JP2017206978A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の波を利用する発電装置については、大規模になることや、構造が複雑になると言う問題があった。【解決手段】発電装置は、上側に円錐状で前記円錐の頂点の角度が９０度から１２０度の上部外郭と、下側に半球または円錐状の下部外郭と、前記上部外郭と前記下部外郭が結合した外郭と、前記上部外郭の外部側面を回転する第一の錘と、前記第一の錘より延び前記上部外郭の頂点近傍に設けられた外部回転部に結ばれた腕部と、前記外部回転部に結合して前記外郭内部に伸びる回転軸と、前記回転軸の回転が増速機構を介して伝達される発電機と、前記発電機で発電された電気を貯める蓄電池と、前記下部外郭内部に設けられた第二の錘と、が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、海面や湖面等の波が発生する水面上に設置する、発電装置に関する。

海や所定以上の面積や貯水量を有した湖の水面においては、風、月の引力、海流、対流、湧水等によって波が発生している。この波については、環境負荷の少ない自然エネルギーとして利用することが考えられていた。

特開２０１３−５００４３号公報

しかしながら、従来の技術においては、特許文献１の発明に様に、大規模になることや、構造が複雑になると言う問題があった。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
第１発明の発電装置は、上側に円錐状で前記円錐の頂点の角度が９０度から１２０度の上部外郭と、下側に半球または円錐状の下部外郭と、前記上部外郭と前記下部外郭が結合した外郭と、前記上部外郭の外部側面を回転する第一の錘と、前記第一の錘より延び前記上部外郭の頂点近傍に設けられた外部回転部に結ばれた腕部と、前記外部回転部に結合して前記外郭内部に伸びる回転軸と、前記回転軸の回転が増速機構を介して伝達される発電機と、前記発電機で発電された電気を貯める蓄電池と、前記下部外郭内部に設けられた第二の錘と、が設けられている。
第２発明の発電装置は、請求項１記載の発明において、前記上部外郭の外部側面には、前記第一の錘が回転する面を除き、複数の窪みが設けられている。
第３発明の発電装置は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記第一の錘には、前記上部外郭の外部側面からの離脱防止機構が設けられている。
第４発明の発電装置は、請求項１乃至請求項３記載の発明において、前記第二の錘の位置を上下方向に調節可能になっている。

以上のような、技術的手段を有することにより、以下の効果を有する。
第１発明によれば、上側に円錐状で前記円錐の頂点の角度が９０度から１２０度の上部外郭と、下側に半球または円錐状の下部外郭と、前記上部外郭と前記下部外郭が結合した外郭と、前記上部外郭の外部側面を回転する第一の錘と、前記第一の錘より延び前記上部外郭の頂点近傍に設けられた外部回転部に結ばれた腕部と、前記外部回転部に結合して前記外郭内部に伸びる回転軸と、前記回転軸の回転が増速機構を介して伝達される発電機と、前記発電機で発電された電気を貯める蓄電池と、前記下部外郭内部に設けられた第二の錘と、が設けられていることで、簡易な構成で発電装置を提供することができる。
第２発明によれば、第１発明を利用し、前記上部外郭の外部側面には、前記第一の錘が回転する面を除き、複数の窪みが設けられていることで、風による発電効果を得ることができる。
第３発明によれば、第１発明または第２発明を利用し、前記第一の錘には、前記上部外郭の外部側面からの離脱防止機構が設けられていることで、発電装置を水面に浮かべた状態において、発電装置自体の姿勢を安定させることができる。
第４発明によれば、第１発明または第３発明を利用し、前記第二の錘の位置を上下方向に調節可能であることで、発電装置の重心を変えて発電装置の揺れの程度を変更することができる。

本発明に係る一実施形態を説明するための、発電装置の外観図である。 図1に示す発電装置の断面図である。 発電装置を波の無い水面に浮かべた場合の説明図である。 水面に浮かんだ発電装置が波によって動作する場合の説明図である。 水面に浮かんだ発電装置が波によって動作する場合の説明図である。

発明を実施する形態について、図面に基づいて具体的に説明する。

（第１の実施形態 図１）
本発明の発電装置１の外観について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、発電装置１を上側から見た図（平面図）であり、図１（ｂ）は、正面から見た図（正面図）である。

発電装置１の外観は、２つの三角錐の底面を合わせた、略算盤玉状の形状をした外郭１０により形成されている。外郭１０の上側の円錐は上部外郭１１であり、上部外郭１１の円錐の頂点の角度は、９０度となっているが、９０度から１２０度の範囲としても実施可能である。外郭１０の下側の円錐は下部外郭１２であり、下部外郭１２の頂点、外郭１０から見ると、底部１４については、所定の長さの平面を形成した形状となっている。なお、下部外郭１２については、半球状としても実施可能である。

