JP7574234B2 - Wave power generation device and offshore wind power generation system - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態は、波力発電装置および洋上風力発電システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to wave power generation devices and offshore wind power generation systems.
洋上で風力発電を行う洋上風力発電システムは、洋上の安定した風を用いて発電を行うことができるという利点を有している。例えば、沖合で水深が急に深くなる場合には、海底に基礎を設けて風力発電設備を固定することが困難であることから、浮体式の洋上風力発電設備が有効な選択肢であると考えられている。洋上風力発電設備は、波により上下するため、波の固有周期から離調するように設計される。このことにより、振動による機器の損傷防止を図っている。また、台風等による高波浪時に振動を抑えることが設備の維持に重要と考えられている。 Offshore wind power generation systems that generate electricity offshore have the advantage of being able to generate electricity using the stable winds offshore. For example, when the water depth suddenly increases offshore, it is difficult to establish foundations on the seabed and secure the wind power generation equipment, so floating offshore wind power generation equipment is considered to be an effective option. Since offshore wind power generation equipment moves up and down with the waves, it is designed to be detuned from the natural period of the waves. This prevents damage to the equipment from vibration. It is also considered important to maintain the equipment by suppressing vibration during high waves caused by typhoons, etc.
洋上風力発電設備は、風を受けることによって発電を行うことができるが、浮体の制御などには外部電源を用いている。外部電源が電力系統から電力を引き込む場合には、台風などの災害時に電力系統が遮断される恐れがある。外部電源を喪失すると浮体の制御が行われないため、場合によっては浮体が倒壊するなどの危険性が指摘されている。このため、電力系統が遮断されるなどの非常時においても、電源の確保が望まれている。 Offshore wind power generation facilities can generate electricity by catching wind, but an external power source is used to control the float. If the external power source draws power from the power grid, there is a risk that the power grid will be cut off in the event of a disaster such as a typhoon. If the external power source is lost, the float cannot be controlled, and it has been pointed out that there is a risk that the float may collapse in some cases. For this reason, it is desirable to have a power source that can be secured even in emergencies such as when the power grid is cut off.
このような電源の例としては、蓄電池が挙げられる。しかしながら、蓄電池の容量は限られている。このため、外部電源の喪失が長期に及ぶ場合には、電力が不足する恐れがある。 An example of such a power source is a storage battery. However, the capacity of a storage battery is limited. Therefore, if the loss of external power source continues for an extended period of time, there is a risk of power shortage.
他の例としては、波力発電を行って得られた電力を電源として用いることが考えられる。波力発電は、波による振動を運動エネルギに変換することにより発電を行う発電方式である。波力発電は、振動発電と言うこともできる。波力発電装置は、洋上風力発電設備の浮体に、相対振動可能に発電用の浮体を取り付けることにより構成することができる。相対振動が大きくなるほど、発電量が増大する。 Another example would be to use the electricity generated by wave power generation as a power source. Wave power generation is a power generation method that generates electricity by converting vibrations caused by waves into kinetic energy. Wave power generation can also be called vibration power generation. A wave power generation device can be constructed by attaching a power generation float to a float of an offshore wind power generation facility so that it can vibrate relative to the float. The greater the relative vibration, the greater the amount of electricity generated.
しかしながら、相対振動が大きい場合、振動が大きい浮体から他方の浮体に振動が伝播し、振動が増幅する恐れがある。相対振動が小さい場合には、振動伝播の恐れは低いが、発電量が低下し得る。このため、必要な電力の確保が困難になる。 However, when the relative vibration is large, there is a risk that the vibration will propagate from one floating body with a large vibration to the other floating body, amplifying the vibration. When the relative vibration is small, there is little risk of vibration propagation, but the amount of power generated may decrease. This makes it difficult to secure the necessary power.
本発明の実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる波力発電装置および洋上風力発電システムを提供することを目的とする。 The embodiments of the present invention have been made with these points in mind, and aim to provide a wave power generation device and an offshore wind power generation system that can suppress vibrations and increase the amount of power generated by wave power.
実施の形態による波力発電装置は、水上に浮かぶ第1構造体と、水上に浮かぶ、第1構造体に対して相対変位可能な第2構造体と、中間構造体と、第1変換機構と、第1装置発電機と、を備えている。中間構造体は、第1構造体および第2構造体のそれぞれに弾性的に接続され、第1構造体および第2構造体のそれぞれに対して相対変位可能になっている。第1変換機構は、第1変換回転子を含み、第1構造体と中間構造体との間の相対変位を第1変換回転子の回転変位に変換する。第1装置発電機は、第1発電機回転子を含み、第1変換回転子の回転変位で第1発電機回転子が回転して発電を行う。第1発電機回転子および第1変換回転子は、中間構造体から第1構造体への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第1回転体を構成している。 The wave power generation device according to the embodiment includes a first structure floating on the water, a second structure floating on the water and displaceable relative to the first structure, an intermediate structure, a first conversion mechanism, and a first device generator. The intermediate structure is elastically connected to each of the first structure and the second structure, and is displaceable relative to each of the first structure and the second structure. The first conversion mechanism includes a first conversion rotor and converts the relative displacement between the first structure and the intermediate structure into a rotational displacement of the first conversion rotor. The first device generator includes a first generator rotor, and the first generator rotor rotates with the rotational displacement of the first conversion rotor to generate power. The first generator rotor and the first conversion rotor form a first rotor that functions as an inertial mass element that reduces vibration transmission from the intermediate structure to the first structure.
実施の形態による洋上風力発電システムは、上述した波力発電装置と、波力発電装置に支持された風力発電設備と、を備えている。 The offshore wind power generation system according to the embodiment includes the wave power generation device described above and a wind power generation facility supported by the wave power generation device.
本発明の実施の形態によれば、振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。 According to an embodiment of the present invention, it is possible to suppress vibrations and increase the amount of electricity generated by wave power.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。 The following describes a wave power generation device and an offshore wind power generation system according to an embodiment of the present invention, with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1~図7を用いて、本実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。ここでは、洋上風力発電システムに適用される波力発電装置の例について説明する。しかしながら、波力発電装置の適用例はこれに限られることはない。
(First embodiment)
A wave power generator and an offshore wind power generation system according to the present embodiment will be described with reference to Figures 1 to 7. Here, an example of a wave power generator applied to an offshore wind power generation system will be described. However, application examples of the wave power generator are not limited to this.
まず、本実施の形態による波力発電装置が適用される洋上風力発電システム1について図1を用いて説明する。図1には、一例として、スパー型洋上風力発電システムが示されている。 First, an offshore wind power generation system 1 to which the wave power generation device according to this embodiment is applied will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 shows a spar-type offshore wind power generation system as an example.
図1に示す洋上風力発電システム1は、風力発電設備2と、波力発電装置10と、を備えている。風力発電設備2は、第1浮体21と、塔構造体3と、風力発電機本体4と、を含んでいる。 The offshore wind power generation system 1 shown in FIG. 1 includes a wind power generation facility 2 and a wave power generation device 10. The wind power generation facility 2 includes a first floating body 21, a tower structure 3, and a wind power generator main body 4.
第1浮体21は、洋上に浮かんでいる。第1浮体21は、第1中心軸線L1を有しており、第1中心軸線L1に沿って延びるように円筒状に形成されている。第1浮体21が横揺れしていない状態では、第1中心軸線L1は、垂直方向に沿っている。第1浮体21の一部は水面下に位置しており、周囲の海水に浸漬している。水面は、図1等において符号Wで示す。第1浮体21は、水圧に耐えるように構成されている。 The first float 21 floats on the ocean. The first float 21 has a first central axis L1, and is formed in a cylindrical shape extending along the first central axis L1. When the first float 21 is not swaying, the first central axis L1 is along the vertical direction. A part of the first float 21 is located below the water surface and is immersed in the surrounding seawater. The water surface is indicated by the symbol W in Figure 1 etc. The first float 21 is configured to withstand water pressure.
第1浮体21の下部には、コンクリート等の重量物またはバラスト水等が充填された重錘部(図示せず)が設けられている。このことにより、第1浮体21の重心を低くするとともに、第1浮体21の浮力と洋上風力発電システム1の重力が平衡する。このようにして、洋上に浮かぶ第1浮体21の安定性を高めている。 A weight section (not shown) filled with a weight such as concrete or ballast water is provided at the bottom of the first float 21. This lowers the center of gravity of the first float 21 and balances the buoyancy of the first float 21 with the gravity of the offshore wind power generation system 1. In this way, the stability of the first float 21 floating on the ocean is increased.
塔構造体3は、第1浮体21の上方に位置しており、第1浮体21から上方に延びている。塔構造体3は、第1浮体21に支持されており、垂直方向に細長に延びるように柱状に形成されている。 The tower structure 3 is located above the first floating body 21 and extends upward from the first floating body 21. The tower structure 3 is supported by the first floating body 21 and is formed in a columnar shape that extends vertically in an elongated manner.
風力発電機本体4は、塔構造体3の上端に設置されている。風力発電機本体4は、塔構造体3を介して第1浮体21に支持されている。風力発電機本体4は、風向等に応じて塔構造体3に対して水平面内で回転可能になっている。風力発電機本体4は、塔構造体3に回転可能に支持されたナセル4aと、ナセル4aに回転可能に設けられた発電用回転翼4bと、を含んでいる。ナセル4a内に、発電用回転翼4bの回転によって発電を行う風力発電機4cが内蔵されている。発電用回転翼4bは、複数のブレード4dを含んでいる。 The wind power generator body 4 is installed at the top end of the tower structure 3. The wind power generator body 4 is supported by the first floating body 21 via the tower structure 3. The wind power generator body 4 is rotatable in a horizontal plane relative to the tower structure 3 according to the wind direction, etc. The wind power generator body 4 includes a nacelle 4a rotatably supported by the tower structure 3, and a power generating rotor 4b rotatably mounted on the nacelle 4a. The nacelle 4a houses a wind power generator 4c that generates power by rotating the power generating rotor 4b. The power generating rotor 4b includes a plurality of blades 4d.
このような風力発電設備2は、波の加振力を受けて、垂直方向に振動する。この振動は、ヒーブとも称する。 Such a wind power generation facility 2 vibrates vertically when subjected to the excitation force of waves. This vibration is also called heave.
次に、図2を用いて、本実施の形態による波力発電装置10について説明する。図2は図1に示す波力発電装置の概略断面図である。なお、図2では風力発電設備2を省略して示している。 Next, the wave power generation device 10 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the wave power generation device shown in FIG. 1. Note that the wind power generation facility 2 is omitted in FIG. 2.
図2に示す波力発電装置10は、第1構造体20と、第2構造体30と、中間構造体40と、第1弾性体50と、第2弾性体60と、第1変換機構70と、第1装置発電機80と、を備えている。 The wave power generation device 10 shown in FIG. 2 includes a first structure 20, a second structure 30, an intermediate structure 40, a first elastic body 50, a second elastic body 60, a first conversion mechanism 70, and a first device generator 80.
第1構造体20は、洋上に浮かぶ構造体である。第1構造体20は、上述した第1浮体21と、スポーク22と、第1ロッド23と、を含んでいる。第1浮体21は、風力発電設備2の構成要素でもあり、波力発電装置10の構成要素でもある。第1浮体21は、後述する第2浮体31よりも大きな断面積を有していてもよい。この場合、第1浮体21の安定性を、第2浮体31よりも向上させることができる。 The first structure 20 is a structure floating on the ocean. The first structure 20 includes the first float 21, the spokes 22, and the first rod 23 described above. The first float 21 is a component of the wind power generation facility 2 and also a component of the wave power generation device 10. The first float 21 may have a larger cross-sectional area than the second float 31 described below. In this case, the stability of the first float 21 can be improved compared to the second float 31.
第1浮体21は、上述したように洋上に浮かんでいる。このため、第1浮体21は、波の加振力を受けて垂直方向に振動する。第1浮体21は、静止系に対して弾性的に支持されているとみなすことができる。このことを模式化するために、図2では、ばね定数k4を有する第1仮想弾性体11によって、第1浮体21が静止系に対して弾性的に支持されている。第1仮想弾性体11は、ばね部材が存在していることを示しているのではなく、周囲の水から受ける浮力によって第1浮体21が垂直方向に運動することを模式的に示すために用いている。第1浮体21の固有振動数は、波の振動数に対して十分に離調するように設計されていてもよい。 As described above, the first floating body 21 floats on the ocean. Therefore, the first floating body 21 vibrates in the vertical direction when subjected to the excitation force of the waves. The first floating body 21 can be considered to be elastically supported with respect to the stationary system. To model this, in FIG. 2, the first floating body 21 is elastically supported with respect to the stationary system by a first imaginary elastic body 11 having a spring constant k 4. The first imaginary elastic body 11 does not indicate the presence of a spring member, but is used to model the vertical movement of the first floating body 21 due to the buoyancy force received from the surrounding water. The natural frequency of the first floating body 21 may be designed to be sufficiently detuned with respect to the frequency of the waves.
スポーク22は、第1浮体21の上部に連結されている。スポーク22は、第1浮体21から水平方向に、中間構造体40の上方位置まで延びている。 The spokes 22 are connected to the upper part of the first floating body 21. The spokes 22 extend horizontally from the first floating body 21 to a position above the intermediate structure 40.
第1ロッド23は、スポーク22から下方に延びている。第1ロッド23は、後述する第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第1ロッド23は、後述する中間空洞部42に挿入されて、中間空洞部42を貫通している。第1ロッド23に、第1弾性体50が連結される弾性体連結部24が固定されている。 The first rod 23 extends downward from the spoke 22. The first rod 23 is formed in a cylindrical shape so as to extend along a second central axis L2 described below. The first rod 23 is inserted into an intermediate hollow portion 42 described below and passes through the intermediate hollow portion 42. An elastic body connecting portion 24 to which a first elastic body 50 is connected is fixed to the first rod 23.
