JP6342573B2 - １種の風力と補完することで発電を続ける波力給電システム - Google Patents

Description

本発明は発電関連分野であり、特に１種の風力発電と波力発電を融合させることで発電効率を高め、電気エネルギーを安定して生み出し続ける自然エネルギー発電システムである。

風力発電は一般的な自然エネルギーシステムである。人類による風力エネルギーの利用には長い歴史がある。その技術も比較的成熟し、なおかつ設置が比較的手軽に行え、保全面での原価は比較的安価である。そのため、効率の良し悪しに関わらず、多くの国には風力発電の建設を奨励する支援プランがある。しかしながら、風力発電にも欠点が存在する。自然界の風力は人間には制御しにくい不安定な現象であるために、風力が弱すぎる時には風力発電を駆動させるエネルギーが生み出せず、エネルギーの出力が中断してしまう。一方で風力が強過ぎる時には、機械の損傷を避けるため風力発電システムを閉鎖しなければならないので、電力が生み出せなくなってしまう。

もう１種類の一般的な自然エネルギーシステムは、海水の起伏を利用して行う波力(wave)発電である、波力は海表面でできる表面波であり、即ち水と空気の界面に沿って伝わる1種の波動であり、重力波の1種の類型に該当する。風が吹き始めると、風による圧力と摩擦力が海洋表面の平衡状態に乱れを生み出し、エネルギーの一部が風の場所から水上に移ってしまう。

海洋は地球の表面積の7割を占め、かつ常に波動による起伏を保つ。そのため、風力発電と比べて波力発電の効率はかなり高く、常に持久的に運動エネルギーを生み出すことができる。そのため海水の波力を利用して発電を行う技術は、業界が重視する対象ともなっている。

しかしながら、波力発電は比較的新しくできた技術に該当する。単独でこれを構築する場合には、膨大な予算が必要になる。なおかつ波力発電を設置する地点は、洋上風力発電システムとある程度重複する。風力発電システムを改築する場合には、現実性と経済面で適さないと考慮できるのは明らかである。

観察をしてみると、風力と波力エネルギーのどちらも、周期的な変化を備えるエネルギーに該当し、波力と風力のエネルギー周期関連性係数が0.8に達し、かつ波力は風力より予測しやすいことが分かる。そのエネルギーが比較的低い時には、発電効果はない。エネルギーが大きすぎる時には、発電設備を破壊し効果的にエネルギーを生み出せない恐れがある。そのため風力又は波力エネルギーが始動してから安定して発電するまでの時間帯は、エネルギーが利用できない「過渡期」がありうる。どこの海域であっても、風力と波力の過渡期は相互に時間的に隔たりがある。風力と波力を補完し合うようにできれば、長時間にわたり効果的な発電状態を保ち、エネルギーによる収益が増える状態が確保できる。図5から図7までに示すのは、時間の経過に伴って得られる波力、風力の大きさの変化図である。（図5から図7までの出所：HOKIMOTO,Tsukasa.Predictionofwaveheightbasedonthemonitoringofsurfacewind.Oceanography,2012,169-188。）

よって、発明者は１種の風力を補完し合える波力給電装置が、既存の風力発電システムを基礎として、これに波力発電を加えることで、電気エネルギーの生産量を高めることを考慮した。そして、長年鋭意研究に努めることで、ついに研究開発により本発明の自然エネルギー発電システムを完成させたのである。

本発明の主な目的は、1種の風力と補完することで発電を続ける波力給電システムを提供し、風力発電と波力発電を融合させることで電気エネルギーの生産量を高め、中断時間を減らすことで、長期的に安定した給電を行い、これを最適な自然エネルギーの代替プランとすることにある。

本発明のもう1つの目的は、１種の風力と補完することで発電を続ける波力給電システムを提供し、これに既存設備を融合させ、架設が容易で、原価が既存技術に比べ安価であり、修理しやすく、かつ実用的なエネルギー出力が行え、差し迫った既存エネルギーの問題解決を支える力となることにある。

本発明で提供する風力と補完することで発電を続ける波力給電システムは、波力運動エネルギーモジュールを含み、これが海洋上に架設され、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを利用して発電を行い、当該波力発電を風力発電設備に組み入れて発電を続ける目的を達成する。当該波力運動エネルギーモジュールは波力獲取モジュール、ドライブシャフト、モータ、変速モジュール、自動制御モジュールを含む。当該波力獲取モジュールは海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを取得するのに使う。当該ドライブシャフトは当該波力取得モジュールが出力する運動エネルギーを利用して連結伝動を行う。当該モータは当該ドライブシャフトの運動エネルギーを受け取って電力に変換する。当該変速モジュールは当該ドライブシャフト上に設置され、当該ドライブシャフトのトルクの調整に使う。当該自動制御モジュールはマイクロプロセッサと海洋感知ユニットを備え、当該海水の波動による起伏の変化の感知を利用して、当該変速モジュールを制御して、当該ドライブシャフトのトルクを調整し、当該モータの動作を制御する。

