JP5738043B2 - 波力発電装置 - 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、波周期に合わせて振動体の質量およびバネが選定される。また、浮体についても、その固有周期が波周期よりも大きい場合には浮体が動揺しないことが想定されるので、浮体の固有周期を設計波周期よりも小さくするように設計される。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、場合によっては浮体の固有周期よりも実海域の波周期が大幅に大きくなり、浮体が効果的に動揺せずに波力発電装置の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浮体を有す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、水面上に浮かぶ浮体と、該浮体の内部にバネを介して取り付けられ、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、前記浮体の浮体の質量、浮体の付加水質量および浮体の浮力バネ係数の少なくともいずれか１つが調整可能とされていることを特徴とする。

水面の変動すなわち波周期に応じて浮体が揺れ、この浮体の揺れに基づいて内部の振動体が往復直線運動を行い、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。浮体の固有周波数ｆｎは、浮体の質量をm_b、浮体の付加水質量をm_ba、浮体の浮力バネ係数をk_bとした場合、下式（１）から求められることになる。

すなわち、浮体の質量m_b、浮体の付加水質量m_baおよび浮体の浮力バネ係数k_bのいずれか１つを変化させることにより、浮体の固有周波数ｆｎを変化させることができる。
本発明は、浮体の質量m_b、浮体の付加水質量m_baおよび浮体の浮力バネ係数k_bの少なくともいずれか１つが調整可能とされているので、変化する実海域の波周期に応じて浮体が動揺するように浮体の固有周波数を調整することができる。これにより、波力発電装置の設備利用率を向上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によれば、前記浮体は、その側面から外方に突出する突出体を備え、該突出体の姿勢を変化させることによって、水面における浮体断面積が調整可能とされていることを特徴とする。

浮体の浮力バネ係数k_bは、下式（２）にて表すことができる。
k_b＝ρｇA_b ・・・（２）
ここで、ρは水（例えば海水）の密度、ｇは重力加速度、A_bは水面における浮体断面積である。
式（２）から分かるように、浮体断面積A_bを変化させることによって浮力バネ係数k_bを変化させることができる。本発明では、浮体の側面から外方に突出する突出体を設け、この突出体の姿勢を変化させることによって浮体断面積を調整することとした。これにより、浮体の浮力バネ係数k_bを調整することができ、結果として浮体の固有周波数を調整することができる。
突出体の姿勢の変化のさせ方としては、種々の方法が適用できるが、例えば、浮体の側面から見た突出体の形状を非円形（例えば楕円形または長円形）としておき、この突出体を突出方向の軸線回りに回転させて所望の角度位置に設定することとしても良いし、或いは、突出方向に突出体を進退させてもよい。

さらに、本発明の波力発電装置によれば、前記突出体は、上下方向に複数設けられていることを特徴とする。

突出体を上下方向に複数設けることにより、浮体に対する水面の相対位置が変化しても浮体断面積を容易に調整することができる。また、水没している突出体は、浮体の付加水質量を調整するように利用することもできる。

さらに、本発明の波力発電装置によれば、前記浮体内には、水を収容する水収容部が設けられ、該水収容部の保有水量が調整可能とされていることを特徴とする。

浮体内に水収容部を設け、水収容部内の保有水量を調整可能とした。これにより、浮体の質量を変化させることができ、結果として浮体の固有振動数を調整することができる。
水収容部としては、浮体本体の底部空間を利用しても良いし、或いは、浮体の側部に水タンクを設けても良い。

さらに、本発明の波力発電装置によれば、前記浮体の外部から水を前記水収容部内に取り込み、かつ／または、前記水収容部内の水を前記浮体の外部へと排出するポンプとして、水撃ポンプが用いられていることを特徴とする。

浮体の外部と水収容部との間で水を送るためのポンプとして、水撃ポンプを用いることとした。水撃ポンプは、水撃作用によって駆動され電力を必要としないので、波力によって発電した電力を無駄に消費することがなく、波力発電装置の発電効率を低下させることがない。

さらに、本発明の波力発電装置によれば、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、振動体の周波数ｆｎ’は下式（３）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、振動体の周波数ｆｎ’を変化させることができる。

