JP6831153B1

JP6831153B1 - 発電装置

Info

Publication number: JP6831153B1
Application number: JP2020155925A
Authority: JP
Inventors: 郁雄三橋
Original assignee: 郁雄三橋
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: JP2022049737A

Abstract

【課題】波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する際に共振しやすい発電装置を提供する。【解決手段】本発明に係る発電装置は、動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する装置であって、内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められているセル本体と、前記セル本体が傾いて前記流動体が前記セル本体の内部空間を移動することで一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換セルと、前記動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、前記回転体が回転する回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、全体の重量を調整する重量調整機構とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置に関する。

海水面には常に波が形成されている。波の主な原因は風であると言われており、地球を取り巻く大気は循環していて海水面上では常に風が吹いているため、結果として海水面には常に波が形成されている。一方で、海水面に形成されている波は、波の上下動を起こすエネルギー（波力エネルギー）を持っており、それを有効活用することが望まれている。波力エネルギーは、膨大かつ無尽蔵に存在し枯渇する心配がない。波の大きさ及び周期は、海域によりさまざまであることから、小さな波から大きな波までどのような波浪に対しても、基本的に浮遊状態のまま、波力エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する発電装置の開発が望まれている。

特許文献１には、（イ）回転軸又はそれと一体となった内筒の周りに、それらと直角方向に曲面又は斜面により凹状を成す複数の回転翼を配した風水車において、ケーシングを左右に二等分する垂直面を対称面として、片側に回転軸と直角方向に第１流路と第３流路を設け、反対側に第２流路と第４流路を設け、波力等を原動力とする流体の往復流を第１流路及び第２流路、又は該両流路を集合させた第１往復流管に導き、第１流路から流入する流れ（往流）に対して開路する手段を第１流路と第３流路内に設け、（ロ）往流とは反対方向の流れ（復流）に対して開路する手段を第２流路と第４流路内に設け、往流は第１流路から第３流路へ、復流は第４流路から第２流路へ流れるよう、ケーシングの周りに各流路を配した垂直軸風水車が記載されている。そして、その垂直軸風水車を用いて、第１流路及び第２流路内に波力による海水の往復流を導入し、第３流路及び第４流路または該両流路を集合させた第２往復流管を、それらの外側に設けた貯漕に接続して発電を行うようにした波力発電装置が記載されている。

特許文献２には、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを回転エネルギーに変換する動揺エネルギー変換装置であって、内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められている本体と、前記本体が傾いて前記流動体が前記本体の内部空間を移動することで、一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換装置が記載されており、その回転体の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置も記載されている。

特開２００３−１２０４９９号公報特許第６３２７６２９号公報

特許文献１に記載されている波力発電装置では、海水を第１流路及び第２流路内に導入する必要があるが、海水面の波の向きは一定ではなく、第１流路及び第２流路への入口はそれほど広くないため、海水を第１流路及び第２流路に導入すること自体が難しく、エネルギーの変換効率が低かった。

特許文献２に記載されている発電装置であれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを動揺エネルギー変換装置内部の流動体の運動エネルギーを通して、電気エネルギーに変換可能であるが、この発電装置を海水面の波と共振させることができれば、流動体の動きが激しくなり、回転体の回転エネルギーが大きくなることから、より多くの電気エネルギーを取り出すことができる。しかし、この発電装置は、海水面の波と共振しやすい構造にはなっていなかった。

そこで、本発明は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する際に共振しやすい発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る動揺エネルギー変換装置は、動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置であって、内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められているセル本体と、前記セル本体が傾いて前記流動体が前記セル本体の内部空間を移動することで一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換セルと、前記動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、前記回転体が回転する回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、全体の重量を調整する重量調整機構として、前記波エネ容器内に形成された、液体を貯留可能なバラスト空間と、前記バラスト空間に液体を投入・排出するための連通路とを有し、前記バラスト空間には、前記液体の動揺を抑制する仕切り板が設置されており、前記仕切り板には、前記液体が通過可能な複数の穴が開いている。

本発明によれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する際に共振しやすい発電装置を提供することができる。

本発明に係る発電装置の構成例を示す縦断面図である。本発明に係る発電装置の構成例を示す平面図である。本発明に係る発電装置が有する動揺エネルギー変換セルの構成例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示す。動揺エネルギー変換セルが傾いて、流動体がセル本体の内部空間を移動する様子を正面から見た図であり、（ａ）はセル本体が右側に傾いた状態、（ｂ）はセル本体の左側に傾いた状態を示す。

