JP4521394B2 - 電磁的減衰手段を備えた波力発電アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、第一に、浮体（hull）と直線型発電機を有する波力発電アセンブリであって、そのロータが接続手段によって浮体に接続され、そのステータが海底や湖底に設置されるものに関する。

本発明は、第二に、複数の波力発電アセンブリを有する波力発電装置に関する。

本発明は、第三に、電流を発生するために本発明の波力発電アセンブリを利用することに関する。

本発明は、第四に、電気エネルギーの発生方法に関する。

本発明において、ロータという用語は直線型発電機の可動部のことを指す。つまり、ロータという用語は回転運動体を意味せず、線形往復運動体を意味することを理解されたい。したがって、ロータの運動方向とは、直線運動であると考えてよい。

本発明による波力発電アセンブリは、主として500kWまでの応用を意図しているが、これに限られるものではない。

ステータは海底に設置される構成をとっているが、必ずしもそうである必要はない。また、ステータが海底に強固に固定されるものであるとも限らない。つまり、ステータは、自然な状態において浮かんで支持される構造であってもよいし、波力発電アセンブリが流されてしまうのを防ぐ固定手段は、ひものようなものであってもよい。

海や大型湖の波は潜在的なエネルギー源であるが、今日に至るまでほとんど利用されていない。利用できる波エネルギーは波高によって決まるため、必然的に場所によって異なる。波エネルギーの年間平均を左右する風の条件は、最も近い沿岸からその位置までの距離に大きく影響される。様々な観測が特に北海において行われてきた。ユトランド半島沿岸の西方およそ100km、水深50mの観測地点では、波高の観測がなされてきた。

海面の波エネルギーを利用するため、発電機能を持った多様な波力発電アセンブリが提唱されてきた。しかし、それらの性能は、従来の発電装置の域には達していない。これまでに実用化された波力発電装置は、試作機や、航行ブイへの局部的な電力供給用のものがほとんどである。商用電源としての実用に耐え、海上の動く波の中でも使用できる大容量の予備エネルギーとして扱えるものにするためには、波力発電アセンブリを適切な場所に設置するだけでは不十分である。アセンブリの信頼性と効率が高く、かつ製造コストと運転コストが低いことも必要となる。

その意味で、波エネルギーから電気エネルギーへの変換が可能な方式の中では、直線型発電機はそれらの要求をかなり満足するものであるといえる。

波の運動がひき起こす浮体の垂直運動は、直線型発電機のロータの往復運動に直接変換することができる。直線型発電機は非常に頑丈かつ単純な構造をとることができ、海底に設置した状態では水流の悪影響をほとんど受けなくなる。直線型発電機の唯一の可動部は、往復運動をするロータである。機体には可動部がほとんど存在せず、単純な構造として構築されるので、アセンブリの信頼性は高くなる。

例えば、特許文献１に開示されている公知の波力発電アセンブリは、直線型発電機の原理に基づくものである。したがって、同文献には記載されている発電機は、海底に固定され、海面の波から電気エネルギーを発生させる。発電機のコイルは浮体に接続され、波の動きとともに上下運動をする。コイルが運動するとコイルに磁場が作用し、コイル内で電磁力が発生する。磁場は、コイル全体のストローク長に沿った単一方向の一様な場である。発電機には、海底に置かれるベース・プレートが付いており、そこに磁気コアが収容され、さらにその中でコイルが運動する。

さらに、特許文献２にも、直線型発電機を有する波力発電アセンブリが開示されている。同文献によると、ロータは多数の永久磁石を備えており、その周囲のステータの中に発電機の巻線が設置されている。

さらに、特許文献３に開示されている波力発電アセンブリが有する直線型発電機においては、ロータは永久磁石であり、ステータ内の巻線は、ロータの運動方向に分布する複数の極を形成する。配置されたバネ手段は引張りバネとして作用し、下方向、つまり浮体が持ち上げようとする力とは逆の方向の張力をロータに及ぼす。

