JP2022551226A - 波力エネルギー吸収変換装置および発電システム - Google Patents

Abstract

【目的】波力エネルギー吸収変換装置および発電システムを提供する。【解決手段】波力エネルギー吸収変換装置は、浮体（１）、ガイド軸（５）、ダンピングディスク（９）、およびダンピングディスク（９）の運動区間に設置された平衡機構を含み、ガイド軸（５）は、浮体（１）の底部に接続され、ダンピングディスク（９）の中心から貫通し、ダンピングディスク（９）は、ガイド軸（５）上をスライドすることができ、平衡機構が生成する平衡力は、ダンピングディスク（９）の自然運動の方向と逆であり、ダンピングディスクは、平衡機構の協同作用により、相対的静止の状態を保持して、上方および下方の制限構造に接触するのを防ぐことができる。発電システムは、波力エネルギー吸収変換装置および発電機構を含む。この波力エネルギー吸収変換装置および発電システムは、波力エネルギーの利用率を上げ、発電装置の信頼性を高めることができる。【選択図】図５

Description

本発明は、発電装置に関するものであり、特に、波力エネルギー発電技術に関する波力エネルギー吸収変換装置および発電システムである。

現在、波力エネルギー発電装置が通常採用する方法には、以下の種類がある。

１、波力エネルギーを油圧エネルギーに変換し、発電機に接続されたタービンを押し動かして回転させることにより、発電機を回転させて発電する。例えば、スコットランドのペラミス（Pelamis）ウェーブパワー社のペラミス波力エネルギー発電設備と米国の海洋エネルギー技術（ＯＰＴ）社の波力エネルギー発電装置である。しかし、この構造を採用した波力エネルギー発電装置は、設計が比較的複雑で、工費が高く、維持費も比較的高いため、現在、支配的地位を有する水力発電や火力発電に比べて、コスト優位性がない。

２、波力エネルギーを流動する圧縮空気に変換し、蒸気タービンを押し動かして回転させることにより、発電機を回転させて発電する。すなわち、振動水柱型発電である。この種の発電施設は、海岸型を主とし、構造が単純で、性能に信頼性があり、維持費が低いが、エネルギー変換の効率が比較的低く、建設が地理的位置に大きく制限され、普及等に不利である。海上浮遊型振動水柱発電設備は、日本で既に実際に運用されている巨鯨が最も典型的であり、海岸型施設の地理制限を回避できるが、工費が比較的高く、火電や水電に比べて、コスト優位性がない。

３、波力エネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機を直接押し動かして回転させ、発電する。この種の方法は、理論的には、エネルギー伝達上変換を繰り返さないため、変換過程におけるエネルギーの損失を防ぐことができ、エネルギー変換率も上記２種類の波力エネルギー発電装置より高い。しかし、波運動の複雑性や極端な天気がもたらす大波等の装置に対する衝撃により、この種のシステムの信頼性を大幅に低下させるため、この種の波力エネルギー発電装置は、極端な海洋状況に対処するのが難しく、今もって成熟した設備の応用がまだ完全ではない。

以上の３種類の波力エネルギー発電装置のうち、海水の衝撃を直接利用する水力タービン発電は、理論上、比較的理想的な波力エネルギー発電装置であり、エネルギー吸収および伝達の中間リンクを減らし、波力エネルギーの利用率を上げることができる。通常の波力エネルギー発電装置は、波を利用して油圧ポンプまたはピストンを押し動かして海水を岸辺の貯水タンクに注入し、形成された落差を利用して、水力タービンを発電する。あるいは、水路を収縮させることを利用して波を比較的高い場所に引き入れ、同様に落差を形成し、水力タービンを利用して発電する。上記２種類の波力エネルギー発電装置の欠点は、波力エネルギーの収集が沖に近い場所で行われるため、地理的位置の影響が比較的大きいことである。

さらに、海上浮遊型発電装置があり、例えば、スウェーデンのWaveEL波力エネルギー発電装置は、浮体に接続された長さが約２０ｍの管状体を用いて、海中に垂直に進入するため、管状体内部の海水高度が管外の波の影響を受けずに相対的に安定した高度を保持することができる。水力タービンを管状体に接続し、浮体と一緒に波とともに上下運動して、水力タービンのブレードが管状体内部の海水中で上下運動して回転することにより、発電機を動かして発電する。この種の装置は、構造が単純で、信頼性が高く、装置が完全な密封状態にあり、大部分の構造が水中にあるため、耐風、耐腐食能力が高いが、内部海水の慣性のみを利用して動き、水力タービンのブレードの大きさと関係があるため、この装置は、波力エネルギーに対する利用率が低い。

本出願人は、これまで、２種類の波力エネルギー発電装置ＣＮ１０３９３９２７０ＢおよびＣＮ１０３９３９２６９Ａを発明しており、これらは、浮体内に取り付けられた発電機、およびエネルギー出力軸により浮体内の発電機に接続された水力タービンを含む（図１および図２を参照）。浮体の下方にピストン増圧装置を設置し、浮体がピストンスリーブ、中心ガイド軸を動かして波とともに上下運動した時、ピストンは、慣性と抵抗力により、水中で相対的静止状態を保持するため、ピストンとピストンスリーブが相対運動を形成し、ピストンスリーブの内腔中の海水に対して交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路内で往復流動させ、流水通路内の水力タービンのブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機を動かして発電する。この発電装置は、既存の波力エネルギー発電装置の構造が複雑で、製造コストと維持費が高く、長期運行の信頼性が低い問題を解決する。

この装置は、原理的には実現可能であるが、実際の運行において確かに問題が存在する。この装置は、水中にダンピングディスクが設計されているため、設計方案に基づくと、ダンピングディスクは、浮力を重力と等しくすることにより、ダンピングディスクが運動区間の中間で浮遊することを保証しなければならない。しかし、これは単に理想的な状態に過ぎず、事実上、浮力と重力が等しいダンピングディスクを製造するのは不可能であり、しかも、ダンピングディスクの浮力と重力が等しくても、ダンピングディスクは、水中にある位置では制御不能である。そのため、実際の状況では、水中のダンピングディスクは、自身の重力または浮力によって、常に上向きまたは下向きに移動する傾向にあることから、ダンピングディスクは、設計の中間位置ではなく、自動的に運動区間の一端に移動する。そのため、波が浮体を動かして上下運動した時、ダンピングディスクは、運動周期の度に位置制限構造またはピストン型シリンダの下端との接触や衝突を避けることができない。このような接触によって、しばらくの間ピストンとシリンダが相対運動をしなくなるため、波のエネルギーを吸収することができず、波力エネルギーを取得する機能を失う。実際に実験を行っている間、出願人は、波の各運動周期が約７秒であり、ダンピングディスクと位置制限構造が接触して相対運動しなくなる時間が約３秒前後であることを発見し、このような状況によって、発電機は、停止と起動を繰り返すため、装置の発電効率が大幅に下がる。出願人の研究からわかるように、このような状況は、理想的な設計状態に比べて、効率を８０％前後下げている。得られた電圧出力は、図３に示した通りであり、図からわかるように、装置が出力した電圧は、０から６４８．２Ｖであり、断続的で、連続しておらず、インバーター変換による整流を行うのが非常に難しいため、この装置により得られる電気エネルギーは、利用が困難であり、この種の装置を実際に応用するのは難しい。

本発明の目的は、現有技術に存在する欠点に対し、単純な構造を利用して改良され、波力エネルギーの利用率を大幅に上げることのできる波力エネルギー吸収変換装置および発電システムを提供することである。

本発明の上記の目的を実現するため、以下の技術方案を採用する。

まず、本発明は、浮体、ダンピングディスク、およびガイド軸を含む波力エネルギー吸収変換装置を提供する。前記ガイド軸は、浮体の底部に接続され、ガイド軸は、ダンピングディスクの中心から貫通し、ダンピングディスクは、ガイド軸上をスライドすることができる。つまり、ダンピングディスクは、ガイド軸上を相対運動可能に設置され、ダンピングディスクの上方および／または下方に位置制限構造が設置され、ダンピングディスクをガイド軸上の運動区間に制限する。浮体は、波の作用により、ガイド軸を動かして一緒に上下運動することによって、ダンピングディスクとの間で相対運動を起こし、機械運動エネルギーを出力する。

