JP5627527B2 - 波力発電装置の固有振動調整機構 - Google Patents

Description

本発明は、波力発電装置に関するものである。

波力発電装置としては、二つの物体を上下方向に互いに相対運動させて発電機を駆動するものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特表２００９−５３５５６０号公報 特表２００９−５１８５６８号公報

上記特許文献１，２に開示されたものは、波周期に合わせて質量およびバネを選定する必要がある。しかし、実海域の波周期は主として３〜１０秒程度まで幅広く変化するので、所定の質量およびバネを選定しても、共振して発電可能となる周期帯は限定されてしまい、変化する波周期に対応できず、設備利用率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、変化する波周期に対応して固有周期（固有振動数）を調整することができる波力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の波力発電装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる波力発電装置は、バネを介して浮体の内部に取り付けられて、水面の変動に応じて往復直線運動する振動体と、該振動体の往復直線運動に基づいて駆動されて発電する発電機とを備えた波力発電装置において、前記振動体の質量に対して、質量を付加する付加質量体を備え、該付加質量体の付加質量が調整可能とされていることを特徴とする。

浮体の内部にバネを介して取り付けられた振動体は、水面の変動に応じて往復直線運動を行う。この往復直線運動に基づいて発電機を駆動し、発電を行う。本発明に係る波力発電装置によれば、振動体の質量をｍ、付加質量体の質量をΔｍとした場合、周波数ｆｎは下式（１）から求められることになる。

すなわち、付加質量体の付加質量Δｍを変化させることにより、周波数ｆｎを変化させることができる。
なお、本発明の発電機は、振動体の往復直線運動に基づいて駆動されて発電するものであればよく、発電機に伝達される駆動力は振動体から直接得てもよく（例えばリニア発電機）、あるいは間接的に他の機構を介して得ても良く、さらには、付加質量体を介して駆動力を得ても良い。

さらに、本発明の波力発電装置では、前記振動体の往復直線運動を回転運動に変換する変換機構と、前記変換機構を介して取り出された回転力により回転するとともに、前記発電機を駆動する回転体とを備え、前記付加質量体は、前記回転体とともに回転するように取り付けられるとともに、回転中心から半径方向に移動可能とされた移動錘と、該移動錘を半径方向に移動させる移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする。

変換機構によって振動体の往復直線運動を回転運動に変換し、この変換後の回転力によって回転体を回転させ、これにより発電機を駆動することとした。そして、回転体とともに回転するように付加質量体を取り付け、付加質量体の回転時の慣性モーメントを付加質量として利用することとした。
本発明の付加質量体は、回転中心から半径方向に移動可能とされた移動錘を備え、この移動錘を移動手段によって半径方向に移動させて所望の付加質量となるように位置させることとした。具体的には、移動錘を半径方向外側に位置させれば重心が半径方向外側に移ることによって慣性モーメントが大きくなり付加質量を増大させることができ、反対に、移動錘を半径方向内側に位置させれば重心が半径方向内側に移ることによって慣性モーメントが小さくなり付加質量を減少させることができる。

さらに、本発明の波力発電装置では、前記振動体の往復直線運動を回転運動に変換する変換機構と、前記変換機構を介して取り出された回転力により回転するとともに、前記発電機を駆動する回転体とを備え、前記付加質量体は、前記回転体とともに回転するように取り付けられるとともに、水中に対して進退することを特徴とする。

変換機構によって振動体の往復直線運動を回転運動に変換し、この変換後の回転力によって回転体を回転させ、これにより発電機を駆動することとした。そして、付加質量体は、回転体とともに回転するように取り付けられるとともに、水中に対して進退させられるようにした。付加質量体による付加質量は、浸水する前は、付加質量体の慣性モーメントと周囲流体（典型的には空気）を攪拌する抵抗力とされる。そして、付加質量体が水中に浸水すると、水の粘性および比重によって抵抗力が更に大きくなり、付加質量が増大する。このように、付加質量体を水中に対して進退させることによって付加質量を調整することができる。

さらに、本発明の波力発電装置では、前記付加質量体は、前記回転体に基端部が取り付けられ半径方向に延在するブレードを備えていることを特徴とする。

付加質量体として、回転体に基端部が取り付けられ半径方向に延在するブレードを備えることとした。半径方向に延在するブレードとすることにより、より水中での抵抗を大きくすることができ、付加質量の調整幅を大きくすることができる。
なお、付加質量体としては、ブレードのみで構成しても良く、或いは、ブレードと、慣性モーメントを得るための例えば円板状とされた回転板状体との組合せとしてもよい。

