JP6155376B1

JP6155376B1 - 可動物体型波力発電システム

Info

Publication number: JP6155376B1
Application number: JP2016182639A
Authority: JP
Inventors: 由和田村
Original assignee: 由和田村
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: JP2018048559A

Abstract

【課題】発電効率の高い波力発電システムを提供する。【解決手段】浮体容器１０と、浮体容器１０の内部に配置される発電ユニット２０と、発電ユニット２０を海上に設置された構造物に取付けるための連結機構３０とを主に備える波力発電システム１が提供される。発電ユニット２０は、浮体容器１０に固定された固定子２１と、固定子２１に巻き付けられたコイル２２と、棒状の永久磁石を備えた多極回転子２３と、錘付き歯車２４と、錘付き歯車２４の回転を多極回転子２３に伝える回転子歯車２５とを主に備える。【選択図】図４

Description

本発明は、海上に設置されて波力により発電を行う可動物体型波力発電機に関する。

日本においては、主に火力発電、水力発電、原子力発電により電力が供給されてきた。火力発電は、電力需要に合せて出力を容易に調整でき、安価に大規模な発電所を設けることができるという利点がある。しかしながら、石油、石炭、ＬＮＧ等の化石燃料の価格変動の影響を受けるとともに、ＣＯ_２の排出量が非常に大きくなり環境負荷が非常に大きいという欠点がある。水力発電は、ＣＯ_２の排出が少ないクリーンな発電方式であると言えるが、水力発電を行うためには大型のダムを建設する必要があるため、環境に対する負荷が非常に大きくなる。原子力発電は、燃料単価が安く、広く世界に分布しているウラン資源を利用しているため、価格変動の影響を受けにくく、ＣＯ_２の排出量も低減できる。しかしながら、核分裂反応に起因した放射性廃棄物が必然的に生成されてしまうため、その適切な処理、処分が必要になる。また、チェルノブイリ原子力発電所や福島第１、第２原子力発電所のように、ひとたび大規模な原子力事故が発生してしまうと、発電所の周辺に大量の放射性物質が放出される危険性がある。

そこで、近年では、火力、水力、原子力以外の発電方式が注目されており、特に、太陽光発電、風力発電、地熱発電、波力発電などの、自然エネルギーを利用した発電方式に注目が集まっている。

特に、波力発電は、沿岸域であれば条件さえ整えばどこにでも設置できるというメリットがあるため、四方を海に囲まれた島国である日本に適した発電方法であるといえる。また、波力エネルギーは、比重の重い液体（海水）で力を伝えるため、面積当たりのエネルギーは太陽光の２０〜３０倍、風力の５〜１０倍ある。また風力と比較して波の状況は予測しやすいため、発電量の見通しが付けやすいという利点がある。また、風が止むと発電力が無くなる風力発電と比べて、波の高さは年中を通してある程度予測が立つため、発電量の予測も立てることができる。

特開２０１５−１３５０９４号公報

波力発電システムは、主に、「振動水柱型」、「可動物体型」、「越波形」の３つの種類に大別できる。振動水柱型の発電システムは、図１に示されるように、システムの中に空気室を設け、寄せ波、引き波によって海面が上下する際の空気の振動でタービンを回転させて発電する方式である。可動物体型の発電システムは、図２に示されるように、海中に設置した振り子式の受圧板で波のエネルギーを受けることで振り子の回転エネルギーを発生させ、その運動エネルギーでモータ（発電機）を回転させて発電する方式である。越波形の発電システムは、図３に示されるように、貯留池と防波堤を設けたシステムであって、寄せ波で海面が上昇する際に防波堤を越えた波が貯留池に流入し、貯まった水と海面との高低差を利用して水車タービン（発電機）を回転させて発電する方式である（特許文献１参照）。

