JP6994261B2 - 波力発電装置及び波力発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、波力発電装置及び波力発電方法に関する。

波によって動揺する浮体物の動きを回転運動に変換する変換機構と、変換機構を介して取り出された回転力により回転する回転軸体と、回転軸体に駆動されて発電する発電機ユニットとを備える波力発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2013-181433号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、浮体物の動きが直接的に（弾性体を介さずに）変換機構に入力されるので、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることが難しい。

そこで、１つの側面では、本発明は、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる波力発電装置及び波力発電方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、海に浮かぶことが可能な浮体物と、
回転慣性質量効果を発生する回転体と、
前記回転体の回転に基づいて電力を発生する発電機と、
第１弾性体と、
前記回転体と前記浮体物との間を前記第１弾性体を介して接続し、前記浮体物の動きに連動して前記回転体を回転させる駆動部とを含む、波力発電装置が提供される。

本発明によれば、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる波力発電装置及び波力発電方法が得られる。

一実施例による波力発電装置１の模式図である。 図１に示す波力発電装置１のモデルを示す図である。 最適解に係る計算結果を示す表図である。 図３の計算例で使用したパラメータの各値を示す表図である。 数値解析結果を示す図である。 別の数値解析結果を示す図である。 比較例によるモデルを示す図である。 回転慣性質量の可変機構の模式図である。 波力発電装置１の制御システム８の一例を示す図である。 制御装置８００のハードウェア構成の一例を示す図である。 制御装置８００の機能の一例を示す機能ブロック図である。 対応関係情報の一例を示す図である。 制御装置８００の動作例を示す概略フローチャートである。 別の設置方法の説明図である。 第１の従来のモデルを示した図である。 第２の従来のモデルを示した図である。 実施例のモデルを示した図である。 図１４Ａ～図１４Ｃのモデルの発電効率及び機構の簡易性を比較して示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

本明細書において、「静止物」とは、地球に対して実質的に固定されたものを含む概念であり、自然物のみならず人工物をも含む概念である。また、「実質的に固定され」とは、波に応じて変位しないことを意味し、後述の浮体物３０よりも変位が少ない支持形態を含む概念である。

図１は、一実施例による波力発電装置１の模式図である。図１には、海面が模式的に破線Ｌ１で示されている。

波力発電装置１は、浮体物３０と、回転体３２と、発電機４０と、同調バネ４１（第１弾性体の一例）と、支持バネ４２（第２弾性体の一例）と、駆動部５０とを含む。

浮体物３０は、海に浮かぶことが可能な任意の物体であり、いわゆるブイ（浮標）の形態であってよい。浮体物３０のサイズや質量は任意であるが、例えば質量は１０トン程度であってよい。浮体物３０は、波に応じて静止物に対して変位する。以下、波に応じて変位することを、「動揺する」ともいう。ここでは、浮体物３０の動揺の上下方向の成分に着目し、波に応じて生じる上下方向の浮体物３０の動きを、「振動」と称する。一般的に海面に生じる波の周期は、天候や季節等の環境条件の変化に応じて変化するので、浮体物３０の振動の周波数も、常に一定とはならず、環境条件の変化に応じて変化する。

回転体３２は、回転慣性質量効果を発生する。回転体３２は、発電機４０の入力軸(回転軸)に取り付けられる。但し、回転体３２は、発電機４０の入力軸と一体的に形成されてもよい。また、回転体３２は、発電機４０の入力軸にギア等を介して接続されてもよい。回転体３２は、後述するように駆動部５０により回転トルクが付与され、回転する。この際、回転体３２は、発電機４０の入力軸に回転トルクを与える。回転体３２が発生させる回転慣性質量効果は、発電機４０の入力軸自体が有する回転慣性質量効果よりも有意に大きい。即ち、回転体３２は、発電機４０の入力軸自体が有する回転慣性質量効果に有意な回転慣性質量効果を付加する。回転体３２が発生させる回転慣性質量効果に係る回転慣性質量は、好ましくは、例えば浮体物３０の質量の３％以上であり、より好ましくは、浮体物３０の質量の１０％以上である。以下、特に言及しない限り、回転慣性質量効果とは、回転体３２に関するものとする。回転慣性質量効果の更なる詳細については後述する。

発電機４０は、回転体３２の回転に基づいて電力を発生する。発電機４０は、ステータ側が静止物に対して固定される。例えば、図１に示すように発電機４０が海中に設置される場合、発電機４０は、ステータ側が海底の静止物に固定される。発電機４０は、入力軸が略水平方向になる向きに配置される。

