JP2022049737A - Power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置に関する。 The present invention relates to a power generation device that generates electrical energy from swaying energy such as wave energy.
海水面には常に波が形成されている。波の主な原因は風であると言われており、地球を取り巻く大気は循環していて海水面上では常に風が吹いているため、結果として海水面には常に波が形成されている。一方で、海水面に形成されている波は、波の上下動を起こすエネルギー(波力エネルギー)を持っており、それを有効活用することが望まれている。波力エネルギーは、膨大かつ無尽蔵に存在し枯渇する心配がない。波の大きさ及び周期は、海域によりさまざまであることから、小さな波から大きな波までどのような波浪に対しても、基本的に浮遊状態のまま、波力エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する発電装置の開発が望まれている。 Waves are always formed on the surface of the sea. It is said that the main cause of waves is the wind, and the atmosphere surrounding the earth is circulating and the wind is always blowing on the sea surface, and as a result, waves are always formed on the sea surface. On the other hand, the waves formed on the sea surface have energy (wave energy) that causes the waves to move up and down, and it is desired to make effective use of them. Wave energy is enormous and inexhaustible, and there is no concern that it will be exhausted. Since the size and period of waves vary depending on the sea area, wave energy is efficiently converted into electrical energy, basically in a floating state, for any wave from small waves to large waves. It is desired to develop a power generation device for this purpose.
特許文献1には、(イ)回転軸又はそれと一体となった内筒の周りに、それらと直角方向に曲面又は斜面により凹状を成す複数の回転翼を配した風水車において、ケーシングを左右に二等分する垂直面を対称面として、片側に回転軸と直角方向に第1流路と第3流路を設け、反対側に第2流路と第4流路を設け、波力等を原動力とする流体の往復流を第1流路及び第2流路、又は該両流路を集合させた第1往復流管に導き、第1流路から流入する流れ(往流)に対して開路する手段を第1流路と第3流路内に設け、(ロ)往流とは反対方向の流れ(復流)に対して開路する手段を第2流路と第4流路内に設け、往流は第1流路から第3流路へ、復流は第4流路から第2流路へ流れるよう、ケーシングの周りに各流路を配した垂直軸風水車が記載されている。そして、その垂直軸風水車を用いて、第1流路及び第2流路内に波力による海水の往復流を導入し、第3流路及び第4流路または該両流路を集合させた第2往復流管を、それらの外側に設けた貯漕に接続して発電を行うようにした波力発電装置が記載されている。
In
特許文献2には、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを回転エネルギーに変換する動揺エネルギー変換装置であって、内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められている本体と、前記本体が傾いて前記流動体が前記本体の内部空間を移動することで、一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換装置が記載されており、その回転体の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置も記載されている。
特許文献1に記載されている波力発電装置では、海水を第1流路及び第2流路内に導入する必要があるが、海水面の波の向きは一定ではなく、第1流路及び第2流路への入口はそれほど広くないため、海水を第1流路及び第2流路に導入すること自体が難しく、エネルギーの変換効率が低かった。
In the wave power generation device described in
特許文献2に記載されている発電装置であれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを動揺エネルギー変換装置内部の流動体の運動エネルギーを通して、電気エネルギーに変換可能であるが、この発電装置を海水面の波と共振させることができれば、流動体の動きが激しくなり、回転体の回転エネルギーが大きくなることから、より多くの電気エネルギーを取り出すことができる。しかし、この発電装置は、海水面の波と共振しやすい構造にはなっていなかった。
The power generation device described in
そこで、本発明は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する際に共振しやすい発電装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power generation device that easily resonates when generating electric energy from swaying energy such as wave energy.
本発明に係る動揺エネルギー変換装置は、動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置であって、内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められているセル本体と、前記セル本体が傾いて前記流動体が前記セル本体の内部空間を移動することで一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換セルと、前記動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、前記回転体が回転する回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、全体の重量を調整する重量調整機構とを有する。 The sway energy conversion device according to the present invention is a power generation device that generates electric energy from sway energy, and has a cell body in which a fluid is movably confined in an internal space and a cell body in which the cell body is tilted. A wave energy container having a sway energy conversion cell having a rotating body installed so as to rotate in only one direction by moving in the internal space of the cell body, and a cell installation space for storing the sway energy conversion cell. It has a generator that converts the rotational energy of the rotating body into electrical energy, and a weight adjusting mechanism that adjusts the total weight.
