JP6265720B2 - 波力発電システム - Google Patents
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Description
図1に示す波力発電システム1は、海岸に打ち寄せる波の力、即ち波のエネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電する発電システムであり、海岸に設けられている防波堤2の前方に設置されている。具体的に説明すると、防波堤2付近の海底3には、コンクリートシンカー4が設置されており、このコンクリートシンカー4には、複数(例えば、4本)の支柱5が立設されている。複数の支柱5の上には、平面視で大略矩形状の床板6が載せられて固定されており、床板6には、中空の防水カバー7が被せられている。防水カバー7の中には、波力発電システム1の一部分が収容されており、図1及び2に示すように波力発電システム1は、振子式の波受機構10を備えた鋼製海洋ジャケット構造物として構成されている。
波力発電システム1に備わる波受機構10は、軸部材11と、一対の取付部12と、波受部材13とを有している。軸部材11は、防水カバー7内において左右方向に延在する軸であり、軸部材11の中間部分には、一対の軸受部材14が設けられている。一対の軸受部材14は、左右に間隔をあけて配置されており、軸部材11を回動可能に支持している。また、軸部材11には、軸線方向両端部に一対の取付部12が夫々固定されており、取付部12は、軸部材11の軸線方向両端部から下方に夫々垂下されている。取付部12は、床板6に形成される溝(図示せず)を通って床板6の下方まで延在しており、取付部12の下端部は、海面より上方に位置している。取付部12の下端部には、波受部材13が一体的に設けられている。
ポンプ装置20は、一対のポンプ21,21を有している。ポンプ21は、ラムシリンダ式のポンプであって、一対のシリンダ22,23及びロッド24を有している。一対のシリンダ22,23は、大略有底筒状に形成されており、各々の開口が対向するようにそれらの軸線方向に間隔をあけて配置されている。また、各シリンダ22,23には、1本のロッド24の一端部及び他端部が夫々挿通されており、ロッド24の一端部及び他端部は、シリンダ22,23内をその軸線に沿って夫々往復運動できるようになっている。
油圧駆動回路40は、前述する主通路41を備えており、主通路41には、アキュムレータ装置43が接続されている。アキュムレータ装置43は、アキュムレータ用切換弁44及び複数の(本実施形態では2つ)アキュムレータ45,46を有している。アキュムレータ用切換弁44は、いわゆる電磁切換弁であり、そこに入力されるアキュムレータ切換指令に応じて主通路41の接続先をアキュムレータ45,46のいずれか一方に選択的に切換え、且つアキュムレータ45,46と主通路41との間を遮断することができるようになっている。アキュムレータ45,46は、作動油を蓄圧可能に構成され、且つ互いに蓄圧できる作動油の蓄圧容量が異なっている。また、主通路41には、アキュムレータ装置43より下流側に流量検出装置である流量センサ42が取り付けられており、流量センサ42は主通路41を流れる流量を検出するようになっている。
油圧モータ装置60は、モータ用切換弁61と、2つのモータ用通路62,63と、2つの油圧モータ64,65とを有している。モータ用切換弁61は、主通路41と2つのモータ用通路62,63とに繋がっている。モータ用切換弁61は、いわゆる電磁切換弁であり、そこに入力されるモータ切換指令に応じて主通路41の接続先を2つのモータ用通路62,63のうちのいずれか一方に選択的に切替え、且つ2つのモータ用通路62,63と主通路41との間を遮断することができるようになっている。2つのモータ用通路62,63は、下流側がタンク通路48に繋がっており、第1モータ用通路62には、第1油圧モータ64が介在し、第2モータ通路63には、第2油圧モータ65が介在している。
発電機71は、いわゆる同期発電機であり、例えば永久磁石発電機によって構成されている。発電機71は、出力軸66の回転速度に応じた周波数の交流電力(以下、単に「電力」ともいう)を発生するようになっている。それ故、出力軸66が定格回転数(例えば、1500rpm又は1800rpm)以下で回転したり、また出力軸66の回転速度が安定していなかったりしても発電機71は発電することができ、発電量を向上させることができる。なお、本実施形態では、発電機71に同期発電機を採用しているが発電機71として誘導発電機を用いてもよい。このように構成されている発電機71は、パワーコンディショナ72に接続されており、発電機71で発生した電力は、パワーコンディショナ72に伝送されるようになっている。