本発明に係る発電装置は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置であって、より具体的には、動揺エネルギーにより起こる流動体の運動エネルギーを、回転体を通して回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。本発明で利用するエネルギーとしては、海水面などに形成された波に物体を浮かべたときに物体が動揺することで得られる波力エネルギーが挙げられる。この際、波と物体（発電装置）が共振現象を起こせば、理論上、その波周期に応じた物体の最大の動揺を得ることができる。

本発明に係る発電装置は、動揺エネルギーを回転エネルギーに変換する動揺エネルギー変換セルと、動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、全体の重量を調整する重量調整機構とを有する。このような発電装置であれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを、長短さまざまな波浪周期に合わせて効率よく回転エネルギーに変換することができ、それを電気エネルギーに変換することができる。以下、本発明の一実施形態として、波に浮かべることで波力エネルギーを回転エネルギーに変換可能であり、さらに得られた回転エネルギーを電気エネルギーに変換可能な発電装置について説明する。

本発明に係る発電装置の構成例を図１（縦断面図）及び図２（平面図）に示し、その発電装置が有する動揺エネルギー変換セル１０の構成を図３（ａ）（平面図、流動体１２は省略）及び図３（ｂ）（正面図、流路形成部材１６は省略）に示す。発電装置１の波エネ容器に形成されたセル設置空間２ａには、動揺エネルギー変換セル１０が複数設置され、その上部は蓋３で閉じられている。波エネ容器２の形状は、円柱状でもよく、図１及び２のように四角柱や、その他六角柱などの角柱状でもよい。

動揺エネルギー変換セル１０は、セル本体１１と、回転体１３と、流路形成部材１６とを有している。そして、セル本体１１の内部空間には、流動体１２が存在している。動揺エネルギー変換セル１０のセル本体１１は、例えば、円柱又は角柱の形状をなしている。回転体１３は、セル本体１１の内部空間を２つ（内部空間１１ａ及び１１ｂ）に区切るように、セル本体１１の中央部に設置することができる。回転体１３は、例えば、軸体１４の外周に羽根１５が接続された構成とすることができる。羽根１５は、例えば、軸体１４の軸方向からみてＳ字形状又は逆Ｓ字形状をなしている。

セル本体１１の内部空間には、流動体１２が移動可能に閉じ込められている。すなわち、セル本体１１の内部空間は外部とは遮断された閉じた空間であり、そこに所定量の流動体１２が投入されている。流動体１２は、セル本体１１が傾いた際にセル本体１１の内部空間を移動可能であればよく、水（水溶液を含む）や有機溶剤等の液体でもよく、粉末状や顆粒状の固体でもよい。セル本体１１の内部空間に投入されている流動体１２の量（体積）は、流動体１２の移動しやすさと、エネルギーの取得効率が波浪諸元（周期、波長、波高、波向き、それらのスペクトル特性）により変化する観点から決められるが、おおよそセル本体１１の内部空間の１／２〜１／３程度にするとよい。

そして、セル本体１１が傾いて流動体１２がセル本体１１の内部空間を移動した際に、羽根１５の凹部側に流動体１２が流れ込むように、セル本体１１の内部空間に流路形成部材１６が設けられ、流動体１２の流路が形成されている。こうすることで、セル本体１１が傾いて流動体１２がセル本体１１の内部空間を移動することで、回転体１３は一方向（図２（ａ）においては時計回り）にのみ回転するようになる。

このような動揺エネルギー変換セル１０により、波力エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換する原理を詳細に説明する。動揺エネルギー変換セル１０のセル本体１１は、図４に示すように、波の影響でセル本体１１が傾く。そして、図４（ａ）に示すように正面から見てセル本体１１が右側に傾くと、セル本体１１の左側の内部空間１１ａに存在していた流動体１２の一部が、図３（ａ）における矢印ａの向きに流れ、セル本体１１の右側の内部空間１１ｂに移動する。このとき移動した流動体１２が回転体１３の羽根１５の凹部側に流れ込むことで、回転体１３は図３（ａ）において時計回りに回転する。また、図４（ｂ）に示すように正面から見てセル本体１１が左側に傾くと、セル本体１１の右側の内部空間１１ｂに存在していた流動体１２の一部が、図３（ａ）における矢印ｂの向きに流れ、セル本体１１の左側の内部空間１１ａに移動する。このとき移動した流動体１３が回転体１３の羽根１５の凹部側に流れ込むことで、回転体１３は図３（ａ）において時計回りに回転する。

