JP6728523B2 - 波力発電装置および波力発電装置の設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、フロートが上下運動するときのエネルギを利用して発電を行う波力発電装置および波力発電装置の設置方法に関するものであり、詳しくは発電効率を低下させることなく比較的簡単に設置することができる波力発電装置および波力発電装置の設置方法に関するものである。

水中に立設される支柱に対するフロートの相対運動により発電を行なう波力発電装置が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の波力発電装置は、支柱が海底に固定されている（杭打ち方式）。支柱の下端部を海底に到達させて固定する必要があるため、水深の比較的深い海域にこの波力発電装置は設置することができなかった。

一方で海底に沈めたアンカーと支柱とを係留索で連結して緊張係留を行なう方法も考えられる（緊張係留方式）。このとき支柱には浮力体が設置される。浮力体による上向きの力と係留索からの下向きの力が支柱に発生する。係留索を緊張させることにより支柱は水中に固定されることになる。この構成により水深の比較的深い海域に波力発電装置を設置することが可能となる。

しかし波の影響により上下運動しない程度に支柱を固定するためには、支柱に設置する浮力体を大型化するとともにアンカーを大型化する必要がある。波力発電装置を設置する場合、所定の海域まで大型化したアンカーを運搬しなければならず、この運搬コストが増大する不具合が生じる。またアンカーを海底に沈める際の作業に大型のクレーン等が必要となり、設置コストが増大する不具合が生じる。

また緊張係留方式で固定された支柱は、潮位変化にともない水底に近づく方向となる下方に移動することがある。支柱が下方に移動すると係留索が緩み、支柱が固定されていない状態となる。このとき支柱は波に同調して上下動してしまうので、フロートとの相対運動が小さくなり発電効率が低下する。

上記のとおり杭打ち方式では水深の深い海域に波力発電装置を設置することができない問題がある。また緊張係留方式では、波力発電装置の設置コストが増大するとともに潮位変化により発電効率が低下する問題がある。

特開２００７−５１８０２４号公報

本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は発電効率を低下させることなく比較的簡単に設置することができる波力発電装置および波力発電装置の設置方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の波力発電装置は、立設状態で水中に配置される支柱と、この支柱に沿って波により上下運動するフロートと、このフロートと前記支柱との相対運動を利用して発電する発電機構とを備える波力発電装置において、前記支柱に設置される中空体を備えていて、この中空体は内部に海水を充填可能に構成されていて、前記中空体が内部に海水を充填されて全体が水没した状態にあるとき、内部の海水の質量を含む前記中空体の質量の大きさが、前記中空体に働く浮力の大きさと同じ又は大きくなる構成を有することを特徴とする。

本発明の波力発電装置の設置方法は、立設状態で水中に係留される支柱と、この支柱に沿って波により上下運動するフロートと、このフロートと前記支柱との相対運動を利用して発電する発電機構とを備える波力発電装置の設置方法において、前記支柱に設置される中空体を備えていて、前記波力発電装置を水中に配置する際に前記中空体が海水を注水されて注水状態となり、前記中空体が前記注水状態となる際に、前記中空体が内部に海水を充填されて全体が水没した状態にあるとき、内部の海水の質量を含む前記中空体の質量の大きさが、前記中空体に働く浮力の大きさと同じ又は大きくなる状態とすることを特徴とする。

本発明の波力発電装置および波力発電装置の設置方法によれば、中空体の内部に海水を充填することで支柱の質量を増加させて、支柱の固有周期を長周期化することができる。これにより波に対して支柱を固定し易くなる。

本発明の波力発電装置を例示する説明図である。 図１のフロートを断面で例示する説明図である。 図１の中空体の変形例を例示する説明図である。 図１の中空体の別の変形例を例示する説明図である。 図４の中空体の注水状態を断面で例示する説明図である。 図５の中空体の空状態を断面で例示する説明図である。

以下、本発明の波力発電装置および波力発電装置の設置方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１に例示するように本発明の波力発電装置１は、立設状態で水中に配置される支柱２と、この支柱２に沿って波により上下運動するフロート３と、このフロート３と支柱２との相対運動を利用して発電する発電機構４とを備えている。

支柱２は、例えば上下方向を軸方向とする円柱形状に形成され、上部の一部が水上に突出して、残りの部分が水中に水没する状態で水中に配置されている。支柱２の形状は円柱形状に限らず、水平面に平行となる方向の断面が四角形や多角形となる角柱形状であってもよい。

支柱２の下端部にはワイヤやロープ等で構成される係留索５の一端が連結されている。係留索５の他端は水底６に配置されるアンカー７に連結されている。

支柱２の下端部には水平方向に延在する平板状のヒーブプレート８を設置する構成にしてもよい。このヒーブプレート８は、支柱２が波に同調して上下運動する際の抵抗となるので、支柱２の固有周期を長周期化することができる。本発明においてヒーブプレート８は必須要件ではない。