周波数変換機であるパワーコンディショナ72は、電力系統に接続されており、電力の電圧及び周波数を商用電源から供給される電力と略同じ電圧及び周波数に調整して電力系統74に伝送するようになっている。即ち、パワーコンディショナ72は、発電機71で発生した電力の電圧及び周波数を電力系統に接続する際に要求される値に調整し、電力系統に伝送するようになっている。また、発電機71には、回転数センサ73が設けられており、回転数センサ73は、出力軸66の回転速度、即ち回転数を検出するように構成されている。回転数センサ73は、前述する流量センサ42と共に制御装置80に接続されており、これらの2つのセンサ73,42は、検出結果を制御装置80に出力するようになっている。
制御装置80は、2つのセンサ42,73の他に、アキュムレータ用切換弁44、モータ用切換弁61、サーボ機構67,68、及びパワーコンディショナ72に電気的に接続されている。アキュムレータ切換用制御装置及びモータ切換用制御装置である制御装置80は、流量センサ42の検出結果に基づいてアキュムレータ用切換弁44及びモータ用切換弁61に切換指令を出力してそれらの動作を制御するようになっている。また、サーボ機構用制御装置である制御装置80は、回転数センサ73の検出結果に基づいてサーボ機構67,68にサーボ指令を出力し、サーボ機構67,68の動作を制御するようになっている。また、制御装置80は、パワーコンディショナ72に駆動指令を出力し、パワーコンディショナ72の動作を制御するようになっている。以下では、制御装置80の制御動作を含め、波力発電システム1の動作について詳細に説明する。
波力発電システム1では、波受部材13が波の力を受けて揺動すると一対のポンプ21,21から作動油が吐出され、第1ポンプ通路31又は第2ポンプ通路32を介して主通路41に供給される。即ち、ポンプ装置20から主通路41に作動油が吐出される。なお、ポンプ装置20から吐出される作動油の流れ(流量及び油圧)は、一対のポンプ21がラムシリンダ式のポンプであるので脈動している。作動油が吐出されると、流量センサ42は、主通路41を流れる作動油の流量を検出し、その検出結果を制御装置80に出力する。
以下では、波力発電システム1の設置位置について詳述する。防波堤2が配置されている海岸では、防波堤2の前側(即ち、海側)に消波ブロック8が設けられており、この消波ブロック8と海の平均水面9とが交差する場所が波の仮想反射面Pとなっている。波受部材13は、仮想反射面Pから距離Xだけ離した位置に配置されている。ここでXは、防波堤に押し寄せる波に含まれる様々な周波数の波のうち頻度の高い周波数(本実施形態では、もっとも頻度の高い周波数)の波の波長(図1の3点鎖線参照)の1/4の距離である。このような位置に波受部材13を配置することによって、沖側からの波の力が防波堤2及び消波ブロック8で反射された波の力によって相殺されることを防ぐことができる。これにより、波の力によって波受部材13を効率よく揺動させることができ、波のエネルギーから電機エネルギーへの変換効率を向上させることができる。また、変化する波の波長に応じて常に設置位置が1/4波長となるように可変にすることもできる。その手段として、例えば、台板6から上部の機器全体をコロ等を介して波の進行方向に設置したレール上を油圧アクチュエータまたは電動アクチュエータで移動させることができる。
波力発電システム1では、波受機構10の取付部12を引き上げたり引き下げたりして波受部材13の一部または全部を昇降する昇降装置90が設けられている。昇降装置90は、例えば油圧シリンダ及び油圧昇降機構によって構成され、昇降制御装置である制御装置80からの昇降指令に応じて油圧昇降機構が油圧シリンダに圧油を供給し、波受部材13を昇降するようになっている。このように波受部材13を昇降することによって、海面より下に沈んでいる波受部材13の面積を調整することができ、波受部材13が波から受ける力(エネルギー)を調整することができる。これにより、波受部材13、ポンプ装置20、及び油圧モータ装置60等の破損を防ぐことができ、また波力発電システム1の発電量を調整することができる。なお、上記油圧昇降機構は、油圧シリンダを電動機とボールスクリュウとを用いた駆動装置に置き換えて、電動式昇降機構とすることもできる。
本実施形態の波力発電システム1は、パワーコンディショナ72を備えているが、必ずしも必要ではない。例えば、サーボ機構67,68によって出力軸66の回転速度を高い精度で制御することによって発電機71で発生する電力の周波数を高い精度で調整することができる。これにより、発電機71で発生する電力の周波数を電力系統に接続される際に要求される値(又は範囲)に調整することができ、発生した電力をパワーコンディショナ72を介することなく電力系統に伝送させることができる。また、パワーコンディショナ72によって発電機71で発生する電力の周波数を調整できるので、サーボ機構67,68も必ずしも必要ではない。
