JP2018028276A - 発電機用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した発電量が得られる発電機用駆動装置及び発電装置を提供する。
【解決手段】駆動装置１０は、支持部２００と、可動部４００と、直動型液圧ポンプ１００と、第１の液圧モータ３１０と、第２の液圧モータ３２０とを具備する。直動型液圧ポンプ１００は、第１の液圧室１０１と第２の液圧室１０２とを区画する摺動可能な隔壁１０５とを有する。第１の液圧モータ３１０と第２の液圧モータ３２０は、発電機５００に接続可能に構成され、発電用の駆動力を提供する。第１の液圧モータ３１０は、第１の液圧室１０１における隔壁１０５の受圧面積をＳ１としたとき、α／Ｓ１［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）の吐出量を有する。第２の液圧モータ３２０は、受圧面積Ｓ１と異なる面積であり第２の液圧室１０２における隔壁の受圧面積をＳ２としたとき、α／Ｓ２［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）の吐出量を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機用駆動装置に関し、更に詳しくは、海洋や河川、湖沼に生じる波や潮汐変化からエネルギを取り出すための技術に関する。

この種の従来技術として例えば特許文献１には、波エネルギの変換装置の揺動する動きを電気に変換する動力捕獲システムが開示されている。この動力捕獲システムは、シリンダと可変容積液圧モータとを有する液圧回路を有している。シリンダは、シリンダ本体と、駆動ロッドによりシリンダ本体内を往復運動する液圧ラムとを備えている。シリンダは、液圧回路に対し、シリンダの排出端にて出口点により、また、シリンダの入口端にて入口ポートにより接続されており、シリンダ本体内のラム動作に起因する液圧回路内の圧力を使用して可変容積液圧モータを駆動する。ラムには非戻り弁が装着された流体流れ通路が設けられており、回路内の流体がシリンダの入口端からラムの流体流れ通路を通って排出端まで流れるように構成される。これにより、開放及び閉塞ストロークの双方にて同一体積の液圧流体が圧送されるようになっており、発電量を安定させることができる。

特表２００８−５３４８３９号公報

しかしながら、上記のシステムでは、液圧ラムに流体流れ通路を設ける必要があるため、特殊な形状の液圧ラムが必要となり、コストが高くなるという問題がある。

本発明は上述のような問題点に鑑みてなされたものであって、特殊な形状のラムをもちいることなく、安定した発電量が得られる発電機用駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係る発電機用駆動装置は、支持部と、可動部と、少なくとも１つの直動型液圧ポンプと、第１の液圧モータと、第２の液圧モータとを具備する。
上記支持部は、水中に設置される。
上記可動部は、水面に浮上し、水面の高低運動に連動して上記支持部に対して相対移動する。
上記直動型液圧ポンプは、上記支持部に対して上記可動部が接近するときに液圧を発生させる第１の液圧室と、上記支持部に対して上記可動部が離反するときに液圧を発生させる第２の液圧室と、上記第１の液圧室と上記第２の液圧室とを区画する摺動可能な隔壁とを有する。上記直動型液圧ポンプは、上記支持部と上記可動部との間に設置される。
上記第１の液圧モータは、第１の発電機に接続可能に構成され、上記第１の液圧室からの液体の供給により上記第１の発電機に発電用の駆動力を提供し、上記第１の液圧室における上記隔壁の受圧面積をＳ１としたとき、α／Ｓ１［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）の吐出量を有する。
上記第２の液圧モータは、第２の発電機に接続可能に構成され、上記第２の液圧室からの液体の供給により上記第２の発電機に発電用の駆動力を提供し、上記受圧面積Ｓ１と異なる面積であり上記第２の液圧室における上記隔壁の受圧面積をＳ２としたとき、α／Ｓ２［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）の吐出量を有する。

上記発電機用駆動装置において、第１の液圧モータ及び第２の液圧モータそれぞれの吐出量を上記のように設定することにより、第１の液圧モータと第２の液圧モータの回転数を同じくすることができ、第１の液圧モータ及び第２の液圧モータは、発電用の駆動力を発電機に対して安定して提供することができる。

上記発電機用駆動装置において、水面は特に限定されず、典型的には、海洋、河川、湖沼などの水面であってもよい。水面の高低運動も特に限定されず、典型的には、風浪、うねり、潮汐、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。

上記直動型液圧ポンプは、複数の直動型液圧ポンプを含んでもよい。上記第１の液圧モータは、上記複数の直動型液圧ポンプ各々の上記第１の液圧室に接続され、上記第２の液圧モータは、上記複数の直動型液圧ポンプ各々の上記第２の液圧室に接続される。
このような構成によれば、複数の直動型液圧ポンプにより、発電用の駆動力の出力を高めることができる。

