JP2013181433A - Wave power generation apparatus and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波力発電装置およびその制御方法に関するものである。 The present invention relates to a wave power generator and a control method thereof.
波力発電装置としては、二つの物体を上下方向に互いに相対運動させて発電機を駆動するものが知られている。例えば、特許文献1には、海上に浮かぶ密閉されたブイ内に、バネを介して振動子を上下方向に変位自在に支持した波力発電装置が開示されている。この波力発電装置は、波によって振動するブイとブイ内で振動する振動子との相対運動エネルギーから電気エネルギーを取り出すようになっている。
As a wave power generation device, one that drives a generator by moving two objects relative to each other in the vertical direction is known. For example,
しかし、上記特許文献1に記載された波力発電装置は、波によって振動するブイと固有振動する振動子との相対変位を用いており、波の入力エネルギーを直接発電に用いるものではない。したがって、大きな発電出力を得ようとする場合に不利である。
また、振動子の固有振動を得るためには荷重に対してバネ定数を非常に小さくすることが要求され、設計の上で自由度が小さいという問題がある。
また、ブイ等の浮体を海上に設置するには、係留設備が必要となり、また、発電した電力を送電するための送電設備も必要となる。これらの係留設備や送電設備の費用は発電コストに占める割合が多く、発電コストの低減を阻む要因となっていた。
However, the wave power generation device described in
Further, in order to obtain the natural vibration of the vibrator, it is required to make the spring constant very small with respect to the load, and there is a problem that the degree of freedom in design is small.
In addition, mooring equipment is required to install floating bodies such as buoys on the sea, and power transmission equipment for transmitting generated power is also required. The cost of these mooring facilities and power transmission facilities accounted for a large proportion of the power generation cost, which hindered the reduction of power generation cost.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来の可動物体型に比べて大きな発電出力を得ることができ、設計の自由度が大きく、発電コストを低減することが可能な波力発電装置およびその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can obtain a large power generation output as compared with the conventional movable object type, has a high degree of design freedom, and can reduce power generation costs. An object of the present invention is to provide a simple wave power generator and a control method thereof.
上記課題を解決するために、本発明の波力発電装置およびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる波力発電装置は、波によって動揺する浮体構造物と、該浮体構造物よりも波による動揺が小さく又は動揺がない大型構造物との間の相対変位を回転運動に変換する変換機構と、該変換機構を介して取り出された回転力により回転する回転軸体と、該回転軸体に駆動されて発電する発電機ユニットとを備えていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the wave power generation apparatus and the control method thereof according to the present invention employ the following means.
That is, the wave power generation device according to the present invention converts a relative displacement between a floating structure that is shaken by a wave and a large structure that is less or less shaken by the wave than the floating structure into a rotational motion. And a rotating shaft body that is rotated by a rotational force extracted through the converting mechanism, and a generator unit that is driven by the rotating shaft body to generate electric power.
浮体構造物と大型構造物との間の相対変位を回転運動に変換し、その回転運動を用いて発電することとした。このように、浮体構造物と大型構造物との間の相対変位を発電のために直接用いることができるので、従来のようにブイ内で相対的に振動する振動子の固有振動を用いる場合に比べて、大きな出力を得ることができる。また、振動子の固有振動を得るためのバネを用いる必要が無いので、設計の自由度が大きくなり、構造を大型化することができ、さらに出力の増加を図ることができる。
また、大型構造物に対して波力発電装置を設けることができるので、大型構造物と係留設備や送電設備を共有することができ、発電コストの低減が可能となる。
なお、本発明の大型構造物としては、波による動揺が小さいものとして、洋上風車等の海上構造物や、船舶などが挙げられ、波による動揺がないものとして、防波堤などの沿岸設備が挙げられる。
また、本発明の変換機構としては、例えば、ボールネジ方式や、ラックアンドピニオン方式が採用される。
The relative displacement between the floating structure and the large structure was converted into rotational motion, and power was generated using the rotational motion. In this way, the relative displacement between the floating structure and the large structure can be used directly for power generation, so when using the natural vibration of the vibrator that vibrates relatively in the buoy as in the prior art. In comparison, a large output can be obtained. Further, since it is not necessary to use a spring for obtaining the natural vibration of the vibrator, the degree of freedom in design is increased, the structure can be increased in size, and the output can be further increased.
Further, since the wave power generation device can be provided for the large structure, the large structure can share the mooring facility and the power transmission facility, and the power generation cost can be reduced.
In addition, as a large structure of the present invention, a marine structure such as an offshore windmill, a ship, and the like are exemplified as those having small fluctuations by waves, and a coastal facility such as a breakwater is exemplified as those having no fluctuations caused by waves. .
Further, as the conversion mechanism of the present invention, for example, a ball screw method or a rack and pinion method is adopted.
