から判るように、潮流発電を実用化する場合、単機容量を大きくすることは、経済性からは望ましくない。一辺Ｌが５０ｍの正方断面を持つの発電ユニット１台を設置するより、同一出力が得られる一辺Ｌが５ｍの正方断面を持つ発電ユニット１００台を設置する方が、発電ユニットに関する総費用は大略１０分の１で済む。【００１５】では、単機容量をどこまでも小型化すれば経済性がますます向上するかというと、これらの発電ユニットを保持する構造体や周辺施設の費用は発電ユニット単体容量にほぼ中立と思われるし、小型化するほど、波浪等の衝撃力や貝殻の付着や海草の絡みつき等の海中の環境からのネガティブな影響を強く受ける。製造面、管制運営面、保全活動面から総合判断して、それぞれの計画者が最適単機容量を判断・決定することになろう。設計パラメータは、何れ、実証試験等を通して、ある範囲に収斂してゆくと思われる。【００１６】発電ユニットの単機容量が数十ｋＷ級や数ｋＷ級の場合は、タービンはアルミ等のダイキャスト品やプラスチックの射出成形品やＦＲＰプレス成型品、筐体はプレス加工品を採用できる可能性が考えられる。オーダーメイド的な加工による単機容量が大きな発電ユニットに対し、小さな単機容量を持つ後者は、前述２乗３乗則による逆スケールメリットに加えて、量産技術が適用できるために圧倒的に経済性に優れている。以上述べたように、単機容量を小さめにして所要台数を多く設定するのが、第一の課題に対する本発明による解決の手段の中核部分である。【００１７】第二の課題を解決する手段について説明する。潮流発電の本格的な利用が行われる将来の時点では、潮流発電施設の構造は、潮流を横断する形で等間隔に海底から立ち上げた多数の支持構造物の間に発電ユニットを数万台から数十万台を装荷する構成をとり、数千万ｋＷの出力の巨大な施設になるのではないかと思われる。この海中支持型潮流発電施設では、発電ユニットを海中に在ったままでメンテナンスせねばならず、また、発電の反作用として潮流から受ける巨大な推力に抗する強固な支持構造物を海底に設置する技術が必要であり、現時点では実現のハードルが高い。【００１８】発電規模が数千ｋＷから数万ｋＷ代であれば、海底基礎に係留した船舶を基盤とする潮流発電施設が可能となる。本発明では、単機容量が小さい多数の発電ユニットを密集して平面状に装荷した発電パネルと呼ぶ発電ユニットの集合体を稼働時は船舶から懸垂・固定して発電し、船舶の移動時は発電パネルを海上に引き上げ、メンテナンス時は海上に引き上げた状態で必要な作業を行うことにより、海中支持型では海中にあるために困難であった点検・補修作業を、海中で行わずに海上に引き上げて行うことで容易にするのが、第二の課題に対する本発明による解決の手段である。この解決の手段を現実化するために、必要となる付随的な新規技術について、以下、説明する。【００１９】発電パネルは長方形の大きな構造物であり、これを海中に懸垂し、或いは海上に引き上げられるように、双胴船を含む多胴船構造とする。多胴船の隣り合う二本の船体の間に発電パネルの水平方向の辺を置き、発電パネルの垂直方向の辺は船体の長手方向に沿わせる。発電パネルは隣り合う船体が支持する回転軸を中心として４分の１回転して、発電時は船体に対し垂直の姿勢をとって主要部分が水没し、移動またはメンテナンス時は水平の姿勢をとって固定され、海面から離れた格納状態になる。【００２０】海上に在って隣り合う二つの船体を一体化する構造体をデッキと呼ぼう。上方から見ると海面を覆うことになるデッキは、発電パネルが引き上げられて固定される場所を避けて設けられる。発電パネルから送り込まれる電力を取り扱う受変電設備や、その電力の負荷となる水素発生・貯蔵プラントや、発電ユニットを補修する作業場や保管庫、その他運営に必要な諸施設はデッキ上に設置される。【００２１】メンテナンス時に水平に固定された発電パネルから発電ユニットを着脱するために、二つの船体をまたぐ形で天井走行クレーンと似た方式の着脱装置を設ける。着脱装置は発電ユニットを発電パネルから取り外してデッキ上の補修工場まで搬送し、或いは発電ユニットを保管庫から引き出して、発電パネルの所定の位置に装着・固定する。この作業は、原子炉の炉心に燃料棒を挿入・引き出す作業と外観的には同じである。この動作はワンタッチモーションで行われる機構となっている。