本発明の浮力発電装置は、浮体の質量m_b、浮体の付加水質量m_baおよび浮体の浮力バネ係数k_bの少なくともいずれか１つが調整可能とされているので、変化する実海域の波周期に応じて浮体が動揺するように浮体の固有周波数を調整することができる。これにより、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を示した斜視図である。 図１の波力発電装置の内部を示した部分断面斜視図である。 図１の波力発電装置の突出体の姿勢変化を示した側面図である。 図１の波力発電装置の振動モデルを示した図である。 図１の波力発電装置の変形例を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかる波力発電装置を示した縦断面図である。 図６の波力発電装置の変形例を示した縦断面図である。

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及び図２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おり、図
１には外観斜視図が、図２にはその内部を示した断面斜視図が示されている。

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、下端がベースプレート９に固定されたバネ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。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おり、所定の付加質量となるように調整可能とされている。

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。

浮体２の上部には、その側面から外方に突出する突出体１０が設けられている。突出体１０の高さ範囲内に水面７が位置するように、突出体１０の高さ位置が決定されている。突出体１０は、浮体２の外周に約９０°ピッチで設けられている。ただし、突出体１０の数や間隔（ピッチ）は任意であり、必要とする浮体断面積に応じて決定される。
突出体１０の形状は、浮体２の側面から見た場合、楕円形状または長円形状とされている。ただし、この形状は、真円でない限り、種々の形状を適用することができる。
突出体１０は、浮体２内に設置された回転モータ１２によって、水平方向に延在する回転軸線Ｌ１周りに回転させられるようになっている。この回転モータ１２を駆動することによって、図３（ａ）に示すように、突出体１０の長軸方向が鉛直方向を向くように位置させることができ、或いは、図３（ｂ）に示すように、突出体１０の長軸方向が水平方向を向くように位置させることができる。このようにして、浮体２の浮力バネ係数を調整する。

浮体２の浮力バネ係数k_bは、下式（２）にて表すことができる。
k_b＝ρｇA_b ・・・（２）
ここで、ρは水（例えば海水）の密度、ｇは重力加速度、A_bは水面における浮体断面積である。
式（２）から分かるように、浮体断面積A_bを変化させることによって浮力バネ係数k_bを変化させることができる。
したがって、図３（ａ）のように位置させると、水面７にける浮体断面積A_bが小さくなり、浮力バネ係数が小さくなる。一方、図３（ｂ）のように位置させると、水面７における浮体断面積A_bが大きくなり、浮力バネ係数が大きくなる。このように、突出体１０を軸線Ｌ１回りに回転させて所定の角度位置で固定することによって浮体断面積A_bを変更し、浮力バネ係数k_bひいては下式（１）にて表される浮体２の固有振動数fn（または固有周期）を調整できるようになっている。

突出体１０の回転角度は、図示しない制御部によって決定されるようになっている。具体的には、制御部は、波高計等の波周期計測手段によって得られた実海域の波周期に基づいて突出体１０の回転角度を予め得られたマップまたは関数に基づいて演算し、回転モータ１２を制御して突出体１０を所定の回転角度とする。

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、突出体１０の回転角度によって波周期に対応して固有周期が調整された浮体２が動揺し、さらにこの浮体２とともに波周期に対応させて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４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４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（７）のように表されるので、式（６）は下式（８）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（９）を式（４）に代入すると、下式となる。

式（１０）を整理すると、下式となる。

式（９）の左辺および中辺を用いて整理すると、下式となる。

式（１１）及び式（１２）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。
浮体２の側面から外方に突出する突出体１０を複数設け、これら突出体１０の回転させることによって浮体断面積A_bを調整することとした。これにより、浮体の浮力バネ係数k_bを調整することができ、結果として浮体の固有周波数fnを調整することができる。したがって、変化する実海域の波周期に応じて浮体が動揺するように浮体の固有周波数を調整し、ウェイト３を効果的に往復直線運動させることができるので、波力発電装置の設備利用率を向上させることができる。

また、上式（１３）及び式（１４）からわかるように、付加質量（Δｍ）は振動体であるウェイト３に付加される質量となる。これより、先に示した式（３）から分かるように、同じ固有振動数を得るとき、付加質量（Δｍ）を付加すれば、バネ定数を増加できる。すなわち、硬く短いバネ４を使うことができる。これにより、波力発電装置１を小型化することができる。
また、付加質量体６の質量を適宜調整することによりウェイト３の質量を小さくすることができ、さらに波力発電装置１を小型化することができる。

