JP2022061827A

JP2022061827A - 波力発電装置

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Publication number: JP2022061827A
Application number: JP2020170017A
Authority: JP
Inventors: 裕治竹田; Yuji Takeda; 浩一畝; Koichi Une
Original assignee: Taihei Dengyo Kaisha Ltd
Current assignee: Taihei Dengyo Kaisha Ltd
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2040-10-07
Also published as: JP7160877B2

Abstract

【課題】可動部の移動方向に関係なく発電機を同一方向に回転させることができる波力発電装置を提供する。【解決手段】海中に立設される支持部と、支持部に支持され海面を上下動する可動部と、発電機と、を有する波力発電装置であって、支持部又は可動部のいずれか一方にラックが設けられ、いずれか他方にラックに噛合する第１及び第２ピニオンギアと、発電機を回転させる第１ギアと第１ピニオンギアを接続する第１電磁クラッチと、回転方向を反転させる方向反転用ギアを介して発電機を回転させる第２ギアと第２ピニオンギアを接続する第２電磁クラッチと、両ピニオンギアの回転方向を判別する方向判別装置と、が設けられ、判別装置が、両ピニオンギアは正転回転であると判別した場合に、第１電磁クラッチを接続し、逆転回転であると判別した場合に、第２電磁クラッチを接続する。【選択図】図２

Description

本発明は、海洋に生じる波や潮の満ち引きといった水面の高低運動からエネルギを取り出すための波力発電装置に関する。

従来より、軸方向を垂直方向として水中に係留される支持部と、この支持部に沿って上下移動可能な状態に配置されるフロートとを備え、水面の高低運動より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が種々提案されている。

特許文献１の波力発電装置は、波により上下動するフロートに吊り下げられたラックと、水中に係留される係留部の内部に設置された発電機と、ラックに噛合する状態で発電機の回転軸に設置されるピニオンギアとを備えるように構成されている。これにより、フロートの上下運動をギアの回転運動に変換して発電機を回転させ発電することができる。

特開２０１６－０３３３４６号公報

しかしながら従来の波力発電装置は、フロートの上昇移動と下降移動とで発電機の回転方向が反転してしまうため、発電機を同一方向に安定して回転させることができなかった。このため、従来の波力発電装置においては、安定した発電を行うことが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、フロート等の可動部の移動方向に関係なく発電機を同一方向に回転させ、発電効率を向上することができる発電装置を提供することを課題とする。

この発明は、上記課題を達成するためになされたものであって、下記を特徴とするものである。

本発明に係る波力発電装置は、海中に立設される支持部と、前記支持部に対して取り付けられ、波により海面上を上下動する可動部と、発電機と、を有する波力発電装置であって、前記支持部又は前記可動部のいずれか一方には、上下方向に伸びるラックが設けられ、前記支持部又は前記可動部のいずれか他方には、前記ラックに噛合する第１ピニオンギア及び第２ピニオンギアと、前記発電機の回転軸を回転させる第１ギアと、前記第１ギアと前記第１ピニオンギアを接続する第１電磁クラッチと、回転方向を反転させる方向反転用ギアと、前記方向反転用ギアを介して前記発電機の回転軸を回転させる第２ギアと、前記第２ギアと前記第２ピニオンギアを接続する第２電磁クラッチと、前記第１ピニオンギア及び前記第２ピニオンギアの回転方向を判別する方向判別装置と、が設けられ、前記方向判別装置が前記第１ピニオンギア及び前記第２ピニオンギアの回転方向が所定の回転方向（正転方向）であると判別した場合に、前記第１電磁クラッチが前記第１ギアと前記第１ピニオンギアを接続し、前記第２電磁クラッチは前記第２ギアと前記第２ピニオンギアを接続せず、前記方向判別装置が前記第１ピニオンギア及び前記第２ピニオンギアの回転方向が前記所定の回転方向と逆の回転方向（逆転方向）であると判別した場合に、前記第１電磁クラッチが前記第１ギアと前記第１ピニオンギアを接続せず、前記第２電磁クラッチは前記第２ギアと前記第２ピニオンギアを接続する、ことを特徴とする。

