JP4821008B2 - 波力発電システム及び波力発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、波浪のエネルギーを利用して電力を得ることができる波力発電システム及び波力発電プラントに関するものである。

本発明者は、すでに下記特許文献１、２において、ジャイロ式波力発電装置を開示している。

具体的には、特許文献１、２のものは、浮体と、該浮体に支持されたジャイロと、前記ジャイロのジンバル軸に増速手段を介して接続した発電機とを備え、波浪による浮体の揺動により前記ジャイロのジンバルを回転させ、発電機を駆動して発電を行うようにしたジャイロ式波力発電装置であり、特に特許文献１においては、前記浮体をドーナツ状に形成するとともに、その内筒部内に少なくとも１個の鉛直なジンバル軸を有するジャイロを配設したことを特徴とするジャイロ式波力発電装置である。

特開２００５−２０７３３２号公報 国際公開番号ＷＯ０２／０７７３６９号Ａ１

上記特許文献１、２のジャイロ式波力発電装置は、単に波のある水上に設置しただけでも発電することはできるが、さらなる発電効率の向上が望まれている。

そこで、本発明の目的は、従来よりも発電効率を向上できる波力発電システム及び波力発電プラントを提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

（１） 本発明は、浮体と、該浮体に支持されたジャイロと、前記ジャイロのジンバル軸に増速手段を介して接続した発電機とを備え、波浪による浮体の揺動により前記ジャイロのジンバルを回転させ、前記発電機を駆動して発電を行うようにしたジャイロ式波力発電装置を１つ以上有している波力発電システムであって、前記浮体が、縦横の長さが異なる矩形環状部材であり、前記矩形環状部材が短手方向に揺動した際、前記ジャイロ式波力発電装置が、最大発電効率を発揮できうるものであり、前記ジャイロ式波力発電装置の直下に位置するとともに、前記揺動の方向に対して垂直に対向する前記矩形環状部材における各短辺の中央部から吊り下げられたアンカーがさらに設けられているものである。なお、矩形環状部材の縦横比は１．２以上であることが好ましい。この比が１．０に近いと方向が定まらなくなるからである。

上記（１）の構成により、波浪のある水上に浮かべた際、浮体である矩形環状部材の短手方向又は長手方向が、自然に波の進行方向に対して平行になる。したがって、波の進行方向が変化しても、ジャイロ式波力発電装置の発電効率が最大となるような向きに修正又は保持できる。また、上述した重りによって、波浪による望ましい浮体の揺れを得ることができる。

（２） 上記（１）の波力発電システムにおいては、前記ジャイロ式波力発電装置が、前記浮体の短手方向に並列され且つ中心に対して点対称の位置に配設された少なくとも１対の前記ジャイロを有しており、前記１対のジャイロの回転方向が、お互いに逆となっていることが好ましい。

上記（２）の構成により、ジャイロの余剰モーメント（不安定な方向のジャイロモーメント）を打ち消すことができる。したがって、ジャイロ式波力発電装置の不要な運動やエネルギー損失を防止できる。

（３） 上記（１）又は（２）の波力発電システムにおいては、前記ジャイロ式波力発電装置と前記浮体との間に、前記ジャイロ式波力発電装置を昇降させることができる昇降機が設けられていることが好ましい。

上記（３）の構成により、昇降機によってジャイロ式波力発電装置を所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体の揺れの固有振動数を発電に適したものに（例えば、共振させるように）調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。

（４） また、別の観点として、上記（１）又は（２）の波力発電システムにおいては、重りを有するとともに前記重りを昇降させることができる昇降機が、前記ジャイロ式波力発電装置の上に設けられているものであってもよい。

上記（４）の構成により、昇降機によって重りを所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体の揺れの固有振動数を発電に適したものに調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。

（５） 本発明の波力発電プラントは、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の波力発電システムを水上に１列に並べたものを複数列配設したものであり、隣り合う前記波力発電システムのそれぞれのジャイロ式波力発電装置が、波浪の進行方向に対して重複しないように且つ密に配設されているものである。

上記（５）の構成により、所定範囲における波浪のエネルギーを最大限利用できるので、従来よりも効率よく且つ経済的に発電を行うことができる波力発電プラントを提供できる。また、効率よく、所定範囲における波浪のエネルギーを吸収するので、より広い範囲において波浪を消波できる。

＜第１実施形態＞
以下に、本発明の第１実施形態に係る波力発電システムについて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る波力発電システムの概略構成を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１の波力発電システムに用いられているジャイロ式波力発電装置の全体断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるジャイロが回転した際のフライホイールを断面で示したジャイロ式波力発電装置の全体断面図である。