さらに、本発明の波力発電装置では、前記ブレードのピッチ角が変更可能とされていることを特徴とする。

ブレードのピッチ角を変更することによって、水中にて水に対する迎角を変化させることができる。これにより、さらに付加質量の調整幅を大きくすることができる。

さらに、本発明の波力発電装置では、前記付加質量体は、前記回転体に固定された回転板状体とされ、該回転板状体には、フィンが設けられていることを特徴とする。

板状体にフィンを取り付けることによって、水中における抵抗を増大させることができる。これにより、付加質量の調整幅を大きくすることができる。

さらに、本発明の波力発電装置では、前記フィンは、前記回転板状体に対して進退可能とされていることを特徴とする。

フィンを回転板状体に対して進退可能とすることにより、水中における抵抗を調整可能とした。これにより、さらに付加質量の調整幅を大きくすることができる。
また、フィンを分割して、個別に進退可能とすることにより、付加質量の調整幅を細かく設定できるようにしても良い。

本発明によれば、付加質量体の付加質量が調整可能としたので、波周期に対して振動体の固有周期を調整することができる。したがって、波力発電装置の設備利用率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態にかかる波力発電装置の概略構成を示した斜視図である。 図１の付加質量体を示した平面図である。 図１の波力発電装置の振動モデルを示した図である。 付加質量体の第１変形例を示した平面図である。 付加質量体の第２変形例を示した側面図である。 本発明の第２実施形態にかかる波力発電装置の概略構成を示した斜視図である。 図６の付加質量体のブレードの進退を示した斜視図である。 図７の付加質量体の第１変形例を示した斜視図である。 図７の付加質量体の付加質量体の第２変形例を示した斜視図である。 図７の付加質量体の付加質量体の第３変形例を示した斜視図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１には、第１実施形態にかかる波力発電装置の概略構成が示されている。
波力発電装置１は、海洋の水面７上に上部が露出して浮かぶ箱形の浮体２を備えている。浮体２内には、バネ４を介して浮体２内に取り付けられたウェイト（振動体）３と、ウェイト３に対して回転するボールネジ軸（回転体）５と、ボールネジ軸５に固定された付加質量体６と、ボールネジ軸５によって駆動されて発電する発電機８とを備えている。

ウェイト３は、波力による水面７の上下動によって生じる浮体２の上下振動を得て、所定の固有周波数にて上下方向に往復直線運動するようになっている。往復直線運動する際に、ウェイト３は、ガイド（図示せず）によって、回転せずに上下動するようになっている。ウェイト３は、バネ４によって、浮体２に対して相対運動可能なように支持されている。

ボールネジ軸５は、ウェイト３の往復直線運動によって、その軸線回りに回転するようになっている。ボールネジ軸５の下端には、付加質量体６がボールネジ軸５とともに回転するように固定されている。

発電機８は、ボールネジ軸５の上端に設けられ、ボールネジ軸５の回転によって一方向またはその反対方向に回転させられることにより電力を発生するものである。

付加質量体６は、ベースプレート９の下方の空気室内に設けられている。付加質量体６は、図２に示すように、ボールネジ軸５と同一回転中心を有するリング体１０と、図２のように平面視した場合に上下左右方向に延在する４本の移動錘用ボールネジ軸１２と、各移動錘用ボールネジ軸１２に設けられた移動錘１４と、移動錘用ボールネジ軸１２をその軸線回りに回転駆動する移動用モータ（移動手段）１６とを備えている。
移動用ボールネジ軸１２は、その一端がボールネジ軸５に対して固定されるとともに、半径方向に延在してリング体１０を挿通して他端が移動用モータ１６に接続されている。
移動錘１４は、移動錘用ボールネジ軸１２の回転に応じて半径方向に変位させられるようになっている。
移動用モータ１６は、図示しない制御部からの指令に基づいて駆動されるようになっており、リング体１０に対して固定されている。
付加質量体６は、移動用モータ１６によって移動錘１４の半径位置が決定された状態で、リング体１０，移動錘用ボールネジ軸１２、移動錘１４および移動用モータ１６が一体でボールネジ軸５とともに回転するようになっている。したがって、付加質量体６の回転時の慣性モーメントによる付加質量は、移動錘１４の半径方向位置に応じて変化させることができるようになっており、具体的には、移動錘１４を半径方向外側（リング体１０側）に位置させれば重心が半径方向外側に移ることによって慣性モーメントが大きくなり付加質量を増大させることができ、反対に、移動錘１４を半径方向内側（ボールネジ軸５側）に位置させれば重心が半径方向内側に移ることによって慣性モーメントが小さくなり付加質量を減少させることができる。