フロート３は、平面視における略中心部に支柱２が貫通する貫通孔９を備える円筒形状に形成されている。フロート３の形状は上記に限定されず、支柱２に沿って波により上下運動する形状を有していればよい。例えばフロート３は、球形状や角筒形状に形成してもよい。

図２に例示するように発電機構４は、フロート３の内部であって支柱２の外周面を囲む
状態で配置される円環状のコア１０と、コア１０に巻き付けられるコイル１１と、コイル１１に接続されるバッテリ１２とを備えている。また発電機構４は、支柱２に設置される永久磁石１３を備えている。

支柱２に対してフロート３が相対的に上下運動すると、発電機構４は電磁誘導により発電を行なうことができる。発電機構４の構成は上記に限定されず、支柱２に対するフロート３の上下運動を利用して発電する構成であればよい。例えば発電機構４は、フロート３に設置されるモータと、このモータに設置されるピニオンギアと、支柱２に設置され上下方向に延在するラックとで構成してもよい。フロート３の側に配置されているピニオンギアは、ラックとかみ合った状態に構成され、フロート３の上下運動により回転する。

発電機構４で発電される電気はバッテリ１２を介して、波力発電装置１の外部に供給される。なおバッテリ１２を設置せず、発電機構４から直接外部に電気を供給する構成にしてもよい。

図１に例示するように支柱２の下端部には中空体１４が設置されている。中空体１４は例えば紡錘形や球形や円柱形に形成されていて、内部に空洞を有している。中空体１４は、例えばゴム製の袋で構成することができ、防舷材を利用してもよい。中空体１４は、上記に限らず海水を少なくとも注水できる構成を有していればよい。例えば中空体１４はプラスチックで構成してもよい。この中空体１４の外周面には、内部に海水を注水する際に使用するバルブ１５が配置されている。

波力発電装置１にヒーブプレート８が設置されている場合には、ヒーブプレート８の下端部に中空体１４を設置する構成にしてもよい。

次に本発明の波力発電装置１の設置方法について説明する。波力発電装置１を作業船等で運搬する際には、中空体１４の内部を空状態とすることが望ましい。中空体１４がゴムなどの比較的軟らかい材料で形成されているときは、空状態の中空体１４を折り畳んで運搬することができる。運搬コストを抑制するには有利である。

作業船が所定の海域に到着した後に、作業船に設置されているクレーン等により波力発電装置１を作業船上から水中に移動させる。このとき係留索５を介して支柱２に連結されているアンカー７を水中に投入する。この実施形態では係留索５は、アンカー７が海底に着床したときであっても弛んだ状態を維持できる程度の長さに設定されている。

波力発電装置１を水中に配置した後に、支柱２の下端部に連結されている中空体１４の内部に例えば作業船に設置されているポンプ等を利用して作業船の周囲の海水を注水する。中空体１４の内部にはバルブ１５を介して海水が注水され注水状態となる。

注水状態の中空体１４は、中空体１４の質量と中空体１４に働く浮力とが等しくなる中性浮力状態に調整されることが望ましい。本明細書において中性浮力状態とは、中空体１４の水中重量がゼロとなる状態であり、水中で任意の位置に中空体１４を配置したとき中空体１４が浮きもせず沈みもしない状態をいう。中性浮力状態は中空体１４の質量と浮力とが厳密に等しくなる状態の他に、注水状態の中空体１４の浮力に対して質量が±１０％程度の誤差がある状態も含む。

例えば中空体１４に働く浮力が１００ｋｇであるとき、注水状態の中空体１４の質量が９０〜１１０ｋｇの範囲であれば中性浮力状態ということとする。中空体１４の質量と浮力との調整は、中空体１４に海水の注水量を調整することにより行なうことができる。

注水状態の中空体１４の全体の質量に対して、中空体１４自体の質量がほとんど無視できる程度の大きさであれば、中空体１４を満水にすれば中空体１４はほぼ中性浮力状態となるので調整が容易になる。

次に中空体１４の設置にともなう支柱２の固有周期の長周期化について説明する。まず支柱２などの浮体の固有周期Ｔ（ｓｅｃ）は、浮体の質量Ｍ（ｋｇ）と付加質量係数αと復元力ｋ（Ｎ／ｍ）から以下の式（１）で表すことができる。ここで付加質量係数αとは、支柱２等が水中で上下運動を行なう際に周囲の海水に加速度を生じさせた影響により見かけ上増加する質量の割合をいう。

支柱２を円柱形状と仮定すると、支柱２にかかる復元力（浮力から重量を引いたもの）はバネ力として働く。このバネ力を表すバネ定数ｋは円柱断面積Ｓを用いると以下の式（２）で表すことができる。

