JP4979547B2 - 波浪発電装置、それを用いた波浪発電ファームおよび灯浮標 - Google Patents

Description

本発明は、波浪発電装置、それを用いた波浪発電ファームおよび灯浮標に関するものである。

従来より、海岸や海面で得られる波浪エネルギーを電気エネルギーに変換する波浪発電装置についての研究が行われている。そのような波浪発電装置として、防波堤やケーソンなどの固定物に設けられ、海岸の打ち寄せる波の力を利用して発電するタイプのものは知られている（例えば特許文献１，２参照）。

また、浮体上に波浪発電装置を搭載し、洋上で発電するタイプのものも知られている（例えば特許文献３参照）。
特開２００３−９７４０９号公報（段落００３３〜００３６および図１，図２） 特開平７−１１９６０８号公報（段落００１５〜００３７および図１〜図４） 特開２００５−６９２１２号公報（段落０００９〜００１６および図１〜図３）

前者のタイプは、設置が面倒であり、コストも高くなる。一方、後者のタイプは、設置が容易で、コストも安くなる。

前記特許文献３に記載のものでは、往復運動する振子板を用いているが、発明者は、振子を回転させれば、往復運動させるよりも、安定して発電ができることに着想して、本発明をなすに至った。

この発明は、海面で得られる波浪エネルギーによって円錐振子アームを回転させて発電することで、安定した発電が可能となる波浪発電装置、それを用いた波浪発電ファームおよび灯浮標を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、海上の所定位置に係留される浮体と、前記浮体上に設けられた枠フレームと、前記枠フレームと浮体との間に回転可能に設けられ鉛直方向に延びるセンターシャフトと、上端部が前記センターシャフトの上端部付近に連結され下端部が自由端である円錐振子アームと、前記円錐振子アームにそれの軸線に沿って移動可能に設けられる可動ウエイトと、前記円錐振子アームとセンターシャフトとの間に設けられ前記円錐振子アームとセンターシャフトとの交差角度を所定の範囲内に規制する角度規制手段と、前記センターシャフトの下端部付近に連結される発電手段とを備えることを特徴とする。

このようにすれば、波によって浮体が動揺すると、センターシャフトの円錐振子アームの取付部分付近は不規則な楕円運動をするので、この楕円運動を駆動力として円錐振子アームと一緒にセンターシャフトが回転する。そして、そのセンタシャフトの回転力が発電手段を駆動することになり、発電手段が発電動作を行うことになる。

請求項２に記載のように、前記センターシャフトの下端部には、フライホイールが設けられていることが望ましい。

このようにすれば、フライホイールによって、円錐振子アームの回転運動が補助される。

請求項３に記載のように、前記発電手段は、前記センターシャフトの下端部付近に接続される増速器と、前記増速器に第１のクラッチを介して接続される発電機と、前記増速器に第２のクラッチを介して接続される起動用電動機とを備える構成とすることができる。

このようにすれば、起動時には、起動用電動機を用いてセンターシャフトを強制的に回転させることで、円錐振子アームの回転運動をスムーズに開始させることができる。

請求項４に記載のように、前記円錐振子アームは、平行に延び上端部がヒンジピンにてセンターシャフトの上端部付近に回転可能に連結される１対の側板部材と、前記可動ウエイトに連係され前記可動ウエイトを移動させる位置調整ウインチとを備え、前記可動ウエイトは、前記側板部材に移動可能に係合する係合凹部を有し、前記ウインチによって移動させられるとき前記係合凹部が前記側板部材によって案内される構成とすることができる。

このようにすれば、ウインチを駆動制御することで、可動ウエイトの位置調整が簡単に行われ、浮体の動揺に、円錐振子アームの回転を同調させやすい位置に可動ウエイトを移動させることができる。よって、浮体の動揺が変化しても、円錐振子アームの回転が継続される。

