JP2018053802A - Wave power generation device and method for installing wave power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フロートが上下運動するときのエネルギを利用して発電を行う波力発電装置および波力発電装置の設置方法に関するものであり、詳しくは発電効率を低下させることなく比較的簡単に設置することができる波力発電装置および波力発電装置の設置方法に関するものである。 The present invention relates to a wave power generation apparatus that generates power using energy when a float moves up and down, and a method for installing the wave power generation apparatus, and more particularly, it is relatively easy to install without reducing power generation efficiency. The present invention relates to a wave power generator that can be used and a method for installing the wave power generator.
水中に立設される支柱に対するフロートの相対運動により発電を行なう波力発電装置が種々提案されている(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、支柱が海底に固定されている(杭打ち方式)。支柱の下端部を海底に到達させて固定する必要があるため、水深の比較的深い海域にこの波力発電装置は設置することができなかった。 Various wave power generators that generate power by the relative movement of a float with respect to a support column installed in water have been proposed (see, for example, Patent Document 1). In the wave power generation device described in Patent Document 1, a support is fixed to the seabed (pile driving method). This wave power generator could not be installed in a relatively deep sea area because the lower end of the support must be fixed by reaching the bottom of the sea.
一方で海底に沈めたアンカーと支柱とを係留索で連結して緊張係留を行なう方法も考えられる(緊張係留方式)。このとき支柱には浮力体が設置される。浮力体による上向きの力と係留索からの下向きの力が支柱に発生する。係留索を緊張させることにより支柱は水中に固定されることになる。この構成により水深の比較的深い海域に波力発電装置を設置することが可能となる。 On the other hand, a method of tension mooring by connecting anchors and struts sunk in the seabed with mooring lines is also conceivable (tension mooring method). At this time, a buoyant body is installed on the support column. An upward force from the buoyant body and a downward force from the mooring line are generated in the column. By tensioning the mooring line, the column is fixed in the water. This configuration makes it possible to install a wave power generation device in a relatively deep sea area.
しかし波の影響により上下運動しない程度に支柱を固定するためには、支柱に設置する浮力体を大型化するとともにアンカーを大型化する必要がある。波力発電装置を設置する場合、所定の海域まで大型化したアンカーを運搬しなければならず、この運搬コストが増大する不具合が生じる。またアンカーを海底に沈める際の作業に大型のクレーン等が必要となり、設置コストが増大する不具合が生じる。 However, in order to fix the column so that it does not move up and down due to the influence of waves, it is necessary to increase the size of the buoyant body installed on the column and increase the size of the anchor. When installing a wave power generation device, it is necessary to transport a large-sized anchor to a predetermined sea area, resulting in a problem that the transportation cost increases. In addition, a large crane or the like is required for the work when the anchor is submerged in the seabed, resulting in a problem that the installation cost increases.
また緊張係留方式で固定された支柱は、潮位変化にともない水底に近づく方向となる下方に移動することがある。支柱が下方に移動すると係留索が緩み、支柱が固定されていない状態となる。このとき支柱は波に同調して上下動してしまうので、フロートとの相対運動が小さくなり発電効率が低下する。 Moreover, the support | pillar fixed by the tension mooring system may move to the downward direction which becomes a direction approaching a water bottom with a tide level change. When the column moves downward, the mooring line is loosened, and the column is not fixed. At this time, since the column moves up and down in synchronization with the wave, the relative motion with the float becomes small, and the power generation efficiency decreases.
上記のとおり杭打ち方式では水深の深い海域に波力発電装置を設置することができない問題がある。また緊張係留方式では、波力発電装置の設置コストが増大するとともに潮位変化により発電効率が低下する問題がある。 As described above, the pile driving method has a problem that a wave power generation device cannot be installed in a deep water area. Further, the tension mooring method has a problem that the installation cost of the wave power generator increases and the power generation efficiency decreases due to a change in tide level.