さらに、本発明の波力発電装置では、前記発電機ユニットは、前記回転軸体によって駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプによって昇圧された油を蓄積するアキュムレータと、該アキュムレータから導かれる油によって駆動される油圧モータと、該油圧モータによって駆動されて発電する発電機とを備えていることを特徴とする。 Furthermore, in the wave power generation device of the present invention, the generator unit includes a hydraulic pump driven by the rotating shaft body, an accumulator that accumulates oil boosted by the hydraulic pump, and oil guided from the accumulator. A hydraulic motor to be driven and a generator that is driven by the hydraulic motor to generate electric power are provided.
実海域では種々の周期が合成された波が浮体構造物に到来する。種々の周期が合成された波であっても、油圧ポンプによって昇圧された油圧がアキュムレータに蓄圧されることになるので、油圧としてエネルギーを効率的に回収することができる。
また、油圧としてアキュムレータにエネルギーが保存されているので、浮体構造物と大型構造物との変位が大きくとれない場合であっても、所望の蓄圧量さえ得られていれば油圧モータを所望値まで変速することができ、所望の発電量を得ることができる。
In the actual sea area, waves with various cycles synthesized arrive at the floating structure. Even in a wave with various cycles combined, the hydraulic pressure boosted by the hydraulic pump is accumulated in the accumulator, so that energy can be efficiently recovered as the hydraulic pressure.
In addition, since the energy is stored in the accumulator as hydraulic pressure, even if the displacement between the floating structure and the large structure cannot be increased, the hydraulic motor can be set to the desired value as long as the desired pressure accumulation amount is obtained. The speed can be changed, and a desired power generation amount can be obtained.
さらに、本発明の波力発電装置では、前記回転軸体によって付加質量体が回転させられることによる回転慣性力によって、該回転軸体に対する回転慣性付加質量を調整する付加質量調整手段、および/または、前記浮体構造物内の保有水量を調整する保有水量調整手段、を備えていることを特徴とする。 Further, in the wave power generation device of the present invention, an additional mass adjusting means for adjusting a rotational inertia additional mass with respect to the rotary shaft body by a rotary inertia force generated by rotating the additional mass body by the rotary shaft body, and / or And a retained water amount adjusting means for adjusting the retained water amount in the floating structure.
付加質量体による回転慣性付加質量を調整することにより、浮体構造物の固有周期を実海域の波周期に合わせることができる。これにより、浮体構造物と大型構造物との間の相対変位が大きくなり、より大きな発電出力を得ることができる。
または、浮体構造物内の保有水量を調整することにより、浮体の固有周期を実海域の波周期に合わせることができる。これにより、浮体構造物と大型構造物との間の相対変位が大きくなり、より大きな発電出力を得ることができる。
By adjusting the rotational inertia additional mass by the additional mass body, the natural period of the floating structure can be matched with the wave period of the actual sea area. Thereby, the relative displacement between the floating structure and the large structure is increased, and a larger power generation output can be obtained.
Or the natural period of a floating body can be matched with the wave period of a real sea area by adjusting the amount of water held in the floating structure. Thereby, the relative displacement between the floating structure and the large structure is increased, and a larger power generation output can be obtained.
さらに、本発明の波力発電装置では、前記大型構造物に設置され、前記浮体構造物に到来する波を事前に計測する波浪計と、該波浪計の計測結果に基づいて、前記付加質量調整手段、および/または、前記保有水量調整手段を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。 Furthermore, in the wave power generation device of the present invention, a wave meter that is installed in the large structure and measures in advance a wave arriving at the floating structure, and the additional mass adjustment based on the measurement result of the wave meter And / or a control unit for controlling the retained water amount adjusting means.
大型構造物は、浮体構造物に対して動揺が小さく、または動揺が無いので、波浪計を設置することによって正確な計測ができる。
そして、この波浪計によって浮体構造物に到来する波を事前に計測し、この計測結果に基づいて付加質量調整手段、および/または、保有水量調整手段を制御することとしたので、高い応答性で波力発電装置を動作させることができる。
A large structure has little or no fluctuation relative to a floating structure, and therefore accurate measurement can be performed by installing a wave meter.
And, the wave coming to the floating structure is measured in advance by this wave meter, and the additional mass adjusting means and / or the retained water amount adjusting means are controlled based on the measurement result. The wave power generator can be operated.
さらに、本発明の波力発電装置では、前記制御部は、前記波浪計の計測結果から、有義波高を算出し、有義波の周期の変動に基づいて、前記付加質量調整手段、および/または、前記保有水量調整手段を制御することを特徴とする。 Furthermore, in the wave power generation device of the present invention, the control unit calculates a significant wave height from the measurement result of the wave meter, and based on the fluctuation of the significant wave period, the additional mass adjusting means, and / or Alternatively, the holding water amount adjusting means is controlled.
