JP2017172480A - 波力発電装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波力を受ける吸収体の形態や波力発電装置の係留方法に関わらず発電効率を向上することのできる波力発電装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】吸収体３の外表面において発生する反射波の大きさが最小になる位置に設置される波センサ１２で波の波形を測定して、制御機構１６がこの波形の角周波数ωおよび鉛直方向の位置η_ｘ＝０に基づき下記の式（１）で与えられる制御速度ｚ’を算出して、吸収体３がこの制御速度ｚ’となる状態に制御機構１６が外力を調整する。

（式（１）において、ｚ’は吸収体の制御速度、ｓは０．１〜１．０の定数、Ｋ_Ａは波の角周波数ωを吸収体の造波効率Ａバーで除した定数、η_ｘ＝０は平均水位ＷＬに対する波の鉛直方向の位置である。）
【選択図】図１

Description

本発明は、波力に基づいて発電を行う波力発電装置およびその制御方法に関するものであり、詳しくは波力を受ける吸収体の形態や波力発電装置の係留方法に関わらず発電効率を向上することのできる波力発電装置およびその制御方法に関するものである。

出願人は発電効率を向上することのできる波力発電装置を既に提案している（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の波力発電装置は、波センサおよび位置センサで取得した値からフロートに付加すべき制御速度を算出して、フロートがこの制御速度となるように駆動機構で制御する構成を有している。

駆動機構からフロートに適切な速度を付加することにより、フロートの上下動が波の周波数に共振するように制御できるので、波から取り出し可能なエネルギが増加し発電効率を向上することができる。またフロートの速度を制御することにより、フロートの重量や慣性力等の複雑な力を考慮する必要がなくなり、制御を単純化することができる。

波センサは、波が衝突するフロートの前面に設置され、圧力の変化量等から波の周期および波高を測定している。つまり波センサはフロートに向かって移動してくる波の波形を検知することができる。この波センサで取得される波形は、フロートの外表面に衝突して反射される反射波の影響を受ける。この反射波の影響を考慮するために特許文献１に記載の波力発電装置では、波が反射するフロートの前面の形状に基づき境界条件を設定し、フロートに付加すべき制御速度を算出する際にこの境界条件により定まる定数を利用し補正を行っていた。

この境界条件はフロートの前面の形状により異なるので、フロートの形状が異なる波力発電装置を設計するたびに、適切に境界条件を設定する必要があった。この境界条件は例えば水槽実験により波センサで取得される波形と実際の波形との差異を測定することにより求めることができるが、境界条件を設定するために必要な作業労力に比べて発電効率の向上率は十分ではなかった。

一方、支柱に設置される位置センサは、支柱に対するフロートの相対的な位置を測定することにより、平均水位に対するフロートの鉛直方向の位置を測定している。そのため立設状態で係留される支柱に沿ってフロートが上下動する波力発電装置であって、この支柱を係留ロープにより水中に係留する構成の場合、支柱が上下動することにより位置センサで取得する値に誤差が生じる可能性があった。波力発電装置の発電効率の向上のためには、位置センサで取得される値の誤差はより小さい方が望ましい。

特許文献１に記載の波力発電装置は、波の運動エネルギを受けて運動する吸収体がフロートで構成されているが、吸収体として平板状の吸収板を用いた場合にも同様の課題がある。

特開２０１３−１８１４９６号公報

本願発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は波力を受ける吸収体の形態や波力発電装置の係留方法に関わらず発電効率を向上することのできる波力発電装置およびその制御方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の波力発電装置は、波の波形を測定する波センサと、波の運動エネルギを受けて運動する吸収体と、この吸収体の運動に基づき発電する発電機構と、前記吸収体に外力を付加する駆動機構と、前記波形に基づき前記外力を調整する制御機構とを有する波力発電装置において、前記波センサが、前記吸収体の外表面において発生する反射波の大きさが最小になる位置に設置されるとともに、前記制御機構が前記波形の角周波数ωおよび鉛直方向の位置η_ｘ＝０に基づき下記の式（１）で与えられる制御速度ｚ’を算出し、前記吸収体がこの制御速度ｚ’となる状態に前記制御機構が前記外力を調整することを特徴とする。

（式（１）において、ｚ’は吸収体の制御速度、ｓは０．１〜１．０の定数、Ｋ_Ａは波の角周波数ωを吸収体の造波効率Ａバーで除した定数、η_ｘ＝０は平均水位ＷＬに対する波の鉛直方向の位置である。）

上記の目的を達成するための本発明の波力発電装置の制御方法は、波の波形を測定する波センサと、波の運動エネルギを受けて運動する吸収体と、この吸収体の運動に基づき発電する発電機構と、前記吸収体に外力を付加する駆動機構と、前記波形に基づき前記外力を調整する制御機構とを有する波力発電装置の制御方法において、吸収体の外表面において発生する反射波の大きさが最小になる位置に設置される波センサで波の波形を測定して、前記制御機構がこの波形の角周波数ωおよび鉛直方向の位置η_ｘ＝０に基づき上記の式（１）で与えられる制御速度ｚ’を算出して、前記吸収体がこの制御速度ｚ’となる状態に前記制御機構が前記外力を調整することを特徴とする。