上部外郭１１の頂点の近傍には、上部外郭１１の頂点で上部外郭１１と下部外郭１２の接合箇所１３と平行に回動する外部回転部３４が設けられている。外部回転部３４からは一本の腕部３３が上部外郭１１の側面に平行に接合箇所１３に向かって伸びており、先端には第一の錘３１が腕部３３と回動自在な状態で取り付けられている。これにより、上部外郭１１で外部回転部３４が回転すると、第一の錘３１は、図１（ａ）の平面図に示した一点鎖線３５と、一点鎖線３６の間に範囲で回転することになる。

なお、上部外郭１１の一点鎖線３５と、一点鎖線３６の間については上部外郭１１の側面上において、第一の錘３１が回転し易いと同時に腐食がし難くい様に、上部外郭１１表面を滑らかにするフッ素樹脂加工や防錆塗料等の表面処理が施されている。また、一点鎖線３５と、一点鎖線３６において、第一の錘３１が上部外郭１１の表面から、浮き上がらない様に、第一の錘３１または一点鎖線３５と一点鎖線３６の間の両方か、何れか一方を磁化することで、第一の錘３１の上部外郭１１の表面からの離脱防止機構３７としている。

離脱防止機構３７については、外部回転部３４への腕部３３を取り付ける箇所において、一定角度を保つか、腕部３３を上部外郭１１の表面にバネ等の弾性体で押し付ける様にしても良い。離脱防止機構３７を設けていることで、発電装置１を水面に浮かべた状態での姿勢を安定させることが可能となる。

上部外郭１１の表面には、円錐の側面から内側方向に凹ませた窪み１６が三か所均等になる位置に設けられている。この窪み１６については、一点鎖線３５と一点鎖線３６の間の範囲を避けた位置であり、上部外郭１１の内部空間を確保できる深さの凹みとなっている。なお、本実施形態においては、窪み１６は三か所としているが、三か所以上の複数としても良い。窪み１６を設けることによって、発電装置１について風の影響を受けやすくすることが可能となり、水面上に発電装置１を浮かべた場合には、波の影響だけでなく、風によっても発電装置１を揺らすことが可能となる。

また、下部外郭１２の底部１４には取り付け環１５が設けられており、発電装置１を水面上に設置した場合に漂流することを防止する錨９の鎖を取り付けることが可能となっている。なお、漂流を防止する手段としては、錨以外にも、係留索を用いて海底に直接係留する方法等によっても良い。

（発電装置内部について 図２）
図２を用いて、発電装置１の内部の構造について説明する。図２は図１（ａ）のＡ−Ａの位置で、外郭１０だけを切断して、外郭１０の手前側の部分のみ取り外した説明図である。このため、第一の錘３１、腕部３３、外部回転部３４については、切断した状態としては図示されてない。また、後述する内部仕切２１、回転軸４１、増速機構４２や、発電機４３等の発電装置１の内部に設けられた構成部材については、切断されてないものとして図示されている。

発電装置１の外郭１０については、外郭１０で覆われた内部の空間の水密性を保つ様に制作されており、後述する回転軸４１を通すための外郭１１の上部の孔以外には、開放する箇所は設けられてない。よって、発電装置１の外郭１０については、浮体（フロート）に成り得る構造を備えている。なお、図示は省略しているが、上部外郭１１の適当な位置には、発電装置１のメンテナンスや、後述する蓄電池４７の交換等のための、水密性のある扉を備えた点検口が設けられている。また、発電装置１の上部外郭１１には、温度変化による外郭１０の内部の気圧が変化しない様に、気体は通過するが、液体は通過しない、気体透過性膜を備えるか、外郭１０の内圧と大気圧との差に応じて機械的に弁を開閉し、外郭１０の内部の圧力を調整する、通気口が設けられている。

発電装置１の外郭１０については、直径１.５〜３メートル、高さ２〜４メートルとしているが、設置する場所に合わせて、適当な大きさとしても良い。また、上部外郭１１に下部外郭１２については、海水の腐食に耐えうる所定の厚みのステンレス鋼板やガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）により、形成されている。

第一の錘３１と腕部３３が取り付けられた外部回転部３４は、外郭１０の内部において、垂直方向下方に伸びる回転軸４１に取り付けられている。回転軸４１は、上部外郭１１の上側に設けられた軸受５２と、下部外郭１２の下側（底）に設けられた軸受５３により、外郭１０との間で、回動自在に取り付けられている。

外郭１０の内部において、上部外郭１１と下部外郭１２が合わされた位置に、外郭１０の内部空間を上部空間１７と下部空間１８に仕切る、内部仕切２１が設けられている。なお、内部仕切２１は、円形で、その中央部に回転軸４１の直径に所定の余裕寸法が追加された回転軸を通す孔が設けられている。

