JP2007297929A - 波力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】海洋波浪を利用した波力発電装置は、大型かつ固定型であり、定期的メンテナンスが必要であった。
【解決手段】密封のブイ１の内壁に振動子２がばね３−１，３−２によって結合され、振動子２の相対運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。この変換は、ブイ１の内壁に固定されたラック４−１，４−２と、振動子２に固定され、かつラック４−１，４−２にかみ合わせられたピニオン５−１，５−２と、ピニオン５−１，５−２によって回転駆動される発電機６−１，６−２とによって行われる。発電機６−１，６−２の電気エネルギーはコイル導線７−１，７−２を介してバッテリ８に蓄積される。
【選択図】 図１

Description

本発明は海洋波浪を利用した波力発電装置に関する。

従来の波力発電装置として、海洋波浪により直接駆動される水車を用いて発電機を駆動するもの、海洋波浪を密閉室内に誘導して発生した気圧差により回転するフィンを用いて発電機を駆動するもの、２つの浮遊体の相対的位置変位を用いて発電機を駆動するもの等がある。

しかしながら、上述の従来の波力発電装置はいずれも大型かつ固定型という課題があった。また、水車、フィン、浮遊体等は海水に暴露されるので、海水、微生物等による浸食に対して定期的にメンテナンスを行わなければならないという課題もあった。この結果、海洋調査ロボット、ＳＯＳ発信用救命ブイ等に利用することが困難であった。

一般に、航行しながら海洋の環境状態を調査する海洋調査有索ロボットはケーブルによって行動範囲が制限され、他方、海洋調査無索ロボットはバッテリ容量によって活動時間が制限される。従って、行動範囲が広くかつ活動時間が長い海洋調査ロボットとして、海洋波浪を利用した定期的メンテナンス不要、小型かつ移動型の波力発電装置を搭載した海洋調査無索ロボットが期待される。また、活動時間が長いＳＯＳ発信用救命ブイとしても、海洋波浪を利用した波力発電装置を搭載したものが期待される。

従って、本発明の目的は、海洋波浪を利用した、定期的メンテナンスが不要、小型かつ移動型の波力発電装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために本発明に係る波力発電装置は、密封のブイと、少なくとも１つのばねによってブイの内壁に結合された振動子と、ブイに対する振動子の相対運動エネルギーを電気エネルギーに変換する相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットとを具備する。

本発明によれば、密封のブイを用いているので定期的なメンテナンスを不要にすることができる。また、小型かつ移動型に容易にできる。

図１は本発明に係る波力発電装置の第１の実施の形態を示す図である。図１において、１は完全密封のブイであって、その内部に振動子２が２つのばね３−１，３−２によって上下支持されている。

ブイ１に対する振動子２の上下の相対運動エネルギーは相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットによって電気エネルギーに変換される。この相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットは、ブイ１の内壁に固定されたラック４−１，４−２、振動子２に固定され、ラック４−１，４−２にかみ合わされたピニオン５−１，５−２、及びピニオン５−１，５−２によって回転駆動する発電機６−１，６−２によって構成される。すなわち、振動子２がブイ１に対して上下運動すると、その上下運動はラック４−１，４−２及びピニオン５−１，５−２によって回転運動に変換され、この回転運動が発電機６−１，６−２を駆動することになる。

図１の波力発電装置においては、振動子２の固有振動数（共振周波数）が海水波浪の上下の揺動振動数になるように、振動子２の質量が予め決定されている。尚、振動子２の固有振動数は振動子２の質量（運動質量と呼ぶことにする）及びばね３−１，３−２のばね定数によって決定されるが、この場合、振動子２にはピニオン５−１，５−２、発電機６−１，６−２が固定されているので、これらの質量も振動子２の運動質量に寄与することになる。従って、振動子２自体の質量はその分小さくなり、この結果、波力発電装置の小型化が図れることになる。

