JP5385391B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明の第１の側面は、海面に浮かべるための浮体とリニア発電機とを備えた、電力を発生するための波力発電装置に関する。このリニア発電機は、固定子と、中心軸に沿って往復移動する並進部材とを備えたものであり、固定子は海底に固定され、並進部材は接続手段を介して浮体に接続される。

本発明の第２の側面は、そのような波力発電装置の使用に関する。

本発明の第３の側面は、海面に浮かべるための浮体を設けることと、固定子及び往復移動用の並進部材を有するリニア発電機を設けることと、固定子を海底に固定することと、並進部材を接続手段を介して浮体に接続すること、を含む電力発生方法に関する。

本出願において、“径方向”及び“軸方向”は、並進部材の中心の往復運動により規定される軸について述べている。また、“上側”及び“下側”は垂直方向を指し、波力発電装置の作動中における部品の位置に関して用いる。

海及び大きな内陸湖での波の動きは、潜在的なエネルギー源であるが、今までのところほとんど利用されていない。その一方で、これまでも海水の上下運動を利用して発電機で電力を発生するための様々な提案がなされている。海面上の一点は垂直方向に往復移動するため、電力の発生にはリニア発電機の使用が適している。

国際公開第０３／０５８０５５号明細書は、このような波力発電装置の一例を開示している。この波力発電装置では、発電機の可動部、すなわち、回転発電機における回転子に相当する部分であり、本出願においては並進部材と呼ぶ部分が、発電機の固定子に対して往復移動するようになっている。当該明細書に開示された構成では、固定子は海底に固定されている。また、並進部材は、海面に浮かぶ浮体に対して、ワイヤ、ケーブル、又はチェーンによって接続されている。

本発明の目的は、このようなタイプの波力発電装置の効率及び信頼性を高めることにある。

国際公開第０３／０５８０５５号明細書

第１の側面において、本発明の目的は、上述したタイプの波力発電装置が以下の特徴を有することにより達成される。すなわち、発電機を封入する水密のカプセルが設けられる。このカプセルの上端壁には、開口が形成されており、接続手段は、この開口を通って延びている。開口には、接続手段に抗して封止機能を奏しうる封止手段が設けられており、この封止手段は可撓性をもった状態で取り付けられている。

発電機を封入することによって、塩水等の水による腐食から発電機を保護することができ、また、並進部材の通路への水の進入を回避することにより、並進部材に対して水によるブレーキがかかるのを防ぐことができる。封止手段は、カプセル内を水が無い状態に保つために必要である。封止手段は、ガイド手段の横方向の動きや角度変化を伴う動きによる大きな力の影響を受けるおそれがあり、こうした力は摩耗を増大させる。しかし、可撓性をもたせて封止手段を取り付けることにより、良好な封止効果を維持しつつ摩擦力を低減することができる。したがって、これらの特徴は波力発電装置全体の性能を向上させる。

好ましい実施形態によれば、接続手段の少なくとも一部は棒材であり、この棒材が前記開口を通って延びている。

原理的には接続手段全体を長状の棒材とすることもできる。しかし、様々な理由により、接続手段の大部分、すなわち浮体から発電機の少し上方に位置する部分までは、可撓性を有するもの、たとえばワイヤとすることが望ましい。一方、並進部材に取り付けられた部分及びその少し上方の部分においては、接続手段は棒材であることが好ましい。これによれば、当該接続手段がカプセルの上端壁に設けられた開口を通る構成において、この部分を良好かつ容易に封止することができる。また、棒材の使用により、並進部材を軸方向のみに安定して移動させることが可能となる。これは、電気−機械エネルギーの変換効率にとって重要である。

他の好ましい実施形態によれば、可撓性をもって封止手段を取り付けることにより、封止手段の横方向の動き及び角度変化を伴う動きが可能となる。

これによれば、封止手段は、ガイド手段の横方向移動、傾斜移動、又はねじり移動に起因し接続手段を介して加えられるあらゆる力に対応することができる。従って、これらの状況のいずれか、又は複数が組み合わさって起こった場合でも、良好な封止効果を維持することができる。並進部材を適切に運動させるためにはこれらの状況をできるだけ避けることが望ましいが、もし起こった場合には封止効果が維持されることが重要である。

他の好ましい実施形態によれば、封止手段は、上端壁に可撓性部材を介して繋がるように設けられた支持要素によって支持されており、上記可撓性部材は支持要素及び上端壁に水密に取り付けられている。

上記構成により、可撓性をもたせた封止手段の取り付けを、簡単で確実な方法で実現することができる。

他の好ましい実施形態によれば、可撓性部材はゴムなどの弾性材料によって形成されている。

材料自体が高い弾性を有するものを用いることによって、上記可撓性を安価な方法で確実に実現することができる。また、様々な方向に適度な可撓性をもつように上記可撓性部材を容易に設計することができる。

他の好ましい実施形態によれば、可撓性部材は棒材と共軸であり、可撓性部材の少なくとも一部は、負荷がかかっていない状態において、外側から見た際に長手方向に凸状である。