同調バネ４１は、所定のバネ定数ｋ_ｔ[Ｎ／ｍ]を有する。同調バネ４１は、駆動部５０に直列に接続される。同調バネ４１の接続位置は、浮体物３０と回転体３２との間に設定される。同調バネ４１は、例えば、浮体物３０と回転体３２との間の区間内で、駆動部５０に組み込まれる。例えば、駆動部５０は、複数の分割された部材を有し、同調バネ４１は、部材間に接続されてもよい。或いは、同調バネ４１は、駆動部５０と一体的に形成されてもよい。或いは、同調バネ４１は、浮体物３０に一端が接続され、他端が駆動部５０に接続されてもよい。

同調バネ４１のバネ定数ｋ_ｔは、着目周波数ｆ_ｒｅｆで浮体物３０が振動したときに、回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調するように設定される。着目周波数ｆ_ｒｅｆの決め方は、任意であるが、例えば波力発電装置１の設置場所で生じる波で生じる浮体物３０の振動の多様な周波数のうちの、代表値が使用されてもよい。「回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調」については、後に詳説する。

支持バネ４２は、所定のバネ定数ｋ_ｓ[Ｎ／ｍ]を有する。支持バネ４２は、駆動部５０に直列に接続される。支持バネ４２の接続位置は、回転体３２と静止物（図１の例では、海底の静止物）との間に設定される。支持バネ４２は、例えば、回転体３２と静止物との間の区間内で、駆動部５０に組み込まれる。例えば、駆動部５０は、複数の分割された部材を有し、支持バネ４２は、部材間に接続されてもよい。或いは、支持バネ４２は、駆動部５０と一体的に形成されてもよい。或いは、支持バネ４２は、静止物に一端が接続され、他端が駆動部５０に接続されてもよい。

支持バネ４２は、浮体物３０の動きに起因して駆動部５０が弛まないように、伸び量が０以上に維持される。従って、支持バネ４２は、駆動部５０の張力を０以上に維持する機能を有する。

駆動部５０は、ケーブルや、ワイヤ、チェーン、ベルト等のような線状の形態であり、バネ定数が実質的に０である。駆動部５０は、図１に模式的に示すように、一端が浮体物３０に同調バネ４１を介して接続し、かつ、他端が静止物に支持バネ４２を介して接続する。

駆動部５０は、図１に示すように、上下方向に延在する上下区間と、略水平方向に延在する水平区間とを有する。尚、図１に示す例では、同調バネ４１は、上下区間に設けられ、支持バネ４２は、水平区間に設けられている。上下区間と水平区間との間の屈曲は、回転体３２まわりで実現されている。但し、変形例では、上下区間と水平区間との間の屈曲は、回転体３２とは異なる別のプーリーなどで実現されてもよい。

駆動部５０は、浮体物３０の動きに連動して回転体３２を回転させる。本実施例では、駆動部５０は、浮体物３０の振動に連動して、回転体３２を回転させる。駆動部５０と回転体３２との間の伝動機構は任意である。例えば、駆動部５０は、歯車(ギア)とチェーンの伝動機構を介して、回転体３２を回転させる。この場合、駆動部５０は、歯車に噛み合うチェーンを一体的に含み、回転体３２は、歯車の回転に連動して回転する態様で、歯車に接続される。或いは、駆動部５０は、ベルトとプーリーの伝動機構を介して、回転体３２を回転させてもよい。この場合、駆動部５０は、プーリーに巻かれるベルトを一体的に含み、回転体３２は、プーリーの回転に連動して回転する態様で、プーリーに接続される。

図２は、図１に示す波力発電装置１のモデルを示す図である。図２には、波力発電装置１の制御回路８０（制御装置の一例)についても併せて模式的に示される。

図２では、Ｍは、浮体物３０に作用する付加水質量と浮体物３０の質量の和を表し、Ｋ_ｗ及びＣ_ｗは、浮体物３０に作用する流体(海水)のバネ及びダンパ効果のそれぞれのバネ定数[Ｎ／ｍ]及び減衰定数[Ｎ ｓ／ｍ]を表し、ｋ_ｔ、ｋ_ｓは、上述のように同調バネ４１と支持バネ４２のバネ定数を表し、ｃ_ｓは発電機４０内のダンパ効果の減衰定数を表し、ｍ_ｓは、回転体３２の回転慣性質量[ｋｇ]を表す。また、Ｋ_ｅは、発電機４０の逆起電力定数[Ｖ ｓ／ｍ]を表す。

