JP6435551B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置に係り、特に波力により発電を成す、波力発電装置に関する。

波力発電装置には、主に、沖合型のものと、沿岸型のものが存在する。沖合型の波力発電装置としては、特許文献１や特許文献２に開示されているものが知られている。特許文献１や特許文献２に開示されている波力発電装置は、いずれも、波力を受けた際、２つの物体の揺れに相対的なズレが生じるようにバネなどで調整し、この振動の相対的なズレを利用して電力を生じさせる構成としている。

これに対し、沿岸型の波力発電装置としては、特許文献３に開示されているようなものが知られている。特許文献３に開示されている波力発電装置は、海底から海上にかけて立設されている杭とこの杭の外周に配置された可動部とを有するものである。可動部には、フロートが備えられ、波力による揺動が可能な構成とされている。杭には、発電機と、この発電機を稼働させるためのピニオンギヤが設けられており、可動部に設けられたラックギヤがピニオンギヤを回動させることで、電力を生じさせる構成としている。

特許第５４９５１１７号公報 特開２０１２−２０７６５２号公報 実用新案登録第２５１０８７６号公報

ここで、特許文献１、２に開示されているような沖合型の波力発電装置は、２つの物体の相対的な揺れのズレに起因して電力を生じさせるため、大きな電力を得ることが難しく、かつ発生させた電力を外部に取り出すことも難しいという問題がある。また、特許文献３に開示されている沿岸型の波力発電装置は、発電機を杭の上部外周に設置している。このため、塩水の影響による故障の虞がある他、予期せぬ高波が生じた場合には、可動部の衝突により発電機が損傷を受ける虞もある。

そこで、本発明では、沿岸型の波力発電装置において、耐候性の高い波力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る波力発電装置は、海底から海上にかけて立設される杭と、前記杭に沿って昇降可能なフロートとを有する波力発電装置であって、前記フロートを海中に沈降可能な構成とすると共に、前記フロートに発電機を備え、前記発電機の回転軸に設けられたピニオンが、前記杭に配置されたラックに係合する構成としたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置において前記フロートには、前記発電機を複数備え、複数の前記発電機は、前記杭を中心として放射状に均等配置する構成とすると良い。このような構成とすることにより、１つのフロートによる発電効率を向上させることができる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置において前記フロートは、前記発電機を配置する機械室と、注水により浮力を調整する空気室とを備えていることが望ましい。このような構成とすることにより、機械室は密閉構造としつつ、空気室への海水の流入、排出により、フロートの沈降、浮上を制御することが可能となる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置において前記機械室には、エアコンプレッサが備えられていることが望ましい。機械室にエアコンプレッサを備えることにより、沈降させたフロートを浮上させる際、外部からのエアの圧送を必要としない。このため、エアコンプレッサのＯＮ、ＯＦＦを遠隔操作することにより、フロートの沈降、浮上を制御することが可能となる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置では、前記杭を中空構造とし、前記発電機により発電された電力を送電するケーブルを、前記杭の内部を通して配置する構成とすることができる。このような配置形態とすることで、海中でケーブルが外部に晒されることが無い。このため、フロートの昇降の妨げとなったり、可動部位との接触により損傷するといった虞が無くなる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置において前記フロートの機械室には、当該フロートを海底に沈降させた際、海上に突出することとなる吸気ダクトを設けるようにすると良い。このような特徴を有することにより、フロートを完全に沈めた状態であっても、フロート内に設けたエアコンプレッサを稼働させることで、フロートを浮上させることが可能となる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置において前記ケーブルは、前記杭の上端部を介し、前記吸気ダクトを通して前記機械室内の前記発電機に接続する構成とすると良い。このような構成とすることにより、杭に沿ってフロートが昇降する際、ケーブルがその動きを阻害する虞が無い。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置おいて前記杭には、前記フロートの浮上限界と沈降限界を定めるストッパを設けるようにすると良い。このような構成とすることにより、フロートが杭から外れてしまう事、およびフロートが土台や海底の沈殿物と接触することを避けることができる。

さらに、上記のような特徴を有する波力発電装置において前記フロートには、設置状態において沖合側となる側面の下端側に、底面に向けた勾配を持つ傾斜面を設けるようにすると良い。このような構成とすることにより、波長の短い波に対する揺動性を向上させることができる。