本発明によれば、波センサが反射波を生じ難い場所に設置されるので、境界条件の影響をほとんど受けずに波形を取得することができる。そのため、吸収体が上下方向に運動するフロートであっても、水平方向に運動する吸収板であっても、それぞれの境界条件を設定することなく、吸収体が付加されるべき制御速度ｚ’を高い精度で算出することができる。つまり吸収体を制御速度ｚ’で運動させて波に共振させることができるので、発電効率を向上することができる。

吸収体の形態が異なると造波効率Ａバーの値が異なることになるが、この造波効率Ａバーは簡単に求めることができる。上記式（１）の造波効率Ａバーの値を変更することにより、異なる形態を有する吸収体においても高い精度で適切な制御速度ｚ’を算出することが可能なため、発電効率を向上するには有利である。

波センサが、吸収体の外表面における波の進行方向と略平行となる位置に設置される構成にすることもできる。波センサおよびその近傍の吸収体の外表面に沿って波が通過するので、反射波がほとんど発生しない。そのため境界条件の影響をほとんど受けずに波センサは波形を測定することができる。

吸収体がその外表面に凹部を有し、この凹部の中に波センサが設置される構成にすることもできる。波センサはさらに境界条件の影響を受け難くなるので、波形を測定する精度を向上できる。

回転軸を中心に回転可能に構成されるフライホイールが、吸収体に設置される構成にすることもできる。フライホイールを回転させてフライホイールの慣性力を変化させることにより、吸収体の見かけ上の質量を調整して、吸収体に作用する機械部慣性力を調整することができる。機械部慣性力の調整により吸収体を制御速度ｚ’とする際に必要となる外力を小さくすることができる。

フライホイールの回転軸が無段変速機を介して駆動源に連結され、制御機構が無段変速機を介してフライホイールの回転速度を調節可能にする構成にすることもできる。この構成によれば、吸収体の見かけ上の質量を容易に調整することができる。

フライホイールが、回転軸に対して回転半径を変更可能な状態に設置される複数の質量体を有し、制御機構が質量体の回転半径を調整可能にする構成にすることもできる。

吸収体が水中に立設状態で係留される支柱に沿って上下動するフロートであり、このフロートの天面および底面に磁石を設置し、支柱の上端部および下端部に磁性を有する金属板を設置し、フロートの天面の磁石と支柱の上端部の金属板の間、およびフロートの底面の磁石と支柱の下端部の金属板の間とに吸引し合う磁力を発生させる構成にすることもできる。

本発明の波力発電装置を斜視で例示する説明図である。 図１に示す波力発電装置をＡ−Ａ断面で例示する説明図である。 図１に示す波力発電装置をＢ−Ｂ断面で例示する説明図である。 波力発電装置の別の実施形態を例示する説明図である。 図４に示す波力発電装置をＣ−Ｃ断面で例示する説明図である。 吸収体が水平方向に移動する吸収板で構成される波力発電装置を例示する説明図である。 図６に示す波力発電装置をＤ−Ｄ断面で例示する説明図である。 図６に示す波力発電装置の変形例を例示する説明図である。 図８の波力発電装置をＥ−Ｅ断面で例示する説明図である。 吸収体が下端を支点に傾動する吸収板で構成される波力発電装置を例示する説明図である。 フロートにフライホイールを設置した状態を例示する説明図である。 図１１に示すフライホイールを拡大して例示する説明図である。 フライホイールの変形例を例示する説明図である。 フライホイールの変形例を例示する説明図である。

以下、本発明の波力発電装置およびその制御方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３に例示するように本発明の波力発電装置１は、水中に係留される支柱２と、波の運動エネルギを受けてこの支柱２に沿って上下動する吸収体３と、支柱２内に設置される発電機構４と、吸収体３の上下動を回転運動に変換して発電機構４に伝達する伝達機構５とを備えている。

支柱２は、内部に空洞を有する例えば円柱形状に形成されている。この支柱２は、海底に沈められたアンカー６と支柱２の下端部とを係留ロープ７で連結する単索緊張係留方式で係留されている。支柱２の内部には例えばモータ等で構成される発電機構４が設置されている。

この実施形態では吸収体３は、水面に浮かび波を受けて上下動するフロート３で構成されている。フロート３は、例えば炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックなどの合成樹脂材料や鋼板等の金属材料で形成される。フロート３の内部は発泡ウレタン等の充填剤を充填して中実としているが、充填剤を用いずに中空としてもよい。

このフロート３は、鉛直方向に形成される貫通孔８と、波の上流側Ｓ_ｕｐに膨出し下方に向かってこの膨出する距離が短くなる膨出部９と、波の下流側Ｓ_ｄｏｗｎで鉛直方向に平行な平面となる背面部１０と、膨出部９と背面部１０との間に形成され波の流れる方向に平行でかつ垂直な面で形成される側面部１１とを有している。膨出部９は平面視において半円形状となっている。波によって上下動するフロート３は、垂直な面で形成された背面部１０を有しているので、フロート３が上下運動しても背面部１０側で波（透過波）が形成され難くなっている。