上部空間１７側の内部仕切２１の上には、発電機４３が設けられており、回転軸４１の回転に連動する増速機構４２によって、発電機４３に回転軸４１の回転が伝達する構造となっている。本実施形態の増速機構４２は、回転軸４１の周囲に取り付けられた第一の大歯車を第一の小歯車に伝達し、第一の小歯車と同軸の第二の大歯車を介して、発電機４３の回転軸に設けた第二の小歯車に伝達する方式である。この増速機構４２により、回転軸４１が一回転した場合に、発電機４３の回転軸を５〜３０回転する様に増速している。なお、本実施形態において、増速機構４２は、歯車方式としているが、プーリーとベルト方式等のその他の増速機構であっても良い。また、発電機４３自体に増速機構を内蔵させたものとしても良い。

なお、増速機構４２には、ラチェット機構に代表される逆転防止機構を組み込むことで、増速機構４２の回転方向を一方向だけにする様にしても良い。逆転防止機構を組み込まない場合については、発電機４３と後述する蓄電池４７の電気的な接続方法について、回転軸の回転方向によって極を反転させる装置を組み込む方法や、ダイオードで代表される整流器を介して発電機４３と蓄電池４７を接続する方法にしても良い。

また、上部空間１７側の内部仕切２１の上には、蓄電池４７が設けられており、発電機４３の回転軸を回転させることによって発電した電気を蓄電する様になっている。なお、本実施形態においては、発電装置１の内部で発電された電気を蓄電する構成としているが、発電装置１から、外部に連絡する送電線を設けて、外部の施設に送電する様にしても良い。

発電装置１の内部にリチウムイオン電池、ニッケル水素電池や鉛蓄電池等の蓄電地４７を設ける場合には、発電機４３は直流発電機となるが、発電装置１の外部に送電する場合については、交流発電機であっても良い。また、水に近接した環境で使用されるので、発電機４３や蓄電池４７自体及びこれに付属する電気的な部分については、防水カバーで覆うなどの防水処理を施すことや、発電機４３と蓄電池４７で構成される電気回路についても、漏電ブレーカーや、過充電保護装置等の電気的な安全装置を組み合わせても良い。

下部空間１８には、略中央に孔が開けられた第二の錘５１が、回転軸４１に貫通した状態で取り付けられている。また、第二の錘５１の下面側には、第二の錘５１を支えるナット５４が設けられている。そして、下部空間１８側の回転軸４１の外周にはオネジが施されており、ナット５４は前記オネジと嵌合している。これにより、ナット５４を回転させることで、下部空間１８において、第二の錘５１は上下方向での位置調整が可能となっている。なお、第二の錘５１の上面側にもナット５４を設けて、第二の錘５１が、回転軸４１から動かない様にしている。

（使用状態の説明 図３〜５）
図３〜図５を用いて、発電装置１の使用状態について説明する。図３は、発電装置１を海面や湖面等の波の無い水面７に浮かべられている状態を図示したものである。発電装置１は、波の無い水面７において、発電装置１の外郭１０は、前述の様に水密性を有した構造であることと、発電装置１の全体の重量が調整されていることで、上部外郭１１と下部外郭１２の接合箇所１３が水面よりも上になる様に調整されている。なお、図３〜５の図中において、水面下については斜線を付して水面下であることを図示している。

また、発電装置１の全体の重量配置も、第二の錘５１を下部外郭１２に設けられていることで、下部外郭１２側に、発電装置１の重心が来る構造となっている。さらには、第二の錘５１の高さ方向を調整することも可能であり、下部外郭１２における重心の位置を調整することが可能となっている。そして、発電装置１の回転軸４１が波の無い水面７に略垂直になって浮かぶ様に重量配分されていることから、発電装置１の重心の位置については、発電装置１の中心にある回転軸４１上の水面下にある下部空間１８にあることになる。

発電装置１が水面７に浮かんでいるので、発電装置１には、浮心が存在することになる。発電装置１が、前述の様に、波の無い水面７上に、上部外郭１１の全てと下部外郭１２の一部を浮かぶ状態となっていることで、発電装置１の浮心は、水面下にある下部外郭１２の下部空間１８の中心にある回転軸４１上の位置にあることになる。

図３における発電装置１の腕部３３に保持された第一の錘３１の位置は、回転軸４１が水面７に対して垂直であるので、発電装置１の上部外郭１１の任意の位置にあることになる。説明を容易にするため、図３については、腕部３３に保持された第一の錘３１の位置は、上部外郭１１の中央手前側になる位置として図示している。

