JP2010084724A - 電場応答性高分子膜を用いた多点係留型波力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波の周期に対応して装置の固有周期を変更可能な発電効率の高い波力発電装置を提供する。
【解決手段】海面の波により揺動するベース浮体１１０とベース浮体１１０に一端を連結した複数の電場応答性高分子膜１３０と電場応答性高分子膜１３０の他端と海底又は水中の構造物とを繋ぐ係留ロープ１６０とを有し、電場応答性高分子膜１３０とベース浮体１１０との連結個所が移動可能に構成されていることにより上記の課題を解決する。
【選択図】図３

Description

本発明は、波力エネルギーを利用して発電を行う波力発電装置に関し、特に、電場応答性高分子（ Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ ）を用いて、波力エネルギーから電気エネルギーを取り出す波力発電装置に関するものである。

近年、石油などの化石燃料の枯渇と地球温暖化に象徴されるような環境問題が、深刻な課題として認識されるようになり、その解決策として風力や太陽エネルギーなどの環境に優しい自然エネルギーを利用した発電が注目を集めている。自然エネルギーを利用した発電の一つとして、潮汐、波、海流や海中の温度差などの海洋エネルギー活用に関する研究開発が国内外で盛んに実施されており、波力発電装置についても実証実験がスタートしている。

波力エネルギーから電気エネルギーを取り出す波力発電装置には、いくつかの方式が知られているが、現在の主流は、図１に簡略的に示すような振動水柱方式である。この振動水柱方式の波力発電装置１では、海面付近に係留された筒型形状の浮体２上に空気タービン３によって駆動される発電機４が設置されている。浮体２は、海中で図示はされていないバラストにより鉛直方向に浮遊状態に保持され、浮体２の浮力と発電機４やバラストなどが受ける重力との関係で、浮体２の頂部側に空気室５が形成される。そして、浮体２内の振動水柱６の往復動により発生する水面の昇降により、空気室５の内部と外部との間で空気流が発生する。この空気流により空気タービン３が駆動される。そして、この空気タービン３の駆動により発電機４が回転駆動され、振動水柱６の昇降運動に伴う波力エネルギーが、発電機４によって電気エネルギーに変換されて外部に取り出される（例えば、特許文献１参照。）。

一方、本発明者らは、発電機などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置として電場応答性高分子膜を用いた発電装置の開発に成功した（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−９５５６９号公報 特開２００８−１４１８４０号公報

前述したような、従来の振動水柱方式の波力発電装置は、波と振動水柱が同調することにより、波力エネルギーを最大限に吸収することができる。そのため、浮体を設計する場合に、浮体内の振動水柱の固有周期を設置海域の最多出現波周期に合わせることが必要になり、設計開発コスト上昇の原因になっていた。また、振動水柱が固有周期を有するため天候などによって随時変化する波力エネルギーに柔軟に対応することができず、発電効率の向上を妨げる原因になっていた。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、波の周期に対応して装置の固有周期を変更可能な発電効率の高い波力発電装置を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、エネルギー変換手段に電場応答性高分子膜を用い、これを浮体の揺動により伸張収縮させることにより波力エネルギーを電気エネルギーに変換するという新規な発電原理に基づく波力発電装置の開発に成功し、この波力発電装置が前記課題の解決にきわめて効果的であることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成するに到った。

まず、本請求項１に係る発明は、海面の波により揺動するベース浮体と該ベース浮体に一端を連結した複数の電場応答性高分子膜と該電場応答性高分子膜の他端と海底又は水中の構造物とを繋ぐ係留ロープとを有し前記電場応答性高分子膜の伸張収縮により電気エネルギーを発電する波力発電装置であって、前記電場応答性高分子膜とベース浮体との連結個所が移動可能に構成されていることによって、前記課題を解決するものである。

また、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る波力発電装置において、前記係留ロープと海底又は水中の構造物との連結個所が移動可能に構成されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。

そして、本請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る波力発電装置において、前記ベース浮体が複数の浮体モジュールから構成されているとともに隣接した浮体モジュールが電場応答性高分子膜によって連結されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。

ここで、本発明における電場応答性高分子膜とは、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発された新素材であって、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子膜（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしており、ＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で市販されているものである。

本請求項１に係る波力発電装置によれば、海面の波により揺動するベース浮体とベース浮体に一端を連結した複数の電場応答性高分子膜と電場応答性高分子膜の他端と海底又は水中の構造物とを繋ぐ係留ロープとを有し電場応答性高分子膜の伸張収縮により電気エネルギーを発電する波力発電装置であって、電場応答性高分子膜とベース浮体との連結個所が移動可能に構成されていることによって、電場応答性高分子膜とベース浮体との連結個所を変えることにより装置の固有周期を変更することができるので、波の周期に対応させて装置の固有周期を変更して高い発電効率を実現することができる。