更に進んで、当該波力取得モジュールはフロートを備え、当該フロートはボールねじ又はラックを繋げて上下運動を行わせ、当該ボールねじのねじ軸の回転を推し進める。当該ねじ軸はドライブギアと連結し、当該ドライブギアは同方向で単方向の2つのギアの間に挟まれ、噛み合って逆方向で単方向の2つのギアを動かす。当該単方向のギアは当該ドライブシャフトに繋がり、海水の波動による起伏を通じて当該フロートを上下運動させ、当該単方向のギアが制限することで、当該ドライブシャフトが同じ方向での回転を続けるように動かし、更に当該ドライブシャフトを介して当該モータを回転させる。

更に進んで、当該モータは同軸直列で設置された２台のモータを含み、当該各モータは異なる出力電力を備える。当該海水にかすかな波動での起伏だけがある時には、当該自動制御モジュールはまず最低出力電力の当該モータを駆動させることで、低トルク時に比較的高い発電効率を発揮する。当該海水の波動による起伏が大きくなった時には、高出力高電力の当該モータに切り替えることで、大トルク時に比較的高い発電効率を発揮する。そして当該海水の波動による起伏が大きくなり続けている時には、2台の当該モータを同時に駆動させ、最高の発電効率が成し遂げられる。

好適な実施例では、当該モータはコアレスモータである。
好適な実施例では、2台の当該モータはそれぞれ出力電力が200kWと300kWである。出力電力が200kWの当該モータは波高が1.5m未満の時に始動する。出力電力が300kWの当該モータは波高が1.5m〜3.0mの間にある時に始動する。そして波高が3.0m時を超えた時には、 2台の当該モータが同時に始動する。

好適な実施例では、当該変速モジュールは無段変速機とし、回転速度を減らし、トルクを増やす効果を備える。当該ドライブシャフトにはトルクセンサを設置する。当該トルクセンサは当該ドライブシャフトのトルクを測定し、当該自動制御モジュールを介して当該変速モジュールを制御して、当該ドライブシャフトを自動調整して必要な回転速度を得る。

更に進んで、当該自動制御モジュールは電子速度調整器も設置する。当該電子速度調整器は当該変速モジュールを繋げてこれを制御する。当該電子速度調整器は当該変速モジュールの回転速度を安定させるのに使う。

好適な実施例では、当該海洋感知ユニットは海洋データブイであり、当該海洋データブイを観察することで、当該海水の波動による起伏変化の資料を得る。

好適な実施例では、当該海洋感知ユニットは直線変位センサであり、海水の波動による起伏の変位量を記録する。

好適な実施例では、当該海洋感知ユニットは超音波波高計又はレーザ波高計であり、超音波又はレーザ信号を利用して当該海水の波動による起伏の変位量を取得する。

既存技術に比べて、本発明の長所と積極的な効果は、本発明で提供する１種の風力と補完することで発電を続ける波力システムが、長期的に安定した給電が行え、架設が容易で、原価が既存技術より安価であり、修理がしやすいこと、かつ実用的なエネルギー出力を生み出し、差し迫った既存エネルギーの問題解決を支える力となることである。

図１は、本発明の波力運動エネルギーモジュールと風力発電設備の構造表示図である。 図１ａは、本発明の波力取得モジュールで導入したボールねじ方式の構造表示図である。 図１ｂは、本発明の波力取得モジュールで導入したラック方式の構造表示図である。 図２は、本発明の波力運動エネルギーモジュール全体の構造表示図である。 図３は、本発明のモータのエネルギー取得範囲の参考図である。 図４は、一般的モータのエネルギー取得範囲の参考図である。 図５から図７までは、時間の経過に伴って得られる波力、風力の大きさを示す１種の実施例の変化図である。 図５から図７までは、時間の経過に伴って得られる波力、風力の大きさを示す１種の実施例の変化図である。 図５から図７までは、時間の経過に伴って得られる波力、風力の大きさを示す１種の実施例の変化図である。