上述の構成とされた波力発電装置１は、波の振動が浮体２に入力されると、波周期に対応するように移動錘１４の半径位置が調整された付加質量体６の付加質量によって、ウェイト３が所定の固有振動数で上下方向に振動する。そして、この振動による往復直線運動に基づいて発電機８を駆動し発電させることによって電力を取り出すようになっている。

次に、図３を用いて、本実施形態の波力発電装置１の動作原理について説明する。
図３には、図１に示した波力発電装置１の振動系モデルが示されている。
同図において各記号は以下の通りである。
z_m : ウェイト３の変位
z_b : 浮体２の変位
m_m : ウェイト３の質量
m_b : 浮体２の質量
k : 浮体２−ウェイト３間バネ定数
k_b : 浮力バネ定数
c : 浮体２−ウェイト３間の減衰定数（例えば発電機８）
c_b : 造波減衰定数
c_f : 付加質量体６の減衰定数
I : 付加質量体６の慣性モーメント
m_ba : 付加水質量
F_f : 波外力

運動方程式は、下式のように表される。

ここで付加質量体６の回転角θは下式（５）のように表されるので、式（４）は下式（６）のように変形できる。

そして、式（６）を式（３）に代入すると、下式となる。

ここで、

と置くと、下式となる。

式（７）を式（２）に代入すると、下式となる。

式（８）を整理すると、下式となる。

式（７）の左辺および中辺を用いて整理すると、下式となる。

式（９）及び式（１０）を用いてマトリクス表示すると、下式のようになる。

ここで、

と置くと、下式となる。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
付加質量体６の移動錘１４の半径方向位置を変化させることによって、付加質量体６の慣性モーメントＩを変化させ、付加質量Δｍを調整できるようにした。これにより、式（１）及び式（１２）から分かるように、ウェイト３の固有振動数を調整することができるので、変化する波周期に対応させてウェイト３を共振させることができ、結果として波力発電装置１の設備利用率を向上させることができる。

なお、移動錘１４の半径位置を変化させることによって付加質量体６の付加質量Δｍを調整する態様として、図４及び図５のように変形することができる。
図４は、移動錘１４をリング体１０の外周側で、図２と同様に移動錘用ボールネジ軸１２及び移動用モータ１６によって、移動錘１４の半径位置を調整するものである。図４のように、移動錘１４をリング体１０の外周側に位置させることにより、図２の場合よりも慣性モーメントを増大させることができる。

図５は、リンク機構によって移動錘１４の半径位置を調整するものである。具体的には、ボールネジ軸５とともに回転する固定部２０と、固定部２０に対してボールネジ軸５の軸線方向に往復動するスライダ２１とを設ける。固定部２０には、揺動可能とした第１アーム２２を左右対称に取り付け、各第１アーム２２の他端には第２アーム２３の一端を回動可能に取り付ける。２つの第２アーム２３はスライダ２１にて交差した状態でピン支持され、それぞれの先端に移動錘１４を取り付ける。このような構成により、固定部２０に対してスライダ２１を図示しないアクチュエータによって進退させれば、移動錘１４の半径位置を調整することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図６及び図７を用いて説明する。
本実施形態は、ウェイト３が往復直線運動を行い発電機８にて発電する構成は第１実施形態と同様なので、同一符号を付しその説明を省略する。本実施形態の波力発電装置３０は、付加質量体の構成が第１実施形態と異なるので、この点について説明する。
付加質量体３２は、ボールネジ軸５とともに回転する円板状のイナーシャディスク３３と、ブレード３４とを備えている。
イナーシャディスク３３は、ボールネジ軸５に固定され、ボールネジ軸５とともに回転するようになっている。したがって、イナーシャディスク３３による付加質量は、円板の慣性モーメントとなり、固定値である。
ブレード３４は、その基端部がボールネジ軸５の下端部に固定されており、半径方向に延在するように構成されている。ブレード３４の枚数は、図６では２枚とされているが、その数は３枚以上であってもよい。
浮体２の円筒ケーシングの下端２ａは開放端となっている。したがって、付加質量体３２が取り付けられた空間、すなわち浮体２のベースプレート９から下方の空間は空気室となっており、浮体２の円筒ケーシングの下端２ａの位置に水面が位置している。
本実施形態では、ブレード３４が浮体２の下端２ａの下方の水中に対して進退するようになっている。付加質量体３２によって得られる付加質量は、浸水する前は、イナーシャディスク３３及びブレード３４の慣性モーメントと、ブレード３４が空気を攪拌する抵抗力とされる。そして、図７の右図に示すようにブレード３４が水中に浸水すると、水の粘性および比重によってブレード３４に加わる抵抗力が更に大きくなり、付加質量が増大する。このように、付加質量体３２のブレード３４を水中に対して進退させることによって付加質量を調整することができる。