第2構造体30は、第1構造体20に対して相対変位可能な構造体である。第2構造体30は、第1構造体20とは異なる位置で洋上に浮かんでいる。第2構造体30は、第2浮体31と、第2空洞部32と、を含んでいる。 The second structure 30 is a structure that can be displaced relative to the first structure 20. The second structure 30 floats on the ocean at a position different from that of the first structure 20. The second structure 30 includes a second floating body 31 and a second cavity portion 32.
第2浮体31は、洋上に浮かんでいる。第2浮体31は、第2中心軸線L2を有しており、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第2浮体31が横揺れしていない状態では、第2中心軸線L2は、垂直方向に沿っている。第2浮体31の一部は、水面下に位置して、周囲の海水に浸漬している。第2浮体31は、水圧に耐えるように構成されている。第2浮体31は、上述した第1浮体21よりも小さな断面積を有していてもよい。第2浮体31の下部には、第1浮体21と同様にして重錘部(図示せず)が設けられている。 The second float 31 floats on the ocean. The second float 31 has a second central axis L2 and is formed in a cylindrical shape extending along the second central axis L2. When the second float 31 is not swaying, the second central axis L2 is along the vertical direction. A part of the second float 31 is located below the water surface and is immersed in the surrounding seawater. The second float 31 is configured to withstand water pressure. The second float 31 may have a smaller cross-sectional area than the first float 21 described above. A weight portion (not shown) is provided on the lower part of the second float 31 in the same manner as the first float 21.
第2浮体31は、上述したように洋上に浮かんでいる。このため、第2浮体31は、波の加振力を受けて垂直方向に振動する。第2浮体31は、上述した第1仮想弾性体11と同様に、ばね定数k1を有する第2仮想弾性体12によって静止系に対して弾性的に支持されているとみなすことができる。第2浮体31の固有振動数は、波の振動数に対して十分に離調するように設計されていてもよい。 As described above, the second floating body 31 floats on the ocean. Therefore, the second floating body 31 vibrates in the vertical direction due to the excitation force of the waves. The second floating body 31 can be considered to be elastically supported with respect to the stationary system by the second virtual elastic body 12 having a spring constant k1 , similar to the above-mentioned first virtual elastic body 11. The natural frequency of the second floating body 31 may be designed to be sufficiently detuned with respect to the frequency of the waves.
第2空洞部32は、第2浮体31に形成されている。第2空洞部32は、第2浮体31の上面から下方に延びている。第2空洞部32は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第2空洞部32は、第2浮体31を貫通してもよいが、図2に示す例では、第2空洞部32は、第2浮体31を貫通しておらず、途中位置で終端している。第2空洞部32は、後述する中間空洞部42の下方に位置している。 The second cavity 32 is formed in the second float 31. The second cavity 32 extends downward from the upper surface of the second float 31. The second cavity 32 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The second cavity 32 may pass through the second float 31, but in the example shown in FIG. 2, the second cavity 32 does not pass through the second float 31 and terminates at an intermediate position. The second cavity 32 is located below the intermediate cavity 42 described later.
第2空洞部32に、上述した第1ロッド23の下部が挿入されている。第2空洞部32の直径は、第1ロッド23の外径よりも大きくなっている。 The lower part of the first rod 23 described above is inserted into the second cavity 32. The diameter of the second cavity 32 is larger than the outer diameter of the first rod 23.
第2浮体31の内周面に、複数のローラ33が取り付けられていてもよい。複数のローラ33は、第2中心軸線L2に沿う軸方向dに離間して配置されていてもよく、周方向に離間して配置されていてもよい。ローラ33は、第1ロッド23の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、第2浮体31に対する第1ロッド23の相対変位を円滑に行うことができる。第1ロッド23の外周面には、軸方向dに延びるガイドレール(図示せず)が取り付けられていてもよい。このことにより、第2構造体30が第1構造体20に対して、第2中心軸線L2を中心とする回転運動を行うことを抑制している。また、第2浮体31に対する第1ロッド23の相対変位を軸方向dに案内することができる。 A plurality of rollers 33 may be attached to the inner peripheral surface of the second float 31. The rollers 33 may be arranged at intervals in the axial direction d along the second central axis L2, or may be arranged at intervals in the circumferential direction. The rollers 33 are capable of rolling on the outer peripheral surface of the first rod 23. This allows the first rod 23 to be smoothly displaced relative to the second float 31. A guide rail (not shown) extending in the axial direction d may be attached to the outer peripheral surface of the first rod 23. This prevents the second structure 30 from rotating around the second central axis L2 relative to the first structure 20. In addition, the relative displacement of the first rod 23 with respect to the second float 31 can be guided in the axial direction d.
中間構造体40は、第1構造体20および第2構造体30のそれぞれに弾性的に接続されるとともに、第1構造体20および第2構造体30のそれぞれに対して相対変位可能になっている。中間構造体40は、スリーブ41と、中間空洞部42と、支持架台43と、を含んでいる。 The intermediate structure 40 is elastically connected to each of the first structure 20 and the second structure 30, and is capable of relative displacement with respect to each of the first structure 20 and the second structure 30. The intermediate structure 40 includes a sleeve 41, an intermediate cavity 42, and a support base 43.
スリーブ41は、第2浮体31の上方であって、スポーク22の下方に位置している。スリーブ41は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。 The sleeve 41 is located above the second float 31 and below the spokes 22. The sleeve 41 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2.
中間空洞部42は、中間構造体40を貫通していてもよい。より具体的には、中間空洞部42は、スリーブ41に形成されており、スリーブ41を貫通している。中間空洞部42は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。中間空洞部42は、第2空洞部32の上方に位置している。 The intermediate cavity 42 may penetrate the intermediate structure 40. More specifically, the intermediate cavity 42 is formed in the sleeve 41 and penetrates the sleeve 41. The intermediate cavity 42 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The intermediate cavity 42 is located above the second cavity 32.
中間空洞部42に、上述した第1ロッド23が挿入されている。第1ロッド23は、中間空洞部42を貫通して、上述した第2空洞部32に延びて挿入されている。このことにより、第2中心軸線L2に直交する方向における第2構造体30の移動を、第1ロッド23で規制することができる。中間空洞部42の直径は、第1ロッド23の外径よりも大きくなっている。 The first rod 23 described above is inserted into the intermediate cavity 42. The first rod 23 passes through the intermediate cavity 42 and extends into the second cavity 32 described above. This allows the first rod 23 to restrict the movement of the second structure 30 in a direction perpendicular to the second central axis L2. The diameter of the intermediate cavity 42 is larger than the outer diameter of the first rod 23.
スリーブ41の内周面に、複数のローラ44が取り付けられていてもよい。複数のローラ44は、第2中心軸線L2に沿う軸方向dに離間して配置されていてもよく、周方向に離間して配置されていてもよい。ローラ44は、第1ロッド23の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、スリーブ41に対する第1ロッド23の相対変位を円滑に行うことができる。また、第1ロッド23の外周面には、軸方向dに延びるガイドレール(図示せず)が取り付けられていてもよい。このことにより、中間構造体40が第1構造体20に対して、第2中心軸線L2を中心とする回転運動を行うことを抑制している。また、スリーブ41に対する第1ロッド23の相対変位を軸方向dに案内することができる。 A plurality of rollers 44 may be attached to the inner peripheral surface of the sleeve 41. The rollers 44 may be arranged at intervals in the axial direction d along the second central axis L2, or may be arranged at intervals in the circumferential direction. The rollers 44 are capable of rolling on the outer peripheral surface of the first rod 23. This allows the first rod 23 to be smoothly displaced relative to the sleeve 41. In addition, a guide rail (not shown) extending in the axial direction d may be attached to the outer peripheral surface of the first rod 23. This prevents the intermediate structure 40 from rotating about the second central axis L2 relative to the first structure 20. In addition, the relative displacement of the first rod 23 with respect to the sleeve 41 can be guided in the axial direction d.
支持架台43は、スリーブ41の上端に位置しており、スリーブ41に支持されている。支持架台43は、水平方向(軸方向dに垂直な方向)に延びている。 The support stand 43 is located at the upper end of the sleeve 41 and is supported by the sleeve 41. The support stand 43 extends in the horizontal direction (perpendicular to the axial direction d).
第1弾性体50は、第1構造体20と中間構造体40とを弾性的に接続している。より具体的には、第1弾性体50は、第1ロッド23に固定された弾性体連結部24とスリーブ41または支持架台43とを連結している。図2に示す例においては、1つの第1弾性体50が、弾性体連結部24とスリーブ41または支持架台43とを連結しているが、第1弾性体50の個数は任意である。第1弾性体50は、ばね定数k3を有している。第1弾性体50は、例えば、コイルばねなどのばね部材によって構成されていてもよい。 The first elastic body 50 elastically connects the first structure 20 and the intermediate structure 40. More specifically, the first elastic body 50 connects the elastic body connecting portion 24 fixed to the first rod 23 to the sleeve 41 or the support frame 43. In the example shown in FIG. 2, one first elastic body 50 connects the elastic body connecting portion 24 to the sleeve 41 or the support frame 43, but the number of first elastic bodies 50 is arbitrary. The first elastic body 50 has a spring constant k 3. The first elastic body 50 may be formed of a spring member such as a coil spring, for example.
第2弾性体60は、第2構造体30と中間構造体40とを弾性的に接続している。より具体的には、第2弾性体60は、第2浮体31とスリーブ41とを連結している。図2に示す例においては、1つの第2弾性体60が、第2浮体31とスリーブ41とを連結しているが、第2弾性体60の個数は任意である。第2弾性体60は、ばね定数k2を有している。第2弾性体60は、例えば、コイルばねなどのばね部材によって構成されていてもよい。 The second elastic body 60 elastically connects the second structure 30 and the intermediate structure 40. More specifically, the second elastic body 60 connects the second floating body 31 and the sleeve 41. In the example shown in Fig. 2, one second elastic body 60 connects the second floating body 31 and the sleeve 41, but the number of second elastic bodies 60 is arbitrary. The second elastic body 60 has a spring constant k2 . The second elastic body 60 may be formed of a spring member such as a coil spring, for example.
第1変換機構70は、第1変換回転子71を含んでいる。本実施の形態による第1変換機構70は、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位を、第1変換回転子71の回転変位に変換するように構成されている。 The first conversion mechanism 70 includes a first conversion rotor 71. In this embodiment, the first conversion mechanism 70 is configured to convert the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 into a rotational displacement of the first conversion rotor 71.
より具体的には、第1変換機構70は、上述した第1変換回転子71と、第1ラックレール72とを含んでいる。 More specifically, the first conversion mechanism 70 includes the first conversion rotor 71 and the first rack rail 72 described above.
第1ラックレール72は、第1ラックの一例である。第1ラックレール72は、第1ロッド23に設けられている。より具体的には、第1ラックレール72は、第1ロッド23の外周面に取り付けられている。第1ラックレール72は、軸方向dに延びている。第1ラックレール72は、中間構造体40の中間空洞部42内に挿入可能になっている。上述したように、中間構造体40は、第1ロッド23の外周面に軸方向dに延びるガイドレール(図示せず)に規制されていることから、中間構造体40は第2中心軸線L2を中心とする回転運動が抑止されている。このため、第1ラックレール72は、後述する第1ピニオン歯車73と噛み合うことができる。 The first rack rail 72 is an example of a first rack. The first rack rail 72 is provided on the first rod 23. More specifically, the first rack rail 72 is attached to the outer circumferential surface of the first rod 23. The first rack rail 72 extends in the axial direction d. The first rack rail 72 can be inserted into the intermediate cavity 42 of the intermediate structure 40. As described above, the intermediate structure 40 is restricted by a guide rail (not shown) extending in the axial direction d on the outer circumferential surface of the first rod 23, so that the intermediate structure 40 is prevented from rotating about the second central axis L2. Therefore, the first rack rail 72 can mesh with the first pinion gear 73 described later.
第1変換回転子71は、第1ピニオン歯車73と、第1変速歯車75と、を含んでいる。 The first conversion rotor 71 includes a first pinion gear 73 and a first speed change gear 75.
第1ピニオン歯車73は、第1変速歯車75ともに、上述した第1変換回転子71を構成している。第1ピニオン歯車73は、第1変速歯車75を介して第1ラックレール72の歯に噛み合っており、第1構造体20と中間構造体40との間の軸方向dの並進相対変位を、回転変位に変換する。 The first pinion gear 73, together with the first speed change gear 75, constitutes the first conversion rotor 71 described above. The first pinion gear 73 meshes with the teeth of the first rack rail 72 via the first speed change gear 75, and converts the translational relative displacement in the axial direction d between the first structure 20 and the intermediate structure 40 into a rotational displacement.
第1ピニオン歯車73は、中間構造体40に支持されている。より具体的には、第1ピニオン歯車73は、支持架台43に軸受(図示せず)によって回転可能に支持されている。 The first pinion gear 73 is supported by the intermediate structure 40. More specifically, the first pinion gear 73 is rotatably supported by a bearing (not shown) on the support frame 43.
第1ピニオン歯車73は、後述する第1発電機回転子81に同軸で連結されていてもよい。第1ピニオン歯車73の回転軸線は、第1発電機回転子81の回転軸線に一致していてもよい。あるいは、第1ピニオン歯車73の回転軸線は、上方から見たときに、後述する第1変速歯車75の回転軸線に直交する方向に配置されていてもよい。 The first pinion gear 73 may be coaxially connected to the first generator rotor 81 described later. The rotation axis of the first pinion gear 73 may coincide with the rotation axis of the first generator rotor 81. Alternatively, the rotation axis of the first pinion gear 73 may be disposed in a direction perpendicular to the rotation axis of the first speed gear 75 described later when viewed from above.