発電パネルの保持体と発電ユニット間の電力や信号の授受も非接触電磁カップラー等により、発電ユニットが機械的に着脱されることで、電気的な着脱も自動的に同時に行われる。【００２２】発電ユニットは基本的には１基当たり１台の水力発電機で構成されるが、前述保持体との機械的・電気的インターフェースを設計的に維持できれば、より小型の複数の水力発電機を集合したものが一体化していても構わない。このようなことが運営上の都合で行われることが考えられる。これは「特許請求範囲」の「請求項３」に相当する。【００２３】水平に固定された発電パネルが占めるスペースの上方は、デッキがないから開放空間とすることが可能だが、必要に応じて全体を覆う建屋構造として、昼夜や天候に左右されずに作業できるように構成することができる。【００２４】潮流発電の目的は、電気エネルギーの生産であった。海上の施設で生産した電気エネルギーをどのように活用するか、それはその時代のエネルギーの需要構造に大きく依存する。電力不足が危惧されている現在、できることなら直流送電等の手段で直接電力として需要地に送りたい。しかし、この潮流発電施設は多くの場合、陸地より遠く離れて稼働しており、また、黒潮の大蛇行等の事情で船舶として移動してサイトを変更する場合もあり、固定的な海底送電には不向きな場合が多い。【００２５】目下、先進諸国では水素化社会到来の動きがあり、この施設では電気分解法等により水を水素と酸素に分離して、水素をタンカーで需要地に輸送することが優先目的とされよう。既に水素を液体化して常温・常圧で海上輸送する技術の実用化に成功した事業者が存在し、水素の生産・輸送・消費の社会システムは整いつつある。【００２６】水素と同時に生産される酸素はどうするか。酸素と水素を燃料とするロケット業界には相当量の需要がある。また、ガス化溶融炉や二酸化炭素地下貯留方式の石炭火力発電所などにも需要が見込まれる。それでも酸素の需要が不足する場合は、残念ながら空中に放出されることになろう。【００２７】この施設では大量の水素が生産される。その中には重水素や三重水素が微量含まれている。これらは原子力利用に関わり、需要は定かではないが、生産した水素から膜分離法や遠心分離法でこれらを分離して、資源とすることも考えられる。【００２８】台風等の荒天時には、船体が波浪に翻弄されて係留索に瞬間的に大きな張力がかかって切断される恐れがある。このような危険を避けるため、係留点はリジッドではなく、ソフトに係留索の動きを許して制動しながら波浪から受けるエネルギーを発散する機構でなくてはならない。このような機構は電気制御により容易に実現できるが、万一の装置故障や停電に備えて、できるだけ本質安全に設計されることが望まれる。【００２９】台風等の荒天時には、波浪の衝撃のために発電パネルやそこに装着された発電ユニットを損傷しないために船上に引き上げることになろう。一方で、発電パネルが懸垂状態にあれば、船体の重心は極めて低い位置に在ることになり、波浪の衝撃に対する船体の揺動や転覆の危険性が小さくなることも確かである。何れにせよ、台風襲来時は発電負荷をとらずにタービンを空転させ、機械的打撃を極力受け流したい。
【発明の効果】
【００３０】本発明は潮流発電においては少数の大型タービン発電機を配置するのではなく、多数の小型タービン発電機を発電パネルに集積した状態で配置する方式が経済性に優れていることを示し、そのような発電パネルを装備した多胴船型潮流発電施設により、現在活用可能な産業技術の組み合わせで小規模出力から中規模出力をカバーできる潮流発電に必要な新規技術を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】多胴船型潮流発電施設の正面図である。                      （実施例１）
【図２】シングルパネル多胴船型潮流発電施設の側面図である。        （実施例２）
【図３】ツインパネル多胴船型潮流発電施設の側面図である。          （実施例３）
【図４】発電パネルの正面図である。                                （実施例４）
【図５】発電ユニットの中心軸を通る垂直部分断面図である。          （実施例５）
【図６】発電ユニットの中心軸を通る４５度斜め平面部分断面図である。（実施例５）
