JP5729857B2

JP5729857B2 - 発電装置

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Publication number: JP5729857B2
Application number: JP2010121755A
Authority: JP
Inventors: 尾野　弘明; 弘明尾野
Original assignee: 株式会社リニア・サーキット
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: EP2390494B1; EP2390494A1; JP2011247193A; US20110291418A1; US8525360B2

Description

この発明は、たとえば海面上に浮かべ、波浪によって発電することができる発電装置に関する。

海面上に生じる波浪のエネルギを利用して発電する技術は、いわゆる波力発電技術として知られている。

波力発電技術のうち、波の進行方向に向けて開口する水室内に揺動板を吊下し、水室内に生じる定在波を利用して揺動板を前後に揺動させる揺動板方式は、波の運動エネルギ、位置エネルギの全部を効率よく電気エネルギに変換し得るため、高い発電効率を実現することができる（たとえば非特許文献１）。また、水室を浮体式に構成するとともに、波浪による水室自体の揺動を抑制することにより、発電効率をさらに向上させることができる（特許文献１）。

渡部富治、実用化に向かう波力発電、パワー社（２００９年５月２５日）、３４〜５７頁

特開２００５−６９２１２号公報

かかる従来技術によるときは、揺動板方式は、発電効率がよく、大容量発電に適しているとしても、全体装置が大げさになるため、小容量の設備として必ずしも適しているとはいえないという問題があった。

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、支持部材を介してフロート上に可動部材を搭載することによって、小形で小容量の設備として好適に使用可能な発電装置を提供することにある。

かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、海面上において波浪によって発電する発電装置であって、ベース部材と、ベース部材上に積載する支持部材と、支持部材によって支持し、ベース部材に連動して運動する可動部材と、可動部材の運動によって発電する発電手段とを備えてなり、ベース部材は、波浪によってランダムに揺動するフロートであり、可動部材は、偏心位置に重心を有する密閉の球体であり、支持部材は、球体の外面側から球体を任意の方向に回転可能に支持することをその要旨とする。

なお、支持部材は、２軸のジンバル機構であってもよい。

また、支持部材は、軸方向に移動可能な３組以上の支持ローラであってもよく、回転自在な３点以上の支持ボールであってもよく、球体の外径に適合する球面軸受形であってもよく、球体を任意の方向に相対回転自在に収納する球殻であってもよい。

かかる発明の構成によるときは、振動源や揺動源になり得る任意の構造物にベース部材を搭載すると、ベース部材は、構造物の振動や揺動により、ベース部材上に搭載する可動部材を運動させる。そこで、発電手段は、可動部材の運動を利用して発電することができる。なお、発電に寄与する可動部材の運動は、可動部材の一部であってもよく、全体であってもよい。すなわち、可動部材は、支持部材に対し、その一部だけが相対運動する形態であってもよく、その全体が相対運動する形態であってもよい。また、発電手段は、このような可動部材の相対運動のエネルギを検出して電気エネルギに変換することができればよく、その方式は、任意である。

ベース部材を海面上のフロートとすれば、フロートは、波浪によって上下左右にランダムに揺動し、フロート上の可動部材を運動させ、発電部材を介して発電することができる。

球体の可動部材は、その全体が任意の方向に往復回転することができるから、波浪によるフロートのランダムな揺動に対し、広く好適に対応することができる。ただし、球体を支持する支持部材は、球体の任意の方向の回転を許容するように、２軸のジンバル機構、軸方向に移動可能な３組以上の支持ローラ、３点以上の支持ボールなどを使用する他、球体の外径に適合するスライド形式またはボール形式の球面軸受などを使用してもよい。

垂直面内に往復振動する振動部材、垂直面内に往復揺動する揺動部材の可動部材は、波浪によるフロートの上下方向の揺動に対し、特に好適に対応することができる。また、振動部材、揺動部材の可動部材は、支持部材による支持構造が単純な形態で済むという利点がある。

水平面内に回転する回転部材は、発電手段の発電機との連結構造をコンパクトにまとめ易く、発電手段をフロート内に容易に収納することができる。ただし、回転部材は、フロートの揺動によって円滑に回転するように、支持部材の回転軸から重心を十分に偏心させるものとする。