本願発明者は、可動物体型の波力発電システムにおいて、高い効率で発電が可能なシステムを鋭意検討の結果、本願発明に至った。

本発明の態様に従えば、海上に設置された構造物に取付けられる波力発電システムであって、
内部に空間が形成され、海水に対して浮くように構成された浮体容器と、
前記浮体容器の前記空間内に固定された発電ユニットと、
前記発電ユニットを前記構造物に連結する連結機構であって、可撓性のある紐状の連結部材と、前記連結部材と前記構造物との接続部分に設けられたベアリングとを含む連結機構とを備え、
前記発電ユニットは、
誘導コイル及び前記誘導コイルから延びるリード線と、
歯車部及び前記歯車部の重心を偏らせる偏重心錘を有する偏重心歯車と、
誘導コイルに変動磁場を生じさせる磁石が設けられ、前記偏重心歯車の回転が伝えられて回転するように構成された回転子と、
前記回転子が配置されるギャップを有し、前記回転子及び前記偏重心歯車を回転可能に支持した状態で前記浮体容器に固定される固定子とを含み、
前記誘導コイルは前記固定子に巻き付けられており、前記固定子の少なくとも一部が、前記磁石からの磁力線を前記コイルに導く磁気回路を構成していることを特徴とする波力発電システムが提供される。

本発明の波力発電システムは、錘付き歯車を備えている。そして、波の動きによって浮体容器が傾くと、錘付き歯車もそれに追随して傾くように構成されている。小さな波の動きによってわずかに浮体容器が傾いたとしても、それに追随して錘付き歯車を回すことができる。そして、少しでも錘付き歯車が回ると、回転子が回るように構成されているので、効率よく発電を行うことができる。また、浮体容器（及び発電ユニット）は、チェーンなどの可撓性のある紐状の連結機構によって構造物から吊り下げられているため、波がどの方向から浮体容器に当たったとしても、浮体容器及び発電ユニットを水平面から傾けることができ、発電を行うことができる。

図１は従来の振動水柱型波力発電を示す概略図である。図２は従来の可動物体型波力発電を示す概略図である。図３は従来の越波型波力発電を示す概略図である。図４は波力発電システム１の概略図である。図５（ａ）は発電ユニット２０の概略断面図であり、図５（ｂ）は発電ユニット２０の概略平面図である。

本発明に係る可動物体型の波力発電システム１（以下、単に波力発電システム１と呼ぶ）について、図面を参照しつつ説明する。

図４に示されるように、波力発電システム１は、浮体容器１０と、浮体容器１０の内部に配置される発電ユニット（交流発電機）２０と、発電ユニット２０を海上に設置された構造物（例えば、船体、橋桁、浮遊ブイなど。以下、単に海上構造物と呼ぶ）に取付けるための連結機構３０とを主に備える。

浮体容器１０は、略直方体形状の容器であり、その内部には発電ユニット２０を配置するための空間が形成されている。浮体容器１０の材質は特に限定されない。例えば、プラスチック等の樹脂材料、金属、木材などで形成することができる。浮体容器１０の内部には空間が形成されており、発電ユニット２０を取付けた状態で、海水に浮くように構成されている。

連結機構３０は一端が海上構造物に取付けられ、他端が発電ユニット２０に固定されたチェーン３１と、チェーン３１の一端を海上構造物に回動可能（揺動可能）に取付けるためのベアリング３２と、チェーン３１を保護するための保護チューブ３３とを有する。チェーン３１の一端がベアリング３２を介して海上構造物に取付けられているため、チェーン３１は海上構造物に対して回転自在に動くことができる。また、チェーン３１の他端に取付けられた発電ユニット２０の動きを妨げずに追随できるように、保護チューブ３３は柔軟なホースにより形成されている。

発電ユニット２０は、浮体容器１０に固定された固定子２１と、固定子２１に巻き付けられたコイル２２と、複数の永久磁石を備えた回転子２３と、錘付き歯車２４とを主に備える。

固定子２１は、コの字型の形状を有している。固定子２１は、後述のように磁気回路の一部を構成しており、鉄などの透磁率の高い材料で形成されている。固定子２１は、浮体容器１０に固定されており、後述のように海上に浮かんだ浮体容器１０が波により揺れると、浮体容器１０に固定された固定子２１も揺れるように構成されている。なお、固定子２１は、一体のものとして形成されてもよく、複数のパーツに分かれていてもよい。例えば、複数のパーツがネジや接着剤などで接合されていてもよい。