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００３２】図１は本発明になる多胴船型潮流発電施設の正面図である。発電パネル１の一部である保持体２に発電ユニット３がこの図では２００基装着されている。保持体２と発電ユニット３の装着正面図を後出図４に、また、発電ユニット３の側面断面図を後出図５と後出図６に示す。図１の例では、平行に配置された２本の船体４は上部構造体５により一体に構成された双胴船構造となっている。２本の船体を一体化する構造体であるデッキと、デッキ上の発電ユニット３に関する着脱装置や補修スペースや保管庫等、発電ユニット３から送られた電力を処理する受変電設備や水素製造プラント等の諸設備、船体の操船や発電パネル等諸設備の保守・管理等を行う人員のためのスペース等がこの上部構造体５に収められている。【００３３】２本の係留索６は図面には現れない一ヶ所の海底基礎まで達しており、図１では途中までしか示していない。この発明では、施設の建設は陸上で行い、施設のメンテナンスは海上で行い、現時点では技術も経験も不充分な海中にはなるべく関わらないスタンスを取っているが、この海底基礎の建設と、係留索の取り付け及び取り外し作業は、多分水深３００ｍ以上になるこれまで我々が大型工事を行った経験が殆どない領域であるが、是非とも実現しなければならない。数万トン級の斜め上に向かう張力が負荷される海底基礎であり、船舶を係留する碇とは力の次元が違う。【００３４】水深３００ｍから千ｍもの海底に巨大な基礎を建設できる技術も建設機材も現時点では存在しない。ロケット抗という妙手もあるが、数万トン級での実績がなく、現時点では、採用は難しい。本発明の範囲からははみ出すが、この海底基礎をメガフロート方式により陸上で建造し、曳航または自力航行させ、現地で潜水艦のようにエアを抜いて沈没させて海底に着地させ、海底基礎とする手法が最も現実的であろうと考える。サイトの変更が必要になれば、内部にエアを注入して浮上させ、移動させることができて好適である。自重が数万トン級のスケールが大きい建造物ではあるが、その大部分は繰り返しが多い単純構造で建造費も安価であると期待でき、内部に設置する電気推進装置、蓄電池、潮流発電機、電子機器類に必要な技術は、既に深海探査艇に実用化され、実績を積んでいる。現在の造船業界が建造できることは確実である。【００３５】係留索６は船体の両側の係留点７で船体に接続され、係留腕８を介して潮流に逆らって船体を所定の位置に係留する。海底基礎では２本の係留索６は接近しており、船体に近づくと船体より幅が広い係留点７に至るため、上空から見ると、２本の係留索６と２ヶ所の係留点７は細長い二等辺三角形を形成する。この幾何学的構造は、２ヶ所の係留点７が作る三角形の短い一辺である構造体が潮流から外れた方位に向かうことを妨げる方位復元力を生成する。船舶で言えば、船体が常に潮流に向かうような復元力を働かせ、船体のヨーイングを抑制する作用を有する幾何学的構造である。これは「特許請求範囲」の「請求項４」の一部に相当する。【００３６】係留点間の距離が大きいほど、方位復元力も大きくなる。このため、実験船等のスケールが小さい施設では、係留腕８を長くして、大きな復元力を獲得できる。そのような施設が係留索を海底基礎から取り外して船上に収納し、任務から離れ海上を航行し、或いは基地に接近する場合は、係留腕を船体に平行に収納するなどして、実効船幅を狭める解決手段を提供する。これは「特許請求範囲」の「請求項６」に相当する。【００３７】以上説明した方策により、船体の方位復元性は確保できるが、発電パネルはその後方に大きなカルマン渦を発生させるため、その反作用として施設全体が短周期でヨーイングする傾向がある。この現象が乗組員や施設のプラント類に与える影響を極小化したい場合は、更に強固に船首側の水平面内の自由度を制限できる。多胴船の左右の端の２本の船体に着目する。左端の船体の船首付近から左側に例えば４５度程度の傾斜角で海底まで細めの補助係留索を張り、海底に達する位置に小型の左補助海底基礎を設けて、そこへ係留する。右端の船体の船首付近からも右側に同様の補助係留索を張り、右補助海底基礎を設けて、そこへ係留する。