浮体構造物の動揺に大きく寄与する有義波の周期の変動に対して回転慣性付加質量および/または浮体構造物の保有水量を調整することとした。これにより、到来する波の有効成分に対して効率良く浮体の固有周期を調整することができる。
ここで、「有義波」とは、所定時間内に入射する波を波高に応じて分析した場合に、最大波高の値をn等分し、波高の大きい方からn分の1の範囲に入る波高の平均値となる波を意味する。前記nは、一般的に3又は10が用いられるが、装置を設置する海域や季節によって波成分が異なるため、3や10以外も適用する場合がある。
The rotational inertia added mass and / or the amount of water retained in the floating structure were adjusted to the fluctuation of the period of the significant wave that greatly contributes to the fluctuation of the floating structure. Thereby, the natural period of a floating body can be adjusted efficiently with respect to the effective component of the incoming wave.
Here, “significant wave” means that when a wave incident within a predetermined time is analyzed according to the wave height, the value of the maximum wave height is equally divided into n, and the wave height is within a range of 1 / n. It means the wave that is the average value of the wave height to enter. The n is generally 3 or 10, but the wave component varies depending on the sea area or season in which the apparatus is installed, and other than 3 and 10 may be applied.
さらに、本発明の波力発電装置では、上述した発電機ユニットを備え、前記制御部は、前記有義波の変動に基づいて、前記アキュムレータの設定圧を制御することを特徴とする。 Furthermore, the wave power generation device of the present invention includes the above-described generator unit, and the control unit controls a set pressure of the accumulator based on a change in the significant wave.
有義波の波高の変動に基づいてアキュムレータの設定圧を制御することにより、浮体の動揺振幅を装置の可動範囲内に抑えることができる。これにより、有義波の波高が高くなった場合も、浮体の動揺振幅を可動範囲内に抑えると共に有効にエネルギーを回収することができる。 By controlling the set pressure of the accumulator based on the fluctuation of the significant wave height, the swing amplitude of the floating body can be suppressed within the movable range of the apparatus. As a result, even when the wave height of the significant wave increases, it is possible to suppress the oscillation amplitude of the floating body within the movable range and to effectively recover energy.
また、本発明の波力発電装置の制御方法は、波によって動揺する浮体構造物と、該浮体構造物よりも大型とされて該浮体構造物よりも波による動揺が小さく又は動揺がない大型構造物との間の相対変位を回転運動に変換する変換機構と、該変換機構を介して取り出された回転力により回転する回転軸体と、該回転軸体に駆動されて発電する発電機ユニットと、を備えた波力発電装置の制御方法であって、前記回転軸体によって付加質量体が回転させられることによる回転慣性力によって、該回転軸体に対する回転慣性付加質量を調整し、かつ/または、前記浮体構造物内の保有水量を調整することを特徴とする。 Further, the control method of the wave power generation device of the present invention includes a floating structure that is shaken by a wave, and a large structure that is larger than the floating structure and has less fluctuation or no fluctuation than the floating structure. A conversion mechanism that converts relative displacement between the object and the object into a rotational motion, a rotating shaft that rotates by a rotational force extracted through the converting mechanism, and a generator unit that is driven by the rotating shaft and generates power A method of controlling a wave power generation apparatus comprising: a rotary inertial force generated by rotating an additional mass body by the rotary shaft body, and / or adjusting a rotary inertia additional mass with respect to the rotary shaft body, and / or The amount of retained water in the floating structure is adjusted.
付加質量体による回転慣性付加質量を調整することにより、浮体構造物の固有周期を実海域の波周期に合わせることができる。これにより、浮体構造物と大型構造物との間の相対変位が大きくなり、より大きな発電出力を得ることができる。
または、浮体構造物内の保有水量を調整することにより、浮体の固有周期を実海域の波周期に合わせることができる。これにより、浮体構造物と大型構造物との間の相対変位が大きくなり、より大きな発電出力を得ることができる。
By adjusting the rotational inertia additional mass by the additional mass body, the natural period of the floating structure can be matched with the wave period of the actual sea area. Thereby, the relative displacement between the floating structure and the large structure is increased, and a larger power generation output can be obtained.
Or the natural period of a floating body can be matched with the wave period of a real sea area by adjusting the amount of water held in the floating structure. Thereby, the relative displacement between the floating structure and the large structure is increased, and a larger power generation output can be obtained.
浮体構造物と大型構造物との間の相対変位を回転運動に変換し、その回転運動を用いて発電することとしたので、浮体構造物と大型構造物との間の相対変位を発電のために直接用いることができ、従来のようにブイ内で相対的に振動する振動子の固有振動を用いる場合に比べて、大きな出力を得ることができる。また、振動子の固有振動を得るためのバネを用いる必要が無いので、設計の自由度が大きくなり、構造を大型化することができ、さらに出力の増加を図ることができる。 Since the relative displacement between the floating structure and the large structure is converted into rotational motion and power is generated using the rotational motion, the relative displacement between the floating structure and the large structure is used for power generation. Compared to the case of using the natural vibration of the vibrator that vibrates relatively in the buoy as in the prior art, a large output can be obtained. Further, since it is not necessary to use a spring for obtaining the natural vibration of the vibrator, the degree of freedom in design is increased, the structure can be increased in size, and the output can be further increased.