本発明は、ダンピングディスクのガイド軸上の運動区間の中間位置または付近に平衡機構（counterbalance mechanism）を設置して、ダンピングディスクの上向きまたは下向きに運動する傾向を対抗するように改良した。前記平衡機構の平衡力は、重りの重力または浮箱の浮力であり、平衡力は、ダンピングディスクの自然運動の方向と逆である。ダンピングディスクが平衡機構に接触した後、外力の作用がない場合、ダンピングディスクは、平衡機構に接触した時の位置に停留する。つまり、自動的に上下運動をしない。波の作用により、浮体は、ガイド軸と一緒にダンピングディスクとの間で相対運動を起こし、ダンピングディスクの運動区間が上下２つの位置制限構造の間になる。ダンピングディスクは、自身の抵抗力の作用、および平衡機構の協同作用により、水中のガイド軸上の前記運動区間の中間位置で相対的静止の状態を保持し、特定の波高範囲内において、上方および下方の両方で位置制限構造または浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触しない。

本方案において、ダンピングディスクの浮力をそれ自身および荷重の総重力よりも大きく設計した時（ここでは、ダンピングディスクに接続された全ての構造の重量を指す）、ダンピングディスクに重りを載置して、ダンピングディスクと重りを足した後の荷重の重力の和をこれらの浮力の和よりも大きくする。ダンピングディスクがその運動区間の下端から上端に向かって中間領域まで運動して、重りと結合した後、このような結合は、堅固なものではなく、単に寄りかかっているだけであるため、外力の作用がない場合、結合体は、最初に結合した位置、すなわち運動区間の中間位置に停留し、外力の作用がある場合、結合体は、一緒に上向きの運動を継続することができる。しかし、結合体の重力は、浮力よりも大きいため、その自然運動は、下向きになる傾向があり、結合体の上昇する運動エネルギーが弱まるため、所定の波範囲内において、ダンピングディスクが上方で上位置制限構造または浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぎ、接触する前に、下向きの運動に変わり始める。結合体が最初に結合した位置まで下向きに運動した時、ダンピングディスクは、重りと自然に分離する。

本方案において、ダンピングディスク自身および荷重の重力をその浮力よりも大きく設計した時、ダンピングディスクの上に浮箱を載置して、ダンピングディスクと浮箱の浮力の和をこれらの荷重の重力の和よりも大きくする。ダンピングディスクは、その運動区間の上端から下端に向かって中間位置まで運動した時、浮箱と結合し、外力の作用がない場合、結合体は、最初に結合した位置、つまり中間位置に停留する。外力の作用がある場合、結合体は、一緒に下向きの運動を継続することができる。しかし、結合体の浮力は、重力よりも大きいため、その自然運動は、上向きになる傾向があり、結合体の下向きの運動の運動エネルギーが弱まるため、所定の波範囲内において、ダンピングディスクが下方で下位置制限構造または浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぎ、接触する前に、上向きの運動に変わり始める。結合体が最初に結合した位置まで上向きに運動した時、ダンピングディスクは、浮箱と自然に分離する。

さらに、本発明において、ダンピングディスクに重りを載置した時、重りは、チェーンを用いてダンピングディスクの上方でぶら下がり、ダンピングディスクの運動区間の中部領域に配置される。前記チェーンは、ガイド軸またはガイド軸と一体且つ一緒に運動する特定の部位に接続される。前記チェーンは、任意の長さであってもよいが、好ましくは、重りをダンピングディスクの運動区間の中間位置に配置できる長さである。この重りの接続方法は、本発明の選択のうちの１つであり、唯一の選択ではない。

ダンピングディスクに浮箱を配置した時、浮箱は、チェーンを用いて引っ張られてダンピングディスクの下方に接続される。チェーンの下向きに引っ張る作用により、浮箱は、ダンピングディスクの下方に浮遊し、前記チェーンは、ガイド軸またはガイド軸と一体であり、且つ一緒に運動する特定の部位に接続される。前記チェーンは、任意の長さであってもよいが、好ましくは、浮箱をダンピングディスクの運動区間の中間位置に配置できる長さである。この浮箱の接続方法は、本発明の選択のうちの１つであり、唯一の選択ではない。

さらに、位置制限構造については、本発明において、具体的に、ガイド軸の上部および／または下部の構造に設置してもよく、あるいは、ガイド軸または浮体と一体に接続固定された部材の特定の部位を位置制限構造としてもよい。前記構造および部材は、ダンピングディスクの上方および／または下方に配置され、平衡機構を載置していない状態の運動区間にダンピングディスクを制限する。

本発明が設計する以上の波力エネルギー吸収変換装置は、幅広い応用範囲を有し、例えば、本出願人のこれまでの発明ＣＮ１０３９３９２７０ＢおよびＣＮ１０３９３９２６９Ａにおける波力エネルギー発電装置を改良するために用いることができる。

したがって、本発明は、さらに、波力エネルギー発電システムを提供し、改良後の発電システムは、波力エネルギー吸収変換装置および発電機構で構成される。発電機構は、波力エネルギー吸収変換装置の動力出力端に配置され、波力エネルギーを電気エネルギーに変換する。

本発電システムにおいて、前記発電機構は、複数種類の形式であってもよい。

発電機構は、浮体内に取り付けられた発電機を含み、エネルギー伝達軸により水力タービンに接続され、浮体の下方にピストン増圧装置を有するピストン増型水力タービン発電装置であってもよい。前記ピストン増圧装置は、水面下に配置され、ピストンスリーブおよびこれと連係して取り付けられたピストンを含み、ガイド軸は、ピストンスリーブおよびピストンを貫通する。ピストンスリーブは、浮体の下方に接続され、前記水力タービンは、ピストンスリーブの頂部の開放された流水通路の中に配置される。前記ピストンの底部は、ダンピングディスクに固く接続され、ダンピングディスクの端面の面積は、ピストンの底部の端面の面積よりも大きい。

浮体がピストンスリーブ、中心ガイド軸を動かして、波とともに上下運動した時、ピストンとダンピングディスクの平衡機構における協同作用により、ピストンとピストンスリーブが相対運動を保持し、ピストンスリーブの内腔中の海水に対して交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路内で往復流動させ、流水通路内の水力タービンのブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機を動かして発電する。

発電機構は、浮体内に取り付けられた油圧ポンプ、油圧モータ、および発電機を含むオイルポンプ油圧モータ発電装置であってもよい。前記油圧ポンプのプッシュロッドは、伝動件によりダンピングディスクに接続され、波の作用により、浮体は、ダンピングディスクと相対運動を起こし、伝動件、プッシュロッドにより油圧ポンプの内部のピストンを押し動かして運動し、油圧ポンプ内の液体が前記油圧モータを押し動かすことにより、発電機を動かして発電する。

発電機構は、さらに、リニアモータまたは磁気モータであってもよく、リニアモータ発電機構を採用する時、リニアモータ固定子、プッシュロッド、およびリニアモータスライド部材を含む。前記リニアモータ固定子は、浮体の中に固定され、前記リニアモータスライド部材は、リニアモータ固定子と連係して、それに相対してスライドする。前記プッシュロッドは、リニアモータスライド部材を駆動するように接続され、伝動件によりダンピングディスクに接続される。波の作用により、浮体は、ダンピングディスクと相対運動を起こし、伝動ロッドおよびプッシュロッドによりリニアモータスライド部材を動かして、リニアモータ固定子に相対して上下運動を行うことにより、電気エネルギーを生成する。

以上の説明からわかるように、発明は、波力エネルギーの利用率が高い波力エネルギー吸収変換装置を設計し、ダンピングディスクが運動の中間位置において、ダンピングディスクの浮力または重力と互いに対抗する力を加えて、ダンピングディスクが自身の浮力または重力によりこの位置に移動した時、対抗する力が加わるため、ダンピングディスクは、自身の移動を阻止して、この対抗する力が加わった場所に浮遊する。この場所は、通常、その運動区間の中間領域にある。平衡機構の存在により、ダンピングディスクは、運動区間の両端に向かって運動する自然動力を失うため、波が浮体とガイド軸を動かして運動した時、波浪高度が設計の範囲内にあれば、ダンピングディスクは、結合点を核心として、核心の周りを上下運動し、ダンピングディスクが位置制限構造または浮体等に衝突や接触するのを防ぐことができるため、浮体とダンピングディスクの間の相対運動を常に保持して、波力エネルギーを絶えず吸収し、波力エネルギーに変換することができる。

本発明は、波力エネルギーの利用率が高く、構造が単純で、運行の信頼性が高く、耐風、耐腐食能力が強く、維持が容易である等の利点を有し、波力エネルギーの発電コストを下げることができ、従来のエネルギー源生産との競争力を強化し、海上離島の電力供給および海水淡水化の電力需要を解決することができる。