すなわち、この動揺エネルギー変換セル１０によれば、波力エネルギーを回転エネルギーに変換することができる。動揺エネルギー変換セル１０は、波の傾きが常に変化していることを利用して、それを回転エネルギーに効率よく変換することが可能である。

なお、セル本体１１の大きさ、形状及び材質については、来襲波の波長などを考慮して適宜選択すればよい。例えば、セル本体１１の長さ（例えば図３の動揺エネルギー変換セル１０における左右方向の長さ）は、想定される来襲波の波長の４分の１程度が好ましい。特に、セル本体１１の形状については、多数のバリエーションが考えられる（特許文献２参照）。回転体１３は、例えば、一方向にのみ回転することが求められる風力発電用の風車と同様の形状とすることができ、その形状は、パドル型、Ｓ字型、サポニウス型、直線翼型、ダリウス型、クロスフロー型などが挙げられる。流路形成部材１６は、回転体１３が一方向にのみ回転するのに適した場所及び形状で設けられる。

発電装置１のセル設置空間２ａに設置される動揺エネルギー変換セル１０は、１つでも構わないが、複数であることが好ましい。特に、動揺エネルギー変換セル１０の複数が、全体として平面を形成するようにセル設置空間２ａに敷き詰められていることが好ましい（図１では１８個）。こうすることで、動揺エネルギー変換セル１０による発電量を増やすことができる。なお、敷き詰められた動揺エネルギー変換セル１０の複数は、それぞれセル設置空間２ａの底面に固定されていてもよく、いかだ状に互いに連結器（不図示）で接続されていてもよい。

さらに、平面を形成するように敷き詰められた動揺エネルギー変換セル１０の複数が、例えば棚４を介して、複数段（図１では１８個×２段）に積み上げられていることが好ましい。こうすることで、動揺エネルギー変換セル１０から得られる回転エネルギーをさらに増やすことができる。動揺エネルギー変換セル１０を積み上げる段数は、２段でもよく、３段以上でもよい。なお、上段に敷き詰められた動揺エネルギー変換セル１０の複数は、それぞれ棚４に固定されていてもよく、いかだ状に互いに連結器（不図示）で接続されていてもよい。

また、多方向からの来襲波に合わせ、各段で動揺エネルギー変換セル１０の配列方向を変えることもできる。図１の発電装置１では、動揺エネルギー変換セル１０の配列方向を上段と下段で９０°ずらし、井桁状に配置している。こうすることで、図２における左右方向（例えば、東西方向）に進行する波の動揺エネルギーを、下段に配置された動揺エネルギー変換セル１０により回転エネルギーに変換し、それと直角な図２における上下方向（例えば南北方向）に進行する波の動揺エネルギーを、上段に配置された動揺エネルギー変換セル１０により回転エネルギーに変換することが可能となる。すなわち、どの波向きにも対応できるようになる。なお、動揺の主たるものは鉛直方向の上下運動であるが、これには波エネ容器２全体を波浪と共振させることで対応することができる。

発電機２０は、いわゆる電磁誘導を利用して、動揺エネルギー変換装置１０が有する回転体１３の回転エネルギー（運動エネルギー）を電気エネルギーに変換するものである。発電機２０としては、直流発電機、同期発電機、誘導発電機などの交流発電機が挙げられる。本発明に係る発電装置１が複数の動揺エネルギー変換装置１０を有する場合、各動揺エネルギー変換装置１０に発電機２０が内蔵（セル本体１１の内部で回転体１３の頂部）若しくは外付け（セル本体１０の外部で回転体１３の頂部）にて設置されていることが好ましい。発電機２０で得られた電気エネルギーはその場で使うこともできるが、電気エネルギーを蓄える充電池（不図示）に充電することもできる。

本発明に係る発電装置１が有する動揺エネルギー変換装置１０は、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換するが、その際の動揺を更に高めるためには、発電装置１を波（来襲波）の周期と共振させることが重要である。発電装置１と来襲波とが共振する条件を構成するファクターとして、来襲波の周期と発電装置１の固有周期が挙げられる。この両者を一致させれば、発電装置１は理論上共振する。来襲波の周期は、例えば、気象条件を与件とすればＳＭＢ法で予測することができ、地形などに基づき類型化することもできる。発電装置１の固有周期は、その重量により異なるが、重量を与件とするとき、発電装置１を故意に水没させたときの鉛直振動の周期として算出することができる。したがって、来襲波の周期と発電装置１の固有周期を同一にするべく、発電装置１全体の重量を調整することができれば、発電装置１を波（来襲波）の周期と共振させることができ、その動揺を最大化することが原理的に可能となる。

