JP6634632B2 - 波力発電装置用浮体および波力発電装置用浮体におけるフライホイールの離接方法 - Google Patents

Description

本発明は、浮体に係り、特に、波力発電に使用される発電機能を備えた浮体に関する。

波力を用いた発電装置としては、２つの物体の相対的な位相のズレにより発電を成す機構や、固定物に対して浮体を揺動させることにより発電を成す機構を持つものなどが知られている。そして、このような機構を持つ波力発電装置では、発電効率の向上や、発電される電力量の変動を抑制するために、負荷質量としてのフライホイールを用いる事が試みられている。

例えば特許文献１では、２つの物体に相対的な位相のズレが生じた際、一方の物体の揺動運動に応じてボールネジが回転し、このボールネジの回転により発電が成されている。フライホイールは、ボールネジに備えられ、ボールネジの回転モーメントを変化させる事により、ボールネジの回転し易さを変化させる。これにより、物体の運動に負荷されるボールネジからの抵抗力が変化し、物体の揺動にかかる周期を変える事ができる。なお、特許文献１では、フライホイールに備えられる錘の位置を変化させる事で、その慣性モーメントを変化させる事が可能な構成としている。

また、特許文献２に開示されている技術は、波力の大小によって生ずる揺動の大小に起因する発電量の変化を抑制する事を目的としたものである。具体的な構成としては、起点に対して揺動する浮体にフライホイールを内装し、このフライホイールの回転により、波力が大きい場合には浮体の揺動を抑え、波力が小さい場合には浮体の揺動を大きく保つというものである。

特開２０１２−２０７６５１号公報 特開２０１２−８７６４３号公報

上記のような構成の波力発電装置であれば、発電効率の改善や、発電量の変化の抑制を図る事ができると考えられる。

ここで、特許文献１に開示されている波力発電装置では、理論的には波の状態に応じた負荷変動を生じさせ、揺動周期の変更を図る事が可能であるしかし、回転するフライホイールに組み込まれた錘を逐次移動させる制御は煩雑であり、モータによりこれを制御した場合には、発電効率の悪化が懸念される。

また、特許文献２に開示されている波力発電装置は、フライホイールの運動エネルギーと波力の運動エネルギーの置換を行う事で、発電のためのエネルギーの加減の差を緩和しているのであり、発電効率を向上させるものでは無い。

そこで本発明では、簡易な構成、及び制御により、浮体の揺動周期の調整を行い、発電効率の向上を図ることのできる波力発電装置用浮体、及びこの浮体におけるフライホイールの離接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用浮体は、波力発電装置用の浮体であり、浮体の揺動を回転力に変換するギヤユニットと、前記ギヤユニットに接続されて発電を成す発電機と、前記ギヤユニットに接続されて、慣性モーメントを付加する事により前記浮体の揺動周期を調整するフライホイールユニットと、を備え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用浮体における前記ギヤユニットには、分岐ギヤが備えられ、前記発電機と前記フライホイールユニットは、前記分岐ギヤを介して、前記発電機の回転軸上に、前記フライホイールユニットが備えられる構成とすること良い。

このような特徴を有する事により、フライホイールを回転軸から切り離した場合でも、発電機の回転軸には、ギヤユニットからの動力が伝達されることとなる。よって、重み付けの調整の有無に関わらず発電を成す事ができる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置用浮体では、前記フライホイールユニットは、同一軸線上に配置された複数のフライホイールと、各フライホイール間に配置されて動力の伝達を成すクラッチと、を備えるものとすることができる。

このような特徴を有する事により、接続するフライホイールの数を変える事で、回転軸への重み付けの調整を行う事ができ、慣性モーメントに変化を与える事ができる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置用浮体において前記フライホイールユニットを構成する複数のクラッチは、動力を伝達する基端となる側に配置されるクラッチほど、大きな結合トルクを有するクラッチとすると良い。

このような特徴を有する事により、各配置場所に設けられるクラッチは、必要最低限の結合トルクを有するものを採用する事ができる。よって、フライホイールユニットの製造コストを抑制する事ができる。