また、本請求項２の波力発電装置によれば、請求項１に係る波力発電装置において、係留ロープと海底又は水中の構造物との連結個所が移動可能に構成されていることによって、係留ロープと海底又は水中の構造物との連結個所を変えることにより装置の固有周期を変更することができるので、波の周期に対応させて装置の固有周期を変更して高い発電効率を実現することができる。

そして、本請求項３の波力発電装置によれば、請求項１又は請求項２に係る波力発電装置において、ベース浮体が複数の浮体モジュールから構成されているとともに隣接した浮体モジュールが電場応答性高分子膜によって連結されていることによって、個々の浮体モジュールによって波の動きを捉え、隣接した浮体モジュールを連結している電場応答性高分子膜が伸張収縮するので、浮体が受ける波力エネルギーを無駄なく電気エネルギーに変換することができる。

さらに、本発明の波力発電装置によれば、従来の振動水柱方式の波力発電装置のように発電機や空気タービンのような回転機構が存在しないため静粛性に優れており、省スペース、軽量化、メンテナンス負担の軽減という点においても優れている。

本発明の波力発電装置は、海面の波により揺動するベース浮体とベース浮体に一端を連結した複数の電場応答性高分子膜と電場応答性高分子膜の他端と海底又は水中の構造物とを繋ぐ係留ロープとを有し電場応答性高分子膜の伸張収縮により電気エネルギーを発電するものであって、電場応答性高分子膜とベース浮体との連結個所が移動可能に構成されていることによって、波の周期に対応して装置の固有周期を変更可能な発電効率の高い波力発電装置を実現するものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。

まず、本発明の波力発電装置の発電要素となる電場応答性高分子膜が、発電する原理の概要について、図２に基づき説明する。

電場応答性高分子膜１０は、２つの柔軟な電極１０ｂ、１０ｃに挟まれたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などの高分子膜１０ａで構成されている。従来、多用されていたアクチュエーション（駆動）モードでは、図２（ａ）に示すように電極間に電位差を与えると、静電力により高分子膜１０ａが厚さ方向に収縮し、その結果として、電場応答性高分子膜１０が面方向に伸張し、アクチュエータとして機能する。

一方、発電モードでは、図２（ｂ）に示すようにアクチュエーション（駆動）モードと逆の動き、すなわち、電場応答性高分子膜１０に波力に由来する引張力を与えて、電場応答性高分子膜１０を伸張させることにより発電する。

これらモードでは、電場応答性高分子膜１０は、可変容量コンデンサーのように機能していると考えられる。電場応答性高分子膜１０が伸張された際に発電の元となる微量の電荷を電場応答性高分子膜１０に与える。この電荷は、電場応答性高分子膜１０の高分子膜１０ａの表面上に現れる。そして、この膜が弛緩する際、電場応答性高分子膜１０の弾性力が電場圧力に対抗して働き、その結果、電気エネルギーが増加する。ミクロ的には、高分子膜１０ａの弾性力により電荷を各電極１０ｂ、１０ｃに向けて押し出し（収縮状態で高分子膜１０ａの厚さが増加）、また電極１０ｂ、１０ｃ上において各電荷間の距離が短くなる（収縮状態で高分子膜１０ａの平面領域が減少）。

このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、静電エネルギー量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になり、電場応答性高分子膜１０が発電要素として機能する。

電場応答性高分子膜１０から電気エネルギーを取り出す具体的回路構成については、前述した特許文献２において開示しているので、説明を割愛する。

以下、本発明の電場応答性高分子膜を用いた波力発電装置の一実施形態である実施例１について、図３及び図４に基づき説明する。

ここで、図３は、実施例１の波力発電装置の側面図であり、図４は、図３に示した波力発電装置の上面図である。

まず、実施例１の波力発電装置１００の構造について、図３及び図４を参照して説明する。実施例１の波力発電装置１００は、海面の波により揺動するベース浮体１１０とベース浮体１１０に一端を連結した複数の電場応答性高分子膜１３０と電場応答性高分子膜１３０の他端と海底又は水中の構造物とを繋ぐ係留ロープ１６０とを有しており、ベース浮体１１０が揺動することにより電場応答性高分子膜１３０が伸張収縮し電気エネルギーを発電する。