ただし、動揺エネルギー変換セル１０は、波エネ容器２のセル設置空間２ａに水密された状態で格納されていることから、その部分の重量を変化させることは難しい。そこで、本発明に係る発電装置１は、その発電装置１全体の重量を調整する重量調整機構を有している。こうすることで、発電装置１全体の重量を調整してその固有周期と来襲波の周期を同一にすることができ、発電装置１と波を共振させることが可能となる。

重量調整機構は、発電装置１全体の重量を調整できる機構であれば特に制限はないが、その具体例としては、図１に示すように、波エネ容器２内に形成された、液体を貯留可能なバラスト空間２ｂと、バラスト空間２ｂに液体を投入・排出するための連通路（配管５）とを有するものが挙げられる。バラスト空間２ｂの形成位置は、特に限定されないが、図１に示すように、セル設置空間２ａの下方に形成されていることが好ましい。セル設置空間２ａの下方にバラスト空間２ｂが形成されていれば、発電装置１の安定性が向上する。

そして、来襲波と共振させるために発電装置１全体の重量を増やしたい場合には、配管５を通してバラスト空間２ｂに液体を投入すればよく、逆に発電装置１の全体の重量を減らしたい場合には、配管５を通してバラスト空間２ｂから液体を排出すればよい。バラスト空間２ｂに液体を投入・排出する際には、例えば、配管５に設置されたポンプ５ａを利用することができる。こうすることで、例えばＳＭＢ法で予測された波の周期に基づいて、発電装置１が共振するように算出された重量に調整することができるようになる。

なお、バラスト空間２ｂ内の液体が動揺すると、発電装置１全体の動揺が阻害される場合があることから、バラスト空間２ｂには、内部に投入された液体の動揺を抑えるための仕切り板２５が設置されていることが好ましい。仕切り板２５としては、例えば、内部に投入された液体が通過可能な複数の穴が開いた板などが挙げられる。このような仕切り板２５であれば、液体が大きく動揺した場合に、板における穴の開いていない部分に液体がぶつかって、その動揺が小さくなる。

以上のような本発明に係る発電装置であれば、波力エネルギーなどの動揺エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換することができ、さらにそれを電気エネルギーに変換することができる。本発明に係る発電装置の一例である波力発電装置は海岸などに定置してもよいが、可動式としてもよい。波力発電装置を可動式とすることで、例えば、洋上や離島で行われる工事に必要な電気を、その工事期間中のみ確保する発電装置として好適なものとなる。また、その電気を用いて海中海底に昼夜を問わず光を届けることで、沿岸域の磯焼け防止に活用することもできる。

１発電装置
２波エネ容器
２ａセル設置空間
２ｂバラスト空間
３蓋
４棚
５配管
５ａポンプ
１０動揺エネルギー変換セル
１１セル本体
１１ａ内部空間
１１ｂ内部空間
１２流動体
１３回転体
１４軸体
１５羽根
１６流路形成部材
２０発電機
２５仕切り板
ａ流動体の流れ
ｂ流動体の流れ

Claims

動揺エネルギーから電気エネルギーを生成する発電装置であって、
内部空間に流動体が移動可能に閉じ込められているセル本体と、前記セル本体が傾いて前記流動体が前記セル本体の内部空間を移動することで一方向にのみ回転するように設置された回転体とを有する動揺エネルギー変換セルと、
前記動揺エネルギー変換セルを格納するセル設置空間を有する波エネ容器と、
前記回転体が回転する回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、
全体の重量を調整する重量調整機構として、前記波エネ容器内に形成された、液体を貯留可能なバラスト空間と、前記バラスト空間に液体を投入・排出するための連通路と
を有し、
前記バラスト空間には、前記液体の動揺を抑制する仕切り板が設置されており、
前記仕切り板には、前記液体が通過可能な複数の穴が開いている
発電装置。
前記バラスト空間は、前記セル設置空間の下方に形成されている
請求項１に記載の発電装置。
前記セル設置空間には、前記動揺エネルギー変換セルの複数が格納されている
請求項１又は２に記載の発電装置。
前記セル設置空間には、前記動揺エネルギー変換セルの複数が複数段に積み上げられている
請求項３に記載の発電装置。
前記電気エネルギーを蓄える充電池
をさらに有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。