本発明によれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する際に共振しやすい発電装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a power generation device that easily resonates when generating electric energy from shaking energy such as wave energy.
本発明に係る発電装置は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置であって、より具体的には、動揺エネルギーにより起こる流動体の運動エネルギーを、回転体を通して回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。本発明で利用するエネルギーとしては、海水面などに形成された波に物体を浮かべたときに物体が動揺することで得られる波力エネルギーが挙げられる。この際、波と物体(発電装置)が共振現象を起こせば、理論上、その波周期に応じた物体の最大の動揺を得ることができる。 The power generation device according to the present invention is a power generation device that generates electric energy from swaying energy such as wave energy, and more specifically, the kinetic energy of a fluid generated by the swaying energy is converted into rotational energy through a rotating body. It converts and converts the rotational energy into electrical energy. Examples of the energy used in the present invention include wave energy obtained by shaking an object when the object is floated on a wave formed on the sea surface or the like. At this time, if the wave and the object (power generation device) cause a resonance phenomenon, theoretically, the maximum sway of the object according to the wave period can be obtained.
本発明に係る発電装置は、動揺エネルギーを回転エネルギーに変換する動揺エネルギー変換セルと、動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、全体の重量を調整する重量調整機構とを有する。このような発電装置であれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを、長短さまざまな波浪周期に合わせて効率よく回転エネルギーに変換することができ、それを電気エネルギーに変換することができる。以下、本発明の一実施形態として、波に浮かべることで波力エネルギーを回転エネルギーに変換可能であり、さらに得られた回転エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電装置について説明する。 The power generation device according to the present invention includes a sway energy conversion cell that converts sway energy into rotational energy, a wave energy container having a cell installation space for storing the sway energy conversion cell, and a generator that converts sway energy into electrical energy. It has a weight adjustment mechanism that adjusts the total weight. With such a power generation device, swaying energy such as wave energy can be efficiently converted into rotational energy according to various long and short wave cycles, and it can be converted into electrical energy. Hereinafter, as an embodiment of the present invention, a power generation device capable of converting wave energy into rotational energy by floating on a wave and further converting the obtained rotational energy into electrical energy will be described.
本発明に係る発電装置の構成例を図1(縦断面図)及び図2(平面図)に示し、その発電装置が有する動揺エネルギー変換セル10の構成を図3(a)(平面図、流動体12は省略)及び図3(b)(正面図、流路形成部材16は省略)に示す。発電装置1の波エネ容器に形成されたセル設置空間2aには、動揺エネルギー変換セル10が複数設置され、その上部は蓋3で閉じられている。波エネ容器2の形状は、円柱状でもよく、図1及び2のように四角柱や、その他六角柱などの角柱状でもよい。
Examples of the configuration of the power generation device according to the present invention are shown in FIGS. 1 (vertical sectional view) and FIG. 2 (plan view), and the configuration of the sway