このように対称形状とすることにより、可撓性部材の周方向の各所における、径方向の可撓性を均一にすることができる。また、凸状部分を設けることによって、可撓性部材の撓み動作を予測可能なものとすることができる。

他の好ましい実施形態によれば、可撓性部材は、両端に取り付け用フランジを有しており、一方のフランジは、支持要素のフランジ部とクランプリングとの間にボルトで固定されており、他方のフランジは上端壁とクランプリングとの間にボルトで固定されている。

外部から高い水圧がかかることが多く、また、可撓性部材が可動とされているため、可撓性部材の機械的接続については、水密性、安全性、耐久性の確保が要求される。上記のように部材間に挟み込んで固定する手法によれば、こうした要求を満たすことができる。

他の好ましい実施形態によれば、各フランジの径方向外側部分は、径方向内側部分よりも軸方向の厚みが大きい。

この構成によれば、クランプリングの圧力によってフランジが固定されるのみならず、クランプリングの当接面、及び／又は、支持要素あるいは上端面の各当接面をフランジと補完し合う形状とすることにより、そうした形状によってもフランジを固定することができる。したがって、接続がより確実になる。

他の好ましい実施形態によれば、封止手段の軸方向の伸張範囲は、径方向の伸張範囲より大きい。

これによれば、シール作用が十分な長さにわたって分散される。よって、シール圧が局所的に高くなることはなく、運転の妨げや大きな摩耗が発生することもない。好ましくは、封止手段の軸方向の伸張範囲は、径方向の伸張範囲の２倍以上である。

他の好ましい実施形態によれば、封止手段は複数のシーリング部を有する。

この実施形態は、シール圧を適度なレベルに維持しつつ良好な封止効果を得ることができるという利点を有する。

他の好ましい実施形態によれば、カプセルには高圧のガスが充填されている。

これによれば、カプセルは水漏れに対する高い耐性を有する。好適なガスの一例は窒素である。

本発明の第２の側面において、本発明の波力発電装置は、送電網に供給するための電気エネルギーの発生に使用される。

本発明の第３の側面において、冒頭に述べた方法は、さらに、発電機を水密のカプセルに封入し、カプセルの上端壁に設けられた開口を通って延びるように接続手段を構成し、開口を通る接続手段に対して封止手段を設け、当該封止手段を可撓性を持つように取り付ける、という工程をさらに含む。

本発明の方法の好ましい実施形態によれば、当該方法は本発明の波力発電装置について行われ、特にその好ましい実施形態のいずれかについて行われる。

本発明の上記使用及び上記方法によれば、本発明の波力発電装置及びその実施形態によって得られる上述の効果と同様の効果が得られる。

以下に添付図面を参照して例を述べることによって、本発明をより詳細に説明する。

本発明による波力発電装置を示す概略図である。 図１の詳細を示す断面図である。

図１は、海での作動状態における、本発明による波力発電装置を示す概略側面図である。浮体１は、海面に浮いており、海底に固定されたリニア発電機２に対して接続手段３，７を介して接続されている。接続手段は、ワイヤ、ロープ、チェーンなどである上部３と、硬質の棒材である下部７とを有する。ワイヤ３はジョイント１３を介して棒材７に接続されている。同図において、発電機は海底に取り付けられている。ただし、発電機は海底より上方に位置していてもよいし、他の方法によって固定されていてもよい。

リニア発電機２は、巻き線を備えた固定子５と、複数の磁石を備えた並進部材６とを有する。並進部材６は固定子５内で上下に往復移動可能であり、この往復移動により固定子の巻き線に電流が発生する。この電流は電気ケーブル１１によって送電網に送られる。

浮体１は、海面の波の動きによって上方に動く際、その下にある並進部材６を上方に引き上げる。次に浮体１が下方に動く際には、固定子６は重力によって下方に動く。

並進部材６に作用するようにばね（図示せず）等を設けると、下方向への力を増すことができ、好ましい。ただし、このようなばね等を設けるかどうかは任意である。

発電機２が海底に固定される一方、浮体１は海面で自由に浮いている。従って、浮体は発電機２に対して自由に横方向に移動し、その結果、ワイヤ３が傾いた状態となる。

発電機２は、高圧（過剰圧力）の窒素ガスが充填された水密のカプセル４内に封入されている。カプセル４の頂部には、ガイド手段９を備えた円錐フレーム８が固定されている。

ガイド手段９は、接続手段３が当該ガイド手段９の下方では垂直方向に動く一方、ガイド手段の上方では傾斜姿勢で動くように、接続手段３をガイドする。

また、ガイド手段９は、接続手段３が当該ガイド手段を通過する際に、その進行方向が徐々に変化するようにガイドする。これにより、接続手段３の摩耗を抑制することができる。