固定子２１の端部に対面するように、回転子２３が回転可能に配置されている。回転子２３は、略円盤状の形状を有しており、その円周部分には複数の磁石部分２３Ａが設けられている。また、円盤形状の中心には、回転軸２３Ｂが設けられている。図５Ｂに示されるように、各磁石部分２３Ａは、角形の棒磁石であり、固定子２１の円周方向にそって、Ｎ極、Ｓ極が並ぶように配置されている。なお、隣り合う２つの磁石部分２３Ａは、Ｎ極同士、Ｓ極同士が互いに向き合うように配置されている。このように、隣り合う２つの磁石部分２３Ａが互いに反発するように配置されているので、磁石部分２３Ａの外側に磁束を放出させることができ、固定子２１が磁束を受け取りやすくなっている。本実施形態においては、１６個の磁石部分２３Ａが回転子２３の円周方向に並べられている。これにより、回転子２３はその円周方向に１６極の磁極を有する多極回転子として機能する。そして、固定子２１の一端は１６極の磁極のうちＮ極と対面するように配置され、固定子２１の他端は１６極の磁極のうちＳ極と対面するように配置されている。なお、回転子２３回転軸２３Ｂは図５（Ｂ）の紙面に垂直な方向に延在しており、磁石部分２３Ａは、図中の矢印Ｂまたは矢印Ｃの方向に回転可能である。なお、回転子２３の回転軸２３Ｂは、２枚の軸受け板２６Ａ、２６Ｂにより回転可能に支持される。なお、軸受け板２６Ａ，２６Ｂも固定子２１と同様に浮体容器１０に固定されている。軸受け板２６Ａ，２６Ｂに設けられた回転軸２３Ｂの軸受けには、ベアリング付きの転がり軸受けを採用することができる。なお、本実施形態においては、２枚の軸受け板２６Ａ，２６Ｂで回転軸２３Ｂ（及び後述の回転軸２４Ｂ）を挟む構造を採用しているので、回転軸２３Ｂ（及び後述の回転軸２４Ｂ）を確実に保持することができる。

固定子２１の略中央部分には、銅線が巻き付けられることによってコイル２２が形成されている。コイル２２から引き出されたリード線２２Ａは、連結機構３０の保護チューブ３３の内部を通って海上構造物側に引き出される。

錘付き歯車２４は、図５（Ｂ）に示されるように、略円盤状の歯車であり、周方向において略半分を覆う、アーチ状の錘２４Ａが取付けられている。錘付き歯車２４の回転軸２４Ｂは回転子２３の回転軸２３Ｂと同じ方向に延在しており、上述の２枚の軸受け板２６Ａ，２６Ｂにより回転可能に支持されている。

回転子２３の回転軸２３Ｂには、回転子歯車２５が設けられており、錘付き歯車２４の歯車は回転子歯車２５に嵌合している。これにより、錘付き歯車２４が回転したとき、その回転が回転子歯車２５に伝わる。これにより、回転軸２３Ｂが回転するので、回転子２３が回転する。

次に、海上に波力発電システム１を配置したときの発電ユニット２０の動作について説明する。上述のように、海上構造物から吊り下げられたチェーン３１の先端に発電ユニット２０が取付けられており、発電ユニット２０は浮体容器１０に固定されている。ここで、チェーン３１はベアリング３２を介して海上構造物に取付けられているため、チェーン３１は海上構造物に対して自在に動くことができる。そして、浮体容器１０は海水に浮くように構成されているため、波の動きによって浮体容器１０が揺動する。発電ユニット２０は浮体容器に固定されているため、波の動きによって浮体容器１０が揺動すると、それに伴って発電ユニット２０も揺動する。