側面部１１には、波の波形を測定する波センサ１２が設置されている。波センサ１２は、例えば水圧を測定する圧力式波センサ１２で構成されている。この波センサ１２は圧力を連続的に測定することにより、連続的な波高の変化を検知し、波高の連続的な変化の状態から波の周期も検知することができる。この圧力式波センサ１２は、フロート３の側面部１１の下方であって常に水中となる位置に設置される。

波センサ１２は、図３に例示するようにフロート３の側面部１１から水平方向に刳り貫いて形成される凹部１３内に配置され、圧力を測定するための測定面１２ａがフロート３の側面部１１と面一になる状態に固定されている。側面部１１および波センサ１２の測定面１２ａは波の進行方向と平行になるので、側面部１１や波センサ１２等に波が衝突して生じる反射波は、波センサ１２の近傍でほとんど発生しない。波センサ１２は、反射波の影響をほとんど受けることなく水圧を測定できるので、波の波形を高い精度で測定することができる。

この実施形態では伝達機構５は、一端がフロート３の上端面に固定され他端が支柱２内に向かって延設されるラック１４と、発電機構４に設置されるピニオンギア１５とを備えるラックアンドピニオンで構成されている。この伝達機構５により、支柱２に対するフロート３の相対的な上下動が回転運動に変換され、モータ等の発電機構４を回転させて発電することができる。

伝達機構５の構成はラックアンドピニオンに限らず、フロート３の上下動を回転運動に変換して発電機構４に伝達する構成であればよい。例えばボールねじやワイヤロープを介して動力を伝達する構成等の既存の構成を採用することができる。

次に波力発電装置１の制御方法について説明する。まず図１および図３に例示する波センサ１２により、フロート３に入射する波の波高Ｈおよび周期Ｔを取得する。つまり波センサ１２により波の波形を取得する。図２に例示するように支柱２内に設置される制御機構１６は、波センサ１２で取得する波形から平均水位ＷＬに対する波の鉛直方向の相対位置η_ｘ＝０を下記の式（２）により算出する。

ここでωは波の角周波数を示し下記の式（３）に基づき算出される。

フロート３の上下動を波に共振させることにより、波からより効率的にエネルギを取り出すことができる。フロート３を波に共振させる場合は、フロート３の上下動が波の位相からπ／２だけ遅れることになるので、理想的なフロート３の鉛直方向の位置ｚは下記の式（４）で表すことができる。

ここでｚは平均水位ＷＬに対するフロート３の鉛直方向の位置を示し、ａはフロート３の最適振幅を示している。このフロート３の最適振幅ａは、波高Ｈと造波効率Ａバーから下記の式（５）に基づき算出される。

ここで造波効率Ａバーは、フロート３を静水面で一単位動かしたときに発生する波の単位数を示している。つまりこの造波効率Ａバーはフロート３の振幅に対する波振幅の振幅比であり、フロート３の形状に依存する係数である。

式（２）、（４）、（５）からフロート３の制御速度ｚ’は下記の式（６）に基づき算出することができる。

式（６）において波の角周波数ωは季節変化等により変化することはあるが短時間に大きく変化するものではなく、Ａバーはフロート３の形状に依存する定数であるため、ω／Ａバーは定数Ｋ_Ａで表すことができる。したがって、フロート３の制御速度ｚ’は下記の
式（７）で表すことができる。

この実施形態の吸収体３は背面に透過波が形成されないフロート３で構成されているので、入射波１００％に対して形成される透過波および反射波は０％となり、フロート３を介して入射波のエネルギの全てを回収する状態であると仮定でき、発電効率は１００％であると仮定できる。

制御機構１６により算出された制御速度ｚ’はフロート３が制御されるべき速度であり、この速度は駆動機構によりフロート３に付加される。この実施形態では発電機構４を駆動機構として共用する構成であり、発電機構４は制御機構１６から入力される信号に基づき回転し、この回転は伝達機構５を介してフロート３に伝達される。即ち発電機構４は、波により上下動するフロート３の運動エネルギを利用して発電を行いつつ、制御機構１６からの信号に基づきフロート３に制御速度ｚ’を付加する。これによりフロート３は波の振幅に合わせて共振状態を維持しつつ、波からエネルギを取り出すことができるので発電効率を向上することができる。駆動機構は発電機構４とは別に設置されるモータ等で構成することもできる。

本発明の波センサ１２はフロート３の外表面で発生する反射波の影響をほとんど受けないので、特許文献１に記載の発明と異なり境界条件を設定する必要がない。そのためフロート３の形状を変更したとしても境界条件を設定するための実験等が不要となるので、波力発電装置１を設計する際に工数を削減しつつ発電効率を向上することができる。

また境界条件の項を無視して制御速度ｚ’を算出する特許文献１に記載の制御方法とは異なり、本発明は境界条件の影響をほとんど受けない状態で制御速度ｚ’を算出しているので、フロート３の形状の変更等により境界条件が大きく異なる場合であっても同一の制御プログラムで高い発電効率を実現することができる。