また、本発明に係る波力発電装置において、前記支持部を水中に立設状態に固定すると共に、海底に設置されるアンカーを備えると好適である。

また、本発明に係る波力発電装置において、前記第１ギア及び前記方向反転用ギアの回転力を、前記発電機の回転軸へ伝達すると共に、回転速度を増速させる増速機を備えると好適である。

また、本発明に係る波力発電装置において、前記発電機の回転軸にフライホイールを備え、前記発電機の回転速度を安定させると好適である。

また、本発明に係る波力発電装置において、一つの支持部に対して複数の前記発電機が配置されると好適である。

上記発明の概要は、本発明に必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明によれば、電磁クラッチを含む駆動機構によって発電機が同一方向に回転するため、発電効率を向上することができる。

また本発明によれば、発電機の回転軸と同軸上にフライホイールを備えることにより、駆動機構から発電機へ間欠的に動力が伝わった場合でも、発電効率を落とすことがない。

本実施形態に係る波力発電装置の概略全体図本実施形態に係る駆動機構と発電機構の概略斜視図駆動機構と発電機構の正転時の動作例を示す模式図駆動機構と発電機構の逆転時の動作例を示す模式図駆動機構と発電機構の回転方向反転時の動作例を示す模式図

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る波力発電装置の概略全体図であり、図２は、本実施形態に係る駆動機構と発電機構の概略斜視図であり、図３は、駆動機構と発電機構の正転時の動作例を示す模式図であり、図４は、駆動機構と発電機構の逆転時の動作例を示す模式図であり、図５は、駆動機構と発電機構の回転方向反転時の動作例を示す模式図である。

＜全体構造＞
図１に示すように、本実施形態に係る波力発電装置１は、海底に設置され波力発電装置１を水中に固定するアンカー２１と、軸方向を垂直方向として水中に立設される支持部３と、水面の上下動に追従して上下動する可動部４とを有する。

＜アンカー＞
アンカー２１は、例えば直方体または円柱形に形成され、鉄筋コンクリートまたは鉄製のフレーム構造を有する。フレーム内部には、砕石やくず鉄を搭載し重量を増すことで、アンカー２１の安定性を高めることができる。なお、アンカー２１の材質及び形状は上記に限らず、海水の密度より高く、波力発電装置１を固定するのに十分な質量を有すればよい。

アンカー２１の上部には、支持部３を構成するロッド３１が接続され、支持部３を水中に立設状態で固定する。本実施形態においては、ロッド３１をアンカー２１に接続した場合について説明を行うが、ロッド３１の固定方法はこれに限らず、ロッド３１の下端部を海底に直接埋没する構造等にしても構わない。また、ワイヤ、チェーン及び高機能繊維ロープなど、公知の手段を用いて、アンカー２１とロッド３１を連結すると共に、支持部３を水中の一定位置に係留しても構わない。

＜支持部＞
支持部３は図１に示すように、水中に立設するロッド３１と、ロッド３１の軸方向上端側の側面に設置されるラック３２とを有している。

＜ロッド＞
ロッド３１は、その下端部がアンカー２１の上部に固定され、水中に軸方向を垂直方向として立設する。また、ロッド３１の中間部は常に水面に位置し、上端部は波が高いときにおいても水没することがない高さとする。ロッド３１の断面形状は、例として図２では長方形が示されているが、これに限らず円形や楕円形であってもよい。

＜ラック＞
ラック３２は、平面状の棒部材の一側面に軸方向に沿って歯部を形成した棒状歯車である。またラック３２は、可動部４が水面に浮揚する際に、可動部４を貫通する高さとなるように、ロッド３１の軸方向上端側の側面に設置する。またラック３２の全長は、可動部４が上下往復移動する距離よりも長く、可動部４が上下方向に振幅する際、最も高い位置、または最も低い位置においても動きを妨げない高さに設置すると好適である。

