JP2021046858A - オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置を提供する。【解決手段】オフセット慣性体２ｂを備えた振動フロート式波力発電装置であって、前記発電装置は、慣性機構と、振動フロート機構と、を含み、振動フロート機構が半球形の中空フロート１と、中空水中体５と、を含み、水中体５内に複動式油圧シリンダ６、油圧配管システム及び油圧モータ発電機セットが設けられる。前記慣性機構は、フロート１内に設けられ、第１発電機２の回転子が変速機、回転軸２ａを介して自在継手３の一軸と同軸上に連結され、オフセット慣性体２ｂを設けた回転軸２ａが自在継手３の他軸に連結される。フロート１が波で振動された時、複動式油圧シリンダ６は、圧油を供給し、同時にフロート１にある慣性機構が作動し、オフセット慣性体２ｂにより回転軸２ａを一方向に回転させる。【選択図】図１

Description

本発明は、新エネルギー技術分野に属し、特に、オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置に関する。
中国経済の発展に伴い、電力資源の供給は、徐々に中国の経済的発展を制限する主な要因になっている。主な電力源として石炭や石油などの化石燃料を使用する従来の火力発電技術は、深刻な環境汚染を引き起こし、経済及び環境の持続的可能な発展の戦略ニーズを満たすことができなくなった。科学技術の進歩により、新エネルギー技術は、大きな進歩を遂げ、徐々に産業化発展を形成し、中国の電力資源問題を解決するための新しい手段となっている。
中国の経済の重心は、主に東部沿岸地域に集中し、中国が１８，０００キロメートルを超える海岸線を有するため、海洋エネルギー資源がますます注目を集めている。波力エネルギーは、賦存量が大きく安定性に優れ、設置コストが低い等といった利点を持ち、様々な海洋エネルギー資源分野において最も有望な方向性となっており、ますます注目を集めている。
ただし、中国の波のエネルギー密度が低いため、海洋エネルギー装置のエネルギー変換効率は低くなり、その大規模な開発及び使用を制限している。これにより、低い波のエネルギー密度条件下での海洋エネルギー装置のエネルギー変換効率を如何に向上させるかが、中国の海洋エネルギー研究におけるボトルネックになっている。従来の海洋エネルギー装置の多くは、１自由度のエネルギー捕獲方法が用いられ、すなわち、海洋波エネルギー機器が１自由度の方向にのみ運動してエネルギー捕獲できるため、エネルギー変換率が低くなっていた。
従来技術に存在する問題点を克服するため、本発明は、振動フロートとオフセット慣性体がヒーブ、サージ、ピッチという３自由度方向で運動すると共にエネルギーを捕獲することができることを十分利用し、したがってエネルギー変換効率を向上でき；同時に、上下揺れと搖動の固有振動数が異なるため、装置のエネルギー変換の有効スペクトル幅を効果的に拡大でき、波力エネルギー変換装置の有効波力エネルギー捕獲の周波数範囲が広がることができるオフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置を提供する。
本発明は上記課題を解決するために、以下の技術的手段からなる。
オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置であって、前記発電装置は、慣性機構と、振動フロート機構と、を含み、前記振動フロート機構が半球形の中空フロートと、中空水中体と、を含み、水中体内に複動式油圧シリンダ、蓄圧器と循環油タンクとを含む油圧配管システム及び油圧モータ発電機セットが設けられ、複動式油圧シリンダが水中体壁に固定され、複動式油圧シリンダ内のピストンに連結されたピストンロッドが水中体上に固定されたガイドプッシュを挿通し；前記慣性機構は、フロート内に設けられ、第１発電機の固定子がフロート壁の半球平面部の内側に固定され、自在継手の一端がフロート壁の半球円弧部の壁に固定され、前記第１発電機の回転子が回転軸を介して自在継手の一軸と同軸上に連結され、自在継手に近い回転軸にオフセット慣性体が設けられ；前記ピストンロッドの端部は、前記自在継手の他軸に連結され、前記フロートが波で振動された時、ピストンロッドによりピストンを複動式油圧シリンダ内で移動させて、蓄圧器に圧油を供給し、圧油が油圧モータに入り、第２発電機を駆動させ；同時にフロートにある慣性機構が作動し、オフセット慣性体により回転軸を一方向に回転させることで、第１発電機を駆動させる。
前記自在継手は、玉形自在継手又は十字軸式自在継手を用いる。
前記回転軸にラチェット機構、ギヤの増速とフライホイール回転速度の安定化用変速機が設けられる。
上記技術的手段の技術的思想として、作業の時、波が振動フロートに作用した後、フロートは波と一緒に上下運動し、ピストンロッドを上下に動かすことで、水中体内の複動式油圧シリンダを押して高圧油を生じさせ、複動式油圧シリンダの両端が油圧配管システムを介して油圧モータに連通し、上下動の発電機能を実現する。同時に、フロートの底部に自在継手が設けられるため、波の作用においてフロートは自在継手に対して適切な角度で旋回し、フロートの回転時、フロート内のオフセット慣性体が慣性力の作用において回転軸を回転させ、回転軸がラチェット機構の制限を受けて一方向回転を維持し、さらにギヤの増速、フライホイール回転速度の安定化を介して発電機を一定速度で回転させて発電し、フロート回転の発電機能を実現する。
このオフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置は、慣性機構と、振動フロート機構と、を含み、振動フロート機構が半球形の中空フロートと、中空水中体と、を含み、水中体内に複動式油圧シリンダ、油圧配管システム及び油圧モータ発電機セットが設けられる。前記慣性機構は、フロート内に設けられ、第１発電機の回転子が変速機、回転軸を介して自在継手の一軸と同軸上に連結され、オフセット慣性体を設けた回転軸が自在継手の他軸に連結される。フロートが波で振動された時、複動式油圧シリンダは、圧油を供給し；同時にフロートにある慣性機構が作動し、オフセット慣性体により回転軸を一方向に回転させる。前記発電装置は、振動フロートとオフセット慣性体がヒーブ、サージ、ピッチという３自由度方向で運動すると共にエネルギーを捕獲することができることを十分利用し、したがってエネルギー変換効率を向上でき；同時に、上下揺れと搖動の固有振動数が異なるため、装置のエネルギー変換の有効スペクトル幅を効果的に拡大でき、波力エネルギー変換装置の有効波力エネルギー捕獲の周波数範囲が広がることができる。
オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置の構造を示す図である。 オフセット慣性体を備えた振動フロートが波の谷にある時の動作状態を示す図である。 オフセット慣性体を備えた振動フロートが波の山にある時の動作状態を示す図である。 油圧配管システムの原理図である。
図１は、オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置の構造を示す図である。図中、このオフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置は、慣性機構と、振動フロート機構と、を含み、前記振動フロート機構が半球形の中空フロート１と、中空水中体５と、を含み、水中体５内に複動式油圧シリンダ６、蓄圧器８と循環油タンク１１とを含む油圧配管システム及び油圧モータ発電機セットが設けられ、複動式油圧シリンダ６が水中体壁５ａに固定され、複動式油圧シリンダ６内のピストン６ａに連結されたピストンロッド６ｂが水中体５上に固定されたガイドプッシュ４を挿通し；前記慣性機構は、フロート１内に設けられ、第１発電機２の固定子がフロート壁１ａの半球平面部の内側に固定され、自在継手３の一端がフロート壁１ａの半球円弧部の壁に固定され、第１発電機２の回転子が変速機２ｃ、回転軸２ａを介して自在継手３の一軸と同軸上に連結され、自在継手３に近い回転軸２ａにオフセット慣性体２ｂが設けられ；ピストンロッド６ｂの端部は、自在継手３の他軸に連結され、前記フロート１が波で振動された時、ピストンロッド６ｂによりピストン６ａを複動式油圧シリンダ６内で移動させて、蓄圧器８に圧油を供給し、圧油が油圧モータ９に入り、第２発電機１０を駆動させ；同時にフロート１にある慣性機構が作動し、オフセット慣性体２ｂにより回転軸２ａを一方向に回転させることで、第１発電機２を駆動させる。自在継手３は、玉形自在継手又は十字軸式自在継手を用いる。回転軸２ａにラチェット機構、ギヤの増速とフライホイール回転速度の安定化用変速機２ｃが設けられる。
図４は、油圧配管システムの原理図である。図中の黒矢印は給油、白矢印が戻り油を示す。油圧配管システムは、蓄圧器８と、複数のチェックバルブと、循環油タンク１１と、を含み、油圧モータ発電機セットが油圧モータ９と、第２発電機１０と、を含み、蓄圧器８上に油圧計、安全弁が設けられ、循環油タンク１１上に液面計、オイルタンク蓋が設けられる。第１高圧ホース７は、第１給油チェックバルブＶ１を介して蓄圧器８に接続され、第１リターンチェックバルブＶ３を介して循環油タンク１１にも接続され、第２高圧ホース７ａが第２給油チェックバルブＶ２を介して蓄圧器８に接続され、第２リターンチェックバルブＶ４を介して循環油タンク１１にも接続され、蓄圧器８のアウトレットパイプが第２発電機１０の回転を駆動する油圧モータ９の吸入口に接続され、油圧モータ９のアウトレットパイプが循環油タンク１１に接続される。
図２は、オフセット慣性体を備えた振動フロートが波の谷にある時の動作状態を示す図。フロート１が波の谷にある時、ピストン６ａは、複動式油圧シリンダ６の底端に移動し、この移動過程で、ピストン６ａ下室が蓄圧器８に圧油を供給し、ピストン６ａ上室が循環油タンク１１からオイルを吸込む。
図３は、オフセット慣性体を備えた振動フロートが波の山にある時の動作状態を示す図である。フロート１が波の山にある時、ピストン６ａは、複動式油圧シリンダ６の頂端に移動し、この移動過程で、ピストン６ａ上室が蓄圧器８に圧油を供給し、ピストン６ａ下室が循環油タンク１１かオイルを吸込む。