制御回路８０は、電力変換器(図示せず)を含み、電力変換器は、例えば単一のＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field-effect transistor）のようなスイッチング素子を含む一方向の変換器である。この場合、単一のスイッチング素子に係るパルス幅変調（ＰＷＭ）制御が容易となり、かつ、寄生損失を低減できる。発電機４０に流れる電流ｉ［Ａ］は、以下の通り表現できる。
ｉ＝－Yｖ
ここで、Yは、アドミタンス［１／Ω］であり、ｖは、電圧(電位差)［Ｖ］である。アドミタンスＹは、スイッチング素子をオン／オフさせる際のデューティ比を変化させることで、所定の上限値以下の範囲内で可変となる。

制御入力をｕとすると、制御入力ｕを与えるときの図２に示すモデルの動きは、釣り合いから、以下の通り表現できる。

ここで、ドットは、時間微分、ツードットは二階時間微分を表す。同調バネ４１の伸びをｒ_ｔとし、支持バネ４２の伸びをｒ_ｓとすると、ｒ＝ｒ_ｔ＋ｒ_ｓである。ｒは、浮体物３０の振動の変位(図１参照)を表す。ｆ_ｔは、同調バネ４１による力（弾性力）を表し、以下の関係を有する。
ｆ_ｔ＝ｋ_ｔｒ_ｔ＝ｋ_ｔ（ｒ－ｒ_ｓ）
なお、ｋ_ｔは、上述のように同調バネ４１のバネ定数であり、０よりも大きい制約が入る。
制御入力ｕは、以下の関係を有する。
ｕ＝－Ｋ_ｅｉ
また、浮体物３０の動きは、以下の通り表現できる。

ここで、ｆ_ａは、浮体物３０が波から受ける力を表す。浮体物３０が波から受ける力ｆ_ａは、一例として、以下のパワースペクトル密度Ｓ_ａ（ω）を有する、バンドパスフィルタ処理されたホワイトノイズで表現されるものとする。

ここで、ｊは、虚数単位（ｊ^２＝－１）であり、ωは、波の振動に係る角速度［ｒａｄ／ｓ］を表し、ω_ａは、バンドパスフィルタの通過帯域の中心であり、ζ_ａは、周波数成分の拡がり（例えば外乱に起因した波の周期の拡がり）を表す。
発電量Ｐｇは、以下の通り表現できる。
Ｐｇ＝－ｉｖ－Ｒｉ^２
ここで、Ｒは、抵抗である。
これらの関係式から、詳細の説明は省略するが、ある周波数ｆ_ｒｅｆ０で浮体物３０が振動したときに、発電量Ｐｇを最大化するアドミタンスＹ、バネ定数ｋ_ｔ、及び回転体３２の回転慣性質量ｍ_ｓ（最適解）が存在する。本明細書では、かかる最適解を実現することを、「回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調する」と表現する。回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調することで、発電効率を高めることができる。

図３は、バネ定数ｋ_ｔが一定値の下で、回転体３２の回転慣性質量ｍ_ｓとアドミタンスＹを変化させたときの発電量Ｐｇを、周波数ｆ_ｒｅｆ０ごとに、計算した結果を示す表図である。図３では、使用した各パラメータの値は、図４のとおりである。

図３では、バネ定数ｋ_ｔが一定値（本例では、３．９７６６×１０^３）であるが、バネ定数ｋ_ｔ＝当該一定値のときがバネ定数ｋ_ｔが最適解となるときの、回転慣性質量ｍ_ｓとアドミタンスＹとを示していると見做せる。

例えば、周波数ｆ_ｒｅｆ０＝１／４［１／ｓ］のとき、発電量Ｐｇは、ｍ_ｓ＝１１０１、Ｙ＝０．００１８３５であるとき、最大値（Ｐｇ＝２４６４）となる。従って、換言すると、周波数ｆ_ｒｅｆ０＝１／４かつｍ_ｓ＝１１０１のときは、ｋ_ｔ＝３．９７６６×１０^３かつＹ＝０．００１８３５が最適解となる。同様に、周波数ｆ_ｒｅｆ０＝１／５［１／ｓ］のとき、発電量Ｐｇは、ｍ_ｓ＝２０１０、Ｙ＝０．００１１であるとき、最大値（Ｐｇ＝１３７５）となる。従って、換言すると、周波数ｆ_ｒｅｆ０＝１／５かつｍ_ｓ＝２０１０のときは、ｋ_ｔ＝３．９７６６×１０^３かつＹ＝０．００１１が最適解となる。