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は発電効率を低下させることなく比較的簡単に設置することができる波力発電装置および波力発電装置の設置方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a wave power generator and a wave power generator installation method that can be installed relatively easily without reducing power generation efficiency. It is.
上記の目的を達成するための本発明の波力発電装置は、立設状態で水中に配置される支柱と、この支柱に沿って波により上下運動するフロートと、このフロートと前記支柱との
相対運動を利用して発電する発電機構とを備える波力発電装置において、前記支柱に設置される中空体を備えていて、この中空体は内部に海水を充填可能に構成されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a wave power generator according to the present invention comprises a column disposed underwater in a standing state, a float that moves up and down by waves along the column, and a relative relationship between the float and the column. A wave power generation apparatus including a power generation mechanism that generates electric power using motion includes a hollow body installed on the support column, and the hollow body is configured to be filled with seawater. .
本発明の波力発電装置の設置方法は、立設状態で水中に係留される支柱と、この支柱に沿って波により上下運動するフロートと、このフロートと前記支柱との相対運動を利用して発電する発電機構とを備える波力発電装置の制御方法において、前記支柱に設置される中空体を備えていて、前記波力発電装置を水中に配置する際に前記中空体が海水を注水されて注水状態となることを特徴とする。 The installation method of the wave power generation device of the present invention utilizes a support column moored underwater in a standing state, a float that moves up and down by waves along the support column, and a relative motion between the float and the support column. In a control method of a wave power generation device including a power generation mechanism for generating power, the method includes a hollow body installed on the support column, and the hollow body is poured with seawater when the wave power generation device is disposed in water. It is characterized by water injection.
本発明の波力発電装置および波力発電装置の設置方法によれば、中空体の内部に海水を充填することで支柱の質量を増加させて、支柱の固有周期を長周期化することができる。これにより波に対して支柱を固定し易くなる。 According to the wave power generation device and the installation method of the wave power generation device of the present invention, the mass of the support can be increased by filling the hollow body with seawater, and the natural period of the support can be lengthened. . This makes it easier to fix the column to the wave.
以下、本発明の波力発電装置および波力発電装置の設置方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, a wave power generation device and a wave power generation device installation method according to the present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings.
図1に例示するように本発明の波力発電装置1は、立設状態で水中に配置される支柱2と、この支柱2に沿って波により上下運動するフロート3と、このフロート3と支柱2との相対運動を利用して発電する発電機構4とを備えている。