なお、図１及び図２においては、ラック３２の設置個所をロッド３１の側面部となる場合について説明するが、ラック３２の設置方法は、これに限らず、ラック３２の下端部とロッド３１の上端部を接続し、長手方向へ延びるように設置しても構わない。その際には、ラック３２の中間部が常に水面に位置する高さとする。

支持部３は、可動部４を支持部３に沿ってスムーズに上下運動させるため、その軸方向が直立な状態を保つことが要求される。支持部３の姿勢を安定させるため、支持部３にはバラスト等の姿勢安定機構を備えてもよい。また、支持部３の中心軸が、浮力を持つ可動部４の重心付近を通過するように配置すると、水中で直立した姿勢を維持しやすくすることができ好適である。

＜可動部＞
可動部４は図１に示すように、支持部３が貫通するように配置されたキャビン４２と、キャビン４２の外周面を囲う状態で設置されるフロート４１を有する。

＜フロート＞
フロート４１は例えばゴムで形成されるラバーフロートに、空気や窒素ガス等の気体を充填して構成することができる。また、キャビン４２の内部には、図示しない可動部４の上下往復移動をガイドするガイド機構を有している。ガイド機構は、例えば支持部３の軸方向に設置されるガイドレールと、キャビン４２の内部に設置されるガイドレールの軸受けによって構成される。そのため、可動部４はフロート４１によって水面に浮揚し、かつ水面の高低運動に連動するように、支持部３に対して上下方向に直線的に往復移動することができる。

＜キャビン＞
キャビン４２内には図１に示すように、フレーム台車７が設置されている。またフレーム台車７内には図２に示すように、発電機構６と、発電機構６を駆動する駆動機構５が固定されている。

＜フレーム台車＞
フレーム台車７は、例えば断面がＬ字型に成形された鋼材を、直方体枠をなすように組み立てられた構造を有する。

＜駆動機構、発電機構＞
図２は、フレーム台車７に固定された駆動機構５と発電機構６の概略斜視図である。

＜駆動機構＞
駆動機構５は図２に示すように、方向判別装置５１、第１ピニオンギア５２、第１電磁クラッチ５３、第１ギア５４、第２ピニオンギア５５、第２電磁クラッチ５６、第２ギア５７及び方向反転用ギア５８から構成される。

＜方向判別装置＞
方向判別装置５１は、キャビン４２を貫通するロッド３１またはラック３２の近傍に配置され、フレーム台車７に固定されている。方向判別装置５１は、可動部４と支持部３の相対的な位置移動が生じた際に上下の移動方向を判別し、電磁クラッチを接続または切断する信号を送る機能を有する。

方向判別装置５１は、可動部４と支持部３の相対的な直線位置の変位を検出するセンサや、ロッド３１またはラック３２の側面に沿って回転するローラーを介して、ローラーの回転角度の変位を検出するセンサ等の、公知の手段によって構成される。なお、可動部４の移動方向の判別には、第１ピニオンギア５２又は第２ピニオンギア５５の回転角度の変位を直接検出して判別しても構わない。

＜第１ピニオンギア＞
第１ピニオンギア５２は、ラック３２と噛合し、可動部４と支持部３が相対的に上下移動した際に、可動部４の直線運動を回転運動に変換する。第１ピニオンギア５２の回転軸は、フレーム台車７に設置された図示しない軸受けを介して、ロッド３１及びラック３２の軸方向に直交する水平方向、かつラック３２の歯幅方向に平行に配置される。

＜第１電磁クラッチ＞
第１電磁クラッチ５３は、内部のコイルへの通電によって発生する電磁力を利用して、第１ピニオンギア５２と第１ギア５４の接続及び切断を制御する。第１電磁クラッチ５３の回転軸は、第１ピニオンギア５２の回転軸と同軸上に配置される。