動揺エネルギー変換セル10は、セル本体11と、回転体13と、流路形成部材16とを有している。そして、セル本体11の内部空間には、流動体12が存在している。動揺エネルギー変換セル10のセル本体11は、例えば、円柱又は角柱の形状をなしている。回転体13は、セル本体11の内部空間を2つ(内部空間11a及び11b)に区切るように、セル本体11の中央部に設置することができる。回転体13は、例えば、軸体14の外周に羽根15が接続された構成とすることができる。羽根15は、例えば、軸体14の軸方向からみてS字形状又は逆S字形状をなしている。
The sway
セル本体11の内部空間には、流動体12が移動可能に閉じ込められている。すなわち、セル本体11の内部空間は外部とは遮断された閉じた空間であり、そこに所定量の流動体12が投入されている。流動体12は、セル本体11が傾いた際にセル本体11の内部空間を移動可能であればよく、水(水溶液を含む)や有機溶剤等の液体でもよく、粉末状や顆粒状の固体でもよい。セル本体11の内部空間に投入されている流動体12の量(体積)は、流動体12の移動しやすさと、エネルギーの取得効率が波浪諸元(周期、波長、波高、波向き、それらのスペクトル特性)により変化する観点から決められるが、おおよそセル本体11の内部空間の1/2~1/3程度にするとよい。
The
そして、セル本体11が傾いて流動体12がセル本体11の内部空間を移動した際に、羽根15の凹部側に流動体12が流れ込むように、セル本体11の内部空間に流路形成部材16が設けられ、流動体12の流路が形成されている。こうすることで、セル本体11が傾いて流動体12がセル本体11の内部空間を移動することで、回転体13は一方向(図2(a)においては時計回り)にのみ回転するようになる。
Then, when the
このような動揺エネルギー変換セル10により、波力エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換する原理を詳細に説明する。動揺エネルギー変換セル10のセル本体11は、図4に示すように、波の影響でセル本体11が傾く。そして、図4(a)に示すように正面から見てセル本体11が右側に傾くと、セル本体11の左側の内部空間11aに存在していた流動体12の一部が、図3(a)における矢印aの向きに流れ、セル本体11の右側の内部空間11bに移動する。このとき移動した流動体12が回転体13の羽根15の凹部側に流れ込むことで、回転体13は図3(a)において時計回りに回転する。また、図4(b)に示すように正面から見てセル本体11が左側に傾くと、セル本体11の右側の内部空間11bに存在していた流動体12の一部が、図3(a)における矢印bの向きに流れ、セル本体11の左側の内部空間11aに移動する。このとき移動した流動体13が回転体13の羽根15の凹部側に流れ込むことで、回転体13は図3(a)において時計回りに回転する。
The principle of efficiently converting wave energy into rotational energy by such a sway
すなわち、この動揺エネルギー変換セル10によれば、波力エネルギーを回転エネルギーに変換することができる。動揺エネルギー変換セル10は、波の傾きが常に変化していることを利用して、それを回転エネルギーに効率よく変換することが可能である。
That is, according to the sway
なお、セル本体11の大きさ、形状及び材質については、来襲波の波長などを考慮して適宜選択すればよい。例えば、セル本体11の長さ(例えば図3の動揺エネルギー変換セル10における左右方向の長さ)は、想定される来襲波の波長の4分の1程度が好ましい。特に、セル本体11の形状については、多数のバリエーションが考えられる(特許文献2参照)。回転体13は、例えば、一方向にのみ回転することが求められる風力発電用の風車と同様の形状とすることができ、その形状は、パドル型、S字型、サポニウス型、直線翼型、ダリウス型、クロスフロー型などが挙げられる。流路形成部材16は、回転体13が一方向にのみ回転するのに適した場所及び形状で設けられる。
The size, shape and material of the
発電装置1のセル設置空間2aに設置される動揺エネルギー変換セル10は、1つでも構わないが、複数であることが好ましい。特に、動揺エネルギー変換セル10の複数が、全体として平面を形成するようにセル設置空間2aに敷き詰められていることが好ましい(図1では18個)。こうすることで、動揺エネルギー変換セル10による発電量を増やすことができる。なお、敷き詰められた動揺エネルギー変換セル10の複数は、それぞれセル設置空間2aの底面に固定されていてもよく、いかだ状に互いに連結器(不図示)で接続されていてもよい。
The number of the sway
さらに、平面を形成するように敷き詰められた動揺エネルギー変換セル10の複数が、例えば棚4を介して、複数段(図1では18個×2段)に積み上げられていることが好ましい。こうすることで、動揺エネルギー変換セル10から得られる回転エネルギーをさらに増やすことができる。動揺エネルギー変換セル10を積み上げる段数は、2段でもよく、3段以上でもよい。なお、上段に敷き詰められた動揺エネルギー変換セル10の複数は、それぞれ棚4に固定されていてもよく、いかだ状に互いに連結器(不図示)で接続されていてもよい。
Further, it is preferable that a plurality of sway
また、多方向からの来襲波に合わせ、各段で動揺エネルギー変換セル10の配列方向を変えることもできる。図1の発電装置1では、動揺エネルギー変換セル10の配列方向を上段と下段で90°ずらし、井桁状に配置している。こうすることで、図2における左右方向(例えば、東西方向)に進行する波の動揺エネルギーを、下段に配置された動揺エネルギー変換セル10により回転エネルギーに変換し、それと直角な図2における上下方向(例えば南北方向)に進行する波の動揺エネルギーを、上段に配置された動揺エネルギー変換セル10により回転エネルギーに変換することが可能となる。すなわち、どの波向きにも対応できるようになる。なお、動揺の主たるものは鉛直方向の上下運動であるが、これには波エネ容器2全体を波浪と共振させることで対応することができる。
In addition, the arrangement direction of the sway