As illustrated in FIG. 1, a wave power generator 1 according to the present invention includes a
支柱2は、例えば上下方向を軸方向とする円柱形状に形成され、上部の一部が水上に突出して、残りの部分が水中に水没する状態で水中に配置されている。支柱2の形状は円柱形状に限らず、水平面に平行となる方向の断面が四角形や多角形となる角柱形状であってもよい。
The
支柱2の下端部にはワイヤやロープ等で構成される係留索5の一端が連結されている。係留索5の他端は水底6に配置されるアンカー7に連結されている。
One end of a
支柱2の下端部には水平方向に延在する平板状のヒーブプレート8を設置する構成にしてもよい。このヒーブプレート8は、支柱2が波に同調して上下運動する際の抵抗となるので、支柱2の固有周期を長周期化することができる。本発明においてヒーブプレート8は必須要件ではない。
You may make it the structure which installs in the lower end part of the support |
フロート3は、平面視における略中心部に支柱2が貫通する貫通孔9を備える円筒形状に形成されている。フロート3の形状は上記に限定されず、支柱2に沿って波により上下運動する形状を有していればよい。例えばフロート3は、球形状や角筒形状に形成してもよい。
The
図2に例示するように発電機構4は、フロート3の内部であって支柱2の外周面を囲む
状態で配置される円環状のコア10と、コア10に巻き付けられるコイル11と、コイル11に接続されるバッテリ12とを備えている。また発電機構4は、支柱2に設置される永久磁石13を備えている。
As illustrated in FIG. 2, the
支柱2に対してフロート3が相対的に上下運動すると、発電機構4は電磁誘導により発電を行なうことができる。発電機構4の構成は上記に限定されず、支柱2に対するフロート3の上下運動を利用して発電する構成であればよい。例えば発電機構4は、フロート3に設置されるモータと、このモータに設置されるピニオンギアと、支柱2に設置され上下方向に延在するラックとで構成してもよい。フロート3の側に配置されているピニオンギアは、ラックとかみ合った状態に構成され、フロート3の上下運動により回転する。
When the
発電機構4で発電される電気はバッテリ12を介して、波力発電装置1の外部に供給される。なおバッテリ12を設置せず、発電機構4から直接外部に電気を供給する構成にしてもよい。
Electricity generated by the
図1に例示するように支柱2の下端部には中空体14が設置されている。中空体14は例えば紡錘形や球形や円柱形に形成されていて、内部に空洞を有している。中空体14は、例えばゴム製の袋で構成することができ、防舷材を利用してもよい。中空体14は、上記に限らず海水を少なくとも注水できる構成を有していればよい。例えば中空体14はプラスチックで構成してもよい。この中空体14の外周面には、内部に海水を注水する際に使用するバルブ15が配置されている。
As illustrated in FIG. 1, a
波力発電装置1にヒーブプレート8が設置されている場合には、ヒーブプレート8の下端部に中空体14を設置する構成にしてもよい。
When the
次に本発明の波力発電装置1の設置方法について説明する。波力発電装置1を作業船等で運搬する際には、中空体14の内部を空状態とすることが望ましい。中空体14がゴムなどの比較的軟らかい材料で形成されているときは、空状態の中空体14を折り畳んで運搬することができる。運搬コストを抑制するには有利である。
Next, the installation method of the wave power generator 1 of this invention is demonstrated. When the wave power generation device 1 is transported on a work boat or the like, it is desirable that the interior of the
作業船が所定の海域に到着した後に、作業船に設置されているクレーン等により波力発電装置1を作業船上から水中に移動させる。このとき係留索5を介して支柱2に連結されているアンカー7を水中に投入する。この実施形態では係留索5は、アンカー7が海底に着床したときであっても弛んだ状態を維持できる程度の長さに設定されている。
After the work ship arrives at a predetermined sea area, the wave power generator 1 is moved underwater from the work ship by a crane or the like installed on the work ship. At this time, the
波力発電装置1を水中に配置した後に、支柱2の下端部に連結されている中空体14の内部に例えば作業船に設置されているポンプ等を利用して作業船の周囲の海水を注水する。中空体14の内部にはバルブ15を介して海水が注水され注水状態となる。
After the wave power generation device 1 is placed in the water, water around the work ship is injected into the
注水状態の中空体14は、中空体14の質量と中空体14に働く浮力とが等しくなる中性浮力状態に調整されることが望ましい。本明細書において中性浮力状態とは、中空体14の水中重量がゼロとなる状態であり、水中で任意の位置に中空体14を配置したとき中空体14が浮きもせず沈みもしない状態をいう。中性浮力状態は中空体14の質量と浮力とが厳密に等しくなる状態の他に、注水状態の中空体14の浮力に対して質量が±10%程度の誤差がある状態も含む。