本発明の波力発電装置１は、特許文献１に記載の発明と異なり支柱２に対するフロート３の位置を測定する位置センサが不要となる。そのため例えば支柱２が係留ロープ７により係留され波により上下動するような場合であっても、波力発電装置１はその影響をほとんど受けずに高い精度でフロート３を制御できるので、効率よく発電することができる。

波センサ１２は、水圧を測定する構成に限らず、超音波やレーザ光により水面までの距離を測定するセンサで構成することもできる。この場合、波センサは水面よりも高く水没しない位置に設置され、水面までの距離を測定する。レーザ光等を利用した波センサを利用する場合であっても、波がフロート３の外表面に衝突して生じる反射波の影響を受けないように、フロート３の側面部１１近傍の波高を測定できる位置に波センサを設置することが望ましい。

波センサ１２は、フロート３に設置する構成に限らず、支柱２に設置する構成にすることもできる。この場合であっても、支柱２の外表面において波が衝突する上流側Ｓ_ｕｐを避け、波の上流側Ｓ_ｕｐと下流側Ｓ_ｄｏｗｎの間に位置する側面に波センサ１２を設置する。即ち、支柱２の外表面において発生する反射波が小さくなり、かつ波を検知できる位置に波センサ１２は設置される。支柱２が角柱形状に構成される場合は、波の流れる方向
と平行となる側面に波センサ１２を設置する。

図４および図５に例示する実施形態では、吸収体３が、平面視において円形であり側面視において楕円形となるフロート３で構成されている。フロート３は、フロート３の外表面において波の上流側Ｓ_ｕｐに位置する前面部１７と、下流側Ｓ_ｄｏｗｎに位置する背面部１８とを備えている。前面部１７は波が衝突して反射波が形成される領域であり、背面部１８はフロート３の上下動により透過波が形成される領域である。

波センサ１２は、この前面部１７と背面部１８との境界近傍または背面部１８側にずれた位置であり、常に水没する高さに設置されている。この実施形態の波センサ１２は、フロート３の外表面から水平方向に突出し、その測定面１２ａが波の進行方向と平行となる状態で設置されている。つまり波センサ１２の測定面１２ａに波が衝突して反射波が生じ難い方向となる状態で、波センサ１２は設置されている。波センサ１２の測定面１２ａが下流側Ｓ_ｄｏｗｎを向く状態で、波センサ１２を設置する構成にすることもできる。

この実施形態では、フロート３が平面視において円形なので、波力発電装置１に対して入射する波の方向が変化した場合であっても発電することができる。波の流れる方向が年間を通して一定とならない海域に波力発電装置１を設置する場合には、図１〜図３に例示する平面視において半円形のフロート３よりも図４および図５に例示する円形のフロート３の方が発電量を多くできる。

この実施形態の吸収体３は背面に透過波が形成されるフロート３で構成されているので、入射波１００％に対して形成される透過波および反射波が例えば２５％ずつになると仮定し、発電効率を５０％とすることを目指すと、制御速度ｚ’は下記の式（８）で与えられる。

つまり図１〜図３に例示する実施形態のフロート３に比べて、発電効率は低下するものの制御速度ｚ’は３分の１の大きさとなるので、駆動機構が付加すべき外力を小さくすることができ、駆動機構の小型化を実現することができる。

前述の式（７）および上記式（８）に基づき、制御速度ｚ’を求める式を下記の式（１）とすることにより、異なる形態のフロート３に対して制御式を共通化することができる。

ここでｓは発電効率に基づき設定される定数である。図１〜図３に例示するようにフロート３が背面波を形成し難い形状であり発電効率を１００％とした場合にはｓ＝１．０として制御速度ｚ’を算出し、図４および図５に例示するようにフロート３により背面波を形成する形状であり発電効率を５０％とした場合にはｓ＝１／３として制御速度ｚ’を算
出する。想定される発電効率に基づき定数ｓは０．１以上１．０以下の範囲で適宜決定される。

定数ｓの値を小さくすると発電効率が低下するものの制御速度ｚ’が小さくなり、駆動機構を小さくすることができる。発電機構４を駆動機構としても使用する場合は、装置の稼働効率の観点から発電機としての容量と駆動機構としての容量を同程度とすることが望ましい。発電機としては容量が５０ｋｗのモータを採用することが望ましいが、駆動機構としては容量が１００ｋｗのモータが必要となる場合には、１００ｋｗのモータを選定しなければならず、このモータは発電機としては大きすぎることになる。このような場合であっても定数ｓを小さく設定することにより、駆動機構として必要となるモータの容量を小さくすることができ、発電機として必要な容量と駆動機構として必要な容量を同程度にすることができる。

フロート３の形態や目標とする発電効率に応じて定数ｓを適宜変更することにより、多種の波力発電装置１の制御を式（１）に基づく同一の制御プログラムを用いて実現することができる。即ち、フロート３の形態等に関わらず同一の制御式を用いることができ、波力発電装置１の発電効率を向上しつつ、その製造コストを抑制することができる。