上記のような特徴を有することにより、沿岸型の波力発電装置の耐候性を高めることが可能となる。

実施形態に係る波力発電装置の側面構成を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ断面の構成を示す図である。 フロートの機械室に設けられたエアコンプレッサと、その配管の詳細構成を示す図である。 フロートに備える発電機の数を３つとする場合の例を説明するための図である。 フロートを構成する部屋の積層数を増やし、機械室を多段とする場合の例を説明するための図である。

以下、本発明の波力発電装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、図１は、実施形態に係る波力発電装置の側面構成を示す図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面の構成を示す図である。さらに図３は、フロートの機械室に設けられたエアコンプレッサと、その配管の詳細構成を示す図である。

本実施形態に係る波力発電装置１０は、杭１２と、この杭１２に沿って昇降可能なフロート２８を基本構成とする。
杭１２は、海底に配置される土台１４を基点として立設され、少なくともその先端が海上（海面よりも上）に出る高さを持つ。杭１２は、中空構造とされており、下端部側に、送電のためのケーブルを挿通させる貫通孔１６を有する。また、杭１２の外周には、長手方向に沿って、ガイドレール１８と、ラックギヤ２０が設けられている。

ガイドレール１８は、詳細を後述するフロート２８の昇降をガイドするためのレールである。フロート２８の揺れを抑えつつ昇降を支持するために、ガイドレール１８は、先端面、および両側面の三面を支持面として構成されている。ラックギヤ２０は、フロート２８に備えられる発電機３４の回転軸に連携するピニオンギヤ３８に噛合うギヤである。実施形態に係る波力発電装置１０においてラックギヤ２０は、杭１２の外周に直付けされたベースプレート２２に沿って配置されている。杭１２に直付けされるベースプレート２２と別体構造とすることで、ラックギヤ２０の位置調整が可能となる。このため、ピニオンギヤ３８との噛合い具合を微調整することが可能となる。また、本実施形態では、ガイドレール１８とラックギヤ２０をそれぞれ一対、杭１２の中心を通る直線上に配置する構成としている。また、対を成すガイドレール１８を結ぶ直線とラックギヤ２０を結ぶ直線とが、９０°の関係を持つように配置されている。

また、杭１２の上端側と下端側には、フロート上部ストッパ２４と、フロート沈降ストッパ２６がそれぞれ設けられている。干潮時に海上に延びる杭１２の長さを５．８ｍとした場合、フロート上部ストッパ２４は、海面の高さが＋１．５ｍ程度となる満潮時でも、フロート２８の昇降範囲を±２．４ｍ以上確保することができる位置に設けるようにする。このような位置にフロート上部ストッパ２４を設けるようにすることで、波高４．８ｍの荒天時であっても、フロート２８の可動範囲を十分に確保することが可能となる。

フロート２８は、波力を受けることにより、杭１２に沿って昇降することで、電力を生じさせる役割を担う。実施形態に係るフロート２８は、機械室３０と空気室３２とに機密に分断されており、機械室３０には、少なくとも発電機３４と、エアコンプレッサ４０が備えられている。発電機３４は、回転軸を回転させることにより電力を生じさせる役割を担う。発電機３４の回転軸と、ピニオンギヤ３８との間には、減速機３６が設けられている。発電機３４には、電力を送電するためのケーブル（不図示）が接続されている。図１、図２に示すフロート２８には、２つの発電機３４が設けられている。発電機３４を複数設ける場合、杭１２の軸心を基点として、放射状に均等配置すると良い。フロート２８の重量バランスが安定するからである。１つのフロート２８に設ける発電機３４の数を増やすことにより、波力に対する発電効率を向上させることができる。なお、発電機３４を２つとしている本実施形態の場合、杭１２の軸心を基点とした点対称な位置関係で配置されることとなる。

エアコンプレッサ４０は、機械室３０の気圧を向上させると共に、空気室３２への空気の供給により、フロート２８の浮力の調整を行う役割を担う。フロート２８は、荒天時には、海底へ沈められることがある。このため、機械室３０は、大気圧よりも０．５気圧程気圧が高くなるように調整されており、３ｍ程度フロート２８を沈降させた場合であっても、機械室３０の大気圧が海水の侵入圧よりも高くなるように構成されている。

