JP2023093179A - 波力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大規模な設置工事を必要としない波力発電装置を提供する。【解決手段】中空部を有する浮体２と、中空部に収容される発電システム３と、を有し、発電システム３が、水に浮かんだ浮体２に対する相対的な昇降動作を可能に浮体２に保持される質量体４と、質量体４の昇降動作によって発電可能な発電機６と、を有する、波力発電装置１。【選択図】図２

Description

本開示は波力発電装置に関する。

例えば特許文献１～３に記載されるように、波の力を利用して発電する波力発電装置が知られている。

特開２０１３－２９０８７号公報 特開２０１８－３６８０号公報 特開２０１３－１８１４３３号公報

上記文献に記載される波力発電装置はいずれも、海岸又は海底への大規模な設置工事を必要とする。

そこで本開示の目的は、大規模な設置工事を必要としない波力発電装置を提供することにある。

幾つかの実施形態において、波力発電装置は、中空部を有する浮体と、前記中空部に収容される発電システムと、を有し、前記発電システムが、水に浮かんだ前記浮体に対する相対的な昇降動作を可能に前記浮体に保持される質量体と、前記質量体の前記昇降動作によって発電可能な発電機と、を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、波が生じる海や湖などに波力発電装置を浮かべることにより、波の力で浮体に対する質量体の相対的な昇降動作を生じさせて発電することが可能となる。したがって、大規模な設置工事を必要としない波力発電装置を実現できる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記発電システムが、前記質量体の前記昇降動作としての振動を可能にする付勢力を前記質量体に加える付勢部材を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、浮体に対する質量体の相対的な昇降動作を効率的に生じさせ易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記発電システムが、前記質量体の前記昇降動作を回転動作に変換する変換機構を有し、前記発電機が前記変換機構の前記回転動作によって発電可能である、波力発電装置である。このような構成によれば、回転式の発電機による簡便な発電を可能にすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記変換機構が前記質量体を貫通する、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記変換機構が、前記質量体の前記昇降動作を１方向の前記回転動作に変換するワンウェイクラッチを有する、波力発電装置である。このような構成によれば、浮体に対する質量体の相対的な昇降動作が繰り返される間、回転動作を止めずに発電することができるので、発電効率を高め易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記発電システムが、前記変換機構の前記回転動作に連動するはずみ車を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、発電機の回転を安定させ易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記変換機構がボールねじ機構を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、上下方向に細長く、下側に偏った重心を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、安定した姿勢で効率的に発電し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記浮体の上端部と下端部の両方又は一方が流線形状をなす、波力発電装置である。このような構成によれば、浮体を波の力で上下方向に振動し易くして発電効率を高め易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記浮体が、上下方向に沿って延びるフィンを有する、波力発電装置である。このような構成によれば、上下方向に延びる中心軸線を中心とする浮体の回転を抑制して発電効率を高め易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記付勢部材が、上下方向に前記付勢力を生じるばねで構成される、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記質量体が前記ボールねじ機構のボールナットを有し、前記発電システムが、前記浮体に一体に保持され前記質量体よりも下側で前記ボールねじ機構のボールねじ軸を回転可能に支持する下側支持部と、前記浮体に一体に保持され前記質量体よりも上側で前記ボールねじ軸を回転可能に支持する上側支持部と、を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記発電システムが、前記下側支持部と前記上側支持部とを連ねるように上下方向に延びる案内軸と、前記質量体を貫通し前記案内軸に案内される被案内穴と、を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記発電システムが、前記上側支持部に一体に保持され前記上側支持部よりも上側に前記発電機の固定子を一体に保持する固定子保持部を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記固定子保持部が、前記上側支持部よりも上側で前記固定子を固定軸を介して一体に支持する固定部と、前記固定部と前記上側支持部とを連ねる連結軸と、を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記ボールねじ軸が前記ワンウェイクラッチを介して前記発電機の回転子に連なる、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記ボールねじ軸が前記ワンウェイクラッチを介して前記はずみ車に連なる、波力発電装置である。このような構成によれば、波力発電装置を小型化し易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記質量体が、本体部と、前記質量体の質量を調節するために前記本体部に着脱可能に設けられる質量調節部と、を有する、波力発電装置である。このような構成によれば、質量体の質量を調節して質量体の固有振動数を浮体の固有振動数に近づけて発電性能を高め易くすることができる。