図１に示すように、波力発電システム１００は、ジャイロ式波力発電装置１と、縦横の長さが異なる矩形環状の浮体２と、浮体２の各短辺の略中央部に設けられているフランジ３、４と、フランジ３、４に一端がそれぞれ取り付けられ、他端にアンカー５が吊設されている鎖６とを有している。

ジャイロ式波力発電装置１は、本体７と、本体７内において並設されているジャイロ８、９と、このジャイロ８、９で発生したエネルギーを、ジンバル軸１４、１５及びギア１０、１１、１２を介して受け取って発電する発電機１３とを有している。なお、ジャイロ式波力発電装置１は、浮体２の各長辺の略中央部間に架設されている。

ジャイロ８は、図２（ａ）に示すように、フライホイール８ａとスピンモータ８ｂとを有しており、ジンバル軸１４で回転自在に支持されている。ジンバル軸１４の一端側はジンバル軸受台１６に軸支され、ジンバル軸１４の他端側はジンバル軸受台１７に軸支されている。また、図２（ｂ）に示すように、ジャイロ８のジンバル軸１４に直交するスピン軸８ｃの周りにフライホイール８ａが回転自在に配設される。フライホイール８ａはスピンモータ８ｂにより回転駆動される。また、フライホイール８ａ室はジャイロ８（ジンバル）の側壁に設置した真空ポンプ１８によって負圧（０．１気圧以下程度）に保たれ、抵抗が少なく風損を減らして低摩擦で回転するように構成されている。ここで、真空ポンプ１８によって負圧を保つ場合の一変形例として、密封方式（タイヤのように内部を負圧にして密封する方式）を用いると、そのまま長期間、真空ポンプを使用することなく負圧を保つこともできる。スピンモータ８ｂや真空ポンプ１８は、本体７内に設けられたバッテリー（図示せず）にケーブルを介して接続されており、その電源によって回転駆動されるが、電力系統から直接駆動することもできる。この一変形例は、ジャイロ９においても同様である。

ジャイロ９は、図２（ａ）に示すように、フライホイール９ａとスピンモータ９ｂとを有しており、ジンバル軸１５で回転自在に支持されている。また、ジンバル軸１５の一端側はジンバル軸受台１９に軸支され、ジンバル軸１５の他端側はジンバル軸受台２０に軸支されている。また、図２（ｂ）に示すように、ジャイロ９のジンバル軸１５に直交するスピン軸９ｃの周りにフライホイール９ａが回転自在に配設される。フライホイール９ａはスピンモータ９ｂにより回転駆動される。また、フライホイール９ａ室はジャイロ９（ジンバル）の側壁に設置した真空ポンプ２１によって負圧（０．１気圧以下程度）に保たれ、抵抗が少なく風損を減らして低摩擦で回転するように構成されている。なお、ジャイロ９は、ジャイロ８と点対称となるように設けられているが、フライホイール９ａの回転方向はジャイロ８のフライホイール８ａと逆になっている。これにより、ジャイロ８、９の余剰モーメント（不安定な方向のジャイロモーメント）を打ち消すことができる。したがって、ジャイロ式波力発電装置１の不要な運動やエネルギー損失を防止できる。

ここで、ジャイロ８、９、ギア１０、１１、１２、発電機１３の配置や構成における変形例について説明する。上記実施形態では、３つのギア１０、１１、１２を平行にして並べた平行ギア方式を採用し、点対称にジャイロ８、９が配置され、ギア１２に発電機１３が接続されているものを示したが、ギア１２を使用せずに、ギア１０、１１のみとし、これらギア１０、１１のそれぞれに発電機を接続することとしてもよい。または、ギア１２を使用せずに、ギア１０、１１のみとし、ジンバル軸１４又は１５の外側の端部にギアを設けた上で、このギアに１つの発電機を接続することとしてもよい。また、ギア１０、１１のみとし、ジャイロ８、９両方をギア１０、１１の同じ一方面に対抗するように配置し、これらギア１０、１１の他方面のそれぞれに発電機を接続することとしてもよい。このとき、ギア１０、１１の他方面のそれぞれに接続した発電機を１つだけにして、ギア１０又はギア１１の片方に接続することとしてもよい。また、平行ギア方式の代わりに、図３の側断面図に示すように、ベベルギア３１、３２、３３を採用するとともに、ジャイロ３４、３５を対称配置とし、ジャイロ３４、３５間の中央上部に発電機３６を配設するようなジャイロ式波力発電装置３７としてもよい。なお、発電機には増速ギアが設けられていてもよい。