【００３８】これら２本の補助係留索は発電パネルに加わる潮流の推力ベクトルに対してほぼ直角であり、普段は補助係留索が弛まない程度に張力を加えておく。ときどきヨーイングによる船首の動きが限界を超した時に補助係留索が左右の補助海底基礎から引っ張られて船首の動きを抑制する働きをする。この場合、これらの補助係留索に加わる張力は比較的小さく数百トン重以下であり、補助係留索の引張強度も係留索ほどの値を要求されない。補助係留索の係留点には衝撃的な力が加わらないように、制動作用を有する係留方法を採りたい。これは「特許請求範囲」の「請求項７」に相当する。【００３９】前述発電パネル１は、多数の発電ユニット３と、それらを所定の場所に装着・固定する保持体２と、それらを保持する強固な枠構造体の総称である。図１では発電パネル１は回転軸構造体９により、２本の船体４の間の空間に懸垂された状態を示している。船体４の船首には舳先１０がある。舳先１０から回転軸構造体９に向かって２本の船体間の間隔が狭まっており、一種のコンバージョンノズルが構成されている状態が図１から読み取れる。上部構造体５は常に海面１１の上方に在るように設計される。
【実施例２】
【００４０】図２は発電パネル１基を有するシングルパネル多胴船型潮流発電施設の側面図である。その正面図は図１であり、図３と正面図を共有する。舳先１０は船体４の上流側にあり、潮流は図２の右側から左側へ向かって流れる。発電パネル１は船体の浮力中心付近から懸垂されている。発電パネルは回転軸構造体９を回転軸として、上流側に引き上げる場合を前方格納型、下流側に引き上げる場合を後方格納型と呼ぶことにする。何れも技術的には成立する。前方格納型の場合は、発電パネル懸垂時に船首側に浮力の余剰が生じて持ち上がる。後方格納型の場合は、発電パネル懸垂時に船尾側に浮力の余剰が生じて持ち上がる。なお、図２には船体の船尾側に推進ポッド１２が、船首側にスラスター１３が見えるが、潮流発電施設が移動する場合に船舶として必要な設備として記入した。【００４１】上部構造体５内部の発電パネル１が引き上げられるスペースは格納やメンテナンスに利用され、このスペースが上部構造体５内部の半分近い広い面積を占めることになる。それ以外のスペースが受変電設備や水素製造プラント等の諸設備、船体の操船や発電パネル等諸設備の保守・管理等を行う人員のためのスペース等として利用される。【００４２】図２の懸垂された発電パネル１の下方の一部が断面図となっている。図１で正面からは正方形であった発電ユニット３は、図２では長方形の側面を見せている。２本の船体は流体抵抗が少ないように設計できるが、発電パネル１は懸垂された状態では相当大きな流体抵抗となる。施設が所定の位置に止まるために、係留索６には大きな張力が負荷される。発電ユニットが発電を開始すると、これに発電負荷が加わる。【００４３】前述（１）式の説明に用いた数値例では、１ｍ２当たりの発電出力約１９ｋＷにおける流体抵抗は約１．２トン重であった。図２の潮流発電施設の発電パネルの潮流に対する有効垂直長が１００ｍ、有効幅が５０ｍとすると有効潮流面積は５０００ｍ２となり、発電出力９．５万ｋＷの場合の潮流から受ける総推力の内、発電負荷によるものは６０００トン重、発電に関わらない船体の抵抗は無視し、発電パネルの流体力学的負荷を４０００トン重と仮定すると、計１万トン重の水平方向の推力を受け、海底からの係留索の角度が３０度の場合、係留索に加わる張力は約１．２万トン重、張力の下向き垂直成分、即ち船体に対する発電パネルが潮流より受ける加重は約６０００トン重となる。【００４４】発電パネル１に加わる推力は分布負荷であるから、船体の浮力中心からの有効長を１００とした場合、浮力中心から約７０（平方根２の逆数）の位置に水平方向に約１万トン重の集中応力が加わったと同じ回転力が船体に加わる。よほど浮力に余裕を持たせた場合でも、船首の沈み込み、船尾の浮き上がりは大きなものとなる。【００４５】幸い、この回転力を係留索の下向き垂直成分で中和することができる係留点の位置が存在する。この数値例では、船体の後方に向かって水平線を仮定した場合、浮力中心から７０の位置に回転力により１万トン重の上向きの力が加わっており、浮力中心から船尾に向かって１１８の位置に６０００トン重を下向きに負荷すれば、回転力は中和され、船体は水平を保ったままで６０００トンの重量が新たに加わったと同じ状態になる。図２の係留点７が船尾寄りの位置に設けられているのは、回転力中和の位置に係留点を置いたためである。通常、船尾側に係留点を設ければ、船首側が潮流に流されて水平面での姿勢維持が困難になる。この課題を解決するために、前述の船体の両側に係留点７を設け、海底基礎から引いた係留索６と細長い二等辺三角形を形成する必要があった。これらが「特許請求範囲」の「請求項４」に相当する。