第1変速歯車75は、第1ラックレール72と第1ピニオン歯車73との間に介在されている。第1変速歯車75は、第1構造体20と中間構造体40との間の軸方向dの相対変位を、第1ラックレール72を介して回転変位に変換して、この回転変位を第1ピニオン歯車73に伝達可能に構成されている。第1変速歯車75は、第1ピニオン歯車73とともに第1変換回転子71を構成している。 The first speed change gear 75 is interposed between the first rack rail 72 and the first pinion gear 73. The first speed change gear 75 is configured to convert the relative displacement in the axial direction d between the first structure 20 and the intermediate structure 40 into a rotational displacement via the first rack rail 72, and to transmit this rotational displacement to the first pinion gear 73. The first speed change gear 75 and the first pinion gear 73 constitute the first conversion rotor 71.
第1変速歯車75の歯数は、第1ピニオン歯車73の歯数と異なっている。このことにより、第1変速歯車75の回転速度と第1ピニオン歯車73の回転速度が異なる。図2に示す例では、第1変速歯車75のピッチ円半径が、第1ピニオン歯車73のピッチ円半径よりも大きくなっている。このことにより、第1変速歯車75の歯数が、第1ピニオン歯車73の歯数よりも多くなっており、第1変速歯車75は、第1ピニオン歯車73の回転を増速する。 The number of teeth of the first speed change gear 75 is different from the number of teeth of the first pinion gear 73. As a result, the rotational speed of the first speed change gear 75 is different from the rotational speed of the first pinion gear 73. In the example shown in FIG. 2, the pitch circle radius of the first speed change gear 75 is larger than the pitch circle radius of the first pinion gear 73. As a result, the number of teeth of the first speed change gear 75 is greater than the number of teeth of the first pinion gear 73, and the first speed change gear 75 increases the rotation speed of the first pinion gear 73.
第1変速歯車75の歯数をZ1とし、第1ピニオン歯車73の歯数をZ2とすれば、第1変速歯車75と第1ピニオン歯車73の回転数比、すなわち第1変速装置74の増速率ε1は
ところで、第1変速歯車75の歯数は、第1変速装置74によって可変であってもよい。第1変速装置74は、第1ピニオン歯車73の回転を変速可能に構成されている。第1変速装置74は、歯数が異なる複数の第1変速歯車75を含んでいてもよい。図示しない切替部によって、第1ラックレール72および第1ピニオン歯車73のそれぞれに噛み合う第1変速歯車75が切り替わるように構成されていてもよい。第1変速歯車75を異なる歯数の歯車に切り替えることによって第1変速装置74は上述の増速率ε1を変更することができる。複数の第1変速歯車75は、後述する第1発電機回転子81の回転軸線に沿う方向(図2の紙面に直交する方向)に並列配置されていてもよい。第1変速装置74は、第1変速歯車75を覆う第1保護カバー76を含んでいてもよい。第1変速装置74は、中間構造体40に支持されている。より具体的には、第1変速装置74は、支持架台43に支持されている。第1変速歯車75は、支持架台43に軸受(図示せず)によって回転可能に支持されている。第1変速歯車75の回転軸線は、第1ピニオン歯車73の回転軸線に平行になっていてもよい。 The number of teeth of the first speed change gear 75 may be variable by the first speed change device 74. The first speed change device 74 is configured to be able to change the speed of the rotation of the first pinion gear 73. The first speed change device 74 may include a plurality of first speed change gears 75 with different numbers of teeth. The first speed change gears 75 meshing with the first rack rail 72 and the first pinion gear 73 may be switched by a switching unit (not shown). By switching the first speed change gear 75 to a gear with a different number of teeth, the first speed change device 74 can change the above-mentioned speed increase rate ε 1. The plurality of first speed change gears 75 may be arranged in parallel in a direction along the rotation axis of the first generator rotor 81 described later (a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2). The first speed change device 74 may include a first protective cover 76 that covers the first speed change gear 75. The first speed change device 74 is supported by the intermediate structure 40. More specifically, the first speed change device 74 is supported by the support frame 43. The first speed change gear 75 is rotatably supported by the support frame 43 via a bearing (not shown). The rotation axis of the first speed change gear 75 may be parallel to the rotation axis of the first pinion gear 73.
第1装置発電機80は、第1発電機回転子81を含んでいる。第1装置発電機80は、第1変換回転子71の回転変位で第1発電機回転子81が回転して発電を行うように構成されている。第1装置発電機80は、中間構造体40の支持架台43に支持されている。図2に示す例においては、第1発電機回転子81は、水平方向に沿う回転軸線を有している。図2に示す例においては、支持架台43に1台の第1装置発電機80が設置されている。1台の第1変換機構70によって第1構造体20と中間構造体40との相対変位から変換された回転変位が、第1装置発電機80の第1発電機回転子81に伝達される。第1発電機回転子81には同軸のフライホイール(図示せず)が取り付けられていてもよい。この場合、フライホイールの慣性モーメントを第1発電機回転子81の慣性モーメントに含めてもよい。このことにより、第1発電機回転子81の慣性モーメントを調節してもよい。 The first device generator 80 includes a first generator rotor 81. The first device generator 80 is configured so that the first generator rotor 81 rotates with the rotational displacement of the first conversion rotor 71 to generate electricity. The first device generator 80 is supported by the support frame 43 of the intermediate structure 40. In the example shown in FIG. 2, the first generator rotor 81 has a rotation axis along the horizontal direction. In the example shown in FIG. 2, one first device generator 80 is installed on the support frame 43. The rotational displacement converted from the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 by one first conversion mechanism 70 is transmitted to the first generator rotor 81 of the first device generator 80. A coaxial flywheel (not shown) may be attached to the first generator rotor 81. In this case, the moment of inertia of the flywheel may be included in the moment of inertia of the first generator rotor 81. This may adjust the moment of inertia of the first generator rotor 81.
上述した第1発電機回転子81および第1変換回転子71は、中間構造体40から第1構造体20への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第1回転体90を構成している。本実施の形態においては、第1回転体90は、第1発電機回転子81、第1ピニオン歯車73および第1変速歯車75によって構成されている。 The first generator rotor 81 and the first conversion rotor 71 described above constitute a first rotating body 90 that functions as an inertial mass element that reduces vibration transmission from the intermediate structure 40 to the first structure 20. In this embodiment, the first rotating body 90 is constituted by the first generator rotor 81, the first pinion gear 73, and the first speed gear 75.
このように構成された本実施の形態による波力発電装置10は、図3に示す力学モデルに模式化される。 The wave power generation device 10 according to this embodiment, configured as described above, is illustrated in the mechanical model shown in FIG. 3.
図3に示すm1は、第2構造体30の質量であり、m2は中間構造体40の質量であり、m3は、第1構造体20の質量である。より具体的には、m1は、第2構造体30の質量に、水による付加質量などの流体的効果が加えられた質量である。m2は、中間構造体40の質量に、第1装置発電機80の固定子の質量と、第1変速装置74の固定側の質量とが加えられた質量である。m3は、第1構造体20の質量に、風力発電機設備2の質量と、水による付加質量など流体的効果が加えられた質量である。Xは波の変位であり、x1は第2構造体30の変位であり、x2は中間構造体40の変位であり、x3は第1構造体20の変位である。k1は第2仮想弾性体12のばね定数であり、k2は第2弾性体60のばね定数であり、k3は第1弾性体50のばね定数であり、k4は第1仮想弾性体11のばね定数である。c1は波に対する第2構造体30の減衰係数であり、c2は第2構造体30と中間構造体40との間の相対変位に対する減衰係数であり、c3は第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位に対する減衰係数であり、c4は波に対する第1構造体20の減衰係数である。ms3は第1回転体90の慣性質量、すなわち第1変換回転子71および第1発電機回転子81による慣性質量である。 In FIG. 3, m 1 is the mass of the second structure 30, m 2 is the mass of the intermediate structure 40, and m 3 is the mass of the first structure 20. More specifically, m 1 is the mass of the second structure 30 plus the fluid effect such as the added mass of water. m 2 is the mass of the intermediate structure 40 plus the mass of the stator of the first device generator 80 and the mass of the fixed side of the first speed change device 74. m 3 is the mass of the first structure 20 plus the mass of the wind power generator equipment 2 and the fluid effect such as the added mass of water. X is the displacement of the wave, x 1 is the displacement of the second structure 30, x 2 is the displacement of the intermediate structure 40, and x 3 is the displacement of the first structure 20. k1 is the spring constant of the second imaginary elastic body 12, k2 is the spring constant of the second elastic body 60, k3 is the spring constant of the first elastic body 50, and k4 is the spring constant of the first imaginary elastic body 11. c1 is the damping coefficient of the second structure 30 against waves, c2 is the damping coefficient for the relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40, c3 is the damping coefficient for the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40, and c4 is the damping coefficient of the first structure 20 against waves. ms3 is the inertial mass of the first rotating body 90, i.e., the inertial mass due to the first conversion rotor 71 and the first generator rotor 81.
図3に示す力学モデルの運動方程式は、3自由度系の運動方程式となり、以下の式(2)に示すように表される。
一般的な構造物では、運動方程式の左辺の質量行列は対角行列となる。これに対して式(2)においては、非対角項に、“-mS3”が入っている。このことは、第1構造体20と中間構造体40との間に質量の連成が生じることを意味している。 In a typical structure, the mass matrix on the left side of the equation of motion is a diagonal matrix. In contrast, in equation (2), the off-diagonal term contains "-m S3 ". This means that mass coupling occurs between the first structure 20 and the intermediate structure 40.
慣性質量mS3は以下の式で表される。
慣性質量mS3は、質量m2から質量m3に伝わる運動エネルギを蓄積する。この運動エネルギTは、以下の式で表される。
したがって、第1装置発電機80は、蓄積された運動エネルギTを電気エネルギに変換するとともに、運動エネルギTで質量m2と質量m3との間の振動伝達を遮断する。減衰を無視して式(2)を解くと、x3が最小となる遮断振動数fs3は、以下のように表される。
ただし、α3、β3、γ3は、以下の式で表される。
式(5)~式(8)に示すように、遮断振動数fs3は、慣性質量mS3により調整することができる。慣性質量mS3は、式(3)に示すように、第1変速装置74の増速率ε1で調整することができる。 As shown in equations (5) to (8), the cutoff frequency fs3 can be adjusted by the inertial mass mS3 . The inertial mass mS3 can be adjusted by the speed increase rate ε1 of the first transmission 74 as shown in equation (3).
次に、このように構成された本実施の形態による波力発電装置10の振動数応答について説明する。 Next, we will explain the frequency response of the wave power generation device 10 according to this embodiment.
まず、比較例として、一般的な波力発電装置210の振動数応答について説明する。 First, as a comparative example, we will explain the frequency response of a typical wave power generation device 210.
図4に示すように、一般的な波力発電装置210は、洋上に浮かぶ第1構造体220と、第2構造体230と、弾性体240と、装置発電機250と、を備えている。図4は、一般的な波力発電装置を示す概略断面図である。 As shown in FIG. 4, a typical wave power generation device 210 includes a first structure 220 floating on the ocean, a second structure 230, an elastic body 240, and a device generator 250. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a typical wave power generation device.
第1構造体220は、第1浮体221と、スポーク222と、第1空洞部223と、を含んでいる。第1浮体221は、図2に示す第1浮体21と同様に構成されていてもよい。ばね定数k4を有する第1仮想弾性体211によって、第1浮体221が静止系に対して弾性的に支持されている。スポーク222は、第1浮体221に連結されている。スポーク222は、第1浮体221から水平方向に、第2構造体230の上方位置まで延びている。スポーク222は、装置発電機250の円筒支柱251を支持可能な支持架台として構成されている。スポーク222には、スリーブ224が固定されている。第1空洞部223は、スリーブ224に形成されている。第1空洞部223は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第1空洞部223は、スリーブ224を貫通している。第1空洞部223は、第2構造体230の上方に位置している。第1空洞部223に、後述する第2ロッド232が挿入されている。第1空洞部223の直径は、第2ロッド232の外径よりも大きくなっている。 The first structure 220 includes a first floating body 221, a spoke 222, and a first cavity 223. The first floating body 221 may be configured similarly to the first floating body 21 shown in FIG. 2. The first floating body 221 is elastically supported with respect to the stationary system by a first imaginary elastic body 211 having a spring constant k 4. The spoke 222 is connected to the first floating body 221. The spoke 222 extends horizontally from the first floating body 221 to a position above the second structure 230. The spoke 222 is configured as a support frame capable of supporting a cylindrical support 251 of the device generator 250. A sleeve 224 is fixed to the spoke 222. The first cavity 223 is formed in the sleeve 224. The first cavity 223 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The first cavity 223 penetrates the sleeve 224. The first cavity 223 is located above the second structure 230. A second rod 232 (described later) is inserted into the first cavity 223. The diameter of the first cavity 223 is larger than the outer diameter of the second rod 232.
スリーブ224の内周面に、複数のローラ225が取り付けられていてもよい。ローラ225は、第2ロッド232の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、スリーブ224に対する第2ロッド232の相対変位を円滑に行うことができる。第2ロッド232の外周面に、第2中心軸線L2に沿う軸方向dに延びるガイドレール(図示せず)が取り付けられていてもよい。 A plurality of rollers 225 may be attached to the inner peripheral surface of the sleeve 224. The rollers 225 are capable of rolling on the outer peripheral surface of the second rod 232. This allows smooth relative displacement of the second rod 232 with respect to the sleeve 224. A guide rail (not shown) extending in the axial direction d along the second central axis L2 may be attached to the outer peripheral surface of the second rod 232.