図1には、本発明の波力発電装置の一実施形態が概念的に示されている。同図に示されているように、波力発電装置1Aは、海洋の水面7上に上部が露出して浮かぶ箱形の浮体(浮体構造物)2を備えている。浮体2の近傍には、大型構造物5が設置されている。なお、大型構造物5としては、波による動揺が小さいものとして、洋上風車等の海上構造物や、船舶などが挙げられ、波による動揺がないものとして、防波堤などの沿岸設備が挙げられる。
浮体構造物2と大型構造物5との間には、浮体2と大型構造物5との間の相対運動を回転運動に変換する変換機構4と、変換機構4を介して取り出された回転力により回転する回転軸体6と、回転軸体6によって回転させられる回転体(付加質量体)9と、回転軸体6の回転力によって発電する発電機ユニット8とが設けられている。変換機構4および発電機ユニット8は、それぞれ力学モデルとして表示されており、変換機構4を減衰要素、発電機ユニット8を減衰要素として示されている。
図2には、図1の構成をさらに力学モデルとして示したものであり、浮体2と海水との関係がバネ要素10で示されている。
FIG. 1 conceptually shows an embodiment of the wave power generation device of the present invention. As shown in FIG. 1, the wave
Between the floating
In FIG. 2, the configuration of FIG. 1 is further shown as a dynamic model, and the relationship between the floating
図3には、図1及び図2に示した力学モデルを実現する具体的な構成が示されている。同図に示されているように、浮体2は、内部に海水を保有水11として保有できるようになっている。浮体2の上部には、外側ガイド筒12が固定されている。外側ガイド筒12内には、大型構造物5の下端に固定された内側ガイド筒14が略同一軸線を有して挿入されている。このように、外側ガイド筒12と内側ガイド筒14とは、浮体2と大型構造物5との相対運動に伴い、上下方向に相対的に移動可能となっている。
外側ガイド筒12及び内側ガイド筒14のさらに内側には、ボールネジ軸用ナット16を固定する固定筒18が設けられている。固定筒18の下端は浮体2の上面に固定されている。
内側ガイド筒14の下端には、底部蓋20が固定されている。底部蓋20と固定筒18とは互いに相対移動可能となっている。
大型構造物5内には、発電機ユニット8が設置されている。この発電機ユニット8と底部蓋20との間に渡って上下方向に延在するボールネジ軸24が設けられている。ボールネジ軸24に対して上述したボールネジ軸用ナット16が螺合されており、これらボールネジ軸24とボールネジ軸用ナット16によって変換機構4が構成される。すなわち、浮体2と大型構造物5との間に相対変位が生じると、ボールネジ軸24とボールネジ軸用ナット16との間に上下方向に相対変位が生じ、ボールネジ軸用ナット16が固定筒18に対して回転しないように拘束されているので、ボールネジ軸24が軸線回りに回転する。このボールネジ軸24の回転によって、発電機ユニット8が駆動されて発電出力が得られる。したがって、ボールネジ軸24は、図1及び図2で示した回転軸体6の機能も有している。
FIG. 3 shows a specific configuration for realizing the dynamic model shown in FIGS. 1 and 2. As shown in the figure, the floating
A fixed
A
A
上記構成とされた波力発電装置1Aは、浮体2と大型構造物5との相対変位によってボールネジ軸用ナット16がボールネジ軸に対して相対的に移動する際にボールネジ軸24を回転させ、このボールネジ軸24の回転動力によって発電機ユニット8にて発電が行われるようになっている。そして、ボールネジ軸24に固定された回転体9がボールネジ軸24とともに回転して発生する回転慣性付加質量によって、浮体2の固有周期が調整される。
The
図4には、回転体9による回転慣性付加質量を調整する構成が示されている。同図に示されているように、ボールネジ軸24と同一回転中心を有するリング体26と、図4のように平面視した場合に上下左右方向に延在する4本の移動錘用ボールネジ軸28と、各移動錘用ボールネジ軸28に設けられた移動錘30と、移動錘用ボールネジ軸28をその軸線回りに回転駆動する移動用モータ32とを備えている。
移動錘用ボールネジ軸28は、その一端がボールネジ軸24に対して固定されるとともに、半径方向に延在してリング体26を挿通して他端が移動用モータ32に接続されている。
移動錘30は、移動錘用ボールネジ軸28の回転に応じて半径方向に変位させられるようになっている。
移動用モータ32は、図示しない制御部からの指令に基づいて駆動されるようになっており、リング体26に対して固定されている。
回転体9は、移動用モータ32によって移動錘30の半径位置が決定された状態で、リング体26,移動錘用ボールネジ軸28、移動錘30および移動用モータ32が一体でボールネジ軸24とともに回転するようになっている。したがって、回転体9の回転時の慣性モーメントによる回転慣性付加質量は、移動錘30の半径方向位置に応じて変化させることができるようになっており、具体的には、移動錘30を半径方向外側(リング体26側)に位置させれば重心が半径方向外側に移ることによって慣性モーメントが大きくなり回転慣性付加質量を増大させることができ、反対に、移動錘30を半径方向内側(ボールネジ軸24側)に位置させれば重心が半径方向内側に移ることによって慣性モーメントが小さくなり回転慣性付加質量を減少させることができる。