＜第１ギア＞
第１ギア５４は、第１電磁クラッチ５３を介して伝達された第１ピニオンギア５２の回転力を後述する発電機構６の構成要素である増速機６２へ伝達する。第１ギア５４の回転軸は第１電磁クラッチ５３の回転軸と同軸上に、フレーム台車７に設置された図示しない軸受けを介して配置される。

＜第２ピニオンギア＞
第２ピニオンギア５５は、第１ピニオンギア５２同様、ラック３２と噛合し、可動部４と支持部３が相対的に上下移動した際に、可動部４の直線運動を回転運動に変換する。第２ピニオンギア５５の回転軸は、フレーム台車７に設置された図示しない軸受けを介して、ロッド３１及びラック３２の軸方向に直交する水平方向、かつラック３２の歯幅方向に平行に配置される。

＜第２電磁クラッチ＞
第２電磁クラッチ５６は、内部のコイルへの通電によって発生する電磁力を利用して、第２ピニオンギア５５と第２ギア５７の接続及び切断を制御する。第２電磁クラッチ５６の回転軸は、第２ピニオンギア５５の回転軸と同軸上に配置される。

＜第２ギア＞
第２ギア５７は、第２電磁クラッチ５６を介して伝達された第２ピニオンギア５５の回転力を方向反転用ギア５８へ伝達する。第２ギア５７の回転軸は、第２電磁クラッチ５６の回転軸と同軸上に、フレーム台車７に設置された図示しない軸受けを介して配置される。

＜方向反転用ギア＞
方向反転用ギア５８は、第２ギア５７の回転力を増速機６２へ伝達する。方向反転用ギア５８は、第２ギア５７と増速機６２を仲介するように両ギアと噛合する。そのため、第２ギア５７の回転方向と同方向の回転を増速機６２へ伝達する。なお、方向反転用ギア５８は、第２ギア５７と増速機６２の間に限らず、第１ギア５４と増速機６２の間に配置されても構わない。但し、第２ギア５７と増速機６２の間、または第１ギア５４と増速機６２の間のどちらか一方のみに配置される。

＜発電機構＞
発電機構６は図２に示すように、発電機６１、増速機６２及びフライホイール６３から構成される。

＜増速機＞
増速機６２は、第１ギア５４または方向反転用ギア５８から伝達された回転力を発電機６１に伝達すると共に、第１ギア５４または方向反転用ギア５８の回転速度を増速する機構を備える。図２には、回転速度を増速するための機構として、例としてプーリーとベルトによる構成を示しているが、これに限らず、歯車列等その他の公知手段によって回転速度を増速させても構わない。

＜発電機＞
発電機６１は、増速機６２からの回転運動を電気エネルギに変換する。発電機６１の具体的な構成は、従来周知の発電機を適宜採用することができるので、詳細な説明を省略する。また、発電機６１の回転軸と同軸上に、フライホイール６３を備えている。

＜フライホイール＞
フライホイール６３は、概略円盤形状であり、その重心に回転軸を備えている。またフライホイール６３は発電機６１と共に、増速機６２からの回転力を受け、回転運動によって生み出される慣性モーメントを利用して、発電機６１の回転速度を安定させる。

＜動作例＞
次に、本波力発電装置の典型的な動作を例に挙げて、各部品の動きを説明する。

＜正転方向回転時＞
図３は、可動部４が支持部３に対して相対的に上方向に移動している状態の模式図を示す。なお、本移動方向に伴う第１ピニオンギア５２と第２ピニオンギア５５の回転方向を、正転方向の回転とする。

水面が上昇し、可動部４が支持部３に対して上方向に移動すると、第１ピニオンギア５２は、ラック３２に噛合して図示矢印Ａ方向に回転する。方向判別装置５１は、正転方向移動時に可動部４の上方向への移動を検知し、第１電磁クラッチ５３を接続させる信号を送る。第１電磁クラッチ５３は、第１ピニオンギア５２の回転軸と第１ギア５４の回転軸を接続し、第１ギア５４を図示矢印Ａ方向に回転させる。第１ギア５４の回転力は、増速機６２の回転軸を図示矢印Ｂ方向に回転させ、さらに増速機６２は発電機６１の回転軸を図示矢印Ｂ方向に回転させる。