上記直動型液圧ポンプは、シリンダ本体と、駆動ロッドとを有してもよい。上記駆動ロッドは、上記シリンダ本体に摺動可能に配置された上記隔壁を有する。上記シリンダ本体及び上記駆動ロッドのうち、一方は上記支持部に固定され、他方は上記可動部に固定される。

上記第１の発電機と上記第２の発電機とは同じ発電機である。
このように、第１の液圧室に接続される発電機と第２の液圧室に接続される発電機が同一であってもよい。

以上に述べたように、本発明によれば、水面の高低運動からエネルギを取り出して、安定した発電を行うことができる。

第１の実施形態に係る発電機用駆動装置を備えた発電装置の構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る発電装置の油圧回路図である。 第１の実施形態に係る発電装置の可動部の概略構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る発電装置の直動型液圧ポンプの構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る発電装置の油圧回路図である。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る発電機用駆動装置を備えた発電装置の構成を示す模式図である。図２は、上記発電装置における駆動装置の油圧回路図である。図３は上記発電装置における可動部の概略構成を示す斜視図である。図４は上記発電装置における直動型液圧ポンプの構成を概念的に示す断面図である。

［全体構成］
図示のように、本実施形態に係る発電装置１は、発電機５００と、発電機５００を駆動する駆動装置１０とを備える。駆動装置１０は、支持部２００と、可動部４００と、複数の直動型液圧ポンプ（油圧ポンプ）１００と、液圧回路（油圧回路）３００とを有する。

本実施形態に係る発電装置１は、実施の一例として、波や潮の満ち干きといった水面の高低運動から発電を行う波力潮汐発電装置として構成されている。以下の説明では、発電装置１が波力潮汐発電装置として海洋に設置される場合を例に挙げて説明する。

可動部４００は、中空部４０１を有する環状の浮体（フロート）で構成される（図３参照）。可動部４００は、水面に浮上し、水面の高低運動に連動して支持部２００に対して相対移動する。可動部４００を構成する材料は特に限定されず、典型的には、水よりも比重が小さい材料、例えば、木材や合成樹脂材料等で構成される。また、可動部４００は水よりも比重が大きい材料で構成されてもよく、この場合は例えば、内部に空洞等の密閉された空間部を有する構造体が用いられる。

支持部２００は、少なくともその一部が水中に設置される。また、支持部２００は、軸部材２０１と、支持部材２０２とを有する。軸部材２０１は、中空部４０１を貫通して、水面下へと延びる。軸部材２０１は、海底に固定されていてもよいし、錨や海底に設置された杭に係留されていてもよい。

支持部材２０２は、水面から上方へ突出する軸部材２０１の上端部近傍に固定され、可動部４００と上下方向（Ｚ軸方向）に対向するよう構成されている。本実施形態において支持部材２０２は、可動部４００の水面の高低運動に連動する昇降移動（図1中のＺ軸方向の位置の変動）を制限しないように構成されている。具体的に、軸部材２０１は、中空部４０１よりも小径の円柱又は円筒形状に形成される。

複数の直動型液圧ポンプ１００は、可動部４００及び支持部材２０２の間に設置される（図１参照）。より詳細には、複数の直動型液圧ポンプ１００は、中空部４０１を中心にした同一円周上に環状に、間隔を置いて立設される（図３参照）。この構成によれば、複数の直動型液圧ポンプ１００が対称性を持って配置されるため、発電装置１全体の動作の安定化が図られる。

図３には、４本の直動型液圧ポンプ１００を環状に配置した例を示しているが、例えば、直動型液圧ポンプ１００が５本設置される場合であっても同様に、中空部４０１を中心にした同一円周上に環状に、所定の間隔を置いて立設する。所定の間隔とは、例えば、５本の直動型液圧ポンプ１００が正五角形の頂点の位置に来るような間隔である。

なお、複数の直動型液圧ポンプの設置位置のうち任意の１つ又は複数の位置に可動部４００の昇降移動をガイドするリニアガイドが設けられてもよい。この場合、直動型液圧ポンプ１００の数は、１本であってもよい。

図１、図２、図４に示すように、直動型液圧ポンプ１００は、シリンダ本体１０４と、駆動ロッド１０３とを有する。駆動ロッド１０３は、シリンダ本体１０４の内部に摺動可能に配置された隔壁１０５と、この隔壁１０５に接続する軸１０７を有する。隔壁１０５は、シリンダ本体１０４の内部を第１の液圧室１０１と第２の液圧室１０２とに区画する。