FIG. 4 shows a configuration for adjusting the rotational inertia added mass by the
One end of the moving weight
The moving
The moving
In the
さらに、図5に示すように、大小の回転体9を複数設けることとしても良い。すなわち、半径が小さい回転体9aと、半径が大きい回転体9bとを設ける。そして、図4に示したように回転慣性付加質量を調整できる機構を各回転体9a,9bに備えておく。これにより、半径が小さい回転体9aにて回転慣性付加質量を微調整できるとともに、半径が大きい回転体9bにて回転慣性付加質量を大きく調整できる。このようにして、浮体2の固有周期を大きな調整幅でかつ微細に調整できる構成としても良い。
Further, as shown in FIG. 5, a plurality of large and small
また、図6に示すように、リンク機構によって移動錘30の半径位置を調整することもできる。具体的には、ボールネジ軸24とともに回転する固定部34と、固定部34に対してボールネジ軸24の軸線方向に往復動してアーム38の中途位置を下方から支持する支持スライダ36とを設ける。固定部34には、揺動可能としたアーム38を左右対称に取り付け、それぞれのアーム38の先端に移動錘30を取り付ける。このような構成により、固定部34に対して支持スライダ36を図示しないアクチュエータによって進退させれば、移動錘30の半径位置を調整することができる。
Moreover, as shown in FIG. 6, the radial position of the
図7には、図3に示した発電機ユニット8の構成が示されている。発電機ユニット8は、変速機45と、発電機本体46とを備えている。
変速機45は、ボールネジ軸24からの回転力によって駆動される油圧ポンプ40と、油圧ポンプ40によって昇圧された油が導かれて蓄積するアキュムレータ42と、アキュムレータ42から導かれる油によって駆動される油圧モータ44とを備えている。アキュムレータ42内の圧力は、図示しない制御部によって設定可能となっている。
発電機本体46は、油圧モータ44から得られる回転力によって発電する。発電機本体46にて得られた電力は、波力発電装置1Aの発電電力として外部に取り出される。
なお、本実施形態では変速機としては上述した油圧式を前提として説明するが、これに代えて、複数の歯車や遊星歯車等を用いた機械式の変速機を用いても良い。
FIG. 7 shows the configuration of the
The
The
In this embodiment, the transmission is described on the premise of the above-described hydraulic type, but a mechanical transmission using a plurality of gears, planetary gears, or the like may be used instead.
図8には、浮体2内の保有水11の量を調整する構成が示されている。同図に示されているように、浮体2の底部には、底部バルブ48が設けられている。この底部バルブ48は、図示しない制御部によって開閉が制御され、通常の運転時(発電時)には全閉とされ、浮体2内の保有水量を一定に保つようになっている。
浮体2の上部には、制御部によって開閉が制御される空気調整バルブ50が設けられている。この空気圧調整バルブ50によって、浮体2内の水面11aの上部空間を占める空気の圧力を調整する。
浮体2の底部には、制御部によって運転が制御される水中ポンプ52が設置されている。水中ポンプ52を制御部の指令により起動することで、保有水11を吸い込んで外部へと排出する。
FIG. 8 shows a configuration for adjusting the amount of retained
An
A
浮体2の設置時には、浮体2内を空にしておく。そして、浮体2を海上に設置する際に底部バルブ48を全開とするとともに空気調整バルブ50の所定開度に調整する。これにより、底部バルブ48を介して底部から海水が浮体2内に導入される。浮体2内に導入された海水量が所定値になったら、制御部の指令によって底部バルブ48および空気調整バルブ50を全閉とする。浮体2の設置後に保有水11の水量を調整する場合にも、上記と同様に、底部バルブ48を全開とするとともに空気調整バルブ50の開度を調整することによって行う。
浮体2内の保有水量を調整する際に排水する場合には、制御部からに指令に基づいて、底部バルブ48を全閉としたままで空気調整バルブ50を所定開度に調整し、水中ポンプ52を起動する。これにより、水中ポンプ52にて吸い込まれた保有水11は浮体2の外部へと排出され、保有水の水位が低下する。
なお、浮体2内の保有水11を排水する場合には、浮体2全体を海面上へと持ち上げ、底部バルブ48を全開とするとともに空気調整バルブ50の開度を調整することによって排水してもよい。この場合、浮体2を上方へ持ち上げる際には、図7に示した発電機ユニット8の発電機本体46を電動機として使用し、図3に示したボールネジ軸24を回転することによって行う。
When the floating
When draining when adjusting the amount of retained water in the floating
When draining the retained
図9には、浮体2の上下運動を回転運動に変換する変換機構としてボールネジ方式を用いた図3の波力発電装置1Aに対する変形例が示されている。図9の波力発電装置1Bは、ラックアンドピニオン方式とされている。ここで、図3と同様の構成については同一符号を付しその説明を省略する。