また、上記のような特徴を有する波力発電装置用浮体では、前記複数のフライホイールは、同一の素材、同一の厚み、及び同一の形状とすることができる。

さらに、上記のような特徴を有する波力発電装置用浮体では、前記複数のフライホイールは、重量の異なるものを含むようにすることもできる。

また、上記目的を達成するための波力発電装置用浮体におけるフライホイールの離接方法は、浮体の揺動を回転力に変換するギヤユニットと、前記ギヤユニットに接続されて発電を成す発電機と、前記ギヤユニットに設けられた分岐ギヤを介して前記発電機の回転軸上に備えられ、慣性モーメントを付加する事により前記浮体の揺動周期を調整するフライホイールユニットと、を備えた波力発電装置用浮体におけるフライホイールの離接方法であって、前記浮体が上下に揺動した際に、上下運動の切り替わりが生ずる上死点、あるいは下死点において、前記フライホイールユニットを前記ギヤユニットに切離、または接続することを特徴とする。

上記のような特徴を有する波力発電装置用浮体によれば、簡易な構成、及び制御により、浮体の揺動周期の調整を行い、発電効率の向上を図ることができる。また、上記のような特徴を有するフライホイールの離接方法によれば、ギヤユニットを痛める事なく、浮体の揺動周期の調整を行う事ができる。

実施形態に係るフロートに適用する発電機、ギヤユニット、及びフライホイールユニットの構成を示す図である。 実施形態に係るフロートを適用する波力発電装置の全体構成の一例を示す図である。 図２におけるＡ−Ａ断面の構成を示す図である。 図３におけるＢ−Ｂ断面の構成を示す図である。

以下、本発明の波力発電装置用浮体、およびこの浮体におけるフライホイールの離接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、図２に、本発明の波力発電装置用浮体（以下、単にフロート２４と称す）を適用する波力発電装置１０の一例を示す。実施形態に係る波力発電装置１０としては、基礎支柱１２と、この基礎支柱１２を挿通させる構造体支柱１４、を備えるものであると良く、フロート２４は、構造体支柱１４に沿って昇降可能な構成とすれば良い。

基礎支柱１２は、海底に立設され、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。基礎支柱１２の海中部分には、詳細を後述するフロート２４の沈降深さに基づいて定められた所定位置（海面を基準とした深さ）に、フランジ１２ａが設けられる。後述する構造体支柱１４の位置決めと係合を行うためである。

構造体支柱１４は、基礎支柱１２の直径よりも大きな内径を持つ筒状の構造体を基本として構成されており、その内部に基礎支柱１２を挿通させることを可能としている。構造体支柱１４の下端にはフランジ１６が備えられ、上端には上部ストッパ１８が備えられる。さらに、構造体支柱１４の胴部外周には、長手方向に沿って、ガイドレール２０と、ラックギヤ２２が備えられている。

構造体支柱１４の下端部に備えられるフランジ１６は、詳細を後述するフロート２４の沈降側ストッパとしての役割を担うと共に、構造体支柱１４を基礎支柱１２へ締結させる係合部としての役割を担う。基礎支柱１２に設けられたフランジ１２ａに対して構造体支柱１４に設けられたフランジ１６をボルト固定する事で、構造体支柱１４の係合が成される。

フロート２４は、波力を受けることにより、構造体支柱１４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２４は、図４に示すように、機械室２６と空気室２８とに機密に分断されており、機械室２６には、図３に示すように、少なくとも発電機３０と、エアコンプレッサ３２が備えられている。発電機３０には、ギヤユニット３４とフライホイールユニット４２が付帯されている。ギヤユニット３４は、例えばピニオンギヤ３６と減速機３８、及び分岐用増速機４０（分岐ギヤ）を備える。ピニオンギヤ３６は、上述した構造体支柱１４に設けられたラックギヤ２２に噛み合うギヤであり、ピニオンギヤ３６の回転が入力側シャフト３８ａを介して減速機３８へと伝達される。減速機３８の出力側シャフト３８ｂは、分岐用増速機４０に入力されており、回転力の増加と分岐が成され、その出力は、発電機３０とフライホイールユニット４２に伝達される。

フライホイールユニット４２は、フロート２４が揺動する際の固有周期を調整するための役割を担う要素である。フロート２４は、波の力を受ける事により、構造体支柱１４の延設方向に沿って昇降するように揺動する。この揺動によりピニオンギヤ３６が回転し、その回転力が発電機３０の回転軸３０ａに伝達される事で、電力を生じさせる。ここで、フライホイールユニット４２は、発電機３０の回転軸３０ａに対して重み付けを成し、その回り易さ、止め易さを変える事で、慣性モーメントに変化を生じさせることとなる。