【実施例３】
【００４６】図３は発電パネル１と後部発電パネル１４の２基の発電パネルを船首側と船尾側にそれぞれ懸垂するツインパネル多胴船型潮流発電施設の側面図である。その正面図は図１であり、図２と正面図を共有する。シングルパネル多胴船型潮流発電施設で課題になった発電パネルが潮流の推力を受けて発生する回転力は、２基の発電パネルの中央で互いに打ち消し合うので、ツインパネル方式では回転力の船体への影響は現れない。このため、係留点７は浮力中心に設けることができる。【００４７】ツインパネル方式は発電パネルを格納している時も、懸垂している時も、船体に対して長手方向の重力バランスが取れており、係留点もシングルパネル方式より船首側に移動しており、船体としてのピッチング及びヨーイングに関する姿勢安定性は格段に高い。発電能力が２倍になっても、資材の使用量は２倍以下に抑制できると見込まれる。問題点となるのは、船首側の発電パネル１が発生するカルマン渦を船尾側の後部発電パネル１４が受けるため、その発電ユニットが乱流に向き合うことになる。その影響は潮流の流速や、発電パネルの形状や、発電パネル間の距離等の多くの要素が関係しており、このプランの採用に当たっては充分の吟味が必要である。
【実施例４】
【００４８】図４に発電パネル１の正面図の一部を拡大して示した。ここには発電パネル１の外枠部分は示さず、発電パネル１と一体に作られた保持体２を黒色で示し、それに着脱自在に装着・固定された発電ユニット３を１２基示している。正面から見た発電ユニットは中央に小さな円で示された発電ナセル１６と、それを支持する４本のパイロン１７と、水力タービン１８の５枚のブレードと、その外周の大きな円をコンバージョン・ダイバージョンノズル１９の喉部として図示した。これらを側面から見た状態を、後出の図５及び図６として示した。【００４９】この図を発電パネルが海面上に引き上げられて、これからメンテナンスを受ける状態であるとしよう。着脱装置は天井走行クレーンと同じ動きで所定の位置決めを行い、パンタグラフ形式のアームを下方に伸ばして、先端の着脱マニュプレータを発電ユニット３に押しつける。その動作が発電ユニット３の固定解除ロッドを押して発電ユニットを保持体２に固定していた固定機構を解除・開放する。次いでマニュプレータは発電ユニット３の留め具に吊り金具を掛けて発電ユニット３を吊り上げ、所定の位置まで移動して次の動作に移る。発電ユニット３の装着はこの逆の動作になる。着脱装置は所定の位置まで移動してきて、所定の保持体２の中に発電ユニット３を吊り下ろし、発電ユニット３を吊り下げていた吊り金具を引っ込めて発電ユニット３の留め具から外し、そのまま着脱マニュプレータが上昇すれば、着脱マニュプレータに押されていた前述固定解除ロッドは解放されて元の状態に戻り、保持体２に位置決めロッドを押し込んで、発電ユニット３を保持体に強固に固定する。なお、以上の説明は一つの例として行ったもので、着脱マニュプレータと発電ユニット３の固定・開放機構はこれ以外にも多くの設計案が成立する。
【実施例５】
【００５０】図５は発電ユニット３の中心軸を通る部分断面図、図６は中心軸を通る４５度斜め平面に沿った部分断面図であり、両図とも筐体１５は断面図とし、発電ナセル１６とそれを支持する上下左右で計４個のパイロン１７とタービン１８とは外形図で示した。保持体２と発電ユニット３を含めた潮流に正対する全断面積が受け止める海水は発電ユニット３の外形を構成する筐体１５の内部に形成されているコンバージェンス・ダイバージェンスノズル１９と、発電ナセル１６の間の水路を通過してタービン１８を駆動するときには、図の寸法関係であれば約２倍に増速される。流体の運動エネルギーから電気エネルギーを取り出すときは、流速の３乗に比例した電気エネルギーを取り出すことができるから、潮流発電で図６のように容易にコンバージェンス・ダイバージェンスノズル１９を設置できることは注目に値する。