＜実施例＞
図１、図２に示すものを参照いただきたい。これらは、本発明で提供する1種の風力と補完することで発電を続ける波力給電システムであり、波力運動エネルギーモジュール10を含む。これは海洋上に架設され、海水30の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを利用して発電を行い、当該波力発電を風力発電設備20に組み入れることで発電を続ける。そのため、当該波力運動エネルギーモジュール10は既存の風力発電設備20を利用して直接架設し、海底ケーブルを共用して、土地資源と土木工事の原価を節約し、更に上記の風力発電設備20を利用して直接当該波力運動エネルギーモジュール10に事後の修理を行うことができる。

当該波力運動エネルギーモジュール10は、波力取得モジュール100、ドライブシャフト110、モータ120、変速モジュール130、自動制御モジュール140を含む。

当該波力取得モジュール100は当該海水30中に入れられ、当該海水30の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを取得することに使う。

当該ドライブシャフト110は当該波力取得モジュール100が出力する運動エネルギーを利用して伝動することで、当該モータ120にまで伝送を行い発電を行う。

当該モータ120は当該ドライブシャフト110の運動エネルギーを受け取って、電力に変換する。

当該変速モジュール130は当該ドライブシャフト110上に設置され、当該ドライブシャフト110のトルクの調整に使う。

当該自動制御モジュール140はマイクロプロセッサ141と海洋感知ユニット142を備え、当該海水30の波動による起伏の変化を感知することで、当該変速モジュール130を制御して、当該ドライブシャフト110のトルクを調整し、当該モータ120の動作を制御する。

具体的に言えば、当該波力取得モジュール100はフロート101を備え、当該フロート101は当該海水30中に沈み、当該海水30の波動を受けて起伏して上下運動を行い、運動エネルギーを取得するのに使う。当該フロート101はボールねじ（Ballscrew）102を繋げ、当該ボールねじ102は当該フロート101に伴って上下運動を行う。当該ボールねじ102はドライブギア103を動かし、当該ドライブギア103は単方向のギア104と噛み合ってこれを動かし、当該単方向のギア104が回転方向を制限することで、同じ方向の回転を保つ。当該単方向のギア104は当該ドライブシャフト110に繋がるため、当該フロート101は当該海水30の波動に伴って起伏して上下運動を行い、当該ボールねじ102を動かして同期で運動させ、更に当該ドライブギア103により当該単方向のギア104に配分する。当該単方向のギア104が当該ドライブシャフト110を動かして同じ方向に回転を続けさせ、更に当該ドライブシャフト110を経て当該モータを回転させる。海水30の波動による起伏を通常型の運動とするため、当該モータ120は発電を続け、当該風力発電設備20に合わせて過渡時期を互いに補足し合うことができる。こうして使用可能な電力を安定して出力し続ける目的が成し遂げられるのである。

図１ａに示すように、前記の当該ボールねじ102は、ナット1021とねじ軸1022を含み、そのうち当該ナット1021はコネクティングロッド1023を通じて当該フロート101に繋がり、当該ねじ軸1022は当該ドライブギア103に繋がる。そのため、当該ナット1021は当該フロート101に伴って当該ねじ軸1022上を移動してから、当該ねじ軸1022を動かし回転させることで、当該ドライブギア103を駆動させて回転させる。

当該ボールねじ102の導入では、その安定性と強力な負荷を考慮に入れるため、最適な発電効果が得られる。当然ながら、図１ｂに示すような他の伝動方式であってもよい。当該フロート101はラック105に繋がり当該ドライブギア103に噛み合ってこれを動かし回転させるようにする。これも同じようにして発電の目的が成し遂げられる。

当該ドライブギア103と当該単方向のギア104ははすば歯車方式を導入して動かす。そのため２つの当該単方向のギア104は更に当該ドライブギア103の両側に逆方向に設置され、当該フロート101が浮かび上がる状態であっても沈み込む状態であっても、いずれかの当該単方向のギア104を動かし動力を伝送し、更に進んで伝送電力を増やすことができる。

図３に示すものに合わせて見ていただきたい。当該モータ120は、同軸直列を導入した2台のモータ120を含み、それらはそれぞれ出力電力が200kWのモータと300kWのモータである。当該海水30の波高が1.5m未満の時でかすかな波動による起伏しかない時には、当該自動制御モジュール140はまず出力電力が200kWの当該モータ120を駆動させることで、低トルク時に比較的高い発電効率が得られる。そして当該海水30の波高が1.5m〜3.0mの間にある時で、波動による起伏が大きくなった時には、出力電力が300kWの当該モータ120に切り替えることで、大トルク時での比較的高い発電効率が得られる。そして当該海水30の波高が3.0mを超えた時には、波動による起伏が大きくなり続け、出力電力が200KWと300kWの2台の当該モータ120を同時に駆動させ、引いては500KW高出力電力の当該モータ120までも導入することで、最高の発電効率が得られるようにする。