請求項５に記載のように、前記角度規制手段は、一端部が円錐振子アームに回転可能に連結される第１のリンクと、一端がセンターシャフトに回転可能に連結される第２のリンクと、第１および第２のリンクの他端部が回転可能に連結されるセンター部材と、前記センター部材と第１および第２のリンクとの間に設けられる第１および第２のダンパーとを備える構成とすることができる。

このようにすれば、円錐振子アームがセンターシャフトに対し所定の範囲内で回転するとともに、ダンパーによって急激な角度変化が抑制され、安定した発電力が得られる。

前記波浪発電装置を利用して、請求項６に記載のように波浪発電ファームとしたり、請求項７に記載のように灯浮標として用いることも可能である。つまり、請求項６の発明は、波浪発電ファームであって、請求項１〜５のいずれかに記載の波浪発電装置が、複数個、対称に連結されてなることを特徴とし、請求項７の発明は、灯浮標であって、請求項１〜５のいずれかに記載の波浪発電装置の枠フレームの上側に、上端に灯具を有する上側部材が、浮体の下側にバランスウエイトがそれぞれ設けられ、前記波浪発電装置にて発電される電力によって前記灯具が点灯されることを特徴とする。

本発明は、上記のように、波による浮体の動揺によって円錐振子アームを回転運動させ、この回転運動によって円錐振子アームと一緒にセンターシャフトを回転させ、その回転力を発電手段に伝達するようにしているので、波力を利用して、発電動作を安定して行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る波浪発電装置が海上に設置された状態を示す正面図、図２は同平面図である。

図１に示すように、海上の所定位置に設置される波浪発電装置１は、海上の所定位置に係留される平面視円形状の浮体２を有し、その浮体２上に櫓状の枠フレーム３が設けられている。浮体２は、周縁部において、３つの突出部２ａを有し、ゴム防舷材４および係留ストッパ５が設けられ、係留索６を介して、海底に固定される係留アンカー７に連係されている。

枠フレーム３は、周方向に等角度間隔でもって配置された３つのフレーム材３Ａを有する。各フレーム材３Ａは、浮体２に下端部が連結され鉛直方向に延びる下側部分３Ａａと、この下側部分３Ａａの上端部より中央に向かって傾斜して上方に延びる上側部分３Ａｂとを有し、この上側部分３Ａｂの上端部が結合されて、櫓状となっている。

枠フレーム３の上端部（上側部分３Ａｂの結合部分）と浮体２の中心部とにはそれぞれ軸受（図示せず）が設けられ、この上下の軸受によって、鉛直方向に延びるセンターシャフト１１が回転可能に支持されている。よって、センターシャフト１１が取り付けられた状態では、枠フレーム３と浮体２との間にセンターシャフト１１が回転可能に設けられていることになる。

また、センターシャフト１１の下端部には、フライホイール１２が設けられ、このフライホイール１２の上側であってセンターシャフト１１の下端部付近に、発電手段２１（増速器２２）が連結されている。

この発電手段２１は、図３に示すように、センターシャフト１１の下端部付近に接続される増速器２２と、この増速器２２に第１のクラッチ２３を介して接続される発電機２４と、増速器２２に第２のクラッチ２５を介して接続される起動用電動機２６とを備える。

一方、センターシャフト１１の上端部付近には、下端部が自由端である円錐振子アーム３１の上端部が回転可能に取り付けられている。この円錐振子アーム３１には、それの軸線に沿って移動可能なるように可動ウエイト３２が設けられている。そして、可動ウエイト３２の位置調整を行うことで、設置場所における波による浮体の動揺に基づき、同調してセンターシャフト１１および円錐振子アーム３１が一緒に回転しやすくされる。

具体的には、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、円錐振子アーム３１は、平行に延び上端部が取付ヒンジピン３３にてセンターシャフト１１の上端部付近に回転可能に連結される１対の側板部材３４と、可動ウエイト３２に連係されその可動ウエイト３２を移動させる位置調整ウインチ３５とを備える。可動ウエイト３２は、側板部材３４，３４に移動可能に係合する係合凹部３２ａを有し、ウインチ３５によって移動させられるとき係合凹部３２ａが側板部材３４によって案内され、円錐振子アーム３１の軸線に沿って移動する。