本発明による波力発電アセンブリでは、ロータは軸方向の力を受ける。その力は脈動(pulsating)であり、それによって不規則動作が起こり、乱れが生じる。本発明の目的は、そのような乱れを低減することにある。

米国特許６，０２０，６５３号 米国特許４，５３９，４８５号 国際出願ＰＣＴ／ＳＥ０２／０２４０５号

本発明が目的とする構成は、請求項１の前段に記載したような波力発電アセンブリであって、直線型発電機はステータがロータへ及ぼす軸方向の力の脈動を相対的に低いレベルに維持するための電磁的な減衰手段を有し、その減衰手段は少なくともステータ巻線と、ステータ・スロットと、ロータ磁石と、を備える構成を有することを特徴とする、波力発電アセンブリによって実現される。

本発明は、上述した乱れの原因分析に基づいている。分析によって、原因の要部が電磁的なエネルギー変換、および、ステータがロータに及ぼしている軸方向の磁力の要因に由来するものであることが理解された。ステータ巻線を通過するロータに設置される磁石の影響により、上述の力による脈動は、ステータ・スロットに対するそれぞれの磁極の位置に依存する。この知見が基礎となり、この乱れの対策のため、本発明による手法が採用された。発電機が上述の脈動を相対的に低いレベルに保つ手段を備えることにより、ロータにかかる軸方向の力の総和は他の手法より均一になり、安定かつ信頼性のある動作が可能となった。

そのための手段は、電気機械的なエネルギー変換の核心となる要素を持つ構造に関する。つまり、ステータ巻線、ステータ・スロット、およびロータ磁石を適切に配置することによって、それぞれのロータ磁石上で発生する軸方向の脈動力は協働して互いに相殺し、時間的に平滑化する。その結果、ロータに及ぶ軸方向の磁力が、一連の動作の期間にわたってより均一となり、目的である乱れの軽減が達成される。

上述の説明から理解されるとおり、「減衰手段」という用語は、すでに生じている脈動を減衰させるような直接的な機能を持つのではなく、むしろ、従来構成の巻線、スロット、および磁石が引き起こすほどの大きな脈動の発生を阻止する機能を持つものと理解されたい。

これにより、発電機の機構的な問題からくるリスクは低減される。さらに、電磁的エネルギー変換が、より均一かつより高効率となる点において、望ましいものとなる。

本発明による波力発電アセンブリの好ましい実施例によると、ステータは多相の巻線を有し、電磁的減衰手段は、分数溝巻を有するステータ巻線を含む。分数溝巻は回転電気機械の構造によく用いられるものであり、巻線構造を用いて実現できる、軸方向の力による脈動を軽減する単純かつ好都合な方法である。

さらなる好ましい実施例によると、分数溝巻は１未満の巻線係数を有する。そのような実施例には、極の間の距離を小さくできるという利点がある。

別の好ましい実施例によると、分数溝巻は１を超える巻線係数を有する。これは、本発明が関係する種のアセンブリのような、動作の遅い機械においてはとりわけ望ましいものである。

さらなる実施例によると、ステータはロータ周囲に均等に配置される複数のステータ・パックからなり、各ステータ・パックは分数溝巻を有する巻線を備える。これにより、可能な限り多くの誘導磁場を利用することができ、また、最大限の均一性を確保するためには、全てのステータ・パックを分数溝巻にすることが最適となる。

さらなる好ましい実施例によると、電磁的減衰手段は少なくともロータに複数個の極またステータに複数個の巻線スロット、あるいはその両方を有し、それらはロータ運動方向に垂直な平面に対して傾斜配置されている。

極または巻線スロット、あるいはその両方が傾斜配置されることにより、極は巻線を徐々に通過するようになる。これによって、磁力の強さは徐々に増加および減少するので、結果として脈動の強さを軽減できる。