図４に示すように、シリンダ本体１０４は、第１のポート１０１ａと第２のポート１０２ａとを有する。第１のポート１０１ａは、第１の液圧室１０１と第１の液圧供給ライン３２３（図２を参照して後述）との間を連通させる。同様に、第２のポート１０２ａは、第２の液圧室１０２と第２の液圧供給ライン３１３（図２を参照して後述）との間を連通させる。なお図４において符号Ｓは、駆動ロッド１０３及び隔壁１０５の外周面に弾接するシールリングである。

シリンダ本体１０４と駆動ロッド１０３のうち、一方は支持部２００に固定され、他方は可動部４００に固定される。なお、図１は、シリンダ本体１０４が支持部２００の支持部材２０２に、駆動ロッド１０３が可動部４００に、それぞれ固定されている例を示している。

可動部４００の支持部２００に対する相対的な昇降移動により、駆動ロッド１０３がシリンダ本体１０４に押し込まれるか、又はその逆に、シリンダ本体１０４から引き出される。換言すれば、直動型液圧ポンプ１００は、可動部４００の支持部２００に対するＺ軸方向に沿った昇降移動に応じて、第１の方向（図中のｚ１方向）に縮むか、又は、第２の方向（図中のｚ２方向）に伸びる。

また、直動型液圧ポンプ１００は、駆動ロッド１０３の最大伸長位置で動作する緩衝機構（ダンパ）１０６をさらに有する（図４参照）。この緩衝機構１０６によれば、直動型液圧ポンプ１００の破損等の不具合が未然に防げる。緩衝機構１０６は、例えば、ゴムやバネ等の弾性材料で構成される。なお、緩衝機構１０６は、駆動ロッド１０３の最小伸長位置に設置されてもよい。

第１及び第２の液圧室１０１，１０２は作動油で満たされており、駆動ロッド１０３の隔壁１０５によって相互に液密に構成されている。第１の液圧室１０１は、駆動ロッド１０３が第１の方向（図中のｚ１方向）に押し込まれることで容積が減少し液圧を発生させる。逆に、第２の液圧室１０２は、駆動ロッド１０３が第２の方向（図中のｚ２方向）に引き出されることで容積が減少し液圧を発生させる。

先述のように、駆動ロッド１０３は下端部が可動部４００に固定されている。一方で、シリンダ本体１０４は上端部が支持部材２０２に固定されている。したがって、第１の液圧室１０１は、支持部材２０２に対して可動部４００が接近するときに液圧を発生させる。一方で、第２の液圧室１０２は、支持部材２０２に対して可動部４００が離反するときに液圧を発生させる。

［液圧回路］
図２に示すように、液圧回路３００は、第１の液圧モータ（油圧モータ）３１０と、第２の液圧モータ（油圧モータ）３２０と、第１の液圧供給ライン３１３と、第２の液圧供給ライン３２３と、第３の液圧供給ライン３１５と、第４の液圧供給ライン３２５とを有する。

各直動型液圧ポンプ１００の第１の液圧室１０１と第１の液圧モータ３１０の吸入口３１２との間は、第１の液圧供給ライン３１３と第３の液圧供給ライン３１５とにより接続される。各直動型液圧ポンプ１００の第１の液圧室１０１に接続する各第１の液圧供給ライン３１３は合流点３１６で合流し、第３の液圧供給ライン３１５に統合される。

各直動型液圧ポンプ１００の第２の液圧室１０２と第２の液圧モータ３２０の吸入口３２２との間は、第２の液圧供給ライン３２３と第４の液圧供給ライン３２５とにより接続される。各直動型液圧ポンプ１００の第２の液圧室１０２に接続する第２の液圧供給ライン３２３は合流点３２６で合流し、第４の液圧供給ライン３２５に統合される。

なお図２の例では、２つの直動型液圧ポンプ１００に各々接続される液圧供給ライン３１３，３２３のみが記載されているが、他の２つの直動型液圧ポンプに接続される第１及び第２の液圧供給ライン３１３，３２３も同様であるため、それらの図示は省略している。

各第１の液圧室１０１は、リザーバＲに連通可能に接続されており、それらの間には、リザーバＲから第１の液圧室１０１への作動油の流れを順方向とする逆止弁３１７が設けられている。
各第２の液圧室１０２は、リザーバＲに連通可能に接続されており、それらの間には、リザーバＲから第２の液圧室１０２への作動油の流れを順方向とする逆止弁３２７が設けられている。