全体構成説明図（１）全体構成説明図（２）全体構成説明図（３）全体構成説明図（４）全体構成説明図（５）全体構成説明図（６）全体構成説明図（７）全体構成説明図（８）全体構成説明図（９）全体構成説明図（１０）全体構成説明図（１１）全体構成説明図（１２）全体構成説明図（１３）全体構成説明図（１４）

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

発電装置は、フロートＦと、支持部材Ｓ、Ｓ…を介してフロートＦ上に搭載する可動部材Ｍとを備えてなる（図１）。ただし、図１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ全体模式斜視図、全体中央縦断面図である。

フロートＦは、円形の平板状に形成され、海面上に浮かべることができる。支持部材Ｓ、Ｓ…は、フロートＦ上に４基が十字状に配置されている。各支持部材Ｓは、フロートＦ上に立設するブラケット１１ａに対し、支持ローラ１１を回転自在に装着して構成されている。

可動部材Ｍは、中空の球体２１として形成されている。球体２１は、中央の接合部２１ａを介して上下に分離させることができ、内部には、重り２１ｂが固定されている。そこで、球体２１の重心は、重り２１ｂにより球体２１の中心から大きく偏心しているものとする。

可動部材Ｍは、支持部材Ｓ、Ｓ…の支持ローラ１１、１１…を介して支持されている。そこで、フロートＦを海面上に浮かべ、波浪によってフロートＦが上下左右にランダムに揺動すると、可動部材Ｍは、フロートＦの揺動により任意の方向にランダムに往復回転し、支持ローラ１１、１１…の一部または全部を回転させる。したがって、各支持ローラ１１の軸に図示しない発電機を含む発電手段を連結すれば、可動部材Ｍの運動を電気エネルギとして外部に取り出すことができる。

なお、各支持部材Ｓの支持ローラ１１は、可動部材Ｍの任意方向の回転を許容するために、軸方向に移動自在とすることが好ましい。また、このときの支持ローラ１１は、軸方向の偏移量に応じて、中央の中立位置に引き戻す方向に付勢する付勢部材を設けることにより、可動部材Ｍの回転の水平方向成分を制限し、可動部材Ｍの運動を一層円滑にすることができる。

他の実施の形態

球体２１の可動部材Ｍを回転自在に支持する４基の支持部材Ｓ、Ｓ…は、それぞれ三角錐形のスタンド１２ａの斜面上に支持ボール１２を回転自在に装着して構成することができる（図２）。ただし、図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）と同様である。

図２において、球体２１の可動部材Ｍの任意方向の回転は、互いに直角方向に配置する２基の発電手段Ｇ、Ｇを介して電気エネルギとして外部に取り出される。各発電手段Ｇは、可動部材Ｍの表面に接触して回転するローラ３１と、大小のギヤ３２ａ、３２ｂを介してローラ３１に連結する発電機３３とによって構成されており、フロートＦ上に立設する支柱３４を介して支持されている。なお、各ローラ３１は、球体２１の中央の接合部２１ａより高い位置で球体２１の表面に接触し、球体２１を支持部材Ｓ、Ｓ…上に安定に保持させている。また、各ローラ３１は、図１の支持部材Ｓの支持ローラ１１に倣って、軸方向に移動自在とすることが好ましい。

図２の球体２１の可動部材Ｍに対し、ガード４１を付設することができる（図３）。ただし、図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）と同様である。

ガード４１は、中央に円形の開口４１ａを有する平板状の部材である。ガード４１は、フロートＦ上に立設する支柱３４、３４、４１ｂを介して適切な高さに固定し、可動部材Ｍの一部を開口４１ａから露出させながら、フロートＦの揺動により可動部材Ｍが上方向に過大に移動することを防止する。

球体２１の可動部材Ｍは、球面軸受形の支持部材Ｓ、Ｓ…を介して支持してもよい（図４）。ただし、図４（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）と同様である。

各支持部材Ｓは、可動部材Ｍの外径に適合する凹状の球面を有するスタンド１２ｂと、スタンド１２ｂの球面部分に回転自在に埋設する多数の支持ボール１２、１２…とによって構成され、支持ボール１２、１２…を介して可動部材Ｍを回転自在に支持することができる。一方、図４において、発電手段Ｇは、各支持部材Ｓのスタンド１２ｂに搭載され、可動部材Ｍの表面に接触するローラ３１、大小のギヤ３２ａ、３２ｂ、発電機３３から構成されている。