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。

現有技術（ＣＮ１０３９３９２７０Ａ）の波力エネルギー発電装置の図である。 現有技術（ＣＮ１０３９３９２６９Ｂ）の波力エネルギー発電装置の図である。 現有技術（ＣＮ１０３９３９２７０Ａ）の波力エネルギー発電装置の電圧出力の図である。 本発明の波力エネルギー発電装置の電圧出力の図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置の（平衡機構が重りを採用した時の）構造原理概略図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置の（平衡機構が浮箱を採用した時の）構造原理概略図である。 本発明の発電装置の具体的な実施構造の概略図である。 本発明の発電装置の別の具体的な実施構造の概略図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置が多階層の平衡機構を採用した時の構造原理概略図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置が混合および多階層の平衡機構を採用した時の構造原理概略図である。 発電機構がオイルポンプ油圧モータ発電装置である時の波力エネルギー発電装置の構造図である。 発電機構がリニアモータである時の波力エネルギー発電装置の構造図である。

以下、添付の図面と複数の非限定的な実施形態を組み合わせて、本発明についてさらに説明する。

［実施形態１］
図５を参照すると、本実施形態において、波力エネルギー吸収変換装置は、浮体１、ダンピングディスク９、ガイド軸５、平衡機構等の構成要素を含む。前記ガイド軸５は、浮体１の底部に接続され、ガイド軸５は、ダンピングディスク９の中心を垂直に貫通し、ダンピングディスクは、ガイド軸５上を自由にスライドすることができる。ガイド軸５の上部および下部に位置制限構造１１ａ、１１ｂが設置され、ダンピングディスク９の運動区間を２つの位置制限構造１１ａと１１ｂの間に制限する。浮体１は、波の作用により、ガイド軸５を動かして一緒に上下運動することによって、ダンピングディスク９との間で相対運動を起こし、機械運動エネルギーを発電機構１３（図中の点線で示した部分であり、説明すべきこととして、これは、概略的に示したものであり、実際の構造接続関係を反映していない）に出力する。

本実施形態において、ダンピングディスクの運動区間の中間位置または付近に平衡機構を設置して、ダンピングディスクの上向きまたは下向きに運動する傾向を対抗する。この平衡機構の平衡力は、具体的に設置した重り１４ａの重力または浮箱１４ｂの浮力を起源とする。

本実施形態において、ダンピングディスク９とその負荷（例えば、ピストン８）の浮力の和は、その重力の和よりも大きいため、この時、ダンピングディスク９の上方に平衡機構として重り１４ａを配置する必要があり、重り１４ａの平衡力は、ダンピングディスク９の自然運動の方向と逆であるため、前記ダンピングディスク９は、自身のダンピング作用および平衡機構の協同作用により、水中のその運動区間の中間位置で相対的静止の状態を保持し、且つ設計した波高範囲内において、上方の上位置制限構造１１ａまたは浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触しないため、運動の停滞や失敗を防ぐことができる。

［実施形態２］
実施形態１の構造とピストン増圧水力タービン発電システムを結合することにより、図７に示すように、具体的な波力エネルギー発電システムを得ることができる。このシステムのピストン増圧水力タービン発電装置は、発電機２、水力タービン４、およびピストン増圧装置等を有する。具体的に、発電機２は、浮体１の中に取り付けられ、水力タービン４およびピストン増圧装置は、浮体１の下方に取り付けられる。

このシステムのピストン増圧装置は、ピストン８、ピストンスリーブ７等を含む。ピストンスリーブ７は、浮体１の下方に接続され、その頂部に開放された流水通路６を有するため、海水は、流水通路６を通って筒体の中に入ることができる。水力タービン４は、ピストンスリーブ７の頂部の流水通路６の中に配置され、そのエネルギー出力軸３により浮体１内の発電機２に接続され、発電機２に動力を提供する。

前記浮体１の底部のガイド軸５は、浮体１の下方にあるピストンスリーブ７およびピストンスリーブ７と連係して取り付けられたピストン８、さらにダンピングディスク９の中心を貫通し、これらの運動に対して案内と制約の作用を発揮する。ガイド軸５には、２つの位置制限構造が取り付けられ、そのうち上位置制限構造１１ａは、ピストンスリーブ７の中に配置され、下位置制限構造１１ｂは、ピストンスリーブ７の外に配置される。２つの位置制限構造１１ａ、１１ｂの間のガイド軸５には、中心軸スリーブ１０によりピストン８が取り付けられ、ピストン８は、下方にあるダンピングディスク９に固く接続され、ピストン８は、ダンピングディスク９と一緒に中心に沿ってガイド軸５を上下に移動することができる。ダンピングディスク９の上方に配置された重り１４ａは、チェーンでピストンスリーブ７の下端にぶら下がり、チェーンの長さは、重り１４ａをダンピングディスク９の運動区間の中間位置または付近に配置できるように設置する。重り１４ａの重力とダンピングディスク９の自然な上向きの運動力を対抗するため、ダンピングディスク９は、自身の抵抗力およびこの平衡機構の協同作用により、水中で相対的静止の状態を保持することができる。このようにして、設計された波高範囲内に満たされ（本装置を設計する時、浮体とダンピングディスクの相対運動範囲は、装置を応用する海域の通常の波高に対応する）、ダンピングディスクは、上、下位置制限構造１１ａ、１１ｂに接触せず、浮体１、または浮体１とともに一体運動するその他の部材、例えば、本実施形態のピストンスリーブ７にも接触しないため、相対運動が停滞、失敗するのを防ぐことができ、それにより、エネルギー変換の効率を上げることができる。

本発電システムを採用することにより、浮体１がピストンスリーブ７、ガイド軸５を連係し、波とともに上下運動した時、ピストン８は、ダンピングディスク９および重り１４ａの協同作用により、慣性と抵抗力により水中で相対的静止状態を保持する。このような相対的静止の状態は、ダンピングディスク９および重り１４ａの協同作用により実現することができ、それにより、ピストン８とピストンスリーブ７が絶えず相対運動を発生し、ピストンスリーブ７の内腔中の海水に対して連続交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路６内で往復流動させ、流水通路６内の水力タービン４のブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機２を動かして、連続して安定的に発電する。

図４を参照すると、実験により、以上の改良後のシステムが出力した電圧は、２６０～４００Ｖの範囲内であり、波形は、連続且つ平坦であることを示しているため、これは、発電の連続性が良好であり、発電効率が明らかに上がったことを示している。

説明すべきこととして、本実施形態が採用した平衡機構の設置は、本発明の選択のうちの１つであり、唯一の選択ではない。

［実施形態３］
図６を参照すると、本実施形態は、ダンピングディスク９とその負荷のピストン８の浮力の和が重力の和よりも小さい状況であり、この時、浮箱１４ｂをダンピングディスク９の下方に配置して、ダンピングディスク９の下向きに運動する傾向を対抗する必要がある。この浮箱１４ｂは、チェーンで接続され、ダンピングディスク９の下方に引っ張られる。チェーンの下向きに引っ張る作用により、浮箱１４ｂは、ダンピングディスク９の下方において浮遊する。前記チェーンの長さは、浮箱１４ｂをダンピングディスク９の運動区間の中間位置に配置できるように設置する必要がある。ダンピングディスク９がその運動区間の上端から下端に向かって中間領域まで運動した時、浮箱１４ｂと互いに結合し、外力の作用がない場合、結合体は、最初に結合した位置に停留する。外力の作用がある場合、結合体は、一緒に下向きの運動を継続することができるが、結合体の浮力は、重力よりも大きいため、その自然運動は、上向きになる傾向があり、結合体の下向きに運動する運動エネルギーが弱まるため、本システムが設定した波高範囲内において、ダンピングディスク９が下位置制限構造１１ｂに接触する、あるいは浮体１とともに一体運動する部材に接触するのを防ぎ、平衡力の作用により、接触する前に、上向きの運動に変わり始める。結合体が最初に結合した位置まで上向きに運動した時、ダンピングディスクは、浮箱１４ｂと自然に分離する。それにより、連続した往復運動を達成し、発電機に安定した波力エネルギーを出力することができる。

［実施形態４］
同様に、実施形態３の構造とピストン増圧水力タービン発電システムを結合することにより、図８に示すように、具体的な波力エネルギー発電システムを得ることができる。同様に、この装置のピストン増圧水力タービン発電システムは、発電機２、水力タービン４、およびピストン増圧装置等を有する。発電機２は、浮体１の中に取り付けられ、水力タービン４およびピストン増圧装置は、浮体１の下方に取り付けられ、この部分の構造は、実施形態２と同じであるため、ここでは説明を省略する。異なることは、平衡機構、すなわち浮箱１４ｂをダンピングディスク９の下方に設置したことだけである。

［実施形態５］
実施形態１および実施形態３の装置に対し、波の高さが装置設計の理想的な動作波の高さの範囲を大幅に超えた時、ダンピングディスクは、依然として位置制限構造、浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触する可能性があるため、このような状況では、さらに改良された平衡機構方案を採用することができる。図９に示すように、重り（或は浮箱）を多階層に載置する平衡機構方案を採用し、１つの重り（状況により複数の重りでもよい）を増やして、重りの間をチェーンまたはその他の方法で接続する。この方案により、ダンピングディスクと位置制限構造が接触する可能性をさらに減らすことができる。