発電機20は、いわゆる電磁誘導を利用して、動揺エネルギー変換装置10が有する回転体13の回転エネルギー(運動エネルギー)を電気エネルギーに変換するものである。発電機20としては、直流発電機、同期発電機、誘導発電機などの交流発電機が挙げられる。本発明に係る発電装置1が複数の動揺エネルギー変換装置10を有する場合、各動揺エネルギー変換装置10に発電機20が内蔵(セル本体11の内部で回転体13の頂部)若しくは外付け(セル本体10の外部で回転体13の頂部)にて設置されていることが好ましい。発電機20で得られた電気エネルギーはその場で使うこともできるが、電気エネルギーを蓄える充電池(不図示)に充電することもできる。
The
本発明に係る発電装置1が有する動揺エネルギー変換装置10は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換するが、その際の動揺を更に高めるためには、発電装置1を波(来襲波)の周期と共振させることが重要である。発電装置1と来襲波とが共振する条件を構成するファクターとして、来襲波の周期と発電装置1の固有周期が挙げられる。この両者を一致させれば、発電装置1は理論上共振する。来襲波の周期は、例えば、気象条件を与件とすればSMB法で予測することができ、地形などに基づき類型化することもできる。発電装置1の固有周期は、その重量により異なるが、重量を与件とするとき、発電装置1を故意に水没させたときの鉛直振動の周期として算出することができる。したがって、来襲波の周期と発電装置1の固有周期を同一にするべく、発電装置1全体の重量を調整することができれば、発電装置1を波(来襲波)の周期と共振させることができ、その動揺を最大化することが原理的に可能となる。
The sway
ただし、動揺エネルギー変換セル10は、波エネ容器2のセル設置空間2aに水密された状態で格納されていることから、その部分の重量を変化させることは難しい。そこで、本発明に係る発電装置1は、その発電装置1全体の重量を調整する重量調整機構を有している。こうすることで、発電装置1全体の重量を調整してその固有周期と来襲波の周期を同一にすることができ、発電装置1と波を共振させることが可能となる。
However, since the sway
重量調整機構は、発電装置1全体の重量を調整できる機構であれば特に制限はないが、その具体例としては、図1に示すように、波エネ容器2内に形成された、液体を貯留可能なバラスト空間2bと、バラスト空間2bに液体を投入・排出するための連通路(配管5)とを有するものが挙げられる。バラスト空間2bの形成位置は、特に限定されないが、図1に示すように、セル設置空間2aの下方に形成されていることが好ましい。セル設置空間2aの下方にバラスト空間2bが形成されていれば、発電装置1の安定性が向上する。
The weight adjusting mechanism is not particularly limited as long as it can adjust the weight of the entire
そして、来襲波と共振させるために発電装置1全体の重量を増やしたい場合には、配管5を通してバラスト空間2bに液体を投入すればよく、逆に発電装置1の全体の重量を減らしたい場合には、配管5を通してバラスト空間2bから液体を排出すればよい。バラスト空間2bに液体を投入・排出する際には、例えば、配管5に設置されたポンプ5aを利用することができる。こうすることで、例えばSMB法で予測された波の周期に基づいて、発電装置1が共振するように算出された重量に調整することができるようになる。
Then, when it is desired to increase the weight of the entire
なお、バラスト空間2b内の液体が動揺すると、発電装置1全体の動揺が阻害される場合があることから、バラスト空間2bには、内部に投入された液体の動揺を抑えるための仕切り板25が設置されていることが好ましい。仕切り板25としては、例えば、内部に投入された液体が通過可能な複数の穴が開いた板などが挙げられる。このような仕切り板25であれば、液体が大きく動揺した場合に、板における穴の開いていない部分に液体がぶつかって、その動揺が小さくなる。
If the liquid in the
以上のような本発明に係る発電装置であれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換することができ、さらにそれを電気エネルギーに変換することができる。本発明に係る発電装置の一例である波力発電装置は海岸などに定置してもよいが、可動式としてもよい。波力発電装置を可動式とすることで、例えば、洋上や離島で行われる工事に必要な電気を、その工事期間中のみ確保する発電装置として好適なものとなる。また、その電気を用いて海中海底に昼夜を問わず光を届けることで、沿岸域の磯焼け防止に活用することもできる。 With the power generation device according to the present invention as described above, swaying energy such as wave energy can be efficiently converted into rotational energy, which can be further converted into electrical energy. The wave power generation device, which is an example of the power generation device according to the present invention, may be stationary on the coast or the like, but may be movable. By making the wave power generation device movable, for example, it becomes suitable as a power generation device that secures electricity required for construction work performed at sea or on remote islands only during the construction period. In addition, by using the electricity to deliver light to the seabed under the sea day and night, it can be used to prevent rocky shore shores in coastal areas.