図４の各支持部材Ｓは、凹状の球面を有するスタンド１２ｂを上向きに高く延長し、球体２１の可動部材Ｍの中央の接合部２１ａを越える高さとしてもよい（図５）。球体２１の可動部材Ｍを一層安定に保持することができる。ただし、図５（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）と同様である。なお、図１〜図５において、支持部材Ｓ、Ｓ…は、３基以上を使用して球体２１の可動部材Ｍを回転自在に支持することができる。

球体２１の可動部材Ｍは、球殻１３の支持部材Ｓ内に全体を収納することができる（図６）。ただし、図６（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）と同様である。

球殻１３は、中央の接合部１３ａを介して上下に分割可能であり、フロートＦ上に固定されている。一方、球体２１は、オイルなどの潤滑材１３ｂを介して球殻１３内に任意の方向に相対回転自在に収納されている。球殻１３の外面には、多数のコイル３４ａ、３４ａ…がほぼ全面に分散して装着されており、球体２１の内面には、多数の磁石３４ｂ、３４ｂ…がほぼ全面に分散して装着されている。そこで、球体２１が球殻１３に対してランダムに相対回転すると、各磁石３４ｂの磁束が対応するコイル３４ａに鎖交して各コイル３４ａに起電力を生じ、各コイル３４ａ、磁石３４ｂは、発電手段Ｇを形成することができる。

球体２１の可動部材Ｍは、水平方向の支持ローラ１４、１４…による３基の支持部材Ｓ、Ｓ…を介し、回転自在に支持してもよい（図７）。ただし図７（Ａ）は、全体上面図であり、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＸ−Ｘ線矢視相当断面図である。

各支持ローラ１４は、フロートＦ上の水平の回転軸１４ａと一体に回転自在であり、回転軸１４ａの軸方向に移動自在である。また、各回転軸１４ａには、図示しない発電手段Ｇの発電機が連結されている。そこで、フロートＦが揺動すると、球体２１の可動部材Ｍは、支持ローラ１４、１４…上においてランダムに往復回転し、各支持ローラ１４、回転軸１４ａを回転させ、発電手段Ｇ、Ｇ…を介して発電することができる。

球体２１の可動部材Ｍは、２軸のジンバル機構の支持部材Ｓを介して回転自在に支持することができる（図８）。ただし、図８（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ全体模式斜視図、全体上面図、同図（Ｂ）のＹ−Ｙ線矢視相当断面図であり、図８（Ａ）には、可動部材Ｍの図示が省略されている。

支持部材Ｓは、フロートＦ上に立設する一対の支柱１５ａ、１５ａと、支柱１５ａ、１５ａの上端に左右に揺動自在に組み付けるリング１５ｂと、リング１５ｂ上に対向するように付設する水平軸１５ｃ、１５ｃとを有する。可動部材Ｍは、水平軸１５ｃ、１５ｃのまわりに相対回転自在に装着され、リング１５ｂ内で、リング１５ｂの揺動方向と直角方向に揺動可能である。また、各水平軸１５ｃには、図示しない発電手段Ｇの発電機が連結されている。そこで、フロートＦが上下左右に揺動すると、可動部材Ｍは、ジンバル機構の支持部材Ｓを介して任意の方向にランダムに回転し、発電手段Ｇ、Ｇを介して発電することができる。

可動部材Ｍは、垂直面内に往復揺動する揺動部材２２とすることができる（図９）。

揺動部材２２は、剛体の吊下材２２ａを有する単振子の重錐であって、フロートＦ上に立設する門形のサポート１６からなる支持部材Ｓにより、前後に揺動自在に吊り下げられている。ただし、サポート１６は、フロートＦに組み込む回転台Ｆ1 上に立設されている。また、サポート１６上には、吊下材２２ａの揺動に連動して回転するローラ３１付きの発電機３３からなる発電手段Ｇが設置され、フロートＦ上には、回転台Ｆ1 の回転に連動して回転するローラ３１付きの発電機３３からなる別の発電手段Ｇが設置されている。