［実施形態６］
図１０を参照すると、装置を応用するさらに複雑な状況に対し、ダンピングディスクに合理的な平衡力を加えるために、さらに、混合および多階層に載置する平衡機構方案を採用することができ、重りを載置して、浮箱も載置するだけでなく、重りと浮箱の両方を多階層に設置することができる。図１０に示すように、重りは２階層である。

したがって、本発明の平衡機構１４に対し、上記で採用した載置方案は、本特許が挙げる基本方案であるが、これらの公開した載置方案に限定しない。ダンピングディスク９の運動領域の中間領域において、任意の方案でダンピングディスクの自然運動の方向とは逆の平衡力をダンピングディスク９に加えることによって、波がダンピングディスクとガイド軸の間で相対運動を起こした時に、ダンピングディスクがその運動領域の中間領域で運動することを保証し、特定の波浪範囲内において、ダンピングディスク９が上方において上位置制限構造１１ａまたは浮体１または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぐことができる。

［実施形態７］
図１１を参照すると、本実施形態において、発電機構は、オイルポンプ油圧モータ発電装置であり、装置は、浮体１内に取り付けられた油圧ポンプ１６、油圧モータ１７、および発電機２を含む。油圧ポンプ１６のプッシュロッド１５は、伝動ロッド３によりダンピングディスク９に接続され、波の作用により、浮体１は、ダンピングディスク９と相対運動を起こし、伝動ロッド３、プッシュロッド１５により油圧ポンプ１６の内部を押し動かしてピストン運動し、油圧ポンプ内の液体が油圧モータ１７を流れることにより、発電機２を動かして発電する。

［実施例８］
図１２を参照すると、本実施形態において、発電機構は、リニアモータ発電機構であり、リニアモータ固定子１８、プッシュロッド１５、およびリニアモータスライド部材１９を含む。前記リニアモータ固定子１６は、浮体１の中に固定され、前記リニアモータスライド部材１９は、リニアモータ固定子１８と連係して、両者が相対的にスライドすることにより、電気エネルギーを発生させる。前記プッシュロッド１５は、伝動件３によりダンピングディスク９に接続され、且つプッシュロッド１５は、浮体１を貫通して、リニアモータスライド部材１９を駆動するように接続されている。波の作用により、浮体１は、ダンピングディスク９と相対運動を起こし、伝動ロッド３およびプッシュロッド１５によりリニアモータスライド部材１９を動かして、リニアモータ固定子１８に相対して上下運動を行うことにより、電気エネルギーを発生させる。

以上の実施形態２および実施形態４、実施形態７および実施形態８に示した発電システムは、単なる本エネルギー吸収変換装置のいくつかの具体的な応用であり、この波力エネルギーの出力は、その他の発電形式と結合させて、波力エネルギーを電気エネルギーに変換してもよい。また、以上の発電システムは、オンラインで電気エネルギーを取得した後、電力出力線または類似する機能の施設により電気エネルギーを伝達することができるが、これらはいずれも現有の一般的な技術である。

以上の実施形態からわかるように、本発明で公開した波力エネルギー吸収変換装置および発電システムは、大部分の構造が水面下にあり、とりわけ相対運動をする構造がいずれも水面下にあるため、優れた耐風能力を有し、信頼性が高い。発電設備および制御部材は、いずれも浮体の中に密封されるため、海水による腐食を有効に防ぎ、維持費を下げることができる。

以上のように、本発明が提出する装置およびシステムは、構造が単純で、製造コストおよび維持費が低く、波力エネルギーの利用率を上げ、長期運行の信頼性を高めることができる。

以上、限られたいくつかの実施形態を用いて本発明の思想を説明したが、明らかに、上述した全ての実施形態は、本発明の一部の実施形態であり、全ての実施形態ではない。本発明の設計方案に基づき、当業者が創造的な取り組み無しに得られる他の全ての実施形態は、いずれも本発明の保護範囲に属するものとする。

１ 浮体
２ 発電機
３ エネルギー出力軸
４ 水力タービン
５ ガイド軸
６ 流水通路
７ ピストンスリーブ
８ ピストン
９ ダンピングディスク
１０ 中心軸スリーブ
１１ａ 上位置制限構造
１１ｂ 下位置制限構造
１２ ガイド溝
１３ 発電機構
１４ａ 重り
１４ｂ 浮箱
１５ プッシュロッド
１６ 油圧ポンプ
１７ 油圧モータ
１８ リニアモータ固定し
１９ リニアモータスライド部材

本発明は、発電装置に関するものであり、特に、波力エネルギー発電技術に関する波力エネルギー吸収変換装置および発電システムである。

現在、波力エネルギー発電装置が通常採用する方法には、以下の種類がある。

１、波力エネルギーを油圧エネルギーに変換し、発電機に接続されたタービンを押し動かして回転させることにより、発電機を回転させて発電する。例えば、スコットランドのペラミス（Pelamis）ウェーブパワー社のペラミス波力エネルギー発電設備と米国の海洋エネルギー技術（ＯＰＴ）社の波力エネルギー発電装置である。しかし、この構造を採用した波力エネルギー発電装置は、設計が比較的複雑で、工費が高く、維持費も比較的高いため、現在、支配的地位を有する水力発電や火力発電に比べて、コスト優位性がない。

２、波力エネルギーを流動する圧縮空気に変換し、蒸気タービンを押し動かして回転させることにより、発電機を回転させて発電する。すなわち、振動水柱型発電である。この種の発電施設は、海岸型を主とし、構造が単純で、性能に信頼性があり、維持費が低いが、エネルギー変換の効率が比較的低く、建設が地理的位置に大きく制限され、普及等に不利である。海上浮遊型振動水柱発電設備は、日本で既に実際に運用されている巨鯨が最も典型的であり、海岸型施設の地理制限を回避できるが、工費が比較的高く、火電や水電に比べて、コスト優位性がない。

３、波力エネルギーを機械的エネルギーに変換し、発電機を直接押し動かして回転させ、発電する。この種の方法は、理論的には、エネルギー伝達上変換を繰り返さないため、変換過程におけるエネルギーの損失を防ぐことができ、エネルギー変換率も上記２種類の波力エネルギー発電装置より高い。しかし、波運動の複雑性や極端な天気がもたらす大波等の装置に対する衝撃により、この種のシステムの信頼性を大幅に低下させるため、この種の波力エネルギー発電装置は、極端な海洋状況に対処するのが難しく、今もって成熟した設備の応用がまだ完全ではない。

以上の３種類の波力エネルギー発電装置のうち、海水の衝撃を直接利用する水力タービン発電は、理論上、比較的理想的な波力エネルギー発電装置であり、エネルギー吸収および伝達の中間リンクを減らし、波力エネルギーの利用率を上げることができる。通常の波力エネルギー発電装置は、波を利用して油圧ポンプまたはピストンを押し動かして海水を岸辺の貯水タンクに注入し、形成された落差を利用して、水力タービンを発電する。あるいは、水路を収縮させることを利用して波を比較的高い場所に引き入れ、同様に落差を形成し、水力タービンを利用して発電する。上記２種類の波力エネルギー発電装置の欠点は、波力エネルギーの収集が沖に近い場所で行われるため、地理的位置の影響が比較的大きいことである。

さらに、海上浮遊型発電装置があり、例えば、スウェーデンのWaveEL波力エネルギー発電装置は、浮体に接続された長さが約２０ｍの管状体を用いて、海中に垂直に進入するため、管状体内部の海水高度が管外の波の影響を受けずに相対的に安定した高度を保持することができる。水力タービンを管状体に接続し、浮体と一緒に波とともに上下運動して、水力タービンのブレードが管状体内部の海水中で上下運動して回転することにより、発電機を動かして発電する。この種の装置は、構造が単純で、信頼性が高く、装置が完全な密封状態にあり、大部分の構造が水中にあるため、耐風、耐腐食能力が高いが、内部海水の慣性のみを利用して動き、水力タービンのブレードの大きさと関係があるため、この装置は、波力エネルギーに対する利用率が低い。