第2構造体230は、図2に示す第2構造体30と同様に、第1構造体220に対して相対変位可能になっている。第2構造体230は、第2浮体231と、第2ロッド232と、を含んでいる。第2浮体231は、図2に示す第2浮体231と同様に構成されていてもよい。ばね定数k1を有する第2仮想弾性体212によって、第2浮体231が静止系に対して弾性的に支持されている。図4に示す第2浮体231には、空洞部は形成されていない。第2ロッド232は、第2浮体231から上方に延びている。第2ロッド232は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第2ロッド232は、上述した第1空洞部223に挿入されて貫通している。 The second structure 230 is capable of being displaced relative to the first structure 220, similar to the second structure 30 shown in FIG. 2. The second structure 230 includes a second floating body 231 and a second rod 232. The second floating body 231 may be configured similarly to the second floating body 231 shown in FIG. 2. The second floating body 231 is elastically supported with respect to the stationary system by a second imaginary elastic body 212 having a spring constant k 1. The second floating body 231 shown in FIG. 4 does not have a cavity. The second rod 232 extends upward from the second floating body 231. The second rod 232 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The second rod 232 is inserted into and penetrates the first cavity 223 described above.
弾性体240は、第1構造体220と第2構造体230とを弾性的に接続している。より具体的には、弾性体240は、スリーブ224と第2浮体231とを連結している。弾性体240は、ばね定数k2を有している。 The elastic body 240 elastically connects the first structure 220 and the second structure 230. More specifically, the elastic body 240 connects the sleeve 224 and the second floating body 231. The elastic body 240 has a spring constant k2 .
装置発電機250は、電磁誘導方式のリニア発電機として構成されている。装置発電機250は、円筒支柱251と、複数のコイル252と、第2ロッド232に設置された複数の永久磁石253と、を含んでいる。円筒支柱251は、スポーク222に支持されており、スポーク222から上方に延びている。円筒支柱251は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されており、円筒支柱251の内側の空間に、第2ロッド232が挿入されている。コイル252は、円筒支柱251に巻き付けられている。永久磁石253は、第2ロッド232に取り付けられている。永久磁石253は、外周面を覆うようにリング状に形成されている。各永久磁石253は、コイル252に対応する位置に位置づけられている。図4に示す波力発電装置210は、図2に示すような慣性質量要素として機能する変換回転子および発電機回転子を含んでいない。 The device generator 250 is configured as an electromagnetic induction type linear generator. The device generator 250 includes a cylindrical support 251, a plurality of coils 252, and a plurality of permanent magnets 253 installed on the second rod 232. The cylindrical support 251 is supported by the spokes 222 and extends upward from the spokes 222. The cylindrical support 251 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2, and the second rod 232 is inserted into the space inside the cylindrical support 251. The coil 252 is wound around the cylindrical support 251. The permanent magnet 253 is attached to the second rod 232. The permanent magnet 253 is formed in a ring shape so as to cover the outer circumferential surface. Each permanent magnet 253 is positioned at a position corresponding to the coil 252. The wave power generation device 210 shown in FIG. 4 does not include a conversion rotor and a generator rotor that function as inertial mass elements as shown in FIG. 2.
図4に示す波力発電装置210において、第1浮体221と第2浮体231とが相対変位すると、各コイル252を通過する磁束が変化し、誘導起電力が生じる。このようにして、装置発電機250は発電を行うことができる。誘導起電力の大きさは、第1浮体221と第2浮体231との間の相対速度に比例する。 In the wave power generation device 210 shown in FIG. 4, when the first float 221 and the second float 231 are displaced relative to each other, the magnetic flux passing through each coil 252 changes, and an induced electromotive force is generated. In this way, the device generator 250 can generate electricity. The magnitude of the induced electromotive force is proportional to the relative speed between the first float 221 and the second float 231.
図4に示す波力発電装置210は、図5に示す力学モデルに模式化される。 The wave power generation device 210 shown in FIG. 4 is modeled as the mechanical model shown in FIG. 5.
図5に示すm1は第2構造体230の質量であり、m2は第1構造体220の質量である。より具体的には、m1は、第2構造体230の質量と、装置発電機250の永久磁石253の質量と、水による付加質量などの流体的効果とが加えられた質量である。m2は、第1構造体220の質量に、装置発電機250の円筒支柱251およびコイル252の質量と、風力発電設備2の質量と、水による付加質量などの流体的効果とが加えられた質量である。Xは波の変位であり、x1は第2構造体230の変位であり、x2は第1構造体220の変位である。k1は第2仮想弾性体212のばね定数であり、k2は弾性体240のばね定数であり、k4は第1仮想弾性体211のばね定数である。c1は波に対する第2構造体230の減衰係数であり、c2は第1構造体220と第2構造体230との間の相対変位に対する減衰係数であり、c4は波に対する第1構造体220の減衰係数である。 In FIG. 5, m1 is the mass of the second structure 230, and m2 is the mass of the first structure 220. More specifically, m1 is the mass obtained by adding the mass of the second structure 230, the mass of the permanent magnet 253 of the device generator 250, and fluid effects such as additional mass due to water. m2 is the mass obtained by adding the mass of the cylindrical support 251 and the coil 252 of the device generator 250, the mass of the wind power generation facility 2, and fluid effects such as additional mass due to water to the mass of the first structure 220. X is the displacement of the wave, x1 is the displacement of the second structure 230, and x2 is the displacement of the first structure 220. k1 is the spring constant of the second virtual elastic body 212, k2 is the spring constant of the elastic body 240, and k4 is the spring constant of the first virtual elastic body 211. c1 is the damping coefficient of the second structure 230 for waves, c2 is the damping coefficient for the relative displacement between the first structure 220 and the second structure 230, and c4 is the damping coefficient of the first structure 220 for waves.
図4に示す波力発電装置210の振動数応答結果を図6に示す。横軸は加振振動数(または波浪振動数)を示し、縦軸は応答倍率を示している。第2構造体230の応答倍率がx1/Xで表され、第1構造体220の応答倍率がx2/Xで表されている。 The frequency response results of the wave power generation device 210 shown in Fig. 4 are shown in Fig. 6. The horizontal axis indicates the excitation frequency (or wave frequency), and the vertical axis indicates the response magnification. The response magnification of the second structure 230 is represented by x1 /X, and the response magnification of the first structure 220 is represented by x2 /X.
図6に示すように、加振振動数が0.05Hz~0.5Hzの範囲において、第1構造体220と第2構造体230との間の相対変位が大きくなっている。海洋における波の変位Xの振動数はおおむね0.05Hz~0.5Hzの範囲にあるため、図4の波力発電装置210は、発電量を増大できることがわかる。加振振動数が、固有振動数に相当する0.5Hz付近で、相対変位が最も大きくなっている。しかしながら、第1構造体220の応答倍率(x2/X)も大きくなっている。 As shown in Fig. 6, the relative displacement between the first structure 220 and the second structure 230 is large when the excitation frequency is in the range of 0.05 Hz to 0.5 Hz. Since the frequency of the displacement X of ocean waves is in the range of approximately 0.05 Hz to 0.5 Hz, it can be seen that the wave power generation device 210 in Fig. 4 can increase the amount of power generation. The relative displacement is largest when the excitation frequency is around 0.5 Hz, which corresponds to the natural frequency. However, the response magnification ( x2 /X) of the first structure 220 is also large.
これに対して、本実施の形態による波力発電装置10の振動数応答結果を図7に示す。横軸は加振振動数を示し、縦軸は応答倍率を示している。第2構造体30の応答倍率がx1/Xで表され、中間構造体40の応答倍率がx2/Xで表され、第1構造体20の応答倍率がx3/Xで表されている。 In contrast, the frequency response results of the wave power generator 10 according to this embodiment are shown in Fig. 7. The horizontal axis indicates the excitation frequency, and the vertical axis indicates the response magnification. The response magnification of the second structure 30 is represented by x1 /X, the response magnification of the intermediate structure 40 is represented by x2 /X, and the response magnification of the first structure 20 is represented by x3 /X.
図7に示すように、加振振動数が0.05Hz~0.5Hzの範囲において、第1構造体20の応答倍率(x3/X)が、図6に示す第1構造体220の応答倍率(x2/X)よりも小さくなっている。このことにより、中間構造体40から第1構造体20への振動の伝播が抑制されていることがわかる。このため、第1構造体20の振動が抑制されて、第1構造体20の変位が小さくなる。 As shown in Fig. 7, in the excitation frequency range of 0.05 Hz to 0.5 Hz, the response magnification ( x3 /X) of the first structure 20 is smaller than the response magnification ( x2 /X) of the first structure 220 shown in Fig. 6. This shows that the propagation of vibration from the intermediate structure 40 to the first structure 20 is suppressed. Therefore, the vibration of the first structure 20 is suppressed, and the displacement of the first structure 20 is reduced.
同じ加振振動数範囲で中間構造体40の応答倍率(x2/X)は大きくなっているため、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位を大きくすることができる。このことにより、発電量を増大させることができ、発電量を効果的に増大させることができる。 Since the response magnification ( x2 /X) of the intermediate structure 40 is increased in the same excitation frequency range, it is possible to increase the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40. This makes it possible to increase the amount of power generation, and therefore the amount of power generation can be effectively increased.
ところで、上述した式(2)の質量行列においては、非対角項に、第1発電機回転子81および第1変換回転子71による慣性質量を示す“-mS3”が入っている。このことにより、上述した式(5)に示すように遮断振動数fs3が求められ、遮断振動数fs3が存在する振動系が得られる。加振振動数が遮断振動数である場合、第1構造体20の振動をより一層抑制できるとともに、発電量をより一層増大させることができる。 Incidentally, in the mass matrix of the above-mentioned equation (2), the off-diagonal terms include "-m S3 " which indicates the inertial mass of the first generator rotor 81 and the first conversion rotor 71. As a result, the cut-off frequency f s3 can be found as shown in the above-mentioned equation (5), and a vibration system in which the cut-off frequency f s3 exists is obtained. When the excitation frequency is the cut-off frequency, the vibration of the first structure 20 can be further suppressed and the amount of power generation can be further increased.
より具体的には、図7に示すように、加振振動数が、上述した遮断振動数fs3に相当する0.62Hz付近で、第1構造体20の応答倍率が小さくなっている。このことにより、中間構造体40から第1構造体20への振動の伝播を抑制でき、第1構造体20の振動をより一層抑制することができる。また、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位をより一層大きくすることができる。このため、発電量をより一層増大させることができる。 More specifically, as shown in Fig. 7, the response magnification of the first structure 20 is small when the excitation frequency is around 0.62 Hz, which corresponds to the above-mentioned cut-off frequency fs3 . This makes it possible to suppress the propagation of vibration from the intermediate structure 40 to the first structure 20, and further suppress the vibration of the first structure 20. In addition, the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 can be further increased. This makes it possible to further increase the amount of power generation.
遮断振動数は、第1変速装置74の上述した増速率ε1を変更することにより、加振振動数に応じて調整することができる。また、第1発電機回転子81にフライホイールが取り付けられた場合には、フライホイールの慣性モーメントを変更することによっても遮断振動数を加振振動数に応じて調整することができる。このことにより、第1構造体20の振動を効果的に抑制することができる。 The cut-off frequency can be adjusted according to the exciting frequency by changing the above-mentioned speed-up rate ε 1 of the first transmission 74. Furthermore, when a flywheel is attached to the first generator rotor 81, the cut-off frequency can also be adjusted according to the exciting frequency by changing the moment of inertia of the flywheel. This makes it possible to effectively suppress the vibration of the first structure 20.
このように本実施の形態によれば、洋上に浮かぶ第1構造体20および第2構造体30のそれぞれに弾性的に接続された中間構造体40が、第1構造体20および第2構造体30のそれぞれに対して相対変位可能になっている。第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位が、第1変換機構70の第1変換回転子71の回転変位に変換される。第1変換回転子71の回転変位で、第1発電機回転子81が回転して第1装置発電機80が発電を行う。第1発電機回転子81および第1変換回転子71は、中間構造体40から第1構造体20への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第1回転体90を構成している。このことにより、第1構造体20の振動を抑制することができる。このため、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、上述したように、中間構造体40から第1構造体20への振動の伝播が抑制されるため、第1構造体20の振動を抑制することができる。この結果、風力発電機本体4の制御に悪影響を及ぼす振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。 Thus, according to this embodiment, the intermediate structure 40, which is elastically connected to each of the first structure 20 and the second structure 30 floating on the ocean, is capable of relative displacement with respect to each of the first structure 20 and the second structure 30. The relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 is converted into a rotational displacement of the first conversion rotor 71 of the first conversion mechanism 70. The rotational displacement of the first conversion rotor 71 rotates the first generator rotor 81, and the first device generator 80 generates power. The first generator rotor 81 and the first conversion rotor 71 constitute a first rotating body 90 that functions as an inertial mass element that reduces vibration propagation from the intermediate structure 40 to the first structure 20. This makes it possible to suppress vibration of the first structure 20. Therefore, the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 can be increased, and the amount of power generation can be increased. In addition, as described above, since the propagation of vibration from the intermediate structure 40 to the first structure 20 is suppressed, the vibration of the first structure 20 can be suppressed. As a result, it is possible to suppress vibrations that adversely affect the control of the wind turbine generator body 4, and to increase the amount of power generated by wave force.
また、本実施の形態によれば、第1装置発電機80および第1変換回転子71が、中間構造体40に支持されている。このことにより、波力発電装置10の振動系において、中間構造体40の質量を含む上述した質量m2を増大させることができる。このため、中間構造体40の応答倍率を大きくすることができ、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位を大きくすることができる。この結果、波力による発電量を増大させることができる。 Furthermore, according to this embodiment, the first device generator 80 and the first conversion rotor 71 are supported by the intermediate structure 40. This makes it possible to increase the above-mentioned mass m2 including the mass of the intermediate structure 40 in the vibration system of the wave power generation device 10. This makes it possible to increase the response magnification of the intermediate structure 40 and to increase the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40. As a result, it is possible to increase the amount of power generated by wave force.