ここでρは海水の密度（１０００ｋｇ／ｍ３）、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ２）を示す。また支柱２の質量Ｍ（ｋｇ）は喫水（水没深さ）をｄ（ｍ）とすると以下の式（３）で表すことができる。

以上より支柱２の固有周期Ｔを表す式（１）は以下の式（４）に変形することができる。なお支柱２が円筒形状である場合は付加質量係数α＝０．１程度となる。

上記の式（４）より、支柱２の喫水が例えば１ｍのとき固有周期Ｔは約２．１ｓｅｃであり、喫水４ｍのときＴ＝約４．２ｓｅｃ、喫水９ｍのときＴ＝約６．３ｓｅｃとなる。波の周期は例えば４〜１２ｓｅｃで常時変化するため、中空体１４を備えていない支柱２は波に同調して上下運動してしまう。

本発明では中空体１４の設置により式（１）における支柱２の質量Ｍが増加するため、支柱２の固有周期Ｔを長周期化することができる。注水状態の中空体１４の質量が中空体１４に発生する浮力と等しいまたは大きければ、式（１）のバネ定数ｋが増加することなく質量Ｍのみが増加するため、支柱２の固有周期Ｔを効率よく増加させることができる。

支柱２に注水状態の中空体１４が設置される構成により、支柱２の固有周期Ｔを例えば２０ｓｅｃなどに増大させることができる。波の周期の４〜１２ｓｅｃに対して、支柱２の固有周期Ｔ＝２０ｓｅｃは十分に大きくなるため、支柱２は波に同調して上下運動することがほとんどなくなる。波に同調して上下運動するフロート３に対して支柱２は水中でほとんど停止した状態となるので、支柱２とフロート３との上下方向における相対運動が比較的大きくなり、発電効率を維持することができる。

支柱２が水中でほとんど停止した状態となるため、係留索５を緩めた状態で支柱２を係留する緩係留方式で波力発電装置１を設置することができる。緩係留方式で使用するアンカー７は波力発電装置１が所定の海域から流されることを防止できればよいため、アンカー７を小型化することができる。アンカー７の小型化によりアンカー７の設置コストおよび運搬コストを抑制することができる。

係留索５を緩めた状態とする緩係留方式で波力発電装置１を係留できるので、潮位が変化した場合であっても波力発電装置１の発電効率が低下するおそれがない。

なお本発明においてアンカー７は必須要件ではない。アンカー７を設置せずに、支柱２が船舶等とワイヤ等で連結されて曳航された状態であってもよい。アンカー７を使用することなく支柱２を水中にほぼ固定できるのでアンカー７を有さない状態であっても波力発電装置１は効率よく発電することができる。

波力発電装置１を運搬する際に中空体１４を空状態とすれば、波力発電装置１の重量がほとんど増加しないので、中空体１４を設置したとしても波力発電装置１の運搬コストの増加を抑制できる。なお、中空体１４を注水状態で運搬したとしても、前述の支柱２の固有周期Ｔの長周期化や設置コストの抑制の効果は得ることができるので、運搬時における中空体１４を空状態とする構成は本発明の必須要件ではない。

注水状態の中空体１４から排水すれば波力発電装置１の回収および運搬が容易になる。例えば作業船で波力発電装置１を運搬して所定位置で水中に投入するとともに中空体１４に注水して発電を開始する。波力発電装置１で発電した電気をダイバーの照明器具等に供給してダイバーの水中作業を支援する。作業完了後は、中空体１４から排水して波力発電装置１を作業船に回収して港等に帰ることができる。つまり波力発電装置１を可搬可能な
発電機として利用することができる。

中空体１４を波力発電装置１から分離した状態で運搬して、所定の海域で中空体１４を支柱２に連結する構成にしてもよい。また水中に浮かんだ状態の波力発電装置１を作業船で曳航して運搬する構成にしてもよい。作業船で波力発電装置１を曳航する際に、空状態の中空体１４を支柱２に予め設置しておいてもよく、注水状態の中空体１４を支柱２に予め設置しておいてもよい。

図３に例示するように複数の中空体１４を支柱２に設置する構成にしてもよい。この実施形態では中空体１４は球形に形成されていて、水平方向に並べて配置されている。複数の中空体１４は支柱２の周囲を囲む円周上に並べて配置されている。

複数の中空体１４を水平方向に広げて配置する構成により、支柱２が波により上下運動しようとすると、中空体１４がその抵抗となる。つまり中空体１４が図１のヒーブプレート８と同様の効果を発揮する。支柱２が波に同調して上下運動することを抑制するには有利である。

図３に例示するように波力発電装置１に複数の係留索５およびアンカー７を設置する構成にしてもよい。複数のアンカー７を設置する構成により波力発電装置１が所定の海域から流され難くなる。一つ当たりのアンカー７の大きさをさらに小型化するには有利である。