The water-filled
例えば中空体14に働く浮力が100kgであるとき、注水状態の中空体14の質量が90〜110kgの範囲であれば中性浮力状態ということとする。中空体14の質量と浮力との調整は、中空体14に海水の注水量を調整することにより行なうことができる。
For example, when the buoyancy acting on the
注水状態の中空体14の全体の質量に対して、中空体14自体の質量がほとんど無視できる程度の大きさであれば、中空体14を満水にすれば中空体14はほぼ中性浮力状態となるので調整が容易になる。
If the mass of the
次に中空体14の設置にともなう支柱2の固有周期の長周期化について説明する。まず支柱2などの浮体の固有周期T(sec)は、浮体の質量M(kg)と付加質量係数αと復元力k(N/m)から以下の式(1)で表すことができる。ここで付加質量係数αとは、支柱2等が水中で上下運動を行なう際に周囲の海水に加速度を生じさせた影響により見かけ上増加する質量の割合をいう。
支柱2を円柱形状と仮定すると、支柱2にかかる復元力(浮力から重量を引いたもの)はバネ力として働く。このバネ力を表すバネ定数kは円柱断面積Sを用いると以下の式(2)で表すことができる。
ここでρは海水の密度(1000kg/m3)、gは重力加速度(9.8m/sec2)を示す。また支柱2の質量M(kg)は喫水(水没深さ)をd(m)とすると以下の式(3)で表すことができる。
以上より支柱2の固有周期Tを表す式(1)は以下の式(4)に変形することができる。なお支柱2が円筒形状である場合は付加質量係数α=0.1程度となる。
上記の式(4)より、支柱2の喫水が例えば1mのとき固有周期Tは約2.1secであり、喫水4mのときT=約4.2sec、喫水9mのときT=約6.3secとなる。波の周期は例えば4〜12secで常時変化するため、中空体14を備えていない支柱2は波に同調して上下運動してしまう。
From the above equation (4), the natural period T is about 2.1 sec when the draft of the
本発明では中空体14の設置により式(1)における支柱2の質量Mが増加するため、支柱2の固有周期Tを長周期化することができる。注水状態の中空体14の質量が中空体14に発生する浮力と等しいまたは大きければ、式(1)のバネ定数kが増加することなく質量Mのみが増加するため、支柱2の固有周期Tを効率よく増加させることができる。
In the present invention, since the mass M of the
支柱2に注水状態の中空体14が設置される構成により、支柱2の固有周期Tを例えば20secなどに増大させることができる。波の周期の4〜12secに対して、支柱2の固有周期T=20secは十分に大きくなるため、支柱2は波に同調して上下運動することがほとんどなくなる。波に同調して上下運動するフロート3に対して支柱2は水中でほとんど停止した状態となるので、支柱2とフロート3との上下方向における相対運動が比較的大きくなり、発電効率を維持することができる。
With the configuration in which the water-filled
支柱2が水中でほとんど停止した状態となるため、係留索5を緩めた状態で支柱2を係留する緩係留方式で波力発電装置1を設置することができる。緩係留方式で使用するアンカー7は波力発電装置1が所定の海域から流されることを防止できればよいため、アンカー7を小型化することができる。アンカー7の小型化によりアンカー7の設置コストおよび運搬コストを抑制することができる。
Since the
係留索5を緩めた状態とする緩係留方式で波力発電装置1を係留できるので、潮位が変化した場合であっても波力発電装置1の発電効率が低下するおそれがない。
Since the wave power generator 1 can be moored by a loose mooring method in which the
なお本発明においてアンカー7は必須要件ではない。アンカー7を設置せずに、支柱2が船舶等とワイヤ等で連結されて曳航された状態であってもよい。アンカー7を使用することなく支柱2を水中にほぼ固定できるのでアンカー7を有さない状態であっても波力発電装置1は効率よく発電することができる。
In the present invention, the
波力発電装置1を運搬する際に中空体14を空状態とすれば、波力発電装置1の重量がほとんど増加しないので、中空体14を設置したとしても波力発電装置1の運搬コストの増加を抑制できる。なお、中空体14を注水状態で運搬したとしても、前述の支柱2の固有周期Tの長周期化や設置コストの抑制の効果は得ることができるので、運搬時における中空体14を空状態とする構成は本発明の必須要件ではない。
If the
注水状態の中空体14から排水すれば波力発電装置1の回収および運搬が容易になる。例えば作業船で波力発電装置1を運搬して所定位置で水中に投入するとともに中空体14に注水して発電を開始する。波力発電装置1で発電した電気をダイバーの照明器具等に供給してダイバーの水中作業を支援する。作業完了後は、中空体14から排水して波力発電装置1を作業船に回収して港等に帰ることができる。つまり波力発電装置1を可搬可能な
発電機として利用することができる。
If the
中空体14を波力発電装置1から分離した状態で運搬して、所定の海域で中空体14を支柱2に連結する構成にしてもよい。また水中に浮かんだ状態の波力発電装置1を作業船で曳航して運搬する構成にしてもよい。作業船で波力発電装置1を曳航する際に、空状態の中空体14を支柱2に予め設置しておいてもよく、注水状態の中空体14を支柱2に予め設置しておいてもよい。