また、本実施の形態によれば、第1構造体20が、中間構造体40の中間空洞部42に挿入された第1ロッド23を含み、第1変換機構70が、第1ロッド23に設けられた、軸方向dに延びる第1ラックレール72と、第1ラックレール72の歯に噛み合う第1ピニオン歯車73と、を含んでいる。このことにより、第1構造体20と中間構造体40の相対並進変位を第1変換回転子71および第1発電機回転子81の回転変位に変換することができる。また、第1ラックレール72が設けられた第1ロッド23を、第1構造体20の構成要素とすることができる。第1構造体20は、第2構造体30よりも安定性を有している場合には、第1ロッド23が傾倒することを抑制でき、波力発電装置10が損傷することを抑制できる。 According to this embodiment, the first structure 20 includes a first rod 23 inserted into the intermediate cavity 42 of the intermediate structure 40, and the first conversion mechanism 70 includes a first rack rail 72 provided on the first rod 23 and extending in the axial direction d, and a first pinion gear 73 meshing with the teeth of the first rack rail 72. This allows the relative translational displacement of the first structure 20 and the intermediate structure 40 to be converted into the rotational displacement of the first conversion rotor 71 and the first generator rotor 81. In addition, the first rod 23 provided with the first rack rail 72 can be used as a component of the first structure 20. When the first structure 20 is more stable than the second structure 30, it is possible to suppress the first rod 23 from tilting, and to suppress damage to the wave power generation device 10.
また、本実施の形態によれば、第1変換回転子71は、第1ラックレール72と第1ピニオン歯車73との間に介在された第1変速歯車75を含んでいる。このことにより、第1変速歯車75によって、第1ピニオン歯車73の回転速度を調整することができ、第1装置発電機80の発電量を調整することができる。また、第1変速歯車75の歯数を調整することにより、第1変速歯車75と第1ピニオン歯車73の回転数比である増速率を、加振振動数に応じて調整することができ、遮断振動数を調整することができる。このため、第1構造体20の振動を効果的に抑制することができるとともに、波力による発電量を効果的に増大させることができる。 In addition, according to this embodiment, the first conversion rotor 71 includes a first speed change gear 75 interposed between the first rack rail 72 and the first pinion gear 73. This allows the rotation speed of the first pinion gear 73 to be adjusted by the first speed change gear 75, and the amount of power generated by the first device generator 80 to be adjusted. In addition, by adjusting the number of teeth of the first speed change gear 75, the speed increase rate, which is the ratio of the rotation speeds of the first speed change gear 75 and the first pinion gear 73, can be adjusted according to the excitation vibration frequency, and the cutoff vibration frequency can be adjusted. Therefore, the vibration of the first structure 20 can be effectively suppressed, and the amount of power generated by wave force can be effectively increased.
なお、上述した本実施の形態においては、第1変換機構70が、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位を第1変換回転子71の回転変位に変換する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第1変換機構70が、第2構造体30と中間構造体40との間の相対変位を第1変換回転子71の回転変位に変換するようにしてもよい。この場合の第1変換機構70は、後述する図12に示す第2変換機構100と同様に構成することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the first conversion mechanism 70 converts the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 into the rotational displacement of the first conversion rotor 71. However, this is not limited to the above. For example, the first conversion mechanism 70 may convert the relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40 into the rotational displacement of the first conversion rotor 71. In this case, the first conversion mechanism 70 may be configured in the same manner as the second conversion mechanism 100 shown in FIG. 12, which will be described later.
また、上述した本実施の形態においては、第1ピニオン歯車73が、第1変速歯車75を介して第1ラックレール72に噛み合っている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第1ピニオン歯車73と第1ラックレール72との間に第1変速歯車75は介在されていなくてもよい。この場合、第1ピニオン歯車73が第1ラックレール72に直接的に噛み合う。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the first pinion gear 73 meshes with the first rack rail 72 via the first speed change gear 75. However, this is not limited to this. For example, the first speed change gear 75 does not have to be interposed between the first pinion gear 73 and the first rack rail 72. In this case, the first pinion gear 73 meshes directly with the first rack rail 72.
(第2の実施の形態)
次に、図8~図10を用いて、第2の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。
Second Embodiment
Next, a wave power generation device and an offshore wind power generation system according to a second embodiment will be described with reference to Figs.
図8~図10に示す第2の実施の形態においては、波力発電装置が、複数の第2構造体と、複数の中間構造体と、複数の第1変換機構と、複数の第1装置発電機と、を備えている点が主に異なり、他の構成は、図1~図3および図7に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図8~図10において、図1~図3および図7に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図8は、第2の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図であり、図9は、図8の上面図である。図8および図9では風力発電設備2を省略して示している。 The second embodiment shown in Figures 8 to 10 differs mainly in that the wave power generation device includes a plurality of second structures, a plurality of intermediate structures, a plurality of first conversion mechanisms, and a plurality of first device generators, and the other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in Figures 1 to 3 and 7. Note that in Figures 8 to 10, the same parts as those in the first embodiment shown in Figures 1 to 3 and 7 are given the same reference numerals and detailed explanations are omitted. Figure 8 is a schematic cross-sectional view showing a wave power generation device according to the second embodiment, and Figure 9 is a top view of Figure 8. The wind power generation facility 2 is omitted in Figures 8 and 9.
図8および図9に示すように、本実施の形態による波力発電装置10は、複数の第2構造体30と、複数の中間構造体40と、複数の第1変換機構70と、複数の第1装置発電機80と、を備えている。本実施の形態においては、第2構造体30の台数、中間構造体40の台数、第1変換機構70の台数および第1装置発電機80の台数はそれぞれ4つである。 As shown in Figures 8 and 9, the wave power generation device 10 according to this embodiment includes a plurality of second structures 30, a plurality of intermediate structures 40, a plurality of first conversion mechanisms 70, and a plurality of first device generators 80. In this embodiment, the number of second structures 30, the number of intermediate structures 40, the number of first conversion mechanisms 70, and the number of first device generators 80 are each four.
各第2構造体30は、対応する中間構造体40を介して第1構造体20に弾性的に接続されている。各第2構造体30は、第1構造体20に対して独立して相対変位可能に構成されている。第2構造体30は、別々に構成されており、独立して振動する。第2構造体30は、図9に示すように上方から見たときに、第1構造体20の第1浮体21を中心とする周方向に沿って、均等に配置されていてもよい。 Each second structure 30 is elastically connected to the first structure 20 via a corresponding intermediate structure 40. Each second structure 30 is configured to be independently displaceable relative to the first structure 20. The second structures 30 are configured separately and vibrate independently. When viewed from above as shown in FIG. 9, the second structures 30 may be evenly arranged along the circumferential direction centered on the first floating body 21 of the first structure 20.
各中間構造体40は、第1構造体20および対応する第2構造体30のそれぞれに弾性的に接続されている。各中間構造体40は、第1構造体20および対応する第2構造体30のそれぞれに対して相対変位可能に構成されている。中間構造体40は別々に構成されており、独立して振動する。中間構造体40は、図9に示すように上方から見たときに、第1浮体21を中心とする周方向に沿って均等に配置されていてもよい。中間構造体40は、対応する第2構造体30の上方に配置されている。 Each intermediate structure 40 is elastically connected to each of the first structure 20 and the corresponding second structure 30. Each intermediate structure 40 is configured to be displaceable relative to each of the first structure 20 and the corresponding second structure 30. The intermediate structures 40 are configured separately and vibrate independently. When viewed from above as shown in FIG. 9, the intermediate structures 40 may be evenly arranged along the circumferential direction centered on the first floating body 21. The intermediate structures 40 are arranged above the corresponding second structures 30.
各第1変換機構70は、第1構造体20と対応する中間構造体40との間の相対変位を第1変換回転子71の回転変位に変換するように構成されている。各第1変換機構70の第1変換回転子71は、対応する中間構造体40に支持されている。 Each first conversion mechanism 70 is configured to convert the relative displacement between the first structure 20 and the corresponding intermediate structure 40 into a rotational displacement of the first conversion rotor 71. The first conversion rotor 71 of each first conversion mechanism 70 is supported by the corresponding intermediate structure 40.
各第1装置発電機80は、対応する第1変換機構70の第1変換回転子71の回転変位で第1発電機回転子81が回転して発電を行うように構成されている。各第1装置発電機80は、対応する第1変換回転子71とともに、対応する中間構造体40に支持されている。 Each first device generator 80 is configured such that the first generator rotor 81 rotates with the rotational displacement of the first conversion rotor 71 of the corresponding first conversion mechanism 70 to generate electricity. Each first device generator 80 is supported by the corresponding intermediate structure 40 together with the corresponding first conversion rotor 71.
図9に示すように、上方から見たときに、第1構造体20を中心とする周方向に沿って、第2構造体30および中間構造体40がそれぞれ配置されている。より具体的には、第2構造体30および中間構造体40は、周方向に均等に配置されている。 As shown in FIG. 9, when viewed from above, the second structure 30 and the intermediate structure 40 are each arranged along the circumferential direction centered on the first structure 20. More specifically, the second structure 30 and the intermediate structure 40 are evenly arranged in the circumferential direction.
例えば、上方から見たときに、第1構造体20の第1中心軸線L1を中心にして点対称となる位置に、第2構造体30および中間構造体40が位置していてもよい。本実施の形態による波力発電装置10は、4台の第2構造体30および中間構造体40を備えている。この場合、図9に示すように、第2構造体30および中間構造体40は、90°ピッチで均等に配置されていてもよい。4台の第2構造体30のうちの2台の第2構造体30は、対角上に、すなわち第1構造体20に対して反対側に配置されている。すなわち、対角上に配置された2台の第2構造体30を1つの対としたときに、二対の第2構造体30が、第1構造体20の周囲に配置されている。 For example, when viewed from above, the second structure 30 and the intermediate structure 40 may be located at positions that are point symmetrical about the first central axis L1 of the first structure 20. The wave power generation device 10 according to this embodiment includes four second structures 30 and intermediate structures 40. In this case, as shown in FIG. 9, the second structures 30 and intermediate structures 40 may be evenly arranged at 90° intervals. Two of the four second structures 30 are arranged diagonally, i.e., on the opposite side to the first structure 20. In other words, when two diagonally arranged second structures 30 are considered as one pair, two pairs of second structures 30 are arranged around the first structure 20.
第1変換機構70および第1装置発電機80は、対応する中間構造体40に支持されている。第1変換機構70および第1装置発電機80は、対応する第1ロッド23に対して半径方向外側に配置されている。図9に示すように、第1装置発電機80は、対応する第1ピニオン歯車73に対して時計回りに進む方向に配置されている。より具体的には、図9において右側に配置された第1装置発電機80は、対応する第1ピニオン歯車73の下側に配置され、下側に配置された第1装置発電機80は、対応する第1ピニオン歯車73に対して左側に配置されている。左側に配置された第1装置発電機80は、対応する第1ピニオン歯車73の上側に配置され、上側に配置された第1装置発電機80は、対応する第1ピニオン歯車73の右側に配置されている。 The first conversion mechanism 70 and the first device generator 80 are supported by the corresponding intermediate structure 40. The first conversion mechanism 70 and the first device generator 80 are arranged radially outward relative to the corresponding first rod 23. As shown in FIG. 9, the first device generator 80 is arranged in a clockwise direction relative to the corresponding first pinion gear 73. More specifically, the first device generator 80 arranged on the right side in FIG. 9 is arranged below the corresponding first pinion gear 73, and the first device generator 80 arranged on the lower side is arranged on the left side relative to the corresponding first pinion gear 73. The first device generator 80 arranged on the left side is arranged above the corresponding first pinion gear 73, and the first device generator 80 arranged on the upper side is arranged to the right of the corresponding first pinion gear 73.
上述したように、第1装置発電機80は、点対称に配置されている。各第1装置発電機80の第1発電機回転子81で発生する偶力は、大きさは同一で作用方向が反対になる。このことにより、波力発電装置10に発生するローリング(波力発電装置10の第1中心軸線L1を中心とする回転振動)およびピッチング(波力発電装置10の第1中心軸線L1に対して直交する軸を中心とする回転振動)を抑制することができる。すなわち、各第1発電機回転子81で発生する偶力によって生じる回転力の回転方向は、対角上に位置する2つの第1発電機回転子81の間で互いに反対方向になる。このため、各第1発電機回転子81で発生する偶力によって生じる回転力を相殺することができ、ローリングおよびピッチングが波力発電装置10に励起されることを抑制できる。 As described above, the first device generators 80 are arranged in point symmetry. The couple forces generated in the first generator rotors 81 of each first device generator 80 have the same magnitude but act in opposite directions. This makes it possible to suppress rolling (rotational vibrations around the first central axis L1 of the wave power generation device 10) and pitching (rotational vibrations around an axis perpendicular to the first central axis L1 of the wave power generation device 10) that occur in the wave power generation device 10. In other words, the rotational directions of the rotational forces generated by the couple forces generated in each first generator rotor 81 are opposite to each other between the two first generator rotors 81 located diagonally. Therefore, the rotational forces generated by the couple forces generated in each first generator rotor 81 can be offset, and rolling and pitching can be suppressed from being excited in the wave power generation device 10.
このように本実施の形態によれば、波力発電装置10が、複数の第2構造体30と、複数の中間構造体40と、複数の第1変換機構70と、複数の第1装置発電機80と、を備えている。中間構造体40は、第1構造体20および対応する第2構造体30のそれぞれに対して相対変位可能になっている。第1変換機構70は、第1構造体20と対応する中間構造体40との間の相対変位を第1変換回転子71の回転変位に変換し、対応する第1装置発電機80で発電が行われる。このことにより、複数の第1装置発電機80で発電を行うことができる。このため、波力による発電量を増大させることができる。 Thus, according to this embodiment, the wave power generation device 10 includes a plurality of second structures 30, a plurality of intermediate structures 40, a plurality of first conversion mechanisms 70, and a plurality of first device generators 80. The intermediate structures 40 are capable of relative displacement with respect to the first structures 20 and the corresponding second structures 30. The first conversion mechanisms 70 convert the relative displacement between the first structures 20 and the corresponding intermediate structures 40 into a rotational displacement of the first conversion rotor 71, and power is generated by the corresponding first device generators 80. This allows power to be generated by the multiple first device generators 80. This allows the amount of power generated by wave force to be increased.