好ましい実施例によると、各極は、ロータ運動方向に垂直な平面に対して角度をなす長手軸を持った細長い形状の磁石を有する。

別の好ましい実施例によると、各極は複数の磁石からなるグループを有し、複数の磁石は互いに軸方向にずれている。

上記２つの実施例によって、構造的に単純な、ロータを修正するという手段のみによって傾斜が実現でき、ステータは従来の構造を用いることができる。

さらなる好ましい実施例によると、スロットはロータの運動方向に垂直な平面と小さな角度をなす。この実施例よれば、ロータは従来の方法で形成することができる。

当然ながら、上述の実施例を組み合せて、発電機の磁石および巻線スロットの配置をどちらも非対称とし、異なる傾斜を持たせてもよい。分数溝巻きと組み合わせてもよい。

さらなる好ましい実施例によると、ロータは永久磁石であり、実施例は単純かつ効果的なものとなる。

以上に説明した、本発明の波力発電アセンブリの実施例は、請求項１に従属する請求項に記載している。

本発明の第２、第３、第４の側面において、本発明が目的とする構成は、本発明による複数の波力発電アセンブリを有する波力発電装置、電流を発生させるために本発明による波力発電装置を利用すること、および、本発明による波力発電アセンブリによって実行される電流発生方法、によって実現される。それらは、請求項１２、１３、および１４にそれぞれ記載されている。

本発明の波力発電アセンブリ、本発明の利用、および本発明の方法により、本発明の波力発電アセンブリ、およびその好ましい実施例においてはそれぞれ利点が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

図１は、本発明による波力発電アセンブリの原理を表している。浮体３は海面２に浮かぶように構成されている。波によって浮体３は垂直往復運動をする。海底に固定されたベース・プレート８を介して、直線型発電機５が海底１に固定されている。ベース・プレート８はコンクリート板であってもよい。ベース・プレート８には、直線型発電機のステータ６ａ、６ｃが固定されている。ステータは垂直方向に延びる４つの柱状のステータ・パックからなり、図中ではそのうち２つだけが示されている。ステータ・パックの間の空間には、直線発電機のロータ７が配置されている。ロータ７はひも４によって浮体３とつながっている。ロータ７は永久磁石材料でできている。

ベース・プレート８の中心には穴１０があり、それと同軸な海底孔９が海底に掘られている。海底孔９は適切に並んでいてもよい。海底孔９の底面には、引張りバネ１１が固定されており、引張りバネ１１の他端はロータ７の下端に取り付けられている。ベース・プレート８の穴１０と、海底孔９は、その中をロータ７が自由に移動できるような直径を有している。

各ステータ・パック６ａ、６ｃは複数のモジュールからなる。図中では、ステータ・パック６ａが縦方向に並んだ３つのモジュール６１、６２、６３に分かれる様子が示されている。

海面２の波動によって浮体３が上下運動するとき、この運動はひも４を介してロータ７へ伝えられ、それに対応する往復運動をロータ７がステータ・パックの間で行う。これにより、ステータの巻線に電流が発生する。海底孔９があるので、下降運動のときにロータ７はステータ全体を通り抜けることができる。引張りバネ１１は下降運動に対して付加的に力を加えるので、ひも４は常に引き伸ばされた状態を保つ。

バネは、場合によって上向きの力を及ぼすように構成してもよい。調整手段２８によってバネのバネ定数が調整でき、可能な限り長時間にわたり共振に達するように構成してもよい。

海水に耐えうるように、ステータの全体あるいは一部に、ＶＰまたはシリコンを含浸させておいてもよい。

図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。この例では、ロータ７の断面は正方形であり、ステータ・パック６ａから６ｄはロータ７の各辺に配置されている。各ステータ・パックの巻線は１２ａ〜１２ｄとして示されている。図には、各ステータ・パックの中にある板金の配置方向も表れている。ロータおよび隣接するステータの間のエアギャップは、数ミリメートルのオーダーである。