ウインチ３５は、可動ウエイト３２の係合凹部３２ａ内に回転可能に設けられている滑車３８に巻き掛けられるワイヤー３６と、円錐振子アーム３１の上端部付近に設けられワイヤー３６を巻き取ることで可動ウエイト３２を移動させるウインチモータ３７とを備える。ワイヤー３６は、一端部がモータ３７付近に固定され、滑車３８に巻き掛けられて、他端部がモータ３７によって減速機３７ａを介して回転駆動されるプーリ３９に連結される。また、可動ウエイト３２には、側板部材３４の側面上を回転するガイドローラ４０が回転可能に設けられ、可動ウエイト３２が軸線に沿って移動しやすくなっている。なお、側板部材３４にはガイドローラ４０の可動範囲を規制するストッパ２８Ａ，２８Ｂが設けられている。

円錐振子アーム３１の中間部分と、センターシャフト１１との間に、角度規制手段４１が設けられている。この角度規制手段４１は、前記円錐振子アーム３１とセンターシャフト１１との交差角度を所定の角度範囲内に規制するものである。

この角度規制手段４１は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、一端部が円錐振子アーム３１にブラケット４２ａを介して回転可能に連結される第１のリンク４２と、一端がセンターシャフト１１にブラケット４３ａを介して回転可能に連結される第２のリンク４３と、第１および第２のリンク４２，４３の他端部が回転可能に連結されるセンター部材４４と、このセンター部材４４と第１および第２のリンク４２，４３との間に設けられる第１および第２のダンパー４５，４６とを備える。このダンパー４５，４６によって前記角度の急激な変化が抑制され、前記角度の変化範囲が、ダンパー４５，４６のストローク可能な範囲に制限される。

図６に示すように、波によって浮体２が動揺し、円錐振子アーム３１の取付ヒンジピン３３付近は揺れ、不規則な楕円運動に近い動き（図６の鎖線Ｓ参照）をする。この動きを利用して、円錐振子アーム３１を回転させ、波浪発電の駆動源とする。

ウエイト位置調整ウインチ３５、起動用電動機２６および発電機２４の駆動を制御する制御系は、図７に示すように構成される。ウエイト位置検出器５１、浮体加速度計５２、および円錐振子回転周期計測器５３よりの信号を受け、演算器５４において、動揺周期の振幅、動揺振幅の演算が実行される。この演算結果にもとづいて、制御器５５が、ウエイト位置調整ウインチ３５、起動用電動機２６および発電機２４の駆動を制御する。

具体的には、装置１の起動に先だって、まず、設置場所における波による浮体２の動揺周期を、浮体加速度計５２を用いて一定期間計測する。

計測された平均動揺周期に基づき、同調しやすい位置に可動ウエイト３２を移動させる位置調整を行う。

可動ウエイト３２の位置調整後、第２のクラッチ２５をＯＮし（このとき第１のクラッチ２３はＯＦＦ）、図示しない非常用電源を利用して起動用電動機２６を回転駆動し、センターシャフト１１に回転力を付与し、円錐振子アーム３１の回転運動を補助する。このとき、浮体２の揺れと円錐振子アーム３１の回転とが同調するように回転速度の微調整を行い、ほぼ同調した状態で第２のクラッチ２５をＯＦＦし、電動機２６を停止する一方、第１のクラッチ２３をＯＮする。これにより、発電機２４による発電が開始される。

発電中は、円錐振子アーム３１の動揺周期（回転周期）と浮体２の動揺周期との同調にずれが生じた場合に円錐振子アーム３１の回転が不調となる。そのため、エイト位置検出器５１および浮体加速度計５２からの信号にもとづき演算器５４において可動ウエイト３２の適正位置が演算され、制御器５５がウエイト位置調整ウインチ３５を制御して可動ウエイト３２を適時移動させ、周期の同調制御が実行される。