図３、図４のような詳細比較図が示すのは、そのうちの曲線に海水30のスペクトル密度 (WavespectralDensity)とエネルギースペクトル(Waveenergyspectrum)の関係変化が現れたことであり、即ち波高(WaveHeight)と周波数(Frequency)の関係変化図である。図4に示すものを参照されたい。ここでは従来型の一般的モータによるエネルギー取得範囲を示す。モータが選択できないため、当該一般的モータは限られた波高の範囲内でしかエネルギーが取得できない。反対に、図3に示すように、本発明は出力電力が200KWと300kWの当該モータ120を備えているため、当該波高に変化が起こった時には、実際の必要性に基づき当該自動制御モジュール140により適切なモータに切り替えて発電を行うことができる。そのため、本発明で導入した積分観念は、異なる段階の波高変化の中で、それぞれ当該海水30の波動にできる起伏による最大のエネルギーを取得して、累積させて最大のエネルギーにして出力を行うことができる。

使用環境に適応させて便利に操作を行い、修理の回数を減らすため、当該モータ120をコアレスモータとすることで、磨耗を減らして故障率を下げることができる。当然ながら回転速度が低い他のモータであってもよい。

当該変速モジュール130は無段変速機131とし、回転速度を減らし、トルクを増やす効果を備える。当該ドライブシャフト110にはトルクセンサ143を設置する。当該トルクセンサ143は当該ドライブシャフト110のトルクを測定し、上記の自動制御モジュール140にまで伝送を行い、当該自動制御モジュール140を介して当該変速モジュール130を制御し、当該ドライブシャフト110を自動調整して、必要とする回転速度に達するようにする。当該変速モジュール130は増速機であってもよい。

当該自動制御モジュール140は更に電子速度調整器144を設置する。当該電子速度調整器144は当該変速モジュール130を繋げてこれを制御する。当該海水30の波動でできる起伏により非周期的な変化が起きた時に、当該電子速度調整器144は当該変速モジュール130の回転速度を安定させるのに使える。

当該海洋感知ユニット142は種類が非常に多く、１種又は同時に複数種設置することができる。そのうちの一つは海洋データブイ1421であり、当該海洋データブイを観察することで、当該海水30の波動による起伏変化の資料が得られる。

或いは、当該海洋感知ユニット142は直線変位センサ1422とすることで、当該海水30の波動による起伏の変位量を記録する。

或いは、当該海洋感知ユニット142は超音波波高計又はレーザ波高計1423とすることで、超音波又はレーザ信号を利用して当該海水30の波動による起伏の変位量を取得する。

上列の詳細な説明は本発明の実現可能な実施例の具体的な説明である。ただし、上記の実施例は本発明の特許の範囲を制限することに使うものではない。本発明の技能と要旨を逸脱しないで行った同等の効果を有する実施又は変化は全て、本案の特許範囲に含まなければならない。

10、波力運動エネルギーモジュール；100、波力取得モジュール；101、フロート；102、ボールねじ；1021、ナット；1022、ねじ軸；1023、コネクティングロッド；103、ドライブギア；104、単方向のギア；105、ラック；110、ドライブシャフト；120、モータ；130、変速モジュール；131、無段変速機；140、自動制御モジュール；141、マイクロプロセッサ；142、海洋感知ユニット；1421、海洋データブイ；1422、直線変位センサ；1423、超音波波高計又はレーザ波高計；143、トルクセンサ；144、電子速度調整器；20、風力発電設備；30、海水

Claims (6)