2 防波堤
8 消波ブロック
9 平均水面
13 波受部材
20 ポンプ装置
21 ポンプ
41 主通路
42 流量センサ
43 アキュムレータ装置
44 アキュムレータ用切換弁
45 第1アキュムレータ
46 第2アキュムレータ
60 油圧モータ装置
61 モータ用切換弁
64 第1油圧モータ
65 第2油圧モータ
66 出力軸
67,68 サーボ機構
71 発電機
72 パワーコンディショナ
73 回転数センサ
80 制御装置
90 昇降装置
Claims (5)
- 仮想反射面から設置距離X離れた設置位置に設置され、波の力を受けて揺動する波受部材と、
前記波受部材の揺動運動を直動運動に変換して作動油を主通路に吐出するラムシリンダ式の油圧ポンプ装置と、
前記油圧ポンプ装置から吐出される作動油を蓄圧し、前記主通路の圧力が所定圧以下になると蓄圧した作動油を排出するアキュムレータ装置と、
前記油圧ポンプ装置からの作動油が前記主通路を介して供給され、供給された作動油を吸入して吸入量に応じた回転速度で出力軸を駆動する油圧モータ装置と、
前記油圧モータ装置の出力軸の回転速度に応じた電力を発生する発電機と、
前記油圧モータ装置に供給される作動油の流量又はそれに応じた値を検出する流量検出装置と、
前記流量検出装置の検出結果が入力されるモータ切換用制御装置と、を備え、
前記設置距離Xは、様々な周期の波のうち頻度の高い周期の波の波長の1/4の距離であり、
前記油圧モータ装置は、作動油の吸入量に応じた回転速度で回転駆動する複数の油圧モータと、モータ用切換弁とを有し、
前記複数の油圧モータは、吸入可能な吸入量である吸入容量が互いに異なっており、
前記モータ切換用制御装置は、前記流量検出装置の検出結果に応じて前記モータ用切換弁の切換動作を制御するようになっている、波力発電システム。 - 仮想反射面から設置距離X離れた設置位置に設置され、波の力を受けて揺動する波受部材と、
前記波受部材の揺動運動を直動運動に変換して作動油を主通路に吐出するラムシリンダ式の油圧ポンプ装置と、
前記油圧ポンプ装置から吐出される作動油を蓄圧し、前記主通路の圧力が所定圧以下になると蓄圧した作動油を排出するアキュムレータ装置と、
前記油圧ポンプ装置からの作動油が前記主通路を介して供給され、供給された作動油を吸入して吸入量に応じた回転速度で出力軸を駆動する油圧モータ装置と、
前記油圧モータ装置の出力軸の回転速度に応じた電力を発生する発電機と、
前記油圧モータ装置に供給される作動油の流量又はそれに応じた値を検出する流量検出装置と、
前流量検出装置の検出結果が入力されるアキュムレータ切換用制御装置と、を備え、
前記設置距離Xは、様々な周期の波のうち頻度の高い周期の波の波長の1/4の距離であり、
前記アキュムレータ装置は、複数のアキュムレータと、アキュムレータ用切換弁とを有し、
前記複数のアキュムレータは、蓄圧可能な作動油の蓄圧容量が互いに異なっており、
前記アキュムレータ切換用制御装置は、前記流量検出装置の検出結果に応じて前記アキュムレータ用切換弁の切換動作を制御するようになっている、波力発電システム。 - 前記発電機で発電された電力の周波数又は電圧を調整して出力するパワーコンディショナを備え、
前記発電機は、同期発電機である、請求項1又は2に記載の波力発電システム。 - 前記出力軸の回転数を検出する回転センサと、
前記回転センサの検出結果が入力されるサーボ機構用制御装置と、を備え、
前記油圧モータ装置は、吸入可能な作動油の吸入量である吸入容量を変えることができる可変容量型油圧モータと、入力されるサーボ指令に応じて前記可変容量型油圧モータの吸入容量を変更するサーボ機構とを有し、
前記サーボ機構用制御装置は、前記回転センサの検出結果に基づくサーボ指令を前記サーボ機構に出力して前記可変容量型油圧モータの回転数を制御するようになっている、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の波力発電システム。 - 前記流量検出装置の検出結果が入力される昇降制御装置と、
海面に対する前記波受部材の波受面積を変えるべく前記波受部材を昇降する昇降装置を更に備え、
前記昇降制御装置は、前記流量検出装置の検出結果に応じて前記昇降装置の昇降動作を制御するようになっている、請求項1乃至4のいずれか1つに記載の波力発電システム。
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