一実施形態において、波力発電装置は、前記発電システムが前記浮体内に下側に寄せて配置される、波力発電装置である。このような構成によれば、安定した姿勢で効率的に発電し易くすることができる。

本開示によれば、大規模な設置工事を必要としない波力発電装置を提供することができる。

第１実施形態に係る波力発電装置の外観図である。 図１に示す波力発電装置の発電システムの外観図である。 第２実施形態に係る波力発電装置の外観図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態を詳細に例示説明する。

図１～図２に示すように、第１実施形態に係る波力発電装置１は、中空部を有する浮体２と、中空部に収容される発電システム３と、を有する。

本実施形態では、浮体２は上下方向に細長い中空柱形状をなし、発電システム３は浮体２内に下側に寄せて配置される。したがって、波力発電装置１は上下方向に細長く、下側に偏った重心を有する。なお、波力発電装置１は上下方向に細長い構成に限らず、また、下側に偏った重心を有する構成に限らない。例えば、波力発電装置１は、係留部材などを介した外部からの牽引力などによって向きが制限されるように構成してもよい。

なお、本願において上下方向は、波力発電装置１を水に浮かべた状態における鉛直上下方向を意味する。また、本実施形態において、波力発電装置１の上下方向に延びる中心軸線Ｏの周方向を単に周方向ともいい、中心軸線Ｏの径方向を単に径方向ともいう。

浮体２は、中心軸線Ｏを中心とする円筒状の周壁２ａと、周壁２ａの下端部を閉塞する底蓋２ｂと、周壁２ａの上端部を閉塞する上蓋２ｃと、を有する。なお、周壁２ａは円筒状に限らず、例えば楕円筒状、角筒状など、円筒状以外の筒状をなす構成としてもよい。底蓋２ｂと上蓋２ｃはそれぞれ周壁２ａにボルト、ナットなどの固定具によって着脱可能に取り付けられる。なお、底蓋２ｂと上蓋２ｃを周壁２ａに取り付ける方法はこれに限らず、例えば、底蓋２ｂと上蓋２ｃをそれぞれ溶接によって周壁２ａに取り付ける構成としてもよい。

発電システム３は、波が生じる海や湖などで水に浮かんだ浮体２に対する相対的な昇降動作を可能に浮体２に保持される質量体４と、質量体４の昇降動作としての振動を可能にする付勢力を質量体４に加える付勢部材５と、質量体４の昇降動作によって発電可能な発電機６と、を有する。

より具体的には、発電システム３は、質量体４の昇降動作を回転動作に変換する変換機構７を有し、発電機６が変換機構７の回転動作によって発電可能である。変換機構７はボールねじ機構８を有する。ボールねじ機構８は、中心軸線Ｏを中心とし質量体４を貫通するボールねじ軸８ａと、ボールねじ軸８ａに螺合するボールナット８ｂと、を有する。

質量体４は、ボールナット８ｂを有する本体部４ａと、質量体４の質量を調節するために本体部４ａに着脱可能に設けられる質量調節部４ｂと、を有する。本体部４ａは中心軸線Ｏを中心とする円盤状をなし、中央部に質量体４を貫通するボールナット８ｂのねじ穴４ｃを有し、径方向におけるねじ穴４ｃと外周縁との間の部分に、周方向に並べて設けられ、それぞれ質量体４を貫通する複数（本実施形態では４つ）の被案内穴４ｄを有する。質量調節部４ｂは、それぞれ本体部４ａの外周縁部に着脱可能に取り付けられる複数の円弧状質量片４ｅを有する。円弧状質量片４ｅは中心軸線Ｏを中心とする円弧状をなし上下方向に垂直な板状をなす。円弧状質量片４ｅは図２に示す状態では本体部４ａの上側に４つ、下側に４つ配置されている。質量体４は例えば金属製である。