棒材７が、カプセル４の上端壁１４に設けられた開口を通って延びている。この開口の入り口側には水密の封止手段１２が設けられている。

図２は、図１に示した封止手段１２の拡大断面図である。この封止手段は、支持要素１５を含んでおり、この支持要素は、棒材７の周囲を囲み且つこれととともに往復移動する円筒部１６と、フランジ部１７とを有している。円筒部１６は複数のシーリング部１８を内部に有している。これらのシーリング部１８は、棒材７に圧接されており、これによりカプセルの内部（封止手段より下方）が、外側（封止手段より上方）の水に対して効果的に封止されている。支持部材１５は、ゴム等からなる可撓性部材１９を介してカプセルの上端壁１４に繋がっている。可撓性部材１９は略筒状であるが、わずかに拡径された中間部２０を有する。これにより可撓性部材は、外側に凸状の形状となっている。

可撓性部材１９の上端には、可撓性部材１９を支持要素１５のフランジ部１７に取り付けるための、外向きのラジアルフランジ２１が形成されている。ラジアルフランジ２１は、複数のボルト２３によって、フランジ部１７とクランプリング２２との間に固定されている。

ラジアルフランジ２１の径方向外側部分には、軸方向に延びる突起２３が形成されており、これと協働するクランプリング２２の径方向内側部分は、ラジアルフランジ２１と補完し合う形状を有している。これにより、ラジアルフランジ２１は効果的に固定される。可撓性部材１９の下端にも同様のフランジが設けられており、このフランジは上記と同様の手法でカプセルの上端壁１４に取り付けられている。

Claims (14)

1. 電力を発生するための波力発電装置であって、
   海面に浮かぶように構成された浮体（１）と、
   固定子（５）、及び中心軸に沿って往復移動する並進部材（６）を有するリニア発電機（２）と、を備え、
   前記固定子（５）は海底に固定されるように構成されており、前記並進部材（６）は接続手段（３，７）を介して前記浮体（１）に接続されており、
   前記波力発電装置は、前記発電機（２）を封入し、且つ、前記接続手段（７）が内部を通って延びる開口が設けられた上端壁（１４）を有する水密のカプセル（４）をさらに備え、前記開口には前記接続手段（７）に抗して作用する封止手段（１２）が設けられており、前記封止手段は可撓性をもって取り付けられており、
   前記封止手段（１２）は、前記上端壁（１４）に可撓性部材（１９）を介して繋がった支持要素（１５）によって支持されており、前記可撓性部材は前記支持要素（１５）及び前記上端壁（１４）に水密に接続されており、
   前記支持要素（１５）と前記可撓性部材（１９）は第１の固定手段によって固定されており、
   前記上端壁（１４）と前記可撓性部材（１９）は第２の固定手段によって固定されている、波力発電装置。
2. 前記接続手段（３，７）の少なくとも一部は棒材（７）であり、当該棒材が前記開口を通って延びている、請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記封止手段（１２）の可撓性をもった取り付けは、前記封止手段の横方向の動き及び角度変化を伴う動きを許容するものとされている、請求項１又は２に記載の波力発電装置。
4. 前記可撓性部材（１９）はゴムなどの弾性材料によって形成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の波力発電装置。
5. 前記可撓性部材（１９）は前記棒材（７）と共軸であり、前記可撓性部材の少なくとも一部（２０）は、負荷がかかっていない状態において、凸状の形状を作るように拡径されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の波力発電装置。
6. 前記可撓性部材（１９）は、両端に取り付け用フランジ（２１）を有しており、一方のフランジ（２１）は、前記支持要素（１５）のフランジ部（１７）とクランプリング（２２）との間に前記第１の固定手段で固定されており、他方のフランジは前記上端壁（１４）とクランプリングとの間に前記第２の固定手段で固定され、それによって前記両端の前記取り付けフランジ（２１）は互いに相対移動できる、請求項５に記載の波力発電装置。
7. 前記第１の固定手段および前記第２の固定手段の少なくとも一方はボルトである、請求項１〜６のいずれか１つに記載の波力発電装置。
8. 各フランジ（２１）の径方向外側部分（２３）は、径方向内側部分よりも軸方向の厚みが大きい、請求項７に記載の波力発電装置。
9. 前記封止手段（１２）の軸方向の伸張範囲は、径方向の伸張範囲より大きく、好ましくは少なくとも２倍である、請求項１〜８のいずれか１つに記載の波力発電装置。
10. 前記封止手段（１２）は複数のシーリング部（１８）を有する、請求項１〜９のいずれか１つに記載の波力発電装置。
11. 前記カプセルには高圧のガスが充填されており、好ましくはこのガスは窒素ガスである、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の波力発電装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の波力発電装置を、送電網に供給するための電気エネルギーの発生に使用すること。
13. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の波力発電装置を用いて行われる、電力発生方法。
14. 波力発電装置の製造方法であって、
    海面に浮かべるための浮体を設け、
    固定子、及び中心軸に沿って往復移動する並進部材を有するリニア発電機を設け、
    前記固定子を海底に固定し、前記並進部材を接続手段を介して前記浮体に接続する、各工程を含み、
    前記発電機を水密のカプセルに封入し、前記カプセルの上端壁に設けられた開口を通って延びるように前記接続手段を構成し、前記開口を通る前記接続手段に支持要素（１５）を設け、当該支持要素（１５）および可撓性部材（１９）を第１の固定手段によって取り付け、前記上端壁と前記可撓性部材（１９）を第２の固定手段により取り付ける、方法。

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