例えば、波の動きによって浮体容器１０が図４の矢印Ａの向きに傾いた場合、それに伴って発電ユニット２０も矢印Ａの向きに傾く（図５（Ｂ）参照）。これに伴って、錘付き歯車２４も矢印Ａの向きに傾くため、錘付き歯車２４の錘２４Ａが鉛直方向下方から矢印Ａの向きにずれることになる。このとき、錘付き歯車２４の重心が矢印Ａの向きにずれることになるので、錘付き歯車２４は元に戻ろうとして、矢印Ａと反対側に回転する。この錘付き歯車２４の回転が、回転子歯車２５を介して回転子２３に伝達されて、回転子２３が回転する。回転子２３が回転すると、固定子２１の端部に対面する複数の磁石部分２３Ａが回転子２３の円周方向に移動する。これに伴って、固定子２１の端部を貫く磁束密度が変化するので、コイル２２を貫く磁束密度が変化することになる。これにより、コイル２２の両端に誘導起電力が発生してコイル２２に誘導電流が流れる。

なお、上記の説明においては、図５（Ａ）が上面視の概略図であり、図５（Ｂ）が側面視の概略図となるように、浮体容器１０の内部に発電ユニット２０が配置されていた場合を例に挙げている。しかしながら、例えば、図５（Ａ）が側面視の概略図であり、図５（Ｂ）が上面視の概略図となるように、浮体容器１０の内部に発電ユニット２０が配置されていてもよい。言い換えると、錘付き歯車２４が浮体容器１０の底面と平行になるように、浮体容器１０の内部に発電ユニット２０が配置されていてもよい。この場合においても、波の動きによって浮体容器１０が図４の矢印Ａの向きに傾いた場合、それに伴って発電ユニット２０も図５（Ａ）の矢印Ａ’の向きに傾くので、錘付き歯車２４の錘２４Ａが歯車中心よりも高い位置になる。そして、錘２４Ａが低い位置に戻ろうとして錘付き歯車２４が回転する。上述の説明と同様に、錘付き歯車２４の回転が、回転子歯車２５を介して回転子２３に伝達されて、回転子２３が回転し、コイル２２の両端に誘導起電力が発生してコイル２２に誘導電流が流れる。

上述のように、コイル２２を構成する銅線に接続されたリード線２２Ａは、連結機構３０の保護チューブ３３の内部を通って海上構造物側に引き出されている。このようにして発生した誘導電流は、交流電流でありそれをそのまま利用することもできるが、周期や振幅は、海上の波の大きさによって変動するため、一定とはならない。そこで、不図示の整流器を通して直流電流に変換して利用することもできる。

本実施形態に係る波力発電システム１の発電ユニット２０は、錘付き歯車２４を備えている。そして、波の動きによって浮体容器１０が傾くと、錘付き歯車２４もそれに追随して傾くように構成されている。小さな波の動きによってわずかに浮体容器１０が傾いたとしても、それに追随して錘付き歯車２４を回すことができる。そして、少しでも錘付き歯車２４が回ると、回転子２３が回るように構成されているので、効率よく発電を行うことができる。また、浮体容器１０（及び発電ユニット２０）は、ベアリング３２を介して海上構造物に取付けられているとともに、チェーン３１によって吊り下げられているため、波がどの方向から浮体容器１０に当たったとしても、浮体容器１０及び発電ユニット２０を水平面から傾けることができる。例えば、横から浮体容器１０の側面にぶつかる波、浮体容器１０の底の片側を持ち上げる下からのうねりなどを利用することができる。そのため、本実施形態に係る波力発電システム１を海上構造物に取付ける際に、特定の向きに取付けなければならないなどの制限はない。また、多くの種類の波を錘付き歯車２４の回転に利用できるので、エネルギー変換効率を高めることができる。

また、チェーン３１は、浮体容器１０の中心（空の浮体容器１０の重心）を通るように設けられていてもよい。チェーン３１の根元にはベアリング３２が取付けられているので、浮体容器１０の中心を回転軸とする回転方向において、浮体容器１０を容易に回転させることができる。例えば、浮体容器１０の中心を回転軸とする回転方向の水流を受けたときに、浮体容器１０を浮体容器１０の中心を回転軸とする回転方向に回転させることができる。それに伴って、錘付き歯車２４も惰性又は慣性力で回転する。これにより、水平面の水流で発生する慣性力を電力に変換することができる。