そこで、海面上のフロートＦが波浪により上下左右に揺動すると、回転台Ｆ1 が左右に回転するとともに（図９の矢印Ｋ1 方向）、揺動部材２２が前後に揺動する（同図の実線、点線、矢印Ｋ2 方向）。したがって、発電手段Ｇ、Ｇは、それぞれ揺動部材２２の揺動、回転台Ｆ1 の回転により発電することができる。

図９のサポート１６上の発電手段Ｇは、揺動部材２２の吊下材２２ａの上端に連結する補助軸２２ｂをサポート１６の片側に突出させ（図１０）、大小のギヤ３２ａ、３２ｂを介して補助軸２２ｂを発電機３３に連結してもよい。ただし、図１０（Ａ）、（Ｂ）は、互いに反対方向から見る全体模式斜視図である。また、図９、図１０において、揺動部材２２は、吊下材２２ａとともに、たとえば平板状などを含む任意の形状に変形可能である。

可動部材Ｍは、垂直面内に往復振動する振動部材２３とすることができる（図１１（Ａ））。

振動部材２３、２３は、たとえば、ばね材であって、支柱１７ａの上端のブラケット１７に一端を固定し、水平方向に対称的に突出させて配置されている。なお、支柱１７ａは、フロートＦ上に立設され、ブラケット１７とともに、可動部材Ｍ、Ｍを支持する支持部材Ｓを形成している。

各振動部材２３の先端には、磁石３４ｂが固定されており、磁石３４ｂは、コイルケース３４ｃの内部を上下に移動可能である。なお、コイルケース３４ｃは、フロートＦ上の支柱３４ｄ上に支持されており、コイルケース３４ｃ内には、磁石３４ｂの上下の移動経路に沿って、たとえば図１１（Ｂ）または図１１（Ｃ）のように、多数のコイル３４ａ、３４ａ…が整然と配列されて収納されている。

フロートＦが波浪によって上下左右に揺動すると、振動部材２３、２３の可動部材Ｍ、Ｍが上下に振動する（図１１（Ａ）の実線、点線、矢印方向）。そこで、各振動部材２３の先端の磁石３４ｂは、コイルケース３４ｃ内を上下に往復移動し（図１１（Ｂ）、（Ｃ）の各実線、一点鎖線、矢印方向）、磁石３４ｂの磁束がコイル３４ａ、３４ａ…と鎖交して発電することができる。

可動部材Ｍは、図１１のばね材による振動部材２３に代えて、剛体のアームからなる振動部材２４としてもよい（図１２）。

各振動部材２４の基端は、軸受１７ｂを介し、ブラケット１７に対して上下に回転自在に連結されている。また、各振動部材２４の先端には、重錐２４ａを固定し、重錐２４ａは、フロートＦ上の圧縮ばね２４ｂを介して弾発的に支持されている。そこで、フロートＦが上下左右に揺動すると、振動部材２４、２４が上下に振動し（図１２の矢印方向）、軸受１７ｂ、１７ｂを貫通する軸に連結する図示しない発電手段Ｇ、Ｇを介して発電することができる。なお、図１１、図１２において、可動部材Ｍは、支持部材Ｓの支柱１７ａのまわりに多数組を放射状に配置してもよい。

可動部材Ｍは、フロートＦ上に立設する支柱１８、１８の支持部材Ｓによって支持する一対の振動部材２５、２５によって形成することができる（図１３）。ただし、図１３（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ全体模式斜視図、同図（Ａ）の要部拡大断面図、同図（Ａ）のＺ−Ｚ線矢視相当拡大断面図、同図（Ｂ）のＷ−Ｗ線矢視相当断面図である。

振動部材２５、２５は、円筒状のコイル３４ａの両側に対称的に突設するばね材であり、各振動部材２５の先端は、支柱１８の上端のＵ溝１８ａに掛けられている。ただし、Ｕ溝１８ａの底面は、振動部材２５の長手方向に断面山形に形成されている。一方、円筒状のコイル３４ａには、フロートＦ上に立設する支柱３５が上下に貫通しており、支柱３５の中途には、コイル３４ａとともに発電手段Ｇを形成する磁石３４ｂが装着されている。

フロートＦが揺動すると、振動部材２５、２５が上下に振動し（図１３（Ａ）の矢印方向、実線、二点鎖線）、コイル３４ａが支柱３５に沿って上下に往復移動する。そこで、磁石３４ｂの磁束がコイル３４ａに鎖交し、発電手段Ｇにより発電することができる。