発電システム３は、浮体２に一体に保持され質量体４よりも下側でボールねじ軸８ａを回転可能に支持する下側支持部９と、浮体２に一体に保持され質量体４よりも上側でボールねじ軸８ａを回転可能に支持する上側支持部１０と、周方向に並べて設けられ、それぞれ下側支持部９と上側支持部１０とを連ねるように上下方向に延びる複数（本実施形態では４つ）の案内軸１１と、を有する。案内軸１１は被案内穴４ｄに対応させて設けられ、被案内穴４ｄを上下方向に摺動させて案内することができる。なお、案内軸１１の数は被案内穴４ｄの数と合わせて適宜設定でき、例えば、案内軸１１と被案内穴４ｄを１つずつ設ける構成としてもよい。案内軸１１と被案内穴４ｄを設けない構成とし、例えば、質量体４の外周面を浮体２の内周面で案内する構成としてもよい。

付勢部材５は、周方向に並べて設けられ、それぞれ上下方向に付勢力を生じる複数（本実施形態では４つ）のばね５ａで構成される。ばね５ａの数は適宜設定でき、例えば１つとしてもよい。ばね５ａは、本実施形態では上下方向に伸縮可能な引っ張りばねで構成され、ばね５ａの上端部は上側支持部１０に取り付けられ、ばね５ａの下端部は質量体４の本体部４ａに取り付けられる。ばね５ａは、上下方向に伸縮可能な圧縮ばねで構成してもよい。この場合、例えば、ばね５ａの下端部が下側支持部９に取り付けられ、ばね５ａの上端部が質量体４の本体部４ａに取り付けられる。なお、付勢部材５は引っ張りばねと圧縮ばねの組み合わせで構成してもよい。付勢部材５は、例えば、上下方向に付勢力を生じる磁石など、ばね５ａ以外の部材で構成してもよい。

発電機６は回転式であり、固定子と、固定子に対して相対的に中心軸線Ｏを中心に回転可能な回転子６ａを有する。発電システム３は、上側支持部１０に一体に保持され上側支持部１０よりも上側に固定子を一体に保持する固定子保持部１２を有する。固定子保持部１２は、上側支持部１０よりも上側で固定子を固定軸１２ａを介して一体に支持する固定部１２ｂと、周方向に並べて設けられ、それぞれ固定部１２ｂの外周縁部と上側支持部１０の外周縁部とを連ねるように上下方向に延びる複数（本実施形態では４つ）の連結軸１２ｃと、を有する。連結軸１２ｃの数は適宜設定でき、例えば１つとしてもよい。連結軸１２ｃを設けずに、例えば、固定部１２ｂを浮体２に直接、一体に取り付ける構成としてもよい。

本実施形態では変換機構７は、質量体４の昇降動作を１方向の回転動作に変換するワンウェイクラッチ１３を有する。より具体的には、ボールねじ軸８ａがワンウェイクラッチ１３を介して発電機６のアウター型の回転子６ａに連なる。なお、発電機６は、回転子６ａが固定子よりも径方向外側に配置されるアウター型の回転子６ａを有する構成に限らず、回転子６ａが固定子よりも径方向内側に配置されるインナー型の回転子６ａを有する構成としてもよい。

本実施形態では発電システム３は、変換機構７の回転動作に連動するはずみ車１４を有する。より具体的には、ボールねじ軸８ａがワンウェイクラッチ１３を介してはずみ車１４に連なる。また、はずみ車１４は回転子６ａよりも上側に配置される。なお、はずみ車１４を回転子６ａよりも下側且つワンウェイクラッチ１３よりも上側に配置する構成としてもよい。はずみ車１４は例えば回転子６ａに着脱可能に配置される。

波によって浮体２が上昇すると、質量体４は慣性力によって留まろうとするのでボールねじ軸８ａが周方向の一方側に回転し、発電機６の回転子６ａも周方向の一方側に回転する。次に浮体２が下降する時は、ボールねじ軸８ａが周方向の他方側に回転するが、ボールねじ軸８ａと回転子６ａの間にはワンウェイクラッチ１３があるので、回転子６ａは慣性力によって周方向の一方側に回転し続ける。このとき、はずみ車１４の慣性力によって回転子６ａを周方向の一方側に安定して回転し続けさせることができる。なお、ワンウェイクラッチ１３が無いと回転子６ａは正転と逆転を繰り返すので、その度に回転が止まり非効率となる。

浮体２は波により、波の振動数に関わらず、固有振動数で昇降する。一方、ばね５ａで吊るされた質量体４も固有振動数で昇降するので、両方の固有振動数が近いほど、発電機６の出力（発電量）は大きくなる。さらに、それが波の振動数と一致すると出力は最大になる。したがって、これを考慮して、質量体４の質量と付勢部材５による付勢力を設定することが好ましい。