図４と図５は、水面７に波が発生した場合を説明する図である。図４においては、発電装置１が左側に水面７の波によって傾いた場合であり、発電装置１が左に傾くと、腕部３３に保持された第一の錘３１は、上部外郭１１の左側が最も低い箇所となるので、上部外郭１１の左側に動くことになる。図５においては、発電装置１が右側に水面７の波によって傾いた場合であり、発電装置１が右に傾くと、腕部３３に保持された第一の錘３１は、上部外郭１１の右側が最も低い箇所となるので、上部外郭１１の右側に動くことになる。

図４と図５が繰り返されることにより、腕部３３に保持された第一の錘３１の位置は上部外郭１１の周囲を移動することになり、増速機構４２に前述の逆転防止機構が組み込まれている場合には、腕部３３に保持された第一の錘３１は、上部外郭１１の周囲を回転することになる。腕部３３に保持された第一の錘３１が、移動又は回転することで、図２で説明した様に、外部回転部３４、回転軸４１、増速機構４２を介して発電機４３が発電し、蓄電池４７に発生した電気が蓄電されることになる。

発電装置１が、水面上において、波や風等の外力により傾いた場合において、復元力を有する必要がある。発電装置１の復元力については、発電装置１の重心の位置と浮心の位置に決まる。発電装置１の重心の位置は、前述の様に、回転軸４１の位置である発電装置１の中心軸にある。また、発電装置１の浮心の位置は、下部外郭１２の形状から、同様に回転軸４１の位置である発電装置１の中心軸にある。そして、復元力が大きくなるのは、浮心の位置よりも重心の位置が低い場合となる。しかしながら、余り重心の位置が浮心の位置から離れすぎる場合については、発電装置１が小さな波や風によっては、揺れにくくなることになる。そこで、第二の錘５１を移動させることでこの復元力の程度を変化させて、発電装置１の復元力を有する状態で、発電装置１が小さな波でも揺れやすい状態に調節することが可能となっている。

なお、発電装置１が傾くことによる浮心の位置も移動するが、移動が最も少ないものは、下部外郭１２が半球である場合である。本実施形態の下部外郭１２様に円錐台の形状である場合であっても、半球に近似するので、浮心の移動が少ない形状となっている。

発電装置１の重心の位置を回転軸４１の位置にある発電装置１の中心軸にある様にするために、第一の錘３１、腕部３３が上部外郭１１の表面を動く場合においても、重心の変化が少ない様にするために、第二の錘５１を重くして、第一の錘３１と腕部３３の変化に影響を少なくしている。また、第一の錘３１、腕部３３が上部外郭１１の表面を動く場合に重心の変化を少なくする方法として、第二の錘５１において回転軸４１を中心として均等な重さにせず、第一の錘３１と腕部３３が設けられている反対側の重さを重くなる形状としてバランスをとれる様にしても良い。

以上、実施形態について説明したが、この発明は、これらに限定されるものではない、例えば、発電装置１内部における発電機４３、蓄電池４７や増速機構４２の取り付け位置や配置についてなどである。言い換えれば、この発明は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲を含むものである。

本発明は、自然エネルギーを利用した発電装置であるので、量産することが可能であり、産業上の利用性を有している。

１：発電装置
７：水面
９：錨
１０：外郭
１１：上部外郭
１２：下部外郭
１３：接合箇所
１４：底部
１５：取り付け環
１６：窪み
１７：上部空間
１８：下部空間
２１：内部仕切
３１：第一の錘
３３：腕部
３４：外部回転部
３５、３６：一点鎖線
３７：離脱防止機構
４１：回転軸
４２：増速機構
４３：発電機
４７：蓄電池
５１：第二の錘
５２、５３：軸受
５４：ナット

Claims (4)

1. 上側に円錐状で前記円錐の頂点の角度が９０度から１２０度の上部外郭と、
   下側に半球または円錐状の下部外郭と、
   前記上部外郭と前記下部外郭が結合した外郭と、
   前記上部外郭の外部側面を回転する第一の錘と、
   前記第一の錘より延び前記上部外郭の頂点近傍に設けられた外部回転部に結ばれた腕部と、
   前記外部回転部に結合して前記外郭内部に伸びる回転軸と、
   前記回転軸の回転が増速機構を介して伝達される発電機と、
   前記発電機で発電された電気を貯める蓄電池と、
   前記下部外郭内部に設けられた第二の錘と、からなる発電装置。
2. 前記上部外郭の外部側面には、前記第一の錘が回転する面を除き、複数の窪みが設けられている請求項１記載の発電装置。
3. 前記第一の錘には、前記上部外郭の外部側面からの離脱防止機構が設けられている請求項１または請求項２記載の発電装置。
4. 前記第二の錘の位置を上下方向に調節可能である請求項１乃至請求項３記載の発電装置。

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