また、本実施の形態によれば、上方から見たときに、第1構造体20を中心とする周方向に沿って、第2構造体30、中間構造体40、第1変換機構70および第1装置発電機80がそれぞれ配置されている。このことにより、各第1装置発電機80の第1発電機回転子81で発生する偶力によって生じる回転力を、相殺することができる。このため、波力発電装置10にローリングやピッチングが励起されることを抑制でき、風力発電機本体4の制御に悪影響が及ぼされることを抑制できる。 In addition, according to this embodiment, when viewed from above, the second structure 30, the intermediate structure 40, the first conversion mechanism 70, and the first device generator 80 are each arranged along the circumferential direction centered on the first structure 20. This makes it possible to cancel out the rotational force caused by the couple generated in the first generator rotor 81 of each first device generator 80. This makes it possible to suppress the excitation of rolling or pitching in the wave power generation device 10, and to suppress adverse effects on the control of the wind power generator main body 4.
なお、上述した本実施の形態においては、第2構造体30の台数、中間構造体40の台数、第1変換機構70の台数および第1装置発電機80の台数がそれぞれ4つである例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない、第2構造体30の台数、中間構造体40の台数、第1変換機構70の台数および第1装置発電機80の台数は、複数であれば2つでも3つでもよく、任意である。これらの台数が例えば3つのような奇数である場合であっても、第1浮体21を中心とする周方向に沿って均等に配置されている場合には、各第1発電機回転子81で発生する偶力によって生じる回転力を相殺することができる。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the number of second structures 30, the number of intermediate structures 40, the number of first conversion mechanisms 70, and the number of first device generators 80 are each four. However, this is not limited to this, and the number of second structures 30, the number of intermediate structures 40, the number of first conversion mechanisms 70, and the number of first device generators 80 may be two or three as long as they are multiple, and are arbitrary. Even if the number of these is an odd number, such as three, if they are evenly arranged along the circumferential direction centered on the first floating body 21, the rotational force generated by the couple generated in each first generator rotor 81 can be offset.
また、上述した本実施の形態においては、第2構造体30が別々に構成され、各第2構造体30が独立して振動する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図10に示すように、複数の第2構造体30が、互いに連結されて、一体化されていてもよい。図10は、図9の変形例を示す上面図である。このように複数の第2構造体30を連結することにより、振動数が小さい波に対する機械的強度を向上させることができる。例えば、周方向に互いに隣り合う第2構造体30の第2浮体31が、構造体連結部95によって連結されていてもよい。この場合、上方から見たときに、複数の第2構造体30および複数の構造体連結部95が全体として、リング状に形成されていてもよい。あるいは、図示しないが、第2構造体30の代わりに中間構造体40を互いに連結してもよい。さらに周方向に互いに隣り合う第2構造体30の第2浮体31が構造体連結部95によって連結され、かつ中間構造体40が互いに連結されてもよい。 In the above-described embodiment, the second structures 30 are constructed separately, and each second structure 30 vibrates independently. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 10, a plurality of second structures 30 may be connected to each other and integrated. FIG. 10 is a top view showing a modified example of FIG. 9. By connecting a plurality of second structures 30 in this way, the mechanical strength against waves with a small vibration frequency can be improved. For example, the second floating bodies 31 of the second structures 30 adjacent to each other in the circumferential direction may be connected by a structure connecting portion 95. In this case, the plurality of second structures 30 and the plurality of structure connecting portions 95 may be formed in a ring shape as a whole when viewed from above. Alternatively, although not shown, the intermediate structures 40 may be connected to each other instead of the second structures 30. Furthermore, the second floating bodies 31 of the second structures 30 adjacent to each other in the circumferential direction may be connected by a structure connecting portion 95, and the intermediate structures 40 may be connected to each other.
(第3の実施の形態)
次に、図11を用いて、第3の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。
Third Embodiment
Next, a wave power generator and an offshore wind power generation system according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
図11に示す第3の実施の形態においては、第1変換回転子および第1装置発電機が、第1構造体に支持されている点が主に異なり、他の構成は、図1~図3および図7に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図11において、図1~図3および図7に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図11は、第3の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。図11では風力発電設備2を省略して示している。 The third embodiment shown in FIG. 11 differs mainly in that the first converter rotor and the first device generator are supported by the first structure, and the other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1 to FIG. 3 and FIG. 7. In FIG. 11, the same parts as those in the first embodiment shown in FIG. 1 to FIG. 3 and FIG. 7 are given the same reference numerals and detailed explanations are omitted. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a wave power generation device according to the third embodiment. The wind power generation facility 2 is omitted in FIG. 11.
図11に示すように、本実施の形態においては、第1構造体20が、第1空洞部25を含んでいる。第1空洞部25は、スポーク22に固定されたスリーブ26に形成されており、スリーブ26を貫通している。スリーブ26は、スポーク22から下方に突出している。第1空洞部25は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第1空洞部25は、中間構造体40の後述する中間本体部45の上方に位置している。第1空洞部25に、後述する第1中間ロッド46が挿入されている。第1空洞部25の直径は、第1中間ロッド46の外径よりも大きくなっている。 As shown in FIG. 11, in this embodiment, the first structure 20 includes a first cavity 25. The first cavity 25 is formed in a sleeve 26 fixed to the spoke 22 and penetrates the sleeve 26. The sleeve 26 protrudes downward from the spoke 22. The first cavity 25 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The first cavity 25 is located above an intermediate main body portion 45 of the intermediate structure 40, which will be described later. A first intermediate rod 46, which will be described later, is inserted into the first cavity 25. The diameter of the first cavity 25 is larger than the outer diameter of the first intermediate rod 46.
スリーブ26の内周面に、複数のローラ27が取り付けられていてもよい。複数のローラ27は、第2中心軸線L2に沿う軸方向dに離間して配置されていてもよく、周方向に離間して配置されていてもよい。ローラ27は、第1中間ロッド46の外周面に対して転動可能になっている。このことにより、スリーブ26に対する第1中間ロッド46の相対変位を円滑に行うことができる。第1中間ロッド46の外周面には、軸方向dに延びるガイドレール(図示せず)が取り付けられていてもよい。このことにより、中間構造体40が第1構造体20に対して、第2中心軸線L2を中心とする回転運動を行うことを抑制している。また、スリーブ26に対する第1中間ロッド46の相対変位を軸方向dに案内することができる。 A plurality of rollers 27 may be attached to the inner peripheral surface of the sleeve 26. The rollers 27 may be arranged at intervals in the axial direction d along the second central axis L2, or may be arranged at intervals in the circumferential direction. The rollers 27 are capable of rolling on the outer peripheral surface of the first intermediate rod 46. This allows the first intermediate rod 46 to be smoothly displaced relative to the sleeve 26. A guide rail (not shown) extending in the axial direction d may be attached to the outer peripheral surface of the first intermediate rod 46. This prevents the intermediate structure 40 from rotating about the second central axis L2 relative to the first structure 20. In addition, the relative displacement of the first intermediate rod 46 with respect to the sleeve 26 can be guided in the axial direction d.
図2に示す第1の実施の形態と同様に、第2構造体30の第2浮体31に、第2空洞部32が形成されている。第2空洞部32は、後述する中間本体部45の下方に位置している。第2空洞部32に、後述する第2中間ロッド47が挿入されている。第2空洞部32の直径は、第2中間ロッド47の外径よりも大きくなっている。 As in the first embodiment shown in FIG. 2, a second cavity 32 is formed in the second floating body 31 of the second structure 30. The second cavity 32 is located below the intermediate main body portion 45 described below. A second intermediate rod 47 described below is inserted into the second cavity 32. The diameter of the second cavity 32 is larger than the outer diameter of the second intermediate rod 47.
第2浮体31の内周面に、図2に示す第1の実施の形態と同様に複数のローラ33が取り付けられていてもよい。ローラ33は、第2中間ロッド47の外周面に対して転動可能になっている。第2中間ロッド47の外周面には、軸方向dに延びるガイドレール(図示せず)が取り付けられていてもよい。 A plurality of rollers 33 may be attached to the inner circumferential surface of the second float 31, as in the first embodiment shown in FIG. 2. The rollers 33 are capable of rolling on the outer circumferential surface of the second intermediate rod 47. A guide rail (not shown) extending in the axial direction d may be attached to the outer circumferential surface of the second intermediate rod 47.
中間構造体40は、中間本体部45と、第1中間ロッド46と、第2中間ロッド47と、を含んでいる。中間本体部45は、第1空洞部25の下方であって、第2空洞部32の上方に位置している。中間本体部45は、第1中間ロッド46および第2中間ロッド47よりも水平方向に延び出ている。 The intermediate structure 40 includes an intermediate body portion 45, a first intermediate rod 46, and a second intermediate rod 47. The intermediate body portion 45 is located below the first cavity portion 25 and above the second cavity portion 32. The intermediate body portion 45 extends further horizontally than the first intermediate rod 46 and the second intermediate rod 47.
第1中間ロッド46は、中間本体部45から上方に延びている。第1中間ロッド46は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第1中間ロッド46は、第1空洞部25に挿入されて、第1空洞部25を貫通している。 The first intermediate rod 46 extends upward from the intermediate main body portion 45. The first intermediate rod 46 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The first intermediate rod 46 is inserted into the first cavity portion 25 and penetrates the first cavity portion 25.
第2中間ロッド47は、中間本体部45から下方に延びている。第2中間ロッド47は、第2中心軸線L2に沿って延びるように円筒状に形成されている。第2中間ロッド47は、第2空洞部32に挿入されている。このことにより、第2中心軸線L2に直交する方向における第2構造体30の移動を、第2中間ロッド47で規制することができる。 The second intermediate rod 47 extends downward from the intermediate main body portion 45. The second intermediate rod 47 is formed in a cylindrical shape so as to extend along the second central axis L2. The second intermediate rod 47 is inserted into the second hollow portion 32. This allows the second intermediate rod 47 to restrict the movement of the second structure 30 in a direction perpendicular to the second central axis L2.
第1弾性体50は、第1弾性体50は、スリーブ26と中間本体部45とを連結している。第2弾性体60は、第2浮体31と中間本体部45とを連結している。 The first elastic body 50 connects the sleeve 26 to the intermediate body portion 45. The second elastic body 60 connects the second float 31 to the intermediate body portion 45.
第1変換機構70の第1ラックレール72は、第1中間ロッド46に設けられている。より具体的には、第1ラックレール72は、第1中間ロッド46の外周面に取り付けられている。第1ラックレール72は、軸方向dに延びており、第1空洞部25内に挿入可能になっている。 The first rack rail 72 of the first conversion mechanism 70 is provided on the first intermediate rod 46. More specifically, the first rack rail 72 is attached to the outer circumferential surface of the first intermediate rod 46. The first rack rail 72 extends in the axial direction d and can be inserted into the first cavity 25.
第1ピニオン歯車73は、第1構造体20に支持されている。より具体的には、第1ピニオン歯車73は、スポーク22に回転可能に支持されている。第1変速装置74は、第1構造体20のスポーク22に支持されている。第1変速歯車75は、スポーク22に回転可能に支持されている。 The first pinion gear 73 is supported by the first structure 20. More specifically, the first pinion gear 73 is rotatably supported by the spokes 22. The first transmission 74 is supported by the spokes 22 of the first structure 20. The first transmission gear 75 is rotatably supported by the spokes 22.
第1装置発電機80は、第1構造体20に支持されている。より具体的には、第1装置発電機80は、スポーク22に支持されている。第1発電機回転子81は、スポーク22に回転可能に支持されている。 The first device generator 80 is supported by the first structure 20. More specifically, the first device generator 80 is supported by the spokes 22. The first generator rotor 81 is rotatably supported by the spokes 22.
このように本実施の形態によれば、第1装置発電機80および第1変換回転子71が、第1構造体20に支持されている。このことにより、第1ピニオン歯車73および第1装置発電機80を、振動の抑制を図っている第1構造体20に支持させることができる。このため、第1装置発電機80への振動の伝播を抑制することができ、第1装置発電機80の信頼性および保守性を向上させることができる。 As described above, according to this embodiment, the first device generator 80 and the first conversion rotor 71 are supported by the first structure 20. This allows the first pinion gear 73 and the first device generator 80 to be supported by the first structure 20, which is designed to suppress vibration. As a result, the transmission of vibration to the first device generator 80 can be suppressed, and the reliability and maintainability of the first device generator 80 can be improved.
また、本実施の形態によれば、第1構造体20が、第2中心軸線L2に沿って延びる第1空洞部25を含み、中間構造体40が、第2中心軸線L2に沿って延びる第1中間ロッド46を含んでいる。第1中間ロッド46が、第1空洞部25に挿入されている。第1変換機構70の第1ラックレール72は、第1中間ロッド46に設けられている。このことにより、第1構造体20と中間構造体40の相対並進変位を第1変換回転子71および第1発電機回転子81の回転変位に変換することができる。 In addition, according to this embodiment, the first structure 20 includes a first cavity 25 extending along the second central axis L2, and the intermediate structure 40 includes a first intermediate rod 46 extending along the second central axis L2. The first intermediate rod 46 is inserted into the first cavity 25. The first rack rail 72 of the first conversion mechanism 70 is provided on the first intermediate rod 46. This allows the relative translational displacement of the first structure 20 and the intermediate structure 40 to be converted into the rotational displacement of the first conversion rotor 71 and the first generator rotor 81.
(第4の実施の形態)
次に、図12~図14を用いて、第4の実施の形態による波力発電装置および洋上風力発電システムについて説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a wave power generator and an offshore wind power generation system according to a fourth embodiment will be described with reference to Figs.