波力発電装置１００は、図３及び図４に示すように、ベース浮体１１０の２個所に電場応答性高分子膜１３０が連結されており、この電場応答性高分子膜１３０の先端が係留ロープ１６０を介して海底又は水中の構造物に固設された係留ベース板１７０に連結されている。電場応答性高分子膜１３０は、その一端がベース浮体１１０に垂設した複数の連結フック１２２、１２４、１２６の一つに連結リング１８０を介して連結されている。そして、連結リング１８０を連結する連結フック１２２、１２４、１２６を変えることにより、ベース浮体１１０の揺動範囲を変えることができるので、波力発電装置１００の固有周期を変えることができる。したがって、波の周期に波力発電装置１００の固有周期を合わせることができるため、効率の高い発電が実現できる。なお、本実施例においては、電場応答性高分子膜１３０は、伸張収縮運動をガイドするための円筒状ガイド部材１４０の中に納められているが、電場応答性高分子１３０の外表面（電極面）を主材料のエラストマーでコーティングして電場応答性高分子膜１３０の防水性を高めることによって、円筒状ガイド部材１４０を用いることなく電場応答性高分子膜１３０を直接海中に垂らして使用することも可能である。

さらに、図示はされていないが、係留ベース板１７０と係留ロープ１６０との連結を係留ベース１７０上に垂設した複数の連結フックの一つに連結リングを介して係留ロープ１６０の一端を連結する構造とすることにより、連結リングを連結する連結フックを変えることにより、ベース浮体１１０の揺動範囲を変えることができるので、波力発電装置１００の固有周期を変えることができる。そして、前述したベース浮体１１０と電場応答性高分子膜１３０との連結個所の変更と係留ベース１７０と係留ロープ１６０との連結個所の変更とを組み合わせることにより、波力発電装置１００の固有周期をより細かく変更することが可能になる。

また、ベース浮体１１０と電場応答性高分子膜１３０との連結は、前述のように連結リング１８０を用いて手動で連結個所を動かすものであっても構わないが、ベース浮体１１０側にボールねじを設けて、このボールねじに螺合させたナットに電場応答性高分子膜１３０の一端を固定して、サーボモータでボールねじを正逆回転させることにより自動で連結個所を動かすものであっても構わない。この場合、波の周期をセンサで検知し、波の周期に対応させてサーボモータの回転を制御させることによって、波の周期の変化に波力発電装置１００の固有周期を自動で対応させることができ、より一層、効率の高い発電が実現できる。

次に、本発明の電場応答性高分子膜を用いた波力発電装置の別の実施形態である実施例２について、図５及び図６に基づき説明する。

実施例２の波力発電装置２００は、前述した実施例１の波力発電装置１００と基本的な装置構成は同一であるので、対応する部材に付した符号の１００番台を２００番台に書き換えることにより、その説明を省略する。

波力発電装置２００は、図５及び図６に示すように、ベース浮体２１０の４個所に電場応答性高分子膜２３０が連結されており、この電場応答性高分子膜２３０の先端が係留ロープ２６０を介して海底又は水中の構造物に固設された係留ベース板２７０に連結されている。ベース浮体２１０と電場応答性高分子膜２３０とは、ベース浮体２１０に垂設した複数の連結フック２２２、２２４、２２６の一つに連結リング２８０を介して連結されている。そして、連結リング２８０を連結する連結フック２２２、２２４、２２６を変えることにより、ベース浮体２１０の揺動範囲を変えることができるので、波力発電装置２００の固有周期を変えることができる。したがって、波の周期に波力発電装置２００の固有周期を合わせることができるため、効率の高い発電が実現できる。

さらに、図示はされていないが、係留ベース板２７０と係留ロープ２６０との連結を係留ベース２７０上に垂設した複数の連結フックの一つに連結リングを介して係留ロープ２６０の一端を連結する構造とすることにより、連結リングを連結する連結フックを変えることにより、ベース浮体２１０の揺動範囲を変えることができるので、波力発電装置２００の固有周期を変えることができる。そして、前述したベース浮体２１０と電場応答性高分子膜２３０との連結個所の変更と係留ベース２７０と係留ロープ２６０との連結個所の変更とを組み合わせることにより、波力発電装置２００の固有周期をより細かく変更することが可能になる。

また、波力発電装置２００は、係留ロープ２６０の本数が４本であるので、実施例１の波力発電装置１００に比べて、約２倍の発電を行うことが可能になる。また、ベース浮体２１０が４方向に引っ張られているため、ベース浮体２１０を上下方向の動きに対してだけでなく、前後左右の動きに対しても安定して係留することが可能になる。

次に、本発明の電場応答性高分子膜を用いた波力発電装置の別の実施形態である実施例３について、図７乃至図１０に基づき説明する。

実施例３の波力発電装置３００は、前述した実施例１の波力発電装置１００と基本的な装置構成は同一であるので、対応する部材に付した符号の１００番台を３００番台に書き換えることにより、その説明を省略する。