You may make it the structure which conveys the
図3に例示するように複数の中空体14を支柱2に設置する構成にしてもよい。この実施形態では中空体14は球形に形成されていて、水平方向に並べて配置されている。複数の中空体14は支柱2の周囲を囲む円周上に並べて配置されている。
As illustrated in FIG. 3, a plurality of
複数の中空体14を水平方向に広げて配置する構成により、支柱2が波により上下運動しようとすると、中空体14がその抵抗となる。つまり中空体14が図1のヒーブプレート8と同様の効果を発揮する。支柱2が波に同調して上下運動することを抑制するには有利である。
With the configuration in which a plurality of
図3に例示するように波力発電装置1に複数の係留索5およびアンカー7を設置する構成にしてもよい。複数のアンカー7を設置する構成により波力発電装置1が所定の海域から流され難くなる。一つ当たりのアンカー7の大きさをさらに小型化するには有利である。
As illustrated in FIG. 3, a plurality of
図4に例示するように波力発電装置1の支柱2と作業船16とを曳航索17で連結して、波力発電装置1が所定の海域から流されることを防止する構成にしてもよい。曳航索17は例えばワイヤやロープ等で構成される。この実施形態では波力発電装置1は、係留索5とアンカー7とを備えていない。
As illustrated in FIG. 4, the
注水状態の中空体14が支柱2に設置されている構成により、波により支柱2が上下方向に移動し難くなる。そのため作業船16に曳航索17で連結された状態であっても波力発電装置1は効率よく発電を行なうことができる。
The structure in which the
この実施形態の中空体14は、支柱2の下端部の周囲を覆う円環形に構成されている。中空体14は支柱2に固定されているので、支柱2が波に同調して上下移動しようとすると中空体14がその抵抗となる。中空体14がヒーブプレート8と同じ効果を生じるので支柱2を水中に固定し易くなる。
The
この中空体14はゴムなどの変形し易い材料で構成することができる。そのため図5に例示するように中空体14の内部に海水を注水した注水状態では中空体14は膨らむ。図6に例示するように中空体14の内部から海水を排水して空状態とすると、中空体14はしぼむ。中空体14をしぼませた空状態とすれば、作業船16で波力発電装置1を曳航して運搬する場合であっても、中空体14の体積が小さくなるため運搬し易くなる。
The
1 波力発電装置
2 支柱
3 フロート
4 発電機構
5 係留索
6 水底
7 アンカー
8 ヒーブプレート
9 貫通孔
10 コア
11 コイル
12 バッテリ
13 永久磁石
14 中空体
15 バルブ
16 作業船
17 曳航索
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記支柱に設置される中空体を備えていて、この中空体は内部に海水を充填可能に構成されることを特徴とする波力発電装置。 In a wave power generation device comprising: a support column disposed underwater in a standing state; a float that moves up and down by waves along the support column; and a power generation mechanism that generates electric power using relative motion between the float and the support column. ,
A wave power generation device comprising a hollow body installed on the support column, the hollow body configured to be filled with seawater.
前記支柱に設置される中空体を備えていて、
前記波力発電装置を水中に配置する際に前記中空体が海水を注水されて注水状態となることを特徴とする波力発電装置の設置方法。 A wave power generation apparatus comprising: a support column moored underwater in a standing state; a float that moves up and down by waves along the support column; and a power generation mechanism that generates electric power using relative motion between the float and the support column. In the installation method,
It has a hollow body installed on the column,
An installation method for a wave power generation device, wherein when the wave power generation device is placed in water, the hollow body is poured with seawater.
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