可動部材Ｍは、支持部材Ｓの回転軸１９によって支持する回転部材２６としてもよい（図１４）。ただし、図１４（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）と同様であり、図１４（Ａ）において、フロートＦは、一部破断して図示されている。

回転部材２６は、上向きの回転軸１９の上端に固定されており、回転部材２６の先端には、重り２６ａが固定されている。なお、回転軸１９は、フロートＦ内のベアリング１９ａを介して回転自在に支持されており、回転軸１９は、大小のギヤ３２ａ、３２ｂを介して発電手段Ｇの発電機３３に連結されている。なお、発電手段Ｇは、ベアリング１９ａとともに中空のフロートＦ内に一括して収納されている。そこで、フロートＦが揺動すると、回転部材２６がフロートＦと平行な水平面内に回転し、発電手段Ｇを介して発電することができる。回転部材２６の重心は、重り２６ａにより、回転軸１９から十分に偏心しているからである。

なお、図１４において、重り２６ｃ付きの補助回転部材２６ｂを回転部材２６と対称に設けることにより（図１４（Ａ）、（Ｂ）の各二点鎖線）、回転部材２６が回転してもフロートＦのバランスが過大に崩れてしまうことがない。ただし、重り２６ｃを設けても、回転部材２６、補助回転部材２６ｂの共通の重心は、回転軸１９から偏心しているものとする。また、回転部材２６、補助回転部材２６ｂは、一体の円板として形成してもよい。

ちなみに、図１〜図８の球体２１の可動部材Ｍは、支持部材Ｓ、Ｓ…を介し、その中心のまわりに任意の方向に往復回転自在に保持されている。そこで、これらの可動部材Ｍは、球面振子として作動する。一方、図９、図１０の揺動部材２２の可動部材Ｍ、図１１、図１２の振動部材２３、２４の可動部材Ｍは、それぞれフロートＦに垂直な一定の垂直面内に往復運動する単振子として作動している。

以上の説明において、フロートＦは、円板状に形成する他、たとえば波浪の進行方向に容易に対向するように、長方形に形成してもよく、その一端または両端を尖らせてもよい。また、フロートＦは、平板状に形成するに代えて、上面の搭載物品の一部または全部を収納し得る中空容器として形成してもよい。なお、フロートＦは、たとえば波浪の平均波高の数分の１以下程度の最大寸法に形成し、波浪によって揺動し易くすることが好ましく、一点のみを緩く係留して使用するのがよい。さらに、この発明の発電装置は、海面上において単独で使用する他、複数組を上下左右に屈曲自在に縦列に連結して使用してもよい。

また、ベース部材としてのフロートＦは、たとえば陸上用の車輌や、水上の船やブイなどの振動源や揺動源となり得る任意の構造物に搭載するためのベースとしてもよい。これらの構造物の振動や揺動を利用して発電させることができる。

この発明は、たとえば海上に設置する航路標識や照明付きのブイなどの電源用として使用する小容量の発電装置として広く好適に適用することができる。さらに、この発明は、車輌などに搭載し、車輌などの振動や揺動によって発電させる用途にも使用可能である。

Ｆ…フロート
Ｓ…支持部材
Ｍ…可動部材
Ｇ…発電手段
２１…球体
２２…揺動部材
２３、２４、２５…振動部材
２６…回転部材

Claims

海面上において波浪によって発電する発電装置であって、ベース部材と、該ベース部材上に積載する支持部材と、該支持部材によって支持し、前記ベース部材に連動して運動する可動部材と、該可動部材の運動によって発電する発電手段とを備えてなり、前記ベース部材は、波浪によってランダムに揺動するフロートであり、前記可動部材は、偏心位置に重心を有する密閉の球体であり、前記支持部材は、前記球体の外面側から前記球体を任意の方向に回転可能に支持することを特徴とする発電装置。
前記支持部材は、２軸のジンバル機構であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記支持部材は、軸方向に移動可能な３組以上の支持ローラであることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記支持部材は、回転自在な３点以上の支持ボールであることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記支持部材は、前記球体の外径に適合する球面軸受形であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記支持部材は、前記球体を任意の方向に相対回転自在に収納する球殻であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。