本出願人は、これまで、２種類の波力エネルギー発電装置ＣＮ１０３９３９２７０ＢおよびＣＮ１０３９３９２６９Ａを発明しており、これらは、浮体内に取り付けられた発電機、およびエネルギー出力軸により浮体内の発電機に接続された水力タービンを含む（図１および図２を参照）。浮体の下方にピストン増圧装置を設置し、浮体がピストンスリーブ、中心ガイド軸を動かして波とともに上下運動した時、ピストンは、慣性と抵抗力により、水中で相対的静止状態を保持するため、ピストンとピストンスリーブが相対運動を形成し、ピストンスリーブの内腔中の海水に対して交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路内で往復流動させ、流水通路内の水力タービンのブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機を動かして発電する。この発電装置は、既存の波力エネルギー発電装置の構造が複雑で、製造コストと維持費が高く、長期運行の信頼性が低い問題を解決する。

この装置は、原理的には実現可能であるが、実際の運行において確かに問題が存在する。この装置は、水中にダンピングディスクが設計されているため、設計方案に基づくと、ダンピングディスクは、浮力を重力と等しくすることにより、ダンピングディスクが運動区間の中間で浮遊することを保証しなければならない。しかし、これは単に理想的な状態に過ぎず、事実上、浮力と重力が等しいダンピングディスクを製造するのは不可能であり、しかも、ダンピングディスクの浮力と重力が等しくても、ダンピングディスクは、水中にある位置では制御不能である。そのため、実際の状況では、水中のダンピングディスクは、自身の重力または浮力によって、常に上向きまたは下向きに移動する傾向にあることから、ダンピングディスクは、設計の中間位置ではなく、自動的に運動区間の一端に移動する。そのため、波が浮体を動かして上下運動した時、ダンピングディスクは、運動周期の度に位置制限構造またはピストン型シリンダの下端との接触や衝突を避けることができない。このような接触によって、しばらくの間ピストンとシリンダが相対運動をしなくなるため、波のエネルギーを吸収することができず、波力エネルギーを取得する機能を失う。実際に実験を行っている間、出願人は、波の各運動周期が約７秒であり、ダンピングディスクと位置制限構造が接触して相対運動しなくなる時間が約３秒前後であることを発見し、このような状況によって、発電機は、停止と起動を繰り返すため、装置の発電効率が大幅に下がる。出願人の研究からわかるように、このような状況は、理想的な設計状態に比べて、効率を８０％前後下げている。得られた電圧出力は、図３に示した通りであり、図からわかるように、装置が出力した電圧は、０から６４８．２Ｖであり、断続的で、連続しておらず、インバーター変換による整流を行うのが非常に難しいため、この装置により得られる電気エネルギーは、利用が困難であり、この種の装置を実際に応用するのは難しい。

本発明の目的は、現有技術に存在する欠点に対し、単純な構造を利用して改良され、波力エネルギーの利用率を大幅に上げることのできる波力エネルギー吸収変換装置および発電システムを提供することである。

本発明の上記の目的を実現するため、以下の技術方案を採用する。

まず、本発明は、浮体、ダンピングディスク、およびガイド軸を含む波力エネルギー吸収変換装置を提供する。前記ガイド軸は、浮体の底部に接続され、ガイド軸は、ダンピングディスクの中心から貫通し、ダンピングディスクは、ガイド軸上をスライドすることができる。つまり、ダンピングディスクは、ガイド軸上を相対運動可能に設置され、ダンピングディスクの上方および／または下方に位置制限構造が設置され、ダンピングディスクをガイド軸上の運動区間に制限する。浮体は、波の作用により、ガイド軸を動かして一緒に上下運動することによって、ダンピングディスクとの間で相対運動を起こし、機械運動エネルギーを出力する。

本発明は、ダンピングディスクのガイド軸上の運動区間の中間位置または付近に平衡機構（counterbalance mechanism）を設置して、ダンピングディスクの上向きまたは下向きに運動する傾向を対抗するように改良した。前記平衡機構の平衡力は、重りの重力または浮箱の浮力であり、平衡力は、ダンピングディスクの自然運動の方向と逆である。ダンピングディスクが平衡機構に接触した後、外力の作用がない場合、ダンピングディスクは、平衡機構に接触した時の位置に停留する。つまり、自動的に上下運動をしない。波の作用により、浮体は、ガイド軸と一緒にダンピングディスクとの間で相対運動を起こし、ダンピングディスクの運動区間が上下２つの位置制限構造の間になる。ダンピングディスクは、自身の抵抗力の作用、および平衡機構の協同作用により、水中のガイド軸上の前記運動区間の中間位置で相対的静止の状態を保持し、特定の波高範囲内において、上方および下方の両方で位置制限構造または浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触しない。

本方案において、ダンピングディスクの浮力をそれ自身および荷重の総重力よりも大きく設計した時（ここでは、ダンピングディスクに接続された全ての構造の重量を指す）、ダンピングディスクに重りを載置して、ダンピングディスクと重りを足した後の荷重の重力の和をこれらの浮力の和よりも大きくする。ダンピングディスクがその運動区間の下端から上端に向かって中間領域まで運動して、重りと結合した後、このような結合は、堅固なものではなく、単に寄りかかっているだけであるため、外力の作用がない場合、結合体は、最初に結合した位置、すなわち運動区間の中間位置に停留し、外力の作用がある場合、結合体は、一緒に上向きの運動を継続することができる。しかし、結合体の重力は、浮力よりも大きいため、その自然運動は、下向きになる傾向があり、結合体の上昇する運動エネルギーが弱まるため、所定の波範囲内において、ダンピングディスクが上方で上位置制限構造または浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぎ、接触する前に、下向きの運動に変わり始める。結合体が最初に結合した位置まで下向きに運動した時、ダンピングディスクは、重りと自然に分離する。

本方案において、ダンピングディスク自身および荷重の重力をその浮力よりも大きく設計した時、ダンピングディスクの上に浮箱を載置して、ダンピングディスクと浮箱の浮力の和をこれらの荷重の重力の和よりも大きくする。ダンピングディスクは、その運動区間の上端から下端に向かって中間位置まで運動した時、浮箱と結合し、外力の作用がない場合、結合体は、最初に結合した位置、つまり中間位置に停留する。外力の作用がある場合、結合体は、一緒に下向きの運動を継続することができる。しかし、結合体の浮力は、重力よりも大きいため、その自然運動は、上向きになる傾向があり、結合体の下向きの運動の運動エネルギーが弱まるため、所定の波範囲内において、ダンピングディスクが下方で下位置制限構造または浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぎ、接触する前に、上向きの運動に変わり始める。結合体が最初に結合した位置まで上向きに運動した時、ダンピングディスクは、浮箱と自然に分離する。

さらに、本発明において、ダンピングディスクに重りを載置した時、重りは、チェーンを用いてダンピングディスクの上方でぶら下がり、ダンピングディスクの運動区間の中部領域に配置される。前記チェーンは、ガイド軸またはガイド軸と一体且つ一緒に運動する特定の部位に接続される。前記チェーンの長さは、重りをダンピングディスクの運動区間の中間位置に配置できる長さである。この重りの接続方法は、本発明の選択のうちの１つであり、唯一の選択ではない。

ダンピングディスクに浮箱を配置した時、浮箱は、チェーンを用いて引っ張られてダンピングディスクの下方に接続される。チェーンの下向きに引っ張る作用により、浮箱は、ダンピングディスクの下方に浮遊し、前記チェーンは、ガイド軸またはガイド軸と一体であり、且つ一緒に運動する特定の部位に接続される。前記チェーンの長さは、浮箱をダンピングディスクの運動区間の中間位置に配置できる長さである。この浮箱の接続方法は、本発明の選択のうちの１つであり、唯一の選択ではない。

さらに、位置制限構造については、本発明において、具体的に、ガイド軸の上部および／または下部の構造に設置してもよく、あるいは、ガイド軸または浮体と一体に接続固定された部材の特定の部位を位置制限構造としてもよい。前記構造および部材は、ダンピングディスクの上方および／または下方に配置され、平衡機構を載置していない状態の運動区間にダンピングディスクを制限する。

本発明が設計する以上の波力エネルギー吸収変換装置は、幅広い応用範囲を有し、例えば、本出願人のこれまでの発明ＣＮ１０３９３９２７０ＢおよびＣＮ１０３９３９２６９Ａにおける波力エネルギー発電装置を改良するために用いることができる。

したがって、本発明は、さらに、波力エネルギー発電システムを提供し、改良後の発電システムは、波力エネルギー吸収変換装置および発電機構で構成される。発電機構は、波力エネルギー吸収変換装置の動力出力端に配置され、波力エネルギーを電気エネルギーに変換する。

本発電システムにおいて、前記発電機構は、複数種類の形式であってもよい。

発電機構は、浮体内に取り付けられた発電機を含み、エネルギー伝達軸により水力タービンに接続され、浮体の下方にピストン増圧装置を有するピストン増圧型水力タービン発電装置であってもよい。前記ピストン増圧装置は、水面下に配置され、ピストンスリーブおよびこれと連係して取り付けられたピストンを含み、ガイド軸は、ピストンスリーブおよびピストンを貫通する。ピストンスリーブは、浮体の下方に接続され、前記水力タービンは、ピストンスリーブの頂部の開放された流水通路の中に配置される。前記ピストンの底部は、ダンピングディスクに固く接続され、ダンピングディスクの端面の面積は、ピストンの底部の端面の面積よりも大きい。

