JP6435552B2 - 波力発電装置の非常時対応方法 - 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、波力発電装置における非常時の対応方法に関する。

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

上記特許文献に開示されているように、波力発電装置には種々の態様のものが知られている。しかし、波力発電装置は、実験的使用や一時的な使用が多いため、いずれの態様の波力発電装置においても、高波や荒天時における退避策、すなわち非常時の対応についてはあまり講じられていないといのが実状である。

そこで本発明では、沿岸型の波力発電装置において、恒常的な設置時に生じ得る非常時の対応方法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の非常時対応方法は、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内に海水を流入させて、前記杭に沿って前記フロートを海中に沈降させる波力発電装置の非常時対応方法であって、前記フロートは、機械室と空気室とに分断されており、前記フロートを沈降させる際、前記空気室内に接続された排出経路のバルブを開放することで、エアを放出して前記空気室の気圧を低下させ、前記空気室の底部に設けられた開放型の取水口から、前記空気室に対して前記海水を流入させることを特徴とする。

また、上記特徴を有する波力発電装置の非常時対応方法において、前記フロートは、機械室と空気室とに分断されており、前記フロートを沈降させる際、前記空気室に対して前記海水を流入させるようにすることで、フロート内に発電機等の機器を配置している場合であっても、フロートを沈降させることができる。

また、上記特徴を有する波力発電装置の非常時対応方法において、前記機械室の気圧を沈降時の海水の侵入圧よりも高くしておくようにすると良い。このような方法を採用することによれば、沈降時においても、機械室に海水が浸入する虞が無い。

また、上記特徴を有する波力発電装置の非常時対応方法において、前記空気室への前記海水の流入は、前記空気室内に接続された排出経路のバルブを開放することで、前記空気室の底部に設けられた取水口から成されるようにすることで、海中に位置することとなる取水口に蓋を設ける必要が無くなる。

また、上記特徴を有する波力発電装置の非常時対応方法において、前記フロート内に流入させた海水は、前記フロート内に給気を行う際の圧力で排水するようにすると良い。このような方法を採用することで、排水用のポンプを設ける必要が無い。

さらに、上記特徴を有する波力発電装置の非常時対応方法において、前記機械室には、エアコンプレッサと、前記フロートを沈降させた際に海上に突出する吸気ダクトが備えられており、前記フロートを海中に沈降させた後、前記エアコンプレッサを介して前記空気室に給気を行い、当該吸気による圧力で前記空気室内の海水を押し出して前記フロートを浮上させるようにすることもできる。このような方法を採用することによれば、外部から吸気を行う必要が無い。このため、遠隔操作で、沈降、浮上の制御を行うことが可能となる。

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において、荒天時などの非常時にフロートを沈降させて対応することができる。よって、波力発電装置を沿岸部に恒常的に設置することが可能となる。

発明を実施するための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。 波力発電装置のフロートを沈降させた様子を示す図である。

以下、本発明の波力発電装置の非常時対応方法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。まず、本発明の非常時対応方法を実施するための波力発電装置１０について、図１〜図４を参照して説明する。なお、図面において、図１は、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。また、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。さらに、図４は、波力発電装置のフロートを沈降させた様子を示す図である。

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、荒天時などの非常時には、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の気圧を大気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（図４参照）。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。このような方法を採用することで、取水口に蓋を設ける必要が無くなる。

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。空気室３２に充填される大気の圧力により、空気室３２内に流入していた海水が、フロート２８の底面に設けられた取水口（不図示）から排出され、フロート２８を浮上させることができる。このような方法でフロート２８を浮上させることによれば、フロートに、排水用のポンプなどを設ける必要が無い。また、フロート内に設けられたエアコンプレッサ４０により空気室３２への吸気を行うため、外部からの吸気が不要となる。これにより、遠隔操作にてフロート２８の沈降、浮上を制御することも可能となる。

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、杭１２に沿って昇降するフロート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底面には上述したように、空気室３２に海水の取り込み、及び排出を行うための取水口（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。このため、波力発電装置１０を恒常的に設置することが可能となる。

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 (4)

1. 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内に海水を流入させて、前記杭に沿って前記フロートを海中に沈降させる波力発電装置の非常時対応方法であって、
   前記フロートは、機械室と空気室とに分断されており、
   前記フロートを沈降させる際、前記空気室内に接続された排出経路のバルブを開放することで、エアを放出して前記空気室の気圧を低下させ、前記空気室の底部に設けられた開放型の取水口から、前記空気室に対して前記海水を流入させることを特徴とする波力発電装置の非常時対応方法。
2. 前記機械室の気圧を沈降時の海水の侵入圧よりも高くしておくことを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置の非常時対応方法。
3. 前記フロート内に流入させた海水は、前記フロート内に給気を行う際の圧力で排水す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の非常時対応方法。
4. 前記機械室には、エアコンプレッサと、前記フロートを沈降させた際に海上に突出する吸気ダクトが備えられており、
   前記フロートを海中に沈降させた後、前記エアコンプレッサを介して前記空気室に給気を行い、当該吸気による圧力で前記空気室内の海水を押し出して前記フロートを浮上させ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の非常時対応方法。

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