図４に例示するように波力発電装置１の支柱２と作業船１６とを曳航索１７で連結して、波力発電装置１が所定の海域から流されることを防止する構成にしてもよい。曳航索１７は例えばワイヤやロープ等で構成される。この実施形態では波力発電装置１は、係留索５とアンカー７とを備えていない。

注水状態の中空体１４が支柱２に設置されている構成により、波により支柱２が上下方向に移動し難くなる。そのため作業船１６に曳航索１７で連結された状態であっても波力発電装置１は効率よく発電を行なうことができる。

この実施形態の中空体１４は、支柱２の下端部の周囲を覆う円環形に構成されている。中空体１４は支柱２に固定されているので、支柱２が波に同調して上下移動しようとすると中空体１４がその抵抗となる。中空体１４がヒーブプレート８と同じ効果を生じるので支柱２を水中に固定し易くなる。

この中空体１４はゴムなどの変形し易い材料で構成することができる。そのため図５に例示するように中空体１４の内部に海水を注水した注水状態では中空体１４は膨らむ。図６に例示するように中空体１４の内部から海水を排水して空状態とすると、中空体１４はしぼむ。中空体１４をしぼませた空状態とすれば、作業船１６で波力発電装置１を曳航して運搬する場合であっても、中空体１４の体積が小さくなるため運搬し易くなる。

１ 波力発電装置
２ 支柱
３ フロート
４ 発電機構
５ 係留索
６ 水底
７ アンカー
８ ヒーブプレート
９ 貫通孔
１０ コア
１１ コイル
１２ バッテリ
１３ 永久磁石
１４ 中空体
１５ バルブ
１６ 作業船
１７ 曳航索

Claims (8)

1. 立設状態で水中に配置される支柱と、この支柱に沿って波により上下運動するフロートと、このフロートと前記支柱との相対運動を利用して発電する発電機構とを備える波力発電装置において、
   前記支柱に設置される中空体を備えていて、この中空体は内部に海水を充填可能に構成されていて、
   前記中空体が内部に海水を充填されて全体が水没した状態にあるとき、内部の海水の質量を含む前記中空体の質量の大きさが、前記中空体に働く浮力の大きさと同じ又は大きくなる構成を有することを特徴とする波力発電装置。
2. 前記支柱の固有周期Ｔを表す以下の式（１）において、前記支柱に設置される前記中空体が復元力ｋを増加させることなく質量Ｍを増加させる構成を有する請求項１に記載の波力発電装置。
   

   

   
   ここで、Ｔは前記支柱の固有周期（ｓｅｃ）であり、Ｍは前記支柱の質量（ｋｇ）であり、αは前記支柱が水中で上下運動を行う際に周囲の海水に加速度を生じさせた影響により見かけ上増加する質量の割合である付加質量係数であり、ｋは前記支柱にかかる復元力（Ｎ／ｍ）を示す。
3. 前記中空体が、前記支柱の下端部の周囲を覆う円環状に構成される請求項１または２に記載の波力発電装置。
4. 水平方向に延在する平板状に形成されていて前記支柱の下端部に設置されるヒーブプレートを有していて、前記中空体が前記ヒーブプレートの下端部に設置される請求項１または２に記載の波力発電装置。
5. 曳航索により作業船と前記支柱とが連結されている状態で発電を行う構成を有する請求項１〜３のいずれかに記載の波力発電装置。
6. 立設状態で水中に係留される支柱と、この支柱に沿って波により上下運動するフロートと、このフロートと前記支柱との相対運動を利用して発電する発電機構とを備える波力発電装置の設置方法において、
   前記支柱に設置される中空体を備えていて、
   前記波力発電装置を水中に配置する際に前記中空体が海水を注水されて注水状態となり、
   前記中空体が前記注水状態となる際に、前記中空体が内部に海水を充填されて全体が水没した状態にあるとき、内部の海水の質量を含む前記中空体の質量の大きさが、前記中空体に働く浮力の大きさと同じ又は大きくなる状態とすることを特徴とする波力発電装置の設置方法。
7. 前記支柱の固有周期Ｔを表す以下の式（１）において、前記中空体が前記注水状態となる際に、前記中空体が復元力ｋを増加させることなく質量Ｍを増加させる状態となる請求項６に記載の波力発電装置の設置方法。
   

   

   
   ここで、Ｔは前記支柱の固有周期（ｓｅｃ）であり、Ｍは前記支柱の質量（ｋｇ）であり、αは前記支柱が水中で上下運動を行う際に周囲の海水に加速度を生じさせた影響により見かけ上増加する質量の割合である付加質量係数であり、ｋは前記支柱にかかる復元力（Ｎ／ｍ）を示す。
8. 前記支柱が曳航索により作業船と連結されている状態で設置を完了とする請求項６または７に記載の波力発電装置の設置方法。

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