1 発電装置
2 波エネ容器
2a セル設置空間
2b バラスト空間
3 蓋
4 棚
5 配管
5a ポンプ
10 動揺エネルギー変換セル
11 セル本体
11a 内部空間
11b 内部空間
12 流動体
13 回転体
14 軸体
15 羽根
16 流路形成部材
20 発電機
25 仕切り板
a 流動体の流れ
b 流動体の流れ
1
本発明に係る動揺エネルギー変換装置は、動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置であって、内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められているセル本体と、前記セル本体が傾いて前記流動体が前記セル本体の内部空間を移動することで一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換セルと、前記動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、前記回転体が回転する回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、全体の重量を調整する重量調整機構として、前記波エネ容器内に形成された、液体を貯留可能なバラスト空間と、前記バラスト空間に液体を投入・排出するための連通路とを有し、前記バラスト空間には、前記液体の動揺を抑制する仕切り板が設置されており、前記仕切り板には、前記液体が通過可能な複数の穴が開いている。 The sway energy conversion device according to the present invention is a power generation device that generates electric energy from sway energy, and has a cell body in which a fluid is movably confined in an internal space and a cell body in which the cell body is tilted. A wave energy container having a sway energy conversion cell having a rotating body installed so as to rotate in only one direction by moving in the internal space of the cell body, and a cell installation space for storing the sway energy conversion cell. And a generator that converts the rotational energy that the rotating body rotates into electrical energy, and a ballast space that can store liquid, which is formed in the wave energy container as a weight adjusting mechanism that adjusts the total weight. A partition plate for suppressing the shaking of the liquid is installed in the ballast space, and the partition plate has the liquid . There are multiple holes through which the energy can pass .
Claims (7)
内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められているセル本体と、前記セル本体が傾いて前記流動体が前記セル本体の内部空間を移動することで一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換セルと、
前記動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、
前記回転体が回転する回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、
全体の重量を調整する重量調整機構と
を有する
発電装置。 It is a power generation device that generates electrical energy from swaying energy.
A cell body in which a fluid is movably confined in an internal space, and a rotation installed so that the cell body tilts and the fluid moves in the internal space of the cell body to rotate in only one direction. A sway energy conversion cell with a body,
A wave energy container having a cell installation space for accommodating the sway energy conversion cell,
A generator that converts the rotational energy that the rotating body rotates into electrical energy,
A power generation device having a weight adjustment mechanism for adjusting the total weight.
前記波エネ容器内に形成された、液体を貯留可能なバラスト空間と、
前記バラスト空間に液体を投入・排出するための連通路と
を有する
請求項1に記載の発電装置。 As the weight adjustment mechanism,
A ballast space formed in the wave energy container that can store liquid, and
The power generation device according to claim 1, further comprising a communication passage for inputting / discharging a liquid into the ballast space.
請求項2に記載の発電装置。 The power generation device according to claim 2, wherein the ballast space is formed below the cell installation space.
請求項2又は3に記載の発電装置。 The power generation device according to claim 2 or 3, wherein a partition plate for suppressing the shaking of the liquid is installed in the ballast space.
請求項1~4のいずれか1項に記載の発電装置。 The power generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of the sway energy conversion cells are stored in the cell installation space.
請求項5に記載の発電装置。 The power generation device according to claim 5, wherein a plurality of the sway energy conversion cells are stacked in a plurality of stages in the cell installation space.
をさらに有する
請求項1~6のいずれか1項に記載の発電装置。 The power generation device according to any one of claims 1 to 6, further comprising a rechargeable battery for storing electric energy.
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