図３から分かるように、本実施例によれば、波力発電装置１は、同調バネ４１を備えるので、回転体３２の回転慣性質量を浮体物３０の振動に同調させることが可能であり、発電効率を高めることができる。即ち、本実施例によれば、回転体３２の回転慣性質量を浮体物３０の振動に同調させることで、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることが可能である。

例えば、図３の場合、バネ定数ｋ_ｔを、ｋ_ｔ＝３．９７６６×１０^３に設定しておくと、周波数ｆ_ｒｅｆ０＝１／４かつｍ_ｓ＝１１０１のとき、回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調する。回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調すると、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる。従って、この場合、同調バネ４１を備えない比較例（即ちｋ_ｔ≒０）（図６も参照）に比べて、発電効率を高めることができる。

また、本実施例によれば、波力発電装置１は、回転慣性質量効果を発生する回転体３２を備えるので、発電機４０の入力軸の回転慣性質量に比べて有意に大きな回転慣性質量を実現できる。また、回転体３２の回転慣性質量を適切に設定することで、回転体３２の回転慣性質量を浮体物３０の振動に同調させることが可能であり、発電効率を高めることができる。

例えば、図３の場合、回転体３２の回転慣性質量ｍ_ｓを、ｍ_ｓ＝１１０１に設定しておくと、周波数ｆ_ｒｅｆ０＝１／４かつｋ_ｔ＝３．９７６６×１０^３のとき、回転体３２の回転慣性質量を浮体物３０の振動に同調させることができ、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる。従って、この場合、回転体３２を備えない比較例（即ちｍ_ｓ≒０）（図６も参照）に比べて、発電効率を高めることができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、数値解析結果を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂでは、横軸に、波の周期に対応する角速度ω_ａ［ｒａｄ／ｓ］を取り、縦軸に発電量Ｐｇ［Ｗ］を取り、波の周期に応じた発電量の変化特性が示される。図５Ａにおいて、変化特性５０１は、本実施例による特性であり、変化特性５０２は、図６に示す比較例による特性である。また、図５Ｂにおいて、変化特性５０３は、本実施例による特性であり、変化特性５０４は、図６に示す比較例による特性である。比較例は、図６でモデルにて示すように、同調バネ４１及び回転体３２を備えていない構成である。尚、図６において、ｍ_ｓ’は、発電機の入力軸の回転慣性質量であり、回転体３２の回転慣性質量よりも有意に小さい。

図５Ａは、波の外乱が比較的正弦波に近い狭帯域（波の周波数帯としての狭帯域）に集中した場合の数値解析結果を示し、図５Ｂは、波の外乱が広帯域を含んだ場合の同結果を示す。図５Ａ及び図５Ｂから、本実施例によれば、比較例に比べて、波の外乱が狭帯域である場合でも広帯域を含んだ場合でも、発電量を高めることができていることが分かる。例えば、日本海側で多く観測される角速度ω_ａ＝１付近の周期の波に対して、比較例に比べて、発電量を有意に高めることができていることが分かる。

ところで、上述のように、同じ場所でも、波の周期は、環境条件の変化に応じて変化するので、浮体物３０の振動の周波数も、常に一定とはならず、環境条件の変化に応じて変化する。

この点、浮体物３０の振動の周波数が変化しても、回転体３２の回転慣性質量を浮体物３０の振動に同調させることができれば、環境条件が変化しても高い発電効率を維持できる。即ち、浮体物３０の振動の周波数に応じて、回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に同調するように、アドミタンスＹ、バネ定数ｋ_ｔ、及び回転体３２の回転慣性質量ｍ_ｓの３つのパラメータを変化させることで、環境条件が変化しても高い発電効率を維持できる。

従って、本実施例において、アドミタンスＹ、バネ定数ｋ_ｔ、及び回転体３２の回転慣性質量ｍ_ｓの３つのパラメータのうちの、任意の１つ、又は任意の２つの組合わせ、若しくは全ては、浮体物の動きの周波数に応じて変化されてもよい。これにより、環境条件が変化しても高い発電効率を維持できる。尚、浮体物の動きの周波数は、後述のように、波の周期に基づいて算出されてよい。

この点、アドミタンスＹについては、上述のように、制御回路８０のスイッチング素子をオン／オフさせる際のデューティ比を変化させることで変化させることができる。従って、アドミタンスＹの変化は、電子制御により実現できる。

また、バネ定数ｋ_ｔについては、バネ定数の異なる複数の同調バネ４１を用意し、同調バネ４１を付け替えることで変化させることができる。従って、バネ定数ｋ_ｔの変化は、手動又はロボット等の作業により実現できる。