図12~図14に示す第4の実施の形態においては、波力発電装置が、第2変換回転子を含む第2変換機構と、第2変換回転子の回転変位で発電を行う第2装置発電機と、を備えている点が主に異なり、他の構成は、図11に示す第3の実施の形態と略同一である。なお、図12~図14において、図11に示す第3の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図12は、第4の実施の形態による波力発電装置を示す概略断面図である。図12では風力発電設備2を省略して示している。 The fourth embodiment shown in Figures 12 to 14 differs mainly in that the wave power generation device is equipped with a second conversion mechanism including a second conversion rotor, and a second device generator that generates power through the rotational displacement of the second conversion rotor, and the other configurations are substantially the same as those of the third embodiment shown in Figure 11. Note that in Figures 12 to 14, the same parts as those in the third embodiment shown in Figure 11 are given the same reference numerals and detailed explanations are omitted. Figure 12 is a schematic cross-sectional view showing a wave power generation device according to the fourth embodiment. In Figure 12, the wind power generation facility 2 is omitted.
図12に示すように、本実施の形態による波力発電装置10は、第2変換機構100と、第2装置発電機110と、を更に備えている。 As shown in FIG. 12, the wave power generation device 10 according to this embodiment further includes a second conversion mechanism 100 and a second device generator 110.
第2変換機構100は、第2変換回転子101を含んでいる。本実施の形態による第2変換機構100は、第2構造体30と中間構造体40との間の相対変位を、第2変換回転子101の回転変位に変換するように構成されている。 The second conversion mechanism 100 includes a second conversion rotor 101. The second conversion mechanism 100 according to this embodiment is configured to convert the relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40 into a rotational displacement of the second conversion rotor 101.
より具体的には、第2変換機構100は、上述した第2変換回転子101と、第2ラックレール102と、を含んでいる。 More specifically, the second conversion mechanism 100 includes the above-mentioned second conversion rotor 101 and the second rack rail 102.
第2ラックレール102は、第2ラックの一例である。第2ラックレール102は、第2中間ロッド47に設けられている。より具体的には、第2ラックレール102は、第2中間ロッド47の外周面に取り付けられている。第2ラックレール102は、軸方向dに延びている。第2ラックレール102は、第2浮体31の第2空洞部32内に挿入可能になっている。 The second rack rail 102 is an example of a second rack. The second rack rail 102 is provided on the second intermediate rod 47. More specifically, the second rack rail 102 is attached to the outer circumferential surface of the second intermediate rod 47. The second rack rail 102 extends in the axial direction d. The second rack rail 102 can be inserted into the second hollow portion 32 of the second floating body 31.
第2変換回転子101は、第2ピニオン歯車103と、第2変速歯車105と、を含んでいる。 The second conversion rotor 101 includes a second pinion gear 103 and a second speed change gear 105.
第2ピニオン歯車103は、第2変速歯車105とともに、上述した第2変換回転子101を構成している。第2ピニオン歯車103は、第2変速歯車105を介して、第2ラックレール102の歯に噛み合っており、第2構造体30と中間構造体40との間の軸方向dの並進相対変位を、回転変位に変換する。第2ピニオン歯車103は、後述する第2発電機回転子111に同軸で連結されていてもよい。 The second pinion gear 103, together with the second speed gear 105, constitutes the second conversion rotor 101 described above. The second pinion gear 103 meshes with the teeth of the second rack rail 102 via the second speed gear 105, and converts the translational relative displacement in the axial direction d between the second structure 30 and the intermediate structure 40 into a rotational displacement. The second pinion gear 103 may be coaxially connected to the second generator rotor 111 described later.
第2ピニオン歯車103は、第2構造体30に支持されている。より具体的には、第2ピニオン歯車103は、第2浮体31に回転可能に支持されている。第2浮体31に、支持架台34が取り付けられて、第2ピニオン歯車103が、軸受(図示せず)によって支持架台34に回転可能に支持されていてもよい。第2ピニオン歯車103の回転軸線は、第2発電機回転子111の回転軸線に一致していてもよい。あるいは、第2ピニオン歯車103の回転軸線は、上方から見たときに、後述する第2変速歯車115の回転軸線に直交する方向に配置されていてもよい。支持架台34は、第2浮体31の上端に位置しており、第2浮体31に支持されている。支持架台34は、水平方向(軸方向dに垂直な方向)に延びている。 The second pinion gear 103 is supported by the second structure 30. More specifically, the second pinion gear 103 is rotatably supported by the second floating body 31. A support frame 34 may be attached to the second floating body 31, and the second pinion gear 103 may be rotatably supported by the support frame 34 by a bearing (not shown). The rotation axis of the second pinion gear 103 may coincide with the rotation axis of the second generator rotor 111. Alternatively, the rotation axis of the second pinion gear 103 may be disposed in a direction perpendicular to the rotation axis of the second speed gear 115 described later when viewed from above. The support frame 34 is located at the upper end of the second floating body 31 and is supported by the second floating body 31. The support frame 34 extends in the horizontal direction (perpendicular to the axial direction d).
第2変速歯車105は、第2ラックレール102と第2ピニオン歯車103との間に介在されている。第2変速歯車105は、第2ピニオン歯車103とともに第2変換回転子101を構成している。第2変速歯車105の歯数は、第2変速装置104によって可変であってもよい。第2変速装置104は、図2等に示す第1変速装置74と同様に構成することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。第2変速装置104は、第2変速歯車105を覆う保護カバー106を含んでいてもよい。第2変速装置104は、第2構造体30に支持されている。より具体的には、第2変速装置104は、第2浮体31または支持架台34に支持されている。第2変速歯車105は、支持架台34に軸受(図示せず)によって回転可能に支持されている。第2変速歯車105の回転軸線は、第2ピニオン歯車103の回転軸線に平行になっていてもよい。 The second speed change gear 105 is interposed between the second rack rail 102 and the second pinion gear 103. The second speed change gear 105 and the second pinion gear 103 constitute the second conversion rotor 101. The number of teeth of the second speed change gear 105 may be variable by the second speed change device 104. The second speed change device 104 can be configured in the same manner as the first speed change device 74 shown in FIG. 2 etc., so a detailed description is omitted here. The second speed change device 104 may include a protective cover 106 that covers the second speed change gear 105. The second speed change device 104 is supported by the second structure 30. More specifically, the second speed change device 104 is supported by the second floating body 31 or the support frame 34. The second speed change gear 105 is rotatably supported by a bearing (not shown) on the support frame 34. The rotation axis of the second speed gear 105 may be parallel to the rotation axis of the second pinion gear 103.
第2装置発電機110は、第2発電機回転子111を含んでいる。第2装置発電機110は、第2変換回転子101の回転変位で第2発電機回転子111が回転して発電を行うように構成されている。第2装置発電機110は、第2構造体30の第2浮体31または支持架台34に支持されている。第2発電機回転子111は、水平方向に沿う回転軸線を有している。 The second device generator 110 includes a second generator rotor 111. The second device generator 110 is configured such that the second generator rotor 111 rotates with the rotational displacement of the second conversion rotor 101 to generate power. The second device generator 110 is supported by the second floating body 31 or the support frame 34 of the second structure 30. The second generator rotor 111 has a rotation axis along the horizontal direction.
上述した第2発電機回転子111および第2変換回転子101は、中間構造体40から第2構造体30への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第2回転体120を構成している。本実施の形態においては、第2回転体120は、第2発電機回転子111、第2ピニオン歯車103および第2変速歯車105によって構成されている。 The second generator rotor 111 and the second conversion rotor 101 described above constitute a second rotating body 120 that functions as an inertial mass element that reduces vibration transmission from the intermediate structure 40 to the second structure 30. In this embodiment, the second rotating body 120 is constituted by the second generator rotor 111, the second pinion gear 103, and the second speed gear 105.
図12に示すように、第2中間ロッド47に、第2弾性体60が連結される弾性体連結部48が固定されていてもよい。この場合、第2弾性体60は、第2中間ロッド47に固定された弾性体連結部48と第2浮体31とを連結している。このことにより、中間本体部45を第2浮体31から遠ざけることができ、第2ラックレール102の取り付けスペースを確保することができる。第1構造体20のスポーク22は、第1浮体21の上部に連結するようにしてもよい。 As shown in FIG. 12, an elastic body connecting part 48 to which the second elastic body 60 is connected may be fixed to the second intermediate rod 47. In this case, the second elastic body 60 connects the elastic body connecting part 48 fixed to the second intermediate rod 47 to the second float 31. This allows the intermediate main body part 45 to be moved away from the second float 31, and ensures installation space for the second rack rail 102. The spokes 22 of the first structure 20 may be connected to the upper part of the first float 21.
このように構成された本実施の形態による波力発電装置10は、図13に示す力学モデルに模式化される。図13に示すms2は、第2回転体120の慣性質量、すなわち第2変換回転子101および第2発電機回転子111による慣性質量である。本実施の形態においては、m1は、第2構造体30の質量に、水の付加質量などの流体的効果と、第2装置発電機110の固定子の質量と、第2変速装置104の固定側の質量とが加えられた質量である。 The wave power generation device 10 according to this embodiment configured as described above is modeled as a dynamic model shown in Fig. 13. m s2 shown in Fig. 13 is the inertial mass of the second rotating body 120, that is, the inertial mass of the second converter rotor 101 and the second generator rotor 111. In this embodiment, m 1 is the mass obtained by adding the fluid effect such as the additional mass of water, the mass of the stator of the second device generator 110, and the mass of the fixed side of the second speed change device 104 to the mass of the second structure 30.
図13に示す力学モデルの運動方程式は、以下の式(9)に示すように表される。
慣性質量mS2は以下の式で表される。
慣性質量mS3は、上述した式(3)で表される。上述したように、第1発電機回転子81および第1変換回転子71は、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位による振動を低減する慣性質量要素として機能する第1回転体90を構成している。すなわち、第1発電機回転子81の慣性モーメントと第1変換回転子71の慣性モーメントは、第1構造体20と中間構造体40との間の並進運動に対して質量の連成を生じる。 The inertial mass m S3 is expressed by the above-mentioned formula (3). As described above, the first generator rotor 81 and the first conversion rotor 71 configure the first rotating body 90 that functions as an inertial mass element that reduces vibration caused by relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40. That is, the inertia moment of the first generator rotor 81 and the inertia moment of the first conversion rotor 71 cause mass coupling with respect to the translational motion between the first structure 20 and the intermediate structure 40.
第2装置発電機110の第2発電機回転子111による慣性質量mS2は、質量m1から質量m2に伝わる運動エネルギT1を蓄積する。この運動エネルギT1は、以下の式で表される。
第1装置発電機80の第1発電機回転子81による慣性質量mS3は、質量m2から質量m3に伝わる運動エネルギT2を蓄積する。この運動エネルギT2は、以下の式で表される。
第1装置発電機80は、蓄積された運動エネルギT2を電気エネルギに変換するとともに、運動エネルギT2で質量m2と質量m3との間の振動伝達を遮断する。第2装置発電機110は、蓄積された運動エネルギT1を電気エネルギに変換するとともに、運動エネルギT1で質量m1と質量m2との間の振動伝達を遮断する。減衰を無視して式(9)を解くと、x3が最小となる遮断振動数fs3は、以下のように表される。
ただし、α3、β3、γ3は、以下の式で表される。
式(13)~式(16)に示すように、遮断振動数fs3は、慣性質量mS2およびmS3により調整することができる。慣性質量mS2は、式(10)に示すように、第2変速装置104の増速率ε2で調整することができる。慣性質量mS3は、式(3)に示すように、第1変速装置74の増速率ε1で調整することができる。 As shown in equations (13) to (16), the cutoff frequency fs3 can be adjusted by the inertial masses mS2 and mS3 . The inertial mass mS2 can be adjusted by the speed increase rate ε2 of the second transmission 104 as shown in equation (10). The inertial mass mS3 can be adjusted by the speed increase rate ε1 of the first transmission 74 as shown in equation (3).
本実施の形態による波力発電装置10の振動数応答結果を図14に示す。図14に示すように、第1構造体20の応答倍率(x3/X)が小さくなっている。このことにより、中間構造体40から第1構造体20への振動の伝播が、図7に示す応答倍率よりも、より一層抑制されていることがわかる。このため、第1構造体20の振動がより一層抑制されて、第1構造体20の変位がより一層小さくなる。 The vibration frequency response result of the wave power generator 10 according to this embodiment is shown in Fig. 14. As shown in Fig. 14, the response magnification ( x3 /X) of the first structure 20 is smaller. This shows that the propagation of vibration from the intermediate structure 40 to the first structure 20 is further suppressed than the response magnification shown in Fig. 7. Therefore, the vibration of the first structure 20 is further suppressed, and the displacement of the first structure 20 is further reduced.
このように本実施の形態によれば、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位が、第1変換機構70の第1変換回転子71の回転変位に変換される。第1変換回転子71の回転変位で、第1発電機回転子81が回転して第1装置発電機80が発電を行う。第1発電機回転子81および第1変換回転子71は、中間構造体40から第1構造体20への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第1回転体90を構成している。このことにより、第1構造体20の振動を抑制することができる。このため、第1構造体20と中間構造体40との間の相対変位を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、上述したように、中間構造体40から第1構造体20への振動の伝播が抑制されるため、第1構造体20の振動を抑制することができる。この結果、風力発電機本体4の制御に悪影響を及ぼす振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。 In this manner, according to the present embodiment, the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40 is converted into the rotational displacement of the first conversion rotor 71 of the first conversion mechanism 70. The rotational displacement of the first conversion rotor 71 rotates the first generator rotor 81, and the first device generator 80 generates power. The first generator rotor 81 and the first conversion rotor 71 constitute a first rotating body 90 that functions as an inertial mass element that reduces the vibration propagation from the intermediate structure 40 to the first structure 20. This makes it possible to suppress the vibration of the first structure 20. Therefore, it is possible to increase the relative displacement between the first structure 20 and the intermediate structure 40, and to increase the amount of power generation. In addition, as described above, since the propagation of vibration from the intermediate structure 40 to the first structure 20 is suppressed, the vibration of the first structure 20 can be suppressed. As a result, it is possible to suppress vibrations that adversely affect the control of the wind power generator main body 4, and to increase the amount of power generation by wave force.