1. 波力運動エネルギーモジュールを含み、これが海洋上に架設され、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを利用して発電を行い、当該波力発電を風力発電設備に組み入れて発電を続け、当該波力運動エネルギーモジュールが、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを取得するのに使う波力獲取モジュール、当該波力取得モジュールが出力する運動エネルギーを利用して伝動を行うドライブシャフト、当該ドライブシャフトの運動エネルギーを受け取って電力に変換するモータ、当該ドライブシャフト上に取り付けられ、当該ドライブシャフトのトルクの調整に使う変速モジュール、マイクロプロセッサと海洋感知ユニットを備え、当該海水の波動による起伏の変化を感知することで、当該変速モジュールを制御して、当該ドライブシャフトのトルクを調整し、当該モータの動作を制御する自動制御モジュールを含む、１種の風力と補完することで発電を続けるものであって、
   当該波力取得モジュールがフロートを備え、当該フロートがボールねじ又はラックを繋げて、当該ボールねじがドライブギアを動かし、当該ドライブギアが単方向のギアに噛み合ってこれを動かし、当該単方向のギアが当該ドライブシャフトに繋がり、海水の波動による起伏を利用して当該フロートを動かして上下運動をさせ、当該単方向のギアの制限のもとで、当該ドライブシャフトを動かして同じ方向に回転を続けさせ、更に当該ドライブシャフトの回転を利用して当該モータを駆動させる、ことを特徴とする、波力給電システム。
2. 波力運動エネルギーモジュールを含み、これが海洋上に架設され、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを利用して発電を行い、当該波力発電を風力発電設備に組み入れて発電を続け、当該波力運動エネルギーモジュールが、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを取得するのに使う波力獲取モジュール、当該波力取得モジュールが出力する運動エネルギーを利用して伝動を行うドライブシャフト、当該ドライブシャフトの運動エネルギーを受け取って電力に変換するモータ、当該ドライブシャフト上に取り付けられ、当該ドライブシャフトのトルクの調整に使う変速モジュール、マイクロプロセッサと海洋感知ユニットを備え、当該海水の波動による起伏の変化を感知することで、当該変速モジュールを制御して、当該ドライブシャフトのトルクを調整し、当該モータの動作を制御する自動制御モジュールを含む、１種の風力と補完することで発電を続けるものであって、
   当該モータが同軸直列で設置された２台のモータを含み、当該各モータは異なる出力電力を備え、当該海水にかすかな波動での起伏だけがある時には、当該自動制御モジュールがまず低出力電力の当該モータを駆動させることで、低トルク時に比較的高い発電効率を発揮し、当該海水の波動による起伏が大きくなった時には、高出力電力の当該モータに切り替えることで、大トルク時に比較的高い発電効率を発揮し、当該海水の波動による起伏が大きくなり続けている時には、２台の当該モータを同時に駆動させ、最高の発電効率が成し遂げられる、ことを特徴とする、風力と補完することで発電を続ける波力給電システム。
3. 当該モータがコアレスモータであることを特徴とする、請求項２に記載の風力と補完することで発電を続ける波力給電システム。
4. ２台の当該モータがそれぞれ出力電力が２００ｋＷと３００ｋＷのモータであり、当該出力電力が２００ｋＷのモータが波高が１．５ｍ未満の時に始動し、当該出力電力が３００ｋＷのモータが波高が１．５ｍ〜３．０ｍの間にある時に始動し、そして波高が３．０ｍを超えた時には、同時に２台の当該モータを始動させる、ことを特徴とする、
   請求項２に記載の風力と補完することで発電を続ける波力給電システム。
5. 波力運動エネルギーモジュールを含み、これが海洋上に架設され、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを利用して発電を行い、当該波力発電を風力発電設備に組み入れて発電を続け、当該波力運動エネルギーモジュールが、海水の波動による起伏で生み出された運動エネルギーを取得するのに使う波力獲取モジュール、当該波力取得モジュールが出力する運動エネルギーを利用して伝動を行うドライブシャフト、当該ドライブシャフトの運動エネルギーを受け取って電力に変換するモータ、当該ドライブシャフト上に取り付けられ、当該ドライブシャフトのトルクの調整に使う変速モジュール、マイクロプロセッサと海洋感知ユニットを備え、当該海水の波動による起伏の変化を感知することで、当該変速モジュールを制御して、当該ドライブシャフトのトルクを調整し、当該モータの動作を制御する自動制御モジュールを含む、１種の風力と補完することで発電を続けるものであって、
   当該変速モジュールが増速機又は無段変速機であり、当該ドライブシャフト上にトルクセンサを設置し、当該トルクセンサが当該ドライブシャフトのトルクを測定し、上記の自動制御モジュールにまで伝送を行い、当該自動制御モジュールを介して当該変速モジュールを制御して、当該ドライブシャフトを自動調整して、必要な回転速度を得ることを特徴とする、風力と補完することで発電を続ける波力給電システム。
6. 更に、当該自動制御モジュールが電子速度調整器も設置し、当該電子速度調整器が当該変速モジュールを繋げてこれを制御し、当該電子速度調整器を当該変速モジュールの回転速度を安定させるのに使うことを特徴とする、請求項５に記載の風力と補完することで発電を続ける波力給電システム

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