上記技術的手段を用いると、フロートの上下揺れの固有振動数を現地の波周波数と等しくすることによって発電効率を向上するよう推奨し、フロートの上下揺れの固有振動数は次の式（１）によって得ることができる。
Figure 2021046858
 （１）
式中、Ｍは、フロートの質量、ａ３３が追加質量、ρが海水の密度、Ａがフロート内の水面面積である。
フロートの回転方向の固有振動数を波周波数と等しく設計する方法により、発電効率を向上させることもでき、回転方向の固有振動数は次の式（２）で求められる。
Figure 2021046858
 （２）
式中、Ｍは、フロートの質量、ｇが重力加速度、ｚｃがフロートの回転中心（すなわち、自在継手の位置）、ｚ０がフロートの質量中心、ａ５５がフロートの回転方向の追加質量、Ｉ１１とＩ３３が各々水平方向及びヒーブ方向のフロートの回転慣性質量であり；I11 Aは、フロートの水平方向の面積モーメントであり；I33 Vは、フロートのヒーブ方向の体積モーメントである。
上記式（１）及び式（２）のパラメーターは、実際に関連しており、通常、現地の波周波数と同じ要求を均しく満たすことができない。設計時、まず上下揺れ固有振動数を現地の波周波数と同じであることを確保し、これをベースにして回転方向の固有振動数を調整するよう推奨する。
従来技術と比較して、本発明は、波を利用して発電することができ、従来の波力発電装置の１自由度エネルギー捕獲という制限を打ち破り、ヒーブ方向、ピッチ方向、サージ方向でエネルギーを捕獲することで、エネルギー変換効率を向上することができる。またさらに両者の固有振動周期の計算方法も示し、現地の波周波数に応じて固有振動周期を設計して、より良い波力発電効果を得ることができる。水深が浅い場合は、波力発電装置の底部水中体は、海底に置くことができ；水深が深い場合は、底部水中体をアンカーチェーンなどの係留システムに接続して海中に沈めて浮遊させることができる。装置は、は、単独で使用することも、アレイで使用して、より良いエネルギー捕獲効果を奏する。上記理由により、本発明は海岸工学、海洋工学、クリーンエネルギー技術の分野で幅広く活用することができる。
１ フロート
１ａ フロート壁
２ 第１発電機
２ａ 回転軸
２ｂ オフセット慣性体
２ｃ 変速機
３ 自在継手
４ ガイドプッシュ
５ 水中体
５ａ 水中体壁
６ 複動式油圧シリンダ
６ａ ピストン
６ｂ ピストンロッド
７ 第１高圧ホース
７ａ 第２高圧ホース
８ 蓄圧器
９ 油圧モータ
１０ 第２発電機
１１ 循環油タンク
１２ 自由水面
Ｖ１ 第１給油チェックバルブ
Ｖ２ 第２給油チェックバルブ
Ｖ３ 第１リターンチェックバルブ
Ｖ４ 第２リターンチェックバルブ

Claims (3)

  1. 慣性機構と、振動フロート機構と、を含むオフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置であって、前記振動フロート機構は、半球形の中空フロート（１）と、中空水中体（５）と、を含み、前記水中体（５）内に複動式油圧シリンダ（６）、蓄圧器（８）と循環油タンク（１１）とを含む油圧配管システム及び油圧モータ発電機セットが設けられ、前記複動式油圧シリンダ（６）が水中体壁（５ａ）に固定され、前記複動式油圧シリンダ（６）内のピストン（６ａ）に連結されたピストンロッド（６ｂ）が前記水中体（５）上に固定されたガイドプッシュ（４ａ）を挿通し；
    前記慣性機構は、フロート（１）内に設けられ、第１発電機（２）の固定子がフロート壁（１ａ）の半球平面部の内側に固定され、自在継手（３）の一端が前記フロート壁（１ａ）の半球円弧部の壁に固定され、前記第１発電機（２）の回転子が変速器（２ｃ）、回転軸（２ａ）を介して前記自在継手（３）の一軸と同軸上に連結され、前記自在継手（３）に近い前記回転軸（２ａ）にオフセット慣性体（２ｂ）が設けられ；
    前記ピストンロッド（６ｂ）の端部は、前記自在継手（３）の他軸に連結され、前記フロート（１）が波で振動された時、ピストンロッド（６ｂ）により前記ピストン（６ａ）を前記複動式油圧シリンダ（６）内で移動させて、前記蓄圧器（８）に圧油を供給し、圧油が油圧モータ（９）に入り、第２発電機（１０）を駆動させ；同時に前記フロート（１）にある慣性機構が作動し、前記オフセット慣性体（２ｂ）により前記回転軸（２ａ）を一方向に回転させることで、前記第１発電機（２）を駆動させる、
    ことを特徴とする、オフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置。
  2. 前記自在継手（３）は、玉形自在継手又は十字軸式自在継手を用いることを特徴とする、請求項１に記載のオフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置。
  3. 前記回転軸（２ａ）にラチェット機構、ギヤの増速とフライホイール回転速度の安定化用変速機（２ｃ）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載のオフセット慣性体を備えた振動フロート式波力発電装置。
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