なお、本実施形態は以下のように変形することができる。
図５に示すように、突出体１０を上下方向に複数段（同図では２段）設けることとしても良い。これにより、浮体２に対する水面７の相対位置が変化しても浮体断面積A_bを容易に調整することができる。また、同図に示すように、平面視した場合に、一の段における各突出体１０の周方向における配置を、他の段における突出体１０の周方向配置に対してずらしても良い。
さらに、水没している突出体１０は、浮体２の付加水質量m_ba（式（１）参照）を調整するように利用することもできる。
また、本実施形態の突出体１０は、水平軸線Ｌ１回りに回転させて浮体断面積を変化させることとしたが、これに代えて或いはこれに加えて、突出体１０の突出方向（浮体２の半径方向）に進退する構成として、浮体断面積を変化させる構成としても良い。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態は、浮体２の動揺を得てウェイト３に往復直線運動を行わせ発電機８によって電力を取り出す構成は同様であるので、同一構成については同一符号を付しその説明を省略する。本発明は、浮体２の質量m_b（式（１）参照）を調整することによって浮体の固有周波数（または固有周期）を調整することに特徴がある。
浮体２の中央位置には、筒体１４が立設されており、この筒体１４内に、ウェイト３、バネ４、ボールネジ軸５、付加質量体６及び発電機８といった往復直線運動を行い発電を行う機構が収納されている。筒体１４は、その外部から内部に水が侵入しないように水密に設けられている。

浮体２の下部には、取水口１６及び取水弁１７が設けられている。これら取水口１６及び取水弁１７を介して海水が浮体２内に導かれるようになっている。浮体２の底部は海水を収容するための水収容部１５となっており、この水収容部１５に取り込まれた海水が貯留されるようになっている。

浮体２の底部には、貯留された海水を汲み上げるためのポンプ１９が設けられている。ポンプ１９によって水収容部１５に貯留された海水が汲み上げられ、排水管２０を介して排水口２１から浮体２の外部へと排出されるようになっている。ポンプ１９としては、水撃ポンプが用いられる。水撃ポンプは、水撃作用によって駆動され電力を必要としないので、波力によって発電した電力を無駄に消費することがなく、波力発電装置１の発電効率を低下させることがないという利点を有する。

取水弁１７の開閉およびポンプ１９の動作を組み合わせることによって、水収容部１５内に貯留される保有水量を調整することができる。この保有水量によって浮体２の質量m_bが変化するので、浮体２の固有振動数fnを調整することができる（式（１）参照）。
取水弁１７及びポンプ１９の制御は、図示しない制御部によって行われる。具体的には、制御部は、波高計等の波周期計測手段によって得られた実海域の波周期に基づいて所望の保有水量を予め得られたマップまたは関数に基づいて演算し、取水弁１７及びポンプ１９を制御して所望の保有水量とする。

このように、本実施形態によれば、浮体２内に貯留される保有水量を変化させることによって浮体２の質量m_bを調整することとしたので、浮体２の固有振動数（または固有周期）を調整することができる。したがって、変化する実海域の波周期に応じて浮体が動揺するように浮体の固有周波数を調整し、ウェイト３を効果的に往復直線運動させることができるので、波力発電装置の設備利用率を向上させることができる。

なお、本実施形態は、図７に示すように変形させることもできる。すなわち、浮体２の中央に筒体１４を水密状態で挿通させて、筒体１４の上部を浮体の上方に突出させ、また筒体１４の下部を浮体２の下方から突出させる構成としても良い。これにより、筒体１４の上部または下部から筒体１４内に外部からアクセスすることができるので、発電機８や付加質量体６等の取替えやメンテナンスが容易となる。

１ 波力発電装置
２ 浮体
３ 振動体
４ バネ
６ 付加質量体
７ 水面
８ 発電機
１０ 突出体
１５ 水収容部
１９ ポンプ

Claims (4)

1. 水面上に浮かぶ浮体と、
   該浮体の内部にバネを介して取り付けられ、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、
   前記浮体は、その側面から外方に突出する突出体を備え、
   該突出体の姿勢を変化させることによって、水面における浮体断面積を調整可能とすることにより、前記浮体の浮力バネ係数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. 前記突出体は、上下方向に複数設けられ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. 水面上に浮かぶ浮体と、
   該浮体の内部にバネを介して取り付けられ、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、
   前記浮体内には、水を収容する水収容部が設けられ、
   該水収容部の保有水量が調整可能とされ、
   前記浮体の外部から水を前記水収容部内に取り込み、かつ／または、前記水収容部内の水を前記浮体の外部へと排出するポンプとして、水撃ポンプが用いられていることを特徴とする波力発電装置。
4. 水面上に浮かぶ浮体と、
   該浮体の内部にバネを介して取り付けられ、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。

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