駆動ロッド１０３が図２中、ｚ２方向に移動すると、第１の液圧室１０１の容積の増加に応じて作動油がリザーバＲから逆止弁３１７を介して第１の液圧室１０１へ供給される。一方、第２の液圧室１０２は容積の減少により液圧を発生させる。これにより作動油が第２の液圧室１０２から第２の液圧供給ライン３２３及び第４の液圧供給ライン３２５を介して第２の液圧モータ３２０の吸入口３２２へ供給される。

同様に、駆動ロッド１０３が図２中、ｚ１方向に移動すると、第２の液圧室１０２の容積の増加に応じて作動油がリザーバＲから逆止弁３２７を介して第２の液圧室１０２へ供給される。一方、第１の液圧室１０１は容積の減少により液圧を発生させる。これにより作動油が第１の液圧室１０１から第１の液圧供給ライン３１３及び第３の液圧供給ライン３１５を介して第１の液圧モータ３１０の吸入口３１２へ供給される。

第１の液圧モータ３１０及び第２の液圧モータ３２０は、それぞれ第１の発電機５００ａ、第２の発電機５００ｂに接続可能に構成される。第１の液圧モータ３１０は、吸入口３１２から流入した作動油の液圧で回転し、発電機５００ａに発電用の駆動力を提供する。第２の液圧モータ３２０は、吸入口３２２から流入した作動油の液圧で回転し、発電機５００ｂに発電用の駆動力を提供する。第１及び第２の液圧モータ３１０，３２０を構成する油圧モータの種類は特に限定されず、例えば、斜板型アキシャルピストンモータが採用される。

第１の液圧モータ３１０は、作動油の吸入口３１２と流出口３１１とを有する。第１の液圧モータ３１０は、第１の液圧室１０１における隔壁１０５の受圧面積をＳ１としたとき、吐出量がα／Ｓ１［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）となるように設定されている。直動型液圧ポンプ１００のシリンダ本体１０４は円柱形の中空部を有しており、駆動ロッド１０３の隔壁１０５は、図１におけるＸＹ平面での形状が円形となっており、このＸＹ平面における円形の隔壁１０５の直径をＤ［ｍｍ］とすると、Ｓ１=πＤ^２／４と表せる。

第２の液圧モータ３２０は、作動油の吸入口３２２と流出口３２１とを有する。第１の液圧モータ３２０は、第２の液圧室１０２における隔壁１０５の受圧面積をＳ２としたとき、吐出量がα／Ｓ２［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）となるように設定されている。駆動ロッド１０３の軸１０７は円柱形をしており、軸１０７の軸方向と直交する断面の直径をｄ［ｍｍ］とすると、Ｓ２=π（Ｄ^２―ｄ^２）／４と表せる。

このように、第１の液圧モータ３１０及び第２の液圧モータ３２０の吐出量を、各モータが接続する液圧室における受圧面積に反比例するように設定することにより、駆動ロッド１０３が図２中、ｚ１方向に移動する場合と、ｚ２方向に移動する場合とで、各液圧モータ３１０及び３２０の回転数を同じくすることができる。これにより、各発電機５００ａ、５００ｂそれぞれに同じ発電用の駆動力を提供することができる。

本実施形態において発電機５００（第１の発電機５００ａ、第２の発電機５００ｂ）は、図１に示すように、支持部２００に設置されている。発電機５００は、典型的には、回転電機で構成される。発電装置１は、第１の液圧モータ３１０及び第２の液圧モータ３２０から発電機５００へ回転力を伝達する回転伝達機構を別途備えていてもよい。発電機５００は、発電した電力を送電線（不図示）により陸上へ送ってもよい。また、発電装置１は、発電機５００で発電された電力を蓄える蓄電池（不図示）をさらに備えていてもよい。

なお上記に加えて、液圧回路３００には図示せずとも、蓄圧器（アキュムレータ）、リリーフバルブ、圧力計等の適宜の油圧機器が設置されてもよい。

［発電装置の動作］
本実施形態に係る発電装置１において、可動部４００は、水面の高低運動に連動して支持部２００に対して相対移動する。可動部４００は、この相対移動により、支持部材２０２に対して接近と離反を繰り返す。

ここで可動部４００と支持部材２０２の間に設置される直動型液圧ポンプ１００は、第１の液圧室１０１と第２の液圧室１０２を有するため、可動部４００が支持部材２０２に接近した場合でも、あるいは離反した場合でも、双方で液圧が発生する。この液圧が上述の液圧回路３００により第１の液圧モータ３１０及び第２の液圧モータ３２０に供給される。