各ステータ・パックは、分数溝巻を有する。すなわち、巻線係数が整数ではない。

巻線係数は、ｑ＝Ｑ／（ＭＰ）で表される。ここで、Ｑはスロットの数、Ｍは相数、Ｐは極数である。したがって、分数溝巻は、ｎを整数とすると、Ｑ＃ＭＰｎ で表される。これは、Ｑ＝ＭＰｎであるような従来の巻線と対照的である。分数溝巻は、一般的には、回転電気機械に関するものが広く知られている。

図３は、直線型発電機のステータ６ａを背景として、巻線１３を表している。巻線１３は、３相の整数溝巻である。

各スロット１２は４ターンの巻線を有し、異なる相は異なる記号で表示されている。本図の場合、ｑは整数である。したがって、図３は従来技術を表している。

図４は、本発明の実施例での、対応する断面図である。本図も３層の巻線であり、図３に対応するように描写されている。本図の場合、巻線１３は、１より大きな巻線係数を有する、いわゆるピッチ・エクステンションである。

図５は、対応する実施例であり、巻線１３の相数が３、巻線係数が１未満である、いわゆるピッチ・リダクションである。

図６は、本発明の実施例による、正方形のロータ７の一側面の部分側面図である。ロータの運動方向は矢印Ａで示している。各極１４ａ、１４ｂ、１４ｃは複数の永久磁石１４１ａ〜１４４ａからなる。１つの極を構成する磁石１４１ａ〜１４４ａは互いに軸方向にずれており、ロータ運動方向Ａに垂直な平面に対して小さな角度をなす直線を形作っている。図中の磁石は直線配置されているが、その代わりに曲線配置してもよい。極１４ａのなかで最低位にある磁石１４１ａは、最高位にある磁石１４４ｄから特定の距離だけずれて配置され、半極(half-pole)１４ｂに最も近い。好ましくは、上述の距離は半極のピッチの半分もしくはそれ以下に相当する。

図中のロータ７の表面は、同図の平面の上に位置するステータ・パックと協働する。ステータ・パックは、ロータ７に面した巻線スロットを有している。ステータ・パックの巻線スロット１３の一つが、図中の破線で示されている。ロータ７が図中の下方向へ移動すると、第１の極１４ａの磁石１４１ａが巻線スロット１３を通過して、その巻線の中に電流を誘導し、その結果として上方向の力がロータ７に作用する。そして、その後少し遅れて、隣接する磁石１４２ａが巻線スロットを通過して、対応する一連の事象を起こす。その後、磁石１４３ａ、１４４ａが同様の動作をする。極１４ａの磁石１４１ａ〜１４４ａが従来と同じように巻線スロット１３と平行であると仮定した場合と比較すると、ロータ７の軸方向の力は時間的に分散することになる。したがって、軸方向の力による脈動の強さは軽減される。

図７は、別の実施例における、図６に対応する図である。この例では、各極１４ａ〜１４ｃは細長い単一の磁石でできており、図６のそれぞれの極の磁石を結ぶ直線に対応するように、斜めに配置されている。

図８はステータ・パック６の部分側面図であり、ロータに対面する方向の側面を示している。ステータ・パック６の巻線スロット１３ａ〜１３ｃは、ロータの運動方向Ａに垂直な平面に対して、小さな角度をなしている。ロータは、図の平面の上に位置し、ロータの極の一つは破線で示されている。ロータはステータ・スロット１３ｂを徐々に通過する。それにより、図６で説明したものに相当する一連の事象が起こる。

図９は、図８相当の図面であり、巻線１３と極１４が同様に傾斜するような実施例を示している。しかし、他方の実施例とは傾斜方向が異なっており、かつ、傾斜角がより小さい。