浮体２は、矩形環状部材であり、水上に浮かぶことができるものであれば、中が空洞の管状部材を用いてもよいし、軽い材料で中身が密なものであってもよい。浮体２の製造方法については、板金、溶接、プラスチック成形等が採用され、素材についても、低炭素鋼、ステンレス、ＦＲＰ、鋳物等適宜のものが採用され得る。

このような構成の波力発電システム１００が波力によりジャイロ式波力発電装置１の本体７長手方向（浮体２短手方向）に揺動すると、ジャイロ８、９内にて回転するフライホイール８ａ、９ａとのジャイロ効果によってジンバル軸１４、１５が回転を始める。このとき、例えば、特開２００５−２０７３３２号公報（図５及び段落００２９参照）で本発明者が開示したように、浮体２の揺れを検出する浮体揺れセンサ、回転数制御器、ジンバル角（軸方向）センサをジャイロ式波力発電装置１の本体７やジャイロ８、９に設けておけば、揺れセンサで浮体２の揺れを検出し、その検出信号はフィルタによって回転数制御器を粗調整し、ジャイロ８、９本体のジンバル軸１４、１５の角位置をジンバル角（軸方向）センサにて検出して、ジンバル軸１４、１５を発電量が最大となる位相に刻々又は所定の平均時間毎に微調整制御することにより、浮体２の揺れとジャイロ８、９本体の回転を同期させて、ジャイロ８、９の特性を最大限に発揮させて、発電機の発電量を効果的に制御することが可能となる。

また、例えば、特開２００５−２０７３３２号公報（図６及び段落００３０参照）で本発明者が開示したような構成を用いてもよい。すなわち、浮体２の揺れの主振動数成分付近でジンバル軸１４、１５が回転するように、浮体揺れセンサからの平均周波数を得て発電機１３の回転数を粗調整した後に、発電機出力が平均的に最大となるように発電機１３の回転数を微小変化させ、最大となる回転数を自動探索、追従させるように構成して、発電機１３の回転数の粗調整の下で発電機出力を平均的に最大となるように微調整して、ジャイロ８、９の回転数を発電機１３側で制御することがきわめて容易となり、より最も効率のよい発電が自動的に行える。

上記構成の波力発電システム１００によれば、波浪のある水上に浮かべた際、浮体である矩形環状部材の短手方向又は長手方向が、自然に波の進行方向に対して平行になる。したがって、波の進行方向が変化しても、ジャイロ式波力発電装置の発電効率が最大となるような向きに修正又は保持できる。また、上述した重りによって、波浪による望ましい浮体の揺れを得ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る波力発電システムについて説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る波力発電システムの側面図である。

第２実施形態に係る波力発電システム２００は、ジャイロ式波力発電装置４１と浮体４２との間に、ジャイロ式波力発電装置４１を昇降できる昇降機４３、４４が設けられている点で、第１実施形態の波力発電システム１００と異なっている。なお、図４においては、昇降機がジャイロ式波力発電装置４１を上部にあげてまた、ジャイロ式波力発電装置４１及び浮体４２は、ジャイロ式波力発電装置１及び浮体４２と同構成である。

昇降機４３は、ジャイロ式波力発電装置４１の一部を支える荷台４３ａと、浮体４２に取り付けられた基台４３ｃと、荷台４３ａと基台４３ｃとの間に設けられ、荷台４３ａと上部が固定されると共に下部が基台４３ｃに固定されている油圧式パワーユニットとを有している。昇降機４４も同構成であるので、説明は省略する。なお、昇降機４３、４４は、ここで示したものに限られず、ジャイロ式波力発電装置４１を昇降させることができるものであれば、どのようなものでもよい。

上記構成の波力発電システム２００によれば、昇降機４３、４４によってジャイロ式波力発電装置４１を所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム２００自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体４２の揺れの固有振動数を発電に適したものに（例えば、共振させるように）調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る波力発電システムについて説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る波力発電システムの側面図である。

第３実施形態に係る波力発電システム３００は、ジャイロ式波力発電装置５１の上に、重り５４を昇降できる昇降機５３が設けられている点で、第１実施形態の波力発電システム１００と異なっている。なお、ジャイロ式波力発電装置５１及び浮体５２は、ジャイロ式波力発電装置１及び浮体４２と同構成である。また、昇降機５３は、昇降機４３と同構成であるので、説明を省略する。

上記構成の波力発電システム３００によれば、昇降機５３によって重り５４を所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム３００自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体５２の揺れの固有振動数を発電に適したものに（例えば、共振させるように）調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る波力発電プラントについて説明する。図６は、本発明の第４実施形態に係る波力発電プラントと、港とを模式的に示した図である。