波力発電装置３００は、図７及び図８に示すように、ベース浮体３１０が複数の浮体モジュール３１２から構成されているとともに隣接した浮体モジュール３１２が電場応答性高分子膜３５２を主構成要素とする発電モジュール３５０によって連結されている。

ここで、図９に基づいて、発電モジュール３５０の構造と機能について説明する。発電モジュール３５０は、曲げ及び伸び縮み可能な弾性体３５４の両側面に複数枚の電場応答性高分子膜３５２を貼り付け、両端面に剛性のエンドプレート３５６を固着した構造をしている。したがって、２枚のエンドプレート３５６に引張力Ｆｓを加えることによって電場応答性高分子膜３５２が伸張して電気エネルギーが発生する。また、発電モジュール３５０に曲げ力Ｆｒを加えると曲げ方向と逆側に位置する電場応答性高分子膜３５２が伸張して電気エネルギーを発生する。

このような構造の発電モジュール３５０で隣接する浮体モジュール３１２を連結すると、図１０に示すように、波のうねりで浮体モジュール３１２が上下し、隣接する浮体モジュール３１２間に装着した発電モジュール３５０に曲げ力が働き、発電モジュール３５０の上側又は下側に位置する電場応答性高分子３５２が伸張し電気エネルギーを発生する。なお、図９に示した発電モジュール３５０の例では、直方体形状の弾性体３５４を用いているが、弾性体３５４の形状は円柱状とすることによって、円柱状の浮体に効率的に設置することができる。

以上のように、実施例３の波力発電装置３００は、ベース浮体３１０を係留する電場応答性高分子膜３３０だけでなくベース浮体３１０を構成する複数の浮体モジュール３１２を連結する発電モジュール３５０によっても電気エネルギーを発生するので、波力エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能になる。また、ベース浮体３１０が大きくなるのに応じて浮体モジュール３１２の数を増やし、発電モジュール３５０の数を増やすことによって、より大きな電気エネルギーを得ることができる。

本発明の波力発電装置は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、さまざまな海域及びさまざまな気象条件に対応して固有周期を調整して利用可能である発電装置を提供するものであるのみならず、既存の太陽光発電装置の発電効率の落ちる悪天候のときには、波の高いことが多いため太陽光発電装置と併用したときの補完性にも優れており、地球温暖化の原因である二酸化炭素などの温室効果ガスの発生が皆無であるため、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。

従来の振動水柱方式の波力発電装置の概念図。 電場応答性高分子膜の動作原理を説明する概念図。 実施例１の波力発電装置の側面図。 図３に示した波力発電装置の上面図。 実施例２の波力発電装置の側面図。 図５に示した波力発電装置の上面図。 実施例３の波力発電装置の側面図。 図７に示した波力発電装置の上面図。 実施例３の波力発電装置に装着される発電モジュールの構造を説明する組立図。 実施例３の波力発電装置の動作を説明する側面図。

符号の説明

１ ・・・ 波力発電装置
２ ・・・ 浮体
３ ・・・ 空気タービン
４ ・・・ 発電機
５ ・・・ 空気室
６ ・・・ 振動水柱
１０ ・・・ 電場応答性高分子膜
１０ａ ・・・ （電場応答性高分子膜の）高分子膜
１０ｂ、１０ｃ ・・・ （電場応答性高分子膜の）電極
１００、２００、３００ ・・・ 波力発電装置
１１０、２１０、３１０ ・・・ ベース浮体
１２０、２２０、３２０ ・・・ 連結フック
１３０、２３０、３３０、３５２ ・・・ 電場応答性高分子膜
１４０、２４０、３４０ ・・・ 円筒状ガイド部材
１６０、２６０、３６０ ・・・ 係留ロープ
１７０、２７０、３７０ ・・・ 係留ベース
１８０、２８０、３８０ ・・・ 連結リング
３５０ ・・・ 発電モジュール
３５４ ・・・ 弾性体
３５６ ・・・ エンドプレート

Claims (3)

1. 海面の波により揺動するベース浮体と該ベース浮体に一端を連結した複数の電場応答性高分子膜と該電場応答性高分子膜の他端と海底又は水中の構造物とを繋ぐ係留ロープとを有し前記電場応答性高分子膜の伸張収縮により電気エネルギーを発電する波力発電装置であって、
   前記電場応答性高分子膜とベース浮体との連結個所が移動可能に構成されていることを特徴とする波力発電装置。
2. 前記係留ロープと海底又は水中の構造物との連結個所が移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記ベース浮体が複数の浮体モジュールから構成されているとともに隣接した浮体モジュールが電場応答性高分子膜によって連結されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波力発電装置。
   

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