また、回転体３２の回転慣性質量ｍ_ｓについては、回転慣性質量の異なる複数の回転体３２を用意し、回転体３２を付け替えることで変化させることができる。この場合、回転慣性質量ｍ_ｓの変化は、手動又はロボット等の作業により実現できる。或いは、回転体３２は、回転慣性質量を可変とする可変機構を備えてもよい。可変機構の一例は、例えば、図７に概略的に示される。図７には、可変機構とともに、発電機４０の入力軸である回転軸６０１と、駆動部５０の一例であるワイヤ７１と、ギア７２とが模式的に併せて示される。

図７に示す例では、可変機構を含む回転体３２は、発電機４０の回転軸６０１まわりに取り付けられている。回転体３２は、回転軸６０１に固定される円盤状の部材６１０を備える。円盤状の部材６１０は、回転軸６０１と共に回転する態様（回転の矢印Ｒ１参照）で、回転軸６０１に固定される。円盤状の部材６１０には、径方向の複数の溝６１１（図７では４つの溝６１１）が形成される。溝６１１には、錘６０２が径方向に移動可能に設けられる（矢印Ｒ２参照）。かかる可変機構６００によれば、錘６０２の径方向の位置を変化させることで、回転体３２の回転慣性質量を変化させることができる。

ここで、駆動部５０と発電機４０との間の伝動機構がチェーン付きのワイヤ７１とギア７２（チェーンに噛み合うギア７２）であるとすると、発電機４０の回転角をθとし、ワイヤ７１の変位をｘ、ギア７２の半径をｒ_wとすると、以下の関係が成り立つ。
ｘ＝ｒ_wθ
また、ワイヤの張力をFとし、発電用モーターの慣性モーメントをIとすると、発電機４０の回転の運動方程式は、以下のとおりである。

ここで、慣性モーメントIは半径r_mの位置に設置された質量m₀の錘６０２（図７参照）によりのみ与えられると仮定すると、慣性モーメントIは、以下のとおりである。
Ｉ＝r_m ^２m₀
以上よりＩとθを消去すると、張力Fは、以下のとおりである。

これにより、ワイヤ７１には、以下の回転慣性質量効果が与えられていることがわかる。

尚、数５の式からは、錘６０２の径方向の位置（半径r_m）及びギアの半径ｒ_wの少なくともいずれか一方を変化させることで、回転慣性質量ｍ_ｓの値を変化させることが可能であることが分かる。従って、回転慣性質量を可変とする可変機構は、ギアの半径ｒ_wに対応する径を可変する機構（例えばプーリーの径を可変とする機構）として実現されてもよい。

次に、図８以降を参照して、波力発電装置１の制御方法の一例について説明する。以下では、一例として、同調バネ４１のバネ定数ｋ_ｔが可変でない場合を想定する。また、以下では、一例として、可変機構６００を用いる場合を想定する。

図８は、波力発電装置１の制御システム８の一例を示す図である。

制御システム８は、制御回路８０と、可変機構６００と、制御装置８００と、波高センサ８０２（検出手段の一例）とを含む。制御回路８０は、上述した通りである。制御装置８００は、例えばコンピュータにより形成される。波高センサ８０２は、波力発電装置１の設置場所の波の高さ（周波数情報の一例）を計測するセンサである。波高センサ８０２は、計測値（波高値）に応じた電気信号を制御装置８００に与える。

図９は、制御装置８００のハードウェア構成の一例を示す図である。図９には、制御装置８００のハードウェア構成に関連付けて、周辺機器６０が模式的に図示されている。周辺機器６０は、制御回路８０や波高センサ８０２等を含んでよい。

制御装置８００は、バス１９で接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１３、補助記憶装置１４、ドライブ装置１５、及び通信インターフェース１７、並びに、通信インターフェース１７に接続された有線送受信部２５及び無線送受信部２６を含む。

補助記憶装置１４は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）や、ＳＳＤ（Solid State Drive）などであり、アプリケーションソフトウェアなどに関連するデータを記憶する記憶装置である。

有線送受信部２５は、有線ネットワークを利用して通信可能な送受信部を含む。有線送受信部２５には、周辺機器６０が接続される。但し、周辺機器６０の一部又は全部は、バス１９に接続されてもよいし、無線送受信部２６に接続されてもよい。

また、無線送受信部２６は、近距離無線通信（ＮＦＣ：Near Field Communication）部、ブルーツース（Bluetooth、登録商標）通信部、Ｗｉ－Ｆｉ（Wireless-Fidelity）送受信部、赤外線送受信部などを含んでもよい。