本実施形態に係る波力発電システム１の浮体容器１０はチェーン３１によって海上構造物から吊り下げられているため、チェーン３１の長さを適切に調整すれば、潮汐によって海水面の高さが変動したとしても、常時浮体容器１０を海面に浮かべることができる。また、本実施形態に係る波力発電システム１は１台でも動作するが、複数の波力発電システム１を配置することもできる。

上記実施形態において、錘付き歯車２４の錘２４Ａは、歯車の周方向の略半分(１８０°)を覆っていたが、本発明はこのような構成には限られない。例えば、錘２４Ａが歯車の周方向のうち、９０°〜１８０°を覆うように構成されていてもよい。このようにすることで、錘付き歯車２４の重心を偏らせることができ、浮体容器１０が傾いたときに、錘付き歯車２４の錘２４Ａにかかる重力のみによって錘付き歯車２４を回転させることができる。なお、錘２４Ａが歯車の周方向を覆う角度及び重さは、波により水平面から１５°以上傾くと錘付き歯車２４が回転するように調整されていてもよい。

上記実施形態において、浮体容器１０は略直方体の形状をしている。発電ユニット２０は、側面視において、浮体容器１０の長手方向、短手方向ともに、中央部分の５０％以内を占めるように配置することができる。このように配置することで、発電ユニット２０を含む浮体容器１０の重心は浮体容器１０の中央部分に位置する一方で、浮体容器１０は重心から大きく離れた端部（長手方向端部、短手方向端部）を備えることになる。そのため、浮体容器１０の長手方向、短手方向の端部に波が当たったとき、浮体容器１０を大きく傾けることができる。また、浮体容器１０の略中央部分に発電ユニット２０が配置されることになるので、装置全体の重心のアンバランスを軽減できる。なお、上記説明においては、浮体容器１０の形状は略直方体であったが、本発明はこのような形態には限られず、任意の形状にすることができる。例えば、立方体形状、円柱形、楕円球形等の形状であってもよい。いずれの場合にも、浮体容器１０の略中心付近に発電ユニット２０を配置することができる。

上記実施形態において、回転子２３、錘付き歯車２４の少なくとも１つの歯車の回転軸の上下にボールベアリングを組み込むことができる。これにより、摩擦によるエネルギー損失を抑えることができ、回転軸の摩耗を抑えて歯車の寿命を長くすることができる。

上記実施形態において、固定子２１は１つだけ設けられている。しかしながら本発明はそのような構成には限られず、複数の固定子２１を設けることができる。その場合において、各固定子２１について、端部の一方が回転子２３のＮ極と対面し、端部の他方が回転子２３のＳ極と対面している限りにおいて、複数の固定子２１の大きさ、形状、向きを自由に設定することができる。また、上記実施形態において、回転子２３と、コイル２２とは同一平面上に配置されている。しかしながら、本発明はそのような構成には限られない。あるいは、直列又は並列に繋いだ２つ以上のコイル２２を固定子２１に設けてもよい。誘導起電力はコイル２２の巻き数に比例するので、コイル２２の巻き数を増やしたり、複数のコイル２２を設けたりすることによって、発電量を増やすことができる。

上記実施形態において、固定子２１の端部の端面と、回転子２３の磁石部分２３Ａとの間の隙間は任意に設定することができるが、例えば、固定子２１と回転子２３の磁石部分２３Ａとの間の隙間が、回転子２３の直径の１／１０以下となるように、隙間の間隔を設定できる。上記隙間の間隔が狭いほど磁気抵抗を小さくできるので、固定子２１に流れ込む磁束量を大きくすることができ、発電量を大きくすることができる。

上記実施形態において、浮体容器１０の側面の上部に、転覆防止用の浮き輪が取付けられていてもよい。例えば、浮体容器１０の外周の一部又は全部を取り囲むように設けられていてもよい。これにより、浮体容器１０が大きく傾いたときに転覆してしまうことを防止することができる。