図６および図７に例示するように吸収体３が吸収板３で構成される場合も、上記の式（１）を利用して最適な制御速度ｚ’を求めることができる。この吸収板３は、岸壁１９近傍に配置され、吸収板３の前面部２０に衝突する波の力により岸壁１９に接近離間する方向に摺動可能な状態で配置されている。この実施形態では吸収板３の底面には複数の車輪２１が設置され、この車輪２１により吸収板３は水底２２に沿って水平方向に摺動することができる。

吸収板３は車輪２１を設置される構成に限らず、岸壁１９に対して接近離間できる構成であればよい。例えば水底２２に設置されるレールガイドに沿って吸収板３が摺動する構成にすることもでき、岸壁１９から突設されるガイドで吸収板３を支持して吸収板３が水底２２に接触しない状態でこのガイドに沿って摺動する構成にすることもできる。

岸壁１９には発電機構４と制御機構１６とが設置され、伝達機構５は吸収板３から発電機構４に向かって突設されるラック１４と、発電機構４を構成するモータ等に設置されるピニオンギア１５とで構成されている。吸収板３の両側の側面部２３には岸壁１９から突設される水密壁２４が接触する状態でそれぞれ配置され、吸収板３において岸壁１９の対向面である背面部２５に水がない状態としている。即ち透過波が形成されない状態としている。

吸収板３の背面部２５と岸壁１９の間には、吸収板３の摺動方向に伸縮する例えばシリンダ等で構成されるバネ機構２６が設置されている。波により岸壁１９側に押される吸収板３は、このバネ機構２６の復元力により波の上流側Ｓ_ｕｐに押し戻される。この実施形態では図７に例示するように２つのバネ機構２６が吸収板３の背面部２５に設置され、平面視においてラック１４を中心にその両側となる位置に配置されている。

バネ機構２６はこの構成に限らず、吸収板３に復元力を付加できる構成であればよい。例えば発電機構４に渦巻バネ等を設置してピニオンギア１５を介して渦巻バネの復元力が吸収板３に付加される構成にすることもできる。

水密壁２４の側面であって波の進行方向と平行に形成される外側側面２７には凹部１３が形成され、この凹部１３には波センサ１２が設置されている。図６では波センサ１２および凹部１３を説明のため破線で示している。

この波センサ１２の測定面１２ａは、外側側面２７よりも凹部１３内に下がった位置となる状態に配置されている。波センサ１２は、波の進行方向と平行に形成され反射波の生じ難い外側側面２７に設置されているので、境界条件の影響を受けずに波の波形を正確に測定することができる。

水密壁２４の内側側面２８に凹部１３を形成し、この凹部１３に波センサ１２を設置する構成にすることもできる。このとき、波センサ１２は吸収板３の摺動範囲よりも波の上流側Ｓ_ｕｐとなる位置、即ち吸収板３が接触することなく常に水没した状態となる位置に設置される。

吸収体３を吸収板３で構成する場合は、フロート３で構成する場合と比べて造波効率Ａバーが異なる。この造波効率Ａバーは吸収板３の形態等から容易に求めることができるので、この造波効率Ａバーの値を変更すれば、上記の式（１）に基づく制御プログラムでこの実施形態の波力発電装置１も制御することができる。

正確に設定するためには多大な作業労力を必要とする境界条件の影響を受け難いので、吸収体３をフロート３から境界条件の大きく異なる吸収板３に変更したとしても、式（１）に基づく同一の制御式を用いて吸収板３の制御速度ｚ’を算出することができる。つまり境界条件の大きく異なる吸収体３を有する波力発電装置１に対しても、造波効率Ａバーを変更することにより同一の制御プログラムを用いて発電効率を向上することができる。

制御機構１６は、予め設定される造波効率Ａバーと、波センサ１２で取得される波の角周波数ωおよび平均水位ＷＬに対する波の鉛直方向の高さη_ｘ＝０から、制御速度ｚ’を上記式（１）に基づき算出する。この実施形態では、吸収板３の背面部２５には水がない状態であり、透過波が形成されないので、１００％の発電効率が見込まれ、式（１）における定数ｓを１．０として制御速度ｚ’を算出する。

発電機構４は、吸収板３がこの制御機構１６で算出される制御速度ｚ’となるように伝達機構５を介して吸収板３に外力を付加する。即ちこの実施形態においても発電機構４は発電機および駆動機構として働く。

吸収板３は、駆動機構から付加される外力により波と共振する状態に制御されつつ、波から受ける力とバネ機構２６の復元力により水平方向に摺動を繰り返す。そのため波力発電装置１は、波から効率的にエネルギを取り出すことができる。

図８および図９に例示する波力発電装置１は、水密壁２４を有さず吸収板３の背面部２５に透過波が形成される構成を有している。水密壁２４を有さないので、波力発電装置１の製造コストを大幅に低減することができる。

ピニオンギア１５の回転軸には渦巻バネ等のバネ機構２６が設置されていて、波により岸壁１９側に押される吸収板３は押し戻される方向の復元力をバネ機構２６から得ることができる。

波センサ１２は、この波センサ１２から水面までの距離をレーザ光により測定するレーザ式波センサ１２で構成されている。そのため波センサ１２の測定面１２ａは、水面に向かう下向きとなる状態で設置されている。この波センサ１２は、吸収板３において波の進行方向と平行となる側面部２３であり常に水上となる位置に設置されている。