相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットによって得られた電気エネルギーはコイル導線７−１，７−２を介してバッテリ８に蓄積されることになる。たとえば、発電機６−１，６−２がＤＣモータである場合には、電気エネルギーは交流電流として得られるので、図示しない整流回路が発電機６−１，６−２側もしくはバッテリ８側に設けられる。

尚、図１においては、バッテリ８はブイ１に固定されているが、バッテリ８を振動子２に固定してもよい。この場合、バッテリ８も振動子２の運動質量に寄与するので、振動子２自体の質量をさらに小さくでき、この結果、波力発電装置の小型化がさらに図れることになる。

また、図１においては、２つのばね３−１，３−２を設けてあるが、１つのばね３−１もしくは３−２のみでもよい。さらに、２つのラック４−１，４−２、２つのピニオン５−１，５−２、２つの発電機６−１，６−２、２つのコイル導線７−１，７−２を設けて２系統にしているが、１系統でも、３以上の系統でもよい。

図２は図１の波力発電装置の静止状態を示す図である。通常、海水波浪の揺動振動数は２Ｈｚ以下の定周波数である。このため、ばね３−１，３−２のばね定数ｋ／２は小さくなり、この結果、振動子２（図２では、ピニオン５−１，５−２、発電機６−１，６−２も含む）の荷重は下側のばね３−２に大きくかかり、従って、振動子２は静止状態においても中心値から大きな変位を発生する。これは振動子２の動的状態でのストロークを減少させることになる。

図３は本発明に係る波力発電装置の第２の実施の形態を示す図である。図３においては、図１の構成要素に対して定荷重ばね９をブイ１の上壁と振動子２との間に設ける。この場合にも、ブイ１の海水に対する完全密封性を保持する。これにより、ばね３−１，３−２は振動子２（図２では、ピニオン５−１，５−２、発電機６−１，６−２も含む）の慣性質量のみを支持すればよく、図２のストローク減少を補償でき、波力発電装置の安定化、高効率化に寄与できる。

また、図１においては、振動子２の固有振動数は一定であるが、海水波浪の揺動振動数は状況により変化する。このため、波力発電装置は不安定、低効率となる。

図４は本発明に係る波力発電装置の第３の実施の形態を示す図である。図４においては、図１の構成要素に対して、振動子２に固定された注射器型の可変容量タンク１０、可変容量タンク１０の液量（たとえば海水量）を調整するアクチュエータ１１（たとえばリニアモータ）、及びアクチュエータ１１に無線もしくは有線によって接続され、海水波浪の揺動振動数を検出してアクチュエータ１１を制御する制御回路１２が付加されている。この場合、可変容量タンク１０はチューブ１０ａによりブイ１の底部に設けられたタンク１０ｂに接続されており、アクチュエータ１１の動作により液体がタンク１０ｂから可変容量タンク１０へ吸入され、あるいは液体が可変容量タンク１０からタンク１０ｂへ排出される。また、制御回路１２は海水波浪の揺動振動数（振動子２の振動数）を検出するセンサ１３から検出された海水波浪の揺動振動数に応じてアクチュエータ１１を制御して可変容量タンク１０の液量を調整する。これにより、振動子２（図４では、ピニオン５−１，５−２、発電機６−１，６−２も含む）の運動質量を実質的に変化させて振動子２の固有振動数を海水波浪の揺動振動数に近づけるようにし、この結果、波力発電装置の安定化、高効率化を図る。

図５は図４の制御回路１２の動作を示すフローチャートである。尚、制御回路１２はマイクロコンピュータにより構成され、図５のフローチャートは所定時間として実行される。

始めに、ステップ５０１において、センサ１３より海水波浪の揺動振動数を検出する。

次に、ステップ５０２において、検出された揺動振動数に応じて可変容量タンク１０の液量を演算する。たとえば、揺動振動数と液量との関係は予め演算して制御回路１２のＲＯＭ等にテーブルとして格納しておく。これにより、ステップ５０１において検出された揺動振動数を用いて液量を補間演算する。

