JPWO2002077369A1 - ジャイロ式波力発電装置およびそれを使用した消波装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、コントロール・モーメント・ジャイロを構成要素とする波浪エネルギーを利用したジャイロ式波力発電装置を提供するものである。このため、本発明は、浮体１と、この浮体に支持されたコントロールモーメントジャイロ５と、前記ジャイロのジンバル軸に増速手段９を介して接続した発電装置１０とを備え、波浪による浮体の揺動により前記ジャイロのジンバル６を回転させ、発電装置１０を駆動して発電を行うようにしたことを特徴としている。

Description

技術分野
本発明は、コントロール・モーメント・ジャイロを構成要素とする波浪エネルギーを利用したジャイロ式波力発電装置に関するものである。
背景技術
最近，地球温暖化現象等の地球環境問題が世界的に注目されている中、クリーンな自然エネルギーの利用を強力に推進して行く必要がある。
自然エネルギー利用の代表的なものとして、太陽光発電、風力発電や波力発電があり、太陽光発電と風力発電はすでに実用化されつつある。しかし、太陽光発電は太陽電池パネルを作成する上での経済的な課題あり、また、風力発電は地震や台風の多い日本では頑丈な構造にする必要があり、又広い敷地面積を要するなどの問題がある。
一方、波力発電については、四囲を海に囲まれた日本では、非常に有望なエネルギー源であることから、その研究は進んでいるものの、まだ本格的な実用化レベルに至っておらずその活用が重要な課題となっている。
波力発電には種々の方式が提案され、実験がなされている。方式の多くは、波の上下運動を利用して、空気又は水の流れをつくり、その流れをダクトに導き、タービンを回転させるもの（特開平６−２８０２４０号、特開平５−１６４０３６号等を参照）であり、小型の浮体式発電装置としては、航路標識用として実用化されている。また、大型の浮体式波力発電方式としては、海洋科学技術センターの「海明」「全長８０ｍ、幅１２メートル、８００トン）が、また固定式としては「三瀬型」（新技術事業団等）が試験されている。
しかし、前述のような流体を用いる波力発電装置では、波の大きさ等において、効率の良い発電ができる条件が非常に限られるため、全体としては効率の低いものになってしまう。このため、効率をあげるためにはある程度大規模なシステムが必要となるが、設備が大型化し経済的でない。
そこで本発明は、小型で効率の良い波力発電装置を実現するために、海上の浮体の揺れをコントロールモーメントジャイロで受け止め、そのエネルギを利用して発電するジャイロ式波力発電装置およびそれを使用した消波装置を提供することにより、上記問題点を解決することを目的とする。
本発電装置は、密閉されたジンバルと、その中にジンバル軸とスピン軸が直交方向をなすように配置されかつスピン軸を中心としてスピン可能に収めたフライホイールと、フライホイールを高速で回転するスピンモータと、ジンバル軸に増速ギアを介して接続された発電機とを備え、波の運動による浮体の揺れによりジンバルを回転し発電する構成となっている。また、装置には浮体の傾きや角速度を検出するセンサとジンバルの回転角や姿勢を検出するエンコーダを設け、これらの信号を用いて、浮体の揺れとコントロールモーメントジャイロ本体の回転を同期させることにより発電効率を高める。さらに、波の運動は基本的には円運動であることから、波の運動にあわせてジンバル回転を合わせることにより発電効率を高めるものである。
発明の開示
本発明が採用した技術解決手段は、
浮体と、この浮体に支持されたコントロールモーメントジャイロと、前記ジャイロのジンバル軸に増速手段を介して接続した発電装置とを備え、波浪による浮体の揺動により前記ジャイロのジンバルを回転させ、発電装置を駆動して発電を行うようにしたことを特徴とするジャイロ式波力発電装置である。
また、前記浮体には、複数のコントロールモーメントジャイロを設け、それぞれのコントロールモーメントジャイロにより発電できるようにしたことを特徴とするジャイロ式波力発電装置である。
また、前記浮体内にバラストを入れ、浮体の固有周波数を変え、浮体の周波数と、波の周波数を同期させることができるようにしたことを特徴とするジャイロ式波力発電装置である。
また、浮体の揺れと、コントロールモーメントジャイロ本体の回転を同期させるようにジャイロの回転数を制御するようにしたことを特徴とするジャイロ式波力発電装置である。
また、前記記載のジャイロ式波力発電装置を水面上に複数台ならべることによって構成したことを特徴とする消波装置である。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係るコントロールモーメントジャイロと発電機と制御装置からなるジャイロ式波力発電装置を図面を参照して説明すると、図１は第１実施形態としての同波力発電装置の側断面図、図２は同波力発電装置に使用する浮体の斜視図、図３は制御ブロック図、図４はコントロールモーメントジャイロの配置例を示す平面図である。