この波センサ１２は、反射波が生じる前面部２０や透過波が生じる背面部２５ではなく
、吸収板３に沿って波が通過する側面部２３近傍で水面までの距離を測定するので、境界条件の影響を受けずに波の波形を測定することができる。

そのため上記式（１）を利用して前述と同様に正確な制御速度ｚ’を求めることができる。この実施形態では吸収板３の背面部２５側に透過波が形成されるので、発電効率は１００％とならない。そのため式（１）のｓの値を０．１以上１．０未満に設定し、望ましくは１／３に設定する。

図１０に例示する波力発電装置１は、吸収板３の底面に傾動機構２９が設置され、この傾動機構２９は水底２２に固定されている。吸収板３はこの傾動機構２９に連結される底面を中心にして、その上端部が岸壁１９に対して接近離間する方向に傾動可能に構成されている。吸収板３は背面部２５から岸壁１９に向かって突設され上方に凸となる状態に湾曲するラック１４を有している。岸壁１９に設置される発電機構４の回転軸には、吸収板３に復元力を与える渦巻バネ等のバネ機構２６が設置されている。

吸収板３の両側の側面部２３には、岸壁１９から突設される水密壁２４が接触する状態でそれぞれ配置され、吸収板３の背面部２５と岸壁１９との間には水がない状態としている。また図６及び図７に例示する実施形態と同様に、水密壁２４の外側側面２７には凹部１３が形成され、この凹部１３内に波センサ１２が設置されている。図１０では波センサ１２および凹部１３を説明のため破線で示している。

底面を中心に傾動する吸収板３は、図６〜図９に例示する吸収板３とは造波効率Ａバーの値が異なるので、制御機構１６にこの吸収板３の造波効率Ａバーの値を予め設定しておく必要がある。このような形態の吸収体３であっても、上記の式（１）を利用して制御速度ｚ’を求めることができる。この実施形態では吸収板３の背面部２５に透過波が形成されないので、例えば目標とする発電効率を１００％としてｓの値を１．０として制御速度ｚ’を求めることができる。

吸収板３が傾動する場合は、前面部２０の傾きが逐次変化するので、この前面部２０に衝突する波は複雑な反射波を生じさせる。そのため境界条件を定めることが非常に困難となる。特許文献１に記載の波力発電装置では、吸収体を傾動する吸収板で構成すると正確に境界条件を設定し難く、吸収板３を波に同調させることは困難となる。つまり境界条件を定めて制御速度ｚ’を算出し、この制御速度ｚ’で吸収板３を傾動させたとしても効率的に発電できない可能性がある。

これに対して、本発明の波力発電装置１はこの境界条件の影響をほとんど受けずに正確な制御速度ｚ’を算出することができるので、効率的に発電することができる。

次に吸収体３をフロート３で構成する図１〜図３の実施形態を例に、吸収体３に作用する力のつり合いについて説明する。吸収体３には、流体である波から受ける力と、吸収体３を動かすための力が生じる。流体から受ける力としては、吸収体３に向かって流れてくる波の力である波力Ｆｐと、吸収体３を流体中で加速度運動させる際に発生する付加質量Ｆｌとがある。吸収体３を動かすための力としては、吸収体３の質量と吸収体の加速度から求まる慣性力Ｆｉと、浮力（復元力）Ｆｂとがある。これらの力の時間変化は以下の式（９）〜（１２）で表すことができる。

ここで、ａは吸収体３の最適振幅、Ｂは波が衝突する膨出部９における吸収体３の幅、ｍは吸収体３の質量、Ａは吸収体３を水平な水面で切断した際の面積にあたる水線面積である。式（９）および式（１０）は、波力Ｆｐと付加質量Ｆｌが最適振幅ａおよび吸収体３の幅Ｂに比例することと、その位相の影響を示している。

吸収体３に作用する力は、以下の式（１３）および（１４）に示すように粘性項と慣性項に分けることができ、吸収体３に作用する力Ｆは式（１５）に示すように粘性項と慣性項の和で表すことができる。

式（１５）から吸収体３に生じる力Ｆは正弦波状であり、その最大値は（Ｆｃ^２＋Ｆｓ^２）^０．５となることがわかる。実効値はこの最大値の１／√２倍となる。発電機構４の発電機としての容量はこの力Ｆを元に選定される。

この吸収体３のパワー（仕事率）は、粘性項と慣性項に分けて以下の式（１６）および式（１７）で表すことができる。

またエネルギ（仕事）はパワーの時間積分で求められるので、波の一周期分のエネルギは式（１６）および式（１７）に基づき以下の式（１８）で表すことができる。

式（１６）〜（１８）から粘性項と速度の積は常にプラスとなりこのエネルギが発電に寄与し、慣性項と速度の積は正弦波状となるので積分するとゼロとなり発電に寄与しないことがわかる。しかし、吸収体３に外力を付加して制御速度ｚ’とする場合、この慣性項の絶対値が大きいほど容量の大きい駆動機構が必要となる。駆動機構の容量が十分でないと、外力を付加しても吸収体３の速度を制御速度ｚ’にすることができない可能性がある。慣性項の絶対値を小さくするほど駆動機構の容量を小さなものにできるので、波力発電装置１の製造コストおよびサイズを抑制するには有利となる。