図６に示した港は、防波堤６１によって形成されており、防波堤６１の港内には、桟橋６２が設けられている。波力発電プラント４０１は港外に設けられ、波力発電プラント４０２は港内に設けられているとともに、桟橋６２の港外側に設けられている。

波力発電プラント４０１は、連結部材６４を用いて、複数の波力発電システム６３を接続して一列にしたものを、２列並列させてなるものである。このとき、波浪の進行方向に対して、近隣の波力発電システム６３が重複しないように且つぶつからない程度に密に配設されている（例えば千鳥配置）。波力発電プラント４０２は、連結部材６４を用いて、複数の波力発電システム６３を接続して一列にしたものを、２列並列させてなるものである。なお、ここでは、波力発電プラント４０１、４０２は、２列並列させてなるものを示しているが、これに限られず、設けるスペースさえあれば、何列でもかまわない。

上記構成によれば、所定範囲における波浪のエネルギーを最大限利用できるので、従来よりも効率よく且つ経済的に発電を行うことができる波力発電プラント４０１、４０２を提供できる。また、効率よく、所定範囲における波浪のエネルギーを吸収するので、より広い範囲において波浪を消波できる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態においては、ジャイロは１対のものであったが、これに限られず、３つ以上のものでも、ジャイロの余剰モーメント（不安定な方向のジャイロモーメント）を打ち消すように配設さえされていればよい。

本発明の第１実施形態に係る波力発電システムの概略構成図である。 （ａ）は、図１の波力発電システムに用いられているジャイロ式波力発電装置の全体断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるジャイロが回転した際のフライホイールを断面で示したジャイロ式波力発電装置の全体断面図である。 本発明の第１実施形態に係る波力発電システムにおけるジャイロ式波力発電装置の一変形例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る波力発電システムの側面図である。 本発明の第３実施形態に係る波力発電システムの側面図である。 本発明の第４実施形態に係る波力発電プラントと、港とを模式的に示した図である。

符号の説明

１、３７、４１、５１ ジャイロ式波力発電装置
２、４２、５２ 浮体
３、４ フランジ
５ アンカー
６ 鎖
７ 本体
８、９、３４、３５ ジャイロ
８ａ、９ａ フライホイール
８ｂ、９ｂ スピンモータ
８ｃ、９ｃ スピン軸
１０、１１、１２ ギア
１３、３６ 発電機
１４、１５ ジンバル軸
１６、１７、１９、２０ ジンバル軸受台
１８、２１ 真空ポンプ
３１ ベベルギア
４３、４４、５３ 昇降機
４３ａ 荷台
４３ｂ 油圧式パワーユニット
４３ｃ 基台
６１ 防波堤
６２ 桟橋
６３、１００、２００、３００、 波力発電システム
６４ 連結部材
４０１、４０２ 波力発電プラント

Claims (5)

1. 浮体と、該浮体に支持されたジャイロと、前記ジャイロのジンバル軸に増速手段を介して接続した発電機とを備え、波浪による浮体の揺動により前記ジャイロのジンバルを回転させ、前記発電機を駆動して発電を行うようにしたジャイロ式波力発電装置を１つ以上有している波力発電システムであって、
   前記浮体が、縦横の長さが異なる矩形環状部材であり、
   前記矩形環状部材が短手方向に揺動した際、前記ジャイロ式波力発電装置が、最大発電効率を発揮できうるものであり、
   前記ジャイロ式波力発電装置の直下に位置するとともに、前記揺動の方向に対して垂直に対向する前記矩形環状部材における各短辺の中央部から吊り下げられたアンカーがさらに設けられていることを特徴とする波力発電システム。
2. 前記ジャイロ式波力発電装置が、前記浮体の短手方向に並列され且つ中心に対して点対称の位置に配設された少なくとも１対の前記ジャイロを有しており、
   前記１対のジャイロの回転方向が、お互いに逆となっていることを特徴とする請求項１記載の波力発電システム。
3. 前記ジャイロ式波力発電装置と前記浮体との間に、前記ジャイロ式波力発電装置を昇降させることができる昇降機が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波力発電システム。
4. 重りを有するとともに前記重りを昇降させることができる昇降機が、前記ジャイロ式波力発電装置の上に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波力発電システム。
5. 請求項１〜４に記載の波力発電システムを水上に１列に並べたものを複数列配設したものであり、
   隣り合う前記波力発電システムのそれぞれのジャイロ式波力発電装置が、波浪の進行方向に対して重複しないように且つ密に配設されていることを特徴とする波力発電プラント。
   

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