尚、制御装置８００は、記録媒体１６と接続可能であってもよい。記録媒体１６は、所定のプログラムを格納する。この記録媒体１６に格納されたプログラムは、ドライブ装置１５を介して制御装置８００の補助記憶装置１４等にインストールされる。インストールされた所定のプログラムは、制御装置８００のＣＰＵ１１により実行可能となる。例えば、記録媒体１６は、ＣＤ(Compact Disc)－ＲＯＭ、フレキシブルディスク、光磁気ディスク等の様に情報を光学的，電気的或いは磁気的に記録する記録媒体、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等のように情報を電気的に記録する半導体メモリ等であってよい。

図１０は、制御装置８００の機能の一例を示す機能ブロック図である。図１１は、対応関係情報の一例を示す図である。

制御装置８００は、波周期算出部８４０と、制御目標値決定部８５０と、制御実行部８６０と、対応情報記憶部８７０（記憶部の一例）とを含む。波周期算出部８４０、制御目標値決定部８５０、及び制御実行部８６０は、例えば図９に示すＣＰＵ１１がＲＯＭ１３内の１つ以上のプログラムを実行することで実現できる。対応情報記憶部８７０は、例えば図９に示す補助記憶装置１４により実現できる。

波周期算出部８４０は、波高センサ８０２から得られる波高値の時系列情報に基づいて、波の周期を算出する。尚、波の周期の算出には、平滑化処理が用いられてもよい。平滑化処理では、移動平均法などが用いられてよい。

制御目標値決定部８５０は、対応情報記憶部８７０内の対応情報と、波周期算出部８４０による波の周期の算出結果とに基づいて、制御目標値を決定する。対応情報は、周波数と回転慣性質量の目標値及びアドミタンスＹの目標値との対応関係を表す情報（図１１参照）であり、対応情報記憶部８７０に記憶される。以下、回転慣性質量の目標値及びアドミタンスＹの目標値を、それぞれ、「目標値ｍ_ｔａｒ」及び「目標値Y_ｔａｒ」と表記する。

図１１に示す対応情報では、周波数範囲ごとに、回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒ（ｍ１、ｍ２等）及びアドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒ（Ｙ１，Ｙ２等）が対応付けられている。例えば周波数範囲＝ｆａ１～ｆａ２であるときは、回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒ＝ｍ１、アドミタンスＹの目標値＝Ｙ１である。対応情報は、周波数範囲ごとに、対応付けられた回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒ及びアドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒを実現すれば、回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に実質的に同調することになるように規定される。従って、浮体物３０の振動の周波数がｆａ１～ｆａ２内であるとき、回転慣性質量ｍ_ｓがｍ１となりかつアドミタンスＹがＹ１となれば、回転体３２の回転慣性質量が浮体物３０の振動に実質的に同調する。

図１１の場合、制御目標値決定部８５０は、先ず、波周期算出部８４０による波の周期の算出結果に基づいて、波の周期に対応する周波数（浮体物３０の振動の周波数）を算出する。例えば、波の周期＝ｔ_ｗのとき、波の周期に対応する周波数＝１／ｔ_ｗとされてよい。そして、制御目標値決定部８５０は、波の周期に対応する周波数の算出値が属する周波数範囲に対応付けられた回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒ及びアドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒを、制御目標値として決定する。

制御実行部８６０は、制御目標値決定部８５０により決定された制御目標値に基づいて、制御回路８０及び可変機構６００を制御する。具体的には、制御実行部８６０は、アドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒが実現されるように制御回路８０に指令を与える。制御回路８０は、かかる指令に応答して、目標値Y_ｔａｒにアドミタンスＹが近づくようにスイッチング素子のオン／オフのデューティ比を変化させる。また、同様に、制御実行部８６０は、回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒが実現されるように可変機構６００のアクチュエータ（図示せず）に指令を与える。アクチュエータは、かかる指令に応答して、目標値ｍ_ｔａｒに回転慣性質量が近づくように錘６０２の径方向の位置（半径r_m）を変化させる。

このように本実施例の波力発電装置１の制御システム８によれば、波高センサ８０２から得られる波高値に基づいて、アドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒ及び回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒが決定される。そして、アドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒ及び回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒが実現されるように発電機４０及び可変機構６００が制御される。これにより、環境条件の変化に起因して波の周期が変化しても、当該変化に対応して自動的に制御目標値が変化される。この結果、波の周期が変化しても、高い発電効率を維持できる。