浮体がピストンスリーブ、中心ガイド軸を動かして、波とともに上下運動した時、ピストンとダンピングディスクの平衡機構における協同作用により、ピストンとピストンスリーブが相対運動を保持し、ピストンスリーブの内腔中の海水に対して交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路内で往復流動させ、流水通路内の水力タービンのブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機を動かして発電する。

発電機構は、浮体内に取り付けられた油圧ポンプ、油圧モータ、および発電機を含むオイルポンプ油圧モータ発電装置であってもよい。前記油圧ポンプのプッシュロッドは、伝 動ロッドによりダンピングディスクに接続され、波の作用により、浮体は、ダンピングディスクと相対運動を起こし、伝動ロッド、プッシュロッドにより油圧ポンプの内部のピストンを押し動かして運動し、油圧ポンプ内の液体が前記油圧モータを押し動かすことにより、発電機を動かして発電する。

発電機構は、さらに、リニアモータまたは磁気モータであってもよく、リニアモータ発電機構を採用する時、リニアモータ固定子、プッシュロッド、およびリニアモータスライド部材を含む。前記リニアモータ固定子は、浮体の中に固定され、前記リニアモータスライド部材は、リニアモータ固定子と連係して、それに相対してスライドする。前記プッシュロッドは、リニアモータスライド部材を駆動するように接続され、伝動ロッドによりダンピングディスクに接続される。波の作用により、浮体は、ダンピングディスクと相対運動を起こし、伝動ロッドおよびプッシュロッドによりリニアモータスライド部材を動かして、リニアモータ固定子に相対して上下運動を行うことにより、電気エネルギーを生成する。

以上の説明からわかるように、発明は、波力エネルギーの利用率が高い波力エネルギー吸収変換装置を設計し、ダンピングディスクが運動の中間位置において、ダンピングディスクの浮力または重力と互いに対抗する力を加えて、ダンピングディスクが自身の浮力または重力によりこの位置に移動した時、対抗する力が加わるため、ダンピングディスクは、自身の移動を阻止して、この対抗する力が加わった場所に浮遊する。この場所は、通常、その運動区間の中間領域にある。平衡機構の存在により、ダンピングディスクは、運動区間の両端に向かって運動する自然動力を失うため、波が浮体とガイド軸を動かして運動した時、波浪高度が設計の範囲内にあれば、ダンピングディスクは、結合点を核心として、核心の周りを上下運動し、ダンピングディスクが位置制限構造または浮体等に衝突や接触するのを防ぐことができるため、浮体とダンピングディスクの間の相対運動を常に保持して、波力エネルギーを絶えず吸収し、波力エネルギーに変換することができる。

本発明は、波力エネルギーの利用率が高く、構造が単純で、運行の信頼性が高く、耐風、耐腐食能力が強く、維持が容易である等の利点を有し、波力エネルギーの発電コストを下げることができ、従来のエネルギー源生産との競争力を強化し、海上離島の電力供給および海水淡水化の電力需要を解決することができる。

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。

現有技術（ＣＮ１０３９３９２７０Ａ）の波力エネルギー発電装置の図である。 現有技術（ＣＮ１０３９３９２６９Ｂ）の波力エネルギー発電装置の図である。 現有技術（ＣＮ１０３９３９２７０Ａ）の波力エネルギー発電装置の電圧出力の図である。 本発明の波力エネルギー発電装置の電圧出力の図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置の（平衡機構が重りを採用した時の）構造原理概略図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置の（平衡機構が浮箱を採用した時の）構造原理概略図である。 本発明の発電装置の具体的な実施構造の概略図である。 本発明の発電装置の別の具体的な実施構造の概略図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置が多階層の平衡機構を採用した時の構造原理概略図である。 本発明の波力エネルギー吸収変換装置が混合および多階層の平衡機構を採用した時の構造原理概略図である。 発電機構がオイルポンプ油圧モータ発電装置である時の波力エネルギー発電装置の構造図である。 発電機構がリニアモータである時の波力エネルギー発電装置の構造図である。

以下、添付の図面と複数の非限定的な実施形態を組み合わせて、本発明についてさらに説明する。

［実施形態１］
図５を参照すると、本実施形態において、波力エネルギー吸収変換装置は、浮体１、ダンピングディスク９、ガイド軸５、平衡機構等の構成要素を含む。前記ガイド軸５は、浮体１の底部に接続され、ガイド軸５は、ダンピングディスク９の中心を垂直に貫通し、ダンピングディスクは、ガイド軸５上を自由にスライドすることができる。ガイド軸５の上部および下部に位置制限構造１１ａ、１１ｂが設置され、ダンピングディスク９の運動区間を２つの位置制限構造１１ａと１１ｂの間に制限する。浮体１は、波の作用により、ガイド軸５を動かして一緒に上下運動することによって、ダンピングディスク９との間で相対運動を起こし、機械運動エネルギーを発電機構１３（図中の点線で示した部分であり、説明すべきこととして、これは、概略的に示したものであり、実際の構造接続関係を反映していない）に出力する。

本実施形態において、ダンピングディスクの運動区間の中間位置または付近に平衡機構を設置して、ダンピングディスクの上向きまたは下向きに運動する傾向を対抗する。この平衡機構の平衡力は、具体的に設置した重り１４ａの重力または浮箱１４ｂの浮力を起源とする。

本実施形態において、ダンピングディスク９とその負荷（例えば、ピストン８）の浮力の和は、その重力の和よりも大きいため、この時、ダンピングディスク９の上方に平衡機構として重り１４ａを配置する必要があり、重り１４ａの平衡力は、ダンピングディスク９の自然運動の方向と逆であるため、前記ダンピングディスク９は、自身のダンピング作用および平衡機構の協同作用により、水中のその運動区間の中間位置で相対的静止の状態を保持し、且つ設計した波高範囲内において、上方の上位置制限構造１１ａまたは浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触しないため、運動の停滞や失敗を防ぐことができる。

［実施形態２］
実施形態１の構造とピストン増圧水力タービン発電システムを結合することにより、図７に示すように、具体的な波力エネルギー発電システムを得ることができる。このシステムのピストン増圧水力タービン発電装置は、発電機２、水力タービン４、およびピストン増圧装置等を有する。具体的に、発電機２は、浮体１の中に取り付けられ、水力タービン４およびピストン増圧装置は、浮体１の下方に取り付けられる。

このシステムのピストン増圧装置は、ピストン８、ピストンスリーブ７等を含む。ピストンスリーブ７は、浮体１の下方に接続され、その頂部に開放された流水通路６を有するため、海水は、流水通路６を通って筒体の中に入ることができる。水力タービン４は、ピストンスリーブ７の頂部の流水通路６の中に配置され、その伝動ロッド３により浮体１内の発電機２に接続され、発電機２に動力を提供する。

前記浮体１の底部のガイド軸５は、浮体１の下方にあるピストンスリーブ７およびピストンスリーブ７と連係して取り付けられたピストン８、さらにダンピングディスク９の中心を貫通し、これらの運動に対して案内と制約の作用を発揮する。ガイド軸５には、２つの位置制限構造が取り付けられ、そのうち上位置制限構造１１ａは、ピストンスリーブ７の中に配置され、下位置制限構造１１ｂは、ピストンスリーブ７の外に配置される。２つの位置制限構造１１ａ、１１ｂの間のガイド軸５には、中心軸スリーブ１０によりピストン８が取り付けられ、ピストン８は、下方にあるダンピングディスク９に固く接続され、ピストン８は、ダンピングディスク９と一緒に中心に沿ってガイド軸５を上下に移動することができる。ダンピングディスク９の上方に配置された重り１４ａは、チェーンでピストンスリーブ７の下端にぶら下がり、チェーンの長さは、重り１４ａをダンピングディスク９の運動区間の中間位置または付近に配置できるように設置する。重り１４ａの重力とダンピングディスク９の自然な上向きの運動力を対抗するため、ダンピングディスク９は、自身の抵抗力およびこの平衡機構の協同作用により、水中で相対的静止の状態を保持することができる。このようにして、設計された波高範囲内に満たされ（本装置を設計する時、浮体とダンピングディスクの相対運動範囲は、装置を応用する海域の通常の波高に対応する）、ダンピングディスクは、上、下位置制限構造１１ａ、１１ｂに接触せず、浮体１、または浮体１とともに一体運動するその他の部材、例えば、本実施形態のピストンスリーブ７にも接触しないため、相対運動が停滞、失敗するのを防ぐことができ、それにより、エネルギー変換の効率を上げることができる。