このように、海面で得られる波浪エネルギーによって円錐振子アーム３１を回転させて発電することで、安定した発電が可能となる。

前述したような波浪発電装置１を複数個、例えば図８に示すように、６つを対称に連結ワイヤー６２で相互に連結して一体化して、発電能力を高めた波浪発電ファーム６１とすることができる。

また、図９に示すように、波浪発電装置１の枠フレーム３の上側に、上端に灯具７１を有する上側部材７２を、浮体２の下側にバランスウエイト７３をそれぞれ設け、灯浮標７４の電源として利用することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る波浪発電装置が海上に設置された状態を示す正面図である。 同平面図である。 センタシャフトの下端部に設けられる発電手段の説明図である。 円錐振子アームを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 角度規制手段を示し、（ａ）は開状態を示す図、（ｂ）は閉状態を示す図である。 波浪発電の原理の説明図である。 制御系の説明図である。 前記波浪発電装置を、複数個連結して発電ファームとする実施の形態の説明図である。 前記波浪発電装置を、灯浮標に利用する実施の形態の説明図である。

符号の説明

１ 波浪発電装置
２ 浮体
３ 枠フレーム
１１ センターシャフト
１２ フライホイール
２１ 発電手段
２２ 増速器
２３，２５ クラッチ
２４ 発電機
２６ 起動用電動機
３１ 円錐振子アーム
３２ 可動ウエイト
３２ａ 係合凹部
３３ 取付ヒンジピン
３４ 側板部材
３５ ウインチ
４１ 角度規制手段
４２，４３ リンク
４４ センター部材
４５，４６ ダンパー
６１ 波浪発電ファーム
７１ 灯具
７２ 上側部材
７３ バランスウエイト
７４ 灯浮標

Claims (7)

1. 海上の所定位置に係留される浮体と、
   前記浮体上に設けられた枠フレームと、
   前記枠フレームと浮体との間に回転可能に設けられ鉛直方向に延びるセンターシャフトと、
   上端部が前記センターシャフトの上端部付近に連結され下端部が自由端である円錐振子アームと、
   前記円錐振子アームにそれの軸線に沿って移動可能に設けられる可動ウエイトと、
   前記円錐振子アームとセンターシャフトとの間に設けられ前記円錐振子アームとセンターシャフトとの交差角度を所定の範囲内に規制する角度規制手段と、
   前記センターシャフトの下端部付近に連結される発電手段とを備えることを特徴とする波浪発電装置。
2. 前記センターシャフトの下端部には、フライホイールが設けられていることを特徴とする請求項１記載の波浪発電装置。
3. 前記発電手段は、前記センターシャフトの下端部付近に接続される増速器と、前記増速器に第１のクラッチを介して接続される発電機と、前記増速器に第２のクラッチを介して接続される起動用電動機とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の波浪発電装置。
4. 前記円錐振子アームは、平行に延び上端部がヒンジピンにてセンターシャフトの上端部付近に回転可能に連結される１対の側板部材と、前記可動ウエイトに連係され前記可動ウエイトを移動させる位置調整ウインチとを備え、
   前記可動ウエイトは、前記側板部材に移動可能に係合する係合凹部を有し、前記ウインチによって移動させられるとき前記係合凹部が前記側板部材によって案内されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波浪発電装置。
5. 前記角度規制手段は、一端部が円錐振子アームに回転可能に連結される第１のリンクと、一端がセンターシャフトに回転可能に連結される第２のリンクと、第１および第２のリンクの他端部が回転可能に連結されるセンター部材と、前記センター部材と第１および第２のリンクとの間に設けられる第１および第２のダンパーとを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波浪発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の波浪発電装置が、複数個、対称に連結されてなることを特徴とする波浪発電ファーム。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の波浪発電装置の枠フレームの上側に、上端に灯具を有する上側部材が、浮体の下側にバランスウエイトがそれぞれ設けられ、前記波浪発電装置にて発電される電力によって前記灯具が点灯されることを特徴とする灯浮標。

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