図１２は、制御装置８００の動作例を示す概略フローチャートである。図１２に示す処理は、所定周期毎に繰り返し実行されてよい。

ステップＳ１２００では、波周期算出部８４０は、今回周期での波高値を波高センサ８０２から取得する。

ステップＳ１２０２では、波周期算出部８４０は、今回周期以前の複数周期にわたりステップＳ１２００で得た波高値（時系列）に基づいて、波の周期を算出する。

ステップＳ１２０４では、制御目標値決定部８５０は、ステップＳ１２０２で得た波の周期に基づいて、制御目標値の設定・変更条件が成立したか否かを判定する。尚、初期の周期では、制御目標値の設定・変更条件が成立するものとする。制御目標値の設定・変更条件は、例えば、現在の制御目標値に係る周波数範囲に対して、ステップＳ１２０２で得た波の周期に係る周波数が逸脱したときに成立する。判定結果が“ＹＥＳ”の場合は、ステップＳ１２０６に進み、それ以外の場合は、ステップＳ１２１０に進む。

ステップＳ１２０６では、制御目標値決定部８５０は、ステップＳ１２０２で得た波の周期と、対応情報記憶部８７０内の対応情報とに基づいて、ステップＳ１２０２で得た波の周期に対応する制御目標値を決定する。具体的には、上述したように、制御目標値決定部８５０は、ステップＳ１２０２で得た波の周期に係る周波数が属する周波数範囲を特定し、該周波数範囲対応付けられた回転慣性質量の目標値ｍ_ｔａｒ及びアドミタンスＹの目標値Y_ｔａｒを、新たな制御目標値として決定する。

ステップＳ１２０８では、制御目標値決定部８５０は、ステップＳ１２０６で得た新たな制御目標値で、制御目標値の今回値を更新する。

ステップＳ１２１０では、制御目標値決定部８５０は、制御目標値の今回値を前回値で維持する。

ステップＳ１２１２では、制御実行部８６０は、ステップＳ１２０８又はステップＳ１２１０で得た制御目標値の今回値に基づいて、制御回路８０及び可変機構６００を制御する。

図１２に示す処理によれば、所定周期毎に、波の周期を算出し、波の周期の変化に応じて制御目標値を動的に変化させることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、波力発電装置１の回転体３２、発電機４０等は、海中に設置されているが、これに限られない。例えば、図１３の模式図で示す波力発電装置１Ａのように、陸上に浮体物３０以外の構成要素（回転体３２、発電機４０等）が設置されてもよい。

また、上述した実施例では、支持バネ４２は、線形ばねであるが、定荷重ばねであってもよい。また、図１３に示す例では、支持バネ４２は、プーリーとカウンターウェイトとの組み合わせで代替されてもよい。この場合も、プーリーとカウンターウェイトとの組み合わせで、浮体物３０の動きに起因して駆動部５０が弛まないようにする機構を実現できる。

また、上述した実施例では、波高センサ８０２に代えて又は加えて、浮体物３０の加速度（周波数情報の一例）を検出する加速度計が利用されてもよい。この場合、波の周期は、浮体物３０の加速度の時系列に基づいて導出できる。尚、加速度は、３軸の各成分が検出されてもよいし、上下方向の成分だけが検出されてもよい。

ここで、図１４Ａ～図１４Ｃを用いて、従来のモデルと実施例のモデルとの比較を行って本発明の利点について説明する。図１４Ａ～図１４Ｃに示す３つのモデルとも、補助的な質量若しくは回転慣性質量をバネを介して付加することで共振効果を発生させてエネルギー吸収効果を高める動吸振器を基本原理として構成されている。

図１４Ａは、特開2017-132336、特開2016-144249等に記載されている第１の従来のモデルを示した図である。図１４Ａにおいて、通常の負荷質量１２０、浮標１３０、同調バネ１４１、浮力１４２、水による減衰１５２、モーターによる減衰１５１がそれぞれ示されている。なお、図１４Ａで示した構成要素と同様の構成要素は、図１４Ｂ及び図１４Ｃにも同一の参照符号を用いて示し、その説明を省略する。

図１４Ａは、一般的な動吸振器の原理を用いており、大きな付加質量を実現するのは困難であるため、大きな変位を得ることが難しく高い発電効率は見込めない。

図１４Ｂは、特開2013-155609に記載されている第２の従来のモデルを示した図である。図１４Ｂにおいては、図１４で示した構成要素に加えて、回転慣性による付加質量１３２を用いることで大きな負荷質量を実現させているが、図１４Ｃに示す実施例のモデルほどの変位を得ることが難しいため、発電効率は図１４Ｃに示す実施例のモデルには及ばない。また、回転慣性による付加質量１３２を含め、付加質量を二重に付けているため、機構が複雑である。