フライホイールユニット４２は、図１に詳細を示すように、分岐用増速機４０に接続された回転軸４２ａと、この回転軸４２ａの延設方向に沿って配置された複数（図１に示す例では３つ）のフライホイール４４、およびクラッチ４６を基本として構成されている。回転軸４２ａは、フライホイール４４からの慣性モーメントを分岐用増速機４０に伝達し、あるいは分岐用増速機４０からの回転モーメントをフライホイール４４に伝達する役割を担う。回転軸４２ａは、クラッチ４６を配置している部分にて分断されておりクラッチ４６の離接（ＯＮ／ＯＦＦ）により、隣接されている回転軸４２ａ間における動力の伝達、非伝達の切り替えが成される事となる。

フライホイール４４は、回転軸４２ａの延設方向に沿って、配置、固定されている。その配置間隔は特に限定するものでは無いが、各フライホイール４４の間に、少なくとも１つのクラッチ４６を配置する構成とすると良い。このような配置構成とする事で、クラッチ４６をＯＮ／ＯＦＦ制御する事で、フライホイール４４の接続、または切り離しが可能となる。これにより、フライホイール４４の重量、およびその形状に起因した慣性モーメントを変化させることができる。図１に示すフライホイール４４は全て、その材質、厚み、及び形状を同一としている。このような構成とする事で、複数のフライホイール４４は全て同じ慣性モーメントを生じさせることとなり、離接時に加減される慣性モーメントの変化を予想しやすくなる。

クラッチ４６は、電磁クラッチとすれば良い。また、フライホイール４４間に配置されるクラッチ４６は、それぞれ同じものとする事ができるが、回転軸４２ａの結合トルクに対して、クラッチ４６の結合トルクに十分な余裕が無い場合には、クラッチ４６の配置位置に応じて、使用するクラッチ４６の許容荷重を異ならせるようにしても良い。すなわち、回転軸４２ａに負荷されるトルクは、結合されるフライホイール４４の数が増えるほど大きなものとなる。このため、分岐用増速機４０側に配置されるクラッチ４６ほど、許容荷重が大きなものとし、分岐用増速機４０から離れた位置に配置されるクラッチ４６ほど、許容荷重を小さなものとすると良い。このような構成とする事で、全てのクラッチ４６を許容荷重の大きなクラッチ（高価なクラッチ）とする必要性が無くなり、フライホイールユニットの製造コストを下げつつ、十分な機能を発揮させることができる。なお、フライホイール４４の回転に伴うフロート２４の揺動時の固有周波数の変化は、予め求めておくようにする。

このような構成のフライホイールユニット４２を備える事により、波力発電装置１０を設置する海域の波の状況により、フロート２４が揺動する際の固有周期を変化させることが可能となる。フライホイール４４の回転慣性質量を付加、調整することで固有周期を変化させ、フロート２４の振幅を波の振幅に共振させる事で、フロート２４の幅に起因したエネルギー抽出量よりも大きなエネルギーを、波の振幅から得る事が可能となる。また、このような構成における慣性質量の付加、調整は、クラッチ４６のＯＮ／ＯＦＦ制御のみで可能となる。このため、駆動電力が軽減され、電気的同調制御等の他の同調制御に比べて、発電効率が高くなる。

ここで、フロート２４の質量をＭ、付加質量をｍ、フライホイール４４等の回転慣性質量をｍ_ｍ、フロート２４の上下変異をＺ、フロート２４の減衰係数をＮ、発電負荷をＣ_ｍ、海水の密度をρ、フロート２４の水線面積をＡ_ｗ、発電機３０による付加ばね係数をｋ_ｍ、重力加速度をｇとした場合、実施形態に係る波力発電装置１０におけるフロート２４を同調（共振）させる条件は、数式１のようになる。

この時、固有周期Ｔ_０は、数式２のように示すことができる。

また、フライホイール４４等の回転慣性質量ｍ_ｍは、数式３のように示す事ができる。なお、数式３において、Ｊは、フライホイール４４等の慣性モーメントであり、Ｒは、フライホイール４４を回転させるためのピニオンの半径である。よって、Ｒを変化させる事で、ｍ_ｍを変える事ができる。