以下、慣性項の絶対値を小さくする構成について説明する。図１１および図１２に例示するように、支柱２に沿って上下動するフロート３を中空に形成してその内部に、発電機構４とフライホイール３１とを設置する構成にすることができる。

この実施形態では、円柱形状の支柱２の軸方向に沿ってラック１４が固定されている。フロート３側には、このラック１４に対応する位置にピニオンギア１５が配置され、このピニオンギア１５の回転は減速機３２と、マイタギア等で構成される分配器３３を介して
発電機構４に伝達される。分配器３３の他方には無段変速機３０を介してフライホイール３１が設置されている。この実施形態ではフライホイール３１は円盤状に形成されていて、分配器３３から伝達される回転力により回転することができる。

フロート３の内部には制御機構１６が設置され、この制御機構１６は発電機構４および無段変速機３０にそれぞれ信号線で接続されている。この発電機構４も発電機および駆動機構として働く。

無段変速機３０の制御によりフライホイール３１の回転数を増加させるとフライホイール３１の慣性力が増加し、フロート３の見かけ上の質量ｍが増加する。見かけ上増加する質量の大きさはフライホイール３１の回転数に依存するので、無段変速機３０を制御することによりフロート３の見かけ上の質量ｍを変化させることができる。これにより式（１１）で示すフロート３の慣性力Ｆｉの最大値を調整することができる。この慣性力Ｆｉを調整することにより、慣性項の絶対値を小さくできるので、駆動機構を小型化するには有利である。

見かけ上の質量ｍが変化したフロート３は、これに伴い固有振動数が変化する。無段変速機３０の制御によりフロート３の固有振動数を波と共振し易い振動数、即ち波の振動数と同一の振動数に調整することもできる。そのため波の振動数が変化するような場合であっても、波の振動数の変化に応じてフロート３の固有振動数を調整し、発電効率を向上することもできる。

この実施形態ではフロート３に発電機構４や制御機構１６等を設置しているがこの構成に限らず、少なくともフライホイール３１がフロート３に設置され、このフライホイール３１の回転数が制御される構成を有していれば、フロート３の見かけ上の質量ｍを増加させることができる。

例えば図１〜図３に例示する実施形態において、フライホイール３１とフライホイール３１を回転させるフライホイール用モータとをフロート３内に設置する構成にすることもできる。このときフライホイール用モータは例えば支柱２に設置される発電機構４から電線を介して電力の供給を受け、このフライホイール用モータによりフライホイール３１の回転数が制御される構成にする。

例えば図６〜図９に例示する実施形態においては、吸収板３が水平方向に摺動するので浮力による影響をほとんど受けない。しかしバネ機構２６から受けるバネ力が復元力Ｆｂとして吸収板３に生じるので、このバネ力を調整することにより慣性力Ｆｉを適切に調整することができる。また吸収板３にフライホイール３１を設置して、このフライホイール３１の回転数を調整することによっても慣性力Ｆｉを調整することができる。復元力Ｆｂと慣性力Ｆｉの調整により、慣性項の絶対値を小さくして駆動機構を小型にすることができる。

図１０に例示するように底面を水底２２に固定され上端部が傾動する吸収板３の場合は、復元力Ｆｂとして浮力と渦巻バネ等のバネ機構２６から受けるバネ力とが吸収板３に生じる。このバネ機構２６から受けるバネ力は調整することができ、このバネ力の調整により復元力Ｆｂを適切に調整することができる。また吸収板３にフライホイール３１を設置し、このフライホイール３１の回転数の調整によって慣性力Ｆｉを調整することができる。復元力Ｆｂと慣性力Ｆｉの調整により、慣性項の絶対値を小さくすることができる。

無段変速機３０を設置せずに、図１３に例示するフライホイール３１を吸収体３に設置する構成にすることもできる。このフライホイール３１は、分配器３３から回転量を受け
る回転軸３４と、この回転軸３４にアーム部３５を介して設置される複数の質量体３６とを備えている。

このアーム部３５は回転軸３４に傾動可能に設置されていて、アーム部３５が傾動することにより質量体３６は回転軸３４に対して接近離間する。つまり質量体３６の回転半径を変更することができる。図１３では説明のため回転軸３４に接近した位置にある質量体３６を破線で示している。

制御機構１６からの制御信号に基づき例えば質量体３６の回転半径を大きくすると、フライホイール３１の慣性力が増加し、吸収体３の見かけ上の質量ｍが増加する。つまり質量体３６の回転数ではなく回転半径を調整することで、フライホイール３１の慣性力を調整している。質量体３６の回転半径を調整することにより、慣性項の絶対値を小さくすることができ、駆動機構を小型にすることができる。

図１４に例示するようにアーム部３５を介さずに、質量体３６を直接に回転軸３４に傾動可能に設置する構成にすることもできる。この実施形態では、質量体３６は円筒を軸方向に沿って複数に分割して形成される形状を備え、この切断面に当たる側面の一方が回転軸３４に傾動可能に設置されている。