また、本実施の形態によれば、第2構造体30と中間構造体40との間の相対変位が、第2変換機構100の第2変換回転子101の回転変位に変換される。第2変換回転子101の回転変位で、第2発電機回転子111が回転して第2装置発電機110が発電を行う。第2発電機回転子111および第2変換回転子101は、中間構造体40から第2構造体30への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第2回転体120を構成している。このことにより、第2構造体30の振動を抑制することができる。このため、第2構造体30と中間構造体40との間の相対変位を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、上述したように、中間構造体40から第2構造体30への振動の伝播が抑制されるため、第2構造体30の振動を抑制することができる。この結果、風力発電機本体4の制御に悪影響を及ぼす振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。 In addition, according to this embodiment, the relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40 is converted into the rotational displacement of the second conversion rotor 101 of the second conversion mechanism 100. The rotational displacement of the second conversion rotor 101 rotates the second generator rotor 111, and the second device generator 110 generates power. The second generator rotor 111 and the second conversion rotor 101 constitute a second rotating body 120 that functions as an inertial mass element that reduces vibration propagation from the intermediate structure 40 to the second structure 30. This makes it possible to suppress the vibration of the second structure 30. Therefore, the relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40 can be increased, and the amount of power generation can be increased. In addition, as described above, since the propagation of vibration from the intermediate structure 40 to the second structure 30 is suppressed, the vibration of the second structure 30 can be suppressed. As a result, it is possible to suppress vibrations that adversely affect the control of the wind power generator main body 4, and to increase the amount of power generation by wave force.
また、本実施の形態によれば、第2装置発電機110および第2変換回転子101は、第2構造体30に支持されている。このことにより、波力発電装置10の振動系において、第2構造体30の質量を含む上述した質量m1を増大させることができる。このため、第2構造体30の応答倍率を大きくすることができ、第2構造体30と中間構造体40との間の相対変位を大きくすることができる。この結果、波力による発電量を増大させることができる。 Furthermore, according to this embodiment, the second device generator 110 and the second conversion rotor 101 are supported by the second structure 30. This makes it possible to increase the above-mentioned mass m1 including the mass of the second structure 30 in the vibration system of the wave power generation device 10. This makes it possible to increase the response magnification of the second structure 30 and to increase the relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40. As a result, it is possible to increase the amount of power generated by wave force.
また、本実施の形態によれば、第2構造体30が、第2中心軸線L2に沿って延びる第2空洞部32を含み、中間構造体40が、第2中心軸線L2に沿って延びる第2中間ロッド47を含んでいる。第2中間ロッド47が、第2空洞部32に挿入されている。第2変換機構100の第2ラックレール102は、第2中間ロッド47に設けられている。このことにより、第2構造体30と中間構造体40との間の並進相対変位を、回転変位に変換することができる。 Furthermore, according to this embodiment, the second structure 30 includes a second cavity 32 extending along the second central axis L2, and the intermediate structure 40 includes a second intermediate rod 47 extending along the second central axis L2. The second intermediate rod 47 is inserted into the second cavity 32. The second rack rail 102 of the second conversion mechanism 100 is provided on the second intermediate rod 47. This makes it possible to convert the translational relative displacement between the second structure 30 and the intermediate structure 40 into a rotational displacement.
また、本実施の形態によれば、第2変換回転子101は、第2ラックレール102と第2ピニオン歯車103との間に介在された第2変速歯車105を含んでいる。このことにより、第2変速歯車105によって、第2ピニオン歯車103の回転速度を調整することができ、第2装置発電機110の発電量を調整することができる。また、第2変速歯車105の歯数を調整することにより、第2変速歯車105と第2ピニオン歯車103の回転数比である増速率を、加振振動数に応じて調整することができ、遮断振動数を調整することができる。このため、第1構造体20の振動を効果的に抑制することができるとともに、波力による発電量を効果的に増大させることができる。 In addition, according to this embodiment, the second conversion rotor 101 includes a second speed change gear 105 interposed between the second rack rail 102 and the second pinion gear 103. As a result, the rotation speed of the second pinion gear 103 can be adjusted by the second speed change gear 105, and the amount of power generated by the second device generator 110 can be adjusted. In addition, by adjusting the number of teeth of the second speed change gear 105, the speed increase rate, which is the ratio of the rotation speeds of the second speed change gear 105 and the second pinion gear 103, can be adjusted according to the excitation vibration frequency, and the cutoff vibration frequency can be adjusted. Therefore, the vibration of the first structure 20 can be effectively suppressed, and the amount of power generated by wave force can be effectively increased.
また、上述した本実施の形態においては、第2ピニオン歯車103が、第2変速歯車105を介して第2ラックレール102に噛み合っている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、第2ピニオン歯車103と第2ラックレール102との間に第2変速歯車105は介在されていなくてもよい。この場合、第2ピニオン歯車103が第2ラックレール102に直接的に噛み合う。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the second pinion gear 103 meshes with the second rack rail 102 via the second speed change gear 105. However, this is not limited to the above. For example, the second speed change gear 105 does not have to be interposed between the second pinion gear 103 and the second rack rail 102. In this case, the second pinion gear 103 directly meshes with the second rack rail 102.
以上述べた実施の形態によれば、振動を抑制することができるとともに、波力による発電量を増大させることができる。 The above-described embodiment can suppress vibrations and increase the amount of electricity generated by wave power.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、適宜組み合わせることも可能である。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their variations are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims. Naturally, these embodiments can also be combined as appropriate within the gist of the invention.
また、上述した実施形態においては、スパー型洋上風力発電システムを例にとって説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、セミサブマーシブル(semi-submersible)型、テトラ・スパー(TetraSpar)型、バージ型、テンションレグプラットフォーム(TLP)型などの他の浮体方式の洋上風力発電システムにも本実施の形態を適用可能である。この場合、第1浮体21は、複数の浮体によって構成されていてもよい。 In the above-described embodiment, a spar-type offshore wind power generation system has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, the present embodiment can also be applied to other floating offshore wind power generation systems, such as semi-submersible type, TetraSpar type, barge type, and tension leg platform (TLP) type. In this case, the first float 21 may be composed of multiple floats.
また、上述した実施の形態においては、波力発電装置が、海水域に設置される洋上風力発電システムに適用される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、波力発電装置は、淡水域または汽水域に設置される水上風力発電システムに適用されてもよい。この場合、第1浮体21および第2浮体31は、水上に浮かぶ。 In the above-described embodiment, an example has been described in which the wave power generation device is applied to an offshore wind power generation system installed in seawater. However, this is not limited to this, and the wave power generation device may also be applied to an on-water wind power generation system installed in freshwater or brackish water. In this case, the first float 21 and the second float 31 float on the water.
1:洋上風力発電システム、2:風力発電設備、10:波力発電装置、20:第1構造体、23:第1ロッド、25:第1空洞部、30:第2構造体、32:第2空洞部、40:中間構造体、46:第1中間ロッド、47:第2中間ロッド、70:第1変換機構、71:第1変換回転子、72:第1ラックレール、73:第1ピニオン歯車、74:第1変速装置、80:第1装置発電機、81:第1発電機回転子、100:第2変換機構、101:第2変換回転子、102:第2ラックレール、103:第2ピニオン歯車、104:第2変速装置、110:第2装置発電機、111:第2発電機回転子、d:軸方向、L2:第2中心軸線 1: Offshore wind power generation system, 2: Wind power generation equipment, 10: Wave power generation device, 20: First structure, 23: First rod, 25: First cavity, 30: Second structure, 32: Second cavity, 40: Intermediate structure, 46: First intermediate rod, 47: Second intermediate rod, 70: First conversion mechanism, 71: First conversion rotor, 72: First rack rail, 73: First pinion gear, 74: First speed change device, 80: First device generator, 81: First generator rotor, 100: Second conversion mechanism, 101: Second conversion rotor, 102: Second rack rail, 103: Second pinion gear, 104: Second speed change device, 110: Second device generator, 111: Second generator rotor, d: Axial direction, L2: Second central axis
Claims (15)
水上に浮かぶ、前記第1構造体に対して相対変位可能な第2構造体と、
前記第1構造体および前記第2構造体のそれぞれに弾性的に接続され、前記第1構造体および前記第2構造体のそれぞれに対して相対変位可能な中間構造体と、
第1変換回転子を含み、前記第1構造体と前記中間構造体との間の相対変位を前記第1変換回転子の回転変位に変換する第1変換機構と、
第1発電機回転子を含み、前記第1変換回転子の回転変位で前記第1発電機回転子が回転して発電を行う第1装置発電機と、を備え、
前記第1発電機回転子および前記第1変換回転子は、前記中間構造体から前記第1構造体への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第1回転体を構成している、波力発電装置。 A first structure floating on the water; and
A second structure that floats on the water and is displaceable relative to the first structure;
an intermediate structure elastically connected to each of the first structure and the second structure and capable of being displaced relatively to each of the first structure and the second structure;
a first conversion mechanism including a first conversion rotor and configured to convert a relative displacement between the first structure and the intermediate structure into a rotational displacement of the first conversion rotor;
a first device generator including a first generator rotor, the first generator rotor being rotated by a rotational displacement of the first conversion rotor to generate electricity;
A wave power generation device, wherein the first generator rotor and the first converter rotor form a first rotating body that functions as an inertial mass element that reduces vibration transmission from the intermediate structure to the first structure.
前記第1構造体は、前記中心軸線に沿って延びる、前記中間空洞部に挿入された第1ロッドを含み、
前記第1変換機構は、前記第1ロッドに設けられた、前記中心軸線に沿う軸方向に延びる第1ラックを含み、
前記第1変換回転子は、前記第1発電機回転子に連結された、前記第1ラックに噛み合う第1ピニオン歯車を含む、
請求項2に記載の波力発電装置。 The intermediate structure includes an intermediate cavity extending along a central axis,
The first structure includes a first rod extending along the central axis and inserted into the intermediate cavity;
The first conversion mechanism includes a first rack provided on the first rod and extending in an axial direction along the central axis,
the first converter rotor includes a first pinion gear coupled to the first generator rotor and meshing with the first rack;
The wave power generating device according to claim 2.
前記中間構造体は、前記中心軸線に沿って延びる、前記第1空洞部に挿入された第1中間ロッドを含み、
前記第1変換機構は、前記第1中間ロッドに設けられた、前記中心軸線に沿う軸方向に延びる第1ラックを含み、
前記第1変換回転子は、前記第1発電機回転子に連結された、前記第1ラックに噛み合う第1ピニオン歯車を含む、請求項4に記載の波力発電装置。 The first structure includes a first cavity extending along a central axis,
The intermediate structure includes a first intermediate rod extending along the central axis and inserted into the first cavity,
the first conversion mechanism includes a first rack provided on the first intermediate rod and extending in an axial direction along the central axis,
5. The wave power generator of claim 4, wherein the first converter rotor includes a first pinion gear coupled to the first generator rotor and meshing with the first rack.
第2発電機回転子を含み、前記第2変換回転子の回転変位で前記第2発電機回転子が回転して発電を行う第2装置発電機と、を備え、
前記第2発電機回転子および前記第2変換回転子は、前記中間構造体から前記第2構造体への振動伝播を低減する慣性質量要素として機能する第2回転体を構成している、請求項5または6に記載の波力発電装置。 a second conversion mechanism including a second conversion rotor and configured to convert a relative displacement between the second structure and the intermediate structure into a rotational displacement of the second conversion rotor;
a second device generator including a second generator rotor, the second generator rotor being rotated by the rotational displacement of the second conversion rotor to generate power;
7. The wave power generation device according to claim 5, wherein the second generator rotor and the second converter rotor constitute a second rotor that functions as an inertial mass element that reduces vibration transmission from the intermediate structure to the second structure.
前記中間構造体は、前記中心軸線に沿って延びる、前記第2空洞部に挿入された第2中間ロッドを含み、
前記第2変換機構は、前記第2中間ロッドに設けられた、前記中心軸線に沿う軸方向に延びる第2ラックを含み、
前記第2変換回転子は、前記第2発電機回転子に連結された、前記第2ラックに噛み合う第2ピニオン歯車を含む、請求項7または8に記載の波力発電装置。 the second structure includes a second cavity extending along the central axis;
The intermediate structure includes a second intermediate rod extending along the central axis and inserted into the second cavity,
the second conversion mechanism includes a second rack provided on the second intermediate rod and extending in an axial direction along the central axis,
9. The wave power generator according to claim 7 or 8, wherein the second converter rotor includes a second pinion gear coupled to the second generator rotor and meshing with the second rack.
前記第1構造体および対応する前記第2構造体のそれぞれに弾性的に接続され、前記第1構造体および対応する前記第2構造体のそれぞれに対して相対変位可能な複数の前記中間構造体と、
前記第1構造体と対応する前記中間構造体との間の相対変位を前記第1変換回転子の回転変位に変換する複数の前記第1変換機構と、
対応する前記第1変換回転子の回転変位で前記第1発電機回転子が回転して発電を行う複数の前記第1装置発電機と、を備えた、請求項1~10のいずれか一項に記載の波力発電装置。 A plurality of the second structures;
a plurality of intermediate structures elastically connected to the first structure and the corresponding second structure, the intermediate structures being relatively displaceable with respect to the first structure and the corresponding second structure;
a plurality of first conversion mechanisms for converting relative displacement between the first structure and the corresponding intermediate structure into rotational displacement of the first conversion rotor;
A wave power generation device according to any one of claims 1 to 10, comprising: a plurality of first device generators in which the first generator rotor rotates with a corresponding rotational displacement of the first conversion rotor to generate power.
前記波力発電装置に支持された風力発電設備と、を備えた、洋上風力発電システム。 A wave power generation device according to any one of claims 1 to 14,
and a wind power generation facility supported by the wave power generation device.
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