一方、第２ピニオンギア５５も、ラック３２に噛合して図示矢印Ａ方向に回転する。この時、第２電磁クラッチ５６は切断されており、第２ピニオンギア５５は独立して回転する。

また、第１ピニオンギア５２から連動して回転する増速機６２には、図示するように方向反転用ギア５８が噛合しており、増速機６２の図示矢印Ｂ方向の回転によって方向反転用ギア５８は図示矢印Ａ方向に回転する。さらに、図示矢印Ａ方向に回転した方向反転用ギア５８は、第２ギア５７を図示矢印Ｂ方向に回転させる。また前述の通り、第２電磁クラッチ５６は切断されているため、図示矢印Ｂ方向に回転する第２ギア５７は、第２ピニオンギア５５と同様に独立して回転する。

＜逆転方向回転時＞
図４は、可動部４が支持部３に対して相対的に下方向に移動している状態の模式図を示す。なお、本移動方向に伴う第１ピニオンギア５２と第２ピニオンギア５５の回転方向を、逆転方向の回転とする。

水面が下降し、可動部４が支持部３に対して下方向に移動すると、第２ピニオンギア５５は、ラック３２に噛合して図示矢印Ｂ方向に回転する。方向判別装置５１は、逆転方向移動時に可動部４の下方向への移動を検知し、第２電磁クラッチ５６を接続させる信号を送る。第２電磁クラッチ５６は、第２ピニオンギア５５の回転軸と第２ギア５７の回転軸を接続し、第２ギア５７を図示矢印Ｂ方向に回転させ、さらに図示矢印Ｂ方向に回転した第２ギア５７は、方向反転用ギア５８を図示矢印Ａ方向に回転させる。方向反転用ギア５８の回転力は、増速機６２の回転軸を図示矢印Ｂ方向に回転させ、さらに増速機６２は発電機６１の回転軸を図示矢印Ｂ方向に回転させる。

一方、第１ピニオンギア５２も、ラック３２に噛合して図示矢印Ｂ方向に回転する。この時、第１電磁クラッチ５３は切断されており、第１ピニオンギア５２は独立して回転する。

また、第２ピニオンギア５５から連動して回転する増速機６２には、図示するように第１ギア５４が噛合しており、増速機６２の図示矢印Ｂ方向の回転によって第１ギア５４は図示矢印Ａ方向に回転する。なお前述の通り、第１電磁クラッチ５３は切断されているため、図示矢印Ａ方向に回転する第１ギア５４は、第１ピニオンギア５２と同様に独立して回転する。

上記のように、駆動機構５は可動部４の上下移動いずれの方向に関わらず、常に一方向の回転力を発電機６１に伝達する機能をもつ。

＜正逆反転時＞
図５は、可動部４の移動方向が正転方向から逆転方向へ、または逆転方向から正転方向へ、切り替わる瞬間の模式図を示す。移動方向が切り替わる瞬間では、可動部４は支持部３に対して相対的に静止状態となる。方向判別装置５１は、可動部４の移動を検知せず静止状態であると判別する。この時、第１電磁クラッチ５３及び第２電磁クラッチ５６への信号は送られず、第１電磁クラッチ５３及び第２電磁クラッチ５６はともに切断されている状態である。

図５に示すような移動方向が切り替わる直前まで、可動部４は正転方向または逆転方向へ移動しているため、上記に示す通り発電機６１は回転しており、移動方向が切り替わる瞬間においても、発電機６１の回転は慣性によって継続している。また発電機６１は、その回転軸と同軸上にフライホイール６３を備えており、フライホイール６３の回転慣性により発電機６１の回転は速度を落とさずに継続される。そのため、駆動機構５からの動力が間欠的に発電機６１へ伝達された場合にも、発電効率が下がることを防止することができる。