【００５１】風力発電でも事情は同一であるが、単機容量がますます巨大化する現在の風力発電機にコンバージェンス・ダイバージェンスノズルの取り付けが可能か否かは、台風などを含めて検討した場合は、実現不能と判断されるであろう。このため、小型風力発電機を多数集合して１基の風力発電施設とする方式は実用性ある設計として取り上げられることがなかった。これに対して、潮流発電では小型水力発電機を多数集合して一つの潮流発電施設を構成することが可能で、構造上コンバージェンス・ダイバージェンスノズルの設置が容易である点は風力発電に対する大きな優位点である。【００５２】風力発電では、台風などの強風に対する対策が不可欠であった。潮流発電で台風に相当するのは、一つは台風等による激しい波浪への対策であり、二つには津波の巨大な水量の襲来であろう。台風による破壊力ある波浪は海面に近い領域だけの現象であり、海中の深い領域にはその影響が及ばないから、海面に近い領域だけは、機械的強度を大きく設計した台風仕様の特別な発電ユニットを配置し、水深が一定以上の領域では標準仕様の発電ユニットを配置する現実的な対応が可能である。【００５３】津波は潮流断面積全体にその影響を及ぼす。前述の試算例では、多胴船型潮流発電施設が受け止めるべき推力の内、約６割を電力を取り出すためにタービンが受け止める推力であるとした。津波が襲来したら、それを検知して自動的に電力回線を遮断して発電機を無負荷となし、タービンを空転させて津波による異常推力の相当部分を逃がすことができる。また、電気的な対応が及ばない瞬間的なサージ水流に対しては、タービンと発電機間にトルクリミッターを設けて、機械的手段でタービンを空転させる手段を講じておくことも有効である。それでも、船体をベースとし、海底基礎に係留され、流体力学的に大きな抵抗面積を持つこの潮流発電施設が受ける衝撃力は巨大であろう。設計上、最も留意すべき点である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】例えば流速２．５ｍ／ｓの潮流の場合の有効深さ１００ｍ、幅５０ｍの発電パネルの出力は約１０万ｋＷとなり、係留索の海底からの角度３０度の場合の発電負荷による垂直加重は約６０００トン、それに自重等を加えて双胴船としての総トン数は５万トン級程度で安定運転できると見積もられる。巨大な投資を要する水力発電所よりも小回りが利く自然エネルギー源であり、我々が現在利用可能な技術と機材で、早期に実現可能な潮流発電を提供できる。
【符号の説明】
【００５５】１    発電パネル
２    保持体
３    発電ユニット
４    船体
５    上部構造体
６    係留索
７    係留点
８    係留腕
９    回転軸構造体
１０  船体の舳先
１１  海面
１２  推進ポッド
１３  スラスター
１４  後部発電パネル
１５  筐体
１６  発電ナセル
１７  パイロン
１８  水力タービン
１９  コンバージョン・ダイバージョンノズル
【図１】
2015117684.tif 000003
【図２】
2015117684.tif 000004
【図３】
2015117684.tif 000005
【図４】
2015117684.tif 000006
【図５】
2015117684.tif 000007
【図６】
2015117684.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月18日(2014.8.18)
【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】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
船体から張り出した支持構造物により、前述２本の係留索を船体に係留する係留点をできるだけ左右に離して設けることにより、船体を海面上で旋回させようとする力によるヨーイングを抑制する作用を、係留点を船体に直付けした場合より強力にして船体の水平方向の姿勢復元力を向上し、前述支持構造物は常時固定であるか、もしくは移動時は船体に沿わせる形で収納して船体の実効幅を狭くできるかの何れかである請求項４に記載された多胴船型潮流発電施設。