さらに、図８に示すように、水中に浸水させたブレード３４のピッチ角を変更させるようにしても良い。具体的には、図８の左図よりも迎角が大きくなるようにピッチ角を変更して図８の右図のようにすると、水の抵抗が増大し、付加質量が更に増大するにようなる。このように、水中にてブレード３４の水に対する迎角を変化させることにより、さらに付加質量の調整幅を大きくすることができる。

また、図９のように、イナーシャディスク３３に対して、付加抵抗物となるフィン３５を追加するようにしてもよい。具体的には、イナーシャディスク３３の下面から下方に突出するようにフィン３５を取り付ける。フィン３５は、イナーシャディスク３３を下方から見て、略十文字となるように取り付けられている。なお、フィン３５の取り付け形態はこの略十文字に限定されるものではない。
イナーシャディスク３３の下面に設けたフィン３５によって、水中での抵抗力を増大させて付加質量の調整を図る。また、フィン３５が付加重量体３２と一体に構成されているので、装置構成が簡便化される。

さらに、図９の構成に加えて、図１０に示すように、イナーシャディスク３３の下面に塵付けたフィン３５を分割して、個別に進退させるようにしても良い。同図では、フィン３５を半径方向に複数分割して、半径位置ごとに進退させることができるようになっている。これにより、大きな付加質量を得たい場合には半径方向外側に位置するフィン３５を進出させ、小さな付加質量を得たい場合には半径方向内側に位置するフィン３５を進出させる。これにより、付加質量の調整幅を細かく設定できる。

１，３０ 波力発電装置
２ 浮体
３ ウェイト（振動体）
４ バネ
５ ボールネジ軸（回転体）
６ 付加質量体
８ 発電機
１４ 移動錘
１６ 移動用モータ（移動手段）
３２ 付加質量体
３３ イナーシャディスク
３４ ブレード
３５ フィン

Claims (7)

1. バネを介して浮体の内部に取り付けられて、水面の変動に応じて往復直線運動する振動体と、
   該振動体の往復直線運動に基づいて駆動されて発電する発電機と、
   を備えた波力発電装置において、
   前記振動体の質量に対して、質量を付加する付加質量体を備え、
   該付加質量体の付加質量が調整可能とされていることを特徴とする波力発電装置。
2. 前記振動体の往復直線運動を回転運動に変換する変換機構と、
   前記変換機構を介して取り出された回転力により回転するとともに、前記発電機を駆動する回転体とを備え、
   前記付加質量体は、前記回転体とともに回転するように取り付けられるとともに、回転中心から半径方向に移動可能とされた移動錘と、該移動錘を半径方向に移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記振動体の往復直線運動を回転運動に変換する変換機構と、
   前記変換機構を介して取り出された回転力により回転するとともに、前記発電機を駆動する回転体とを備え、
   前記付加質量体は、前記回転体とともに回転するように取り付けられるとともに、水中に対して進退することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
4. 前記付加質量体は、前記回転体に基端部が取り付けられ半径方向に延在するブレードを備えていることを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
5. 前記ブレードのピッチ角が変更可能とされていることを特徴とする請求項４に記載の波力発電装置。
6. 前記付加質量体は、前記回転体に固定された回転板状体とされ、
   該回転板状体には、フィンが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
7. 前記フィンは、前記回転板状体に対して進退可能とされていることを特徴とする請求項６に記載の波力発電装置。

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