波力発電装置１は、例えば、直径を２３０ｍｍ、高さを８６０ｍｍ、重さを２７ｋｇとし、波がない状態で、下端から４分の３位までが水中に沈み、上端から４分の１位までが水面から突き出て浮かぶように形成できる。またこの場合、例えば、ボールねじ軸８ａの外径を１５ｍｍ、リードを２０ｍｍに設定でき、それぞれのばね５ａのばね定数を０．１４７Ｎ／ｍｍに設定でき、質量体４の質量を８．６ｋｇに設定できる。仮に周期１秒で、１回の昇降動作で１０回転すると、回転数は６００ｒｐｍとなり、この時、発電機６の出力は例えば３０Ｗとなる。

本実施形態の波力発電装置１は、波が生じる海や湖などで水に浮かべることで発電することができる。したがって、例えば、浮体２の上部に照明装置を設けて海苔などの養殖に利用したり、センサーや通信機などの機器を搭載して海洋環境などの観測に利用したりすることができる。

図３に示す第２実施形態に係る波力発電装置１は、浮体２の上端部と下端部の両方が流線形状をなし、浮体２が、周方向に並べて設けられそれぞれ上下方向に沿って延びる複数のフィン２ｄを有する点で、第１実施形態と異なり、その他の点では第１実施形態と同様の構成を有する。より具体的には、底蓋２ｂが下方に向けて先細となる流線形状をなし、上蓋２ｃが上方に向けて先細となる流線形状をなし、上下方向と径方向に延在する平板状をなすフィン２ｄが、周壁２ａの外周面に固定具を介して一体に取り付けられる。なお、フィン２ｄは、固定具に限らず例えば溶接によって周壁２ａに一体に取り付ける構成としてもよい。

本実施形態によれば、浮体２の流線形状の端部により昇降の抵抗を減らし、また、フィン２ｄにより周方向の回転を抑えることができるので、発電効率を高め易くすることができる。なお、浮体２の上端部と下端部の両方が流線形状をなす構成に限らず、浮体２の上端部と下端部の一方が流線形状をなす構成としてもよい。フィン２ｄの数は適宜設定でき、例えば１つとしてもよい。

本開示は前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

したがって、前述した実施形態に係る波力発電装置１は、中空部を有する浮体２と、中空部に収容される発電システム３と、を有し、発電システム３が、水に浮かんだ浮体２に対する相対的な昇降動作を可能に浮体２に保持される質量体４と、質量体４の昇降動作によって発電可能な発電機６と、を有する、波力発電装置１である限り、種々変更可能である。

例えば、発電システム３は、発電機６の回転子６ａがボールねじ軸８ａと同軸に配置される構成に限らず、例えば、回転子６ａがボールねじ軸８ａと並列に配置され、これらが歯車を介して回転を伝達可能に連結する構成としてもよい。質量体４がボールねじ軸８ａと同軸に配置される構成に限らず、例えば、質量体４がボールねじ軸８ａと並列に配置される構成としてもよい。変換機構７はワンウェイクラッチ１３を有する構成に限らない。発電システム３は、はずみ車１４を有する構成に限らない。質量体４の昇降動作を回転動作に変換する変換機構７はボールねじ機構８を有する構成に限らず、例えば、ラック・ピニオン機構を有する構成としてもよい。発電機６は回転式に限らない。質量体４は質量調節部４ｂを有する構成に限らない。

なお、前述した実施形態に係る波力発電装置１は、発電システム３が、質量体４の昇降動作としての振動を可能にする付勢力を質量体４に加える付勢部材５を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、発電システム３が、質量体４の昇降動作を回転動作に変換する変換機構７を有し、発電機６が変換機構７の回転動作によって発電可能である、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、変換機構７が質量体４を貫通する、波力発電装置１であることが好ましい。

また、前述した実施形態に係る波力発電装置１は、変換機構７が、質量体４の昇降動作を１方向の回転動作に変換するワンウェイクラッチ１３を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、発電システム３が、変換機構７の回転動作に連動するはずみ車１４を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、変換機構７がボールねじ機構８を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、上下方向に細長く、下側に偏った重心を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、浮体２の上端部と下端部の両方又は一方が流線形状をなす、波力発電装置１であることが好ましい。