本発電システムを採用することにより、浮体１がピストンスリーブ７、ガイド軸５を連係し、波とともに上下運動した時、ピストン８は、ダンピングディスク９および重り１４ａの協同作用により、慣性と抵抗力により水中で相対的静止状態を保持する。このような相対的静止の状態は、ダンピングディスク９および重り１４ａの協同作用により実現することができ、それにより、ピストン８とピストンスリーブ７が絶えず相対運動を発生し、ピストンスリーブ７の内腔中の海水に対して連続交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路６内で往復流動させ、流水通路６内の水力タービン４のブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機２を動かして、連続して安定的に発電する。

図４を参照すると、実験により、以上の改良後のシステムが出力した電圧は、２６０～４００Ｖの範囲内であり、波形は、連続且つ平坦であることを示しているため、これは、発電の連続性が良好であり、発電効率が明らかに上がったことを示している。

説明すべきこととして、本実施形態が採用した平衡機構の設置は、本発明の選択のうちの１つであり、唯一の選択ではない。

［実施形態３］
図６を参照すると、本実施形態は、ダンピングディスク９とその負荷のピストン８の浮力の和が重力の和よりも小さい状況であり、この時、浮箱１４ｂをダンピングディスク９の下方に配置して、ダンピングディスク９の下向きに運動する傾向を対抗する必要がある。この浮箱１４ｂは、チェーンで接続され、ダンピングディスク９の下方に引っ張られる。チェーンの下向きに引っ張る作用により、浮箱１４ｂは、ダンピングディスク９の下方において浮遊する。前記チェーンの長さは、浮箱１４ｂをダンピングディスク９の運動区間の中間位置に配置できるように設置する必要がある。ダンピングディスク９がその運動区間の上端から下端に向かって中間領域まで運動した時、浮箱１４ｂと互いに結合し、外力の作用がない場合、結合体は、最初に結合した位置に停留する。外力の作用がある場合、結合体は、一緒に下向きの運動を継続することができるが、結合体の浮力は、重力よりも大きいため、その自然運動は、上向きになる傾向があり、結合体の下向きに運動する運動エネルギーが弱まるため、本システムが設定した波高範囲内において、ダンピングディスク９が下位置制限構造１１ｂに接触する、あるいは浮体１とともに一体運動する部材に接触するのを防ぎ、平衡力の作用により、接触する前に、上向きの運動に変わり始める。結合体が最初に結合した位置まで上向きに運動した時、ダンピングディスクは、浮箱１４ｂと自然に分離する。それにより、連続した往復運動を達成し、発電機に安定した波力エネルギーを出力することができる。

［実施形態４］
同様に、実施形態３の構造とピストン増圧水力タービン発電システムを結合することにより、図８に示すように、具体的な波力エネルギー発電システムを得ることができる。同様に、この装置のピストン増圧水力タービン発電システムは、発電機２、水力タービン４、およびピストン増圧装置等を有する。発電機２は、浮体１の中に取り付けられ、水力タービン４およびピストン増圧装置は、浮体１の下方に取り付けられ、この部分の構造は、実施形態２と同じであるため、ここでは説明を省略する。異なることは、平衡機構、すなわち浮箱１４ｂをダンピングディスク９の下方に設置したことだけである。

［実施形態５］
実施形態１および実施形態３の装置に対し、波の高さが装置設計の理想的な動作波の高さの範囲を大幅に超えた時、ダンピングディスクは、依然として位置制限構造、浮体または浮体とともに一体運動する部材に接触する可能性があるため、このような状況では、さらに改良された平衡機構方案を採用することができる。図９に示すように、重り（或は浮箱）を多階層に載置する平衡機構方案を採用し、１つの重り（状況により複数の重りでもよい）を増やして、重りの間をチェーンまたはその他の方法で接続する。この方案により、ダンピングディスクと位置制限構造が接触する可能性をさらに減らすことができる。

［実施形態６］
図１０を参照すると、装置を応用するさらに複雑な状況に対し、ダンピングディスクに合理的な平衡力を加えるために、さらに、混合および多階層に載置する平衡機構方案を採用することができ、重りを載置して、浮箱も載置するだけでなく、重りと浮箱の両方を多階層に設置することができる。図１０に示すように、重りは２階層である。

したがって、本発明の平衡機構１４に対し、上記で採用した載置方案は、本特許が挙げる基本方案であるが、これらの公開した載置方案に限定しない。ダンピングディスク９の運動領域の中間領域において、任意の方案でダンピングディスクの自然運動の方向とは逆の平衡力をダンピングディスク９に加えることによって、波がダンピングディスクとガイド軸の間で相対運動を起こした時に、ダンピングディスクがその運動領域の中間領域で運動することを保証し、特定の波浪範囲内において、ダンピングディスク９が上方において上位置制限構造１１ａまたは浮体１または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぐことができる。

［実施形態７］
図１１を参照すると、本実施形態において、発電機構は、オイルポンプ油圧モータ発電装置であり、装置は、浮体１内に取り付けられた油圧ポンプ１６、油圧モータ１７、および発電機２を含む。油圧ポンプ１６のプッシュロッド１５は、伝動ロッド３によりダンピングディスク９に接続され、波の作用により、浮体１は、ダンピングディスク９と相対運動を起こし、伝動ロッド３、プッシュロッド１５により油圧ポンプ１６の内部を押し動かしてピストン運動し、油圧ポンプ内の液体が油圧モータ１７を流れることにより、発電機２を動かして発電する。

［実施例８］
図１２を参照すると、本実施形態において、発電機構は、リニアモータ発電機構であり、リニアモータ固定子１８、プッシュロッド１５、およびリニアモータスライド部材１９を含む。前記リニアモータ固定子１８は、浮体１の中に固定され、前記リニアモータスライド部材１９は、リニアモータ固定子１８と連係して、両者が相対的にスライドすることにより、電気エネルギーを発生させる。前記プッシュロッド１５は、伝動ロッド３によりダンピングディスク９に接続され、且つプッシュロッド１５は、浮体１を貫通して、リニアモータスライド部材１９を駆動するように接続されている。波の作用により、浮体１は、ダンピングディスク９と相対運動を起こし、伝動ロッド３およびプッシュロッド１５によりリニアモータスライド部材１９を動かして、リニアモータ固定子１８に相対して上下運動を行うことにより、電気エネルギーを発生させる。

以上の実施形態２および実施形態４、実施形態７および実施形態８に示した発電システムは、単なる本エネルギー吸収変換装置のいくつかの具体的な応用であり、この波力エネルギーの出力は、その他の発電形式と結合させて、波力エネルギーを電気エネルギーに変換してもよい。また、以上の発電システムは、オンラインで電気エネルギーを取得した後、電力出力線または類似する機能の施設により電気エネルギーを伝達することができるが、これらはいずれも現有の一般的な技術である。

以上の実施形態からわかるように、本発明で公開した波力エネルギー吸収変換装置および発電システムは、大部分の構造が水面下にあり、とりわけ相対運動をする構造がいずれも水面下にあるため、優れた耐風能力を有し、信頼性が高い。発電設備および制御部材は、いずれも浮体の中に密封されるため、海水による腐食を有効に防ぎ、維持費を下げることができる。

以上のように、本発明が提出する装置およびシステムは、構造が単純で、製造コストおよび維持費が低く、波力エネルギーの利用率を上げ、長期運行の信頼性を高めることができる。

以上、限られたいくつかの実施形態を用いて本発明の思想を説明したが、明らかに、上述した全ての実施形態は、本発明の一部の実施形態であり、全ての実施形態ではない。本発明の設計方案に基づき、当業者が創造的な取り組み無しに得られる他の全ての実施形態は、いずれも本発明の保護範囲に属するものとする。

１ 浮体
２ 発電機
３ 伝動ロッド
４ 水力タービン
５ ガイド軸
６ 流水通路
７ ピストンスリーブ
８ ピストン
９ ダンピングディスク
１０ 中心軸スリーブ
１１ａ 上位置制限構造
１１ｂ 下位置制限構造
１２ ガイド溝
１３ 発電機構
１４ａ 重り
１４ｂ 浮箱
１５ プッシュロッド
１６ 油圧ポンプ
１７ 油圧モータ
１８ リニアモータ固定し
１９ リニアモータスライド部材

Claims (12)