FIG. 9 shows a modification of the wave
図9(a)に示されているように、波力発電装置1Bは、大型構造物5の下面に固定された内側ガイド筒14の底部蓋20に固定されたラック60を備えている。このラック60は、下端が底部蓋20に固定されて上方へと延在し、上部にてピニオン62に対して噛合するようになっている。これらラック60及びピニオン62によって、浮体2と大型構造物5との間の相対運動を回転運動に変換する変換機構4が構成される。
ピニオン62は、大型構造物5内に設置されており、図9(b)に示されているように、発電機ユニット8と軸支持ブラケット64との間に水平方向に延在して回転するピニオン軸(回転軸体6)66に対して固定されている。発電機ユニット8内には、図7を用いて説明したように、変速機45及び発電機本体46が配置されている。ピニオン軸66には、回転体9が固定されており、ピニオン軸66とともに回転する際に慣性付加質量を与えるようになっている。回転体9は、図4を用いて説明したような付加質量変更機構を備えている。
As shown in FIG. 9A, the wave
The
上記構成とされた波力発電装置1Bは、浮体2と大型構造物5との相対変位によってラック60がピニオン62に対して相対的に移動する際にピニオン62を回転させ、このピニオン62の回転動力によって発電機ユニット8にて発電が行われるようになっている。そして、ピニオン軸66に固定された回転体9がピニオン軸66とともに回転して発生する回転慣性付加質量によって、浮体2の固有周期が調整される。
The wave
図10には、さらに他の変形例とされた波力発電装置1Cが示されており、図9と同様にラックアンドピニオン方式とされている。ここで、図3及び図9と同様の構成については同一符号を付しその説明を省略する。
FIG. 10 shows a wave
図10に示されているように、波力発電装置1Cは、大型構造物5の下面に固定されたリニアガイド筒68を備えている。リニアガイド筒68は、上端が大型構造物5の下面に固定されて下方へと延在している。浮体2の上面には、支柱70が上方に向けて立設されており、リニアガイド筒68の下端から挿入されている。支柱70の上部には、リニアガイド用スライダ72が固定されているとともに、ラック60の下端が固定されている。したがって、浮体2の動作とともに、支柱70、リニアガイド用スライダ72及びラック60が動作するようになっている。
リニアガイド用スライダ72は、リニアガイド筒68内に収納されており、リニアガイド用ころ74によって、リニアガイド筒68に対して円滑に相対運動するようになっている。
As shown in FIG. 10, the wave
The
上述した波力発電装置1A,1B,1Cは、図11に示すように実海域に設置される。なお、図11に示した波力発電装置は図10に示した波力発電装置1Cを代表例として示しているが、もちろん、図3に示した波力発電装置1Aまたは図9に示した波力発電装置1Bであってもよい。
図11に示されているように、波力発電装置1Cは、浮体2と大型構造物5との相対変位から回転動力を得て発電するものである。また、波力発電装置1Cは、浮体2に到来する波を事前に計測する超音波式波浪計76を備えている。超音波式波浪計76は、大型構造物5に対して固定されており、大型構造物5は波に対して動揺することがないので、正確に波を計測することができる。超音波式波浪計76によって計測されたデータは、図示しない制御部へと送られ、後述するように波力発電装置1Cの制御が行われる。
The wave
As shown in FIG. 11, the wave
超音波式波浪計76から得られた波の計測データは、図12のように解析されて波力発電装置1Cの制御に供される。すなわち、超音波式波浪計76によって計測されたデータは、図12(a)のような波形となる。なお、図12において、横軸は時間、縦軸は波高を意味する。図12(a)から分かるように、実海域の波浪は、種々の波高および周期の波の合成となる。制御部では、この実海域の波浪を、図12(b)に示したように、波高が高い支配的波高の波周期を有する支配的な波と、比較的波高が小さい従属的な波とに分解する。
ここで、「有義波」とは、所定時間内に入射する波を波高に応じて分析した場合に、最大波高の値をn等分し、波高の大きい方からn分の1の範囲に入る波高の平均値となる波を意味する。前記nは、一般的に3又は10が用いられるが、装置を設置する海域や季節によって波成分が異なるため、3や10以外も適用する場合がある。
The wave measurement data obtained from the
Here, “significant wave” means that when a wave incident within a predetermined time is analyzed according to the wave height, the value of the maximum wave height is equally divided into n, and the wave height is within the range of 1 / n. It means the wave that is the average value of the wave height to enter. The n is generally 3 or 10, but the wave component varies depending on the sea area or season in which the apparatus is installed, and other than 3 and 10 may be applied.