図１４Ｃは、実施例のモデルを示した図である。実施例のモデルは、浮標１３０の変位と比較して大きく増幅させた変位をモーターに与えることが可能であり、高い発電効果を得ることができる。また、図１４Ｂに示した第２の従来のモデルのように、付加質量を二重に取り付ける必要が無く、比較的単純な機構で構成することができる。

図１５は、図１４Ａ～図１４Ｃのモデルの発電効率及び機構の簡易性を比較して示した図である。図１５に示されるように、図１４Ａの第１の従来のモデルは、機構の簡易性は優れているが、発電効率において劣る。図１４Ｂの第２の従来のモデルは、発電効率が図１４Ａのモデルよりは向上しているものの、機構が複雑となり、機構の簡易性において劣る。

これに対し、図１４Ｃの実施例のモデルは、機構の簡易性については、図１４Ａの第１の従来のモデルよりはやや複雑となるが、図１４Ｂの第２の従来のモデルよりは簡素であり、発電効率は図１４Ａ、図１４Ｂの第１及び第２の従来のモデルと比較して大幅に向上している。このように、実施例のモデルは、機構の簡易性を維持しつつ発電効率を大幅に向上させることができるモデルであることが分かる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

本願は、日本特許庁に２０１７年８月２１日に出願された基礎出願2017-158848号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。

１ 波力発電装置
８ 制御システム
３０ 浮体物
３２ 回転体
４０ 発電機
４１、１４１ 同調バネ
４２ 支持バネ
５０ 駆動部
８０ 制御回路
１２０ 通常の負荷質量
１３０ 浮標
１３２ 回転体による付加質量
１４２ 浮力
１５１ モーターによる減衰
１５２ 水による減衰
６００ 可変機構
６０１ 回転軸
６０２ 錘
８００ 制御装置
８０２ 波高センサ
８４０ 波周期算出部
８５０ 制御目標値決定部
８６０ 制御実行部
８７０ 対応情報記憶部

Claims (8)

1. 海に浮かぶことが可能な浮体物と、
   回転慣性質量効果を発生する回転体と、
   前記回転体の回転に基づいて電力を発生する発電機と、
   第１弾性体と、
   前記浮体物に前記回転体を前記第１弾性体を介して接続し、前記浮体物の動きに連動して前記回転体を回転させる駆動部とを含み、
   前記回転体の回転慣性質量を前記浮体物の振動に同調させるように前記第１弾性体のバネ定数が設定され、前記浮体物の変位以上の変位を前記発電機に与える、波力発電装置。
2. 第２弾性体を更に含み、
   前記駆動部は、更に、静止物に前記回転体を前記第２弾性体を介して接続する、請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記駆動部は、一端が前記浮体物に接続されかつ他端が前記静止物に接続される線状の形態であり、
   前記第２弾性体は、前記回転体の回転中、伸び量が０以上に維持される、請求項２に記載の波力発電装置。
4. 前記回転体は、回転慣性質量を可変とする可変機構を備える、請求項１に記載の波力発電装置。
5. 前記回転慣性質量は、前記浮体物の動きの周波数に応じて変化される、請求項４に記載の波力発電装置。
6. 制御装置を更に備え、
   前記制御装置は、前記浮体物の動きの周波数に応じて前記回転慣性質量を電子制御により変化させる、請求項５に記載の波力発電装置。
7. 前記浮体物の動きの周波数に関する周波数情報を検出する検出手段を更に含み、
   前記制御装置は、前記回転慣性質量及び前記発電機のアドミタンスのうちの少なくともいずれか一方の目標値と周波数範囲との対応関係を表す対応情報を記憶する記憶部を含み、
   前記制御装置は、前記周波数情報と前記対応情報に基づいて、前記周波数情報の表す周波数が属する前記周波数範囲に対応付けられた前記目標値に、前記回転慣性質量及び前記アドミタンスのうちの少なくともいずれか一方を近づける、請求項６に記載の波力発電装置。
8. 海に浮かぶことが可能な浮体物に、回転慣性質量効果を発生する回転体を弾性体を介して接続する駆動部を用いて、前記浮体物の動きに連動させて前記回転体を回転させることで、前記回転体の回転に基づいて発電機により電力を発生させる波力発電方法であって、
   前記回転体の回転慣性質量を前記浮体物の振動に同調させるように前記弾性体のバネ定数が設定され、前記浮体物の変位以上の変位を前記発電機に与える、波力発電方法。

Images