1. 浮体（１）、ダンピングディスク（９）、ガイド軸（５）を含む波力エネルギー吸収変換装置であって、前記ガイド軸（５）が、浮体（１）の底部に接続され、ダンピングディスク（９）が、ガイド軸（５）上を相対運動可能に設置され、ダンピングディスク（９）の上方および／または下方に位置制限構造が設置され、ダンピングスク（９）をガイド軸上の運動区間に制限し、浮体（１）が、波の作用により、ガイド軸（５）を動かして一緒に上下運動することによって、ダンピングディスク（９）との間で相対運動を発生させ、運動エネルギーを出力し、
   ダンピングディスクの前記運動区間の中間位置または付近に平衡機構（１４）を設置して、ダンピングディスク（９）の上向きまたは下向きに運動する傾向を対抗し、前記平衡機構（１４）の平衡力が、重り（１４ａ）の重力または浮箱（１４ｂ）の浮力であり、平衡力が、ダンピングディスク（９）の自然運動の方向と逆であり、前記ダンピングディスク（９）が、自身の抵抗力の作用および平衡機構の協同作用により、水中のガイド軸上の運動区間の中間位置において相対的静止の状態を保持し、特定の波高範囲内において、浮体がガイド軸を動かしてダンピングディスクと相対運動を起こした時、ダンピングディスクが、上方または下方の位置制限構造または浮体（１）または浮体とともに一体運動する部材に接触しない波力エネルギー吸収変換装置。
2. ダンピングディスク（９）の浮力をその荷重の総重力よりも大きく設計した時、ダンピングディスクの上向きに運動する傾向を対抗するために、ダンピングディスクの上方に重り（１４ａ）を載置して、ダンピングディスク（９）と重り（１４ａ）を足した後の荷重の重力の和をこれらの浮力の和よりも大きくし、ダンピングディスク（９）が運動区間の下端から上端に向かって中間位置まで運動した時、重り（１４ａ）と結合し、重り（１４ａ）の反対の作用力により、ダンピングディスクの余剰の浮力が相殺され、すなわち、結合体の上昇する運動エネルギーが弱まり、結合体が、ダンピングディスクが運動する中間位置、すなわち、最初に結合した位置または付近に停留し、波がダンピングディスクとガイド軸の間で相対運動を起こした時、ダンピングディスクが、その運動領域の中間領域で運動し、所定の波範囲内において、ダンピングディスク（９）が上方で上位置制限構造（１１ａ）または浮体（１）または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぐ請求項１に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
3. ダンピングディスク（９）の荷重の総重力をその浮力よりも大きく設計した時、ダンピングディスクの下向きに運動する傾向を対抗するために、ダンピングディスク（９）の下方に浮箱（１４ｂ）を載置して、ダンピングディスク（９）と浮箱（１４ｂ）の浮力の和をこれらの荷重の重力の和よりも大きくし、ダンピングディスク（９）が、その運動区間の上端から下端に向かって中間位置まで運動した時、浮箱（１４ｂ）と結合し、浮箱（１４ｂ）の上向きの作用力により、結合体の下降する運動エネルギーが弱まり、すなわち、ダンピングディスクの余剰の重力が相殺され、結合体が、ダンピングディスクが運動する中間位置、すなわち、最初に結合した位置または付近に停留し、波がダンピングディスクとガイド軸の間で相対運動を起こした時、ダンピングディスクが、その運動領域の中間領域で運動し、所定の波範囲内において、ダンピングディスク（９）が下方で下位置制限構造（１１ｂ）または浮体（１）または浮体とともに一体運動する部材に接触するのを防ぐ請求項１に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
4. 前記重り（１４ａ）が、チェーンを用いてダンピングディスク（９）の上方でぶら下がり、前記チェーンが、ガイド軸（５）またはガイド軸（５）と一体且つ一緒に運動する特定の部位に接続され、前記チェーンが、任意の長さであってもよいが、好ましくは、重り（１４ａ）をダンピングディスク（９）の運動区間の中間位置に配置できる長さである請求項１または２に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
5. 前記浮箱（１４ｂ）が、チェーンを用いて引っ張られてダンピングディスク（９）の下方に浮遊し、前記チェーンが、ガイド軸（５）またはガイド軸（５）と一体且つ一緒に運動する特定の部位に接続され、前記チェーンが、任意の長さであってもよいが、好ましくは、浮体（１４ｂ）をダンピングディスク（９）の運動区間の中間位置に配置できる長さである請求項１または３に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
6. 前記平衡機構（１４）が、多階層の載置を採用し、すなわち、複数の重り（１４ａ）または複数の浮箱（１４ｂ）を載置し、各重りまたは各浮箱の間が、チェーンを用いて順番に１つに接続された請求項４または５に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
7. 前記平衡機構（１４）が、混合および多階層の載置を採用し、すなわち、１つまたは複数の重り（１４ａ）を載置し、同時に、１つまたは複数の浮箱（１４ｂ）も載置し、各重りまたは各浮箱の間が、チェーンを用いて順番に１つに接続された請求項４または５に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
8. 前記位置制限構造が、ガイド軸の上部および／または下部の構造に設置され、あるいは、ガイド軸または浮体と一体に接続固定された部材の特定の部位を位置制限構造とし、前記位置制限構造および部材が、ダンピングディスクの上方および／または下方に配置され、平衡機構を載置していない状態の運動区間にダンピングディスクを制限する請求項１～７のいずれか１項に記載の波力エネルギー吸収変換装置。
9. 請求項１～８に記載の波力エネルギー吸収変換装置および発電機構（１３）を含み、前記発電機構（１３）が、波力エネルギー吸収変換装置の動力出力端に配置され、波力エネルギーを電気エネルギーに変換する波力エネルギー発電システム。
10. 前記発電機構（１３）が、発電機（２）、水力タービン（４）、およびピストン増圧装置を含むピストン増型水力タービン発電装置であり、
    前記発電機（２）が、波力エネルギー吸収変換装置の浮体（１）内に取り付けられ、エネルギー伝達軸により水力タービン（４）に接続され、ピストン増圧装置が、浮体（１）の下方の水面下に配置され、
    前記ピストン増圧装置が、ピストンスリーブ（７）およびこれと連係して取り付けられたピストン（８）を含み、ガイド軸（５）が、ピストンスリーブ（７）およびこれと連係して取り付けられたピストン（８）を貫通し、ピストンスリーブが、浮体（１）の下方に固定され、ピストンスリーブの頂部が、開放しており、前記水力タービン（４）が、ピストンスリーブ（７）の頂部にある流水通路（６）の中に配置され、前記ピストン（８）の底部が、前記波力エネルギー吸収変換装置のダンピングディスク（９）に固く接続され、ダンピングディスク（９）の端面の面積が、ピストン（８）の底部の端面の面積よりも大きく、
    前記浮体（１）がピストンスリーブ（７）、ガイド軸（５）を動かして、波とともに上下運動した時、ピストン（８）およびダンピングディスク（９）の平衡機構における協同作用により、ピストン（８）とピストンスリーブ（７）が相対運動を保持し、ピストンスリーブ（７）の内腔中の海水に対して交互に正圧と負圧を形成して、海水を流水通路（６）内で往復流動させ、流水通路（６）内の水力タービン（４）のブレードに対して往復作動をさせ、回転したブレードが発電機（２）を動かして発電する請求項９に記載の波力エネルギー発電システム。
11. 前記発電機構（１３）が、浮体（１）内に取り付けられた油圧ポンプ（１６）、油圧モータ（１７）、および発電機（２）を含むオイルポンプ油圧モータ発電装置であり、前記油圧ポンプ（１６）のプッシュロッド（１５）が、伝動件（３）によりダンピングディスク（９）に接続され、波の作用により、浮体（１）がダンピングディスク（９）と相対運動を起こし、伝動件（３）、プッシュロッド（１５）により油圧ポンプ（１６）の内部のピストンを押し動かして運動し、油圧ポンプ内の液体が前記油圧モータ（１７）を押し動かすことにより、発電機（２）を動かして発電する請求項９に記載の波力エネルギー発電システム。
12. 前記発電機構（１３）が、リニアモータ固定子（１８）、プッシュロッド（１５）、およびリニアモータスライド部材（１９）を含むリニアモータ発電機構であり、前記リニアモータ固定子（１８）が、浮体（１）の中に固定され、前記リニアモータスライド部材（１９）が、リニアモータ固定子（１８）と連係して、それに相対してスライドし、前記プッシュロッド（１５）が、リニアモータスライド部材（１９）を駆動するように接続され、伝動件（３）によりダンピングディスク（９）に接続され、波の作用により、浮体（１）がダンピングディスク（９）と相対運動を起こし、伝動ロッド（３）およびプッシュロッド（１５）によりリニアモータスライド部材（１９）を動かして、リニアモータ固定子（１８）に相対して上下運動を行うことにより、電気エネルギーを生成する請求項９に記載の波力エネルギー発電システム。
    
    

Images