本発明による波力発電装置は、二つ以上の、上述した種類のアセンブリからなる。図１０は、コンセントに電力を供給する目的でこれらを接続した状態を示している。図示例の発電装置は、２０ａ〜２０ｃのシンボルで表される３つのアセンブリからなっている。各アセンブリは、図示したバイポーラ回路において、ブレーカまたは接触器２１と、整流器２２とを経由して、インバータ２３へ接続される。同図では、回路図はアセンブリ２０ａについてのみ描かれている。残りのアセンブリ２０ｂ、２０ｃも同様に接続されていることを理解されたい。インバータ２３は、場合により変圧器２４もしくはフィルタ、またはその両方を介して、３相交流をコンセント２５へ供給する。整流器には、ゲート制御されるＩＧＢＴ型のダイオードや、ＧＴＯやサイリスタを用いてもよく、またそれらはゲート制御されるバイポーラ要素や、制御されない要素を有してもよい。

直流側の電圧は、並列に接続しても、直列に接続しても、両者の組み合わせでもよい。

本発明による波力発電アセンブリの側面概略図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 従来技術のステータ・パックの部分断面概略図である。 本発明の第１の実施例による、対応する断面図である。 本発明の第２の実施例による、対応する断面図である。 本発明の第３の実施例によるロータの部分側面図である。 第４の実施例による、対応する図である。 第５の実施例によるステータ・パックの部分側面図である。 第６の実施例による、対応する側面図である。 本発明によるアセンブリを複数接続して波力発電装置にした状態を表す図である。

Claims (10)

1. 浮体（３）と、直線型発電機（５）と、接続手段（４）によって前記浮体（３）に接続されるロータ（７）と、海底または湖底に設置されるように構成されたステータ（６）と、を有する波力発電アセンブリであって、前記直線型発電機（５）は前記ステータ（６）が前記ロータ（７）へ及ぼす軸方向の力の脈動を相対的に低いレベルに維持するための電気機械的減衰手段を有し、前記減衰手段（１２、１３、１４）は少なくとも、ステータ巻線（１３）と、ステータ・スロット（１２）と、ロータ磁石（１４）と、を備える構成を有し、当該構成は、
   ａ）前記電磁的減衰手段は、前記ロータ（７）の運動方向に垂直な平面に対して斜めに配置された、前記ロータの複数個の極（１４ａ〜１４ｃ，１１４ａ〜１１４ｃ）を少なくとも有する、
   ｂ）前記電磁的減衰手段は、前記ロータ（７）の運動方向に垂直な平面に対して斜めに配置された、前記ステータの複数個の巻線スロット（１３ａ〜１３ｃ）を少なくとも有する、
   というａ）〜ｂ）の構成のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする、波力発電アセンブリ。
2. 前記ステータ（６）は３相巻線を有することを特徴とする、請求項１に記載の波力発電アセンブリ。
3. 前記ステータは前記ロータ（７）の周囲に均等に配置された複数のステータ・パック（６ａ〜６ｄ）を有し、それぞれの前記ステータ・パック（６ａ〜６ｄ）は分数溝巻（１３）を有する巻線（１３）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の波力発電アセンブリ。
4. 前記極（１４ａ〜１４ｃ，１１４ａ〜１１４ｃ）は、前記ロータ（７）の運動方向に垂直な平面に対して斜めに配置された長手軸を持つ細長い形状の磁石（１１４ａ〜１１４ｃ）を有することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の波力発電アセンブリ。
5. 前記極（１４ａ〜１４ｃ，１１４ａ〜１１４ｃ）のそれぞれが、複数の磁石(１４１ａ〜１４４ａ、１４１ｂ〜１４４ｂ、１４１ｃ）からなり、前記複数の磁石は互いに軸方向にずれて配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の波力発電アセンブリ。
6. 前記巻線スロット（１３ａ〜１３ｃ）のそれぞれが、前記ロータ（７）の運動方向に垂直な平面に対して斜めに配置されたことを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の波力発電アセンブリ。
7. 前記ロータ（７）が永久磁石であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の波力発電アセンブリ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の波力発電アセンブリを複数備えることを特徴とする、波力発電装置。
9. 電気エネルギーを発生するための、請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の波力発電アセンブリの使用。
10. 請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の波力発電アセンブリを１つ以上使用して電気エネルギーを発生させることを特徴とする、電気エネルギー発生方法。

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