このように、本実施形態に係る発電装置１は、簡易な構成で水面の高低運動からエネルギを取り出すことができる。

また、図１ないし図３に示すように、本実施形態に係る発電装置１は、複数の直動型液圧ポンプ１００を備える。本実施形態においては、複数の直動型液圧ポンプ１００の各第１の液圧室１０１において発生した液圧が第１の液圧モータ３１０へ供給され、各第２の液圧室１０２において発生した液圧が第２の液圧モータ３２０へ供給されるため、第１の液圧モータ３１０、第２の液圧モータ３２０の高出力化を容易に実現することができる。

本実施形態によれば、第１の液圧モータ３１０と第２の液圧モータ３２０の回転数を同じくすることができるので、各発電機５００ａ、５００ｂそれぞれに同じ発電用の駆動力を提供することができる。
また、特別な形状の直動型液圧ポンプは必要なく、市場に流通している直動型液圧ポンプをそのまま用いることができる。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態に係る駆動装置２０を備えた発電装置１００１の油圧回路図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

図５に示すように、本実施形態に係る発電装置１００１では、発電機５００を１つとし、第１の液圧モータ３１０及び第２の液圧モータ３２０の双方が共通の発電機５００に接続して発電用の駆動力を提供している点、第１の液圧モータ３１０から吐出される液体と第２の液圧モータ３２０から吐出される液体とが収容されるリザーバＲが共通である点が、第１の実施形態と異なる。

以上のように構成される本実施形態の発電装置１００１によれば、第１の液圧モータ３１０の回転数と第２の液圧モータ３２０の回転数が同じであるため、発電機５００に対して一定の発電用の駆動力を安定して提供することができる。また本実施形態によれば、１台の発電機５００で第１の実施形態と同様の発電量を得ることができるため、発電機の数の削減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、複数の直動型液圧ポンプ１００が水上に設置された例を説明したが、これに限られず、複数の直動型液圧ポンプの少なくとも１つは水中に設置されてもよい。

１，１００１…発電装置
１０…駆動装置
１００…直動型液圧ポンプ
１０１…第１の液圧室
１０２…第２の液圧室
１０３…駆動ロッド
１０４…シリンダ本体
１０５…隔壁
２００…支持部
３１０…第１の液圧モータ
３２０…第２の液圧モータ
４００…可動部
５００…発電機
５００ａ…第１の発電機
５００ｂ…第２の発電機

Claims (4)

1. 水中に設置される支持部と、
   水面に浮上し、水面の高低運動に連動して前記支持部に対して相対移動する可動部と、
   前記支持部に対して前記可動部が接近するときに液圧を発生させる第１の液圧室と、前記支持部に対して前記可動部が離反するときに液圧を発生させる第２の液圧室と、前記第１の液圧室と前記第２の液圧室とを区画する摺動可能な隔壁とを有し、前記支持部と前記可動部との間に設置された少なくとも１つの直動型液圧ポンプと、
   第１の発電機に接続可能に構成され、前記第１の液圧室からの液体の供給により前記第１の発電機に発電用の駆動力を提供し、前記第１の液圧室における前記隔壁の受圧面積をＳ１としたとき、α／Ｓ１［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）の吐出量を有する第１の液圧モータと、
   第２の発電機に接続可能に構成され、前記第２の液圧室からの液体の供給により前記第２の発電機に発電用の駆動力を提供し、前記受圧面積Ｓ１と異なる面積であり前記第２の液圧室における前記隔壁の受圧面積をＳ２としたとき、α／Ｓ２［ｃｃ／ｒｅｖ］（αは定数）の吐出量を有する第２の液圧モータと
   を具備する発電機用駆動装置。
2. 請求項１に記載の発電機用駆動装置であって、
   前記直動型液圧ポンプは、複数の直動型液圧ポンプを含み、
   前記第１の液圧モータは、前記複数の直動型液圧ポンプ各々の前記第１の液圧室に接続され、
   前記第２の液圧モータは、前記複数の直動型液圧ポンプ各々の前記第２の液圧室に接続される
   発電機用駆動装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電機用駆動装置であって、
   前記第１の発電機と前記第２の発電機とは同じ発電機である
   発電機用駆動装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の発電機用駆動装置であって、
   前記直動型液圧ポンプは、シリンダ本体と、前記シリンダ本体内を摺動可能に配置された前記隔壁を有する駆動ロッドとを有し、
   前記シリンダ本体及び前記駆動ロッドのうち、一方は前記支持部に固定され、他方は前記可動部に固定される
   発電機用駆動装置。

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