フロート２８には、吸気ダクト４２が設けられている。吸気ダクト４２は、フロート２８を海底に沈降させた際にも、その先端が海上に突出することとなる長さを持つものとしている。吸気ダクト４２の基端、すなわちフロート２８との接続部には、エアコンプレッサ４０に接続される配管（吸気配管５０）が配置されている。また、吸気ダクト４２内には、送電のためのケーブル（不図示）が引き込まれている。なお、吸気ダクト４２の先端部は図３に示すように、吸気配管５０やケーブル（不図示）を挿通させる構造をもちつつ、機密に封止されている。機械室３０の気圧を待機圧よりも高く保つためである。ここで、エアコンプレッサ４０は、機械室３０内において、機密に封止された調圧箱４０ａに内装されている。吸気ダクト４２を介して外部空気を取り込む吸気配管５０は、調圧箱４０ａに接続されている。エアコンプレッサ４０からの吐出配管は、機械室３０にエアを供給するための機械室経路配管５２と、空気室３２にエアを供給するための空気室経路配管５４とに分岐されている。機械室経路配管５２と空気室経路配管５４は共に、電磁弁とレギュレータが備えられ、エアの吐出経路と吐出圧力が制御されている。

また、空気室経路配管５４には、電磁切替弁５４ａが備えられている。電磁切替弁５４ａは、エアコンプレッサ４０から供給されるエアを空気室側経路５４ｂへ送る経路と、空気室側経路から逆流するエアを排出経路５４ｃへ送る経路との切り替えを行う電磁弁である。また、空気室側経路５４ｂには、分岐経路５４ｄが備えられており、フロート２８の外部に配置された分岐経路５４ｄの先端には、手動解放弁５４ｅが備えられている。

このような構成とすることで、空気室経路配管５４へのエアの供給を停止し、電磁切替弁５４ａの切り替えにより、空気室側経路５４ｂと排出経路５４ｃとを接続することで、空気室３２内の空気が排出され、空気室３２内に海水が流入し、フロート２８を沈降させることができる。ここで、手動解放弁５４ｅと、分岐経路５４ｄを備えていることにより、電磁切替弁５４ａに不具合が生じた場合であっても、手動で空気室３２内のエアを排出し、フロート２８を沈降させることができる。

また、フロート２８を沈降させた後、電気切替弁５４ａにより、空気室経路配管５４と空気室側経路５４ｂを接続してエアコンプレッサ４０を稼働させ、空気室経路配管５４へエアの供給を行うようにすることで、吸気ダクト４２に配された吸気配管５０を介して大気が吸入され、空気室３２へと充填される。これにより、フロート２８を浮上させることができる。なお、吸気ダクト４２を介して引き出されたケーブルは、杭１２の上端側から杭１２の内部を通って下端側へ引き込まれ、貫通孔１６を通って杭１２の外部へ引き出されることとなる。このような構成とすることで、海底を通り、沿岸へと電力を送電することが可能となる。

また、フロート２８の中心部には、杭１２を挿通させるための貫通孔４４が設けられている。貫通孔４４には、杭１２に設けられたラックギヤ２０に噛合うピニオンギヤ３８や、ガイドレール１８に当接するガイドローラ４６（端面ローラ４６ａ，側面ローラ４６ｂを含む総称）が備えられている。ピニオンギヤ３８は、ラックギヤ２０に噛合った状態でフロート２８が昇降することで回転し、減速機３６を介して発電機３４の回転軸を回動させる。

ガイドローラ４６は、ガイドレール１８に当接して回動することで、フロート２８の昇降動作を安定させることができる。実施形態に係るフロート２８では、ガイドローラ４６は、ガイドレール１８の端面に当接する端面ローラ４６ａと、ガイドレール１８の側面に当接する２つの側面ローラ４６ｂを組として、杭１２の軸心を基点として対称となるように設けている。ガイドローラ４６をこのように設けることにより、フロート２８を平面視した際に、ガイドレール１８に対して上下左右へのフロート２８の動きを規制することができる。このため、フロート２８を安定させることができ、ラックギヤ２０に対するピニオンギヤ３８の噛合い状態を良好に保つことができる。

また、実施形態に係るフロート２８には、設置状態において沖合側に位置する側面に、底面に向けた勾配を持つ傾斜面４８を設けている。波が押し寄せることとなる側面に、このような傾斜面４８を設けることにより、波長の短い波に対する揺動性を向上させることができる。つまり、小さな波に対するフロート２８の揺動性を向上させることができる。