次に、ステップ５０３では、制御回路１２はアクチュエータ１１を制御して可変容量タンク１０の液量をステップ５０２にて演算された液量にする。

そして、ステップ５０４にてこのルーチンは終了する。

本発明に係る波力発電装置は高さ１ｃｍ程度まで小型化できるが、２０ｍ程度大型にもできる。

本願の発明者らの実験によると、海水波浪の振幅０．０７ｍ、揺動振動数１．５Ｈｚの場合に、１つの発電機当り最大出力０．２２Ｗが得られ、つまり、２つの発電機６−１，６−２から最大出力０．４４Ｗが得られ、効率は約１１％であった。この結果、同程度のサイズの太陽光発電装置の最大出力０．２８Ｗを上回った。

尚、図３の波力発電装置と図４の波力発電装置とを組合せることもできる。また、発電機の出力を直接利用する場合には、バッテリ８は不要とすることができる。

さらに、本発明に係る波力発電装置においては、バッテリ８をその底部に設けている場合には、バッテリ８が重しの作用をし、海水波浪の上下方向の運動によって発電するようになっているが、海水波浪面の斜め方向に存在するときにもその上下方向運動成分に応じて発電できるので、バッテリ８が振動子２に結合されても、特別の重しを設ける必要はない。

本発明に係る波力発電装置の第１の実施の形態を示す図である。 図１の波力発電装置の静止状態を示す図である。 本発明に係る波力発電装置の第２の実施の形態を示す図である。 本発明に係る波力発電装置の第３の実施の形態を示す図である。 図４の制御回路の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１：ブイ
２：振動子
３−１，３−２：ばね
４−１，４−２：ラック
５−１，５−２：ピニオン
６−１，６−２：発電機
７−１，７−２：コイル導線
８：バッテリ
９：定荷重ばね
１０：可変容量タンク
１０ａ：チューブ
１０ｂ：タンク
１１：アクチュエータ
１２：制御回路
１３：センサ

Claims (9)

1. 密封のブイ（１）と、
   少なくとも１つのばね（３−１，３−２）によって前記ブイの内壁に結合された振動子（２）と、
   前記ブイに対する前記振動子の相対運動エネルギーを電気エネルギーに変換する相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットと
   を具備する波力発電装置。
2. 前記相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットは、
   前記ブイの内壁に固定されたラック（４−１，４−２）と、
   前記振動子に固定され、前記ラックにかみ合わせられたピニオン（５−１，５−２）と、
   該ピニオンによって回転駆動する発電機（６−１，６−２）と
   を具備する請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記発電機が前記振動子に固定され、これにより、前記振動子の運動質量を実質的に増加させた請求項２に記載の波力発電装置。
4. さらに、前記相対運動エネルギー／電気エネルギー変換ユニットの電気エネルギーを蓄積するバッテリ（８）を具備する請求項１に記載の波力発電装置。
5. 前記バッテリが前記振動子に固定され、これにより、前記振動子の運動質量を実質的に増加させた請求項４に記載の波力発電装置。
6. さらに、前記ブイの上壁と前記振動子との間に結合された定荷重ばね（９）を具備する請求項１に記載の波力発電装置。
7. さらに、
   前記振動子に設けられ、該振動子の運動質量を実質的に変化させる可変容量タンク（１０）と、
   該可変容量タンク内の液量を調整するアクチュエータ（１１）と、
   該装置の揺動振動数に応じて前記アクチュエータを制御して前記振動子の固有振動数を前記装置の揺動振動数に近づけるように制御する制御回路（１２）と
   を具備する請求項１に記載の波力発電装置。
8. 前記可変容量タンクが注射器構造である請求項７に記載の波力発電装置。
9. 前記発電機がＤＣモータであり、
   さらに、前記ＤＣモータの出力を整流する整流器を具備する請求項２に記載の波力発電装置。

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