また、前述した実施形態に係る波力発電装置１は、浮体２が、上下方向に沿って延びるフィン２ｄを有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、付勢部材５が、上下方向に付勢力を生じるばね５ａで構成される、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、質量体４がボールねじ機構８のボールナット８ｂを有し、発電システム３が、浮体２に一体に保持され質量体４よりも下側でボールねじ機構８のボールねじ軸８ａを回転可能に支持する下側支持部９と、浮体２に一体に保持され質量体４よりも上側でボールねじ軸８ａを回転可能に支持する上側支持部１０と、を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、発電システム３が、下側支持部９と上側支持部１０とを連ねるように上下方向に延びる案内軸１１と、質量体４を貫通し案内軸１１に案内される被案内穴４ｄと、を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、発電システム３が、上側支持部１０に一体に保持され上側支持部１０よりも上側に発電機６の固定子を一体に保持する固定子保持部１２を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、固定子保持部１２が、上側支持部１０よりも上側で固定子を固定軸１２ａを介して一体に支持する固定部１２ｂと、固定部１２ｂと上側支持部１０とを連ねる連結軸１２ｃと、を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、ボールねじ軸８ａがワンウェイクラッチ１３を介して発電機６の回転子６ａに連なる、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、ボールねじ軸８ａがワンウェイクラッチ１３を介してはずみ車１４に連なる、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、質量体４が、本体部４ａと、質量体４の質量を調節するために本体部４ａに着脱可能に設けられる質量調節部４ｂと、を有する、波力発電装置１であることが好ましい。

前述した実施形態に係る波力発電装置１は、発電システム３が浮体２内に下側に寄せて配置される、波力発電装置１であることが好ましい。

１ 波力発電装置
２ 浮体
２ａ 周壁
２ｂ 底蓋
２ｃ 上蓋
２ｄ フィン
３ 発電システム
４ 質量体
４ａ 本体部
４ｂ 質量調節部
４ｃ ねじ穴
４ｄ 被案内穴
４ｅ 円弧状質量片
５ 付勢部材
５ａ ばね
６ 発電機
６ａ 回転子
７ 変換機構
８ ボールねじ機構
８ａ ボールねじ軸
８ｂ ボールナット
９ 下側支持部
１０ 上側支持部
１１ 案内軸
１２ 固定子保持部
１２ａ 固定軸
１２ｂ 固定部
１２ｃ 連結軸
１３ ワンウェイクラッチ
１４ はずみ車
Ｏ 中心軸線

Claims (10)

1. 中空部を有する浮体と、前記中空部に収容される発電システムと、を有し、
   前記発電システムが、水に浮かんだ前記浮体に対する相対的な昇降動作を可能に前記浮体に保持される質量体と、前記質量体の前記昇降動作によって発電可能な発電機と、を有する、波力発電装置。
2. 前記発電システムが、前記質量体の前記昇降動作としての振動を可能にする付勢力を前記質量体に加える付勢部材を有する、請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記発電システムが、前記質量体の前記昇降動作を回転動作に変換する変換機構を有し、
   前記発電機が前記変換機構の前記回転動作によって発電可能である、請求項１又は２に記載の波力発電装置。
4. 前記変換機構が前記質量体を貫通する、請求項３に記載の波力発電装置。
5. 前記変換機構が、前記質量体の前記昇降動作を１方向の前記回転動作に変換するワンウェイクラッチを有する、請求項３又は４に記載の波力発電装置。
6. 前記発電システムが、前記変換機構の前記回転動作に連動するはずみ車を有する、請求項３～５の何れか１項に記載の波力発電装置。
7. 前記変換機構がボールねじ機構を有する、請求項３～６の何れか１項に記載の波力発電装置。
8. 上下方向に細長く、下側に偏った重心を有する、請求項１～７の何れか１項に記載の波力発電装置。
9. 前記浮体の上端部と下端部の両方又は一方が流線形状をなす、請求項１～８の何れか１項に記載の波力発電装置。
10. 前記浮体が、上下方向に沿って延びるフィンを有する、請求項１～９の何れか１項に記載の波力発電装置。

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