図１において、１は浮体であり、この浮体１は、図２に示すように左右の浮体１Ａ、１Ａを連結部材１Ｂ、１Ｂで結合した略四角形をしており、後述するコントロームモーメントジャイ式発電装置は前記四角形の浮体の底面２の中心部に配置され、また、浮体１は適宜アンカー３により海底に固定されている。なお浮体１は四角形である必要はなく、転覆するおそれのない形状、例えば、船体形、円形、多角形とすることができる。
浮体１の中央部底面２にはコントロールモーメントジャイロ５のジンバル軸受台４、４が対向して立設されており、このジンバル軸受台４、４にコントロールモーメントジャイロ５のジンバル軸６ａ、６ｂが回転自在に軸支されている。ジンバル６は円筒型をした密閉容器として形成されており、この密閉容器を形成するジンバル６内には、ジンバル軸６ａ、６ｂとスピン軸７ａが直交方向をなすように配置されたフライホイール７が回転自在に設けられ、フライホイール７のスピン軸７ａにはスピンモータ８が取付けられている。スピンモータ８はジンバル容器内（あるいは容器の外側側面）に配置され、この部分から容器内に空気等が入らぬようにシールされている。ジンバル６を形成している密閉型容器内は図示せぬ真空ポンプに接続され、この負圧ポンプによってたとえば、ジンバル６内を０．１気圧以下としフライホイール７の抵抗を少なくし、風損を減らすようにしている。
前記ジンバル６の一側の軸６ｂにはギヤ機構等からなる増速手段９を介して発電機１０が接続されており、ジンバル６が回転することにより発電機１０によって発電することができるようになっている。なお発電機１０はジンバル６の回転方向に係わらず適宜整流器を介して電力変換器（不図示）あるいは蓄電器（不図示）に接続されている。また、ジンバル６の他側の軸６ａには、前記スピンモータ８、真空ポンプ駆動用モータへの給電用のブラシ１１が取付けられ、適宜電源に接続されている。また、事故時など非常自体にフライホイールを適切に止めるブレーキを適宜設置することもある。前記発電機１０は浮体の底面上に設けた台１２上に載置固定されている。なお、コントロールモーメントジャイロの基本構成、作動は従来のものと同様であり、それらの作動原理の説明は省略する。
浮体１には、電力、発電機を制御するための制御機器１３が設けられているとともに、浮体１内にバラスト水を注入できるように、その水量を調整するポンプ（不図示）とバルブ（不図示）が設けられており、バラスト量によって浮体の揺れの固有周波数を波の周波数に合わせることができるようになっている。さらに、浮体１には浮体１の傾きや角速度を検出する揺れセンサ１４とジンバル６の回転角や姿勢を検出するエンコーダ（ジンバル軸方向センサ）１５が設けられ、これらは浮体１に設けた制御機器１３に電気的に接続されている。
また浮体１に取り付けた発電機を含む各種機器は、全体がカバー１６などによって覆われ、海水等がかからぬように設計されている。
上記構成からなるジャイロ式波力発電装置の作用を説明する。
ジャイロ式波力発電装置を海上に浮かべ、フライホイール７をスピンモータ８によって高速で回転させた状態としておく。波の運動によって浮体１が揺動（傾き）すると、この動きがコントロールモーメントジャイロ５で受け止められ、ジンバル６が回転し、その回転により増速手段９を介して発電機１０を駆動し発電が行われる。発電された電力は適宜蓄電器に蓄電され、あるいは直接アクチュエータに供給されアクチュエータを作動する。
この発電状態の時に、制御装置は、浮体の傾きや角速度を検出する揺れセンサ１４とジンバルの回転角や姿勢を検出するエンコーダ（ジンバル軸方向センサ）１５の信号を用いて、図３に示す制御ブロックにより浮体の揺れとコントロールモーメントジャイロ本体の回転を同期させ、また、ジャイロ６の回転数を発電機側で制御することにより最も効率のよい発電をおこなう。また、浮体１内にポンプによってバラスト水を注排水し、その水量によって浮体の揺れの固有周波数を波の周波数に合わせるて発電効率を上げるようにしている。特に夏と冬では波の大きさ、周波数が異なるため、この方式は有効である。上記発電機の制御あるいはバラスト水の制御はパソコン等にインストールしたソフトウエア等によっておこなう。
ところで、本発明に係るＣＭＧ方式（ジャイロ式波力発電方式）の発電効率とこれまで開発されてきた浮体空気タービン方式の効率について比較した１例を簡単に説明すると以下のようになる。
本発明に係るＣＭＧ方式の効率は次の３段階の変換効率を合成して求めることができる。
（１）波から浮体の運動への１次変換効率は η_１＝０．６〜０．９
（２）浮体の運動からＣＭＧの出力軸への変換効率は η_２＝０．９〜０．９５