図13には、超音波式波浪計76を用いた波力発電装置の制御方法が示されている。
先ず、ステップS1にて、超音波波浪計76によって実海域の波浪情報(波高、周期)を計測する。計測された波浪情報は、制御部へ送信され、ステップS2にて、波成分の分析が行われる。このステップS2で、図12を用いて説明したように、有義波の算出が行われる。
そして、ステップS3にて、浮体の振動に寄与する支配的な波の波高の変動に対し、発電機ユニット8(例えば図10参照)の負荷を調整し、浮体2の運動振幅を波周期に合わせて制御する。具体的には、図7に示した油圧式変速機の場合には、アキュムレータ42の設定圧を変更することによって発電機ユニット8の負荷を調整することができる。機械式変速機を用いる場合には発電機本体に与える回転数を調整する等の方法によって発電機ユニット8の負荷を調整する。
そして、ステップS4にて、有義波の波周期が大幅に変動しているか否かを判断する。この判断は、例えば、所定時間内(例えば1時間以内)に有義波の波周期が3秒以上変動しているか否かに基づいて判断される。ステップS3にて有義波の波周期が変動していると判断されると、ステップS5へと進む。
ステップS5では、浮体2の保有水量を調整する。保有水量の調整は、例えば、図8にて説明した方法によって行われる。
FIG. 13 shows a method for controlling the wave power generator using the
First, in step S1, wave information (wave height, cycle) in the actual sea area is measured by the
In step S3, the load of the generator unit 8 (see, for example, FIG. 10) is adjusted with respect to fluctuations in the wave height of the dominant wave that contributes to the vibration of the floating body, and the motion amplitude of the floating
In step S4, it is determined whether or not the wave period of the significant wave has fluctuated significantly. This determination is made based on, for example, whether or not the wave period of the significant wave has fluctuated for 3 seconds or more within a predetermined time (for example, within 1 hour). If it is determined in step S3 that the wave period of the significant wave is changing, the process proceeds to step S5.
In step S5, the retained water amount of the floating
一方、ステップS4にて有義波の波周期が大幅に変動していないと判断した場合は、ステップS6へと進み、有義波の周期が僅かに変動しているか否かを判断する。具体的には、ステップS6にて、1時間以内に1秒以上の波周期の変動があるか否かを判断する。1時間以内に1秒以上の波周期の変動がある場合には、ステップS7へと進み、回転体9(例えば図10参照)の回転慣性付加質量を調整する。回転体9の回転慣性付加質量の調整は、例えば図4に示した機構によって行われる。
On the other hand, if it is determined in step S4 that the wave period of the significant wave has not changed significantly, the process proceeds to step S6 to determine whether the period of the significant wave has slightly changed. Specifically, in step S6, it is determined whether or not there is a wave period variation of 1 second or more within one hour. If there is a wave period variation of 1 second or more within 1 hour, the process proceeds to step S7, and the rotational inertia added mass of the rotating body 9 (see, for example, FIG. 10) is adjusted. Adjustment of the rotational inertia additional mass of the
なお、図14に示したように、図11で用いた超音波式波浪計76に代えて、レーダ式波浪計78を用いることとしても良い。レーダ式波浪計78とすれば、例えば500m先といった遠方まで波浪を計測できるので、さら予測精度を高めたい場合に有効である。
As shown in FIG. 14, a
以上説明したように、本実施形態にかかる波力発電装置およびその制御方法は、以下の作用効果を奏する。
浮体2と大型構造物5との間の相対変位を回転運動に変換し、その回転運動を用いて発電することとしたので、浮体2と大型構造物5との間の相対変位を発電のために直接用いることができ、従来のようにブイ内で相対的に振動する振動子の固有振動を用いる場合に比べて、大きな出力を得ることができる。また、振動子の固有振動を得るためのバネを用いる必要が無いので、設計の自由度が大きくなり、構造を大型化することができ、さらに出力の増加を図ることができる。
また、大型構造物5に対して波力発電装置1A,1B,1Cを設けることができるので、大型構造物5と係留設備や送電設備を共有することができ、発電コストの低減が可能となる。
As described above, the wave power generation device and the control method thereof according to the present embodiment have the following operational effects.
Since the relative displacement between the floating
Moreover, since the
実海域では種々の周期が合成された波が浮体構造物に到来し、種々の周期が合成された波であっても、図7に示したように、油圧ポンプ40によって昇圧された油圧がアキュムレータ42に蓄圧されることとしたので、油圧としてエネルギーを効率的に回収することができる。
また、油圧としてアキュムレータ42にエネルギーが保存されているので、浮体2と大型構造物5との変位が大きくとれない場合であっても、所望の蓄圧量さえ得られていれば油圧モータ44を所望値まで変速することができ、所望の発電量を得ることができる。
In the actual sea area, waves with various periods arrive at the floating structure, and even if the waves have various periods, the hydraulic pressure boosted by the
Further, since energy is stored in the
付加質量体である回転体9による回転慣性付加質量を調整することにより、浮体2の固有周期を実海域の波周期に合わせることができる。これにより、浮体2と大型構造物5との間の相対変位が大きくなり、より大きな発電出力を得ることができる。
そして、浮体2内の保有水量を調整することにより、浮体2の固有周期を実海域の波周期に合わせることができる。これにより、浮体2と大型構造物5との間の相対変位が大きくなり、より大きな発電出力を得ることができる。
また、有義波の周期変動が小さい場合は、応答が早い回転体の回転慣性付加質量の調整を行い(図13のステップS7)、有義波の周期変動が大きい場合は、比較的応答が遅い浮体の保有水量の調整を行う(図13のステップS5)こととしたので、実海域の波の変動に応じて広い制御幅をもって高い応答性で効率的に対応することができる。
The natural period of the floating
And the natural period of the floating
When the significant fluctuation of the significant wave is small, the rotational inertia added mass of the rotating body whose response is fast is adjusted (step S7 in FIG. 13), and when the significant fluctuation of the significant wave is large, the response is relatively high. Since the amount of water retained in the slow floating body is adjusted (step S5 in FIG. 13), it is possible to efficiently cope with high response with a wide control width according to the fluctuation of the waves in the actual sea area.