制御機構１６からの制御信号に基づき例えば質量体３６の側面の他方を回転軸３４から離間する方向に傾動させると、この質量体３６の重心が回転軸３４から離れた位置に移動する。そのためフライホイール３１の慣性力が増加し、吸収体３の見かけ上の質量ｍが増加する。

図１３および図１４に例示したフライホイール３１は、図１１および図１２に例示するフライホイール３１のように無段変速機３０を介して分配器３３に連結する構成にすることもできる。フライホイール３１の回転数と質量体３６の回転半径との２つを調整することにより、フライホイール３１の慣性力をより広い範囲で調整することができるので、慣性項の絶対値を小さくするには有利となる。

前述のように、慣性項の絶対値を小さくすることができれば、吸収体３の速度を制御速度ｚ’とする際に駆動機構から付加すべき外力を小さくできる。発電機構４の駆動機構として必要な容量が、発電機として必要な容量を上回らない場合は、発電機として必要な容量に合わせて発電機構４の大きさを選定することができる。そのため必要以上に大きな容量を持つ発電機構４を設置することがないので、波力発電装置１の単位電力あたりの製造コストを抑制することができる。

１ 波力発電装置
２ 支柱
３ 吸収体（フロート、吸収板）
４ 発電機構
５ 伝達機構
９ 膨出部
１０ 背面部
１１ 側面部
１２ 波センサ
１２ａ 測定面
１３ 凹部
１６ 制御機構
１７ 前面部
１８ 背面部
２０ 前面部
２３ 側面部
２４ 水密壁
２５ 背面部
２６ バネ機構
２７ 外側側面
３０ 無段変速機
３１ フライホイール
３４ 回転軸
３５ アーム部
３６ 質量体

Claims (8)

1. 波の波形を測定する波センサと、波の運動エネルギを受けて運動する吸収体と、この吸収体の運動に基づき発電する発電機構と、前記吸収体に外力を付加する駆動機構と、前記波形に基づき前記外力を調整する制御機構とを有する波力発電装置において、
   前記波センサが、前記吸収体の外表面において発生する反射波の大きさが最小になる位置に設置されるとともに、前記制御機構が前記波形の角周波数ωおよび鉛直方向の位置η_ｘ＝０に基づき下記の式（１）で与えられる制御速度ｚ’を算出し、前記吸収体がこの制御速度ｚ’となる状態に前記制御機構が前記外力を調整することを特徴とする波力発電装置。
   

   

   
   （式（１）において、ｚ’は前記吸収体の制御速度、ｓは０．１〜１．０の定数、Ｋ_Ａは波の角周波数ωを前記吸収体の造波効率Ａバーで除した定数、η_ｘ＝０は平均水位ＷＬに対する波の鉛直方向の位置である。）
2. 前記波センサが、前記吸収体の外表面における波の進行方向と略平行となる位置に設置される請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記吸収体がその外表面に凹部を有し、この凹部の中に前記波センサが設置される請求項１または２に記載の波力発電装置。
4. 回転軸を中心に回転可能に構成されるフライホイールが、前記吸収体に設置される請求項１〜３のいずれかに記載の波力発電装置。
5. 前記フライホイールの前記回転軸が無段変速機を介して駆動源に連結され、前記制御機構が前記無段変速機を介して前記フライホイールの回転速度を調節可能にする請求項４に記載の波力発電装置。
6. 前記フライホイールが、前記回転軸に対して回転半径を変更可能な状態に設置される複数の質量体を有し、前記制御機構が前記質量体の回転半径を調整可能にする請求項４または５に記載の波力発電装置。
7. 前記吸収体が水中に立設状態で係留される支柱に沿って上下動するフロートであり、このフロートの天面および底面に磁石を設置し、前記支柱の上端部および下端部に磁性を有する金属板を設置し、前記フロートの天面の磁石と前記支柱の上端部の金属板の間、および前記フロートの底面の磁石と前記支柱の下端部の金属板の間とに吸引し合う磁力を発生させる構成にした請求項１〜３のいずれかに記載の波力発電装置。
8. 波の波形を測定する波センサと、波の運動エネルギを受けて運動する吸収体と、この吸収体の運動に基づき発電する発電機構と、前記吸収体に外力を付加する駆動機構と、前記波形に基づき前記外力を調整する制御機構とを有する波力発電装置の制御方法において、
   前記吸収体の外表面において発生する反射波の大きさが最小になる位置に設置される波センサで波の波形を測定して、前記制御機構がこの波形の角周波数ωおよび鉛直方向の位置η_ｘ＝０に基づき下記の式（１）で与えられる制御速度ｚ’を算出して、前記吸収体がこの制御速度ｚ’となる状態に前記制御機構が前記外力を調整することを特徴とする波力発電装置の制御方法。
   

   

   
   （式（１）において、ｚ’は前記吸収体の制御速度、ｓは０．１〜１．０の定数、Ｋ_Ａは波の角周波数ωを前記吸収体の造波効率Ａバーで除した定数、η_ｘ＝０は平均水位ＷＬに対する波の鉛直方向の位置である。）

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