から合成した効率は η_Ｔ＝０．４３〜０．７７となる。
一方、海明やマイティホエールズのように、これまで開発されてきた浮体空気タービン方式では次の５段階の変換効率を合成して求めることができる。
（１）波から浮体の運動への１次変換効率は η_１＝０．６〜０．９

（３）水柱の運動から空気の運動への変換効率は η_ａ＝０．９〜１．０

（５）タービン出力から発電機出力への変換効率は η_Ｇ＝０．８〜０．９
これらを合成した効率は η_Ｔ＝０．１０〜０．３９となる。
この内（１）と（５）は同一であるから、タービンを用いることによって効率が低下していることが判る。
即ち浮体の運動から発電機入力まの効率がＣＭＧ方式では運動量変換しているだけなので機械損失以外のロスがなく、η_２＝０．９〜０．９５に対してタービン方式では３段階の変換を経るため、η_２＝０．２１６〜０．４８となっており、これで２倍の差が出てくる。
波の高さと出力の関係の比較
波は波高が高いと振動数が低くなり、波高が低いと振動数が高くなる特性を有している。この結果発電装置の出す出力特性は図６に示すような傾向があり、ＣＭＧ方式は波高が低い時にも出力低下が小さく、波高が高い時にも出力が出過ぎない特性をもつので安定した出力が得られ運用に有利である。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、一台の浮体に対してコントロールモーメントジャイロを複数セット配置することができる。例えば図４に示すように２台でペアにし、浮体上でのそれぞれの設置角を異ならせることにより、波の方向に係わらず安定した発電を行うことが可能となる。波の運動は基本的には円運動であり、それにジンバル回転を合わせるとともに、ジャイロ本体の設置方向は波の進行方向に対して斜めにすることが望ましい。
また、上記波力発電装置を、図５に示すように複数台連ねて防波堤のように並べることで静穏海域を創成する消波装置を構成することもできる。
さらに、本発明は上記実施形態に限定することなく、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
産業上での利用可能性
これまで詳述してきたように本発明のジャイロ式波力発電装置によれば、
海上の浮体の揺れをコントロールモーメントジャイロで受け止め、そのエネルギを利用して効率よく発電することができる。また本装置を構成する密閉されたジンバル内を真空ポンプによって負圧とすることにより、ジンバル内のフライホイールの抵抗を少なくすることができ、スピンモータの駆動エネルギを小さくすることができる。一台の浮体にコントロールモーメントジャイロを複数セット配置することにより、浮体の不都合な揺れを防止し効率的な発電を行うことができる。浮体内に水をバラストとして入れ、その水量を調整することにより浮体の揺れの固有周波数を波の周波数に合わせ発電効率を上げることができる。さらに上記発電装置を備えた浮きたいを防波堤のように並べてを消波装置とし、静穏海域を創成することができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るコントロールモーメントジャイロと発電機と制御装置からなるジャイロ式波力発電装置の断面図である。
図２は、同波力発電装置に使用する浮体の斜視図である。
図３は、同波力発電装置に使用する制御ブロック図である。
図４は、同波力発電装置に於けるコントロールモーメントジャイロの配置例をしめす平面図である。
図５は、波力発電装置を複数台連ねた消波装置の説明図である。
図６は、波の高さと発電機出力の関係図である。

Claims (5)

1. 浮体と、この浮体に支持されたコントロールモーメントジャイロと、前記ジャイロのジンバル軸に増速手段を介して接続した発電装置とを備え、波浪による浮体の揺動により前記ジャイロのジンバルを回転させ、発電装置を駆動して発電を行うようにしたことを特徴とするジャイロ式波力発電装置。
2. 前記浮体には、複数のコントロールモーメントジャイロを設け、それぞれのコントロールモーメントジャイロにより発電できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のジャイロ式波力発電装置。
3. 前記浮体内にバラストを入れ、浮体の固有周波数を変え、浮体の周波数と、波の周波数を同期させることができるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のジャイロ式波力発電装置。
4. 浮体の揺れと、コントロールモーメントジャイロ本体の回転を同期させるようにジャイロの回転数を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のジャイロ式波力発電装置。
5. 前記請求項１〜請求項４の何れかに記載のジャイロ式波力発電装置を水面上に複数台ならべることによって構成したことを特徴とする消波装置。

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