なお、キャビン４２内の駆動機構５及び発電機構６は、一つの支持部３に対して一組の組み合わせに限らず、複数の組み合わせが配置される構成にしてもよい。この構成によれば、波からのエネルギを受ける発電機６１の数を増やすことができるので、波力発電装置１の発電量を増加させることができる。また、発電機６１の数よりも少ない数のアンカー２１と、支持部３を水中に設置すればよいため、波力発電装置１を設置するためのコストを低減することができる。

なお、上記波力発電装置１において、水面は特に限定されず、典型的には、海洋、河川、湖などの水面であってもよい。また、水面の高低運動も特に限定されず、典型的には、風波、うねり、潮汐、あるいはこれの組み合わせであってもよい。

さらに、本実施形態に係る波力発電装置１においては、支持部３にラック３２を設け、可動部４に駆動機構５及び発電機構６を設けた場合について説明を行ったが、これらの配置はこれに限らず、支持部３に駆動機構５及び発電機構６を設け、可動部４にラック３２を設けても構わない。

また、本実施形態に係る波力発電装置１においては、可動部４が支持部３の外周を覆うように配置された場合について説明を行ったが、これらの配置はこれに限らず、支持部３の内周を可動部が上下移動するように配置しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１波力発電装置
３支持部
４可動部
５駆動機構
６発電機構
７フレーム台車
２１アンカー
３１ロッド
３２ラック
４１フロート
４２キャビン
５１方向判別装置
５２第１ピニオンギア
５３第１電磁クラッチ
５４第１ギア
５５第２ピニオンギア
５６第２電磁クラッチ
５７第２ギア
５８方向反転用ギア
６１発電機
６２増速機
６３フライホイール

Claims

海中に立設される支持部と、前記支持部に対して取り付けられ、波により海面上を上下動する可動部と、発電機と、を有する波力発電装置であって、
前記支持部又は前記可動部のいずれか一方には、上下方向に伸びるラックが設けられ、
前記支持部又は前記可動部のいずれか他方には、
前記ラックに噛合する第１ピニオンギア及び第２ピニオンギアと、
前記発電機の回転軸を回転させる第１ギアと、
前記第１ギアと前記第１ピニオンギアを接続する第１電磁クラッチと、
回転方向を反転させる方向反転用ギアと、
前記方向反転用ギアを介して前記発電機の回転軸を回転させる第２ギアと、
前記第２ギアと前記第２ピニオンギアを接続する第２電磁クラッチと、
前記第１ピニオンギア及び前記第２ピニオンギアの回転方向を判別する方向判別装置と、が設けられ、
前記方向判別装置が前記第１ピニオンギア及び前記第２ピニオンギアの回転方向が所定の回転方向（正転方向）であると判別した場合に、前記第１電磁クラッチが前記第１ギアと前記第１ピニオンギアを接続し、前記第２電磁クラッチは前記第２ギアと前記第２ピニオンギアを接続せず、
前記方向判別装置が前記第１ピニオンギア及び前記第２ピニオンギアの回転方向が前記所定の回転方向と逆の回転方向（逆転方向）であると判別した場合に、前記第１電磁クラッチが前記第１ギアと前記第１ピニオンギアを接続せず、前記第２電磁クラッチは前記第２ギアと前記第２ピニオンギアを接続する、
ことを特徴とする波力発電装置。
請求項１に記載の波力発電装置において、
前記支持部を水中に立設状態に固定すると共に、海底に設置されるアンカー
を備える、
ことを特徴とする波力発電装置。
請求項１又は２に記載の波力発電装置において、
前記第１ギア及び前記方向反転用ギアの回転力を、前記発電機の回転軸へ伝達すると共に、回転速度を増速させる増速機を備える、
ことを特徴とする波力発電装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の波力発電装置において、
前記発電機の回転軸にフライホイールを備え、前記発電機の回転速度を安定させる、
ことを特徴とする波力発電装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の波力発電装置において、
一つの支持部に対して複数の前記発電機が配置される、
ことを特徴とする波力発電装置。