1,1A,1B,1C 波力発電装置
2 浮体
4 変換機構
5 大型構造物
6 回転軸体
7 海洋の水面
8 発電機ユニット
9 回転体(付加質量体)
10 ばね要素
11 保有水
12 外側ガイド筒
14 内側ガイド筒
16 ボールネジ軸用ナット
18 固定筒
20 底部蓋
24 ボールネジ軸
26 リング体
28 移動錘用ボールネジ軸
30 移動錘
32 移動用モータ
34 固定部
36 支持スライダ
38 アーム
40 油圧ポンプ
42 アキュムレータ
44 油圧モータ
45 変速機
46 発電機本体
48 底部バルブ
50 空気調整バルブ
52 水中ポンプ
60 ラック
62 ピニオン
64 軸支持ブラケット
66 ピニオン軸
68 リニアガイド筒
70 支柱
72 リニアガイド用スライダ
74 リニアガイド用ころ
76 超音波式波浪計
78 レーダ式波浪計
1, 1A, 1B, 1C
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該変換機構を介して取り出された回転力により回転する回転軸体と、
該回転軸体に駆動されて発電する発電機ユニットと、
を備えていることを特徴とする波力発電装置。 A conversion mechanism that converts relative displacement between a floating structure that is shaken by a wave and a large structure that is less or less shaken by the wave than the floating structure into a rotational motion;
A rotating shaft that rotates by a rotational force extracted through the conversion mechanism;
A generator unit that is driven by the rotating shaft to generate power;
A wave power generation device comprising:
および/または、
前記浮体構造物内の保有水量を調整する保有水量調整手段、
を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の波力発電装置。 An additional mass adjusting means for adjusting a rotational inertia additional mass with respect to the rotary shaft body by a rotary inertia force generated by rotating the additional mass body by the rotary shaft body;
And / or
Retained water amount adjusting means for adjusting the retained water amount in the floating structure;
The wave power generation device according to claim 1, wherein the wave power generation device is provided.
該波浪計の計測結果に基づいて、前記付加質量調整手段、および/または、前記保有水量調整手段を制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項3に記載の波力発電装置。 A wave meter installed in the large structure and measuring in advance the waves arriving at the floating structure;
Based on the measurement result of the wave meter, the control unit for controlling the additional mass adjusting means and / or the retained water amount adjusting means,
The wave power generation device according to claim 3, comprising:
前記有義波の周期の変動に基づいて、前記付加質量調整手段、および/または、前記保有水量調整手段を制御することを特徴とする請求項4に記載の波力発電装置。 The control unit calculates a significant wave from the measurement result of the wave meter, and controls the additional mass adjusting means and / or the retained water amount adjusting means based on a change in the period of the significant wave. The wave power generation device according to claim 4.
前記制御部は、前記有義波の波高の変動に基づいて、前記アキュムレータの設定圧を制御することを特徴とする請求項5に記載の波力発電装置。 A generator unit according to claim 2,
The wave power generation device according to claim 5, wherein the control unit controls a set pressure of the accumulator based on a change in a wave height of the significant wave.
該変換機構を介して取り出された回転力により回転する回転軸体と、
該回転軸体に駆動されて発電する発電機ユニットと、
を備えた波力発電装置の制御方法であって、
前記回転軸体によって付加質量体が回転させられることによる回転慣性力によって、該回転軸体に対する回転慣性付加質量を調整し、
かつ/または、
前記浮体構造物内の保有水量を調整することを特徴とする波力発電装置の制御方法。 A conversion mechanism that converts relative displacement between a floating structure that is shaken by a wave and a large structure that is less or less shaken by the wave than the floating structure into a rotational motion;
A rotating shaft that rotates by a rotational force extracted through the conversion mechanism;
A generator unit that is driven by the rotating shaft to generate power;
A method for controlling a wave power generation device comprising:
By adjusting the rotary inertia additional mass with respect to the rotary shaft by the rotary inertia caused by the additional mass being rotated by the rotary shaft,
And / or
A method for controlling a wave power generation device, wherein the amount of retained water in the floating structure is adjusted.
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