なお、本発明の形態は上記実施形態に限られず、波力発電システム１を構成する各部分の形状、材質、大きさ、構造等を必要に応じて適宜変更できることは言うまでもない。例えば、上記実施形態において、錘付き歯車２４の回転を回転子２３に伝達する歯車として、回転子２３に同軸に設けられた１つの回転子歯車２５を用いていた。しかしながら、本発明はこのような構成には限られず、例えば、複数の歯車からなるギアシステムを用いて錘付き歯車２４の回転を回転子２３に伝達することができる。あるいは、回転子歯車２５を取り除いて、錘付き歯車２４が直接回転子２３を回転させるように構成されていてもよい。なお、回転子歯車２５を設けた場合には、錘付き歯車２４が直接回転子２３を回転させるように構成されている場合と比べて、適切なギア比に設定できるため、錘付き歯車２４のわずかな回転を大きくして回転子２３に伝えることができる。また、１つの浮体容器１０の中に１つの発電ユニット２０が固定されていたが、複数の発電ユニット２０が配置されてもよい。なお、浮体容器１０の内部において、どのような向きに１又は複数の発電ユニット２０を配置するかについては特に制限は無く、任意の向きに配置できる。

また、上記実施形態において、回転子２３は１６極の磁極を有する多極回転子として構成されていたが、本発明はこのような構成には限られない。例えば、磁極の数を任意に設定することができる。なお、磁石部分２３Ａの数が多すぎる場合には、回転子２３の重量が大きくなるため回転子２３が回転しにくくなる。しかしながら、回転子２３の慣性が大きくなるため、回転子２３が急速回転したり、急停止したりすることがない。これにより、発電される交流電力の周波数変動を小さくすることができる。

１波力発電システム１
１０浮体容器
２０発電ユニット
３０連結機構

Claims

海上に設置された構造物に取付けられる波力発電システムであって、
内部に空間が形成され、海水に対して浮くように構成された浮体容器と、
前記浮体容器の前記空間内に固定された発電ユニットと、
前記発電ユニットを前記構造物に連結する連結機構であって、可撓性のある紐状の連結部材と、前記連結部材と前記構造物との接続部分に設けられたベアリングとを含む連結機構とを備え、
前記発電ユニットは、
誘導コイル及び前記誘導コイルから延びるリード線と、
歯車部及び前記歯車部の重心を偏らせる偏重心錘を有する偏重心歯車と、
誘導コイルに変動磁場を生じさせる複数の磁石が設けられ、前記偏重心歯車の回転が伝えられて回転するように構成された多極回転子と、
前記偏重心歯車と前記多極回転子とを回転可能に支持し、前記浮遊容器に固定された支持体と、
両端が前記多極回転子の前記磁石とギャップを介して対向するように配置された固定子であって、前記浮体容器に固定される固定子とを含み、
前記誘導コイルは前記固定子に巻き付けられており、前記固定子の少なくとも一部が、前記磁石からの磁力線を前記コイルに導く磁気回路を構成していることを特徴とする波力発電システム。
前記発電ユニットは、前記偏重心歯車及び前記回転子に接続されて、前記偏重心歯車の回転を前記回転子に伝える歯車をさらに備える請求項１に記載の波力発電システム。
前記偏重心歯車の前記偏重心錘は、前記浮体容器が水平面から１５°以上傾いたときに、前記偏重心歯車を回転させるように構成されている請求項１又は２に記載の波力発電システム。
前記連結部材は、チェーン状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波力発電システム。
前記連結機構は、前記チェーン状の連結部材を覆う保護チューブを有し、
前記リード線は前記保護チューブを通って前記構造物側に引き出されている請求項４に記載の波力発電システム。
前記発電ユニットは、水平方向において、前記浮体容器の中央の５０％以内の部分を占めるようにに配置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の波力発電システム。
前記偏重心歯車及び前記回転子の回転軸の軸受けとして、ボールベアリングが設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載の波力発電システム。
前記固定子は、複数の固定子として構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の波力発電システム。
前記浮体容器の側面には、転覆防止用の浮き輪が設けられている請求項１〜８のいずれか一項に記載の波力発電システム。