また、フロート２８底面には、空気室３２に海水を取り込むための取水口（不図示）の他、フロート全体の腐食を防止する電気防食用の陽極部５０が設けられている。なお、図示しない取水口は、解放部とされ、空気室３２内の気圧変化により、取水と排水を成すように構成されている。すなわち、空気室３２の気圧を低下させた場合には、空気室３２内に海水が流入し、気圧を向上させた場合には、海水が排出される。

このような構成の波力発電装置１０は、通常状態では、波力を受けることによりフロート２８が昇降し、発電機３４が稼働して電力を生じさせる。一方、荒天時には、フロート２８内の空気室３２に海水を流入させてフロート２８を海底に沈降させる。このような動作により、フロート２８に想定外の力が加わり、機器の破損を生じさせることを防ぐことができる。また、天候が安定した際には、空気室３２へ空気を充填し、フロート２８を浮上させることで、再び発電装置として機能させることができる。このため、実施形態に係る波力発電装置１０は、従来の波力発電装置に比べ、耐候性が高いということができる。

また、本実施形態に係る波力発電装置１０では、従来に比べフロート２８を大型なものとし、このフロート２８に複数の発電機３４を配置する構成とした。このため、従来の波力発電装置に比べ、発電効率を向上させることができる。

上記実施形態では、杭１２は、海底に配置された土台１４を基点として立設されている旨記載した。しかしながら、杭１２は、海底に直接打ち込まれるように立設されていても良い。いずれの構成であっても、その機能に違いが生じないからである。

また、上記実施形態では、フロート２８に備える発電機３４の数を２つとしているが、スペース的に許容できる範囲であれば、その数をさらに増やすようにしても良い。例えば発電機３４を３つにする場合には、図４に示すように均等配置すると良い。発電機３４の数を増やし、均等配置した場合には、フロート２８の平面形状も、重量バランスのとりやすい形態に変えることが望ましい。

また、上記実施形態では、フロート２８は、空気室３２と機械室３０とを１対１で設ける２層構造としていた。しかしながら、図５に示すように、フロート２８を構成する部屋の積層数を増やし、機械室３０の数を増やすようにしても良い。機械室３０を増やし、機械室３０に設ける発電機３４の数を増やすことで、発電効率を向上させることができるからである。

なお、上記実施形態では、ラックアンドピニオンの関係について、動力伝達のロスを考慮して、両者共ギヤである旨記載した。しかしながら、摩擦抵抗等によりピニオンを回転させることが可能なものであれば、ギヤに限らず、単なるローラとガイドの関係であっても良い。

１０………波力発電装置、１２………杭、１４………土台、１６………貫通孔、１８………ガイドレール、２０………ラックギヤ、２２………ベースプレート、２４………フロート上部ストッパ、２６………フロート沈降ストッパ、２８………フロート、３０………機械室、３２………空気室、３４………発電機、３６………減速機、３８………ピニオンギヤ、４０………エアコンプレッサ、４０ａ………調圧箱、４２………吸気ダクト、４４………貫通孔、４６………ガイドローラ、４６ａ………端面ローラ、４６ｂ………側面ローラ、４８………傾斜面、５０………吸気配管、５２………機械室経路配管、５４………空気室経路配管、５４ａ………電磁切替弁、５４ｂ………空気室側経路、５４ｃ………排出経路、５４ｄ………分岐経路、５４ｅ………手動解放弁。

Claims (5)

1. 海底から海上にかけて立設される中空構造の杭と、前記杭に沿って昇降可能なフロートとを有する波力発電装置であって、
   前記フロートを海中に沈降可能な構成とすると共に、
   前記フロートは、発電機を配置すると共に当該フロートを海底に沈降させた際、海上に突出することとなる吸気ダクトを設けた機械室と、注水により浮力を調整する空気室とを備え、
   前記発電機の回転軸に設けられたピニオンが、前記杭に配置されたラックに係合する構成とすると共に、
   前記発電機により発電された電力を送電するケーブルを、前記杭の内部を通して配置すると共に前記杭の上端部を介して前記吸気ダクトを通し、前記機械室内の前記発電機に接続する構成としたことを特徴とする波力発電装置。
2. 前記フロートには、前記発電機を複数備え、
   複数の前記発電機は、前記杭を中心として放射状に均等配置さ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. 前記機械室には、エアコンプレッサが備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の波力発電装置。
4. 前記杭には、前記フロートの浮上限界と沈降限界を定めるストッパを設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波力発電装置。
5. 前記フロートには、設置状態において沖合側となる側面の下端側に、底面に向けた勾配を持つ傾斜面を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波力発電装置。

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