なお、数式１、数式２においては、必要に応じてｋｍを変える事もできる。

また、図３に示すフロート２４には、２つの発電機３０が設けられている。発電機３０を複数設ける場合、構造体支柱１４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２４の重量バランスが安定するからである。１つのフロート２４に設ける発電機３０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３０を２つとしている本実施形態の場合、構造体支柱１４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。

また、１つのフロート２４に複数の発電機３０を設ける場合、フライホイールユニット４２は、少なくとも１つの発電機３０に付帯させるようにすれば良い。慣性モーメントの増加により、ピニオンギヤ３６の回転抵抗を変化させる事でフロート２４の揺動周期を調整する場合、複数の発電機３０のうちの少なくとも１つに、当該作用を成すフライホイールユニット４２を設ければ足りるからである。

このような構成のフロート２４では、揺動時における上死点、あるいは下死点にて、クラッチ４６のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うようにする。フロート２４が揺動する際、上死点、あるいは下死点では、その上下運動の切り替わりが生ずるため、一時的に停止した状態となる。このタイミングでフライホイール４４の切離、あるいは接続を行う事で、ギヤユニット３４や回転軸に掛かる負荷を軽減させる事ができる。

上記実施形態では、フライホイール４４の材質、厚み、及び形状を同一とする旨記載した。しかしながら、フライホイール４４の材質を変える事により、その厚みや形状を異ならせても、同じ重量、同じ慣性モーメントを得られるようにする事ができる。なお、フライホイール４４の材質や厚み、及び形状を変えて、個々のフライホイール４４が異なる重量、異なる慣性モーメントを生じさせる構成としても良い。このような構成とした場合には、より細かな慣性モーメントの調整を行う事が可能となるからである。

１０………波力発電装置、１２………基礎支柱、１２ａ………フランジ、１４………構造体支柱、１６………フランジ、１８………ストッパ、２０………ガイドレール、２２………ラックギヤ、２４………フロート、２６………機械室、２８………空気室、３０………発電機、３０ａ………回転軸、３２………エアコンプレッサ、３４………ギヤユニット、３６………ピニオンギヤ、３８………減速機、３８ａ………入力側シャフト、３８ｂ………出力側シャフト、４０………分岐用増速機、４２………フライホイールユニット、４２ａ………回転軸、４４………フライホイール、４６………クラッチ。

Claims (6)

1. 波力発電装置用の浮体であり、
   浮体の揺動を回転力に変換するギヤユニットと、
   前記ギヤユニットに接続されて発電を成す発電機と、
   前記ギヤユニットに接続されて、慣性モーメントを付加する事により前記浮体の揺動周期を調整するフライホイールユニットと、を備え、
   前記ギヤユニットには、分岐ギヤが設けられ、
   前記フライホイールユニットは、前記分岐ギヤを介して前記発電機の回転軸上に備えられる構成としたことを特徴とする波力発電装置用浮体。
2. 前記フライホイールユニットは、同一軸線上に配置された複数のフライホイールと、
   各フライホイール間に配置されて動力の伝達を成すクラッチと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置用浮体。
3. 前記フライホイールユニットを構成する複数のクラッチは、動力を伝達する基端となる側に配置されるクラッチほど、大きな結合トルクを有するクラッチとしていることを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置用浮体。
4. 前記複数のフライホイールは、同一の素材、同一の厚み、及び同一の形状としたことを特徴とする請求項２または３に記載の波力発電装置用浮体。
5. 前記複数のフライホイールは、重量の異なるものを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の波力発電装置用浮体。
6. 浮体の揺動を回転力に変換するギヤユニットと、前記ギヤユニットに接続されて発電を成す発電機と、前記ギヤユニットに設けられた分岐ギヤを介して前記発電機の回転軸上に備えられ、慣性モーメントを付加する事により前記浮体の揺動周期を調整するフライホイールユニットと、を備えた波力発電装置用浮体におけるフライホイールの離接方法であって、
   前記浮体が上下に揺動した際に、上下運動の切り替わりが生ずる上死点、あるいは下死点において、前記フライホイールユニットを前記ギヤユニットに切離、または接続することを特徴とする波力発電装置用浮体におけるフライホイールの離接方法。